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1、汽车零部件制造技术项目二 机械加工技术专用夹具设计切削加工刀具机械加工工艺规程编制 绝大部分机械零件要在切削机床上用刀具进行切削加工来获得，刀具如何将工件表层金属切除，在切削过程中会发生一些什么物理现象，如何根据加工工况的不同来确定刀具的几何参数，如何合理选择刀具材料，将是本项目任务中需要弄懂的问题。 任务导入任务一 切削加工刀具任务目标任务目标了解金属切削的变形过程。具备控制切削过程中所产生的切屑形状、切削温度、切削力和积屑瘤的能力。具备根据不同的加工工况合理选择刀具几何参数的能力。具备根据不同的加工工况合理选择刀具材料的能力。任务一 切削加工刀具任务一 切削加工刀具任务实施任务实施 金属切
2、削过程 一、金属切削过程中的变形金属切削过程中的变形1.金属切削过程实际是被切削金属层在刀具的挤压下产生剪切滑移的塑性变形过程，在切削过程中也有弹性变形，但与塑性变形相比可以忽略。金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图2-1所示为切削过程中金属的剪切滑移线与流动轨迹线，其中横向线是金属的流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。图图2-1 2-1 切削过程中金属的剪切滑移线与流动轨迹线切削过程中金属的剪切滑移线与流动轨迹线任务一 切削加工刀具图图2-2 2-2 金属的滑移过程金属的滑移过程任务一 切削加工刀具切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成，这一过程区域称为第一变形区。切削层金属在刀具的挤
3、压下首先将产生弹性变形，当最大剪切应力超过材料的屈服极限时发生塑性变形，如图2-1所示，金属会沿OA线剪切滑移，OA线被称为始滑移线。随着刀具的移动，这种塑性变形将逐步增大，当进入OM线时，滑移变形停止，OM线被称为终滑移线。现以金属切削层中某一点的变化过程来说明。1)1)第一变形区第一变形区任务一 切削加工刀具由图2-2所示，在金属切削过程中，切削层中一点P不断向刀具切削刃移动，当此点进入OA线时，发生剪切滑移，P点向2、3等点流动的过程中继续滑移，当进入OM线上4点时这种滑移停止，22、33、44为各点相对前一点的滑移量。此区域的变形过程可以通过图2-2形象表示，切削层在此区域如同一片片相
4、叠的层片，在切削过程中层片之间发生了相对滑移。OA与OM之间的区域就是第一变形区。第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅为0.020.2mm。任务一 切削加工刀具产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区，如图2-1所示的部分。在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达23GPa，由此摩擦产生的热量使切屑与刀具前刀面温度上升到很高的温度，有时可达100
5、00以上，切屑底部与刀具前刀面发生黏结现象。发生黏结现象后，切屑与前刀面之间的摩擦就不是一般的外摩擦，而变成黏结层与其上层金属的内摩擦。这种内摩擦与外摩擦不同，它与材料的流动应力特性和黏结面积有关，黏结面积越大，内摩擦力也越大。2 2）第二变形区）第二变形区任务一 切削加工刀具图2-3所示为切屑与前刀面的摩擦情况，根据摩擦状况切屑接触面分为两个部分：黏结部分为内摩擦，这部分的单位切向应力等于材料的屈服强度s；黏结部分以外为外摩擦部分，也就是滑动摩擦部分，此部分的单位切向应力由s减小到零。图2-3中也显示了整个接触区域内正应力y的分布情况，刀尖处正应力最大，逐步减小到零。图图2-3 2-3 切屑
6、与前刀面的切屑与前刀面的摩擦情况摩擦情况任务一 切削加工刀具3 3）第三变形区）第三变形区第三变形区即金属切削层在已加工表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩擦而产生塑性变形部分的区域，如图2-1所示的部分。第三变形区的形成与刀刃钝圆有关。因为刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总会有一钝圆半径r。任务一 切削加工刀具图图2-4 2-4 考虑刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程考虑刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程任务一 切削加工刀具当切削层以一定的速度接近刀刃时，会出现剪切与滑移，金属切削层绝大部分金属经过第二变形区的变形沿终滑移层OM方向流出，由于刀刃钝圆的存在，在钝圆O点以下有一小部分
7、厚a的金属切削层不能沿OM方向流出，而被刀刃钝圆挤压过去，该部分经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为h，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在经过OB、BC、CD段的挤压和摩擦后，使已加工表面继续变形，影响加工质量，第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。任务一 切削加工刀具任务一 切削加工刀具任务一 汽车零件铸造技术（1）带状切屑。它的内表面光滑，外表面毛茸，如图2-5(a)所示。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，
8、切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。1)1)合金收缩性的含义合金收缩性的含义切屑的类型及切屑控制切屑的类型及切屑控制2.（2）挤裂切屑。挤裂切屑又称节状切屑，这类切屑与带状切屑不同之处在于外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，如图2-5（b）所示。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。（3）单元切屑。单元切屑又称粒状切屑，如果在挤裂切屑的剪切面上裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图2-5（c）所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。任务一 切削加工刀具任务一 切削加工刀具（4）崩碎切屑。崩碎切屑属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的
