金属切削第四章切削基本原理的应用

1、第一节第一节 切 屑 控 制第二节第二节 工件材料的切削加工性第四节第四节 已加工表面质量第三节第三节 切削液的选用第五节第五节 刀具几何参数的合理选择第六节第六节 切削用量的合理选择第七节第七节 现代切削新技术简介第一节第一节 切 屑 控 制一、切屑形状的分类根据根据ISO规定、并规定、并由我国生产工程学会由我国生产工程学会切削专业委员会推荐切削专业委员会推荐的国标的国标GB/T16461 1996的规定，切屑的的规定，切屑的形状与名称分为八类形状与名称分为八类，见表见表4-1。二、切屑的流向和折断1.1.切屑的流向切屑的流向1 1）控制）控制切屑的流向是为了使切屑不损伤加工表面切屑的流向是

2、为了使切屑不损伤加工表面，便于对切屑处理，使切削顺利进行，便于对切屑处理，使切削顺利进行。2 2）影响流屑方向的主要参数：刀具刃倾角、主偏）影响流屑方向的主要参数：刀具刃倾角、主偏角、角、前角前角。3 3）- -ss使切削流向已加工面使切削流向已加工面;+;+ss使切屑流向待加使切屑流向待加工面。工面。4 4）车刀主偏角）车刀主偏角krkr=90=90时，切削流向已加工表面。时，切削流向已加工表面。使用负前角使用负前角-0 0刀具，切削易流向加工工件一侧刀具，切削易流向加工工件一侧。图4-1流屑角图4-2刃倾角对切屑流向的影响a)-b)+2.切屑的折断图4-3切屑折断原理a)切屑受力后卷曲b)

3、影响卷曲半径参数c)断屑槽尺寸 切屑经第切屑经第I、第、第II变形区的严重变形后，硬度增变形区的严重变形后，硬度增加，塑性降低，性能变脆。当切屑经加，塑性降低，性能变脆。当切屑经变形自然卷曲变形自然卷曲或经或经断屑槽断屑槽等障碍物等障碍物强制卷曲强制卷曲产生的拉应变超过切产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值时，切屑即会折断。屑材料的极限应变值时，切屑即会折断。 当切屑厚度当切屑厚度hch增加，切屑卷曲半径增加，切屑卷曲半径减小，切减小，切屑材料的极限应变值屑材料的极限应变值b小，切屑易折断。因此凡影小，切屑易折断。因此凡影响响hch、 及及b 的因素，都有可能影响断屑。的因素，都有可能影响断屑

4、。三、断屑措施1.作出断屑槽作出断屑槽分为：折线形、直线圆弧型和全圆弧形。分为：折线形、直线圆弧型和全圆弧形。图4-4断屑槽型式a)折线型b)直线圆弧型c)全圆弧型图4-5断屑槽位置及刃倾角作用a)外倾式b)平行式c)内斜式位置形式：外倾式、平形式、内斜式位置形式：外倾式、平形式、内斜式。表4-2断屑槽宽度(单位：mm)进给量进给量f/mm背吃刀量背吃刀量ap/mm断屑槽宽断屑槽宽低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢合金钢合金钢工具钢工具钢0.20.50.30.50.30.61325363.23.53.54.04.55.02.83.03.03.23.23.52.改变切削用量在切削用量参数中，对断屑影响最大

5、的是在切削用量参数中，对断屑影响最大的是进给量进给量f，其次是背吃刀量，其次是背吃刀量ap，最小为切削速度，最小为切削速度vc。进给量增大，使切屑厚度进给量增大，使切屑厚度hch增大，当受到增大，当受到碰撞后切屑容易折断。碰撞后切屑容易折断。背吃刀量增大时对断屑影响不明显，只有背吃刀量增大时对断屑影响不明显，只有当同时增加进给量时，才能有效地断屑。当同时增加进给量时，才能有效地断屑。3.其他断屑方法（1）固定附加断屑挡块）固定附加断屑挡块 在刀具前刀面上，固定着可调距离和角度的挡在刀具前刀面上，固定着可调距离和角度的挡块，能达到稳定断屑，不足之处是减小了出屑空间块，能达到稳定断屑，不足之处是减

