第一章切削加工成形概述1

1、1切削运动切削要素金属切削过程切削表面质量切削工艺过程2机械加工机械加工钳工加工钳工加工切削加工切削加工磨削加工磨削加工车削、钻削、镗削、铣削、刨削车削、钻削、镗削、铣削、刨削磨削、珩磨、研磨、超精加工磨削、珩磨、研磨、超精加工划线、锯削、錾削、锉削、研磨、钻孔、扩孔、划线、锯削、錾削、锉削、研磨、钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、套螺纹、机械装配、设备修理铰孔、攻丝、套螺纹、机械装配、设备修理 切削加工是指利用刀具、或磨具，通过切削运动，去除工件表面多余材料，加工出形状、尺寸和表面质量符合图纸要求零件的一种成形工艺。345粗加工半精加工精加工67 机械零件的形状很多，它们的表面都是由圆柱面、圆锥面、平

2、面和各种成形面组成。各种形状的表面是以直线（或曲线）为母线，以曲线（或直线）为运动轨迹所形成的面（见下图）。圆柱面圆锥面平面成形面1成形面28切削运动主运动进给运动主运动是切下金属层所必须的最基本的运动。是切削运动中速度最高，消耗功率最多的运动。对于各种加工方法而言，主运动只有一个。进给运动是使工件上的金属不断投入切削，从而加工出完整工件表面的运动，又称走刀运动。910几点说明：几点说明： 1）主运动通常只有一个，进给运动可以是多个； 2）主运动和进给运动可有刀具单独实现，但工件单独实现很困难； 3）切削运动一般都是简单的运动； 4）主运动和进给运动可同时也可交替进行； 5）一般主运动速度比较

3、高，大部分切削功率消耗于主运动。11切削要素是指切削表面、切削用量和切削层参数切削要素是指切削表面、切削用量和切削层参数切削用量是切削用量是切削速度、进给量及背吃刀量切削速度、进给量及背吃刀量的总称。的总称。 12待加工表面待加工表面需要切去金属的表面。已加工表面已加工表面切削后得到的表面。过渡表面过渡表面正在被切削的表面。过渡表面亦称为切削表面或加工表面。13 切削用量是指切削速度切削用量是指切削速度 vc 、进给量、进给量 f （或进给速度（或进给速度 vf ）、背吃刀量）、背吃刀量 ap 三者的总称，也称为切削用量三要素。三者的总称，也称为切削用量三要素。14151617（1）切削层公称

4、厚度）切削层公称厚度hD（mm）（2）切削层公称宽度）切削层公称宽度bD（mm）（3）切削层公称横截面积）切削层公称横截面积AD18切削层公称厚度hD是指相邻两个过渡表面间的距离。19切削层公称厚度bD是沿过渡表面测量的切削层尺寸。20切削层公称横截面积AD是指在给定瞬间，切削层在切削层平面内的实际截面积（mm2）。AD = hDbD = fap21 金属切削过程简单地说，就是被切削层金属在刀具的偏挤压作用下产生变形并与工件本体分离形成切削和已加工表面的过程。在切削过程中伴有多种物理现象的产生，如切削力、切削热、积屑流、表面变形硬化和残余应力等。22图 切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始

5、滑移线：=s剪切角23第第变形区：变形区：即剪切变形区，金属剪即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。塑性变形主要集中于此区域。第第变形区：变形区：靠近前刀面处靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。瘤的主要原因。第第变形区：变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。是造成已加工面加工硬化和残

6、余应力的主要原因。24第第变形区：变形区：从从OAOA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OMOM线（终滑移线）线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，金属晶粒剪切滑移基本结束，AOMAOM区域叫第一变形区。区域叫第一变形区。是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。化。第一变形区是金属切削变形过程第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽耗大部分功

7、率。此区域较窄，宽度仅度仅0.020.020.20.2 。25第第变形区：变形区：刀刀屑接触区屑接触区切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有滞流层。滞流层。切屑与前刀面的压力很大，高达切屑与前刀面的压力很大，高达2 23GPa3GPa，由此摩擦产生的热量也使，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑

8、底部与刀具前刀面发生粘结现象。粘结现象。26粘结现象时的摩擦状况粘结现象时的摩擦状况27第第变形区：变形区：刀刀工接触区。工接触区。已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。滑移。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。象。三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的变形又相互影响。变形又相互影响。28切屑经过刀刃钝圆切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面点

9、后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为h，在恢复过程中又与，在恢复过程中又与后刀面后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。表面质量产生很大影响。29带状带状 挤裂挤裂 单元单元 崩碎崩碎由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的切屑有四种类型。由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不

10、同，常见的切屑有四种类型。前三种为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。前三种为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。30(a) Continuous chip with narrow, straight primary shear zone; (b) secondary shear zone at the chip tool interface; (c) continuous chip with large primary shearzone; (d) continuous chip with built-up edge; (e) segmented or nonho