9、切屑。这种切屑的外形是不规则的，加工表面是凸凹不平的，如图2-5(d)所示。图图2-5 2-5 切屑类型切屑类型任务一 切削加工刀具任务一 切削加工刀具任务一 切削加工刀具2)2)切屑控制切屑控制任务一 切削加工刀具(1)采用断屑槽。通过在刀具上设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。断屑槽的基本形式如图2-6所示，图中L为切屑在前刀面上的接触长度，R为卷屑槽半径。图图2-6 2-6 断屑槽的基本形式断屑槽的基本形式任务一 切削加工刀具(2)改变刀具角度。增大刀具主偏角r,切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角o可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角s可以控
10、制切屑的流向：s为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；s为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。(3)调整切削用量。提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率，须根据实际条件适当选择切削用量。任务一 切削加工刀具在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常黏结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤。1 1）积屑瘤的形成）积屑瘤的形成积屑瘤及其对加工的影响积屑瘤及其对加工的影响3.任务一 切削加工刀具积屑瘤的形成可以
11、根据第二变形区的特点来解释。当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生黏结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具黏附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层黏附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤。积屑瘤硬度很高，是工件材料硬度的23倍，能代替刀具对金属进行切削；积屑瘤很脆，切削力的变化或振动使积屑瘤很容易脱落。积屑瘤存在一个不断形成、脱落的过程。任务一 切削加工刀具（1）实际刀具前角增大。刀具前角o指刀面与基面之间的夹角，其概念在本任务的加工刀具基础知识中加以阐述。如图2-7所示，由于积屑瘤的
12、黏附，刀具前角增大了一个b角度，若把积屑瘤看成刀具的一部分，则实际刀具前角增大，实为ob。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，积屑瘤的高度Hb越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。2 2）积屑瘤对加工的影响）积屑瘤对加工的影响图图2-7 2-7 积屑瘤对加工的影响积屑瘤对加工的影响任务一 切削加工刀具（2）实际切削厚度增大。由图2-7可以看出，当积屑瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无积屑瘤时增加了一个hD。显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度hD的增加并不是固定的，因为积屑瘤在不停变化，它有一个产生、长大、脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振
13、动。任务一 切削加工刀具（3）加工后表面粗糙度增大。积屑瘤的变化不但导致刀具整体尺寸变化，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，就必须控制积屑瘤的产生。（4）切削刀具的耐用度降低。从积屑瘤在刀具上的黏附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。但积屑瘤的黏附是不稳定的，它会周期性地从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具，这一点表现尤为明显。任务一 切削加工
14、刀具影响积屑瘤形成的因素影响积屑瘤形成的因素任务一 切削加工刀具（3）切削速度。切削速度主要是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的。当刀具没有负倒棱时，在极低的切削速度条件下不产生积屑瘤。以中碳钢为例，当切削速度Vc2m/min时，不产生积屑瘤；当Vc=（230）m/min时，积屑瘤从产生到生长到最大。也就是说，切削温度为300左右时，切屑与刀具间的摩擦系数最大，积屑瘤达到最高高度。随着切削速度增大、相应的切削温度升高，积屑瘤的高度逐渐减小。当高速切削时(Vc120m/min)，由于切削温度很高(800以上)，切屑底层的滑移抗力和摩擦系数显著降低，积屑瘤也将消除。因此日常精加工时，为了得到较低
15、的已加工表面粗糙度，通常采用在刀具耐热性允许范围内的高速切削，或采用低速切削(Vc5m/min)，以防止积屑瘤的产生，提高已加工表面的质量。任务一 切削加工刀具任务一 切削加工刀具（1）降低或提高切削速度。这样就可以使切削温度低于或高于积屑瘤产生的相应温度区域，控制积屑瘤的产生。由实验可知，切削一般钢材时，切削速度Vc120m/min或Vc5m/min时已加工表面粗糙度值低，说明刀具上积屑瘤很小或没有。当切削速度Vc20m/min时最容易形成积屑瘤。（2）采用润滑性能好的切削液。在切削易产生积屑瘤的工件材料时，采用润滑性能好的极压切削油或植物油，可使切屑和刀具间形成润滑膜，大大减少它们之间的摩
16、擦，在刀具上也不易产生积屑瘤。4 4）防止积屑瘤产生的主要方法）防止积屑瘤产生的主要方法任务一 切削加工刀具（3）增大刀具前角。积屑瘤是在比较高的压力和适宜的温度下产生的。当刀具前角增大后，就可以减小切屑与刀具前刀面接触区的压力，使切削力减小、切削温度降低，这样积屑瘤生成的可能就会减小。（4）适当提高工件材料的硬度。可采用热处理工艺，对钢材进行正火、调质等以提高材料的硬度。因为材料软、塑性大，就容易产生积屑瘤。当工件材料的硬度达到50HRC以上时，不论在什么切削速度下切削，均不会有积屑瘤产生。（5）降低前刀面的表面粗糙度值。这样可以减小切屑与刀具前刀面的摩擦，使积屑瘤难以形成。任务一 切削加工刀具（1）切削力的产生。刀具在切削过程中克服加工阻力所需的力称为切削力。刀具在切削过程中，需克服切屑的塑性变形、切屑和加工表面对刀具的摩擦及切屑的单性挤压力等，刀具受力分析如图2-8所示，因此切削力主要由以下几个方面产生：被加工材料对弹性变形的抗力；被加工材料对塑性变形的抗力；切屑对刀具前刀面的摩擦力；刀具后刀面对工件过渡表面的摩擦力和刀具副后刀面对工件已加工表面的摩擦力。1 1）切削力分析及切削
