第6章 金屬切削加工基礎(chǔ)

第6章金屬切削加工基礎(chǔ)

切削加工的基本概念6.1金屬切削刀具6.2金屬切削過程6.36.1切削加工的基本概念6.1.1切削運動1．主運動主運動使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運動，促使刀具切削刃接近工件，是進(jìn)行切削的最基本和最主要的運動。一般機(jī)床的主運動只有一個，特點是運動速度最高，消耗功率最大。2．進(jìn)給運動進(jìn)給運動使刀具與工件之間產(chǎn)生附加的相對運動，它與主運動配合，形成連續(xù)切削，最后獲得具有所需幾何特性的加工表面。通常它消耗機(jī)床功率較少，可由一個或多個運動組成。6.1.2切削要素1．切削三要素（1）切削速度。切削刃上選定點相對于工件主運動的瞬時速度稱為切削速度，單位為m/s或m/min。①主運動為旋轉(zhuǎn)運動時（如車削），切削速度一般為其最大的線速度，可按下式計算c=πdn/1

000（m/s或m/min）式中：d—工件或刀具的直徑，mm；

n—工件或刀具的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。②主運動為往復(fù)直線運動時（如刨削、插削等），常以其平均速度作為切削速度，即c=2Lnr/1

000（m/s或m/min）式中：L——往復(fù)行程長度，mm；

nr——主運動每秒或每分鐘的往復(fù)次數(shù)，st/s或st/min（2）進(jìn)給量。

①單齒刀具（如車刀、刨刀等）加工時，進(jìn)給量常用刀具或工件每轉(zhuǎn)（或每行程）時刀具在進(jìn)給運動方向上相對工件的位移量來表示，稱為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量或每行程進(jìn)給量，以f表示，單位為mm/r或mm/st。②多齒刀具（如銑刀、鉆頭等）加工時，進(jìn)給運動的瞬時速度稱進(jìn)給速度，以f表示，單位為mm/s或mm/min。③刀具每轉(zhuǎn)或每行程中每齒相對工件在進(jìn)給運動方向上的位移量稱每齒進(jìn)給量，以fz表示，單位為mm/z。（3）背吃刀量（切削深度）ap

背吃刀量是工件已加工表面與待加工表面間的垂直距離，即通過切削刃上選定點并垂直于該點主運動方向的切削層尺寸平面中，垂直于進(jìn)給運動方向上測量的切削層尺寸。背吃刀量的單位為mm。2．切削用量對加工的影響①切削深度和進(jìn)給量增大，都會使切削力增大，工件變形增大，并可能引起振動，從而降低加工精度和增大表面Ra值。②進(jìn)給量增大還會使殘留面積的高度顯著增大，表面更加粗糙，如圖6-7所示。③切削速度增大時，切削力減小，并可減小或避免積屑瘤，有利于加工質(zhì)量和表面質(zhì)量的提高。通過實驗測定，當(dāng)用硬質(zhì)合金刀具加工中碳鋼工件時，刀具壽命和切削用量三要素之間符合以下關(guān)系:3．切削用量的選擇（1）背吃刀量的選擇。背吃刀量要盡可能大些。粗加工時，除留下精加工余量外，一次走刀盡可能切除全部余量；而精加工的余量通常較小，可以一次切除。（2）進(jìn)給量的選擇。粗加工時，一般對工件的表面質(zhì)量要求不太高，進(jìn)給量主要由機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性、刀桿的強(qiáng)度和剛性、刀具材料、工件尺寸以及已選背吃刀量等因素決定。（3）切削速度的選擇。切削速度可根據(jù)已選背吃刀量、進(jìn)給量以及刀具材料確定，也可以根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和查表的方法確定。6.1.3加工表面和切削層參數(shù)1．切削表面已加工表面：已經(jīng)切削加工完成的表面，也是刀具副后刀面正對的零件表面。加工表面：零件上正在加工生成的表面，也是刀具主后刀面正對的零件表面，也稱過渡表面。待加工表面：尚未加工但是即將加工的表面。2．切削層參數(shù)切削厚度：垂直于加工表面度量的切削層尺寸，如上頁圖中參數(shù)hD所示。切削寬度：沿主切削刃度量的切削層尺寸，如上頁圖中參數(shù)bD所示。切削面積：切削層在垂直于切削速度截面內(nèi)的面積，如上頁圖中帶有網(wǎng)格線的區(qū)域。殘留面積：切削加工中未被切到的區(qū)域，殘留面積越大，零件表面越粗糙，如上頁圖中網(wǎng)格區(qū)域右側(cè)的三角形BCD'

