材料性能及其加工第17章 金属切削加工基础知识

材料性能及其加工·第17章金属切削加工基础知识切削运动、刀具知识与切削过程物理现象Contents本章目录金属切削原理与刀具技术基础章节概览01常用切削刀具概述02切削运动与切削要素03切削刀具基本定义04刀具材料05切削过程中的物理现象06工件材料的切削加工性CHAPTER01常用切削刀具概述从分类体系到典型结构，建立刀具知识的基本框架分类体系切削刀具的分类体系切削刀具按加工方式可分为车刀、铣刀、孔加工刀具、拉刀、螺纹刀具和齿轮刀具等大类，每类刀具的结构形式和切削方式不同，但都遵循相同的切削原理。理解分类体系是掌握刀具选用方法的第一步。车削类刀具车刀是单刃刀具的典型代表，按结构分为整体式、焊接式和机夹可转位式三种按用途细分为外圆车刀、端面车刀、切断刀、内孔车刀和螺纹车刀等车削时工件旋转为主运动，车刀沿轴向或径向移动为进给运动单刃刀具·工件旋转驱动铣削类刀具铣刀是多刃刀具，按齿形分为圆柱铣刀、面铣刀、立铣刀和成形铣刀等铣削时铣刀旋转为主运动，工件或工作台移动为进给运动面铣刀广泛用于平面加工，生产效率高且表面质量好多刃刀具·高效率平面加工孔加工刀具包括钻头、扩孔钻、铰刀和镗刀，分别对应不同精度等级的孔加工麻花钻是最常用的钻孔工具，标准顶角为118°，适合加工一般通孔铰刀用于孔的精加工，可达IT7-IT8精度等级和Ra1.6μm表面粗糙度多精度等级·IT7精加工STRUCTURE&DESIGN刀具的基本结构与机夹可转位刀具刀具结构由刀体、切削部分和夹持部分三大要素构成。机夹可转位刀具以标准化刀片和模块化刀体的组合，实现了高效、高精度的现代切削加工，是当前工业生产中最主流的刀具形式。01刀体骨架刀体承担传递切削运动和支撑切削部分的功能，材料通常为优质碳素结构钢或合金结构钢02切削核心切削部分直接参与金属切除，几何形状和材料性能决定切削效率和加工质量03转位优势标准硬质合金刀片磨损后转位使用新刃口，省去重磨工序，生产率提高30%-50%30-50%04断屑控制断屑槽型经专门设计，有效控制切屑形态和排出方向，改善切削稳定性机夹可转位车刀·硬质合金刀片结构CHAPTER02切削运动与切削要素解析主运动与进给运动的本质，掌握切削用量三要素的选择原则CUTTINGMECHANICS主运动与进给运动任何切削加工都由主运动和进给运动合成完成。主运动直接切除切削层、速度最高且消耗功率最大；进给运动使新切削层持续投入切削。两者的运动形式因加工方式不同而异，但主运动始终只有一个。主运动特征主运动是直接切除工件上切削层使之转变为切屑的运动，是形成新表面的决定性运动主运动速度最高、消耗切削功率最大，在切削运动中起主导作用车削中工件旋转为主运动，铣削中铣刀旋转为主运动，刨削中刀具往复直线运动为主运动进给运动特征进给运动使新的切削层不断投入切削，可以是连续运动也可以是间歇运动卧式车床车刀的纵向和横向移动是连续进给，牛头刨床工件台的移动是间歇进给进给运动方向沿所要形成的工件表面，其速度远小于主运动速度车削加工中工件旋转形成主运动MACHININGPARAMETERS切削用量三要素切削深度、进给量和切削速度构成切削用量三要素，三者的合理选择直接决定加工效率、表面质量和刀具寿命。粗加工优先保证材料去除率，精加工优先保证表面质量，高速切削是行业发展趋势。数控车床切削加工车间实拍01切削深度ap=(dw-dm)/2，待加工面与已加工面间的垂直距离，粗加工时应尽可能一次走刀切除全部余量以提高效率。02进给量为工件或刀具每转一周在进给方向的相对位移，粗加工受切削力限制，精加工受表面粗糙度限制。03切削速度为切削刃相对于待加工面在主运动方向的瞬时速度，是切削温度的主要影响因素。04选择原则：先选尽可能大的切削深度，再选尽可能大的进给量，最后选择最大的切削速度。PROCESSPARAMETERS切削层参数与工件表面切削过程中工件上同时存在待加工表面、加工表面和已加工表面三个区域。