切削加工工藝

1、第三章 切削加工工藝 3.1切削加工概述3.1.1切削加工的分類 切削加工：是指利用刀具從毛坯上切去多余的材料，從而獲得一定幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。 分類 ： 機械切削加工（普通/數(shù)控） 切削加工 機械加工 鉗工 特種3.1.2零件表面的分類與成形原理1.零件表面的分類 基本表面 零件的表面 型面 （各種溝槽、螺紋、齒輪及特型面 ） 回轉(zhuǎn)型 二維特型面 特型面 平移型 列表曲面 三維特型面 函數(shù)曲面 仿生曲面 二維特型面 列表曲面 （三維） 2.零件表面的成形原理成形法 以切削刃的形狀來保證工件表面形 狀的成形原理。特點：刀具切削刃的幾何形狀 復(fù)雜，而刀具相對工件 的進給運動極為簡

2、單。包絡(luò)法 以切削刃相對于工件表面的運動軌 跡而形成的包絡(luò)面即成為工件表面 的成形原理 。特點：一般刀具相對簡單 而切削運動較為復(fù)雜。 （動畫）3.1.3切削運動與切削用量1.切削運動 是指刀具與工件之間的相對運動。主運動 即刀具從工件上切下切屑所需要的基本 運動。 進給運動 即使工件繼續(xù)投入切削的運動。 (常見機床的切削運動見表3-1)2.加工中的工件表面 3.切削用量 是調(diào)整機床用的參量。切削速度、進給量和背吃刀量稱作切削用量三要素。 切削速度 主運動為旋轉(zhuǎn)運動，則： vc= d n /100060 (m/s) 式中：d-工件或刀具的直徑，mm； n-工件或刀具的轉(zhuǎn)速，r/min。 主運動

3、為往復(fù)運動，則： vc= 2 Lnr /100060 (m/s) 式中：L-往復(fù)運動行程長度，mm; nr -工件或刀具每分鐘往復(fù)的次數(shù)，str/min。進給量 刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量 ，用 f 表示 。 車、鉆、鏜、銑削時單位為mm/r 背吃刀量 又稱切削深度，指在垂直于進給運動方向上測量的主切削刃切入工件的深度，用ap表示。 單位為 mm。車削外圓時： ap=（dwdm）/2 (mm) 式中：dw-待加工表面的直徑，mm； dm-已加工表面的直徑，mm。 3.2車刀的幾何結(jié)構(gòu)及刀具材料3.2.1車刀的幾何結(jié)構(gòu)1.車刀切削部分的構(gòu)成要素幾何表面 前面 又稱前刀面， 刀具上切屑

4、流過的表面； 主后面 又稱主后刀面， 刀具上與前面相交形成 主切削刃的表面。 副后面 又稱副后刀面，刀具上與前面相交形成副切削刃的表面。 切削刃 主切削刃 起始于切削刃 上主偏角為零的點，并至 少有一段切削刃擬用來在 工件上切出過渡表面的那個整段切削刃、它擔(dān) 負著主要的切削工作； 副切削刃 切削刃上除主切削刃以外的刃，亦 起始于主偏角為零的點，但它向背離主切削刃的方向延伸。它擔(dān)負著部分切削工作。 刀尖 指主切削刃與副切削刃的連接處相當(dāng)少的一部分切削刃。 2.刀具角度參考系基面 pr 通過主切削刃選定點的平面 ，一般其方位要垂直于假定的主運動方向。主切削平面 ps 通過主切削刃選定點與主切削刃相

5、切并垂直于基面的平面。 正交平面 po 通過主切削刃選定點并同時垂直于基面和切削平面的平面。正交平面原稱作主剖面。3.車刀的標注角度及作用 前角0前面與基面間的夾角。 后角0 后面與切削平面間的夾角。 主偏角kr 主切削平面與假定工作平面之間的夾角。 副偏角kr副切削平面與假定工作平面之間的夾角。 刃傾角s 主切削刃與基面間的夾角。 v角度的作用 ： 前角0 前角越大， 刀刃鋒利，越利于切削， 但前角過大會削弱切削 刃的強度。 后角0 影響主后面與工件過渡表面間的摩擦及刀刃的強度。 主偏角kr 主要影響切削條件和刀具壽命，也影響切削分力之間的比例。 副偏角kr影響副切削刃與工件間的摩擦及表面質(zhì)

