切(磨)削加工基本知识-机械工程师资格考试

机械工程师资格考试第四部分机械制造工艺4.4切磨削加工考核知识点（掌握）切（磨）削加工基本知识（4.4.1）典型表面的加工方案（外圆、内孔表面和平面等）（4.4.1）刀具结构及几何参数（刀具形状、角度）的定义（4.4.2）刀具材料及选择原则（4.4.2）典型加工（车削、铣削和磨削）工艺及装备（4.4.3）夹具定位和夹紧的基本知识（4.4.4）影响切（磨）削加工质量的因素分析（表面质量和加工精度）（4.4.5）提高加工质量的技术途径（4.4.5）主运动进给运动辅助运动（分度运动、切入/吃刀运动）4.4.1切（磨）削加工基本知识1.基本概念（切削、切削运动、机床与刀具）切削加工——采用刀具去除毛坯或半成品上多余金属的过程切削运动——刀具与工件（毛坯或半成品）的相对运动切削运动4.4.1切（磨）削加工基本知识1.基本概念（切削、切削运动、机床与刀具）加工过程中的工件表面4.4.1切（磨）削加工基本知识1.基本概念（切削、切削运动、机床与刀具）切削要素——切削用量三要素、切削层尺寸平面参数切削速度进给量背吃刀量切削用量三要素4.4.1切（磨）削加工基本知识1.基本概念（切削、切削运动、机床与刀具）切削层尺寸平面参数切削层公称宽度bDbD=ap/sinKr切削层公称厚度hDhD=f·sinKr切削层公称截面面积ADAD=hD·bDAD4.4.1切（磨）削加工基本知识1.基本概念（切削、切削运动、机床与刀具）机床——实现切削运动的设备刀具——从工件（毛坯或半成品）表面切除多余金属的工具夹具——实现工件（毛坯或半成品）定位、夹紧的设备机械加工工艺系统——机床、刀具、夹具、工件4.4.1切（磨）削加工基本知识2.金属切除率指单位切削时间内切除的金属材料的体积4.4.1切（磨）削加工基本知识3.切削力——指切削过程中刀具与工件之间的作用力的合力。切削力的来源——变形抗力、摩擦力切削力的分解进给力Ff是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 或校核进给系统零件强度和刚度的主要依据是影响工件轴线变弯、切削过程稳定，进而影响加工质量的重要因素背向力Fp主切削力Fc是计算机床功率和主传动系统零件强度和刚度的主要依据切削力的计算理论公式经验公式——仅用于定性分析——用于切削力的估算指数公式按单位切削力计算切削功率计算主切削力一般占到总切削力的95%影响切削力的因素（1）工件材料材料成分、组织和物理力学性能是影响切削力的主要因素。强度、硬度↑→切削抗力增大塑性、韧性↑→切削变形增大（2）切削用量影响最大的是ap，其次是f，切削速度c最小.ap与Fc同比增大；f增大1倍，Fc只增加70~80%；c的影响比较复杂，主要与积屑瘤有关，有积屑瘤时Fc明显减小。关于切削速度切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。关于切削速度切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在20～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc对切削力Fc无明显的影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。影响切削力的因素（3）刀具几何角度0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，切削力减小；0增大、摩擦减小，切削力减小；刃倾角λs↓→Ff↓,Fp↑,Fc基本不变影响切削力的因素Kr增大Fp减小；Kr↑→Fp↓,Ff↑kr1Kr’kr2FpFf影响切削力的因素刀尖圆弧半径rεrε↑→切削刃圆弧部分的长度↑→切削变形↑→切削力↑。此外rε增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff减小。（4）其它因素使用切削液时润滑条件好，切削力减小。刀具磨损的程度。刀具磨损后切削力剧增。刀具材料——主要指刀具材料与工件材料的亲和力的影响4.切削热与切削温度（1）切削热来源（2）切削热的传散刀具工件切屑周围介质（空气、切削液等）切削层弹、塑性变形—变形热；刀具前、后刀面的摩擦—摩擦热影响加工质量和刀具寿命对加工没影响(3)切削温度的概念切削温度是指切削区的平均温度取决于切削热的产生与传热等综合因素的影响。切削温度对刀具的影响高速钢刀具材料的耐热性为600℃左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温800～1000℃时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。切削温度对工件的影响工件受热膨胀，切削后冷却至室温时，尺寸会变化精密和超精加工时，切削温度的影响特别大。控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。(4)影响切削温度的因素三个影响指数zθ＞yθ＞xθ，说明切削速度vc对切削温度的影响最大（c大，单位时间金属切除量大，热量产生大），其次是进给量f，背吃刀量ap影响最小。①切削用量切削温度与切削用量的关系式为工件材料强度、硬度、塑性等↑→切削热↑→切削温度↑材料的导热系数↑→切削温度↓(4)影响切削温度的因素④其它条件切削液刀具磨损③刀具几何参数影响较大的是γ0、Krγ0↑→塑性变形和摩擦↓→切削热↓→切削温度↓；但γ0不能太大，否则刀具切削部分的楔角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。Kr↑→切削刃工作接触长度↓，切削宽度bD↓，散热条件变差，故切削温度↑利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。5.刀具磨损和刀具寿命（1）刀具磨损过程刀具表面粗糙度大、单位面积压力高时，磨损快磨损后切削温度升高，磨损量急剧增加5.刀具磨损和刀具寿命（2）刀具磨损形式切削脆性材料，切削塑性材料且hD<0.1mm。后刀面平均磨损宽度VB切削塑性材料且hD>0.5mm。月牙洼最大深度KT切削塑性材料且hD=0.1~0.5mm后面磨损前面磨损（月牙磨损）前后面同时磨损后刀面磨损对加工质量影响最大，测量方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。刀具的磨损形态边界磨损——切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损；加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。（3）刀具磨损的原因1.磨料磨损2.粘结磨损3.扩散磨损切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，在刀具表面刻划出沟纹，发生磨料磨损。