第六章 切削加工

第六章固态材料的质量减少工艺

切削加工和特种加工金属切削加工：钳工：手持工具划线、锯、锉、刮、钻孔┅┅机械加工：操作机械车、铣、刨、磨、镗┅┅6.1概述

一、加工质量尺寸精度：IT01、IT0、IT1……IT18形状精度：O、/O/位置精度：//加工质量加工精度表面粗糙度表6-1表6-2公差等级在基本尺寸至500mm内，规定有20个精度，等级依次为：IT01IT0IT1……IT18等级高低＞IT7称为低于IT7级公差值小大＜IT7称为高于IT7级即公差等级相同，尺寸的精确程度相同（同一公差等级（例如IT7）对所有基本尺寸的一组公差被认为具有同等精确程度）。1.成形运动要形成发生线，需要刀具与工件作相对运动，这种形成发生线即形成被加工表面的运动，成为表面成形运动，简称成形运动。成形运动：主运动进给运动二、切削运动和切削用量

主运动是机床上形成切削速度并消耗大部分切削动力的运动，是必不可少的成形运动。可由工件或刀具来实现。

主运动只有一个、速度最高、消耗功率最大进给运动

进给运动是配合主运动维持切削加工连续不断进行的运动。可分为横向进给、横向进给、圆周进给等。进给运动可以不止一个、速度较小、消耗功率较小2.辅助运动

1）各种空行程运动

2）切入运动，刀具相对工件切入一定深度。

3）分度运动

4）操纵和控制运动，如启动、停止、变速、工件的夹紧、松开及换刀加工表面与切削要素1.三个加工表面

待加工表面已加工表面过渡表面2.切削用量切削要素——包括切削用量和切削层参数（1）切削用量切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度），又称为切削用量三要素。1）切削速度vc切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动速度（m/s),常用最大切削速度代表刀具的切削速度。旋转运动：

式中nr——主运动每秒钟往复次数（str/s）；

l——往复运动行程长度（mm）。v=2Lnr

/1000往复运动：

主运动每转一圈或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位mm/r(用于车削、镗削）或mm/行程（用于刨削、磨削）也可以用进给速度vf表示（单位mm/s)或每齿进给量fz表示，单位（mm/齿）用于铣刀、铰刀等多刃刀具。

Vf=nf=nzfz2）进给量f对于外圆车削，背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离（mm）。

ap=(dw-dm)/23）背吃刀量（切削深度）ap

钻孔时ap=dm/2

6．2

切削刀具一、刀具的几何形状外圆车刀切削部分的组成：三面、两刃、一尖。2.2.2刀具切削部分构造刀具的基本要求：

1）合适的几何角度

2）

刀具材料的切削性能，对工件具有一定的切削能力。金属切削加工：利用刀具切除毛坯上多余的金属层（加工余量）以获得所需的表面精度和质量的加工方法。刀具切削部分的组成前刀面：切削时刀具上切屑流出的表面主后刀面：与工件上加工表面相对的表面。副后刀面：与工件上已加工表面相对的表面主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。担负主要切削工作。副切削刃：前刀面与副后表面的交线。刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。三面二刃一尖刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图各种刀具切削部分的形状二、刀具材料1．对刀具材料的性能要求：（1）较高的硬度。（2）良好的耐磨性。（3）良好的耐热性。（4）足够的强度和韧性。（5）良好的工艺性。2．常用刀具材料的性能和用途（1）碳素工具钢制造切削速度低的简单手动工具（2）合金工具钢制造低速加工和要求热处理变形小的刀具（3）金属陶瓷和金刚石目前主要用于难加工材料的精加工在近代切削加工中，高速钢和硬质合金互相补充，成为应用最广泛的刀具付料。（4）高速钢

高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3)允许的切削速度为30-50m/min（0.5-1.08m/s）4）硬度62-70HRC，且有较好的耐热性540～650℃；5）工艺性能好，能锻造，易磨出利刃。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、铣刀、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。（5）硬质合金

