加工(3章切削加工.ppt

1、第三章 切削加工工藝,3.1 切削加工概述 1 切削加工：是指利用刀具從毛坯上切去多余的材料，減小誤差，從而獲得一定幾何形狀、尺寸、位置精度和表面質(zhì)量的方法。 車、銑、刨、磨、鉗，（計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等支撐的數(shù)控（CNC）（車、銑、刨、磨），以及它們的組合加工中心 （MC） ） 都遵循相同切削加工的原理 特種加工（電加工）方法（電火花、激光、電化學(xué)、超聲波。）,2 零件表面的分類與成形原理 基本表面：平面，內(nèi)、外圓柱面，圓錐面 型面：各種溝槽、螺紋、 特型面： 回轉(zhuǎn)型 、平移型 歸納為兩類： 函數(shù)曲面 列表曲面（仿生曲面） 如 火箭尾噴管（拉法爾管）、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的形

2、狀等,二維特型面 列表曲面 （三維）,成形原理 成形法 以切削刃的形狀來保證工件表面形 狀 特點(diǎn)：刀具切削刃的幾何形狀 復(fù)雜，切削力大，加工 精度、刀具相對(duì)工件 的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單。 包絡(luò)法 以切削刃相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)軌 跡而形成的包絡(luò)面即成為工件表面 的成形原理 。 特點(diǎn)：一般刀具相對(duì)簡(jiǎn)單 而切削運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。,3 切削運(yùn)動(dòng)與切削用量 （1）切削運(yùn)動(dòng)：是指刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 主運(yùn)動(dòng) 即刀具從工件上切下切屑所需要的基本運(yùn)動(dòng)（消耗功率最大的運(yùn)動(dòng)）。 進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 即使工件繼續(xù)投入切削的運(yùn)動(dòng)。 (常見機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)見表3-1) （2）加工中的工件表面 已加工表面 過渡表面（加工表面） 待加工表面

3、,（3）切削用量 切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量（切削深度）稱作切削用量三要素。 切削速度（vc） 主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則： vc= 2 Lnr /100060 (m/s) 式中：L-往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)度，mm; nr -工件或刀具每分鐘往復(fù)的次數(shù)，str/min。,進(jìn)給量 刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量 ，用 f 表示 。 車、鉆、鏜、銑削時(shí)單位為mm/r 背吃刀量（切削深度） 已加工表面與待加工表面間的距離 用ap表示。 單位為 mm。 車削外圓時(shí)： a

4、p=（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。,補(bǔ)充：切削用量的確定原則,粗加工 粗車應(yīng)先選一個(gè)盡量大的背吃刀量aP，然后選一個(gè)比較大的進(jìn)給量f，最后根據(jù)刀具壽命的允許，選一個(gè)合適的切削速度C。 精加工： 精車應(yīng)先選一個(gè)較小的背吃刀量aP，較小的進(jìn)給量f和較高的切削速度C。,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 “三面兩刃一點(diǎn)” 幾何表面（三面） 前刀面 刀具上切屑流過的表面； 主后刀面 刀具上與前面相交形成 主切削刃的表面。（與 加工表面相對(duì)） 副后刀面 刀具上與前面相交形成副切削刃的表

5、面。（與已加工表面相對(duì)）,切削刃（兩刃） 主切削刃 前刀面與主后刀面的交線 擔(dān)負(fù)著主要的切削工作； 副切削刃 前刀面與副后刀面的交線 擔(dān)負(fù)著部分切削工作。 刀尖（一點(diǎn)） 指主切削刃與副切削刃交點(diǎn)。,2 刀具角度參考系 基面 pr通過主切削刃選定點(diǎn)，與刀具安裝基面平行的平面，其方位垂直于假定的主運(yùn)動(dòng)方向。 主切削平面 ps 通過主切削刃選定點(diǎn) 與主切削刃相切并 垂直于基面的平面。 正交平面（主剖面） po 通過主切削刃選定點(diǎn)并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。,3.車刀的標(biāo)注角度及作用 前角0 主剖面內(nèi)測(cè)量的，前刀面與基面間夾角。 后角0 主剖面內(nèi)測(cè)量的，后刀面與切削平面間的夾角。 主偏角kr 基

