第1章 金屬切削加工的基礎知識 課件

第1章金屬切削加工的基礎知識1.1切削加工的運動分析及切削要素

1.2金屬切削刀具

1.3切削過程中的物理現(xiàn)象

1.4工件材料的切削加工性

1.5切削液機械制造基礎2022/11/71本章的學習要求(1)

掌握切削運動、加工表面、切削用量及切削層參數(shù)概念和分析方法；(2)

掌握刀具刀具角度和工作角度的概念、合理選擇刀具角度，常用刀具材料的性質與選用；(3)

掌握切削過程中的物理現(xiàn)象及其對加工過程的影響；(4)

掌握切削液的作用，合理選用切削液。重點和難點：刀具角度和切削過程中的物理現(xiàn)象切削加工基礎知識2022/11/72切削運動及切削要素1.1切削加工的運動分析及切削要素☆回轉體表面：是以直線為母線作旋轉運動所形成的表面；成型方法：車削、鉆孔、擴孔、鏜孔、鉸孔、內(nèi)外圓磨削等。

1.1.1零件表面的形成☆平面：是以直線為母線作直線運動形成的表面；成型方法：銑削、刨削、平面磨削等。☆

曲面：是以曲線為母線作旋轉或平移所形成的表面；

成型方法：銑削、成形磨削、數(shù)控銑削、電火花加工、激光加工等。2022/11/731.1.2切削運動l

分類：1）主運動：切除切屑所需的基本運動。3個特點：速度最快；消耗功率最大；唯一性。l

概念：刀具與工件間的相對運動，以切除多余的金屬2）進給運動：使金屬層不斷投入被切削的運動。3個特點：速度較慢；消耗功率較??；可以為一個或多個。3）其它運動：吃刀運動分度運動切削運動及切削要素2022/11/74常見機床的切削運動機床名稱主運動進給運動臥式車床工件旋轉車刀縱向、橫向移動切削運動及切削要素鉆床鉆頭旋轉鉆頭軸向移動銑床銑刀旋轉工件縱向、橫向、垂直方向移動牛頭刨床刨刀往復工件橫向、垂直方向間隙移動外圓磨床砂輪旋轉工件旋轉、工件往復或砂輪橫向移動平面磨床砂輪旋轉工件往復移動，砂輪橫向、垂直移動鏜床鏜刀旋轉鏜刀軸向移動、工件軸向移動龍門刨床工件往復刨刀橫向、垂直方向間隙移動2022/11/75正在加工的工件表面，根據(jù)其所處的狀態(tài)分為：

已加工表面：已經(jīng)加工完成的表面。

加工表面（過渡表面）：切削刀具正在進行切削加工的表面。

待加工表面：即將進入切削加工的表面。l

加工表面切削運動及切削要素2022/11/76切削層：主運動一個周期，相鄰兩加工表面（切削刃）之間的材料截面。l

切削層尺寸平面要素切削層公稱厚度hD（老標準ac）：

hD=f·

sinKr切削層公稱寬度bD（老標準aw）:

bD=ap/sinKr切削層公稱截面積AD：

AD=ap·f=bD·hD殘留面積ΔAD

殘留面積高度：

H=f/(ctgKr+ctgKr’)rε=0H=f2/8rεrε≠0切削運動及切削要素2022/11/79切削運動及切削要素rε=0時，在⊿ABD和⊿ACD中BD=HctgKr’DC=HctgKrBD+DC=fH(ctgKr+ctgKr’)=f殘留面積高度：H=f/(ctgKr+ctgKr’)2022/11/710切削運動及切削要素rε≠0時

