第1章 金属切削原理及刀具(新)

1、 第第1章章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第第2章章 金属切削机床简介金属切削机床简介第第3章章 常用金属切削加工常用金属切削加工第第4章章 典型表面加工分析典型表面加工分析第第5章章 机械加工工艺规程分析机械加工工艺规程分析第第6章章 精密加工与特种加工简介精密加工与特种加工简介 切削加工是用刀具从毛坯（或型材）上切除切削加工是用刀具从毛坯（或型材）上切除多余的材料，使获取的零件具有符合要求的形多余的材料，使获取的零件具有符合要求的形状、尺寸，精度和表面质量的加工过程。状、尺寸，精度和表面质量的加工过程。切削加工可分为钳工和机械加工（机工）。切削加工可分为钳工和机械加工（机工）。划线

2、、錾切、锯、锉、刮、研、划线、錾切、锯、锉、刮、研、 钻孔、铰孔、攻丝和套丝；钻孔、铰孔、攻丝和套丝；车、钻、刨、铣、磨及齿轮加工。车、钻、刨、铣、磨及齿轮加工。1.1 切削运动及刀具结构切削运动及刀具结构1.2 金属切削基本规律金属切削基本规律1.3 刀具磨损与耐用度刀具磨损与耐用度1.4 金属切削效益分析金属切削效益分析1.1.1 切削运动及切削用量切削运动及切削用量1.1.2 刀具材料刀具材料1.1.3 车刀的形状及几何角度车刀的形状及几何角度1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直时刀杆中心线与进给方向不垂直时 工件角度的变化工件角度的变化是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运是以某一

3、直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运 动时所形成的表面。动时所形成的表面。 成型方法：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等成型方法：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等.是以一直线为母线是以一直线为母线,以另一直线为轨迹以另一直线为轨迹,作平移运动时所形成的表面作平移运动时所形成的表面. 成型方法：铣削、刨削、平面磨削等。成型方法：铣削、刨削、平面磨削等。是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形 成的表面。成的表面。 成型方法：铣削、成形磨削、数控铣削、电火花加工成型方法：铣削、成形磨削、数控铣削、电火花加工 、激

4、光加工等。、激光加工等。切削运动包括主运动（图中切削运动包括主运动（图中）和进给运动（图中）和进给运动（图中）。）。主运动是切下切屑最基本的运动；进给运动是使金属层不主运动是切下切屑最基本的运动；进给运动是使金属层不断投入切削，从而加工出最终表面所需的运动。断投入切削，从而加工出最终表面所需的运动。卧式车床卧式车床 工件的旋转运动工件的旋转运动 车刀的直线运动车刀的直线运动外圆磨床外圆磨床 砂轮的旋转运动砂轮的旋转运动 工件的旋转及往复工件的旋转及往复 直线运动直线运动钻床钻床 钻头的旋转运动钻头的旋转运动 钻头的直线移动钻头的直线移动 车床车床 工件的旋转运动工件的旋转运动 镗孔刀的直线移动

5、镗孔刀的直线移动 牛头刨床牛头刨床 刨刀的往复刨刀的往复 工件的间歇工件的间歇 直线运动直线运动 直线移动直线移动 铣床铣床 铣刀的旋转运动铣刀的旋转运动 工件的直线移动工件的直线移动 由此可见，任何切削加工都必须有一个主运动，而进给运动由此可见，任何切削加工都必须有一个主运动，而进给运动则可能有一个或几个。主运动是切削运动中速度最高，消耗功则可能有一个或几个。主运动是切削运动中速度最高，消耗功率最多的运动。率最多的运动。 在切削过程中，工件上形成三个表面。如图在切削过程中，工件上形成三个表面。如图1-2所示。所示。已加工表面：工件上已切去切屑的表面。已加工表面：工件上已切去切屑的表面。 待加

6、工表面：工件上即将被切去切屑的表面。待加工表面：工件上即将被切去切屑的表面。 加工表面：工件上正在切削的表面，也就是待加工表面与加工表面：工件上正在切削的表面，也就是待加工表面与已加工表面之间的过渡表面。已加工表面之间的过渡表面。在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度，进给量和在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度，进给量和切削深度三要素。切削深度三要素。 在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。单位为单位为m/s 或或 m/min。 切削速度为其最大的线速度，如车外圆，切切削速度为其最大的线速度，如车外圆，切削速度为：削速度为： 6

7、01000ndvw式中：式中：dw dw 待加工表面直径（待加工表面直径（mmmm） n n 工件转速（工件转速（r/minr/min） （如刨削、插削等），可用工作行程（如刨削、插削等），可用工作行程和空行程的平均速度作为切削速度。和空行程的平均速度作为切削速度。6010002rLnv(m/s) 式中：式中：L L 往复直线运动的行程长度（往复直线运动的行程长度（mmmm） nr nr 主运动每分钟的往复次数（主运动每分钟的往复次数（str/minstr/min） (m/s) 工件或刀具运动在一个工作循环（或单位时间）内，刀工件或刀具运动在一个工作循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给运

8、动方向的相对位移。具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。待加工表面与已加工表面间的垂直距离，单位为待加工表面与已加工表面间的垂直距离，单位为mmmm。2mwpdda(mm)dm式中：式中：dmdm 已加工表面直径（已加工表面直径（mmmm） 由于现代机床都具有足够的刚性和功率，因此，在由于现代机床都具有足够的刚性和功率，因此，在一般情况下，切削用量主要受刀具耐用度的限制。所谓一般情况下，切削用量主要受刀具耐用度的限制。所谓刀具耐用度：刀具从刃磨锋利开始到磨钝为止的实际切刀具耐用度：刀具从刃磨锋利开始到磨钝为止的实际切削时间。削时间。 综合考虑综合考虑 和和对刀具对刀具耐用度耐用度T的影响，在用

