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1、金属切削加工基础学习目标1、理解车刀角度及其作用；2、理解切削过程中的一些物理现象；3、了解改善切削过程的途径。4、了解常用金属切削机床的基本原理和分类的方法。重点与难点重点：车刀角度及其作用；改善切削过程的途径。难点：金属切削基本理论；金属切削机床的基本原理。一、切削刀具本节要点：车刀标注角度、工作角度。 1.车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面和切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，如图4-1所示。图4-1车刀的组成1）前刀面 刀具上切屑流过的表面；2）后刀面 与工件上切削表面相对
2、的刀面；3）副后刀面 与已加工表面相对的刀面；4）主切削刃S 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作；5）副切削刃S前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作；6）刀尖是主、副切削刃的相交点，实际上该点而是由一段折线或小圆弧组成，小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径,用 表示,如图4-2所示。图4-2刀尖形状2.刀具几何角度参考系为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。（1）刀具标注角度参考系正交平面参考系 如图4-3所示,正交平面参考系由以下三个平
3、面组成：图4-3 正交平面参考系基面是过切削刃上某选定点，平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。车刀的基面都平行于它的底面。主切削平面 是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。正交平面 是过切削刃某选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。过主、副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。基面 、主切削平面 、正交平面 三个平面在空间相互垂直。（2）刀具工作角度参考系 刀具工作角度参考系是刀具切削加工时的角度基准（不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具工作角度。它同样有正交平面参考系、法平面参考系和假定工
4、作平面参考系。3.刀具标注角度如图4-4所示。图4-4车刀的几何角度（1）在基面内测量的角度1）主偏角 主切削刃与进给运动方向之间的夹角。2）副偏角 副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。3）刀尖角 主切削刃与副切削刃之间的夹角。刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和导热性能。它与主偏角和副偏角的关系如下:（2）在主切削刃正交平面内(O-O)测量的角度1）前角 前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。2）后角 后刀面与切削平面间的夹角。3）楔角 前刀面与后刀面间的夹角。（3）在切削平面内(S向)测量的角度刃倾角 主切削刃与基面
5、间的夹角。刃倾角正负的规定如图4-5所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。图4-5 刃倾角的正负规定（4）在副切削刃正交平面内（O-O）测量的角度副后角 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。上述的几何角度中，最常用的是前角、后角、主偏角、刃倾角、副偏角和副后角，它们反映出刀具的切削特点。4.刀具工作角度切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具与工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下：（1）刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响当车刀刀柄与进给
6、方向不垂直时，实际工作的主偏角 和副偏角 将发生变化。如图4-6所示。 图4-6刀柄中心线不垂直进给方向对主、副偏角的影响（2）切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响切削刃安装高于或低于工件中心时，按参考平面定义，通过切削刃作出的实际工作切削平面 、基面 将发生变化，所以使刀具实际工作前角 和后角 也随着发生变化，如图4-7所示。图4-7切削刃安装高于工件中心时，对前角、后角的影响金属切削原理及应用本节要点：切削力、切削温度、刀具寿命及影响因素；提高加工质量的途径。金属切削过程是工件上多余的金属材料不断被刀具切下成为切屑，形成已加工表面的过程。这一过程会发生一系列的物理现象(切削热
7、、刀具磨损等)，直接或间接影响工件的加工质量和生产率。1.切屑的形成和切屑种类（1）切屑的形成过程金属切削的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形后转变为切屑形成已加工表面。如图4-8所示，为了进一步分析切削层变形的规律，通常把被切削刃作用的金属层划分为三个变形区。第I变形区位于切削刃和前刀面的前方，面积是三个变形区中最大的，为主变形区；第II变形区是与前刀面相接触的附近区域，切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面的切屑底层会进一步发生变形；第III变形区是已加工表面靠近切削刃处的区域，这一区域金属受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，发生变形造成加工硬化。图
