机械制造工程讲义

1、第1章 金属切削加工的基础知识-讲义金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。对刀具的基本要求是：应具有适当的切削角度，刀具材料对工件具有一定的切削能力。1.1 金属切削加工基本知识一.切削运动 切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面：待加工表面、已加工表面、加工表面（工件上正在被刀具切削着的表面）。切削运动刀具与工件间的相对运动，切削运动可分为主运动和进给运动。 (1) 主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，以进行切削的最基本运动。是机床上形成切削速度并消耗大部分切削动力的运动，是必不可少的成形运动。可由工件或刀具来实现。主运动只有一个、速度最高、消耗功率最大。 (2) 进给运动是

2、不断地把待切金属投入切削的过程，从而加工出全部表面的运动。进给运动不止一个、速度较低、消耗功率较小。合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动。二.切削用量 切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）合称切削用量，又称为切削用量三要素。（1）切削速度Vc：计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。车削外圆的计算公式如下：（2）进给量f ：表示进给运动的速度 在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位为mm/r（用于车削、镗削）或mm/行程（用于刨削、磨削），还可以用进给速度Vf表示（mm/s）或每齿进给量fz（mm/齿）（3） 背吃刀量（切削深度）ap：对外圆车削，

3、为已加工表面待加工表面间的垂直距离。三.刀具切削部分的基本定义 金属刀具的种类很多，单它们切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具结构如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。1车刀的组成 以外圆车刀为例，切削部分由以下部分组成：（1） 前面（前刀面）：刀具上与切屑接触并相互作用的平面（2） 主后面（主后刀面）；刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。（3） 副后面（副后刀面）：刀具上与工件已加工表面相对并相互作用的表面。（4） 主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。（5） 副切削刃：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形

4、成已加工表面。（6） 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。 其他各类刀具，都可看作时车刀的演变和组合。2. 刀具角度的参考系 刀具必须具有一定的切削角度才能从工件上切除金属。刀具作为一个三维几何体，要确定其切线部分各表面和切削刃的空间位置，需要建立三维平面参考系。前提条件：考虑进给运动；车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面Pr平行； 为确定和测量刀具角度，引入三个相互垂直的参考平面。(1)切削平面Ps：通过主切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。(2)基面Pr：通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。(3)正

5、交平面Po： 通过主切削刃上某一点并同时垂直于切削平面与基面的平面。3刀具的标注角度 在正交平面内标注的角度：（1）前角0：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分（2）后角0 ：，在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。（3）刃倾角s：在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。刀主切削刃为水平时s0；刀尖为主切削刃上最低点时，s <0，刀尖为主切削刃上最高点时，s >0。在基面内标注的角度：（4）主偏角r：在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。主偏角一般为正值。（5

6、）副偏角r：在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。4刀具的工作角度实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，标注角度会发生一定的变化，角度变化的根本原因时切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。（1）刀具安装位置对工作角度的影响以外圆车刀为例，当刀尖安装的高于工件轴线时，将引起工作前角和工作后角的变化。实际工作前角将大于标注前角，工作后角将小于标注后角。如果刀尖安装的低于工件轴线，则工作角度的变化情况恰好相反。当车刀安装偏斜时，将会引起工作主

7、偏角和工作副偏角的变化。2. 进给运动对工作角度的影响在做进给运动时，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角。横向进给时（如车端面或切槽）时，加工表面是阿基米德螺旋面，当进给量f增大时，值增大；工件切削直径d越小值越大。纵向进给时（如车外圆与螺纹），其加工表面实际上是螺旋面。一般车削时，进给量比工件直径小很多，故螺旋升角很小，对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但当进给量f很大时（如车螺纹），进给运动对工作角度的影响不可忽视。四切削层参数 切削层：刀具的切削刃在一次走刀从工件待加工表面切下的金属层（阴影的平行四边形），三个都在垂直于切削速度的平面内测量。（1） 切削层公称厚度hD：相邻

8、两过渡表面间的距离，反映了切削刃单位长度上的切削负荷。 （2） 切削层公称宽度bD：沿过渡表面测量的切削层尺寸，反映了切削刃参加切削的工作长度。 （3） 切削层公称横截面积AD： 1.2 刀具材料1. 刀具材料应具备的性能 （1）高的硬度 必须高于工件材料的硬度，>60HRC（2）高的耐磨性 硬度越高，耐磨性越好（3）足够的强度和韧性 承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃（4）高的耐热性（热稳定性） 在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力（5）良好的热物理性能和耐热冲击性能 即刀具的导热性要好（6）良好的工艺性能和经济性2.常用刀具材料常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢

