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1、第二章制造工艺装备 本章是全书重点主要内容 金属切削刀具机床机床夹具 第一节金属切削刀具的基本知识 一 金属切削加工的基本概念金属切削加工 金属切削加工是利用刀具从工件待加工表面上切去一层多余的金属 从而使工件达到规定的几何形状 尺寸精度和表面质量的机械加工方法 一 金属切削加工的基本概念 金属切削加工分为钳工和机械加工 简称机工 两部分 钳工一般时通过工人手持工具进行切削加工的 钳工加工方式多种多样 使用的工具简单 方便灵活 是装配和修理工作中不可缺少的加工方法 机工主要是通过工人操纵机床来完成切削加工的 其主要加工方法有车削 钻削 铣削 刨削 磨削等 所用的机床分别为车床 钻床 铣床 刨床
2、 磨床等 1 切削运动与切削用量 为了切除多余的金属 刀具和工件之间必须有相对运动 即切削成形运动 简称切削运动 切削运动可分为主运动和进给运动 主运动和进给运动 1 切削运动与切削用量 1 主运动含义 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动 主运动的速度最高 所消耗的功率最大 1 切削运动与切削用量 2 进给运动进给运动是不断地把被切削层投入切削 以逐渐切削出整个表面的运动 进给运动一般速度较低 消耗的功率较少 1 切削运动与切削用量 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动 合成切削方向为切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向 2 切削时的工件表面 在切削过程中 工件上通
3、常存在以下三个表面 1 待加工表面 工件上即将被切除的表面 2 已加工表面 工件上经刀具切削后形成的表面 3 过渡表面 加工表面 工件上被切削刃正在切削着的表面 它总是处在待加工表面与已加工表面之间 切削时的工件表面视频 3 切削用量三要素 切削速度vc 进给量f 或进给速度vf 和背吃刀量ap切削用量三要素 切削用量三要素是调整刀具与工件相对运动速度和相对位置所需的工艺参数 切削用量三要素视频 1 切削速度切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度 计算公式为 旋转运动 vc dn 1000往复运动 v 2Lnr 1000单位 m s或m min 3 切削用量三要素 2 进给量f 进给速度vf
4、和每齿进给量fz进给量f 工件或刀具每转一周时 刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量 单位为 mm r 进给速度vf 在切削刃选定点相对于工件进给运动的瞬时速度 单位为 mm s或mm min 3 切削用量三要素 每齿进给量fz 对于铣刀 铰刀 拉刀 齿轮滚刀等多刃切削工具 在它们进行工作时 还应规定每一个刀齿的进给量 即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量 单位是mm z 毫米 齿 进给速度vf nf nfzz mm s或mm min 3 切削用量三要素 对于外圆车削和刨削 背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离 车削外圆时ap dw dm 2 3 切削用量三要素 例题 车外圆
5、时工件加工前直径为62mm 加工后直径为56mm 工件转速为4r s 刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm 工件加工长度为110mm 切入长度为3mm 求v f ap和切削工时t 解 v dn 1000 62 4 1000 0 779m s f vf n 2 4 0 5mm r ap dw dm 2 62 56 2 3mm t l l1 l2 vf 110 3 0 2 56 5s 3 切削用量三要素 4 切削层参数 由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层 切削层的截面尺寸称为切削层参数 它决定刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小 通常在基面Pr内度量 1 切削厚度ac s 0 垂直于过渡表面测量