6、面內(nèi)測(cè)量的，主切削刃與進(jìn)給方向之間的夾角。 副偏角kr 基面內(nèi)測(cè)量的，副切削刃與進(jìn)給方向之間的夾角。 刃傾角s 切削平面內(nèi)測(cè)量的，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(huì)削弱切削刃的強(qiáng) 度。 后角0 影響主后面 與工件加工表面間 的摩擦及刀刃的強(qiáng) 度。 主偏角kr 主要影響切削條件和刀具壽命，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(qiáng)度。,其它刀具都可看成是車刀的組合，原理和研究方法相同,0,0,r,r,s,- 0 +,- 0 +,- 0 +,主切削平面,刀尖高于工

7、件中心時(shí) ,基面,基面,主切削平面,90,工作角度,（主）切削平面：通過切削刃上某選定點(diǎn)，切與加工表面的面 基面：通過切削刃上某選定點(diǎn)，垂直于合成切削速度向量的面 二者垂直,作業(yè)：用車刀切斷園棒料時(shí)，刀具工作角度如何變化的變化,3.2.2刀具材料,3.2.2 刀具材料 1.對(duì)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(diǎn)的數(shù)量越多、晶粒越細(xì)，分布越均勻，則耐磨性越好。 足夠的強(qiáng)度和韌性 用抗彎強(qiáng)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(xiàng)重要指標(biāo)。 此外，刀具材料還應(yīng)具有良好的加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性。,3.2

8、.2 刀具材料 普通工具鋼:碳素工具鋼(T10A、T12A)、合金工具鋼(9SiCr,CrWMn），最早出現(xiàn)的工具材料，切削速度低，制作手工工具，絲錐、手用鉸刀等。 通用型高速鋼：提高刀具的硬度、耐磨性、韌性和高溫性能，合金元素包括WCrMoV等，如W18Cr4V（稱W18）W6Mo5Cr4V2（簡(jiǎn)稱M2）等，性能得以改善，且仍具有加工性能，制作復(fù)雜刀具（鉆頭、銑刀、滾到等） 高性能高速鋼：增加含碳量加入CoAl等合金元素硬度可達(dá)HRC6770，在600650時(shí)仍可保持HRC60的硬度。常用牌號(hào)有W2Mo9Cr4VCo8（簡(jiǎn)稱M42）和W6Mo5Cr4V2Al（簡(jiǎn)稱501）等，加工不銹鋼、鈦合

9、金、高溫合金等 。,硬質(zhì)合金：（另一條路線，粉末冶金方法）WC、TiC、NbC、TaC等粉末為基體，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(dá)8001000。允許的切削速度遠(yuǎn)高于高速鋼，可達(dá)1.75m/s。) 抗切削振動(dòng)和沖擊能力較差，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的刀具上使用還受到一定限制?？杉庸ご慊痄摰雀哂膊牧希瞥傻镀?，焊接或加持在刀桿上。 已經(jīng)出現(xiàn)了退火狀態(tài)下可鍛造成型并允許切削的硬質(zhì)合金（10000元/kg） P類 即YT類（WC+TiC） ，適于加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬。（鋼件） M類 即YW類，適于加工長(zhǎng)、短切屑的黑色和有 色金 屬。 K類 即YG類（

10、WC+Co），適于加工短切屑的黑色、有色金屬及非金屬 。（鑄鐵件） （硬質(zhì)合金代號(hào)和應(yīng)用范圍見表3-2）,涂層刀具:用氣相沉積的方法在刀具表面沉積一層耐磨性極高的難熔金屬化合物。TiC（碳化鈦）、TiN（氮化鈦）和Al2O3及其復(fù)合材料等。加工常用材料時(shí)刀具壽命顯著提高。 超硬刀具材料（粉末冶金法） 陶瓷刀具材料，Al2O3 SiN 為主，脆，加工冷硬鑄鐵、淬火鋼、高強(qiáng)度鋼、耐熱材料 人造金剛石 硬度可達(dá)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(dá)到700 800 時(shí)就會(huì)失去硬度，不宜加工黑色金屬（主要是碳，與鐵金屬的親和力強(qiáng)，容易粘刀）可以加工陶瓷、玻璃、硬質(zhì)合金、耐

