项目1金属切削基本知识

1、沧州职业技术学院 电气系 郑春禄 教授Tel（微信）QQ 939777464项目一 金属切削的基本知识任务一 金属切削认知及三要素教学重点：掌握切削运动的分类；掌握工件表面分类；掌握切削用量三要素概念及计算；掌握切削层参数概念及计算。教学难点：切削合成运动。视频辅助：视频辅助：0:0:0-0:7:08、切削运动 金属切削加工时，刀具与工件之间具有相对运动，即切削运动。切削运动按其作用可分为主运动和进给运动。1、主运动： 主运动是切除工件上多余金属，形成工件新表面所需的运动，它是由机床提供的主要运动。主运动的特征是速度最高，消耗功率最多。切削加工中只有一个主运动，它可由

2、工件完成，也可以由刀具完成。如车削时工件的旋转运动、钻削时钻头的旋转运动等都是主运动。任务一 金属切削认知及三要素任务一 金属切削认知及三要素任务一 金属切削认知及三要素任务一 金属切削认知及三要素任务一 金属切削认知及三要素2、进给运动： 进给运动是被切削金属层间断或连续投入切削的一种运动。加上主运动即可不断地切除金属层，从而得到需要的表面。进给运动速度小，消耗功率少。切削加工中进给运动可以是一个、两个或多个。它可以是连续的运动，如车削外圆时，车刀平行于工件轴线的纵向运动；也可以是间断运动，如刨削时工件或刀具的横向运动。3、合成切削运动：合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动。刀具切削刃

3、上选定点相对于工件的瞬时合成运动方向，称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度。二、工件的表面在切削过程中，工件上的金属层不断地被刀具切除而变为切屑，同时在工件上形成新表面。在新表面的形成过程中，工件上有三个不断变化着的表面。（1）待加工表面 工件上等待切除的表面称为待加工表面。（2）已加工表面 工件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面。（3）过渡表面（加工表面） 主切削刃正在切削的表面称为过渡表面，它是待加工表面与加工表面的连接表面。待加工表面待加工表面三、切削用量切削用量是切削加工过程中的切削速度、进给量、背吃刀量的总称。1、切削速度（vc）：切削速度是刀具切削刃上的某一点相对于待加

4、工表面在主运动方向上的瞬时速度。车外圆时，计算公式如下：式中 切削速度，单位为m/min或m/s； 工件待加工表面直径，单位为mm；工件转速，单位为r/min或r/s。切削刃上各点的切削速度是不同的，在计算时，应以最大的切削速度为准。如车削时以待加工表面直径的数值进行计算，因为此处速度高，刀具磨损快。1000/ )(ndwc任务一 金属切削认知及三要素2、进给量（f）进给量是刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量。进给速度进给速度vf是单位时间的进给量，单位是是单位时间的进给量，单位是mm/s；进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向

5、的相对位移，单位是对位移，单位是mm/r； f=vf/n3、背吃刀量（p）背吃刀量一般指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。车外圆时：p =式中 dw待加工表面直径，单位为mm。2/)(mwdd四、切削层参数：刀具切削刃在一次进给中，从工件待加工表面上切下来的金属层称为切削层。1、切削层公称厚度hp切削层公称厚度是切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离。2、切削层公称宽度bp切削层公称宽度是沿过渡表面测量的切削层尺寸。 3、切削层公称横截面面积Ac切削层公称横截面面积是切削层横截面的面积任务一 金属切削认知及三要素 教学重点： 掌握刀具各部分的名称； 掌握刀具参考平面和参考系的建立方法； 掌握

6、刀具标注角度和工作角度。 教学难点： 刀具各种标注角度； 刀具工作时的角度。任务任务2 刀具几何角度及材料刀具几何角度及材料视频辅助：视频辅助：0:7:09-0:15:50一、刀具切削部分的构成要素一、刀具切削部分的构成要素 车刀由刀头、刀体两部分组成。 刀头用于切削，由刀面、切削刃构成 刀体用于装夹1.刀面 1.前面（前刀面）r：刀具上切屑流出的表面； 2.后面（后刀面）A：刀具上与工件新形成的 过渡表面相对的刀面； 3.副后面（副后刀面）A：刀具上与工件已加工表面相对的刀面； 2.切削刃 1.主切削刃：前面与后面形成的交线，在切削中承担主要的切削任务； 2.副切削刃：前面与副后面形成的交线