H=BD=BE-DE移項后兩邊平方,并忽略H2(H<<

rε)：

殘留面積高度：H=f2/8rε

2022/11/711金屬切削刀具l

刀具結構及其幾何形狀1.2金屬切削刀具

1.2.1刀具切削部分的基本定義刀具分類：按工種：車刀、銑刀、刨刀、滾刀等。

按功能：車刀、切斷刀、螺紋刀、偏刀、尖刀、鏜孔刀、成形刀等。

結構形式：整體式、焊接式、機械安裝式（壓板壓緊）前刀面Ar主切削刃S主后面Aa刀尖副后面Aa‘副切削刃Sl切削部分組成2022/11/712l

刀具的靜止參考系（Pr—Ps—Po系—正交平面參照系）（1）靜止參照系的假設條件：

假定運動條件：進給量f=0

假定安裝條件：刀尖與工件回轉中心等高；刀桿方向與進給方向垂直。（2）輔助平面：

切削平面Ps：過切削刃上一點，與加工表面相切的平面?；鍼r：過切削刃上同一點，與切削速度相垂直的平面。

正交平面Po（主剖面）：過切削刃上同一點，與切削平和基面相垂直的平面。金屬切削刀具2022/11/713前角的作用：前角↑切屑變形↓切削力↓刃口強度↓前刀面磨損↓導熱體積↓刀具前角的選用：加工塑性材料選大前角加工脆性材料、斷續(xù)切削選小前角加工硬材料選用負前角刀具的標注角度是指靜止狀態(tài)下，在工程圖上標注的刀具角度。（下面以車刀為例介紹刀具的標注角度）1.刀具標注前角γ0：在正交平面內(nèi)測量的，前刀面與基面的夾角。前角的標注：l

刀具標角度的定義金屬切削刀具2022/11/714在正交平面內(nèi)測量的，后刀面與切削面的夾角。后角的標注：后角的作用：后角↑后刀面與加工表面間的摩擦↓后刀面磨損↓刃口強度↓導熱體積↓刀具后角的選用：粗加工選小后角精加工選大后角選大前角時選小后角以增大刃口強度α0：金屬切削刀具2022/11/715主偏角的作用：主偏角↑切削刃工作長度↓刀尖強度↓導熱體積↓徑向分力↓刀具主偏角的選用：一般為30~75°加工細長工件采用90~93°副偏角的作用：副偏角↑副后面與工件已加工表面摩擦↓刀尖強度↓表面粗糙度↑刀具副偏角的選用：一般為5~20°特殊要求可采用Kr‘=0°的修光刃在基面內(nèi)測量的，主切削刃與進給方向的夾角。4.副偏角Kr’：在基面內(nèi)測量的，副切削刃與進給反方向的夾角。主偏角和副偏角的標注：3.主偏角Kr：金屬切削刀具2022/11/716刀具刃傾角的選用：精加工取λS≥0°

粗加工取λS＜0°

加工細長工件采用λS＞0°

刃傾角的作用：（1）影響排屑方向：λS＞0°

排向待加工表面；

λS＜0°

排向已加工表面；

λS=0°

前刀面上卷曲

在切削平面內(nèi)測量的，主切削刃與基面的夾角。刃傾角的標注：5.刃傾角λS：（2）影響切入切出的穩(wěn)定性（3）影響背向分力大小金屬切削刀具2022/11/7171）粗加工塑性材料時，選擇大前角γ0，小后角α0，小主偏角Kr，較小或負的刃傾角λs；加工脆性材料時可適當減小前角γ0；加工高硬度難加工材料時，采用負前角(γ0<0°)。2）精加工時，一般選擇較大后角α0，較小的前角γ0，非負的刃傾角（λs≥0°），加工細長軸時選擇大主偏角Kr。l

刀具角度的選擇原則：金屬切削刀具2022/11/718例題：

下圖為外圓車削示意圖，在圖上標注：

（1）主運動、進給運動和背吃刀量；

（2）已加工表面、加工（過渡）表面和待加工表面；

（3）基面、主剖面和切削平面；

（4）刀具角度0＝15、0＝6、Kr＝55、Kr＝45、s＝－10。金屬切削刀具2022/11/719金屬切削刀具2022/11/720金屬切削刀具2022/11/721金屬切削刀具2022/11/722刀具工作角度通常情況下工作角與標注角近似相等。如普通車削、鏜孔、銑削等。當較大時或安裝誤差較大時必須考慮其影響。如：車螺紋、鏟背、鉆孔等。刀具的安裝條件變化也引起了參考系的變化。1.刀具工作參考系（Pre—Pse—Poe）刀具工作角度又稱刀具切削角度：刀具實際切削條件下的實際角度。工作參考系與靜止參考系的差別：工作條件下，合成切削速度為主運動與進給運動的合成速度；而靜止條件下合成速度與切削速度是一致的。金屬切削刀具2022/11/723（3）刀桿中心線與進給方向不垂直時工作角度變化（2）刀尖安裝高低對工作角度的影響車外圓刀尖安裝偏高（低）：工作前角增大（小），工作后角減?。ù螅?；鏜內(nèi)孔刀尖安裝偏高（低）：工作前角減?。ù螅?，工作后角增大（小）。對工作角度的影響（1）進給對工作角度的影響橫向進給：縱向進給：

