切削加工的基礎(chǔ)知識(shí)

1、第14章 切削加工的基礎(chǔ)知識(shí)切削加工是利用切削刀具從毛坯上切除多余的材料，以獲得所需的形狀、尺寸精度和表面粗糙度加工方法。切削加工在工業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位，除了少數(shù)零件可以用鑄造和鍛造獲得外，大部分的零件都要經(jīng)過切削加工。統(tǒng)計(jì)表明，金屬切削加工的工作量占機(jī)器制造總工作量的4060。金屬切削加工及其他的加工方法相比主要有如下的優(yōu)點(diǎn)：1、切削加工可獲得相當(dāng)高的尺寸精度和很小的表面粗糙度磨削外圓精度最高可高達(dá)IT5IT7級(jí),粗糙度Ra=0.10.8m,鏡面磨削的粗糙度甚至可達(dá)0.006m,而最精密的壓力鑄造只能達(dá)到IT9IT10,R=1.63.2m。.2.切削加工幾乎不受零件的材料、尺寸和重量

2、的限制目前尚未發(fā)現(xiàn)不能切削加工的金屬材料.實(shí)際上,包括橡膠、塑料、木材這些非金屬材料在內(nèi)，也都可進(jìn)行切削加工，這是任何其它冷熱加工方法都無法做到的.金屬切削加工的尺寸可小至不到0.1mm,大至幾十米,重達(dá)幾百噸. 金屬切削加工可分為鉗工和機(jī)械加工。鉗工的內(nèi)容在金工實(shí)習(xí)中介紹，本章只介紹機(jī)械加工的內(nèi)容，機(jī)械加工是通過操縱機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行切削加工，其生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量好，是現(xiàn)代金屬加工的主要方式。第一節(jié) 切削加工的基本概念切削運(yùn)動(dòng)和切削要素在切削過程中是兩個(gè)經(jīng)常遇到的概念，因此必須正確理解。一、切削運(yùn)動(dòng)（表面成型運(yùn)動(dòng)）切削加工是靠刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)叫切削運(yùn)動(dòng)

3、，它包括主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。1主運(yùn)動(dòng)是切除工件表面多余材料的基本運(yùn)動(dòng)，在切削運(yùn)動(dòng)中通常線速度最高，所消耗的功率也最多。例如車削時(shí)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；鉆削時(shí)刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；刨削時(shí)工件及刀具的相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)等都屬于主運(yùn)動(dòng)。 2進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是使工件未被切除的多余材料不斷被切除的運(yùn)動(dòng)，又稱走刀運(yùn)動(dòng)。通過進(jìn)給運(yùn)動(dòng)便可以切削出要加工的表面。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主運(yùn)動(dòng)的速度。例如，車削外圓時(shí)車刀的縱向移動(dòng)；鉆孔時(shí)鉆頭的軸向移動(dòng)；銑平面時(shí)工件的縱向移動(dòng)；牛頭刨床刨削時(shí)工件的橫向間歇移動(dòng)等都屬于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 機(jī)床除上述運(yùn)動(dòng)外，其它運(yùn)動(dòng)均稱為輔助運(yùn)動(dòng)。如：進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)、退刀運(yùn)動(dòng)、分度運(yùn)動(dòng)、工作臺(tái)的升降等。二、切削要素切削要素

4、指切削用量和切削層幾何參數(shù)。切削加工時(shí)在工件上形成三個(gè)表面：待加工面，是工件上等待切除一層材料的表面；已加工表面，是工件上經(jīng)切削后產(chǎn)生的表面；加工面，正被刀具切削的表面，它是待加工面和已加工表面之間的過渡面。1、切削用量切削用量包括切削速度、進(jìn)給量、及切削深度。要完成切削，這三者缺一不可，故又稱為切削用量三要素。（1）切削速度指主運(yùn)動(dòng)的線速度，當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，式中 切削速度，m/min； D-工件待加工表面直徑，mm； n-工件轉(zhuǎn)速，r/min。（2）進(jìn)給量f（又稱為走刀量） 指刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)工件移動(dòng)的距離。可用刀具或工件每轉(zhuǎn)或每行程的位移量來表示。例如，車削時(shí)進(jìn)給量為工件每轉(zhuǎn)