切削层参数包括切削厚度、切削宽度和切削面积，是连接切削用量与切削力分析的关键桥梁。工件上的三个表面01待加工表面是即将被切去多余金属层的原始表面，其状态直接影响切削力和刀具磨损切削力02加工表面是切削刃正在切削的过渡表面，处于塑性变形状态，表面质量最差塑性变形03已加工表面是切去多余金属后形成的最终表面，其粗糙度和残余应力决定零件使用性能使用性能切削层几何参数01切削厚度hd垂直于切削刃方向测量的切削层截面尺寸，与进给量成正比∝进给量02切削宽度bd沿切削刃方向测量的切削层截面尺寸，与切削深度成正比∝切削深度03切削面积AD=hd×bd，反映单次切削的金属去除量，是切削力计算的基础参数AD=hd×bdCHAPTER03切削刀具基本定义掌握刀具标注角度参考系与六大基本角度的定义及作用REFERENCESYSTEM刀具标注角度参考系刀具标注角度参考系由基面、切削平面和正交平面三个互相垂直的平面构成。所有刀具角度都在这三个平面中定义和度量，参考系的正确建立是理解和选用刀具角度的理论基础。01基面Pr通过切削刃选定点，垂直于该点的主运动方向，是定义前角和后角的基准平面REFERENCEPLANE02切削平面Ps通过切削刃选定点，与切削刃相切且垂直于基面，是定义刃倾角的基准平面CUTTINGPLANE03正交平面Po同时垂直于基面和切削平面，是定义前角γo和后角αo的主要测量平面ORTHOGONALPLANE04法平面Pn垂直于切削刃的平面，在切削刃有刃倾角时与正交平面不重合，用于定义法向前角NORMALPLANECUTTINGTOOLGEOMETRY刀具六大基本角度定义刀具六大基本角度——前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角和楔角——从三个维度描述了刀具切削部分的几何形状。角度选择需在锋利性、刃口强度和散热能力之间取得平衡，直接影响切削效率和加工质量。前刀面角度01前角γo：在正交平面内度量，为前刀面与基面的夹角；增大前角可减小切削力和切削温度，但降低刃口强度02刃倾角λs：在切削平面内度量，为切削刃与基面的夹角；正值刃倾角使切屑流向待加工面，保护已加工表面质量06楔角βo：在正交平面内度量，为前刀面与后刀面的夹角；楔角越大刃口强度越高，但切削阻力增大，需与前角、后角协调选取后刀面与偏角03后角αo：在正交平面内度量，为后刀面与切削平面的夹角；合理后角一般为6°-12°，过小增大摩擦，过大削弱刃口04主偏角κr：在基面内度量，影响切削力方向和径向分力大小；减小主偏角可降低表面粗糙度但增大径向力05副偏角κr'：影响副切削刃与已加工面的摩擦和表面粗糙度，一般取5°-15°WORKINGVSNOMINALANGLES刀具工作角度与标注角度的差异刀具工作角度是实际切削条件下的真实角度，受刀具安装高度偏差和进给运动影响而与标注角度产生偏差。在精密加工和大进给量加工中，必须对工作角度进行补偿修正。01刀具安装高于工件中心时，工作前角增大、工作后角减小，可能导致后刀面与工件摩擦加剧甚至"扎刀"现象安装偏高·扎刀风险02刀具安装低于工件中心时效果相反，工作前角减小、工作后角增大，切削力增大但刃口强度提高安装偏低·刃口增强03进给量较大时（如车螺纹、切断），进给运动对工作角度的影响显著增大，不能忽略其修正量大进给·修正必算04刀杆中心线与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角同时发生变化，需要重新校核角度值刀杆偏斜·角度重校CHAPTER04刀具材料从碳素工具钢到超硬材料，解析刀具材料的性能要求与选用原则MATERIALSCIENCE刀具材料的基本性能要求刀具材料需同时满足高硬度、高耐磨性、足够强韧性、高耐热性和良好工艺性五项基本要求，选用时需根据加工条件综合权衡。硬度与耐磨性刀具材料硬度必须高于工件材料硬度，一般要求在室温下达60HRC以上，高速钢为62–70HRC，硬质合金为89–93HRA。