金屬工藝學(xué)第五篇 第一章金屬切削的基礎(chǔ)知識(shí)

金屬工藝學(xué)（下冊(cè)）

1切削加工切削基礎(chǔ)知識(shí)切削機(jī)床基礎(chǔ)常用切削加工方法精密加工與特種加工方法典型表面加工分析工藝過(guò)程的基本知識(shí)零件結(jié)構(gòu)的工藝性2第一章金屬切削的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)及切削層要素第二節(jié)刀具材料及刀具構(gòu)造第三節(jié)金屬切削過(guò)程3金屬切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形狀和位置精度、表面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要求。金屬切削加工要切除工件上多余的金屬，形成已加工表面，必須具備兩個(gè)基本條件：切削運(yùn)動(dòng)(造型運(yùn)動(dòng))和刀具(幾何形態(tài))。第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)及切削層要素返回4一、切削運(yùn)動(dòng)51、主運(yùn)動(dòng)（2）切削速度（1）主運(yùn)動(dòng)方向

由機(jī)床或人力提供的刀具與工件之間主要的相對(duì)運(yùn)動(dòng),它使刀具切削刃及其鄰近的刀具表面切入工件材料，使被切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?從而形成工件的新表面。在切削運(yùn)動(dòng)中，主運(yùn)動(dòng)速度最高、耗功最大，是切下切屑所必須的基本運(yùn)動(dòng)。切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)主運(yùn)動(dòng)方向。

切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。62、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（1）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向（2）進(jìn)給速度

切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)進(jìn)給方向。

刀具與工件之間附加的相對(duì)運(yùn)動(dòng),配合主運(yùn)動(dòng)依次地或連續(xù)不斷地切除切屑,從而形成具有所需幾何特性的已加工表面。其運(yùn)動(dòng)可由刀具完成(如車削)，也可由工件完成(如銑削)。可以是間歇的（如刨削）,也可以是連續(xù)的（如車削）。

7各種切削加工的切削運(yùn)動(dòng)8切削刃相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,就是表面形成過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,切削刃相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡面就是工件上的加工表面和已加工表面。有兩個(gè)要素，一是切削刃,二是切削運(yùn)動(dòng)。不同的切削運(yùn)動(dòng)的組合,即可形成各種工件表面。二、零件表面的形成9車削加工是一種最常見的、典型的切削加工方法。車削加工過(guò)程中工件上有三個(gè)不斷變化著的表面。（1）待加工表面（2）已加工表面（3）過(guò)渡表面工件上待切除的表面。工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的新表面。工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之間的過(guò)渡表面。10（一）切削速度（二）進(jìn)給量三、切削用量是指刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)工件的位移量。單位為mm/r；單位為mm/str或mm/單行程；對(duì)切削運(yùn)動(dòng)定量描述的重要指標(biāo)之一。外圓車削的切削速度為vc=πdwn/1000主要指控制切削過(guò)程的切削用量要素和在切削過(guò)程中由余量變成切屑的切削層參數(shù)。11

對(duì)于多齒的旋轉(zhuǎn)刀具(如銑刀、切齒刀)，常用每齒進(jìn)給量fz，單位為mm/z或mm/齒。它與進(jìn)給量f的關(guān)系為f=zfz車削時(shí)進(jìn)給速度vf可由下式計(jì)算vf=nf銑削時(shí)進(jìn)給速度為vf=nf=znfz（三）背吃刀量ap工件上已加工表面與被加工表面之間的垂直距離。外圓車削:ap＝(dw-dm)/2

vc、f、ap

構(gòu)成了普通外圓車削的切削用量三要素。121.切削速度vc

(m/s)2.進(jìn)給量f(mm/r)3.背吃刀量ap

（切削深度）

(mm)13四、切削層參數(shù)1、切削層公稱厚度hD2、切削層公稱寬度bD平行于正在加工的表面（過(guò)渡表面）度量的切削層參數(shù)。bD＝ap／sinKr垂直于正在加工的表面（過(guò)渡表面）度量的切削層參數(shù)。hD＝fsinKr切削層是指在切削過(guò)程中，由刀具在切削部分的一個(gè)單一動(dòng)作（或指切削部分切過(guò)工件的一個(gè)單程，或指只產(chǎn)生一圈過(guò)渡表面的動(dòng)作）所切除的工件材料層。14車削時(shí)的切削層尺寸153、切削層公稱橫截面積AD上述公式中可看出hD、bD均與主偏角有關(guān)，但切削層公稱橫截面積AD只與hD、bD或f、ap有關(guān)。在切削層參數(shù)平面內(nèi)度量的橫截面積。AD＝hD

