第八章 金屬切削基本知識(機械制造基礎)

第8章

金屬切削基本知識

Chapter8Thebasicknowledgeofmetalcutting

切削加工是利用刀具和工件的相對運動，刀具從毛坯或型材上切除多余的材料，以便獲得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工過程。本章內容8.1概述8.2切削運動和切削用量8.3刀具材料8.4金屬的切削過程8.5金屬的切削機床切削加工是利用刀具和工件的相對運動，刀具從毛坯或型材上切除多余的材料，以便獲得精度和表面粗糙度均符合要求的零件的加工過程。切削加工分為機械加工和鉗工。2/17/2024切削加工的概念8.1概述鉗工：通過工人手持工具進行切削加工。機械加工：采用不同的機床（如車床、銑床、刨床、磨床、鉆床等）對工件進行切削加工。零件切削加工質量2/17/2024

加工精度：指零件經(jīng)切削加工后，其尺寸、形狀、位置等參數(shù)同理論參數(shù)的相符合的程度。偏差越小，加工精度越高，它包括：（1）尺寸精度：零件尺寸參數(shù)的準確程度。（2）形狀精度：零件形狀與理想形狀接近程度。（3）位置精度：零件上實際要素（點、線、面）相對于基準之間位置的準確度。

表面質量（1）表面幾何特征：主要指表面粗糙度、濃度和紋理。（2）表面材質變化：加工硬化、金相組織變化、熱損傷和殘余應力等2/17/2024國家標準規(guī)定：常用的精度等級分為20級，分別用IT01、IT0、IT1、IT2…IT18表示。數(shù)字越大，精度越低。其中IT5-IT13常用。高精度：IT5、IT6通常由磨削加工獲得。中等精度：IT7-IT10通常由精車、銑、刨獲得。低精度：IT11-IT13通常由粗車、銑、刨、鉆等加工方法獲得。（詳細數(shù)據(jù)見p151頁表8-1）（1）尺寸精度零件實際尺寸與設計理想尺寸的復合程度。

加工精度Φ250-0.04

問：精度的高低與哪兩個因素有關？答：基本尺寸和公差大小。零件尺寸精度誤差大小：（2）形狀精度

零件實際表面和理想表面之間在形狀上的符合程度。國家標準規(guī)定了六類形狀公差（見下表）①形狀精度的標注：框格分為2格，②箭頭指向待表達的表面，數(shù)字表示③允許誤差的大小，單位為毫米。

25軸加工后可能產生的形狀誤差

0－0.013①圓圈中的英文字母表示基準，框格分3格；②箭頭指向待表達的表面；③數(shù)字代表誤差大小，單位為毫米。（3）位置精度零件的實際要素（點、線、面）相對于基準之間位置的準確度。零件位置精度公差表面粗糙度：零件微觀表面高低不平的程度。產生的原因：

