第10講切削工藝基礎(chǔ)知識

工程材料成形基礎(chǔ)切削工藝基礎(chǔ)知識切削:利用切削工具從工件上切除多余材料的加工方法。

GB4863-85規(guī)定：切屑加工（定義同上）；

切削=鉗工+機(jī)械加工

機(jī)械加工—利用機(jī)械力對各種工件進(jìn)行加工的方法。機(jī)械加工的方法許多：車、鉆、銑、刨和磨等多種，但它們在切削運(yùn)動、切削刀具、切削過程的物理實(shí)質(zhì)等方面都有著共同的現(xiàn)象和規(guī)律。

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

二、切削運(yùn)動

1.三個表面

§1切削運(yùn)動與切削要素

在切削加工過程中，工件上存在三個不斷變化的表面，即：已加工表面、待加工表面和過渡表面。⑴待加工表面工件上即將切去切屑的表面。⑵已加工表面工件上已切去切屑的表面。⑶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。切削運(yùn)動：刀具與工件之間的相對運(yùn)動。切削運(yùn)動又分主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動，其中：

1.主運(yùn)動由機(jī)床或人力提供的主要運(yùn)動，它促使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而使刀具前面接近工件2.進(jìn)給運(yùn)動是使待加工表面不斷地或連續(xù)地投入切削并得出所需幾何特性的已加工表面的運(yùn)動。

切削過程中主運(yùn)動只有一個；進(jìn)給運(yùn)動可以有一個或幾個。切削運(yùn)動的形式有：旋轉(zhuǎn)或直線的。實(shí)際的切削運(yùn)動是一個合成切削運(yùn)動.三、切削用量一般，切削用量包括：

切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量。常稱為切削三要素

m/s

1.切削速度

υｃ(以車削為例)

切削速度υｃ(m/s)是主運(yùn)動的線速度。νc=式中：D—為工件待加工表面的直徑(mm)；n—為轉(zhuǎn)速(r/min)。車削時指工件待加工表面最大直徑處線速度.

2.進(jìn)給量f(mm/r)指(車)刀具相對于工件旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),在進(jìn)給方向的位移量。

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)

生產(chǎn)中為提高效率一般對工件分粗、精加工階段，如粗加工時的選擇原則：

“先定ap,次選f,最后定υc”aP＝四、切削層參數(shù)

1.切削層公稱橫截面積AD

在給定瞬間，切削層在切削層尺寸平面里的實(shí)際橫截面積，單位為mm2。

2.切削層公稱寬度bD

；

3.切削層公稱厚度hD

且三者間有關(guān)系：

AD=bDhDmm2

在車削中可近似認(rèn)為：AD≈fapmm2刀具組成＝切削部分＋夾持部分一、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(yīng)具備以下性能：

⑴高的硬度一般刀具材料的硬度應(yīng)在60HRC以上?！?刀具材料與刀具構(gòu)造⑵足夠的強(qiáng)度和韌性又稱堅(jiān)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。⑶耐磨性好即抵抗磨損的能力，使刀具使用耐久。⑷高的耐熱性是指刀具在高溫下仍能保持硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性等。⑸工藝性能要好

為了便于刀具本身的制造，刀具材料還應(yīng)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⑴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⑵合金工具鋼常用牌號如9SiCr、Cr12(Wc=2-2.3)、CrMn、GCr15等，主要用于制造刃具、模具、量具等工具⑶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(fù)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。

⑷硬質(zhì)合金金屬陶瓷硬質(zhì)合金根據(jù)GB/2075-2007規(guī)定,按被加工材料分了六個大（類）組分別用字母P、M、K、N、S、H(這些字母完全是習(xí)慣性,本身無其他含義)后加一組數(shù)字表示,識別顏色為藍(lán)、黃、紅、綠、褐、灰。具體：①P類(藍(lán)色)

相當(dāng)于舊牌號YT類硬質(zhì)合金。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(shù)字越大,耐磨性越低而韌性越高15如,在切削中精車用P01,粗車選用P30。②

M類(黃色)相當(dāng)于舊牌號YW類硬質(zhì)合金。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(shù)字越大,耐磨性低而韌性大。③

K類(紅色)相當(dāng)于舊牌號YG類硬質(zhì)合金.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等.數(shù)字大,耐磨性低而韌性大,在切削時精車宜選K01；粗車時可選用K30。④N類(綠色)適宜加工非鐵金屬鋁等或非金屬材料,其代號有N01、N10、N20、N30等,數(shù)字越大，耐磨性越低，韌性越大。⑤S類(褐色)適宜加工超級合金和鈦,基于鐵的耐熱特種合金如鎳、鈷、鈦及鈦合金。其代號有S01,S10,S20,S30等,數(shù)字越大,耐磨性越低,韌性越大。⑥H類(灰色)適宜加工硬材料,如硬化鋼、硬化鑄鐵材料及冷硬鑄鐵。其代號有H01、H10、H20、H30等,數(shù)字越大,耐磨性越低,韌性越大。

3.新型刀具材料

⑴涂層刀具材料是指通過氣相沉積或其他技術(shù)方法，在硬質(zhì)合金或高速鋼的基體上涂覆一薄層高硬耐磨的難熔金屬或非金屬化合物而構(gòu)成的。如在硬質(zhì)合金表面上涂厚4～9μm的涂層時，表面硬度可達(dá)2500～4200HV，是實(shí)現(xiàn)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(zhì)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(yùn)用很廣泛。處于領(lǐng)先地位的瑞典，在車削中使用涂層硬質(zhì)合金刀片已達(dá)70%～80%。