9、、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢耐热性差，仅用于一些手工工具及切削速度较低的刀具，金刚石不宜切削铁族金属。（1）高速钢：加入较多钨（W）、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢与碳素工具钢、合金工具钢相比，能提高切削速度13倍（所以称高速钢），提高刀具耐用度1040倍。具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的23倍，陶瓷的56倍）和韧性，具有一定的硬度（6370HRC）耐磨性。它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料，高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀

10、具等形状复杂的刀具。可分为通用型高速钢和高性能高速钢。通用型高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2是大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，应用最为广泛。高性能高速钢比前者好：如W6Mo5Cr4V2Al，适用加工难加工材料。（2）硬质合金 ：硬质合金是用具有高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。其硬度为8993HRA(相当于7482HRC)，能耐8501000°C的高温，具有很好的耐磨性，允许使用的切削速度可达(100300)mmin，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此得到广泛的应用。但是，硬质合金的抗弯强度低、冲击韧性差，所以

11、很少用于制造整体刀具。一般用它制造各种形状的刀片。（3）陶瓷材料：陶瓷是以氧化铝(A12O3)或氮化硅(Si3N4)等为主要成分，经压制成形后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。 陶瓷刀具与传统硬质合金刀具相比，具有的优点：1)可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工材料；2)可进行粗车及铣、刨等大冲击间断切削；3）耐用度可提高几倍至几十倍；4)切削效率提高310倍，可实现以车、铣代磨。（4）立方氮化硼：由立方氮化硼在（CBN）在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000度以上的切削温度。它的

12、最大优点是在高温(12001300°C)时也不会与铁族金属起反应，因此，既能胜任淬硬钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。（5）金刚石：有天然金刚石和人造金刚石两种。但天然很贵，所以刀具用人造。用刀具材料用作有色金属的高速精细切削。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。第2章 金属切削过程的基本规律-讲义本章提要 在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损和刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象

13、进行研究、揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面、提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。2.1 金属切削过程一、切屑形成过程及变形区的划分自由切削只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工作，称为自由切削。曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削，则称为非自由切削。为了简化研究工作，通常采用自由切削来观察和研究。实验证明，金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。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°方向的斜截面产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。

14、金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。低速直角自由切削工件得到的切削层的变形可大致划分为三个变形区三个变形区1.第一变形区从使滑移面开始发生塑性变形，到终滑移面晶粒的剪切滑移基本完成。第一变形区的主要特征是：沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。2.第二变形区切屑沿前刀面排出时受到前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面处金属纤维化，基本和前刀面平行。这一变形区的特征是：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减慢，甚至会停滞在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触温度升高。对第一变形区也有影响.3.第三变形区已加工表面受切削刃和后刀面的挤压和摩擦

15、，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化，影响已加工表面质量。二、变形系数剪切角剪切面和切削速度之间的夹角。剪切角的大小可作为衡量切削过程情况的一个标志。由于剪切角难以测量，通常用变形系数来度量。厚度变形系数，长度变形系数根据体积不变原理，h= l >1直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量。 ，变形越大。三、切屑类型由于工件材料不同，变形程度也不同，因而切屑类型也不同1. 带状切屑：最常见，内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属，当切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时产生。2. 挤裂切屑：外表面呈锯齿形，内表面时有裂纹。切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小时产生。3. 单元切屑

16、：在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑。带状切屑、挤裂切屑、单元切屑只有在加工塑性材料时才会得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。4. 崩碎切屑： 这是属于脆性材料的切屑。切屑形状不规则，表面凸凹不平；切

17、削过程中切屑在破裂前变形很小。脆断主要是因为材料应力超过抗拉极限。由于切削过程很不平稳，容易破坏刀具，有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。方法是：减小切削厚度，使切屑成针状或片状，同时适当提高切削速度，以增加塑性材料的塑性。二、切屑控制的措施切屑控制又称切屑处理、断屑，是指在切屑加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。衡量切屑可控性的主要标准是：不妨碍正常的加工（即不缠绕在工件、刀具上，不飞溅的机床运动部件中）；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。应用最广的措施：在前刀面上磨出断屑槽或使用压块式断屑器。三、积屑瘤的形成及其对切削过程

