第三章 切削加工工艺 3.1切削加工概述 3.1.1切削加工的分类 切削加工：是指利用刀具从毛坯上切去多余的材料， 从而获得一定几何形状、尺寸和表面质量的加工方法 。 分类 ： 机械切削加工（普通/数控） 切削加工机械加工 钳工 特种3.1.2零件表面的分类与成形原理 1.零件表面的分类基本表面 零件的表面型面 （各种沟槽、螺纹、齿轮及特型面 ）回转型二维特型面 平移型 特型面列表曲面三维特型面 函数曲面仿生曲面 二维特型面 列表曲面（三维）2.零件表面的成形原理 成形法 以切削刃的形状来保证工件表面形状的成形原理。 特点：刀具切削刃的几何形状复杂，而刀具相对工件的进给运动极为简单。 包络法 以切削刃相对于工件表面的运动轨迹而形成的包络面即成为工件表面的成形原理 。 特点：一般刀具相对简单而切削运动较为复杂。（动画）3.1.3切削运动与切削用量 1.切削运动是指刀具与工件之间的相对运动。 主运动 即刀具从工件上切下切屑所需要的基本运动。 进给运动 即使工件继续投入切削的运动。 (常见机床的切削运动见表3-1) 2.加工中的工件表面3.切削用量是调整机床用的参量。切削速度、进给量和背 吃刀量称作切削用量三要素。切削速度 主运动为旋转运动，则：vc= d n /100060 (m/s) 式中：d-工件或刀具的直径，mm； n-工件或刀具的转速 r/min。 主运动为往复运动，则： vc= 2 Lnr /100060 (m/s)式中：L-往复运动行程长度，mm;nr -工件或刀具每分钟往复的次数，str/min。进给量 刀具在进给运动方向上相对于工件的 位移量 ，用 f 表示 。车、钻、镗、铣削时单位为mm/r 背吃刀量 又称切削深度，指在垂直于进给运 动方向上测量的主切削刃切入工件的深度，用 ap表示。单位为 mm。 车削外圆时：ap=（dwdm）/2 (mm)式中：dw-待加工表面的直径，mm；dm-已加工表面的直径，mm。3.2车刀的几何结构及刀具材料3.2.1车刀的几何结构 1.车刀切削部分的构成要素 几何表面 前面 又称前刀面，刀具上切屑流过的表面； 主后面 又称主后刀面，刀具上与前面相交形成主切削刃的表面。 副后面 又称副后刀面，刀具上与前面相交形成副切削 刃的表面。 切削刃 主切削刃 起始于切削刃上主偏角为零的点，并至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃、它担负着主要的切削工作； 副切削刃 切削刃上除主切削刃以外的刃，亦起始于主偏角为零的点，但它向背离主切削刃 的方向延伸。它担负着部分切削工作。刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处相当少 的一部分切削刃。 刀具的角度1 为什么要讲刀具的角度2 标注角度和工作角度前提条件： 刀尖与工件轴线等高，进 给量为零，刀柄中心线垂直于进给方向 等。2.刀具角度参考系 基面 pr 通过主切削刃选定点的平面 ， 一般其方位要垂直于 假定的主运动方向。 主切削平面 ps 通过主切削刃选定点 与主切削刃相切并 垂直于基面的平面。 正交平面 po 通过主切削刃选定点并同时垂 直于基面和切削平面的平面。正交平面原称作 主剖面。3.车刀的标注角度及作用 前角0 前面与基面间的夹角。 后角0 后面与切削平面间的夹角。 主偏角kr 主切削平面与假定 工作平面之间的夹角。 副偏角kr 副切削平面与假定 工作平面之间的夹角。 刃倾角s 主切削刃与基面间的夹角。 