切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损。多发生于硬质合金刀具（3）刀具磨损的原因5.相变磨损4.化学磨损在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成的磨损。当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时，刀具材料中的金相组织将发生变化，硬度显著下降，引起的刀具磨损。——多发生于高速钢刀具磨料磨损、粘结磨损属机械摩擦磨损扩散磨损、化学磨损、相变磨损属热效应磨损（4）刀具寿命磨钝标准：通常指刀具后刀面允许的最大磨损量。刀具寿命T：刀具开始切削，到磨损量达到刀具磨钝标准所经历的总切削时间。一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率寿命。刀具寿命的确定方法最大生产率寿命TP最低成本寿命TC最大利润率（单位时间生产利润最大化）使用寿命TPr（4）刀具寿命☆复杂的、高精度的、多刃的刀具寿命应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。☆对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具寿命可选得低些。☆对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具寿命应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。☆精加工刀具切削负荷小，刀具寿命应比粗加工刀具选得高些。☆大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具寿命应选得高些。（5）影响刀具寿命的因素切削用量：削量中的切削速度c影响最大，其次是f，ap影响最小。工件材料：强度、硬度、塑性、导热性等刀具材料：刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命和提高切削速度的重要途径之一。影响较大的是刀具材料的热硬性和耐磨性。刀具角度：影响较大的是γ0、Kr及α0其它因素：使用切削液、改善切削条件※切削变形(1)切屑的形成切削过程实际上就是切屑形成的过程。工件材料、刀具几何角度、切削用量等推挤作用→切割作用→切屑※切削变形(2)切屑的种类节状切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑。较低vc、较大ap及f、加工中等硬度塑性金属崩碎切屑：不规则屑片。较低vc、较大ap及f加工脆性金属带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑。大γ0、高vc、小ap及f、加工塑性金属粒状切屑：菱形单元分离体。较低vc、较大ap及f加工硬度较高塑性较差金属※切削变形塑性变形剪切分离弹性变形剪切区、塑性变形区摩擦区挤压区（3）第I变形区（剪切区、塑性变形区）从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成为止。变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。切屑收缩现象——变形系数减少变形的措施：增大前角、提高切削速度、通过热处理降低工件的塑性等。（4）第二变形区（摩擦区）切屑沿刀具前面排出切屑底层金属流速减缓，形成滞留层粘附在刀具前面接近切削刃的地方强烈的挤压和摩擦滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力积屑瘤在中低速切削塑性金属材料时,粘结在刀具前面刃口处，由工件材料经过剧烈的塑性变形、具有很高硬度的楔块。（4）第二变形区（摩擦区）对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削刀减小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。形成条件：中低速切削塑性金属本质——冷焊现象挤压与摩擦产生高温高压，同时摩擦带走杂质，刀具表面与切屑表面新鲜金属粒子间的亲合力和摩擦力之和大于切屑材料内部粒子间的亲合力，就会从切屑上撕下一小块金属粘接在前刀面上，形成积屑瘤。特性：无→有→小→大→脱落周而复始（4）第二变形区（摩擦区）采用低速或高速切削，避开积屑瘤产生的速度区域。以切削45钢为例，在低速vc＜3m/min和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，一般不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、增大刀具前角；适当提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨质量；合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。抑制或消除积屑瘤的措施（5）第三变形区（挤压区）造成的影响：已加工表面发生硬化（形变强化）表面层产生残余应力。由于刀具刃口不可能绝对锋利,钝圆半径的存在使部分材料被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形。关于形变强化（加工硬化）影响后续加工影响刀具寿命影响加工表面质量——疲劳、裂纹残余应力将影响零件的尺寸稳定已加工表面在刀具的挤压和摩擦作用下发生剧烈的塑性变形，导致晶格扭曲、晶粒破碎、硬度提高的一种现象。形变强化的影响消除形变强化的措施通过热处理降低材料塑性；减小摩擦与变形；增大前角、后角以及切削速度；限制后刀面磨损高度采用切削液；加工后通过热处理消除形变强化。6.切削加工分类及典型表面加工方案（1）切削加工分类（机械制造工艺方法分类与代码）表4.4-2切削加工工艺方法类别划分及代码（摘自JB/T5992-1992）大类中类小类代码代码名称代码名称0123456789小类名称3切削加工31刀具切削车削铣削刨削插削钻削镗削拉削刮剃削其他32磨削砂轮磨削砂带磨削珩磨研磨超精加工其他34钳加工划线手工锯削錾削锉削手工刮削手工打磨手工研磨平衡其他6.切削加工分类及典型表面加工方案（2）典型表面加工方案表外圆表面的加工方案6.切削加工分类及典型表面加工方案（2）典型表面加工方案表内圆（孔）表面的加工方案6.切削加工分类及典型表面加工方案（2）典型表面加工方案表平面的加工方案7.经济加工精度经济加工精度的含义在正常的加工条件（采用符合质量标准的设备、工装和标准技术等级工人、不延长加工时间）下，该加工方法所能保证的加工精度关于经济加工精度正确理解含义应理解为一个范围，而不是某个确定值与时俱进——随着工艺技术水平的提高而随之提高具体问题具体分析与企业的技术现状与水平相符合