金属切削加工基础知识装热动

1、金属切削加工基础知识装热动金属切削加工金属切削加工是用切削工具将坯料或工件上的多余材料切除,以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。钳工机加工工作运动、切削工具、切削过程中的物理本质划线、錾、锯、锉、刮、研、攻螺纹、套螺纹等。车、钻、刨、铣、磨、齿轮加工1.1 工作运动及切削要素一、工作运动主运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动，也称工作运动。可分解为主运动和进给运动。是指在切削加工中形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动.图1-1进给运动是指在切削运动加工中，使工件的多余材料不断被去除的工作运动。切削过程中的三个表面：已加工表面、待加工表面、加工表面（过渡表面）二、工件表

2、面图8-2三、切削用量切削速度、进给量和背吃刀量常称为切削用量三要素。 切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。dw：作主运动的工件或刀具的最大直径mmn：主运动的转速(r/s或r/min)l：往复运动行程长度 n：主运动每分钟往复次数str/min进给量f:指工件或刀具运动在一个循环（或单位时间内）刀具与工件之间沿进给方向的相对位移。背吃刀量（或切削深度）待加工表面与已加工表面之间的垂直距离（mm）。切削层几何参数 切削宽度aw 切削厚度ac 切削面积Ac切削用量的合理选择切削用量的选择，对于加工质量、生产率和刀具寿命有着重要的影响。合理地组合切削用量，对提高产品的技术经济效

3、益有着重要的影响。切削用量对加工质量的影响在切削用量中，背吃刀量和进给量的增大，工件变形增大，并有可能引起振动，从而降低加工精度和增大表面粗糙度。切削用量对基本工艺时间的影响切削三要素对切削时间的影响是一样的，即参数选大，切削时间减少，反之则增加。对刀具寿命和辅助时间的影响在实际生产中，规定刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削总时间称为刀具的耐用度。总结切削用量中，切削速度对刀具的耐用度的影响最大，进给量的影响次之，背吃刀量的影响最小。因此在粗加工时，从提高生产率的角度出发，一般选取较大的背吃刀量和进给量，选取较小的切削速度。精加工时，主要考虑加工质量，常采用较小的背吃刀量和进给量、较

4、高的切削速度。1.2 切削刀具刀具材料刀具角度刀具结构常用刀具材料1、高的硬度刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。这样，刀具才能切除工件上多余的金属，目前在室温条件下刀具材料的硬度应大于或等于60HRC。2、高的耐磨性 耐磨性指材料抵抗磨损的能力。一般而言，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。一、刀具材料必须具备的性能3、足够的强度和韧性4、高的耐热性（红硬性）在切削加工过程中，刀具总是受到切削力、冲击、振动的作用，当刀具材料有足够的强度和韧性，就可避免刀具的断裂、崩刃。耐热性指材料在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨性的能力。5、良好的工艺性 6、良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料有良好的

5、工艺性，便于刀具的制造。要求刀具的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。1、在金属切削加工中，刀具材料的种类有许多。二、常用刀具材料的种类1）碳素工具钢与合金工具钢2）高速钢T129SiCrCrWMn高速钢是指含较多钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢，俗称锋钢或风钢。高速钢有较高的耐热性（约600660C）；有足够的强度和韧性；有较好的工艺性。目前，高速钢已作为主要的刀具材料之一，广泛用于制造形状复杂的铣刀、钻头、拉刀和齿轮刀具等。硬度为6268HRC常用高速钢的牌号与性能见下表。3）硬质合金硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等

6、）为基体，以金属Co、Ni、Mo等为粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。硬质合金的硬度为7482HRC。耐热温度为8001000，常用于制造形状简单的高速切削刀片，经焊接或机械夹固在车刀、刨刀、钻头等刀体上使用。（1）钨钴类硬质合金 钨钻类硬质合金的代号是YG，由Co和WC组成。常用牌号是YG3、YG6等。牌号中的数字表示Co的质量分数（含Co量），其余为含WC的质量分数（含WC量），如YG3表示（Co）3，（WC）97。其韧性较好，但耐磨性较差。钨钴类硬质合金适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。 （2）钨钛钴类硬质合金 钛钴类硬质合金的代号是YT，由WC、TiC和Co组成。常用牌号是YT14

