制造技术5章金属切削加工技术讲稿(2011)

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1、课程名称： 制造技术及发展上课时间： 周三 9-10节（1-15周）上课地点： 桃西楼 202答疑时间： 每周五晚7：00 9：00答疑地点： 15号楼404室机械系办公室任课教师： 刘军电 话： 63554632（办）、13015524951办 公 室： 15号楼404机械系办公室考核形式：平时（20%，上课+作业等）+考试(80%)考试时间、地点：教务处安排（从网上查看）制造技术及发展主讲： 刘 军 教材：自编、讲义 班级：临班0632（135人） 学时：30制造技术及发展 1 制造技术与制造系统 2机械工程材料及热处 理 3 机械设计 技术 4 材料成型制造技术 5 金属切削加工技术 6

2、 特种加工技术使用切削工具（包括刀具、磨具和磨料），在工具和工件之间的相对运动中， 从毛坯或半成品上切去多余的金属，以获 得所需要的几何形状、尺寸精度和表面质 量的零件，这种加工方法叫金属切削加 工，也叫冷加工。5 金属切削加工技术术2011年4月13日第7次课14学时金属切削加工方式很多，一般可分为分机加工和钳工，机加工是工人操作机床 完成，有车削加工、铣削加工、钻削加 工、镗削加工、刨削加工、磨削加工、齿 轮加工等，这是我们主要研究的。钳工是 工人用手持工具来加工的，在某些场合 下，钳工加工还是非常经济和方便的。切削加工的主要特点是：工件精度高、生产率高及适应性好，凡是要求具有一定几何尺寸

3、精度和表面粗糙度的零件， 通常都采用切削加工方法来制造。目前绝 大多数零件的质量还要靠切削加工的方法 来保证。金属切削加工虽有多种不同的形式，但在很多方面，如切削运动、切削工具以 及切削过程的物理实质等都有着共同的现 象和规律。这些现象和规律是学习各种切 削加工方法的共同基础。 机器零件的形状虽很多，但分析起来，主要由下列几种表面组成，即外圆 面、内圆面（孔）、平面和成形面。因 此，只要能对这几种表面进行加工，就基 本上能完成所有机器零件的加工。外圆面和孔可认为是以某一直线为母线、以圆为轨迹作旋转运动所形成的表面。5.1 切削运动及切削要素5.1.1 零件表面的形成及切削运动平面是以一直线为母

4、线、以另一直线为轨迹作平移运动所形成的表面。成形面可认为是以曲线为母线、以圆或直线为轨迹作旋转或平移运动所形成的 表面。上述几种表面可分别用图5-1所示的相应的加工方法来获得。由图可知，要对 这些表面进行加工，刀具与工件之间必须 有一定的相对运动，即切削运动。图5-1 零件不同表面加工时的切削运动切削运动包括主运动（图中）和进 给运动（图中）。主运动使刀具和工件之间产生相对运动，促使刀具前刀面接近 工件而实现切削。它的速度很高，消耗功 率最大。进给运动使刀具与工件之间产生 附加的相对运动，与主运动配合，即可连 续地切除切屑，获得具有所需几何特性的 已加工表面。各种切削加工方法（如车 削、钻削、

5、刨削、磨削和齿轮齿形加工等）都是为了加工某种表面而发展起来 的，因此也都有其特定的切削运动。如图 5-2所示，切削运动有旋转的，也有直线的；有连续的，有间歇的。切削时，实际的切削运动是一合成运 动（图5-2），其方向是由合成切削速度 角确定的。图5-2 切削运动切削用量用来衡量切削运动量的大小。在一般的切削加工中，切削用量包括 切削速度、进给量和背吃刀量三要素。（1）切削速度vC。切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度， 以vC表示，单位为 m/s 或 m/min。若主运动为旋转运动，切削速度一般 为其最大线速度，vC按下式计算：5.1.2 切削用量式中：d工件或刀具的直径，mm

