第1章金属切削加工的基础知识

1、1.1 切削加工的运动分析及切削要素切削加工的运动分析及切削要素 1.2 金属切削刀具金属切削刀具 1.3 切削过程中的物理现象切削过程中的物理现象 1.4 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 1.5 切削液切削液 南京理工大学 2 回转体表面回转体表面：是以直线为母线作旋转运动所形成的表面是以直线为母线作旋转运动所形成的表面；成型；成型 方法主要有：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。方法主要有：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。 如构成轴类、盘套类零件的内外圆、圆锥等。如构成轴类、盘套类零件的内外圆、圆锥等。 1.1.1 零件表面的形成零件表面的形成 平面平面：是以

2、直线为母线作直线运动形成的表面是以直线为母线作直线运动形成的表面；如机床导轨；如机床导轨 面、轴端面等，成型方法主要有：铣削、刨削、平面磨削等。面、轴端面等，成型方法主要有：铣削、刨削、平面磨削等。 曲面曲面：是以曲面为母线作旋转或平移所形成的表面是以曲面为母线作旋转或平移所形成的表面；如螺；如螺 旋桨、汽车外型面等，成型主要方法有：铣削、成形磨削、数旋桨、汽车外型面等，成型主要方法有：铣削、成形磨削、数 控铣削、电火花加工、激光加工等控铣削、电火花加工、激光加工等 主运动主运动：切除切屑所需的基本运动。：切除切屑所需的基本运动。 3个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。 进给运动进给运动：

3、使金属层不断投入被切削的运动。：使金属层不断投入被切削的运动。 3个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一 个或多个。 其它运动其它运动：吃刀运动 分度运动 l 概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属 l 分类：分类： 南京理工大学 4 机床名称机床名称主运动主运动进给运动进给运动 卧式车床卧式车床工件旋转工件旋转车刀纵向、横向移动车刀纵向、横向移动 钻床钻床钻头旋转钻头旋转钻头轴向移动钻头轴向移动 铣床铣床铣刀旋转铣刀旋转工件纵向、横向、垂直方向移动工件纵向、横向、垂直方向移动 牛头刨床牛头刨床刨刀往复刨刀往复工件横向、垂直方向间隙移动工

4、件横向、垂直方向间隙移动 龙门刨床龙门刨床工件往复工件往复刨刀横向、垂直方向间隙移动刨刀横向、垂直方向间隙移动 内、外圆磨床内、外圆磨床砂轮旋转砂轮旋转工件旋转、工件往复或砂轮横向移动工件旋转、工件往复或砂轮横向移动 平面磨床平面磨床砂轮旋转砂轮旋转工件往复移动，砂轮横向、垂直移动工件往复移动，砂轮横向、垂直移动 镗床镗床镗刀旋转镗刀旋转镗刀轴向移动、工件轴向移动镗刀轴向移动、工件轴向移动 南京理工大学 5 南京理工大学 6 l 切削用量三要素：切削用量三要素： 切削速度切削速度v vc c: :主运动的线速度主运动的线速度(mm/min) 圆周运动：圆周运动：Vc=Dnw 直线往复：直线往复

5、：Vc=2Lnr 进给量：进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离刀具相对工件沿进给方向移动的距离 （周期）进给量（周期）进给量f(mm/r)f(mm/r)：主运动一个循环：主运动一个循环 进给速度进给速度v vf f(mm/min)(mm/min)：单位时间内：单位时间内 每齿进给量每齿进给量a af f(mm/z)(mm/z)：刀具每个刀齿：刀具每个刀齿 背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）a ap p(mm):(mm):已加工表面与待加工表面已加工表面与待加工表面 间的距离。间的距离。 补充定义：补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃 切入

6、工件的深度。切入工件的深度。 南京理工大学 8 切削层：切削层：主运动一个周期，相邻两加工主运动一个周期，相邻两加工 表面（切削刃）之间的材料截面表面（切削刃）之间的材料截面 l切削层公称厚度切削层公称厚度h hD D（老标准（老标准a ac c）：）： h hD D=f=f sinK sinKr r l切削层公称宽度切削层公称宽度b bD D（老标准（老标准a aw w）: b bD D=a=ap p/sinK/sinKr r l切削层公称截面积切削层公称截面积A AD D： A AD D=a=ap p f=bf=bD D h hD D l残留面积残留面积A AD D 残留面积高度残留面积高

