金属工艺学之切削工艺知识

成形工艺基础-切削11金属工

艺学

(下册)

第五篇

切削工艺知识第一页，共六十七页。成形工艺基础-切削12

切削:利用切削工具从工件上切除多余材料的加工方法。

GB4863-85规定：切屑加工（定义同上）；

切削加工=钳工+机械加工

机械加工—利用机械力对各种工件进行加工的方法。机械加工的方法许多：车、钻、铣、刨和磨等多种，但它们在切削运动、切削刀具、切削过程的物理实质等方面都有着共同的现象和规律。第二页，共六十七页。成形工艺基础-切削13第一章金属切削的基础知识

§1切削运动与切削要素

一、零件表面的形成零件表面的组成有：基本表面平面、外、内圆面；成形面：沟、槽、螺纹及齿面等

二、切削运动

1.三个表面第三页，共六十七页。成形工艺基础-切削14

在切削加工过程中，工件上存在三个不断变化的表面，即：已加工表面、待加工表面和过渡表面。

1)待加工表面工件上即将切去切屑的表面。

2)已加工表面工件上已切去切屑的表面。

3)过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，即已加工表面和待加工表面之间的过渡表面。第四页，共六十七页。成形工艺基础-切削15

切削运动：刀具与工件之间的相对运动。切削运动又分主运动和进给运动，其中：

1.主运动

由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件。

2.进给运动是使待加工表面不断地或连续地投入切削并得出所需几何特性的已加工表面的运动。第五页，共六十七页。成形工艺基础-切削16

切削过程中主运动只有一个；进给运动可以有一个或几个。切削运动的形式有：旋转或直线的。实际的切削运动是一个合成切削运动.

三、切削用量一般，切削用量包括：

切削速度、进给量和背吃刀量。常称为切削三要素第六页，共六十七页。成形工艺基础-切削17

m/s

1.切削速度

υｃ(以车削为例)

切削速度υｃ(m/s)是主运动的线速度。νc=式中：D—为工件待加工表面的直径(mm)；

n—为转速(r/min)。车削时指工件待加工表面最大直径处线速度.

2.进给量f(mm/r)

指(车)刀具相对于工件旋转一转,在进给方向第七页，共六十七页。成形工艺基础-切削18

的位移量。

单位为：mm/r或mm/str。

3.背吃力量ap(mm)指工件上已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，单位为：mm。式中：d为已加工表面的直径(mm)生产中为提高效率一般对工件分粗、精加工阶段，如粗加工时的选择原则：aP＝第八页，共六十七页。成形工艺基础-切削19

“先定ap,次选f,最后定υc”c

四、切削层参数

1.切削层公称横截面积AD

在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为mm2。

2.切削层公称宽度bD

；

3.切削层公称厚度hD

且三者间有关系：

AD=bDhDmm2

在车削中可近似认为：AD≈fapmm2第九页，共六十七页。成形工艺基础-切削110§2刀具材料与刀具构造

刀具组成＝切削部分＋夹持部分

一、刀具材料(指切削部分)

1.对刀具材料的基本要求切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度，刀具切削部分的材料应具备以下性能：

1)高的硬度一般刀具材料的硬度应在60HRC以上。第十页，共六十七页。成形工艺基础-切削111

2)足够的强度和韧性又称坚韧性，以承受切削中的冲击力和振动，减少刀具脆性断裂和崩刃。

3)耐磨性好即抵抗磨损的能力，使刀具使用耐久。

4)高的耐热性是指刀具在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨性等。

5)工艺性能要好

第十一页，共六十七页。成形工艺基础-切削112

为了便于刀具本身的制造，刀具材料还应具有一定的工艺性能,如:切削性能、磨削性能、焊接性能及热处理性能等。

2.常用刀具材料

1)碳素工具钢

T10钢(WC=1%)制手用钢锯条、简单冷作模;T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等

2)合金工具钢常用牌号如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等，第十二页，共六十七页。成形工艺基础-切削113

主要用于制造刃具、模具、量具等工具

3)高速钢高速钢是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢.

