第02章 金屬切削過(guò)程及其控制

1、2022-4-51 第02章 金屬切削過(guò)程及其控制講述與切削有關(guān)的概念和定義講述與切削有關(guān)的概念和定義 本章概述金屬切削基本知識(shí)金屬切削過(guò)程中的變形切削力切削熱和切削溫度刀具失效和刀具壽命刀具幾何參數(shù)和切削用量的合理選擇磨削原理 2.1 金屬切削基本知識(shí)金屬切削過(guò)程中的基本要素：工件與刀具之間要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即成形運(yùn)動(dòng)刀具材料必須具有一定的切削性能刀具必須有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)，即切削角度具備良好的切削環(huán)境 2.1.1 工件表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)工件表面：平面、圓柱面、圓錐面、成形表面工件表面的形成方法：發(fā)生線：母線、導(dǎo)線工件表面均可以看作母線沿著導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的軌跡可逆表面與不可逆表面 3 形成發(fā)生線的

2、方法及所需運(yùn)動(dòng)形成發(fā)生線的方法及所需運(yùn)動(dòng)軌跡法：利用刀具做一定規(guī)律的軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工；成形法：利用成形刀具對(duì)工件進(jìn)行加工；相切法：利用刀具邊旋轉(zhuǎn)邊做軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工；展成法：利用工件和刀具作展成運(yùn)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工； 4 表面成形運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單成形運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(用B表示) 、直線運(yùn)動(dòng)(用A表示) 以主軸旋轉(zhuǎn)、刀架或工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的形式出現(xiàn)復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)舉例用成形車刀車削成形回轉(zhuǎn)表面用螺紋車刀車削螺紋用齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪用螺紋車刀加工錐螺紋 例2.1 用成形車刀車削成形回轉(zhuǎn)表面成形表面母線：曲線 不需要成形運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線：圓 工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B1 例2.2 用螺紋車刀車削螺紋螺紋面母線：螺紋輪

3、廓線 不需要成形運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線：螺旋線 工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B11 車刀的直線運(yùn)動(dòng)A12 工件每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，刀具移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程 例2.3 用齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪齒面母線：漸開(kāi)線展成法 滾刀的旋轉(zhuǎn)B11 工件的旋轉(zhuǎn)B12導(dǎo)線：直線相切法 滾刀的上下 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)A2 例2.4 用螺紋車刀加工錐螺紋錐形螺紋面母線：螺紋輪廓線 不需要成形運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線：圓錐螺旋線軌跡法 工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B11 刀具縱向直線運(yùn)動(dòng)A12 刀具橫向直線運(yùn)動(dòng)A13 4 表面成形運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)：使刀具切入工件材料，被切削部分變成切屑，從而形成工件的新表面；特點(diǎn)：速度高、消耗功率大、只有一個(gè)； 如：車削外圓時(shí)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 刨削時(shí)刀具直線往復(fù)運(yùn)動(dòng) 鉆孔時(shí)鉆

4、頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 磨削加工時(shí)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 銑削加工時(shí)銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向：不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向；切削速度切削速度vc：切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)工件沿主運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)速度； min)/(1000msmdnvc或min)/(10002mLnvrc 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：配合主運(yùn)動(dòng)依次或連續(xù)不斷地切除多余材料，同時(shí)形成一定要求的已加工表面；特點(diǎn)：一個(gè)或多個(gè) 間歇或連續(xù) 如：外圓車削時(shí)車刀的連續(xù)縱向直線運(yùn)動(dòng) 刨削時(shí)工件的間歇直線運(yùn)動(dòng)方向：不考慮主運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)方向；進(jìn)給量進(jìn)給量f：刀具或工件每回轉(zhuǎn)一周或往返一個(gè)行程兩者沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移；(mm/r