7、度 ： H=f/( ctgKr+ctgKr) r=0 H=f 2 / 8r r0 南京理工大学 9 r=0 时时 在在ABD和和ACD中中 BD=H ctgKr DC=H ctgKr BD+DC=f H(ctgKr+ctgKr)=f 所以：所以：H=f/( ctgKr+ctgKr) r0 时时 移项后两边平方移项后两边平方,并忽略并忽略H2 (H r)： 所以：所以： H=f2/8r 南京理工大学 10 l 刀具结构及其几何形状刀具结构及其几何形状 刀具分类：按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。刀具分类：按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。 按功能：车刀、切断刀、螺纹刀、偏刀、尖按功能：车刀、切断

8、刀、螺纹刀、偏刀、尖 刀、镗孔刀、成形刀等。刀、镗孔刀、成形刀等。 刀具的形式：整体式、焊接式、机械安装式（压板压紧）刀具的形式：整体式、焊接式、机械安装式（压板压紧） 切削部分：切削部分： 前刀面前刀面Ar 主切削刃主切削刃S 主后面主后面Aa 刀尖刀尖 副后面副后面Aa 副切削刃副切削刃S 南京理工大学 11 （1）静止参照系的假设条件：）静止参照系的假设条件： 假定运动条件：进给量假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高； 刀杆方向与进给方向垂直。刀杆方向与进给方向垂直。 （2）辅助平面：）辅助平面： 切削平面切削平面Ps：过

9、切削刃上一点，与加工表面相切的平面。过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。 基面基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。 正交平面正交平面Po（主剖面）：（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平过切削刃上同一点，与切削平 面和基面相垂直的平面。面和基面相垂直的平面。 南京理工大学 12 前角的作用：前角的作用：前角前角 切屑变形切屑变形切削力切削力刃口强度刃口强度 前刀面磨损前刀面磨损 导热体积导热体积 刀具前角的选用：刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角加工塑性材料选大前角 加工脆性材料、断续切削选小前角加工脆性材料、断续切削选小前角 加工

10、硬材料选用负前角加工硬材料选用负前角 l刀具的标注角度刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的是指静止状态下，在工程图上标注的 刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度）刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度） 1. 刀具标注前角刀具标注前角0：在正交平面内测量的，前刀面与基在正交平面内测量的，前刀面与基 面的夹角。面的夹角。 前角的标注：前角的标注： 南京理工大学 13 在正交平面内测量的，后刀面与切削面的夹角。在正交平面内测量的，后刀面与切削面的夹角。 后角的标注：后角的标注： 后角的作用：后角的作用：后角后角 后刀面与加工表面间的摩擦后刀面与加工表面间的摩擦 后刀后刀 面

11、磨损面磨损 刃口强度刃口强度 导热体积导热体积 刀具后角的选用：刀具后角的选用：粗加工选小后角粗加工选小后角 精加工选大后角精加工选大后角 选大前角时选小后角以增大刃口强度选大前角时选小后角以增大刃口强度 南京理工大学 14 主偏角的作用：主偏角的作用：主偏角主偏角 切削刃工作长度切削刃工作长度 刀尖强度刀尖强度 导导 热体积热体积 径向分力径向分力 刀具主偏角的选用：刀具主偏角的选用：一般为一般为3075 加工细长工件采用加工细长工件采用9093 副偏角的作用：副偏角的作用：副偏角副偏角 副后面与工件已加工表面摩擦副后面与工件已加工表面摩擦 刀尖强度刀尖强度 表面粗糙度表面粗糙度 刀具副偏角

12、的选用：刀具副偏角的选用：一般为一般为520 特殊要求可采用特殊要求可采用Kr=0 的修光刃的修光刃 在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。 4. 副偏角副偏角Kr：在基面内测量的，副切削刃与进给反方在基面内测量的，副切削刃与进给反方 向的夹角。向的夹角。 主偏角和副偏角的标注：主偏角和副偏角的标注： 南京理工大学 15 刀具刃倾角的选用：刀具刃倾角的选用： 精加工取精加工取S 0 粗加工取粗加工取S 0 加工细长工件采用加工细长工件采用S 0 刃倾角的作用：刃倾角的作用： （1）影响排屑方向：）影响排屑方向： S 0 排向待加工表面排向待加工表面

