《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第2版 課件 第9章 金屬切削加工基礎(chǔ)

《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第3篇

機(jī)械加工基礎(chǔ)Chapter金屬切削加工基礎(chǔ)9第9章金屬切削加工基礎(chǔ)案例導(dǎo)入圖9-1軸承座零件第9章金屬切削加工基礎(chǔ)初步分析該零件是典型的軸套類零件，結(jié)構(gòu)上有圓柱面、內(nèi)孔、內(nèi)螺紋等，加工精度值最高處為0.02mm，表面粗糙度為，同軸度為，采用普通車床加工該零件。金屬切削加工是使用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)，在工具和工件的相對運(yùn)動中，把工件上多余的材料層切除，使工件獲得規(guī)定的幾何參數(shù)(尺寸、形狀、位置)和表面質(zhì)量的加工方法。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削運(yùn)動及要素零件表面的形成在切削過程中，工件上存在三個變化著的表面。如圖9-2所示，工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為主運(yùn)動，車刀連續(xù)縱向的直線運(yùn)動為進(jìn)給運(yùn)動。圖9-2工件的表面9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削運(yùn)動及要素⑴待加工表面工件上即將被切除的表面，稱為待加工表面。隨著切削的進(jìn)行，待加工表面將逐漸減小，直至完全消失。⑵已加工表面工件上多余金屬被切除后形成的新表面，稱為已加工表面。在切削過程中，已加工表面隨著切削的進(jìn)行逐漸擴(kuò)大。⑶過渡表面過渡表面是指在工件切削過程中，連接待加工表面與已加工表面的表面，或指切削刃正在切削著的表面。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削運(yùn)動及要素圖9-3各種切削加工和加工表面a)銑槽b)磨外圓c)刨平面9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削運(yùn)動及要素切削運(yùn)動在金屬切削加工過程中，刀具與工件之間必須有相對運(yùn)動，稱此運(yùn)動為切削運(yùn)動。切削運(yùn)動可分為兩種運(yùn)動形式，即主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。⑴主運(yùn)動切下切屑所需的最基本的運(yùn)動，稱為主運(yùn)動。在切削運(yùn)動中，主運(yùn)動只有一個，它的速度最高、消耗的功率最大。⑵進(jìn)給運(yùn)動使多余材料不斷被投入切削，從而加工出完整表面所需的運(yùn)動，稱為進(jìn)給運(yùn)動。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削運(yùn)動及要素切削要素切削要素可分為兩大類，即切削用量要素和切削層參數(shù)要素。⑴切削用量要素

切削用量是切削速度、進(jìn)給量及背吃到量的總稱，也稱為切削用量三要素，它是調(diào)整機(jī)床、計算切削力、切削功率、時間定額及核算工序成本等所必須的參量。①切削速度Vc②進(jìn)給量f③背吃刀量ap9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削運(yùn)動及要素⑵切削層參數(shù)刀具切削刃沿進(jìn)給方向移動一個進(jìn)給量時，從工件待加工表面上切下的金屬層稱為切削層。切削層參數(shù)用來衡量切削層的截面尺寸，它決定刀具所承受的負(fù)荷和切屑的尺寸大小。①切削層公稱厚度hp②切削層公稱寬度bD③切削層公稱橫截面積AD9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具刀具的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)切削刀具的種類很多，如車刀、銑刀、鉆頭等，其中外圓車刀是最基本、最典型的刀具，具有代表性，其他刀具都可以看作是車刀的組合或變形（圖9-5）。因此，研究金屬切削刀具時，通常是以車刀為例進(jìn)行研究和分析。圖9-5各種刀具切削部分的形狀9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具⑴刀具的基本結(jié)構(gòu)車刀由切削部分和刀桿組成。刀具中起切削作用的部分稱切削部分，夾持部分稱刀桿。刀具切削部分(又稱刀頭)由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖組成，如圖9-6所示，即“一尖二刃三面”是普通車刀的典型結(jié)構(gòu)。圖9-6車刀切削部分的組成圖9-7刀尖

a)修圓刀尖b)倒角刀尖9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具①前刀面刀具上切屑流過的表面，稱為前刀面。②主后刀面主后刀面簡稱后刀面，是與工件上過渡表面接觸并相互作用的刀面。③副后刀面與工件已加工表面相對的刀面，稱為副后刀面。④主切削刃前刀面與主后刀面的交線，稱為主切削刃，擔(dān)負(fù)著主要的切削工作。⑤副切削刃前刀面與副后刀面的交線，稱為副切削刃，協(xié)助主切削刃切除多余金屬，形成已加工表面。⑥刀尖主切削刃和副切削刃的交點(diǎn)，稱為刀尖。為了改善刀尖的切削性能，常將刀尖做成修圓刀尖或倒角刀尖，稱為過渡刃。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具車刀切削部分的主要角度①刀具靜止參考系為了明確地規(guī)定和說明車刀的切削角度，定義刀具設(shè)計、制造、刃磨和測量時幾何參數(shù)的參考系叫作刀具靜止參考系，它主要包括基面、切削平面、正交平面和假定工作平面等圖9-8刀具靜止參考系的平面9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具②車刀的主要角度