5、刀具沿進(jìn)給方向的位移量，單位mm/r,刨削時(shí)進(jìn)給量指工件或刀具每往復(fù)一次，兩者在進(jìn)給方向的相對(duì)位移，單位mm/str(毫米/每往復(fù)行程)（3）切削深度ap 指待加工表面及已加工表面的垂直距離。例如車削外圓時(shí)切削深度是待加工表面及已加工表面的半徑差。2、切削層幾何參數(shù)切削層幾何參數(shù)包括切削寬度、切削厚度和切削面積。它比進(jìn)給量、切削深度更能直觀地反映，切削刃單位長(zhǎng)度負(fù)荷以及切削刃工作長(zhǎng)度的變化。如圖30-2所示。（1）切削寬度 沿刀具主切削刃所量得的切削層尺寸，即切削刃參及切削工作的長(zhǎng)度，單位為mm。外圓縱車時(shí)：式中 刀具主切削刃和工件軸線之間的夾角。（2）切削厚度 刀具或工件每移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量后，

6、刀具主切削刃相鄰兩個(gè)位置間的垂直距離，單位為mm。（3）切削面積 切削層的橫截面面積，單位為mm2。 由以上公式可以看出，決定的大小。隨著的減小而增大，而隨著的減小而減小.第二節(jié) 切削刀具金屬切削刀具主要由刀頭和刀體組成，刀頭承擔(dān)切削任務(wù)，刀體用來夾持刀頭。選擇合適的刀具對(duì)切削加工極為重要，選擇刀具主要考慮材料和角度兩個(gè)因素。一、刀具材料1對(duì)刀具材料的要求（1）較高的硬度 其硬度應(yīng)高于工件材料的硬度，常溫硬度在HRC60以上。（2）良好的耐磨性 使刀具的工作時(shí)間延長(zhǎng)，提高生產(chǎn)率。（3）足夠的強(qiáng)度和韌性 以保證對(duì)切削抗力、沖擊力及振動(dòng)有足夠的承受能力。（4）高的耐熱性（又稱紅硬性） 能在高溫下維

7、持切削所需的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性。除上述基本切削性能外，還應(yīng)有良好的工藝性和導(dǎo)熱性。2、刀具的常用材料（1）合金工具鋼 有較高的熱硬性，耐熱溫度在2200C左右，切削速度約在810m/min之間，但價(jià)格低廉，常用來制造形狀復(fù)雜的低速刀具，如鉸刀、絲錐和板牙等。（2）高速工具鋼 其高溫硬度、耐磨性都比合金工具鋼好，耐熱溫度在5600C左右，其熱處理后的硬度可達(dá)到HRC6366，切削速度可達(dá)30m/min左右。由于其熱處理性能好，有較高的強(qiáng)度和良好的刃磨性，被廣泛用于制造成形車刀、銑刀、鉆頭和拉刀等各種機(jī)用刀具。目前應(yīng)用最多的材料是W18Cr4V。（3）硬質(zhì)合金 是由碳化鎢、碳化鈦和鈷等材料用

8、粉末冶金方法制成的合金。其硬度可達(dá)HRA89-92.5（相當(dāng)于HRC70-75），能耐溫度達(dá)850010000C，耐磨性很好。切削速度是高速鋼的4-10倍，但抗彎強(qiáng)度僅為高速鋼的1/3，怕沖擊振動(dòng)。通常是將硬質(zhì)合金刀片固定在刀體上使用，目前硬質(zhì)合金已成為主要的刀具材料之一。根據(jù)GB2075-87，切削用的硬質(zhì)合金按其排屑形式和加工對(duì)象范圍。分為三類，分別以字母P、M、K表示。P-適于加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬，以藍(lán)色作標(biāo)志。M-適于加工長(zhǎng)切屑或短切屑的黑色金屬和有色金屬，以黃色作標(biāo)志。K-適于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬合非金屬材料，以紅色作標(biāo)志。P類的硬度、耐磨性較高，韌性較差。K類的韌性較高，