13、 ； S 0 排向已加工表面；排向已加工表面； S =0 前刀面上卷曲前刀面上卷曲 在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。 刃倾角的标注刃倾角的标注： （2）影响切入切出的稳定性）影响切入切出的稳定性 （3）影响背向分力大小）影响背向分力大小 南京理工大学 16 1） 粗加工塑性材料时，选择大前角粗加工塑性材料时，选择大前角0，小后角，小后角0，小，小 主偏角主偏角Kr，较小或负的刃倾角，较小或负的刃倾角s；加工脆性材料时可；加工脆性材料时可 适当减小前角适当减小前角0；加工高硬度难加工材料时，采用负；加工高硬度难加工材料时，采用负 前角前角(00

14、)。 2）精加工时，一般选择较大后角）精加工时，一般选择较大后角0，较小的前角，较小的前角0，非，非 负的刃倾角（负的刃倾角（s0），加工细长轴时选择大主偏角），加工细长轴时选择大主偏角 Kr。 南京理工大学 17 南京理工大学 18 南京理工大学 19 南京理工大学 20 南京理工大学 21 通常情况下通常情况下 工作角与标注角近似相等。工作角与标注角近似相等。 如普通车削、镗孔、铣削等。如普通车削、镗孔、铣削等。 当当 较大时或安装误差较大时必须考虑其影响。较大时或安装误差较大时必须考虑其影响。 如：车螺纹、铲背、钻孔等。如：车螺纹、铲背、钻孔等。 刀具的安装条件变化也引起了参考系的变化。

15、刀具的安装条件变化也引起了参考系的变化。 vv fc vf 1. 1. 刀具工作参考系（刀具工作参考系（PrePsePoe） 刀具工作角度刀具工作角度又称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的又称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的 实际角度。实际角度。 工作参考系与静止参考系的差别工作参考系与静止参考系的差别：工作条件下，合成切削：工作条件下，合成切削 速度为主运动与进给运动的合成速度；而静止条件下合成速度为主运动与进给运动的合成速度；而静止条件下合成 速度与切削速度是一致的。速度与切削速度是一致的。 南京理工大学 22 （3）刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度变化）刀杆中心线与进给方向不垂直时

16、工作角度变化 （2）刀尖安装高低对工作角度的影响）刀尖安装高低对工作角度的影响 车外圆刀尖安装偏高（低）：车外圆刀尖安装偏高（低）： 工作前角增大（小），工作后角减小（大）；工作前角增大（小），工作后角减小（大）； 镗内孔刀尖安装偏高（低）：镗内孔刀尖安装偏高（低）： 工作前角减小（大）工作前角减小（大） ，工作后角增大（小），工作后角增大（小） 。 （1）进给对工作角度的影响）进给对工作角度的影响 横向进给：横向进给： 纵向进给：纵向进给： 0e 0e= =0 0+ 0e 0e= =0 0- - 工作前角增大，工作后角减小。工作前角增大，工作后角减小。 南京理工大学 23 l 刀具材料的基本

17、性能刀具材料的基本性能 1) 高硬度高硬度 2) 高耐热性高耐热性 3) 足够的强度和韧性足够的强度和韧性 4) 高耐磨性高耐磨性 5) 良好的工艺性良好的工艺性 五个基本性能相互联系，又相互制约，应根据五个基本性能相互联系，又相互制约，应根据 具体加工条件，抓主要性能，兼顾其它。具体加工条件，抓主要性能，兼顾其它。 南京理工大学 24 类型类型 硬硬 度度 强强 度度 韧韧 性性 耐耐 热热 耐耐 磨磨 工艺工艺应用应用 工具钢工具钢 碳素工具钢碳素工具钢 低低 高高 高高 低低 好好 差差 低低 高高 差差 好好 切削加切削加 工、热工、热 处理、处理、 刃磨刃磨 手动工具手动工具 合金工

