切削加工的基礎(chǔ)知識

1、第14章切削加工的基礎(chǔ)知識切削加工是利用切削刀具從毛坯上切除多余的材料，以獲得所需 的形狀、尺寸精度和表面粗糙度加工方法。切削加工在工業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位，除了少數(shù)零件可以 用鑄造和鍛造獲得外，大部分的零件都要經(jīng)過切削加工。統(tǒng)計表明， 金屬切削加工的工作量占機器制造總工作量的40 %60%。金屬切削加工與其他的加工方法相比主要有如下的優(yōu)點：1、切削加工可獲得相當高的尺寸精度和很小的表面粗糙度磨削外 圓精度最高可高達IT5IT7級,粗糙度Ra=0.10.8卩m,鏡面磨削的 粗糙度甚至可達0.006卩m,而最精密的壓力鑄造只能達到IT9IT10,R=1.6 3.2 口 m。2切削加工幾乎不受

2、零件的材料、尺寸和重量的限制目前尚未發(fā)現(xiàn)不能切削加工的金屬材料實際上，包括橡膠、塑料、 木材這些非金屬材料在內(nèi)，也都可進行切削加工，這是任何其它冷熱 加工方法都無法做到的金屬切削加工的尺寸可小至不到0.1mm,大至幾十米，重達幾百噸.金屬切削加工可分為鉗工和機械加工。鉗工的內(nèi)容在金工實習(xí)中 介紹，本章只介紹機械加工的內(nèi)容，機械加工是通過操縱機床對工件 進行切削加工，其生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量好，是現(xiàn)代金屬加工的主要 方式。第一節(jié)切削加工的基本概念切削運動和切削要素在切削過程中是兩個經(jīng)常遇到的概念，因此 必須正確理解。一、切削運動（表面成型運動）切削加工是靠刀具和工件之間的相對運動來實現(xiàn)的。刀具和工

3、件 之間的相對運動叫 切削運動，它包括主運動和進給運動。1. 主運動是切除工件表面多余材料的基本運動，在切削運動中通 常線速度最高，所消耗的功率也最多。例如車削時工件的旋轉(zhuǎn)運動； 鉆削時刀具的旋轉(zhuǎn)運動；刨削時工件與刀具的相對往復(fù)運動等都屬于 主運動。2 .進給運動是使工件未被切除的多余材料不斷被切除的運動，又 稱走刀運動。通過進給運動便可以切削出要加工的表面。進給運動的 速度一般遠遠小于主運動的速度。例如，車削外圓時車刀的縱向移動； 鉆孔時鉆頭的軸向移動；銑平面時工件的縱向移動；牛頭刨床刨削時 工件的橫向間歇移動等都屬于進給運動。機床除上述運動外，其它運動均稱為輔助運動。如：進刀運動、 退刀運

4、動、分度運動、工作臺的升降等。二、切削要素切削要素指切削用量和切削層幾何參數(shù)。切削加工時在工件上形 成三個表面：待加工面，是工件上等待切除一層材料的表面；已加工表面，是工件上經(jīng)切削后產(chǎn)生的表面；加工面，正被刀具切削的表面，它是待加工面和已加工表面之間 的過渡面。1、切削用量切削用量包括切削速度、進給量、與切削深度。要完成切削，這三者缺一不可，故又稱為切削用量三要素。(1 )切削速度Vt指主運動的線速度，當主運動是旋轉(zhuǎn)運動時，Vt 旦 m/min1000式中 vt -切削速度，m/min ;D-工件待加工表面直徑，mm ;n-工件轉(zhuǎn)速，r/mi n。(2) 進給量f (又稱為走刀量)指刀具在進給

