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1、第一章机械加工切削基础第一节切削运动及切削用量一、切削运动和工件表面1.主运动主运动是指切削加工过程中由机床提供的主要运动。它可使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前刀面接近工件并切除切削层，即主运动是切削过程中切下切屑所需的运动。主运动的特点是切削速度最高，消耗的机床功率最大。如图1 1所示，主运动的形式可以是旋转运动，如车削时工件的旋转运动、铣削时铣刀的旋转运动、磨削时砂轮的旋转运动、钻孔时钻头的旋转运动等，也可以是直线运动，如刨削时刀具的往复直线运动。一、切削运动和工件表面图1- 1几种常见加工方法的切削运动a)车外圆b)钻孔c)铣平面d)磨外圆一、切削运动和工件表面2.进给运动进给
2、运动又称走刀运动，其动力由机床提供，可使刀具与工件之间产生附加的相对运动，是切削过程中使金属层不断地投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。进给运动的特点是消耗的功率比主运动小得多。如图1 1所示，进给运动的形式可以是连续的运动，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动、钻孔时钻头沿轴向的直线运动等；也可以是间断运动，如刨削平面时工件的横向移动；或是两者的组合，如磨削工件外圆时砂轮横向间断的直线运动、工件的旋转运动及轴向（纵向）往复直线运动。一、切削运动和工件表面3.加工中的工件表面切削过程中，工件上多余的材料不断地被刀具切除而转变为切屑。工件在切削过程中形成了三个不断变化着的表面，如图11a
3、所示。(1)已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。(2)待加工表面工件上有待切除切削层的表面。(3)过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面。二、切削用量图1- 2切削用量a)车削加工中的切削用量b)铣削加工中的切削用量二、切削用量1.切削速度vc切削加工时，切削刃上的选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，即单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移量，单位为mmin。2.进给量f在主运动的一个循环内，刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为进给量。进给量可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表达和度量，如图1 2a所示，单位为mm/r（如车削、镗削等）或mm/行程（如刨削、磨削等）。二
4、、切削用量3.背吃刀量ap和侧吃刀量ae背吃刀量ap是指已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，其单位为mm。外圆车削时，ap为第二节切削刀具及其选择一、常用刀具的类型1.按加工方法分类(1)切刀切刀包括车刀、刨刀、插刀、镗刀等，一般为只有一条主切削刃的单刃刀具。(2)孔加工刀具一种在实体材料上加工出孔或扩大原有孔孔径并提高孔质量的刀具，包括钻头、扩孔钻、铰刀、镗刀等。(3)拉刀在工件上拉削出各种内、外几何表面的刀具，包括圆孔拉刀、平面拉刀、单键拉刀等。(4)铣刀铣刀是一种应用非常广泛的在圆柱体表面或端面具有多齿、多刃的刀具，包括圆柱形铣刀、球头立铣刀、面铣刀、立铣刀、槽铣刀、锯片铣刀等。(5)
5、螺纹刀具用来加工内、外螺纹表面的刀具，包括丝锥、板牙、螺纹铣刀等。一、常用刀具的类型(6)齿轮刀具用于加工齿轮、链轮、花键等齿形的刀具，如齿轮铣刀、齿轮滚刀、插齿刀、花键滚刀等。(7)磨具用于表面磨削加工的刀具，包括砂轮、砂带、油石、抛光轮等。(8)数控机床刀具刀具根据零件加工工艺要求配置，有预调装置、快速换刀装置和尺寸补偿系统。(9)特种加工刀具用于特种加工的刀具和工具，如水刀、放电电极等。一、常用刀具的类型2.按切削刃数量分类按切削刃数量，刀具可分为单刃刀具和多刃刀具。3.按工艺特点分类(1)通用刀具如车刀、刨刀、铣刀等。(2)定尺寸刀具如钻头、扩孔钻、铰刀、拉刀等。(3)成形刀具如成形车
