机制基础-第8章切削基础

1、第第8章章 金属切削基本知识金属切削基本知识8.1 概述概述金属切削加工金属切削加工是用刀具从金属材料（毛坯）上是用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得切去多余的金属层，从而获得几何形状、尺寸几何形状、尺寸精度和表面质量精度和表面质量都符合要求的机器零件的加工都符合要求的机器零件的加工方法。方法。切削加工分为切削加工分为钳工钳工和和机械加工机械加工两部分。两部分。机械加工机械加工是通过工人操作是通过工人操作机床机床对工件进行切削对工件进行切削加工，常见的加工方法有：加工，常见的加工方法有：车、钻、刨、铣、车、钻、刨、铣、磨以及齿形加工磨以及齿形加工等。等。8.2 切削加工基本知识

2、切削加工基本知识一、切削运动一、切削运动 切削运动包括主运动和进给运动两类。切削运动包括主运动和进给运动两类。1 1、主运动、主运动在切削运动中，速度最高、消耗动力在切削运动中，速度最高、消耗动力 最大、为形成表面的最基本运动。最大、为形成表面的最基本运动。 例如：车削时工件的旋转运动；例如：车削时工件的旋转运动； 刨削时刀具（牛头刨）或工件（龙门刨）刨削时刀具（牛头刨）或工件（龙门刨）的直线往复运动；的直线往复运动； 钻削、铣削和磨削时，钻头、铣刀和砂钻削、铣削和磨削时，钻头、铣刀和砂轮的旋转运动。轮的旋转运动。2 2、进给运动、进给运动在切削过程中，为了使新的金属层在切削过程中，为了使新的

3、金属层 连续投入切削，从而切出工件全部连续投入切削，从而切出工件全部 加工表面所需要的运动。加工表面所需要的运动。例如：车削时车刀沿纵向、横向的直线走刀运动；例如：车削时车刀沿纵向、横向的直线走刀运动； 钻削时钻头的轴向移动；钻削时钻头的轴向移动； 铣削时工件随工作台的直线运动。铣削时工件随工作台的直线运动。注意注意: （1）、描绘切削运动必须讲清楚两点：）、描绘切削运动必须讲清楚两点： 谁在动？谁在动？ 工件工件or刀具；刀具； 怎么动？怎么动？旋转旋转or直线移动直线移动（2）、主运动只有一个，进给运动可以有多个。）、主运动只有一个，进给运动可以有多个。动画：典型切削加工的切削运动动画：典

4、型切削加工的切削运动二、运动要素二、运动要素1 1、切削运动中的三个表面、切削运动中的三个表面（1）待加工表面）待加工表面：工件上工件上 有待切除的表面有待切除的表面（2）过渡表面）过渡表面：工件上正与工件上正与 刀具切削刃相碰的表面刀具切削刃相碰的表面（3）已加工表面）已加工表面：工件上已工件上已 经被刀具切削过的表面经被刀具切削过的表面待加工表面待加工表面已加工表面已加工表面过渡表面过渡表面车外圆时的车外圆时的3种表面种表面2、切削用量三要素、切削用量三要素切削速度切削速度进给量进给量背吃刀量背吃刀量在主运动的一个循环（或单位时在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进给运间）内

5、，工件与刀具间沿进给运动方向上的位移量。动方向上的位移量。在单位时间内，工件或刀具沿主在单位时间内，工件或刀具沿主运动方向相对移动的距离。运动方向相对移动的距离。待加工表面和已加工表面的垂直待加工表面和已加工表面的垂直距离。距离。（1 1）切削速度）切削速度Vc c 指主运动的速度。即在单位时间内，工件或刀具指主运动的速度。即在单位时间内，工件或刀具 沿主运动方向相对移动的距离。沿主运动方向相对移动的距离。 式中：式中：d d 车削时的工件待加工表面直径车削时的工件待加工表面直径d dw w； 铣削、磨削时的铣削、磨削时的刀具直径或砂轮直径（刀具直径或砂轮直径（m m m m） n n 工件或

