热加工工艺基础第一章 切削加工概论课件.ppt

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1、第一章切削加工概论（P1）n金属零件切削加工：金属零件切削加工：是通过刀具与工件之间的相对运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的加工方法。n切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、刨削、钳工等。n一般情况下，通过铸造、锻造、焊接和各种轧制的型材毛坯精度低和表面粗糙度大，必须进行切削加工才能成为零件。金属切削加工担负着几乎所有零件的加工任务，在机械制造过程中，处于十分重要的地位。11切削加工的基本概念一、零件表面的形成及切削运动（P1）任何复杂的机器零件，均由一些简单的几何表面组成，归纳起来不外乎以下三类表面：1、回转体表面：以某一条线（直线或曲线）为准线，其运动轨迹为圆时所形成的表面。

2、2、平面：以一直线为准线，而以另一直线为运动轨迹作平移运动时所形成的表面。3、成形表面：准线主运动轨迹皆为任意曲线。一、零件表面的形成及切削运动（P2）n切削运动：是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运动。n切削运动按其作用不同，分为主运动和进给运动两种。n主运动：是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速度高、消耗功率大。n进给运动：是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运动。一般说来，主运动只有一个，而进给运动可以多个。各种切削运动和加工表面二、切削用量和切削层几何参数（P2）切削过程中，工件上形成三个表面即：1）待加工表面将被切除的表面；2）加工表面正在切削的表面

3、；3）已加工表面切除多余金属后形成的表面。车削加工工件上的表面 1、切削用量三要素（P2）1 1）切削速度：）切削速度：单位时间内，刀具相对于工件沿主运动方向的相对位移。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：式中：d工件加工表面或刀具某一点的回转直径（mm）；n工件或刀具的转速（r/s或r/min）。m/s2)进给速度（P2）n进给速度Vf：单位时间内，刀具相对于工件沿进给运动方向的相对位移。单位mm/s。n进给量f：工件或刀具每转一周时，两者沿进给方向之相对位移。当主运动为旋转运动时，f的单位是mm/r；当主运动为往复直线运动时，f的单位是mm/str（毫米/双行程）；多刃刀具的每齿进给

4、量用af表示，单位是mm/Z。n显然：V Vf f f.nf.n a af f.n.Z.n.Z mm/s3)切削深度（P2）n切削深度ap：工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。n习惯上也将切削深度称为背吃刀量。外圆车削时：式中 D工件待加工表面的直径(mm)；d工件已加工表面的直径(mm)。2、切削层几何参数（P3）n切削层：是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属。也就是车刀移动f之后，切下的金属层，如图12所示。1）切削层厚度ac：垂直于加工表面来度量的切削层尺寸。2）切削宽度aw：沿加工表面测量的切削层尺寸。3）切削面积Ac：切削层公称横截面积。切外圆时的切削层要素 112 2切削

5、刀具的几何角度（切削刀具的几何角度（P3P3）n刀具则是金属切削加工中不可缺少的重要工具之一，无论是普通机床，还是先进的数控机床和加工中心，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加工。n实践证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产效率。刀具种类（刀具种类（P4P4）1）切刀：包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成型车刀等。2）孔加工刀具：包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具(如钻一铰复合刀具)等。3）拉刀：包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀)等。4）铣刀：包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片铣刀等；加工特殊形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成

6、型铣刀等。5）螺纹刀具：包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切头、搓丝板等。6）齿轮刀具：包括齿轮滚刀、蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。7）磨具：包括砂轮、砂带、油石和抛光轮等。刀具切削部分结构要素（P3）n刀具通常由工作部分和夹持部分组成。n工作部分承担切削加工；夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置。n刀具切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态，其它各类刀具可看成是它的演变和组合，故以普通车刀为例，刀具切削部分的结构要素如图14所示。刀具切削部分结构要素及定义（P3）1）前刀面：切屑沿其流出的表面。2）主后刀面：刀具上与工件的加工表面相对

7、的表面。3）副后刀面：刀具上与工件已加工表面相对的刀面。4）主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。在切削过程中，承担主要的切削工作。5）副切削刃：前刀面和副后刀面的交线，配合主切削刃完成切削工作，最终形成已加工表面。6）刀尖：主切削刃与副切削刃的联结部位。车刀切削部分的构造要素一、车刀的几何角度1、刀具标注角度的参考系（P4）n在设计刀具时，为了表示刀具几何角度的大小以及刃磨和测量刀具角度的需要，必须表示出刀面和切削刃的空间位置。n而要确定它们的空间位置，就应当建立假想的参考平面坐标系。n这里只介绍主剖面参考系。1 1、刀具标注角度的参考系（、刀具标注角度的参考系（P4P4）主剖面参考系：如图1-

