-金属切削加工基础知识-1

机器零件制造方法第一章金属切削加工基础知识

机械零件制造方法很多;锻造、铸造、焊接、冲压、挤压、电加工、电化学加工、切削加工等。但尺寸、形状、位置精度以及表面质量要求较高的零件，目前仍主要采用切削加工方法。金属切削基础知识

金属切削基础知识要求目的：理解金属切削的概念、掌握切削运动和金属切削刀具的基本知识、认识金属切削过程的基本规律。了解切削运动、切削用量、刀具切削部分几何形状及材料的基本知识；重点、难点：切削运动和切削刀具。概念与分类金属切削：利用刀具切除工件上多余的金属层，从而获得符合要求零件的加工方法。切削加工分为钳工和机械加工两部分。机械加工主要方式包括车削、铣削、刨削、磨削、钻削和齿轮加工等。金属:具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性并具有光泽的物质。切削运动概念切削运动；切削时，刀具与工件之间相对运动称为切削运动。主运动：使工件与刀具产生相对运动已进行切削的最基本运动.它是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动。对任何加工，主运动只有一个。切削运动进给运动：为了保持切削的连续进行，以逐渐切削出整个工件表面所需的运动，称为进给运动。1.1切削运动和切削要素车削时的工件表面与切削要素切削运动已加工表面：工件上经刀具切削后所形成的表面。过渡表面（亦称加工表面）：工件上被切削刃正在切削的表面，即待加工表面和已加工表面之间的过渡表面切削要素工件上的三个表面待加工表面：工件上即将被切削的表面。切削要素1.

切削速度vc：刀具切削刃上所选定点相对于工件待加工表面在主运动方向上的瞬时速度<主运动的线速度>称为切削速度。切削用量三要素切削速度

式中：dW—待加工表面直径（mm）

n—工件或刀具的转速(r/min)切削要素2.进给量:主运动的一个工作循环<工件或刀具每转或往复一次或刀具每转过一齿>内，刀具和工件之间沿进给方向的相对位移量。单位（mm/r）切削要素3.背吃刀量ap：亦称切削深度。指工件上待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。背吃刀量

式中:——待加工表面直径（mm）——已加工表面直径（mm）切削用量选择(1)

背吃刀量的选择

粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。余量大也可分多次走刀。精加工时根据加工精度和表面粗糙度的要求选择小些。精加工的背吃刀量取0.2～1.5mm。

(2)进给量的选择

粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给量。（f可取大些）按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给量。(f可取小些）

(3)

切削速度的确定选择

切削速度vc可根据己经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。粗加工或工件材料的加工性能较差时，宜选用较低的切削速度。精加工或刀具材料、工件材料的切削性能较好时，宜选用较高的切削速度。精加工时，则金属切削刀具夹持部分传递运动和承受夹紧力，保证刀具安装位置正确、夹紧可靠、装卸方便负责切削，直接影响产品的质量和生产效率刀柄：刀具的夹持部分刀体：刀具上夹持或焊接刀条、刀片的部分，或由它形成切削刃的部分。1.2刀具构成切削部分1.2刀具构成刀具由切削部分刀头和夹持部分刀柄组成。切削部分由“三面、两刃、一尖”构成1.3.1

车刀的组成1.3刀具切削部分的几何参数刀尖

是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径。刀具几何角度1.3刀具切削部分的几何参数切削刀具种类很多，如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。它们几何形状各异，复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、具有代表性。刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。各种刀具切割部分的形状1.基面Pr:是过切削刃上某选定点与该点切削速度方向垂直的平面。车刀的基面平行于水平面2.切削平面Ps:是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。3.正交平面Po:是过主切削刃某选定点同时垂直于基面和切削平面的平面。基面、主切削平面、正交平面三个平面在空间相互垂直。刀具切削角度

(1)前角：前刀面与基面之间的夹角，它主要影响切削刃的锋利及切屑变形程度；5度~25度(2)主后角：主后刀面与切削平面之间的夹角，改变主后刀面与工件间的摩擦状况；3度~12度(3)楔角：前刀面与后刀面之间的夹角。它影响刀头强度和散热情况。（正交平面内）(1)主偏角Kr：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。它能改变切削刃与刀头的受力及散热情况，45度—90度之间；(2)副偏角Kr`：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。它可改变副切削刃与工件已加工面间的摩擦状况，副偏角一般为正值取6度—8度左右；(3)刀尖角：主切削刃与副切削刃之间的夹角。它影响刀尖的强度及散热情况.基面内测量刃倾角λs

