钻床的基础知识课件

第5章第五章切削加工◆

5.1概述◆

5.2切削基本原理◆

5.3切削液1.了解切削加工的分类及特点。2.掌握切削运动和切削用量的相关知识。5.1概述任务书本节重点●切削加工的特点。●切削运动及切削用量相关概念。返回主目录一、

切削加工的分类

切削加工就是利用切削工具从工件上切除多余材料，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方式。任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。按照切削加工工具的不同，可将切削加工分为传统式切削以及非传统式切削，具体说明如下：传统式切削就是用比工件材料硬度更高，且具有适当角度的切削刀具，切入工件内部，使刀具与工件间产生相对运动，以切除多余部分的加工方法。主要包括车削、铣削、刨削、磨削、钻削、锯削、拉削以及镗孔等。1.传统式切削非传统式切削是指利用热能、电能、化学能或电解能将多余材料去除的加工方式。非传统切削的对象大都为用传统方式难以加工的，例如硬度太高、加工部位太小、形状特殊或无法承受切削力等工件。

2.非传统式切削非传统温馨提示：非传统式切削加工使用的“刀具”可以切削比它更硬的材料。二、切削加工的特点在机械制造行业中，切削加工所担负的加工量约占机械制造总工作量的40%～60%。可见，切削加工在机械制造过程中具有举足轻重的地位。切削加工之所以能够得到广泛的应用，是因为与其他加工方法相比较，它具有如下优点：(1)可获得相当高的尺寸精度和较小的表面粗糙度参数值。

(2)不受零件的材料、尺寸和质量的限制。但切削加工也存在一些缺点，例如，费时费料，对工人技术要求较高，切削会伤害加工面、产生变质层等。三、切削运动和切削用量1.切削运动在切削过程中，加工刀具与工件间的相对运动就是切削运动。切削运动包括主运动和进给运动两个基本运动，如图5-1所示。

(1)主运动

主运动是直接切除切屑所需要的基本运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，在切削运动中形成机床切削速度，消耗主要动力。主运动可以是旋转运动，也可以是直线运动。主运动在任何切削过程中必须有一个，也只有一个，是切削运动中速度最高、消耗功率最大的。

(2)进给运动

进给运动是由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断地或连续地切削，并获得具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可能有一个或几个，与主运动相比，其速度较小、消耗功率也较小。2.切削过程中的三个表面

在切削过程中，工件上会形成三种表面，如图5-1所示。(1)待加工表面：将要被切去金属层的表面。(2)已加工表面：切去金属层后形成的表面。(3)过渡表面：主切削刃正在切削的表面，也称切削表面。3.切削用量

切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量，要完成切削加工这三者缺一不可，故又称为切削三要素。

(1)切削速度vc

切削速度是指切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，用符号vc表示，单位为m/s。当主运动是旋转运动时，切削速度是指圆周运动的线速度，即υc=πdn/(1000×60)

式中：n—工件的转速（r/min）；

d—工件或刀具在切削表面上的最大回转直径（mm）。当主运动为往复直线运动时，则其平均切削速度为υc=2Lmnr/(1000×60)

式中：Lm—刀具或工件往复直线运动的行程长度（mm）；

nr—主运动每分钟的往复次数。(2)进给量f进给量是指主运动的一个循环内（一转或一次往复行程）刀具在进给方向上相对工件的位移量，用符号f表示，单位为mm/r，如图5-2所示。若刀具齿数为z，进给量与进给速度、每齿进给量的关系为：

vf=fn=fzznf—每转进给量（mm/r）；fz—每齿进给量（mm/z）；vf—进给速度(mm/min)。(3)背吃刀量ap

背吃刀量是指切削时已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，用符号ap表示，单位为mm，如图5-3所示。式中：dw—工件待加工表面的直径（mm）；

dm—工件已加工表面的直径（mm）。1.熟悉刀具的主要角度及其作用。2.了解切削力、切削热及其对加工的影响。3.了解切屑的形态及其形成原因。4.理解刀具磨损的原因，掌握刀具耐用度的知识。5.2切削基本原理任务书本节重点●刀具的角度及其作用●刀具的磨损

