第八章 金属切削基本知识(机械制造基础)

第8章

金属切削基本知识

Chapter8Thebasicknowledgeofmetalcutting

切削加工是利用刀具和工件的相对运动，刀具从毛坯或型材上切除多余的材料，以便获得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工过程。本章内容8.1概述8.2切削运动和切削用量8.3刀具材料8.4金属的切削过程8.5金属的切削机床切削加工是利用刀具和工件的相对运动，刀具从毛坯或型材上切除多余的材料，以便获得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工过程。切削加工分为机械加工和钳工。2/17/2024切削加工的概念8.1概述钳工：通过工人手持工具进行切削加工。机械加工：采用不同的机床（如车床、铣床、刨床、磨床、钻床等）对工件进行切削加工。零件切削加工质量2/17/2024

加工精度：指零件经切削加工后，其尺寸、形状、位置等参数同理论参数的相符合的程度。偏差越小，加工精度越高，它包括：（1）尺寸精度：零件尺寸参数的准确程度。（2）形状精度：零件形状与理想形状接近程度。（3）位置精度：零件上实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。

表面质量（1）表面几何特征：主要指表面粗糙度、浓度和纹理。（2）表面材质变化：加工硬化、金相组织变化、热损伤和残余应力等2/17/2024国家标准规定：常用的精度等级分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2…IT18表示。数字越大，精度越低。其中IT5-IT13常用。高精度：IT5、IT6通常由磨削加工获得。中等精度：IT7-IT10通常由精车、铣、刨获得。低精度：IT11-IT13通常由粗车、铣、刨、钻等加工方法获得。（详细数据见p151页表8-1）（1）尺寸精度零件实际尺寸与设计理想尺寸的复合程度。

加工精度Φ250-0.04

问：精度的高低与哪两个因素有关？答：基本尺寸和公差大小。零件尺寸精度误差大小：（2）形状精度

零件实际表面和理想表面之间在形状上的符合程度。国家标准规定了六类形状公差（见下表）①形状精度的标注：框格分为2格，②箭头指向待表达的表面，数字表示③允许误差的大小，单位为毫米。

25轴加工后可能产生的形状误差

0－0.013①圆圈中的英文字母表示基准，框格分3格；②箭头指向待表达的表面；③数字代表误差大小，单位为毫米。（3）位置精度零件的实际要素（点、线、面）相对于基准之间位置的准确度。零件位置精度公差表面粗糙度：零件微观表面高低不平的程度。产生的原因：

1）切削时刀具与工件相对运动产生的磨擦和磨损；

2）机床、刀具和工件在加工时的振动；

3）切削时从零件表面撕裂的切屑产生的痕迹；

4）加工时零件表面发生塑性变形。

表面质量表面粗糙度对零件质量的影响：

1）零件表面粗糙，将使接触面积减小，单位面积压力加大，接触变形加大，磨擦阻力增大，磨损加快；

2)表面粗糙度影响配合性质。对于间隙配合，表面粗糙易磨损，造成间隙迅速加大；对于过盈配合，在装配时，可使微小凸峰挤平，有效过盈量减少，使配合件强度降低；

3）零件表面粗糙，低谷处容易聚积腐蚀性物质，且不易清除，造成表面腐蚀；

4）当零件承受载荷时，凹谷处易产生应力集中，以致产生裂纹而造成零件断裂。表面粗糙度的评定①常用的是轮廓算术平均偏差Ra：表面粗糙度分为14个等级，分别用表示，数字越大，表面越粗糙。表面粗糙度符号上的数值Ra,单位是微米（μm）。2/17/2024②零件表面粗糙度的国标表示：符号符号说明意义及应用基本符号单独使用无意义基本符号上加一短划线表示表面粗糙度是用去除法获得基本符号内加一小圆表示表面粗糙度是用不去除材料的方法获得符号上加Ra值用去除材料方法获得的表面，Ra的最大允许值为3.2µm加工方法Ra(微米)表面特征粗车粗镗粗铣粗刨钻孔50可见明显刀痕25可见刀痕12.5微见刀痕精铣精刨半精车6.3可见加工痕迹3.2微见加工痕迹精车1.6看不清加工痕迹粗磨0.8可辨加工痕迹方向精磨0.4微辨加工痕迹方向精密加工0.1-0.012只能按表面光泽辩识常见加工方法的Ra表面特征精度：宏观几何参数的误差表面粗糙度：微观几何参数的误差加工精度高，必须采用一系列的高精度的加工方法，而经过高精度的加工后零件表面粗糙度一定低，反之，表面粗糙度低，零件必须采用一系列的降低表面粗糙度的加工方法，而低表面粗糙度的加工方法不一定是高精度的加工方法。实例：各种机床上的手柄：表面粗糙度非常低，但精度不高。2/17/2024

