切削加工基礎(chǔ)知識

1、切削加工基礎(chǔ)知識 用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）把坯料或工件上多余的材料層切去成為切屑，使工件獲 得規(guī)定的幾何形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。任何切削加工都必須具備 3個基本條件: 切削工具、工件和切削運動。切削工具應(yīng)有刃口，其材質(zhì)必須比工件堅硬。不同的刀具結(jié)構(gòu) 和切削運動形式構(gòu)成不同的切削方法。用刃形和刃數(shù)都固定的刀具進(jìn)行切削的方法有車削、 鉆削、鏜削、銑削、刨削、拉削和鋸切等；用刃形和刃數(shù)都不固定的磨具或磨料進(jìn)行切削的 方法有磨削、研磨、珩磨和拋光等。 切削加工是機械制造中最主要的加工方法。雖然毛坯制造精度不斷提高，精鑄、精鍛、擠 壓、粉末冶金等加工工藝應(yīng)用日廣，但由于切削加工的適應(yīng)范

2、圍廣，且能達(dá)到很高的精度和 很低的表面粗糙度，在機械制造工藝中仍占有重要地位。 1簡史 切削加工的歷史可追溯到原始人創(chuàng)造石劈、 骨鉆等勞動工具的舊石器時期。 在中國， 早在 商代中期（公元前13世紀(jì)），就已能用研磨的方法加工銅鏡；商代晚期（公元前12世紀(jì)），曾用 青銅鉆頭在卜骨上鉆孔；西漢時期（公元前206公元23）,就已使用桿鉆和管鉆，用加砂研 磨的方法在 金縷玉衣”的4000多塊堅硬的玉片上鉆了 18000多個直徑12mm的孔。17世 紀(jì)中葉，中國開始利用畜力代替人力驅(qū)動刀具進(jìn)行切削加工。如公元 1668年，曾在畜力驅(qū)動 的裝置上，用多齒刀具銑削天文儀上直徑達(dá) 2丈（古丈）的大銅環(huán)，然后再

3、用磨石進(jìn)行精加工。 18世紀(jì)后半期的英國工業(yè)革命開始后，由于蒸汽機和近代機床的發(fā)明，切削加工開始用蒸汽 機作為動力。到19世紀(jì)70年代，切削加工中又開始使用電力。對種新的刀具材料相繼出現(xiàn)。 19世紀(jì)末出現(xiàn)的高速鋼刀具，使刀具許用的切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼刀具提高兩 倍以上，達(dá)到25m/min左右。1923年出現(xiàn)的硬質(zhì)合金刀具，使切削速度比高速鋼刀具又提高 兩倍左右。30年代以后出現(xiàn)的金屬陶瓷（見陶瓷）和超硬材料（人造金剛石和立方氮化硼），進(jìn)一 步提高了切削速度和加工精度。隨著機床和刀具不斷發(fā)展，切削加工的精度、效率和自動化 程度不斷提高，應(yīng)用范圍也日益擴大，從而促進(jìn)了現(xiàn)代機械制造業(yè)的發(fā)

4、展。 2分類 金屬材料的切削加工有許多分類方法。常見的有以下 3種 圖2刀尖軌跡法車削外圓 刨削平面 按工藝特征區(qū)分切削加工的工藝特征決定于切削工具的結(jié)構(gòu)以及切削工具與工件的相對 運動形式。按工藝特征，切削加工一般可分為：車削、銑削、鉆削、鏜削、鉸削、刨削、插 削、拉削、鋸切、磨削、研磨、珩磨、超精加工、拋光、齒輪加工、蝸輪加工、螺紋加工、 超精密加工、鉗工和刮削等。 按材料切除率和加工精度區(qū)分可分為： 粗加工：用大的切削深度，經(jīng)一次或少數(shù)幾次走刀從工件上切去大部分或全部加工余量， 如粗車、粗刨、粗銑、鉆削和鋸切等，粗加工加工效率高而加工精度較低，一般用作預(yù)先加 工，有時也可作最終加工。 半精

5、加工：一般作為粗加工與精加工之間的中間工序，但對工件上精度和表面粗糙度要求 不高的部位，也可以作為最終加工。 精加工：用精細(xì)切削的方式使加工表面達(dá)到較高的精度和表面質(zhì)量， 如精車、精刨、精鉸、 精磨等。精加工一般是最終加工。 精整加工：在精加工后進(jìn)行，其目的是為了獲得更小的表面粗糙度，并稍微提高精度。精 整加工的加工余量小，如珩磨、研磨、超精磨削和超精加工等。 修飾加工：目的是為了減小表面粗糙度，以提高防蝕、防塵性能和改善外觀，而并不要求 提高精度，如拋光、砂光等。 超精密加工：航天、激光、電子、核能等尖端技術(shù)領(lǐng)域中需要某些特別精密的零件，其精 度高達(dá)IT4以上，表面粗糙度不大于 RaO.OI