5、運動方向上相對 工件移動的距離。可用刀具或工件每轉(zhuǎn)或每行程的位移量來表示。例如，車削時進給量為工件每轉(zhuǎn)刀具沿進給方向的位移量，單位mm/r,刨削時進給量指工件或刀具每往復(fù)一次，兩者在進給方向的相對位移，單位mm/str(毫米/每往復(fù)行程)(3) 切削深度ap指待加工表面與已加工表面的垂直距離。例如車削外圓時切削深度是待加工表面與已加工表面的半徑差。2、切削層幾何參數(shù)切削層幾何參數(shù)包括切削寬度、切削厚度和切削面積。它比進給 量、切削深度更能直觀地反映，切削刃單位長度負荷以及切削刃工作 長度的變化。如圖30-2所示。(1) 切削寬度aw沿刀具主切削刃所量得的切削層尺寸，即切削 刃參與切削工作的長度

6、，單位為 mm。外圓縱車時：awSin r式中r 刀具主切削刃和工件軸線之間的夾角。(2) 切削厚度ac刀具或工件每移動一個進給量f后，刀具主切 削刃相鄰兩個位置間的垂直距離，單位為 mm。ac f sin r(3) 切削面積Ac切削層的橫截面面積，單位為 mm 2。Ac aw a。 f a p由以上公式可以看出，f,P決定Ac的大小。Ac隨著r的減小而增 尢而ac隨著r的減小而減小.第二節(jié)切削刀具金屬切削刀具主要由刀頭和刀體組成，刀頭承擔(dān)切削任務(wù)，刀體 用來夾持刀頭。選擇合適的刀具對切削加工極為重要，選擇刀具主要 考慮材料和角度兩個因素。一、刀具材料1 .對刀具材料的要求(1 )較高的硬度其

7、硬度應(yīng)高于工件材料的硬度，常溫硬度在HRC60以上。(2) 良好的耐磨性 使刀具的工作時間延長，提高生產(chǎn)率。(3) 足夠的強度和韌性以保證對切削抗力、沖擊力與振動有足 夠的承受能力。(4) 高的耐熱性(又稱紅硬性)能在高溫下維持切削所需的硬 度、耐磨性、強度和韌性。除上述基本切削性能外，還應(yīng)有良好的工藝性和導(dǎo)熱性。2、刀具的常用材料(1) 合金工具鋼 有較高的熱硬性，耐熱溫度在220 0C左右，切 削速度約在810m/min之間，但價格低廉，常用來制造形狀復(fù)雜的 低速刀具，如鉸刀、絲錐和板牙等。(2) 高速工具鋼 其高溫硬度、耐磨性都比合金工具鋼好，耐熱 溫度在560 0C左右，其熱處理后的硬

8、度可達到 HRC6366，切削速 度可達 30m/min 左右。由于其熱處理性能好， 有較高的強度和良好的 刃磨性，被廣泛用于制造成形車刀、銑刀、鉆頭和拉刀等各種機用刀 具。目前應(yīng)用最多的材料是 W18Cr4V 。（3）硬質(zhì)合金 是由碳化鎢、碳化鈦和鈷等材料用粉末冶金方法 制成的合金。其硬度可達 HRA89-92.5 （相當于 HRC70-75 ），能耐溫 度達850 01000 0C，耐磨性很好。切削速度是高速鋼的 4-10倍，但 抗彎強度僅為高速鋼的 1/3 ，怕沖擊振動。 通常是將硬質(zhì)合金刀片固定 在刀體上使用，目前硬質(zhì)合金已成為主要的刀具材料之一。根據(jù) GB2075-87 ，切削用的硬

9、質(zhì)合金按其排屑形式和加工對象范 圍。分為三類，分別以字母 P、M、K 表示。P-適于加工長切屑的黑色金屬，以藍色作標志。M- 適于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色金屬，以黃色作 標志。K- 適于加工短切屑的黑色金屬、 有色金屬合非金屬材料， 以紅色 作標志。P 類的硬度、耐磨性較高，韌性較差。 K 類的韌性較高，硬度、 耐磨性略低。 M 類的綜合性能較好。表 30-1 列出了分組代號及應(yīng)用 范圍，供實際工作中參考。每個類別的分組代號中，數(shù)字愈大，耐磨性愈低，而韌性愈高， 則進給量可選得大些，而切削速度應(yīng)選得小些。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，刀具材料不斷更新。出現(xiàn)了一些新的刀具材 料，如鈷高速鋼，粉末

