《金屬加工與實訓-基礎常識（第3版）》 課件 第7章 金屬切削加工的基礎知識

第7章金屬切削加工的基礎知識1.理解金屬切削運動與切削要素的相關知識。2.熟悉車刀的主要角度及其作用，了解常用刀具材料及選用。3.了解金屬切削過程中的常見物理現(xiàn)象，熟悉提高切削效益途徑。學習目標生產(chǎn)準備（市場調(diào)查，購買原材料）（鑄造，鍛造，焊接，沖壓等）毛坯制造（車，銑，刨，磨，鉆，鏜等）機械加工（組裝，部裝，總裝）裝配調(diào)試產(chǎn)品定型切削加工是指利用刀具切除被加工零件多余材料的方法，經(jīng)切削加工后的零件能獲得要求的尺寸精度和表面質(zhì)量，是機械制造業(yè)中最基本的加工方法。第7章金屬切削加工的基礎知識第7章金屬切削加工的基礎知識7.1金屬切削運動與切削用量要素71．主運動

7.1.1切削運動車削運動與切削表面切削運動指切削加工時，切削工具和工件之間的相對運動。分為主運動和進給運動

主運動是切下切屑所需要的最基本的運動。它可以是旋轉(zhuǎn)運動，也可以是直線運動。它是切削運動中速度最高、消耗功率最大的運動。任何切削過程必須有一個，也只有一個主運動。主運動的速度以Vc表示。相關鏈接：金屬切削主運動實例7.1.1切削運動72、進給運動在切削加工中為使金屬層不斷投入切削，保持切削連續(xù)進行，而附加的刀具與工件之間的相對運動稱為進給運動。進給運動可以是一個或多個。進給運動的速度用進給量f或進給速度Vf表示。相關鏈接：金屬切削進給運動實例在切削加工中，工件上產(chǎn)生三個不斷變化的表面：

（1)待加工表面：加工時即將切除的工件表面；

（2)已加工表面：已被切去多余金屬而形成的工件新表面；

（3)過渡表面：工件上切削刃正在切削的表面，并且是切削過程中不斷變化著的表面。7.1.2切削表面7.1.2切削表面7典型切削加工的切削運動與切削表面。典型切削加工的切削運動與切削表面車削b）銑削c）刨削d）鉆削e）磨削1—主運動2—進給運動3—待加工表面4—加工表面5—已加工表面7.1.3切削用量三要素7在切削加工中切削速度vC、進給量f（或進給速度vf）和背吃刀量ap（切削深度）總稱為切削用量三要素。見下圖。

切削用量7.1.3切削用量要素71.切削速度vC

切削速度是指切削刃選定點相對于工件主運動的瞬時速度。若主運動為工件旋轉(zhuǎn)運動，切削速度為其最大的線速度。計算公式為：式中

vC——切削速度,(m/min)；dw-——工件待加工表面的直徑，（mm）；n——工件的轉(zhuǎn)速，（r/min）。若主運動為往復直線運動，如刨削、插削，則以其平均速度為切削速度，其公式為：式中

L——工件或刀具作往復直線運動的行程長度（mm）；

n——工件或刀具每分鐘往復的次數(shù)。7.1.3切削用量要素72.進給量f

（或進給速度vf）

在主運動每轉(zhuǎn)一周或每一行程時，刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，單位是mm/r（用于車削、鏜削等）或mm/行程（用于刨削、磨削等）。進給量表示進給運動的速度。相關鏈接：車削進給量說明實例3.背吃刀量（切削深度）ap指待加工表面與已加工表面的垂直距離。單位mrn。車削圓柱時：式中-dw——工件待加工表面的直徑，（mm）；-dm——工件已加工表面的直徑，（mm）。相關鏈接：車削切削深度說明實例7.2刀具的基本知識7切削刀具種類繁多，構(gòu)造各異。其中較典型、較簡單的是車刀，其它刀具的切削部分都可以看成是以車刀為基本形態(tài)演變而來，如下圖所示。下面以外圓車刀為例介紹刀具幾何形狀。7.2.1刀具切削部分的組成7普通外圓車刀，由刀體和刀柄兩部分。刀體用于切削，刀柄用于裝夾。刀具切削部分一般由三個面、兩個切削刃和一個刀尖組成。1.三個面

