切削加工基础知识课件.ppt

切削加工基础知识,切削加工基础知识,1.1 切削加工概述1.2 刀具与刀具切削过程1.3 磨具与磨削过程 1.4 普通切削加工方法综述1.5 常见表面加工分析,1.1 切削加工概述,切削加工是利用切削工具从工件上切除多余材料,使工件获得符合图样要求的形状、尺寸以及表面质量的加工方法.切削加工（Cutting）是指采用具有规则形状的刀具从工件表面切除多余材料，从而保证在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度以及表面层质量等方面均符合设计要求的机械加工方法。,切削加工基本概念,1.1.1 切削加工的分类,钳工工人手持工具对各种工件所进行的切削加工锯切、钻孔、铰孔、攻螺纹、套螺纹、挫削、刮削和研磨等工件的划线、机器的装备及设备的维修机械加工利用机械力对各种工件所进行的切削加工车削、钻削、镗削、刨削、拉削、铣削、磨削、珩磨、超精加工和抛光,1.1.2 零件表面的分类和成形原理,1.几何表面的形成原理,圆锥面,圆柱面,平面,成形表面,任何一个零件都是由若干个基本表面组成的,组成零件的基本表面主要有,发生线,2.发生线的形成,加工表面的形成方法是母线形成方法和导线形成方法的组合.加工表面形成所需的刀具与工件之间的相对运动也是形成母线和导线所需的相对运动的组合.,3.加工表面的形成方法,1.1.3 切削运动和切削用量,1.切削运动加工过程中工件与刀具间的相对运动，从而切除多余金属，使工件获得所需要求的形状和精度,车外圆,切槽 割断,车螺纹,速度最高,必有且只有一个,消耗功率最大,形式为旋转或直线往复,主运动,切除工件多余金属、形成工件新表面所必不可少的基本运动,主运动的特征,车削主运动是工件的旋转运动,铣削和钻削运动是刀具的旋转运动,磨削主运动是砂轮的旋转运动,刨削主运动是刀具（牛头刨床）或工件（龙门刨床）的往复直线运动等,进给运动,使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动,进给运动的特征,速度较低,有0n个,耗功较少,形式为旋转或直线往复,可连续，也可步进,车削进给运动是刀具的移动,铣削进给运动是工件的移动,钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动,内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和移动以及砂轮的横向进给等,切削加工过程中的辅助运动,切入运动,空程运动,分度转位运动,送夹料运动,机床控制台运动,合成切削运动,合成切削运动,主运动和进给运动的合成运动,合成切削运动的瞬时速度用矢量 ve 表示ve = vc + vf,注意：刀刃上各点 的合成速度矢量不一定相等,2. 工件上的加工表面,待加工表面,过渡表面,已加工表面,工件有待切除金属层的表面,主切削刃正在切削着的表面,工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面,工件上的表面,切削加工过程中，工件上形成三个不断变化的表面,包括切削用量和切削层横截面要素,切削速度vc,主运动的线速度，单位磨削速度用为 m/s，其他加工的切削速度习惯用m/min,切削要素,切削用量三要素,主运动是旋转运动时，切削速度计算公式为,进给量f,背吃刀量ap,工件或刀具每转一周，刀具沿进给方向与工件的相对位移。单位是mm/r。,工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离(主切削刃与工件过渡表面的瞬时接触长度在垂直于基点工作平面的方向上测量的大小),车削,钻孔,切削层,指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个加工表面之间的金属层,切削层横截面要素,切削层横截面尺寸,切削层横截面三要素,切削层公称宽度bD,刀具主切削刃与工件的接触长度（切削刃上两个极限点间的距离）（bD=ap/sinkr）,切削层公称厚度hD,刀具或工件每移动一个进给量 时，刀具主切削刃相邻的两个位置之间的垂直距离（hD=fsinkr）,切削层公称横截面积AD,切削层横截面的面积（ADbDhD=apf）,1.2 刀具与刀具切削过程,刀具切削部分的结构要素,任何刀具都由切削部分和夹持部分组成,刀具切削部分的结构要素有三面二刃一尖,1.2.1 刀具的几何结构,前刀面A,主后刀面A,副后刀面A,主切削刃 S,副切削刃 S,刀尖,切屑流经的刀面,和工件过渡表面相对的刀面,和工件已加工表面相对的刀面,前刀面与主后刀面的交线,前刀面与副后刀面的交线,主切削刃和副切削刃的交点或连接部位,刀尖的形状,刀具角度的参考系,为了确定和测量各刀刃、各刀面的空间相对位置，必须建立用以度量各刀刃、各刀面空间位置的参考系,建立参考系，必须与切削运动相联系，应反映刀具角度对切削过程的影响。