11、磨塑料等硬脆材料。更脆 立方氮化硼：與鐵的親合力小，加工冷硬鑄鐵、淬火鋼、耐熱材料、 硬度為HV80009000，僅次于金剛石，其耐熱性可達(dá)1400。,3.3 金屬的切削過程 3.3.1切屑的形成及三個(gè)變形區(qū) 切削過程實(shí)質(zhì)： 材料逼近刀具彈性變形塑性變形受力超過材料屈服極限沿晶格表面滑移分離切屑沿前刀面流出發(fā)生劇烈摩擦。后刀面與已加工表面的劇烈摩擦。產(chǎn)生切削力和切削熱 三個(gè)變形區(qū) 第變形區(qū) 剪切區(qū) 始滑移線 OA 終滑移線 OM 第變形區(qū) 滯流區(qū)，刀具前刀面繼續(xù)對(duì)切削擠壓 第變形區(qū) 塑變區(qū)，造成已加工表面殘余應(yīng)力和冷作櫻花,常見的切屑形態(tài) 帶狀切屑：彈性-塑性-滑移，沒有分離過程。切削力變化比

12、較小，切削過程較平穩(wěn)，有利于保證加工質(zhì)量。常見于塑性金屬加工，如低碳鋼、有色金屬，合金等。排屑困難，特別在自動(dòng)加工中 節(jié)狀切屑：介于前后兩者之間，切屑部分分離 崩碎切屑：材料來不急發(fā)生塑性變形，直接分離，切削過程極不穩(wěn)定，加工系統(tǒng)易發(fā)生振動(dòng)，表面粗糙度加大，刀具刃口易崩刃或磨損。常見于加工脆性材料，如鑄鐵。,3.3.2積屑瘤 (在第變形區(qū)) 機(jī)理：刀具前刀面上，前刀面不斷受到 切屑擠壓、摩擦和刮蝕，前刀面與切屑 間的分子親和力加大，材料內(nèi)部結(jié)合力， 在高溫高壓下切屑冷焊于刀具前刀面，形 成積屑瘤 過程：形成-長(zhǎng)大-消失，循環(huán)發(fā)生 作用：保護(hù)刀具，粗加工時(shí)希望有 循環(huán)發(fā)生，易振動(dòng)，精加工不希望

13、條件:中速切削，塑性金屬 改變材料性能，合適刀具角度， 施加冷卻潤(rùn)滑液,3.3.3切削力與切削功率 1.切削力 來源于兩個(gè)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、后刀面與加工表面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦阻力 P摩。 總切削力 F 是一個(gè)空間矢量，其大小和方向隨切削條件而變化?？煞纸鉃槿齻€(gè)互相垂直的分力。,三個(gè)分力 主切削力Fc 總切削力F在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力。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(jī)床總功率 的95以上，是計(jì)算切削功率和車刀強(qiáng)度、確定機(jī)床動(dòng)的主要依據(jù)。 徑向力 Fp 總切削力F在垂直于工作平面方向上的分力。它投影在

14、工作基面上，并與工件軸線垂直。一般不消耗機(jī)床功率，但易使工件變形、振動(dòng)，是影響工件加工質(zhì)量的主要分力。 軸向力Ff 總切削力F在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，投影在工作基面，并與工件軸線平行。只消耗機(jī)床功率的15， 是機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。 F 2 = Fc 2 Fp 2 Ff 2,影響因素： 工件材料的硬度和強(qiáng)度愈高，則變形抗力愈大，因此切削力愈大。 切削用量中對(duì)切削力影響最大的是切削深度ap，其次是進(jìn)給量f，而切削速度vc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。 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(rùn)滑狀況等對(duì)切削力大小和各分力間的比例都存在程度不

15、同的影響。,2.切削功率 徑向力Fp方向運(yùn)動(dòng)速度為零（不做功），進(jìn)給 力Ff 很小，往往忽略不計(jì)，切削功率： Pm = Fc vc 10 -3 ( KW ) 式中，vc 切削速度，m /s。 機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率為： Pe Pm / 式中， 機(jī)床傳動(dòng)效率，一般取 0.750.85。,3.3.4切削熱與切削溫度 切削熱 來源：切削層金屬彈性變形和塑性變形，刀具前刀面與切屑 ,后刀面與工件之間的摩擦。 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?！盁齻?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) 切削溫度 切削溫度是指工件、刀