6、刀、花键拉刀等。4.按装配结构分类按装配结构，刀具可分为整体式、装配式和复合式等。二、刀具材料1.刀具材料的使用性能刀具材料是指刀具工作部分的材料。要使刀具能在恶劣的条件下工作，且不致很快地变钝或损坏、保持正常的切削能力，刀具材料应具备表1 1所示的性能要求。表1- 1刀具材料的性能要求二、刀具材料表1- 1刀具材料的性能要求二、刀具材料表1- 2常用高速工具钢的性能和用途2.几种常用的刀具材料刀具材料有很多种，目前最常用的是高速工具钢和硬质合金。(1)高速工具钢(High Speed Steel,HSS)高速工具钢是含有W(钨)、Mo(钼)、Cr(铬)、V(钒)等合金元素的合金工具钢。二、刀
7、具材料表1- 3国产切削工具用硬质合金的牌号、性能和应用范围(2)硬质合金(Cemented Carbide)硬质合金是由高硬度难熔的金属化合物(WC、TiC、TaC、NbC等)的微米数量级粉末与金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)烧结而成的粉末冶金制品。二、刀具材料表1- 3国产切削工具用硬质合金的牌号、性能和应用范围二、刀具材料3.其他刀具材料(1)陶瓷(Ceramics)常用的陶瓷是以Al2O3和Si3N4为基体成分在高温下烧结而成的。(2)涂层刀具材料涂层刀具材料是在高速工具钢或硬质合金基体材料表面，采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的方法，涂覆一薄层(212m)高耐磨性的
8、难熔金属化合物后得到的刀具材料。(3)金刚石(Diamond)金刚石有天然金刚石(ND)和人造金刚石(PCD、CVD)两类。(4)聚晶立方氮化硼(PCBN)它是由立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，CBN)与结合相在高温高压下烧结而成的。三、刀具几何角度及其选择1.刀具切削部分的组成要素刀具种类繁多、结构各异，但其切削部分的几何形状和参数具有共性。各种多齿刀具和复杂刀具都可以看成是外圆车刀的演变和组合。下面以最简单、最典型的外圆车刀为例进行分析。图1- 3普通外圆车刀的构造三、刀具几何角度及其选择(1)前刀面(A)刀具上切屑流过的表面。(2)主后面(A)刀具上与过渡表面相对的表
9、面。(3)副后面(A)刀具上与已加工表面相对的表面。(4)主切削刃(S)前刀面与主后面的交线。(5)副切削刃(S)前刀面与副后面的交线。(6)刀尖主切削刃与副切削刃连接处的一小部分切削刃。图1- 4正交平面参考系三、刀具几何角度及其选择2.刀具角度的参考系(1)基面过主切削刃上的一点，垂直于切削速度方向的平面，用pr表示。(2)主切削平面过主切削刃上的一点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面，用ps表示。(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，用po表示。图1- 5车刀的基本角度三、刀具几何角度及其选择3.车刀的基本角度车刀的基本角度如图1 5所示。(1)在正交平面内测量
10、、标注的角度(2)在基面内测量、标注的角度(3)在主切削平面内测量、标注的角度主切削刃与基面(pr)之间的夹角称为刃倾角，用s表示。图1- 6车刀的刃倾角(4)在副正交平面内测量、标注的角度参照主切削刃的研究方法，在副切削刃上同样可定义一副正交平面po。三、刀具几何角度及其选择4.刀具的工作角度在切削过程中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，使得刀具的工作角度（即刀具的实际切削角度）不同于其在静止参考系中的角度。5.刀具几何角度的选择刀具几何角度对切削过程中的金属变形、切削力、切削温度、工件的加工质量以及刀具的磨损都有明显影响。选择合理的刀具几何角度，就是在保证工件加工质量和刀具寿命的前提下，
