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1、金 属 工 艺 学 切削加工篇 第一章 切削加工的基本知识 本章的主要内容： 一、切削运动及切削要素 二、刀具及刀具材料 三、金属切削过程中的各种物理现象（切屑、积屑瘤 、切削力、切削功率，切削热、切削温度） 第一节 切削运动和切削要素 一、零件的加工表面及切削运动 任何一种机电产品都是由许多零件组成，每一个零 件的几何形状虽不同，但分析起来主要由三种典型表面 构成：即内、外圆柱面，平面，成形面等。 1不同表面的形成： 母线 轨迹 内、外圆柱表面 直线 圆 作旋转运动所形成的表面 平 面 直线 直线 作平移运动所形成的表面 成形表面 曲线 圆或直线 作旋转或平移运动所形成的表面 2切削运动：
2、刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。按其功能的 不同，切削运动分为主运动和进给运动。 主运动：消耗功率最大 进给运动：与主运动配合，可以保持切削的连续进行， 以形成零件的几何表面。消耗的功率较小 总结：常用机床的主运动与进给运动： 车削 铣削 刨削 平面磨削 主运动：工件旋转刀具旋转 滑枕带刀前进砂轮旋转运动 进给运动：刀具运动工件移动 工件间歇移动工作台移动 切削运动有旋转的、直线的、曲线的、连续的和间歇的等运动形式。 工件加工表面 以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面 o 待加工表面 即将被切除金属层的表面 o 已加工表面 已经切去一部分金属而形成 的新表面 o 加工表面
3、切削刃正在切削的表面 二、切削用量三要素： 切削用量是用来衡量切削运动的大小。在一般的切 削过程中，包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素。 1）切削速度Vc：在单位时间内，工件与刀具沿主运 动方向相对移动的距离。 以车削加工为例（主运动为旋转运动）： d：工件（或刀具）直径（mm） n：工件（或刀具）转速（r/s或r/min） o 刨削加工为例（主运动为往复直线运动） L-往复行程长度，mm nr-主运动每秒或每分钟 的往复次数，st/s或st/min 2）进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移 f (mm/r) 如车削加工：工件每转一转，刀具相对工件的位移 mm/r。 刨床：刀具每走一
4、个行程，在进给方向上相对于工件的位移，mm/st 3）背吃刀量(切削深度) ap (mm)： 切削加工时， 待加表面与已加工表面间的垂直距离(mm)，也就 是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。 dw：待加工表面 dm：已加工表面 第二节 刀具材料及刀具结构 一、刀具材料： 在切削加工时，刀具要在高温条件下承受较大的切削力、摩擦 、冲击、振动。为了保证零件的加工精度和刀具的耐用性，刀具材 料必须具有特殊的综合性能。 1）刀具材料的主要性能要求： 较高硬度（大于HRC60以上）； 足够强度和韧性（承受切削力，冲击、振动、不变形等）； 较好的耐磨性（抵抗磨损，耐用）； 较高的耐热性（在高温
5、下保持较高的硬度及其它性能）； 较好的工艺性（便于制造成各种成刀具形）； 2）常用刀具材料： 手工刀具的刀具材料：碳素工具钢和合金工具钢 机加工用刀具材料：高速钢（W18Cr4V）和 硬质合金）等。 高速钢和硬质合金的性能比较 o 高速钢是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具 钢。它的硬度、耐磨性和耐热性低于硬质合金，但 强度和韧性却高于硬质合金，工艺性能较硬质合金 好，而且价格比较便宜。广泛地应用于制造形状较 为复杂的各种刀具。 o 硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC 、TiC）作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶 金的方法制成的一种合金。其硬度高，耐磨性好， 耐高温，允许的切