6、小了出屑空间且易被切屑阻塞。且易被切屑阻塞。（2）采用间断切削）采用间断切削 采用断续切削或振动切削方式，获得断屑或使采用断续切削或振动切削方式，获得断屑或使切削厚度周期性变化和切屑截面积变化，致使狭小切削厚度周期性变化和切屑截面积变化，致使狭小截面处应力集中，强度减弱，达到断屑目的。截面处应力集中，强度减弱，达到断屑目的。（3）切削刃上开分屑槽）切削刃上开分屑槽 这是较为常见的方法。这是较为常见的方法。工件材料的切削加工性：工件材料的切削加工性： 在一定的加工条件下工件材料被切削加工的难在一定的加工条件下工件材料被切削加工的难易程度易程度。一、切削加工性指标一、切削加工性指标1.加工材料的性

7、能指标加工材料的性能指标 材料加性能难易程度主要取决于材料结构和金材料加性能难易程度主要取决于材料结构和金相组织，及所具有的物理和力学性能，其中包括材相组织，及所具有的物理和力学性能，其中包括材料硬度料硬度HBW、抗拉强度、抗拉强度b、伸长率、伸长率、冲击韧度、冲击韧度K和热导率和热导率。 通常按数值的大小来划分加工性等级，见表通常按数值的大小来划分加工性等级，见表4-3。第二节第二节 工件材料的切削加工性表4-3工件材料切削加工性分级表切削加工性易切削较易切削较难切削难切削等级代号0123456789硬度HBW50501001001501502002002502503003003503504

8、00400480480635635HRC1424.824.832.332.338.138.1434350506060抗拉强度/GPa0.1960.1960.4410.4410.5880.5880.7840.7840.980.981.1761.1761.3721.3721.5681.5681.7641.7641.961.962.452.45表4-3工件材料切削加工性分级表伸长率100101015152020252530303535404050506060100100冲击韧度/kJ19619639239258858878478498098013721372176417641962196224502

9、450294029403920热导率/Wm418.68293.08293.08167.47167.4783.7483.7462.8062.8041.8741.8733.533.525.1225.1216.7516.758.37220HBW纯铜黄铜青铜前角0-3-5-7-10128253015255152530一、前角o的选择(二二) 前角的选择原则前角的选择原则2.根据加工要求选择根据加工要求选择 粗加工和断续切削应选用较小的前角；精加工选粗加工和断续切削应选用较小的前角；精加工选较大的前角。较大的前角。 3.根据刀具材料选择根据刀具材料选择 高速钢可选较大的前角；硬质合金应选用较小的高速钢可

10、选较大的前角；硬质合金应选用较小的前角；陶瓷刀具前角更小。前角；陶瓷刀具前角更小。表4-6不同刀具材料加工钢时前角值刀具材料碳钢/GPa高速钢硬质合金陶瓷0.7840.7842520121510105二、后角o的选择 后角后角o主要功用是减小后刀面与加工表面间的主要功用是减小后刀面与加工表面间的摩擦摩擦。 （1）增大后角，减小摩擦，加工便面质量高；）增大后角，减小摩擦，加工便面质量高； （2）增大后角，楔角减小，使切削刃刃口钝圆）增大后角，楔角减小，使切削刃刃口钝圆半径减小，刃口越锋利。半径减小，刃口越锋利。 （3）后角过大，使刀具楔角减小，刃口强度降）后角过大，使刀具楔角减小，刃口强度降低，

11、散热体积减小，刀具磨损大，因而刀具耐用度低，散热体积减小，刀具磨损大，因而刀具耐用度下降。下降。图4-17刀具后角与磨损量关系图4-18后角重磨后对加工精度影响三、副后角o的选择 与后角基本相同。与后角基本相同。1.根据加工精度选择根据加工精度选择 精加工取大后角，减小摩擦；精加工取大后角，减小摩擦； 粗加工取小后角，增加刀尖强度。粗加工取小后角，增加刀尖强度。2.根据加工材料选择根据加工材料选择 脆硬工件材料取小后角，易切削材料取大后角。脆硬工件材料取小后角，易切削材料取大后角。四、主偏角r的选择1.根据加工材料选择 材料强度、硬度高时，kr宜小2.根据加工工艺系统刚性选择 工艺系统差时，k