在車刀設(shè)計、制造、刃磨及測量時，主要角度有以下幾個，見圖9-9所示。圖9-9車刀的主要角度圖9-10刀具的前角9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具圖9-11刃傾角及其對排屑方向的影響9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具⑶刀具的工作角度刀具工作角度是指刀具在工作時的實(shí)際切削角度。由于刀具的靜止角度是在假設(shè)不考慮進(jìn)給運(yùn)動的影響、規(guī)定車刀刀尖和工件中心等高以及安裝時車刀刀柄的中心線垂直于工件軸線的靜止參考系中定義的，而刀具在實(shí)際工作中不可能完全符合假設(shè)的條件。因此，刀具工作角度考慮了合成運(yùn)動和刀具安裝條件的影響。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具圖9-12車刀安裝高度對前角和后角的影響圖9-13車刀安裝偏斜對主偏角和副偏角的影響9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具刀具材料刀具的切削部分和刀桿可以采用同種材料制成一體(如高速鋼車刀)，也可以采用不同材料分別制造，然后用焊接或機(jī)械夾持的方法（圖9-14）將兩者連接成一體。下面主要介紹刀具切削部分的材料。a)焊接車刀b)機(jī)夾車刀圖9-14焊接車刀與機(jī)夾車刀9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具⑴刀具材料的基本要求刀具切削部分在切削過程中，要承受很大的切削力和沖擊力，并且在很高的溫度下進(jìn)行工作，經(jīng)受連續(xù)和強(qiáng)烈的摩擦。因此，刀具切削部分材料必須具備以下基本要求：①良好的硬度和耐磨性②足夠的強(qiáng)度和韌性③良好的熱硬性和化學(xué)穩(wěn)定性④良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具⑵常用刀具材料的種類、性能和用途①常用刀具材料工具鋼(包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼)、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼及金剛石等，其中高速鋼和硬質(zhì)合金為目前最常用的刀具材料。1)碳素工具鋼2)合金工具鋼3)高速鋼4)硬質(zhì)合金5)其他刀具材料9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識金屬切削過程1.切屑的形成與積屑瘤金屬切削過程中的三個變形區(qū)對塑性金屬進(jìn)行切削時，切屑的形成過程就是切削層金屬的變形過程。⑴金屬切削過程中的三個變形區(qū)根據(jù)切削過程中整個切削區(qū)域金屬材料的變形特點(diǎn)，可將刀具切削刃附近的切削層劃分為三個變形區(qū)，如圖9-15所示。圖9-15切削過程中的變形區(qū)9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識金屬切削過程①第Ⅰ變形區(qū)從OA線開始金屬發(fā)生剪切變形，到OM線金屬晶粒的剪切滑移基本結(jié)束，AOM區(qū)域稱為第Ⅰ變形區(qū)，也稱為金屬的剪切變形區(qū)。其變形的主要特征是金屬晶格間的剪切滑移以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。②第Ⅱ變形區(qū)切屑沿前刀面流出時受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面的切屑底層金屬晶粒進(jìn)一步塑性變形的變形區(qū)為第Ⅱ變形區(qū)。其特征是晶粒剪切滑移劇烈呈纖維化，離前刀面越近，纖維化現(xiàn)象越明顯。③第Ⅲ變形區(qū)第Ⅲ變形區(qū)是刀具與工件已加工表面間的摩擦區(qū)，已加工表面受到切削刃鈍圓部分及后刀面的擠壓和摩擦，使切削層金屬發(fā)生變形。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識金屬切削過程⑵切屑的類型在金屬切削過程中，刀具切除工件上的多余金屬層，被切離工件的金屬稱為切屑。由于工件材料及切削條件不同，會產(chǎn)生不同類型的切屑。常見的切屑有四種類型(見圖9-16)，即帶狀切屑、擠裂切屑、單元切屑和崩碎切屑。圖9-16切屑類型a)帶狀切屑b)擠裂切屑c)單元切屑d)崩碎切屑9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識金屬切削過程積屑瘤的形成在一定切削速度范圍內(nèi)，加工鋼材、有色金屬等塑性材料時，在切削刃附近的前刀面上粘附著一塊金屬硬塊，它包圍著切削刃且覆蓋著部分前刀面，這塊剖面呈三角狀的金屬硬塊稱為積屑瘤，如圖9-17所示。形成積屑瘤的條件主要取決于切削溫度，例如切削中碳鋼的切削溫度在300～380℃時，易產(chǎn)生積屑瘤。圖9-17積屑瘤的形成9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識金屬切削過程②積屑瘤對切削的影響1)對切削力的影響積屑瘤粘結(jié)在前刀面上，增大了刀具的實(shí)際前角，可使切削力減小。但由于積屑瘤不穩(wěn)定，導(dǎo)致了切削力的波動。2)對已加工表面粗糙度的影響積屑瘤不穩(wěn)定，易破裂，其碎片隨機(jī)性地散落，可能會留在已加工表面上。另外，積屑瘤形成的刃口不光滑，使已加工表面變得粗糙。3)對刀具壽命的影響積屑瘤相對穩(wěn)定時，可代替切削刃切削，減小了切屑與前刀面的接觸面積，延長刀具壽命；積屑瘤不穩(wěn)定時，破裂部分有可能引起硬質(zhì)合金刀具的剝落，反而降低了刀具壽命。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識金屬切削過程減小或避免積屑瘤的措施1)避免采用產(chǎn)生積屑瘤的速度進(jìn)行切削，即宜采用低速或高速切削，因低速切削加工效率低，故多采用高速切削。2)采用大前角刀具切削，以減少刀具前刀面與切屑接觸的壓力。3)適當(dāng)提高工件材料的硬度，減小加工硬化傾向。4)使用潤滑性好的切削液，減少前刀面粗糙度，降低刀與切屑接觸面的摩擦系數(shù)。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削力和功率切削過程中作用在刀具和工件上的力稱為切削力。切削力所做的功就是切削功，如圖9-18所示。圖9-18切削力a)切削力的來源b)切削合力與分力9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削力和功率