用具有高硬度和高熔点的WC、TiC等金属粉末，以Co、Ni作为粘结剂，用粉末冶金法制得的合金。

特点：硬度高、耐高温、许用切削速度是高速钢的6倍，但强度和韧性差。

适用制造形状简单的高速切削刀片

硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。①钨钴类硬质合金（YG）②钨钛钴类硬质合金（YT）WC、Co。常用牌号：YG3、YG6、YG8等，数字——Co的质量分数加工铸铁、青铜、非铁金属及其合金等脆性材料WC、TiC、Co。YT5、YT15、YT30，数字——TiC的质量分数一般适用于加工钢件，但不宜加工不锈钢和钛合金。②钛钨钽钴（YW）WC、TiC、Co再加入TaC或NbC。改善综合性能，通用硬质合金涂层刀具在高速钢或硬质合金基体上涂覆一层难熔金属化合物，如TiC、TiN、Al2O3等涂层刀具表面硬度高、耐磨性好。6.3切削加工的工艺特点一、零件表面的形成包络法：被加工工件表面形状是由切削刃连续位置的包络线形成的。刀具切削刃的形状与工件表面的形状没有直接关系。成形法：被加工工件表面形状是由刀具切削刃的形状复印形成的。成形法加工时，工件表面的加工精度取决于刀具的精度。

二、切削过程

1．切屑的形成及其类型由于工件材料性质、刀具角度、切削用量的不同，切削过程中的变形情况也就不同，因而产生了不同类型的切屑。(1)带状切屑(2)崩碎切屑(3)挤裂切屑1、带状切屑带状切屑最常见的屑型之一（图片）。外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成条件：一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。缺点：切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。带状切屑Real挤裂切屑Real2.挤裂切屑

又名节状切屑(图3-15b)外形特征：切屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形

形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。3.崩碎切屑切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑，加工表面凸凹不平。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，也有损于机床，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、切削厚度越大、进给量越大则越容易产生这种切屑(图3-15d)。崩碎切屑Real4.崩碎切屑切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑，加工表面凸凹不平。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，也有损于机床，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、切削厚度越大、进给量越大则越容易产生这种切屑(图3-15d)。2．切削力及切削功率

一、切削力的来源及其分解1.切削力切削力概念：金属切削时，刀具切削入工件，使被加工材料发生变形并称为切屑所需的力称为切削力。切削力的来源：

切屑力来源愈三个方面：

A.克服被加工材料对弹性变形的抗力

B.克服被加工材料对塑性变形的抗力

C.克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力也可以这么说：

①前刀面上的变形抗力及摩擦

②后刀面上的变形抗力及摩擦3.切削力的分解总的合力Fr可分解为相互垂直的Fc、Fp、FfFc——切削力或切向力。Ff——进给力或轴向力。Fp——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。Fz——切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。

Fx——进给力或轴向力。处于基面内并与工件轴线平行与进给方向相反的力。

是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的。

Fx≈(0.1~0.6)FzFy——它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。它用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度，它与工件在切削过程中产生的振动有关。Fy≈(0.15~0.7)Fz,此力不做功，但能使工件变形或产生振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。由实验得出如下关系：当Kr＝45°，λs＝0°，γo＝15°时，

Fy＝(0.4～0.5)FzFx＝(0.3～0.4)FzFr＝(1.12～1.18)FzFz在各分力中最大。（5）影响切削力的因素工件材料刀具角度切削用量三、切削加工性1.衡量切削加工性的指标

a一定耐用度下的切削速度VTb相对加工性Kr,Kr=V60/(V60)j

以45钢为基准

c切削力、切削温度、已加工表面质量。切屑的控制，断屑的难易程度。工件材料的切削加工性主要决定于材料的物理、力学性能。

灰铸铁切削加工性较好。低碳钢切削加工性较差。高碳钢切削加工性亦很差。中碳钢其切削加工性比高碳钢和低碳钢都好。铝、铜合金可切削性很好。但有些塑性太高的铝、铜合金，加工时塑性变形很大，断屑困难，表面质量不易保证，可切削性亦差。2.改善切削加工性的途径