12、r =60753.根据加工表面形状要求选择 细长轴、阶梯轴kr=90； 车外圆、端面和倒角时kr=45图4-19主偏角与刀具寿命的关系加工条件：工件材料Cr-Mo钢、刀具P10(YT15)、ap=3mm、f=0.2mm/r五、副偏角r的选择 副偏角是影响表面粗糙度的主要角度，它的大副偏角是影响表面粗糙度的主要角度，它的大小也影响刀具强度小也影响刀具强度 副偏角过小，会增加副后面与已加工表面间的副偏角过小，会增加副后面与已加工表面间的摩擦，引起振动。摩擦，引起振动。 选择原则：不影响摩擦和振动条件下，应选取选择原则：不影响摩擦和振动条件下，应选取较小副偏角。较小副偏角。表4-7主偏角、副偏角选用

13、值适用范围加工条件加工系统刚性差的台阶轴、细长轴、多刀车、仿形车加工系统刚性较差，粗车，强力车削加工系统刚性较好，可中间切入，加工外圆、端面、倒角加工系统刚性足够的碎硬钢、冷硬铸铁加工不锈钢加工高锰钢加工钛合金主偏角/（）副偏角/（）7593106607015104545103010545758152545102030451015六、刃倾角s的选择 刃倾角影响切屑流向刃倾角影响切屑流向，取负刃倾角时增加刀头强取负刃倾角时增加刀头强度，提高切削刃的抗冲击能力。但韧倾角负值过大易度，提高切削刃的抗冲击能力。但韧倾角负值过大易产生振动。刃倾角的选原则：产生振动。刃倾角的选原则：1.根据加工要求选择根

14、据加工要求选择 1）精加工）精加工s =0+5（防切屑划伤已加工表面）（防切屑划伤已加工表面） 2）粗加工、有冲击载荷、断续切削时，取）粗加工、有冲击载荷、断续切削时，取s=0-5，提高刀具强度，避免刀尖受冲击，提高刀具强度，避免刀尖受冲击2.根据加工条件选择根据加工条件选择 加工断续表面、加工余量不均匀表面，或在其他加工断续表面、加工余量不均匀表面，或在其他产生冲击振动的切削条件下，通常选取负的刃倾角。产生冲击振动的切削条件下，通常选取负的刃倾角。七、刀尖修磨形式1.修圆刀尖修圆刀尖2.倒角刀尖倒角刀尖3.倒角带修光刃倒角带修光刃图4-20刀尖修磨形式a)修圆刀尖b)倒角刀尖c)倒角带修光刃

15、图4-21刀尖圆弧半径对刀具寿命与刀具磨损的关系a)刀尖圆弧半径与刀具寿命关系 b) 刀尖圆弧半径与刀具磨损关系图4-22刃口修磨几种形式a)锋刃(未修磨)b)刃口修圆c)刃口负倒棱d)刃口平棱e)负后角倒棱八、刃口修磨形式图4-23刃口修磨对刀具寿命的影响曲线加工条件：工件Ni-Co-Mo钢、280HBW、刀具P10(YT15)1.选择背吃刀量ap2.选择进给量f2.加工耐热钢及其合金时，不采用大于1.0mm/r的进给量。3.加工淬硬钢时，表内进给量应乘系数K=0.8(当材料硬度为4456HRC时)及K=0.5(当材料硬度为5762HRC时)。3.选择切削速度vc4.机床功率检验第六节第六节

16、 切削用量的合理选择1.选择背吃刀量ap粗加工：粗加工： 在加工余量不多并较均匀、加工工艺系统刚在加工余量不多并较均匀、加工工艺系统刚性足够时，应使背吃刀量一次切除余量性足够时，应使背吃刀量一次切除余量A，即，即 如有硬化层、氧化皮或硬杂质，如有硬化层、氧化皮或硬杂质，且且加工余量足加工余量足够，则背吃刀量够，则背吃刀量ap也应加大，若需分两次切除余也应加大，若需分两次切除余量，则量，则半精加工：半精加工：由于粗加工后形成表面的质量较为良由于粗加工后形成表面的质量较为良好，应使半精加工的背吃刀量一次切除余量。好，应使半精加工的背吃刀量一次切除余量。2.选择进给量f粗加工取大，精加工取小。粗加工

17、取大，精加工取小。表4-8硬质合金车刀粗车外圆时的进给量工件材料车刀刀杆尺寸BH/(mmmm)工件直径/mm背吃刀量/mm3355881212以上进给量f/mm碳素结构钢和合金结构钢16252040601004000.30.40.40.50.50.70.60.90.81.20.30.40.40.60.50.70.71.00.30.50.50.60.60.80.40.50.50.6203025252040601006000.30.40.40.50.60.70.81.01.21.40.30.40.50.70.70.91.01.20.40.60.50.70.81.00.40.70.60.90.40.

