机械制造基础-金属切削加工(本)

第五篇-切削加工内容23451切削加工的基础知识刀具材料刀具角度金属切削过程常用加工方法综述5-1切削加工的基础知识金属切削加工——利用切削刀具与工件作相对运动，从金属毛坯上切除多余材料，从而获得表面粗糙度及精度合格的机器零件的过程。因为是在冷态下进行的，因此称之为冷加工。热加工毛坯装配机器冷加工粗糙度、精度合格的零件尺寸精度尺寸精度是指尺寸的准确程度，由尺寸公差控制。公差—是尺寸的允许变动量，公差越小精度越高。公差示意图中，上下偏差之间所限定的区域称为公差带。 公差＝｜最大极限尺寸－最小极限尺寸｜ ＝｜上偏差－下偏差｜零线和基本偏差—零线通常表示基本尺寸，基本偏差则是用以确定公差带相对于零线位置较近的那个上偏差或下偏差。孔的基本偏差用大写英文字母表示，轴用小写字母表示公差等级—同一基本尺寸，若公差等级相同则公差值相等，公差带等宽形状精度形状精度是指零件上被测要素（线或面）相对于理想形状的准确程度，由形状公差来控制。直线度平面度圆度圆柱度线轮廓度面轮廓度形状公差的标注在图纸上用两个框格标注，前一框格标注形状公差符号，后一框格填写形状公差值位置精度位置精度是指零件上被测要素（线或面）相对于基准之间的位置准确程度，由位置公差来确定。平行度垂直度同轴度位置度圆跳动全跳动倾斜度对称度位置公差的标注在图纸上用三个框格标注，前一框格标注位置公差符号，后一框格填写位置公差值，第三框格标注基准代号表面粗糙度在切削加工过程中，刀具会振动、与工件摩擦，在工件已加工表面上留下微小的波峰与波谷，这些微小波峰、波谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙度。表面粗糙度以工件表面轮廓的平均算术偏差Ra来表征，单位是微米。几种主要切削表面及切削方式

外圆面：车、磨削；内圆面（孔）：钻、镗、车、磨、拉削；平面：刨、铣、车、磨、拉削；成形面：车、铣、磨、拉削。粗车外圆车锥体车孔铣端面铣齿铣键槽磨削外圆平面磨削镗孔钻孔5-1-2切削运动切削运动——工件和刀具之间的相对运动(直线和回转运动两个基本运动单元)；切削运动由主运动和进给运动构成。主运动——直接切下切屑的运动（转速最高、消耗功率最大、唯一一个）；车削中的工件旋转磨削中的砂轮旋转铣削中的刀具旋转进给运动——使金属层不断投入切削的运动（一个或多个）；车削、铣削中的工件移动外圆磨时工件的旋转和轴向移动切削运动在工件上形成三类加工表面待加工表面即将被切去金属层的表面加工表面（过渡表面）切削刃正在切削加工的表面已加工表面已经切除部分金属而形成的新表面

切削表面nf已加工表面加工表面待加工表面5-1-3切削用量三要素切削要素又称切削用量三要素，包括切削速度Vc、进给量f（或进给速度Vf）和切削深度（背吃刀量）ap

。主运动为圆周运动，其切削速度：主运动为往复直线运动，其切削速度：在单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。（主运动线速度）fn进给量刀具在进给方向上相对工件的位移量——对外圆车削进给量是指工件旋转一周，刀具沿工件进给移动的距离，通常用字母f表示（mm/r）dmdwfn12ff↑→加工速度？多齿刀具加工时，进给运动的瞬时速度称进给速度(mm/s)加工齿轮，每齿进给量af(mm/z)刀具每转或每行程中每齿相对工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量，用fz表示（mm/z）切削深度(背吃刀量)一次切削过程中，待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。车外圆：dmdwfn12fap5-1-4切削层剖面要素切削层——工件上正被刀具切削的那层金属。

其大小和形状决定了刀具切削部分所受载荷大小及切屑形状。切屑层剖面的尺寸称为切削层的几何参数，包括：切削层厚度ac：是相邻两个加工表面之间在基面上测量的垂直距离ac=f∙sinKr(带状屑厚度)切削层宽度aw：沿主切削刃方向度量的切削层尺寸：参加切削主刀刃长度aw=ap/sinKr(带状屑宽度)切削层面积Ac：切削层垂直于切削速度截面内的面积：刀具所受负荷大小Ac=ac∙aw=f∙ap(带状屑折断后的截面积)dmdwfn12fapKracfapKraw5-2刀具材料及刀具构造刀具在高温下进行切削工作，还要承受大的压力、摩擦、冲击和震动等。对刀具材料的基本要求：高硬度：必须高于工件的的硬度，常温硬度一般要求≥HRC60；有足够的强度和韧性：可以承受切削力，冲击力和振动；耐磨性好：以抵抗的磨损，维持一定的切削时间；红硬性好（热稳定性、耐热性）：即在高温下切削能保持较高的硬度的性能；有良好的工艺性及经济性：以便于制造各种刀具。包括锻、轧、焊、切削加工和热处理性能等；目前还没有一种刀具材料能够全部满足上述要求。5-2刀具材料及刀具构造一、