6、量。 刃傾角s 主要影響切屑流向和刀體的強度。 3.2.2刀具材料1.對刀具材料的要求 高硬度 一般應(yīng)在HRC60以上。高耐磨性 含有硬質(zhì)點的數(shù)量越多、晶粒越細，分布越均勻，則耐磨性越好。 足夠的強度和韌性 別用抗彎強度和沖擊韌度來衡量。 高耐熱性 又稱紅硬性，指刀具材料在高溫下保持其常溫硬度的能力。是衡量刀具材料優(yōu)劣的一項重要指標。此外，刀具材料還應(yīng)具有良好的工藝性和經(jīng)濟性。 2.常用刀具材料一般分為以下四類： 高速鋼 按其性能分為通用型高速鋼和高性能高速鋼兩種。 通用型高速鋼熱處理后的硬度可達HRC6266，在550600時仍能保持正常的切削性能。常用牌號有W18Cr4V（稱W18）W6M

7、o5Cr4V2（簡稱M2）等。 高性能高速鋼硬度可達HRC6770，在600650時仍可保持HRC60的硬度。常用牌號有W2Mo9Cr4VCo8（簡稱M42）和W6Mo5Cr4V2Al（簡稱501）等 。 硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是以高硬度、高熔點的金屬碳化物(WC、TiC、NbC、TaC等)粉末為基體，以熔點較低的金屬(Co或Ni等)粉末為粘結(jié)劑經(jīng)高壓后燒結(jié)制成的。 常溫硬度為HRC7482，耐熱溫度可達8001000。允許的切削速度遠高于高速鋼，可達1.75m/s。 硬質(zhì)合金的抗切削振動和沖擊能力較差，目前在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的刀具上使用還受到一定限制。 P類 即YT類，適于加工長切屑的黑色金屬。 M類

8、即YW類，適于加工長、短切屑的黑色和有 色金 屬。 K類 即YG類，適于加工短切屑的黑色、有色金屬及非 金屬 。 （硬質(zhì)合金代號和應(yīng)用范圍見表3-2） 涂層刀具材料 是指通過氣相沉積或其它技術(shù)方法，在硬質(zhì)合金(或高速鋼)的基體上，涂覆一薄層耐磨性極高的難熔金屬化合物。常用涂層材料有TiC、TiN、和Al2O3及其復(fù)合材料等。超硬刀具材料 陶瓷刀具材料 在1200時仍能保持HRA9095的硬度。 人造聚晶金剛石 硬度可達HV10000，是目前人工制成的硬度最高的刀具材料金剛石刀具，溫度達到700 800 時就會失去硬度，不宜加工黑色金屬。 立方氮化硼 硬度為HV80009000，僅次于金剛石，其

9、耐熱性可達1400。 3.3金屬切削過程 3.3.1切屑的形成及三個變形區(qū)切削過程實質(zhì)：彈性變形塑性變形分離v三個變形區(qū) 始滑移線 OA 終滑移線 OM 第變形區(qū) 剪切區(qū) 第變形區(qū) 滯流區(qū) 第變形區(qū) 塑變區(qū)v常見的切屑形態(tài) 帶狀切屑：切削力變化比較小，切削過程較平穩(wěn)。 節(jié)狀切屑：切削過程不夠平穩(wěn)，表面粗糙度Ra值較大 。 崩碎切屑：切削過程極不穩(wěn)定，刀具刃口易崩刃或磨損。 3.3.2積屑瘤1.形成 (在第變形區(qū)) 條件:外摩擦力內(nèi)摩擦力 有瘤好不好？要不要？ 2.作用 增大工作前角,保護切削刃. 使實際切削深度變化, 易引起震動, 降低工件表面質(zhì)量. 粗加工允許存在(切削輕快). 精加工 不允