6、的切削层尺寸 ac fsin r 2 切削宽度aw沿过渡表面测量的切削层尺寸aw ap sin r 3 切削层面积Ac 0 Ac acaw fap 4 切削层参数 二 刀具角度 金属切削刀具的种类很多 要使刀具能够切除材料 刀具必须具有正确的角度 一 刀具切削部分的组成 三面前刀面A 后刀面A 副后刀面A 两刃主切削刃S副切削刃S 一尖 其他刀具可看作是车刀的演变和组合 二 定义刀具角度的参考系 1 刀具标注角度参考系设计制造测量角度时的基准 1 基面Pr 2 切削平面Ps 1 刀具标注角度参考系 3 切削刃剖平面正交平面Po 通过主切削刃上选定点 垂直于基面和切削平面的平面 正交平面参考系
7、基面 切削平面和正交平面组成标注刀具角度的正交平面参考系 正交平面参考系视频 1 刀具标注角度参考系 法平面Pn 过切削刃上选定点并垂直于主切削刃的平面进给平面Pf 垂直于基面平行于进给方向的平面切深平面Pp 垂直基面和假定工作平面的平面 2 刀具工作角度参考系 三 刀具的标注角度 前角 0 前刀面 基面 正交平面 后角 0 主后刀面 切削平面 正交平面 主偏角 r 主刃投影 假定进给方向 基面 副偏角 r 主刃投影 假定进给方向 基面 刃倾角 s 主刃 基面 切削平面 三 刀具的标注角度 刀具几何角度视频 四 刀具的工作角度 1 横向进给运动的影响 oe o oe o tan f d 当进给
8、量f一定时 随d值 值 接近中心 oe为负值 当f 值 横车时f不宜过大 并应适当加大 o 2 轴向进给运动的影响 oe o oe o tan tan fsin r fsin r dw f 或dw 时 f 均 车削右螺纹时左侧刃应 o 左8 右2 右刃应 o 车右螺纹时左侧刃 fe f f fe f ftan f f dw 3 安装高度的影响 pe p p pe p ptan p h oe o oe o tan tan pcos r 假定车刀 s 0 刀尖高于工件中心 若刀尖低于工件中心 角度变化与上述相反 4 刀杆中心线偏斜的影响 G G G G 三 刀具材料 高的硬度 比工件高 2 4倍
9、HRC60高的耐磨性 耐磨性是硬度 组织结构及化学性能等的综合反映 足够的强度和韧性 不崩刃 不断裂高的耐热性 热稳定性 高温时可以加工良好的热物理性能和耐热冲击性能 热传导系数大 除敌人良多 线膨胀系数小 良好的工艺性能 锻造性能 磨削性能 热处理性能等 刀具制造成本低 1 刀具材料应具备的性能 2 高速钢 常用刀具材料有碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石 立方炭化硼等 2 高速钢含有较多钨 钼 烙 钒等元素的高合金工具钢 较高的硬度 热处理硬度达HRC62 67 和耐热性 切削温度可达550 600 切速比碳素工具钢和合金工具钢高1 3倍 因此而得名 刀具耐用度高10
10、40倍 甚至更多可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料制造工艺简单 能锻造 容易磨出锋利的刀刃在复杂刀具 钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 的制造中占有重要地位 2 高速钢 1 通用型高速钢 含碳量0 7 0 9 62 66HRC 钨系高速钢W18Cr4VW14Cr4MnRE钼系高速钢W6Mo5Cr4V2高温塑性好主要用于一般材料的常规加工 速度不高于50m min 2 高性能高速钢 增加碳量钒量 添加钴铝等66 70HRC 9W18Cr4VW6Mo5Cr4V3W6Mo5Cr4V2Co8W2Mo9Cr4VCo8W6Mo5Cr4V2AlW10Mo4Cr4V3Al主要用于难加工材料的加