18、的影响1. 形成：切屑与前刀面接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生冷焊现象，如果温度与压力适当，金属因内摩擦而变形，发生加工硬化，这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。所以积屑瘤的产生以及它的积累高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。 塑性材料的加工硬化倾向，产生积屑瘤愈易， 温度与压力太低与太高，都不会产生积屑瘤。积屑瘤高度与切削速度有密切关系2. 积屑瘤对切削过程的影响既有积极影响，又有消极影响。（1）实际前角增大，可使切削力减小，对切削过程起积极作用，积屑瘤愈高，实际前角愈大。（2）增大切削厚度，积屑瘤生成是一个周期性的动态过程，因而

19、有可能引起振动。（3）使加工表面粗糙度增大，因此在精加工时应避免。（4）对刀具寿命的影响积屑瘤相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在不稳定时使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使刀具颗粒剥落，反而磨损加剧。3. 防止积屑瘤的方法是（1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；（2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；（3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；（4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；（5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。 2.2 切削力与切削功率一、切削力的来源,切削合力及其分解，切削功率1. 切削力金属切削时，刀具

20、切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力。切削力来源于三个方面：（1）克服被加工材料对弹性变形的抗力（2）克服被加工材料对塑性变形的抗力（3） 克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面的过渡表面与已加工表面之间的摩擦力2. 分解Fc切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。Ff进给力或轴向力。它是处于基面内并与工件轴线平行与进给方向相反的力。是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的。Fp切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。它用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度，它与工件在切

21、削过程中产生的振动有关。3. 切削功率消耗在切削过程中的功率称为切屑功率Pc，为Fc和Ff所消耗的功率之和，因Fp方向没有位移，所以不消耗功率。 第二项是消耗在进给运动中的功率，相对于Fc所消耗的功率很小，可略去。 则电动机的功率PE 其中机床的传动效率，0.750.85三、切削力的经验公式和切削力估算两类：一类式指数公式，一类式按单位切削力进行计算1. 指数公式 CFc、CFp、CFf 系数，与工件材料及切削条件有关 。xFc、yFc、xFp、yFp、xFf、yFf 指数 。KFc、KFp、KFf 实际加工条件与求得经验公式时的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积 。参数可以查手册，当

22、刀具的几何参数及其他条件与以上不合时，用相应的修正系数进行修正。2. 单位切削力和单位切削功率单位切削力单位面积上的切削力。估算切削力： 2.3 切削热、切削温度一、切削热的产生和传导切削时所消耗的能量，有9899转化为热能，大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响切削的各种性能。1. 切削热的产生三个发热区域：1剪切面；2切屑与前刀面接触区；3后刀面与过渡表面接触区。2. 切削热的传导Q=Q屑+Q刀+Q工+Q介（1）工件材料的导热性能影响热传导的重要因素。如果工件材料的导热系数低，通过工件和切屑传导出去的热量就小，使得通过刀具传导出去的热量增加，热量不易传出，切削温度增高，刀具容易磨损。（

23、2）刀具材料的导热性能 如果刀具导热系数高，切削热易从刀具方面导出，有利于提高刀具寿命。（3）切削与其刀具接触时间的长短切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出的比例。举例如下：车削时，切削带走的切削热为5086，车刀传出4010，工件传出93，周围介质传出1；钻削时，切削带走的切削热为28，刀具传出14.5，工件传出52.5，周围介质传出5。二、切削温度的分布切削温度：“指切削区（切屑与前刀面接触区）的平均温度。切削塑性材料时：切削区温度最高点是在前刀面上靠近刀刃处。切削脆性材料时：切削区最高温度在后刀面靠近刀尖处三、 切削温度的测量直接影响切削过程的是切削温度，而不是切削热。切削温度是指前刀

24、面与切屑接触区域的平均温度。目前应用较广且成熟简单可靠的方法是自然热电偶法和人工热电偶法。自然热电偶法：刀具-工件的的接触面上形成热电偶的热端，将工件与刀具的引出段保持室温，则形成了热电偶的冷端；将热电动势测出并记录下来，在根据事先进行标定的刀具-工件所组成热电偶的温度与输出电压的关系曲线（标定曲线），便可求得切削温度的平均值。 刀具与工件应用机床绝缘。用自然热电偶法测到的是平均切削温度。当更换刀具材料或工件材料时，须重新标定温度-输出电压曲线。这是自然热电偶法的不足之处。四、 影响切削温度的主要因素1. 切削用量的影响切削温度的经验公式： v对的影响最为显著，f对的影响次之，ap对的影响最小