7、、YT30等。牌号中的数字表示TiC的质量分数，其余为含WCCo的质量分数。如YT14表示（TiC）14，（WC）78，（Co）8。其硬度、耐热性、耐磨性较好，但韧性较差。钨钛钴类硬质合金适用于加工碳钢、合金钢等塑性材料。 改善硬质合金性能的措施：1）调整化学成分2）细化合金的晶粒3）采用涂层刀片（1）陶瓷 陶瓷材料的主要成分是A12O3。陶瓷是在高压下成形，在高温下烧结而成。陶瓷的硬度高（9294HRA），耐磨性好，耐热性高，化学稳定性好。但是，陶瓷的脆性大，强度低，故陶瓷刀具适用于钢、铸铁和有色金属等的精车、半精车。4）新型刀具材料（2）金刚石 金刚石分为天然和人造两种，天然金刚石数量稀少

8、，所以价格昂贵，应用极少。人造金刚石是在高压、高温条件下，由石墨转化而成，价格相对较低，应用较广。金刚石的硬度极高（10000HV），为硬质合金的十倍左右，是目前自然界已发现的最硬物质。但是，金刚石耐热性较差，在700800C时，将产生碳化，与铁有很强的化学亲和力，故不宜用于加工钢铁。（3）立方氮化硼 立方氮化硼是由立方氮化硼在高压、高温条件下加入催化剂转变而成。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石（80009000HV），耐磨性好，耐热性高（1400C），与铁系金属在（12001300）时也不会起化学反应，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、硬质合金及其它难加工

9、材料的高速切削。各种刀具材料性能的对比见表1-1x刀具几何参数的合理选择刀具几何参数对切削力大小，切削温度升降，刀具磨损快慢都有很大影响。为此，合理地选择刀具几何参数非常重要。合理的刀具几何参数，可以保证工件加工质量，获得较高的刀具寿命，提高生产效率，降低生产成本。 三、刀具角度 刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合各种刀具切削部分的形状以车刀为例介绍刀具的几何参数1刀具切削部分的组成 外圆车刀由三个刀面，两条切削刃和一个刀尖组成。（1）前刀面刀具上切屑流过的表面。（2）后刀面刀具上与过渡表面相对的是主后刀面。与已加工表面相对的是副后刀面。（3）切削刃前刀面与主后刀面相交 形成的交

10、线称为主切削刃， 它完成主要的切削工作。前刀面与 副后刀面相交形成的是副切削刃 它完成部分的切削工作， 并最终形成己加工表面。（4）刀尖主、副切削刃的连接部位。 2. 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参考平面构成的静止参考系。(1) 建立车刀静止参考系基面切削平面正交平面c1) 基面 通过切削刃选定点的平面，它平行于刀具安装的一个平面，其方位要垂直于主运动方向。c2) 切削平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面的平面。c正交平面切削平面基面3) 正交平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。前角0基面投影线前角越大前刀面投影线刀刃越锋利主切削刃强度越低，易崩

11、刃已加工表面质量越好在-50250内选取，粗加工取小，精取大 在正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角。1)前角0c(2) 车刀切削部分的主要角度切削平面投影线减小后刀面与已加工表面之间的摩擦; 它和前角一样影响刃口的强度和锋利程度。主后刀面投影线作用：后角0后角应在60120内选取; 粗加工取小，精加工取大。 在正交平面内测量，主后刀面与切削平面之间的夹角。2) 后角0c3) 主偏角r主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。主偏角r 主偏角r 减小，主切削刃参加切削的长度增加，刀具磨损减慢，但作用于工件的径向力会增加。 常用刀具的主偏角r 有450、600、750、900。4) 副偏角r副切

12、削刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。 副偏角可减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，减小已加工表面的粗糙度。 副偏角一般为50150副偏角r基面投影线主切削刃刃倾角s 刀尖为切削刃最高点时为正，反之为负。刃倾角一般 50 505) 刃倾角s在切削平面中测量，主切削刃与基面的夹角。 刃倾角可控制切屑流出方向和刀头强度。c（3）车刀主要标注角度的选择要点 前角o前刀面与基面之间的夹角。增大前角，使主切削刃锋利，减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃很脆弱，易产生崩刃。前角有正与负（如图）的区分。 后角o主后刀面与切削平面之间的夹角。后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦和后刀面的磨损，

13、并配合前角影响切削刃的锋利和强度。 主偏角 r主切削刃和假定进给方向在基面（Pr）上投影的夹角。主偏角的大小影响切屑断面形状和切削分力的大小。有时主偏角也根据工件加工形状来定。 副偏角r副切削刃和假定进给的相反方向在基面Pr上投影的夹角。副偏角的主要作用是减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，减少刀具磨损和防止切削时产生振动。减小副偏角可减小切削残留面积，降低己加工表面的粗糙度（如图） 刃倾角s在主切削平面（Ps）里测量的主切削刃与基面间的夹角。它与前角类似，也有正、负和零值之分（如图）。刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。选择刀具几何角度时，应遵循“锐字当先，锐中求固”原则。即将刀具