1)．采用热处理高碳钢、工具钢——球化退火，降低硬度。热轧中碳钢——正火，组织与硬度均匀。低碳钢——正火、降低塑性，提高硬度。马氏体不锈钢——调质。铸铁件——切削加工前退火，降低表层硬度，消除内应力。

2)．调整材料的化学成份例如，在钢中加少量的硫、铅、磷等元素，形成金属夹杂物(如MnS)，在钢中弥散分布，使之容易断屑，刀具磨损减轻，加工表面质量好，这类钢称为易切削钢。CA6140类别（车床类）结构特性（结构不同）组别（落地及卧式车床组）系别（普通车床系）主参数（最大车削直径400mm）6．4

切削工艺一、车削1.车床的组成

CA6140机床布局

卧式车床主要加工轴类和直径不太大的盘、套类零件，故采用卧式布局。主轴水平安装，刀具在水平面内作纵、横向进给运动。

车床主轴箱进给箱溜板箱尾座床身挂轮机构刀架床腿光杠丝杠溜板箱和进给箱的功用进给箱的功用是变换被加工螺纹的种类和导程，以及获得各种机动进给量。溜板箱的功用是将丝杠或光杠传来的旋转运动转变为执行运动并带动刀架进给，控制刀架运动的接通、断开和换向，机床过载时控制刀架自动停止进给，手动操作刀架时实现快速移动。溜板箱的组成：纵、横向机动进给和快速移动的操作机构，开合螺母及操作机构、互锁机构、超越离合器和安全离合器等。3．车削的工艺特点（1）易于保证各加工面件的同轴度、垂直度、平行度等。（2）生产率较高，表面质量好。（3）对工件材质、加工要求的适用性强。4.车床的加工范围回转表面：车外圆、内孔、端面、外锥面、车槽、切断、车螺纹，钻孔，铰孔注意车床加工共同点：主运动进给运动回转表面图车刀的类型与用途1—45°弯头车刀2—90°外圆车刀3—

外螺纹车刀4—75°外圆车刀

5—

成形车刀6—90°左切外圆车刀7—

割槽刀8—

内孔槽刀

9—

内螺纹车刀10—

盲孔镗刀11—

通孔镗刀常用车刀车刀的结构a)整体式b)焊接式c)机夹重磨式d)可转位式三、钻削加工钻、扩、铰、镗加工都属于孔加工方法，另外还有拉孔、磨孔属于孔的精加工。1．钻孔钻孔是用钻头在实体材料上加工孔。钻孔属粗加工，可达到的尺寸公差等级为IT11，表面粗糙度Ra值一般为12.5um。麻花钻组成：柄部颈部工作部分切削部分—承担切削导向部分—引导钻头为提高钻孔的精度和效率——

修磨成“群钻”〈1)．麻花钻：两个主切削刃、两上副切削刃、一个横刃2)．钻孔的工艺特点（1）容易产生“引偏”，产生的原因：①麻花钻细长②钻头仅有两条很窄的棱边与孔壁接触，接触刚度和导向作用很差。③钻头横刃产生的轴向力很大。④钻头有两个主切削刃。（2）排屑困难。（3）切削热不易传散。工件吸收的热量约占52.5%，钻头约占14.5%，切屑约占28%，而介质仅占5%左右。减小“引偏”产生采取的措施：①预钻锥形定心孔。②用钻套为钻头导向。③刃磨时，尽量把钻头的两个主切削刃刃磨得对称一致。改进方法群钻:3)．钻孔机床的选择台式钻床：单件小批生产，中小型工件上的小孔。立式钻床：中小型工件上直径较大的孔。摇臂钻床：大中型工件上的孔。回转体工件上的孔：多在车床上加工。在成批和大量生产中：钻模、多轴钻或组合机床进行孔的加工。六、钻床：台钻、立钻、摇臂钻1.台式钻床