bD=ap

f16

第二節(jié)刀具材料及刀具構(gòu)造刀具的組成：切削部分夾持部分一、刀具的組成返回17nf切削部分夾持部分一、刀具的組成刀具的組成：切削部分夾持部分181.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面、兩個(gè)刀刃、一個(gè)尖二、刀具的幾何形狀nf前刀面191.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面、兩個(gè)刀刃、一個(gè)尖二、刀具的幾何形狀nf前刀面主后面201.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面、兩個(gè)刀刃、一個(gè)尖二、刀具的幾何形狀nf前刀面主后面副后面211.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面、兩個(gè)刀刃、一個(gè)尖二、刀具的幾何形狀nf前刀面主切削刃221.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面、兩個(gè)刀刃、一個(gè)尖二、刀具的幾何形狀nf前刀面主切削刃副切削刃231.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面、兩個(gè)刀刃、一個(gè)尖二、刀具的幾何形狀nf前刀面主切削刃副切削刃刀尖241.刀具切削部分的組成三個(gè)刀面：二、刀具的幾何形狀：刀具上切屑流過(guò)的表面：與過(guò)渡表面相對(duì)的表面，同前刀面相交形成主切削刃：與已加工表面相對(duì)，同前刀面相交形成副切削刃兩個(gè)刀刃：：切出過(guò)渡表面的切削刃：前刀面與副后面相交形成的切削刃：主切削刃與副切削刃的連接處(1)前刀面(2)主后刀面

(3)副后刀面(1)主切削刃(2)副切削刃一個(gè)尖：刀尖252.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr②主切削平面ps③副切削平面ps’④正交平面po⑤假定工作平面pf262.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr②主切削平面ps③副切削平面ps’④正交平面po⑤假定工作平面pf272.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr②主切削平面ps③副切削平面ps’④正交平面po⑤假定工作平面pf282.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr②主切削平面ps③副切削平面ps′④正交平面po⑤假定工作平面pf292.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr②主切削平面ps③副切削平面ps’④正交平面po⑤假定工作平面pf302.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr：通過(guò)主切削刃選定點(diǎn)，垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面②主切削平面ps：通過(guò)主切削刃選定點(diǎn)，與主切削刃相切并垂直于基面③副切削平面ps’：通過(guò)副切削刃選定點(diǎn)，與副切削刃相切并垂直于基面④正交平面po

：通過(guò)主切削刃選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和主切削平面⑤假定工作平面pf

：通過(guò)主切削刃選定點(diǎn)，垂直于基面并平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向312.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr，②主切削平面ps，③副切削平面ps′，④正交平面po，⑤假定工作平面pfprpspo322.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr，②主切削平面ps，③副切削平面ps′，④正交平面po，⑤假定工作平面pf332.車刀切削部分的主要角度(1).輔助平面①基面pr，②主切削平面ps，③副切削平面ps′，④正交平面po，⑤假定工作平面pf基面pspfps′popr342.車刀切削部分的主要角度(2).標(biāo)注角度

①在基面pr內(nèi)標(biāo)注的角度

Ⅰ.主偏角kr:主切削平面與假定工作平面間夾角，即主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向間夾角（40?~90?）。

Ⅱ.副偏角kr′:副切削平面與假定工作平面間夾角，即副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向間夾角。352.車刀切削部分的主要角度(2).標(biāo)注角度主偏角kr、副偏角kr′越大，殘留面積越大362.車刀切削部分的主要角度(2).標(biāo)注角度主偏角kr、越大，進(jìn)給力越大，背向力越小372.車刀切削部分的主要角度(2).標(biāo)注角度②在正交平面po標(biāo)注的角度

Ⅰ.前角γo:前刀面與基面間夾角（0?~15?）。

Ⅱ.后角αo:主后刀面與主切削平面間夾角（6?~12?）382.車刀切削部分的主要角度前角的作用前角越大，刀越鋒利、切削輕快，強(qiáng)度下降、不利散熱392.車刀切削部分的主要角度后角的作用減小主后刀面與加工表面的摩擦402.車刀切削部分的主要角度(2).標(biāo)注角度③在主切削平面ps標(biāo)注的角度

刃傾角λs:主切削刃與基面間夾角（-5?~+5?）。412.車刀切削部分的主要角度刃傾角的作用刃傾角對(duì)切屑排出方向的影響421)刀尖安裝高低對(duì)工作前、后角的影響3、刀具的工作角度

