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1、第2章 金属切削原理2.1 切削加工的基本知识,切削加工在毛坯(型材)上用刀具(磨具)切除多余的材料，使之达到图纸所要求的零件的加工过程。常分为两种类型：钳工是以手工工具和手工劳动为主的加工方法。 如划线、锯割，锉削，钻孔，铰孔，攻丝、 套扣和刮研等等。一般来说劳动强度大、生产效率低。机工是以机床为手段的机械化生产方法。 如车、铣、刨、磨、钻、镗、拉、插等。生产效率高、产品质量稳定、劳动强度低。,一、切削加工的种类1. 车削: 车外圆、车端面、车床镗孔2. 钻削：钻孔3. 镗削：镗床镗孔4. 铣削: 端铣铣平面、立铣铣槽、周铣铣平面5. 刨削：刨床刨平面6. 插削：插床插槽7. 拉削：拉床拉圆
2、孔8. 磨削：外圆磨床磨外圆,2-1 切削加工的种类,二、切削加工的特点 1.受被加工材料性质的限制较少。 2.基本不受零件形状的限制。 3.切削加工可得到很高的加工精度和表面质量。 4.切除单位体积材料所消耗的能量较小。 5.切削时会产生切屑，这不仅浪费了材料，而且增加了清理切屑的困难。 6.切削时会产生切削力，从而使工艺系统（机床、夹具、刀具、工件）产生变形和振动，降低加工精度。 7.由于切削力和切削热的影响，已加工表面层会因塑性变形、弹性变形的作用而形成加工变质层，造成加工表面质量下降；使刀具磨损等。,表2-1 单位体积材料所消耗的能量,三、切削运动切削运动刀具与工件之间的相对运动 刀具
3、的每一个行程中 ，工件上都有三个变化着的表面 待加工表面工件上即将被切除金属层的表面； 加工表面（过渡表面）工件上切削刃正在切削的表面； 已加工表面工件上切削后形成的新表面。,图2-2 切削运动和工件表面,1.主运动切削运动中速度最高、消耗功率最大，并担负主要切削任务的运动为主运动。主运动既可由工件来实现，也可由刀具来实现。2.进给运动使材料不断投入切削的运动为进给运动。进给运动既可由工件来实现，也可由刀具来实现。进给运动既可以是连续的，也可以是间歇的。,3.举例,四、切削用量,切削用量切削加工过程中切削速度、进给量和切削深度（背吃刀量）的总称。 它是用于调整机床，计算切削力、切削功率，核算工
4、序成本等所必需的重要参数。 故常称之为切削用量三要素。,1.切削速度v 切削速度v主运动的线速度。 其单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时，如外圆车削时的切削速度为：式中 d待加工表面的直径（mm）； n工件转速（rmin或r/s）,主运动为往复直线运动时，如平面刨削时的切削速度为： 式中 L往复运动行程长度（mm）； nz单位时间内主运动的往夏次数 （strmin或str/s）。,2.进给量 f 进给量 f每一个工作循环中，刀具与工件的相对移动量。外圆车削工件转一转，刀具在进给方向的移动距离，其单位为mm/r刨削刀具往复一次，工件移动的距离，单位为mm/str。铣削由于铣刀是多齿刀具
5、，所以规定了每齿的进给量af ，其单位为mmz 还有单位时间的进给量（进给速度）vf ，其单位为mm/min或mm/s。其大小为： 式中 z铣刀齿数；n主运动（工件、钻头、铣刀）转速(rmin)。,3.切削深度（背吃刀量）ap 切削深度ap待加工面和已加工面之间的垂直距离，其单位为mm。外圆车削时的切削深度为：式中 dm已加工表面直径(mm)。 切削用量反映了刀具与工件相互作用的条件和相对应关系，是影响工件加工质量和生产率的重要因素。,五、切削层参数 切削层工件上正在切削的一层材料。 在外圆加工时，就是工件每转一周，主切削刃相邻两个位置之间的一层材料。 为计算方便我们取垂直于切削速度方向的剖面
6、（基面）进行研究。 切削厚度ac切削层包括 切削宽度aw 切削面积Ac,图2-3 外圆纵切时的切削层参数,1.切削厚度ac 进行外圆车削时，工件转一周在垂直于切削速度方向的剖面（基面）上所测的两个相邻加工表面之间的垂直距离即为切削厚度（mm）。2.切削宽度aw 即切削层宽度。它也代表主切削刃的长度（mm）。以车削为例：3.切削面积Ac 切削层垂直于切削速度方向的截面积为切削面积（mm2）。以车削为例：,上面讲述的切削面积Ac ，是理论切除面积，如图中的ABCD部分，而实际切削面积为 ：Ace=Ac-Ac 由于刀具结构的关系还有部分残留面积Ac。残留面积是指刀具副偏角kr0时，切削刃从位置移至位
7、置后，残留在已加工表面上的不平部分的剖面面积。如图所示，实际切除面积为AECD部分。残余面积的大小将影响到已加工表面的质量。,六、切除率zw 切除率zw单位时间内切除材料的多少为切除率（mm3/s） 切除率直接反映切削效率的高低。用下面的关系式表示：,2.2 刀具材料及构造一. 刀具材料 1对刀具材料的性能要求较高的硬度硬度要高于工件材料的硬度，常温下一般要大于HRC60。足够的强度与韧性以承受切削力和冲击振动。较好的耐磨性以抵抗切削过程中的磨损，具有一定的耐用度。较高的耐热性在高温下仍能切削，耐热性又称红硬性。较好的工艺性以便于制造各种形状的刀具和进行热处 理。较好的传热性避免刀尖过热而降低
