机械制造基础第2章

1、2.1 金属切削基础知识 金属切削加工是指用刀具或磨具，从工件表面上 切除多余的金属，使工件达到图纸所规定的几何形状、 尺寸精度和表面质量的切削过程。 机械加工简称机加工，是指由工人操纵机床对工 件进行的切削加工。它分为两类：一类是刀具切削加 工；另一类是磨料切削加工。 钳工一般是指由工人用手动工具对工件进行的切 削加工，主要有划线、锯削、锉削、刮削、研磨、钻 孔、铰孔、攻丝、套丝、机械装配和修理等工作。 2.1.1 切削运动 切削运动是指在金属切削加工过程中，工具与工 件之间的相对运动。按在切削过程中所起的作用不同， 切削运动可分为主运动和进给运动两种。 1、主运动是形成机床切削速度或消耗主

2、要动力 的工作运动，也就是切下切屑的基本运动。 2、进给运动是使工件多余的材料不断被去除的 工作运动。进给运动一般速度较低，消耗功率较少， 可由一个或多个运动组成。进给运动可以是连续的， 也可以是间断的。 2.1.2 加工表面和切削用量 1. 切削中形成的工件表面 （1）待加工表面 （2）已加工表面 （3）过渡表面 2.切削用量 切削用量是切削速度、进给量和背吃刀量三者的 总称，即切削用量三要素。 （1）切削速度 是主运动的线速度。切削速度可 按下式计算： （m/s） （2）进给量 是主运动每转一转，刀具沿进给 运动方向相对于工件的位移量，称为每转进给量。钻 削、铣削等多刀齿刀具切削时还可用每

3、齿进给量表示。 进给运动有时还用进给速度来表示，它们的关系是： (mm/min) （3）背吃刀量 是工件上已加工表面至待加工 表面间的垂直距离。对于外圆车削，背吃刀量可按下 式计算： （mm）601000dncznffnzf2mwpdda 2.1.3 切削层参数 切削层是指切削时，切削刃在一次进给中从工件 的待加工表面上切除的那一层金属。如图所示。 1. 切削层公称厚度 2. 切削层公称宽度 3. 切削层公称横截面积rDkfhsinrpDkabsin/pDDDfabhA 2.1.4 刀具切削部分的几何参数 1. 刀具切削部分的组成 普通外圆车刀的构造如图所示，它由刀体和刀柄两 部分组成。车刀的

4、切削部分一般由三面二刃一尖组成。 （1）三面 即前刀面、主后刀面和副后刀面 1）前刀面 是刀具上切屑流过的表面。 2）主后刀面 是与工件上过渡表面相对的表面。 3）副后刀面 是与工件上已加工表面相对的表面。 （2）二刃 即主切削刃和副切削刃 1）主切削刃 前刀面与后刀面的交线，又称主刀 刃。它完成主要的切削工作。 2）副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，又称副 刀刃。它配合主切削刃完成切削工作，最终形成工件的 已加工表面。 （3）一尖 即刀尖 是主、副切削刃的交点。 刀尖有三种类型：锐刀尖、修圆刀尖和倒角刀尖。 2. 刀具静止角度参考系 静止参考系由以下平面组成。 （1）基面是指通过切削刃上的选

5、定点并垂直于假 定主运动方向的平面。 （2）切削平面是指通过切 削刃上的选定点，与该切削刃 相切并垂直于基面的平面。 （3）正交平面是指通过主 切削刃上的选定点并同时垂直 于基面和主切削平面的平面。 3. 刀具的几何角度 刀具的几何角度分为标注角度和工作角度。 （1）刀具的标注角度 标注角度是指在刀具图样上标注的角度，是在刀具 角度的参考系中确定的。普通车刀的六个主要标注角度 是前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角和副后角。 1）前角 前刀面与基面之间的夹角，它决定了刀 具前面的位置。 2）后角 主后刀面与切削平面之间的夹角，它决 定了刀具后面的位置。 3）主偏角 主切削刃在基面上的投影与假定进