钻孔φ16以下，适用于加工小型零件各种孔。钻床←2.立式钻床典型型号Z35可手动、机动进给适用于单件小批加工小型零件各种孔。3.摇臂钻床典型型号Z3040。适用于加工大、中型工件。万向摇臂钻床摇臂和主轴箱可以回转或倾斜，使主轴可在空间任意方向都可以进行钻削，适用于重型机器，机车车辆，船舶和锅炉等制造业中加工大型工件。车式摇臂钻床的底座有车轮，可以在轨道上移动，适用于桥梁和机床等行业窄长形工件的孔加工。

摇臂钻2.扩孔扩孔是用扩孔钻对工件上已有的孔进行扩大加工，提高孔的精度和减小表面粗糙度Ra值。扩孔的公差等级为IT10～IT9，表面粗糙度Ra值为6.3～3.2um，属于半精加工。扩孔钻与麻花钻在结构上相比有以下特点：1)．刚性较好。2)．导向性较好。3)．切削条件较好。在一定程度上可校正原孔轴线的偏斜。3、铰孔铰孔是在扩孔或半精镗的基础上进行的，是孔的精加工方法。公差等级为IT8～IT6，表面粗糙度Ra值为1.6～0.4um。提高工件的尺寸精度和形状精度，但不能提高孔的位置精度。钻一扩一铰是生产中典型的孔加工方案。四、镗孔镗孔是位置精度要求严格的箱体上的孔系加工，可在车床、镗床或铣床上进行。镗孔可分粗镗、半精镗和精镗。镗削视频另外孔加工还有拉孔、磨孔磨孔是孔的精加工方法，尺寸公差等级：IT8～IT6，Ra：1.6～0.4um。磨孔主要用于不宜或无法进行镗削、铰削或拉削的高精度的孔以及淬硬孔的精加工。拉孔是孔进行精加工，尺寸公差等级为IT8～IT7，Ra值为0.8～0.4um。五、拉削拉孔是孔进行精加工，尺寸公差等级为IT8～IT7，Ra值为0.8～0.4um。孔加工：钻—扩—拉（φ10~φ100）拉床是用拉刀进行加工的机床。拉床用于大批量加工通孔、平面及成形表面。只有主运动，没有进给运动。拉床的主运动通常是由液压驱动的1、适合拉削表面2、拉床与拉刀拉床与拉刀五、刨削刨削加工的尺寸公差等级一般为IT9～IT7，Ra值为6.3～1.6um。用宽刀进行精刨，表面粗糙度Ra值为1.6～0.8um。牛头刨床是由滑枕带着刀架作直线往复运动龙门刨床由工作台带着工件通过龙门框架作直线往复运动刨削加工的特点1.加工精度低:只能采用中低速切削,易积屑瘤2.生产效率低:窄长平面多采用刨削加工3.加工成本低:刨床、刨刀结构简单，刨床的调整和刨刀的刃磨比较方便。在大批量生产中，刨削已逐渐被铣削和拉削代替。六、铣削铣削加工公差等级可达IT9~IT7，表面粗糙度Ra值可达6.3~1.6um。1.加工表面：铣床可以加工各种平面、台阶、沟槽、螺旋面等。2.使用刀具：主要有圆柱铣刀、端铣刀、盘铣刀、立铣刀、键槽铣刀等。3.主运动：铣刀的回转运动

进给运动：工件的直线运动六、铣削铣削加工公差等级可达IT9~IT7，表面粗糙度Ra值可达6.3~1.6um。铣刀旋转为主运动，工件或铣刀的移动为进给运动。可加工平面、台阶面、沟槽、成形面等，多刃切削效率高铣削平面的工艺特点：(1)铣刀是多齿刀具，切削过程不平稳，容易产生振动，Ra较大。(2)刀齿的散热条件好。但切入和切出有热和力的冲击，加速刀具的磨损，甚至引起硬质合金刀片的碎裂。(3)铣削加工的应用范围广。(4)铣平面比刨平面的生产率高。万能卧式升