γ0e=γ0+μα0e=α0-μ

工作前角增大，工作后角減小。金屬切削刀具2022/11/7241.2.2刀具材料l

刀具材料的基本性能

高硬度高耐熱性足夠的強度和韌性高耐磨性良好的工藝性五個基本性能相互聯(lián)系，又相互制約，應根據(jù)具體加工條件，抓主要性能，兼顧其它。金屬切削刀具2022/11/725l

常用刀具材料的種類及應用類型硬度強度韌性耐熱耐磨工藝應用工具鋼碳素工具鋼低高高低好差低高差好切削加工、熱處理、刃磨手動工具合金工具鋼低速工具高速鋼復雜刀具硬質合金鎢鈷類(YG)K粉末冶金燒結刃磨脆性金屬通用類(YW)M通用鎢鈦鈷(YT)P塑性金屬非金屬陶瓷燒結連續(xù)切塑性材料立方氮化硼結晶精密加工金剛石結晶精密加工金屬切削刀具2022/11/7261.3切削過程中的物理現(xiàn)象

1.3.1切削過程l

切屑的形成：推擠作用切割作用崩碎切屑：不規(guī)則屑片，較低vc，較大ap，f

加工脆性金屬時產(chǎn)生。l

切屑的種類（不考慮刀具斷屑等因素的影響）帶狀切屑：上表面毛茸狀，下表面光滑的連續(xù)切屑，大γ0，高vc，小ap，f

加工塑性金屬時產(chǎn)生。節(jié)狀（擠裂）切屑：上表面鋸齒狀，下表面光滑的連續(xù)切屑，較低vc，較大ap，f

加工中等硬度塑性金屬時產(chǎn)生。粒狀（單元）切屑：菱形單元分離體，較低vc，較大ap，f

加工硬度較高塑性較差金屬時產(chǎn)生。金屬切削過程2022/11/727l

切屑變形（1）第I變形區(qū)（剪切區(qū)、塑性變形區(qū)）：從開始發(fā)生塑性變形到晶粒剪切滑移基本完成。切屑收縮現(xiàn)象：變形系數(shù)越大，切削變形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削溫度越高，加工表面質量越差。金屬切削過程2022/11/728滯流現(xiàn)象:

切削塑性金屬時，由于切屑底層與刀具的擠壓和摩擦，切屑底層金屬流速減緩的現(xiàn)象。積屑瘤：在一定溫度、壓力條件下，滯流層與前刀面之間的摩擦力大于切屑底層內(nèi)部晶粒的間的親和力，滯流層部分金屬粘結在前刀面切屑刃附近，形成的一塊硬的金屬層（由于塑性變形，硬比度比工件材料高2~3倍）（2）第II變形區(qū)（摩擦區(qū)）金屬切削過程2022/11/729

形成條件：中低速切削塑性金屬冷焊現(xiàn)象：擠壓與摩擦產(chǎn)生高溫高壓，同時摩擦帶走雜質，刀具表面與切屑表面新鮮金屬粒子間的親合力和摩擦力之和大于切屑材料內(nèi)部粒子間的親合力，就會從切屑上撕下一小塊金屬粘接在前刀面上，形成積屑瘤。特性：無→有→小→大→脫落周期性對切削過程的影響：保護刀刃；使工作前角增大，切削刀減小；切削平穩(wěn)性差；影響加工精度和表面粗糙度。（2）第II變形區(qū)（摩擦區(qū)）金屬切削過程2022/11/730變形強化（加工硬化）成因：1）擠壓塑性變形2）表面相變對加工過程的影響：影響后續(xù)加工影響加工表面質量產(chǎn)生殘余應力消除變形強化的措施：通過熱處理降低材料塑性；采用切削液；加工后通過熱處理消除變形強化。（3）第III變形區(qū)（擠壓區(qū)）金屬切削過程2022/11/7311.3.2切削力和切削功率l