9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具磨損刀具磨損的形式刀具磨損是指刀具與工件或切屑的接觸面上，刀具材料的微粒被切屑或工件帶走的現(xiàn)象。這種磨損現(xiàn)象稱為正堂磨損。若由于沖擊、振動、熱效應(yīng)等原因使刀具崩刃、碎裂而損壞，稱為非正常磨損。刀具正常磨損形式有以下三種：①前刀面磨損(月牙洼磨損)②后刀面磨損③前刀面和后刀面同時磨損9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具磨損圖9-19刀具的磨損形態(tài)9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具磨損刀具磨損的原因很復(fù)雜，在高溫(700～1200℃)和高壓(大于材料的屈服強(qiáng)度)下，有力、熱、化學(xué)、電等方面作用，產(chǎn)生的磨損主要有以下幾個方面：硬質(zhì)點(diǎn)磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、化學(xué)磨損、相變磨損、熱電偶磨損等。刀具的磨損過程在正常條件下，隨著刀具的切削時間增大，刀具的磨損量將增加。通過實(shí)驗得到如圖9-20所示的刀具后刀面磨損量VB與切削時間的關(guān)系曲線。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具磨損圖9-20刀具磨損過程9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削過程規(guī)律

9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削過程規(guī)律改善工件材料切削加工性的主要途徑⑴調(diào)整工件材料的化學(xué)成分⑵進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恝菓?yīng)用材料強(qiáng)化工藝提高力學(xué)性能⑷改善切削條件9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削液在切削過程中合理使用切削液，可以改善切屑、工件與刀具的摩擦狀況，降低切削力和切削溫度，減少刀具磨損，抑制積屑瘤的生長，提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。①冷卻作用②潤滑作用③清洗與防銹作用切削液的種類①水溶性切削液②油溶性切削液9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削液切削液的合理選擇切削液應(yīng)根據(jù)刀具材料、工件材料、加工方法和技術(shù)要求等具體情況進(jìn)行選用。①根據(jù)刀具材料選用②根據(jù)工件材料選用③根據(jù)加工方法選用④根據(jù)加工要求選用9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削用量合理地選擇切削用量，對于保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低加工成本有著重要的影響。在機(jī)床、刀具和工件等條件一定的情況下，切削用量的選擇具有較大的靈活性。為了取得最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的加工條件確定切削用量三要素合理的組合。⑴選擇原則

綜合考慮切削過程、生產(chǎn)率與刀具壽命等因素，選定合理的切削用量值。①選定背吃刀量根據(jù)工件加工余量和粗、精加工要求，選定背吃刀量。②確定進(jìn)給量根據(jù)加工工藝系統(tǒng)允許的切削力，其中包括機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)、工件剛度及精加工時表面粗糙度要求，確定盡可能大的進(jìn)給量。③確定切削速度根據(jù)刀具耐用度，確定切削速度。