其常用牌号有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等,广泛用于制造形状复杂的高速切削工具,如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。

4)硬质合金根据GB/2075-1998规定，按被加工材料第十三页，共六十七页。成形工艺基础-切削114

分了三个大（类）组；分别用字母P、M、K表示(这些字母完全是习惯性，本身无其他含义)。相应识别颜色为蓝、黄、或红.具体应用:

1)P类(蓝色)

相当于旧牌号YT类硬质合金。

适宜加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。其代号P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧性越高。如车削时：精车用P01,半精车用P10,P20；第十四页，共六十七页。成形工艺基础-切削115

粗车选用P30。

2)M类(黄色)相当于旧牌号YW类硬质合金适宜加工长切屑或短切屑的金属材料，如钢、铸钢、不锈钢、灰铸铁、有色金属等。其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性低而韧性大。精车选M10；半精车用M20；粗车时可用M30。

3)K类(红色)相当于旧牌号TG类硬质合金第十五页，共六十七页。成形工艺基础-切削116

适宜加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等，其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字大，耐磨性降而韧性大。如车削时：精车选K01；半精车K10、K20；粗车用K30。

3.新型刀具材料

1)涂层刀具材料

是指通过气相沉积或其他技术方法，在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层高硬耐磨的第十六页，共六十七页。成形工艺基础-切削117难熔金属或非金属化合物而构成的。如在硬质合金表面上涂厚4～9μm的涂层时，表面硬度可达2500～4200HV，是实现刀具要求“面硬而心韧”的有效方法之一。

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等硬质合金涂层刀具寿命可比原来提高1～3倍，高速钢涂层后寿命提高2～10倍，世界各国对涂层刀具运用很广泛。处于领先地位的瑞典，在车削中使用涂层硬质合金刀片已达70%～80%。第十七页，共六十七页。成形工艺基础-切削118

2)陶瓷刀具材料

按化学成分可分为Al2O3基和Si3N4基两类。陶瓷刀具硬度高而耐磨，允许切削速度达成12.5m/s，耐热性度可达1200～1450℃，其效率比硬质合金提高了1～4倍，可制成刀片。用于半精和精加工高硬度、强度钢及冷硬铸铁等，缺点抗弯强度低，冲击韧性差。

3)超硬刀具材料

它包括人造聚晶金刚石和立方氮化硼等第十八页，共六十七页。成形工艺基础-切削119

人造聚晶金刚石刀具，硬度极高(5000HV以上),耐磨性极好，可切削硬的材料而长时间保持尺寸的稳定(不宜加工铁族金属,为什么？)。

刀具寿命比硬质合金高几十至三百倍，宜精细加工。立方氮化硼(CBN)的显微硬度达8000～9000HV，仅次于天然金刚石（10000HV），耐磨性很好，其耐热性达1500℃，且与铁族材料亲和作用小。第十九页，共六十七页。成形工艺基础-切削120适于加工高硬、难切材料。

注意刀具材料的使用性能，工艺性能和价格不同，各种切削条件对刀具要求也各异，应综合考虑，合理地选用刀具材料。

二、刀具角度刀具的种类相当繁多，但其切削部分的结构要素和几何角度有着许多共同的特征,图示。各种刀具就一个刀齿而言，都相当于车刀的刀头。第二十页，共六十七页。成形工艺基础-切削121

车刀切削部分的组成车刀切削部分有：“三面两刃一尖”。

1.前刀面（简称前面）

—指刀具上切屑流经的表面。

2.主后刀面（简称后面）

—是与工件上过渡表面相对的表面。

3.副后刀面（简称副后面）

—是与工件已加工表面相对的表面。第二十一页，共六十七页。成形工艺基础-切削122

4.主切削刃

—前刀面与主后刀面的交线。

5.副切削刃

—前刀面与副后刀面的交线。

6.刀尖

—指主、副切削刃汇交的部位，它可以是圆弧，或是一小段直线。

刀具角度参考系刀具角度是确定车刀各部分几何形状的重要第二十二页，共六十七页。成形工艺基础-切削123

参数，用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。参考系有两类：一类为刀具静止参考系,又称标注参考系;

它是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度；

另一类刀具工作参考系,又称为动态参考系.

