金属切削原理基础

1、第五篇第五篇 切削加工切削加工 切削加工是用刀具从毛坯（或型材）上切除多切削加工是用刀具从毛坯（或型材）上切除多余的材料，以便获得形状、尺寸、精度和表面质量余的材料，以便获得形状、尺寸、精度和表面质量等都符合要求的零件的加工过程。等都符合要求的零件的加工过程。 切削加工可分为切削加工可分为机械加工机械加工(简称机工简称机工)和钳工两和钳工两部分部分。 机工是通过工人操纵机床来完成切削加工的。机工是通过工人操纵机床来完成切削加工的。 钳工一般是通过工人手持工具来进行切削加工钳工一般是通过工人手持工具来进行切削加工的。的。第一章第一章 金属切削的基础知识金属切削的基础知识一、零件表面一、零件表面零

2、件定义：零件定义： 机构（或机器）机构（或机器）的最小独立加工的的最小独立加工的单元体，这些单元单元体，这些单元体称为体称为零件零件。1 切削运动及切削用量切削运动及切削用量常用的零件表面：常用的零件表面：成形面成形面平面平面 内圆（也称内孔）内圆（也称内孔） 外圆外圆零件表面的形成：零件表面的形成： 零件表面靠机零件表面靠机床的切削运动形成。床的切削运动形成。例如外圆表面可以例如外圆表面可以在车床或磨床上靠在车床或磨床上靠工件的转动和刀具工件的转动和刀具的运动形成的运动形成 。二、机床的切削运动二、机床的切削运动 机床的切削运动有两类：机床的切削运动有两类：主运动：切下切屑所需要的最基本的运

3、动。主运动：切下切屑所需要的最基本的运动。进给运动：进给运动： 使刀具能继续切下金属层所需要的运动。使刀具能继续切下金属层所需要的运动。 主运动的转速最高，消耗功率最大。机床上主主运动的转速最高，消耗功率最大。机床上主运动必须有。运动必须有。三、切削用量三、切削用量 在切削过程中主运在切削过程中主运动和进给运动的大小，动和进给运动的大小，由切削用量来控制的。由切削用量来控制的。切削用量的大小直接影切削用量的大小直接影响到零件的尺寸精度和响到零件的尺寸精度和表面粗糙度。表面粗糙度。1. 切削速度切削速度vc 切削刃上选定点切削刃上选定点相对于工件主运动的相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速瞬时速

4、度称为切削速度，用度，用vc 表示，单位表示，单位为为m/s 或或m/min。切削速度的计算公式：切削速度的计算公式： 主运动为旋转运动时（例如，车削、磨削、主运动为旋转运动时（例如，车削、磨削、铣削）切削速度为其最大的线速度。铣削）切削速度为其最大的线速度。vcminm sm 1000dnvc或或式中：式中：d-工件或刀具的直径，工件或刀具的直径，mm； n-工件或刀具的转速，工件或刀具的转速，r/s或或r/min。 主运动为往复直线运主运动为往复直线运动时（例如，刨削、拉削）动时（例如，刨削、拉削）切削速度为其往复行程的切削速度为其往复行程的平均速度。平均速度。minm sm 1000nv

5、rc或或L2vc式中：式中：L-往复行程长度，往复行程长度，mm； nr-主运动每秒或每分钟的往复次数，主运动每秒或每分钟的往复次数， st/s 或或 st/min。2. 进给量进给量 刀具在进给运动方向上相对工件的刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量。位移量称为进给量。进给量有两种表示：进给量有两种表示： 单齿刀具（车刀、刨刀）加单齿刀具（车刀、刨刀）加工时，用每转进给量或每行程进工时，用每转进给量或每行程进给量表示，记为给量表示，记为 f ，单位为，单位为mm/r或或mm/st。 多齿刀具（铣刀、钻头）加多齿刀具（铣刀、钻头）加工时，进给运动的瞬时速度称为进工时，进给运动的瞬时速

