第一章 金屬切削的基本知識

第一章金屬切削的基本知識目錄1、概述2、刀具的幾何角度及刀具材料3、金屬切削過程1、概述—、切削運動金屬切削加工時，刀具與工件之間具有相對運動，即切削運動。切削運動按其作用可分為主運動和進給運動，如圖1-1所示。1、主運動主運動是切除工件上多余金屬，形成工件新表面所需的運動，它是由機床提供的主要運動。主運動的特征是速度最高，消耗功率最多。切削加工中只有一個主運動，它可由工件完成，也可以由刀具完成。如車削時工件的旋轉運動、銑削和鉆削時銑刀和鉆頭的旋轉運動等都是主運動。2、進給運動進給運動是被切削金屬層間斷或連續(xù)投入切削的一種運動。加上主運動即可不斷地切除金屬層，從而得到需要的表面。進給運動速度小，消耗功率少。切削加工中進給運動可以是一個、兩個或多個。它可以是連續(xù)的運動，如車削外圓時，車刀平行于工件軸線的縱向運動；也可以是間斷運動，如刨削時工件或刀具的橫向運動。3、合成切削運動如圖1-1所示，合成切削運動是由主運動和進給運動合成的運動。刀具切削刃上選定點相對于工件的瞬時合成運動方向，稱為合成切削運動方向，其速度稱為合成切削速度。二、工件的表面在切削過程中，工件上的金屬層不斷地被刀具切除而變?yōu)榍行?，同時在工件上形成新表面。在新表面的形成過程中，工件上有三個不斷變化著的表面，如圖1-1所示：（1）待加工表面工件上等待切除的表面稱為待加工表面。（2）已加工表面工件上經刀具切削后產生的表面稱為已加工表面。（3）過渡表面（加工表面）主切削刃正在切削的表面稱為過渡表面，它是待加工表面與加工表面的連接表面。三、切削用量切削用量是切削加工過程中的切削速度、進給量、背吃刀量的總稱。1、切削速度（vc）切削速度是刀具切削刃上的某一點相對于待加工表面在主運動方向上的瞬時速度。車外圓時，計算公式如下：

式中——切削速度，單位為m/min或m/s；——工件待加工表面直徑，單位為mm；——工件轉速，單位為r/min或r/s。切削刃上各點的切削速度是不同的，在計算時，應以最大的切削速度為準。如車削時以待加工表面直徑的數值進行計算，因為此處速度高，刀具磨損快。2、進給量進給量是刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量。3、背吃刀量（ɑp）背吃刀量一般指工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離。車外圓時：ɑp=式中dw——待加工表面直徑，單位為mm。四、切削層參數刀具切削刃在一次進給中，從工件待加工表面上切下來的金屬層稱為切削層。切削層尺寸可用以下三個參數表示1、切削層公稱厚度（

）切削層公稱厚度是切削刃兩瞬時位置過渡表面間的距離。2、切削層公稱寬度（

）切削層公稱寬度是沿過渡表面測量的切削層尺寸。3、切削層公稱橫截面面積（

）切削層公稱橫截面面積是切削層橫截面的面積。圖1-2車外圓時切削層參數2、刀具的幾何角度及刀具材料一、刀具的幾何角度金屬切削的刀具種類繁多、形狀各異，但就其切削部分而言，都可以視為從外圓車刀切削部分演變而來的。1、車刀的組成車刀由刀柄和刀頭組成，刀柄是刀具上的夾持部分，刀頭則用于切削，也稱為切削部分。如圖1-3所示，刀頭由以下幾部分構成：（1）前刀面（