9、硬质合金车刀车削中碳钢时：的影响，在用硬质合金车刀车削中碳钢时： （当（当f 0.75mm/r时）时） 式中：式中： CT与工件材料、刀具材料和其它切削条件有关的常数。与工件材料、刀具材料和其它切削条件有关的常数。75. 075. 15pTafvCT 对于对于，应尽可能提高生产率和刀具，应尽可能提高生产率和刀具耐用度，就应在选择合理刀具耐用度的条件下，耐用度，就应在选择合理刀具耐用度的条件下，按按的顺序的顺序来取其最佳值，即首先选取大的切削深度，其来取其最佳值，即首先选取大的切削深度，其次取较大的进给量，最后在可能的条件下，尽次取较大的进给量，最后在可能的条件下，尽量取大的切削速度。量取大的切

10、削速度。 对于对于，首先应保证加工精度和表面，首先应保证加工精度和表面质量，同时兼顾必要的刀具耐用度和生产率。质量，同时兼顾必要的刀具耐用度和生产率。一般多采用一般多采用 两相邻加工表面间的垂直距离，单位为两相邻加工表面间的垂直距离，单位为mm。 如图如图1-2所示，车外圆时：所示，车外圆时： ac= fsinkr (mm) 沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为mm。 车外圆时车外圆时 ： aw=ap /sinkr (mm) 切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单位为切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单位为mm2。 车外圆时车外圆时 ： Ac = acaw =

11、 fap （ mm2 ）。）。1. 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能2. 常用的刀具材料常用的刀具材料 刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度。刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度。 一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 刀具材料只有具备足够的强度和韧性，才能承受切削力以及刀具材料只有具备足够的强度和韧性，才能承受切削力以及切削时产生的冲击和振动，以免刀具产生脆性断裂或崩刃。切削时产生的冲击和振动，以免刀具产生脆性断裂或崩刃。 耐热性是指刀具材料在高温下仍能保持其切削性能耐热性是指刀具材料在高温下仍能保持其切削性能( (硬度、强硬度、强

12、度、韧性等度、韧性等) )的能力，又称热硬性。的能力，又称热硬性。刀具材料的导热性愈好，散热愈快，有利于降低切削速度。刀具材料的导热性愈好，散热愈快，有利于降低切削速度。 刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲击系数来衡量。刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲击系数来衡量。 为便于刀具本身的制造和刃磨，刀具材料还应具备一定的工为便于刀具本身的制造和刃磨，刀具材料还应具备一定的工艺性能，如锻造性能、焊接性能及切削加工性能等。艺性能，如锻造性能、焊接性能及切削加工性能等。 是含碳量较高的优质钢（含碳量是含碳量较高的优质钢（含碳量0.7%1.2%, 如如T8A、T10A、 T12A等）淬火后含碳量较高的工

13、具钢，耐热等）淬火后含碳量较高的工具钢，耐热性较差（表性较差（表1-1）。）。 在碳素工具钢中加入少量的在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素形成等元素形成，如（，如（9CrSi、CrWMn等）。可适当减少热处理变等）。可适当减少热处理变形和提高耐热性，由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用形和提高耐热性，由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用来制造一些切削速度不太高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀来制造一些切削速度不太高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等，较少用来制造其它刀具。等，较少用来制造其它刀具。 是含有大量是含有大量W W、CrCr等合金元素的等合金元素的。这些合金。这些合金

14、元素很容易形成各种金属碳化物，因此硬度和耐磨性显著提元素很容易形成各种金属碳化物，因此硬度和耐磨性显著提高。常温硬度高。常温硬度636370HRC,70HRC,耐热温度：耐热温度：600600700,700,由于高速钢由于高速钢工艺性能好，热处理变形小，用来制造各种刀具：成形车刀、工艺性能好，热处理变形小，用来制造各种刀具：成形车刀、钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具等钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具等, ,是目前主要的刀具材料之一是目前主要的刀具材料之一. .常用牌号是：常用牌号是：W18Cr4VW18Cr4V。其中钨是使高速钢具有较好热硬。其中钨是使高速钢具有较好热硬性的主要元素，平均含钨量为性的主要元

15、素，平均含钨量为18%18%；CrCr主要用以提高硬度和改主要用以提高硬度和改善热处理性能，平均含善热处理性能，平均含CrCr量为量为4%4%；V V可细化晶粒和提高耐磨性可细化晶粒和提高耐磨性, ,平均含平均含V V量为量为1%1%。高速钢具有较好的热硬性，良好的强度和韧性，并制造简高速钢具有较好的热硬性，良好的强度和韧性，并制造简单，刃磨方便。单，刃磨方便。切削中碳钢时，切削速度为切削中碳钢时，切削速度为0.5m/s0.5m/s。常用于制造具有一定。常用于制造具有一定切削速度切削速度, ,形状复杂的刀具形状复杂的刀具, ,如钻头、铣刀和齿轮刀具等如钻头、铣刀和齿轮刀具等. . 是将以碳化钨

16、（是将以碳化钨（WC），碳化钛（），碳化钛（TiC）研成粉）研成粉为基体，用钴（为基体，用钴（CO）作粘接剂，用粉末冶金的方法）作粘接剂，用粉末冶金的方法经高温烧结而成。经高温烧结而成。 它具有很高的硬度它具有很高的硬度7580HRC，耐磨性也很好，耐磨性也很好，耐热温度耐热温度T耐耐为为8001000, 切削速度可达切削速度可达1.6m/s，但硬质合金脆性大，抗弯强度低，抗振动、冲击的但硬质合金脆性大，抗弯强度低，抗振动、冲击的能力较差，刃磨困难。硬质合金常制成一定形状和能力较差，刃磨困难。硬质合金常制成一定形状和规格的刀片，将其机械夹固或焊接在刀头上使用。规格的刀片，将其机械夹固或焊接在刀

