2025年切削原理考试试题及答案

2025年切削原理考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共10分）1.车削加工中，主运动的特征是（）。A.使工件上多余材料不断被去除的运动B.速度最高、消耗功率最大的运动C.由进给系统驱动的直线运动D.决定加工表面形状的次要运动答案：B2.增大刀具前角会导致（）。A.切削力增大，刀具强度提高B.切削力减小，刀具散热条件变差C.切屑变形增大，表面粗糙度降低D.切削温度升高，刀具磨损加剧答案：B3.加工高硬度铸铁（HRC60以上）时，最适宜的刀具材料是（）。A.高速钢B.硬质合金（YT类）C.立方氮化硼（CBN）D.陶瓷刀具答案：C4.积屑瘤对切削过程的主要不利影响是（）。A.增大刀具实际前角，降低切削力B.导致切削厚度波动，恶化表面粗糙度C.减少刀具与切屑的摩擦，降低切削温度D.提高刀具抗冲击能力，延长使用寿命答案：B5.加工铝合金时，优先选用的切削液类型是（）。A.极压乳化液B.油性切削液（如矿物油）C.水基切削液（如低浓度乳化液）D.固体润滑剂（如二硫化钼）答案：C二、填空题（每空1分，共10分）1.切削三要素包括（）、（）和（）。答案：切削速度、进给量、背吃刀量2.常用刀具材料中，（）的高温硬度最高，（）的抗弯强度和韧性最好。答案：立方氮化硼（CBN）、高速钢3.切削力的来源主要包括（）和（）。答案：剪切面金属的弹性-塑性变形抗力、刀具与切屑/工件表面的摩擦阻力4.刀具磨损的三个阶段是（）、（）和（）。答案：初期磨损阶段、正常磨损阶段、剧烈磨损阶段5.加工表面粗糙度的主要影响因素包括（）、（）和（）。答案：刀具几何参数（如主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径）、切削用量（如进给量）、切削过程中的振动三、简答题（每题8分，共40分）1.简述前角的作用及选择原则。答案：前角是刀具前刀面与基面的夹角，主要作用：①影响切削变形：前角增大，切屑变形减小，切削力降低；②影响刀具强度：前角过大，刀具楔角减小，刃口强度降低，易崩刃；③影响切削温度：前角增大，切削力减小，切削热减少，但前角过大可能因刃口变钝导致摩擦加剧；④影响表面质量：前角合理时，切屑流畅，表面粗糙度降低。选择原则：①工件材料：加工塑性材料（如钢）时选较大前角（10°~20°），加工脆性材料（如铸铁）时选较小前角（5°~15°）；②刀具材料：高速钢刀具强度高，可选较大前角；硬质合金强度较低，前角应小于高速钢；③加工条件：粗加工时为保证刀具强度，选较小前角；精加工时为降低切削力和表面粗糙度，选较大前角。2.分析切削热的产生与传出途径，并说明降低切削温度的主要措施。答案：切削热的产生来源：①剪切区的塑性变形功（占60%~80%）；②刀具前刀面与切屑的摩擦功（占10%~30%）；③刀具后刀面与工件已加工表面的摩擦功（占5%~10%）。传出途径：切屑带走（50%~86%，与切削速度正相关）、刀具传出（10%~40%）、工件传出（3%~9%）、周围介质传出（1%以下）。降低切削温度的措施：①合理选择切削用量：降低切削速度（影响最大）、适当减小进给量和背吃刀量；②优化刀具几何参数：增大前角（减小变形）、减小主偏角（增大切削宽度，改善散热）、修磨刃倾角（提高断屑性能）；③使用切削液：通过冷却（水基）和润滑（油基）降低摩擦热；④选择导热性好的刀具材料（如金刚石、CBN）。3.比较刀具前刀面磨损与后刀面磨损的发生条件及特征。答案：前刀面磨损（月牙洼磨损）：主要发生在加工塑性材料（如钢）且切削速度较高（Vc>100m/min）、进给量较大（f>0.3mm/r）的情况下。