v角度的作用 ： 前角0 前角越大，刀刃锋利，越利于切削，但前角过大会削弱切削刃的强度。 后角0 影响主后面与工件过渡表面间的摩擦及刀刃的强 度。 主偏角kr 主要影响切削条件和刀具寿命，也影响切削分 力之间的比例。 副偏角kr影响副切削刃与工件间的摩擦及表面质量。 刃倾角s 主要影响切屑流向和刀体的强度。 3.2.2刀具材料1.对刀具材料的要求 高硬度 一般应在HRC60以上。 高耐磨性 含有硬质点的数量越多、晶粒越细 ，分布越均匀，则耐磨性越好。 足够的强度和韧性 分用抗弯强度和冲击韧度 来衡量。 高耐热性 又称红硬性，指刀具材料在高温下 保持其常温硬度的能力。是衡量刀具材料优劣的 一项重要指标。此外，刀具材料还应具有良好的工艺性和经济 性。 2.常用刀具材料 一般分为以下四类： 高速钢 按其性能分为通用型高速钢和高性能 高速钢两种。 通用型高速钢热处理后的硬度可达HRC6266 ， 在550600时仍能保持正常的切削性能。 常用牌号有W18Cr4V（称W18）W6Mo5Cr4V2（ 简称M2）等。 高性能高速钢硬度可达HRC6770，在600 650时仍可保持HRC60的硬度。 常用牌号有W2Mo9Cr4VCo8（简称M42）和 W6Mo5Cr4V2Al（简称501）等 。 硬质合金硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC 、 NbC、TaC等)粉末为基体，以熔点较低的金属(Co或Ni等) 粉末为粘结剂经高压后烧结制成的。常温硬度为HRC7482，耐热温度可达8001000。允 许的切削速度远高于高速钢，可达1.75m/s。硬质合金的抗切削振动和冲击能力较差，目前在复杂 结构的刀具上使用还受到一定限制。 P类 即YT类，适于加工长切屑的黑色金属。 M类 即YW类，适于加工长、短切屑的黑色和有 色金属。 K类 即YG类，适于加工短切屑的黑色、有色金属及非金属 。 （硬质合金代号和应用范围见表3-2 ） 涂层刀具材料是指通过气相沉积或其它技术方法，在硬质合金(或高 速钢)的基体上，涂覆一薄层耐磨性极高的难熔金属化合 物。常用涂层材料有TiC（碳化钛）、TiN（氮化钛）和 Al2O3及其复合材料等。 超硬刀具材料 陶瓷刀具材料 在1200时仍能保持HRA9095的硬度 。 人造聚晶金刚石 硬度可达HV10000，是目前人工制成 的硬度最高的刀具材料金刚石刀具，温度达到700 800 时就会失去硬度，不宜加工黑色金属。 立方氮化硼 硬度为HV80009000，仅次于金刚石， 其耐热性可达1400。 3.3金属切削过程 3.3.1切屑的形成及三个变形区 切削过程实质：弹性变形塑性变形分离v三个变形区 始滑移线 OA 终滑移线 OM 第变形区 剪切区 第变形区 滞流区 第变形区 塑变区v常见的切屑形态 带状切屑：切削力变化比较小，切削过程较平 稳。 节状切屑：切削过程不够平稳，表面粗糙度Ra 值较大 。 崩碎切屑：切削过程极不稳定，刀具刃口易崩 刃或磨损。 3.3.2积屑瘤1.形成 (在第变形区)条件:外摩擦力内摩擦力有瘤好不好？ 要不要？2.作用 增大工作前角,保护切削刃. 使实际切削深度变化, 易引起震动,降低工件表面质量. 粗加工允许存在(切削轻快).精加工 不允许存在(保证质量). 能否想要就要？3.影响因素 工件材料:塑性,积屑瘤;可正火,调质。 切削速度:低速(0.08m/s )或很高速(1.67m/s ),积屑瘤中速(0.081.67m/s ),积屑瘤 (300) 刀具：增大前角，减小走刀量，提高刀具表面质量及 合理使用润滑液，可使积屑瘤3.3.3切削力与切削功率 1.