耐磨性取决于材料硬度、碳化物种类和分布状态，硬质合金中TiC含量越高耐磨性越好但韧性降低。强韧性与耐热性抗弯强度反映刀具承受切削力和冲击载荷的能力，高速钢为2–4GPa，硬质合金为1–2.5GPa。耐热性是高温下保持硬度的能力，高速钢约600°C，硬质合金800–1000°C，陶瓷达1200°C。冲击韧性决定刀具承受断续切削的能力，高速钢韧性最优，陶瓷和金刚石最差。MATERIALSCOMPARISON常用刀具材料：高速钢与硬质合金高速钢和硬质合金是目前工业应用最广泛的两大类刀具材料。高速钢以优良的韧性和工艺性见长，适合复杂形状刀具；硬质合金以高硬度和高耐热性取胜，是车刀和铣刀的首选材料。HIGHSPEEDSTEEL高速钢（HSS）含W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，硬度62-70HRC，耐热性约600°C，抗弯强度2-4GPa通用型W18Cr4V适合制造钻头、铣刀、拉刀等复杂刀具；高性能型W6Mo5Cr4V2Al耐热性提升至650°C工艺性好，可锻、可磨、可热处理，是目前制造形状复杂刀具不可替代的材料CEMENTEDCARBIDE硬质合金由WC、TiC等硬质相与Co粘结相粉末冶金烧结而成，硬度89-93HRA，耐热性800-1000°CYG类（WC+Co）适合加工铸铁、有色金属等脆性材料；YT类（WC+TiC+Co）适合加工钢等塑性材料YW类通用硬质合金兼具YG和YT的优点，可加工钢、铸铁和有色金属，适用范围最广高速钢刀具实物ADVANCEDTOOLMATERIALS新型刀具材料：涂层、陶瓷与超硬材料涂层刀具、陶瓷刀具和超硬材料代表了刀具材料技术的发展方向。涂层技术在不改变基体韧性的前提下大幅提升表面性能，陶瓷和超硬材料则将切削速度推向了传统材料无法企及的高度。01涂层刀具在硬质合金基体上沉积TiN、TiAlN等薄膜，表面硬度达2000–3000HV，寿命提高3–5倍02多层复合涂层（TiCN+Al₂O₃+TiN）兼顾耐磨性与抗月牙洼磨损，是当前主流方案03陶瓷刀具以Al₂O₃或Si₃N₄为基体，耐热1200°C，切削速度达硬质合金3–5倍超硬材料04立方氮化硼（CBN）硬度仅次于金刚石，适合高速加工淬硬钢（HRC45–65）05聚晶金刚石（PCD）硬度极高，适合高速精加工铝合金、铜合金和非金属材料06超硬刀具推动了"以车代磨"工艺发展，在保证精度同时大幅提高生产效率涂层刀具表面特征·TiN金色涂层车刀刀片实物Chapter05切削过程中的物理现象深入解析切削变形、积屑瘤、切削力与切削温度的形成机理与控制方法METALCUTTINGTHEORY切削变形与切屑类型金属切削的本质是材料在剪切滑移作用下发生塑性变形并分离。切削变形集中在剪切面和前刀面接触区两个区域，切屑形态分为带状、节状、粒状和崩碎四种类型，受工件材料塑性、切削速度和进给量共同影响。切削变形机理第一变形区（剪切区）是材料发生剪切滑移的主要区域，宽度仅约0.02-0.2mm，是切削力和切削热的主要来源0.02–0.2mm第二变形区是切屑底层与前刀面接触的区域，因高压摩擦产生附加变形和热量，是刀具磨损的重要区域高压摩擦区变形系数ξ=切屑厚度/切削层厚度，反映切屑变形程度，ξ越大说明材料变形越严重、切削力越大chDξ=hch/hD四种切屑类型金属切削产生的切屑形态实物照片带状切屑：连续不断，高速小进给，表面质量好节状切屑：锯齿形，中速切削，力波动明显粒状切屑：低速大进给塑性材料，质量差崩碎切屑：脆性材料如铸铁，表面质量差METALCUTTING积屑瘤的形成与控制积屑瘤是中速切削塑性材料时，切屑底层金属在高温高压下冷焊粘结于前刀面形成的楔形硬块。它周期性生长和脱落，对粗加工有一定保护作用但严重恶化精加工表面质量，控制切削速度和改善润滑是消除积屑瘤的关键。