第1章 金屬切削加工的基礎(chǔ)知識(shí),1.1 切削加工的運(yùn)動(dòng)分析及切削要素 1.2 金屬切削刀具 1.3 切削過程中的物理現(xiàn)象 1.4 工件材料的切削加工性 1.5 切削液,南京理工大學(xué),2,1.1 切削加工的運(yùn)動(dòng)分析及切削要素, 回轉(zhuǎn)體表面：是以直線為母線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所形成的表面；成型方法主要有：車削、鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、鉸孔、內(nèi)外圓磨削等。如構(gòu)成軸類、盤套類零件的內(nèi)外圓、圓錐等。,1.1.1 零件表面的形成, 平面：是以直線為母線作直線運(yùn)動(dòng)形成的表面；如機(jī)床導(dǎo)軌面、軸端面等，成型方法主要有：銑削、刨削、平面磨削等。, 曲面：是以曲線為母線作旋轉(zhuǎn)或平移所形成的表面；如螺旋槳、汽車外型面等，成型主要方法有：銑削、成形磨削、數(shù)控銑削、電火花加工、激光加工等,南京理工大學(xué),3,a)軌跡法 b)成形法 c)相切法 d)展成法,圖1 表面的形成方法,零件表面的形成方法有：,1.1.2 切削運(yùn)動(dòng),主運(yùn)動(dòng)：切除切屑所需的基本運(yùn)動(dòng)。 3個(gè)特點(diǎn)：速度最快；消耗功率最大；唯一性。 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：使金屬層不斷投入被切削的運(yùn)動(dòng)。 3個(gè)特點(diǎn)：速度較慢；消耗功率較小；可以為一個(gè)或多個(gè)。 其它運(yùn)動(dòng)：吃刀運(yùn)動(dòng) 分度運(yùn)動(dòng),l 概念：用以切除多余金屬的刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) l 分類：,南京理工大學(xué),5,常見機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng),南京理工大學(xué),6,l 加工表面：已加工表面加工表面（過渡表面）待加工表面,南京理工大學(xué),7,1.1.3 切削要素,l切削用量三要素： 切削速度vc:主運(yùn)動(dòng)的線速度(m/min),進(jìn)給量：刀具相對(duì)工件沿進(jìn)給方向移動(dòng)的距離 背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面與待加工表面間的距離。 補(bǔ)充定義：在垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測(cè)量的主切削刃切入工件的深度。,南京理工大學(xué),9,切削層：主運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，相鄰兩加工表面（切削刃）之間的材料截面,l 切削層尺寸平面要素：,切削層公稱厚度hD（老標(biāo)準(zhǔn)ac）： hD=f sinKr 切削層公稱寬度bD（老標(biāo)準(zhǔn)aw）: bD=ap/sinKr 切削層公稱截面積AD： AD=ap f=bD hD 殘留面積AD 殘留面積高度 ： H=f/( ctgKr+ctgKr) r=0 H=f 2 / 8r r0,南京理工大學(xué),10,r=0 時(shí) 在ABD和ACD中 BD=H ctgKr DC=H ctgKr BD+DC=f H(ctgKr+ctgKr)=f 所以：H=f/( ctgKr+ctgKr),r0 時(shí) H=BD=BE-DE,移項(xiàng)后兩邊平方,并忽略H2 (H<< r)：,所以： H=f2/8r,南京理工大學(xué),11,l刀具結(jié)構(gòu)及其幾何形狀,1.2 金屬切削刀具1.2.1 刀具切削部分的基本定義,刀具分類：按工種：車刀、銑刀、刨刀、滾刀等。 