25、。因此选择大的背吃刀量和进给量f比选择大的切削速度v更有利。2. 刀具几何参数的影响切削温度随前角的增大而降低。但前角大于1820度后，对切削温度的影响减小。主偏角kr减小时，切削宽度增大，切削厚度减小，故切削温度下降。3. 工件材料的影响工件材料的强度和导热系数对切削温度的影响很大。单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度直接决定了单位切削了。工件材料强度增大，温度升高。4. 刀具磨损的影响后刀面磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大。5. 切削液的影响2.4 刀具的磨损与刀具使用寿命一、 刀具磨损的形态及其原因刀具损坏的主要形式有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，后者包

26、括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种。1. 刀具磨损的形式有以下几种：（1）前刀面磨损 切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，会产生月牙洼磨损，深度不断增大，最大值为KT。（2）后刀面磨损工件的新鲜加工表面与刀具后刀面接触，摩擦，引起后刀面磨损。小面积接触，接触压力大，存在塑性和弹性变形。磨损就发生在小接触面上。切削铸铁和以较小的切削厚度切削塑性材料时，主要发生后刀面磨损。磨损不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC， B区磨损比较均匀，平均磨损带宽度以VB表示，最大磨损宽度VBmax。（3）边界磨损：主切削刃边界磨损和副切削刃边界磨损发生原因：一方面切削时，在刀刃附

27、近的前、后刀面上，压应力和剪应力很大，但在工件外表面处的切削刃上应力突然下降，形成很高的应力梯度，引起很大的剪应力。同时，前刀面上切削温度最高，而与工件待加工表面接触点处，由于受空气或切削液冷却造成很高的温度梯度，也引起很大的剪应力。因而在主切削刃后刀面上发生边界磨损。另一方面由于加工硬化作用，靠近刀尖部分的副切削刃处的切削厚度减薄到零，引起这部分刀刃打滑，促使副后刀面上发生边界磨损。加工铸、锻件等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。2. 刀具磨损的原因 刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。前者是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的磨损，后者则是由粘结、扩散、腐蚀等引起的磨损。（1）

28、磨料磨损：切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。（2）粘结磨损：刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。中速偏低速度下切削塑性材料金属时，形成不稳定积屑瘤，粘结磨损严重。（3）扩散磨损：工件材料和刀具在高温下（9001000）相互扩散造成的磨损。（4）化学磨损：刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在高温下（700800）与空气中的氧作用产生松脆氧化物，造成刀具磨损。总的来说，对一定的刀具和工件材料，其主导作用的是切

29、削温度。在低温区以机械磨损为主，在高温区以热、化学磨损为主。例如：硬质合金刀具高速切削钢料时，主要是扩散磨损，并伴随粘结磨损和化学磨损；硬质合金YT15刀具加工耐热钢，低速区（低温区），硬质点磨损起决定作用。900以上时，热扩散等磨损起决定作用。二、 刀具的磨损过程及磨钝标准1. 刀具磨损过程分为三个阶段：（1） 初期磨损阶段（2） 正常磨损阶段（3） 急剧磨损阶段2. 磨钝标准概念：磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。实际生产中通过一些现象来判断，发现异常及时换刀。在评定刀具材料切削性能和实验研究时，都以刀具表面的磨损量作为衡量刀具的磨钝标准。国际标准ISO统

30、一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为衡量刀具的磨钝标准，成为刀具径向磨损量NB。三、 刀具寿命的经验公式1. 刀具使用寿命确定了磨钝标准之后，就可以定义刀具寿命。一把新刀(或重新刃磨过的刀具)从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间，称为刀具使用寿命（刀具耐用度）。对于可重磨刀具，刀具寿命指的是刀具两次刃磨之间所经历的实际切削时间；而对其从第一次投入使用直至完全报废(经刃磨后亦不可再用)时所经历的实际切削时间，叫做刀具总寿命。显然，对于不重磨刀具，刀具总寿命即等于刀具寿命；而对可重磨刀具，刀具总

31、寿命则等于其平均寿命乘以刃磨次数。应当明确，刀具寿命和刀具总寿命是两个不同的概念。2. 切削用量与刀具使用寿命的关系切削用量与刀具使用寿命的关系式为：如，用硬质合金外圆车刀切削b=0.75GPa的碳钢时，当f>0.75mm/r，经验公式为：可见：vc对T的影响最大，f次之，aP最小。在优选切削用量以提高生产率时，首先应尽量选大的aP，然后根据加工条件和要求选允许最大的f，最后根据T选取合理的vc。3. 刀具合理使用寿命的选择 （1）最大生产率使用寿命TP：根据单件工序工时最短的原则来确定T。，式中：m 指数。 对于高速钢： m=0.10.125；硬质合金： m=0.10.4； 陶瓷刀具：