9、硬度、耐磨性略低。M類的綜合性能較好。表30-1列出了分組代號(hào)及應(yīng)用范圍，供實(shí)際工作中參考。每個(gè)類別的分組代號(hào)中，數(shù)字愈大，耐磨性愈低，而韌性愈高，則進(jìn)給量可選得大些，而切削速度應(yīng)選得小些。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，刀具材料不斷更新。出現(xiàn)了一些新的刀具材料，如鈷高速鋼，粉末冶金高速鋼，鋼結(jié)硬質(zhì)合金。人造金剛石，立方氮化硼（CBN）等。二、刀具的幾何形狀刀具的幾何形狀主要指切削部分的幾何形狀，包括切削部分的組成、輔助平面、切削部分的幾何角度等內(nèi)容。下面以普通外圓車刀為例加以說明。其它刀具都可看作由車刀演化而來。1、車刀切削部分的組成 如圖304a所示（1）前刀面切屑流出時(shí)首先接觸的表面。為使切屑卷曲、

10、折斷，切削塑性材料時(shí)，刀具的前刀面一般磨有斷屑槽，如圖30-4b所示。前刀 面可為平面，也可為曲面。（2）主后刀面 切削時(shí)，刀具上及工件加工表面相對(duì)著的表面。（3）副后刀面 切削時(shí)，刀具上及工件已加工表面相對(duì)著的表面。（4）主切削刃 前刀面及主后刀面的交線，它擔(dān)負(fù)著主要的切削工作。（5）副切削刃 前刀面及副后刀面的交線，它只擔(dān)負(fù)少量的切削工作。（6）刀尖 主切削刃和副切削刃的交點(diǎn)。為增強(qiáng)刀尖的強(qiáng)度和耐磨性，刀尖常常修磨成一段很小的直線或圓弧。由上述可知，車刀切削部分的組成，可以簡(jiǎn)稱為“三面、兩刃、一尖”。此外，刀具上還常磨有過渡刃、修光刃及負(fù)倒棱。2、輔助平面。為確定車刀各刀面和刀刃的空間位置

11、，度量車刀的幾何角度，引入三個(gè)互相垂直的輔助平面作為基準(zhǔn)面和測(cè)量面?；鍼 通過切削刃選定點(diǎn)，并垂直于該點(diǎn)的切削速度方向的平面。切削平面Ps 通過切削刃上選定點(diǎn)，及工件加工表面相切，且垂直于該點(diǎn)基面的平面。主剖面P0 通過主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面和切削平面的平面，該平面是為了測(cè)量刀具的幾何角度。副剖面P0 通過副切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面和切削平面的平面。切削刃上同一點(diǎn)的切削平面及基面垂直，構(gòu)成了確定刀具幾何角度的坐標(biāo)平面系，如圖30-5所示。3、車刀切削部分的幾何角度 如圖30-6所示建立主剖面參考系，在主剖面0-0（P。）上測(cè)得的角度：（1）前角前刀面及基面的夾角。它反映前刀面的傾斜程

12、度。前角越大，刀具越鋒利，切削越輕快。但前角大會(huì)降低刀頭部分的強(qiáng)度，切削過程中，容易崩刃。因此在保證刀頭強(qiáng)度的前提下，盡量選擇大一些的前角。根據(jù)工件材料和刀具材料，通常為50200。（2）后角主后刀面及切削平面的夾角。后角的主要作用是減少刀具及加工表面的摩擦。但過大會(huì)降低刀頭強(qiáng)度，散熱變差。粗加工等主要考慮強(qiáng)度場(chǎng)合，取較小后角為3060，精加工等主要考慮減小摩擦的場(chǎng)合，取較大的后角為60120（3）楔角前刀面及主后刀面的夾角。在基面上測(cè)量的角度：（4）主偏角主切削刀在基面上的投影及進(jìn)給方向之間的夾角。它決定了主切削刀的工作長(zhǎng)度、刀尖強(qiáng)度和徑向力。主偏角較小時(shí)，切削寬度增加，切削厚度減薄，主切削