按功能：車刀、切斷刀、螺紋刀、偏刀、尖刀、鏜孔刀、成形刀等。,切削部分： 前刀面Ar 主切削刃S 主后面Aa 刀尖 副后面Aa 副切削刃S,南京理工大學(xué),12,l 刀具的靜止參考系（PrPsPo系正交平面參照系）,（1）靜止參照系的假設(shè)條件： 假定運(yùn)動(dòng)條件：進(jìn)給量f=0 假定安裝條件：刀尖與工件回轉(zhuǎn)中心等高； 刀桿方向與進(jìn)給方向垂直。,（2）輔助平面： 切削平面Ps：過切削刃上一點(diǎn)，與加工表面相切的平面。 基面Pr：過切削刃上同一點(diǎn)，與切削速度相垂直的平面。 正交平面Po（主剖面）：過切削刃上同一點(diǎn)，與切削平 面和基面相垂直的平面。,南京理工大學(xué),13,前角的作用：前角 切屑變形切削力刃口強(qiáng)度前刀面磨損 導(dǎo)熱體積 刀具前角的選用：加工塑性材料選大前角 加工脆性材料、斷續(xù)切削選小前角 加工硬材料選用負(fù)前角,刀具的標(biāo)注角度是指靜止?fàn)顟B(tài)下，在工程圖上標(biāo)注的刀具角度。（下面以車刀為例介紹刀具的標(biāo)注角度） 1. 刀具標(biāo)注前角0：在正交平面內(nèi)測(cè)量的，前刀面與基面的夾角。 前角的標(biāo)注：,l 刀具標(biāo)角度的定義,南京理工大學(xué),14,在正交平面內(nèi)測(cè)量的，后刀面與切削面的夾角。 后角的標(biāo)注：,后角的作用：后角 后刀面與加工表面間的摩擦 后刀面磨損 刃口強(qiáng)度 導(dǎo)熱體積 刀具后角的選用：粗加工選小后角 精加工選大后角 選大前角時(shí)選小后角以增大刃口強(qiáng)度,2.刀具標(biāo)注注后角0：,南京理工大學(xué),15,主偏角的作用：主偏角 切削刃工作長(zhǎng)度 刀尖強(qiáng)度 導(dǎo)熱體積 徑向分力 刀具主偏角的選用：一般為3075 加工細(xì)長(zhǎng)工件采用9093 ,副偏角的作用：副偏角 副后面與工件已加工表面摩擦 刀尖強(qiáng)度 表面粗糙度 刀具副偏角的選用：一般為520 特殊要求可采用Kr=0 的修光刃,在基面內(nèi)測(cè)量的，主切削刃與進(jìn)給方向的夾角。 4. 副偏角Kr：在基面內(nèi)測(cè)量的，副切削刃與進(jìn)給反方向的夾角。 主偏角和副偏角的標(biāo)注：,3. 主偏角Kr：,南京理工大學(xué),16,刀具刃傾角的選用： 精加工取S 0 粗加工取S 0 加工細(xì)長(zhǎng)工件采用S 0 ,刃傾角的作用： （1）影響排屑方向： S 0 排向待加工表面 ； S 0 排向已加工表面； S =0 前刀面上卷曲,在切削平面內(nèi)測(cè)量的，主切削刃與基面的夾角。 刃傾角的標(biāo)注：,5. 刃傾角S：,（2）影響切入切出的穩(wěn)定性 （3）影響背向分力大小,南京理工大學(xué),17,南京理工大學(xué),18,一、刀具結(jié)構(gòu),南京理工大學(xué),19,切削部分組成 三面 兩刃 一尖,前刀面Ar,主切削刃S,副切削刃S,主后面Aa,副后面Aa,刀尖,南京理工大學(xué),20,二、刀具靜止參考系,1 假設(shè)條件 假定運(yùn)動(dòng)條件：進(jìn)給量f=0 假定安裝條件：刀尖與工件回轉(zhuǎn)中心等高； 刀桿方向與進(jìn)給方向垂直。,南京理工大學(xué),21,2 輔助平面,南京理工大學(xué),22,切削平面Ps：過切削刃上一點(diǎn)，與加工表面相切的平面。 基面Pr：過切削刃上同一點(diǎn)，與切削速度相垂直的平面。 正交平面Po（主剖面）：過切削刃上同一點(diǎn)，與切削平面和基面相垂直的平面。