切削力 切削过程中，刀具对工件所施加的力称为切削 力。 来源于两个方面： 被切材料层因弹性变形和塑性变形而产生的变 形抗力 P变； 刀具前刀面与切屑之间、后刀面与工件过渡表 面之间相对运动而产生的摩擦阻力 P摩。 总切削力 F 是一个空间矢量，其大小和方向随 切削条件而变化。可分解为三个互相垂直的分 力。v 三个分力 主切削力Fc 总切削力F在主运动方向上的分 力。它垂直于工作基面，与切削速度方向平行，故又称切向力。消耗机床总功率 的95以上，是计算切削功率和车刀强度、确定机床动力的主要依据。 背向力 Fp 总切削力F在垂直于工作平面方向上的分力。它投影在工作基面上，并与工件轴线垂直，故又称径向力。它一般不消耗机床功率，但易使工件变形、振动，是影响工件加工质量的主要分力。 进给力Ff 总切削力F在进给运动方向上的分力 ，它投影在工作基面上，并与工件轴线平行，故又称轴向力。只消耗机床功率的15，是机床进给机构强度与刚度设计的主要依据。v关系：F = Fc 2Fp 2Ff 2Fp = (0.15 0.7 ) FcFf = (0.1 0.6 ) Fc v 影响因素： 工件材料的硬度和强度愈高，则变形抗力愈大，因此 切削力愈大。 切削用量中对切削力影响最大的是背吃刀量，其次是 进给量，而切削速度影响最小。 刀具前角增大，被切金属的变形减小，故切削力减小 。此外，刀具的主偏角和刃倾角的大小、刀具的安装 与磨损及冷却润滑状况等对切削力大小和各分力间的 比例都存在程度不同的影响。2.切削功率背向力Fp方向运动速度为零（不做功），进给 力Ff 很小，往往忽略不计，切削功率：Pm = Fc vc 10 -3 ( KW )式中，vc 切削速度，m /s。机床电动机功率为：Pe Pm / 式中， 机床传动效率，一般取0.750.85。3.3.4切削热与切削温度 1.切削热 切削层金属弹性变形和塑性变形-Q变 刀具前刀面与切屑 ,后刀面与工件之间的摩擦 -Q摩 散热比例中等速度车削钢件时: (大约)切屑带走5086,传入工件93,传入刀具4010,散入空气1%（钻削：见书） 影响(传入切屑和空气的热量无影响)传入工件和刀具的热量: 使工件升温变形,产生尺寸、形状误差,精度 “烧伤”工件表面,表面质量 刀具局部温度硬度,加速 磨损(导致工件 质量)2. 切削温度切削温度是指工件、刀具和切屑三者接触表面上的平均温度。是产生和传散切削热综合作用的结果。工件材料 工件材料的强度、硬度越高，切削温度也就 越高。材料的导热性好，可使切削温度降低。切削用量 加大切削用量会使切削温度升高。切削用 量中对切削温度影响最大的是切削速度，其次是进给 量,而背吃刀量的影响最小。 刀具角度 刀具的前角增大，切削层变形小，切削温 度降低。切削液 使用适当的切削液可明显降低切削温度。 3.3.5刀具磨损与耐用度 1.刀具磨损 刀具磨损的形式 v前刀面磨损高速、大厚度塑性材料KT表示 v后刀面磨损 脆性、小厚度塑性材料VB表示 v前后刀面同时磨损刀具磨损的过程刀具后面磨损量VB与切削时间之间的磨损曲 线。分为三个阶段： AB段 初期磨损 BC段 正常磨损 CD段 剧烈磨损2.刀具耐用度刀具磨钝标准是指刀具允许的最大磨损量 ，通常以主后面中间部分平均磨损量VB作为磨 钝标准。刀具寿命是指一把新刀由开始切削到报废为止 的总切削时间，用 t 表示。显然，刀具耐用度T与刀具寿命 t 之间存在以 下关系：t = n