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1、金属材料成形基础 主讲徐晓峰 第五章金属切削加工基础知识 1切削运动与切削要素 2金属切削刀具 3金属切削过程 4材料的切削加工性 第五章金属切削加工基础知识 一 切削加工 用刀具从金属材料 毛坯 上切去多余的金属层 获得几何形状 尺寸精度和表面质量都符合要求的零件的生产方法 二 零件的加工质量 1 加工精度 尺寸精度 形状精度 位置精度 IT01 IT0 IT6 IT7 IT8 IT18 圆柱度 平面度 圆度等 平行度 垂直度 同轴度等 2 表面质量 表面粗糙度 表面加工硬化的程度和深度 表面残余应力的大小和性质 Ra 1切削运动与切削要素 一 零件表面的形成 平面 外圆面 内圆面 孔 锥面
2、 曲面 成形面 二 切削运动 为了形成零件表面形状 刀具与工件之间的相对运动 1 主运动 切下切屑最主要的运动 特点 在整个运动系统中 速度最高 消耗的功率最大 主运动只有一个 2 进给运动 使金属层不断投入切削 加工出完整表面所需的运动 特点 速度低 消耗的功率小 有一个或多个 3 零件上的三个表面 已加工表面 加工表面 待加工表面 n f 三 切削要素 1 切削用量三要素 1 切削速度 vc m s 在单位时间内 工件或刀具沿主运动方向的相对位移 dw dm 旋转运动 m s 往复直线运动 m s 2 进给量 f mm 在单位时间内 主运动的一个循环内 刀具或工件沿进给运动方向的相对位移
3、单位时间的进给量 进给速度 vf mm s 3 背吃刀量 ap mm mm 2 切削层几何参数 切削层 指工件上正在被切削刃切削的那一层金属 即两个相邻加工表面之间的那一层金属 1 2 f ap Kr f ap Kr 1 切削厚度 ac mm 两相邻加工表面之间的垂直距离 ac mm 2 切削宽度 aw mm 沿主刀刃度量的切削层的长度 aw mm 3 切削面积 AC mm2 mm2 2金属切削刀具 一 刀具的组成 切削部分 刀头 夹持部分 刀体 前刀面 主后刀面 副后刀面 主刀刃 副刀刃 刀尖 切屑流出所经过的表面 刀具上与工件的加工表面相对的表面 刀具上与工件的已加工表面相对的表面 夹持部
4、分 刀体 切削部分 刀头 前刀面 主后刀面 副后刀面 主刀刃 副刀刃 刀尖 二 刀具材料 1 对刀具材料的基本要求 较高的硬度 一般要求在HRC60以上 有足够的强度和韧性 有较好的耐磨性 较高的耐热性 有较好的工艺性 2 常用刀具材料 碳素工具钢 C 0 7 1 4 T8 T10 T10A T12等 HRC 61 65 特点 a 淬火后硬度高 HRC 61 65 b 价格低 耐热温度低 淬火后应力 变形大 250 300 应用 速度低 形状简单的手动工具 如锉刀 锯条等 合金工具钢 Me 5 9SiCr CrWMn等 HRC 61 68 耐热温度 350 400 应用 速度低 形状复杂的工具
5、 如绞刀 板牙 丝锥等 高速钢 高合金钢 W 6 20 Cr 3 8 4 4 V 1 0 4 HRC 62 69 耐热温度 600 V 20 30 m min 应用 各种形状复杂的刀具 如钻头 铣刀 拉刀 齿轮刀具和其他成形刀具 硬质合金 碳化物 粘结剂 粉末冶金 碳化物 WC TiC TaC NbC 粘结剂 Co HRC 76 84 耐热温度 1000 允许的切削速度是高速钢的4 10倍 钨钴类 YG WC Co 韧性好 硬度低 切削韧性材料时耐磨性较差 适于加工铸铁 青铜等脆性材料和粗加工 钨钴钛类 YT WC TiC Co 硬度高 耐磨性好 耐热性好 但韧性较差 适于加工韧性材料和精加工
6、 陶瓷材料 主要成分是Al2O3 HRC 93 94 耐热温度 1200 1450 主要用于加工半精加工和精加工高硬度 高强度钢及冷硬铸铁等材料 人造金刚石 立方氮化硼等刀具材料 三 刀具几何形状 1 三个辅助平面 基面 过主刀刃上一点 与该点切削速度方向相垂直的平面 切削平面 过主刀刃上一点 与该点加工表面相切的平面 切削平面 主剖面 主剖面 过主刀刃上一点 与主刀刃在基面上的投影相垂直的平面 2 刀具的主要标注角度 1 前角 0 前刀面和基面之间的夹角 在主剖面内度量 0 2 后角 0 主后刀面和切削平面之间的夹角 在主剖面内度量 0 3 主偏角 kr 4 副偏角 kr kr Kr 5 刃