特征：前刀面上形成月牙形凹坑，凹坑底部与刃口之间有一条窄棱（刃口强度降低的标志），磨损量以月牙洼深度KT表示。后刀面磨损：普遍发生在各种切削条件下（尤其低速加工脆性材料时），因后刀面与已加工表面摩擦导致。特征：后刀面上形成均匀磨损带（VB），磨损带宽度VB是衡量刀具磨损的主要指标；当VB增大到一定值（如0.3~0.6mm）时，切削力、温度显著上升，需换刀。4.说明积屑瘤的形成条件及对切削过程的双重影响。答案：积屑瘤形成条件：①工件材料为塑性金属（如低碳钢、铝合金），切削时产生剧烈塑性变形；②切削速度处于中低速范围（Vc=15~30m/min），此时切屑底层与前刀面摩擦剧烈，温度（300~400℃）适合切屑材料粘结；③刀具前刀面粗糙或未涂层，摩擦系数大。双重影响：有利方面：①积屑瘤粘附于刃口，可代替刀具切削，保护刃口（粗加工时可延长刀具寿命）；②增大实际前角（可达30°~50°），减小切削力。不利方面：①积屑瘤高度不稳定（周期性生长与脱落），导致切削厚度波动，加工表面出现深浅不一的沟痕，恶化表面粗糙度；②脱落的碎片可能嵌入已加工表面，形成硬质点；③积屑瘤增大刀具实际切削刃圆弧半径，导致切削刃变钝，切削力和温度上升（精加工时需避免）。5.简述高速切削的技术特点及其对刀具材料的要求。答案：高速切削（HSC）的技术特点：①切削速度高（通常为常规的5~10倍，如钢的Vc=500~2000m/min）；②进给速度高（vf=5~20m/min），但背吃刀量小（ap=0.1~1mm）；③切削力降低（比常规切削小30%~50%），因切屑变形减小；④切削热主要由切屑带走（占90%以上），工件和刀具温度低；⑤加工效率高（材料去除率提高3~6倍）；⑥适合加工薄壁件和复杂曲面（振动小，精度高）。对刀具材料的要求：①高硬度和耐磨性（HRC>60），抵抗高速下的机械磨损；②高耐热性（高温硬度≥800HV），承受1000℃以上切削温度；③良好的热韧性（抗热冲击性），避免热裂纹；④低摩擦系数（减少粘结磨损）；⑤化学稳定性好（与工件材料反应活性低）。常用刀具材料：涂层硬质合金（如TiAlN涂层）、陶瓷（Al2O3基、Si3N4基）、立方氮化硼（CBN）、聚晶金刚石（PCD）。四、计算题（每题10分，共20分）1.车削直径dw=80mm的45钢轴，选用刀具为YT15硬质合金，主轴转速n=1200r/min，进给量f=0.2mm/r，背吃刀量ap=2mm。求：（1）切削速度Vc；（2）进给速度vf；（3）材料去除率Q。（π取3.14）答案：（1）切削速度Vc=πdwn/1000=3.14×80×1200/1000=301.44m/min（2）进给速度vf=n×f=1200×0.2=240mm/min（3）材料去除率Q=1000×ap×f×Vc=1000×2×0.2×301.44=120576mm³/min（或Q=ap×f×vf=2×0.2×240=96mm³/s，需注意单位转换，1mm³/s=60mm³/min，故96×60=5760mm³/min？此处需核对公式。正确公式应为Q=ap×f×Vc×1000（单位mm³/min），或Q=ap×f×vf（单位mm³/min）。因vf=240mm/min，ap=2mm，f=0.2mm/r，实际Q=ap×f×vf=2×0.2×240=96mm³/min？显然错误，正确应为Q=ap×f×Vc×1000/1000（单位统一）。正确计算：Vc=301.44m/min=301440mm/min，切削宽度b=ap=2mm（车削时背吃刀量为半径方向，切削宽度=ap=2mm），切削厚度h=f×sinκr（κr为主偏角，假设κr=90°，则sinκr=1），h=f=0.2mm。