7、，它参与部分的切削任务； 3.刀尖 主切削刃与副切削刃汇交的交点或一小段切削刃。二、刀具角度参考系二、刀具角度参考系1. 刀具角度参考平面刀具角度参考平面 基面Pr： 过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。 通常，它平行（或垂直）于刀具上的安装面（或轴线）的平面。 切削平面Ps： 过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。它也是切削刃与切削速度方向构成的平面。 正交平面Po： 过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr与切削平面Ps的平面。三、刀具的标注角度1.正交平面参考系中的刀具标注角度 (1) 在基面Pr上刀具标注角度有： 主偏角kr在过主切削刃选定点的基面内，主切削刃与进给方向间

8、的夹角； 副偏角kr在过副切削刃选定点的基面内，副切削刃和进给方向间所夹的锐角；(2) 在正平面Po上刀具标注角度有： 前角前面r与基面Pr间的夹角。前角有正负，前角在基面之下为负，前角在基面这上为正； 后角O后面与切削平面间的夹角。(3)在切削平面Ps上刀具标注角度有： 刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。刃倾角s有正负之分，当刀尖处于切削刃最高点时为正，反之为负。刀具标注角度刀具标注角度实例：实例：四、刀具的材料1、刀具材料必须具备的性能（1）高的硬度 其切削部分的硬度必须大于工件材料的硬度。一般刀具材料的常温硬度应高于60HRC。（2）高的耐磨性 刀具材料应具有较高的耐磨性，以抵抗工件对刀具

9、的磨损。（3）足够的强度与韧性（4）高的耐热性 （5）良好的工艺性2、刀具材料的种类刀具切削部分材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料等。（1）高速钢 高速钢是在合金工具钢中加入了较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其合金元素与碳化物形成高硬度的碳化物，使高速钢具有很好的耐磨性。钨和碳的原子结合力很强，增加了钢的高温硬度。钼的作用与钨基本相同，并能细化碳化物的晶粒，减少钢中碳化物的不均匀性，提高钢的韧性。高速钢是综合性能较好，应用范围最广泛的一种刀具材料。其抗弯强度较高，韧性较好，热处理后硬度为6366HRC，易磨出较锋利的切削刃，故生产中常称为“

10、锋钢”。其耐热性约为600660左右，切削碳钢材时切削速度可丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。可以加工碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料。（2）硬质合金 硬质合金是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料。它是由硬度和熔点很高的金属碳化物（WC、TiC等）微粉和金属粘结剂（Co、Ni、Mo等），经高压成形，并在1500左右的高温下烧结而成。（3）其它刀具材料刀具材料的表面涂层是在高速钢和韧性较好的硬质合金等材料制成的刀具上，通过化学气相沉积和真空溅射等方法，使刀具表面上沉积极薄（512m）的一层高硬度、高耐磨性和难熔的金属化合物碳化钛（TiC）或氮化钛（TiN），形成金黄色的表面涂层。由于涂层的

11、硬度高，摩擦系数小，使刀具的耐磨性提高，涂层还具有抗氧化和抗粘结的特点，延迟了刀具的磨损。因此，切削速度可提高30%50%，刀具寿命可提高数倍至十倍。作业：P23 1-2、1-3阅读教材阅读教材P1-9任务3：金属切削过程教学重点： 掌握切削变形及切屑和积屑瘤的概念；掌握切削力的产生及影响因素；掌握切削热的产生及影响因素；掌握刀具磨损原理及刀具耐用度的概念；合理选择切削液；合理选择刀具角度。教学难点：切削力的产生及影响因素。视频辅助：视频辅助：0:15:50-0:40:00任务3：金属切削过程 金属切削过程是指通过切削运动，刀具从工件上切下多余金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 现象-形成切

