切削加工技术

1、金金 属属 工工 艺艺 学学 切削加工篇切削加工篇第一章第一章 切削加工的基本知识切削加工的基本知识本章的主要内容：本章的主要内容：一、切削运动及切削要素一、切削运动及切削要素二、刀具及刀具材料二、刀具及刀具材料三、金属切削过程中的各种物理现象（切屑、积屑瘤三、金属切削过程中的各种物理现象（切屑、积屑瘤 、切削力、切削功率，切削热、切削温度）切削力、切削功率，切削热、切削温度）第一节第一节 切削运动和切削要素切削运动和切削要素一、零件的加工表面及切削运动一、零件的加工表面及切削运动 任何一种机电产品都是由许多零件组成，每一个零任何一种机电产品都是由许多零件组成，每一个零件的几何形状虽不同，但分

2、析起来主要由三种典型表面件的几何形状虽不同，但分析起来主要由三种典型表面构成：即内、外圆柱面，平面，成形面等。构成：即内、外圆柱面，平面，成形面等。 1不同表面的形成：不同表面的形成： 母线母线 轨迹轨迹 内、外圆柱表面内、外圆柱表面 直线直线 圆圆 作旋转运动所形成的表面作旋转运动所形成的表面平 面 直线 直线 作平移运动所形成的表面成形表面 曲线 圆或直线 作旋转或平移运动所形成的表面 2 2切削运动：切削运动： 刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。按其功能的刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。按其功能的不同，切削运动分为主运动和进给运动。不同，切削运动分为主运动和进给运动。 主运动：

3、消耗功率最大主运动：消耗功率最大 进给运动：与主运动配合，可以保持切削的连续进行，进给运动：与主运动配合，可以保持切削的连续进行，以形成零件的几何表面。以形成零件的几何表面。消耗的功率较小消耗的功率较小 总结：常用机床的主运动与进给运动：总结：常用机床的主运动与进给运动： 车削车削 铣削铣削 刨削刨削 平面磨削平面磨削 主运动：工件旋转主运动：工件旋转刀具旋转刀具旋转 滑枕带刀前进滑枕带刀前进砂轮旋转运动砂轮旋转运动 进给运动：刀具运动进给运动：刀具运动工件移动工件移动 工件间歇移动工件间歇移动工作台移动工作台移动 切削运动有旋转的、直线的、曲线的、连续的和间歇的等运动形式。切削运动有旋转的、

4、直线的、曲线的、连续的和间歇的等运动形式。工件加工表面以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面o待加工表面待加工表面即将被切除金属层的表面即将被切除金属层的表面o已加工表面已加工表面已经切去一部分金属而形成已经切去一部分金属而形成 的新表面的新表面o加工表面加工表面切削刃正在切削的表面切削刃正在切削的表面 二、切削用量三要素：二、切削用量三要素： 切削用量是用来衡量切削运动的大小。在一般的切切削用量是用来衡量切削运动的大小。在一般的切削过程中，包括削过程中，包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素。切削速度、进给量和背吃刀量三要素。 1）

5、切削速度）切削速度Vc：在单位时间内，工件与刀具沿主运：在单位时间内，工件与刀具沿主运动方向相对移动的距离。动方向相对移动的距离。 以车削加工为例（主运动为旋转运动）：以车削加工为例（主运动为旋转运动）： min/1000msmdnVc或d：工件（或刀具）直径（：工件（或刀具）直径（mm）n：工件（或刀具）转速（：工件（或刀具）转速（r/s或或r/min）o 刨削加工为例（主运动为往复直线运动）刨削加工为例（主运动为往复直线运动）)min/ms/m(10002Lnvrc或L-往复行程长度，mmnr-主运动每秒或每分钟的往复次数，st/s或st/min 2）进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件

6、的位移）进给量：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移 f (mm/r)如车削加工：工件每转一转，刀具相对工件的位移如车削加工：工件每转一转，刀具相对工件的位移 mm/r。刨床：刀具每走一个行程，在进给方向上相对于工件的位移，刨床：刀具每走一个行程，在进给方向上相对于工件的位移，mm/st 3）背吃刀量）背吃刀量(切削深度切削深度) ap (mm)： 切削加工时，切削加工时， 待加表面与已加工表面间的垂直距离待加表面与已加工表面间的垂直距离(mm)，也就，也就是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。是垂直于进给运动方向上主切削刃切入工件的深度。)(2mmddamwp dw：待加工表面：待加