6、m。這就需要采取特殊措施進(jìn)行超精密加工，如 鏡面車削、鏡面磨削、軟磨粒機械化學(xué)拋光等。 按表面形成方法區(qū)分 切削加工時，工件的已加工表面是依靠切削工具和工件作相對運動 來獲得的。按表面形成方法，切削加工可分為 3類。 刀尖軌跡法：依靠刀尖相對于工件表面的運動軌跡來獲得工件所要求的表面幾何形狀，如 車削、外圓、刨削平面、磨削外圓、用靠模車削成形面等。刀尖的運動軌跡取決于機床所提 供的切削工具與工件的相對運動。 成形刀具法：簡稱成形法，用與工件的最終表面輪廓相匹配的成形刀具或成形砂輪等加工 出成形面。此時機床的部分成形運動被刀刃的幾何形狀所代替，如成形車削、成形銑削和成 形磨削等。由于成形刀具的制

7、造比較困難，機床-夾具-工件-刀具所形成的工藝系統(tǒng)所能承受 的切削力有限，成形法一般只用于加工短的成形面。 成形車削 成形銑削 成形磨削 圖3成形刀具法 展成法：又稱滾切法，加工時切削工具與工件作相對展成運動，刀具 （或砂輪）和工件的瞬 心線相互作純滾動，兩者之間保持確定的速比關(guān)系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運動中 的包絡(luò)面。齒輪加工中的滾齒、插齒、剃齒、珩齒和磨齒 （不包括成形磨齒）等均屬展成法加 工。 滾齒 滾切包絡(luò)過程 圖4展成法（滾切法） 有些切削加工兼有刀尖軌跡法和成形刀具法的特點，如螺紋車削 3加工精度和表面粗糙度 各類切削加工方法所能達(dá)到的精度和表面粗糙度等級見表 （各種加工方

8、法的加工精度）。 提高切削加工質(zhì)量的途徑切削加工質(zhì)量主要是指工件的加工精度（包括尺寸、幾何形狀和 各表面間相互位置）和表面質(zhì)量（包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力和表面硬化）。隨著技術(shù)的進(jìn)步， 切削加工的質(zhì)量不斷提高。18世紀(jì)后期，切削加工精度以 mm計；20世紀(jì)初，切削加工精度 最高已達(dá)0.01mm；至50年代，切削加工精度最高已達(dá) pm級；70年代，切削加工精度又提 高到0.1 m。影響切削加工質(zhì)量的主要因素有機床、刀具、夾具、工件毛坯、工藝方法和加 工環(huán)境等方面。要提高切削加工質(zhì)量，必須對上述各方面采取適當(dāng)措施，如減小機床工作誤 差、正確選用切削工具、提高毛坯質(zhì)量、合理安排工藝、改善環(huán)境條件等。

9、減小機床工作誤差 通常采用的方法有： 選用具有足夠精度和剛度的機床。 必要時可以采取補償校正的方法，如在螺紋磨床或滾齒機上，根據(jù)事先測得的機床傳動鏈 誤差加裝誤差校正裝置，以校正機床的傳動系統(tǒng)誤差。 采用機床夾具來保證加工精度，如利用鏜模加工箱體上的孔系，使孔距精度由鏜模決定而 不受機床定位誤差的影響。 防止機床熱變形對加工精度的影響。 消除機床內(nèi)部振源和采取隔振措施，以減少振動對加工精度和粗糙度的影響。 提高機床自動化程度，如采用主動測量或自動控制系統(tǒng)，以減少加工過程中的人為誤差。 正確選用切削工具 應(yīng)采用耐磨性好的刀具，合理選用刀具幾何參數(shù)，并仔細(xì)地研磨刃口， 使其光滑而鋒利。例如用磨具加

10、工，一般選用較細(xì)、較硬磨粒的磨具，砂輪要正確和及時地 修整。 提高毛坯質(zhì)量 工件毛坯要具有均勻的材質(zhì)和加工余量， 同時采用適當(dāng)?shù)臒崽幚?，如時效處 理、退火、正火、調(diào)質(zhì)等措施以消減內(nèi)應(yīng)力，并改善材料的切削加工性。 合理安排工藝 采用合理的工藝程序；正確選用切削用量，以減小切削力和切削熱的影響， 并防止產(chǎn)生自激振動；選用合適的切削液對切削區(qū)進(jìn)行充分冷卻和潤滑；選擇工件的安裝定 位基準(zhǔn)和夾緊方式時，注意減小安裝誤差和工件變形。 改善環(huán)境條件保持加工環(huán)境清潔；對外部振源和熱源采取隔離措施；精密加工在恒溫、 恒 濕和防塵的條件下進(jìn)行。 4提高切削加工效率的途徑 提高切削用量以提高材料切除率，是提高切削加