6、削速度比高速钢高数倍，但强韧 性和工艺性不如高速钢。常制成各种形式的刀片。 3）常用刀具种类 切刀 孔加工刀具 拉刀 铣刀 螺纹刀具 齿轮刀具 磨具 二刀具角度 1.切削部分的组成 刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的切 削部分，车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀的演 变和组合。我们以车刀为例学习刀具的几何参数 。 前刀面 车刀：刀杆和刀头两部分 切削部分： 前刀面A切屑沿其流出的刀面 主后刀面A与工件加工面相对 副后刀面A与工件已加工面相对 主切削刃前刀面与主后刀面的交线 副切削刃前刀面与副后刀面的交线 刀尖主刀刃与副刀刃的交点 刀尖形式 a) 实际交点 b) 曲线刃
7、 c) 直线刃 实际的刀尖并非绝对尖锐，而是一小段曲线或直线 2. 车刀的主要角度 为确定刀具的主要角度，须建立三个相互垂直的 参考平面构成的静止参考系。 (1) 建立车刀静止参考系 基面 切削平面 正交平面 c 1) 基面 ： 通过切削刃选定点的平面，它平行刀具安装的一 个平面，其方位要垂直于主运动方向。 c 2) 切削平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面的平面。 c 正交平面 切削平面 基面 3) 正交平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削 平面的平面。 前角0 基面投影线 前刀面投影线 在正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角。1)前角0 c (2) 车刀切削部分的主要角度 前角越大
8、 刀刃越锋利 在- 50200内选取 粗加工取小，精加工取大 已加工表面质量越好 主切削刃强度越低 易崩刃 切削平面投影线 主后刀面投影线 后角0 在正交平面内测量，主后刀面与切削平面之间 的夹角。 2) 后角0 c 作用： 减小后刀面与已加工表面之间的摩擦; 它和 前角一样影响刃口的强度和锋利程度。 后角应在60120内选取; 粗加工取小，精加工取大 。 3) 主偏角Kr 主切削平面与假定工作平面之间的夹角。 主偏角Kr 4) 副偏角Kr 副切削平面与假定工作平面之间的夹角。 副偏角Kr 基面投影线 主切削刃 刃倾角s 5) 刃倾角s 在切削平面中测量，主切削刃与基面的夹角。 c 3.刀具结
9、构 车刀按结构形式：整体式、焊接式、机夹重磨式和机 夹可转位式四种。 表1 车刀结构类型、特点与用途 名 称特 点适 用 场场 合 整体式 用整体高速钢钢制造，刃口较锋较锋 利，但价格高、 刀具材料消耗较较大 小型车车床或加工有色金属 焊焊接式 焊焊接硬质质合金或高速钢钢于预预制刀柄上，结结构紧紧 凑，刚刚性好，灵活性大。但硬质质合金刀片经过经过 高温焊焊接和刃磨，易产产生内应应力和裂纹纹 各类车类车 刀 机夹夹重 磨式 避免了焊焊接式的缺陷，刀杆利用率高。刀片可 集中精确刃磨，使用灵活。但刀具设计设计 制造较较 为为复杂杂 外圆圆、端面、镗镗孔、割断 、螺纹车纹车 刀。大刃倾倾角 、小后角刨
10、刀等 机夹夹可 转转位式 不焊焊接、刃磨，刀片可快换转换转 位，生产产率高。 可使用涂层层刀片，断屑效果好。刀具已标标准化 ，方便选选用和管理 大中型车车床、特别别适用自 动动、数控车车床等 第三节 金属切削过程 1.切屑形成过程及切屑种类 2.积屑瘤 3.切削力和切削功率 4.切削热和切削温度 金属切削过程 一 切屑的形成过程 切削区划分为三个变形区： 1.第变形区：主要发生塑性材料的剪切滑移变形。 2.第变形区：发生刀具前刀 面的磨损和积屑瘤现象。 3.第变形区：影响刀具后刀 面的磨损以及已加工表面的 质量（包括加工硬化、表面 纤维化等）。 二 切屑的种类 工件材料的塑性不同、刀具的前角不