材料去除率Q=b×h×Vc=2×0.2×301440=120576mm³/min=120.576cm³/min。2.已知切削力经验公式Fc=9.81×C_Fc×ap^x_Fc×f^y_Fc×Vc^n_Fc，其中C_Fc=1600，x_Fc=1.0，y_Fc=0.75，n_Fc=-0.15。当ap=3mm，f=0.3mm/r，Vc=100m/min时，计算切削力Fc；若将Vc提高到200m/min（其他参数不变），Fc如何变化？答案：（1）初始切削力Fc=9.81×1600×3^1.0×0.3^0.75×100^(-0.15)计算各部分：3^1.0=3；0.3^0.75≈0.3^(3/4)=(0.3^3)^(1/4)=0.027^(0.25)≈0.407；100^(-0.15)=1/(100^0.15)=1/(10^(2×0.15))=1/10^0.3≈1/2≈0.5（更精确计算：100^0.15=e^(0.15×ln100)=e^(0.15×4.605)=e^0.6908≈2，故100^(-0.15)=0.5）则Fc≈9.81×1600×3×0.407×0.5≈9.81×1600×0.6105≈9.81×976.8≈9580N（2）Vc提高到200m/min时，Fc'=9.81×1600×3×0.3^0.75×200^(-0.15)200^(-0.15)=1/(200^0.15)=1/(2^0.15×100^0.15)=1/(1.109×2)≈0.451则Fc'≈9.81×1600×3×0.407×0.451≈9.81×1600×0.545≈9.81×872≈8550NFc降低约(9580-8550)/9580≈10.7%五、综合分析题（20分）某企业需对304不锈钢（奥氏体不锈钢，σb=520MPa，δ=40%）进行粗车加工，要求提高生产效率并控制刀具磨损。试从刀具材料选择、几何参数优化、切削用量确定及切削液应用四个方面提出技术方案，并说明理由。答案：1.刀具材料选择：优先选用涂层硬质合金（如TiAlN涂层的YG类硬质合金）或陶瓷刀具（Si3N4基）。理由：304不锈钢塑性高、导热性差（λ=16.3W/(m·K)，约为45钢的1/3），切削时易产生粘结磨损和扩散磨损。TiAlN涂层硬度高（3000HV）、抗氧化温度达800℃，可减少摩擦和粘结；YG类（WC-Co）硬质合金韧性好，抗崩刃能力强，适合不锈钢加工。陶瓷刀具（如Si3N4）高温硬度高（1200℃时仍保持800HV），但需注意其脆性，粗加工时需避免冲击（若机床刚性好可选用）。2.几何参数优化：①前角γo=10°~15°（比加工45钢稍大）：不锈钢塑性大，增大前角可减小切屑变形和切削力，但需兼顾刀具强度（避免前角过大导致刃口崩损）；②主偏角κr=75°~90°（推荐80°）：减小主偏角可增大切削宽度，改善散热（不锈钢导热差，需增强散热），但κr过小会增大径向力（易引起振动）；③刃倾角λs=-5°~-3°（负刃倾角）：提高刃口强度，避免粗加工时冲击崩刃；④刀尖圆弧半径rε=0.8~1.2mm（比常规稍大）：增大散热面积，减少应力集中，延长刀具寿命。3.切削用量确定：①切削速度Vc=80~120m/min（低于加工45钢的150~200m/min）：不锈钢高温强度高（600℃时σb仍达400MPa），Vc过高会导致切削温度剧升（超过800℃时刀具磨损加剧）；②进给量f=0.3~0.5mm/r（比常规粗车稍大）：增大f可提高材料去除率，且不锈钢切屑不易折断（需配合断屑槽），f过大会增大切削力（需机床刚性支持）；③背吃刀量ap=3~5mm（根据机床功率和工件刚性