6、刀具的转速（工件或刀具的转速（r/sr/s或或r/min r/min ） 式中：式中：L L 往复运动的行程长度（往复运动的行程长度（m m m m） n n 主运动每分钟往复次数（主运动每分钟往复次数（str/mstr/m m)m)cv1000dn(m/min或或 m/s)主运动为旋转运动时主运动为旋转运动时cv10002Ln主运动为往复直线运动时主运动为往复直线运动时(m/min或或 m/s)（2 2）进给量）进给量f f 在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。刀具间沿进刀方向相对运动的距离。 如在车削、镗削、钻

7、削时，进给量表示工件或刀如在车削、镗削、钻削时，进给量表示工件或刀具具每转一转每转一转，刀具或工件移动的距离，单位是，刀具或工件移动的距离，单位是 m m m/rm/r。 在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工件）在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工件）每每往复一次往复一次，工件（刀具）移动的距离。，工件（刀具）移动的距离。fnvf(mm/r或或mm/str)对于多齿刀具对于多齿刀具( (如铣刀如铣刀) )常常还以每齿进给量常常还以每齿进给量f fz(z(mm/z) )表表示。则示。则zffz（3 3）背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）a ap p 待加工表面和已加工表面的垂直距离。待加工

8、表面和已加工表面的垂直距离。 其中：其中： d dw w 为待加工表面的直径。为待加工表面的直径。d dm m 为已加工表面的直径。为已加工表面的直径。pa车削外圆时：车削外圆时：（mm）2mwdd （m m m m）（m m m m）3 3、切削层参数、切削层参数 切削层参数包括切削层参数包括切削层公称厚度、切削层公称宽度切削层公称厚度、切削层公称宽度和切削层公称横截面积和切削层公称横截面积。 (1)(1)切削层公称厚度切削层公称厚度 h h D D 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层 参数。参数。 (2)(2)切削层公称宽度切削层公称宽

9、度b b D D 平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层 参数。参数。 (3)(3)切削层公称横截面积切削层公称横截面积A A D D 切削层的实际横截面积切削层的实际横截面积（m m m m）rPDabsin（m m m m）rDfhsinDDDdhA(m m m m2 2)hDbD车削时的切削层参数车削时的切削层参数A A D D4 4、切削用量的合理选择、切削用量的合理选择 切削用量的大小将直接影响工件的加工质量、切削用量的大小将直接影响工件的加工质量、生产率和刀具的使用寿命生产率和刀具的使用寿命( (耐用度耐用度) )。（1 1）切削用

10、量对加工质量的影响）切削用量对加工质量的影响 a ap p或或f f：切削力：切削力 、工件变形、工件变形、加工精度加工精度、 表面粗糙度表面粗糙度（2 2）切削用量对基本工艺时间的影响）切削用量对基本工艺时间的影响(min)1000 pwpmvfaLhdahnfLtv vc c 或或a ap p或或f f：基本工艺时间基本工艺时间（效果相同）（效果相同）（3)3)对刀具寿命对刀具寿命( (耐用度耐用度) )和辅助时间的影响和辅助时间的影响刀具的耐用度 刀具从开始切削到磨损量达到磨钝 标准为止的总切削时间。0.75p2.255TafvCT （当0.75mm/r 时） f耐用度 由此可知，由此可

11、知，vc c 影响最大，影响最大，f f 影响次之，影响次之，a ap p影响最小。影响最小。粗加工（提高生产率）：选取较大的粗加工（提高生产率）：选取较大的 ap 和和 f 及较小及较小 vc精加工（精加工（提高提高加工质量）：加工质量）：选取选取较小的较小的ap和和f及及较高的较高的vc三、切削刀具三、切削刀具1 1、刀具的构成、刀具的构成: : 刀具刀具 = = 工作部分工作部分 + + 非工作部分非工作部分 车刀、刨刀的结构比较简单，由切削部分车刀、刨刀的结构比较简单，由切削部分( (刀头刀头) )和和夹持部分夹持部分( (刀体或刀柄刀体或刀柄) )构成。构成。车刀的组成和形式车刀的组