1）切削時刀具與工件相對運動產生的磨擦和磨損；

2）機床、刀具和工件在加工時的振動；

3）切削時從零件表面撕裂的切屑產生的痕跡；

4）加工時零件表面發(fā)生塑性變形。

表面質量表面粗糙度對零件質量的影響：

1）零件表面粗糙，將使接觸面積減小，單位面積壓力加大，接觸變形加大，磨擦阻力增大，磨損加快；

2)表面粗糙度影響配合性質。對于間隙配合，表面粗糙易磨損，造成間隙迅速加大；對于過盈配合，在裝配時，可使微小凸峰擠平，有效過盈量減少，使配合件強度降低；

3）零件表面粗糙，低谷處容易聚積腐蝕性物質，且不易清除，造成表面腐蝕；

4）當零件承受載荷時，凹谷處易產生應力集中，以致產生裂紋而造成零件斷裂。表面粗糙度的評定①常用的是輪廓算術平均偏差Ra：表面粗糙度分為14個等級，分別用表示，數(shù)字越大，表面越粗糙。表面粗糙度符號上的數(shù)值Ra,單位是微米（μm）。2/17/2024②零件表面粗糙度的國標表示：符號符號說明意義及應用基本符號單獨使用無意義基本符號上加一短劃線表示表面粗糙度是用去除法獲得基本符號內加一小圓表示表面粗糙度是用不去除材料的方法獲得符號上加Ra值用去除材料方法獲得的表面，Ra的最大允許值為3.2μm加工方法Ra(微米)表面特征粗車粗鏜粗銑粗刨鉆孔50可見明顯刀痕25可見刀痕12.5微見刀痕精銑精刨半精車6.3可見加工痕跡3.2微見加工痕跡精車1.6看不清加工痕跡粗磨0.8可辨加工痕跡方向精磨0.4微辨加工痕跡方向精密加工0.1-0.012只能按表面光澤辯識常見加工方法的Ra表面特征精度：宏觀幾何參數(shù)的誤差表面粗糙度：微觀幾何參數(shù)的誤差加工精度高，必須采用一系列的高精度的加工方法，而經(jīng)過高精度的加工后零件表面粗糙度一定低，反之，表面粗糙度低，零件必須采用一系列的降低表面粗糙度的加工方法，而低表面粗糙度的加工方法不一定是高精度的加工方法。實例：各種機床上的手柄：表面粗糙度非常低，但精度不高。2/17/2024

零件加工精度與表面粗糙度的關系？本章內容8.1概述8.2切削運動和切削用量8.3刀具材料8.4金屬的切削過程8.5金屬的切削機床機器零件的基本表面包括：外圓、內（孔）、平面和成型面；基本表面主要由如下的加工方法獲得：工件的基本成型方法8.2切削運動和切削用量要完成零件表面的切削加工，刀具和工件應具備形成表面的基本運動，即切削運動；它也是刀具和工件的相對運動。切削運動分類：切削運動分為主運動和進給運動。（1）主運動：提供切削可能性的運動；主運動只有一個。（2）進給運動：提供連續(xù)切削可能性的運動；進給運動可以有多個。切削運動機床名稱主運動進給運動臥式車床工件旋轉運動車刀縱向、橫向、斜向直線移動鉆床鉆頭旋轉運動鉆頭軸向移動臥銑、立銑銑刀旋轉運動工件縱向、橫向、斜向直線移動牛頭刨床刨刀往復運動工件橫向間歇移動或刨刀垂向、斜向間歇移動龍門刨床工件往復運動刨刀橫向、垂向、斜向間歇移動外圓磨床砂輪高速旋轉工件轉動，同時工件往復移動，砂輪橫向移動內圓磨床砂輪高速旋轉工件轉動，同時工件往復移動，砂輪橫向移動平面磨床砂輪高速旋轉工件往復移動，砂輪橫向、垂向移動機床的切削運動切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量

切削速度：切削刃上選定點相對于工件主運動的瞬時速度，用v表示，單位為m/s；

進給量：刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，用f表示，車、鉆和銑削時單位為mm/r；背吃刀量：已加工表面和待加工表面之間的垂直距離，用ap表示，單位為mm。切削用量切削速度、進給量和背吃刀量的計算v:切削速度d:工件直徑n:工件轉速背吃刀量ap

：切削速度v：dmax:待加工表面直徑dmin:已加工表面直徑ap:背吃刀量進給量f：Vf:進給速度；f：進給量n:刀具速度；fz：每齒進給量Z:刀具次數(shù)(a)粗加工按ap－f－v的順序選擇

1）粗加工的主要目的是用最少的走刀次數(shù)盡快切除多余金屬，只留后續(xù)工序的加工余量，所以應根據(jù)毛坯尺寸首先選擇ap；

2）粗加工不必考慮表面粗糙度，在ap確定后，選取大的f，減少走刀時間；

3）ap和f確定后，在機床功率和刀具耐用度允許的前提下選擇v。(b)精加工按v

－f－ap的順序選擇

精加工的主要目的是保證產品質量和降低零件的表面粗糙度。因此首先應選擇盡可能高的v，然后選擇達到表面粗糙度要求的f，最后再根據(jù)精加工余量決定ap。切削用量的合理選擇本章內容8.1概述8.2切削運動和切削用量8.3刀具材料8.4金屬的切削過程8.5金屬的切削機床

刀具性能的好壞直接影響切削效果的一個重要因素，刀具性能主要取決于兩個因素：即刀具材料和刀具的幾何角度。刀具材料應具備如下五個基本特性1.高硬度：HRC>60以上;2.高的強度與韌性：保證能夠承受切削力的作用而不破壞；3.高的熱硬性：材料在高溫下仍然保持高硬度的性能，熱硬性用熱硬溫度表示；4.良好的耐磨性；5.良好的工藝性和經(jīng)濟性。8.3切削刀具刀具材料①