32、 m=0.20.4。tct 换刀一次所需时间。（2） 经济使用寿命Tc：根据单件工序成本最低的原则来确定T式中：m与tct 同上。Ct刀具成本; M该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支。一般情况下采用经济使用寿命，并按经验数据或查表法确定。当需完成紧急任务或生产中出现不平衡环节时，则可采用最大生产率使用寿命。2.5 切削条件的合理选择一、切削液1. 切削液的作用（1）冷却作用（2）润滑作用（3）清洗作用（4）防锈作用2. 常用切削液种类及选用1） 水基切削液：良好的冷却和清洗作用（1）水溶液主要成分：水和一定的添加剂，冷却性能最好，加入防锈剂和油性添加剂具有一定的润滑和防锈性能，呈透明

33、状。用途：普通磨削和粗加工（2）乳化液成分：9598的水加入适量的乳化油（由矿物油、乳化剂及添加剂配制而成）颜色：乳白色或半透明色作用：低浓度主要起冷却作用，适用于磨削、粗加工用途：高浓度主要起润滑作用，适用于精加工、复杂工序的加工（3）离子型切削液成分：阴离子型、非离子型表面活性剂和无机盐配制而成的母液加水稀释而成。作用：通过切削液的离子反应，可迅速消除在切削或磨削中由于强烈摩擦所产生的静电荷，起到良好的冷却效果，用途：适用于高速磨削和强力磨削2）油基切削液主要包括切削油、极压切削油及其固体润滑剂等。 （1）切削油成分：各种矿物油（如机械油、轻柴油、煤油等）、动植物油（如豆油、猪油等）和加入

34、矿物油与动植物油的混合油，主要起润滑作用。 矿物油价格便宜，润滑性能较差，主要用于切削速度较低的加工，易切钢和有色金属的切削。机械油润滑性能较好，在普通精车、螺纹精加工中使用甚广。纯矿物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜，常常加入油性添加剂、防锈添加剂和极压添加剂以提高润滑和防锈性能。（2）极压切削油成分：在切削油中加入硫、氯、磷等极压添加剂而组成的，它在高温下不破坏润滑膜，具有较好的润滑、冷却效果，特别在精加工、关键工序和难加工材料切削时效果更佳。（3）固体润滑剂 成分：用二硫化钼、硬脂酸和石蜡作成蜡棒，涂在刀具上，切削时减小摩擦，起润滑作用，可用于车、铣、钻、拉和攻螺纹等加工，也可添加在切

35、削液中使用，能防止粘结和抑制积屑瘤的形成。粗加工时，切削用量大，以降低切削温度为主，应选用冷却性能好的切削液，如水溶液、离子型切削液或3%5%乳化液。精加工时，为减小工件表面粗糙度值和提高加工精度，选用的切削液应具有良好的润滑性能，如高浓度乳化液或切削油等。二、刀具合理几何参数的选择1.前角的功用及选择前角o对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。工件材料的强度、硬度

36、低，前角应选得大些，反之小些（如有色金属加工时，选前角较大）；刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）；精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。2后角的功用与选择后角的功用：后角o的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。后角同时又影响刀具的强度。后角的选用原则：粗加工以确保刀具强度为主，可在4o-6o范围内选取； 精加工以加工表面质量为主，可在o=8o12o一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角（切削时起支承作用，增加系统刚性并起消振作

37、用）；尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。 3主偏角、副偏角的功用与选择 主偏角kr的大小影响切削条件（切削宽度和切削厚度的比例）和刀具寿命。 在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以kr宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。 r：影响加工表面粗糙度和刀具强度。其作用是可减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削振动。 r的大小主要根据表面粗糙度的要求选取。通常在不产生摩擦和振动条件下，应选较小的 r。4刃倾角的功用与选择 刃倾角s主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。 刃倾角s选用原则：主要根据刀具强度、流

38、屑方向和加工条件而定。 粗加工时，为提高刀具强度，s取负值；精加工时，为不使切屑划伤已加工表面，s常取正值或0。三、切削用量的合理选择切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。切削用量选择原则：能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工艺系统强度和刚性允许下及充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量。1. 制订切削用量时考虑的因素（1）切削加工生产率