6、给方 向之间的夹角。 4）副偏角 副切削刃在基面上的投影与假定进给 反方向之间的夹角。 5）刃倾角 主切削刃与基面之间的夹角。 6）副后角 副后刀面与副切削平面 之间的夹角。 （2）刀具的工作角度 工作角度是指按照切削工作实际情况而确定的角度。 1）刀具工作参考系平面如下图所示。 工作基面是指通过切削刃上的选定点并与合成切 削速度方向相垂直的平面。 工作切削平面是指通过切削刃上选定点与切削刃 相切并垂直于工作基面的平面。 工作正交平面是指通过切削刃上的选定点并同时 与工作基面和工作切削平面相垂直的平面。 2）进给运动对工作角度的影响 以车外圆为例，在车削大导程的丝杠或多头（右旋）螺纹时，要将车

7、刀的左侧刃后角磨大些，右侧刃后角磨小些，使左、右侧刀刃获得相同的工作后角。 3）刀具安装位置对工作角度的影响 在实际生产中，粗车外圆时常将车刀刀尖装高一个值；精尖装低一个值车外圆时常将车刀刀。 2.2 常用刀具材料 2.2.1 刀具材料应具备的基本性能 1. 高的硬度和耐磨性 。 2. 足够的强度和韧性。 3. 高的耐热性和良好的导热性。 4. 良好的工艺性和较好的经济性。 2.2.2 常用刀具材料的类型及选用 1. 高速钢 高速钢是在钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金 元素的高合金工具钢。其按用途不同可分为通用型高速 钢和高性能高速钢；按制造工艺方法不同又可分为熔炼 高速钢和粉末冶金高速钢。

8、 2. 硬质合金 （1）硬质合金的组成和特点 硬质合金是用粉末冶金的方法制成的。 硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物的微粉 和金属粘结剂 ，在高压下压制成形，并在1500C的高 温下烧结而成。 它的硬度很高，耐磨性好，能加工包 括淬硬钢在内的多种材料。 但抗弯强度低、冲击韧性 差、不能承受振动和冲击，制造工艺性差，多用于制造 刀片，很少做成形状复杂的整体刀具。 （2）硬质合金的种类、牌号、性能及选用 1）钨钴类（YG）硬质合金 其由碳化钨和钴构成。常用的牌号有YG3X 、 YG6X 、YG6 、YG8等。适用于切削铸铁、有色金属及 其合金，非金属材料、不锈钢材料等，其中YG3适用于 精加工

9、，YG8适用于粗加工，YG6适用于半精加工。 2）钨钛钴类（YT）硬质合金 其由碳化钨、碳化钛和钴构成。YT30适用于精加 工钢材，YT5适用于粗加工塑性较大的材料，YT15适 用于半精加工钢材。 3）钨钛钽钴类（YW）硬质合金 其由碳化钨、碳化钽或碳化铌和钴构成，是一种既 能加工钢，又能加工铸铁和有色金属及其合金，通用性 较好的刀具材料。常用的牌号有YW1、YW2等。 3. 涂层刀具 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基 体上，通过化学气相沉积法或物理气相沉积法，涂覆一 层512um厚的耐磨性很高的难熔金属碳化物而获得的。 常用的涂层材料有碳化钛、氮化钛和氧化铝等。涂层硬 质合金刀片

10、的寿命至少可以提高13倍，涂层高速钢刀 具的寿命则可以提高210倍。 4. 其他刀具材料简介 （1）陶瓷 陶瓷刀具是以氧化铝为主要成分，经压制成形后烧 结而成的一种刀具材料。其特点：有很高的硬度、耐磨 性和耐热性；有良好的化学稳定性；不易产生积屑瘤， 抗弯强度和韧性差，不能承受冲 击负荷。 主要用于高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料的半 精加工和精加工。 （2）金刚石 1）天然单晶金刚石刀具价格昂贵，应用较少，主 要用于有色金属及非金属的精密加工。 2）人造聚晶金刚石刀具结晶界面无固定方向，可 以自由刃磨。 3）金刚石复合刀片可进行间断切削和多次重磨使 用。 金刚石刀具的主要特点：有极好的硬度和