11、工 加工普通材料可达90m min 3 粉末冶金化 表面处理及涂层等 2 高速钢 3 硬质合金 3 硬质合金 用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物 碳化钨 碳化钛 碳化钽 碳化铌等 与金属粘结剂 钴 镍 钼等 在高温下烧结而成的粉末冶金制品 硬度 HRA89 93 能耐850 1000 C的高温 良好的耐磨性 切速可达100 300m min 可加工包括淬硬钢在内的多种材料 广泛应用硬质合金的抗弯强度低 冲击韧性差 不锋利 较难加工 不易做成形状复杂的整体刀具 3 硬质合金 常用的硬质合金有钨钴类 YG类 钨钛钴类 YT类 和通用硬质合金 YW类 3类 分类 YG K 类YT P 类YW M 类短
12、切屑黑色金属加工长切屑的钢材 铸铁等有色金属非金属黑色金属有色金属非金属WC CoWC TiC CoWC TiC TaC Co 常用硬质合金牌号及应用范围 4 涂层刀具和其它刀具材料 涂层刀具 耐磨性高的难熔金属化合物耐用度至少可提高1 3倍 刀片 或2 10倍 高速钢 加工材料的硬度愈高 效果愈好 涂层硬质合金石油管螺纹梳刀 涂层火车轮箍刀 涂层不重磨硬质合金刀片 CVD涂层模具 PVD涂层高速钢齿轮滚刀 铣刀 钻头 PVD涂层模具 PCVD涂层刀具 陶瓷材料 以氧化铝为主要成分 经压制而成在1200 C时可保持HRA80的硬度 脆人造金刚石 在高温高压下由石墨转化而成极高的硬度 显微硬度可
13、达HV10000 和耐磨性 摩擦系数小 切削刃非常锋利 很高的加工表面质量热稳定性较差 不得超过700 800 与铁元素的化学亲和力很强 不宜加工钢铁件 加工硬质合金立方氮化硼 由六方氮化硼在高温高压下转变而成硬度热稳定性很高 可达1300 1400 C 最大的优点 在高温 1200 1300 C 时也不易与铁族金属起反应 4 涂层刀具和其它刀具材料 立方氮化硼产品 立方氮化硼刀片 五 刀具角度的选择 1 选择前角g02 选择后角 o3 选择主偏角 r和副偏角 r4 选择刃倾角ls应当指出 刀具各角度之间是相互联系 相互影响的 孤立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值 1 前角g0 1 影响
14、增大前角切削难易程度 前角 使刀刃变得锋利 使切削更轻快 切屑变形 切削力和切削功率 增大前角刀具寿命 前角 刀刃和刀尖强度 散热体积 影响刀具寿命 1 前角g0 主要取决于 工件材料 刀具材料 加工要求工件强度 硬度较低时 取较大的前角 反之取较小的前角 加工塑性材料 如钢 选较大的前角 脆性材料 如铸铁 选较小的前角 刀具材料韧性好 如高速钢 前角可选得大些 反之 如硬质合金 则前角应选得小一些 粗加工时 特别是断续切削时 应选用较小的前角 精加工时应选用较大前角 硬质合金车刀的前角 0在 5 20 范围内选 高速钢刀具的前角应比硬质合金刀具大5 10 而陶瓷刀具的前角一般取 5 15 2
15、 选择前角g0 2 后角 o 后角的主要功用 减小后刀面与工件的摩擦和后刀面的磨损 其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大的影响 大小取决于 切削厚度 或进给量 也与工件材料 工艺系统的刚性有关 车削一般钢和铸铁时 车刀后角常选用4 6 3 主偏角 r和副偏角 r 影响 主偏角和副偏角对刀具耐用度影响很大 减小主偏角和副偏角刀尖角增大 刀尖强度提高 散热条件改善 刀具耐用度提高 降低残留面积高度 减小加工表面的粗糙度 主偏角和副偏角还会影响各切削分力的大小和比例 主偏角取值 在工艺系统刚性较好时 主偏角 r宜取较小值 如 r 30 45 当工艺系统刚性较差或强力切削时 一般取 r 60 70 车削细长轴时 取 r 90 93 以减小背向力Fp 副偏角 r的大小主要根据表面粗糙度的要求选取 一般为5 15 粗加工时取大值 精加工时取小值 4 刃倾角ls 影响 刀头的强度和切屑流动的方向 取值 在加工一般钢件和铸铁时 无冲击的粗车取ls 0 5 精车取ls 0 5 有冲击负荷时 取ls 5 15 当冲击特别大时 取ls 30 45 切削高强度钢 冷硬钢时 可取ls 30 10 5 刀具角度的选择 刀具角度对切削过程的影响及其选择