刀具在工作參考系中確定的角度稱為刀具工作角度。43當(dāng)?shù)稐U中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不垂直且逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)G角時(shí)，工作主偏角將增大，工作副偏角將減小。2）刀桿安裝偏斜對(duì)工作主、副偏角的影響車刀安裝偏斜對(duì)工作主偏角、副偏角的影響44四、刀具材料451、刀具材料應(yīng)具備的性能（1）高的硬度和耐磨性；（2）足夠的強(qiáng)度和韌性；（3）高的耐熱性與化學(xué)穩(wěn)定性；（4）有鍛造、焊接、熱處理、磨削加工等良好的工藝性；（5）導(dǎo)熱性好，有利于切削熱傳導(dǎo)，降低切削區(qū)溫度，延長(zhǎng)刀具壽命，便于刀具的制造，資源豐富，價(jià)格低廉。46銑刀、齒輪刀具……鉸刀、拉刀……手工工具用途小小大熱處理變形0.5~1.08>20%碳素工具鋼

0.13許用切削速度m/s540~650300~400200~300耐熱性O(shè)CHRC62~69HRC60~64HRC60~64硬度W18Cr4VW6Mo5Cr4V2ALCrWMn,9SiCr

6CrW2SiT10、T10AT12例高速鋼合金工具鋼碳素工具鋼2、常用刀具材料的性能及用途47硬質(zhì)合金陶瓷材料人造金剛石例鎢鈷類（YG）鎢鈦鈷類（YT）YG3、YG6YT5、YT15硬度HRA89~91（HRC74~78）HRA86~96HV10000(硬質(zhì)合金為HV1300~1800)耐熱性O(shè)C800~10001200700~800許用切削速度m/s1.7~5（12~14）熱處理變形不需要用途各種刀片高硬度鋼材精加工不宜加工鋼鐵材料48碳素鋼刀具49高速鋼刀具50硬質(zhì)合金刀塊51涂層刀具材料在韌牲較好的刀具基體上，涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。（四）其它刀具材料立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一種人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成。它有很高的硬度及耐磨性，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性大，與鐵系金屬在1300℃時(shí)不易起化學(xué)反應(yīng)應(yīng)當(dāng)指出：加工一般材料大量使用的仍是普通高速鋼及硬質(zhì)合金52第三節(jié)金屬切削過(guò)程

在金屬切削過(guò)程中，始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，從而產(chǎn)生一系列物理現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及有關(guān)刀具的磨損與刀具壽命、卷屑與斷屑等。

返回53一、切屑形成過(guò)程及切屑種類1、切屑的形成過(guò)程1）切削變形的力學(xué)本質(zhì)

切削金屬形成切屑的過(guò)程是一個(gè)類似于金屬材料受擠壓作用，產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生剪切滑移的變形過(guò)程。擠壓與切削的比較542）切屑形成過(guò)程模型切屑形成過(guò)程模型彈性變形塑性變形擠裂切屑切離55帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑切屑類型2、切屑的種類56帶狀切屑最常見的屑型之一。形成條件：一般加工塑性金屬材料，當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時(shí)，會(huì)得到此類切屑。優(yōu)點(diǎn)：切削過(guò)程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較小。缺點(diǎn)：紊亂狀切屑纏繞在刀具或工件上影響加工過(guò)程。擠裂(節(jié)狀)切屑形成條件：大多在低速、大進(jìn)給、切削厚度較大、刀具前角較小時(shí)產(chǎn)生。57單元(粒狀)切屑

在擠裂(節(jié)狀)切屑產(chǎn)生的前提下,當(dāng)進(jìn)一步降低切削速度，增大進(jìn)給量，減小前角時(shí)則出現(xiàn)單元(粒狀)切屑。崩碎切屑

切削脆性金屬(鑄鐵)時(shí)，常見的呈不規(guī)則細(xì)粒狀的切屑。產(chǎn)生這種切屑會(huì)使切削過(guò)程不平穩(wěn)，易損壞刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、進(jìn)給量越大則越容易產(chǎn)生這種切屑。58二、積屑瘤

在中低速切削塑性金屬材料時(shí),常在刀具前面刃口處粘結(jié)一些工件材料,形成一塊硬度很高的楔塊，稱之為積屑瘤。產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是滯流層金屬不斷堆積的結(jié)果。

積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化程度有關(guān)，也與刀刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)。3、影響積屑瘤的因素2、積屑瘤的形成原因1、什么是積屑瘤59積屑瘤高度與切削速度關(guān)系示意圖604、積屑瘤對(duì)切削過(guò)程的影響