10、許存在(保證質(zhì)量). 能否想要就要？3.影響因素 工件材料: 塑性,積屑瘤;可正火,調(diào)質(zhì)。 切削速度: 低速(0.08m/s )或很高速(1.67m/s ), 積屑瘤 中速(0.081.67m/s ),積屑瘤 (300) 刀具： 增大前角，減小走刀量，提高刀具表面質(zhì)量及合理使用潤滑液，可使積屑瘤 3.3.3切削力與切削功率1.切削力切削過程中，刀具對工件所施加的力稱為切削力。 來源于兩個方面： 被切材料層因彈性變形和塑性變形而產(chǎn)生的變形抗力 P變； 刀具前刀面與切屑之間、后刀面與工件過渡表面之間相對運動而產(chǎn)生的摩擦阻力 P摩?？偳邢髁?F 是一個空間矢量，其大小和方向隨切削條件而變化?？煞纸鉃?/p>

11、三個互相垂直的分力。v 三個分力 主切削力Fc 總切削力F在主運動方向上的分力。 它垂直于工作基面， 與切削速度方向平行， 故又稱切向力。 消耗機床總功率 的95以上， 是計算切削功率和車刀強度、確定機床動力的 主要依據(jù)。 背向力 Fp 總切削力F在垂直于工作平面方向 上的分力。 它投影在工作基面上， 并與工件軸線垂直， 故又稱徑向力。它一般不消耗機床功率， 但易使工件變形、振動， 是影響工件加工質(zhì)量的主要分力。 進給力Ff 總切削力F在進給運動方向上的分力， 它投影在工作基面上， 并與工件軸線平行， 故又稱軸向力。只消耗機床功率的 15， 是機床進給機構(gòu)強度與剛度設(shè)計的主要依據(jù)。 v關(guān)系：

12、F = Fc 2 Fp 2 Ff 2 Fp = (0.15 0.7 ) Fc Ff = (0.1 0.6 ) Fcv 影響因素： 工件材料的硬度和強度愈高，則變形抗力愈大，因此切削力愈大。 切削用量中對切削力影響最大的是背吃刀量，其次是進給量，而切削速度影響最小。 刀具前角增大，被切金屬的變形減小，故切削力減小。 此外，刀具的主偏角和刃傾角的大小、刀具的安裝與磨損及冷卻潤滑狀況等對切削力大小和各分力間的比例都存在程度不同的影響。2.切削功率背向力Fp方向運動速度為零（不做功），進給力Ff 很小，往往忽略不計，切削功率： Pm = Fc vc 10 -3 ( KW )式中，vc 切削速度，m /

13、s。機床電動機功率為： Pe Pm / 式中， 機床傳動效率，一般取0.750.85。3.3.4切削熱與切削溫度1.切削熱切削層金屬彈性變形和塑性變形-Q變刀具前刀面與切屑 ,后刀面與工件之間的摩擦-Q摩 散熱比例 中等速度車削鋼件時: (大約) 切屑帶走5086, 傳入工件93, 傳入刀具4010, 散入空氣1% （鉆削：見書） 影響 (傳入切屑和空氣的熱量無影響) 傳入工件和刀具的熱量: 使工件升溫變形,產(chǎn)生尺寸、形狀誤差,精度 “燒傷”工件表面,表面質(zhì)量 刀具局部溫度硬度,加速 磨損(導(dǎo)致工件質(zhì)量)2. 切削溫度 切削溫度是指工件、刀具和切屑三者接觸表面上的平均溫度。 是產(chǎn)生和傳散切削熱

14、綜合作用的結(jié)果。 工件材料 工件材料的強度、硬度越高，切削溫度也就越高。材料的導(dǎo)熱性好，可使切削溫度降低。 切削用量 加大切削用量會使切削溫度升高。切削用量中對切削溫度影響最大的是切削速度，其次是進給量,而背吃刀量的影響最小。 刀具角度 刀具的前角增大，切削層變形小，切削溫度降低。 切削液 使用適當(dāng)?shù)那邢饕嚎擅黠@降低切削溫度。 3.3.5刀具磨損與耐用度1.刀具磨損刀具磨損的形式 v前刀面磨損 高速、大厚度塑性材料 KT表示v后刀面磨損 脆性、小厚度塑性材料 VB表示v前后刀面同時磨損刀具磨損的過程 刀具后面磨損量VB與切削時間之間的磨損曲線。分為三個階段： AB段 初期磨損 BC段 正常磨損