17、头上使用。由碳化钨和钴组成。由碳化钨和钴组成。YG类合金韧性好，硬度和耐磨性类合金韧性好，硬度和耐磨性稍差，适于加工铸铁，青铜等脆性材料。常用牌号有稍差，适于加工铸铁，青铜等脆性材料。常用牌号有YG3、YG6、YG8等。等。YG8适于粗加工，适于粗加工，YG3适于精加工，适于精加工，YG6适于半精加工。适于半精加工。 由碳化钨、碳化钛和钴组成。由碳化钨、碳化钛和钴组成。YT类硬质合金不宜用于切类硬质合金不宜用于切削铸铁，只能用于切削碳素钢、合金钢等塑性材料。常用削铸铁，只能用于切削碳素钢、合金钢等塑性材料。常用牌号有牌号有YT5、YT15、YT30等。等。YT30适于精加工，适于精加工，YT5

18、适适于粗加工。于粗加工。 陶瓷刀具的主要成分是陶瓷刀具的主要成分是Al2O3 ，陶瓷刀具的，陶瓷刀具的硬度高、耐磨性好、耐热性高（表硬度高、耐磨性好、耐热性高（表1-1），允许），允许使用较高的切削速度，加工使用较高的切削速度，加工Al2O3 的价格低廉、的价格低廉、原料丰富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料原料丰富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料性脆怕冲击，切削时易崩刃。近十年来，各国已性脆怕冲击，切削时易崩刃。近十年来，各国已先后研制成功先后研制成功“金属陶瓷金属陶瓷”，如我国研制成的，如我国研制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌号的金属陶瓷，等牌号的金属陶瓷，其成分除其成分除Al2

19、O3 外，还含有各种金属元素，抗弯外，还含有各种金属元素，抗弯强度比普通陶瓷刀片高。强度比普通陶瓷刀片高。 人造金刚石硬度极高（人造金刚石硬度极高（10000HV10000HV）, ,耐热性为耐热性为700700800800。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒主要制聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒主要制成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬质合金、陶成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬质合金、陶瓷、玻璃外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工瓷、玻璃外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工铁族金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘铁族金属，这是由于铁和碳

20、原子的亲和力较强，易产生粘结作用而加快刀具磨损。结作用而加快刀具磨损。 立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度（730073009000HV9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学稳）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学稳定性大大高于金刚石，能耐定性大大高于金刚石，能耐1300130015001500的高温，并且与的高温，并且与铁族金属的亲和力小，因此它的切削性能好，不但适合于铁族金属的亲和力小，因此它的切削性能好，不但适合于非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。 如图如图1-3所示，各种

21、复杂刀具或多齿刀具，拿出其中一个所示，各种复杂刀具或多齿刀具，拿出其中一个刀齿，它的几何形状都相当于一把车刀的刀头。刀齿，它的几何形状都相当于一把车刀的刀头。 车刀的结构形式有整体式，焊接式，机械夹固式等几种，车刀的结构形式有整体式，焊接式，机械夹固式等几种，它们都由刀体和刀头两部分组成。刀体为夹持部分，刀头为它们都由刀体和刀头两部分组成。刀体为夹持部分，刀头为切削部分，由三面二刃一刀尖组成。切削部分，由三面二刃一刀尖组成。 切削时切屑流出所经过的表面。切削时切屑流出所经过的表面。切削时刀具上与工件的加工表面相对的表面切削时刀具上与工件的加工表面相对的表面. 切削时刀具上与工件的已加工表面相对

22、的表面切削时刀具上与工件的已加工表面相对的表面.前刀面与主后刀面的交线。切削时大部分切削前刀面与主后刀面的交线。切削时大部分切削工作由它完成。工作由它完成。前刀面与前刀面与副后刀面的交线。切削时副副后刀面的交线。切削时副切削刃也起一定微量的切削切削刃也起一定微量的切削作用。作用。主切削刃与副主切削刃与副切削刃相交的交点为刀尖。切削刃相交的交点为刀尖。为增加刀尖部分的强度和耐为增加刀尖部分的强度和耐磨，一般刀尖处都磨成一段磨，一般刀尖处都磨成一段小圆弧或折线。小圆弧或折线。车刀要能完成切削工作，其切削部分的各表面和切削刃在车刀要能完成切削工作，其切削部分的各表面和切削刃在空间就要有一定的相对位置

23、，构成一定的角度。为了确定这空间就要有一定的相对位置，构成一定的角度。为了确定这些角度，规定了三个辅助平面。些角度，规定了三个辅助平面。通过主切削刃上某一通过主切削刃上某一点，与该点切削速度方向相垂直点，与该点切削速度方向相垂直的平面，称为该点的基面。的平面，称为该点的基面。通过主切削刃通过主切削刃上某一点，并与加工表面相切的上某一点，并与加工表面相切的平面，称为该点的切削平面，切平面，称为该点的切削平面，切削平面与基面互相垂直。削平面与基面互相垂直。通过主切削刃上通过主切削刃上某一点，与主切削刃在基面上投某一点，与主切削刃在基面上投影相垂直的平面，这三个辅助平影相垂直的平面，这三个辅助平面互