7、倾角 S 主切削刃与基面之间的夹角 在切削平面内度量 3 刀具的工作角度 4 刀具的结构形式 1 焊接式车刀 2 机加重磨式车刀 3 机加可转位式车刀 四 刀具角度对加工过程的影响 1 前角 0 作用 减小切屑的变形 减小前刀面与切屑之间的摩擦力 所以 a 减小切削力和切削热 b 减小刀具的磨损 c 提高工件的加工精度和表面质量 0 选择 前角 0 可正 可负 也可以为零 高速钢车削碳钢 0 200 300 硬质合金车削碳钢 0 100 200 2 后角 0 作用 减小工件加工表面与主后刀面之间的摩擦力 所以 a 减小切削力和切削热 b 减小刀具的磨损 c 提高工件的加工精度和表面质量 0 选
8、择 后角 0 只能是正的 精加工 0 80 120 粗加工 0 40 80 3 主偏角 kr 改善切削条件 提高刀具寿命 作用 选择 系统刚性好 取较小的kr 100 300 450 系统刚性差 取较大的kr 600 750 900 4 副偏角 kr 最终形成已加工表面 作用 选择 在不产生振动的前提下 取小值 Kr 使已加工表面残留密集的高度减小 降低工件的表面粗糙度 5 刃倾角 S 作用 影响切削刃的锋利程度 影响切屑流出方向 影响刀头强度和散热条件 影响切削力的大小和方向 选择 粗加工 可取零或负 S 0 S 精加工 取正 S 3金属切削过程 金属材料在刀具的作用下变形 分离的过程 一
9、切屑的形成过程及切屑的种类 1 切屑的形成过程与切屑变形 F 450 O M A B F O M A B Lc ac Lch ach 切屑的变形程度用变形系数 表示 Lc Lch ach ac 1 影响切屑变形的因素 刀具角度 切削速度 材料塑性 刀具与切屑之间的摩擦系数 2 切屑的种类 1 带状切屑 特征 内表面光滑 外表面呈毛茸状 形成条件 塑性材料 速度中等 较大的 0 较小的f和ap 2 节状切屑 特征 内表面有时有裂纹 外表面呈锯齿状 形成条件 中等硬度的塑性材料 速度较低 较小的 0 较小的f和ap 3 崩碎状切屑 特征 不规则的碎块状 形成条件 脆性材料 二 积屑瘤 在一定的切削
10、速度下切削塑性材料时 常发现在刀具前刀面上靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属 称为积屑瘤 1 积屑瘤的形成 1 积屑瘤的形成过程 2 积屑瘤的形成条件 工件材料 塑性材料 切削速度 中等 10 50m min 温度约300 刀具角度 0偏小 冷却条件 不加切削液 2 积屑瘤对加工过程的影响 有利 使 0增大 使切削过程变得轻快 可代替主刀刃和前刀面进行切削 保护刀具 所以 粗加工时可以利用 3 积屑瘤的抑制 不利 积屑瘤不稳定 易引起振动 使Ra增大 会引起ap的变化 使加工精度降低 所以 精加工时应尽量避免 利用切削液 控制切削速度 加大刀具前度 0 对工件进行正火 调质处理 降低 ak
11、三 切削力和切削功率 1 切削力 1 切削力的构成 材料的弹性变形和塑性抗力 切屑 工件表面与刀具的摩擦力 2 切削力的分解 刀具切削工件时作用在刀具或工件上的力 将Fr沿速度方向 轴向和径向三个相互垂直的发现分解为Fz Fx Fy F弹 塑 F摩1 F摩2 Fr 主切削力 切向分力 Fz Fz 是Fr在切削速度方向上的分力 主切削力占总切削力的80 90 消耗的功率占总功率的95 以上 是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据 进给抗力 轴向分力 Fx Fx 是Fr在进给方向上的分力 消耗的功率仅占总功率的1 5 是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据 切深抗力 径向分力 Fy 是Fr