常用刀具材料及其选择碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷刀具金刚石刀具立方氮化硼常用新型材料碳素工具钢碳素工具钢（T10、T12等）——含碳量较高（0.7-1.3）的优质钢，杂质少（S、P），淬火后较硬but热硬性差；一般只用于不重要的手工工具的制造，如锉刀，凿子及锯条等。碳素结构钢：wc<0.38%(<0.25%常用,S/P高):Q215合金工具钢（低～）合金工具钢（9CrSi、8CrMoV等）——在碳素工具钢中加入适量的合金元素Cr、W、Mn等，使得其热硬性提高（250-300），常用来制造较重要、复杂、切削速度不高的刀具，如铰刀、拉刀等。低合金钢：合金总含量<3%、含碳量也较低的合金结构钢。>同含碳量的碳素钢高速钢（高合金工具钢）高速钢——是一种加入较多碳化物钨、钼、铬、钒等的高合金工具钢；特点：

红硬性，硬度（HRC62-65）；

且强度↑（3500MPa）、韧性（αk=0.3J/m2）好→工艺性好（可锻性、可焊性，可切削加工性、热处理不易变形）；耐热温度：550-600℃，不能用于高速切削应用：主要用于制造形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀等。常见的高速钢钨钢W18Cr4V优点：淬火时过热倾向小，含钒少，耐磨加工性好，塑性变形抗力大；缺点：碳含量高，分布不均匀，影响耐用度，强度韧性不够，热塑性差。钨钼钢W6Mo5Cr4V2优点：碳化物分布细小，均匀，抗弯强度和韧性高，可作尺寸大，承受冲击力较大的刀具；热塑性好，磨削加工性好；能用作热成形方法制造的刀具，适宜制造热轧钻头。超高速钢、物理气相沉积(TiN)、粉末冶金法(偏析)硬质合金硬质合金——由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC等）微米级粉末和粘结剂钴（Co、Mo等）经压制、烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金被广泛用作刀具材料；优点：硬度高HRC73、耐磨性好、热硬性好（耐热温度800-1000℃），切削速度高（与高速钢相比）、稳定性好；缺点：抗弯强度较低（高速钢的1/2-1/4），αk比高速钢低几十倍，冲击韧性差；加工工艺性差，常制成刀片，焊接在刀体上。硬质合金分类以WC为主要成分的硬质合金可以大致分为以下三类YG（K）类—WC-Co类(钨钴)硬质合金，Co多，强度、韧性好，硬度、耐磨性较差，适用于加工时容易产生崩碎切屑、有冲击切削力的脆性材料YT（P）类—WC-TiC-Co类(钨钴钛)硬质合金，TiC多，硬度、耐磨性、抗氧化性、低温脆性较高，but抗弯强度、磨加工性、导热性、韧性较低，适于加工塑性材料YW（M）类—WC-TiC-TaC类(钨钛钽)硬质合金，抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧化性、耐磨性均较高。加工不锈钢、耐热合金等难加工材料陶瓷刀具陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐热性、化学稳定性和脆性都较高，抗弯强度和冲击韧性则较低；陶瓷刀具中一般较常用的有：纯Al2O3陶瓷Al2O3-TiC混合陶瓷金刚石刀具金刚石刀具切削刃锋利，硬度、耐磨性、耐用度都很高，加工时不产生积屑瘤，适于精密加工，是一种很好的刀具材料；金刚石刀具的主要缺点就是热稳定性差，强度较低、脆性较高，并且由于化学成分的影响，不适合加工黑色金属；因此，金刚石刀具主要用于磨具和磨料，可以进行有色金属和非金属的高速车削及镗孔加工。立方氮化硼立方氮化硼刀具的硬度、耐磨性、热稳定性、化学稳定性、导热性都比较高；主要的两大类氮化硼刀具是：整体聚晶立方氮化硼立方氮化硼复合片nf切削部分夹持部分二、刀具的组成刀具的组成：切削部分夹持部分刀具构造1.刀具切削部分的组成三个刀面两个刀刃一个尖三、刀具的几何形状nf前刀面主切削刃副切削刃刀尖主后面副后面1.刀具切削部分的组成三个刀面：三、刀具的几何形状：刀具上切屑流过的表面：与过渡表面相对的表面，同前刀面相交形成主切削刃：与已加工表面相对，同前刀面相交形成副切削刃两个刀刃：：切出过渡表面的切削刃，它负担者主要的切削工作；：前刀面与副后面相交形成的切削刃，它担负者少量的切削作用；(1)前刀面(2)主后刀面