24、相垂直，构成一个空间直角面互相垂直，构成一个空间直角坐标系，称为主剖面坐标系。坐标系，称为主剖面坐标系。在主剖面中，前刀面与基面之间的夹角。根在主剖面中，前刀面与基面之间的夹角。根据前刀面与基面相对位置不同，又可分为正前角、零前角据前刀面与基面相对位置不同，又可分为正前角、零前角和负前角。和负前角。前角前角 切屑变形切屑变形 前刀面磨损前刀面磨损切削力切削力 但前角过大：刀刃强度但前角过大：刀刃强度 刀具寿命刀具寿命 工件材料的强度、硬度愈高，前角应愈小。如：加工工件材料的强度、硬度愈高，前角应愈小。如：加工中碳钢：中碳钢：1520，加工低碳钢，加工低碳钢 2025，加工铝合，加工铝合金金 3

25、035。 刀具材料不同，加工同样工件采用的前角值也不同，刀具材料不同，加工同样工件采用的前角值也不同，如硬质合金车刀的前角一般取如硬质合金车刀的前角一般取-520 ，而高速钢的抗弯，而高速钢的抗弯强度和韧性较硬质合金高得多，刀具允许采用较大的前角强度和韧性较硬质合金高得多，刀具允许采用较大的前角（约可增大（约可增大510）。）。加工情况：如精加工时，切削深度较小，刀具受力不加工情况：如精加工时，切削深度较小，刀具受力不大，可取较大的前角；粗加工时，应取较小的前角；如机大，可取较大的前角；粗加工时，应取较小的前角；如机床刚度较差，前角可取大些，以减少振动。床刚度较差，前角可取大些，以减少振动。

26、ororor在主剖面中，主后刀面与切削平面之间的夹角在主剖面中，主后刀面与切削平面之间的夹角.后角后角 主后刀面与加工表面间的摩擦主后刀面与加工表面间的摩擦 主后刀面磨损主后刀面磨损 但后角过大：刀刃强度但后角过大：刀刃强度 散热条件散热条件 212 。 粗加工取较小值；粗加工取较小值； 精加工取较大值。精加工取较大值。o主偏角主偏角 主切削刃工作长度主切削刃工作长度 径向切削分力径向切削分力3090 。 1）粗加工取较大值：）粗加工取较大值： 60，75，90 2）精加工取较小值：）精加工取较小值： 45， 60在基面上，主切削刃的投影与进给方向之间在基面上，主切削刃的投影与进给方向之间 的

27、夹角。的夹角。 变形前变形前 变形后变形后被切除的金属层被切除的金属层Fy副偏角副偏角 刀具副后刀面与已加工表面刀具副后刀面与已加工表面 的摩擦的摩擦 表面粗糙度表面粗糙度520 。 粗加工取较大值粗加工取较大值 精加工取较小值精加工取较小值 在基面上，副切削刃的投影与进给反方向在基面上，副切削刃的投影与进给反方向 之间的夹角。之间的夹角。rk 它主要影响主切削刃的强度和切屑它主要影响主切削刃的强度和切屑 流出的方向。流出的方向。 5 +5 粗加工取负值。粗加工取负值。 精加工取正值。精加工取正值。 在切削平面中，主切削刃与基面之间在切削平面中，主切削刃与基面之间 的夹角。的夹角。 s 当刀尖

28、处于主切削刃最高点时当刀尖处于主切削刃最高点时, 为正值（图为正值（图a）,这时这时,主主切削刃强度较差切削刃强度较差,切屑向待加工表面流出切屑向待加工表面流出,不影响加工表面质量不影响加工表面质量; 当主切削刃与基面重合时，当主切削刃与基面重合时， 0（图（图b）；）； 当刀尖处于主切削刃最低点时，当刀尖处于主切削刃最低点时， 为负值（图为负值（图c）,这时这时,主主切削刃强度较好切削刃强度较好,切屑向已加工表面流出切屑向已加工表面流出,可能划伤已加工表面可能划伤已加工表面.sss 刀具在切削过程中的实际切削角度，称为工作角度。刀具在切削过程中的实际切削角度，称为工作角度。 如图所示：车外圆

29、安装车刀时，刀尖如果高于或低于如图所示：车外圆安装车刀时，刀尖如果高于或低于工件回转轴线，则切削平面和基面的位置将发生变化当刀工件回转轴线，则切削平面和基面的位置将发生变化当刀尖高于工件回转轴线时，前角增大，后角减小；反之，若尖高于工件回转轴线时，前角增大，后角减小；反之，若刀尖低于工件的回转轴线，则前角减小，后角增大。刀尖低于工件的回转轴线，则前角减小，后角增大。 如图所示：若车刀刀杆中心线与进给方向不垂直，如图所示：若车刀刀杆中心线与进给方向不垂直，车刀的主、副偏角将发生变化。车刀的主、副偏角将发生变化。 若刀杆右偏（图若刀杆右偏（图a）,则主偏角增大，副偏角减小；则主偏角增大，副偏角减小

30、； 若刀杆左偏（图若刀杆左偏（图c）,则主偏角减小，副偏角增大。则主偏角减小，副偏角增大。1.2.1 切屑种类及形成机理切屑种类及形成机理1.2.2 金属切削过程中的变形规律金属切削过程中的变形规律1.2.3 切削的加工硬化与残余应力切削的加工硬化与残余应力1.2.4 积屑瘤和鳞刺积屑瘤和鳞刺1.2.5 切削力与切削功率切削力与切削功率1.2.6 切削热、切削温度及切削液切削热、切削温度及切削液塑性金属的切削过程，本质上是一种挤压过程。一般要塑性金属的切削过程，本质上是一种挤压过程。一般要经过弹性变形、塑性变形和挤裂三个阶段。经过弹性变形、塑性变形和挤裂三个阶段。 切屑一般分为带状切屑、挤裂切