14、锋利放在第一位，同时保证刀具有一定的强度。国内外先进刀具在角度的变革方面，大致有“三大一小”的趋势，即采用大的前角、刃倾角和主偏角，采用小的后角。（4）车刀的工作角度是在工作参考系中定义的角度。 刀尖安装高低的影响 车外圆时若刀尖高于工件的回转轴线（图a），则工作前角oeo，工作后角oeo；若刀尖低时则反之。 （图c） 刀杆中心线安装偏斜的影响 当刀杆中心线与进给方向不垂直时，工作主偏角r和工作副偏角r将发生变化（见下左图）。右下图是横向进给对前角和后角的影响 进给运动对工作角度的影响 通常进给量不大时，角度的变化常可忽略，但在快速切断和车丝杆、蜗杆和多头螺纹时，必须考虑进给运动对工作角度的变

15、化。四、刀具结构车刀按结构分类，有整体式、焊接式、机夹式和可转位式四种型式（见图）。（它们的特点与常用场合见表。）表12 车刀结构类型、特点与用途名 称特 点适 用 场 合整体式用整体高速钢制造,刃口较锋利,但价高的刀具材料消耗较大小型车床或加工有色金属焊接式焊接硬质合金或高速钢于预制刀柄上,结构紧凑,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各类车刀机夹式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。但刀具设计制造较为复杂外圆、端面、镗孔、割断、螺纹车刀。大刃倾角、小后角刨刀等可转位式不焊接、刃磨,刀片可快换转位,生产率高。可使用涂层刀片,断屑效

16、果好。刀具已标准化，方便选用和管理大中型车床、特别适用自动、数控车床与加工中心等1.3 切削过程一、切屑的形成及类型切削层的金属要经过弹性变形、塑性变形、挤裂和切离四个阶段带状切屑挤裂切屑崩裂切屑通常在加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大的情况下获得。在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较大的情况下产生。在加工铸铁、青铜等脆性材料时，易形成崩碎切屑。二、积屑瘤在一定的切削速度范围内切削钢料、球墨铸铁或铝合金等塑性金属时，有时在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这就是切削过程中所产生的积屑瘤，也称刀瘤。对切削的影响保护刀刃增大

17、实际前角易引起振动增大已加工表面粗糙度和刀具磨损因此粗加工时可利用积屑瘤，以保护刀具，而精加工时，应尽量避免积屑瘤，以提高加工质量。三、切削力刀具切下切屑时，前刀面受到切屑的压力和摩擦力，后刀面又受到工件表面的压力和摩擦力，这些力的合力就是作用在刀具上的切削合力。实际加工中，总切削力的方向和大小的测定既不容易也没有必要。为了适应设计和工艺分析的需要，又便于测定，通常将总切削力F分解为三个互相垂直的分力。（一）切削力的来源与分解F在主运动方向上的分力（又称切向力），垂直于基面，其大小约占F的8090。其消耗的功率约占总功率的90以上。它是计算机床动力、刀具和夹具强度与刚度的主要依据，也是选择刀具

18、角度和切削用量的依据。若Fc过大时，往往会使刀具损坏或使机床发生“闷车”现象。F在进给运动方向上的分力（又称走刀抗力，轴向力），作用在基面内，它消耗的功率只占总功率的15。它是设计和校验进给机构强度的依据。1主切削力Fc2进给力FfF在垂直进给方向上的分力（又称吃刀抗力，径向力），作用在基面内，它不消耗功率。但它一般作用在机床、工件刚度较弱的方向上，易使刀架位移和工件变形，且易引起振动，影响工件的加工精度。当工件刚度较小（如车细长轴）时，应当设法减小或消除Fp的影响。常使主偏角r90，就是为了这个目的。总切削力与三个分力有如下关系：3背向力FpFfFDSinrFpFDCosr（二）计算切削力的

19、经验公式 切削力的大小是由很多因素决定的，一般影响较大的是工件材料和切削用量。目前用实验测量方法总结的经验公式得到广泛的应用。经验公式的形式主要有指数和单位切削力形式。1指数公式 车外圆时，计算主切削力F的指数公式如下：式中：CFz与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数；ap、f切削要素，单位分别为mm、mm/r、m/min；K切削条件不同时的综合修正系数。同样，进给力Ff、背向力Fp也有相同形式的指数公式， 只是下标要对应。所有系数和指数，都可从相关工艺或切削手册中查到。2.单位切削力公式 切削合力的计算公式还可用单位切削合力计算。单位切削合力是指单位切削面积上的切削合力，用p表示，单位

