第一章 金属切削加工基础知识(与司乃钧主编《机械加工基础》配套)

1、 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。 切削加工的基本形式有车削、铣削、刨削、磨削、 钻削、钳工等。 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，不能满足零件要求， 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。 1.1 基本概念 1.1.1 成形运动与切削要素 成形运动（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。成形运动（切削运动）包括主 运动和进给运动。 主运动是切除工件多余金属所需要的最基本的运动

2、，主 运动速度高、消耗功率大。 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。 切削过程中，主运动、进给运动合理的组合，便可以加 工各种不同的工件表面。 车削动画 切削过程中，工件上形成三个表面，如图1-2所示（以 车削加工为例） 1）待加工表面将被切除的表面； 2）过渡表面正在切削的表面； 3）已加工表面切除多余金属后形成的表面。 图1-2 车削加工工件上的表面 1000 dn c 切削要素：包括切削用量和切削层参数。 1. 切削用量三要素 1）切削速度 ：切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬 时速度。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下： c 式中 工件待加工表面或刀具某一

3、点的回转直径（mm）； 工件或刀具的转速（r/s或r/min）。 d n 2 p dD a 2）进给量 ： 在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时 间内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。通常 用 表示，单位为mm/r或mm行程。 f f 3）背吃刀量 ：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于 工作平面方向上测量的切削深度，单位为mm，也就是工件 待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯上也将背 吃刀量称为切削深度。 外圆车削时: p a 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.切削层参数 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

4、相邻的两过渡表面之间 所夹着的一层金属，如图1-3所 示。 1）切削层厚度 ：是相邻两过 渡表面之间的垂直距离。 2）切削宽度 ：是沿主切削刃 测量的切削层尺寸。 3）切削面积 ：切削层公称横 截面积。 D h D b D A 图1-3切外圆时的切削层要素 1.1.2 切削刀具 刀具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，以及柔 性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加 工。实际证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产 效率。 1.刀具切削部分结构要素 刀具通常由工作部分和夹持部分组成。刀具切削部分总 是近似地以外圆车刀的切削部分为基

5、本形态，其他各类刀具 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1-4所示。 1）前刀面 2）主后刀面 3）副后刀面 4）主切削刃S 5）副切削刃S 6）刀尖 A A A 图1-4车刀切削部分结构要素 f 铣刀 2.刀具几何角度参考系 如图1.4所示为标注角度参考系的各组成平面。 1）基面 2）主切削平面 3） 正交平面 r p s p o p o o r 图1-6车刀的标注角度 前角 后角 楔角 o 3.刀具的标注角度（图1-6） 1）正交平面内标注角度 2）基面内标注角度 主偏角 副偏角 刀尖角 3）切削平面内标注角度 刃倾角 r r s 1.1.3 刀具材料及

6、合理选用 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。 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。 1）刀具材料应具备的性能。 刀具切削部分在切削时要承 受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动。因此，刀具材 料应具备以下性能： 高的硬度和耐磨性； 足够的强度和韧性； 高的耐热性； 良好的工艺性； 好的导热性和小的膨胀系数。 2）刀具材料简介。 刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、 高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前， 刀具材料中使用最广泛的仍是高速钢和硬质合金。 高速钢。高速

7、钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬 （Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。它具有较高 的硬度（6267HRC）和耐热性（5506000C），较高的 强度和韧性，抗冲击、振动的能力较强。适用于制造各种 形状复杂的刀具（如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮 刀具等）。常用的通用型高速钢牌号为W6Mo5Cr4V2和 W18Cr4V。 硬质合金。 硬质合金可分为K、P、M三个主要类别，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。 涂层刀具材料。 它是在硬质合金或高速钢基体上，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

8、成。 金刚石。 它是目前已知的最硬材料，硬度接近于 10000HV（硬质合金为1300 1800HV）。能对陶瓷、硬质合 金等高硬度耐磨材料进行切削加工，使用寿命极高。但金 刚石的热稳定性较差，因此不宜加工钢铁材料。 1.2 切削过程 1.2.1 切屑的形成过程及切屑种类 金属切削过程也是切屑的形成过程，其实质是一种挤 压过程。在挤压过程中，被切削的金属主要经过剪切滑移 变形而形成切屑。 图图1-7 切屑的形成过程切屑的形成过程 OA与OE之间是切削层的塑 性变形区，变形量最大，称为第 I变形区。切屑沿前刀面流出时 会进一步受到挤压和摩擦而又一 次发生塑性变形，称此变形区为 第II变形区。此外

9、已加工表面会 受到后刀面的强烈挤压和摩擦而 发生塑性变形，称该区域为第 III变形区。 1.切屑类型 由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程 度也不同，因而产生的切屑也多种多样。归纳起来，主 要有以下四种类型，如图1-8所示。 图图1-8切屑形态切屑形态 a）带状切屑 ：切屑延续成较长的带状，内表面光滑，而外 表面呈毛茸状。 b)节状切屑：切屑内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。 c)粒状切屑：切屑切离成单元切屑。 d)崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。 1.2.2 积屑瘤 在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时， 往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。 积屑

