第一章 金属切削的基础知识

1、绪绪 论论n一、制造技术一、制造技术 n 1. 1.制造业制造业n 制造业为人类的文明创造着辉煌的物质文明。制造业为人类的文明创造着辉煌的物质文明。n 据统计，据统计，19901990年年2020个工业化国家个工业化国家制造业制造业所创造所创造的财富占国民生产总值（的财富占国民生产总值（GDPGDP）的比例平均为）的比例平均为22.1522.15，其中，美国，其中，美国6868的财富来源于制造业，的财富来源于制造业，日本国民总产值的日本国民总产值的4949是由制造业提供的。中国是由制造业提供的。中国的制造业在工业总产值中也占有的制造业在工业总产值中也占有4040的比例。的比例。 n2.2.制造

2、技术制造技术n 制造技术是使原材料变成产品的技术总称制造技术是使原材料变成产品的技术总称, ,是是国民经济得以发展国民经济得以发展, ,也是制造业本身赖以生存的关也是制造业本身赖以生存的关键技术。先进的制造技术使一个国家的制造业乃键技术。先进的制造技术使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位。至国民经济处于有竞争力的地位。n二、机械制造二、机械制造( (冷加工冷加工) )学科的范畴学科的范畴, ,研究内容及特研究内容及特点点n 机械工程学科是一门有着悠久历史的学科机械工程学科是一门有着悠久历史的学科, ,是是国家建设和社会发展的支柱学科之一国家建设和社会发展的支柱学科之一. .n 机械

3、制造机械制造( (冷加工冷加工) )是机械工程的一个分支学是机械工程的一个分支学科科, ,是一门研究各种机械制造过程和方法的科学是一门研究各种机械制造过程和方法的科学. .n 机械的制造工艺过程机械的制造工艺过程: :改变生产对象的形状改变生产对象的形状, ,尺寸尺寸, ,相对位置和性质等相对位置和性质等, ,使之成为成品或半成品使之成为成品或半成品的过程的过程. .机械机械制造制造工艺工艺过程过程热加工工热加工工艺过程：艺过程：冷加工工冷加工工艺过程：艺过程：包括铸造、塑性加工、焊接、热处理、包括铸造、塑性加工、焊接、热处理、表面改性等。表面改性等。零件的机械加工工艺过程：零件的机械加工工艺

4、过程：研究如何利用切削的原理使工件成研究如何利用切削的原理使工件成型而达到预定的设计要求（尺寸精型而达到预定的设计要求（尺寸精度、形状、位置精度和表面质量）。度、形状、位置精度和表面质量）。机器的装配工艺过程：机器的装配工艺过程：研究如何将零件或部件进行配合研究如何将零件或部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品，和连接，使之成为半成品或成品，并达到要求的装配精度的工艺过并达到要求的装配精度的工艺过程。程。1 1 切削运动及切削要素切削运动及切削要素 一、零件表面的形成一、零件表面的形成平面、外圆面、内圆面（孔）、锥面、曲面（成形面）第一章 金属切削的基础知识 二、切削运动二、切削运动为了形成

5、零件表面形状，刀具与工件之间的相对运动。1. 1. 主运动：主运动：切下切屑最主要的运动。特点：特点：在整个运动系统中 速度最高、消耗的功率最大。主运动只有一个。2. 2. 进给运动进给运动：使金属层不断投入切削，加工出完整表面所需的运动。特点：特点：速度低、消耗的功率小。有一个或多个。1. 1. 零件上的三个表面零件上的三个表面已加工表面已加工表面加工表面加工表面待加工表面待加工表面nf f已加工表面已加工表面加工表面加工表面待加工表面待加工表面三、切削用量三、切削用量2. 2. 切削用量三要素切削用量三要素d dw wd dm m切削速度（切削速度（v v）进给量（进给量（f f） （mm

6、mm）切削深度（切削深度（a ap p）（背吃刀量背吃刀量）601000ndvw6010002rLnv旋转运动：旋转运动：（m/s）往复直线运动往复直线运动：（m/s）2 2）进给量（）进给量（f f） （mmmm）在单位时间内（主运动的一个循环内），刀具或工件沿进给运动方向的相对位移。1 1）切削速度（）切削速度（v v）m/s在单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。2. 2. 切削用量三要素切削用量三要素d dm md dw wf fn3 3）切削深度（）切削深度（a ap p）（背吃刀量背吃刀量）（mm）2mwpdda（mm）四、四、 切削层几何参数切削层几何参数切削层切削层 指