區(qū)域。6.2金屬切削刀具6.2.1刀具材料應(yīng)具備的性能（1）高硬度和高耐磨性。對于傳統(tǒng)切削加工，刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度，這是對刀具材料的基本要求，因此現(xiàn)有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，材料的耐磨性還取決于其化學(xué)成分和金相組織的穩(wěn)定性。（2）足夠的強(qiáng)度與沖擊韌性。刀具強(qiáng)度越高，在切削力的作用下刀刃就越不容易崩碎，刀桿也不易折斷。刀具的沖擊韌性越高，刀具在間斷切削或有沖擊的工作條件下就越不易崩刃。一般來說，刀具硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾體，也是刀具材料所應(yīng)克服的一個問題。（3）良好的耐熱性。耐熱性又稱紅硬性，綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度、抗氧化、抗黏結(jié)和抗擴(kuò)散的能力。（4）良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。為了便于制造，刀具材料應(yīng)有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當(dāng)然在制造和選用時還應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性。6.2.2常用刀具材料1．高速鋼高速鋼是一種加入了較多鎢、鉻、釩及鉬等合金元素的高合金工具鋼，其強(qiáng)度和韌性較好，制造工藝簡單，容易刃磨成鋒利的切削刃。

2．硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金由硬度和熔點很高的金屬碳化物（WC或TiC等）微粉和黏結(jié)劑（Co、Ni和Mo等）經(jīng)高壓和高溫?zé)Y(jié)而成，其硬度高，耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性都較好。硬質(zhì)合金允許的切削速度比高速鋼高4～10倍，刀具耐用度比高速鋼高幾倍到幾十倍，能切削淬火鋼等硬材料。但其抗彎強(qiáng)度低，韌性差，不耐沖擊和振動，制造工藝性差。硬質(zhì)合金不適于制造復(fù)雜的整體刀具，主要用來制作刀具的切削部分，通常通過焊接或者連接的方式鑲嵌在刀具上，擔(dān)負(fù)切削加工的任務(wù)。3．其他刀具材料（1）涂層刀具。涂層刀具在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上涂覆一層耐磨性高的難熔金屬化合物，很好地解決了刀具材料中硬度、耐磨性和強(qiáng)度與韌性之間的矛盾。（2）金剛石刀具。金剛石刀具分為天然金剛石刀具和人造金剛石刀具兩種，目前金剛石刀具主要使用人造金剛石（由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成）。（3）陶瓷刀具。陶瓷刀具以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成，其耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦因素小，能以高的速度切削難加工的高硬度材料，但是其性脆、強(qiáng)度低、抗沖擊韌性很差。（4）立方氮化硼。聚晶立方氮化硼（CBN）由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下加入催化劑聚合而成，其硬度僅次于金剛石，耐熱性優(yōu)于金剛石，常用于加工高溫合金、淬火鋼及冷硬鑄鐵材料。6.2.3刀具的角度1．車刀切削部分的組成前刀面：加工過程中，切屑沿其流出的刀面。主后刀面：與工件加工表面相對的刀面。副后刀面：與工件已加工表面相對的刀面。主切削刃：前刀面與主后刀面的交線，承擔(dān)主要的切削工作。副切削刃：前刀面與副后刀面的交線。刀尖：主、副切削刃的交點，為強(qiáng)化刀尖，刀尖處通常磨成折線或圓弧形過渡刃。2．定義刀具角度的輔助平面基面：通過主切削刃上一點并與該點切削速度方向垂直的平面。切削平面：通過主切削刃上一點并與該點加工表面相切的平面，它包含切削速度。主剖面：通過主切削刃上一點并與主切削刃在基面上的投影垂直的平面。3．刀具角度的定義主偏角r：在基面中，主切削刃的投影與進(jìn)給方向之間的夾角。副偏角r'：在基面中，副切削刃的投影與進(jìn)給反方向之間的夾角。前角0：在主剖面中，前刀面與基面之間的夾角。分為正前角、零前角、負(fù)前角。通過選定點的基面若位于楔形刀體的實體之外，則前角為正值，反之為負(fù)值。后角α0：在主剖面中，主后刀面與切削平面之間的夾角。刃傾角λs：在切削平面中，主切削刃與基面之間的夾角。刃傾角也有正、零、負(fù)值。4．刀具角度的合理選擇（1）前角。前角較大時，刀具較鋒利，切削能力強(qiáng)，切削過程輕快，切削阻力小，零件的表面質(zhì)量也較高；同時刀具強(qiáng)度降低、實體尺寸減小、易磨損，而且在較大切削力作用下易崩刃。前角較小時，刀具實體尺寸加大、強(qiáng)度提高，但是切削刃變鈍，切削阻力增大。（2）后角