(3)副后刀面(1)主切削刃(2)副切削刃：主切削刃与副切削刃的连接处一个尖：刀尖车刀结构（1）焊接式车刀（2）机夹重磨式车刀（3）机夹可转位车刀可转位车刀特点：避免焊接缺陷减少调刀时间刀具材料性能好标准化程度高车刀结构①

基面pr：通过主切削刃选定点，与该点切削速度垂直的平面②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③正交平面po：通过主切削刃选定点，同时垂直于基面和主切削平面④假定工作平面pf：通过主切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向假定工作平面正交平面2.车刀切削部分的主要角度(1).坐标平面参考系2.车刀切削部分的主要角度(2).标注角度①在正交平面po标注的角度Ⅰ.前角γo:前刀面与基面间夹角（0⁰~20⁰）。Ⅱ.后角αo:主后刀面与主切削平面间夹（6⁰~12⁰）2.车刀切削部分的主要角度前角的作用作用：使刀具锋利，切削轻快；同时，也关系到刀尖的强度。锋利↑→切削力↓→切削热↓→切削温度↓→刀具磨损↓（优点）；散热面积↓→切削温度↑→刀具磨损↑（缺点）；刀头受力截面积↓→刀头强度↓（缺点）。γ0 ↑前角的具体选择取决于工件材料的性能工件材料强度低、硬度低，γo选大些；刀具材料韧性好(高速钢)-耐冲击，γo选大些，反之选小些(硬质合金)加工状态：精加工时，γo选大些，粗加工γo选小些0选择原则：应综合考虑，“锋”字当先，“锋”中求固(-5～35゜)作用：减少主后刀面与加工表面之间的摩擦，配合前角调整切削刃的锋利程度。摩擦↓→刀具锋利↑→切削热↓→切削温度↓→刀具磨损↓(优点)散热面积↓→切削温度↑→刀具磨损↑（缺点）；刀头受力截面积↓→刀头强度↓→易崩刀（缺点）。选择原则：α0一般取6～12゜之间；2.车刀切削部分的主要角度后角的作用粗加工→强度,小后角(α0=6-8˚)；精加工→摩擦↓表面粗糙度，大后角(α0=8-12˚)α0↑2.车刀几何角度标注(2).标注角度②在基面pr内标注的角度

Ⅰ.主偏角kr:主切削平面与假定工作平面间夹角，即主切削刃在基面上的投影与进给方向间夹角（40⁰~90⁰）。

Ⅱ.副偏角kr′:副切削平面与假定工作平面间夹角，即副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间夹角。2.车刀切削部分的主要角度(2).标注角度kr对刀具耐磨度和切削力的分配有直接影响当走刀量f和吃刀量ap不变时，Kr↓→切削厚度ac↓

，切削宽度aw↑，切削面积不变，主切削刃单位长度上负荷↓，散热↑，↑刀具耐用度。2.车刀切削部分的主要角度(2).标注角度主偏角kr↓→径向力大，工件刚度差会引起工件变形车外圆，kr值有45˚、60˚、75˚、90˚四种；加工台阶轴，必须取kr=90˚，刚性差取大值。BUT2.车刀切削部分的主要角度(2).标注角度副偏角kr′的主要作用是↓副切削刃与已加工表面的摩擦，↓表面粗糙度；同时，kr′↓→残留面积↓kr′值为：5˚-15˚2.车刀切削部分的主要角度(2).标注角度③在主切削平面ps标注的角度刃倾角λs:主切削刃与基面间夹角（-5⁰~+5⁰）。粗加工取负值；精加工取正值或零值。λs=0→切屑向着与主切削刃垂直的方向流出λs为正值→切屑向着代加工表面流出，切削刃强度较差λs为负值→切屑向着已加工表面流出，主切削刃强度较好。2.车刀切削部分的主要角度(3).工作角度刀具装夹位置的影响

一、切削过程及切屑种类

1.金属切削过程弹性变形：晶粒无变化塑性变形：晶粒内部滑移挤裂：滑移面产生裂痕切离5-3金属切削过程三个变形区（1）第一变形区：刀刃前方的变形区。其变形量最大，切削过程切削力、热量主要来自这个区域，机床提供的能量也主要消耗在这个区（2）第二变形区：是切屑与前刀面间的摩擦变形区，此区域的状况与积屑瘤形成，和刀具前刀面的磨损有直接关系（3）第三变形区：是工件已加工表面与工具后刀面的摩擦变形区，该区的状况对工件表面的变形强化和残余应力以及后刀面磨损有很大影响