6、度称为进给速度，用给速度，用vf 表示，单位为表示，单位为mm/s或或mm/min。刀具每转或每行程中每。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，用移量，称为每齿进给量，用 fz表示，表示，单位为单位为mm/z。3. 背吃刀量背吃刀量ap 待加工表待加工表面与已加工表面之间面与已加工表面之间的垂直距离，单位为的垂直距离，单位为mm。mm 2ddamwpfz、f、 vf 之间的关系为：之间的关系为： vf fn fzzn mm/s或或mm/min式中：式中：n-刀具或工件转速，刀具或工件转速， r/s或或r/min； z -刀具的齿数

7、。刀具的齿数。式中：式中：dw-工件待加工表面直径，工件待加工表面直径， mm； dm-工件已加工表面直径，工件已加工表面直径， mm。2 刀具材料及刀具构造刀具材料及刀具构造 一般刀具分为工作部一般刀具分为工作部分和夹持部分。分和夹持部分。 一、刀具材料一、刀具材料1. 刀具材料的基本要求刀具材料的基本要求(1) 高的硬度高的硬度 硬度必须高硬度必须高于工件材料的硬度，一于工件材料的硬度，一般要求在般要求在60HRC以上；以上； 以下讲解的刀具材料和以下讲解的刀具材料和刀具角度均指工作部分。刀具角度均指工作部分。 (2) 足够的强度和韧性，以承受切削力、冲足够的强度和韧性，以承受切削力、冲击

8、和振动；击和振动； (3) 较好的耐磨性，以抵抗切削过程中的磨较好的耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间；损，维持一定的切削时间； (4) 较高的耐热性较高的耐热性 即在高温下仍能保持较高即在高温下仍能保持较高硬度的性能，又称为红硬性或热硬性；硬度的性能，又称为红硬性或热硬性； (5) 较好的工艺性，以便于制造各种刀具。较好的工艺性，以便于制造各种刀具。刀具材料刀具材料代表牌号代表牌号基基 本本 性性 能能硬度硬度 HRA耐热性耐热性 切削速度切削速度之比之比碳素工具钢碳素工具钢合金工具钢合金工具钢高速钢高速钢T10A、T12 9SiCr W18Cr4V8183 8183.5 8

9、287 200 250300 5406500.20.4 0.50.6 1硬质合金硬质合金YG8 YT1589.591 89.592800900 90010006 6陶陶 瓷瓷9194100012001214立方氮化硼立方氮化硼96120014001214金刚石金刚石10070080010122. 刀具材料简介刀具材料简介高速钢：常用牌号高速钢：常用牌号W18Cr4V，由于良好的加工，由于良好的加工工艺特性，是复杂刀工艺特性，是复杂刀具的最常用的材料。具的最常用的材料。钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金(YG)：硬质合金：国标中有两大类最常用的牌号。硬质合金：国标中有两大类最常用的牌号。 YG3、YG

10、6、YG8。3、6、8 表示含钴的百表示含钴的百分量，数越大韧性越好。分量，数越大韧性越好。此类硬质合金适用于切此类硬质合金适用于切削脆性材料，如铸铁。削脆性材料，如铸铁。钨钴钛类硬质合金（钨钴钛类硬质合金（YT）：）： YT5、YT15、YT30。5、15、30表示含碳化表示含碳化钛的百分量，数越小韧性越好。此类硬质合金适钛的百分量，数越小韧性越好。此类硬质合金适用于切削韧性材料，如钢。用于切削韧性材料，如钢。陶瓷刀具材料（氧化铝基的）陶瓷刀具材料（氧化铝基的）聚晶立方氮化硼聚晶立方氮化硼(PCBN)聚晶立方氮化硼聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石和聚晶金刚石(PCD):二、刀具角度（以