8、5所示：1）基面（pr)：过主切削刃上的选定点，与切削速度垂直的平面；2）切削平面（ps)：过主切削刃上的选定点，并与该点加工面相切的平面；3）主剖面（po)：过选定点，与切削平面和基面都垂直的平面。车刀标注角度的参考系车刀标注角度的参考系2 2、车刀的标注角度（、车刀的标注角度（P5P5）n车刀的标注角度是指刀具制造图上标注的角度，它是刀具的刃磨角度，也称静止角度。n车刀的角度有：前角、后角、主偏角、副偏角、前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角刃倾角等。2 2、车刀的标注角度（、车刀的标注角度（P5P5）1）前角0 0：在主剖面中测量，前刀面与基面（水平面）之间的夹角。增大前角刃口锋利，切削轻

9、快；但前角过大会使切削刃强度降低，易崩刀。2）后角0 0 ：在主剖面中测量，后面与切削平面之间的夹角。增大后角，可减少刀具主后面与工件间的摩擦，但后角过大，切削刃强度降低。3）主偏角r r ：在基面中测量，主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。增大主偏角，使轴向力增大、径向力减小，可减小切削时的振动，但不利于刀具散热，易磨损。主偏角可在45一90间选取。工件刚度好，粗加工时选取小值，反之，取大值。2 2、车刀的标注角度（、车刀的标注角度（P5P5）4）副偏角 r：在基面中测量，副切削平面在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。增大副偏角可减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，有利于散热。但

10、表面粗糙度增大。5）刃倾角s：在切削平面中测量，主切削刃与基面之间的夹角。当主切削刃位于水平时，s 0。车刀的标注角度2 2、车刀的工作角度（、车刀的工作角度（P6P6）n刀具在图纸上标注的角度称刃磨角度或标注角度。n在切削加工过程中，由于车刀安装位置的变化以及进给运动的影响，使得参考平面坐标系的位置发生变化。n按照切削工作中的参考平面坐标系所确定的角度，称为工作角度，用0e0e、0e0e等表示。车刀工作角度的影响因素（车刀工作角度的影响因素（P6P6）1）刀尖安装高低对工作角度的影响：粗车外圆时，使刀尖略高于工件中心，以增大前角；精车外圆时，使刀尖略低于工件中心，以增大后角，减少后刀面的磨损

11、；车成形表面时，刀刃应与工件中心等高，以免产生误差。2）刀杆中心线安装偏斜对工作角度的影响：在普通车床上为了避免振动，有时将刀杆偏斜安装以增大主偏角。3）进给运动对工作角度的影响。113 3切削刀具材料（切削刀具材料（P13P13）n刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。在切削过程中，刀具的切削能力，直接影响生产率、加工质量和加工成本。n而刀具的切削性能，主要取决于刀具材料；其次是刀具几何参数和刀具结构的选择与设计是否合理。n100年以前，加工一个直径为100mm，长度为500mm的碳素钢零件需要的时间为100min，而现在用陶瓷涂层硬质合金刀片车削只需1min。一、刀具材料应具备的性能（一、刀

12、具材料应具备的性能（P13P13）1、高的硬度和耐磨性：一般刀具的常温硬度在60HRC以上。2、足够的强度和韧性：3、高的热硬性（红硬性）：高温下保持高硬度、高强度和高韧性的能力，并有良好的抗扩散、抗氧化能力。4、良好的工艺性：要求刀具材料有较好的可加工性、可磨削性和热处理性。5、好的导热性和小的膨胀系数。二、刀具材料的种类（二、刀具材料的种类（P13P13）1 1、碳素工具钢：、碳素工具钢：常用牌号为T10A、T12A，热硬性差，工作温度不能超过250，切削速度8m/min以下，所以只能用作简单的手工工具，如锉刀了、锯条等。2 2、合金工具钢：、合金工具钢：常用牌号有9SiCr、CrWMn，

13、工作温度不能超过400，常用作铰刀、板牙等。3 3、高速钢高速钢：常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，硬度可达6267HRC，工作温度可达600，切削速度可达3050m/min，可用于制造各种刀具。二、刀具材料的种类二、刀具材料的种类4、硬质合金（P14）n是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(如碳化钨碳化钛、碳化钽等)与金属粘结剂(钴、钨、钼等)在高温下烧结而成的粉末冶金材料。n硬度可达8993HRA，切削温度达8001000，允许切削速度可达100300mmin。n是当今主要的刀具材料之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。n缺点是抗弯强度低，不能承受较大的冲