后角越大，刀具后刀面與工件加工表面間的摩擦越小，切削刃越鋒利，切削阻力越小，但是此時刀具強(qiáng)度低、磨損快；后角越小，切削刃強(qiáng)度越高，散熱越好，但摩擦加劇。（3）主偏角和副偏角。主偏角主要影響切削層截面的形狀和幾何參數(shù)，影響切削分力的變化，并和副偏角一起影響已加工表面的粗糙度；副偏角還有減小副切削刃和副后刀面與已加工表面摩擦的作用。（4）刃傾角。

當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献畹忘c時，刃傾角為負(fù)值；當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献罡唿c時，刃傾角為正值。刃傾角主要影響切屑的排除方向。刃傾角為正時，切屑流向未加工表面；刃傾角為負(fù)時，切屑流向已加工表面。6.2.4刀具的磨損1．刀具的磨損形式（1）前刀面磨損。（2）后刀面磨損。（3）前后刀面同時磨損。2．刀具的磨損原因刀具正常磨損的原因主要是機(jī)械磨損和熱、化學(xué)磨損。前者是由工件材料中硬質(zhì)點的刻劃作用引起的磨損。后者則是由黏結(jié)、擴(kuò)散、腐蝕等引起的磨損。3．影響刀具磨損的因素（1）切削用量。增大切削用量時，切削溫度升高，這將加速刀具磨損。在切削用量中，又以切削速度對刀具磨損的影響最大。（2）刀具材料。耐熱性較好的刀具材料不易磨損。（3）刀具角度。適當(dāng)增大刀具前角，可以減小切削力，從而減小刀具磨損量。（4）加工條件。正確使用切削液可以改善切削條件，降低刀具的磨損量。4．刀具的磨損過程（1）初期磨損階段。（2）正常磨損階段。（3）急劇磨損階段。

5．刀具壽命和刀具耐用度（1）刀具壽命。刀具使用壽命是表征刀具材料切削性能優(yōu)劣的綜合性指標(biāo)。在相同切削條件下，使用壽命越長，表明刀具材料的耐磨性越好。在比較不同工件材料的切削加工性時，刀具使用壽命也是一個重要的指標(biāo)，刀具使用壽命越長，表明工件材料的切削加工性越好。（2）刀具耐用度。刀具的磨損限度通常用后刀面的磨損程度作為標(biāo)準(zhǔn)，但在生產(chǎn)實際中不可能經(jīng)常測量后刀面的磨損量來判斷刀具是否達(dá)到使用極限，而通常按照刀具進(jìn)行切削加工的時間來判斷。6.3金屬切削過程6.3.1切屑形成過程1．切屑類型（1）帶狀切屑。加工塑性材料，進(jìn)給量較小，切削速度較高，刀具前角較大時，往往會得此類切屑。形成帶狀切屑的切削過程比較平穩(wěn)，切削力波動較小，已加工表面的粗糙度值較小。（2）節(jié)狀切屑。又稱擠裂切屑。其外弧表面呈鋸齒狀，內(nèi)弧表面有時有裂紋。節(jié)狀切屑多在切削速度較低、進(jìn)給量（切削厚度）較大、加工塑性材料時產(chǎn)生。（3）粒狀切屑。又稱單元切屑。當(dāng)切削塑性材料，前角較?。ɑ驗樨?fù)前角）、切削速度較低、進(jìn)給量較大時易產(chǎn)生單元切屑。（4）崩碎切屑。切削脆性材料時，因工件材料的塑性很小，抗拉強(qiáng)度也很低，切屑未經(jīng)塑性變形就在拉應(yīng)力作用下脆斷形成崩碎切屑。工件材料越硬、越脆，進(jìn)給量越大，越易產(chǎn)生此類切屑。2．切屑變形（1）切屑變形系數(shù)。用切屑厚度與切削層厚度之比或切削長度與切屑長度之比來表示切屑形成時的變形程度，稱為切屑變形系數(shù)：（2）切屑變形對加工的影響

