第13章 切削加工基礎知識

13.1分類及特點

切削:利用切削工具從工件上切除多余材料的加工方法。

切削加工=鉗工+機械加工

機械加工的方法許多：車、鉆、銑、刨和磨等多種，但它們在切削運動、切削刀具、切削過程的物理實質等方面都有著共同的現象和規(guī)律。

13章切削加工基礎知識

成形工藝基礎-切削11切削加工特點1）尺寸公差等級IT12—IT3；粗糙度Ra值

25~0.008μm2)零件形狀尺寸一般不受限制3）生產率高于其他加工方法4）刀具、工件必須有一定強度和剛度，刀具硬度大于工件硬度成形工藝基礎-切削12

13.2切削運動與切削要素

1、零件表面的形成零件表面的組成有：基本表面平面、外、內圓面；成形面：溝、槽、螺紋及齒面等

2、切削運動

（1）三個表面13.2.1機床的切削運動成形工藝基礎-切削13

在切削加工過程中，工件上存在三個不斷變化的表面，即：

1)待加工表面工件上即將切去切屑的表面。

2)已加工表面工件上已切去切屑的表面。

3)過渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，即已加工表面和待加工表面之間的過渡表面。成形工藝基礎-切削14

（2）切削運動：刀具與工件之間的相對運動。

1）主運動

由機床提供的主要運動，它促使刀具和工件之間產生相對運動，從而切下多余材料。

2）進給運動是使待加工表面連續(xù)地投入切削并得出所需加工表面的運動。成形工藝基礎-切削15切削過程中主運動只有一個。切削運動的形式有：旋轉或直線的。實際的切削運動是一個合成切削運動.

輔助運動：

13.2.2切削用量衡量切削運動大小的參數

切削速度、進給量和背吃刀量。常稱為切削三要素成形工藝基礎-切削16

m/s

1.切削速度

υｃ(以車削為例)

切削速度υｃ(m/s)是主運動的線速度。νc=式中：D—為工件待加工表面的直徑(mm)；

n—為轉速(r/min)。車削時指工件待加工表面最大直徑處線速度.

2.進給量f(mm/r)

指(車)刀具相對于工件旋轉一轉,在進給方向成形工藝基礎-切削17

的位移量，單位為：mm/r或mm/str。

3.背吃力量ap(mm)指工件上已加工表面與待加工表面之間的垂直距離，單位為：mm。式中：d為已加工表面的直徑(mm)

工件分粗加工、精加工階段：

粗加工：先定ap,次選f,最后定Vc

aP＝成形工藝基礎-切削18切削層：

1.切削層橫截面積AD

2.切削層寬度bD

；

3.切削層厚度hD

AD=bDhDmm2

在車削中可近似認為：

AD≈f·apmm213.2.3切削階段劃分

表13—1成形工藝基礎-切削19成形工藝基礎-切削11013.3刀具材料與刀具構造

刀具組成＝切削部分＋夾持部分

13.3.1刀具材料(指切削部分)

1.對刀具材料的基本要求切削過程中，刀具的切削部分要承受很大的壓力、摩擦、沖擊和很高的溫度，刀具切削部分的材料應具備以下性能：

1)高的硬度一般刀具材料的硬度應在60HRC以上。成形工藝基礎-切削111

2)足夠的強度和韌性又稱堅韌性，以承受切削中的沖擊力和振動，減少刀具脆性斷裂和崩刃。

3)耐磨性好即抵抗磨損的能力，使刀具使用耐久。

4)高的耐熱性是指刀具在高溫下仍能保持硬度、強度、韌性和耐磨性等。

5)工藝性能要好

成形工藝基礎-切削112為了便于刀具本身的制造，刀具材料還應具有一定的工藝性能,如:切削性能、磨削性能、焊接性能及熱處理性能等。

2.常用刀具材料

1)碳素工具鋼

T10鋼(WC=1%)制手用鋼鋸條、簡單冷作模;T12鋼用于制作鉸刀、銼刀、量具等

2)合金工具鋼常用牌號如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等，成形工藝基礎-切削113

主要用于制造刃具、模具、量具等工具

3)高速鋼高速鋼是含W、Cr、V等合金元素較多的合金工具鋼.