参考系平面与刀具安装平面应平行或垂直，以便于测量,1.2.2 正交平面参考系,用来确定刀具几何角度的参考系有两类,区别在于：前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定,刀具标注角度参考系,刀具工作角度参考系,它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的参考系,1.2.2.1 正交平面参考系,过切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面,过切削刃上选定点，垂直该点切削速度方向的平面,过切削刃上选定点，既垂直于切削平面，又垂直于基面的平面,切削平面（ps）,基面（pr）,正交平面(po),切削部分结构复杂,车削有进给运动,主切削刃不一定水平,主切削刃各点切削速度不等,车刀的静止参考系,车削的特点,不考虑进给运动的影响,车刀安装绝对正确,刀刃选定点的切削速度方向与刀刃各处的平行,建立车刀静止参考系的假设,由此得到,ps pr； ps po； pr po,s pr , pr安装底面（基于3点假设）,主切削刃、副切削刃各有一个切削平面和基面,建立参考平面,刀具的标注角度,刀具在设计、制造、刃磨和测量时，都是用刀具静止参考系中的几何角度来标明切削刃和刀面的空间位置的，故这些角度称为刀具的标注角度（静态角度）,常用的有5个（打者）,车刀的标注角度,介绍几种标注方法,车刀的标注角度,车刀的标注角度, 主偏角kr,主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角, 副偏角kr,副切削刃在基面上投影与进给运动反方向之间的夹角（或副切削刃在基面上投影与已加工表面之间的夹角）,刀尖角r,主切削刃、副切削刃在基面上投影的夹角,由上可知：kr+ kr+r = 180,在基面中测量的角度,主前角o,基面与前刀面之间的夹角,主后角o,后刀面与切削平面之间的夹角,楔角o,后刀面与前刀面之间的夹角。,由上可知：o = 90 - (o +o ),规定：前面低于基面时，o 0； 前面高于基面时，o 0。,加工过程中，一般不允许o 0,在po-po截面中测量的角度,刃倾角s,主切削刃与基面之间的夹角,规定： 刀尖为最高点时，s 0； 刀尖为最低点时，s 0。,在切削平面中测量的角度,工作参考系与静止参考系的区别,合成切削运动方向代替假定主运动方向,实际进给运动方向代替假定进给运动方向,实际安装条件代替假定安装条件,刀具的工作角度,按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作参考系中确定的角度。,进给运动对工作角度的影响|横车,刀具工作角度的标注,只需用工作坐标平面取代静止坐标平面即可,切断工件时，切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，实际切削平面为过切削刃而切于螺旋线的平面，实际基面又始终与之保持垂直，因而切削时实际的前角、后角等都在发生变化,设为合成切削速度角 则 oe =o + oe = o - tan = vf / vc = f /d,d 随切削过程变化，越靠近中心， 越大，以致可能oe 0（挤压）,进给运动对工作角度的影响|纵车,车外圆时， = 3040，可忽略；车螺纹，尤其是车多头大螺距螺纹时， 很大，则不可忽略,考虑进给运动的影响，工作基面pre和工作切削平面pse都倾斜一个 角。则 fe =f + fe = f - = tan-1( f /dw ),换算到正交平面系：则 tano = tan sin kr oe =o +o oe = o o,刀具安装情况对工作角度的影响|刀尖高于工件中心线,刀尖高于工件中心线则 pe =p +p pe =p p,换算到正交平面系则 oe =o + oe =o oo = tan-1( tanpcos kr ),当刀尖低于工件中心线时，计算公式p 符号相反,镗内孔时与车外圆的计算公式p 符号正好相反,注,刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角和工作副偏角将发生变化,设G为进给方向垂线与刀杆中心线的夹角则 Kre = Kr G Kre = Kr 干 G,刀具材料指刀具切削部分的材料,刀具材料的性能直接影响刀具使用寿命、生产率、加工质量和加工成本,刀具的切削性能主要取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和结构尺寸,1.2.3 刀具材料,刀具工作环境十分恶劣，因此刀具材料必须具备以下性能,高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性,高的耐热性,较小的膨胀系数,良好的导热性,稳定的化学性能,良好的抗粘结性能,良好的工艺性能,良好的经济性,刀具材料应具备的性能要求,刀具材料种类的发展史,刀具材料的种类很多，常用的有,目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。