18、6注：注：1、加工断续表面及有冲击加工时，表内的进给量加工断续表面及有冲击加工时，表内的进给量应乘系数应乘系数k=0.750.85.2、加工耐热钢及其合金时，不采用大于加工耐热钢及其合金时，不采用大于1.0mm/r的的进给量。进给量。3、加工淬硬钢时，表内进给量应乘系数加工淬硬钢时，表内进给量应乘系数K=0.8(当当材料硬度为材料硬度为4456HRC时时)及及K=0.5(当材料硬度为当材料硬度为5762HRC时时)。表4-9不同刀尖圆弧半径时的最大进给量刀尖圆弧半径/mm0.40.81.21.62.4最大推荐进给量f/(mm/r)0.250.350.40.70.51.00.71.31.01.8

19、表4-10不同表面粗糙度和刀尖圆弧半径时的进给量f(单位：mm/r)表面粗糙度刀尖圆弧半径2.512.56.32.54.96.34.04.92.54.01.62.51.01.60.40.270.250.220.200.150.100.80.510.430.370.320.280.220.131.20.690.560.490.410.360.290.181.60.880.680.570.470.390.310.203.选择切削速度vc切削速度对于刀具寿命影响最大，因此，需要计算选择表4-11国产焊接和机夹可转位车刀切削用量选用参考表工件材料热处理状态刀具材料ap0.32mmf0.080.3mm/

20、rap26mmf0.30.6mm/rap610mmf0.61mm/rVc/(m/min)碳素钢正火YT15 YT30YT5R YC35 YC451601301109080601301009070调质合金钢正火YT30 YT5R YM1013011090707050调质YW1 YW2 YW3 YC451108070506040表4-11国产焊接和机夹可转位车刀切削用量选用参考表工件材料热处理状态刀具材料ap0.32mmf0.080.3mm/rap26mmf0.30.6mm/rap610mmf0.61mm/r/(m/min)不锈钢正火YG8 YG6A YG8NYW3 YM051 YM1080707

21、0606050淬火钢45HRCYT510 YM051 YM05240HRC503060HRC3020高锰钢(=13%)YT5R YW3YC35 YS30 YM05230202010表4-11国产焊接和机夹可转位车刀切削用量选用参考表高温合金(GH135)YM051 YM052 YD1550(K14)YS2T YD154030钛合金YS2T YD15ap1.1mmf0.10.3mm/rap2.0mmf0.10.3mm/rap3.0mmf0.10.3mm/r653649284426灰铸铁(190HBW)YG8 YG8N1209080607050(190225HBW)YG3X YG6X YG6A11

22、08070506040冷硬铸铁45HRCYG6X YG8M YM053YD15 YS2 YDS15ap36mmf0.150.3mm/r1517表4-12瑞典SANDVIK数控刀具切削用量推荐表加工材料加工条件刀片几何槽形刀片牌号对应ISO牌号正前角型主要切削性能背吃刀量/mm刀尖圆弧半径/mm进给量f/mm切削速度/mmi低合金钢260HBW粗加工适用于断续切削有锻造硬皮PR槽形GC4025牌号ISOP25正前角有增强棱边耐磨性高1.04.01.20.33250.80.25350半精加工能有微振PM槽形GC4025牌号ISOP25能确保断屑耐磨性良好1.04.00.80.23750.40.14

23、410精加工轻负荷小背吃刀量、小进给PF槽形GC4015牌号ISOP15刃口锋利断屑好0.11.70.40.15300.20.08545表4-12瑞典SANDVIK数控刀具切削用量推荐表奥氏体不锈钢180HBW粗加工在不良条件下加工，断续切削、有锻造硬皮MR槽形GC2025牌号ISOM25高强度正前角切削刃强度高1.04.01.20.31900.80.25200半精加工切削力小切削稳定MM槽形GC2025牌号ISOM25耐磨性较好韧性较好0.330.80.22150.40.14235精加工精度高公差小MF槽形GC2015牌号ISOM15耐磨性高0.11.70.40.12800.20.07285