,南京理工大學(xué),23,三、刀具標(biāo)注角度,刀具的標(biāo)注角度是指靜止?fàn)顟B(tài)下，在工程圖上標(biāo)注的刀具角度。 前角0、后角0 主偏角Kr、副偏角Kr 刃傾角S,南京理工大學(xué),24,1 正交平面中測(cè)量的角度,1)前角0 前刀面與基面之間的夾角。,2)后角0 主后刀面與切削平面之間的夾角。,南京理工大學(xué),25,南京理工大學(xué),26,前角、后角的作用,前角的作用：鋒利，影響刀具強(qiáng)度 后角的作用：減小后刀面與工件間的摩擦和磨損,南京理工大學(xué),27,2 基面中測(cè)量的角度,1）主偏角Kr 主切削刃與進(jìn)給方向之間的夾角。,2）副偏角Kr 副切削刃與進(jìn)給反方向之間的夾角。,南京理工大學(xué),28,南京理工大學(xué),29,主偏角的作用,主偏角的作用： 影響切削刃工作長(zhǎng)度、背向力和刀具壽命，一般為3075，加工細(xì)長(zhǎng)工件采用9093 。,南京理工大學(xué),30,副偏角的作用,副偏角的作用：影響表面粗糙度,南京理工大學(xué),31,3 切削平面中測(cè)量的角度,刃傾角s 主切削刃與基面之間的夾角。,當(dāng)主切削刃與基面平行時(shí)s=0； 當(dāng)?shù)都恻c(diǎn)相對(duì)基面處于主切削刃上的最高點(diǎn)時(shí)s 0；反之s 0。,南京理工大學(xué),32,刃傾角的作用,S 0 切屑排向待加工表面 ； S 0 切屑排向已加工表面； S =0 切屑前刀面上卷曲,南京理工大學(xué),33,南京理工大學(xué),34,例題：,下圖為外圓車削示意圖，在圖上標(biāo)注：（1）主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和背吃刀量；（2 ）已加工表面、加工（過渡）表面和待加工表面；（3）基面、主剖面和切削平面；（4）刀具角度015、06、Kr55、Kr45、s10 。,南京理工大學(xué),35,南京理工大學(xué),36,南京理工大學(xué),37,南京理工大學(xué),38,1） 粗加工塑性材料時(shí)，選擇大前角0，小后角0，小主偏角Kr，較小或負(fù)的刃傾角s；加工脆性材料時(shí)可適當(dāng)減小前角0；加工高硬度難加工材料時(shí)，采用負(fù)前角(0<0)。 2）精加工時(shí)，一般選擇較大后角0，較小的前角0，非負(fù)的刃傾角（s0），加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)選擇大主偏角Kr。,l刀具角度的選擇原則：,南京理工大學(xué),39,刀具工作角度,通常情況下 工作角與標(biāo)注角近似相等。如普通車削、鏜孔、銑削等。 當(dāng) 較大時(shí)或安裝誤差較大時(shí)必須考慮其影響。如：車螺紋、鏟背、鉆孔等。 刀具的安裝條件變化也引起了參考系的變化。,1. 刀具工作參考系（PrePsePoe） 刀具工作角度又稱刀具切削角度：刀具實(shí)際切削條件下的實(shí)際角度。,工作參考系與靜止參考系的差別：工作條件下，合成切削速度為主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成速度；而靜止條件下合成速度與切削速度是一致的。,南京理工大學(xué),40,（3）刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)工作角度變化,（2）刀尖安裝高低對(duì)工作角度的影響 車外圓刀尖安裝偏高（低）： 工作前角增大（?。?，工作后角減?。ù螅?； 鏜內(nèi)孔刀尖安裝偏高（低）： 工作前角減小（大） ，工作后角增大（?。?。,對(duì)工作角度的影響,（1）進(jìn)給對(duì)工作角度的影響 橫向進(jìn)給： 縱向進(jìn)給： 0e=0+ 0e=0- 工作前角增大，工作后角減小。