金属工艺学—5切削加工

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1、2018/9/25,1,第五篇 切削加工,2018/9/25,2,概述,金属切削加工是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。,金属切削加工,钳工,机械加工,加工方法有划线、錾、锯、刮、研、攻螺丝、套螺丝等,通过操作机床来完成切削加工的，如车、钻、刨、磨、齿轮加工等,切削加工的主要特点：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。,2018/9/25,3,本章学习目的和要求： 1、掌握切削加工的运动和切削要素 2、了解常用刀具材料 3、掌握刀具几何角度 4、了解切削过程的

2、切削热、变形、刀具的耐用度 5、了解材料的切削加工性,重点内容： 1、掌握切削加工的运动和切削三要素 2、掌握刀具几何角度 本章难点：车刀几何角度,第17章 金属切削的基础知识,2018/9/25,4,第一节 切削加工的运动分析及切削要素,一、零件表面的形成,2018/9/25,5,主运动 切下切屑所需要的最基本的运动，对切削起主要作用，速度最高、消耗机床的功率95%以上。机床主运动只有1个。 主运动,切削运动,进给运动 使工件不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。速度低，消耗机床的功率5%以下。机床的进给运动可以有一个或几个。 进给运动,切削运动刀具和工件之间的相对运动，该相对运动由主

3、运动和进给运动组成。,二、切削运动,2018/9/25,6,2018/9/25,7,三、切削运动中的三个表面,（1）待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面； （2）已加工表面：指工件上经刀具切削后产生的表面； （3）加工表面（过渡表面）：指工件上由刀具切削刃形成的表面。,2018/9/25,8,四、切削用量三要素,切削速度,在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。,在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。,待加工表面和已加工表面的垂直距离。,进给量,背吃刀量,2018/9/25,9,（1）切削速度 （V， m/s ）在单位时间内，工件和刀具沿主运

4、动方向相对移动的距离。当主运动为旋转运动时，切削速度为：,式中： dW待加工表面直径（mm）n工件或刀具的转速(r/min),当主运动为往复直线运动（如刨削）时，切削速度为：,(m/s),(m/s),式中： nr 主运动每分钟往复次数（次/min）；L 往复直线运动行程长度（mm）。,2018/9/25,10,（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。如在车削、镗削、钻削时，进给量表示工件或刀具每转一转，刀具或工件移动的距离，单位是mm/r。在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工件）每往复一次，工件（刀具）移动的距离。单位时间的进给量 进给速

5、度（vf）,（mm/s）,2018/9/25,11,（3）背吃刀量（切削深度，ap，mm）待加工表面和已加工表面的垂直距离。在车削外圆时：ap=（dw-dm）/2 （mm）其中：dw 工件待加工表面的直径；dm工件已加工表面的直径。,2018/9/25,12,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。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在垂直于切削速度的平面内度量，包括切削厚度ac 、切削宽度aw和切削面积AC 。,五、 切削层几何参数,2018/9/25,13,1)切削厚度（ac） （mm）,两相邻加工表面之间的垂直距离。,（mm）,2)切削宽

6、度（aw） （mm）,沿主刀刃度量的切削层的长度。,（mm）,3)切削面积（AC） （mm2）,（mm2）,2018/9/25,14,刀具上与工件的加工表面相对的表面。,第二节 刀具材料及刀具构造,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。,刀具上与工件的已加工表面相对的表面。,2018/9/25,15,夹持部分（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,2018/9/25,16,二、刀具材料,1.对刀具材料有如下要求： (1) 高的硬度和耐磨性。 (2) 足够的强度和韧性

7、。 (3) 高的耐热性与化学稳定性。 (4) 良好的工艺性和经济性。 2. 常用刀具材料 碳素工具钢C= 0.71.4%；T8、T10、T10A、T12等HRC6165,2018/9/25,17,特点,a. 淬火后硬度高；,HRC6165,b. 价格低；,.耐热温度低；,.淬火后应力、变形大。,250300,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,Me5% ； 9SiCr、CrWMn等。,HRC6168,耐热温度 350400,应用：速度低、形状复杂的工具。如绞刀、板牙、丝锥等。,2018/9/25,18, 高速钢,高合金钢。,W=620%；Cr=3.84.4%；V=

8、1.04%,HRC6269,耐热温度 600,V=2030（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,HRC7684,耐热温度 1000,允许的切削速度是高速钢的410倍。,2018/9/25,19, 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。, 陶瓷材料,主要成分是Al2O3,HRC9