39、在切削加工中，金属切除率与切削用量三要素ap、f、vc均保持线性关系，即其中任一参数增大一倍，都可使生产率提高一倍。然而由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其它二参数必须减小。因此，在制订切削用量时，三要素获得最佳组合，此时的高生产率才是合理的。一般情况下尽量优先增大ap ，以求一次进刀全部切除加工余量。 （2）机床功率 背吃刀量ap和切削速度vc增大时，均使对切削功率成正比增加。进给量f对切削功率影响较小。所以，粗加工时，应尽量增大进给量。 （3）刀具寿命（刀具的耐用度T） 切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为vc、f、ap。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，首先应

40、采用尽可能大的背吃刀量ap；然后再选用大的进给量f；最后求出切削速度vc。 （4）加工表面粗糙度精加工时，增大进给量将增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。在较理想的情况下，提高切削速度vc，能降低表面粗糙度值；背吃刀量ap对表面粗糙度的影响较小。 综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背吃刀量ap，其次选择一个大的进给量f。最后根据已确定的ap和f，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选挥一个合理的切削速度vc。2.6 工件材料的切削加工性 材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度，是一个相对的概念。 一、衡量切削加工性的指标 1. 切削速

41、度vT的含义：当刀具使用寿命为T(min）时切削某种材料所允许的切削速度。 vT越高，材料的切削加工性越好。通常取T = 60 min，vT写作v60 ；难加工材料，vT为v15或v30 。 2. 相对加工性Kr： Kr v60 / (v60 )j Kr>1时，材料比45钢易切削。反之，差二、改善材料切削加工性的基本方法 1. 进行适当的热处理：正火、退火等 2. 调整材料的化学成分： 钢中加硫、铅等元素；铸铁中增加石墨成分 3. 采用新的切削加工技术第3章 机床与刀具-讲义3.1 金属切削机床基本知识一、机床的分类 和型号1. 机床的分类根据我国制定的机床型号编制方

42、法，目前将机床分为12类：车床、钻床、磨床、齿轮加工机床，螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床以及其他机床。按应用范围分：（1）普通机床 （通用机床）用于加工多种零件的不同工序，加工范围较广，通用性较大，但结构比较复杂。这种机床主要适用于单件小批生产，例如卧式车床、万能升降台铣床等。（2）专门化机床它的工艺范围较窄，专门用于加工某一类或几类零件的某一道（或几道）特定工序，如曲轴车床、凸轮轴车床等。（3）专用机床工艺范围最窄，只能用于加工某一种零件的某道特定工序，适用于大批量生产。如加工机床主轴箱的专用镗床、车床导轨的专用磨床等。各种组合机床也属于专用机床。按加工精度分

43、：普通精度、精密精度、高精度按自动化程度：手动、机动、半自动、自动机床按机床质量分：仪表机床、中型、大型、重型机床按机床主轴或刀架数目：单轴、多轴机床发展方向 ：数控化 ，功能日趋多样化，工序更加集中。2. 机床型号的编制方法机床型号是机床产品的代号，用以简明地表示机床的类型、性能和结构特点、主要技术参数等。我国机床型号编制方法的现行国家标准是“GBT153751994金属切削机床型号编制方法”，机床型号由一组汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成。 l        类代号（第1、2个数字

44、）    共12类，还有子类，只有磨床有子类，在类别字母前用数字表示。如磨床M、2M、3M。即图中的第一个数字为1、2、3，且只有磨床有。l        通用特性和结构特性代号（第3个数字）某类机床除有普通型外，还有某种通用特性，则在类代号后加通用特性代号。对于主参相同而结构、性能不同的机床，加结构特性代号。排在类代号之后，如有通用特性代号，则排在结构特性代号之后。所以序号3有可能是两个汉语拼音字母。l       

45、; 组别（第4个数字）每类机床分为10组，09，如MG1432A，组别为1，对照表，可以查出代表外圆磨床。再如CA6140，组别为6，代表落地及卧式车床。l        系别（第4个数字）每组分为若干系。如MG1432A，系别为4，CA6140，系别为1。l        主参数或设计顺序号（第5个数字）主参数代表机床规格的大小，用折算值表示（主参数×折算系数如1/10）。某些通用机床，当无法用一个主参数表示时，则

