2022年机械制造技术--金属切削原理与刀具讲义.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 金属切削原理与刀具,2.1,刀具的结构,一、切削运动与切削要素,1,、,切削运动,（,1,）金属切削加工：,（,2,）切削运动：,刀具与工件之间的相对运动,主运动：,只有一个,进给运动：,可以有一个或几个,2,、,切削要素,（,1,）,待加工表面,加工表面（过度表面）,已加工表面,切削表面,（,2,）,切削用量,（旋转）（往复直线）,（,3,）,切削层几何参数,进给量,背吃刀量,切削速度,切削厚度,切削面积,切削宽度,3,、切削方式的划分,（,1,）自由切削与非自由切削,自由切削：只有一条直线切削刃参加切削工作,非自由切削：刀具切削刃是曲线，或几条切削刃同时参加并完成切削,（,2,）直角切削与斜角切削,直角切削：刀具主切削刃的刃倾角 的切削。此时，主切削刃与切削速度方向成直角,斜角切削：刀具主切削刃的刃倾角 的切削。,直角切削与斜角切削,一、国内外切削理论研究概述,1、最高生产率耐用度,五、切屑变形的表示方法,工件本身受热膨胀，直径变化,衡量切屑可控性的标准：不妨碍正常的加工；,1、切削用量的影响,前角对切削力的影响,用作标注前、后刀面角度的测量平面,对切削力 的影响,基面：通过刀刃上选定点，垂直于该点合成切削运动向量的平面,工件本身受热膨胀，直径变化,二、刀具角度,1,、,刀具切削部分的组成,前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖,车刀组成,刀具过渡刃,刨刀、钻头、铣刀切削部分形状,2,、,确定刀具切削角度的参考平面,切削平面：,通过刀刃上选定点，切于工件过渡表面的平面,基面：,通过刀刃上选定点，垂直于该点合成切削运动向量的平面,宽刃刨刀参考平面,3,、,刀具标注角度的参考系,车刀标注角度参考系,正交平面,法平面,背平面和假定工作平面,用作标注前、后刀面角度的测量平面,影响积屑瘤产生和大小的因素：金属材料的硬化程度；,1、切削力的来源,背平面和假定工作平面参考系,2、粗加工磨钝标准的判断,初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段,应用范围：用于加工250280HB以下的大部分结构钢和铸铁，用作复杂刀具如钻头、丝锥、铰刀、拉刀、铣刀、齿轮刀具和成形刀具,2、确定刀具切削角度的参考平面,硬质点磨损（机械磨损或摩擦磨损）、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损、热点磨损,2、切削要素,3、精加工磨钝标准的判断,对基本工艺时间的影响,背平面和假定工作平面,5、切削液的影响,车削45钢，背吃刀量和进给量的影响,加工表面是否出现亮带,参考系,参考平面,符号,正交平面参考系,基面,切削平面,正交平面,法平面参考系,基面,切削平面,法平面,背平面和假定工作平面参考系,基面,背平面,假定工作平面,刀具标注角度参考系,4,、,刀具的标注角度,前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角,车刀的主要角度,5,、,刀具的工作角度,（,1,）刀具安装位置对工作角度的影响,刀具安装高低对工作角度的影响,（,a,）,（,b,）,（,c,）,刀杆中心线与进给方向不垂直的影响,车刀安装偏斜,横向进给,纵向进给,2-2,刀具材料,一、刀具材料应具备的性能,高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性,高的耐热性,更好的热物理性能和耐热冲击性能,良好的工艺性,经济性,二、常用的刀具材料,工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷超硬刀具材料,（,1,）高速钢,突出性能：,较高的强度、韧性和耐磨性，较好的工艺性,主要品种：,W18Cr4V,、,W6Mo5Cr4V2,、,W6Mo5Cr4V2 Co8,、,W6Mo5Cr4V2Al,应用范围：,用于加工,250280HB,以下的大部分结构钢和铸铁，用作复杂刀具如钻头、丝锥、铰刀、拉刀、铣刀、齿轮刀具和成形刀具,（,2,）硬质合金,突出性能：,硬度、耐磨性、耐热性都很高；但抗弯强度低，断裂韧性也较低,突出性能：,硬度、耐磨性、耐热性都很高；但抗弯强度低，断裂韧性也较低,主要种类：,应用范围：,K,类：,YG3,、,YG6,、,YG8,M,类：,YW1,、,YW2,P,类：,YT5,、,YT15,、,YT30,YT,类,用于钢类、铸铁类高静加工，,不用于钛合金和含钛的不锈钢,YG,类,铸铁、有色金属、非金属材料,高强度钢、奥氏体钢、高温合金粗加工,YW,类,不锈钢、高锰钢、耐热钢的粗、半精加工,（,3,）涂层刀具,CVD,涂层、,MT-CVD,涂层、,PVD,涂层、,ZX,涂层、,CVD,金刚石（薄膜和厚膜）、涂层陶瓷和多立方氮化硼,（,4,）金刚石刀具,PCD,、,CVD,厚膜和人工合成单晶金刚石,突出性能：,极高的硬度和耐磨性，摩擦系数小，但耐热性低，不能加工铁族金属,主要应用：,有色金属及其合金，非金属，光学零件等精密和超精密加工,（,5,）立方氮化硼,很高的硬度和耐磨性，热稳定性好，化学惰性大；用于加工淬火钢和冷硬铸铁,2-3,金属切削过程及其物理现象,一、国内外切削理论研究概述,二、研究金属切削过程的实验方法,侧面观察法，高速摄影法，快速落刀法，扫描电镜显微观察法，光弹性、光塑性试验法、其他试验法,三、切屑形成过程,第二变形区,第三变形区,第一变形区,三个变形区,四、变形区基本特征,第一变形区（基本变形区）：,沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬 化。