18、具钢合金工具钢低速工具低速工具 高速钢高速钢复杂刀具复杂刀具 硬质硬质 合金合金 钨钴类钨钴类 （YG)k粉末冶粉末冶 金烧结金烧结 刃磨刃磨 脆性金属脆性金属 通用类通用类(YW)M通用通用 钨钛钴钨钛钴(YT)P塑性金属塑性金属 非金属非金属 高性能高性能 陶瓷陶瓷烧结烧结 连续切塑连续切塑 性材料性材料 立方氮化硼立方氮化硼结晶结晶精密加工精密加工 金刚石金刚石结晶结晶精密加工精密加工 南京理工大学 25 1） 粗加工时粗加工时，为提高机械加工效率，首先选择较大的，为提高机械加工效率，首先选择较大的 切削深度，其次是较大的进给量，最后选择中低切削速切削深度，其次是较大的进给量，最后选择中

19、低切削速 度，以保证刀具寿命。度，以保证刀具寿命。 2） 精加工时精加工时，为保证加工质量，首先选择较小的切削，为保证加工质量，首先选择较小的切削 深度（保证加工尺寸精度），其次选择较小的进给量深度（保证加工尺寸精度），其次选择较小的进给量 （保证表面粗糙度要求），最后选择低速（高速钢刀具）（保证表面粗糙度要求），最后选择低速（高速钢刀具） 或高速（硬质合金刀具）切削，以保证刀具寿命。或高速（硬质合金刀具）切削，以保证刀具寿命。 南京理工大学 26 l 切屑的形成：切屑的形成： 推挤作用推挤作用 切割作用切割作用 崩碎切屑：崩碎切屑：不规则屑片，较低不规则屑片，较低 vc，较大，较大ap，f

20、加工脆性金属时产加工脆性金属时产 生。生。 l 切屑的种类（不考虑刀具断屑等因素的影响）切屑的种类（不考虑刀具断屑等因素的影响） 带状切屑：带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大0，高，高vc， 小小ap，f 加工塑性金属时产生。加工塑性金属时产生。 节状（挤裂）切屑：节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑， 较低较低 vc，较大，较大ap，f 加工中等硬度塑性金属时产生。加工中等硬度塑性金属时产生。 粒状（单元）切屑：粒状（单元）切屑：菱形单元分离体，较低菱形单元分离体，较低 vc，较大，较大a

21、p，f 加加 工硬度较高塑性较差金属时产生。工硬度较高塑性较差金属时产生。 南京理工大学 27 （1）第第I变形区（剪切区、变形区（剪切区、 塑性变形区）塑性变形区）：从开始：从开始 发生塑性变形到晶粒剪发生塑性变形到晶粒剪 切滑移基本完成。切滑移基本完成。 l切屑收缩现象切屑收缩现象： 变形系变形系 数数 越大，切削变形越越大，切削变形越 大，切削力越大，消耗大，切削力越大，消耗 功率越大，切削温度越功率越大，切削温度越 高，加工表面质量越差。高，加工表面质量越差。 南京理工大学 28 n 形成条件：形成条件：中低速切削塑性金属中低速切削塑性金属 n 冷焊现象：冷焊现象：挤压与摩擦产生高温高

22、压，同时摩擦带走杂质，刀具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。面上，形成积屑瘤。 n 特性：特性：无无有有小小大大脱落脱落 周期性周期性 n 对切削过程的影响：对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削刀减小；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。切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度

23、。 l滞流现象滞流现象: 切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩 擦，切屑底层金属流速减缓的现象。擦，切屑底层金属流速减缓的现象。 l积屑瘤：积屑瘤：在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的 摩擦力大于切屑底层内部晶粒的间的亲和力，滞流层部分金属摩擦力大于切屑底层内部晶粒的间的亲和力，滞流层部分金属 粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性 变形，硬比度比工件材料高变形，硬比度比工件材料高23倍）倍） 南京理工大学 29 变形强化