46、在型号中用设计顺序号表示。如MG1432A，32为最大磨削直径320mm；CA6140，40为最大车削直径400mm。l        第二主参数（第6个数字）一般是指主轴数、最大跨距、最大工件长度、工作台工作面长度等，也用折算值表示。l        机床的重大改进顺序号（第7个数字）当机床的性能及结构布局有重大改进，并按新产品重新设计、试制和鉴定试，在原机床型号的尾部，加重大改进顺序号，以区别于原机床型号。序号按A、B、C等字母顺序

47、选用。如MG1432A，A为重大改进顺序号（第一次重大改进），如果是B则为第二次重大改进。l        同一机床型号的变型代号在基本型号机床的基础上，仅改变机床的部分结构时，则在原机床型号之后加1、2、3等变型代号，并用“/”分开，以示区别。二、机床的运动分析1表面成形运动机械零件的形状虽多种多样，但其构成元素，却不外乎几种基本形状的表面：平面、圆柱面、圆锥面和各种成形表面。切削加工中，形成发生线的方法，有以下四种：（1）轨迹法  它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。用尖头

48、车刀、刨刀等切削时，切削刃与被加工表面可看作点接触，因此切削刃可看作一个点，发生线为接触点的轨迹线。采用轨迹法形成发生线时，需要一个独立的成形运动。（2）成形法：刀具的切削刃与所需要形成的发生线完全吻合，曲线形的母线由切削刃直接形成，直线形的导线则由轨迹法形成。（3）相切法：它是利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。采用相切法生成发生线时，需要两个相互独立的成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律的运动。（4）范成法（或展成法）：它是利用工件和刀具作范成切削运动进行加工的方法。切削加工时，刀具与工件按确定的运动关系作相对运动(范成运动或展成运动)，切削刃与被加工表面相切，切削刃

49、各瞬时位置的包络线，便是所需的发生线。用范成法生成发生线时，刀具与工件之间的相对运动通常由两个分运动组合而成，它们之间保持严格的运动关系，彼此不独立，共同组成一个运动，称为范成运动（展成运动）。2.辅助运动（1）各种空行程运动；（2）切入运动，刀具相对工件切入一定深度；（3）分度运动；（4）操纵和控制运动，如启动、停止、变速、工件的夹紧、松开及换刀。3.2 车削一、车削的工作原理及其运动1. 表面成形运动车床的主运动，通常是工件的旋转运动；车床的进给运动，通常是刀具的直线移动。2. 车削加工的工艺特点：（1）易于保证各加工表面间的同轴度、垂直度、平行度等。因为车削

50、加工具有同一回转轴线（2）生产率高，切削平稳，表面质量好。（3）对工件材质、加工要求的适应性强。车刀是刀具中最简单的一种，制造、刃磨安装方便，价格低廉。（4）使用范围广，特别适用于加工轴、套、盘类零件。二、 车床车床占机床总数的20%35%；加工范围：轴、盘套零件上内外回转面、端面、螺纹面等；运动特征：主运动为主轴带动工件作回转运动；所用刀具：车刀、钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥等；车床种类：卧式、立式、转塔、仿形、自动和半自动、专门化车床（曲轴、凸轮轴车床、铲齿车床）。加工精度：经济加工精度IT8IT7,表面粗糙度Ra1.25  2.5m。图3-1是CA6140型普通车床的外形

51、图。机床的主要组成部件如下：1主轴箱  2刀架  3尾座  4床身  5、9床腿6-光杠  7丝杠  8溜板箱  10进给箱  11挂轮变速机构图3-1  CA6140型普通车床的外形1）主轴箱（床头箱）1：它固定在床身4的左端。装在主轴箱中的主轴，通过夹盘等夹具，装夹工件。主轴箱的功用是支承并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转，以实现主运动。2）床鞍和刀架部件2：它位于床身4的中部，并可沿床身上的刀架导轨作

52、纵向移动。刀架部件由几层刀架组成，它的功用是装夹车刀，并使车刀作纵向、横向或斜向运动。3）尾架（尾座）3：它装在床身4的尾架导轨上，并可沿此导轨纵向调整位置。尾架的功用是用后顶尖支承工件。在尾架上还可以安装钻头等孔加工刀具，以进行孔加工。4）进给箱（走刀箱）10：它固定在床身4的左前侧。进给箱是进给运动传动链中主要的传动比变换装置（变速装置，变速机构），它的功用是改变被加工螺纹的螺距或机动进给的进给量。5）溜板箱8：它固定在刀架部件2的底部，可带动刀架一起作纵向运动。溜板箱的功用是把进给箱传来的运动传递给刀架，使刀架实现纵向进给、横向进给、快速移动或车螺纹。在溜板箱上装有各种操纵手柄及按钮，工