9、394,耐热温度 12001450,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,2018/9/25,20,三、刀具几何形状,1.辅助平面 为确定刀具的几何角度而引入的辅助平面包括切削平面、基面和正交平面。 基面：过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。 切削平面：过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面的平面。 正交平面（主剖面）：通过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。,2018/9/25,21,2018/9/25,22,2.车刀的主要角度,车刀的主要角度包括前角0 、后角0 、主偏角r 、负偏角r和刃倾角s 。,2018/9/

10、25,23,1）在正交平面内测量角度,（a）前角0：正交平面中，前刀面与基面之间的夹角。前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。应根据刀具和工程材料及加工性质选择。加工塑性材料，取较大的前角，10 20。粗加工或灰铸铁取较小的前角，515。 （b）后角0：正交平面中，主后刀面与切削平面之间的夹角。增大后角可减少主后刀面与工件间的摩擦，提高工件加工质量和刀具耐用度，并使切削刃锋利。在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，一般粗加工、强力车削，材料较硬时取小值,68。反之取812,2018/9/25,24,2）在基面内测量角度,（a）主偏角r：主刀刃在基面上投影与进给方向的夹角。

11、 影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少r，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，寿命提高。45、60、75、90。 （b）副偏角r：副刀刃在基面上投影与进给反方向的夹角。 影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少r，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。515。粗加工取较大值。,2018/9/25,25,注意：车外圆与车端面弯头车刀主、副偏角的变化,2018/9/25,26,3）在切削平面内测量的角度,刃倾角s：主刀刃与基面间的夹角。 影响切屑流出方向，刀尖强度、切入切出平稳性、切削分力和切削的工作长

12、度；-5+5度。保证加工质量的前提下。尽量取较大的负值（小值），提高刀具耐冲击力。,刃倾角正负的规定：刀尖处于切削刃最高点时，刃倾角为正；刀尖处于切削刃最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。,刃倾角及其对切屑排出方向的影响,粗加工取负值 精加工取正值,2018/9/25,27,请将下图中所标注的刀具基本角度填写在横线上,思考题,前角为 ； 后角为 ； 主偏角为 ； 副偏角为 ； 刃倾角为 。,2018/9/25,28,请将下图中所标注的刀具基本角度填写在横线上,思考题,前角为 6 0 ； 后角为 18 0 ； 主偏角为 45 0 ； 副偏角为 35 0 ； 刃倾角为 8 0 。

13、,刀具的 结构形式,整体式,焊接式,机夹可转位式,多为高速钢车刀，其结构简单，制造、使用都方便,不需焊接和刃磨，避免了焊接和刃磨引起的缺陷，保持了硬质合金的原有性能，提高了刀具的耐用度,结构简单、紧凑、刚性好，可磨出各种所需角度，应用广泛,3. 刀具的结构形式,2018/9/25,29,2018/9/25,30,第三节 金属切削过程,金属材料在刀具的作用下变形、分离的过程。,1. 切屑形成过程,切削层 的金属,弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切 屑,切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形,随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移,刀具继续切入时，材料内部的应力、

14、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂,沿刀具前刀面流出,一、切屑的形成过程及切屑种类,a)带状切屑,b)节状切屑,c)崩碎切屑,用大前角的刀具，较高的切削速度和小的进给量切削塑性材料时，易得到带状切屑,带状切屑,切削过程平稳，切削力变化小，工件表面光洁; 必须采取断屑措施,节状切屑,低的切削速度和较大的进给量加工中等硬度的钢材时产生,切削力波动较大，工件表面粗糙,崩碎切屑,切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂。工件材料脆性越大，刀具前角越小，切削深度和进给量越大，越易产生此类切屑,刀尖容易磨损，容易产生振动，影响表面质量,2、切屑的种类,2018/9/25,

15、31,(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变,(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量,增大前角,提高切削速度,减小进给量,有利于,使粒状切屑、节状切屑向带状切屑转化,使切削过程平稳,降低加工表面粗造度数值,结论：,2018/9/25,32,2018/9/25,33,二、积屑瘤,1、积屑瘤的形成在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具的前刀面上靠近刀尖的部位粘附着一小块很硬的金属，称为积屑瘤。,形成原因：由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，使切屑底层的流动速度低于上层的流动速度，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑材料内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分离而粘附在刀刃附近，形成楔形的积屑瘤。,积屑瘤形成动画,2018/9/25,34,有利方面（粗加工）,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,2、积屑瘤对加工过程的影响,2018/9/25,35,不利方面（精加工）,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,