10、冶金高速鋼，鋼結(jié)硬質(zhì)合金。人造金剛石，立 方氮化硼（ CBN ）等。二、刀具的幾何形狀刀具的幾何形狀主要指切削部分的幾何形狀，包括切削部分的組 成、輔助平面、切削部分的幾何角度等內(nèi)容。下面以普通外圓車刀為 例加以說明。其它刀具都可看作由車刀演化而來。1、車刀切削部分的 組成 如圖30 4a所示(1) 前刀面一切屑流出時首先接觸的表面。 為使切屑卷曲、折斷, 切削塑性材料時，刀具的前刀面一般磨有斷屑槽，如圖 30-4b所示。 前刀面可為平面，也可為曲面。(2 )主后刀面 切削時，刀具上與工件加工表面相對著的表面。(3)副后刀面 切削時，刀具上與工件已加工表面相對著的表面。(4 )主切削刃 前刀面

11、與主后刀面的交線，它擔(dān)負著主要的切削 工作。(5 )副切削刃 前刀面與副后刀面的交線，它只擔(dān)負少量的切削 工作。(6)刀尖 主切削刃和副切削刃的交點。為增強刀尖的強度和耐 磨性，刀尖常常修磨成一段很小的直線或圓弧。由上述可知，車刀切削部分的組成，可以簡稱為“三面、兩刃、一尖”。此外， 刀具上還常磨有過渡刃、修光刃及負倒棱。2、輔助平面。為確定車刀各刀面和刀刃的空間位置，度量車刀的幾何角度，引 入三個互相垂直的輔助平面作為基準面和測量面?；鍼通過切削刃選定點，并垂直于該點的切削速度方向的平面。切削平面Ps通過切削刃上選定點，與工件加工表面相切，且垂 直于該點基面的平面。主剖面Po 通過主切削刃

12、上選定點，垂直于基面和切削平面的平 面，該平面是為了測量刀具的幾何角度。副剖面Po通過副切削刃上選定點，垂直于基面和切削平面的平 面。切削刃上同一點的切削平面與基面垂直，構(gòu)成了確定刀具幾何角 度的坐標平面系，如圖30-5所示。3、車刀切削部分的幾何角度如圖30-6所示建立主剖面參考系，在主剖面 0-0 (P。)上測得的角度：(1) 前角0前刀面與基面的夾角。它反映前刀面的傾斜程度。 前角越大，刀具越鋒利，切削越輕快。但前角大會降低刀頭部分的強 度，切削過程中，容易崩刃。因此在保證刀頭強度的前提下，盡量選 擇大一些的前角。根據(jù)工件材料和刀具材料，通常為 520。(2) 后角0主后刀面與切削平面的

13、夾角。后角的主要作用是減 少刀具與加工表面的摩擦。但過大會降低刀頭強度，散熱變差。粗加 工等主要考慮強度場合，取較小后角為 3060，精加工等主要考慮減 小摩擦的場合，取較大的后角為 612(3) 楔角0前刀面與主后刀面的夾角。在基面上測量的角度：(4 )主偏角r主切削刀在基面上的投影與進給方向之間的夾 角。它決定了主切削刀的工作長度、刀尖強度和徑向力。主偏角較小 時，切削寬度增加，切削厚度減薄，主切削刀的工作長度增加，刀具 磨損較小、耐用。但容易引越振動，增大徑向力，頂彎細長工件，影 響加工精度。一般300900最常用的是45。(5 )副偏角r副切削刃在基面上的投影與進給相反方向之間的 夾角