11、同或采用不 同的切削用量等，会形成不同类型的切屑。常见的切 屑种类有以下几种： 1.带状切屑：其特征是连绵不断，底部光滑。这 时切削力稳定，加工表面较光洁。精加工时这种切屑 较理想，但必须采取断屑措施。 2.节状切屑：切屑的背面呈锯齿形，底面有时出 现裂纹，这表明材料的剪切滑移量较大，使切屑局部 出现加工硬化，达到了断裂强度。此时切削力波动较 大，已加工表面粗糙度大，粗加工时才允许出现。 3.3.崩碎切屑崩碎切屑：切屑为不规则的碎块状，这时工件已：切屑为不规则的碎块状，这时工件已 加工表面凹凸不平。已加工表面质量差。在切削铸铁和加工表面凹凸不平。已加工表面质量差。在切削铸铁和 黄铜等脆性材料时
12、会产生。黄铜等脆性材料时会产生。 带状切屑 挤裂切屑 崩碎切屑 二、积屑瘤 （一）积屑瘤的现象 在一定条件下切削塑性金属时，常发现刀具前刀 面靠近切削刃的部位，粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑 瘤，或称刀瘤。 （二）积屑瘤的形成（二）积屑瘤的形成 切屑与刀具在第切屑与刀具在第变形区发生强烈的挤压和擦，变形区发生强烈的挤压和擦， 切屑底面金属的流动速度变慢而形成切屑底面金属的流动速度变慢而形成 “ “滞流层滞流层”，在适当的温度，在适当的温度 和压力作用下，前刀面对滞流层的摩擦力和粘结力和压力作用下，前刀面对滞流层的摩擦力和粘结力 超过切屑材料的内部分子结合超过切屑材料的内部分子结合 力时，部
13、分滞流层金属会粘结力时，部分滞流层金属会粘结 在刀刃附近，形成积屑瘤。积在刀刃附近，形成积屑瘤。积 屑瘤是不稳定的，它不断地产屑瘤是不稳定的，它不断地产 生、长大和破裂，或被切屑带生、长大和破裂，或被切屑带 走，或嵌附在工件表面上。走，或嵌附在工件表面上。 （三）积屑瘤在切削过程中的作用 1积屑瘤的硬度比工件材料高，能代替切削刃进行切削，保 护刀刃以减少磨损；此外积屑瘤增大了刀具实际工作前 角，使切削轻快，所以粗加工时可以利用积屑瘤。 2积屑瘤的顶端伸出刀刃之外，且不断地产生与脱落，使切 削层公称厚度不断变化，影响工件尺寸精度。 3切削力的变化又会引起振动，加上一些积屑瘤碎片会粘附 在已加工表
14、面上，增加工件表面粗糙度。因此，精加工 时应当避免积屑瘤产生。 （四）影响积屑瘤的主要因素及防止方法 1首先可控制切削速度，因为切削速度与摩擦系数、切削温 度关系密切，从而影响积屑瘤的产生和大小。当切削速度 很低，以及切削速度很高时，都不会产生积屑瘤。因此， 精车和精铣一般采用高速切削，而铰削、拉削、宽刀精刨 和精车丝杆、涡轮等情况，则采用低速加工，以避免积屑 瘤的影响。 2降低工件材料的塑性（如低碳钢、不锈钢等正火后切削） 。 3增大刀具前角和选用适当的切削液等，都是有效地减少或 避免积屑瘤的重要措施。 三、切削力 （一）切削力的来源与分解 o刀具切削工件时，必须首先克服材料的变形抗力，主要
15、 是第变形区的剪切滑移抗力，加上第、第变形区 的摩擦阻力，这些力的合力就构成了作用在刀具上的总 切削力F。 o实际加工中，总切削力的方向和大小的测定既不容易也 没有必要。为了适应设计和工艺分析的需要，又便于测 定，通常将总切削力F分解为三个互相垂直的分力。 oo1 1主切削力主切削力Fc Fc 是指是指 F F 在主运动方向上的分力（又称切向在主运动方向上的分力（又称切向 力），力），垂直于基面垂直于基面，其大小约占其大小约占F F的的80809090。它是计算它是计算 机床动力、刀具和夹具强度与刚度的主要依据，也是选择刀机床动力、刀具和夹具强度与刚度的主要依据，也是选择刀 具角度和切削用量的
16、依据。具角度和切削用量的依据。 oo2 2进给力进给力 F Ff f 是指是指 F F 在进给运动方向上的分力（又称走刀在进给运动方向上的分力（又称走刀 抗力，或轴向力），抗力，或轴向力），作用在基面内作用在基面内，它消耗的功率占总功率它消耗的功率占总功率 的的1 15 5，是设计和校验进给机构强度的依据。是设计和校验进给机构强度的依据。 oo3 3背向力背向力F F p p 指指 F F在垂直进给方向上的分力（又称吃刀抗在垂直进给方向上的分力（又称吃刀抗 力，径向力），力，径向力），作用在基面内作用在基面内，它不消耗功率它不消耗功率，一般作用在，一般作用在 刚度较弱的方向上，易使刀架移动和工件变形。刚度较弱的方向上，易使刀架移动和工件变形。 四、切削热和