切屑變形程度對切削力、切削溫度以及工件的表面質(zhì)量都有著重要影響。在其他條件不變的情況下，切屑變形系數(shù)越大，切削力越大，切削溫度越高，零件表面越粗糙。在加工過程中，可以根據(jù)具體情況采用相應(yīng)的措施來減小切屑變形，以改善切削過程。（3）影響切屑變形的因素。

①工件材料：工件材料的強(qiáng)度和硬度越大，變形系數(shù)越小，切屑變形越小。②刀具幾何參數(shù)：刀具幾何參數(shù)中影響最大的是前角。刀具前角γ0越大，切屑變形系數(shù)越小。③切削用量。提高切削速度，切削溫度升高，摩擦系數(shù)減小，切屑變形系數(shù)減小。增大進(jìn)給量，摩擦系數(shù)減小，切屑變形系數(shù)也會越小。背吃刀量對變形系數(shù)基本無影響。6.3.2積屑瘤1．積屑瘤形成的原因當(dāng)切屑沿著刀具前刀面流出時，在一定溫度和壓力作用下，與前刀面接觸的切削層底層會受到較大的摩擦阻力，使得這一層金屬流出的速度減慢，當(dāng)摩擦力超過材料的內(nèi)部結(jié)合力時，就會有一部分金屬黏附在切削刃附近，形成積屑瘤。積屑瘤形成后不斷長大，到一定大小后又會破裂，是一個不斷生長和破壞的循環(huán)過程。2．積屑瘤對切削過程的影響（1）使刀具實際前角（γb）增大，切削力減小。（2）積屑瘤不斷生長和破壞，頻率極高，因而可引起切削振動。（3）積屑瘤的形狀和大小不穩(wěn)定，使加工表面質(zhì)量降低。（4）在積屑瘤相對穩(wěn)定時，可代替刀刃切削，減少刀具磨損；在不穩(wěn)定情況下，可加劇刀具磨損。3．積屑瘤的控制（1）工件材料的力學(xué)性能。材料塑性越好，越容易形成積屑瘤。加工低碳鋼和鋁合金等材料時容易產(chǎn)生積屑瘤?？蓪⒐ぜ牧线M(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，以提高其強(qiáng)度和硬度，降低塑性，然后再進(jìn)行加工。（2）切削速度。加工中碳鋼工件時，若切削速度很低（小于5m/mim），切削溫度較低，則前刀面與切屑間的摩擦小，不易形成切屑瘤；當(dāng)切削速度增大（5～10m/mim）時，切削溫度升高，摩擦加大，易形成積屑瘤；當(dāng)切削速度很高（大于100m/min）時，切削溫度較高，無切屑瘤形成。（3）冷卻潤滑條件。當(dāng)切削過程中使用切削液時，切屑和工件之間的摩擦小，不易形成積屑瘤。6.3.3切削力1．切削力的來源切削力的來源包括以下兩個部分。（1）切屑形成過程中彈性變形及塑性變形產(chǎn)生的抗力。（2）刀具與切屑及工件表面之間的摩擦阻力。2．切削力的分解（1）切削力Fc。切削力是總切削力在主運動方向上的分力，約占總切削力的80%～90%。該力消耗的機(jī)床功率最多，是計算機(jī)床動力、主傳動系統(tǒng)零件和刀具強(qiáng)度的主要依據(jù)。Fc過大，可能會損壞刀具，并且可能導(dǎo)致電動機(jī)負(fù)載過重而“悶車”。（2）背向力Fp。背向力是總切削力在垂直于工作平面方向上的分力。切削時，該力不消耗功率。由于該力通常作用在工件剛度較弱的方向上，容易使工件變形，甚至產(chǎn)生振動，影響工件的加工精度。（3）進(jìn)給力Ff。進(jìn)給力是總切削力在進(jìn)給運動方向上的分力，是設(shè)計和校驗進(jìn)給機(jī)構(gòu)所必需的數(shù)據(jù)。3．切削力的估算4．影響切削力的因素（1）工件材料。①工件材料的物理力學(xué)性能、加工硬化程度、化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)以及切削前的加工狀態(tài)都對切削力的大小產(chǎn)生影響。②工件材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和加工硬化程度越大，切削力越大。③工件材料的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等因素都直接影響其物理力學(xué)性能，因而也影響切削力。（2）刀具幾何參數(shù)。①前角對切削力的影響。加工塑性材料時，前角增大，變形系數(shù)減小，切削力降低；加工脆性材料（如鑄鐵、青銅）時，切屑變形很小，所以前角對切削力的影響不顯著。②主偏角對切削力的影響。主偏角r對切削力Fc的影響較小，主偏角r為60°～75°時，切削力Fc最小。主偏角r對背向力Fp和進(jìn)給力Ff的影響較大，F(xiàn)f隨r的增大而增大。③刃傾角對切削力的影響。刃傾角λs對切削力Fc影響較小，但是對Fp和Ff影響較大，隨著λs的增大，F(xiàn)p減小，而Ff增大。（3）切削用量