,工具钢,硬质合金,陶瓷,金刚石,立方氮化硼,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢,别称,锋钢,钨钢,白钢,高速钢,高速钢的特点,高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢,具有高的强度和冲击韧性，刃磨时能获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称,具有较高的耐热性，可在550650的温度下进行切削加工,分 类,按切削性能不同，高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢,按制造方法不同，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢,按化学成分不同，可分为钨系、钨钼系、钼系高速钢,普通高速钢,钨系高速钢,钨系高速钢的典型牌号是W18Cr4V,钨钼系高速钢,钨钼系高速钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2 、 W9Mo3Cr4V,含碳量0.70.8，含钨量17.519，含铬量3.804.4，含钒量1.01.4，含硅量小于0.4，含锰量小于0.4，含钼量小于0.3。,高性能高速钢,在普通高速钢中加入一些其他合金元素（C、V、Co、Al），以提高其耐热性和耐磨性,典型牌号：W6Mo5Cr4V3、W2Mo9Cr4VCo8 、W6Mo5Cr4V2Al,粉末冶金高速钢,采用粉末冶金法可完全消除碳化物偏析，提高刀具质量,特点,结晶组织细小、均匀，避免了偏析,碳化物细小均匀，改善磨削加工性,各向同性，减少热处理变形与应力,提高了材料利用率,高速钢刀具的表面涂层,目的,为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面层，以减少刀具磨损，提高刀具的切削性能,方法,蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。还可采用真空溅射法在刀具表面沉积一层TiC或TiN,涂层高速钢是一种复合材料，基体是强度、韧性好的高速钢，表层是具有高硬度、高耐磨性的其他材料,“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构的Q460也有很多独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形，这个强度要比一般钢材大，因此生产难度很大。这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。如今，为“鸟巢”准备的Q460钢材已经开始批量生产。2008年，400吨自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，撑起了“鸟巢”的铁骨钢筋。,硬质合金,硬质合金的组成与性能,由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品,高硬度、高熔点的金属碳化物含量高，故其硬度、耐热性和耐磨性都超过高速钢，允许切削温度高达8001000。因此，切削速度远高于高速钢,硬质合金抗弯强度低、韧性差，怕冲击振动，工艺性能差，不易做成形状复杂的整体刀具,硬质合金的物理、力学性能取决于合金成份、粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺,金属碳化物所占比例大，则硬度高，耐磨性也好,粘结剂含量高，则抗弯强度和冲击韧性会有所提高,晶粒越细，硬度越高,硬质合金是以WC为基体，并分为,WC-Co,WCTiC-Co,WCTaC（NbC）Co,WCTiCTaC（NbC）Co,普通硬质合金的分类、牌号及其使用性能,YG类,ISO称为K类，加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料,YT类,ISO称为P类，加工长切屑的黑色金属,YN类,ISO称为P类，高速精加工工具钢、淬火钢,YW类,ISO称为M类，可履盖K类、P类的应用范围,硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量,其他硬质合金及其使用性能,超细晶粒硬质合金,其WC的粒度则在0.21m之间，其中大多数在0.5m以下,是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金，具有硬质合金的高硬度和高速钢的高强度,可用于间断切削，特别是难加工材料的间断切削,涂层硬质合金,在韧性较好的硬质合金基体上，涂一层硬度、耐磨性极高的难熔金属化合物，采用化学气相沉积法而获得的。