第-一章-金属切削-的基础知识(共77张PPT)

第一章金属切削的基础知识

第1页，共77页。第一节切削运动及切削要素切削运动：切削运动包括主运动和进给运动，主运动使刀具和工件之间产生相对运动，消耗功率最大。

第2页，共77页。零件不同表面加工时的切削运动

第3页，共77页。切削用量

切削用量用来衡量切削运动量的大小。在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量

第4页，共77页。切削速度Vc切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度

主运动为旋转运动：

切削速度一般为其最大线速度。

由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度

Vc=πdn/1000m/s或m/min式中：d：工件或刀具的直径，mmn:工件或刀具的转速，r/s或r/min第5页，共77页。主运动为往复直线运动

(如刨削、插削等)：平均速度为切削速度

Vc=2Lnr/1000m/s或m/min式中：L：往复行程长度，mmnr:主运动每秒或每分钟的往复次数第6页，共77页。在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位是mm/r(用于车削、镗削等)或mm/行程(用于刨削、磨削等)。进给量表示进给运动的速度。进给运动速度还可以用进给速度Vf（单位mm/s）或每齿进给量fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是mm/齿)表示。Vf=nf=nzfz

其中：n—主运动的转速，(mm/s)；

z—刀齿齿数。

进给量第7页，共77页。背吃刀量在垂直于主运动方向和进给方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度。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，单位为mm。即ap=(dw-dm)/2

其中：dw—工件待加工表面的直径，(mm)；

dm—工件已加工表面的直径，(mm)。

第8页，共77页。切削层参数

在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。

切削层公称厚度hD:在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得：ac=fsinkr

其中：ac—切削层公称厚度，(mm)；

f—进给量，(mm/r)；kr—车刀主偏角，(。)。切削层公称宽度bD

:沿过渡表面测量的切削层尺寸。aw反映了切削刃参加切削的工作长度。由图得：aw=ap/sinkr

其中：aw—切削层公称宽度，(mm)。切削层公称横截面积AD:切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由图得：Ac=acaw=fsinkrap/sinkr

其中:Ac—切削层公称横截面积，(mm2)。

第9页，共77页。第二节刀具材料及刀具构造

一般刀具由切削部分和夹持部分组成。夹持部分是用来将刀具夹持在机床上的部分，要求它能保证刀具正确的工作位置，传递所需要的运动和动力，并且夹固可靠，装卸方便。切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分。刀具切削性能的优劣，取决于切削部分的材料、角度和结构。第10页，共77页。

一、刀具材料１、刀具材料的基本要求：

(1)较高的硬度。(2)足够的强度和韧度。(3)较好的耐磨性。(4)较高的耐热性（又称为红硬性或热硬性）。(5)较好的工艺性。第11页，共77页。

2．常用的刀具材料

在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷材料等。应用最广的刀具材料是：高速钢和硬质合金。第12页，共77页。（１）碳素工具钢碳素工具钢是含碳量较高的优质钢(含碳量为0．7％～1．2％)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差(表1—1)。（２）合金工具钢在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢(如9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性(表1—1)。由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等：，较少用于制造其他刀具。目前生产中应用最广的刀具材料是高速钢和硬质合金，而陶瓷刀具主要用于精加工。

第13页，共77页。

（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。它的耐热性、硬度和耐磨性虽低于硬质合金，但强度和韧度却高于硬质合金(表1—1)，工艺性较硬质合金好，而且价格也比硬质合金低。普通高速钢如W18Cr4V是国内使用最为普遍的刀具材料，广泛地用于制造形状较为复杂的各种刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具等。

第14页，共77页。（４）硬质合金

硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC等)作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。它的硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍，但其强度和韧度均较高速钢低(表1—1)，工艺性也不如高速钢。因此，硬质合金常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。国产的硬质合金一般分为两大类：一类是由WC和Co组成的钨钴类(YG类，相当于ISO标准的K类)；一类是由WC、TiC和Co组成的钨钛钴类(YT类，相当于ISO标准的P类)。第15页，共77页。YG类硬质合金塑性较好，但切削塑性材料时，耐磨性较差，因此它适于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有YG3、YG6、YG8等，其中数字表示Co含量的百分率。Co的含量少者，较脆、较耐磨。YT类硬质合金比YG类硬度高、耐热性好，并且在切削韧性材料时较耐磨，但韧性较小，适于加工钢件。常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等，其中数字表示TiC含量的百分率。TiC的含量越多，韧性越小，而耐磨性和耐热性越高。第16页，共77页。（５）陶瓷材料陶瓷材料的主要成分是A12O3。陶瓷刀片的硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许用较高的切削速度，加之A12O3的价格低廉，原料丰富，因此很有发展前途，但陶瓷材料性脆怕冲击，切削时容易崩刃，所以，如何提高其抗弯强度已成为各国研究工作的重点。近十年来，各国已先后研究成功“金属陶瓷”。如我国制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌号的金属陶瓷。第17页，共77页。3、其他新型刀具材料