11、车刀为例）二、刀具角度（以车刀为例）1. 车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成前刀面前刀面后刀面后刀面 主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖二、刀具角度（以车刀为例）二、刀具角度（以车刀为例）1. 车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成前刀面前刀面后刀面后刀面 主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖二、刀具角度（以车刀为例）二、刀具角度（以车刀为例）1. 车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成前刀面前刀面后刀面后刀面 主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖二、刀具角度（以车刀为例）二、刀具角度（

12、以车刀为例）1. 车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成前刀面前刀面后刀面后刀面 主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖2. 确定刀具角度的参考系（坐标系）确定刀具角度的参考系（坐标系）基面基面 pr：过切削刃选定点，垂直于该点假定主：过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面。运动方向的平面。主切削平面主切削平面 ps：过切削刃选：过切削刃选定点，于切削刃相切，并定点，于切削刃相切，并垂直于基面的平面。垂直于基面的平面。正交平面正交平面 po：过切削刃选定：过切削刃选定点，并同时垂直于基面和点，并同时垂直于基面和主切削平面的平面。主切削平面的平面。3. 刀

13、具角度的标注刀具角度的标注 刀具角度的五个基本角度分别在上述参考系刀具角度的五个基本角度分别在上述参考系的三个平面内标注。的三个平面内标注。(1) 在正交平面内定义：在正交平面内定义：a. 前角前角o 前刀面与基前刀面与基面间的夹角。面间的夹角。b. 后角后角o 后刀面与切后刀面与切削平面间的夹角。削平面间的夹角。(2) 在基面内定义：在基面内定义： c. 主偏角主偏角r 主切削平面与主切削平面与进给方向间的夹角。进给方向间的夹角。d. 副偏角副偏角 副切削平面与副切削平面与进给方向间的夹角。进给方向间的夹角。o(3) 在主切削平面内定义：在主切削平面内定义：d. 刃倾角刃倾角s 主切削刃与主

14、切削刃与基面间的夹角。基面间的夹角。 综合上述五个角综合上述五个角度，一般刀具角度标度，一般刀具角度标注图如左图所示。注图如左图所示。4. 刀具角度的基本作用刀具角度的基本作用a. 前角前角o的基本作用的基本作用 影响切削刃的影响切削刃的锋利程度锋利程度和刀头部分的和刀头部分的强强度度，影响切削刃的，影响切削刃的受力情况受力情况。前角前角o 一般取一般取-525。b. 后角后角o的基本作用的基本作用 影响后刀面与工件表面影响后刀面与工件表面之间的之间的摩擦摩擦，o小，摩擦大，小，摩擦大，o大，摩擦小；另外和前角大，摩擦小；另外和前角一起影响切削刃的锋利程度一起影响切削刃的锋利程度和强度。和强度

15、。c. 主偏角主偏角r 的基本的基本作用作用 影响切削层截面影响切削层截面的形状和参数；的形状和参数； 后角一般取值范围在后角一般取值范围在 615。影响切削分力的变化；影响切削分力的变化；主偏角和副偏角一起影响已加工表面的粗糙度。主偏角和副偏角一起影响已加工表面的粗糙度。主偏角常用的数值有：主偏角常用的数值有： 45、60、75、 90。d. 副偏角副偏角 的基本作用的基本作用o 和主偏角一起影响已加工表面的粗糙度；减和主偏角一起影响已加工表面的粗糙度；减小副后刀面与已加工表面间的摩擦。一般取值范小副后刀面与已加工表面间的摩擦。一般取值范围在围在 515。d. 刃倾角刃倾角s的基本作用的基本