31、屑、切屑一般分为带状切屑、挤裂切屑、 单元切屑、单元切屑、 崩碎崩碎切屑等四类，如图切屑等四类，如图1-19所示。所示。 切削时，不仅形成切屑的那一层金属产生很大的变形切削时，不仅形成切屑的那一层金属产生很大的变形,而且工件已加工表面层，由于前刀面的挤压作用和与后刀而且工件已加工表面层，由于前刀面的挤压作用和与后刀面之间的摩擦，使其硬度比工件原来硬度提高，而塑性、面之间的摩擦，使其硬度比工件原来硬度提高，而塑性、韧性明显降低，这种现象称为加工硬化。韧性明显降低，这种现象称为加工硬化。 在切削过程中，还由于切削力和切削热的作用，使已在切削过程中，还由于切削力和切削热的作用，使已加工表面层存在残余

32、应力，也会影响零件表面质量和使用加工表面层存在残余应力，也会影响零件表面质量和使用性能。必要时，需在工序间穿插去应力退火，以消除残余性能。必要时，需在工序间穿插去应力退火，以消除残余应力。应力。 在一定的切削速度下切削塑性材料时，往往在前刀面在一定的切削速度下切削塑性材料时，往往在前刀面靠近切削刃处粘结着一小块很硬的金属，这块金属叫积屑靠近切削刃处粘结着一小块很硬的金属，这块金属叫积屑瘤，又称刀瘤，如图瘤，又称刀瘤，如图1-351-35所示。所示。 1 1）积屑瘤包覆在切削刃上，代替刀具进行切削，对切削刃）积屑瘤包覆在切削刃上，代替刀具进行切削，对切削刃起到一定的保护作用。起到一定的保护作用。

33、 2 2）形成积屑瘤时增大了实际工件前角，可使切削力减小）形成积屑瘤时增大了实际工件前角，可使切削力减小. . 1 1）当积屑瘤突出于切削刃之外时）当积屑瘤突出于切削刃之外时, ,会造成一定的过切量会造成一定的过切量, ,从从而使切削力增大而使切削力增大, ,在工件表面划出沟纹并影响到零件加工的在工件表面划出沟纹并影响到零件加工的尺寸精度。尺寸精度。 2 2）由于积屑瘤局部不稳定）由于积屑瘤局部不稳定, ,容易使切削力产生波动而引起容易使切削力产生波动而引起振动。振动。 3 3）积屑瘤形状不规则，使切削刃形状发生畸变，直接影）积屑瘤形状不规则，使切削刃形状发生畸变，直接影响加工精度。响加工精度

34、。 4 4）积屑瘤被撕裂后，若被切屑带走，会划伤刀面，加快）积屑瘤被撕裂后，若被切屑带走，会划伤刀面，加快刀具的磨损，若留在已加工表面上，会形成毛刺，影响工件刀具的磨损，若留在已加工表面上，会形成毛刺，影响工件表面质量。表面质量。 1) 当当v v很低（很低（ v 5m/min v 100m/min100m/min）时，切削温度升高，摩擦较小，）时，切削温度升高，摩擦较小， 则无积屑瘤形成。则无积屑瘤形成。 1) 采取高速切削；采取高速切削； 2) 采取极低的切削速度；采取极低的切削速度； 3) 喷注切削液；喷注切削液； 4) 增大刀具前角，减小进给量增大刀具前角，减小进给量f f，减小前刀面

35、粗糙度值；，减小前刀面粗糙度值； 5) 对塑性金属材料来说，可采取适当的热处理，改变其金相对塑性金属材料来说，可采取适当的热处理，改变其金相组织。例如低碳钢通过正火、调质处理后，能提高其硬度，降组织。例如低碳钢通过正火、调质处理后，能提高其硬度，降低其塑性，减小积屑瘤生长。低其塑性，减小积屑瘤生长。 一般精车、精铣采用高速切削，而拉削、铰削和宽刀精刨时，一般精车、精铣采用高速切削，而拉削、铰削和宽刀精刨时，采用低速切削，以避免形成积屑瘤。采用低速切削，以避免形成积屑瘤。 1. 1. 切削力及研究切削力的意义切削力及研究切削力的意义2. 2. 切削合力、分力和切削功率切削合力、分力和切削功率3.

36、 3. 切削力的测量与计算切削力的测量与计算主切削力主切削力Fz Fz 是沿切削速度是沿切削速度方向上的分力，又称为切向力方向上的分力，又称为切向力. .进给抗力进给抗力FxFx 是是F F在进给运动在进给运动方向上的分力，外圆车削中又方向上的分力，外圆车削中又叫轴向力。叫轴向力。切深抗力切深抗力Fy Fy 是是F F在切深方向在切深方向上的分力，外圆车削中，又叫上的分力，外圆车削中，又叫径向力。径向力。图图1-41 外圆车削时的切削合力与分力外圆车削时的切削合力与分力 刀具在切削工件时，必须克服材料的变形抗力以及刀具与工刀具在切削工件时，必须克服材料的变形抗力以及刀具与工件、切屑之间的摩擦阻

37、力。这些阻力的总和就是切削合力。件、切屑之间的摩擦阻力。这些阻力的总和就是切削合力。 车削外圆时，作用在车刀上的切削合力指向刀具的右下方车削外圆时，作用在车刀上的切削合力指向刀具的右下方（如图（如图1-41）,为了便于测量和研究，常把切削合力分解成互相为了便于测量和研究，常把切削合力分解成互相垂直的三个分力：垂直的三个分力： 三个分力中，主切削力三个分力中，主切削力Fz Fz 最大，消耗功率也最多，约占总最大，消耗功率也最多，约占总功率的功率的95%95%。它是决定机床主电机功率、设计与校验主传动系。它是决定机床主电机功率、设计与校验主传动系统各零件以及夹具、刀具强度、刚度的重要依据。统各零件