①背吃刀量對切削力的影響。背吃刀量ap增大，切削力Fc成正比增大，背向力Fp和進(jìn)給力Ff近似成正比增大。②進(jìn)給量對切削力的影響。進(jìn)給量f增大，切削力Fc也增大，但切削力的增大與進(jìn)給量并不成正比。③切削速度對切削力的影響。隨著切削速度vc的提高，切削溫度增高，前刀面摩擦系數(shù)減小，變形程度減小，切削力減小。（4）刀具材料。刀具材料與工件材料之間的親和性影響它們之間的摩擦，從而影響切削力的大小。一般按立方碳化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂層刀具、硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的順序，切削力依次增大。（5）切削液的影響。切削液具有潤滑作用，使切削力降低。切削液的潤滑作用越好，切削力的降低越顯著。在較低的切削速度下，切削液的潤滑作用更為突出。6.3.4切削熱1．切削熱的來源（1）切屑變形所產(chǎn)生的熱量，這是切削熱的主要來源。（2）切屑與前刀面之間摩擦所產(chǎn)生的熱量。（3）工件和后刀面之間摩擦所產(chǎn)生的熱量。2．切削熱的傳出切削熱主要通過切屑﹑工件﹑刀具和周圍介質(zhì)（如空氣）向外傳出。各個部分傳出的比例取決于工件材料、切削速度、刀具材料、刀具幾何形狀等因素。例如，當(dāng)使用高速鋼車刀并選用適當(dāng)?shù)那邢魉俣惹邢麂摬臅r，切屑傳出的熱量占總熱量的50%～86%，工件傳出的熱量占10%～40%，刀具傳出的熱量占3%～9%，而周圍介質(zhì)傳出的熱量約占1%。3．切削熱對加工的影響（1）對刀具的影響。刀具負(fù)擔(dān)切削部分的體積很小，因此即使是較小的熱量傳入刀具都可以導(dǎo)致溫度升高很高，這對于耐熱性不好的刀具材料來說，不但降低了使用性能，還會加速刀具的磨損。（2）對工件的影響。切削熱傳入工件后，將導(dǎo)致工件體積膨脹及不均勻變形，使零件產(chǎn)生加工誤差。6.3.5切削液1．切削液的用途（1）冷卻性能。切削液可以降低切削區(qū)的溫度，其冷卻性能的高低取決于液體的熱導(dǎo)率、切削液的流量以及流速等。（2）潤滑性能。切削液可以在切屑、工件和刀具之間形成潤滑油膜，改善材料的切削性能。切削液的潤滑性能取決于其自身的滲透性以及形成潤滑油膜的強(qiáng)度。（3）清洗性能。切削液能清除加工時產(chǎn)生的細(xì)碎切屑或磨料微粉，可以減少刀具磨損。切削液的清洗性能取決于其滲透性、流動性以及液體的壓力與流量。（4）防銹性能。切削液中添加的防銹劑可以減少周圍介質(zhì)對機(jī)床、刀具和工件的腐蝕，在氣候潮濕的地區(qū)，這一性能更為重要。2．切削液的分類（1）水溶液。水溶液以水作為主要成分，并加入一定量的添加劑，使其具有良好的防銹和潤滑能力，冷卻和清洗性能好，透明，便于操作者觀察加工過程。（2）切削油。切削油以礦物油（機(jī)械油、輕柴油和煤油）和動、植物油作為主要成分，