機械制造基礎(chǔ) 課件 1.1金屬切削的基礎(chǔ)知識

1.1金屬切削的基礎(chǔ)知識01切削運動及相關(guān)概念02切削用量與切削層參數(shù)03切屑的相關(guān)概念04切削過程中的相關(guān)概念1.1.1切削運動及相關(guān)概念1.零件的表面形狀圖1-1機械零件上常用的各種典型表面

1-平面2-圓柱面3-圓錐面4-螺旋面（成形面）5-回轉(zhuǎn)體成形面6-漸開線表面（直線成形面）2.零件表面的成形方法

各種典型表面都可以看成一條線（母線）沿著另一條線（導(dǎo)線）運動的軌跡。圖1-2零件表面的成形

1-母線2-導(dǎo)線3.發(fā)生線的形成

在機床加工零件表面過程中，需要工件、刀具之一或兩者同時按一定規(guī)律運動，形成兩條發(fā)生線，從而生成所需加工表面。圖1-3形成發(fā)生線所需的運動a）成形法b）軌跡法c）相切法d)展成法4.切削運動

在金屬切削加工中必須的相對運動稱為切削運動。圖1-4車削運動：vc主運動ap橫向進(jìn)給運動f縱向進(jìn)給運動切削層

：ABCD區(qū)域

工件上形成的表面：1待加工表面2過渡表面3

已加工表面

圖1-5切削過程中形成的表面1.1.2切削用量與切削層參數(shù)1.切削用量1）切削速度vc進(jìn)給量f背吃刀量ap2.切削層參數(shù)切削面積

AD切削層公稱橫截面面積（切削面積，AD）。是指工件被切下的金屬層沿垂直于主運動方向所截取的橫截面積。切削寬度

bD切削層公稱寬度（切削寬度，bD）。是指平行于工件加工表面測量的切削層橫截面尺寸。切削厚度hD切削層公稱厚度（切削厚度，hD）。是指垂直于工件加工表面測量的切削層橫截面尺寸。1.1.3切屑的相關(guān)概念1.金屬切削變形當(dāng)切削刃切入工件時，切削層材料會產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，最后形成切屑從工件上分離出去。圖1-7

金屬切削過程的三變形區(qū)第I變形區(qū)。切削層材料在第I變形區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生強烈的剪切滑移變形，同時出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。第I變形區(qū)的寬度僅為0.02～0.2mm，切削速度越高，寬度越窄。經(jīng)過第I變形區(qū)的變形后，被切除材料層變成切屑，從刀具前面流出。第II變形區(qū)。切屑流經(jīng)前刀面時，在刀、屑界面上又受到嚴(yán)重擠壓、摩擦和塑性變形。第II變形區(qū)內(nèi)的擠壓、摩擦、變形及其溫升，對刀具磨損影響很大。第III變形區(qū)。已加工表面受到刀刃鈍圓部分和后刀面的擠壓、摩擦，也會產(chǎn)生顯著變形和纖維化，該變形區(qū)被稱為第III變形區(qū)，其直接影響加工表面質(zhì)量和刀具磨損。2.切屑的類型圖1-8切屑的類型a)帶狀切屑b)節(jié)狀切屑c)單元切屑d)崩碎切屑

由于工件材料不同，切削過程中的變形程度也就不同，因而產(chǎn)生的切屑種類也就多種多樣，如圖1-8所示。圖a至圖c為切削塑性材料的切屑，圖d為切削脆性材料的切屑。

a)b)c)d)2.積屑瘤圖1-9積屑瘤

（1）積屑瘤的形成。如圖1-9所示，切削過程中，由于金屬的擠壓變形和強烈摩擦，使切屑與前刀面之間產(chǎn)生很大的壓力和很高的切削溫度。當(dāng)壓力和溫度條件適當(dāng)時，切屑底層與前刀面之間的摩擦阻力很大，使得切屑底層流出速度變得緩慢，形成很薄的一層“滯流層”。當(dāng)“滯流層”與前刀面的摩擦阻力超過切屑內(nèi)部的結(jié)合力時，滯流層的金屬與切屑分離而粘附在切削刃附近形成積屑瘤。積屑瘤實質(zhì)上是在切削過程中發(fā)生冷焊的結(jié)果。隨著切削過程的進(jìn)行，積屑瘤不斷長大，當(dāng)它達(dá)到一定高度后，又因受到切削沖擊和振動面會破裂和脫落，被切屑帶走或嵌附在工件表面上。這一過程基本上在重復(fù)進(jìn)行。積屑瘤處于穩(wěn)定狀態(tài)時，可代替切削刃進(jìn)行切削。（2）影響積屑瘤的主要因素工件材料

當(dāng)工件材料的硬度低、塑性大時，切削過程中的金屬變形大，切屑與前刀面間的摩擦系數(shù)和接觸區(qū)長度比較大。在這種條件下，易產(chǎn)生積屑瘤。當(dāng)工件塑性小、硬度較高時，積屑瘤產(chǎn)生的可能性和積屑瘤的高度也減小，如淬火鋼。切削脆性材料時產(chǎn)生積屑瘤的可能更小。刀具前角