(1)超高速钢；(2)万能型硬质合金YWl和YW2；既适于加工铸铁等脆性材料，又适于加工钢等塑性材料。

涂层刀片；

(3)人造金刚石

人造金刚石硬度极高(接近10000HV，而硬质合金仅达1000～2000HV)，耐热性为700—800℃。

(4)立方氮化硼(CBN)

是人工合成的又一种高硬度材料，硬度(7300—9000HV)仅次于金刚石。第18页，共77页。二、刀具角度

刀具的组成部分第19页，共77页。（１）刀具静止参考系第20页，共77页。劈柴斧头角度第21页，共77页。切西瓜水果刀角度第22页，共77页。

外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：

（1）前面

刀具上与切屑接触并相互作用的表面。

（2）主后面

刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。

（3）副后面

刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。

（4）主切削刃

前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。

（5）副切削刃

前刀面与主后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。

（6）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。

第23页，共77页。确定刀具角度的参考平面

第24页，共77页。刀具要从工件上切下金属，必须具有一定的切削角度，也正是由于切削角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置。要确定和测量刀具角度，必须引入三个相互垂直的参考平面，如图示。

（1）切削平面

通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面。

（2）基

面

通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。

（3）正交平面

通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。

切削平面、基面和正交平面共同组成标注刀具角度的平面参考系。常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。

第25页，共77页。刀具的标注角度

第26页，共77页。车刀主要角度第27页，共77页。副偏角对残留面积的影响第28页，共77页。正前角（２0°）第29页，共77页。由图得：aw=ap/sinkr由图得：Ac=acaw=fsinkrap/sinkr产品的制造成本是指费用消耗的总和，它包括毛坯或原材料费用、生产工人工资、机床设备的折旧和调整费用、工夹量具的折旧和修理费用、车间经费和企业管理费用等。V<5m/min

2．采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；碳素工具钢是含碳量较高的优质钢(含碳量为0．7％～1．2％)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差(表1—1)。当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即切削过程中的许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面质量等都是以切屑形成过程为基础的。硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC等)作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。对刀具耐用度和辅助时间的影响精加工：主要起润滑作用，选高浓度的乳化液或切削油。它切于过渡表面并与基面垂直。从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。零前角第30页，共77页。负前角第31页，共77页。正后角（

４

°）第32页，共77页。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。产品的制造成本是指费用消耗的总和，它包括毛坯或原材料费用、生产工人工资、机床设备的折旧和调整费用、工夹量具的折旧和修理费用、车间经费和企业管理费用等。刃倾角λs主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。1、定义：刀具允许磨损极限，通常以切削时(2)积屑瘤的存在，增大了刀具实际工作前角，使切削轻快。(2)积屑瘤会导致切削力的变化，引起振动。（2）主后面

刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。数量来表示生产率。材料切削加工性的衡量指标TiC的含量越多，韧性越小，而耐磨性和耐热性越高。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。正后角（10°）

第33页，共77页。零后角第34页，共77页。负后角第35页，共77页。正刃倾角第36页，共77页。零刃倾角第37页，共77页。负刃倾角第38页，共77页。刀具的工作角度

在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。第39页，共77页。三、刀具角度的选择刀具角度的选择主要包括刀具的前角、后角、主偏角和刃倾角的选择。

（1）前角

前角γo对切削的难以程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之小些；刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）；精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。第40页，共77页。（2）后角

后角αo的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。（3）主偏角

主偏角κr的大小影响切削条件和刀具寿命。在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以κr宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。（4）副偏角

副偏角κr'的作用是可减小副切削刃和副厚刀面与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削振动。κr'的大小主要根据表面粗糙度的要求选取。（5）刃倾角