一、切削过程及切屑种类ⅡⅠⅢ切削收缩：经塑性变形切削下来的切屑变得更厚（厚度hch>公称厚度hD）、更短的现象；称为切屑收缩；其程度用变形系数（或收缩系数）表示，即:

Λ=hch/hD一般情况下，Λ>１

Λ愈大，切削力越大，切削温度愈高，表面愈粗糙。因此，可以增大前角γ0

，降低材料的塑性来使变形减小。切屑的种类带状切屑加工塑性材料，切削速度↑，f↓，刀具前角↑→带状切屑特点：F稳定→已加工表面光洁整齐；但应有段屑措施，防止缠绕节状切屑（挤裂切屑）中等硬度塑性材料，切削速度↓，f↑→形成节状切屑特点：连续但不光滑，有挤裂痕迹，金属变形较大，切削力有波动及表面粗糙；崩碎切屑（粒状切屑）切削脆性材料时，不发生明显的塑性变形就突然断裂，容易形成崩碎切屑特点：不连续，不规则碎块。切削热/力集中刀尖→刀尖易磨损，易引起振动使已加工表面粗糙金属切削过程实质：金属受刀具挤压，经过弹性变形、塑性变形后沿一定面被挤裂的过程。切削颜色与变形程度有关：银白色——切削变形小，切削温度低(300-400℃)淡蓝色——切削变形较大，切削温度较高(500℃)黑紫色——切削变形很大，切削温度高(800℃以上)切屑一面光亮，一面粗糙原因：切削过程中，切屑靠近前刀面一面受前刀面推挤而拉伸，另一面受挤压而缩短。切削现象积屑瘤的形成及影响因素积屑瘤条件：在切速不高而又能形成连续切屑的情况下，加工塑性材料，脆性材料无现象：常在前刀面切削刃处粘着一块呈三角状的硬块(加工硬化)产生原因：切屑底层与前刀面剧烈摩擦形成滞流层。当摩擦力>切屑分子之间的结合力时，一部分金属停留在刀刃附近形成→积屑瘤不断长大→破裂→带走积屑瘤对切削加工的影响优点：实际前角增大，使切削力减小，

切削轻快，对切削过程起积极作用；积屑瘤加工硬化，保护刀尖，影响

刀具耐用度，稳定积屑瘤可减少刀具磨损，提高刀具耐用度；缺点：使切削深度增加Δac，积屑瘤的产生、成长、脱落是周期动态过程，因此Δac是变量，会引起工艺系统的振动；增大加工表面粗糙度，积屑瘤不稳定，容易粘附切屑底层而剥落，一部分则留在加工表面上，影响表面粗糙度。结论：粗加工应保留，精加工尽量避免。积屑瘤的控制影响积屑瘤的因素：金属材料的塑性材料的塑性越大，越容易形成积屑瘤(避免—低碳钢正火、调质，提高强度、硬度，降低塑性)切削速度中速易(5-50mm/min)，低、高速难；冷却润滑条件及其它前角大，F小，使用切削液则不易产生积屑瘤。精车/高速切削：T↑，切屑熔融拉削、精刨，低速切削：摩擦小切削力的来源切削力来源：克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力；克服切屑对刀具前刀面的摩擦力；克服刀具后刀面对加工表面与已加工表面之间的摩擦力。F=F变形抗力+F摩擦抗力

弹、塑前后刀面刨刀oMF弹、塑F摩1F摩2F①主切削力（切向分力）FcFc是F在切削速度方向上的分力。主切削力占总切削力的80%~90%，消耗的功率占总功率的95%以上。是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据。②进给抗力（轴向分力）FfFf是F在进给方向上的分力。消耗的功率仅占总功率的1~5%。是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据。切削力的分解与合成③

切深抗力（径向分力）Fp是F在切削深度方向上的分力。使工件弯曲变形，影响精度——细长轴FFcFfFpFD切削力的估算：影响主切削力的因素：工件材料：E/HB↑→F↑←塑性、韧性↑切削用量：对F影响大小顺序为：ap、f、v刀具角度：r0↓→不锋利、E↑→F↑切削液→F↓切削热及切削温度切削热的主要来源(三个变形区所做的功转换成热)：切屑塑性变形所产生的热量(切屑大部分，工件小部分)切屑与刀具前刀面摩擦产生的热量（切屑大部分，刀具小部分）；工件与刀具后刀面摩擦产生的热量(切屑一半，工件一半)散热：切削钢件：切屑传热：