11、耐磨性， 可用来加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料； 不易产生积屑瘤。但耐热性差，不宜加工钢铁材料。 （3）立方氮化硼 其特点有：具有很高的硬度和耐磨性；很好的热 稳定性；化学惰性大。因此可对淬火钢、冷硬铸铁进 行粗加工和半精加工，高速切削高温合金、硬质合金 及其他难加工材料。2.3 金属切削过程中的基本规律及控制 2.3.1 切屑的类型及断屑方法 1. 切屑的类型 在加工中会出现四种不同形态的切屑，即带状切屑、 挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑，如图所示。 2. 切屑的形状 在实际加工中，因工件材料、 刀具几何参数和切削用量的不同， 切屑形状有很大的不同。还可以按 切屑的形状分为带状切屑、

12、C形切 屑、宝塔状卷屑、长紧卷屑、发条 状卷屑、崩碎切屑、螺卷屑。如图所示。 3. 控制切屑的方法 在刀具上磨制出断屑槽和选择合理的断屑槽的斜角， 是控制切屑折断及流向的有利措施。 （1）断屑槽的型式 型式有折线型、直线圆弧型和全圆弧型三种。 （2）断屑槽的尺寸参数 1）宽度的选择 断屑槽宽度越小，切屑卷曲半径越小，弯曲应力越 大，切屑越易折断，但也不宜选得太小，否则会使卷屑 槽容屑空间减小，造成堵屑、崩刃和切屑飞溅等不良现 象。在保证断屑的前提下，应选择较大的断屑槽宽度。 通常按下式初选： DBnhl)1310( 2）反屑角的选择 反屑角通常按槽型选择。折线型=6070，直线圆 弧型=405

13、0，全圆弧型=3040。 上述数值经试切后再修正。 3）卷屑槽斜角 外斜式（图a）的主要特点是卷屑槽的宽度外宽内窄， 深度是外深内浅。 平行式（图b）的特点是卷屑槽的宽度、深度前后均 相等，其断屑效果与外斜式相近。 内斜式（图c）的主要特点是卷屑槽的宽度外窄内宽， 深度是外 浅内深。 2.3.2 积屑瘤 在某一切削速度范围内，切削钢、有色金属等塑性 材料时，常常在刀具切削刃附近的前刀面上粘结着一块 与工件材质相同，但硬度高于工件材料23.5倍的楔块， 其形状好像在刀具上长了一个瘤，所以称为积屑瘤。 1. 积屑瘤的形成及变化规律 刀-屑间的冷焊是积屑瘤形成的主要原因。 变化规律:积屑瘤的产生、成

14、长、脱落过程是在短时 期内进行的，并在切削过程中不断地周期出现。 2. 积屑瘤对切削过程的影响 （1）保护刀具 （2）增大刀具前角 （3）增大切削厚度 （4）增大已加工表面粗糙度 粗加工时，可利用积屑瘤； 而在精加工时一定要避免积屑瘤的产生。 3. 控制积屑瘤的措施 （1）控制切削速度 （2）增大刀具前角 （3）降低材料的塑性 （4）合理使用切削液 4. 残余应力 残余应力是指在切削力消失的状态下，在材料内部 保持平衡而存在的应力，分为残余压应力和残余拉应力。 残余拉应力会降低零件的疲劳强度；残余压应力有时却 提高零件的疲劳强度。已加工表面的残余应力如分布不 均匀，会使工件发生变形，影响工件形