,南京理工大學(xué),41,1.2.2 刀具材料,l刀具材料的基本性能 高硬度 高耐熱性 足夠的強(qiáng)度和韌性 高耐磨性 良好的工藝性 五個(gè)基本性能相互聯(lián)系，又相互制約，應(yīng)根據(jù)具體加工條件，抓主要性能，兼顧其它。,南京理工大學(xué),42,l 常用刀具材料的種類及應(yīng)用,南京理工大學(xué),43,l切削用量的選擇原則：,1） 粗加工時(shí)，為提高機(jī)械加工效率，首先選擇較大的切削深度，其次是較大的進(jìn)給量，最后選擇中低切削速度，以保證刀具壽命。 2） 精加工時(shí)，為保證加工質(zhì)量，首先選擇較小的切削深度（保證加工尺寸精度），其次選擇較小的進(jìn)給量（保證表面粗糙度要求），最后選擇低速（高速鋼刀具）或高速（硬質(zhì)合金刀具）切削，以保證刀具壽命。,南京理工大學(xué),44,1.3 切削過程中的物理現(xiàn)象1.3.1 切削過程,l 切屑的形成： 推擠作用 切割作用,崩碎切屑：不規(guī)則屑片，較低 vc，較大ap，f 加工脆性金屬時(shí)產(chǎn)生。,l切屑的種類（不考慮刀具斷屑等因素的影響） 帶狀切屑：上表面毛茸狀，下表面光滑的連續(xù)切屑，大0，高vc，小ap，f 加工塑性金屬時(shí)產(chǎn)生。,節(jié)狀（擠裂）切屑：上表面鋸齒狀，下表面光滑的連續(xù)切屑，較低 vc，較大ap，f 加工中等硬度塑性金屬時(shí)產(chǎn)生。,粒狀（單元）切屑：菱形單元分離體，較低 vc，較大ap，f 加工硬度較高塑性較差金屬時(shí)產(chǎn)生。,南京理工大學(xué),45,l 切屑變形,（1）第I變形區(qū)（剪切區(qū)、塑性變形區(qū)）：從開始發(fā)生塑性變形到晶粒剪切滑移基本完成。 切屑收縮現(xiàn)象： 變形系數(shù)越大，切削變形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削溫度越高，加工表面質(zhì)量越差。,南京理工大學(xué),46,形成條件：中低速切削塑性金屬 冷焊現(xiàn)象：擠壓與摩擦產(chǎn)生高溫高壓，同時(shí)摩擦帶走雜質(zhì)，刀具表面與切屑表面新鮮金屬粒子間的親合力和摩擦力之和大于切屑材料內(nèi)部粒子間的親合力，就會(huì)從切屑上撕下一小塊金屬粘接在前刀面上，形成積屑瘤。 特性：無有小大脫落 周期性 對(duì)切削過程的影響：保護(hù)刀刃；使工作前角增大，切削刀減??；切削平穩(wěn)性差；影響加工精度和表面粗糙度。,滯流現(xiàn)象: 切削塑性金屬時(shí)，由于切屑底層與刀具的擠壓和摩擦，切屑底層金屬流速減緩的現(xiàn)象。 積屑瘤：在一定溫度、壓力條件下，滯流層與前刀面之間的摩擦力大于切屑底層內(nèi)部晶粒的間的親和力，滯流層部分金屬粘結(jié)在前刀面切屑刃附近，形成的一塊硬的金屬層（由于塑性變形，硬比度比工件材料高23倍）,（2）第II變形區(qū)（摩擦區(qū)）,南京理工大學(xué),47,變形強(qiáng)化（加工硬化） 成因：1）擠壓塑性變形 2）表面相變 對(duì)加工過程的影響： 影響后續(xù)加工 影響加工表面質(zhì)量 產(chǎn)生殘余應(yīng)力 消除變形強(qiáng)化的措施： 通過熱處理降低材料塑性； 采用切削液； 加工后通過熱處理消除變形強(qiáng)化。,（3）第III變形區(qū)（擠壓區(qū)）,南京理工大學(xué),48,1.3.2切削力和切削功率,l 切削力的來源與分解 （1）切削力的來源：變形抗力和摩擦阻力 切削力是所有切削力的合力，為空間交變力。 （2）切削力的幾何分力（車削外圓為例） 主切削力Fc（主運(yùn)動(dòng)方向上的正投影（分力） 進(jìn)給力Ff（進(jìn)給方向上的正投影（分力） 背向力Fp（垂直于工作平面上的分力）,l 切削力估算與切削功率 （1）Fc=kcAD=kcapf 其中；kc為單位切削力，同一材料，在一定切削條件下kc是不變的，可測(cè)定 （2）切削功率Pc=FcVc,南京理工大學(xué),49,l 影響切削力的因素：,（1）工件材料：材料成分、組織和力學(xué)性能是影響切削力的主要因素。