機械制造基礎(chǔ)第十二章

第6章金屬切削加工的基礎(chǔ)知識 主要內(nèi)容 1 切削運動及切削要素 2 刀具 3 金屬的切削過程 4 金屬切削過程的規(guī)律 本章重難點 1 金屬切削過程中的各種物理現(xiàn)象 2 刀具角度的標(biāo)注 6 1 1 切削運動與工件上形成的表面 2 切削用量 3 切削層參數(shù) 6 2 1 刀具材料 2 刀具切削部分的幾何參數(shù) 3 刀具結(jié)構(gòu) 內(nèi)容介紹 6 3 1 切削的形成過程及切削的種類 2 切削瘤 3 切削力及切削功率 6 4 2 已加工表面質(zhì)量 3 切削用量的合理選擇 1 金屬材料的切削加工性 4 切削熱和切削溫度 5 刀具的磨損與刀具的耐用度 金屬切削加工是用切削工具將坯料或工件上的多余材料切除 以獲得所要求的尺寸 形狀 位置精度和表面質(zhì)量的加工方法 金屬切削加工 鉗工 機械加工 加工方法有劃線 鏨 鋸 刮 研 攻螺絲 套螺絲等 通過操作機床來完成切削加工的 如車 鉆 刨 磨 齒輪加工等 6 1 1切削運動與工件上形成的表面機床為實現(xiàn)切削加工所必需具有的加工工件與工件間的相對運動 它包括主運動和進(jìn)給運動 主運動 是指在切削加工中形成機床切削速度或消耗主要動力的工作運動 進(jìn)給運動 是指在切削加工中 時工件的多余材料不斷被去除的工作運動 6 1切削運動及切削要素 待加工表面 指加工時工件上有待切除的表面 已加工表面 指工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的表面 加工表面 指工件上由刀具切削刃形成的表面 6 1 2切削用量 切削三要素 切削速度 進(jìn)給量 切削深度 指在主運動一個循環(huán)內(nèi) 刀具與工件在進(jìn)給方向上的相對位移 指在單位時間內(nèi)工件和刀具沿主運動方向的相對位移 待加工表面到已加工表面間的垂直距離 注釋 1 主運動可以使旋轉(zhuǎn)運動 也可以是往復(fù)運動 2 主運動可以是工件來實現(xiàn) 車外圓 主運動也可以是刀具來實現(xiàn) 切斷 刨 銑加工 3 主運動只有一個 進(jìn)給運動可以一個以上 6 1 3切削層參數(shù) 切削厚度 垂直于加工表面度量的切削層尺寸 切削寬度 沿主切削刃度量的切削層尺寸 切削面積 切削層在垂直于切削速度截面內(nèi)的面積 不同切削工藝的進(jìn)給量和被吃刀量 6 2刀具 6 2 1刀具材料 1 刀具材料應(yīng)具備的基本性能 高硬度 高耐磨性 良好的工藝性 一定的強度和韌性 熱硬性 2 常用刀具材料的種類與特性 其它刀具材料 硬質(zhì)合金 高速鋼 6 2 2刀具切削部分的幾何參數(shù) 1 刀具切削部分的組成要素刀桿 起夾持作用刀頭 三面 前刀面 切屑流過的表面主后刀面 刀具上與加工表面相對的表面副后刀面 刀具上與已加工表面相對的表面 兩刃 主切削刃 刀具上前刀面與主后刀面的交線副切削刃 刀具上前刀面與副后刀面的交線 一尖 主切削刃與副切削刃的交點 車刀切削角度的坐標(biāo)平面 基面 切削平面 正交平面 通過主切削刃上的某一點 與主運動方向相垂直的平面 通過主切削刃上的某一點 于加工表面相切并垂直于基面的平面 通過主切削刃上的某一點 并同時垂直于基面和切削平面的平面 3 刀具的標(biāo)注角度 正交平面內(nèi) 前角 后角 主偏角 副偏角 主切削刃與進(jìn)給方向間的夾角 前刀面與基面間的夾角 主后刀面與切削平面間的夾角 負(fù)切削刃與進(jìn)給方向的夾角 切削平面內(nèi) 刃傾角 主切削刃與基面間的夾角 切削平面說明 刀具角度說明 前角 0 前刀面與基面間的夾角前角大 刃口鋒利 切屑變小 切削力小 切削輕快 但易產(chǎn)生崩刃 后角 0 主后刀面與切削平面間的夾角增大后角可減少摩擦 提高工件加工質(zhì)量和刀具耐用度 并使切削刃鋒利 主偏角 r 主切削刃與進(jìn)給方向間的夾角影響切削層的形狀 切削刃的工作長度和單位切削刃上的負(fù)荷 減少 r 主切削刃單位長度上的負(fù)荷減少 刀具磨損小 耐用 副偏角 r 副切削刃與進(jìn)給方向間的夾角影響已加工表面的粗糙度和刀尖強度 減少 r 減少表面的粗糙度的數(shù)值 