11、达到提高生产率、降低生产成本的目的。影响刀具合理几何角度选择的主要因素是工件材料、刀具材料及类型、切削用量、工艺系统刚度以及机床功率等。三、刀具几何角度及其选择(1)前角的选择前角的大小影响着切削变形、切削力、切削温度、刀具寿命、加工表面质量和生产率，也影响着切削刃的锋利程度及强度。(2)后角的选择后角的大小主要影响主后面与已加工表面之间的摩擦情况。(3)主、副偏角的选择主偏角减小时刀尖角增大、刀尖强度提高、散热体积增大，同时参加切削的切削刃长度增加，可减少因切入冲击造成的刀尖损坏，从而可提高刀具的寿命，还可使已加工表面的表面粗糙度值减小。(4)刃倾角的选择刃倾角的功用是控制切屑流出的方向，增
12、加切削刃的锋利程度，延长切削刃参加工作的长度，保护刀尖，使切削过程平稳。四、刀具失效及寿命1.刀具失效 刀具在使用过程中丧失切削能力的现象称为刀具失效。刀具失效对切削加工的质量和效率影响极大，应给予充分重视。加工过程中，刀具失效是经常发生的，主要失效形式有刀具的破损和磨损两种。(1)刀具破损刀具破损是由于刀具选择、使用不当及操作失误造成的，俗称打刀。(2)刀具磨损刀具磨损属于正常失效形式，可以通过重磨修复，主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损和边界磨损三种形式。四、刀具失效及寿命图1- 7刀具的磨损四、刀具失效及寿命2.刀具磨损过程图1- 8刀具磨损的典型曲线四、刀具失效及寿命(1)初期磨损阶段(
13、图1- 8中的OA段)此阶段刀具主后面磨损较快。(2)正常磨损阶段(图1- 8中的AB段)此阶段磨损速度减慢、磨损量随时间的增加均匀增加，切削稳定，是刀具的有效工作阶段。(3)剧烈磨损阶段(图1- 8中的BC段)刀具经过正常磨损阶段后已经变钝，如继续切削，温度将剧增，切削力将增大，刀具磨损将急剧增加。3.刀具寿命所谓刀具寿命，是指从刀具刃磨开始切削后，一直到磨损量超过允许的范围所经过的总切削时间，用符号T表示，单位为min。刀具寿命只为切削时间，不包括对刀、测量、快进、回程等非切削时间。四、刀具失效及寿命表1- 4常用刀具合理寿命参考值第三节金属切削过程一、切屑的形成及种类1.切屑的形成过程金
14、属的切削过程是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的挤压作用下而产生剪切、滑移变形的过程。切削金属时，切削层金属受到刀具的挤压后开始产生弹性变形。随着刀具的推进，应力、应变逐渐加大：当应力达到材料的屈服强度后材料产生塑性变形；当应力达到材料的抗拉强度时，金属层被挤裂而形成切屑。实际上，由于加工材料的性能与切削条件等的不同，上述过程的三个阶段不一定会完全显示出来。图1- 9切削过程中的三个变形区一、切屑的形成及种类2.切屑的种类由于工件材料不同，切削条件不同，故切削过程中切屑的变形程度也不同。根据切削过程中变形程度的不同，切屑可分为四种不同的形态，如图1 10所示。图1- 10切屑的种类a)带状切屑
15、b)挤裂切屑c)单元切屑d)崩碎切屑一、切屑的形成及种类(1)带状切屑带状切屑如图1- 10a所示。(2)挤裂切屑挤裂切屑如图1- 10b所示，又称节状切屑。(3)单元切屑单元切屑如图1- 10c所示。(4)崩碎切屑崩碎切屑如图1- 10d所示。图1- 11积屑瘤二、积屑瘤1.积屑瘤的形成切削过程中，切屑底面与前刀面间产生的挤压和剧烈摩擦，会使切屑底层金属的流动速度低于外层金属的流动速度，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面间的摩擦力超过切屑自身分子间的结合力时，一部分滞流层金属在温度和压力适当时就粘结在切削刃附近形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断增大，达到一定高度后受外力和振动作用而破裂脱落，被切屑或