车刀前刀面积屑瘤形态·显微实拍01形成条件：切削塑性材料、中速切削（vc≈20–60m/min）、前刀面摩擦系数大，切削温度约300°C时粘结最严重≈300°C02保护效应：积屑瘤硬度可达工件硬度的2–3倍，能代替切削刃进行切削起到保护刀具的作用，粗加工时可利用这一特性2–3×硬度03精度恶化：积屑瘤使实际前角增大、切削厚度变化，导致切削力周期性波动，精加工时使表面粗糙度显著恶化周期性波动04控制方法：提高切削速度至高速区（vc>100m/min）或使用切削液降低摩擦，可完全避免积屑瘤产生vc>100m/minMECHANICSOFCUTTING切削力的来源与分解切削力由材料剪切变形抗力和刀-屑、刀-工摩擦力两部分构成。工程上将总切削力分解为主切削力Fc、进给力Ff和背向力Fp三个正交分力，其中Fc消耗95%以上功率，Fp是引起工件变形和振动的主要原因。切削力来源剪切变形抗力

60–70%—第一变形区，与材料强度和变形系数正相关前刀面摩擦

20–30%—刀-屑界面，受前角和润滑条件影响显著后刀面摩擦—刀具磨损后显著增大，钝化后切削力急剧上升三个正交分力主切削力Fc—沿主运动方向，消耗95–99%总功率，校核刀具强度依据背向力Fp—沿径向，不消耗功率但引起弯曲变形与振动进给力Ff—沿进给方向，校核进给机构强度与进给功率三向分力与功率关系MAINCUTTINGFORCEFc主切削力·主运动方向0%95–99%功率100%RADIALFORCEFp背向力·径向方向0%0%功率·变形主因100%FEEDFORCEFf进给力·进给方向0%低功率·校核进给机构100%典型大小排序：Fc>Fp>FfMETALWORKING·THERMALANALYSIS切削温度及其控制切削温度由剪切面塑性变形和刀-屑摩擦产生的热量决定，刀尖区域温度最高。切削速度是影响温度的最敏感因素，温度过高加速刀具磨损并恶化加工质量，合理使用切削液是控制温度的最有效手段。01切削热三大来源：剪切面塑性变形（约70%）、前刀面摩擦（约25%）、后刀面摩擦（约5%），热量在切屑、工件和刀具间分配02切削速度影响最大：vc提高一倍，温度约升高30%；进给量f增大一倍，温度约升高15%；切削深度ap影响最小03最高温度不在刃口处：而在前刀面上距刃口一定距离处，该处接触压力最大、摩擦最剧烈04切削液降温15%-30%：乳化液适合粗加工，切削油适合精加工和螺纹加工，冷却与润滑双重作用切削用量对切削温度的影响系数数据来源：金属切削原理实验切削原理·刀具性能刀具磨损形式与刀具寿命刀具磨损以后刀面磨损、前刀面月牙洼磨损和边界磨损三种形式为主。刀具寿命T与切削速度v之间遵循泰勒公式vT^m=C，其中切削速度是影响寿命最敏感的因素，合理选择切削速度是提高生产效率的关键。磨损形式与标准01后刀面磨损是最常见形式，用磨损带宽度VB衡量；精加工VB=0.1–0.3mm，粗加工VB=0.6–0.8mm为磨钝标准02前刀面月牙洼磨损出现在高速切削塑性材料时，月牙洼深度KB和位置影响刃口强度与切屑流向03边界磨损发生在主切削刃靠近工件表面处，加工不锈钢和高温合金时尤为严重，是限制刀具寿命的薄弱环节刀具寿命公式04泰勒公式vTm=C，硬质合金m≈0.2–0.4；m越小，切削速度对寿命影响越敏感05磨损过程分三阶段：初期磨损（快速磨合）、正常磨损（缓慢线性增长）、急剧磨损（必须换刀）硬质合金刀片后刀面磨损形态CHAPTER06工件材料的切削加工性评价材料加工难易程度的指标体系与改善切削加工性的技术途径MACHINABILITY切削加工性的概念与评价指标切削加工性以45钢（正火态）为基准用Kr衡量，材料硬度170-230HBW范围内加工性最佳。