16、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。 工件材料 工件材料的強(qiáng)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(huì)使切削溫度升高。切削用量中對(duì)切削溫度影響最大的是切削速度vc，其次是進(jìn)給量f, 而切削深度ap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。 冷卻、潤(rùn)滑、去除切屑,3.3.5刀具磨損與耐用度 1.刀具磨損 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(shí)磨損,刀具磨損的過程 刀具

17、后面磨損量VB與切削時(shí)間之間的磨損曲線。分為三個(gè)階段： AB段 初期磨損: 刀具表面微觀誤差迅速 被消除 BC段 正常磨損 切削階段 CD段 劇烈磨損： 切削力、噪音加大， 該換刀了,2.刀具耐用度（T） 刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)是指刀具允許的最大磨損量，通常以主后刀面中間部分平均磨損量VB作為磨 鈍標(biāo)準(zhǔn)。 兩次刃磨間的切削時(shí)間，用T表示，稱之為刀具耐用度。 刀具壽命是指一把新刀由開始切削到報(bào)廢為止的總切削時(shí)間，用 t 表示。 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） n 刀具刃磨次數(shù)。 選擇刀具耐用度有兩種方法： 根據(jù)單件工時(shí)最短的原則來確定的最高生產(chǎn)率耐用度 Tp ；

18、 根據(jù)工序成本最低的原則來確定的經(jīng)濟(jì)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(duì)某種工件材料進(jìn)行切削加工的難易程度。 材料的相對(duì)加工性 K v 以抗拉強(qiáng)度b= 735MPa的45鋼的v60作基準(zhǔn)，寫作（v60）j （當(dāng)耐用度為60mins，所允許的切削速度） K v= v60 /（v60）j K v值越大,其相對(duì)切削加工性越好。 好 鋁合金 鎂合金 中碳鋼 高碳鋼(珠光體為主) 低碳鋼 高碳鋼(滲碳體) 不銹鋼 鈦合金 高溫合金 差,補(bǔ)：磨削,刀具：砂輪 切削過程： 切削 梨溝 刮擦 擠壓 不計(jì)其數(shù),3.4 精密加工 1.精密加工的概念 一般加工 指加工精度

19、在10m左右，相當(dāng)于公差等級(jí)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(jī)械制造行業(yè)。 精密加工 指加工精度在10.1m，公差等級(jí)在IT5以，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(jī)床、精密測(cè)量?jī)x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(jí)）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。,2. 精密加工的特點(diǎn) 切削區(qū)的溫度低；

20、生產(chǎn)率低 ； 加工余量少 ； 許多情況下是機(jī)械切削作用和化學(xué)腐蝕作用共同去除余量 ； 精密車削、磨削對(duì)機(jī)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(cè)量相配合 。,3.4.1光整加工 尺寸精度可達(dá)IT6IT5，粗糙度可達(dá)Ra0.10.008m）。 1.研磨（機(jī)床要求不高） 方法：機(jī)械研磨 手工研磨 研磨劑：硬 磨料（剛玉等）+研磨液（煤油） 過程：高點(diǎn)出，壓力極大，首先被去除，平均誤差 研具：材料硬度低于工件材料如，鑄鐵 硬木 主要是降低表面粗糙度，研磨不能提高位置精度（工件自定位），但能改善形狀精度 工件與研具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越復(fù)雜越好,機(jī)理,2.珩磨 珩磨是利用珩磨頭對(duì)已加工孔進(jìn)行光整加工的工藝方法，如液壓油缸、汽缸、起落架作動(dòng)筒內(nèi)孔等。 加工精度可達(dá)IT6IT5，表面粗糙度可達(dá)Ra0.20.025m 珩磨頭（類似于砂輪結(jié)構(gòu)，磨粒細(xì)、易脫落）與珩磨桿浮動(dòng)聯(lián)結(jié)（工件自定位） 過程：高點(diǎn)出，壓力極大，首先被去除，平均誤差 主要是降低表面粗糙度，提高耐磨性，幾何形狀精度有所改善，不能糾正孔的位