12、成和形式（a a）焊接式）焊接式 （b b）整体式）整体式 （c c）机夹式）机夹式刨刀刨刀 铣刀、钻头等刀具结构较为复杂，但就其单个刀齿的铣刀、钻头等刀具结构较为复杂，但就其单个刀齿的切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来。切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来。铣刀铣刀（a a）三面刃铣刀）三面刃铣刀 （b b）圆柱铣刀）圆柱铣刀 （c c）端铣刀）端铣刀（a）（b）钻头和镗刀的对比钻头和镗刀的对比(a)镗刀镗刀 (b)钻头钻头2 2、外圆车刀切削部分的组成、外圆车刀切削部分的组成: : 外圆车刀的切削部分由三面二刃一尖组成。外圆车刀的切削部分由三面二刃一尖组成。 前面

13、前面：切屑流过的刀具表面。：切屑流过的刀具表面。主后面主后面：与工件过渡表面相对着的刀具表面。：与工件过渡表面相对着的刀具表面。副后面副后面：与工件已加工面相对着的刀具表面。：与工件已加工面相对着的刀具表面。三面三面主切削刃主切削刃：前面与主后面的交线前面与主后面的交线副切削刃副切削刃：前面与副后面的交线前面与副后面的交线二刃二刃一尖一尖刀尖刀尖：主切削刃与副切削刃的连接处，实际为：主切削刃与副切削刃的连接处，实际为 一小段直线状或圆弧状的过渡刃一小段直线状或圆弧状的过渡刃刀杆刀杆切削部分（刀头）切削部分（刀头）主后面主后面副后面副后面f前面前面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖3 3、

14、车刀切削部分的主要角度、车刀切削部分的主要角度(1)(1)刀具的静止参考系刀具的静止参考系 在假设刀具的进给运动在假设刀具的进给运动速度为零、刀具安装时刀尖速度为零、刀具安装时刀尖与工件的轴线等高、刀杆与与工件的轴线等高、刀杆与工件的轴线垂直的前提下，工件的轴线垂直的前提下，为设计、制造、刃磨和测量为设计、制造、刃磨和测量刀具的需要而设定的参考系刀具的需要而设定的参考系称为静止参考系。称为静止参考系。 静止参考系由基面静止参考系由基面P Pr r、主切削平面主切削平面P P0 0、正交平面、正交平面P Ps s组成。组成。正交平面（正交平面（Ps）：通过主：通过主刀刃上某一点，并与主刀刀刃上某

15、一点，并与主刀刃在基面上的投影垂直的刃在基面上的投影垂直的平面。平面。基面（基面（Pr）：通过主刀刃：通过主刀刃上某一点，并与该点切削上某一点，并与该点切削速度方向垂直的平面。速度方向垂直的平面。通常平行于车刀的底面。通常平行于车刀的底面。主切削平面（主切削平面（P0）：通过：通过主刀刃上某一点，并与该主刀刃上某一点，并与该点加工表面相切的平面。点加工表面相切的平面。(2)(2)刀具的主要角度刀具的主要角度前角前角0 0：正交平面中，前面与基面之间的夹角。 通常为-5 +25。后角后角0 0：正交平面中，主后面与切削平面之间的夹角。 通常为6 12主偏角主偏角r r：基面中，主刀刃投影与进给方

16、向的夹角。副偏角副偏角r r ：基面中，副刀刃投影与进给反方向的夹角。 刃倾角刃倾角ss：主切削面中，主刀刃与基面间的夹角。：主切削面中，主刀刃与基面间的夹角。 ss为正，说明刀尖点相对于基面处于主切削刃上的最高点；为正，说明刀尖点相对于基面处于主切削刃上的最高点； ss为负，说明刀尖点相对于基面处于主切削刃上的最高点；为负，说明刀尖点相对于基面处于主切削刃上的最高点； ss=0=0则说明主切削刃与基面平行。则说明主切削刃与基面平行。前角前角后角后角副偏角副偏角主偏角主偏角f刃倾角刃倾角(3)(3)刀具主要角度的合理选择刀具主要角度的合理选择（详见教材（详见教材157157页表页表8-58-5

17、） 粗加工粗加工时，为了减轻刀具的负荷，采用较大的前角，时，为了减轻刀具的负荷，采用较大的前角， 可适当的减小后角。这时切削刃不会明显削弱。可适当的减小后角。这时切削刃不会明显削弱。精加工精加工时，为了减小主后刀面与加工面间的摩擦，可时，为了减小主后刀面与加工面间的摩擦，可采用较大的后角，并适当减小前角。采用较大的后角，并适当减小前角。在切削在切削较硬材料较硬材料或或有冲击有冲击情况时，可采用较小的主偏情况时，可采用较小的主偏角和负的刃倾角，而不必明显地减小前角。角和负的刃倾角，而不必明显地减小前角。当加工精度要求高的当加工精度要求高的细长轴细长轴时，为了减小振动，须选时，为了减小振动，须选用