13、刀的工作長(zhǎng)度增加，刀具磨損較小、耐用。但容易引越振動(dòng)，增大徑向力，頂彎細(xì)長(zhǎng)工件，影響加工精度。一般300900 最常用的是450。（5）副偏角副切削刃在基面上的投影及進(jìn)給相反方向之間的夾角。它可以減少副切削刃及已加工表面間的摩擦。減小副偏角，可使表面粗糙度Ra值減小，一般50150。（6）刀尖角主、副切削刃在基面上投影的夾角。它反映了刀尖的強(qiáng)度和散熱條件。在切削平面內(nèi)測(cè)量的角度：（7）刃傾角主切削刃及基面之間的夾角。它主要影響刀頭的強(qiáng)度和排屑方向，改變刀頭的受力情況。粗加工時(shí)，為了提高刀頭的強(qiáng)度常取負(fù)值；粗加工時(shí)，為了不使切屑劃傷已加工面取正值，如圖30-7所示。一般為-50100。此外，在過

14、副切削刃上選定點(diǎn)的副切削面內(nèi)，還有副后角和副前角，其定義參考前角和后角的定義。第三節(jié) 切削過程中的物理現(xiàn)象在金屬的切削過程中，伴隨著許多物理現(xiàn)象，如滯流、切削力、切削熱、刀具磨損等。一、切屑 1切屑的形成切屑是刀具擠壓工件使工件表面的一層金屬產(chǎn)生一系列的變形而形成的。切削塑性材料時(shí)一般經(jīng)過擠壓滑移、擠裂、切離四個(gè)階段形成切屑。切削脆性材料時(shí)不經(jīng)過滑移階段。（1）擠壓階段 刀具擠壓工件使接觸處的金屬產(chǎn)生彈性變形。（2）滑移階段 刀具擠壓工件并使金屬內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，發(fā)生塑性變形。（3）擠裂階段 刀具擠壓工件并使金屬內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，產(chǎn)生裂痕而被擠裂。（4）切離階段 被擠裂

15、的金屬脫離工件而形成切屑。2切屑的種類 如圖30-8所示（1）帶狀切屑 切削較軟的塑性材料時(shí)，采用高的切削速度和小的進(jìn)給量時(shí)得到，或采用低的切削速度和，而車刀的前角較大時(shí)形成帶狀切屑。（2）節(jié)狀切屑 在粗加工較硬的鋼材時(shí)，采用大的進(jìn)給量和高的切削速度，而刀具的前角較小時(shí)形成節(jié)狀切屑。（3）粒狀切屑 在加工脆性材料時(shí)形成粒狀切屑。不同的切屑對(duì)工件和刀具的影響也不同，帶狀切屑的形成過程較平穩(wěn)，工件的表面質(zhì)量較好，但易刮傷工件；粒狀切屑是斷續(xù)產(chǎn)生的，會(huì)使刀具產(chǎn)生振動(dòng)，降低工件的表面質(zhì)量，刀尖的沖擊較大，容易損壞刀刃。二、積屑瘤切削塑性材料時(shí)，常在切削刃上粘附著一小塊很硬的金屬，其組織性能及刀具、工件

16、材料均不相同，這塊金屬稱為積屑瘤。在切削過程中，前刀面、刀刃和切屑形成一個(gè)小楔形區(qū)，這里壓力大、溫度高。切屑從刀具前刀面流出時(shí)切屑底層受前刀面摩擦，使流動(dòng)速度降低，這層金屬稱為滯流層。當(dāng)摩擦阻力大到一定值，就會(huì)使切屑底層金屬的一小部分粘結(jié)到刀具前刀面的切削刃處，形成了積屑瘤。硬度約為工件硬度的1.5-2.5倍，粘附在切削刃上保護(hù)了切削刃，并增大了前角。在粗加工時(shí)，這是有利的。但由于積屑瘤不穩(wěn)定，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，時(shí)小時(shí)大，并容易粘到工件表面上，引起振動(dòng)，使工件表面粗糙度加大。因此，精加工時(shí)，應(yīng)避免產(chǎn)生積屑瘤。切削速度對(duì)積屑瘤影響較大，當(dāng)切削速度達(dá)到某一值附近，積屑瘤最大，切削速度進(jìn)一步提高，積屑瘤則隨