其常用牌號有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等,廣泛用于制造形狀復雜的高速切削工具,如：麻花鉆、銑刀、拉刀、齒輪刀具和其他成形刀具。

4)硬質合金根據GB/2075-1998規(guī)定，按被加工材料成形工藝基礎-切削114分三個大（類）組：分別用字母P、M、K表示(習慣性)。

1)P類(YT類)

適宜加工長切屑的黑色金屬，如鋼、鑄鋼等。其代號P01、P10、P20、P30、P40、P50等，數字越大，耐磨性越低而韌性越高。如車削時：精車用P01,半精車用P10,P20；粗車選用P30。成形工藝基礎-切削115成形工藝基礎-切削116成形工藝基礎-切削117

2)M類(YW類)

適宜加工長切屑或短切屑的金屬材料，如鋼、鑄鋼、不銹鋼、灰鑄鐵、有色金屬等。其代號有M10、M20、M30、M40等，數字越大，耐磨性低而韌性大。精車選M10；半精車用M20；粗車時可用M30。

成形工藝基礎-切削118

3)K類(YG類)

適宜加工短切屑的金屬或非金屬材料，如淬硬鋼、鑄鐵、銅鋁合金、塑料等，其代號有K01、K10、K20、K30、K40等，數字大，耐磨性降而韌性大。如車削時：精車選K01；半精車K10、K20；粗車用K30。

3.新型刀具材料

1)涂層刀具材料

是指通過氣相沉積或其他技術方法，在硬質合金或高速鋼的基體上涂覆一薄層高硬耐磨的難熔金屬。成形工藝基礎-切削119如在硬質合金表面上涂厚4～9μm的涂層時，表面硬度可達2500～4200HV，是實現刀具要求“面硬而心韌”的有效方法之一。

常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等硬質合金涂層，刀具壽命可比原來提高1～3倍，高速鋼涂層后壽命提高2～10倍，世界各國對涂層刀具運用很廣泛。處于領先地位的瑞典，在車削中使用涂層硬質合金刀片已達70%～80%。

成形工藝基礎-切削120

2)陶瓷刀具材料

按化學成分可分為Al2O3基和Si3N4基兩類。陶瓷刀具硬度高而耐磨，允許切削速度達成12.5m/s，耐熱性度可達1200～1450℃，其效率比硬質合金提高了1～4倍，可制成刀片。用于半精和精加工高硬度、強度鋼及冷硬鑄鐵等，缺點抗彎強度低，沖擊韌性差。

3)超硬刀具材料

它包括人造聚晶金剛石和立方氮化硼等成形工藝基礎-切削121

人造聚晶金剛石刀具，硬度極高(5000HV以上),耐磨性極好，可切削硬的材料而長時間保持尺寸的穩(wěn)定。

刀具壽命比硬質合金高幾十至三百倍，宜精細加工。立方氮化硼(CBN)的顯微硬度達8000～9000HV，僅次于天然金剛石（10000HV），耐磨性很好，其耐熱性達1500℃，且與鐵族材料親和作用小。成形工藝基礎-切削122

13.3.2刀具結構

刀具的種類相當繁多，但其切削部分的結構要素和幾何角度有著許多共同的特征,圖示。各種刀具就一個刀齒而言，都相當于車刀的刀頭。成形工藝基礎-切削123一、車刀切削部分的組成車刀切削部分有：“三面兩刃一尖”。