降台式铣床床鞍底座床身悬梁主轴支架工作台回转盘升降台nXY卧式

升降台

铣床底座床身悬梁主轴支架工作台床鞍升降台立式升降

台式铣床升降台立铣头主轴工作台床鞍圆台铣床床身滑座圆工作台立柱主轴箱龙门铣床床身工作台水平铣头横梁垂直铣头立柱顶梁立柱垂直铣头水平铣头七、磨削七磨削平面、外圆、内孔精加工的主要手段，适用于淬硬或不淬硬表面1.经济精度：IT6~IT5级经济表面粗糙：Ra0.8~0.12.使用刀具：磨料磨具（砂轮、砂带、油石、研磨料等）3.磨床类型：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床等2.机床的典型加工方法机床的主运动：砂轮的高速旋转运动进给运动：①工件旋转②工件纵向直线运动（轴向进给）③砂轮横向进给进给2.机床的典型加工方法

纵磨法磨削外圆柱面纵磨法磨削小锥度长圆锥面

切入法磨削锥度较大短圆内圆磨具磨削内圆柱/锥面纵磨法

横磨法

M1432A型万能外圆磨床液压控制箱床身头架工作台内圆磨具砂轮架尾座精密万能外圆磨床平面磨床6.5特种加工（自学）不象机械加工那样主要依靠机械能来切除被加工材料，而是直接利用电能、化学能、光能及声能等进行加工。利用能源：电能、化学能、光能及声能等；工具材料：硬度可以比工件材料的硬度低；切削力：加工时一般没有明显的切削力；切削速度：加工去除工件材料的速度比切削加工低。一、电火花加工（EDM）利用脉冲放电对导电材料的腐蚀作用去除材料，以获得一定形状和尺寸的一种加工方法。

1.解决各种难切削材料的加工问题

2.解决各种复杂表面的加工问题

3.解决各种超精或具有特殊要求的零件的加工问题6.5特种加工

特种加工的特点1.主要利用电能、电化学能、声能、光能、热能等去除材料，而不是主要依靠机械能2.工具硬度可以低于被加工材料的硬度3.加工过程中工具和工件之间不存在显著的切削力加工原理1.工具与工件之间保持适当间隙

自动进给调节系统2.火花放电必须是脉冲性放电

采用脉冲电源3.在有一定绝缘性能的介质中放电

液体绝缘介质

两极之间火花放电电腐蚀去除材料创造条件：

一电火花加工电火花加工视频

1—工件2—脉冲电源3—自动进给调节系统

4—工具5—工作液6—过滤器7—工作液泵

图2-2电火花加工原理示意图极性效应工件正极—正极性加工工件负极—负极性加工精加工短脉冲ti<10s粗加工长脉冲ti>80s为充分利用极性效应，一般都采用单向脉冲电源(a)电火花加工产品(b)线切割加工产品 加工产品实例

优点1.适于难切削材料的加工硬质合金、淬火钢等2.加工复杂形状或特殊零件应用领域日益扩大

局限性1.主要加工金属等导电材料2.加工速度较慢3.有电极损耗，影响加工精度电火花加工的特点及应用电火花加工工艺方法分类类别工艺方法特点用途备注1穿孔成形加工工具为成形电极主要一个进给运动型腔加工、冲模挤压模、异形孔约占电机床总数30%2电火花线切割加工工具为线状电极两个进给运动冲模、直纹面、窄缝、下料占总数60%3内孔、外圆成形磨相对旋转运动、径向轴向进给运动精密小孔、外圆小模数滚刀占总数3%4同步共轭回转加工均作旋转运动且纵横进给精密螺纹、异形齿轮、回转表面占总数1%5高速小孔加工细管电极旋转、穿孔速度极高深小孔、喷嘴、穿丝孔占总数2%6表面强化、刻字工具在工件上振动工具相对工件移动工具刃口强化、刻字占总数2%～3%

二电解加工电解加工原理

利用金属在电解液中的电化学反应（阳极溶解）将工件加工成形

直流电源