零件加工精度与表面粗糙度的关系？本章内容8.1概述8.2切削运动和切削用量8.3刀具材料8.4金属的切削过程8.5金属的切削机床机器零件的基本表面包括：外圆、内（孔）、平面和成型面；基本表面主要由如下的加工方法获得：工件的基本成型方法8.2切削运动和切削用量要完成零件表面的切削加工，刀具和工件应具备形成表面的基本运动，即切削运动；它也是刀具和工件的相对运动。切削运动分类：切削运动分为主运动和进给运动。（1）主运动：提供切削可能性的运动；主运动只有一个。（2）进给运动：提供连续切削可能性的运动；进给运动可以有多个。切削运动机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转运动车刀纵向、横向、斜向直线移动钻床钻头旋转运动钻头轴向移动卧铣、立铣铣刀旋转运动工件纵向、横向、斜向直线移动牛头刨床刨刀往复运动工件横向间歇移动或刨刀垂向、斜向间歇移动龙门刨床工件往复运动刨刀横向、垂向、斜向间歇移动外圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动内圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动平面磨床砂轮高速旋转工件往复移动，砂轮横向、垂向移动机床的切削运动切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量

切削速度：切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，用v表示，单位为m/s；

进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用f表示，车、钻和铣削时单位为mm/r；背吃刀量：已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，用ap表示，单位为mm。切削用量切削速度、进给量和背吃刀量的计算v:切削速度d:工件直径n:工件转速背吃刀量ap

：切削速度v：dmax:待加工表面直径dmin:已加工表面直径ap:背吃刀量进给量f：Vf:进给速度；f：进给量n:刀具速度；fz：每齿进给量Z:刀具次数(a)粗加工按ap－f－v的顺序选择

1）粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属，只留后续工序的加工余量，所以应根据毛坯尺寸首先选择ap；

2）粗加工不必考虑表面粗糙度，在ap确定后，选取大的f，减少走刀时间；

3）ap和f确定后，在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择v。(b)精加工按v

－f－ap的顺序选择

精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度。因此首先应选择尽可能高的v，然后选择达到表面粗糙度要求的f，最后再根据精加工余量决定ap。切削用量的合理选择本章内容8.1概述8.2切削运动和切削用量8.3刀具材料8.4金属的切削过程8.5金属的切削机床

刀具性能的好坏直接影响切削效果的一个重要因素，刀具性能主要取决于两个因素：即刀具材料和刀具的几何角度。刀具材料应具备如下五个基本特性1.高硬度：HRC>60以上;2.高的强度与韧性：保证能够承受切削力的作用而不破坏；3.高的热硬性：材料在高温下仍然保持高硬度的性能，热硬性用热硬温度表示；4.良好的耐磨性；5.良好的工艺性和经济性。8.3切削刀具刀具材料①

碳素工具钢：如T7、T8、T9…T13等。适合于制造简单的手工工具，如锉刀、锯条等；②合金工具钢：在碳素工具钢中加入少量的钨、铬、锰、硅等元素，耐热性较低，如9SiCr等，适合制造低速成型刀具，如丝锥；③高速钢：含较多的钨、铬、钒等合金元素。常用的高速钢有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。适合制造中速精加工具；④硬质合金：由WC、TiC和Co组成，采用烧结方法获得。常用的刀具材料①陶瓷：常用的刀具陶瓷有两种：

Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特点是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐热性，其主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性很差，不能承受较大的冲击载荷。②金刚石：天然单晶金刚石刀具整体人造聚晶金刚石刀具金刚石复合刀片③立方氧化硼：由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。其它刀具材料刀具切削部分的组成要素

刀杆：起夹持作用刀头:

(三面)

前刀面：切屑流过的表面主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面

(两刃)

主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线

(一尖)

主切削刃与副切削刃的交点

刀具的几何角度P165页8-2题和8-3题？问：下列不同数据代表什么？车刀切削角度的坐标平面1）基面通过主切削刃上的某一点，与主运动方向相垂直的平面；2）切削平面通过主切削刃上的选定点，与加工表面相切并垂直于基面的平面；3）正交平面通过主切削刃上的选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。为了研究刀具的几何角度，建立三个辅助平面：(1)前角

0：在正交平面中，前刀面与基面间的夹角；(2)后角

0：在正交平面中，主后刀面与切削平面间的夹角；(3)主偏角

：

在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角(4)副偏角

’

：在基面上，副切削刃的投影与进给反方向的夹角；(5)刃倾角

s：主切削刃与基面间的夹角。车刀的几何角度原则：粗加工时，为了提高切削效率，切削力会较大，因此强度要高；精加工时，切削力较小，为了保证零件质量因此刀具较锋利。粗加工：前角、后角均小，强度高；（为什么？）精加工：前角、后角均大，刀具锋利；（为什么？）主偏角：车台阶轴：取90度；（为什么？）

既车外圆又车端面，取45度；副偏角：为降低表面粗糙度，取小值：一般为：

5-15度；刃倾角：粗加工常取负值，精加工取正值。（为什么？）车刀角度的合理选择本章内容8.1概述8.2切削运动和切削用量8.3刀具材料8.4金属的切削过程8.5金属的切削机床