15、状和尺寸精度。 5. 加工硬化 加工硬化是指已加工表面经过切削加工后，其表层 金属硬度高于里层金属硬度的现象。其硬化层的硬度比 工件硬度高1.42.2倍，硬化层的深度可达几十至几百微 米。 加工硬化使下道工序加工困难，加速刀具磨损；同 时硬化层的表面常常会出现微细的裂纹，并在表层内形 成残余应力，增大了表面粗糙度和降低材料的疲劳强度。 加工时应尽量减轻或避免硬化现象：提高刀具刃磨 质量，减小刃口钝圆半径；增大刀具前角，减小切削变 形；增大后角，减少摩擦；提高切削速度，减少变形等。 但可利用加工硬化来提高已加工表面的硬度、耐磨性等。 6. 鳞刺 鳞刺就是已加工表面上出现的一种鳞片状有裂口的 毛刺

16、。鳞刺严重的影响了工件的表面粗糙度。 鳞刺经过以下四个阶段而形成。（1）抹拭阶段 （2）导裂阶段 （3）层积阶段 （4）切顶阶段 鳞刺较大地影响了工件加工表面质量，必须通过 采取热处理工艺（正火或调质）适当提高零件材料的 硬度、降低材料塑性、增大刀具前角等措施来控制鳞 刺的产生。 7. 影响切削变形的因素及控制措施 （1）工件材料的影响 采用热处理来提高工件材料的硬度，降低工件材 料的塑性，可以有效地减少零件的切削变形，提高零 件的加工质量。 （2）切削用量的影响 加工时，应选择较小的进给速度、较大的背吃刀 量和合理的切削速度来控制切削变形，提高零件的加 工质量。 （3）刀具几何参数的影响 加

17、工时，应选择较大的前角、较小的主偏角来控 制切削变形，提高零件的加工质量。 2.3.3 切削力 1. 切削力的产生 切削力是指切削时，刀具作用在工件上使工件材料 发生变形，并使多余材料变为切屑所需要的力。切削力 的来源有以下两个方面：（1）变形抗力（2）摩擦阻力 由变形抗力和摩擦阻力形成作用在刀具上的切削合 力F，称为总切削力F，如图所示。 2. 切削力的分解 通常将合力分解为三个互相垂直的分力。 （1）主切削力 切削合力在主运动方向上的分力。 （2）背向力 切削合力在垂直于进给运动方向上的 分力。 （3）进给力 切削合力 在进给运动方向上的分力。 切削合力与三个分力 之间的关系为：22222

18、fPcNcFFFFFF 3. 切削功率 切削功率是指在切削过程中消耗的总功率，用P表示。 （KW） 根据P ，可以计算机床主电机的功率： （KW） 4. 影响切削力的因素及控制措施 （1）工件材料的影响 采用适当的毛坯制造方法或 对工件进行热处理，可以减小切削力。 （2）切削用量的影响 在机床功率不足和工艺系统 刚度较小的情况下，应选择较大的进给速度和切削速度， 减小背吃刀量，以便减小切削力。 （3）刀具几何参数的影响 前角增大，切削力减小； 主偏角增大，进给力增加，背向力减小；刃倾角在一定 范围内增大时，进给力增加，背向力减小； (4) 其他影响因素 刀具磨损影响切削力的大小。后 刀面磨损后

19、，切削力增大；润滑作用强的切削油，能显 著降低切削力。 60103cccFPPmcEPP 2.3.4 切削热与切削温度 1. 切削热的产生与传导 切削热是由切削功转变而来的。如图所示。切削热 由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。 2. 切削温度及其分布规律 （1）切削塑性金属 最高温度区一般在距离切削刃有一小段距离的地方。 （2）切削脆性金属 最高温 度区在接近 刀刃的后刀 面上，其次 在接近刀刃 的前刀面上。 3. 影响切削温度的因素与控制措施 （1）工件材料的影响 工件材料的硬度和强度越高、塑性越大，切削温 度就越高；工件材料导热系数小，切削温度就高；切 削灰铸铁等脆性材料，切削温度较低