1.前刀面（簡稱前面）

刀具上切屑流經的表面。

2.主后刀面（簡稱后面）

與過渡表面相對的表面。

3.副后刀面（簡稱副后面）

—是與工件已加工表面相對的表面。成形工藝基礎-切削124

4.主切削刃

前刀面與主后刀面交線

5.副切削刃

前刀面與副后刀面交線

6.刀尖

—指主、副切削刃匯交的部位，它可以是圓弧，或是一小段直線。

成形工藝基礎-切削125

靜止參考系（標注參考系）：

它是刀具設計時標注、刃磨和測量的基準，用此定義的刀具角度稱刀具標注角度；

工作參考系（動態(tài)參考系）：

靜止參考系，如圖：二、刀具角度參考系

刀具角度是確定車刀各部分幾何形狀的重要參數，參考系有兩類：成形工藝基礎-切削126

1.基面Pr

過切削刃選定點并垂直于主運動方向的平面。

2.切削平面Ps

過切削刃上選定點與切削刃相切并垂直于基面的平面

3.正交平面Po過切削刃上選定點，并同時垂直于基面和切削平面的平面。成形工藝基礎-切削127由于刀具的參考系在切削刃上各點是變化的，因此角度的定義也應指明選定點。在未指明時，一般指切削刃的基點或刀尖。成形工藝基礎-切削128主剖面內測量的標注角度見圖

1.前角γ0

前刀面與基面間的夾角。根據前刀面與基面間的相對位置又分別規(guī)定為:正前角、零度前角和負前角。作用：影響切削刃鋒利程度及強度，增加前角可使刀刃鋒利，切削力減少。切削溫度降低，但過大的前角會使刃口強度降低，容易造成刃口損壞。成形工藝基礎-切削129

選擇原則：前角的數值大小與刀具切削部分的材料，被加工材料、工作條件等都有關系。

(1)材料性脆、強度低時前角應取小值；

(2)材料強度和硬度低時，取較大前角；

(3)有沖擊的工作條件時，前角應取較小值，甚至取負值。在保證刀具刃口強度的條件下，盡量用大前角。

成形工藝基礎-切削130

2.后角αo

指主后刀面與切削平面之間的夾角。

作用：減小后面與工件之間的摩擦，和前角一樣影響刃口的強度和鋒利程度。

選擇原則:與前角相似,一般后角值為6°～8°。

3.主偏角Kr(基面內測量)

主切削在基面上的投影與進給方向之間夾角。

作用：影響切削刃工作長度、背向力、刀尖成形工藝基礎-切削131強度和散熱條件；主偏角越小，背向力越大，切削刃工作長度越大，散熱條件越好。

選擇原則：工件粗大,剛性好時取較小值,車細長軸時為減少背向力,以免工件彎曲,加工出腰鼓形,宜選取較大的值,常用為45°～75o間。

4.副偏角Krˊ

副切削平面與假定工作平面間的夾角

作用：影響已加工表面的粗糙度，減少副偏角可使被加工表面粗糙值降低。成形工藝基礎-切削132

選擇原則：精加工時為提高加工表面的質量，選取較小值，一般為5°～10°

在切削平面內側量的角度有：

5.刃傾角λs

指主切削刃與基面間的夾角，反映主切削刃對基面的傾斜程度。

作用：影響切屑流動方向和刀尖的強度。

(1)當λs

為正值時，刀尖在主切削刃上的最高點，切屑流向待加工表面；成形工藝基礎-切削133

(2)當λs

為負值時，刀尖在主切削刃上為最低點，切屑流向已加工表面；

(3)刃傾角為0°時，切屑垂直于過渡表面方向流出。在λs

＝＋時，切屑的壓力使刀頭及刃口易損壞，刀頭強度表現差；反之，則刀頭強度較好。

選擇原則：精加工時取正值，粗加工時或有沖擊時取負值，一般情況下為0°～5°。成形工藝基礎-切削134工作參考系：工作角度的變化

1、刀尖高于或低于工件回轉軸線成形工藝基礎-切削1352、刀柄中心線與進給方向不垂直成形工藝基礎-切削1363、進給運動對工作角度影響成形工藝基礎-切削137主偏角的選擇：成形工藝基礎-切削138成形工藝基礎-切削139副偏角對殘留面積的影響：成形工藝基礎-切削140刃傾角的選擇：成形工藝基礎-切削141成形工藝基礎-切削142

三、刀具結構

刀具結構種類很多,以車刀為例介紹：

1.整體車刀切削部分與刀桿為同一種材料，如高速鋼車刀(白鋼刀),在有色金屬加工中應用較多。

2.焊接車刀切削部分與刀桿不同材料,刀桿為中碳鋼鍛造,而切削部分為硬質合金類刀片,運用硬釬焊連成形工藝基礎-切削143接而成，方便靈活，尤其小刀具運用多。

3.機械夾固式車刀

按是否重磨又分機夾不重磨式和機夾重磨式兩種.