18、较大的主偏角；为避免划伤已加工表面，须选用正用较大的主偏角；为避免划伤已加工表面，须选用正 的刃倾角，并相应减小前角。的刃倾角，并相应减小前角。4 4、刀具（切削部分）的材料、刀具（切削部分）的材料: :（1 1）刀具材料的性能）刀具材料的性能 较高的硬度和耐磨性：较高的硬度和耐磨性：为工件硬度的为工件硬度的1.3-1.51.3-1.5倍，倍， 一般要求一般要求HRC60HRC60以上，以保持刀刃的锋利度。以上，以保持刀刃的锋利度。 足够的强度和韧性：足够的强度和韧性：以抵御切削时的弯曲、冲击和以抵御切削时的弯曲、冲击和 振动。振动。 较高的红硬性：较高的红硬性：能在高温下保持高硬度。能在高温

19、下保持高硬度。 良好的导热性：良好的导热性：有利于切削热传导，降低切削区温有利于切削热传导，降低切削区温 度，延长刀具寿命。度，延长刀具寿命。 良好的工艺性：良好的工艺性：能适应能适应锻造、焊接、热处理、磨削锻造、焊接、热处理、磨削 加工等，有利于刀具的制造和刃磨。加工等，有利于刀具的制造和刃磨。（2 2）常用刀具材料）常用刀具材料 碳素工具钢：碳素工具钢：T8AT8A、T10T10、T12AT12A等。制造手工刀具，等。制造手工刀具，如锉刀、锯条等。如锉刀、锯条等。 合金工具钢：合金工具钢：9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn等。制造低速定尺寸刀等。制造低速定尺寸刀具，如丝锥、板牙、铰

20、刀等。具，如丝锥、板牙、铰刀等。 高速钢：高速钢：W18Cr4VW18Cr4V、W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2等。制造中速切削等。制造中速切削或形状复杂的刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等或形状复杂的刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等。 硬质合金：硬质合金：分分YGYG（钨钴类）和（钨钴类）和YTYT（钨钛钴类），钨钛钴类），制制造高速切削的车刀、铣刀等。脆性材料、粗加工选造高速切削的车刀、铣刀等。脆性材料、粗加工选YG6YG6、YG8YG8、YT5YT5；塑性材料、精加工选；塑性材料、精加工选YT15YT15、YT30YT30。 陶瓷：陶瓷：AlAl2 2O O3 3、AlAl2 2O O

21、3 3-TiC-TiC、SiSi3 3N N4 4等。热硬性好，耐等。热硬性好，耐磨，抗弯性差，易碎。制造高速切削的车刀。磨，抗弯性差，易碎。制造高速切削的车刀。 涂层刀具：涂层刀具：在韧牲较好的刀具基体上，涂覆在韧牲较好的刀具基体上，涂覆TiCTiC、TiNTiN 等耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的等耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的 耐磨性，又不降低其韧性。耐磨性，又不降低其韧性。 立方氮化硼：立方氮化硼：热硬性强，可耐热硬性强，可耐15001500高温，与铁亲和高温，与铁亲和 力小。制造中高速切削的车刀、铣刀。力小。制造中高速切削的车刀、铣刀。 人造金刚石：人造金刚

22、石：热硬性好。制造精密加工非铁金属的车热硬性好。制造精密加工非铁金属的车 刀、铣刀等。刀、铣刀等。四、切屑的形成及类型四、切屑的形成及类型1 1、带状切屑：、带状切屑： 通常在加工塑性金属材通常在加工塑性金属材料、切削厚度较小、切削速度较高、刀料、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的情况下获得。具前角较大的情况下获得。2 2、节状、节状( (挤裂挤裂) )切屑：切屑：在加工较硬的塑性在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较低、切削厚金属材料且所用的切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较大的情况下产生。度较大、刀具前角较大的情况下产生。3 3、粒状、粒状( (单元单元) )切屑：切屑：当