16、作用 影响排屑的方向；影响排屑的方向；影响刀头的强度。影响刀头的强度。 刃倾角取值为：刃倾角取值为： -55。3 金属切削过程金属切削过程一、切削过程和切屑种类一、切削过程和切屑种类1. 切削过程切削过程 (以刨削塑性材料为模型以刨削塑性材料为模型)3 金属切削过程金属切削过程一、切削过程和切屑种类一、切削过程和切屑种类1. 切削过程切削过程 (以刨削塑性材料为模型以刨削塑性材料为模型) 切削过程就是刀具挤压工件的切削层，使切削层切削过程就是刀具挤压工件的切削层，使切削层产生一系列的变形（弹性和塑性变形），直到切削层产生一系列的变形（弹性和塑性变形），直到切削层的材料被挤裂，沿刀具的前刀面流出

17、成为切屑。的材料被挤裂，沿刀具的前刀面流出成为切屑。 具体的讲在切削时切削区内产生了三个变形区：具体的讲在切削时切削区内产生了三个变形区： 第第变形区；（在切削层内）变形区；（在切削层内） 第第变形区；（在前刀面上）变形区；（在前刀面上） 第第变形区。（已加工表面上）变形区。（已加工表面上）第第变形区：被切削层从变形区：被切削层从AO开始发生塑性变开始发生塑性变形，到形，到MO变形区塑性变形基本完成。变形区塑性变形基本完成。切削脆性材料切削脆性材料切削脆性材料切削脆性材料第第变形区：切屑沿前刀面排出时，切屑底部受变形区：切屑沿前刀面排出时，切屑底部受前刀面的挤压和摩擦发生进一步塑性变形。前刀面

18、的挤压和摩擦发生进一步塑性变形。第第变形区：已加工表面受切削刃钝圆部分和后刀变形区：已加工表面受切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦，造成塑性变形（加工硬化）。面的挤压、摩擦，造成塑性变形（加工硬化）。2. 切屑种类切屑种类切塑性材料：切塑性材料：(钢、铝）钢、铝）带状切屑带状切屑节状节状(挤裂挤裂)切屑切屑 切削用量不同、切削用量不同、材料的性能不同，材料的性能不同，等原因造成。等原因造成。切脆性材料：（铸铁）切脆性材料：（铸铁） 崩碎切屑。崩碎切屑。 以上的切屑种类以上的切屑种类划分只是一种基本的划分只是一种基本的划分。划分。 在实际应用中，在实际应用中，针对具体切削情况，针对具体切削情况，

19、需要更细的划分。从需要更细的划分。从右图可以看到：右图可以看到： 带状屑、带状屑、 C形形卷屑、宝塔状卷屑、卷屑、宝塔状卷屑、长紧卷屑、发条状长紧卷屑、发条状卷屑、螺卷屑、崩卷屑、螺卷屑、崩碎屑。碎屑。 在切削塑性材料过程中，当切削在一定的速在切削塑性材料过程中，当切削在一定的速度范围内，使得切屑流经前刀面时。产生一定的度范围内，使得切屑流经前刀面时。产生一定的1. 积屑瘤的产生积屑瘤的产生二、积屑瘤二、积屑瘤温度和压力，形成了温度和压力，形成了局部焊接现象，当切局部焊接现象，当切削连续进行时，就会削连续进行时，就会使焊接处切屑底部的使焊接处切屑底部的部分金属撕裂，粘结部分金属撕裂，粘结在切削

20、刃附近，形成在切削刃附近，形成积屑瘤。积屑瘤。 在切削过程中积屑瘤是在切削过程中积屑瘤是一个动态过程，它随着切削一个动态过程，它随着切削的进行不断堆积长高，到达的进行不断堆积长高，到达一定高度会破裂，被切屑带一定高度会破裂，被切屑带走或粘在已加工表面上。之走或粘在已加工表面上。之一过程反复进行，直到切削一过程反复进行，直到切削停止。停止。2. 积屑瘤的影响积屑瘤的影响影响尺寸精度；影响尺寸精度；影响工件表面粗糙度；影响工件表面粗糙度；增大前角；增大前角；保护刀刃。保护刀刃。 精加工中精加工中必须避免的。必须避免的。 粗加工中粗加工中可以利用的。可以利用的。3. 控制积屑瘤的措施控制积屑瘤的措施