）切屑流出時經過的刀面稱為前刀面。（2）后刀面（

）與加工表面相對的刀面稱為后刀面（也稱主后刀面）（3）副后刀面（

）與已加工表面相對的刀面稱為副后刀面。（4）主切削刃（

）前刀面與主后刀面的交線稱為主切削刃。在切削加工過程中，它承擔主要的切削任務，切去大量的材料并形成工件上的加工表面。（5）副切削刃（

）前刀面與副后刀面的交線稱為副切削刃。它配合主切削刃完成切削工作并最終形成工件上的已加工表面。圖1-3車刀切削部分的構成（6）刀尖刀尖是主、副切削刃的連接部位，或者是主、副切削刃的交點。不同類型的刀具，其刀面、切削刃的數量可能不同，但組成刀具切削部分最基本的結構是兩個刀面和一條主切削刃。也可以認為它們是組成刀具切削部分的基本單元。任何一把多刃復雜刀具都可以將其分解為一個基本單元進行分析。圖1-4刀尖的結構2、刀具的靜止角度參考系刀具的靜止參考系是用于設計、制造、刃磨和測量刀具幾何角度的參考系。由于刀具的幾何角度是在切削過程中起作用的角度，因此，靜止參考系中坐標平面的建立應以切削運動為依據。首先給出假定工作條件，即只考慮主運動，不考慮進給運動的大小，同時刀具安裝絕對正確。在該參考系中確定的刀具幾何角度，稱為刀具的靜止角度，即標注角度。這樣便可近似地用平行或垂直于假定主運動方向的平面構成坐標平面，即參考系。由此可見，靜止參考系是簡化了切削運動和設立標準刀具位置條件下建立的參考系。下面介紹常用的正交平面靜止參考系。二、刀具的材料在金屬切削過程中，刀具切削部分承擔切削工作，因此，刀具材料性能的優(yōu)劣，將是影響加工表面質量、切削效率、刀具壽命的基本因素。1、刀具材料必須具備的性能在金屬切削過程中，刀具切削部分承受著較大的壓力、較高的溫度和劇烈的摩擦，有時還要受到強烈的沖擊，因此刀具材料必須具備下列性能：（1）高的硬度刀具要從工件上切除金屬層，因此，其切削部分的硬度必須大于工件材料的硬度。一般刀具材料的常溫硬度應高于60HRC。（2）高的耐磨性刀具材料應具有較高的耐磨性，以抵抗工件對刀具的磨損。這一性能一方面取決于它的硬度，另一方面還與其化學成份、顯微組織有關。刀具材料硬度越高，耐磨性就越好；刀具材料中含有耐磨的合金碳化物越多，晶粒越細，分布越均勻，耐磨性也越好。（3）足夠的強度與韌性切削時刀具具承受著各種應力和沖擊。為了防止刀具崩刃和碎裂，要求切削部分的材料必須具有足夠的強度和韌性。通常用材料的抗彎強度和沖擊韌性表示。（4）高的耐熱性耐熱性是在高溫條件下，刀具切削部分的材料保持常溫時硬度的性能，也可用紅硬性或高溫硬度表示。耐熱性越好，材料允許的切削速度就越高，它的衡量刀具材料性能的主要標志。（5）良好的工藝性為了便于制造，刀具切削部分的材料應具有良好的工藝性能，如鍛造、焊接、熱處理、磨削加工等性能。同時，還應盡可能采用資源豐富和價格低廉的刀具材料。2、刀具材料的種類刀具切削部分材料主要有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷和超硬刀具材料等，它們的主要物理力學性能如表1-1所示。（1）高速鋼高速鋼是在合金工具鋼中加入了較多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，其合金元素與碳化物形成高硬度的碳化物，使高速鋼具有很好的耐磨性。鎢和碳的原子結合力很強，增加了鋼的高溫硬度。鉬的作用與鎢基本相同，并能細化碳化物的晶粒，減少鋼中碳化物的不均勻性，提高鋼的韌性。高速鋼是綜合性能較好，應用范圍最廣泛的一種刀具材料。其抗彎強度較高，韌性較好，熱處理后硬度為63~66HRC，易磨出較鋒利的切削刃，故生產中常稱為“鋒鋼”。