11、mogeneous chip and (f) discontinuous chip.31带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑图 切屑形态照片321 1、带状切屑、带状切屑 最常见。最常见。 内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察可见到有内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂纹。被切材料在经过终滑移线时剪应力未均匀整齐的剪切裂纹。被切材料在经过终滑移线时剪应力未超过材料的破裂强度超过材料的破裂强度 通常加工通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大具前角较大时得到。时得到。 切削力波动很小，切削过程平

12、稳，已加工表面粗糙度较小。切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。332 2、挤裂切屑、挤裂切屑 外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹 加工塑性金属材料，加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小刀具前角较小时得到。加工硬化较大，在局部剪应力时得到。加工硬化较大，在局部剪应力超过破裂强度。超过破裂强度。 切削力波动较大，切削过程产生一定的振动，已加工切削力波动较大，切削过程产生一定的振动，已加工表面较粗糙。表面较粗糙。 343 3、单元切屑、单元切屑 在挤裂切屑的基础上在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度、

13、前角减切削厚度增大，切削速度、前角减小小，挤裂切屑的整个剪切面上的应力都超过了材料的破，挤裂切屑的整个剪切面上的应力都超过了材料的破裂强度。使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。裂强度。使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。 生产中很少见到。生产中很少见到。35 可见：可见： 从从带状带状挤裂挤裂单元切屑单元切屑的变化：的变化：切削厚度由小到大切削厚度由小到大，切削速度和刀具前角由大到小，切削速度和刀具前角由大到小。 表面粗糙度随切屑从单元向挤裂和带状形态的转变而逐表面粗糙度随切屑从单元向挤裂和带状形态的转变而逐步降低。步降低。 掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控制切屑（掌握其变化规律，就可改

14、变切屑形态以达控制切屑（卷屑、断屑卷屑、断屑）和改善）和改善已加工表面质量已加工表面质量的目的。的目的。364 4、崩碎切屑、崩碎切屑 切削切削脆性金属材料脆性金属材料如灰铸铁时得到的。如灰铸铁时得到的。 产生原因：材料受到产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度拉应力已超过其抗拉强度。 切削力切削力波动波动甚大，有冲击负荷，已加工表面甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平凹凸不平。 改变切削条件，如改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚度，高大前角，大刃倾角，小切削厚度，高切削速度切削速度，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切削过程平稳，已加工表面

15、粗糙度较小。削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。 37形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩

16、刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表 切屑类型及形成条件38切削力切削力 切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力。屑所需的力。 3 3个变形区产生的弹、塑性个变形区产生的弹、塑性变形抗力。即变形抗力。即工件材料被切过程中所发生的工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。弹性变形和塑性变形的抗力。 切屑、工件与刀具间切屑、工件与刀具间摩擦力。摩擦力。即即切屑对刀具前刀面的摩擦力和切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工刀具后刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。表面之间的摩擦力。39切削合力

17、切削合力 Ff = FDsin Fp = FDcos切削分力切削分力主切削力主切削力Fc 切于过渡表面并与基面垂直切于过渡表面并与基面垂直 (切削力或切向力切削力或切向力)进给抗力进给抗力Ff 处于基面内并与工件轴线平行处于基面内并与工件轴线平行 (进给力或轴向力进给力或轴向力)切深抗力切深抗力Fp 处于基面内并与工件轴线垂直处于基面内并与工件轴线垂直 (背向力、径向力、吃刀力背向力、径向力、吃刀力) 22222rpcfDcFFFFFF40 切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形工件表面的摩擦

18、，因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。及摩擦的因素都影响切削力。 影响因素主要为：影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素参数；其他因素。41 式中式中: : FcFc、FpFp、FfFf: :分别为主切削力、切深抗力、进给抗力；分别为主切削力、切深抗力、进给抗力； C CFc Fc , C, CFp Fp , C, CFfFf : :决定于被加工材料和切削条件的有关系数；决定于被加工材料和切削条件的有关系数； xFcxFc、yFcyFc、nFcnFc、xFpxFp、yFpyFp、nFpnFp、xFfxFf、 yFfyFf、

19、nFfnFf: :分别为三个分力公式分别为三个分力公式中，背吃刀量中，背吃刀量a ap p、进给量、进给量f f和切削速度和切削速度v vc c的指数；的指数； K KFc Fc , K, KFp Fp , K, KFfFf : :考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。正系数。ffFfFfFfppFpFpFpccFcFcFcFncyxpFfFncyxpFpFncyxpFcKvfaCFKvfaCFKvfaCF影响最大的是背吃刀量ap，其次是进给量f，再次为切削速度vc。在切削过程中，尽量减小切削力。42切除单位切削层面积的主切削力切除单位切削层面积的主切削力DDcpcccbhFfaFAFp通过实验求得通过实验求得p p后，后， 则可通过上式求得主切削力则可通过上式求得主切削力F Fc c。 43 切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的能量切削热产生于三个变形区，切削过