53、作时工人可以方便地操作机床。6）床身4：床身固定在左床腿9和右床腿5上。床身是车床的基本支承件。在床身上安装着车床的各个主要部件，工作时床身使它们保持准确的相对位置。三、车刀应用最广，可在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也用于切槽和切断。结构上车刀有整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固式的车刀。机械夹固车刀切削性能稳定，工人不必磨刀，应用越来越多。3.3 钻削、镗削、拉削一、钻削加工1钻床的工作原理及其运动主运动：钻头的旋转。 进给运动：钻头的直线移动。2. 钻削的特点  “三差一大”。刚性差：两个大而深的排屑槽使刚性。导向性差：导向棱少且窄

54、。切削条件差：排屑困难，不易散热。轴向力大：由于横刃的存在，产生较大的轴向力。属于粗加工工序：经济精度：IT13IT11，Ra2512.5m。3钻床的加工方法  扩孔：对已有孔进行扩大加工的方法。  经济精度：IT10IT9，Ra6.33.2m。  扩孔余量：一般为孔径的1/8。  铰孔：对已有孔进行精加工的方法。  经济精度：IT9IT7，Ra1.60.4m。余量小，切速低，V=0.0250.16 m/s。4钻床的类型台式钻床：（D<12 mm）结构简单，小巧灵活，使用方便，适合于加工小孔。立式钻床：适用于在单件、小批生产中加工中小型工

55、件。摇臂钻床：广泛地应用于单件和中、小批生产中加工大中型零件。数控立式钻床：是在普通立式钻床的基础上发展起来的，可以完成钻孔、扩孔、铰孔、锪端面、钻沉孔和攻螺纹等工序，适用于孔距精度要求较高的中、小批零件的加工。5钻削刀具可分为两大类：实体材料上钻孔（麻花钻、中心钻、深孔钻），另一类对已有孔进行再加工（扩孔钻、铰刀、镗刀）。 麻花钻：由三部分组成：尾部钻头的夹持部分，传递扭矩和轴向力，一般小直径为直柄，大直径为锥柄。颈部供磨削时砂轮退刀和打印标记用。小直径的直柄钻头没有颈部。工作部分前端为切削部分，承担主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用。 扩孔钻：对已有孔再加工。刀齿较

56、多，一般有34个，故导向性好，切削平稳。由于扩孔余量较小，容屑槽较浅，刀体强度和刚性较好，扩孔钻没有横刃，改善了切削条件。扩孔钻有直柄、锥柄和套式。 铰刀：对于手用铰刀，为增加导向作用，校准部分应做得长些：对于机用铰刀，为减少摩擦，校准部分应做得短些。校准部分包括圆柱部分和倒锥部分，被加工孔的加工精度和表面粗糙度取决于圆柱部分的尺寸精度和形位精度等；倒锥部分的作用是减少铰刀与孔壁的摩擦。铰孔的工艺特点及应用：铰孔余量小，铰孔余量对铰孔质量影响很大，一般粗铰余量为0.350.15mm,精铰余量为0.150.05mm；通常采用较低的切削速度以免产生积屑瘤；铰孔时必须用适当的切削液进行冷却

57、、润滑和清洗，以防止产生积屑瘤并减少铰刀和孔壁上的粘附。与磨孔和镗孔相比，铰孔生产率高，容易保证孔的精度；但铰孔不能校正孔轴线的位置误差，孔的位置精度应由前工序保证。铰孔不宜加工阶梯孔和盲孔。铰孔尺寸精度一般为IT6IT7级，表面租糙度Ra一般为1.60.4um。对于中等尺寸、精度要求较高的孔，钻一扩一铰工艺是生产中常用的典型加工方案。二、镗削加工1镗床的运动：主运动：镗刀的旋转。进给运动：工件或镗刀的直线运动。2镗削的特点：    镗刀的结构简单，调整方便。 通用性大。经济精度：IT8IT7， Ra1.60.8um。 精细镗(有色金属)： IT7IT6，Ra0.80.4um。可保证孔的尺寸及位置精度。生产率低。3镗床的类型：有卧式、坐标、金刚、立式、深孔、落地等。4镗刀：可以在镗床上加工也可以在车床上加工，多用于箱体孔的粗、精加工。一般分为单刃镗刀与多刃镗刀两