10、瘤的产生：切削过程中，刀屑间的摩擦，使刀 具前刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属 与前刀面接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图1-9所示。 随后，积屑瘤逐渐长大，直到该 处的温度和压力不足以产生粘结 为止。积屑瘤在形成过程中是一 层层增高的，到一定高度会脱落， 经历了一个生成、长大、脱落的 周期性过程。 图1-9 积屑瘤的形成 积屑瘤的作用和影响： 1）保护刀具。 积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分 前刀面，能代替切削刃和前刀面进行切削，从而减少了刀 具磨损，起到保护刀具的作用。 2）增大前角。 积屑瘤具有30左右的前角，降低了切削 力。 3）切削厚度不断变化。 积屑瘤前端伸出于切

11、削刃之外， 使切削厚度是不断变化的，因而影响了工件的尺寸精度。 4）增大已加工表面粗糙度值。 积屑瘤高度的周期性变化， 使切削厚度不断变化，以及由此而引起振动，积屑瘤粘附 在切削刃上很不规则，导致在已加工表面上刻划出深浅和 宽窄不同的沟纹，脱落的积屑瘤碎片有时留在已加工表面 上。 影响积屑瘤形成的因素 影响积屑瘤形成的因素主要是工件材料的性能和切削速 度。塑性大的材料易产生积屑瘤。切削速度在5-60m/min范 围内时容易产生积屑瘤。 在精加工过程中应避免产生积屑瘤。 1.2.3 切削力和切削功率 在切屑形成过程中，切屑与刀具的前刀面之间及切削表 面与刀具的后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削

12、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。这 些作用在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上 的 总切削力，也称切削合 力。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。图1-11 所示体现了切削力的来源。 图1-11 切削力的来源 1.切削力的分解（图1-12） 1）主切削力（切向力）Fc 。 主运动方向上的切削分力， 切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，它是计算 刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的主要依据。 2）进给力（轴向力）Ff： 作用在进给方向上的切削分力， 处于基面内

13、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1-12 切削力的分解 3）背向力（径向力或吃刀力） Fp 。 作用在吃刀方向上的切削 分力，处于基面内并与工件轴线 垂直的力。它是设计机床主轴、 选用轴承和校验机床刚度的主要 依据之一。 2.切削功率 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。 3 wf ccm 10 1000 fnF FP 式中 Fc主切削力（N）； Ff进给力（N）； f 进给量（mm/r）； 切削速度（m/s）； nw工件转速（r

14、/s）。 c 3.影响切削力的主要因素 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，或加工硬化 严重的，切削力大。 2）切削用量。 当 和 增大时，分别会使 、 增大，即 切削面积 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。 增大，切削力减小。主偏角 适当增 大，使切削厚度 增加，单位切削面积上的切削力 减小。 在切削力不变的情况下，当主偏角 增大，背向力 减少； 当主偏角 时，背向力 ，对防止加工细长轴类零 件弯曲变形、减少振动十分有利。 p af D b D h D A 0 r 90 F D h r o r

15、0 p F p F 1.2.4 切削热和切削温度 切削过程中的切削热和由它引起的切削温度升高，直 接影响刀具的磨损和寿命，并影响工件的加工精度和已加 工表面质量。 1.切削热的产生和传出 在切削加工中，切削变形与 摩擦所消耗的能量几乎全部转换 为热能。所以三个变形区就是三 个发热源，如图1-13所示。 产生的热由切屑、刀具、工 件和周围介质传导出去。影响热 传导的主要因素是工件和刀具材 料的热导率、加工方式和周围介 质的状况。 图1-13 切削热的产生和传出 2. 影响切削温度的主要因素 1）切削用量。 当 、f、ap增大时，单位时间金属切除量 增多，变形和摩擦加剧，切削中消耗的功率增大，产生

16、的 热量多。 2）刀具几何参数。 前角增大，切削热减小，使切削温度 降低；主偏角减小，使切削厚度减小，切削宽度增大，刀 刃散热条件得到改善，故切削温度下降。 3）工件材料。 当工件材料的强度、硬度、塑性增加时， 切削中消耗的功率增多，产生的热量多，使切削温度升高。 热导率大时则热量传出多，使切削温度降低。 在切削中使用切削液，可明显降低切削温度。 1.2.5 刀具磨损和刀具寿命 磨损是在切削过程中，由于在工件刀具切屑的接 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。 1.刀具磨损的形成 切削时刀具的前、后

17、刀面 在高温、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， 如图1-14所示。 图1-14 刀具的磨损形式 2.刀具寿命 刀具寿命是指刀具新刃磨之后，从开始使用起到刀具 磨损至规定的磨损限度为止的实际切削时间。 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。 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。