8、刀具的使用寿命。较好的经济性价格昂贵，使用受限（不能广泛使用）。,2.常用刀具材料 工具钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 钨钴(YG)合金 钨钛(YT)合金 钨钛钽(铌)(Yw)合金 其他刀具材料 陶瓷 金刚石 立方氮化硼 涂层刀具 常用磨料 普通磨料 超硬磨料,（1）工具钢（各种工具钢的性能见表2-2）碳素工具钢指含碳量在0.651.35的优质高碳钢。合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的Cr、W、Mn等金属元素，就成了合金工具钢。 高速钢（又称锋钢、白钢）在合金工具钢中，增加920的Cr、W等金属元素便制成了高速钢。,表2-2 各种工具钢的性能,（2）硬质合金 硬质合金是用具有高
9、耐磨性和高耐热性的WC、TiC等金属粉末，以Co、Ni作为粘结剂，用粉末冶金法制得的合金。 常温硬度HRC7482 热硬性8001000 切削速度是高速钢的410倍 冲击韧性与抗弯强度远比高速钢低， 因此很少做成整体式刀具。 制做刀具制成硬质合金刀块 （用焊接或机夹方式固定在刀体上）。,表2-2 常用硬质合金的性能,（3）其他刀具材料 （见表）,二、刀具构造 刀具的作用不同其结构亦不大相同，但就其刀齿来说，都相当于一把外圆车刀。故我们这里以外圆车刀为例介绍刀具的结构。1.外圆车刀的组成夹持部分：用于装夹固定，一般由碳素钢制成。切削部分：用于切削。前面介绍的刀具材料指的是这部分材料。2. 外圆车
10、刀切削部分的组成,图2-4 外圆车刀构成,（1）刀面 前刀面：切削时切屑流过的表面 主后刀面：切削时与加工表面相对的表面 副后刀面：切削时与已加工表面相对的表面（2）刀刃 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（3）刀具的几何角度 辅助平面基面 过主刃上一点，垂直于该点切削方向的平面。切削平面 过主刃上一点，与该点加工平面相切且包含切削速度的平面。主剖面 过主刃上一点，与主刃在基面上投影垂直的平面。,图2-5 辅助平面,（2）刀具的标注角度刀具的标注角度图纸上标注的角度，是刀具制造和刃磨的依据。前角 主剖面内,前刀面与基面的夹角。 前角按前刀面与基面的相对位置又分为
11、正前角、零度前角及负前角。后角 主剖面内，主后面与切削平面的夹角。主偏角 主刃在基面上的投影与进给方向的夹角。副偏角 副刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。刃倾角 在切削平面内，主刃与基面的夹角。 根据需要刃倾角也有正、负和零度之分。,图2-6 刀具的标注角度,刀具的工作角度 刀具的工作角度刀具在切削过程中的角度为工作角度,图2-7 刀具的工作角度,机夹可转位式近年来由于数控机床的发展，为了减少对刀和磨刀所造成的停机损失，机夹可转位式刀具显示了很大的优越性。（见图2-8 b c）,整体式早期刀具多半是整体式，刀具材料消耗大，成本高。,三、刀具的结构形式,焊接式焊接刀具应用普遍，但焊接会产生应力
12、和裂纹等缺点。,机夹重磨式可避免以上两项的不足（见图2-8 a）。,图2-8 机夹刀具,2.3 金属切削过程 金属切削过程刀具从工件表面上切去多余的金属，形成已加工表面的过程。,金属的切削过程是一个复杂的过程，在这一过程中出现许多现象：,形成切屑产生切削力产生切削热产生切削温度产生刀具磨损,研究这些现象及变化规律的重要的意义：,合理使用与设计刀具合理使用与设计夹具合理使用与设计机床保证加工质量减少能量消耗提高生产率促进生产技术发展,一、切削变形及切屑的形成过程,图2-9 金属的挤压、偏挤压和切削,如图2-9 (a)所示，当金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45方向
13、的斜截面产生最大剪切应力，在剪切应力达到屈服强度时将在此方向产生滑移。 如图2-9 (b)所示，当金属试件受偏挤压时，偏挤压试件在外力的作用下，金属只能沿OM滑移。 如图2-9 (c)所示，当切削钢材时，OM与刀具对工件的作用力Fr之间的夹角约为4050。,金属的压缩与切削及切屑形成过程时，剪切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成了切屑，然后沿前面流出。 从实验取得的切屑根部金相组织照片可以看到，刀具刃口附近的切削层大致划分为、三个变形区（见图2-10）。,图2-10 三个变形区的划分 图2-11 第变形区金属的剪切滑移,第变形区即剪切滑移变
14、形区 从OA（始滑移面）开始产生塑性变形，到OM（终滑移面）晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为第变形区。始滑移面OA与终滑移面OM之间宽度很窄(约0.020.2mm)。故常用OM剪切面(亦称滑移面)来表示。 这一区域内金属的主要特征是剪切变形以及随之产生的加工硬化。前刀面以切削速度v挤压切削层，跟踪切削层上某一质点P，当P点到达1位置时，剪切应力达到材料屈服强度（=s），即P进入剪切滑移区，P由位置1移至位置2，22之间的距离就是它的滑移量。此后P点的滑移量依次为33，44，滑移量也相应依次增加，剪切应力应变也逐渐增大。当P点移至OM面(终剪切面)上，剪切应力达到屈服极限(=max)时，滑移变形至此基本结束，切削层变形为切屑且沿前刀面流出（见图2-11）。,