24、（加工硬化）变形强化（加工硬化） l成因：成因：1）挤压塑性变形）挤压塑性变形 2）表面相变）表面相变 l对加工过程的影响：对加工过程的影响： 影响后续加工影响后续加工 影响加工表面质量影响加工表面质量 产生残余应力产生残余应力 l消除变形强化的措施消除变形强化的措施： 通过热处理降低材料塑性；通过热处理降低材料塑性； 采用切削液；采用切削液； 加工后通过热处理消除变加工后通过热处理消除变 形强化。形强化。 南京理工大学 30 l l 切削力的来源与分解切削力的来源与分解 （1）切削力的来源：变形抗力和摩擦阻）切削力的来源：变形抗力和摩擦阻 切削力是所有切削力的合力，为空间交变力。切削力是所有

25、切削力的合力，为空间交变力。 （2）切削力的几何分力（车削外圆为例）切削力的几何分力（车削外圆为例） 主切削力主切削力Fc（主运动方向上的正投影（分力）（主运动方向上的正投影（分力） 进给力进给力Ff（进给方向上的正投影（分力）（进给方向上的正投影（分力） 背向力背向力Fp（垂直于工作平面上的分力）（垂直于工作平面上的分力） l l 切削力估算与切削功率切削力估算与切削功率 （1）Fc=kcAD=kcapf 其中；其中；kc为单位切削力，同一材料，在一定切削条件下为单位切削力，同一材料，在一定切削条件下kc是不变是不变 的，可测定的，可测定 （2）切削功率）切削功率Pc=FcVc 南京理工大学

26、 31 （1）工件材料：）工件材料：材料成分、组织和力削性能是影响切削力的主要材料成分、组织和力削性能是影响切削力的主要 因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大；因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大； （2）切削用量：）切削用量：影响最大的是影响最大的是ap ，其次是，其次是f，切削速度，切削速度 c最小，最小， Fc与与c是是1：1，f影响影响7080%， c 影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时F 明显减小。明显减小。 （3）刀具几何角度：）刀具几何角度： 0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小， 切削力减小；切削力减小； o

27、增大、摩擦减小，切削力减小；增大、摩擦减小，切削力减小；Kr增大增大Fp减小；正减小；正 s， ，Fp减小 减小Ff增大。增大。 （4）其它因素：）其它因素：切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损 后切削力剧增。后切削力剧增。 南京理工大学 32 l 切削热的来源与传散切削热的来源与传散 （1）切削热来源于：切削层材料弹、塑性变形）切削热来源于：切削层材料弹、塑性变形变形热刀具前、变形热刀具前、 后刀面的摩擦后刀面的摩擦摩擦热摩擦热 三个切削变形区是三个主要热源区三个切削变形区是三个主要热源区 （2）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介质（如

28、：空）切削热的传散：通过刀具、切屑、工件和周围介质（如：空 气、切削液等）散热。气、切削液等）散热。 l 切削温度及其影响因素切削温度及其影响因素 切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削温度切削温度取决于切削热的产生与传热的综合因素，切削温度 太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降低。太高，工件产生热变形，加工精度下降，刀具寿命降低。 影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度、影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度、 其它条件其它条件 切削量中影响最大的是切削速度切削量中影响最大的是切削速度 c ，其次是，其次是f， ap影响最小影响最小 南京理工大

29、学 33 l 刀具磨损过程刀具磨损过程 初期磨损阶段：初期磨损阶段：刀具表面粗糙度大、单位面积压力高，磨损快。刀具表面粗糙度大、单位面积压力高，磨损快。 正常磨损阶段正常磨损阶段 急剧磨损阶段：急剧磨损阶段：磨损后切削温度升高，磨损量急剧增加磨损后切削温度升高，磨损量急剧增加。 l 刀具磨损形式刀具磨损形式 （1）后面磨损：）后面磨损：切削脆性材料，切削塑性材料切削脆性材料，切削塑性材料hD0.5mm用月牙洼最用月牙洼最 大深度大深度KT表示。表示。 （3）前后面同时磨损：）前后面同时磨损：切削塑性材料切削塑性材料hD在在0.10.5mm之间大多数情之间大多数情 况下前、后刀具都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量况下前、后刀具都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量 方便，通常以方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。来表示刀具磨损程度。 南京理工大学 34 1. 机械摩擦磨损：机械摩