涂层的厚度为510m,可分为单涂层、双涂层、和多涂层等,涂层刀片不适于切削高温合金、钛合金、有色金属及某些非金属，不能采用焊接结构，不能重磨使用,钢结硬质合金,代号为YE。它以WC、TiC作硬质相（占3040），以高速钢（或合金钢）作粘结相（占6070）,硬度、强度与韧性介于高速钢和硬质合金之间；可以进行锻造、切削、热处理与焊接,可用于制造模具、拉刀、铣刀等形状复杂的刀具,其他刀具材料,陶瓷,按化学成分可分为：纯氧化铝Al2O3陶瓷、复合氧化铝Al2O3TiC陶瓷、复合氮化硅Si3N4TiCCo陶瓷,高温硬度很高，在1200时，硬度尚能达到80HRA，仍具较好的切削性能,缺点：脆性大，抗弯强度低，冲击韧性差，导热能力低和线膨胀系数大。对冲击十分敏感，容易破裂。,与金属亲和力小,不易发生粘结和扩散；有较低摩擦系数，不易产生积屑瘤,金刚石,已知的最硬材料，其硬度极高，接近于10000HV（硬质合金仅为 1300 1800HV）,金刚石分为天然和人造两种，常用的有天然单晶、人造聚晶、复合金刚石刀片,金刚石刀具既能对陶瓷、刚玉、玻璃、高硅铝合金、硬质合金等高硬度耐磨材料进行切削加工，又能对有色金属及其合金进行精加工和超精加工，使用寿命极高，但不宜加工铁族材料,立方氮化硼,其硬度为80009000HV；热稳定性和化学惰性好，可耐13001500的高温仍保持其硬度；与铁族材料的亲和作用小，能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等，当对淬硬零件进行半精车和精车时，其加工精度与表面质量足以代替磨削加工,立方氮化硼（CBN）刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀杆上，也可以将立方氮化硼与硬质合金压制在一起成为复合刀片,1.2.4 金属切削过程,金属切削过程是指用刀具从工件表面切除多余金属层，形成切屑和已加工表面的过程。该过程实际上就是切屑的形成过程,伴随着切屑的形成，会产生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切削力、切削热和刀具磨损等物理现象,1.2.4 金属切削过程,变形区的划分,在金属切削过程中，被切削金属层经刀具的挤压作用，发生弹性变形、塑性变形、直至切离工件形成切屑沿刀具前刀面排出。通常将这个过程大致分为三个变形区,第一变形区,由OA线和OM线围成的区域（）称为第一变形区，也称剪切滑移区，是切削过程中产生变形的主要区域,OA为始滑移线，OM为终滑移线,一般切削速度下，第一变形区的宽度仅为0.020.2mm。所以可用一个平面OM（剪切面）表示第一变形区。剪切面OM与切削速度方向的夹角称为剪切角,第二变形区,指刀屑接触区（）,切屑沿前刀面流出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，其方向基本上和前刀面平行。又称为挤压变形区,第三变形区,指刀工件接触区（）。在第三变形区里，后刀面施加法向力Frn和摩擦力Fr于工件。Frn使工件产生径向的塑性和弹性变形，Fr使已加工表面产生切向的塑性和弹性变形,切削层金属以vc进入第一变形区后便开始塑性变形，晶粒伸长 运动到刀刃时，晶粒成纤维状，最后包围刀尖 刀尖以上部分沿前刀面流出，成为刀屑底层；刀尖以下部分沿后刀面流出，且纤维越伸越长、越细，最后拉断，成为已加工表面层,切削层部分金属进入第三变形区后发生塑性变形，随着进入第三变形区深度的增大，塑性变形亦增大。在第一变形区发生纤维化的金属，有很小一部分进入第三变形区。第三变形区以外的金属发生弹性变形，这些金属离开弹性变形区后，弹性变形便恢复,由此可知，已加工表面受到挤压、摩擦、变形、切削热等作用,切屑的形成,刀具和工件接触，材料受到挤压，内部产生应力和弹性变形 外力F，材料内部应力和变形 弹性变形 当剪应力达到材料的屈服强度s时，材料将沿着与走刀方向成45的剪切面滑移，即产生塑性变形 外力F，滑移量 切削层金属与工件基体分离，形成切屑，沿前刀面流出,切屑的形成过程,切削热的产生和传出,切削热的产生,在切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全部转换为热能。