8、4-8金属切削过程中的滑移线和流线（2）切屑的类型当工件材料的性能不同或切削条件不同时，会产生不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影响，常见的切屑种类大致有四类，如图4-9所示。图4-9切屑类型a) 带状切屑 b) 节状切屑 c) 粒状切屑 d)崩碎状切屑1）带状切屑 切屑靠近前刀面的一面很光滑，另一面呈毛茸状，是带状切屑。当切削塑性较大的金属材料（碳素钢、合金钢、铜和铝合金）或刀具前角较大，切削速度较高时，经常出现这类切屑。2）挤裂切屑（又称节状切屑） 则剪切面上的局部材料就会破裂成节状，但与前刀面接触的一面互相连接而未被折断，这就是挤裂切屑。工件材料塑性越差或用较大进给量低速切削钢材时，
9、较容易得到这类切屑。3）粒状切屑（又称单元切屑） 在切屑形成过程中，若整个剪切面上所受到的剪应力均超过材料的破裂强度时，则切屑就成为粒状切屑，形状似梯形。4）崩碎切屑 切削铸铁、黄铜等脆性材料时，切削层几乎不经过塑性变形阶段就产生崩裂，得到的切屑呈现不规则的粒状，工件加工后的表面也极为粗糙。在生产中常见的是带状切屑，当进给量增大，切削速度降低，则可由带状切屑转化为挤裂切屑。在形成挤裂切屑的情况下，如果进一步减小前角，或加大进给量降低切削速度，就可以得到粒状切屑，这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。2.切削力（1）切削力的来源、合力及其分力金属切削时，切削力来源于两个方面，一是克服在切屑形
10、成过程中，工件材料对弹性变形和塑性变形的变形抗力，二是克服切屑与前刀面和后刀面的摩擦阻力。变形力和摩擦力形成了作用在刀具上的合力F，常将合力F分解为互相垂直的、和三个分力，如图4-10所示。图4-10 切削合力及其分力切削力在主运动方向上的分力，它与加工表面相切,并与基面垂直。是计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率等的主要依据。进给力在进给运动方向上的分力，它处于基面内与进给方向相反。是设计机床进给机构和确定进给功率的主要依据。背向力在切深方向上的分力，它处于基面内并垂直于进给运动方向。是计算工艺系统刚度等的主要依据。它也是使工件在切削过程中产生振动的力。由图8-18可以看出进给力和背向力
11、的合力作用在基面上且垂直于主切削刃。、之间的关系为： （2）影响切削力的主要因素工件材料 工件材料的强度、硬度越高，剪切屈服强度也越高，切削时产生的切削力就越大。工件材料的塑性、冲击韧度越高，切削变形越大，切屑与刀具间摩擦增加，则切削力越大。刀具几何参数前角增大，切削变形减小，故切削力减小。主偏角对切削力的影响较小，而对进给力和背向力影响较大，由图4-11可知当主偏角增大时，增大，减小。图4-11 主偏角对和的影响切削用量切削用量对切削力的影响较大，背吃刀量和进给量增加时，变形抗力和摩擦力加大，切削力随之增大，切削塑性材料时，切削速度对切削力的影响，如图4-12所示，在低速范围内，随着切削速度
12、的增加，积屑瘤逐渐长大，刀具实际前角增大，使切削力逐渐减小。在中速范围内，积屑瘤逐渐减小并消失，使切削力逐渐增至最大。在高速阶段，由于切削温度升高，摩擦力逐渐减小，使切削力得到平稳下降。图4-12 切削速度对切削力的影响其它因素刀具材料与工件材料之间的摩擦系数会直接影响到切削力的大小。一般按立方碳化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。切削液的润滑作用愈好，切削力的降低愈明显。在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。3.切削热和切削温度切削过程中，由于切削层变形及刀具与工件、切屑之间的摩擦产生的热称为切削热。切削热产生后是通过切屑、工件、刀具以及周围
13、介质(如空气、切削液)传导和辐射出去的。切削热的产生与传导影响切削区的温度，切削区的平均温度称为切削温度。切削温度过高是刀具磨损的主要因素；工件的热变形则影响工件的尺寸精度和表面质量。实际上，切削热对加工的影响是通过切削温度体现的。切削时消耗的功越多，产生的切削热就越多，所以工件的强度、硬度越高或增加切削用量，都会使切削温度上升。但是切削用量的增加也增加了散热条件，如增加一倍，切削温度升高20%30%；增加一倍，切削温度升高10%；增加一倍，切削温度只升高3%。为了有效地控制切削温度，选用大的背吃刀量和进给量比选用大的切削速度有利。切削热对切削加工的影响是加快刀具的磨损；导致工件的膨胀，引起工
14、件变形，影响加工精度。浇注切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高加工表面质量有明显的作用。切削液的润滑可以减小摩擦，减少切削热的产生。4.切削液的选择切削液的作用切削液进入切削区，可以改善切削条件，提高工件加工质量和切削效率。切削液的主要作用如下：1）冷却作用 切削液能从切削区域带走大量的热，降低切削温度。2）润滑作用 切削液能渗入到刀具与切屑和加工表面之间，形成一层润滑膜或化学吸附膜，能减小它们之间的摩擦。3）清洗作用 切削液大量的流动，可以冲走切削区域和机床上的切屑以及脱落的磨粒。4）防锈作用 在切削液中加入防锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，对工件、机床、刀具和夹具等都能起到防锈作用。
15、常用切削液的种类与选用1）水溶液 它的主要成分是水，其中加入了少量具有防锈和润滑作用的添加剂。水溶液的冷却效果良好，多用于普通磨削加工。2）乳化液 它是将乳化油(由矿物油、表面活性剂和其它添加剂配成)用水稀释而成，用途广泛。低浓度的乳化液冷却效果较好，主要用于磨削、粗车、钻孔加工等。高浓度的乳化液润滑效果较好，主要用于精车、攻丝、铰孔、插齿加工等。3）切削油 它主要是矿物油(如机械油、轻柴油、煤油等)，少数采用动植物油或复合油。普通车削、攻丝时，可选用机油。精加工有色金属或铸铁时，可选用煤油。加工螺纹时，可选用植物油。在矿物油中加入一定量的油性添加剂和极压添加剂，能提高其高温、高压下的润滑性能，可用于精铣、铰孔、攻丝及齿轮加工。5.刀具磨损和刀具寿命1）刀具的磨损形式刀具的磨损形式有以下三种，如图4-13所示。(a)后刀面磨损 (b)前刀面磨损 (c)前后刀面同时磨损图4-13 刀具磨损形式2）前刀面磨损切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，刀具前刀面上会