7、工件上正在被切削刃切削的那一层金属。即两个相邻加工表面之间的那一层金属。即两个相邻加工表面之间的那一层金属。1 12 2f fa ap pKrKrf fa ap pKrKr1) 1)切削层公称厚度（切削层公称厚度（h hD D）（）（mmmm）两相邻加工表面之间的垂直距离。h hD Df fa ap pKrKrrDkfhsin （mm）2)2)切削层公称宽度（切削层公称宽度（b bD D) )（mmmm）沿主刀刃度量的切削层的长度。b bD DrkpaDbsin （mm）3)3)切削层公称横截面积（切削层公称横截面积（A AD D） （mmmm2 2）DDpDbhafA （mm2）一、刀具材料

8、一、刀具材料1. 1. 对刀具材料的基本要求对刀具材料的基本要求 较高的硬度。 一般要求在一般要求在 60 HRC HRC 以上。以上。 有足够的强度和韧性。 有较好的耐磨性。 较高的耐热性。 有较好的工艺性。2 刀具材料及刀具角度特点特点a. a. 淬火后硬度高；淬火后硬度高；HRC6165HRC6165b. b. 价格低；价格低；. .耐热温度低；耐热温度低；. .淬火后应力、变形大。淬火后应力、变形大。250300250300应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。2. 2. 常用刀具材料常用刀具材料 碳素工具钢碳素工具钢C=

9、0.71.3%C= 0.71.3%；T8T8、T10T10、T10AT10A、T12AT12A等等HRC6165HRC6165 合金工具钢合金工具钢Me5% Me11影响切屑变形的因素：影响切屑变形的因素： 刀具角度： 0 0 切削速度： v 材料塑性： 刀具与切屑之间的摩擦系数 ， 。 切屑收缩现象 ，变形量 ，切削力 ，切削温度 ，已加工表面粗糙。2. 2. 切屑的种类切屑的种类1) 1) 带状切屑带状切屑特征：连续带状，内表面光滑，特征：连续带状，内表面光滑， 外表面呈毛茸状。外表面呈毛茸状。形成条件：塑性材料、速度较高、较大的形成条件：塑性材料、速度较高、较大的 0 0 、较小的、较小

10、的f f 和和a ap p。2)2) 节状切屑节状切屑特征：内表面有时有裂纹，特征：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿状。外表面呈锯齿状。形成条件：中等硬度的塑性材料、速度形成条件：中等硬度的塑性材料、速度较低、较小的较低、较小的 0 0 、较大的、较大的f f 和和a ap p。3) 3) 崩碎崩碎状切屑状切屑特征：不规则的碎块状。特征：不规则的碎块状。形成条件：脆性材料。形成条件：脆性材料。3) 3) 粒粒状切屑状切屑形成条件：塑性材料，形成条件：塑性材料，切削速度较低，切削速度较低，较小的较小的 0 ，较大较大ap 。特征：梯形状的粒状切屑。特征：梯形状的粒状切屑。2) 2) 积屑瘤的形成条

11、件积屑瘤的形成条件 工件材料：塑性材料； 切削速度：中等（1050m/min）温度约300； 刀具角度： 0 0 偏小； 冷却条件：不加切削液。在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具前刀面上靠近刀刃的部位粘附着一小块很硬的金属积屑瘤。1. 1. 积屑瘤的形成积屑瘤的形成oM滞留层滞留层1) 1) 积屑瘤的形成过程积屑瘤的形成过程二、积屑瘤二、积屑瘤3. 3. 积屑瘤的抑制积屑瘤的抑制不利不利 积屑瘤不稳定，易引起振动，使积屑瘤不稳定，易引起振动，使 Ra Ra 增大。增大。 会引起会引起a ap p的变化，使加工精度降低。的变化，使加工精度降低。所以：精加工时应尽量避免。 利用利用切削

12、液切削液； 控制切削速度；控制切削速度； 加大刀具前度加大刀具前度 0 0 ； 对工件进行正火、调质处理，降低对工件进行正火、调质处理，降低 、a ak k。2. 2. 积屑瘤对加工过程的影响积屑瘤对加工过程的影响有利 使使 0 0 增大，使切削过程变得轻快。增大，使切削过程变得轻快。 可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。所以：粗加工时可以利用。三、切削力和切削功率三、切削力和切削功率1. 1. 切削力切削力1) 1) 切削力的来源切削力的来源oM 材料的弹性变形和塑性变形抗力； 切屑、工件表面与刀具的摩擦力。2) 2) 切削力的分解切削力的分解刀具