38、以及夹具、刀具强度、刚度的重要依据。 通常情况下，通常情况下，Fx Fx 和和Fy Fy 都小于都小于FzFz，随着刀具几何参数、刀，随着刀具几何参数、刀具磨损情况、切削用量的不同，具磨损情况、切削用量的不同，FxFx、Fy Fy 相对于相对于Fz Fz 的比值在的比值在很大范围内变化，三者之间的比例大致为：很大范围内变化，三者之间的比例大致为：Fx Fx ：Fy Fy ：Fz Fz =(0.1=(0.10.6)0.6)：（：（0.150.150.70.7）：1 1。222XYZFFFFZYFF)7 . 015. 0(ZXFF)6 . 01 . 0(ZFF)36. 103. 1 ( 生产中常用

39、单位切削力生产中常用单位切削力 来估算切削力的大小。所谓单来估算切削力的大小。所谓单位切削力，就是切削单位切削面积（如位切削力，就是切削单位切削面积（如1 1m m）所需要的切削）所需要的切削力，单位为力，单位为N/N/m m。zk（2）切削力的估算）切削力的估算fakAkFpzczZ（N） ZFF)36. 103. 1 (又又 若已知实际的切削深度若已知实际的切削深度a ap p和进给量和进给量f f，便可估算出主切削力。，便可估算出主切削力。 由于主切削力差不多等于切削合力，切削时切削功率的由于主切削力差不多等于切削合力，切削时切削功率的90%以上是消耗在主切削力上。所以主切削力是切削功率

40、计算的主以上是消耗在主切削力上。所以主切削力是切削功率计算的主要依据。要依据。 （3）切削功率）切削功率331010vfakvFPpzZz切削功率：切削功率： （kw） 用刀具切削工件而产生的热称为切削热。切削热也是切削用刀具切削工件而产生的热称为切削热。切削热也是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程影响有多方面影响。过程中产生的重要物理现象，对切削过程影响有多方面影响。切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量。传散到度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量。传散到刀具上

41、的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因。切削热还刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因。切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生影响。通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生影响。 总之，切削热对切削加工的质量、生产率和成本都有直接、总之，切削热对切削加工的质量、生产率和成本都有直接、间接的影响，研究和掌握切削热产生和变化的一般规律，把切间接的影响，研究和掌握切削热产生和变化的一般规律，把切削热的不利影响限制在允许的范围之内，对切削加工生产是有削热的不利影响限制在允许的范围之内，对切削加工生产是有重要意义的。重要意义的。（2 2）切削热的产生与传出）切削热的产生与传出 1 1）切

42、削热的产生）切削热的产生 切削热产生于三个变形区，切削过程中，三个变切削热产生于三个变形区，切削过程中，三个变形区内的金属变形与摩擦产生切削热的根本原因，形区内的金属变形与摩擦产生切削热的根本原因，切削过程中变形与摩擦所消耗的功，绝大部分转化切削过程中变形与摩擦所消耗的功，绝大部分转化为切削热。如图为切削热产生的部位及传散情况示为切削热。如图为切削热产生的部位及传散情况示意图。意图。 2 2）切削热的传出）切削热的传出 切削过程中产生的切削热，将通过切屑、工件、刀具和周围切削过程中产生的切削热，将通过切屑、工件、刀具和周围介质向切削区外传散。各途径传散热量的比例与切削形式、介质向切削区外传散。

43、各途径传散热量的比例与切削形式、刀具、工件材料及周围介质有关。车削加工中刀具、工件材料及周围介质有关。车削加工中50%50%86%86%的热量的热量由切屑带走由切屑带走, 10%, 10%40%40%传入工件，传入工件，3%3%9%9%传入车刀，传入车刀，1%1%左右传左右传入空气。钻孔时入空气。钻孔时,28%,28%的热由切屑带走，的热由切屑带走，14.5%14.5%传入刀具，传入刀具，52.5%52.5%传入工件，传入工件，5%5%左右传入周围介质。左右传入周围介质。 另外，切削速度另外，切削速度对各途径传热比例也有一定的影响。切削对各途径传热比例也有一定的影响。切削速度速度越高，切屑带走

44、的热量则更少。越高，切屑带走的热量则更少。 据试验知，车削钢材时的切削温度与切削用量的关系据试验知，车削钢材时的切削温度与切削用量的关系： 式中：式中： 切削温度切削温度 常数常数 可见，切削用量中，以切削速度对切削温度的影响最大，可见，切削用量中，以切削速度对切削温度的影响最大，进给量次之，而切削深度影响最小。进给量次之，而切削深度影响最小。0.30.150.08pCvfaC（3 3）切削温度）切削温度 切削温度是指刀具表面上与切屑、工件接触处的平均温度。切削温度是指刀具表面上与切屑、工件接触处的平均温度。（4 4）影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 影响切削温度的主要因素有切削用

45、量、工件材料、刀具材影响切削温度的主要因素有切削用量、工件材料、刀具材料及刀具几何形状、冷却液等。料及刀具几何形状、冷却液等。 前角前角o o 增大，切削力减小，消耗的增大，切削力减小，消耗的功率及产生的切削热相应减少，故前角在一定功率及产生的切削热相应减少，故前角在一定范围内增大时，切削温度随前角增大而降低，范围内增大时，切削温度随前角增大而降低，但当前角增大到一定程度后，则会由刀尖契角但当前角增大到一定程度后，则会由刀尖契角减小使散热条件变差的作用变得突出，继续增减小使散热条件变差的作用变得突出，继续增大刀具反而会使切削温度升高。图大刀具反而会使切削温度升高。图1-531-53示出了示出了