前面（前刀面）Aγ：刀具上切屑流過的表面稱為刀具的前面。

后面（主后刀面）Aα：刀具上與過渡表面相對的表面稱為刀具的后面。

副后面（副后刀面）A′α：刀具上與已加工表面相對的表面稱為刀具的副后面。2.兩個切削刃主切削刃S:前面和后面的交線為主切削刃。副切削刃S′:前面和副后面的交線為副切削刃。3.刀尖:

主切削刃和副切削刃的交點。刀尖實際上是一段短直線或圓弧。相關鏈接：刀具與工件相對位置關系7.2.2刀具靜止參考系7

1.基面pr：過切削刃選定點平行或垂直于刀具上的安裝面（軸線）的平面，車刀的基面可理解為平行刀具底面的平面。2.切削平面ps：過主切削刃選定點與主切削刃相切并垂直于基面的平面。

3.正交平面po：過切削刃選定點同時垂直于基面與切削平面的平面。

上述三個平面在空間是相互垂直的。相關鏈接：基面切削平面正交平面(主剖面)7.2.3車刀的幾何角度7車刀的幾何角度是在刀具靜止參考系內(nèi)度量的，如下圖所示。1.在正交平面po內(nèi)測量的角度(1）前角γo：前面與基面在正交平面內(nèi)測量的夾角(2）后角αo：后面與切削平面在正交平面內(nèi)的投影之間的夾角。(3）楔角βo：前刀面與后面在正交平面內(nèi)的投影之間的夾角。γ0+α0+β0＝90°,它們都在正交平面中測量。7.2.3車刀的幾何角度72.在基面內(nèi)測量的角度

（1）主偏角kr：主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角。主偏角一般為正值。

（2）副偏角k′r：副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向的夾角。副偏角一般為正值。

（3）刀尖角εr：主、副切削刃在基面內(nèi)的投影之間的夾角。

由前圖可知，主偏角、副偏角和刀尖角三者之間的關系為：kr+

k′r+εr=180°3.在切削平面內(nèi)測量的角度

刃傾角λs：在切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角，如前圖所示。相關鏈接：車刀的幾何角度刃傾角對排屑方向的影響7.2.4刀具材料71.對刀具切削部分材料的基本要求

刀具工作時，其切削部分承受著沖擊、振動，較高的壓力和溫度，劇烈的摩擦。因此刀具材料應具備如下性能：

(1)高硬度、高耐磨性(2)足夠的強度和韌性

(3)足夠的強度和韌性

(4)高的熱硬性

(5)良好的工藝性和經(jīng)濟性

7.2.4刀具材料72.常用刀具材料的種類

常用的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷以及超硬材料等。機械制造中應用最廣的刀具材料有高速鋼和硬質(zhì)合金。常用刀具材料的主要性能及用途見下表：7.2.4刀具材料73.常用刀具的選用（1）根據(jù)工件可加工性選用刀具（2）根據(jù)工件的加工階段選用（3）根據(jù)工件加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點選擇刀具切削部分結(jié)構(gòu)常用刀具的結(jié)構(gòu)形狀參考圖高速鋼刀具硬質(zhì)合金刀具7.2.4刀具材料7

涂層刀具陶瓷刀具金剛石刀具立方碳化硼刀片7.3金屬切削過程中的物理現(xiàn)象77.3.1切屑的形成及切屑類型1.切屑的形成切削時，在刀具切削刃的切割和前刀面的推擠作用下，使被切削的金屬層產(chǎn)生變形、剪切滑移的過程稱為切削過程，也是切屑形成的過程。2.切屑的類型7.3金屬切削過程中的物理現(xiàn)象77.3.2積屑瘤1.積屑瘤的形成切削塑性材料時，由于切屑底面與前刀面的擠壓和劇烈摩擦，使切屑底層的流動速度低于上層的流動速度，形成滯流層。當滯流層金屬與前刀面之間的摩擦力超過切屑本身分子間結(jié)合力時，滯流層的部分新鮮金屬就會粘附在刀刃附近，形成楔形的積屑瘤。見下圖所示。7.3.2積屑瘤72.積屑瘤對加工的影響(1)保護刀具

