机械制造工程学

机械制造工程学第一页，共六十二页，2022年，8月28日第四章切削基本理论的应用第一节工件材料的切削加工性

1.工件材料的切削加工性的概念和衡量标志

材料的切削加工性笼统地说是指对某种材料进行切削加工的难易程度。

衡量切削加工性的指标：第二页，共六十二页，2022年，8月28日常用材料的相对加工性Kv分八级,见表(4-1)2）以切削力或切削温度衡量切削加工性3）以已加工表面质量衡量切削加工性4）以切削控制或断屑的难易衡量切削加工性

一般以切削正火状态45钢的V60作为基准[写作(V60)ｊ],而把其他各种材料的V60同它相比，这个比值Kv称为相对加工性。1）以刀具寿命T或一定寿命下的切削速度vT衡量加工性第三页，共六十二页，2022年，8月28日2.影响工件材料切削加工性的因素

1）金属材料物理力学性能的影响

a.硬度和强度

硬度适中(HB160-200),加工性好.太硬,太软都不好加工.b.塑性

材料的塑性越大,越难加工.c.韧性

材料的韧性越大,越难加工.d.导热性

材料的导热性越好,越好加工.e.其他物理机械性能及化学性质

线膨胀系数弹性模量第四页，共六十二页，2022年，8月28日2)金属材料化学成分的影响

9.磷P*CMnSiCrNiMoPbPS0有利于加工方向不利于加工方向%1.碳C2.锰Mn

3.硅Si4.铬Cr

5.镍Ni6.钼Mo

7.铅Pb*

8.硫S

*第五页，共六十二页，2022年，8月28日铸铁的切削加工性取决于其中的石墨数量和形态:灰铸铁:Fe3C和其他碳化物与片状石墨的混合体,硬度与中碳钢相近,脆性大,切削力为钢的45%球墨铸铁

可锻铸铁

:

切削加工性比灰铸铁和钢都好白可铁

(HRC52-55)

合金耐磨铸铁

(HRC62):

是目前最难加工的金属材料之一.第六页，共六十二页，2022年，8月28日3)金属材料热处理状态和金相组织的影响

铁素体

太软太韧

渗碳体

硬度高

珠光体

球状珠光体加工性最好

片状珠光体硬度较高

索氏体和托氏体

比珠光体硬度高

马氏体

硬度高韧性和塑性低

切削加工性很差

奥氏体

韧性和塑性很高切削加工性较差第七页，共六十二页，2022年，8月28日3.改善切削加工性的途径

a.通过热处理改变材料的组织和机械性能

高碳钢:

硬度高加工困难可球化退火降低硬度

中碳钢:

组织不均匀可正火或退火

低碳钢:

硬度低塑性高可正火或调质

铸铁

:

一般在加工前退火b.调整材料的化学成分硫,磷,硒,铋,钙,铅━━有利于切削加工

第八页，共六十二页，2022年，8月28日4.难加工金属材料的切削加工性

随着科学技术的不断发展,对材料的要求不断提高……难加工金属材料主要特征:

1)

高硬度

2)高强度

3)高塑性和高韧性

4)低塑性和高脆性

5)低导热性

6)有大量硬质点或硬夹杂物

7)化学性能活泼

1)高强度、超高强度钢的切削加工性

2)高锰钢的切削加工性

3)冷硬铸铁和淬硬钢的切削加工性

4)纯金属的加工

5)不锈钢和高温合金的切削加工性

6)钛合金的切削加工性第九页，共六十二页，2022年，8月28日第二节切削液及其选用

一、切削液的分类

水溶液

主要成份是水,冷却性能好.

乳化液

乳化油用水稀释性能界于两者之间.

切削油

主要成份是矿物油,润滑性能好.

