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1、第五章 切削加工,主要内容 5.1切削加工基础 5.2典型表面加工分析 5.3切削加工工艺基础 5.4零件结构工艺性,5.1切削加工基础,主要内容 5.1.1 金属切削基本理论 5.1.2 金属切削过程及主要物理现象 5.1.3 金属切削机床的基本知识,1、金属切削过程中的各种物理现象 2、刀具角度的标注,本节重难点,5.1.1金属切削基本理论,金属切削加工:是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。,金属切削加工,钳工,机械加工,划线、錾、锯、锉、刮、攻螺丝、 套螺丝、装配等,车、钻、铣、刨、磨、特种加工等,1.切削运动与切削要素,1）
2、零件表面的形成与切削运动 切削运动 机床为实现切削加工，刀具与工件间必需具有一定的相对运动，包括主运动和进给运动。,主运动：是指在切削加工中，形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。 进给运动：是指在切削加工中，对工件的多余材料不断被去除的工作运动。,注释: 1、主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动； 2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动也可以是刀具来实现（切断、刨、铣加工）; 3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。,工件上形成的表面,待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面； 已加工表面：指工件上经刀具切削后产生的表面; 过渡表面（加工表面）： 指工件上由刀具切削刃形成的表面
3、。,2）切削要素,切削要素包括切削用量和切削层的几何参数,（1）切削用量,用来衡量切削运动量的大小,切削三要素,进给量f,切削速度c,切削深度ap （背吃刀量）,指在切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度 vc= dn/1000(mmin),刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。所用刀具和切削运动形式不同，进给量的表述和度量方法也不同。如铣削f=vf /n,待加工表面到已加工表面间的垂直距离 ap=(dw-dm)2,不同切削工艺的进给量和切削深度,（2）切削层参数,切削层是指零件上正被 切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工面间的那层材料。 切削层参数对切削过程中切削力的大小、刀具的载荷和磨损
4、、零件加工的表面质量和生产率都有决定性影响。,切削层参数,.切削层面积AD :切削层在垂直于切削速度截面内的面积。 AD= hD. bD =f.ap (mm2) .切削宽度bD ：沿主切削刃度量的切削层尺寸； bD =ap/ sinr (mm) 3. 切削厚度hD ：垂直于加工表面度量的切削层尺寸； hD =f.sinr (mm) (只有在车削加工中，当残留面积很小时才近似认为相等）,2.刀具切削部分的几何参数,刀具切削部分的组成要素 刀杆：起夹持作用 刀头： 三面前刀面： 切屑流过的表面 主后刀面：刀具上 与加工表面相对的表面 副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面 两刃主切削刃：刀具上前刀
5、面与主后刀面的交线 副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线 一尖主切削刃与副切削刃的交点,标注坐标系的假定条件 1、假定没有进给运动，只考虑主运动，并且限定主运动的方向垂直于水平面，方向向上。 2、二是假定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削速度方向(或平行于基面)，对车刀来说，规定其刀尖安装在工件的中心高度上，刀杆中心线垂直于工件的回转轴线。 所以，刀具标注角度的参考平面是在相对静止状态下（进给运动vf = 0）确定的。故称之为“静止系”。,1）车刀切削角度的坐标平面,基 面 (Pr ) 通过主切削刃上的某一点,与主运动方向相垂直的平面 切削平面(Ps) 通过主切削刃上的某一点， 于加工表面相切
6、并垂直于基 面的平面 正交平面(P0) 通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面,2）刀具几何角度,刀具的标注角度 1.正交平面参考系中的刀具标注角度 (1) 在基面Pr上刀具标注角度有： 主偏角kr在过主切削刃选定点的基面内，主切削刃与进给方向间的夹角； 影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少 r，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。45、60、75、 90。,副偏角kr在过副切削刃选定点的基面内，副切削刃和进给方向间所夹的锐角； 影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少r，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切 削刃与已加工
7、面的摩擦增加，引起震动， 降低表面质量。515。粗加工取较大 值。,副偏角对残留面积的影响,注意：车外圆与车端面主、 副偏角的变化,(2) 在正交平面Po上刀具标注角度有： 前角前刀面r与基面Pr间的夹角。前角有正负,前角在基面之下为负，前角在基面这上为正；,前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。应根据刀具和工程材料及加工性质 选择。加工塑性材料，取较大的前 角，10 20。粗加工或灰铸铁取较小的前角，515。,后角O后刀面与切削平面间的夹角。 增大后角可减少摩擦，提高工件加工质量和刀具耐用度,并使切削刃锋利。 在保证加工质量和刀具耐用度的前提下,一般粗加工、强力 车削
8、，材料较硬时取小值,6 8。反之取812,在切削平面(Ps)： 刃倾角s主切削刃与基面间的夹角 影响切屑流出方向,刀尖强度、切入切出平稳性、切削分力和切削的 工作长度；-5+5度。保证加工质量 的前提下。尽量取较大的负值（小 值）,提高刀具耐冲击力。,刃倾角有正、负,粗加工取负值 精加工取正值,4）刀具的工作角度,车外圆时车刀安装的高低，对前角、后角有影响,车外圆时车刀安装的偏斜，对主偏角、副偏角有影响,思考题,画出如图所示45度端面车刀的主偏角、副偏角、前角、后角、刃倾角、法前角、法后角。,刀具结构,常见刀具的结构形式,车刀的结构形式,金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外,还要求刀具