15、 CD段 劇烈磨損 2.刀具耐用度 刀具磨鈍標準是指刀具允許的最大磨損量， 通常以主后面中間部分平均磨損量VB作為 磨 鈍標準。 刀具壽命是指一把新刀由開始切削到報廢為止的總切削時間，用 t 表示。 顯然，刀具耐用度T與刀具壽命 t 之間存在以下關(guān)系： t = n T （min） 式中，n 刀具刃磨次數(shù)。 通常，耐用度T: 硬質(zhì)合金車刀T = 6090 min； 高速鋼鉆頭T= 80120 min； 硬質(zhì)合金面銑刀T= 90180 min； 齒輪滾刀T= 200300 min。選擇刀具耐用度有兩種方法： 根據(jù)單件工時最短的原則來確定的最高生產(chǎn)率耐用度Tp ； 根據(jù)工序成本最低的原則來確定的經(jīng)濟

16、耐用度Tc 。 Tc Tp 3.3.6工件材料的切削加工性 切削加工性是指對某種工件材料進行切削加工的難易程度。 材料的相對加工性 K v 一般以抗拉強度b= 735MPa的45鋼的v60作基準，寫作（v60）j K v= v60 /（v60）j K v值越大,其相對切削加工性越好。 工件材料的相對切削加工性分為八級，如表3-3。 1很容易切削 23-容易切削 45-普通 68-難切削 v常用金屬材料的切削加工性 結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼(含C0.25%) 較差 (改善:正火)中碳鋼(0.30.6%C) 較好 (改善:正火)高碳鋼(0.6-0.8%c,含P) 稍難 (次于中碳鋼)高碳鋼(大于0.8%c,含

17、F3C)不好 (改善:球化退火) 合金結(jié)構(gòu)鋼 低于含C量相同的碳鋼 鋁、鎂合金 良好 (但熱膨脹系數(shù)大) 不銹鋼 較差(比低碳鋼差,比高碳鋼(含F(xiàn)3C) 也差) 高溫合金 極差 鈦合金 難切 (比不銹鋼差,比高溫合金好) 切削加工性排序鋁合金 鎂合金 中碳鋼 高碳鋼(含P) 低碳鋼 高碳鋼(含F(xiàn)3C) 不銹鋼 鈦合金 高溫合金3.4精密加工1.精密加工的概念目前精密與超精密加工的范疇可劃分如下：一般加工 指加工精度在10m左右，相當(dāng)于公差等級IT6IT5，表面粗糙度為Ra0.80.2m的加工方法，如車、銑、磨等。適用于一般機械制造行業(yè)。精密加工 指加工精度在10.1m，公差等級在IT5以上，表

18、面粗糙度值在Ra0.10.03m的加工方法，如精密車削、研磨、拋光、精密磨削等。適用于精密機床、精密測量儀器等行業(yè)的精密零件加工。 超精密加工 指加工精度在0.10.01m，表面粗糙度值在Ra0.0250.001m（或稱為亞微米級）的加工方法，如金剛石刀具超精密切削、超精密磨削等。它主要應(yīng)用于一些精密儀器或裝置的制造上，如慣性導(dǎo)航儀靜電陀螺球、超大規(guī)模集成電路基片等的加工。v精密與超精密加工方法主要可分為兩類：采用金剛石刀具對工件進行超精密的微細切削和應(yīng)用磨料磨具對工件進行珩磨、研磨、拋光、精密和超精密磨削等，后者習(xí)慣上又稱作光整加工；采用激光加工、等離子體加工、超聲波加工等特種加工方法。電子束、活性離子、受控腐蝕加工等特種加工方法主要用于加工尺寸微小，精度極高的零器件，被稱為微細加工技術(shù)。 2. 精密加工的特點切削區(qū)的溫度低； 生產(chǎn)率低 ；加工余量少 ；許多情況下是機械切削作用和化學(xué)腐蝕作用共同去除余量 ；對機床設(shè)備、加工環(huán)境要求高（恒溫、超凈、防振），并且要與精密測量相配合 。 3.4.1光整加工 工件光整加工后，可獲得很高的加工精度（尺寸精度可達IT6IT5）和良好的表面質(zhì)量（粗糙度可達Ra0.10.008m）。 1.研磨 研磨是指在相對運動的研具與工件表面之間添加研磨劑，并施加一定的壓力，對工件表面進行光整加工的方法。 研磨工件可獲得IT6IT4的尺寸精度,表面粗糙