6、 ；n工件或刀具的转速，r/s或r/min。若主运动为往复直线运动（如刨削、插削等），则常以其平均速度为切削速 度，vC 按下式计算：式中：L往复行程长度，mm;nr主运动每秒或每分钟的往复次 数，st/s 或 st/min。（2）进给量。刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量。不同的加工 方法，由于所用刀具和切削运动形式不 同，进给量的表述和度量方法也不相同。用单齿刀具（如车刀、刨刀等）加工时，进给量常用刀具或工件每转或每行程，刀具在进给运动方向上相对工件的位 移量来度量，称为每转进给量或每行程进 给量，以 f 表示，单位为 mm/r 或 mm/st （图5-3）。用多齿刀具（如铣头

7、、钻头等）加工时，进给运动的瞬时速度称进给速度，以 vf 表示，单位为 mm/s 或 mm/min。刀具每转或每行程中每齿相对工件在进给运动方 向上的位移量，称每齿进给量，以 fz 表图5-3 车削时切削层尺寸示，单位为mm/z。fz、 f 、vf 之间有如下关系：vf = fn =fzzn mm/s 或 mm/min 式中：n刀具或工件转速，r/s或r/min；z刀具的齿数。通常，切削加工中的主运动只有一个，而进给运动可以是一个或几个。（3）背吃刀量ap 。在通过切削刃上选定 点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸 平面中，垂直于进给运动方向测量的切削 层尺寸，称为背吃刀量，以ap表示（图5-

8、 3），单位为mm。车外圆时，ap可用下式 计算：式中：dw工件待加工表面（图5-3）直径，mm；dm工件已加工表面直径，mm。切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作（如车削时工件转一 圈，车刀主切削刃移动一段距离）所切除 的工件材料层。它决定了切屑的尺寸及刀 具切削部分的载荷。切削层的尺寸和形 状，通常是在切屑层尺寸平面中测量的 （图5-3）。 5.1.3 切削层参数1）切削层公称横截面积AD。在给定 瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际 横截面积，单位为 mm2。2）切削层公称宽度bD。在给定瞬间， 作用主切削刃截形上两个极限点间的距 离，在切削层尺寸平面中测量，单位为 mm。

9、3）切削层公称厚度hD。在同一瞬间的 切削层公称横截面积与其公称宽度之比， 单位为mm。由定义可知因AD不包括残留面积，而且在各种加 工方法中AD与进给量和背吃刀量的关系不 同，所以AD不等于 f 和 ap 的积。只有在车削加工中，当残留面积很小时才能近似地 认为它们相等，即切削过程中，直接完成切削工作的是刀具。无论哪种刀具，一般是由切削部分 和夹持部分组成。夹持部分是用来将刀具 夹持在机床上的部分，要求它能保证刀具 正确的工作位置，传递所需要的运动和动 力，并且夹固可靠，装卸方便。切削部分 是刀具上直接参加切削工作的部分，刀具5.2刀具材料及刀具构造切削性能的优劣，取决于切削部分的材 料、角

10、度和结构。5.2.1 刀具材料（1）对刀具材料的基本要求刀具材料是指切削部分的材料。它在高温下工作，并要承受较大的压力、摩 擦、冲击和振动等。因此应具备以下基本 性能。1）较高的硬度。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度一般应在 60HRC以上。2）足够的强度和韧度，以承受切削力、冲击和振动。3）较好的耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间。4）较高的耐热性，以便在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。5）较好的工艺性，以便于制造各种刀具。工艺性包括锻造、轧制、焊接、切削 加工、磨削加工和热处理性能等。目前尚没有一种刀具材料能全面满足上述要求。因此，必须了解常用刀

11、具材料 的性能和特点，以便根据工件材料的性能 和切削要求，选用合适的刀具材料。同 时，应进行新型刀具材料的研制。 （2）常用的刀具材料目前，在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、 硬质合金及陶瓷材料等。碳素工具钢是含碳量较高的优质钢 （含碳量为0.7%1.2%，如T10A等），淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差 （表5-1）。在碳素工具钢中加入少量的 Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢表5-1 常用刀具材料（如9SiCr等），可适当减少热处理变形和 提高耐热性（表5-1）。由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速 度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀

12、 等，较少用于制造其它工具。目前生产中 应用最广的刀具材料是高速钢和硬质合 金，而陶瓷刀具主要用于精加工。1）高速钢。它是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。它的耐热性、硬度和耐磨性虽低于硬质合金，但强度和韧 性高于硬质合金（表5-1），工艺性较硬质合金好，而且价格也比硬质合金低。普通 高速钢如W18Cr4V是国内使用最普遍的刀具材料，广泛地用于制造各种形状较为复 杂的各种刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、 齿轮刀具和其它成形刀具等。2）硬质合金。它是以高硬度、高熔点 的金属碳化物（WC、TiC）作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方制成的一种合金。它的硬度高、耐磨性好、耐热 性高、允许

13、的切削速度比高速钢高数倍， 但其强度和韧性均比高速钢低（表5-1），工艺性也不如高速钢。因此，硬质合金常 制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在 车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄（刀体）上 使用。国产的硬质合金般分为两大类： 一类是由WC和Co组成的钨钴类（YG类，相当于ISO标准的K类），一类是由WC、 TiC和Co组成的钨钛钴类（YT类，相当于 ISO标准的P类）。YG类硬质合金塑性较好，但切削塑性材料时，耐磨性较差，因此它适于加工铸 铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有 YG3、YG6、YG8等，其中数字表示Co含 量的百分率。Co的含量少者，较脆、较耐磨。YT类硬质合金比YG类硬度高、耐热性好，并

14、且在切削韧性材料时较耐磨，但 韧性较小，适于加工钢件。常用的牌号有 YT5、YTl5、YT30等，其中数字表示TiC 含量的百分率。TiC的含量越多，韧性越小，而耐磨性和耐热性越高。3）陶瓷材料。它的主要成分是A12O3。陶瓷刀片硬度高、耐磨性好、耐热性高 （表5-1），允许用较高的切削速度，加之A12O3的价格比较低廉，原料丰富，因此很有发展前途。但陶瓷材料性脆怕冲击， 切削时容易崩刃，所以，如何提高其抗弯 强度已成为各国研究工作的重点。近十年 来，各国先后研究成功“金属陶瓷”，如我 国制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌 号的金属陶瓷，其成分除AL2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度

15、比普通陶瓷刀 片高。随着科学技术和工业的发展，出现了一些高强度、高硬度的难加工材料，需要 性能更好的刀具，所以国内外对新型刀具 材料进行了大量的研究和探索。1）高速钢的改进。为了提高高速钢的硬度和耐热性，可在高速钢中增添新的元 素。如我国制成的铝高速钢，即增添了铝（3）其它新型刀具材料简介等元素。它的硬度达到70HRC，耐热性超 过600，属于高性能高速钢，又称超高速钢；也可以用粉末冶金法细化晶粒，消除 碳化物的偏析，致使韧度大、硬度高，热 处理时变形小，适于制造各种高精度的刀 具。2）硬质合金的改进。硬质合金的缺点是强度和韧度低，对冲击和振动敏感。改 进的方法是增添合金元素和细化晶粒，例如加

16、入碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC） 形成万能型硬质合金YW1和YW2，既适于加工铸铁等脆性材料，又适于加工钢等塑 性材料。近年来还发展了涂层刀片，就是在韧 性较好的硬质合金（YG类）基体表面，涂 敷约5m厚的一层TiC或TiN（氮化钛）或二者的复合，以提高其表层的耐磨性。3）人造金刚石。人造金刚石硬度极高 （接近10000HV，而硬质合金仅达1000 2000HV），耐热性为700-800。聚晶金 刚石大颗粒可制成般切削工具，单晶微粒主要制成砂轮。金刚石除可以加工高硬 度而耐磨的硬质合金、陶瓷、玻璃等外， 还可以加工有色金属及其合金，但不宜于 加工铁族金属。这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘结作用加快刀具磨 损。4）立方氮化硼（CBN）。是人工合成 的又一种高硬度材料，硬度（7300 9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性和和化学稳定性都大大高于金刚石，能耐 13001500的高温，并且与铁族金属的亲和力