切削力的來源與分解（1）切削力的來源：變形抗力和摩擦阻切削力是所有切削力的合力，為空間交變力。（2）切削力的幾何分力（車削外圓為例）主切削力Fc（主運動方向上的正投影（分力））進給力Ff（進給方向上的正投影（分力））背向力Fp（垂直于工作平面上的分力）金屬切削過程2022/11/7321.3.2削力和切削功率l

切削力估算與切削功率（1）Fc=kcAD=kcapf

其中；kc為單位切削力，同一材料，在一定切削條件下kc是不變的，可測定（2）切削功率Pc=FcVc金屬切削過程2022/11/733l

影響切削力的因素：（1）工件材料：材料成分、組織和力削性能是影響切削力的主要因素。強度、硬度、塑性、韌性越大切削力越大；（2）切削用量：影響最大的是ap，其次是f，切削速度c最小，F(xiàn)c與c是1：1，f影響70~80%，c

影響積屑瘤的存在，有積屑瘤時F明顯減小。（3）刀具幾何角度：0增大，刃口鋒利、切削變形小，摩擦小，切削力減??；o增大、摩擦減小，切削力減?。籏r增大Fp減?。徽齭，F(xiàn)p減小Ff增大。（4）其它因素：切削液使用潤滑條件好，切削力減小，刀具磨損后切削力劇增。金屬切削過程2022/11/7341.3.3切削熱和切削溫度l

切削熱的來源與傳散（1）切削熱來源于：切削層材料彈、塑性變形—變形熱刀具前、后刀面的摩擦—摩擦熱三個切削變形區(qū)是三個主要熱源區(qū)（2）切削熱的傳散：通過刀具、切屑、工件和周圍介質（如：空氣、切削液等）散熱。l

切削溫度及其影響因素切削溫度取決于切削熱的產(chǎn)生與傳熱的綜合因素，切削溫度太高，工件產(chǎn)生熱變形，加工精度下降，刀具壽命降低。影響切削溫度的因素：切削用量、工件材料、刀具幾何角度、其它條件

切削量中影響最大的是切削速度c，其次是f，ap影響最小金屬切削過程2022/11/7351.3.4刀具磨損與刀具壽命l

刀具磨損過程初期磨損階段：刀具表面粗糙度大、單位面積壓力高，磨損快。正常磨損階段急劇磨損階段：磨損后切削溫度升高，磨損量急劇增加。金屬切削過程2022/11/7361.3.4刀具磨損與刀具壽命l

刀具磨損形式（1）后面磨損：切削脆性材料，切削塑性材料hD用后刀面平均磨損寬度VB表示。（2）前面磨損（月牙磨損）：切削塑性材料hD用月牙洼最大深度KT表示。（3）前后面同時磨損：切削塑性材料hDmm之間大多數(shù)情況下前、后刀具都有磨損，后刀面磨損對加工質量影響最大，測量方便，通常以VB來表示刀具磨損程度。金屬切削過程2022/11/737

l

刀具磨損的原因：1.機械摩擦磨損：磨粒磨損、粘結磨損2.熱效應磨損：相變磨損-----高速鋼刀具氧化磨損、擴散磨損------硬質合金刀具l

刀具壽命及其影響因素

磨鈍標準：通常指刀具后刀面允許的最大磨損量。

刀具壽命T：刀具開始切削到達到磨鈍標準中切削時間。影響刀具壽命的因素：切削用量；工件材料；刀具材料及幾何角度；其它因素。切削量中影響最大的是切削速度c，其次是f，ap影響最小。金屬切削過程2022/11/738l

切削用量的選擇原則：1）

粗加工時，為提高機械加工效率，首先選擇較大的切削深度，其次是較大的進給量，最后選擇中低切削速度，以保證刀具壽命。2）

精加工時，為保證加工質量，首先選擇較小的切削深度（保證