46、随随o o增加而变化的规律。增加而变化的规律。 在切削深度在切削深度a ap p不变时，减小主偏角不变时，减小主偏角 r r ，将使刀刃工作长度增加，散热条件得到改，将使刀刃工作长度增加，散热条件得到改善，但同时，切屑会变得薄而宽，使切屑平均善，但同时，切屑会变得薄而宽，使切屑平均变形增大面是导致生热增加。由于散热作用更变形增大面是导致生热增加。由于散热作用更大，故大，故还是随还是随 r r的减小而降低。图的减小而降低。图1-541-54示出示出了主偏角对了主偏角对的影响规律。的影响规律。图图1-52 前角对切削温度的影响前角对切削温度的影响工件材料：工件材料：45钢钢 刀具材料：高速钢刀具材

47、料：高速钢ap=1.5mm，f = 0.2mm r-1，c=20mmin-1图图1-53 1-53 主偏角对切削温度的影响主偏角对切削温度的影响a ap p =2mm=2mm，r r=20mm=20mm 工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。的影响。 工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的切削热多，故切削温度高。生的切削热多，故切削温度高。 由于由于4545钢在正火、调质和淬火状态下的强度、硬度差别较钢在正火、调质和淬火状态下的强度、硬度差别较大，故三者的切削

48、温度差别也相当明显。大，故三者的切削温度差别也相当明显。 工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢(1Cr18Ni9Ti)(1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于的强度、硬度虽然低于4545钢，但它的导热系钢，但它的导热系数小于数小于4545钢（约为钢（约为4545钢的钢的1/31/3）切削温度比）切削温度比4545钢高钢高40%40%。 切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明，前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明

49、，切灰铸铁切灰铸铁HT200HT200时的切削温度比切时的切削温度比切4545钢大约低钢大约低25%25%。3）工件材料）工件材料 2. 2. 切削液切削液 在金属切削过程中合理选用切削液，可以改善刀具与切屑在金属切削过程中合理选用切削液，可以改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦情况，改善散热条件，从而降低切削和刀具与工件界面的摩擦情况，改善散热条件，从而降低切削力、切削温度和刀具磨损。切削液还可以减少刀具与切屑的粘力、切削温度和刀具磨损。切削液还可以减少刀具与切屑的粘结，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，提高已加工表面质量，可以减结，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，提高已加工表面质量，可以减少工件热变形，保证

50、加工精度。少工件热变形，保证加工精度。 通常要求切削液具有以下四方面作用：通常要求切削液具有以下四方面作用： 1 1）冷却作用）冷却作用 2 2）润滑作用）润滑作用 3 3）清洗作用）清洗作用 4 4）防锈作用）防锈作用 除上述作用外除上述作用外,还要求切削液价廉、配制方便、稳定性好、不还要求切削液价廉、配制方便、稳定性好、不污染环境和不影响人体健康。以上要求对一种切削液很难全面污染环境和不影响人体健康。以上要求对一种切削液很难全面满足。因此，要根据具体切削条件和使用要求，合理选用满足。因此，要根据具体切削条件和使用要求，合理选用 。 金属切削加工中常用的切削液可分三大类：水溶液、金属切削加工

51、中常用的切削液可分三大类：水溶液、乳化液、切削油。乳化液、切削油。 水溶液主要成分是水，最简单的是在水中加水溶液主要成分是水，最简单的是在水中加入一定防锈添加剂，为了具有一定的润滑性能，可加入一入一定防锈添加剂，为了具有一定的润滑性能，可加入一定量表面活性物质和油性添加剂。这样就使水溶液既有良定量表面活性物质和油性添加剂。这样就使水溶液既有良好冷却性，又有一定润滑性，同时又透明，操作者便于观好冷却性，又有一定润滑性，同时又透明，操作者便于观察，某些情况下可代替乳化液，多用于磨削，也可用于切察，某些情况下可代替乳化液，多用于磨削，也可用于切削。削。 乳化液是乳化油用水稀释而成。乳化油是由乳化液是

52、乳化油用水稀释而成。乳化油是由矿物油、乳化剂及添加剂配成，用矿物油、乳化剂及添加剂配成，用959598%98%水稀释成乳白色水稀释成乳白色的或半透明的乳化液。它有良好的冷却作用，但润滑、防的或半透明的乳化液。它有良好的冷却作用，但润滑、防锈性能较差，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈锈性能较差，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配成极压乳化液和防锈乳化液。前者适用于极压添加剂，配成极压乳化液和防锈乳化液。前者适用于极压边界摩擦，可代替植物油，后者适用于防锈性能要求较高边界摩擦，可代替植物油，后者适用于防锈性能要求较高的加工。的加工。1. 切削液的种类切削液的种类 主要成分是矿物

53、油。常用的有主要成分是矿物油。常用的有5 5#、7 7#、1010#、2020#、3030# 机械油和轻柴油、煤油等，但不适用于边界润滑，边界润机械油和轻柴油、煤油等，但不适用于边界润滑，边界润滑需要加入油性、极压添加剂。滑需要加入油性、极压添加剂。也有少数采用动植物油，如豆油、菜油、棉子油、蓖麻油、也有少数采用动植物油，如豆油、菜油、棉子油、蓖麻油、猪油等。猪油等。 复合油是将植物油或动物油脂与矿物油混合制成。它们在复合油是将植物油或动物油脂与矿物油混合制成。它们在边界润滑状态下具有良好的润滑作用，适用于低速精加工。边界润滑状态下具有良好的润滑作用，适用于低速精加工。但它们是食用油，又容易变