強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性越大切削力越大； （2）切削用量：影響最大的是ap ，其次是f，切削速度c最小，F(xiàn)c與ap 是1：1，f影響7080%， c 影響積屑瘤的存在，有積屑瘤時(shí)F明顯減小。 （3）刀具幾何角度：0增大，刃口鋒利、切削變形小，摩擦小，切削力減??；o增大、摩擦減小，切削力減小；Kr增大Fp減?。徽齭，F(xiàn)p減小Ff增大。 （4）其它因素：切削液使用潤(rùn)滑條件好，切削力減小，刀具磨損后切削力劇增。,南京理工大學(xué),50,1.3.3 切削熱和切削溫度,l 切削熱的來源與傳散 （1）切削熱來源于：切削層材料彈、塑性變形變形熱 刀具前、后刀面的摩擦摩擦熱 三個(gè)切削變形區(qū)是三個(gè)主要熱源區(qū) （2）切削熱的傳散：通過刀具、切屑、工件和周圍介質(zhì)（如：空氣、切削液等）散熱。,l切削溫度及其影響因素 切削溫度取決于切削熱的產(chǎn)生與傳熱的綜合因素，切削溫度太高，工件產(chǎn)生熱變形，加工精度下降，刀具壽命降低。 影響切削溫度的因素：切削用量、工件材料、刀具幾何角度、其它條件 切削量中影響最大的是切削速度c ，其次是f， ap影響最小,南京理工大學(xué),51,1.3.4 刀具磨損與刀具壽命,l刀具磨損過程 初期磨損階段：刀具表面粗糙度大、單位面積壓力高，磨損快。 正常磨損階段 急劇磨損階段：磨損后切削溫度升高，磨損量急劇增加。,l 刀具磨損形式 （1）后面磨損：切削脆性材料，切削塑性材料hD0.5mm用月牙洼最大深度KT表示。 （3）前后面同時(shí)磨損：切削塑性材料hD在0.10.5mm之間大多數(shù)情況下前、后刀具都有磨損，后刀面磨損對(duì)加工質(zhì)量影響最大，測(cè)量方便，通常以VB來表示刀具磨損程度。,南京理工大學(xué),52,l 刀具壽命及其影響因素 磨鈍標(biāo)準(zhǔn)：通常指刀具后刀面允許的最大磨損量。 刀具壽命T：刀具開始切削到達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削時(shí)間。 影響刀具壽命的因素：切削用量；工件材料；刀具材料及幾何角度；其它因素。 切削量中影響最大的是切削速度c ，其次是f，ap影響最小。,南京理工大學(xué),53,1.4 工件材料的切削加工性,1.4.1 切削加工性的概念和標(biāo)志方法,南京理工大學(xué),54,l影響因素 材料硬度；材料塑性和韌性；材料強(qiáng)度；彈性模量E；導(dǎo)熱系數(shù)；其它因素。 l 改善措施 （1）選用切削性好材料及表面狀態(tài)好的材料 （2）熱處理改善切削加工性，中、低碳鋼正火處理；高碳鋼球化退火；（中碳及中碳合金鋼）調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理。 （3）選用合理的刀具材料及刀具角度 （4）特種切削加工：振動(dòng)切削；加熱切削；低溫切削。,1.4.2 影響切削加工性的因素及其改善措施,南京理工大學(xué),55,1.5 切削液,1.5.3切削液的選用 粗加工：主要以降低切削溫度、冷卻為主。 精加工：主要是改善表面質(zhì)量，提高刀具耐用度，穩(wěn)定精度，以潤(rùn)滑為主。 切削高強(qiáng)度鋼、高溫合金鋼等難加工材料，應(yīng)選用極壓切削油或極壓乳化液。,合理地選用冷卻潤(rùn)滑液切削速度可提高5%20%，刀具壽命明顯提高，加工表面粗糙度值減小，節(jié)能5%20%，生產(chǎn)效率提高。,1.5.1切削液的作用 冷卻作用； 潤(rùn)滑作用； 清洗作用； 防銹作用,1.5.2切削液的種類 水溶液冷卻為主 切削油潤(rùn)滑為主 乳化液兼顧冷卻與潤(rùn)滑,