刀具前角增大，可以減小切屑的變形、切屑與前刀面的摩擦、切削力和切削熱，可以抑制積屑瘤的產(chǎn)生或減小積屑瘤的高度。切削速度

切削速度主要是通過切削溫度和摩擦系數(shù)來影響積屑瘤的。當(dāng)?shù)毒邲]有負(fù)倒棱時，在極低的切削速度條件下，不產(chǎn)生積屑瘤。隨著切削速度增大，相應(yīng)的切削溫度提高，積屑瘤的高度逐漸減小。

精加工時，為了達(dá)到較低的已加工表面粗糙度的辦法是采用在刀具耐熱性允許范圍內(nèi)的高速切削，或采用低速切削，以防止積屑瘤的產(chǎn)生，提高已加工表面的質(zhì)量。

切削厚度

切塑性材料時，切削力、切屑與前刀面接觸區(qū)長度都將隨切削厚度的增加而增大，將增加生成積屑瘤的可能性。所以，在精加工時除選取較大的刀具前角，在避免積屑瘤的產(chǎn)生切削速度范圍內(nèi)切削外，應(yīng)采用減小進(jìn)給量或刀具主偏角來減小切削厚度。1.1.4切過程的相關(guān)概念1.切削力和切削分力的作用01在縱車外圓時，如果加工工藝系統(tǒng)剛性不足，F(xiàn)p是影響加工工件精度、引起切削振動的主要原因，但Fp不消耗切削功率。切削分力Fp的作用03切削力Fc是作用在工件上，并通過卡盤傳遞到機床主軸箱，它是設(shè)計機床主軸、齒輪和計算主運動功率的主要依據(jù)；由于Fc的作用，使刀桿彎曲、刀片受壓，故用它決定刀桿、刀片尺寸；Fc也是設(shè)計夾具和選擇切削用量的重要依據(jù)。在縱車外圓時，如果加工工藝系統(tǒng)剛性不足，是影響加工工件精度、引起切削振動的主要原因，但不消耗切削功率。切削分力Fc的作用02合力在基面中的分力與各分力之間的關(guān)系：

Ff作用在機床進(jìn)給機構(gòu)上，是計算進(jìn)給機構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)零件的強度和檢測進(jìn)給機構(gòu)強度的主要依據(jù)，F(xiàn)f消耗總功率

的1%~5%。0304切削分力Ff的作用切削力是工件材料抵抗刀具切削產(chǎn)生的阻力。2）切削功率主運動消耗的切削功率Pc（單位為kW）應(yīng)為：

式中

—主運動的切削速度。根據(jù)上式求出切削功率

后，再按下式計算主電動機的功率

（kW）：式中

——機床傳動功率，一般取=0.75~0.85。您的內(nèi)容打在這里，在此框中選擇粘貼，并選擇只保留文字。標(biāo)題內(nèi)容您的內(nèi)容打在這里，在此框中選擇粘貼，并選擇只保留文字。標(biāo)題內(nèi)容您的內(nèi)容打在這里，在此框中選擇粘貼，并選擇只保留文字。標(biāo)題內(nèi)容您的內(nèi)容打在這里，在此框中選擇粘貼，并選擇只保留文字。標(biāo)題內(nèi)容

1）切削熱的來源與傳導(dǎo)

在切削加工中，由于切削變形和摩擦而產(chǎn)生熱量。切削熱

Q向切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)（空氣或切削液）中傳散。例如，在干車削鋼時，其傳熱比例為：2.切削熱與切削溫度

熱量傳散的比例與切削速度有關(guān)，切削速度增加時，由摩擦生成的熱量增多，但切削帶走的熱量也增加，在刀具中熱量減少，在工件中熱量更少。Vc、ap和f增加，由于切削變形功和摩擦功增大，故切削溫度升高切削用量通過硬度、強度和導(dǎo)熱系數(shù)影響切削溫度。工件材料在刀具幾何參數(shù)中，影響切削溫度最為明顯的因素是前角和主偏角，其次是刀尖圓弧半徑。刀具幾何參數(shù)澆注切削液是降低切削溫度的重要措施。切削液

切削溫度高低決定于：產(chǎn)生熱量多少和傳散熱量的快慢兩方面因素。如果生熱少、散熱快，則切削溫度低，或者上述之一占主導(dǎo)作用，也會降低切削溫度。2）影響切削溫度的因素

3.刀具磨損與刀具耐用度正常磨損

正常磨損是指隨著切削時間的增加，磨損逐漸擴大的磨損，它包括前刀面磨損、后刀面磨損和副后刀面磨損。非正常磨損

非正常磨損也稱破損，常見的有塑性變形、切削刃崩刃、剝落、熱裂等。

1）刀具磨損的形態(tài)

刀具磨損是指切削時刀具在高溫條件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料逐漸被磨耗或出現(xiàn)其它形式的損壞。2）磨損過程和磨損標(biāo)準(zhǔn)圖1-11磨損過程（1）刀具的磨損過程