主切削刃与基面间的夹角。它影响刀尖的强度和控制切削流向。（切削平面内）1.2刀具材料

刀具材料的性能常用刀具材料性能要求高硬度良好的工艺性高耐磨性高热硬性足够的强度和韧性1.2刀具材料1.高硬度：刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度应在HRC60以上。2.耐磨性：耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，通常刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。3.强度和韧性：为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足够的强度和韧性。(韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。）4.耐热性：刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗氧化的能力。这就是刀具材料的耐热性，它是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。5.工艺性：为了便于刀具制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切

削加工、可磨削性和热处理特性等。4种常用的刀具材料碳素工具钢合金工具钢高速钢

硬质合金刀具材料刀具材料碳素工具钢

碳含量范围为0.65％～1.35％，淬火后硬度较高60～64HRC，刃磨性好，刃口锋利，价格便宜，但温度超过200℃硬度就显著下降，耐磨性差淬透差，淬硬层薄。（T12A、T10A、T8）

T（“碳”）+两位数字（表示钢中平均碳的质量分数的千分数）。T12A——

表示平均碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。

~

T8

——表示平均碳质量分数为0.8%的碳素工具钢。碳素工具钢：常用制造各类手工工具，和低速工具等。合金工具钢合金工具钢:是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、刃具、丝锥、板牙等形状复杂刀具。

（9SiCr、CrWMn）在碳素工具钢中加入硅Si、锰Mn、镍Ni、铬Cr、钨W、钼Mo、钒V等合金元素的钢。加入Cr和Mn可以提高工具钢的淬透性，可根据要求，有选择地加入或同时加入其他元素(加入总量一般不超过5％)，即形成一系列的合金工具钢。33合金工具钢例：9SiCr、CrWMn（微变形钢）

板牙丝锥较好的红硬性（250℃～300℃）热处理：硬度可达61～65HRC高速钢高速钢是一种加入了钨（W）、钼（MO）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的强度、韧性和耐磨性，耐热性为540—600℃。高速钢是应用较广泛的刀具材料，尤其是用于制造结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢和高性能高速钢.两类。通用高速钢：是指加工一般金属材料用的高速钢例：W18Cr4V(钨系高速钢)其淬火后的硬度为63－66HRC、磨削性能好，耐热性可达620ºC，热处理工艺控制方便。W6Mo5CrV2（钼系高速钢）与W18Cr4V相比，它的抗弯强度、冲击韧性和高温塑性较高，故可制造热轧刀具，如麻花钻等。高性能高速钢：是在通用高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性和耐磨性这类高速钢的切削速度可达50－100m/min，具有比通用高速钢更高的生产率与刀具使用寿命同时还能切削不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。硬度66～70HRC。例：高钒高速钢W12Cr4V4Mo、高钴高速钢W2Mo9Cr4VCo8和高铝高速钢W6Mo5Cr4V2Ai硬质合金硬质合金是用粉末冶金法制造的合金材料，它是由硬度和熔点很高的碳化物（硬质相）和金属（称粘结相）组成。切削温度800～1000℃硬度仍可达74～80HRC。常制成刀片，焊接或紧固件镶嵌在刀体上。如车刀、铣刀、铰刀、钻头等，都可

以镶嵌硬质合

金刀

片。

按其化学成分与使用性能1．钨钴类：由硬质相碳化钨WC和粘结剂Co组成，其韧性、磨削性能和导热性较好。主要适用于加工短切屑的脆性材料。如铸铁、有色金属及非金属材料。代号YG。2．钨钛钴类：由硬质相WC、碳化钛TiC和粘结剂Co组成。主要适用于加工长切屑的塑性材料，如高速切削一般钢材。代号YT。3.钨钛钽钴类：在钨钛钴类合金中加入适量的碳化钽

或碳化妮

等稀有难熔金属碳化物，可提高合金的高温硬度、强度耐磨性、抗粘结温度和抗氧化性，同时，韧性也有所增加，所以具有较好的综合切削性能，人们常称它为“万能合金”YW。主要用于加工难切削材料。注：当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。新型刀具材料简单了解涂层硬质合金：在硬质合金材料基体上涂上一层几微米厚的高硬度·高耐磨性的金属化合物，使刀具即具有基体的韧性，又具有很高的硬度，显著提高了刀具的切削性能和使用寿命。陶瓷：具有很高的硬度和很高的耐热性（1200℃),摩擦系数小，化学稳定性良好。但抗弯强度小.冲击韧性差。主要用于各种金属材料连续切削的精加工和半精加工。注：在加工一般材料时，仍以使用通用高速钢与硬质合金为宜，当加工难切削材料时，才有必要选用新牌号硬质合金或高性能高速钢。金属切削过程