5、或mm/min)進(jìn)給速度進(jìn)給速度vf：切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度；min)/(mmsmmnzfnfvzf或 合成切削運(yùn)動(dòng)方向：主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 的合成方向合成切削速度ve 2.1.2 加工表面和切削用量1.2.1 切削過(guò)程中工件上的加工表面待加工表面：工件上有待切削的表面；已加工表面：工件上經(jīng)刀具切削后形成的表面過(guò)渡表面：工件上由切削刃正在切削的表面； 1.2 .2 切削用量三要素切削速度vc 進(jìn)給量f切削深度ap 工件已加工表面與待加工表面之間的垂直距離；（車削、刨削） dw 待加工表面直徑，mm dm 已加工表面直徑，mm2mwpdda 2.1.3 刀具角度1 刀具切削部分

6、的組成前刀面(Ar)：直接作用于被切削金屬層，是控制切屑沿其流出的表面。主后刀面(Aa) ： 與工件上過(guò)渡表面相對(duì)并相互作用的表面。副后刀面(Aa) ： 與已加工表面相對(duì)并相互作用的表面。主切削刃(S) ：前刀面與主后刀面的交線。它完成主要的切削工作。副切削刃(S) ：前刀面與主后刀面的交線。它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。過(guò)渡刃（刀尖）： 主、副切削刃連接處的一段切削刃。 2 刀具角度的參考系區(qū)分兩種刀具角度標(biāo)注角度：是設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量刀具的基準(zhǔn)； 假定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 假定安裝狀態(tài)：假定刀尖與工件回轉(zhuǎn)軸線等高假定刀桿縱向軸線垂直于進(jìn)給方向工作角度：是刀具在切

7、削工作時(shí)角度的基準(zhǔn)； 考慮包括進(jìn)給運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的合成切削運(yùn)動(dòng) 考慮刀具的實(shí)際安裝情況 參考平面1)刀具標(biāo)注角度的參考平面：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面；過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，與切削刃相切并垂直于基面的平面；2)刀具工作角度的參考平面：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)合成切削運(yùn)動(dòng)方向的平面；過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，與切削刃相切并垂直于基面的平面； 2 刀具標(biāo)注角度參考系主剖面參考系：Pr、Ps、正交平面Po正交平面Po：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)垂直于切削平面和基面的平面；法剖面參考系： Pr、Ps、法平面Pn法平面Pn：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)并垂直于主切削刃或其切線的平面進(jìn)給、切深剖面參考系：

8、Pr、進(jìn)給剖面Pf 、切深剖面Pp進(jìn)給剖面Pf：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)平行于進(jìn)給方向q且垂直于基面的平面切深剖面Pp：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)垂直于進(jìn)給方向且垂直于基面的平面 3 刀具的標(biāo)注角度(以外圓車刀為例)1)主剖面參考系中的標(biāo)注角度：主剖面Po 內(nèi)測(cè)量的角度 前角o 在主剖面內(nèi)測(cè)量的前刀面與基面之間的夾角； 后角o 在主剖面內(nèi)測(cè)量的后刀面與切削平面間的夾角； 楔角o 在主剖面內(nèi)測(cè)量的前刀面與后刀面之間的夾角；o= 90-（ o + o）基面Pr內(nèi)測(cè)量的角度 主偏角r 主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角； 副偏角r副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角； 刀尖角 r 主切削刃與副切削

9、刃在基面上投影的夾角； r = 180-（r + r ） 切削平面Ps內(nèi)測(cè)量的的角度 刃傾角s 在切削平面內(nèi)測(cè)量的主切削刃與基面的夾角； 1)主剖面參考系中的標(biāo)注角度與副切削刃有關(guān)的獨(dú)立角度 副偏角r、副前角o 、副后角o 、副刃傾角s 主偏角r 、副偏角r 、前角o 、后角o 、刃傾角s 楔角o 、刀尖角 r 45度彎頭刀車外圓的角度分析 切斷刀縱向切斷時(shí)的角度分析 90度彎頭刀車外圓的角度分析 45度彎刀車端面角度分析 2)其它參考系的標(biāo)注角度在法剖面參考系的標(biāo)注角度：r 、 r 、 s和 r相同；n 、 n 、 n 改在Pn內(nèi)測(cè)量即可進(jìn)給、切深剖面參考系的標(biāo)注角度：、 、 改在P內(nèi)測(cè)量即