12、屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。一、切屑和积屑瘤切削变形本质上是工件切削层金属受刀具的作用后，产生弹性变形和塑性变形，使切削层金属分离变为切屑的过程。1切屑的类型根据变形后形成的切屑的外形不同，通常将切屑分为以下四种类型：（1）带状切屑（a ） 外形呈带状，底面光滑，背面无明显裂纹，呈微小锯齿形。加工塑性金属，如碳钢、合金钢、铜、铝等材料时，常形成此类切屑。（2）节状切屑（b ） 切屑底面较光滑，背面局部裂开成节状。切屑黄铜或低速切削钢时，容易得到此类切屑。（3）粒状切屑（c ） 切屑沿厚度断裂为均匀的颗粒状。切削铅或很低的速度下切削钢时，可得到此类切屑。（4）崩碎切屑（d ） 切削

13、脆性金属如铸铁、青铜时，切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，从而使切屑呈不规则的细粒状。图图 1-8 切屑的基本形态切屑的基本形态a a）带状切屑）带状切屑 b）节状切屑）节状切屑 c）粒状切屑）粒状切屑 d）崩碎）崩碎切屑切屑2 2积屑瘤积屑瘤（1）积屑瘤现象）积屑瘤现象 在一定切削速度范围内，加工钢材、在一定切削速度范围内，加工钢材、有色金属等塑性材料时，在切削刃附近的前刀面上会出有色金属等塑性材料时，在切削刃附近的前刀面上会出现一块高硬度的金属，它包围着切削刃，且覆盖着部分现一块高硬度的金属，它包围着切削刃，且覆盖着部分前刀面，可代替切削刃对工件进行切削加工，这块硬度前刀面，可代替切

14、削刃对工件进行切削加工，这块硬度很高（约为工件材料硬度很高（约为工件材料硬度23倍）的金属称为积屑瘤，倍）的金属称为积屑瘤，图图1-9 积屑瘤积屑瘤（2）积屑瘤的产生与成长 关于积屑瘤的形成有许多解释，通常认为是由于切屑在前刀面上粘结造成的。在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，摩擦力也增大，使靠近前刀面处切屑中变形层流速减慢，产生“滞流”现象。越接近前刀面处的金属屋，流动速度越低。（3）积屑瘤的脱落与消失 长高了的积屑瘤受外力或振动的作用，可能发生局部断裂或脱落。当温度和压力适合，积屑瘤又开始形成和长大。积屑瘤的产生、长大和脱落是周期性的动态过程。（4）积屑瘤的作用 积屑瘤

15、对切削加工的好处是能保护刀刃刃口，增大实际工作前角。坏处是造成过切，加剧了前刀面的磨损，造成切削力的波动，影响加工精度和表面粗糙度。据此可以认为，积屑瘤对粗加工是有利的，对于精加工则相反。（5）减小或避免积屑瘤的措施1）避免采用产生积屑瘤的速度进行切削，即宜采用低速或高速切削，但低速加工效率低，故多用高速切削；2）采用大前角刀具切削，以减少刀具与切屑接触的压力；3）提高工件的硬度，减少加工硬化倾向；4）其它措施，诸如减小进给量，减小前刀面的粗糙度值，合理使用切削液等。二、切削力切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。切削力所作的功就是切削功。1、切削力的来源切削力来源有两个方面，即切削层金

16、属变形形成的变形抗力和切屑、工件与刀具间摩擦形成的摩擦抗力。2、切削力的分解切削力是一个空间力，大小和方向都不易直接测定，也没有直接测定的必要。为了适应设计和工艺分析的需要，一般把切削力分解，研究它在一定方向上的分力。3、切削力的计算实际生产中，常用指数公式来计算切削力，具体计算公式可查阅有关参考资料。4、影响切削力的因素工件材料的强度、硬度愈高，切削力愈大。背吃刀量增大一倍时，切削力约增大一倍；进给量增大一倍时，切削力约增大70%80%。前角增大，切削力减小；5、切削功率切削功率是指切削时在切削区内消耗的功率。三、切削热与切削温度1、切削热切削层金属在刀具的作用下产生弹性和塑性变形所作的功，