组成刀具静止参考系的平面，如图，由三平面组成：

1.基面Pr

第二十三页，共六十七页。成形工艺基础-切削124

过切削刃选定点并垂直于假定主运动方向的平面。车刀基面可理解为平行于刀具底面的水平面.

2.切削平面Ps

过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面（主切削平面以Ps表示，副切削平面以Ps，表示）。

3.正交平面Po第二十四页，共六十七页。成形工艺基础-切削125

过切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面。

4.假定工作平面Pf

过切削刃选定点，垂直于基面并平行与假定进给运动方向的平面。

由于刀具的参考系在切削刃上各点是变化的，因此角度的定义也应指明选定点。在未指明时，一般指切削刃的基点或刀尖。第二十五页，共六十七页。成形工艺基础-切削126

在正交平面内测量的标注角度见图

1.前角r。

前刀面与基面间的夹角。根据前刀面与基面间的相对位置又分别规定为:正前角、零度前角和负前角。作用：影响切削刃锋利程度及强度，增加前角可使刀刃锋利，切削力减少。切削温度降低，但过大的前角会使刃口强度降低，容易造成刃口损坏。第二十六页，共六十七页。成形工艺基础-切削127

选择原则：前角的数值大小与刀具切削部分的材料，被加工材料、工作条件等都有关系。

(1)材料性脆、强度低时前角应取小值；

(2)材料强度和硬度低时，取较大前角；

(3)有冲击的工作条件时，前角应取较小值，甚至取负值。在保证刀具刃口强度的条件下，尽量用大前角。

2.后角αo

第二十七页，共六十七页。成形工艺基础-切削128

指主后刀面与切削平面之间的夹角。

作用：减小后面与工件之间的摩擦，和前角一样影响刃口的强度和锋利程度。

选择原则:与前角相似,一般后角值为6°～8°。在基面内测量的角度有

3.主偏角γ

指主切削平面与假定工作平面间夹角。

作用：影响切削刃工作长度、背向力、刀尖第二十八页，共六十七页。成形工艺基础-切削129

强度和散热条件；主偏差越小，背向力越大，切削刃工作长度越大，散热条件越好。

选择原则：工件粗大,刚性好时取较小值,车细长轴时为减少背向力,以免工件弯曲,加工出腰鼓形,宜选取较大的值,常用为45°～75o间。

4.副偏角

副切削平面与假定工作平面间的夹角

作用：影响已加工表面的粗糙度，减少副偏角可使被加工表面粗糙值降低。第二十九页，共六十七页。成形工艺基础-切削130

选择原则：精加工时为提高加工表面的质量，选取较小值，一般为5°～10°

在切削平面内侧量的角度有：

5.刃倾角λs

指主切削刃与基面间的夹角，反映主切削刃对基面的倾斜程度。

作用：影响切屑流动方向和刀尖的强度。

(1)当λs为正值时，刀尖在主切削刃上的最高点，切屑流向待加工表面；第三十页，共六十七页。成形工艺基础-切削131(2)当λs为负值时，刀尖在主切削刃上为最低点，切屑流向已加工表面；

(3)刃倾角为0°时，切屑垂直于过渡表面方向流出。在λs

＝＋时，切屑的压力使刀头及刃口易损坏，刀头强度表现差；反之，则刀头强度较好。

选择原则：精加工时取正值，粗加工时或有冲击时取负值，一般情况下为0°～5°。第三十一页，共六十七页。成形工艺基础-切削132

三、刀具结构

刀具结构种类很多,以车刀为例介绍：

1.整体车刀切削部分与刀杆为同一种材料，如高速钢车刀(白钢刀),在有色金属加工中应用较多。

2.焊接车刀切削部分与刀杆不同材料,刀杆为中碳钢锻造,而切削部分为硬质合金类刀片,运用硬钎焊连第三十二页，共六十七页。成形工艺基础-切削133

接而成，方便灵活，尤其小刀具运用多。

3.机械夹固式车刀

按是否重磨又分机夹不重磨式和机夹重磨式两种.