16、已加工表面带走，故极不稳定。积屑瘤的形成、增大、脱落的过程在切削过程中周期性地不断出现。二、积屑瘤2.积屑瘤对切削加工的影响1)增大前角。2)增大背吃刀量。3)增大已加工表面的表面粗糙度。4)影响刀具寿命。二、积屑瘤3.影响积屑瘤的主要因素及控制积屑瘤的措施1)工件材料的塑性。2)切削速度。3)进给量。4)刀具前角。5)前刀面的表面粗糙度。6)切削液。图1- 12切削速度对积屑瘤的影响三、切削力1.切削力的产生和分解切削力产生的直接原因是切削过程中的变形图1-13切削力的产生和摩擦。如图1-13所示，前刀面的弹性、塑性变形抗力Fn和摩擦力Ff的合力为Fr，主后面的变形抗力Fn和摩擦力Ff的合力
17、为Fr，Fr和Fr的总合力Fr即为切削力。图1- 13切削力的产生三、切削力2.影响切削力的主要因素(1)工件材料的影响工件材料的成分、组织、性能是影响切削力的主要因素。(2)刀具角度的影响(3)切削用量的影响图1- 14切削速度与主切削力的关系曲线三、切削力(4)其他因素的影响1)刀具磨损。刀具磨损后，切削刃变钝会加剧刀面与加工表面间的挤压和摩擦，从而使切削力增大。刀具磨损达到一定程度后，切削力会急剧增加。2)切削液。以冷却作用为主的切削液对切削力的影响很小；以润滑作用为主的切削液则能显著地降低切削力，因为润滑作用减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面间的摩擦。3)刀具材料。刀具材料对切削
18、力也有一定的影响：选择与工件材料摩擦系数四、切削热1.切削热的形成及传散切削热主要由切削功耗产生，而切削功耗主要由切削层金属的变形、切屑与刀具前刀面间的摩擦和工件与刀具主后面间的摩擦产生。切削功耗（包括变形功耗和摩擦功耗）占切削过程总功耗的9899。因此可以近似认为，切削过程总功耗都转化为了切削热。2.切削温度及其对切削过程的影响通常所说的切削温度，如无特别说明，均指切削区域（即切屑、工件、刀具接触处）的平均温度。切削温度的高低取决于切削热的多少和切削热的传散情况。(1)切削温度对切削过程的不利影响(2)切削温度对切削过程的有利影响四、切削热3.影响切削温度的主要因素(1)切削用量的影响(2)
19、刀具角度的影响刀具基本角度中，前角与主偏角对切削温度的影响最明显。(3)工件材料的影响工件材料影响切削温度的因素主要有强度、硬度、塑性及导热性能。(4)刀具磨损的影响刀具磨损后切削刃变钝，使刀具与工件间的挤压力和摩擦力增大，从而使功耗增加、产生的切削热增多，切削温度因而提高。(5)切削液的影响切削液可减小刀具与切屑、刀具与工件间的摩擦，并可带走大量的切削热，因此可有效地降低切削温度。五、切削加工中的振动1.振动的类型及特征(1)自由振动当振动系统受到初始干扰力的激励破坏了其平衡状态后，去掉激励或约束之后所出现的振动称为自由振动。(2)受迫振动由外界周期性的干扰力所激发的振动称为受迫振动。(3)
20、自激振动(颤振)切削加工过程中，在没有外界周期性干扰力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动称为自激振动。2.振动的防治(1)减弱或消除受迫振动的途径(2)减弱或消除自激振动的途径切削加工中的自激振动，既与切削过程有关，又与工艺系统的结构有关。五、切削加工中的振动图1- 15切削速度与自激振动振幅的关系图1- 16进给量与自激振动振幅的关系五、切削加工中的振动图1- 17背吃刀量与自激振动振幅的关系第四节材料的切削加工性一、切削加工性的概念和指标1.金属材料切削加工性的概念金属材料切削加工的难易程度称为金属材料的切削加工性。2.衡量金属材料切削加工性的指标(1)切削速度指标vcTvcT的含
21、义是当刀具寿命为T时，用其切削某种材料允许达到的切削速度。(2)相对加工性指标K以正火状态45钢的vc60为基准，记作(vc60）j ，其他材料的vc60与(vc60）j的比值K，称为该材料的相对加工性。一、切削加工性的概念和指标表1- 5常用材料的相对加工性对应的加工难度级别二、影响切削加工性的因素1.工件材料的硬度工件材料的硬度对其切削加工性的影响表现为如下几个方面。1)工件材料的硬度越高，切屑与刀具前刀面的接触长度越狭小，切削力与切削热集中于切削刃附近，使得切削温度增高、磨损加剧。2)工件材料的热硬性好，使得高温时刀具材料与工件材料的硬度比下降，材料加工硬化倾向大，材料的切削加工性变差。