23、切削塑性较差的当切削塑性较差的材料材料且所用的且所用的切削速度极低时产生。切削速度极低时产生。4 4、崩碎切屑：、崩碎切屑：在加工铸铁、青铜等脆性在加工铸铁、青铜等脆性材料时形成。材料时形成。五、切削力和切削功率五、切削力和切削功率 1 1、切削力、切削力 切削力是指切削时刀具切入工件，切削层产生变形切削力是指切削时刀具切入工件，切削层产生变形成为切屑所需的力。成为切屑所需的力。 切削力是一个空间力，为了便于研究将其分解为三切削力是一个空间力，为了便于研究将其分解为三个相互垂直的分力个相互垂直的分力, ,即主切削力即主切削力F Fc c、进给力、进给力F Ff f和背向力和背向力F Fp p。

24、主切削力主切削力Vc:切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总的切削合力的其大小约占总的切削合力的背向力背向力Fp:切削合力在切削深度方向上的分力切削合力在切削深度方向上的分力; 它在基面内，与它在基面内，与切削深度平行，但方向相反切削深度平行，但方向相反进给力进给力Ff：切削合力在进给方向上的分力切削合力在进给方向上的分力;它在基面内，与进给它在基面内，与进给方向平行，但方向相反方向平行，但方向相反2 2、切削功率、切削功率 同一瞬间，切削刃基点的切削力与切削速度的乘积，同一瞬间，切削刃基点的切削力与切削速度的乘积，称为切削功率称为

25、切削功率P Pc c；进给力与进给速度的乘积，称为进给功进给力与进给速度的乘积，称为进给功率率P Pf f；背向力方向的运动速度为零，不消耗功率。所以切背向力方向的运动速度为零，不消耗功率。所以切削过程所需功率削过程所需功率P Pm m可按下式计算：可按下式计算：)(k )1000(10wffcc3fcmvFvFPPP 由于由于F Ff f小于小于F Fc c ，且，且F Ff f方向的速度很小，因此方向的速度很小，因此F Ff f所消耗所消耗的功率远小于的功率远小于F Fc c所消耗的功率可以忽略不计，于是：所消耗的功率可以忽略不计，于是：切削功率：切削功率： P Pm m= =P Pc c

26、=10=10-3-3F Fc cv vc c(k(k) )机床电机功率：机床电机功率：P PE E = =P Pm m/ /m m8.3 金属切削机床基本知识金属切削机床基本知识一、金属切削机床的类型 车床（车床（C C） 主要用于加工回转表面的机床主要用于加工回转表面的机床 铣床（铣床（X X） 用铣刀在工件上加工各种表面的机床用铣刀在工件上加工各种表面的机床 刨床、插床（刨床、插床（B B） 用刨刀加工工件表面（主要是平面）的用刨刀加工工件表面（主要是平面）的 机床（刨床是卧式的，插床是立式的）机床（刨床是卧式的，插床是立式的） 磨床（磨床（M M） 用磨具或磨料加工工件各种表面的机床用磨

27、具或磨料加工工件各种表面的机床 钻床（钻床（Z Z） 主要用钻头在工件上加工孔的机床主要用钻头在工件上加工孔的机床 镗床（镗床（T T） 主要用镗刀加工位置精度要求较高的已有预制主要用镗刀加工位置精度要求较高的已有预制 孔的机床孔的机床 拉床（拉床（L L） 用拉刀加工工件各种内、外成形表面的机床用拉刀加工工件各种内、外成形表面的机床 螺纹加工机床（螺纹加工机床（S S） 用螺纹切削工具在工件上加工内、外用螺纹切削工具在工件上加工内、外 螺纹的机床螺纹的机床 齿轮加工机床（齿轮加工机床（Y Y） 用齿轮切削工具加工齿轮齿面或齿条用齿轮切削工具加工齿轮齿面或齿条 齿面的机床齿面的机床 锯床锯床(G)(G) 切断或锯断材料的机床切断或锯断材料的机床 其他机床其他机床(Q)(Q) 其他仪表机床、管子加工机床、木螺钉加工机其他仪表机床、管子加工机床、木螺钉加工机 床、刻线机、切断机、多功能机床等床、刻线机、切断机、多功能机床等二、