,第二变形区（摩擦变形区）：,使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减慢，甚至滞留在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高,第三变形区（加工表面变形区）：,使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减慢，甚至滞留在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度 升高,五、切屑变形的表示方法,剪切角,相对滑移或剪切应变,切屑变形系数,相对滑移 与变形系数 间的关系,六、切屑类型及其控制,1,、带状切屑,产生条件：,加工塑性材料，切削速度较高，切削厚度较小，刀具前角较大,形态特征：,内表面是光滑的，外表面是毛葺的,二、研究金属切削过程的实验方法,在自动线加工中，还要考虑生产节拍,切削速度切削温度不发生粘结现象；,第一变形区（基本变形区）：沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬 化。,根据车间实际工序情况选,硬质点磨损（机械磨损或摩擦磨损）、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损、热点磨损,对刀具寿命和辅助时间的影响,剪切面上各点温度基本相同,工件本身受热膨胀，直径变化,定量描述（VC和VN）,对刀具寿命和辅助时间的影响,4、刀具寿命的分布,2-7 工件材料加工性及切削用量的选择,2,、挤裂切屑,产生条件：,加工塑性材料，切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小,形态特征：,内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形,3,、单元切屑,产生条件：,改变挤裂切屑条件，进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度,形态特征：,梯形的单元切屑,4,、崩碎切屑,产生条件：,加工脆性材料,形态特征：,切屑的形状不规则，加工的表面凹凸不平,5,、切屑控制,定义：,衡量切屑可控性的标准：,不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运,切屑控制措施：,在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器；推广使用可转位刀具,七、积屑瘤现象,定义：,产生：,切屑与前刀面粘结,内摩擦,底层上金属加工硬化粘结体,长大积屑瘤,影响积屑瘤产生和大小的因素：,金属材料的硬化程度；刃前区的温度与压力,积屑瘤对切削过程的影响：,实际切削前角增大；实际切削厚度增大；加工表面粗糙度增大；影响刀具寿命,防止积屑瘤产生的方法：,切削速度,切削温度,不易产生粘结现象；,切削速度,切削温度,不发生粘结现象；,润滑性能好的切削液,摩擦,；,刀具前角,接触压力,；,改变工件材料加工特性,加工硬化。,2-4,切削力与切削功率,一、切削力的来源、切削合力及其分解、切削功率,1,、切削力的来源,抗力,摩擦阻力,2,、切削合力及分解,主切削力（切向力）,进给力（轴向力）,背向力,3,、切削功率与电机功率,二、切削力的测量,1,、切削力的理论计算,2,、切削力的测量方法,测定切削功率，计算切削力,用测力仪测量切削力,三、切削力的经验公式和切削力估算,1,、切削力的指数公式,2,、按单位切削力计算,四、切削力的影响因素,1,、被加工材料的影响,物理机械性能,加工硬化能力,化学成分,热处理状态,材料性质的不同,2,、切削用量对切削力的影响,背吃刀量和进给量对三向切削力的影响,切削速度的影响,车削,45,钢，背吃刀量和进给量的影响,车削,45,钢，切削速度的影响,车削灰铸铁，切削速度的影响,3,、刀具几何参数的影响,前角对切削力的影响,负倒棱对切削力的影响,主偏角对切削力的影响,对切削力 的影响,对切削力的影响,对副刃前角的影响,切削厚度与切削刃曲线部分长度的变化,对 和 