二、切削液的作用机理

a)切削液的冷却作用

b)切削液的润滑作用

c)切削液的清洗作用d)切削液的防锈作用

第十页，共六十二页，2022年，8月28日三、切削液的添加剂

1.油性添加剂和极压添加剂

1）含硫的极压添加剂

2）含氯的极压添加剂

3）含磷的极压添加剂

2.防锈添加剂

1）水溶性防锈添加剂

2）油溶性防锈添加剂3.防霉添加剂第十一页，共六十二页，2022年，8月28日4.抗泡沫添加剂5.乳化剂

a)乳化液形成的机理

水包油O/W

油包水W/O

b)表面活性剂的种类

c)乳化稳定剂

四、切削液的选择和使用

1.浇注法2.高压冷却法3.喷雾冷却法第十二页，共六十二页，2022年，8月28日不用冷却液的几种场合：1.硬质合金刀具一般不采用切削液。

因为硬质合金的热硬性较高,而较高的切削温度还会适当提高硬质合金的韧性，可避免其崩刃。2.加工脆性材料如铸铁，青铜等一般不用切削液。

因为效果不好。接触面积小，摩擦力小。

3.加工铝合金一般不用切削液。

因为铝的导热性能良好。

4.加工镁合金不用切削液。

因为容易引起燃烧。

第十三页，共六十二页，2022年，8月28日一、影响加工表面粗糙度的工艺因素及其改善措施主要有两个方面:几何因素和物理因素1、切削加工表面粗糙度

刀尖圆弧半径Rε

切削加工表面粗糙度值主要取决于切削残留面积的高度。影响切削残留面积高度的因素主要包括：第三节已加工表面质量

已加工表面质量：加工表面的几何形状误差表面层金属的力学物理性能和化学性能主偏角κr

副偏角κr'

进给量f第十四页，共六十二页，2022年，8月28日车削、刨削时切削残留面积高度的计算:ffκrκr'HfrεH第十五页，共六十二页，2022年，8月28日加工脆性材料:切削速度对表面粗糙度的影响不大。切削速度对表面粗糙度的影响:RZV加工塑性材料:此外，合理选择切削液，适当增大刀具的前角、提高刀具的刃磨质量等。均能有效的减小表面粗糙度值。第十六页，共六十二页，2022年，8月28日

1）磨削用量对表面粗糙度的影响（一）几何因素的影响2、磨削加工后的表面粗糙度

磨削加工表面粗糙度的形成由几何因素和表面层金属的塑性变形（物理因素）决定的，但磨削过程要比切削过程复杂的多。①

V:砂轮的速度越高，单位时间内通过被磨表面的磨粒数就越多，因而工件表面的粗糙度值就越小。②

VW

:工件速度对表面粗糙度的影响正好与砂轮速度的影响相反，增大工件速度时，单位时间内通过被磨表面的磨粒数减少，表面粗糙度值将增加。③

fr:砂轮的纵向进给减小，工件表面的每个部位被砂轮重复磨削的次数增加，被磨表面粗糙度值将减小第十七页，共六十二页，2022年，8月28日2）砂轮粒度和砂轮修整对表面粗糙度的影响

在相同的磨削条件下，砂轮的粒度号数越大，参加磨削的磨粒越多，表面粗糙度就越小。修整砂轮的纵向进给量对磨削表面的粗糙度影响甚大。第十八页，共六十二页，2022年，8月28日（二）表面层金属的塑性变形—物理因素的影响1）磨削用量磨削特点：

砂轮的磨削速度远比一般的切削加工速度高的多，且磨粒大多为负前角，磨削比压大，磨削区温度很高，工件表面温度有时可达900˚C，工件表层金属容易产生相变而烧伤。因此，磨削过程的塑性变形要比一般切削过程大的多。砂轮速度V磨削深度ap工件速度V磨削用量对表面粗糙度的影响:第十九页，共六十二页，2022年，8月28日V砂轮RaV工件Ra磨削深度apRa磨削用量对表面粗糙度的影响:第二十页，共六十二页，2022年，8月28日2）砂轮的选择砂轮粒度砂轮硬度砂轮组织砂轮材料第二十一页，共六十二页，2022年，8月28日二、影响表层金属力学物理性能的工艺因素及其改进措施

机械加工过程中产生的塑性变形，使晶格扭曲、畸变，晶粒间产生滑移，晶粒被拉长，这些都会使表面层金属的硬度增加，统称为冷作硬化。1、加工表面层的冷作硬化（一）概述

金属冷作硬化的结果，使金属处于高能位不稳定状态，只要一有条件，金属的冷硬结构本能的向比较稳定的结构转化。这些现象统称弱化。第二十二页，共六十二页，2022年，8月28日评定冷作硬化的指标有下列三项1）表层金属的显微硬度HV；2）硬化层深度h（µm）；3）硬化程度N。