9、材料对工件要有良好的切削性能。 在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量，刀具消耗和加工成本。 正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一，特别是对某些难加工材料的切削来讲刀具材料的选用显得尤为重要。,3.刀具材料及结构,1)刀具材料,（1）刀具材料应具备的基本性能 刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具材料应具备以下基本性能,.硬度高 硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力。 刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度，一般高于一倍至几倍，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状。 目前，切削性能最差的刀具材
10、料碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的硬度为6370HRC。,.足够的强度和韧性,刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力。 例如，车削45钢时，当ap=4mm，f=0.5mm/r时，刀片要承受约4000N的切削力。 因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度b (单位为PaNm。)表示它的强度大小。用冲击韧度k(单位为Jm。)表示其韧性的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。,. 耐磨性和耐热性好,刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。 一般说,刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系。其耐热性通常用
11、它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量，或叫热硬性。 高温硬度越高，表示耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。 耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形，丧失其切削能力。,.导热性好,刀具材料的导热性用热导率单位为w（mK)来表示。 热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。 此外，导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热裂的性能增强，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削，特别在加工导热性能差的工件时尤为重要。,（2） 刀具材料的分类,刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬
12、材料五大类。其主要力学物理性能见表。,目前应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计，我国目前高速钢用量约占刀具的60以上，硬质合金的用量约占30以上，随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长。,（1）. 碳素工具钢,碳素工具钢是含碳量较高的优质钢(含碳量为0. 71.2。如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。 1）常用牌号： T7A、T8AT13A等。 2）主要性能： 淬火后硬度较高，可达HRC6165； 红硬性为200250，不耐高温； 价格低廉，切削速度因此而不能提高，允许切削速度 VC10m/min。 3） 应用：只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等
13、,(2).合金工具钢 在碳素工具钢中加入少量的Cr、w、Mn、Si等元素，形成合金工具钢(如9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。 1）主要牌号： 9SiCr CrWMn 2）主要性能： 淬火后的硬度可达HRC6165； 红硬性为300400； 允许切削速度Vc=1015m/min； 3）应用：制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。 如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。,(3) 高速钢 高速钢常用的牌号是18Cr4V，又称“锋钢”或“白钢”，其强度、韧性和工艺性均较好，可作形状复杂的刀具，但其耐热性大 约为600左右；因而只能进行中速切削。,(4) 硬质合金 硬质合金
14、是以高硬度、高熔点的金属碳化物（C、iC等）微米数量级的粉末为基体，用o、o、i等作粘接剂在高压下成型，并 通过高温烧结而成的一种粉末冶金制品的。 硬度高,耐磨性好,耐热性大约为1000左右,可以高速切削。 硬质合金属于脆性材料，其抗弯强度低，冲击韧性差。 硬质合金按基体分为两大类：碳化钨基（C);碳化钛基（iC）,1）G（K）类硬质合金(WC+CO) 硬度为HRA,韧性比类硬质合金好,热硬性为 ，切削韧性材料时耐磨性较差，固适于加工铸铁、青 铜等脆性材料。 ) YT（P）类硬质合金WC+TiC+CO 硬度为.5HRA,热硬性为9001000，韧性差,脆性大,适于加工塑性材料、如钢料等。 3)
15、 YW（M）类硬质合金(WC+TiC+TaC+CO) 热硬性为10001100，综合性能好,既可加工铸铁、有色金属, 又可加工钢,不锈钢等难加工材料,（3). 其它刀具材料 陶瓷： 用L2O3加微量添加剂（如g） 经低压烧结而成。硬度高、耐磨性好、 热硬性和化学稳定性好，允许的切削 速度高于硬质合金，但抗弯强度和冲 击韧性很差，切削时易崩刃 。 人造金刚石： 金刚石分为天然或人造两种,都是碳的同素异形体。人造金刚石是在高 压高温的条件下，借合金的触媒作用 由石墨转化而成。其硬度极高，接近 于10000。不适于加工铁材料。,氧化锆陶瓷刀具,聚晶（PCD）金刚石车刀,立方氮化硼 （CBN） 立方氮
16、化硼是由六方氮化硼（俗称白石墨）在高温高压下加入催化剂转变而成的。 硬度很高 可达到HV80009000 热稳定性好 化学稳定性好 有较高的热导率和较小的摩擦系数 强度及韧性较差,金属的切削过程,金属在切削过程中,会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生 产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削 过程密切相关。,切屑形成过程及切屑种类,1.切屑形成过程： a. 对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。 当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。在OA面上，应力达到材料的屈服强度，则发生塑性变形，产生滑移现象。,随着刀具的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和变形