10、可p、 p、 p改在Pp內(nèi)測(cè)量即可車刀標(biāo)注角度參考系 4 刀具標(biāo)注角度的換算主剖面與法剖面內(nèi)的角度換算主剖面與其他剖面內(nèi)的角度換算 5 刀具工作角度刀具工作角度的參考平面：過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)合成切削運(yùn)動(dòng)方向的平面；過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，與切削刃相切并垂直于基面的平面；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響安裝高低的影響刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直的影響 2.1.4 切削層參數(shù)和切削方式刀具相對(duì)于工件沿進(jìn)給方向每移動(dòng)f 或 fz后，一個(gè)刀齒正在切削的金屬層稱為切削層。切削層參數(shù)切削厚度切削寬度切削層面積DDDbhApfarDfhsin

11、rpDabsin 2.1.4 切削層參數(shù)和切削方式金屬切除率刀具在單位時(shí)間內(nèi)從工件上切除的金屬的體積切削方式正切削：切削刃垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)方向的切削方式斜切削：切削刃不垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)方向的切削方式自由切削：只有直線形主切削刃參加切削工作非自由切削：曲線形主切削刃或主副切削刃均參加切削avDvAZ1000w 2.1.5 刀具材料1 刀具材料應(yīng)具備的基本性能硬度：刀具硬度應(yīng)高于工件材料耐磨性：刀具抵抗磨損的能力；強(qiáng)度和韌性：抵抗沖擊和振動(dòng)，避免崩刃和折斷；耐熱性：即高溫下保持高的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌度；化學(xué)穩(wěn)定性；減摩性：摩擦系數(shù)小，減小切削力和降低切削溫度；導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)：降低切削溫

12、度、減小熱變形工藝性和經(jīng)濟(jì)性：鍛造性、熱處理性、可磨削性，以便于刀具的制造； 2 刀具材料的發(fā)展歷史公元前28-20世紀(jì) 黃銅絲錐和板牙1783年，法國(guó)勒內(nèi)制出銑刀1822年，出現(xiàn)麻花鉆1868年，英國(guó)穆舍制成含鎢合金工具鋼1898年，美國(guó)泰勒和懷特發(fā)明高速鋼1923年，德國(guó)施勒特爾發(fā)明硬質(zhì)合金1938年，德國(guó)德古薩取得陶瓷刀具1949-1950年，美國(guó)可轉(zhuǎn)位車刀1969年，瑞典山特維克生產(chǎn)碳化鈦涂層硬質(zhì)合金刀1972年，美國(guó)的邦沙和拉古蘭發(fā)展涂層刀片、立方氮化硼刀片 常用刀具材料的種類與特性工具鋼碳素工具鋼（T10A、T12A等）、合金工具鋼（9SiCr、CrWMn等） 耐熱性較差，用于手工

13、工具及切削速度較低的刀具高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷、金剛石、立方氮化硼等性質(zhì)脆、工藝性差、價(jià)格昂貴用于特殊場(chǎng)合*最常用 3 高速鋼定義：在碳素工具鋼中加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素所構(gòu)成的高合金工具鋼；特點(diǎn)：具有一定的硬度和耐磨性；有較高的耐熱性（600-700）；強(qiáng)度和沖擊韌性較好；工藝性好且價(jià)格便宜，易磨成鋒利的切削刃，可鍛造；應(yīng)用：用于加工復(fù)雜刀具和小型刀具，如鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具 高速鋼分類及改善途徑普通高速鋼：含碳量為0.7-0.9%鎢系W18Cr4V ：具有一定的硬度和強(qiáng)度，可磨性好，主要制造復(fù)雜刀具； W14Cr4MnRE(鎢)鉬系W6Mo5Cr4V2：韌性、強(qiáng)度、高溫塑性