刃倾角λs主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。

第41页，共77页。刀具结构整体式焊接式机夹重磨式机夹可转位式是数控机床、自动线的出现而出现。第42页，共77页。机夹可转位刀具的优点1、避免了因焊接而引起的缺陷，在相同的切削条件下刀具切削性能大为提高；2、在一定条件下，卷屑、断屑稳定可靠；3、刀片转位后，仍可保证切削刃与工件的相对位置，减少了调刀停机时间，提高了生产效率；4、刀片一般不需重磨，利于涂层刀片的使用；5、刀体使用寿命长，可节约刀体材料及其制造费用。第43页，共77页。刀片系列第44页，共77页。车刀安装第45页，共77页。第三节金属切削过程

切削过程中的许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面质量等都是以切屑形成过程为基础的。而生产实践中出现的许多问题，如振动、卷屑和断屑等，都同切削过程有着密切的关系。第46页，共77页。一、切屑形成过程及变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。第47页，共77页。切屑变形第48页，共77页。紫铜的切屑变形第49页，共77页。切屑的类型及控制一、切屑的类型及其分类由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样。

第50页，共77页。切屑的种类第51页，共77页。1.

带状切屑它的内表面光滑，外表面毛茸。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，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。

2.挤裂切屑

这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。3.单元切屑如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑。

以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。第52页，共77页。4.崩碎切屑

这是属于脆性材料的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。

以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。在现代切削加工中，切削速度与金属切除率达到了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。所谓切屑控制（又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”），是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。各种切屑过程演示第53页，共77页。切屑安全第54页，共77页。二：切屑控制的措施

在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。第55页，共77页。二、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。

第56页，共77页。积屑瘤第57页，共77页。积屑瘤积屑瘤的动态演示1

积屑瘤的动态演示2

积屑瘤的动态演示3第58页，共77页。积屑瘤是如何形成的?

1.切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。

2.当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。

3.如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。

4.这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。

所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。

第59页，共77页。积屑瘤对切削过程的影响

1.实际前角增大

它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。

2.增大切削厚度

3.使加工表面粗糙度增大

积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。

4.对刀具寿命的影响

积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。第60页，共77页。积屑瘤对切削加工的影响有利之处：(1)积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。(2)积屑瘤的存在，增大了刀具实际工作前角，使切削轻快。粗加工时希望产生积屑瘤。不利之处：(1)积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。(2)积屑瘤会导致切削力的变化，引起振动。(3)一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，使表面变得粗糙。精加工时应尽量避免产生积屑瘤。第61页，共77页。防止积屑瘤的主要方法

1．降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；V<5m/min

2．采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；V>100m/min

3．采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；

4．增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；

5．适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。

第62页，共77页。切削力

一：切削力的来源研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：

1、克服被加工材料对塑性变形的抗力；

2、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。第63页，共77页。二、切削合力及其分解

上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力。在车削时：

Fz(Fc)——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(Ff)——进给力、轴向力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。Fx是设计走刀机构，计算车刀进给功率所必需的。

Fy(Fp)——切深抗力、或背向力、径向力

、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。Fy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。第64页，共77页。三、切削功率

消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm。Pm=FzV×10-3

如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。

PE≥Pm/ηm

式中

：ηm—机床的传动效率，一般取为～，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。

第65页，共77页。切削力的经验公式和切削力估算

目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。常用的经验公式约可分为两类：一类是指数公式，一类是按单位切削力进行计算。

1、

车外圆时，切削力Fc经验公式：P16Fc=CFc．ap

xFc．fyFc．KFcNxFc==1yFc说明ap比f对切削力Fc的影响大。2、按单位切削力进行计算。Fc=kc．AD=kc．ap．fP16表1-2

实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。

第66页，共77页。切削热和切削温度切削热产生及对加工的影响1、来源有三：A切屑变形B切屑与刀具前刀面之间的摩擦。C工件与后刀面之间的摩擦。第67页，共77页。切削温度及其影响因素

切削温度一般是指切削区的平均温度。切削温度高低取决于切削热的产生和传出情况，他受切削用量、工件材料、刀具材料、刀具几何形状和切削液等因素的影响。第68页，共77页。刀具的磨损与破损、刀具寿命切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具磨损的形式有以下几种：前刀面磨损、后刀面磨损、前刀面与后刀面同时磨损

从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工