14、。它可以減少副切削刃與已加工表面間的摩擦。減小副偏角，可 使表面粗糙度Ra值減小，一般5150。(6 )刀尖角r主、副切削刃在基面上投影的夾角。它反映了刀 尖的強度和散熱條件。在切削平面內(nèi)測量的角度：(7)刃傾角s主切削刃與基面之間的夾角。它主要影響刀頭的 強度和排屑方向，改變刀頭的受力情況。粗加工時，為了提高刀頭的 強度常取負值；粗加工時，為了不使切屑劃傷已加工面取正值，如圖 30-7所示。一般為-510。此外，在過副切削刃上選定點的副切削面內(nèi)，還有副后角0和副前角0，其定義參考前角0和后角0的定義。第三節(jié) 切削過程中的物理現(xiàn)象在金屬的切削過程中，伴隨著許多物理現(xiàn)象，如滯流、切削力、 切削熱

15、、刀具磨損等。一、切屑1切屑的形成切屑是刀具擠壓工件使工件表面的一層金屬產(chǎn)生一系列的變形而 形成的。切削塑性材料時一般經(jīng)過擠壓滑移、擠裂、切離四個階段形 成切屑。切削脆性材料時不經(jīng)過滑移階段。（1 ）擠壓階段 刀具擠壓工件使接觸處的金屬產(chǎn)生彈性變形。（2 ）滑移階段 刀具擠壓工件并使金屬內(nèi)部的應(yīng)力達到材料的屈 服極限，發(fā)生塑性變形。（3 ）擠裂階段 刀具擠壓工件并使金屬內(nèi)部的應(yīng)力達到材料的強 度極限，產(chǎn)生裂痕而被擠裂。（4 ）切離階段 被擠裂的金屬脫離工件而形成切屑。2切屑的種類 如圖 30-8 所示（ 1）帶狀切屑 切削較軟的塑性材料時，采用高的切削速度和 小的進給量時得到，或采用低的切削速

16、度和，而車刀的前角較大時形 成帶狀切屑。（2 ）節(jié)狀切屑 在粗加工較硬的鋼材時， 采用大的進給量和高的 切削速度，而刀具的前角較小時形成節(jié)狀切屑。（3 ）粒狀切屑 在加工脆性材料時形成粒狀切屑。 不同的切屑對工件和刀具的影響也不同，帶狀切屑的形成過程較 平穩(wěn)，工件的表面質(zhì)量較好，但易刮傷工件；粒狀切屑是斷續(xù)產(chǎn)生的， 會使刀具產(chǎn)生振動，降低工件的表面質(zhì)量，刀尖的沖擊較大，容易損壞刀刃二、積屑瘤 切削塑性材料時，常在切削刃上粘附著一小塊很硬的金屬，其組 織性能與刀具、工件材料均不相同，這塊金屬稱為積屑瘤。在切削過 程中，前刀面、刀刃和切屑形成一個小楔形區(qū)，這里壓力大、溫度高。 切屑從刀具前刀面流出

17、時切屑底層受前刀面摩擦，使流動速度降低， 這層金屬稱為滯流層。當摩擦阻力大到一定值，就會使切屑底層金屬 的一小部分粘結(jié)到刀具前刀面的切削刃處，形成了積屑瘤。硬度約為 工件硬度的 1.5-2.5 倍，粘附在切削刃上保護了切削刃， 并增大了前角 在粗加工時，這是有利的。但由于積屑瘤不穩(wěn)定，時隱時現(xiàn)，時小時 大，并容易粘到工件表面上，引起振動，使工件表面粗糙度加大。因 此，精加工時，應(yīng)避免產(chǎn)生積屑瘤。切削速度對積屑瘤影響較大，當 切削速度達到某一值附近，積屑瘤最大，切削速度進一步提高，積屑 瘤則隨之減小。因此，為避免積屑瘤的產(chǎn)生，可以采用較高或較底的 切削速度；使刀面的粗糙度較小或加切削液以減小摩擦