7、工表面 dm：已加工表面：已加工表面第二节第二节 刀具材料及刀具结构刀具材料及刀具结构一、刀具材料：一、刀具材料： 在切削加工时，刀具要在高温条件下承受较大的切削力、摩擦、在切削加工时，刀具要在高温条件下承受较大的切削力、摩擦、冲击、振动。为了保证零件的加工精度和刀具的耐用性，刀具材料冲击、振动。为了保证零件的加工精度和刀具的耐用性，刀具材料必须具有特殊的综合性能。必须具有特殊的综合性能。1）刀具材料的主要性能要求：）刀具材料的主要性能要求： 较高硬度（大于较高硬度（大于HRC60以上）；以上）； 足够强度和韧性（承受切削力，冲击、振动、不变形等）；足够强度和韧性（承受切削力，冲击、振动、不变

8、形等）； 较好的耐磨性（抵抗磨损，耐用）；较好的耐磨性（抵抗磨损，耐用）； 较高的耐热性（在高温下保持较高的硬度及其它性能）；较高的耐热性（在高温下保持较高的硬度及其它性能）； 较好的工艺性（便于制造成各种成刀具形）；较好的工艺性（便于制造成各种成刀具形）；2）常用刀具材料：）常用刀具材料： 手工刀具的刀具材料：碳素工具钢和合金工具钢手工刀具的刀具材料：碳素工具钢和合金工具钢 机加工用刀具材料：高速钢（机加工用刀具材料：高速钢（W18Cr4V）和）和 硬质合金）等。硬质合金）等。高速钢和硬质合金的性能比较高速钢和硬质合金的性能比较o 高速钢是含高速钢是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具等合

9、金元素较多的合金工具钢。它的硬度、耐磨性和耐热性低于硬质合金，但钢。它的硬度、耐磨性和耐热性低于硬质合金，但强度强度和和韧性韧性却高于硬质合金，工艺性能较硬质合金却高于硬质合金，工艺性能较硬质合金好，而且价格比较便宜。广泛地应用于制造形状较好，而且价格比较便宜。广泛地应用于制造形状较为复杂的各种刀具。为复杂的各种刀具。o 硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物（硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC）作基体，以金属）作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。其硬度高，耐磨性好，耐的方法制成的一种合金。其硬度高，耐磨性好，耐高温，允许的切削

10、速度比高速钢高数倍，但强韧性高温，允许的切削速度比高速钢高数倍，但强韧性和工艺性不如高速钢。常制成各种形式的刀片。和工艺性不如高速钢。常制成各种形式的刀片。3 3）常用刀具种类）常用刀具种类切刀切刀孔加工刀具孔加工刀具拉刀拉刀铣刀铣刀螺纹刀具螺纹刀具齿轮刀具齿轮刀具磨具磨具二刀具角度二刀具角度1.切削部分的组成切削部分的组成刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的切削部分，车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀切削部分，车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀的演变和组合。我们以车刀为例学习刀具的几何参数的演变和组合。我们以

11、车刀为例学习刀具的几何参数 。前刀面前刀面车刀：刀杆和刀头两部分车刀：刀杆和刀头两部分切削部分：切削部分： 前刀面前刀面A切屑沿其流出的刀面切屑沿其流出的刀面主后刀面主后刀面A与工件加工面相对与工件加工面相对副后刀面副后刀面A与工件已加工面相对与工件已加工面相对主切削刃主切削刃前刀面与主后刀面的交线前刀面与主后刀面的交线副切削刃副切削刃前刀面与副后刀面的交线前刀面与副后刀面的交线刀尖刀尖主刀刃与副刀刃的交点主刀刃与副刀刃的交点刀尖形式刀尖形式a) 实际交点实际交点b) 曲线刃曲线刃c) 直线刃直线刃实际的刀尖并非绝对尖锐，而是一小段曲线或直线实际的刀尖并非绝对尖锐，而是一小段曲线或直线2. 车