24、加工材料加工条件几何槽形/刀片牌号对应ISO牌号正前角型主要切削性能背吃刀量/mm刀尖圆弧半径/mm进给量f/mm切削速度/mmi灰铸铁260HBW粗加工抗拉强度高，轻负荷切削，断续切削KR槽形GC3015牌号ISOK10从一般切削到轻负荷都有良好切削性能，切削刃坚韧，有增强刃带1.04.00.120.32300.80.25245半精加工可适用球墨铸铁KM槽形GC3015牌号ISOK10锋利的正前角槽形切削力小，切削轻快0.330.80.22500.40.14260精加工铸铁精加工首选KF槽形GC3005牌号ISOK10切削刃锋利切削力小，切削无毛刺，能降低崩刃0.11.70.40.1265表

25、4-12瑞典SANDVIK数控刀具切削用量推荐表加工材料加工条件刀片几何槽形刀片牌号对应ISO牌号正前角型主要切削性能背吃刀量/mm刀尖圆弧半径/mm进给量f/mm切削速度/mmi4.机床功率检验 若选用的切削用量值过高或者机床动力较小，需检验机床功率是否允许，检验方法应使一、超高速切削一、超高速切削二、精密和超精密加工二、精密和超精密加工三、干切削三、干切削四、硬切削四、硬切削第七节第七节 现代切削新技术简介一、超高速切削 超高速切削是在超高速切削是在20世纪世纪70年代国内外发展应用的年代国内外发展应用的一种先进切削技术。一种先进切削技术。 超高速切削可达到很高的切削效率、高的精度和超高速

26、切削可达到很高的切削效率、高的精度和低成本。低成本。 目前目前，在航空航天、汽车制造和精密机械制造的在航空航天、汽车制造和精密机械制造的车、铣和磨削等加工中使用很多。车、铣和磨削等加工中使用很多。1.超高速切削速度超高速切削速度 常用切削速度的常用切削速度的10倍左右。倍左右。2.超高速切削过程的主要特点超高速切削过程的主要特点 切削力小切削力小 温度使材料受到软化，切削力减小切削变形小切削变形小随速度提高增大，变形急剧减小切削温度低切削温度低热量大量被切屑带走，工件温度低加工精度高加工精度高不易产生振动，切削力小、热变形小、和表面质量高刀具耐用度相对有所提高刀具耐用度相对有所提高寿命下降速率

27、减小 加工效率高加工效率高机动和辅助时间减少、自动化程度提高加工能耗低加工能耗低 单位功率金属切除率显著增大，降低能耗，能源和设备利用率提高3.超高速切削条件超高速切削条件 利用超硬刀具利用超硬刀具二、精密和超精密加工一般加工一般加工 指加工精度在指加工精度在10m左右（左右（IT5IT7）、表面粗糙）、表面粗糙度为度为Ra0.2m0.8m的加工方法的加工方法。精密加工精密加工 指加工精度在指加工精度在10m 0.1m（IT5或或IT5以上以上）、表、表面粗糙度为面粗糙度为Ra0.1m的加工方法的加工方法。超超精密加工精密加工 指加工精度指加工精度高于高于0.1m、表面粗糙度为、表面粗糙度为R

28、a0.01m的加工方法的加工方法。1.精密、超精密切削的刀具及对切削过程的影响精密、超精密切削的刀具及对切削过程的影响 超超精密切削是使用精密的精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工加工表面（粗糙度表面（粗糙度Ra0.020.005m，加工精度，加工精度0.01m）。）。刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 re=0.10.3m刃口钝圆半径刃口钝圆半径 rn=0.10.2m，最高，最高24nm金刚石不同晶面的摩擦系数金刚石不同晶面的摩擦系数最小切削厚度最小切削厚度2. 超超精密机床的结构特点精密机床的结构特点 主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性主轴有极高的回转精度及很高的刚性和热稳定性 进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速进给系统有超精确的匀速直线性，保证在超低速条件下进给均匀，不发生爬行条件下进给均匀，不发生爬行 为了在超精密加工时实现微量进给，必须配备位为了在超精密加工时实现微量进给，必须配备位移精度极高的微量进给机构移精度极高的微量进给机构 采用微机控制系统，自适应控制系统采用微机控制系统，自适应控制系统 或磁致伸缩或磁致伸缩的微位移机构等。的微位移机构等。1.干切削的主要条件（1）选用高