還可提高刀具強度 過小 會使副切削刃與已加工面的摩擦增加 引起震動 降低表面質(zhì)量 主偏角 副偏角對殘留面積的影響 注意 車外圓與車端面主 副偏角的變化 刀具的工作角度 車外圓時車刀安裝的高低 對前角 后角有影響 車外圓時車刀安裝的偏斜 對主偏角 副偏角有影響 6 2 3 刀具結(jié)構(gòu) 刀具的結(jié)構(gòu)形式 整體式 焊接式 機夾不重磨式 多為高速鋼車刀 其結(jié)構(gòu)簡單 制造 使用都方便 不需焊接和刃磨 避免了焊接和刃磨引起的缺陷 保持了硬質(zhì)合金的原有性能 提高了刀具的耐用度 結(jié)構(gòu)簡單 緊湊 剛性好 可磨出各種所需角度 應(yīng)用廣泛 常見刀具的結(jié)構(gòu)形式 6 3金屬的切削過程 金屬在切削過程中 會出現(xiàn)一系列物理現(xiàn)象 如金屬變形 切削力 切削熱 刀具磨損等 這些都是以切屑形成過程為基礎(chǔ)而生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多問題 如積屑瘤 振動 卷屑 斷屑等 都與切削過程密切相關(guān) 6 3 1切屑的形成過程及切屑種類 1 切屑形成過程 切削層的金屬 彈性變形 塑性變形 擠裂 切離 切屑 切削層的金屬受到刀具前刀面的推擠后產(chǎn)生彈性變形 隨著切應(yīng)力 切應(yīng)變逐漸增大 達(dá)到其屈服強度時 產(chǎn)生塑性變形而滑移 刀具繼續(xù)切入時 材料內(nèi)部的應(yīng)力 應(yīng)變繼續(xù)增大 當(dāng)切應(yīng)力達(dá)到其斷裂強度時 金屬材料被擠裂 沿刀具前刀面流出 2 切屑的種類 切屑 帶狀切屑 擠裂切屑 單元切屑 崩碎切屑 呈連綿不斷的帶狀或螺旋狀 與刀具接觸的底層光滑 背面呈毛絨在狀 帶狀切屑 切削過程平穩(wěn) 切削力變化小 工件表面光潔 必須采取斷屑措施 擠裂切屑 切屑背面呈較大的鋸齒狀 底面有不貫穿的裂紋 一般加工中等硬度鋼材時 切削速度較低 切削深度和進(jìn)給量較大時產(chǎn)生 單元切屑 在節(jié)狀切屑的整個剪切面上 切應(yīng)力超過了材料的破裂強度時 整個單元被切離形成粒狀切屑 在加工塑性較差的材料時 采用較小的前角或負(fù)前角的刀具并以極低的切削速度 大的切削深度和進(jìn)給量進(jìn)行切削時形成的 崩碎切屑 切削層金屬發(fā)生彈性變形后 一般不經(jīng)過塑性變形就突然崩裂而形成形狀不規(guī)則的崩碎切屑 工件材料脆性越大 刀具前角越小 切削深度和進(jìn)給量越大 越易產(chǎn)生此類切削 1 切屑的形態(tài)可隨切削條件不同而改變 2 可控制切削條件 使切屑形態(tài)向有利于生產(chǎn)的方面轉(zhuǎn)化 保證切削加工的順利進(jìn)行和工件的加工質(zhì)量 增大前角 提高切削速度 減小進(jìn)給量 有利于 使粒狀切屑 節(jié)狀切屑向帶狀切屑轉(zhuǎn)化 使切削過程平穩(wěn) 降低加工表面粗造度數(shù)值 6 3 2積屑瘤1 積屑瘤的形成 切削過程中 由于金屬的擠壓和強烈摩擦 使切屑與前刀面之間產(chǎn)生很大的應(yīng)力和很高的切削溫度 當(dāng)應(yīng)力和溫度條件適當(dāng)時 切屑底層與前刀面之間的摩擦力很大 使得切屑底層流出速度變得緩慢 形成一層很薄的 滯流層 當(dāng)滯流層與前刀面的摩擦阻力超過切屑內(nèi)部的結(jié)合力時 滯流層的金屬與切屑分離而粘附在切削刃附近形成積屑瘤 切削與積屑瘤 積屑瘤對切削加工的影響 有利方面 保護(hù)刀具 增加工作前角 積屑瘤硬度很高 可代替切削刃進(jìn)行切屑 減少刀具的磨損 積屑瘤的存在 使刀具的實際工作前角增大 可減小切削變形和切削力 使切削輕快 不利方面 影響工件尺寸精度 影響工件表面粗造度 積屑瘤破裂后會劃傷表面 加快刀具磨損 會形成硬點和毛刺 使工件表面粗造度值增大 時大時小 時有時無 使切削力產(chǎn)生波動而引起振動 積屑瘤的頂端突出于切削刃之外 使實際的切削深度不斷變化 3 積屑瘤的控制 影響積屑瘤的因素 工件材料 切削用量 刀具角度 切削液等 控制措施 要避免在中溫 中速加工塑性材料 增大前角可減小切削變形 