所以三个变形区就是三个发热源,Qs + Qr = Qc + Qt + Qw + Qm,切削热的传出,由切屑、刀具、工件和周围介质传导,切削热的产生和传出,切削温度,改变前刀面的摩擦系数,改变工件材料的性能,影响已加工表面质量,影响积屑瘤的产生,影响零件的加工精度,切削温度是指切削过程中切削区域的温度,切削温度对加工的影响,自然热电偶法,自然热电偶法,人工热电偶法,热辐射法,热敏涂色法,远红外线法,切削温度的测定,通常通过实验测定,常用的切削温度测定方法如下,工件、切屑、刀具的切削温度分布组成一温度场,切削温度的分布,切削温度的分布规律,剪切面上各点温度几乎相同,前后刀面上的最高温度都不在刀刃上，而在离刀刃有一定距离的地方性 （摩擦热沿刀面不断增加之故）,剪切区中，垂直剪切面方向的温度梯度很大,切屑底层上的温度梯度很大,后刀面接触长度较小；加工表面受到的是一次热冲击,工件材料塑性愈大，切削温度分布愈均匀；材料脆性愈大，最高温度点离刀刃愈近,材料导热系数愈低，刀具前后面温度愈高,影响切削温度的主要因素,切削用量,刀具几何参数,vc、ap、f 切削功率 切削热量 切削温度,o 切削温度； kr 散热体积 切削温度； br1、r基本上无影响,工件材料,刀具磨损,切削液,强度、硬度、导热系数 切削温度,VB（平均磨损宽度） 0.4mm 切削温度,冷却越充分，切削温度越低,积屑瘤切削塑性较大的金属材料（如钢、铝合金）时，在切削速度不高、又能形成带状切屑的情况下，常常有一些从切屑和工件上下来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，能代替刀面和切削刃进行切削，这一小硬块称为积屑瘤。它的硬度约为工件材料的23倍。,积屑瘤,积屑瘤的形成过程切屑在前刀面上流动产生粘结，底层金属形成滞流层滞流层以上的金属流过时产生内摩擦底面上面的金属变形，发生加工硬化，被阻滞并与底层粘在一起逐渐扩大，积屑瘤形成积屑瘤形成是一个动态过程：局部形成、长大局部断裂或脱落形成、长大、稳定、脱落形成、长大,积屑瘤对切削过程的影响,保护刀具,增大前角,增大切削厚度，改变背吃刀量,增大表面粗糙度、降低表面质量,对粗加工有利，对精加工不利,积屑瘤产生的条件主要取决于切削温度、刀-屑面压力、前刀面粗糙度,影响积屑瘤的主要因素,工件材料,切削速度,刀具前角,切削液,控制积屑瘤的措施,改善工件材料性能,选择合适的切削速度,采用大前角切削刀量,使用冷却润滑液,正火、调质,1525m/min最易形成,减小刀-屑接触面压力,减少摩擦、降温、增滑,切屑的类型,切屑的类型,崩碎切屑,粒状切屑,由此：改善切削条件、减少刀具磨损、提高切削速度、提高已加工表面质量、改善切削加工性,切削液的功用,冷却作用,润滑作用,清洗作用,防锈作用,通过传导、对流、汽化带走热量,产生润滑膜，减小摩擦系数,清除细碎切屑和磨粒等,依靠加入添加剂,切削液的种类,切削液的种类及应用,切削液,固态润滑剂,乳化液,水溶液,切削油,用于切削钛合金等,切削液中常用的添加剂,为了改善切削液的性能所加入的化学物质，称为添加剂切削液中常用的添加剂,油性添加剂,极压添加剂,乳化剂,动植物脂、脂肪酸、胺类、脂类、醇类,含硫、磷、氯、硼等的化合物,矿物油和水乳化形成稳定乳化液的物质,切削液的合理选择根据工件材料、工艺要求、工种特点等通过查工艺手册合理选用,特别应注意：硬质合金、陶瓷刀具，切削铸铁、青铜一般不用切削液；切削镁、铝、铝合金不用水溶液；切削铅，切削液不能含氯；精密机床不能使用含硫的切削液等。,切削液的使用方法,普遍使用浇注高压冷却喷雾冷却,喷雾冷却法,切削力与切削功率,切削力的来源 （来自变形与摩擦）,切削力,弹性变形抗力,塑性变形抗力,切屑与前刀面的摩擦力,后刀面与已加工表面的摩擦力,切削力及其分解 作用在刀具上的合力Fr可分解为相互垂直的三个分力Fc、Ff、Fp,主切削力Fc,进给力Ff,背向力Fp,切削力的大小,Fc、Ff、Fp之间的近似关系Fp=（0.250.6）Fc Ff =（0.150.45）Fc Fr =（1.121.18）Fc,切削力的测量测量切削力的专用仪器叫测力仪按工作原理分为机械、液压、电气等测力仪,切削力的计算,切削力的经验公式,单位切削力 kc,定义：单位时间内切削力作的功叫Pc计算：等于同一瞬间切削刃基点上的切削力与切削速度的乘积,切削功率与单位切削功率,单位切削功率pc,选择机床电动机功率PE时,Q单位时间内的金属切除量,刀具几何参数,工件材料,其它因素,切削用量,影响切削力的因素,1）工件材料的性能对切削力有显著的影响 工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。 