(2)增大實際前角

(3)影響工件表面質(zhì)量和尺寸精度表面質(zhì)量惡化

一般來說，積屑瘤在粗加工時允許存在，精加工時工件的表面粗糙度和尺寸精度要求較高，必須避免產(chǎn)生積屑瘤。7.3.2積屑瘤73.切削速度對積屑瘤產(chǎn)生的影響(1)切削速度較慢(5m／min以下)時，不會產(chǎn)生積屑瘤。(2)當中等切削速度(15～30m／min)時，切削溫度約為300℃左右，最易產(chǎn)生積屑瘤。(3)切削速度較快(70m／min以上)時，切削溫度很高，切屑底層金屬變軟,不會產(chǎn)生積屑瘤。

由此可見，在精加工時，為了避免產(chǎn)生積屑瘤，減小工件表面粗糙度，應用高速鋼車刀低速切削(5m／min以下)，或用硬質(zhì)合金車刀高速切削(70m／min以上)。7.3.3切削力7

切削力的形成，是切削加工中的基本物理現(xiàn)象之一。在切削加工過程中，刀具上參與切削的各切削部分所產(chǎn)生的合力，稱為總切削力F，如下圖所示。(1)主切削力FC：是切削合力沿主運動方向的分力，垂直于基面，又稱切向力。約占總功率的95％以上

(2)進給力Ff：是切削合力沿進給運動方向上的分力，在基面內(nèi)，與進給方向即工件軸線方向平行，故又稱進給抗力或軸向力。進給力一般只消耗總功率的l％～5％。

(3)背向力FP：是切削合力沿工作平面垂直方向上的分力，在基面內(nèi)，與進給方向垂直，即通過工件直徑方向，故又稱徑向力或吃刀抗力。1.總切削力的分解相關鏈接：總切削力圖解動畫主切削力圖解動畫背向力圖解動畫進給力圖解動畫7.3.3切削力72.影響切削力的因素（1）工件材料影響較大的因素主要是工件材料的強度、硬度和塑性。材料的強度、硬度越高，則屈服強度越高，切削力越大。在強度、硬度相近的情況下，材料的塑性、韌性越大，則刀具前面上的平均摩擦系數(shù)越大，切削力也就越大。（3）切削用量進給量f和背吃刀量ap

進給量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。（2）刀具角度對切削力影響最大的是前角。切削各種材料時，加大刀具前角都會使切削力減小。7.3.4切削熱71.切削熱的來源與傳散（1）切削熱的來源：

在刀具的切削作用下，切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形，這是切削熱的一個來源。同時，切屑與前刀面，工件與后刀面間消耗的摩擦功，也將轉(zhuǎn)化為熱能，這是切削熱的又一個來源。

（2）切削熱的傳散：切削熱通過切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳散。增大刀具前角，減小主偏角；優(yōu)先采用大的背吃刀量和進給量，再確定合理的切削速度；使用切削液都能減少和帶走切削熱，降低切削溫度。2.影響切削熱的主要因素凡是能增大切削力的因素，都使切削熱增多；凡是能減小切削力的因素，都使切削熱減少。另外，材料的導熱性好，有利于降低切削溫度。切削熱及來源動畫

切削熱傳散動畫

切削熱的影響實例減少切削熱、降低切削溫度的措施實例相關鏈接：7.3.5刀具磨損71.刀具磨損的形式(1)前面磨損

前面磨損是指在離主切削刃一小段距離處會形成月牙洼，故又稱月牙洼磨損。（2）后面磨損由于加工表面和后刀面間存在著強烈的摩擦，在后刀面上毗鄰切削刃的地方很快被磨出后角為零的小棱面。(3)前、后面磨損

在粗加工或半精加工塑性金屬時，以及加工帶有硬皮的鑄鐵件時，常發(fā)生前面和后面都磨損的情況，這種磨損形式比較常見。車刀典型磨損形式示意圖7.3.5刀具磨損72.刀具壽命與總壽命刀具兩次刃磨之間實際進行切削的總時間，稱為刀具壽命，用符號T表示，單位是min。刀具壽命要合理確定，對于比較容易制造和刃磨的刀具，刀具壽命應低一些；反之，應高一些。例如，硬質(zhì)合金焊接車刀T=60～90min，高速鋼鉆頭T=80～120min，硬質(zhì)合金端銑刀T=120～180min，高速鋼齒輪刀具T=200～300min等。刀具總壽命與刀具壽命是有區(qū)別的，刀具總壽命是指一把新刀從投入切削起，到報廢為止實際切削總時間，其中包括該刀具的多次重磨。因此，刀具總壽命等于該刀具的刃磨次數(shù)乘以刀具壽命。