13、切削工件时作用在刀具切削工件时作用在刀具或工件上的力。刀具或工件上的力。将将F F沿速度方向、轴向和径向三个相互垂直的方向沿速度方向、轴向和径向三个相互垂直的方向分解为分解为F Fc c、F Fp p、F Ff f。F弹、塑F摩1F摩2 主切削力（切向分力）FC是F在切削速度方向上的分力。主切削力占总切削力的主切削力占总切削力的80%90%80%90%，消耗的功率占总功率的消耗的功率占总功率的95%95%以上。以上。是计算机床动力及主要传动零件强是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据。度和刚度的依据。 走刀抗力（轴向分力）Ff是是F F在进给方向上的分力。在进给方向上的分力。消耗的功率仅

14、占总功率的消耗的功率仅占总功率的15%15%。是设计和计。是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据。算进给机构零件强度和刚度的依据。 吃刀抗力（径向分力）吃刀抗力（径向分力）FpFp是F在切削深度方向上的分力。 F=(F2c+F2f+F2p)1/2FpFp不做功，但影响加工精度三个分力与总切削力的关系3) 3) 影响影响切削力的因素切削力的因素工件材料：材料的强度、硬度越高，塑性韧性越好，Fc越大。 切削用量：ap 、f 增大， Fc越大。 刀具角度： 增大 0 ，Fc减小；增大kr ，Fp减小、Ff增大。 冷却条件：加切削液，F 减小。2. 2. 切削功率（切削功率（PmPm）ccffccv

15、vvFPmFFPm （W）（W）PE Pm /m 四、切削热和切削温度四、切削热和切削温度1. 1. 切削热的来源与传散切削热的来源与传散1) 1) 切削热的来源切削热的来源a . 切屑层变形所产生的热；b . 切屑与前刀面之间的摩擦；c . 工件与后刀面之间的摩擦。切屑：介质：工件：刀具：5080%1%4010%93%2) 2) 切削热的传散切削热的传散2. 2. 切削温度及其影响因素切削温度及其影响因素切削温度切削温度 切削区的平均温度。切削区的平均温度。切削区 切屑、工件、刀具相接触的区域。切削温度的高低取决于切削热的产生和传散情况影响切削温度的因素： 切削用量：切削用量： 、 、 愈大

16、，愈大， 切削温度愈高。但切削温度愈高。但 的影响的影响最大最大 、 次之、次之、 最小。最小。cvfpacvfpa 刀具 冷却条件：加切削液，切削温度降低。刀具角度：刀具角度： 增大增大 0 0 ，切削温度降低；减小，切削温度降低；减小krkr ， 切削温度降低。切削温度降低。刀具材料：导热性愈好，切削温度愈低。刀具材料：导热性愈好，切削温度愈低。 工件材料：材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，切削温度越高；材料的导热性愈好，切削温度愈低。 五、刀具磨损和刀具耐用度五、刀具磨损和刀具耐用度1. 1. 刀具磨损刀具磨损1) 1) 刀具磨损形式刀具磨损形式 后刀面磨损：后刀面磨损：VB这种磨损

17、一般发生在切削脆性材料或以较小的切削厚度（hD0.5mm）切削塑性材料的条件下。 前后刀面同时磨损：KTVB这种磨损一般发生在以中等切削厚（hD=0.10.5mm）切削塑性材料的条件下。 由于多数情况下，后刀面都有磨损，它的磨损对加工质量的影响较大，而且测量相对方便，所以一般都用后刀面的磨损高度VB来表示刀具的磨损程度。2) 2) 刀具的磨损过程刀具的磨损过程VBtOABC初期磨损阶段初期磨损阶段正常磨损阶段正常磨损阶段急剧磨急剧磨损阶段损阶段 初期磨损阶段初期磨损阶段(OA) :(OA) :磨合阶段磨合阶段 正常磨损阶段正常磨损阶段(AB) :(AB) : 急剧磨损阶段急剧磨损阶段(BC)

18、:(BC) : 应在刀具正常磨损阶段后期，急剧磨损阶段之前刃磨刀具。应在刀具正常磨损阶段后期，急剧磨损阶段之前刃磨刀具。2. 2. 刀具耐用度（刀具耐用度（T T）指刀具由开始切削到磨钝标准为止的实际切削总时间。刀具在两次刃磨之间的实际切削总时间。如粗加工： 硬质合金车刀：T = 60min高速钢钻头：T = 80120min3. 3.影响影响刀具磨损与刀具耐用度的因素刀具磨损与刀具耐用度的因素75. 025. 25pTafvCT 切削用量：切削用量： 、 、 愈大，愈大， 刀具磨损加剧。刀具磨损加剧。 但但 的影的影 响最大响最大 、 次之、次之、 最小。最小。vvfpafpa 工件材料：材