12、刀的主要角度车刀的主要角度为确定刀具的主要角度，须建立三个相互垂直的为确定刀具的主要角度，须建立三个相互垂直的参考平面构成的静止参考系参考平面构成的静止参考系。(1) 建立车刀静止参考系建立车刀静止参考系基面基面切削平面切削平面正交平面正交平面c1)基面：基面：通过切削刃选定点的平面，它平行刀具安装的一通过切削刃选定点的平面，它平行刀具安装的一个平面，其方位要垂直于主运动方向个平面，其方位要垂直于主运动方向。c2)切削平面切削平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面的平面。通过切削刃选定点并同时垂直于基面的平面。c正交平面正交平面切削平面切削平面基面基面3)正交平面正交平面通过切削刃选定点并同时垂

13、直于基面和切削通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。平面的平面。前角前角0基面投影线基面投影线前刀面投影线前刀面投影线在正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角在正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角。1)前角前角0 0c(2) 车刀切削部分的主要角度车刀切削部分的主要角度前角越大前角越大刀刃越锋利刀刃越锋利在在-50200内选取内选取粗加工取小，精加工取大粗加工取小，精加工取大已加工表面质量越好已加工表面质量越好主切削刃强度越低主切削刃强度越低易崩刃易崩刃切削平面投影线切削平面投影线主后刀面投影线主后刀面投影线后角后角0在正交平面内测量，主后刀面与切削平面之间在正交平面内测量，主后

14、刀面与切削平面之间的夹角的夹角。2)后角后角0 0c作用：作用：减小后刀面与已加工表面之间的摩擦减小后刀面与已加工表面之间的摩擦;它和它和前角一样影响刃口的强度和锋利程度。前角一样影响刃口的强度和锋利程度。后角应在后角应在60120内选取内选取;粗加工取小，精加工取大。粗加工取小，精加工取大。3)主偏角主偏角K Kr r主切削平面与假定工作平面之间的夹角主切削平面与假定工作平面之间的夹角。主偏角主偏角K Kr r4)副偏角副偏角K Kr r副切削平面与假定工作平面之间的夹角副切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角副偏角K Kr r基面投影线基面投影线主切削刃主切削刃刃倾角刃倾角s s5)刃倾

15、角刃倾角s s在切削平面中测量，主切削刃与基面的夹角在切削平面中测量，主切削刃与基面的夹角。c3.3.刀具结构刀具结构 车刀按结构形式：整体式、焊接式、机夹重磨式和机车刀按结构形式：整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式四种。夹可转位式四种。表表1 1 车刀结构类型、特点与用途车刀结构类型、特点与用途名名 称称特特 点点适适 用用 场场 合合整体式整体式用整体高速钢制造，刃口较锋利，但价格高、用整体高速钢制造，刃口较锋利，但价格高、刀具材料消耗较大刀具材料消耗较大小型车床或加工有色金属小型车床或加工有色金属焊接式焊接式焊接硬质合金或高速钢于预制刀柄上，结构紧焊接硬质合金或高速钢于预制刀柄上，

16、结构紧凑，刚性好，灵活性大。但硬质合金刀片经过凑，刚性好，灵活性大。但硬质合金刀片经过高温焊接和刃磨，易产生内应力和裂纹高温焊接和刃磨，易产生内应力和裂纹各类车刀各类车刀机夹重机夹重磨式磨式避免了焊接式的缺陷，刀杆利用率高。刀片可避免了焊接式的缺陷，刀杆利用率高。刀片可集中精确刃磨，使用灵活。但刀具设计制造较集中精确刃磨，使用灵活。但刀具设计制造较为复杂为复杂外圆、端面、镗孔、割断、外圆、端面、镗孔、割断、螺纹车刀。大刃倾角、小螺纹车刀。大刃倾角、小后角刨刀等后角刨刀等机夹可机夹可转位式转位式不焊接、刃磨，刀片可快换转位，生产率高。不焊接、刃磨，刀片可快换转位，生产率高。可使用涂层刀片，断屑效

17、果好。刀具已标准化，可使用涂层刀片，断屑效果好。刀具已标准化，方便选用和管理方便选用和管理大中型车床、特别适用自大中型车床、特别适用自动、数控车床等动、数控车床等第三节第三节 金属切削过程金属切削过程1.切屑形成过程及切屑种类切屑形成过程及切屑种类2.积屑瘤积屑瘤3.切削力和切削功率切削力和切削功率4.切削热和切削温度切削热和切削温度金属切削过程金属切削过程一一 切屑的形成过程切屑的形成过程切削区划分为三个变形区：切削区划分为三个变形区：1.1.第第变形区：主要发生塑性材料的剪切滑移变形。变形区：主要发生塑性材料的剪切滑移变形。2.2.第第变形区：发生刀具前刀变形区：发生刀具前刀 面的磨损和积