刀具的磨損一般分為三個階段，以后刀面磨損為例，它的磨損量VB和切削時間的關(guān)系可用圖4-11來表示。初期磨損階段（圖1-11中Ⅰ區(qū)）：由于刀面上表面粗糙度值大，表面組織不耐磨，磨損較快；正常磨損階段（圖1-11中Ⅱ區(qū)）：隨著切削時間增加，磨損量VB逐漸加大，這是刀具工作的有效時間；急劇磨損階段（圖1-11中Ⅲ區(qū)）：磨損量VB到了一定數(shù)值后，磨損急劇增大，引起切削力增大，切削溫度急劇升高，如果繼續(xù)使用，則刀具切削刃將產(chǎn)生破壞。（2）刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

磨鈍標(biāo)準(zhǔn)亦稱磨損判據(jù)，是指刀具從開始切削到不能繼續(xù)使用為止，在刀面上的那段磨損量。這個磨損量也叫磨損極限，刀具磨損值達(dá)到了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該重磨或更換切削刃。3）刀具使用耐用度（1）刀具耐用度的概念刀具耐用度

T

定義為刀具從開始切削至達(dá)到磨損極限為止的總切削時間（單位為min）。（2）影響刀具耐用度的因素①切削速度對刀具耐用度的影響提高切削速度，使切削溫度增高，磨損加劇，而使刀具耐用度T降低。②進(jìn)給量與背吃刀量的影響進(jìn)給量和背吃刀量增大，均使刀具耐用度T降低，但增大后，使切削溫度升高較多，故對T影響較大；而增大，使切削溫度升高較少，故對刀具耐用度影響較小。③刀具幾何參數(shù)的影響合理選擇刀具幾何參數(shù)能提高刀具耐用度。增大前角，切削溫度降低，刀具耐用度提高，但前角太大，強度低、散熱差，刀具耐用度反而會降低，因此，刀具前角有一個最佳值，該值可通過切削實驗求得。適當(dāng)減小主偏角、副偏角和增大刀尖圓弧半徑，可提高刀具強度和降低切削溫度，均能提高刀具耐用度。④工件材料加工材料的強度、硬度越高和韌性越高、延伸率越小，切削時均能使切削溫度升高，刀具耐用度較低。⑤刀具材料刀具材料是影響刀具耐用度的重要因素，合理選用刀具材料、采用涂層刀具材料和使用新型刀具材料，是提高刀具耐用度的有效途徑。4.切削用量

合理的切削用量應(yīng)該是在充分發(fā)揮機床效能、刀具切削性能和保證加工質(zhì)量的前提下，能夠獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本。1)切削用量的選擇原則

選取切削用量的合理順序應(yīng)是：首先選取盡可能大的吃刀量；其次根據(jù)機床動力與剛性限制條件或加工表面粗糙度的要求，選擇盡可能大的進(jìn)給量；最后在保證刀具耐用度的前提下，選取盡可能大的切削速度，以達(dá)到吃刀量、進(jìn)給量、切削速度三者乘積值最大。2)切削用量的選擇方法

（1）背吃刀量的選擇。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。也可分多次走刀。精加工的加工余量一般較小，可一次切除。在中等功率機床上，粗加工的背吃刀量可達(dá)8～10mm；半精加工的背吃刀量取0.5～5mm；精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

（2）進(jìn)給速度（進(jìn)給量）的確定。粗加工時，由于對工件的表面質(zhì)量沒有太高的要求，這時主要根據(jù)機床進(jìn)給機構(gòu)的強度和剛性、刀桿的強度和剛性、刀具材料、刀桿和工件尺寸以及已選定的背吃刀量等因素來選取進(jìn)給速度。精加工時，則按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素來選取進(jìn)給速度。進(jìn)給速度νf可以按公式νf=f×n計算，式中f表示每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，粗車時一般取0.3～0.8mm／r；精車時常取0.1～0.3mm/r；切斷時常取0.05～0.2mm/r。

（3）切削速度的確定。切削速度vc可根據(jù)己經(jīng)選定的背吃刀量、進(jìn)給量及刀具耐用度進(jìn)行選取。實際加工過程中，也可根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和查表的方法來選取。粗加工或工件材料的加工性能較差時，宜選用較低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能較好時，宜選用較高的切削速度。切削速度vc確定后，可根據(jù)刀具或工件直徑（D）按公式n=l000vc/πD來確定主軸轉(zhuǎn)速n（r/min）。3.選擇切削用量時應(yīng)注意的幾個問題

（1）主軸轉(zhuǎn)速。應(yīng)根據(jù)零件上被加工部位的直徑，并按零件和刀具的材料及加工性質(zhì)等條件所允許的切削速度來確定。切削速度除了計算和查表選取外，還可根據(jù)實踐經(jīng)驗確定，需要注意的是交流變頻調(diào)速數(shù)控車床低速輸出力矩小，因而切削速度不能太低。根據(jù)切削速度可以計算出主軸轉(zhuǎn)速。（2）車螺紋時的主軸轉(zhuǎn)速。數(shù)控車床加工螺紋時，因其傳動鏈的改變，原則上