11、工效率的基本途徑。常用的高效切削加工 方法有高速切削、強力切削、等離子弧加熱切削和振動切削。 高速切削 一般指采用硬質(zhì)合金刀具所能達(dá)到的切削速度的切削加工。 磨削速度在 45m/s 以 上的切削稱為高速磨削。采用高速切削 （或磨削 ）既可提高效率，又可減小表面粗糙度。用硬 質(zhì)合金刀具高速車削普通鋼材的切削速度可達(dá) 200m/min ;用陶瓷刀具可達(dá) 500m/mi n；用金 剛石刀具車削有色金屬的切削速度可達(dá) 900m/mi n。實驗室中試驗的超高速切削的速度可達(dá) 4000m/min以上。60年代以來，磨削速度已從30m/s左右逐步提高到45、60、80以至100m/s； 實驗室中的磨削速度已

12、達(dá) 200m/s。高速切削（或磨削）要求機床具有高轉(zhuǎn)速、高剛度、大功率 和抗振性好的工藝系統(tǒng)；要求刀具有合理的幾何參數(shù)和方便的緊固方式，還需考慮安全可靠 的斷屑方法。 強力切削 指大進(jìn)給或大切深的切削加工，一般用于車削和磨削 （見緩進(jìn)給磨削 ）。強力車削 的主要特點是車刀除主切削刃外， 還有一個平行于工件已加工表面的副切削刃同時參與切削， 故可把進(jìn)給量比一般車削提高幾倍甚至十幾倍。在一般機床上，只要功率足夠和工藝系統(tǒng)剛 度好就可實行強力切削。與高速切削比較，強力切削的切削溫度較低，刀具壽命較長，切削 效率較高； 缺點是加工表面較粗糙。 強力切削時， 徑向切削力很大， 故不適于加工細(xì)長工件。 等

13、離子弧加熱切削利用等離子弧的高溫把工件切削區(qū)的局部瞬時加熱到 800900E的切 削方法，常采用陶瓷刀具， 適用于加工大件。 切削時要根據(jù)工件的材質(zhì)、 尺寸以及切削速度、 切削深度和進(jìn)給量來調(diào)整等離子弧的加熱強度。適當(dāng)調(diào)整后，可使工件已加工表面的溫度保 持在150 C以下而不致發(fā)生金相組織變化。這種方法適于加工淬硬工件和難加工金屬材料的 切削。材料切除率可提高 220倍，成本降低 3085。 振動切削 沿刀具進(jìn)給方向附加低頻或高頻振動的切削加工， 可以提高切削效率。 低頻振動 切削具有很好的斷屑效果，可不用斷屑裝置，使刀刃強度增加，切削時的總功率消耗比帶有 斷屑裝置的普通切削降低 40左右。高

14、頻振動切削也稱超聲波振動切削，有助于減小刀具與 工件之間的摩擦， 降低切削溫度， 減小刀具的粘結(jié)磨損， 從而提高切削效率和加工表面質(zhì)量， 刀具壽命約可提高 40。 5 非金屬材料的切削加工 對木材、塑料、橡膠、玻璃、大理石、花崗石等非金屬材料的切削加工，雖與金屬材料的 切削類似，但所用刀具、設(shè)備和切削用量等各有特點。 木材切削加工 木材制品的切削加工主要在各種木工機床上進(jìn)行，其方法主要有：鋸切、 刨 切、車削、銑削、鉆削和砂光等。 木材的鋸切通常采用木工圓鋸機或木工帶鋸機 （見木工鋸機 ）。兩者都可用不同鋸齒形狀的 刀具（鋸片或鋸帶 ）進(jìn)行截料、剖料或切榫。帶鋸切的鋸縫較窄，窄帶鋸切還能切割曲

15、面和不 規(guī)則的形狀。 刨削通常用木工平刨床或木工壓刨床 （見木工刨床 ）。兩者都可用旋轉(zhuǎn)的刨刀刨削平面或型 面，其中壓刨床加工可得到較高的尺寸精度。 當(dāng)表面的光潔程度要求較高時可用木工精光刨。 木料的外圓一般在木工車床上車削。 木料的開榫、開槽、刻模和各種型面的加工，可用成形銑刀在木工銑床上銑削。 鉆孔可用木工鉆頭、 麻花鉆頭或扁鉆， 在臺鉆或木工鉆床上進(jìn)行。 小孔也可用手電鉆加工。 木料表面的精整可用木工砂光機。平面砂光可用帶式砂光機；各種型面的砂光可用滾筒式 砂光機；端面砂光和邊角倒棱可用盤式砂光機。也可用木工車床或木工鉆床砂光。 木料加工的切削速度比金屬切削高得多，所以刀具的刃口都較薄而