其耐熱性約為600~660℃左右，切削碳鋼材時切削速度可絲錐、成形刀具、拉刀和齒輪刀具等?？梢约庸ぬ间?、合金鋼、有色金屬和鑄鐵等多種材料。（2）硬質合金硬質合金是用粉末冶金的方法制成的一種刀具材料。它是由硬度和熔點很高的金屬碳化物（WC、TiC等）微粉和金屬粘結劑（Co、Ni、Mo等），經高壓成形，并在1500℃左右的高溫下燒結而成。（3）其它刀具材料刀具材料的表面涂層是在高速鋼和韌性較好的硬質合金等材料制成的刀具上，通過化學氣相沉積和真空濺射等方法，使刀具表面上沉積極?。?~12μm）的一層高硬度、高耐磨性和難熔的金屬化合物碳化鈦（TiC）或氮化鈦（TiN），形成金黃色的表面涂層。由于涂層的硬度高，摩擦系數小，使刀具的耐磨性提高，涂層還具有抗氧化和抗粘結的特點，延遲了刀具的磨損。因此，切削速度可提高30%~50%，刀具壽命可提高數倍至十倍。3金屬切削過程金屬切削過程是指通過切削運動，刀具從工件上切下多余金屬層，形成切屑和已加工表面的過程。在這個過程中產生一系列的現象，如形成切屑、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損等。本節(jié)在介紹這一系列現象的基礎上，分析切削加工中一些具體問題，如切削液的選擇、刀具幾何參數的選擇等。一、切屑和積屑瘤切削變形本質上是工件切削層金屬受刀具的作用后，產生彈性變形和塑性變形，使切削層金屬分離變?yōu)榍行嫉倪^程。1．切屑的類型根據變形后形成的切屑的外形不同，通常將切屑分為以下四種類型：（1）帶狀切屑（圖1-8a）外形呈帶狀，底面光滑，背面無明顯裂紋，呈微小鋸齒形。加工塑性金屬，如碳鋼、合金鋼、銅、鋁等材料時，常形成此類切屑。（2）節(jié)狀切屑（圖1-8b）切屑底面較光滑，背面局部裂開成節(jié)狀。切屑黃銅或低速切削鋼時，容易得到此類切屑。（3）粒狀切屑（圖1-8c）切屑沿厚度斷裂為均勻的顆粒狀。切削鉛或很低的速度下切削鋼時，可得到此類切屑。（4）崩碎切屑（圖1-8d）切削脆性金屬如鑄鐵、青銅時，切削層幾乎不經過塑性變形就產生脆性崩裂，從而使切屑呈不規(guī)則的細粒狀。圖1-8切屑的基本形態(tài)a）帶狀切屑b）節(jié)狀切屑c）粒狀切屑d）崩碎切屑2．積屑瘤（1）積屑瘤現象在一定切削速度范圍內，加工鋼材、有色金屬等塑性材料時，在切削刃附近的前刀面上會出現一塊高硬度的金屬，它包圍著切削刃，且覆蓋著部分前刀面，可代替切削刃對工件進行切削加工，這塊硬度很高（約為工件材料硬度2—3倍）的金屬稱為積屑瘤，圖1-9積屑瘤（2）積屑瘤的產生與成長關于積屑瘤的形成有許多解釋，通常認為是由于切屑在前刀面上粘結造成的。在一定的加工條件下，隨著切屑與前刀面間溫度和壓力的增加，摩擦力也增大，使靠近前刀面處切屑中變形層流速減慢，產生“滯流”現象。越接近前刀面處的金屬屋，流動速度越低。（3）積屑瘤的脫落與消失長高了的積屑瘤受外力或振動的作用，可能發(fā)生局部斷裂或脫落。當溫度和壓力適合，積屑瘤又開始形成和長大。積屑瘤的產生、長大和脫落是周期性的動態(tài)過程。（4）積屑瘤的作用積屑瘤對切削加工的好處是能保護刀刃刃口，增大實際工作前角。壞處是造成過切，加劇了前刀面的磨損，造成切削力的波動，影響加工精度和表面粗糙度。據此可以認為，積屑瘤對粗加工是有利的，對于精加工則相反。（5）減小或避免積屑瘤的措施1）避免采用產生積屑瘤的速度進行切削（如圖1-10所示），即宜采用低速或高速切削，但低速加工效率低，故多用高速切削；2）采用大前角刀具切削，以減少刀具與切屑接觸的壓力；3）提高工件的硬度，減少加工硬化傾向；4）其它措施，諸如減小進給量，減小前刀面的粗糙度值，合理使用切削液等。