20、。 （2）切削用量的影响 对切削温度影响最大的是切削速度，进给量次之， 背吃刀量最小。因此，应优先选用大的背吃刀量，较 小的进给量和低的切削速度。 （3）刀具几何参数的影响 前角增大，切削温度下降。但如果前角过大，切 削温度反而会上升；主偏角减小，切削温度下降。 （4）刀具磨损的影响 刀具磨损后，切削温度上升。 （5）切削液的影响 合理使用切削液，可以使切削温度明显降低。 2.3.5 刀具磨损与刀具使用寿命 1. 刀具磨损方式 （1）前刀面磨损 切削塑性材料时，如用较高的切削速度和较大的切 削厚度进行切削，刀具后刀面还未出现明显的磨损痕迹， 却在前刀面上会磨出一个月芽洼，如图a所示。 （2）后

21、刀面磨损 用较低的切削速度和较小的切削厚度切削塑性金属， 或切削脆性金属时，刀具的磨损主要发生在后刀面。后 刀面磨损往往是不均匀的，如图b所示。其平均磨损宽 度以VB表示。 （3）前、后刀面同时磨损 当切削塑性金属材料时，若采用中等切削速度和中 等切削厚度，则经常会发生前、后刀面同时磨损的磨损 形式。如图c所示。 2. 刀具磨损原因 刀具是在高温和高压下，受到机械、物理、化学等 方面的复杂作用而发生磨损的。其主要原因如下： （1）磨粒磨损 是指切削时，在切屑、工件材料中含有一些比刀具 材料硬度更高的碳化物、氧化物、氮化物和脱落的积屑 瘤碎片等硬质点，可在刀具表面刻划出沟纹而使刀具磨 损。它是低

22、速切削刀具产生磨损的主要原因。 （2）氧化磨损 是指在切削温度较高时，切屑、工件和刀具极易与 周围某些介质起氧化反应，生成一层氧化膜，若刀具表 面上的氧化膜硬度较低，会被切屑和工件抹拭掉而形成 的磨损。 （3）扩散磨损 是指高温切削时，刀具与工件、切屑的新鲜切削表 面相接触，造成刀具材料和工件材料中的 化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分 与结构，使刀具表面材料性能下降而形成的磨损。它 也是硬质合金刀具发生急剧磨损的主要原因。 （4）粘结磨损 是指在一定的温度和压力下，刀具与工件、切屑 间易产生粘结，因接触面间的相对运动，粘结处产生 撕裂，使刀具表面的微粒被对方带走而造成的刀具磨 损

23、。在中偏低的切削速度下它是刀具磨损的主要形式。 （5）相变磨损 是指切削温度升高，当刀具材料温度升高到其相 变温度时，刀具材料的金相组织发生变化，使硬度明 显下降而造成的刀具磨损。它是高速钢刀具发生急剧 磨损的主要原因。 （6）非正常磨损 是指在切削过程中，刀具因其他原因产生的非正 常磨损，也使刀具失去切削能力。包括卷刃、崩刃、 打刀、裂纹等。 3. 刀具磨损过程 随着切削的不断进行，刀具后面的磨损量随之增加， 如图所示为刀具后面磨损过程曲线，其磨损过程可分为 初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。 4. 刀具磨钝标准 刀具磨损到一 定限度就不能再使 用，因此对刀具规 定了一个允许磨损量的

24、最大值，这个值称为刀具磨钝标 准或磨损限度。以后刀面磨损带中间部分（B区）磨损 量的平均值VB表示。 （1）经济磨钝标准 是根据能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积 最长为原则所制定的磨损限度。 （2）工艺磨钝标准 是在保证零件加工精度和表面粗糙度的条件下所制 定的磨损限度。 5. 刀具耐用度 （1）刀具耐用度 是指一把新刃磨的刀具，从开始切削至磨损量达到 磨钝标准为止所使用的切削时间，用T表示。 （2）刀具寿命 是指一把新刀从投入使用，经多次重磨直到报废为 止的总切削时间。显然刀具寿命等于刀具耐用度乘以重 磨次数，即： nT （3）刀具耐用度的选择原则 若刀具耐用度选得过高，则切削速度必须