灰铸铁和其他脆性材料，切削时一般形成崩碎切屑，刀-屑摩擦小，切削力也较小。,2）切削用量对切削力的影响a）背吃刀量ap 和进给量 f 对切削力的影响,标准切削试验：刀具材料P10，工件材料45钢b=650Mpa，车刀几何参数为go =10、kr =45、ls =0。,即，asp增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC只能增大68%80。,b）切削速度Vc对切削力的影响,切削速度对切削力的影响,右图为加工塑性金属时。在积屑瘤产生区域内的切削速度增大，因前角增大、切削变形小，故切削力下降；待积屑瘤消失，切削力又上升。在中速后进一步提高切削速度，切削力逐渐减小。加工脆性材料时，影响不大。,3）刀具几何参数对切削力的影响a） 前角go对切削力的影响,刀刃锋利,前角go,变形抗力,切削力,a） 前角go对切削力的影响,前角对切削力的影响asp=4mm f=0.25mm/r,b） 主偏角kr 对切削力的影响,c）刃倾角ls 对切削力的影响,ls,背前角gp,侧前角,gf,Fp,Ff,d）刀尖圆弧半径re 对切削力的影响,刀具磨损与刀具寿命,刀具磨损形式,正常磨损,当刀具设计合理，制造、刃磨合格，使用正确，则刀具主要是由于正常磨损而逐渐钝化,切削塑性材料时，在前刀面上形成月牙洼磨损,后刀面磨损带往往不均匀，其值以平均磨损带宽度VB表示,非正常磨损,主要指刀具的脆性破损、塑性破损,前刀面磨损,后刀面磨损,前后刀面同时磨损,刀具磨损的测量位置,刀具磨损的原因,磨料磨损,粘结磨损,扩散磨损,化学磨损,相变磨损,热电磨损,又称氧化磨损,又称冷焊磨损,刀具的磨损过程和磨钝标准,三个磨损阶段,刀具的磨钝标准,刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准,国际标准ISO规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB值作为刀具磨钝标准,自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB值,刀具寿命,指一把新刀从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止所经过的总切削时间（单位为分钟），以 T 来表示,泰勒（F. W. Taylor）推出刀具寿命三因素关系式,刀具材料,刀具的几何参数,切削用量,工件材料,影响刀具寿命的因素,切削用量对刀具寿命的影响,当其他条件不变时，切削速度提高一倍，耐用度T将降低到原来的3.125,若进给量提高一倍，而其他条件不变时，耐用度则降低到原来的21,当其他切削条件不变时，若切削深度提高一倍，则耐用度仅降低到原来的78,刀具寿命与切削用量的关系： 制订工艺规程时，如果既要保证较长的刀具寿命，又要追求较高的切削效益，那么，确定切削用量就应该遵循下列原则：采用尽可能大的背吃刀量，采用能满足已加工表面粗糙度要求的尽可能大的进给量，再根据所确定的刀具寿命值，按切削用量与刀具寿命的关系公式计算切削速度。,刀具寿命的选择,根据单件工时最短的原则来确定刀具寿命,根据单件成本最低的原则来制定刀具寿命,1.3 磨具与磨削过程,GrindingAbrasive Machining,磨削加工是指用砂轮或涂覆磨具作为切削工具、以较高的线速度对工件表面进行加工的方法,大多在磨床上进行,磨削加工可分为普通磨削、高效磨削、高精度低粗糙度磨削和砂带磨削等,1.3.1 砂轮,砂轮是由磨料和结合剂构成的多孔体，如图所示，其特性随着磨料、粘结剂及砂轮的硬度、组织及形状的不同而不同。磨削时，必须根据具体条件选用合适的砂轮。,砂轮的特性由磨料、粒度、结合剂、硬度及组织等五个方面的因素决定。,磨具一般分为六大类，即砂轮、砂瓦、砂带、磨头、油石、研磨膏。,（一）磨料 锋利的形状、高硬度和热硬性、适当的坚韧性 1.氧化物系（刚玉类，主要成份Al2O3） 棕刚玉（A） 韧性好，硬度低，磨碳素钢、合金钢、可锻铸铁 白刚玉（WA）韧性低、硬，磨淬火钢、高速钢、高碳钢 铬刚玉（PA）韧，硬度低，Ra小，磨高速钢、不锈钢等,2.碳化物系（主要成份碳化硅、碳化硼） 黑色碳化硅（C）韧性低、硬度高，磨铸铁、黄铜等脆材材料 绿色碳化硅(GC) 韧性差、更硬，磨硬质合金、陶瓷、玻璃等3.超硬磨料 人造金刚石（SD）、立方氮化硼（CBN）,(二）粒度 以刚能通过的那一号筛网的网号来表示磨料的粒度，如60 微粉：磨粒的直径40um时，如W20磨粒尺寸在2014um 粗磨用粗粒度，精磨用细粒度 ；当工件材料软，塑性大，磨削面积大时，采用粗粒度，以免堵塞砂轮，烧伤工件。,（三）结合剂 1.陶瓷结合剂（V）化学稳定性好、耐热、耐腐蚀、价廉，占90%，但性脆，不宜制成薄片，不宜高速，线速度一般为35m/s。 