45钢金属切削试样实物评价指标体系01刀具寿命：相同条件下达到磨钝标准时加工零件数越多越好02表面质量：相同条件下表面粗糙度越低越好03切削力与断屑：切削力越小、断屑性越好则加工性越优典型材料加工性对比0145钢正火态（170-229HBW）加工性最优，Kr=1.0；调质态（220-260HBW）Kr≈0.6-0.8Kr=1.002不锈钢（1Cr18Ni9Ti）加工硬化严重、导热性差，Kr≈0.4-0.5，属难加工材料Kr≈0.4-0.503铸铁含石墨起断屑和润滑作用，切削力小、切屑崩碎状，Kr≈0.7-1.0Kr≈0.7-1.0Machinability·TechnicalPathways改善切削加工性的技术途径改善材料切削加工性可从材料改性、刀具优化和工艺参数三个层面入手。热处理调整硬度是最经济有效的方法，添加易切削元素可显著改善断屑性能。改善切削加工性的主要技术途径对比改善途径作用原理典型应用正火处理提高低碳钢硬度至150–180HBW，减少粘刀和积屑瘤倾向20钢、Q235等低碳钢粗加工前球化退火将高碳钢中片状珠光体转变为球状，降低硬度改善断屑T8、T10等高碳工具钢加工前添加易切削元素S/Pb/Ca形成夹杂物起断屑和润滑作用，降低切削力20%–30%Y12、Y40Mn等易切削钢优化刀具角度大前角降低切削力，正刃倾角改善排屑方向，减小主偏角降低粗糙度不锈钢、高温合金等难加工材料合理选用切削液冷却降低切削温度15%–30%，润滑降低摩擦系数，冲洗排除切屑所有切削加工，尤其难加工材料小结：五种改善途径各有适用范围，实际应用中通常需要多种方法组合使用QuantitativeAnalysis切削用量对切削力的定量影响切削深度对切削力影响最大（线性关系），进给量次之（近似线性），切削速度影响最复杂（受积屑瘤效应干扰）。在薄壁件加工和刚性不足场合，应优先减小切削深度而非降低切削速度来控制切削力。各因素的影响规律01切削深度ap：与切削力近似成正比，ap增大一倍Fc约增大一倍，是控制切削力最直接有效的参数02进给量f：Fc∝f0.75~0.85，f增大一倍Fc约增大70%–80%，影响显著但小于切削深度03切削速度vc：中速区因积屑瘤使实际前角增大，切削力先降后升；高速区积屑瘤消失，切削力趋于稳定工程应用指导01粗加工追求高效率：优先选最大ap一次切除余量，再选最大f，最后选合理vc，此时切削力较大但机床功率充裕02精加工追求高质量：选小ap（0.1–0.5mm）和小f（0.05–0.2mm/r），选较高vc避开积屑瘤区，切削力小但表面质量好03薄壁件加工：径向切削力Fp是变形主因，选用大主偏角κr（90°–93°）可显著减小Fp，必要时采用对称切削SurfaceFinish切削加工表面粗糙度切削表面粗糙度由几何因素（理论残留高度）和物理因素（塑性变形、积屑瘤、振动）共同决定。减小进给量、增大刀尖圆弧半径和避开积屑瘤速度区是降低粗糙度的三大核心策略，直接影响零件的配合性质和疲劳强度。粗糙度形成原因01几何因素：刀具主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径决定理论残留高度，Rz≈f²/(8rε)，与进给量平方成正比02物理因素：切削中的塑性变形、积屑瘤和鳞刺使实际粗糙度远大于理论值，中速切削时尤为严重03振动因素：工艺系统的强迫振动和自激振动（颤振）在加工表面留下周期性波纹，显著恶化表面质量降低粗糙度的措施01优化刀具参数：减小进给量f和副偏角κr'，增大刀尖圆弧半径rε，可直接降低理论残留高度02提高切削速度：进入高速区（vc>100m/min）避开积屑瘤生成区，减小切削变形，表面质量显著改善03使用切削液：降低摩擦和切削温度，减少积屑瘤和鳞刺，精加工时选用极压切削油效果最佳机械加工基础工件装夹方法与定位工件装夹方式决定了加工定位精度和生产效率。夹紧力需适度控制以防变形或位移。三种装夹方法直接找正法用百分表或划针盘直接校正工件，定位精度取决于操作者经验，生产率低，仅用于单件小批量生产。单件小批量划线找正法按毛坯划线校正位置，多一道划线工序且有划线误差，适合大型工件和精度要求不高的粗加工。大型粗加工夹具安装法通过专用夹具自动定位夹紧，不需要逐个找正，既省工又高效，广泛用于成批和大量生产。成批·大量生产夹紧装置要求夹紧力大小适当