18、 刀具磨损过程可分为三个阶段：初期磨损阶段、正常 磨损阶段、急剧磨损阶段。 直线度公差带 平面度公差带 圆度公差带 圆柱度公差带 以平面为基准的平行度公差带 以轴线为基准的垂直度公差带 同轴度公差带 径向圆跳动公差带 端面圆跳动公差带 一、表面粗糙度的基本概念 表示零件表面具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形 状特性，称为表面粗糙度。 二、评定表面粗糙度的参数 轮廓算术平均偏差Ra：在取样长度lr内，轮廓偏距绝 对值的算术平均值。 轮廓最大高度Ry：在取样长度lr内，最大轮廓峰顶线 与最大轮廓谷底线之间的距离 轮廓微观不平度十点高度Rz：在取样长度lr内，5个最 大轮廓峰高的平均值与5个最大谷

19、深的平均值之和 1.3.2 表面粗糙度表面粗糙度 符符 号号 意意 义义 及及 说说 明明 基本符号，表示表面可用任何方法获得。当不加注粗糙度基本符号，表示表面可用任何方法获得。当不加注粗糙度 参数值或有关说明时，仅适用于简化代号标注。参数值或有关说明时，仅适用于简化代号标注。 基本符号加一短划，表示表面是用去除材料的方法获得。基本符号加一短划，表示表面是用去除材料的方法获得。 如车、铣、磨、剪切、抛光、腐蚀、电火花加工、气割等。如车、铣、磨、剪切、抛光、腐蚀、电火花加工、气割等。 基本符号加一小圆，表示表面是用不去除材料方法获得。基本符号加一小圆，表示表面是用不去除材料方法获得。 如铸、锻、

20、冲压变形、热轧、冷轧、粉未冶金等，或者是用如铸、锻、冲压变形、热轧、冷轧、粉未冶金等，或者是用 于保持原供应状况的表面（包括保持上道工序的状况）。于保持原供应状况的表面（包括保持上道工序的状况）。 在上述三个符号的长边上均可加一横线；用于标注有关参在上述三个符号的长边上均可加一横线；用于标注有关参 数和说明。数和说明。 在上述三个符号上均可加一小圆，表示所有表面具有相在上述三个符号上均可加一小圆，表示所有表面具有相 同的表面粗糙度要求。同的表面粗糙度要求。 1、表面粗糙度的符号 三、表面粗糙度的代号（符）号及其标注 2、表面粗糙度参数: 表面粗糙度参数的单位是m。 注写Ra时，只写数值; 注写

21、Rz（Ry）时，应同时注出Rz （Ry）和数值。 例如： 3.2 用任何方法获得的表面, Ra的上限值为3.2m。 只注一个值时，表示为上限值；注两个值时，表示为 上限值和下限值。 3.2 1.6 用去除材料的方法获得的表面, Ra的上限值为3.2m， 下限值为1.6m。 Rz3.2 用任何方法获得的表面, Rz的上限值为3.2m。 补充：公差与配合补充：公差与配合 一一有关“尺寸” 的术语及定义 1、尺寸：用特定单位表示长度的数字。 2、基本尺寸 基本尺寸是由设计者经过计算或按经验确定后，再按标准选 取的标注在设计图上的尺寸。 3、实际尺寸 实际尺寸是通过测量所得的尺寸。由于存在测量误差，故

22、实 际尺寸并非尺寸的真值。 4、极限尺寸 极限尺寸是允许尺寸变化的两个界限值。 其中：较大的一个称为最大极限尺寸 较小的一个称为最小极限尺寸 2、尺寸公差（公差） 尺寸公差是指尺寸允许的变动量。 公差 = 最大极限尺寸-最小极限尺寸 = 上偏差-下偏差 公差与配合 基本尺寸基本尺寸 例：一根轴的直径为 500.008 基本尺寸： 50 最大极限尺寸： 50.008 最小极限尺寸： 49.992 上偏差 = 50.008 - 50 =+ 0.008 下偏差 = 49.992 50 = -0.008 公差 = 50.008-49.992 = 0.016 或 = 0.008-(-0.008) =0.

23、016 3、零线 零线是在公差带图中，确定偏差的一条基准直线，也叫零偏差 线。 上偏差 下偏差 零线 基 本 尺 寸 下偏差 上偏差 5、标准公差 标准公差就是国家标准所确定的公差，用来确定公差带 大小。 6、基本偏差 基本偏差就是用来确定公差带相对于零线位置的上偏差或 下偏差，一般指靠近零线的那个偏差。它用来确定公差带位置。 基本偏差系列 50B7表示基本 尺寸为 50mm， 公差等级为7级， 基本偏差代号是B 的孔 1、配合 配合就是基本尺寸相同的、相互结合的孔与轴公差带之间的 相配关系。 基孔制：基孔制是基本偏差固定不变的孔公差带，与不同基 本偏差的轴公差带形成各种配合的一种制度。 基孔制的孔为基准孔，它的下偏差为零。基准孔