2.树脂结合剂（B）强度高弹性好，耐冲击，适于高速磨或切槽切断等工作，但耐腐蚀耐热性差 (300)，自锐性好。 3.橡胶结合剂（R）强度高弹性好，耐冲击，适于抛光轮、导轮及薄片砂轮，但耐腐蚀耐热性差(200)，自锐性好。 4.金属结合剂（M）青铜、镍等，强度韧性高，成形性好，但自锐性差，适于金刚石、立方氮化 硼砂轮。,（四）硬度 指砂轮工作时在磨削力作用下磨粒脱落的难易程度。 取决于结合剂的结合能力及所占比例，与磨料硬度无关。 硬度高，磨料不易脱落；硬度低，自锐性好。 分7大级(超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬)，16小级。砂轮硬度选择原则：1. 磨削硬材，选软砂轮；磨削软材，选硬砂轮；2. 磨导热性差的材料，不易散热，选软砂轮以免工件烧伤；3.砂轮与工件接触面积大时，选较软的砂轮；4.成形磨精磨时，选硬砂轮；粗磨时选较软的砂轮。,（五）组织反映砂轮中磨料、结合剂和气孔三者体积的比例关系，即砂轮结构的疏密程度，分紧密、中等、疏松三类13级。紧密组织 成形性好，加工质量高，适于成形磨、精密磨和强力磨削。中等组织 适于一般磨削工作，如淬火钢、刀具刃磨等。疏松组织 不易堵塞砂轮，适于粗磨、磨软材、磨平面、内圆等接触面积较大时，磨热敏性强的材料或薄件。,(a)紧密 (b) 中等 (c) 疏松砂轮的组织,砂轮形状,砂轮的标志,在砂轮的端面上一般都印有标志，用以标示砂轮的特性。,标志顺序：磨具形状代号、尺寸、磨料、粒度号硬度、组织、结合剂和允许的最高线速度。,1-3003075-A60L6V- 35,1.3.2 磨削过程 单个磨粒磨削过程,磨粒的形状刀尖角为90120，负前角切削刃为空间曲线，前刀面为空间曲面，形状不规则磨粒的切削刃有几个到几十个微米的圆角经过修整，磨粒上会出现微刃,(2) 磨屑形成过程,滑擦阶段磨粒挤压工件，产生弹性变形,刻划阶段磨粒前方和两侧金属产生塑性变形而隆起,切削阶段磨粒前方金属层的厚度达到临界值，金属滑移成为切屑。, 单个磨粒切削厚度,acgmax为单个磨粒最大切削厚度 acgmax= 去除率，F，Ng: 砂轮圆周上每毫米的磨粒数, Ng= acgmaxVw:工件速度， Vw = acgmax Vs: 砂轮速度， Vs = acgmax fr : 径向进给，fr = acgmax ds: 砂轮直径， ds = acgmax ,磨削温度及磨削烧伤1. 基本概念, 磨粒磨削点温度 磨粒磨削点温度是磨粒切削刃与切屑接触点的温度，是磨削中温度最高的部位，可达10001400，也是磨削热的主要热源。 砂轮磨削区温度 砂轮磨削区温度是砂轮与工件接触区的平均温度。它影响工件表面的烧伤、裂纹和加工硬化。 工件平均温升 工件平均温升是磨削热传入工件而引起的温升。,2. 磨削烧伤及控制(1) 磨削烧伤, 定义：由磨削热引起的、在加工表层瞬间发生的氧化变色现象 根据烧伤形貌分类：全面烧伤：零件的整个表面被烧伤斑状烧伤：表面上出现分散的烧伤斑点线条状烧伤：整个零件表面有线条形烧伤 根据显微组织分类：回火烧伤淬火烧伤退火烧伤,(2) 磨削烧伤及控制,1.3.3 磨削加工的特点, 砂轮表面磨粒、刃口形状均随机状态 磨削速度很高。 磨粒的切削刃和前（后）刀面的形状极不规则。, 磨粒有自砺性。 单个磨粒切削厚度小，可获得高加工精度和小Ra 大负0 和大 rn，使FyFz，工艺系统变形大，实际ap名义ap 。,1.3.4 磨削的应用,1.3.6 磨削工艺及工艺参数,表面磨削外圆磨削纵磨法横磨法无心磨法内圆磨削平面磨削周磨端磨磨削工艺参数,磨外圆在普通外圆磨床和万能外圆磨床上进行，有纵磨法和横磨法两种。,纵磨法,横磨法,磨外圆,包括外锥面,无心磨削,纵磨法,横磨法,无心磨削通常是指在无心磨床上磨削外圆，也有纵磨法和横磨法,磨内圆,包括内锥面,在内圆磨床和万能外圆磨床上进行,砂轮受孔径限制，切削速度难以达到磨外圆的速度,砂轮轴直径小，悬伸长，刚度差，易弯曲变形和振动，而且只能采用很小的背吃刀量,砂轮与工件接触面积大，磨削热多，散热条件差，表面易烧伤,磨削内圆时，需根据磨削表面的有关结构和孔径大小，采用不同形式的砂轮和不同的紧固方法。,磨平面,在平面磨床上进行，有周磨法和端磨法,周磨法磨削精度高，Ra值小，平面间精度可达IT6IT5，Ra为0.80.2m，直线度可达0.020.03mm/m，但生产率低,端磨法生产率较高，但加工质量略差,1.3.6.2 磨削工艺参数,磨削工艺参数包括磨削运动与磨削用量, 砂轮的旋转运动Vs,即磨削速度，主运动v, Ra，但受砂轮的强度限制，常用3035m/s, 工件旋转运动Vw,又称圆周进给运动，即工件速度vw，生产率，工件磨削烧伤；但vw过大，振动，工件Ra。, 轴向进给运动fa,工件转动一圈，工件和砂轮在砂轮轴线方向的相对移动。