20、为MPa。 单位切削力P可查表得。如表1-7所示 3切削功率Pm 因此，Pm计算公式如下：Pm=Fzv /1000 （kW） 式中：Fz切削力，（N）； v 切削速度，（m/s） 机床电动机的功率PE的计算式如下：PEPm/ （kW）式中：机床传动效率，一般取0.750.85。Pm是指切削过程的总功率，是各切削分力消耗功率的总和，在车削外圆时，背向力FP 不消耗功率，进给力Ff消耗的功率很小，一般可忽略不计。四、切削热和切削温度（略）1切削热的产生与传散切削过程中，切削功几乎全部转变为热能，这就是切削热的来源，是由切削变形区中的变形功和摩擦功转变而来。切削层的变形，切屑与刀具前刀面之间的摩擦，

21、工件与刀具后刀面之间的摩擦。切削热通过切屑、工件、刀具和周围的介质传散。各部分传热的比例取决于工件材料、切削速度、刀具材料及几何角度、加工方式以及是否使用切削液等。切削塑性材料时切削热主要来源于切屑塑性变形所消耗的功。切削脆性材料时切削热主要来源于后刀面所消耗的摩擦功。切削热的传送 由切屑和周围介质传出的热量越多，对加工越有利。但是大量切屑堆积在机床上，形成热源，会使机床产生热变形，降低加工精度，因此要设法及时、经常地去除切屑。传入刀具的热量，比例虽然不大，但刀具切削部分体积很小，因此刀具的温度可以很高（高速切削时可达1000以上）。这就加速了刀具的磨损。传入工件的热量会使工件热变形，产生形状

22、和尺寸误差，特别在加工薄壁件、细长件和精密件时，影响更大。 2切削温度及其影响因素切削温度是指刀具、切屑和工件接触面上的平均温度。其高低除了用热电偶等仪器测定外，还可通过观察切屑的颜色来估计。如切削碳素结构钢时，切屑为银白色或淡黄色时，切削温度不高；当切屑变为深蓝色或紫黑色时，说明切削温度已经非常高了。 切削用量 切削速度增加时，消耗功率增加，切削热也增加，且散热传导速度跟不上，因此对温度的影响最大。进给量和背吃刀量增加时，切削力增大，切削热也会增加，但不如切削速度的影响那么明显。在切削面积相同的条件下，增加背吃刀量比增加进给量时，切削温度要低一些，因增加背吃刀量时，切削刃参加切削的长度增加，

23、有利于将热传出。影响切削温度高低的因素，有以下一些主要方面： 工件材料其强度与硬度愈高，切削力和切削功率就愈大，切削温度也愈高。同一材料，热处理状态不同时，其强度、硬度不同，切削温度差别很大。工件材料的导热系数高（如铝、镁合金），则切削温度低。切削脆性材料时，由于塑性变形和摩擦都很小，产生切削热也少，切削温度自然就低。 刀具角度增大前角，则减小了切削力和切屑变形；减小主偏角，主切削刃长度增加，都有利于降低切削温度。此外，在可能情况下，使用足够的切削液和有效的冷却方式，能减小摩擦、带走大量切削热，有效地降低切削温度。五、刀具磨损和刀具耐用度 刀具使用一段时间以后，其刀刃会变钝，使切削力和功率消耗

24、增加，并影响加工质量。对于可重磨刀具，经重新刃磨，仍可继续使用，经过若干反复循环，刀具就会报废，从开始切削到报废，刀具实际切削时间的总和称为刀具寿命。1刀具磨损的形式 刀具在正常磨损时，由于切削条件的不同有三种形式（见图）： 后刀面磨损 当切削脆性材料，或以较小切削厚度切削塑性材料时，易产生这种情况（图中VB表示后刀面的磨损尺寸）。 前刀面磨损 在以较高的切削速度和较大的切削厚度，切削塑性材料时，往往在前刀面上离主切屑刃一定距离处，被磨出月牙洼。月牙洼扩大至一定程度，刀具会崩刃。 前、后刀面同时磨损 当以一般的切削厚度（h0.10.5mm）,切削塑性材料时，常见到这种磨损。2减少刀具磨损的主要措施在切削用量中，对刀具磨损的影响，切削速度最大，背吃刀量最小。因此，在保证一定的金属切除率时，适当增加背吃刀量和进给量，降低切削速度，对减少刀具磨损是有重要意义的。此外，刀具材料的硬度高、与工件材料的亲和力小，尤其是耐热性好时，就不易磨损；适当增加刀具前角，也可减少刀具磨损；合理使用切削液也是较有效的方法。3磨钝标准与刀具耐用度刀具磨损到一定限度就不能继