金属切削过程是指通过切削运动，刀具从工件表面上切除多余金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这个过程中将产生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等。研究和掌握切削过程中的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选择切削用量，提高生产效率、工件的加工质量和降低生产成本都有重要的意义。一、切屑:切削过程中切削层的金属是在前刀面和切削刃的不断挤压作用下，产生了弹性、塑性变形继而剪切滑移金属从工件上断裂下来而成为切屑。

金属切削过程的基本规律

切屑的种类：由于工件材料不同，切削条件各异，切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种类型，如图:

（1）带状切屑：它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。（切削：铝或紫铜）（2）节状切屑：它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。（切削：钢及黄铜）（3）粒状切屑又称单元切屑。在切削速度很低，切削厚度很大情况下，由于剪切变形完全达到材料的破坏极限，形成粒状切屑。（钢）切屑的种类（4）崩碎切屑加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。（铸铁）前三种切屑是加工塑性金属时常见的切屑类型。形成带状切屑时，切削过程最平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小；形成粒状切屑时切削过程中的切削力波动最大。前三种切屑类型可以随切削条件变化而相互转化。切屑的种类切削力

切削力：切削时刀具使工件变形成为切屑所需的力称为切削力.

切削力1、切向力（主切削力）Fz：作用于切削速度方向的分力，其大小约占总切削力的90%左右,是三个分力中最大的。消耗功率最多的分力，它是机床动力、刀具的强度和刚度设计和选择切削用量的主要依据2、轴向力（进给力）Fx:

作用在进给方向上的分力，其大小约占总切削力的1～5%,它是设计和验算机床进给机构必须的参数；切削力Fr可以沿三个方向分解为：3、径向力（背向力）Fy:

总切削力在垂直工作平面上的分力，它作用在工件刚性较差的方向，容易使工件变形，同时引起振动，影响加工精度。所以加工（如细长轴）应该力求减少切削力。切削热与切削温度

切削热:切削过程中金属层的变形、分离及切屑、刀具和工件间的摩擦所产生的热，称为切削热。切削热对切削过程影响:切削热是刀具磨损和影响加工精度的重要因素。切削热传入刀具后，温度升高，当超过刀具材料所能承受的温度时，刀具材料硬度降低，丧失切削性能，刀具磨损，寿命降低。切削热传入工件，导致工件膨胀或伸长，引起工件热变形，影响工件的加工精度及表面质量。控制刀具和工件温度措施

（1）在刀具强度允许的情况下，适当增大刀具前角。（2）改善刀具的散热条件，在机床、工件、刀具系统较好时，可尽可能减小主偏角。

(3)合理选择切削用量，较小的切削速度。（4）提高刀具前、后面的刃磨质量，减小摩擦。（5）合理选择切削液。刀具寿命：刀具刃磨后，从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的纯切削时间。

影响刀具寿命的因素：（1）工件材料:工件材料强度、硬度越高，塑性越大时，刀具寿命降低。（2）切削用量：切削速度对刀具寿命的影响最大，进给量其次，背吃刀量的影响最小。刀具寿命（3）刀具几何参数：增大前角，减小主偏角、副偏角，增大刀尖圆弧半径可提高刀具强度，均能提高刀具寿命。（4）刀具材料的影响：合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命和提高切削速度的重要途径之一。（5)合理选择切削液，也能延长刀具寿命。切削液切削液:为了提高切削加工效果(增加切削润滑，降低切削区温度)而使用的液体。

切削液一、切削液的作用：1.冷却作用切削液能吸收和带走切削时产生的大量切削热。从而有效地降低切削温度，提高生产效率。2.润滑作用金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗。

3.清洗作用在金属切削过程中，利用浇注和高压喷射切削液除去生成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，引导切屑流向防止机床和工件、刀具的沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。

4.防锈作用在金属切削过程中，要求切削液有一定的防锈能力（加入防锈添加剂），防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。特别是在我国南方地区潮湿多雨季节，更应注意工序间防锈措施。种类主要组成性能及适用范围水溶性切削液水溶性普通型

在水中添加亚硝酸钠等水溶性防锈添加剂，加入碳酸钠磷酸钠，使水溶液微带碱性。

冷却、清洗性好，有一定的防锈性，但润滑性差。适于粗磨、粗加工。防锈性

在水中除添水溶性防锈添加剂，再加入表面活性剂、油性添加剂。

冷却、清洗性好、防锈性好，兼有一定的润滑性，透明性较好。适用于对防锈性要求高的精加工。极压型极压型型添加剂

有一定的润滑性。适于重切削和强力磨削。