碳素工具鋼：如T7、T8、T9…T13等。適合于制造簡單的手工工具，如銼刀、鋸條等；②合金工具鋼：在碳素工具鋼中加入少量的鎢、鉻、錳、硅等元素，耐熱性較低，如9SiCr等，適合制造低速成型刀具，如絲錐；③高速鋼：含較多的鎢、鉻、釩等合金元素。常用的高速鋼有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。適合制造中速精加工具；④硬質合金：由WC、TiC和Co組成，采用燒結方法獲得。常用的刀具材料①陶瓷：常用的刀具陶瓷有兩種：

Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷刀具的最大特點是具有很高的硬度、很高的耐磨性和耐熱性，其主要缺點是抗彎強度低，沖擊韌性很差，不能承受較大的沖擊載荷。②金剛石：天然單晶金剛石刀具整體人造聚晶金剛石刀具金剛石復合刀片③立方氧化硼：由軟的立方氧化硼在高溫高壓下加入催化劑轉變而成。其它刀具材料刀具切削部分的組成要素

刀桿：起夾持作用刀頭:

(三面)

前刀面：切屑流過的表面主后刀面：刀具上與加工表面相對的表面副后刀面：刀具上與已加工表面相對的表面

(兩刃)

主切削刃：刀具上前刀面與主后刀面的交線副切削刃：刀具上前刀面與副后刀面的交線

(一尖)

主切削刃與副切削刃的交點

刀具的幾何角度P165頁8-2題和8-3題？問：下列不同數(shù)據(jù)代表什么？車刀切削角度的坐標平面1）基面通過主切削刃上的某一點，與主運動方向相垂直的平面；2）切削平面通過主切削刃上的選定點，與加工表面相切并垂直于基面的平面；3）正交平面通過主切削刃上的選定點，并同時垂直于基面和切削平面的平面。為了研究刀具的幾何角度，建立三個輔助平面：(1)前角

0：在正交平面中，前刀面與基面間的夾角；(2)后角

0：在正交平面中，主后刀面與切削平面間的夾角；(3)主偏角

：

在基面上，主切削刃的投影與進給方向的夾角(4)副偏角

’

：在基面上，副切削刃的投影與進給反方向的夾角；(5)刃傾角

s：主切削刃與基面間的夾角。車刀的幾何角度原則：粗加工時，為了提高切削效率，切削力會較大，因此強度要高；精加工時，切削力較小，為了保證零件質量因此刀具較鋒利。粗加工：前角、后角均小，強度高；（為什么？）精加工：前角、后角均大，刀具鋒利；（為什么？）主偏角：車臺階軸：取90度；（為什么？）

既車外圓又車端面，取45度；副偏角：為降低表面粗糙度，取小值：一般為：

5-15度；刃傾角：粗加工常取負值，精加工取正值。（為什么？）車刀角度的合理選擇本章內容8.1概述8.2切削運動和切削用量8.3刀具材料8.4金屬的切削過程8.5金屬的切削機床

金屬切削過程是指從工件表面切除一層多余的金屬，從而形成切屑的過程：切屑的形成

1.金屬在刀具前刀面的作用下，受到擠壓產生彈性變形。

2.應力逐漸變大，產生塑性變形—滑移。

3.應力達到強度極限，剪切滑移被擠裂形成切屑。

4.切離。1彈性變形2塑性變形3擠裂切屑8.4金屬的切削過程常見的切屑有如下三種：a.帶狀切屑：用大前角刀具、高切削速度、小進給量加工塑性材料時出現(xiàn)。形成帶狀切屑時，切削力平穩(wěn)，表面光潔，但切屑連續(xù)不斷，不安全或容易刮傷已加工表面。b.節(jié)狀切屑：用低切削速度，大進給量加工中等硬度的鋼材時出現(xiàn)。形成這種切屑時，金屬經(jīng)彈性變形、塑性變形、擠裂和切離階段，是典型的切削過程，但切削力波動大，工件表面粗糙。c.崩碎切屑：加工鑄鐵、黃銅等脆性材料時出現(xiàn)，形成這種切屑時，切削熱和切削力均集中在刀刃和刀尖，刀具容易磨損。金屬切屑的類型