17、切屑与前刀面、工件加工表面与后刀面之间的摩擦所作的功，都转变为切削热。2、切削温度切削热是通过切削温度而对工件和刀具产生作用的。切削温度一般指切屑与刀具前刀面接触区域的平均温度。切削温度的高低，取决于该处产生热量的多少和传散热量的快慢。通过推算和测定可知，在切屑中平均温度最高。前刀面上最高温度不在切削刃上，而在距离切削刃有一小段距离的地方。3、影响切削温度的因素切削速度对切削温度影响最大，切削速度增大，切削温度随之升高；进给量影响较小；背吃刀量影响更小。前角增大，切削温度下降，但前角不宜太大；主偏角增大，切削温度升高。四、刀具磨损与刀具耐用度1、刀具磨损的形式刀具磨损是指刀具与工件或切屑的接触

18、面上，刀具材料的微粒被切屑或工件带走的现象。这种磨损现象称为正常磨损。若由于冲击、振动、热效应等原因致使刀具崩刃、碎裂而损坏，称为非正常磨损。刀具的正常磨损形式一般有以下几种：（1）前刀面磨损 切削塑性材料时，若切削厚度较大，在刀具前刀面刃口后方会出现月牙洼形的磨损现象。月牙洼处是切削温度最高的地方。随着磨损的加剧，月牙洼逐渐加深加宽，当接近刃口时，会使刃口突然崩去。前刀面磨损量的大小，用月牙洼的宽度KB和深度KT表示。（2）后刀面磨损 指磨损的部位主要发生在后刀面。后刀面磨损后，形成后角等于零度的小棱面。当切削塑性金属时，若切削厚度较小，或切削脆性金属时，由于前刀面上摩擦较小，温度较低，因此

19、磨损主要发生在后刀面。后刀面磨损量的大小是不均匀的。如图 所示，在刀尖部分（C区），其散热条件和强度较差，磨损较大，该磨损量用VC表示；在刀刃靠近工件表面处（N区），由于毛坯的硬皮或加工硬化等原因，磨损也较大，该磨损量用VN表示；只有在刀刃中间（B区）磨损较均匀，此处的磨损量用VB表示，其最大磨损量用VBmax表示。（3）前后刀面同时磨损 当切削塑性金属时，如果切削厚度适中，则经常会发生前刀面与后刀面同时磨损的磨损形式。刀具发生磨损的原因主要是刀具在高温和高压下，受到机械的和热化学的作用而发生的。一般切削温度越高，刀具磨损越快。图图1-13 刀具磨损刀具磨损a a）前、后刀面磨损）前、后刀面磨

20、损 b）磨损量的表示）磨损量的表示2、刀具磨损过程正常磨损情况下，刀具的磨损量随切削时间的增加而逐渐扩大。以后刀面磨损为例，其典型磨损过程如图1-14 所示，大致分为三个阶段。初期磨损阶段（图示AB 阶段） 在刀具开始切削的短时间内磨损较快。正常磨阶段（图示BC 阶段） 随着切削时间的增加，磨损量以较均匀的速度加大。急剧磨损阶段（图示CD 阶段） 当刀具磨损量达到某一数值后，磨损急剧加速，继而刀具损坏。3、刀具磨损限度刀具磨损限度是指对刀具指定一个允许磨损量的最大值，或称刀具磨钝标准。刀具磨损限度一般规定在刀具后刀面上，以磨损量的平均值VB表示。这是因为刀具后刀面对加工质量影响大，而且便于测量

21、。4、刀具的耐用度在实际生产中，不可能经常停机去测量刀具后刀面上的VB值，以确定是否达到磨损限度，而是采用与磨钝标准相对应的切削时间，即刀具耐用度来表示。刀具耐用度的定义为：一把新刃磨的刀具从开始切削至达到磨损限度所经过的总的切削时间，以T表示，单位为min。五、切削液的合理选择合理的使用切削液，可以改善切削条件，减少刀具磨损，提高已加工表面质量，也是提高金属切削效益的有效途径之一。1、切削液的作用（1）冷却作用 切削液烧注到切削区域后，通过切削液的传导、对流和气化，一方面使切屑、刀具与工件间摩擦减小，产生热量减少；另一方面将产生的热量带走，使切削温度降低，起到冷却作用 。（2）润滑作用 切削液的润滑作用，是通过切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间，形成润滑性能较好的油膜而达到的。（3）清洗与防锈作用 切削液的清洗作用是清除