的影响,刀尖圆弧半径的影响,主偏角不同时力的分解,刀尖圆弧半径的影响,刃倾角对切削力的影响,刀具材料对切削力的影响,切削液的对切削力影响,刀具磨损对切削力的影响,刃倾角的影响,车刀材料的影响,2-5,切削热和切削温度,一、切削热的产生和传导,1,、切削热的来源,切屑变形功、前后刀面的摩擦功,2,、切削热的传出,切削、工件、刀具、周围介质等,二、切削温度的测量,1,、切削温度：,一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度,2,、切削温度的理论计算,3,、测量方法,热电偶法：,自然热偶法和人工热偶法,辐射温度计法：,辐射热计法、红外线干板法、红外线胶片法,其他方法：,热敏颜料法、热敏电阻法、量热计法、金属组织观察法,三、影响切削温度的主要因素,1,、切削用量的影响,切削速度影响最大，进给量次之，切削深度最小,2,、工件材料的影响,3,、刀具角度的影响,前角和主偏角影响较大,4,、刀具磨损的影响,5,、切削液的影响,四、切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响,1,、切削温度的分布及其规律,剪切面上各点温度基本相同,前刀面和后刀面的最高温度位于离开刀刃一定距离处,垂直剪切面方向上温度梯度很大,切屑底层上温度梯度很大,后刀面温度的升降在极短时间内完成,温度的分布与工件材料塑性有关,温度分布与工件材料的导热性有关,2,、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响,切削温度对工件材料强度和切削力的影响,对刀具材料的影响,对工件尺寸精度的影响,工件本身受热膨胀，直径变化,刀杆受热膨胀,工件受力变长,利用切削温度自动控制切削速度或进给量,利用切削温度与切削力控制刀具磨损,2-6,刀具磨损与刀具寿命,一、刀具磨损的形态及其原因,1,、刀具损坏的形式,2,、正常刀具磨损,（,1,）前刀面磨损（月牙洼磨损）,产生条件,磨损特征,定量描述（,KT,）,破损（非正常磨损）,正常磨损,前刀面磨损,后刀面磨损,边界磨损,塑性破损,脆性破损,前面月牙洼磨损,磨损痕迹随时间变化,（,2,）后刀面磨损,产生条件,磨损特征,定量描述（,VB,）,（,3,）边界磨损,产生条件,磨损特征,定量描述（,VC,和,VN,）,磨损原因,2,、非正常刀具磨损,（,1,）塑性破损 （,2,）脆性破损,3,、刀具磨损的原因,硬质点磨损（机械磨损或摩擦磨损）、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损、热点磨损,二、刀具磨损过程,初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段,三、刀具的磨钝标准,1,、磨钝标准,2,、粗加工磨钝标准的判断,加工表面是否出现亮带,切屑的颜色和形状发生明显变化,出现振动或其它不正常的声音,3,、精加工磨钝标准的判断,表面粗糙度是否超过加工要求,工件的尺寸及形位精度是否超差,四、刀具寿命及其经验公式,1,、刀具寿命,定义,可重磨刀具的寿命和刀具总寿命,2,、刀具寿命的经验公式,3,、切削用量对刀具寿命的影响规律,切削速度、进给量、切削深度（影响程度依次递减）,4,、刀具寿命的分布,正态分布,刀具磨损曲线,各种刀具材料寿命曲线,五、刀具合理耐用度的选用原则,1,、最高生产率耐用度,2,、最低成本耐用度,3,、合理选择刀具耐用度,根据刀具复杂程度、制造和刀具成本选择,机夹可转位刀具和陶瓷刀具的耐用度可选得低一些,对装、换、调刀较复杂的，耐用度选得高,根据车间实际工序情况选,大件精加工，耐用度按零件精度和,Ra,确定,2-7,工件材料加工性及切削用量的选择,一、工件材料的切削加工性,1,、切削加工性,2,、衡量切削加工性的指标,以加工质量的好坏衡量切削加工性,以刀具的耐用度衡量切削加工性,以单位切削力来衡量,（机床动力不足或工艺系统刚性不足）,以断屑性能来衡量,（自动机床、组合机床、自动线上或断屑性能要求很高的工序）,3,、常用指标,当刀具的耐用度为,T,时，切削某种材料所允许的最高切削速度,相对加工性,Kr,4,、改善材料切削加工性的途径,调整材料的化学成分,采用热处理的方法改变材料的金相组织，从而改善切削加工性,二、切削用量的选择,1,、合理的切削用量,2,、制定切削用量时应考虑的因素,切削加工生产率,刀具寿命,加工表面粗糙度,在多刀切削和使用组合刀具切削时，应把各刀具中允许的切削用量中最低的参数作为调整机床的参数；在自动线加工中，还要考虑生产节拍,3,、切削用量的影响,对加工质量的影响,对基本工艺时间的影响,对刀具寿命和辅助时间的影响,4,、粗、精加工中切削用量的选择,（,1,）粗加工,以提高生产率为主，同时保证刀具寿命,切削深度：机床功率足够时，尽量一次完成加工余量,进给量：根据机床,-,刀具,-,夹具,-,工艺系统刚性选择,切削速度：选用中等偏下的切削速度,选择切削用量的顺序：背吃刀量,进给量切削速度,（,2,）精加工，以保证零件的加工精度和表面质量为主，再考虑高的生产率和刀具寿命,一般是小的切削深度和进给量，较高的切削速度,5,、切削用量的制定步骤,根据加工余量确定背吃刀量,选择进给量,确定切削速度,校核机床功率,6,、提高切削用量的途径,采用切削性能更好的新型刀具材料,保证工件力学性能的前提下，改善工件材料的加工性,改善冷却润滑条件,改进刀具结构，提高刀具制造质量,