降低切削溫度 減小積屑瘤的高度 采用潤滑性能優(yōu)良的切削液可減少甚至消除積屑瘤 6 3 3切削力及切削功率 切削合力的構(gòu)成與分解 切削合力 前刀面受到切屑的壓力和摩擦力 后刀面受到工件表面的壓力和摩擦力 主切削力 切削合力在切削速度方向上的分力 垂直于基面 其大小約占總的切削合力的 背向力 切削合力在切削深度方向上的分力 它在基面內(nèi) 與切深方向相反 進(jìn)給力 切削合力在進(jìn)給方向上的分力 它在基面內(nèi) 與進(jìn)給方向平行 但方向相反 2 影響切削合力的因素3 切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的總和 工件材料 切削用量 刀具角度 強度 硬度高 塑性 韌性大 合力大 切削深度 進(jìn)給量 切削速度 前角越大 切屑變形越小 切削合力越小 6 3 4切削熱和切削溫度 1 切削熱的產(chǎn)生傳出及影響 切削熱的來源 切屑層的金屬發(fā)生彈性變形 塑性變形而產(chǎn)生大量的熱 切屑與刀具前刀面產(chǎn)生的摩擦 工件與刀具后刀面產(chǎn)生的摩擦 切削熱與切削溫度 切削熱的傳導(dǎo) 傳入切屑 約占總熱量的 對切削加工無不利影響 傳入工件 約占總熱量的 會使工件膨脹或伸長 產(chǎn)生尺寸和形狀誤差 影響加工精度 傳入刀具 約占總熱量的 使刀具溫度升高 硬度下降 磨損加快 耐用度降 傳入周圍介質(zhì) 約占總熱量的 對切削加工無不利影響 2 切削溫度及其影響因素3 降低切削溫度的措施 切削溫度 是指刀具 切屑 工件接觸面上的平均溫度 1 選擇合理的幾何角度和切削用量 2 使用切削液 其高低取決于切削時產(chǎn)生熱量的多少和傳導(dǎo)條件的好壞 切削用量 工件材料 刀具材料及角度等對切削溫度均有影響 6 3 5刀具的磨損及刀具的耐用度 刀具的磨損形式及過程 刀具的磨損形式 前刀面磨損 后刀面磨損 前 后刀面同時磨損 刀具的磨損過程 初期磨損階段 正常磨損階段 急劇磨損階段 刃磨后的刀具起前 后刀面上的高低不平 受到切屑的沖擊和摩擦?xí)r 將 凸峰 很快磨去 時間很短 刀具上的高低不平已被磨去 磨損量增加緩慢且比較穩(wěn)定 切削刃變鈍 刀具與工件之間的摩擦變大 切削力增大 切削溫度上升 磨損加劇 刀具失去正常的切削能力 刀具耐用度刀具允許的磨損限度通常用后刀面的磨損高度 表示 但這種磨損標(biāo)準(zhǔn)很難掌握 而引入刀具耐用度的概念 指刀具刃磨后從開始切削直到磨損量達(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)為止的切削時間用 表示 6 4金屬切削過程基本規(guī)律的應(yīng)用 6 4 1金屬材料的切削加工性切削加工性 cuttingbehavior 是指材料加工的難易程度 它主要取決于材料的力學(xué)性能且與材料的熱處理狀態(tài)有關(guān) 6 4 2已加工表面質(zhì)量 加工精度 尺寸精度 形位精度 表面質(zhì)量 表面質(zhì)量 表面粗造度 加工硬化 殘余應(yīng)力 加工表面的微觀幾何誤差 一般是由于切削過程中 刀具相當(dāng)于零件的運動軌跡 刀具和零件表面的摩擦 切削層金屬的撕裂以及工業(yè)系統(tǒng)的振動等原因所致 工件表層金屬在形成已加工表面的過程中經(jīng)過強烈的塑性變形 使其晶粒伸長 扭曲和破碎而被強化的現(xiàn)象 在沒有外力作用的情況下 零件內(nèi)部殘存的應(yīng)力 可分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力 前者降低零件的疲勞強度 后者可提高零件的疲勞強度 6 4 3切削用量的合理選擇 1 切削用量同加工生產(chǎn)率的關(guān)系 2 切削用量的選用原則 切削用量對加工質(zhì)量的影響 當(dāng)切削速度增大時 切削力減小 可減小或避免積屑瘤 有利于提高加工質(zhì)量 進(jìn)給量增大使工件殘留面積的高度顯著增大 表面更粗糙 切削深度增大 時切削力和工件變形增大 可能引起振動 使零件的加工精度和表面質(zhì)量下降 2 切削用量對刀具耐用度的影響 在切削用量中 切削速度對刀具耐用度的影響最大