19、料的强度、硬度越高，温度越高；材料的 导热性愈差，刀具磨损愈快，降低刀具耐用度。 刀具 冷却条件：合理使用切削液，可降低切削温度降低、减小 摩擦，提高刀具耐用度。a. 刀具角度： 增大 0 、0，提高刀具耐用度。b.刀具材料：耐磨性、耐热性愈好，刀具耐用度愈高。4 4 切削加工的技术经济分析切削加工的技术经济分析一、切削加工的主要技术经济指标一、切削加工的主要技术经济指标1 1、产品质量、产品质量（1 1）加工精度）加工精度尺寸精度：尺寸精度：形状精度：形状精度：位置精度：位置精度：IT01IT01、IT0IT6IT0IT6、IT7IT18IT7IT18圆柱度、平面度、直线度等平行度、垂直度、

20、同轴度等（2 2）表面质量）表面质量表面粗糙度：表面粗糙度：表面加工硬化的程度和深度表面加工硬化的程度和深度表面残余应力的大小和性质表面残余应力的大小和性质Ra2 2、生产率、生产率以单位时间内生产的零件数量来表示生产率 ow1Rtt w=t m+t c+ t o wmpcp1000d lhlhtnf av fa以车削为例提高生产率的主要途径如下提高生产率的主要途径如下 (1) (1) 采用高速切削采用高速切削( (即增大零件或刀具转速即增大零件或刀具转速) )或强力切削，或强力切削， (2) (2) 采用多刀多刃加工、多件加工、多工位加工等采用多刀多刃加工、多件加工、多工位加工等 (3) (

21、3) 采用先进的毛坯制造工艺和方法，减少加工余量。采用先进的毛坯制造工艺和方法，减少加工余量。(4) (4) 采用先进的机床设备及自动化控制系统，采用先进的机床设备及自动化控制系统， 3. 3. 经济性经济性产品的制造成本包括毛坯或原材料费用、生产工人工资、机床设备的折旧和管理费用、工夹量具的折旧和修理费用、车间经费和企业管理费用等。 mmwwtmcot()ttCt MCtttMCTT二、切削用量的合理选择二、切削用量的合理选择1.选择切削用量的一般原则选择切削用量的一般原则切削速度增大时，切削力减小，并可减小或避免积屑瘤，有利于加工质量的提高。 。一般原则就是在保证加工质量、降低成本和提高生

22、产率的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。 （1）对加工质量的影响 背吃刀量和进给量增大，都会使切削力增大，导致零件变形增大，并可能引起振动，从而降低加工精度和增大表面粗糙度值。 （2）对生产率的影响75. 025. 25pTafvCT vpaf 的影响最大的影响最大 、 次之、次之、 最小。最小。vfpa粗加工时，优先采用大的 ，其次采用较大的 最后根据刀具寿命的要求选合理的半精加工和精加工一般选用较小的 和 fpav兼顾刀具的寿命选择 n(1) 背吃刀量ap的选择。背吃刀量要尽可能取得大些，或将加工余量分为两次或多次完成。n (2) 进给量f的选择。粗加工时，进给量主要受机床、刀具和零件所

23、能承受切削力的限制，精加工时，限制进给量的因素主要是零件表面粗糙度。 n(3) 切削速度vc的选择。在背吃刀量和进给量选定后，可根据合理的刀具耐用度，用计算法或查表法选择切削速度。精加工时，切削力较小，切削速度主要受刀具耐用度的限制。而粗加工时，由于切削力一般较大，切削速度主要受机床功率的限制。 2、切削用量的合理选择、切削用量的合理选择三、切削液三、切削液1) 1) 切削液的作用切削液的作用a . a . 冷却作用：冷却作用：b . b . 润滑作用：润滑作用：c . c . 洗涤与排屑作用：洗涤与排屑作用：d . d . 防锈作用：防锈作用：2) 2) 切削液的种类切削液的种类 乳化液：乳化油+水；呈乳白色。应用最广泛。 切削油：矿物油；润滑作用。 水溶液：水+防锈剂等；呈透明状。3) 3) 切削液的选用切削液的选用粗加工：以冷却为主。如水溶液、低浓度的乳化液等。精加工：以润滑为主。高浓度的乳化液、切削油等。切削脆性材料时，加工有色金属，使用硬质合金刀具磨削时，一般不用切削液。不易采用含硫化油的切削液。一般不用切削液。一般采用乳化液。60cvTcv材料的切削加工性是指材料被切削加工的难易程度材料的切削加工性是指材料被切削加工的难易程度。四、材料的切削加工性四、材料的切削加工性1.