根据砂轮宽度B选择粗磨fa(0.30.85)B精磨fa(0.20.3)B, 径向进给运动fr,工作台两个行程之间砂轮在半径方向上的相对位移粗磨fr0.010.07mm/行程精磨fr0.0050.02mm/行程,1.4.1 车削加工及车刀,1.4 普通切削加工方法综述,指工件旋转作主运动、刀具移动作进给运动的切削加工方法。可在卧式车床、立式车床、转塔车床、仿形车床、自动车床、数控车床以及各种专用车床上进行，主要用来加工各种回转表面：外圆、内圆、端面、锥面、螺纹、回转成形面、回转沟槽以及钻孔、扩孔、铰孔、滚花等。,1. 车削加工,车削工作,工件在车床上的装夹方法,根据车刀角度和切削用量可分为荒车、粗车、半精车、精车和精细车。,荒车,粗车,半精车,切除大部分余量，减少形状和位置偏差。精度为IT18IT15，Ra80m。,中小型锻件和铸件可直接粗车。粗车精度为IT13IT11，Ra为2512.5m。,尺寸精度要求不高的工件或精加工工序之前可安排半精车。精度为IT10IT8，Ra为6.33.2m。,精车,精细车,一般指最终加工，也可作为光整加工的预加工工序。精度为IT8IT7，Ra为1.60.8m。,主要用于有色金属加工或要求很高的钢制工件的最终加工。精度为IT7IT6，Ra为0.40.025m。,车外圆,车床镗孔,车平面,车锥面,锥面有内锥面和外锥面之分,常用标准圆锥有莫氏、米制和专用圆锥,车锥面的方法有小刀架转位法、尾座偏移法、靠模法和宽刀法等,车回转成形面常用方法,车螺纹,双手控制法,靠模法,成形刀法,保证牙型,保证螺距P或导程L,保证中径D2（d2）,保证线数,保证旋向,几个值得注意的共同点,2. 车削加工的特点,适用范围广泛,容易保证零件加工表面的位置精度,适宜有色金属零件的精加工,生产效率较高,生产成本较低,车刀的种类,3. 车刀,按加工表面特征分类,按车刀的结构分类,整体式,焊接式,机夹式,焊接装配式,可转位车刀,成形车刀,切向成形车刀,1.4.2铣削加工及铣刀,铣削加工是指铣刀旋转作主运动、工件移动作进给运动的切削加工方法。在卧式铣床、立式铣床、龙门铣床、工具铣床以及各种专用铣床上进行。可加工平面、沟槽和成形面等，还可进行孔加工和分度工作。,1. 铣削工艺,铣削加工的典型表面,铣削,精度为IT13IT11，Ra为2512.5m,粗铣,半粗铣,粗铣,精度为IT10IT9，Ra为6.33.2m,精度为IT13IT11，Ra为2512.5m,工件在铣床上常用的装夹方法,平口虎钳装夹,压板螺栓装夹,V型铁装夹,分度头装夹,分度头装夹,分度头装夹,有端铣、周铣和二者兼有三种方式,刀具有镶齿端铣刀、套式立铣刀、圆柱铣刀、三面刃铣刀和立铣刀等,铣平面,铣沟槽通常采用立铣刀加工,直角槽可直接用立铣刀铣出,V型槽则用角度铣刀直接铣出,T型槽和燕尾槽则应先用立铣刀切出直角槽，然后再用角度铣刀铣出,铣螺旋槽时，则需要工件在作等速移动的同时还要作等速旋转,铣弧形槽时，可采用立铣刀，并使用附件圆形工作台,铣沟槽,花键轴加工批量小时，可在铣床上加工,铣花键,2. 铣削方式,端铣和周铣,利用铣刀端部齿切削者称为端铣；利用铣刀圆周齿切削者称为周铣,端铣加工的工件表面粗糙度值比周铣的小，端铣的生产率也高于周铣,周铣的适应性比端铣好，周铣能用多种铣刀，能铣削平面、沟槽、齿形和成形面等，而端铣只适宜端铣刀或立铣刀加工平面,逆铣和顺铣,当铣刀和工件接触部分的旋转方向与工件的进给方向相反时称为逆铣,当铣刀和工件接触部分的旋转方向与工件的进给方向相同时称为顺铣,对称铣和不对称铣,当工件铣削宽度偏于端铣刀回转中心一侧时，称为不对称铣削,当工件与铣刀处于对称位置时，称为对称铣,多齿、多刃,3. 铣刀,圆柱平面铣刀,面铣刀,槽铣刀,两面刃铣刀,三面刃铣刀,错齿刃铣刀,立铣刀,成形铣刀,键槽铣刀,角度铣刀,角度铣刀,模具铣刀,用于加工模具型腔或凸模成形表面,圆锥形立铣刀,圆柱形球头立铣刀,圆锥形球头立铣刀,1.4.3钻镗加工及钻头、镗刀,1. 钻削工艺,用钻头或铰刀、锪钻在工件上加工孔的加工方法统称为钻削加工,可在台式钻床、立式钻床、摇臂钻床上进行，也可以在车床、铣床、铣镗床等机床上进行,钻床上加工时，工件不动，刀具作旋转主运动，同时沿轴向移动作进给运动,钻削加工,钻孔,用钻头在实体材料上加工孔的方法称为钻孔,钻孔属于粗加工，其精度为IT13IT11，Ra为5012.5m,扩孔,用扩孔刀具对工件上已经钻出、铸出或锻出的孔作进一步加工的方法称为扩孔。,所用机床与钻孔相同。,钻床扩孔可用扩孔钻扩孔，也可用直径较大的麻花钻扩孔。扩孔钻直径规格为10100mm，直径小于15mm者不扩孔。,扩孔加工精度比钻孔高，属于半精加工，其精度为IT10IT9；Ra为6.33.2m。,铰孔,用铰刀在工件孔壁上切除微量金属层，以提高尺寸精度和降低表面粗糙度的方法。