14、击载荷。我国常用的硬质合金（我国常用的硬质合金（P14P14）1 1）钨钴硬质合金：）钨钴硬质合金：A）代号为YG，由碳化物WC和金属Co组成；B）韧性较好，抗弯强度较高，热硬性稍差；C）适用于加工铸铁等脆性材料；D）常用牌号有YG8和YG3，数字表示含钴量的百分数。钴含量越高，其韧性和强度越高，但硬度与耐磨性能低。所以YG8用作粗加工，YG3用作精加工。我国常用的硬质合金（P14）2 2）钨钛硬质合金：）钨钛硬质合金：A）代号为YT，由碳化物WC、TiC和金属Co组成；B）热硬性比钨钴合金高，耐磨性好；C）适用于加工碳钢等塑性材料材料；D）常用牌号有YT30和YT5，数字表示碳化钛含量的百分

15、数。TiC含量越高，热硬性越高，韧性较差，所以YT30用作精加工，YT5用作粗加工。我国常用的硬质合金（P15）3 3）通用硬质合金：）通用硬质合金：A）代号为YW，在YT类合金中加入碳化钽或碳化铌；B）韧性和抗粘附性较高，耐磨性好；C）适用范围广，既能加工铸铁，又能切削钢材；D）常用牌号有YW1和YW2，特别适合难加工的合金钢，如耐热钢、高锰钢、不锈钢等。所以称为万能合金。我国常用的硬质合金（P15）4 4）表面涂层硬质合金：）表面涂层硬质合金：它是在硬质合金基体上，涂敷一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物(如碳化钛、氮化钛、氧化铝等)而制成的。涂层硬质合金的刀具寿命至少可提高13倍，

16、涂层高速钢的刀具寿命可提高210倍。陶瓷（P15）n纯氧化铝AL2O3陶瓷、复合氧化铝AL2O3TiC陶瓷、复合氮化硅Si3N4TiCCo陶瓷。n有很高的高温硬度，在1200时，硬度尚能达到80HRA，在高温下不易氧化，与普通钢不易产生粘结和扩散作用；n可用于加工钢、铸铁，对于冷硬铸铁、淬硬钢的车削和铣削特别有效，其使用寿命、加工效率和已加工表面质量常高于硬质合金刀具。n其主要缺点是：抗弯强度低，冲击韧性差，导热能力低和线膨胀系数大。对冲击十分敏感，容易破裂。因此，应用受到限制。金刚石（P16）n是目前已知的最硬材料，硬度接近于10000HV（硬质合金为13001800HV）。n能对陶瓷、硬质

17、合金等高硬度耐磨材料进行切削加工，使用寿命极高，耐用度通常为硬质合金的10100倍。n但金刚石的热稳定性较差，金刚石是碳的同素异构体，在高温下，与铁原子起反应，易产生粘接磨损，因此不宜加工钢铁材料。n多用于在高速下对合金进行精细车削或鏜削。14金属切削过程（P16）n在金属切削过程中，工件上的被切削层材料在刀具的作用下，或因剪应力产生塑性滑移而形成切屑。n塑性材料切屑的形成过程：当刀具相对被切削层材料作切削运动时，在剪应力的作用下材料依次错动滑移成切屑，并沿前刀面流出。平常所看到的带状切屑其上侧呈层状的锯齿形，即为塑性滑移的结果。n切削脆性材料时，由于这类材料的塑性变形能力差，在材料产生明显的

18、塑性滑移前，材料发生崩碎，并沿切削速度方向飞散，形成崩碎状的切屑。一、切屑类型（P17）1 1）带状切屑：）带状切屑：切屑延续成较长的带状，切屑钢材（塑性）时，如果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，则切出内表面光滑、而外表面呈毛茸状的切屑。它的切削过程较平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。2）挤裂切屑：挤裂切屑的外形与带状切屑不同之处在于内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。产生条件是在加工塑性金属材料时，如果切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时。它的切削过程剪切应变较大，切削力波动大，易发生颤振，已加工表面粗糙度较大。在使用硬质合金刀具时，易发生崩刃。一、切屑类型（P17）

19、3 3）崩碎切屑：）崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。加工脆性材料时，由于抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属只经受较小的塑性变形就被挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑。切削厚度越大、刀具前角越小，越容易产生这种切屑。切屑种类如图所示二、积屑瘤（P18）n切削塑性材料时，在切削速度不高且形成带状切屑情况下，常有一些来自切屑和工件的金属层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，称为积屑瘤积屑瘤。n产生原因：产生原因：刀具与切屑激烈磨擦，形成滞流层，在适当的温度和压力作用下，当这种磨擦阻力大于切屑内部原子结合力时，滞流层金属就会粘结在刀刃上形成积屑瘤。积屑瘤的形成如P18图1