12、在切削深度方向上的分力 Fy FX Y 3 影响切削力的因素 工件材料 材料的强度 硬度越高 塑性韧性越好 Fr越大 切削用量 ap f增大 Fr越大 刀具角度 增大 0 Fr减小 增大kr Fy减小 Fz增大 冷却条件 加切削液 Fr减小 4 切削力的估算 生产中常用单位切削力p估算切削力的大小 单位切削力 切削单位面积所需要的切削力 单位 N MM2 N 2 切削功率 Pm W W 四 切削热和切削温度 1 切削热的来源与传散 1 切削热的来源 a 切屑变形所产生的热 b 切屑与前刀面之间的摩擦 c 工件与后刀面之间的摩擦 切屑 介质 工件 刀具 50 80 1 40 10 9 3 2 切
13、削热的传散 2 切削温度及其影响因素 切削温度 切削区的平均温度 切削区 切屑 工件 刀具相接触的区域 影响切削温度的因素 工件材料 材料的强度 硬度越高 塑性 韧性越好 切削温度越高 材料的导热性愈好 切削温度愈低 刀具 冷却条件 加切削液 切削温度降低 刀具角度 增大 0 切削温度降低 减小kr kr 切削温度降低 刀具材料 导热性愈好 切削温度愈低 切削用量 愈大 切削温度愈高 但的影响最大 次之 最小 3 切削液 在切削过程中 正确的选择和使用切削液 对降低切削温度 减小刀具磨损 提高生产率和加工质量有着重要的意义 1 切削液的作用 a 冷却作用 b 润滑作用 c 洗涤与排屑作用 d
14、防锈作用 2 切削液的种类 乳化液 乳化油 水 呈乳白色 应用最广泛 切削油 矿物油 润滑作用 水溶液 水 防锈剂等 呈透明状 3 切削液的选用 粗加工 以冷却为主 如水溶液 低浓度的乳化液等 精加工 以润滑为主 高浓度的乳化液 切削油等 五 刀具磨损和刀具耐用度 1 刀具磨损 1 刀具磨损形式 后刀面磨损 VB 这种磨损一般发生在切削脆性材料或以较小的切削厚度 ac 0 1mm 切削塑性材料的条件下 前刀面磨损 KT 这种磨损一般发生在以较大的切削厚度 ac 0 5mm 切削塑性材料的条件下 前后刀面同时磨损 这种磨损一般发生在以中等切削厚 ac 0 1 0 5mm 切削塑性材料的条件下 由
15、于多数情况下 后刀面都有磨损 它的磨损对加工质量的影响较大 而且测量相对方便 所以一般都用后刀面的磨损高度VB来表示刀具的磨损程度 2 刀具的磨损过程 VB t O A B C 初期磨损阶段 OA 磨合阶段 正常磨损阶段 AB 急剧磨损阶段 BC 所以 应在刀具正常磨损阶段后期 急剧磨损阶段之前刃磨刀具 判断刀具钝化的方法 观察法 测定 限定 刀具后刀面的磨损高度VB 精加工 VB 0 1 0 3mm 粗加工 粗车中碳钢 VB 0 6 0 8mm 粗车合金钢 VB 0 4 0 5mm 但VB的测量 a 须经验丰富 b 影响生产率 所以 在数控机车 加工中心得到广泛应用 规定刀具使用时间 刀具耐
16、用度 2 刀具耐用度 T 指刀具由开始切削到磨钝为止的实际切削总时间 刀具在两次刃磨之间的实际切削总时间 如粗加工 硬质合金车刀 T 60min 高速钢钻头 T 60 120min 3 影响刀具磨损与刀具耐用度的因素 切削用量 愈大 刀具磨损加剧 但的影响最大 次之 最小 工件材料 材料的强度 硬度越高 温度越高 材料的导热性愈差 刀具磨损愈快 降低刀具耐用度 刀具 冷却条件 合理使用切削液 可降低切削温度降低 减小摩擦 提高刀具耐用度 刀具角度 增大 0 0 可减小切屑变形 减小摩擦 从而减小刀具磨损 提高刀具耐用度 b 刀具材料 耐磨性 耐热性愈好 刀具耐用度愈高 4材料的切削加工性 材料的切削加工性是指材料被切削加工的难易程度 一 衡量材料切削加工性的指标 2 相对加工性kr 1 一定刀具耐用度下的切削速度 当刀具的耐用度为T时 切削某种材料所允许的切削速度 材料的切削加工性越好 若T 60min 则 若把45钢的作为基准 写为 材料具有良好的切削加工性 材料的切削加工性较差 常用材料的切削加工性分为八级 P27 表1 11 3 已加工表面质量 5 切削力 4 切屑的控制或断屑的