金属切削过程是指从工件表面切除一层多余的金属，从而形成切屑的过程：切屑的形成

1.金属在刀具前刀面的作用下，受到挤压产生弹性变形。

2.应力逐渐变大，产生塑性变形—滑移。

3.应力达到强度极限，剪切滑移被挤裂形成切屑。

4.切离。1弹性变形2塑性变形3挤裂切屑8.4金属的切削过程常见的切屑有如下三种：a.带状切屑：用大前角刀具、高切削速度、小进给量加工塑性材料时出现。形成带状切屑时，切削力平稳，表面光洁，但切屑连续不断，不安全或容易刮伤已加工表面。b.节状切屑：用低切削速度，大进给量加工中等硬度的钢材时出现。形成这种切屑时，金属经弹性变形、塑性变形、挤裂和切离阶段，是典型的切削过程，但切削力波动大，工件表面粗糙。c.崩碎切屑：加工铸铁、黄铜等脆性材料时出现，形成这种切屑时，切削热和切削力均集中在刀刃和刀尖，刀具容易磨损。金属切屑的类型

当切屑沿前刀面流出时，与前刀面接触的切屑底层受到摩擦阻力，速度变慢，形成滞流层，于是，金属粘附在切削刃附近，形成了积屑瘤。积屑瘤的影响：1、保护切削刃，粗加工时，希望产生积屑瘤；2、本身不断形成和脱落，会引起振动，影响工件表面粗糙度，精加工不希望产生积屑瘤。

积屑瘤

切削力切削合力的构成和分解切削合力可以分解为：切削力Fz，进给力Fx和背向力Fy1、切向力（切削力）Fz

：总切削力在主运动方向上的正投影，其大小约占总切削力的95~99%，是三个分力中最大的。消耗功率最多的分力，它是机床动力、重要零件的强度和刚度设计和校核的主要依据；2、轴向力（进给力）Fx:

总切削力在进给方向上的正投影，其大小约占总切削力的1~5%,它是设计和验算机床进给机构必须的参数；3、径向力（背向力）Fy:

总切削力在垂直工作平面上的分力，它作用在工件刚性较差的方向，容易使工件变形，同时引起振动，影响加工精度。在加工刚性较差的工件时，应该力求减少切削力。切削功率的计算：式中，Pm－切削功率；PE－机床电机功率；Fc－切削力；vc－切削速率；η－机床传动效率切削热产生原因：

1.切屑变形；

2.切屑与刀具前刀面产生的摩擦；3.工件与刀具的摩擦。

切削热传出途径：

1.由切屑带走，带走越多越有利；

2.由周围空气和冷却介质带走，同样带走越多越有利；3.传入工件，使工件温度升高，引起工件变形，产生误差；

4.传入刀具，使刀具温度升高。刀具硬度降低，磨损加快。

切削热降低切削温度的措施1.减少切削热的产生：包括选择合理的刀具几何角度和切削用量，比如适当增大刀具的前角以减少切屑变形，选用大的背吃刀量和小的进给量。2.改善散热条件：包括使用冷却液等各种冷却措施；冷却液一般有：水溶液：比热大，导热性好，但不能起润滑作用，如苏打水，苏打用于防锈。用于粗磨。切削油：如矿物油；比热小，但有润滑作用。

乳化液：具有良好的流动性和导热性，它由乳化油加水稀释而成，应用最广泛。本章内容8.1概述8.2切削运动和切削用量8.3刀具材料8.4金属的切削过程8.5金属的切削机床8.5金属的切削机床

机床应满足的基本要求1.工艺可能性；2.加工的精度和表面质量；3.生产率；4.自动化；5.可靠性：6.经济性；7.良好的使用性能和人机关系。机床的类型金属切削机床是用来对工件进行加工的机器，故称为“工作母机”，习惯上称机床。按加工性质和所用刀具分类：分为车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床等12大类；按精度分类：分为普通精度、精密和高精度三种；按重量分类：分为一般机床、大型机床和重型机床。机床的型号：如：C6136表示…1.主传动部件：

用来实现机床主运动；2.进给传动部件：主要用来实现机床进给运动；

3.工件安装装置：用来安装工件；

4.刀具安装装置：用来安装刀具；5.支承件：用来支承和连接机床各零部件，是机床的基础构件；6.机床动力部件：为机床提供动力。机床的基本结构机床的传动有机械、液压、气动、电气等多种形势，最常见的是机械传动和液压传动。机械传动包括皮带传动、齿轮传动、涡轮蜗杆传动、齿轮齿条传动和丝杆螺母传动。机床的传动什么是传动副？齿轮传动齿轮传动是目前机床中应用最多的一种传动方式，这种传动方式种类多，如直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿轮动等，最常见的是直齿圆柱齿轮。传动比：

设：z1和n1分别为主动轮的齿数和转速

z2和n2分别为被动轮的齿数和转速传动比：i=(z1/z2)=(n2/n1)

皮带传动皮带传动是靠胶带与带轮之间的磨擦作用，将主动皮带轮的转动传递到另一个被动皮带轮上去的。传动比：如果考虑皮带与皮带轮之间