20、18所示积屑瘤（P18）n切削塑性材料时，在切削速度不高且形成带状切屑情况下，常有一些来自切屑和工件的金属层积在前刀面上，形成硬度很高的可喜局面楔块，称为积屑瘤积屑瘤。n产生原因：产生原因：刀具与切屑激烈磨擦，形成滞流层，在适当的温度和压力作用下，当这种磨擦阻力大于切屑内部原子结合力时，滞流层金属就会粘结在刀刃上形成积屑瘤。积屑瘤的形成如P18图118所示积屑瘤的作用和影响（P18）n可以保护刀刃，减少刀具磨损。n增大前角：积屑瘤具有30左右的前角，因而减少了切削变形，降低了切削力。n易引起振动，因为积屑瘤时大时小、时有时无，吃刀深度不断改变。n光洁度下降。n精加工时不允许存在，粗加工时有好处

21、。避免产生积屑瘤的方法（P18）n提高刀具前刀面的光洁度减少磨擦。n避开易产生积屑瘤的切削速度范围，即采用低速或高速切削。n增大前角。n小的走刀量。n正火右调质处理。（工件硬度太小，塑性太大时）n采用切削液。三、加工硬化（P19）n切削塑性材料时，往往发现工件已加工表面的硬度，比工件材料原来的硬度显著提高，这种现象和为加工硬化。n加工硬化虽然可以提高工件的耐磨性，但增大表面层的脆性，降低零件的抗冲击能力。同时为后继工序增加困难。n增大刀具前角，使用锋利的刀具，提高切削速度，采用切削液等，都可减少变形和磨擦，均可减轻加工硬化。四、切削力和切削功率1、切削力的来源与分解（P20）n在切屑形成过程，

22、切屑与刀具的前刀面之间及工件与后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。n这些作用在刀具上所有力的合力就是作用在刀具上的切削力，也称切削合力。n总切削力的方向、大小将随工件材料的性质、切削用量的大小及刀具的几何形状的变化而变化，因此通常将其分解成几个方向既定的分力。切削力的来源如图所示四、切削力和切削功率1 1、切削力的来源与分解（、切削力的来源与分解（P20P20）1）主切削力（切向力）FZ：垂直于基面，与切削速度方向一致，消耗功率最多，是计算刀具强度、设计机床零件，确定机床功率的主要依据。2）吃刀抗力FY（径向力）：作用在基面内并与工件轴线

23、垂直的力。是作用在机床、工件刚性最弱的方向上。3）走刀抗力（轴向力）FX：是作用在进给方向上的切削分力，作用在基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀具进给功率的依据。图图1 12020切削力的分解切削力的分解 2 2、影响切削力的主要因素（、影响切削力的主要因素（P21P21）1）工件材料：材料的强度愈高、硬度愈大，切削力愈大；在强度、硬度相近的材料中，塑性、韧性大的，切削力大。2）切削用量：切削用量中ap和f对切削力的影响较明显。当ap和f增大时，即切削面积Ac增大，从而使变形力、摩擦力增大，引起切削力增大。3）刀具几何参数：刀具几何参数中前角0和主偏角r对切削力的影响比较明显。0增

24、大，切削力减小。当主偏角r增大，径向力减少；当主偏角r=90时，径向力0，对防止车细长轴类零件弯曲变形减少振动十分有利。2、切削功率（P21P21）n消耗在切削过程中的功率叫切削功率Pc，单位是kW，它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在进行外圆车削时，因Fp方向没有位移，故消耗功率为零。式中 Fc：主切削力（N）；Ff：轴向力（N）；f：进给量（mm/r）；c：切削速度（m/s）；nw：工件转速（r/s）。五、切削热1、切削热的产生与传散（P22）n切削热来源于切削的变形功以及切屑与前刀面、工件与后刀面相磨擦的磨擦功。n切削热通过切屑、工件、刀具以及周围的介质传散。n

25、大部分切削热由切屑带走，大量切削堆积在机床上，使机床产生热变形，影响加工精度。n30%传入工件，产生热变形，特别是薄壁件、细长件，热变形严重。n10%传入刀具，由于刀具体积小，温升大，高速切削时，切削温度可达1000，加速刀具的磨损。切削热的产生和传出切削热的产生和传出2、切削温度及其影响因素（P22）切削温度一般是指切屑、工件和刀具接触面上的平均温度，影响切削温度的主要因素有：1 1）切削用量：）切削用量：当、f、ap增大时，切削热增加，但后两者增加，温升增加较小。2 2）刀具几何参数）刀具几何参数 ：前角增大，切削温度降低；主偏角减小，主刀刃长度增加，刀刃散热条件得到改善，故切削温度下降。