22、3)工件材料中含硬质点(如SiO2、Al2O3等)时，对刀具的擦伤较大，材料的切削加工性降低。二、影响切削加工性的因素2.工件材料的强度工件材料的强度越高，切削力与切削功率越大，切削温度也增加，刀具磨损量增大，工件材料的切削加工性降低。一般说来，工件材料的硬度高时，强度也高。3.工件材料的塑性与韧性工件材料的塑性越大，则切削变形越大，切削温度升高，切屑易与刀具粘结，会加剧刀具磨损，加工表面质量越差，工件材料的切削加工性降低。但工件材料的塑性过低时，刀具与切屑接触长度变小，切削力与切削热集中于刀尖附近，刀具磨损加剧，工件材料的切削加工性也差。工件材料韧性的影响与塑性相似，但其对断屑影响较大。工件
23、材料的韧性越大，断屑越困难。二、影响切削加工性的因素4.工件材料的导热性工件材料的热导率越小，切削热越不容易传散，使切削温度增高，从而使刀具磨损加剧，工件材料的切削加工性越差。第五节切削用量及切削液的选择一、切削用量的选择1.切削用量的选择原则(1)粗加工时切削用量的选择原则优先选取尽可能大的背吃刀量，以尽量保证较高的金属切除率；其次根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具寿命确定最佳的切削速度。(2)精加工时切削用量的选择原则精加工时要保证工件的加工质量，选择切削用量时应首先根据粗加工后的余量选用较小的背吃刀量；其次根据已加工件表面粗糙度的要求，选取较小的进给量；最
24、后在保证刀具寿命的前提下尽可能选用较高的切削速度。一、切削用量的选择2.切削用量的选择方法(1)背吃刀量的选择根据加工余量确定。(2)进给量的选择粗加工时，进给量的选择主要受切削力的限制。图1- 18进给量与表面残留高度的关系图1-18所示为有刀尖圆弧半径r时，进给量f和图1-18进给量与表面残留高度的关系表面残留高度h之间的关系。显然，与无刀尖圆弧的刀具相比，使用带刀尖圆弧半径的刀具对提高加工表面质量是有利的。一、切削用量的选择(3)切削速度的选择切削速度可以通过公式计算得出，实际生产中主要根据工件材料、刀具材料和加工状态从相关工艺和刀具手册中查取，可参见附录D，并需根据情况进行适当修正。修
25、正切削速度vc时，应该考虑以下几点。1)精加工时，应尽量避开积屑瘤产生的区域。2)断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度，可乘以系数0.750.85。3)在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。4)加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的切削速度。二、切削液及其选择1.切削液的作用(1)冷却作用切削液可以将切削过程中产生的热量迅速地从切削区带走，使切削温度降低。(2)润滑作用切削液能在刀具的前、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜，可避免刀具与工件或切屑间的直接接触，从而减轻摩擦和粘结程度，因而可以减轻刀具的磨损、提高工件表面的加工质量。(3)清洗作用切削液可以冲走切
26、削区域和机床上的细碎切屑和脱落的磨粒，从而避免切屑粘附刀具、堵塞排屑、划伤已加工表面和导轨。(4)缓蚀作用为了减轻和避免工件、刀具和机床受周围介质(如空气、水分等)的腐蚀，切削液应具有一定的缓蚀作用。二、切削液及其选择2.切削液的种类常用的切削液分为三大类：水溶液、乳化液和切削油。(1)水溶液水溶液是以水为主要成分的切削液。(2)乳化液乳化液是将乳化油(由矿物油和催渗剂配成)用8095的水稀释而成，呈乳白色或半透明状的液体。(3)切削油切削油的主要成分是矿物油(如机油、轻柴油、煤油等)，少数采用动植物油或复合油。二、切削液及其选择3.切削液的选择(1)粗加工时切削液的选用粗加工时，加工余量大，所选切削用量大，会产生大量的切削热。(2)精加工时切削液的选用精加工时，要求表面粗糙度值较小，一般选用润滑性能较好的切削液，如高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油。(3)根据工件材料的性质选用切削液切削塑性材料时需用切削液；切削铸铁、黄铜等脆性材料时一般不用切削液，以免崩碎切屑粘附在机床的运动部件上。