實(shí)際前角增大；增大切削厚度；使加工表面粗糙度增大；對(duì)刀具壽命的影響。

一般積屑瘤對(duì)切削加工過(guò)程的影響是不利的，在精加工時(shí)應(yīng)盡可能避免積屑瘤的產(chǎn)生，但在粗加工時(shí)，有時(shí)可充分利用積屑瘤。61采用低速或高速切削采用高潤(rùn)滑性的切削液，使摩擦和粘結(jié)減少；適當(dāng)減少進(jìn)給量、增大刀具前角；適當(dāng)提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨質(zhì)量；5、抑制或消除積屑瘤的措施62三、切削力和切削功率

切削過(guò)程中，刀具施加于工件使工件材料產(chǎn)生變形，并使多余材料變?yōu)榍行妓璧牧ΓQ為切削力。（一）、切削力的來(lái)源、切削合力及分力、切削功率

切削力來(lái)自于金屬切削過(guò)程中克服被加工材料的彈、塑性變形抗力和摩擦阻力1.切削力的來(lái)源2、切削力的分解

通常將合力F分解為相互垂直的三個(gè)分力：切削力Fc

、進(jìn)給力Ff

、背向力Fp63切削力的分解64切削力Fz(Fc)（舊稱主切削力，用Fz表示）——總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向的分力，是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。背向力Fy（Fp）舊稱徑向分力，用Fy表示——總切削力在垂直于工作平面方向的分力，是進(jìn)行加工精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，所必須的參數(shù)。進(jìn)給力Fx(Ff)舊稱軸向分力，用Fx表示——總切削力在進(jìn)給方向的分力，是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)。65背向力對(duì)加工的影響

解決背向力不利影響辦法

解決背向力不利影響辦法

切削力的估算工件材料、切削用量、刀具角度、切削液、刀具材料等影響。693、切削功率計(jì)算切削功率：Pc是用于核算加工成本和計(jì)算能量消耗，并在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)根據(jù)它來(lái)選擇機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率。主運(yùn)動(dòng)消耗的切削功率：Pc＝Fcυc/60×10-3

（kW）機(jī)床電機(jī)功率：PE=Pc/ηm（ηm＝0.75～0.85）。70四、切削熱和切削溫度1、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

金屬切削過(guò)程的三個(gè)變形區(qū)就是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱源。在這三個(gè)變形區(qū)中，刀具克服金屬?gòu)?、塑性變形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

切削熱向切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳導(dǎo)，使它們的溫度上升，從而導(dǎo)致切削區(qū)內(nèi)的切削溫度上升。712、切削溫度對(duì)切削加工過(guò)程的影響1）、對(duì)刀具材料的影響2）、對(duì)工件尺寸精度的影響

高速鋼刀具材料的耐熱性為600℃左右，超過(guò)該溫度，刀具失效。硬質(zhì)合金刀具材料耐熱性好，在高溫800～1000℃時(shí)，強(qiáng)度反而更高，韌性更好。因此適當(dāng)提高切削溫度，可防止硬質(zhì)合金刀具崩刃，延長(zhǎng)刀具壽命。

車削工件外圓時(shí)，工件受熱膨脹，切削后冷卻至室溫，尺寸變小，特別是在精加工和超精密加工時(shí)，切削溫度的變化對(duì)工件尺寸精度的影響特別大，因此控制好切削溫度，是保證加工精度的有效措施。723、影響切削溫度的因素1）、工件材料2）、切削用量

材料的強(qiáng)度、硬度越高，則切削抗力越大，消耗的功越多，產(chǎn)生的熱就越多；導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳散的熱越少，切削區(qū)的切削溫度就越高。切削速度對(duì)切削溫度的影響最大，背吃刀量對(duì)切削溫度的影響最小。3）、刀具磨損刀具主后面磨損時(shí)，后角減小，后面與工件間摩擦加劇。刃口磨損時(shí)，切屑形成過(guò)程的塑性變形加劇，使切削溫度增大。734）、刀具幾何參數(shù)前角γo↑→塑性變形和摩擦↓→切削溫度↓。但前角不能太大，否則刀具切削部分的鍥角過(guò)小，容熱、散熱體積減小，切削溫度反而上升。主偏角κr↑→切削刃工作接觸長(zhǎng)度↓，切削寬度bD↓，散熱條件變差，故切削溫度↑。5）、切削液利用切削液的潤(rùn)滑功能降低摩擦系數(shù)，減少切削熱的產(chǎn)生，也可利用它的冷