18、屑瘤现象。面的磨损和积屑瘤现象。3.3.第第变形区：影响刀具后刀变形区：影响刀具后刀 面的磨损以及已加工表面的面的磨损以及已加工表面的 质量（包括加工硬化、表面质量（包括加工硬化、表面 纤维化等）。纤维化等）。二二 切屑的种类切屑的种类 工件材料的塑性不同、刀具的前角不同或采用不工件材料的塑性不同、刀具的前角不同或采用不同的切削用量等，会形成不同类型的切屑。常见的切同的切削用量等，会形成不同类型的切屑。常见的切屑种类有以下几种：屑种类有以下几种： 1.1.带状切屑带状切屑：其特征是连绵不断，底部光滑。这：其特征是连绵不断，底部光滑。这时切削力稳定，加工表面较光洁。精加工时这种切屑时切削力稳定，

19、加工表面较光洁。精加工时这种切屑较理想，但必须采取断屑措施。较理想，但必须采取断屑措施。 2.2.节状切屑节状切屑：切屑的背面呈锯齿形，底面有时出：切屑的背面呈锯齿形，底面有时出现裂纹，这表明材料的剪切滑移量较大，使切屑局部现裂纹，这表明材料的剪切滑移量较大，使切屑局部出现加工硬化，达到了断裂强度。此时切削力波动较出现加工硬化，达到了断裂强度。此时切削力波动较大，已加工表面粗糙度大，粗加工时才允许出现。大，已加工表面粗糙度大，粗加工时才允许出现。带状切屑挤裂切屑崩碎切屑二、积屑瘤二、积屑瘤（一）积屑瘤的现象（一）积屑瘤的现象 在一定条件下切削塑性金属时，常发现刀具前刀在一定条件下切削塑性金属时

20、，常发现刀具前刀 面靠近切削刃的部位，粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑面靠近切削刃的部位，粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑 瘤，或称刀瘤瘤，或称刀瘤。（三）积屑瘤在切削过程中的作用（三）积屑瘤在切削过程中的作用 1 1积屑瘤的硬度比工件材料高，能代替切削刃进行切削，保积屑瘤的硬度比工件材料高，能代替切削刃进行切削，保护刀刃以减少磨损；此外积屑瘤增大了刀具实际工作前护刀刃以减少磨损；此外积屑瘤增大了刀具实际工作前角，使切削轻快，所以角，使切削轻快，所以粗加工时可以利用积屑瘤粗加工时可以利用积屑瘤。2 2积屑瘤的顶端伸出刀刃之外，且不断地产生与脱落，使切积屑瘤的顶端伸出刀刃之外，且不断地产生与

21、脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响工件尺寸精度。削层公称厚度不断变化，影响工件尺寸精度。3 3切削力的变化又会引起振动，加上一些积屑瘤碎片会粘附切削力的变化又会引起振动，加上一些积屑瘤碎片会粘附在已加工表面上，增加工件表面粗糙度。因此，在已加工表面上，增加工件表面粗糙度。因此，精加工精加工时应当避免积屑瘤时应当避免积屑瘤产生。产生。（四）影响积屑瘤的主要因素及防止方法（四）影响积屑瘤的主要因素及防止方法1 1首先可控制切削速度，因为切削速度与摩擦系数、切削温首先可控制切削速度，因为切削速度与摩擦系数、切削温度关系密切，从而影响积屑瘤的产生和大小。度关系密切，从而影响积屑瘤的产生和大小。当切削速度当切削速度很低，以及切削速度很高时，都不会产生积屑瘤很低，以及切削速度很高时，都不会产生积屑瘤。因此，因此，精车和精铣一般采用高速切削，而铰削、拉削、宽刀精刨精车和精铣一般采用高速切削，而铰削、拉削、宽刀精刨和精车丝杆、涡轮等情况，则采用低速加工，以避免积屑和精车丝杆、涡轮等情况，则采用低速加工，以避免积屑瘤的影响。瘤的影响。2 2降低工件材料的塑性（如低碳钢、不锈钢等正火后切削）。降低工件材料的塑性（如低碳钢、不锈钢等正火后切削）。3 3增大刀具前角和选用适当的切削液等，都是有效地减少或增大刀具前角