26、3 3）工件材料：）工件材料：当工件材料的强度、硬度、塑性增加时，使切削温度升高。热导率大时切削温度降低。4 4）在切削中使用切削液，）在切削中使用切削液，可降低切削温度。六、刀具磨损（P23）n磨损是在切削过程中，由于工件刀具切屑的接触区里发生着强烈的摩擦，以致刀具表面某些部位(如前、后刀面)的材料被切屑或工件逐渐带走。刀具的磨损影响加工质量、生产率及加工成本。n刀具磨损的形式：切削时刀具的前、后刀面的高温、高压下，与切屑、工件相互接触，产生剧烈摩擦，因而在前、后刀面上产生磨损。n刀具的磨损形式如图121所示。刀具的磨损过程刀具使用寿命（P24）n刀具寿命是指刀具新刃磨之后，从开始使用起到刀

27、具磨损至规定的磨损限度为止的实际切削时间。n在磨损限度已确定后，刀具寿命与磨损速度有关。磨损速度愈慢，刀具寿命愈高。为了提高刀具寿命，一般可从改善工件材料的可加工性、合理设计刀具的几何参数、改进刀具材料的切削性能、采用性能优良的切削液及合理选择切削用量等多方面着手。n在实际使用中，在使刀具寿命降低较少而又不影响生产率的前提下，应尽量选取较大的背吃刀量和较小的切削速度，使进给量大小适中。作业（P38）第2、3、题二、刀具材料二、刀具材料2.2.高速钢高速钢 高速钢是一种高速钢是一种合金工具钢合金工具钢，具有一定，具有一定的硬度（的硬度（63 HRC 63 HRC 70 HRC70 HRC）和耐磨

28、性，和耐磨性，有较高的耐热性，在切削温度高达有较高的耐热性，在切削温度高达500500600600时尚能切削。时尚能切削。2.2.高速钢高速钢 高高速速钢钢是是强强度度和和韧韧性性最最好好的的刀刀具具材材料料，适适于于加加工工从从有有色色金金属属到到高高温温合合金金的的范范围围广广泛泛的的金金属材料。属材料。2.2.高速钢高速钢 高高速速钢钢的的冷冷加加工工工工艺艺性性特特别别好好，在在热热处处理理前前，高高速速钢钢可可以以象象一一般般中中碳碳钢钢一一样样的的进进行行各各种种加加工工；热热处处理理后后，高高速速钢钢刀刀具具可可以以磨磨出出锋利的切削刃。锋利的切削刃。2.2.高速钢高速钢 正正是

29、是由由于于高高速速钢钢具具有有足足够够的的强强度度、硬硬度度、耐耐热热性性和和耐耐磨磨性性，具具有有特特别别好好的的冷冷加加工工工工艺艺性性、磨磨削削加加工工工工艺艺性性和和较较好好的的热热加加工工工工艺艺性性，所所以以，在在钻钻头头、丝丝锥锥、拉拉刀刀、齿齿轮轮刀刀具具、成成形形刀刀具具等等复复杂杂刀刀具具制制造造中中，高高速速钢钢仍仍占占主主导导地地位。位。2.2.高速钢高速钢（1 1）通用高速钢：）通用高速钢：典型牌号：典型牌号：W18Cr4V W6Mo5Cr4V22.2.高速钢高速钢（2 2）高性能高速钢：）高性能高速钢：高高性性能能高高速速钢钢是是在在通通用用高高速速钢钢的的成成分分

30、中中，增增加加碳碳含含量量形形成成高高碳碳高高速速钢钢、增增加加碳碳化化钒钒含含量量形形成成高高钒钒高高速速钢钢、或或者者添添加加钴钴、铝铝等等元元素素形形成成钴钴高高速速钢钢、铝铝高高速速钢钢，目目的的是是为为了了提提高高高高速速钢钢的的耐热性和耐磨性耐热性和耐磨性。返回文挡刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命3.3.刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准(1)(1)刀具的磨损过程刀具的磨损过程 图图3-38 硬质合金车刀的典型磨损曲线硬质合金车刀的典型磨损曲线YD05-30CrMnSiA；gogo=4=4，a ao=8=8，k kr=45，l ls=-4；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm返回文挡rFcFFpFf pFfFf pFf pf 切削力的来源与分解切削力的来源与分解 F 切削合力Fz 主切削力Fy吃刀抗力Fx进给抗力