9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識切削用量切削用量的選擇綜合切削用量三要素對刀具耐用度、生產(chǎn)率和加工質(zhì)量的影響，參照圖9-4，選擇切削用量的順序一般為：首先選盡可能大的背吃刀量，其次選盡可能大的進(jìn)給量，最后選盡可能大的切削速度。1)背吃刀量的選擇2)進(jìn)給量的選擇3）確定切削速度實(shí)際生產(chǎn)中，切削用量是根據(jù)工藝文件的規(guī)定、查手冊和操作者的實(shí)際經(jīng)驗來選取的。9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)的合理選擇所謂刀具合理幾何參數(shù)，是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠滿足生產(chǎn)率高、加工成本低的刀具幾何參數(shù)。⑴前角及前刀面的選擇1)前角的選擇原則①根據(jù)工件材料的性質(zhì)選擇前角

②根據(jù)刀具材料的性質(zhì)選擇前角③根據(jù)加工性質(zhì)選擇前角9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具幾何參數(shù)

9.1金屬切削的基礎(chǔ)知識刀具幾何參數(shù)

9.2金屬切削機(jī)床的基礎(chǔ)知識機(jī)床分類機(jī)床的分類依照GB/T15375-2008規(guī)定，機(jī)床按工作原理劃分為車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機(jī)床、螺紋加工機(jī)床、銑床、刨插床、拉床、鋸床和其他機(jī)床等共11類。圖9-21通用機(jī)床型號的表示方法9.2金屬切削機(jī)床的基礎(chǔ)知識機(jī)床的組成在各類機(jī)床中，車床、鉆床、刨床、銑床和磨床是五種最基本的機(jī)床。盡管這些機(jī)床的外形、布局和構(gòu)造各不相同，以車床為例（如圖9-22所示）歸納起來，它們都是由如下幾個主要部分組成的。圖9-22車床的組成9.2金屬切削機(jī)床的基礎(chǔ)知識機(jī)床的傳動⑴定比傳動機(jī)構(gòu)具有固定傳動比或固定傳動關(guān)系的傳動機(jī)構(gòu)，機(jī)床上常用的傳動副有帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪齒條傳動和絲桿螺母傳動等。⑵變速機(jī)構(gòu)改變機(jī)床部件運(yùn)動速度的機(jī)構(gòu)。⑶換向機(jī)構(gòu)變換機(jī)床部件運(yùn)動方向的機(jī)構(gòu)。為滿足各種加工需要，機(jī)床的主傳動部件和進(jìn)給傳動部件往往需要正、反向的運(yùn)動。⑷操縱機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動部件變速、換向、啟動、停止、制動及調(diào)整的機(jī)構(gòu)。機(jī)床上常見的操縱機(jī)構(gòu)包括手柄、手輪、杠桿、凸輪、齒輪齒條、撥叉、滑塊及按鈕等。⑸箱體及其他裝置箱體用以支承和連接各機(jī)構(gòu)，并保證它們相互位置的精度。為了保證傳動機(jī)構(gòu)的正常工作，還設(shè)有開停裝置、制動裝置、潤滑與密封裝置等。9.2金屬切削機(jī)床的基礎(chǔ)知識機(jī)床的機(jī)械傳動⑴定比傳動機(jī)構(gòu)具有固定傳動比或固定傳動關(guān)系的傳動機(jī)構(gòu)，機(jī)床上常用的傳動副有帶傳動、齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪齒條傳動和絲桿螺母傳動等。⑵變速機(jī)構(gòu)改變機(jī)床部件運(yùn)動速度的機(jī)構(gòu)。⑶換向機(jī)構(gòu)變換機(jī)床部件運(yùn)動方向的機(jī)構(gòu)。為滿足各種加工需要，機(jī)床的主傳動部件和進(jìn)給傳動部件往往需要正、反向的運(yùn)動。⑷操縱機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動部件變速、換向、啟動、停止、制動及調(diào)整的機(jī)構(gòu)。機(jī)床上常見的操縱機(jī)構(gòu)包括手柄、手輪、杠桿、凸輪、齒輪齒條、撥叉、滑塊及按鈕等。⑸箱體及其他裝置箱體用以支承和連接各機(jī)構(gòu)，并保證它們相互位置的精度。為了保證傳動機(jī)構(gòu)的正常工作，還設(shè)有開停裝置、制動裝置、潤滑與密封裝置等。9.2金屬切削機(jī)床的基礎(chǔ)知識機(jī)床的機(jī)械傳動機(jī)械傳動與液壓傳動、電氣傳動相比較，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：①傳動比準(zhǔn)確，適用于定比傳動。②實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)簡單，并能