21、 积屑瘤的产生的根本原因在于刀具和工件材积屑瘤的产生的根本原因在于刀具和工件材料存在分子之间的亲和，所以减小分子之间的亲料存在分子之间的亲和，所以减小分子之间的亲和作用的措施，都能避免或控制积屑瘤。和作用的措施，都能避免或控制积屑瘤。 采用与工件亲和力小的刀具材料采用与工件亲和力小的刀具材料 例如：切削铝合金用金刚石刀具例如：切削铝合金用金刚石刀具 加冷却润滑液加冷却润滑液 控制切削速度（最常用的方法）控制切削速度（最常用的方法） v80100m/min 不产生积屑瘤。不产生积屑瘤。积屑瘤高度积屑瘤高度 v2040m/min 最容易产生积屑瘤。最容易产生积屑瘤。因此，精加工时切削速度总是用低速

22、或高速。因此，精加工时切削速度总是用低速或高速。切速切速三、切削力和切削功率三、切削力和切削功率 切削过程中总切削力是一个大小、方向都在切削过程中总切削力是一个大小、方向都在不断变化的力。为了方不断变化的力。为了方便分析研究切削力，把便分析研究切削力，把总切削力沿固定方向进总切削力沿固定方向进行分解，定义了三个切行分解，定义了三个切削分力。削分力。切削力切削力Fc进给力进给力Ff背向力背向力Fp四、切削热和切削温度四、切削热和切削温度切削热：切削过程中切切削热：切削过程中切削区内的变形和摩擦削区内的变形和摩擦产生的热量。产生的热量。 第第变形区变形区被切屑层的塑性被切屑层的塑性变形产生大量的变

23、形产生大量的热（热量的主要热（热量的主要来源）。来源）。1. 热量产生：热量产生：第第、变形区的塑性变变形区的塑性变形和刀具与工件、切屑摩形和刀具与工件、切屑摩擦产生热量。擦产生热量。2. 热量传导和影响热量传导和影响 切屑吸收的热量最多，传导的热量也最多。切屑吸收的热量最多，传导的热量也最多。 介质吸收，根据介质介质吸收，根据介质不同，吸收传导的热量不同，吸收传导的热量的大小也不同。的大小也不同。 工件吸收的热量次之，传导的热量也次之，工件吸收的热量次之，传导的热量也次之，但对工件的尺寸精度和变形影响很大。但对工件的尺寸精度和变形影响很大。 刀具吸收的热量较少，刀具吸收的热量较少，传导的热量

24、也较少，但对传导的热量也较少，但对刀具的寿命影响很大。刀具的寿命影响很大。3. 切削温度及其影响因素切削温度及其影响因素切削温度：是指切削区内的平均温度。切削温度：是指切削区内的平均温度。 3. 切削温度及其影响因素切削温度及其影响因素切削温度：是指切削区内的平均温度。切削温度：是指切削区内的平均温度。 切削用量：切削用量： v 影响最大，影响最大，v切温切温 ； f 影响次之；影响次之； ap 影响最小，影响最小，(切削刃增加散热条件改善切削刃增加散热条件改善)。 工件材料：工件材料： 强度、硬度强度、硬度 消耗功消耗功 切温切温 刀具角度：刀具角度：o、r对切削温度影响较大。对切削温度影响较大。 o 塑变、摩擦塑变、摩擦 切温切温 ; r 参加切削的刀刃增长参加切削的刀刃增长切温切温 .切削过程中影响切削温度的因素：切削过程中影响切削温度的因素：五、刀具磨损和刀具耐用度五、刀具磨损和刀具耐用度1. 刀具磨损形式刀具磨损形式后刀面磨损，切脆性材料时发生的磨损形式。后刀面磨损，切脆性材料时发生的磨损形式