14、均較前者好，可磨性稍差，主要用于熱軋刀具； W9Mo3Cr4V高性能高速鋼：調(diào)整基本化學(xué)成分（增加含碳量、含釩量 ）或添加合金元素（鈷、鋁等）以提高機(jī)械性能和切削性能較高的熱穩(wěn)定性、高溫硬度和耐用度，適合加工難加工材料，如9W18Cr4V 、W6Mo5Cr4V3、 W6Mo5Cr4V2Co8、 W6Mo5Cr4V2Al熔煉高速鋼：一般電爐煉鋼法，碳化物偏析嚴(yán)重，晶粒粗大 高速鋼分類及改善途徑粉末冶金高速鋼用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融的高速鋼水，急冷得到細(xì)小的高速鋼粉末，高溫高壓下制成致密的鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形狀。完全消除偏析，晶粒2-3um，抗彎強(qiáng)度、韌性提高；(高溫)硬度提高；可磨削性能好

15、；熱處理變形小。適合于各種精密刀具和復(fù)雜刀具（如滾刀、插齒刀）涂層高速鋼在真空條件下，將TiC、TiN等耐磨、耐高溫、抗粘結(jié)的材料薄膜涂覆在高速鋼刀具表面，成為PVD法。用于制造形狀復(fù)雜的刀具，如鉆頭、絲錐、銑刀和齒輪刀具等 4 硬質(zhì)合金定義：用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物粉末和金屬粘結(jié)劑在高壓下成形后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的粉末冶金材料；特點(diǎn)硬度高HRA89-93 耐磨性好，刀具耐用度高耐熱性高（800-1000，取決于碳化物(如TiC)的硬度），但：抗彎強(qiáng)度低（0.9-1.5GPa）、韌性低、承受振動(dòng)和沖擊能力差TiC、WC、NbC、TaCCo、Ni 硬質(zhì)合金的種類WC-Co (YG或K)類：由WC

16、、Co組成硬度HRA89-91.5 耐熱度800-900度 抗彎強(qiáng)度1.1-1.5MPa；加工脆性金屬、有色金屬及非金屬，如鑄鐵、青銅等；WC-TiC -Co (YT或P)類：添加5-30%的TiC硬度和耐磨性較高，耐熱性好，強(qiáng)度、沖擊韌性和導(dǎo)熱性差；適合加工塑性大的材料，不適合加工含鈦金屬材料；WC-TiC -TaC(NbC) -Co (YW或M)類：添加TaC、NbC加入TaC（NbC）可提高抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、高溫硬度、強(qiáng)度和抗氧能力、耐磨性等；既可以加工有色金屬也可加工鋼的通用型硬質(zhì)合金； 硬質(zhì)合金的種類YN類硬質(zhì)合金：以TiC為基體，Ni和Mo為黏結(jié)劑比WC基合金有高的耐磨

17、性、耐熱性和硬度，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性差用于精加工、半精加工鋼和鑄鐵涂層硬質(zhì)合金在韌性、強(qiáng)度好的YG類硬質(zhì)合金表面涂覆TiC、TiN 或Al2O3，使得刀具既有高硬度和耐磨性的表面，又有強(qiáng)韌的基體，提高切削速度而不降低刀具耐用度可用于半精加工、精加工、粗加工鋼料和鑄鐵 硬質(zhì)合金的應(yīng)用應(yīng)用：絕大多數(shù)車刀、端銑刀、深孔鉆、鉸刀等部分拉刀、齒輪刀具等復(fù)雜刀具切削淬硬鋼等硬材料的刀具各種硬質(zhì)合金應(yīng)用范圍參照表2.5 5 超硬刀具材料陶瓷很高的硬度、耐磨性和耐熱性；切削速度比硬質(zhì)合金高25倍；化學(xué)穩(wěn)定性高、與金屬的親合力小，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力好；脆性大、抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差，易崩刀;金剛石硬度高，耐