25、降低，虽可以减少换刀及磨刀次数，减少刀具的消耗及其费用， 但生产率的降低，也会使生产成本增加；若刀具耐用度 选得过低，虽然可以用提高切削速度来使生产率提高， 但由于刀具磨损过快而使换刀、刃磨的时间和费用显著 增加，经济效益同样也不好。确定的原则有两种：一是 使生产率达到最高的刀具耐用度，二是 使生产成本降到最低的刀具耐用度。总 2.3.6 刀具几何参数的合理选择 1. 前角及前面的选择 前角选择原则：在保证加工质量和刀具强度的前提 下，尽量选用大的前角。 根据工件材料选取 加工塑性材料时，一般采用 正前角；加工脆性材料时，前角应选小些；工件材料强 度和硬度较高时，前角应选小些。 根据刀具材料选

26、取 选择强度高和韧性好的刀具 材料，可选较大的前角；选择强度和韧性差的刀具材料， 应选较小的前角。 根据加工条件选取 粗加工时，在不影响刀具锋 利的前提下，应选较小的前角；精加工时，应选取较大的前角；有冲击的断续切削比连续切削应取较小的前角；当工艺系统刚度较差或机床功率不足时，应取较大前角。 （2）前面形式 1）正前角平面形（图a）。一般用于精加工刀具、 成形刀具和加工脆性材料刀具。 2）正前角曲面带倒棱形（图b）。一般用于粗加工 或精加工塑性材料的刀具上。 3）负前角单面形（图c）。当磨损主要发生在后面 上时，硬质合金刀具，常制成负前角单面形。 4）负前角双面形（图d） 当磨损同时发生在前、

27、后 刀面时，制成负前角双面形，可使刀片的重磨次数增多。 2. 后角的选择 后角选择原则是：在粗加工时以确保刀具强度为主； 在精加工时以保证 加工表面质量为主。 1）根据加工条件选取 粗加工时，应选取较小的 后角；精加工时，应选取较大的后角；当工艺系统刚度 较差时，应选取较小的后角。 2）根据工件材料选取 加工脆性材料或强度和硬 度较高的材料时，应 选取较小的后角；加 工塑性材料或易产生 加工硬化时，应选取较大的后角。 3）综合考虑前角选取 当前角选取较大时，后角 应在可选择的范围内取较小值；当采用负前角刀具加工 高硬度、高强度材料时，后角应取较大值。 3. 主偏角的选择 1）根据工艺系统刚性选

28、取 工艺系统刚性较好时， 应选取较小的主偏角；当工艺系统刚度不足时，应选取 较大的主偏角。 2）根据工件材料选取 当切削强度和硬度较高的材料时，应选取较小的主偏角。 3）根据加工条件选取 粗加工时，应选取较大的 主偏角；单件小批生产或加工带台阶和倒角的工件时， 常选取通用性较好的车刀，以提高生产率。 4. 副偏角的选择 1）根据工件材料选取 当切削强度和硬度较高的 材料或断续切削时，应选较小的副偏角；当切削塑性和韧性较大的材料时，应选较大的副偏角； 2）根据加工条件选取 粗加工时，应选取较大的 副偏角；精加工时，应选取较小的副偏角。 3）根据工艺系统刚性选取 工艺系统刚性较好时， 应选取较小的副偏角；当工艺系统刚度不足时，应选取 较大的副偏角。 5. 刃倾角的选择 （1）刃倾角的功用 影响切屑的流向；影响刀 尖强度和抗冲击能力；影响切 入切出时的平稳性