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(不宜加工鐵族金屬,為什么？)。

刀具壽命比硬質(zhì)合金高幾十至三百倍，宜精細(xì)加工。立方氮化硼(CBN)的顯微硬度達(dá)8000～9000HV，僅次于天然金剛石（10000HV），耐磨性很好，其耐熱性達(dá)1500℃，且與鐵族材料親和作用小。適于加工高硬、難切材料。注意刀具材料的使用性能，工藝性能和價格不同，各種切削條件對刀具要求也各異，應(yīng)綜合考慮，合理地選用刀具材料。二、刀具角度刀具的種類相當(dāng)繁多，但其切削部分的結(jié)構(gòu)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(dāng)于車刀的刀頭。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）—指刀具上切屑流經(jīng)的表面。2.主后刀面（簡稱后面）

—是與工件上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。4.主切削刃

—前刀面與主后刀面的交線。

5.副切削刃—前刀面與副后刀面的交線。

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。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(shù)，用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)平面稱為參考系。參考系有兩類：一類為刀具靜止參考系,又稱標(biāo)注參考系;

它是刀具設(shè)計(jì)時標(biāo)注、刃磨和測量的基準(zhǔn)，用此定義的刀具角度稱刀具標(biāo)注角度；另一類刀具工作參考系,又稱為動態(tài)參考系.組成刀具靜止參考系的平面，如圖，由三平面組成：

1.基面Pr

過切削刃選定點(diǎn)并垂直于假定主運(yùn)動方向的平面。車刀基面可理解為平行于刀具底面的水平面.2.切削平面Ps

過切削刃上選定點(diǎn)與切削刃相切并垂直于基面的平面（主切削平面以Ps表示，副切削平面以Ps，表示）。3.正交平面Po過切削刃上選定點(diǎn)，并同時垂直于基面和切削平面的平面。4.假定工作平面Pf過切削刃選定點(diǎn)，垂直于基面并平行與假定進(jìn)給運(yùn)動方向的平面。

由于刀具的參考系在切削刃上各點(diǎn)是變化的，因此角度的定義也應(yīng)指明選定點(diǎn)。在未指明時，一般指切削刃的基點(diǎn)或刀尖。在正交平面內(nèi)測量的標(biāo)注角度見圖

1.前角r。前刀面與基面間的夾角。根據(jù)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(fù)前角。作用：影響切削刃鋒利程度及強(qiáng)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(qiáng)度降低，容易造成刃口損壞。選擇原則：前角的數(shù)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(guān)系。

(1)材料性脆、強(qiáng)度低時前角應(yīng)取小值；

(2)材料強(qiáng)度和硬度低時，取較大前角；

(3)有沖擊的工作條件時，前角應(yīng)取較小值，甚至取負(fù)值。在保證刀具刃口強(qiáng)度的條件下，盡量用大前角。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(qiáng)度和鋒利程度。選擇原則:與前角相似,一般后角值為6°～8°。在基面內(nèi)測量的角度有3.主偏角γ指主切削平面與假定工作平面間夾角。作用：影響切削刃工作長度、背向力、刀尖強(qiáng)度和散熱條件；主偏差越小，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(xì)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

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。選擇原則：精加工時為提高加工表面的質(zhì)量，選取較小值，一般為5°～10°在切削平面內(nèi)側(cè)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(qiáng)度。(1)當(dāng)λs為正值時，刀尖在主切削刃上的最高點(diǎn)，切屑流向待加工表面；(2)當(dāng)λs為負(fù)值時，刀尖在主切削刃上為最低點(diǎn)，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(qiáng)度表現(xiàn)差；反之，則刀頭強(qiáng)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(fù)值，一般情況下為0°～5°。三、刀具結(jié)構(gòu)

刀具結(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhì)合金類刀片,運(yùn)用硬釬焊連接而成，方便靈活，尤其小刀具運(yùn)用多。3.機(jī)械夾固式車刀按是否重磨又分機(jī)夾不重磨式和機(jī)夾重磨式兩種.

其中機(jī)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(zhuǎn)過一刃即可使用。而機(jī)夾重磨式,類似焊接車刀,用鈍后可重磨.

一、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(jīng)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§3金屬切削過程1.產(chǎn)生2.對切削過程的影響優(yōu)點(diǎn)：①硬化刀刃保護(hù)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。二、積屑瘤

三、切削力以車外圓時為例：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(yùn)動方向上的分力；

2.進(jìn)給力Ff

F在進(jìn)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。三個分力與總切削力有關(guān)系：38

四、切削熱與切削溫度

1.切削熱產(chǎn)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(qiáng)而硬的材料生熱多；②切削用量影響程度依次排序?yàn)椋?/p>

切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量。

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(chǎn)中常用的切削液可分為三類：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(shù)采用動、植物油等，潤滑為主。五、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液情況下，切塑性材時，前刀面上出現(xiàn)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(dá)到磨損限度的總切削時間（min）,以符號T表示..43刀具壽命刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的實(shí)際切削時間。

一般說:高速鋼