54、质，故最好不用或少用，由含硫、但它们是食用油，又容易变质，故最好不用或少用，由含硫、氯等极压添加剂的矿物油代用。氯等极压添加剂的矿物油代用。 此外，也有采用固体润滑剂的，如二硫化钼，其摩擦系数此外，也有采用固体润滑剂的，如二硫化钼，其摩擦系数很小，有很高的抗压能力和附着能力，不与酸碱起作用，温很小，有很高的抗压能力和附着能力，不与酸碱起作用，温度稳定性好，度稳定性好，4040左右才开始分解。将二硫化钼与硬脂酸及左右才开始分解。将二硫化钼与硬脂酸及石腊做成腊笔，涂于刀具表面，或混合在水中或油中，涂抹石腊做成腊笔，涂于刀具表面，或混合在水中或油中，涂抹在刀具表面，可提高刀具耐用度和加工表面光洁度。

55、如对钢在刀具表面，可提高刀具耐用度和加工表面光洁度。如对钢件件30CrMnSiA30CrMnSiA攻丝，效果显著。攻丝，效果显著。 切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求的具体情况选用，否则不能取得应有的效果。的具体情况选用，否则不能取得应有的效果。 高速钢刀具耐热性差，故应采用切削液。粗加工时，金属高速钢刀具耐热性差，故应采用切削液。粗加工时，金属切除量多，产生热量大，刀具容易磨损。使用切削液的主切除量多，产生热量大，刀具容易磨损。使用切削液的主要目的为降低切削温度，可选用以冷却为主的切削液，如要目的为降低切削温度，可选用以冷却为

56、主的切削液，如3 35%5%乳化液或水溶液。精加工时主要改善加工表面质量，乳化液或水溶液。精加工时主要改善加工表面质量，应选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。应选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。 硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液，必要时也硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液，必要时也可采用低浓度乳化液或水溶液可采用低浓度乳化液或水溶液, ,但必须连续，充分地供应，但必须连续，充分地供应，否则高温下刀片冷热不匀，容易产生很大内应力而导致裂否则高温下刀片冷热不匀，容易产生很大内应力而导致裂纹。纹。2.2.切削液的合理选用切削液的合理选用 从加工材料考虑，切削钢料等塑性

57、材料，需用切削液。切从加工材料考虑，切削钢料等塑性材料，需用切削液。切削铸铁等脆性材料，则一般可不用切削液，因为作用不如切削铸铁等脆性材料，则一般可不用切削液，因为作用不如切钢时明显，且容易搞脏工作地。对于高强度钢、高温合金等钢时明显，且容易搞脏工作地。对于高强度钢、高温合金等难加工材料，对切削液的冷却、润滑等方面，均有较高要求。难加工材料，对切削液的冷却、润滑等方面，均有较高要求。这类材料的切削加工均处于极压润滑摩擦状态，故应选用极这类材料的切削加工均处于极压润滑摩擦状态，故应选用极压切削油或极压乳化液，有时还需专门配制特殊的切削液以压切削油或极压乳化液，有时还需专门配制特殊的切削液以适应其

58、切削要求。对于铜、铝及铝合金，为了得到较高表面适应其切削要求。对于铜、铝及铝合金，为了得到较高表面质量和精度，可采用质量和精度，可采用101020%20%乳化液、煤油或煤油与矿物油的乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合。但要注意硫会腐蚀铜，故切铜时不用含硫的切削液。混合。但要注意硫会腐蚀铜，故切铜时不用含硫的切削液。铝的强度低，如果极压添加剂与金属形成的化合物强度超过铝的强度低，如果极压添加剂与金属形成的化合物强度超过金属本身，这种切削液将带来相反效果，故切铝时也不宜用金属本身，这种切削液将带来相反效果，故切铝时也不宜用硫化切削油硫化切削油。 常见的切削液使用方法有浇注法、高压冷却法和常见的切削液

59、使用方法有浇注法、高压冷却法和喷雾冷却法：喷雾冷却法： 1 1）浇注法）浇注法: : 如图所示，浇注法使用方便，应用广泛，但流如图所示，浇注法使用方便，应用广泛，但流量慢、压力低，较难直接进入刀刃最高温度处，故量慢、压力低，较难直接进入刀刃最高温度处，故效果较差。使用时应使切削液尽量接近切削区。效果较差。使用时应使切削液尽量接近切削区。3. 切削液的使用方法切削液的使用方法 深孔加工时，利用高压的切削液，可以直接接近切深孔加工时，利用高压的切削液，可以直接接近切削区起冷却、润滑作用削区起冷却、润滑作用, ,并将碎断的切屑随液流带出孔并将碎断的切屑随液流带出孔外。外。 喷雾冷却法是以压力为喷雾冷

60、却法是以压力为0.290.290.59Mpa(30.59Mpa(36kgf/cm6kgf/cm2 2) )的的压缩空气，借助喷雾器使切削液雾化，经直径压缩空气，借助喷雾器使切削液雾化，经直径1.51.53mm3mm的喷咀，高速喷射到切削区，见图的喷咀，高速喷射到切削区，见图1-591-59。 高速气流带着雾化成细小液滴的切削液能渗透到切削高速气流带着雾化成细小液滴的切削液能渗透到切削区接触面间。遇到灼热的表面时，很快汽化，吸收大量区接触面间。遇到灼热的表面时，很快汽化，吸收大量热量。热量。喷雾冷却示意图喷雾冷却示意图1.3 刀具磨损与耐用度刀具磨损与耐用度1.3.1 1.3.1 刀具磨损形式及