當切屑沿前刀面流出時，與前刀面接觸的切屑底層受到摩擦阻力，速度變慢，形成滯流層，于是，金屬粘附在切削刃附近，形成了積屑瘤。積屑瘤的影響：1、保護切削刃，粗加工時，希望產生積屑瘤；2、本身不斷形成和脫落，會引起振動，影響工件表面粗糙度，精加工不希望產生積屑瘤。

積屑瘤

切削力切削合力的構成和分解切削合力可以分解為：切削力Fz，進給力Fx和背向力Fy1、切向力（切削力）Fz

：總切削力在主運動方向上的正投影，其大小約占總切削力的95~99%，是三個分力中最大的。消耗功率最多的分力，它是機床動力、重要零件的強度和剛度設計和校核的主要依據(jù)；2、軸向力（進給力）Fx:

總切削力在進給方向上的正投影，其大小約占總切削力的1~5%,它是設計和驗算機床進給機構必須的參數(shù)；3、徑向力（背向力）Fy:

總切削力在垂直工作平面上的分力，它作用在工件剛性較差的方向，容易使工件變形，同時引起振動，影響加工精度。在加工剛性較差的工件時，應該力求減少切削力。切削功率的計算：式中，Pm－切削功率；PE－機床電機功率；Fc－切削力；vc－切削速率；η－機床傳動效率切削熱產生原因：

1.切屑變形；

2.切屑與刀具前刀面產生的摩擦；3.工件與刀具的摩擦。

切削熱傳出途徑：

1.由切屑帶走，帶走越多越有利；

2.由周圍空氣和冷卻介質帶走，同樣帶走越多越有利；3.傳入工件，使工件溫度升高，引起工件變形，產生誤差；

4.傳入刀具，使刀具溫度升高。刀具硬度降低，磨損加快。

切削熱降低切削溫度的措施1.減少切削熱的產生：包括選擇合理的刀具幾何角度和切削用量，比如適當增大刀具的前角以減少切屑變形，選用大的背吃刀量和小的進給量。2.改善散熱條件：包括使用冷卻液等各種冷卻措施；冷卻液一般有：水溶液：比熱大，導熱性好，但不能起潤滑作用，如蘇打水，蘇打用于防銹。用于粗磨。切削油：如礦物油；比熱小，但有潤滑作用。

乳化液：具有良好的流動性和導熱性，它由乳化油加水稀釋而成，應用最廣泛。本章內容8.1概述8.2切削運動和切削用量8.3刀具材料8.4金屬的切削過程8.5金屬的切削機床8.5金屬的切削機床

機床應滿足的基本要求1.工藝可能性；2.加工的精度和表面質量；3.生產率；4.自動化；5.可靠性：6.經(jīng)濟性；7.良好的使用性能和人機關系。機床的類型金屬切削機床是用來對工件進行加工的機器，故稱為“工作母機”，習慣上稱機床。按加工性質和所用刀具分類：分為車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機床等12大類；按精度分類：分為普通精度、精密和高精度三種；按重量分類：分為一般機床、大型機床和重型機床。機床的型號：如：C6136表示…1.主傳動部件：

用來實現(xiàn)機床主運動；2.進給傳動部件：主要用來實現(xiàn)機床進給運動；

3.工件安裝裝置：用來安裝工件；

4.刀具安裝裝置：用來安裝刀具；5.支承件：用來支承和連接機床各零部件，是機床的基礎構件；6.機床動力部件：為機床提供動力。機床的基本結構機床的傳動有機械、液壓、氣動、電氣等多種形勢，最常見的是機械傳動和液壓傳動。機械傳動包括皮帶傳動、齒輪傳動、渦輪蝸桿傳動、齒輪齒條傳動和絲桿螺母傳動。機床的傳動什么是傳動副？齒輪傳動齒輪傳動是目前機床中應用最多的一種傳動方式，這種傳動方式種類多，如直齒、斜齒、人字齒、圓弧齒輪動等，最常見的是直齒圓柱齒輪。傳動比：

設：z1和n1分別為主動輪的齒數(shù)和轉速

z2和n2分別為被動輪的齒數(shù)和轉速傳動比：i=(z1/z2)=(n2/n1)

皮帶傳動皮帶傳動是靠膠帶與帶輪之間的磨擦作用，將主動皮帶輪的轉動傳遞到另一個被動皮帶輪上去的。傳動比：如果考慮皮帶與皮帶輪之間