式中HV0——工件内部金属原来的硬度。第二十三页，共六十二页，2022年，8月28日（二）影响切削加工表面冷作硬化的因素1）切削用量的影响进给量对冷作硬化的影响切削用量中以进给量和切削速度的影响最大。切削速度增大时，刀具与工件作用时间减少，因而冷硬程度增大。切削深度对表层金属冷作硬化的影响不大。V=170m/minV=135m/minV=100m/minV=50m/min硬度HVf(mm/r)第二十四页，共六十二页，2022年，8月28日2）刀具几何形状的影响主要有两个参数:钝圆半径rn↗，冷硬程度↗后刀面磨损量VB↗，冷硬程度↗第二十五页，共六十二页，2022年，8月28日

工件材料的塑性越大，冷硬倾向越大，冷硬程度也越严重。

碳钢中含碳量越大，强度越高，其塑性越小。3）加工材料性能的影响

切削刃钝圆半径

Rn:对切削形成过程的进行有决定性影响。切削刃钝圆半径增大，径向切削分力也将随之增大，表层金属的塑性变形程度加剧，导致冷硬增大。

刀具磨损VB:对表层金属冷硬影响很大，这是由于磨损宽度加大后，刀具后刀面与被加工工件的磨擦加剧，塑性变形增大，导致表面冷硬增大。第二十六页，共六十二页，2022年，8月28日（三）影响磨削加工表面冷作硬化的因素1）工件材料性能的影响2）磨削用量的影响从材料的塑性和导热性两方面着手分析。☆提高磨削速度，减弱了塑性变形程度，弱化倾向增大。☆加大磨削深度，磨削力随之增大，磨削过程的塑性变形加剧，表面冷硬倾向增大。☆加大纵向进给速度，磨削力增大，冷硬增大。☆提高工件转速，会缩短砂轮对工件热作用的时间使软化倾向减弱，因而表层的冷硬增大。第二十七页，共六十二页，2022年，8月28日

砂轮的粒度越大，每颗磨粒的载荷越小，冷硬程度也越小。3）砂轮粒度的影响第二十八页，共六十二页，2022年，8月28日（四）冷作硬化的测量方法冷作硬化的测量主要是指表面层的显微硬度HV和硬化层深度h的测量，硬化程度N可由表面层的显微硬度HV和工件内部金属原来的显微硬度HV0通过式求得。加工表面冷硬层很薄时，可在斜截面上测量显微程度。对于平面试件可按下图磨出斜面，然后逐点测量其显微硬度并将测量结果绘制图形。第二十九页，共六十二页，2022年，8月28日在斜截面上测量显微硬度αlh斜切角常取为0°30′~2°30′显微硬度HV距表面的距离HVHV0第三十页，共六十二页，2022年，8月28日2、表层金属的金相组织变化（一）机械加工表面金相组织的变化回火组织淬火组织退火组织第三十一页，共六十二页，2022年，8月28日（二）改善磨削烧伤的工艺途径(1)正确选择砂轮

磨削导热性差的材料，容易产生烧伤现象。硬度太高的砂轮，砂轮钝化之后不易脱落，容易产生烧伤为避免产生烧伤，应选择较软的砂轮。选择具有一定弹性的结合剂，也有助于避免产生烧伤现象。正确选择砂轮合理选择磨削用量改善冷却条件开槽砂轮第三十二页，共六十二页，2022年，8月28日(2)合理选择磨削用量☆

加大工件的回转速度vw，磨削表面的温度升高，但其增长速度与磨削深度ap

的影响相比小的多，实践证明，同时提高砂轮速度vs

和工件速度vw

，可以避免烧伤。结论:从减轻烧伤而同时又尽可能保持较高的生产效率考虑，应选用较大的工件速度Vw和较小的磨削深度ap

。☆磨削深度ap

对磨削温度影响极大，从减轻烧伤的角度考虑，ap

不宜过大。☆加大横向进给量ft

对减轻烧伤有好处。第三十三页，共六十二页，2022年，8月28日(3)改善冷却条件磨削时磨削液若能直接进入磨削区，对磨削区进行充分冷却，能有效的防止烧伤现象的产生。然而目前通用的冷却方法效果很差，实际上没有多少冷却液真正进入磨削区。因此，必须采用切实可行的措施，改善冷却条件，防止烧伤现象产生。(4)开槽砂轮内冷却是一种较为有效的冷却方法。第三十四页，共六十二页，2022年，8月28日3、表层金属的残余应力