其中機夾不重磨時,一刀刃用鈍后不需重磨.如圖示，只須將夾緊螺釘稍松，將刀片再轉過一刃即可使用。

而機夾重磨式,類似焊接車刀,用鈍后可重磨.成形工藝基礎-切削14413.4金屬切削過程

13.4.1切屑形成及種類

1.切屑形成

塑性材料的切屑過程是一個：

擠壓變形切離過程；經歷了：

彈性變形、塑性變形、擠裂和切離四階段.

2.切屑的種類①帶狀切屑、②節(jié)狀切屑、③崩碎切屑成形工藝基礎-切削145成形工藝基礎-切削146成形工藝基礎-切削147

13.4.2積屑瘤

1.產生：切削塑性材料。。。。圖

2.對切削過程的影響優(yōu)點：

①硬化刀刃保護刀具；②增大前角γ利切削；③粗加工時利用之。

不足：

時積時流使工件表面粗糙；精加工時，予以限制。成形工藝基礎-切削148成形工藝基礎-切削149

13.4.3切削力（車外圓）

總切削力(F)分解為相互垂直的三個分力：

1.切削力Fc

F在主運動方向上的分力；

2.進給力Ff

F在進給方向上的分力；

3.背向力Fp

F在垂直于工作平面方向上的分力?？偳邢髁Γ?/p>

成形工藝基礎-切削150成形工藝基礎-切削151

13.4.4切削熱與切削溫度

1.切削熱產生、傳出與對加工的影響

2.切削溫度及其影響影響切削溫度的主要因素：

①工件材料強而硬的材料生熱多；②切削用量影響程度依次排序為：切削速度、進給量、背吃刀量。成形工藝基礎-切削152

③刀具角度前角大、主偏角小些都可使生熱減少。

3.切削液及其選用降低切削熱的一個有效途徑是噴注切削液，可以降溫。切削液的功能可以歸納為：

冷卻作用、潤滑、清洗和防銹作用。生產中常用的切削液可分為三類：成形工藝基礎-切削153

1)水溶液

水為主，加有防銹液等添加劑。作用：冷卻為主。

2)乳化液

將乳化油加水稀釋。不僅冷卻而且兼有潤滑作用。

3)切削油礦物油為主。少數采用動、植物油等，潤滑為主。

成形工藝基礎-切削154

13.4.5刀具磨損和刀具耐用度

刀具在使用一段時間后，其切削刃變鈍，以致無法使用。為此要討論刀具磨損與耐用度。

1.刀具磨損形態(tài)

1)后刀面磨損磨損以后刀面上的磨損寬度值VB表示。

2)前刀面磨損在高切削速度，背吃刀量較大且不用切削成形工藝基礎-切削155

液情況下，切塑性材時，前刀面上出現月牙洼，前刀面的磨損量以最大深度值KT表示。

3)前后刀面同時磨損

2.刀具磨損過程

刀具磨損過程有三階段，如圖所示。

3.刀具耐用度

刀具耐用度是指刀具從刃磨開始使用，到刀具磨損量達到磨損限度的總切削時間（min）,成形工藝基礎-切削156以符號T表示.

刀具壽命刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準所經歷的實際切削時間。

一般說:高速鋼鉆頭的耐用度為80～120min;

硬質合金焊接車刀耐用度約為60min；硬質合金端銑刀的耐用度約為120～180min。成形工藝基礎-切削157§4材料的切削性

一、概述材料的切削性：是指材料用刀具進行切削的難易程度。二、常用材料的切削性

1.結構鋼

1)低碳鋼性軟而韌，易生鱗刺，經正火處理后，可使切削性得以改善。成形工藝基礎-切削158

2)中碳鋼

有較好綜合力學性能，切削性好。

3)高碳鋼由于組織中多為珠光體加網狀滲碳體，經球化退火可改善切削性。