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，（計算機技術、自動化技術等支撐的數(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、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)動機的渦輪葉片、發(fā)動機燃燒室的形

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：刀具切削刃的幾何形狀 復雜，切削力大，加工 精度、刀具相對工件 的進給運動簡單。 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。,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（消耗功率最大的運動）。 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 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） 主運動為旋轉運動，則： vc= d n /100060 (m/s) 式中：d-工件或刀具的直徑，mm； n-工件或刀具的轉速，r/min。 主運動為往復運動，則： vc= 2 Lnr /100060 (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。,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（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： 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。,補充：切削用量的確定原則,粗加工 粗車應先選一個盡量大的背吃刀量aP，然后選一個比較大的進給量f，最后根據(jù)刀具壽命的允許，選一個合適的切削速度C。 精加工： 精車應先選一個較小的背吃刀量aP，較小的進給量f和較高的切削速度C。,3.2 車刀的幾何結構及刀具材料,3.2.1車刀的幾何結構 1.車刀切削部分的構成要素 “三面兩刃一點” 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） 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）,切削刃（兩刃） 主切削刃 前刀面與主后刀面的交線 擔負著主要的切削工作； 副切削刃 前刀面與副后刀面的交線 擔負著部分切削工作。 刀尖（一點） 指主切削刃與副切削刃交點。,2 刀具角度參考系 基面 pr通過主切削刃選定點，與刀具安裝基面平行的平面，其方位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并同時垂直于基面和切削平面的平面。,3.車刀的標注角度及作用 前角0 主剖面內(nèi)測量的，前刀面與基面間夾角。 后角0 主剖面內(nèi)測量的，后刀面與切削平面間的夾角。 主偏角kr 基

6、面內(nèi)測量的，主切削刃與進給方向之間的夾角。 副偏角kr 基面內(nèi)測量的，副切削刃與進給方向之間的夾角。 刃傾角s 切削平面內(nèi)測量的，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 會削弱切削刃的強 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 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 ,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，切與加工表面的面 基面：通過切削刃上某選定點，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，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.對刀具材料的要求 高硬度 一般應在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 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，刀具材料還應具有良好的加工工藝性和經(jīng)濟性。,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（簡稱M2）等，性能得以改善，且仍具有加工性能，制作復雜刀具（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，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)粉末為粘結劑經(jīng)高壓后燒結制成的。 (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。) 抗切削振動和沖擊能力較差，在復雜結構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） ，適于加工長切屑的黑色金屬。（鋼件） 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（

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)合金代號和應用范圍見表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及其復合材料等。加工常用材料時刀具壽命顯著提高。 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、高強度鋼、耐熱材料 人造金剛石 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（主要是碳，與鐵金屬的親和力強，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1400。,3.3 金屬的切削過程 3.3.1切屑的形成及三個變形區(qū) 切削過程實質(zhì)： 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)對切削擠壓 第變形區(qū) 塑變區(qū)，造成已加工表面殘余應力和冷作櫻花,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，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-長大-消失，循環(huán)發(fā)生 作用：保護刀具，粗加工時希望有 循環(huán)發(fā)生，易振動，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， 施加冷卻潤滑液,3.3.3切削力與切削功率 1.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、后刀面與加工表面之間相對運動而產(chǎn)生的摩擦阻力 P摩。 總切削力 F 是一個空間矢量，其大小和方向隨切削條件而變化?？煞纸鉃槿齻€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。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。 軸向力Ff 總切削力F在進給運動方向上的分力，投影在工作基面，并與工件軸線平行。只消耗機床功率的15， 是機床進給機構強度與剛度設計的主要依據(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切削深度ap，其次是進給量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滑狀況等對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 0.750.85。,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vc，其次是進給量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?shù)那邢饕嚎擅黠@降低切削溫度。 冷卻、潤滑、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 前后刀面同時磨損,刀具磨損的過程 刀具

17、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: 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） 刀具磨鈍標準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 鈍標準。 兩次刃磨間的切削時間，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廢為止的總切削時間，用 t 表示。 刀具耐用度T與刀具壽命 t 之間存在以下關系： 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 以抗拉強度b= 735MPa的45鋼的v60作基準，寫作（v60）j （當耐用度為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：磨削,刀具：砂輪 切削過程： 切削 梨溝 刮擦 擠壓 不計其數(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，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。它主要應用于一些精密儀器或裝置的制造上，如慣性導航儀靜電陀螺球、超大規(guī)模集成電路基片等的加工。,2. 精密加工的特點 切削區(qū)的溫度低；

20、生產(chǎn)率低 ； 加工余量少 ； 許多情況下是機械切削作用和化學腐蝕作用共同去除余量 ； 精密車削、磨削對機床設備、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 尺寸精度可達IT6IT5，粗糙度可達Ra0.10.008m）。 1.研磨（機床要求不高） 方法：機械研磨 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運動越復雜越好,機理,2.珩磨 珩磨是利用珩磨頭對已加工孔進行光整加工的工藝方法，如液壓油缸、汽缸、起落架作動筒內(nèi)孔等。 加工精度可達IT6IT5，表面粗糙度可達Ra0.20.025m 珩磨頭（類似于砂輪結構，磨粒細、易脫落）與珩磨桿浮動聯(lián)結（工件自定位） 過程：高點出，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