18、磨性好，用于加工高硬度、高耐磨的材料；熱穩(wěn)定性差；強(qiáng)度低、脆性大、對(duì)振動(dòng)敏感，宜微量切削；立方氮化硼硬度、熱穩(wěn)定性及耐磨性高，導(dǎo)熱性好，摩擦系數(shù)低，化學(xué)惰性大，用于加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等; 本 章 結(jié) 束 哈工大98年研究生入學(xué)試題以外圓車刀為例，試述刀具切削刃上選定點(diǎn)的切削平面、基面、正交平面、前角、后角、刃傾角、主偏角的定義及符號(hào)畫圖表示o=15、o=6、r =75、r = 15、s = -6的外圓車刀。畫圖說(shuō)明外圓車刀刀尖高于機(jī)床中心，其工作角度oe和后角oe是否發(fā)生變化？如何變化？ 哈工大99年研究生入學(xué)試題什么叫材料可加工性？解釋k=V60/(V60)j含義什么是積屑瘤？分

19、析其產(chǎn)生的原因？什么是刀具耐用度？與切削用量的關(guān)系？在保證刀具耐用度的條件下，如何選擇切削用量能最大限度地提高生產(chǎn)率？為什么？制造刃形復(fù)雜刀具常用何種刀具材料？為什么？ 形成發(fā)生線的方法發(fā)生線的形成方法成形法：刀具的切削刃與所需要形成的發(fā)生線完全重合 展成法：利用工件和刀具作展成切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工軌跡法：利用刀具作一定規(guī)律的軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì)工件加工相切法：利用刀具邊旋轉(zhuǎn) 邊作軌跡運(yùn)動(dòng)對(duì) 工件進(jìn)行加工 主運(yùn)動(dòng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 外圓車刀切削部分組成要素 三個(gè)平面參考系 車刀標(biāo)注角度的參考系(Pp )(Pr )(Ps )(Po )(Pn )(Pf )Pr OOO O O -O 向O-O向正交平面視圖基面視圖切削平

20、面視圖副正交平面視圖外圓車刀正交平面參考系的標(biāo)注角度PrPrPsPrPs 外圓車刀法平面參考系的標(biāo)注角度 外圓車刀Pf-Pp參考系的標(biāo)注角度Pp 直角切削與斜角切削 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響 其中ooeooedfarctg正交平面seP 縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響 其中ooeooefffefffewrdfarctgsinwfdfarctg 刀具安裝高度的影響刀尖高于工件中心時(shí)：其中pppepppe22)2(hdhtgwpPfePrPrePf 刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直 習(xí)題1答案1、如圖所示為45度彎刀車端面時(shí)的工作圖，試標(biāo)出以下刀具角度：r 、r 、o 、o 、s以及o 、r 。 DhDbparfrrr 各類高速鋼刀具各類硬質(zhì)合金刀具 常用高速鋼牌號(hào)的選用 常用硬質(zhì)合金牌號(hào)的選用 刃傾角對(duì)切屑流向的影響圖3-3 刃傾角對(duì)切屑流向的影響切屑流向與vf方向一致，刀頭強(qiáng)度差，精加工切屑流向與vf方向相反，易纏繞、擦傷已加工表面，粗加工 補(bǔ)充：金相組織鐵素體：軟而韌的組織，冷焊嚴(yán)重，加工性不好，需正火或冷作變形提高硬度滲碳體：硬度高塑性和強(qiáng)度低，刀具擦傷和磨損嚴(yán)重，需球化退火珠光體：硬度、強(qiáng)度和塑性適中，加工性好索氏體：托氏體：奧氏體：馬氏體： 作業(yè)題1：尖頭刀車外圓的角度分析 o 1.4 切削層參數(shù)切削方式正切削和斜切削 切削刃垂直于