其中机夹不重磨时,一刀刃用钝后不需重磨.如图示，只须将夹紧螺钉稍松，将刀片再转过一刃即可使用。

而机夹重磨式,类似焊接车刀,用钝后可重磨.第三十三页，共六十七页。成形工艺基础-切削134§3金属切削过程

一、切屑形成及种类

1.切屑形成

塑性材料的切屑过程是一个：

挤压变形切离过程；经历了：

弹性变形、塑性变形、挤裂和切离四阶段.

2.切屑的种类①带状切屑、②节状切屑、③崩碎切屑第三十四页，共六十七页。成形工艺基础-切削135

二、积屑瘤

1.产生（见录像片）

2.对切削过程的影响优点：

①硬化刀刃保护刀具；②增大前角γ利切削；③粗加工时利用之。

不足：

时积时流使工件表面粗糙；精加工时，予以限制。第三十五页，共六十七页。成形工艺基础-切削136

三、切削力以车外圆时为例：总切削力(F)分解为相互垂直的三个分力：

1.切削力Fc

F在主运动方向上的分力；

2.进给力Ff

F在进给方向上的分力；

3.背向力Fp

F在垂直于工作平面方向上的分力。三个分力与总切削力有关系：第三十六页，共六十七页。成形工艺基础-切削137

四、切削热与切削温度

1.切削热产生、传出与对加工的影响

2.切削温度及其影响影响切削温度的主要因素：

①工件材料强而硬的材料生热多；②切削用量影响程度依次排序为：第三十七页，共六十七页。成形工艺基础-切削138

切削速度、进给量、背吃刀量。

③刀具角度前角大、主偏角小些都可使生热减少。

3.切削液及其选用降低切削热的一个有效途径是喷注切削液，可以降温。切削液的功能可以归纳为：

冷却作用、润滑、清洗和防锈作用。生产中常用的切削液可分为三类：第三十八页，共六十七页。成形工艺基础-切削139

1)水溶液

水为主，加有防锈液等添加剂。作用：冷却为主。

2)乳化液

将乳化油加水稀释。不仅冷却而且兼有润滑作用。

3)切削油矿物油为主。少数采用动、植物油等，润滑为主。

第三十九页，共六十七页。成形工艺基础-切削140

五、刀具磨损和刀具耐用度

刀具在使用一段时间后，其切削刃变钝，以致无法使用。为此要讨论刀具磨损与耐用度。

1.刀具磨损形态

1)后刀面磨损磨损以后刀面上的磨损宽度值VB表示。

2)前刀面磨损在高切削速度，背吃刀量较大且不用切削第四十页，共六十七页。成形工艺基础-切削141

液情况下，切塑性材时，前刀面上出现月牙洼，前刀面的磨损量以最大深度值KT表示。

3)前后刀面同时磨损

2.刀具磨损过程刀具磨损过程有三阶段，如图所示。

3.刀具耐用度

刀具耐用度是指刀具从刃磨开始使用，到刀具磨损量达到磨损限度的总切削时间（min）,第四十一页，共六十七页。成形工艺基础-切削142

以符号T表示.

刀具寿命刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准所经历的实际切削时间。

一般说:高速钢钻头的耐用度为80～120min;

硬质合金焊接车刀耐用度约为60min；硬质合金端铣刀的耐用度约为120～180min。第四十二页，共六十七页。成形工艺基础-切削143§4材料的切削性

一、概述材料的切削性：是指材料用刀具进行切削的难易程度。二、常用材料的切削性

1.结构钢

1)低碳钢性软而韧，易生鳞刺，经正火处理后，可使切削性得以改善。第四十三页，共六十七页。成形工艺基础-切削144

2)中碳钢

有较好综合力学性能，切削性好。

3)高碳钢由于组织中多为珠光体加网状渗碳体，经球化退火可改善切削性。

2.普通灰口铸铁易切削！(为什么？)

3.不锈钢

1)铬不锈钢

第四十四页，共六十七页。成形工艺基础-切削145

马氏体型不锈钢，其牌号有：

1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13

2.铬镍不锈钢

奥氏体型不锈钢，其牌号：

1Cr18Ni9（Ti）、0Cr18Ni9

3.铁素体不锈钢

1Cr17—容器，日用品。由于:1)不锈钢的塑性高，切削抗力大；第四十五页，共六十七页。