圖1-10積屑瘤高度與切削速度的關系二、切削力切削過程中作用在刀具與工件上的力稱為切削力。切削力所作的功就是切削功。1、切削力的來源切削力來源有兩個方面，即切削層金屬變形形成的變形抗力和切屑、工件與刀具間摩擦形成的摩擦抗力。2、切削力的分解切削力是一個空間力，大小和方向都不易直接測定，也沒有直接測定的必要。為了適應設計和工藝分析的需要，一般把切削力分解，研究它在一定方向上的分力。3、切削力的計算實際生產中，常用指數公式來計算切削力，具體計算公式可查閱有關參考資料。4、影響切削力的因素工件材料的強度、硬度愈高，切削力愈大。背吃刀量增大一倍時，切削力約增大一倍；進給量增大一倍時，切削力約增大70%~80%。前角增大，切削力減??；5、切削功率切削功率是指切削時在切削區(qū)內消耗的功率。三、切削熱與切削溫度1、切削熱切削層金屬在刀具的作用下產生彈性和塑性變形所作的功，切屑與前刀面、工件加工表面與后刀面之間的摩擦所作的功，都轉變?yōu)榍邢鳠帷?、切削溫度切削熱是通過切削溫度而對工件和刀具產生作用的。切削溫度一般指切屑與刀具前刀面接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度的高低，取決于該處產生熱量的多少和傳散熱量的快慢。通過推算和測定可知，在切屑中平均溫度最高。前刀面上最高溫度不在切削刃上，而在距離切削刃有一小段距離的地方。3、影響切削溫度的因素切削速度對切削溫度影響最大，切削速度增大，切削溫度隨之升高；進給量影響較??；背吃刀量影響更小。前角增大，切削溫度下降，但前角不宜太大；主偏角增大，切削溫度升高。四、刀具磨損與刀具耐用度1、刀具磨損的形式刀具磨損是指刀具與工件或切屑的接觸面上，刀具材料的微粒被切屑或工件帶走的現象。這種磨損現象稱為正常磨損。若由于沖擊、振動、熱效應等原因致使刀具崩刃、碎裂而損壞，稱為非正常磨損。刀具的正常磨損形式一般有以下幾種：（1）前刀面磨損切削塑性材料時，若切削厚度較大，在刀具前刀面刃口后方會出現月牙洼形的磨損現象（如圖1-13所示），月牙洼處是切削溫度最高的地方。隨著磨損的加劇，月牙洼逐漸加深加寬，當接近刃口時，會使刃口突然崩去。前刀面磨損量的大小，用月牙洼的寬度KB和深度KT表示。圖1-13刀具磨損a）前、后刀面磨損b）磨損量的表示（2）后刀面磨損指磨損的部位主要發(fā)生在后刀面。后刀面磨損后，形成后角等于零度的小棱面。當切削塑性金屬時，若切削厚度較小，或切削脆性金屬時，由于前刀面上摩擦較小，溫度較低，因此磨損主要發(fā)生在后刀面。后刀面磨損量的大小是不均勻的。如圖所示，在刀尖部分（C區(qū)），其散熱條件和強度較差，磨損較大，該磨損量用VC表示；在刀刃靠近工件表面處（N區(qū)），由于毛坯的硬皮或加工硬化等原因，磨損也較大，該磨損量用VN表示；只有在刀刃中間（B區(qū)）磨損較均勻，此處的磨損量用VB表示，其最大磨損量用Vbmax表示。（3）前后刀面同時磨損當切削塑性金屬時，如果切削厚度適中，則經常會發(fā)生前刀面與后刀面同時磨損的磨損形式。刀具發(fā)生磨損的原因主要是刀具在高溫和高壓下，受到機械的和熱化學的作用而發(fā)生的。一般切削溫度越高，刀具磨損越快。2、刀具磨損過程正常磨損情況下，刀具的磨損量隨切削時間的增加而逐漸擴大。以后刀面磨損為例，其典型磨損過程如圖1-14所示，大致分為三個階段。初期磨損階段（圖示AB階段）在刀具開始切削的短時間內磨損較快。正常磨階段（圖示BC階段）隨著切削時間的增加，磨損量以較均勻的速度加大。急劇磨損階段（圖示CD階段）當刀具磨損量達到某一數值后，磨損急劇加速，繼而刀具損壞。3、刀具磨損限度刀具磨損限度是指對刀具指定一個允許磨損量的最大值，或稱刀具磨鈍標準。刀具磨損限度一般規(guī)定在刀具后刀面上，以磨損量的平均值VB表示。這是因為刀具后刀面對加工質量影響大，而且便于測量。4、刀具的耐用度在實際生產中，不可能經常停機去測量刀具后刀面上的VB值，以確定是否達到磨損限度，而是采用與磨鈍標準相對應的切削時間，即刀具耐用度來表示。刀具耐用度的定義為：一把新刃磨的刀具從開始切削至達到磨損限度所經過的總的切削時間，以T表示，單位為min。五、切削液的合理選擇合理的使用切削液，可以改善切削條件，減少刀具磨損，提高已加工表面質量，也是提高金屬切削效益的有效途徑之一。1、切削液的作用（1）冷卻作用切削液燒注到切削區(qū)域后，通過切削液的傳導、對流和氣化，一方面使切屑、刀具與工件間摩擦減小，產生熱量減少；另一方面將產生的熱量帶走，使切削溫度降低，起到冷卻作用。（2）潤滑作用切削液的潤滑作用，是通過切削液滲透到刀具與切屑、工件表面之間，形成潤滑性能較好的油膜而達到的。（3）清洗與防銹作用切削液的清洗作用是清除粘附在機床、刀具和夾具上的細碎切屑和磨粒細粉，以防止劃傷已加工表面和機床的導軌并減小刀具磨損。2、切削液的種類（1）水熔液水熔液是以水為主要成分并加入防銹添加劑的切削液。由于水的熱導率、比熱和汽化熱較大，因此，水溶液主要起冷卻作用，同時由于其潤滑性能較差，所以主要用于粗加工和普通磨削加工中。（2）乳化液乳化液是乳化油加95%~98%水稀釋成的一種切削液。乳化油由礦物油、乳化劑配制而成。乳化劑可使礦物油與水乳化