18、系數(shù)；增大前 角，降低進給量以減小切削厚度等措施。三、加工硬化由于刀具的切削刃有一定的刃口圓弧半徑P（約為0.012 /0.032mm 如圖 30-10 所示，結(jié)果使工件的已加工面受到刀具的刃口 圓弧的推壓和后刀面的擠壓、摩擦作用，產(chǎn)生強烈的塑性變形，導(dǎo)致 表面的硬化。一般硬化層的硬度可達原工件的1-2 倍，深度在0.02-0.03mm 。這種再切削材料時，經(jīng)過加工的表面硬度增加塑性下 降的現(xiàn)象稱加工硬化。表面的加工硬化，常引起工件表面產(chǎn)生細小的裂紋，使工件疲勞強度下降，表面粗糙度增加，使下道工序的加工增加困難。因此，常 采取增大刀具的前角，提高切削速度，使用切削液等措施，減少加工 硬化。四、

19、切削力 切削時所產(chǎn)生的刀具與工件之相互作用的力叫切削力。1、切削力的來源 切削時，被刀具擠壓的金屬層及切屑由于變形而產(chǎn)生抗力，該抗 力以正壓力 Fnr 的形式作用于刀具前刀面，是切削力的主要部分。組成 切削力的其他部分包括切屑和前刀面的摩擦力 F fr ；加工表面對后面的 正壓力Fna和摩擦力Ffa ；已加工表面對副后刀面的正壓力 F.a和摩擦力 F fa 。在這三對力中，正壓力均來源自工件及切屑的彈、塑性變形，摩 擦力則來自工件與刀具工件的相對運動。如圖 30-11 所示。三對力的 合力即為總切削力Fr，簡稱為切削力?？偳邢髁ψ饔糜诘毒呱系牟课?和方向如圖 30-12 所示。2、切削分力為了

20、設(shè)計計算中需要及便于測量，將總切削力Fr ，分解成三個相互垂直的分力 Ff、Fp、Fc。（1）走力抗力 Ff 其方向與進給方向相反。 車削外圓時為軸向分 力。它是機床給進機構(gòu)強度設(shè)計的原始數(shù)據(jù)。（2）吃力抗力 Fp 其方向與吃刀方向相反。 車削外圓時， 為徑向 分力。其反作用力有將工件頂彎的趨勢，對細長軸工件將影響工件的 加工精度。增大主偏角，可以減少徑向力。（3）主切削力 Fc 它垂直于基面，與切削速度方向一致。是最大 的分力。Fc所消耗的功率約占機床總功率的 90%以上，是計算機床主傳動系統(tǒng)零件強度、剛度，夾具夾緊力的主要依據(jù)由于刀具角度、切削用量的不同，F(xiàn)f和Fp相對于Fc的比值在一定

21、范圍內(nèi)變化。Fp 二(0.15 0.7 ) Fc ； Ff 二(0.1 0.6) Fc五、切削熱切削時所消耗的功幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能。切削熱的主要來源有：( 1 )內(nèi)摩擦熱 在切削過程中，工件(在切削區(qū))和切屑的彈、 塑性變形產(chǎn)生的熱。( 2)外摩擦熱 切屑與刀具前面、加工表面與刀具后面、已加工 表面與刀具副后面之間摩擦所產(chǎn)生的熱。切削熱使工藝系統(tǒng)的溫度升高。使刀具硬度降低，造成刀具很快 摩損；還可能改變工件的金相組織；使工件膨脹變形，影響測量及加 工精度，對大尺寸，薄壁及細長工件影響更大。可見，減少切削熱降低切削溫度對加工精度是十分重要的。一般 來說，所有減小切削力的辦法均可減少切削熱，但冷卻潤滑重有效。 采用充分合理的冷卻潤滑，除可減少摩擦而減少切削熱外，還可帶走 大量的切削熱，從而使工藝系統(tǒng)溫度明顯降低。六、刀具耐用度刀具使用一段時間后就會變鈍，必須重新刃磨后才能使用。我們 把兩次刃磨之間的實際切削時間稱刀具的耐用度，單為是分鐘。觀察 磨損刀具，根據(jù)刀具磨損部位的不同可分為后刀面磨損、前刀面磨損 和前后刀面磨損，刀具的磨損是不可避免的。在初級磨損階段，刀具后面的不平處被 很快磨平，粗糙度減小。此后便進入了緩慢的正常磨損程度。刀具后面磨損到一定程度，切削刃鈍化嚴重，