影響刀具耐用度的因素很多，主要有工件材料、刀具材料、刀具幾何角度、切削用量以及是否使用切削液等因素。在上述諸多因素中，切削用量中的切削速度是關鍵因素，為了保證各種刀具所規(guī)定的耐用度，必須合理地選擇切削速度。7.4提高切削效益的途徑77.4.1提高工藝系統(tǒng)的剛度工藝系統(tǒng)切削加工時由機床、刀具、夾具(用以裝夾工件或引導刀具的裝置)和工件所組成的統(tǒng)一體，稱為工藝系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)受切削力的作用將產(chǎn)生變形，從而影響工件的加工精度，因此工藝系統(tǒng)必須有足夠的剛度。

例如，車削軸類零件時用的中心架、跟刀架；機床上粗而短的主軸；粗而短的外圓車刀刀桿等。它們將會直接影響到工藝系統(tǒng)的剛度，影響加工質(zhì)量。7.4.2合理選用刀具角度1.前角γo的選擇

選用前角的原則是在滿足強度要求的前提下選用較大前角。例如，切削正火狀態(tài)的45鋼，前角一般選γo=15o～20o；切削經(jīng)淬火的45鋼，硬度大大提高，要求足夠的刃口強度，常選前角γo=-5o～-15o。7.4.2合理選用刀具角度72.后角αo的選擇粗加工時，刀具所承受的切削力較大并伴有沖擊，為保證刃口強度，后角應選小一些。

精加工時，切削力較小，切削過程平穩(wěn)，為減少摩擦，后角應稍大一些。

例如，45鋼工件粗車時，后角選αo=4o～6o；精車時后角選αo=6o～8o。7.4.2合理選用刀具角度7

主偏角的大小影響刀尖的強度、散熱條件、背向力的大小等。

當工藝系統(tǒng)剛度好時，應選用較小的主偏角。

當工藝系統(tǒng)剛度差時，應選用較大的主偏角。3.主偏角kr的選擇

主偏角功用動畫圖解相關鏈接：7.4.2合理選用刀具角度74.副偏角k′r的選擇

副偏角的主要作用是減小副切削刃與已加工表面的摩擦。

減小副偏角有利于降低已加工表面的殘留高度，降低已加工表面的表面粗糙度。外圓車刀的副偏角常取k′r=6o～10o。

粗加工時，可取得大一些；精加工時可取得小一些。為了降低已加工表面的表面粗糙度，有時還可以磨出k′r=0的修光刃。7.4.2合理選用刀具角度75.刃傾角λs的選擇

刃傾角影響刀尖強度，并控制切屑流動的方向。

負的刃傾角使切屑流向已加工表面，正的刃傾角使切屑流向待加工表面，刃傾角為零時切屑沿垂直切削刃的方向流出。

粗車一般鋼料和灰鑄鐵時，常取λs=0o～-5o，以提高刀尖強度；精車時常取λs=0o～+5o，以防止切屑劃傷已加工表面。

刃傾角功用動畫圖解相關鏈接：7.4.3合理選用切削用量7

切削用量vc、f、ap選擇的基本原則：

（1)根據(jù)工件加工余量和粗、精加工要求，選定背吃刀量。

（2)根據(jù)加工工藝系統(tǒng)允許的切削力，其中包括機床進給系統(tǒng)、工件剛度及精加工時表面粗糙度要求，確定進給量。

（3)根據(jù)刀具耐用度，確定切削速度。

（4)所選定的切削用量應該是機床功率允許的。

實際生產(chǎn)中，切削用量的選取主要是根據(jù)工藝文件的規(guī)定、查手冊和按操作者的實際經(jīng)驗來選取。7.4.4使用切削液7

切削液具有冷卻、潤滑、清洗和防銹的作用。

合理選用切削液，能減少切削過程中的摩擦，改善散熱條件，從而減小切削力、切削功率、切削溫度，減輕刀具磨損，并能提高已加工表面質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

常用切削液有如下三種：