16、鋒利，進(jìn)給量也較大。 如鋸切速度常達(dá)4060m/s；車削或刨削時，刀具前角常達(dá)3035,切削速度達(dá)60100m/s, 故出屑量很大。切削時一般不用切削液，干切下來的大量木屑可用抽風(fēng)機吸走。高速旋轉(zhuǎn)的 木工機床一般都設(shè)有機動進(jìn)給和安全防護裝置，但不少木材的切削加工仍需用手動進(jìn)給，因 此必須特別注意操作安全。 塑料切削加工 塑料的剛度比金屬差 ,易彎曲變形，尤其是熱塑性塑料導(dǎo)熱性差，易升溫軟 化。故切削塑料時，宜用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具，選用小的進(jìn)給量 （0.10.5 mm/轉(zhuǎn)）和高的切 削速度，并用壓縮空氣冷卻。若刀具鋒利，角度合適（一般前角為10。30后角為5。15, 可產(chǎn)生帶狀切屑，易于帶走熱

17、量。若短屑和粉塵太多則會使刀具變鈍并污染機床，這時需要 對機床上外露的零件和導(dǎo)軌進(jìn)行保護。切削賽璐珞時，容易著火，必須用水冷卻。 車削酚醛塑料、氨基塑料和膠布板等熱固性塑料時，宜用硬質(zhì)合金刀具，切削速度宜用 80150m/min ;車削聚氯乙烯或尼龍、電木等熱塑性塑料時，切削速度可達(dá)200600m/min。 銑削塑料時，采用高速鋼刀具，切削速度一般為 35100m/mi n；采用硬質(zhì)合金刀具，切削 速度可提高 2 3 倍。 塑料鉆孔可用螺旋角較大的麻花鉆頭，孔徑大于 30mm時，可用套料鉆。采用高速鋼鉆頭 時，常用切削速度為4080m/mi n。由于塑料有膨縮性，鉆孔時所用鉆頭直徑應(yīng)比要求的孔

18、 徑加大0.050.1mm。鉆孔時，塑料下面要墊硬木板，以阻止鉆頭出口處孔壁周圍的塑料碎 落。 刨削和插削的切削速度低，一般不宜用于切削塑料，但也可用木工刨床進(jìn)行整平和倒棱等 工作。攻絲時可采用溝槽較寬的高速鋼絲錐，并用油潤滑；外螺紋可用螺紋梳刀切削。對尼 龍、電木和膠木等熱固性塑料， 可以用組織疏松的白剛玉或碳化硅砂輪磨削， 也可用砂布 （紙） 砂光，但需用水冷卻。由于熱塑性塑料的磨屑容易堵塞砂輪，一般不宜磨削。 橡膠切削加工 車削硬橡膠工件時，可用刃口鋒利的硬質(zhì)合金車刀 （前角為 1240，后角 為1020，采用150400m/min的切削速度，可以干車，也可用水或壓縮空氣冷卻。如用 高速

19、鋼刀具車削，切削速度要低些。 硬橡膠鉆孔可用頂角為 80左右的硬質(zhì)合金或高速鋼麻花鉆頭干鉆。當(dāng)鉆削孔徑為 10 20mm時，切削速度可取2124m/min。硬橡膠工件也可用松而軟的砂輪磨削。 玻璃切削加工 玻璃（包括鍺、硅等半導(dǎo)體材料 ）的硬度高而脆性大。對玻璃的切削加工常用 切割、鉆孔、研磨和拋光等方法。 對厚度在 3mm 以下的玻璃板，最簡單的切割方法是：用金剛石或其他堅硬物質(zhì)在玻璃表 面手工刻劃，利用刻痕處的應(yīng)力集中，即可用手摺斷。 玻璃的機械切割一般采用薄鐵板 （或不銹鋼薄片 ）制成的圓鋸片，并在切削過程中加磨料和 水。常用的磨料是粒度為 400號左右的碳化硅或金剛石。當(dāng)需要把圓棒形的半導(dǎo)體錠料切割 成 0.4mm 左右厚度的晶片時， 有采用環(huán)形圓鋸片， 利用其內(nèi)圓周對棒狀錠料進(jìn)行切割的， 切 割0.4mm厚度的晶片，切縫寬約為0.10.2mm。方形晶片平面的切割常采用薄片砂輪直接劃 出劃痕后摺斷，圓形晶片也可采用超聲波切割。 研磨和拋光玻璃的工作原理與金屬的相似。研磨后的玻璃表面是半透明的細(xì)毛面，必須經(jīng) 過拋光后才能成為透明的光澤表面。研磨壓力一般取 10003000帕，磨料可用粒度為 W5 20 號的石英砂、剛玉、碳化硅或碳化硼，水與磨料之比約為 1:2。玻璃研磨后，平整的毛面 常留有平均深度為45阿 的凹凸層，且有個別