切削加工工藝

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⑴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雜，而刀具相對工件的進給運動極為簡單。⑵包絡法以切削刃相對于工件表面的運動軌跡而形成的包絡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。⑴主運動即刀具從工件上切下切屑所需要的基本運動。⑵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。

⑴切削速度主運動為旋轉(zhuǎn)運動，則：

vc=

dn/1000×60(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。

主運動為往復運動，則：vc=2Lnr/1000×60(m/s)式中：L--往復運動行程長度，mm;nr--工件或刀具每分鐘往復的次數(shù)，str/min。⑵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/r⑶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=（dw－dm）/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⑴幾何表面前面又稱前刀面，刀具上切屑流過的表面；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。⑵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。它擔負著部分切削工作。

⑶刀尖指主切削刃與副切削刃的連接處相當少的一部分切削刃。2.刀具角度參考系⑴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。⑵主切削平面ps

通過主切削刃選定點與主切削刃相切并垂直于基面的平面。⑶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。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)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⑴高硬度一般應在HRC60以上。⑵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。⑶足夠的強度和韌性別用抗彎強度和沖擊韌度來衡量。⑷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：⑴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HRC62～66，在550～600℃時仍能保持正常的切削性能。常用牌號有W18Cr4V（稱W18）W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）等。高性能高速鋼硬度可達HRC67～70，在600～650℃時仍可保持HRC60的硬度。常用牌號有W2Mo9Cr4VCo8（簡稱M42）和W6Mo5Cr4V2Al（簡稱501）等。⑵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HRC74~82，耐熱溫度可達800~1000℃。允許的切削速度遠高于高速鋼，可達1.7～5m/s。硬質(zhì)合金的抗切削振動和沖擊能力較差，目前在復雜結(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)合金代號和應用范圍見表3-2）

⑶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及其復合材料等。⑷超硬刀具材料陶瓷刀具材料在1200℃時仍能保持HRA90～95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HV8000～9000，僅次于金剛石，其耐熱性可達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—分離三個變形區(qū)始滑移線OA

終滑移線OM第Ⅰ變形區(qū)—剪切區(qū)第Ⅱ變形區(qū)—滯流區(qū)第Ⅲ變形區(qū)—塑變區(qū)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Ⅱ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(0.08～1.67m/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是一個空間矢量，其大小和方向隨切削條件而變化。可分解為三個互相垂直的分力。

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1％～5％，是機床進給機構(gòu)強度與剛度設計的主要依據(jù)。

關(guān)系：

F=

Fc

2﹢

Fp

2﹢

Ff

2

Fp=(0.15～0.7)Fc

Ff=(0.1～0.6)

Fc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/s。機床電動機功率為：Pe≥Pm/

式中，

——機床傳動效率，一般取0.75～0.85。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50％～86％,傳入工件9％～3％,傳入刀具40％～10％,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)生和傳散切削熱綜合作用的結(jié)果。⑴工件材料工件材料的強度、硬度越高，切削溫度也就越高。材料的導熱性好，可使切削溫度降低。

⑵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。⑶刀具角度刀具的前角增大，切削層變形小，切削溫度降低。⑷切削液使用適當?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⑴刀具磨損的形式前刀面磨損高速、大厚度塑性材料KT表示后刀面磨損脆性、小厚度塑性材料VB表示前后刀面同時磨損⑵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