在机械加工过程中，当表层金属组织发生形状变化、体积变化或金相组织变化时，将在表面层的金属与其基体间产生相互平衡的残余应力。★产生残余应力的原因★影响车削表层的工艺因素★影响磨削残余应力的工艺因素★工件最终工序加工方法的选择第三十五页，共六十二页，2022年，8月28日（二）影响车削表层金属残余应力的工艺因素（一）表层金属产生残余应力的原因1）切削速度和被加工材料的影响

在所有的切削速度下，工件表层金属都产生拉伸残余应力。当高速切削时，表层金属的淬火进行的较充分，表面层金属的比容增大，金相组织变化因素起主导作用，因而在表层金属中产生了压缩残余应力。2）进给量的影响

加大进给量，会使表面层金属的塑性变形增加，切削区发生的热量也增加，结果会使残余应力的数值及扩展深度均相应增大.第三十六页，共六十二页，2022年，8月28日（三）影响磨削残余应力的工艺因素

磨削深度对表面层残余应力的性质、数值有很大影响。提高砂轮速度，磨削区温度增高，而每颗磨粒所切除的金属厚度减小，此时热因素的作用增大，塑性变形的影响减小。加大工件的回转速度和进给速度，将使砂轮和工件热作用时间缩短，热因素的影响逐渐减小。

工件材料的强度越大、导热性越差、塑性越低，在磨削时表面金属产生拉伸残余应力的倾向越大。1）磨削用量的影响2）工件材料的影响第三十七页，共六十二页，2022年，8月28日（四）工件最终工序加工方法的选择

一般来说，工件表面残余应力的数值及性质主要取决于工件最终工序的加工方法。第三十八页，共六十二页，2022年，8月28日加工方法应力性质应力值σ

MPa应力层深度hmm车削表面σ+里层σ-(v>500m/min,反之)200~800（Max1000）0.05~0.1(Max0.65)磨削表面σ-里层σ+200~10000.05~0.30铣削表面σ+里层σ-600~1500碳钢淬硬表面σ-里层σ+400~750滚压表面σ-里层σ+700~800喷丸表面σ-里层σ+1000~1200渗碳淬火表面σ-里层σ+1000~1100镀铬表面σ+里层σ-400镀铜表面σ+里层σ-200各种加工方法在工件表面上残留的内应力第三十九页，共六十二页，2022年，8月28日第四节刀具几何参数的合理选择

一、选择刀具合理几何参数的意义和内容

1.概述

在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。

2.刀具合理几何参数的基本内容

1）刃形2）切削刃刃区的剖面型式及参数3）刀面型式及参数图4）刀具角度第四十页，共六十二页，2022年，8月28日3.选择刀具合理几何参数的一般性原则

1）要考虑工作的实际情况二、前角、后角的功能及其选择

1.前角的功用（1）影响切削区域的变形程度(切屑变形、切削力、温度、磨损、耐用度）2）要考虑刀具材料和刀具结构3）要注意各个几何参数之间的联系4）要考虑具体的加工条件

（2）影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件（3）影响已加工表面质量

第四十一页，共六十二页，2022年，8月28日2.合理前角值的选择

合理前角γopt的概念：Tmax

3.合理前角的选择原则

（1）根据被加工工件材料选择（2）根据加工要求选择（3）根据刀具材料选择前角γ0刀具耐用度T0γopt高速钢γopt硬质合金前角γ0刀具耐用度T0γopt铸铁γopt中碳钢γopt软钢第四十二页，共六十二页，2022年，8月28日4.前刀面的选择

锋刃（未修磨）刃口修圆刃口负倒棱刃口平棱负后角倒棱刃口修圆、倒棱都是为了提高刃口的强度HSS精加工获得高加工表面减少刀刃粘屑刃口负倒棱和刃口平棱均可提高刃口强度、抗冲击能力和改善散热条件。负后角倒棱增加阻尼作用，起到抑制振动效果。bα1α01=-5°～-20°提高刃口强度第四十三页，共六十二页，2022年，8月28日5.后角的功用(1)后角的主要功用是减小后刀面与过度表面之间的摩擦。(2)后角越大，削刃钝圆半径rn值越小，切削刃越锋利。(3)在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新用到磨钝，所磨去的金属体积越大。(4)增大后角将使切削刃和刀头的强度削弱，导热面积和容热体积减小；且NB一定时的磨耗体积小，刀具使用寿命短，这些是增大后角的不利方面。