17、之減小。因此，為避免積屑瘤的產(chǎn)生，可以采用較高或較底的切削速度；使刀面的粗糙度較小或加切削液以減小摩擦系數(shù)；增大前角，降低進(jìn)給量以減小切削厚度等措施。三、加工硬化由于刀具的切削刃有一定的刃口圓弧半徑（約為0.0120.032mm如圖30-10所示，結(jié)果使工件的已加工面受到刀具的刃口圓弧的推壓和后刀面的擠壓、摩擦作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，導(dǎo)致表面的硬化。一般硬化層的硬度可達(dá)原工件的1-2倍，深度在0.02-0.03mm。這種再切削材料時(shí)，經(jīng)過加工的表面硬度增加塑性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。表面的加工硬化，常引起工件表面產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，使工件疲勞強(qiáng)度下降，表面粗糙度增加，使下道工序的加工增加困難。因此

18、，常采取增大刀具的前角，提高切削速度，使用切削液等措施，減少加工硬化。四、切削力 切削時(shí)所產(chǎn)生的刀具及工件之相互作用的力叫切削力。1、切削力的來源切削時(shí)，被刀具擠壓的金屬層及切屑由于變形而產(chǎn)生抗力，該抗力以正壓力的形式作用于刀具前刀面，是切削力的主要部分。組成切削力的其他部分包括切屑和前刀面的摩擦力；加工表面對(duì)后面的正壓力和摩擦力；已加工表面對(duì)副后刀面的正壓力和摩擦力。在這三對(duì)力中，正壓力均來源自工件及切屑的彈、塑性變形，摩擦力則來自工件及刀具工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如圖30-11所示。三對(duì)力的合力即為總切削力，簡(jiǎn)稱為切削力?？偳邢髁ψ饔糜诘毒呱系牟课缓头较蛉鐖D30-12所示。2、切削分力為了設(shè)計(jì)計(jì)算

19、中需要及便于測(cè)量，將總切削力，分解成三個(gè)相互垂直的分力、。（1）走力抗力其方向及進(jìn)給方向相反。車削外圓時(shí)為軸向分力。它是機(jī)床給進(jìn)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)。（2）吃力抗力 其方向及吃刀方向相反。車削外圓時(shí)，為徑向分力。其反作用力有將工件頂彎的趨勢(shì)，對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸工件將影響工件的加工精度。增大主偏角，可以減少?gòu)较蛄Α＃?）主切削力 它垂直于基面，及切削速度方向一致。是最大的分力。所消耗的功率約占機(jī)床總功率的90%以上，是計(jì)算機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)零件強(qiáng)度、剛度，夾具夾緊力的主要依據(jù)。由于刀具角度、切削用量的不同，和相對(duì)于的比值在一定范圍內(nèi)變化。=（0.150.7）；=（0.10.6）五、切削熱切削時(shí)所消耗的功幾乎

20、全部轉(zhuǎn)化為熱能。切削熱的主要來源有：（1）內(nèi)摩擦熱 在切削過程中，工件（在切削區(qū)）和切屑的彈、塑性變形產(chǎn)生的熱。（2）外摩擦熱 切屑及刀具前面、加工表面及刀具后面、已加工表面及刀具副后面之間摩擦所產(chǎn)生的熱。切削熱使工藝系統(tǒng)的溫度升高。使刀具硬度降低，造成刀具很快摩損；還可能改變工件的金相組織；使工件膨脹變形，影響測(cè)量及加工精度，對(duì)大尺寸，薄壁及細(xì)長(zhǎng)工件影響更大。可見，減少切削熱降低切削溫度對(duì)加工精度是十分重要的。一般來說，所有減小切削力的辦法均可減少切削熱，但冷卻潤(rùn)滑重有效。采用充分合理的冷卻潤(rùn)滑，除可減少摩擦而減少切削熱外，還可帶走大量的切削熱，從而使工藝系統(tǒng)溫度明顯降低。六、刀具耐用度刀具使用一段時(shí)間后就會(huì)變鈍，必須重新刃磨后才能使用。我們把兩次刃磨之間的實(shí)際切削時(shí)間稱刀具的耐用度，單為是分鐘。觀察磨損刀具，根據(jù)刀具磨損部位的不同可分為后刀面磨損、前刀面磨損和前后刀面磨損，刀具的磨損是不可避免的。在初級(jí)磨損階段，刀具后面的不平處被很快磨平，粗糙度減小。此后便進(jìn)入了緩慢的正常磨損程度。刀具后面磨損到一定程度，切削刃鈍化嚴(yán)重，