第四十四页，共六十二页，2022年，8月28日合理后角的选择原则:6.合理后角值的选择

（1）根据切削厚度ac选择合理后角（2）根据工件材料选择合理后角（3）根据加工条件选择合理后角

第四十五页，共六十二页，2022年，8月28日三、主偏角、副偏角的功能及其选择

1.主偏角、副偏角的功用(1)影响切削加工残留表面高度。(2)影响切削层的形状。(3)影响三个切削分力的大小和比例关系。主偏角和副偏角决定了尖角εr，故直接影响刀尖处的强度，导热面积和容热体积。(5)主偏角还影响断屑效果和排屑方向。

第四十六页，共六十二页，2022年，8月28日2.主偏角的选用主偏角选择原则是：（1）根据加工类型选择主偏角（2）根据加工工艺系统刚性选择主偏角（3）根据加工表面形状要求选择主偏角第四十七页，共六十二页，2022年，8月28日4.副偏角的选用合理副偏角的选择原则是：在不影响摩擦和振动条件下，应选较小的副偏角。3.副偏角的功用影响副切削刃的长度影响已加工表面质量第四十八页，共六十二页，2022年，8月28日4.刀尖角的功用和选用(1)各种切削刀具的刀尖是工作条件最困难的部位。修圆刀尖倒角刀尖倒角带修光刃刀尖的功用及研究刀尖的意义(2)许多刀具主切削刃与副切削刃连接处的刀尖，直接影响已加工表面的形成过程，影响残留面积高度。第四十九页，共六十二页，2022年，8月28日四、刃倾角的功能及其选择

1．刃倾角的功用：(1)影响切屑流出方向(2)影响切削刃的锋利性(3)影响刀尖强度和刀尖导热和容热条件(4)影响切入切出的平稳性(5)影响切削刃的工作长度(6)影响切削分力之间的比值γoe|λs|γ0=15°γ0=10°γ0=5°90°45°90°45°0°第五十页，共六十二页，2022年，8月28日对切屑流向有影响的角度------刃倾角λs<0

切屑流向已加工表面λ

s>0

切屑流向待加工表面第五十一页，共六十二页，2022年，8月28日附:刃倾角对接触情况的影响λs>0λs<0λs=0第五十二页，共六十二页，2022年，8月28日2．合理刃倾角的选择原则

加工断续表面、加工余量不均匀表面、在冲击振动的条件下，通常选取负的刃倾角。选择原则：一般精加工时，为防止切屑划伤已加工表面，选取0~50粗加工时，为提高刀具强度，选取0~-50加工高强度、高硬度等难加工材料时，为提高刀具强度，常取较大的负刃倾角1.根据加工要求选择2.根据加工条件选择总之,刀具角度的选择要视具体情况具体分析。第五十三页，共六十二页，2022年，8月28日电视教学片:细长轴的加工第五十四页，共六十二页，2022年，8月28日第五节切削用量的合理选择

一、切削用量选择原则1.切削用量对生产率的影响生产率是指一个工人在单位时间内生产合格产品的数量。加工一个零件所需要的时间：t定额=tm+t辅助+t休息+t服务+t准终/m生产率：P=1/tm∴生产率：P=1/tm令：∴生产率：由此可知：切削用量中任一要素增加一倍，生产率也增加一倍。第五十五页，共六十二页，2022年，8月28日2.切削用量对刀具耐用度的影响3.切削用量对加工质量的影响对刀具耐用度影响：

V（Max）,f

，ap

（min）∴选择顺序：

ap

→f→Vap：↗→Fy↗→弹性变形↗

→振动↗→表面质量↘

f

：↗→Fy↗→弹性变形↗→振动↗→表面质量↘v：↗→Fy↘→变形↘→表面粗糙度↘→表面质量↗结论：粗加工选大切深、大进给量和小速度保证一定的生产率

精加工、半精加工选小切深、小进给量和高速度保证加工质量第五十六页，共六十二页，2022年，8月28日二、刀具耐用度的确定刀具耐用度:T↗→切削时间长→V↘→生产率低刀具耐用度:T↘→切削时间短→

V↗

→装卸刀具时间↗→生产率低生产率P刀具耐用度TPTP加工成本:T↗→V↘→切削时间长→机床、工人费用高→成本高加工成本:T↘

→V↗→切削时间短→换刀、磨刀费用高→成本高成本CCTCTP：生产率最大的