返回主目录一、刀具金属切削刀具根据工作要求的不同可分为单刃刀具与多刃刀具两种。单刃刀具为最简单的刀具形式，常见的有车刀、刨刀以及镗孔刀等。多刃刀具由两个或两个以上的单刃刀具所组成，例如，铣刀、钻头、铰刀、砂轮以及拉刀等。1.车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成可使用“三面两刃一刀尖”来概括：“三面”指“前刀面”、“主后刀面”和“副后刀面”，“两刃”指“主切削刃”和“副切削刃”，如图5-4所示，具体说明如下：(1)前刀面：加工过程中，切屑流过的刀面，又称前面。(2)主后刀面：与工件加工表面相对的刀面，又称主后面。(3)副后刀面：与工件已加工表面相对的刀面，又称副后面。(4)主切削刃：前刀面与主后刀面的交线，承担主要的切削工作。(5)副切削刃：前刀面与副后刀面的交线。(6)刀尖：主、副切削刃的交点，为了强化刀尖，一般都在刀尖处磨成折线或圆弧形过渡刃。2.定义刀具角度的轴助平面为了确定和测量车刀的角度，通常假设三个辅助平面作为基准，即基面、切削平面和正交平面，如图5-5所示。(1)基面pr：通过切削刃上某选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。(2)切削平面ps：通过切削刃上某选定点,切于工件过渡表面且与基面垂直的平面。(3)正交平面pO：通过切削刃上某选定点，同时垂直于基面与切削平面。3.刀具角度切削刀具必须依工作需要，磨成适当的角度，才能发挥最大的效用。刀具的主要角度包括前角γO、后角αO、主偏角Kr、副偏角Kr′、刃倾角λs，其中前角及后角最重要。具体说明如下：(1)前角γO（前面与基面间的夹角）

前角是位于前刀面上的刀尖后方，主要作用为控制切屑的流动，如图5-6所示。前角可由正值变化至负值，正前角可使排屑顺畅，切削作用力小，但太大的正前角会形成尖锐的刀尖，容易磨损或崩裂；负前角具有较强的切刃，刃口强度大，切削作用力大，适合切削高强度的材料，但其排屑不顺。一般而言，工件硬度高、刀具硬而脆者，前角应小；反之，则大。图5-7所示为正前角及负前角的切削情形。(2)后角αO（主后面与主切削平面间的夹角）

后角是位于后刀面上，可避免后刀面与工件面产生摩擦而影响切削工作，如图5-6所示，αO+βO+rO=90°（βO为楔角）。大的后角可使刀刃尖锐，容易切入工件，但刃口强度低，较易磨损或崩裂；小的后角给予刀刃较大的支撑，但摩擦生热多，易导致刀具退火软化。一般而言，工件硬或刀具硬而脆的，后角应小；反之，则大。(3)主偏角Kr如图5-8所示，增大主偏角Kr，可使进给力加大，有利于消除振动，但刀具磨损较快，散热条件差。(5)刃倾角λs刃倾角是在切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角，如图5-8所示。此角具有以下作用：①控制切屑流向，切屑流出的方向与刃口垂直。无刃倾角的车刀所车出的切屑，沿工件面流动，易擦伤工件面。若有适当的刃倾角，切屑离开刃口后，即与工件面分离，如图5-9所示。②使切屑变薄，减少刃口单位面积的受力，如图5-10所示。

③增加刃口强度。④刃口与工件渐进式接触，可减小切削瞬间的冲击，减少颤振。二、切削力

1.切削力的来源、合力及其分力金属切削时，力来源于两个方面，其一是克服在切屑形成过程中工件材料对弹性变形和塑性变形的变形抗力，其二是克服切屑与前刀面和后刀面的摩擦阻力。变形力和摩擦力形成了作用在刀具上的合力F。切削时合力F作用在切削刃空间的某个方向，由于大小与方向都不易确定，因此为了便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F分解为互相垂直的Fc、Ff和Fp三个分力，如图5-11所示。

切削力Fc：在主运动方向上的分力，它切于加工表面，并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件、确定机床功率等。进给力Ff：在进给运动方向上的分力，它处于基面内与进给方向相反。Ff用于设计机床进给机构和确定进给功率等。

背向力Fp：在垂直于工作平面上的分力，它处于基面内并垂直于进给方向。Fp用来计算工艺系统刚度等，它也是使工件在切削过程中产生振动的力。2.影响切削力的因素(1)工件材料工件材料的强度、硬度越高，切削时产生的切削力越大；工件材料的塑性、冲击韧度越高，切削变形越大；切屑与刀具间摩擦越多，切削力越大。

(2)刀具几何参数前角γO增大，切削变形减小，故切削力减小。主偏角Kr对切削力Fc的影响较小，而对进给力Ff和背向力Fp影响较大，当主偏角Kr增大时，Ff增大，Fp减小。实践证明，刃倾角λs在很大范围(-40°~+40°)内变化时，对Fc没有什么影响，但λs增大时，Ff增大，Fp减小。(3)切削用量①背吃刀量对切削力的影响②进给量对切削力的影响③切削速度对切削力的影响三、切屑类型

由于工件材料的不同，切削过程中切屑的变形程度也就不同，常见的切屑种类主要包括带状切屑、节状切屑、粒状切屑、崩碎切屑四种，如图5-12所示。四、断屑槽

带状切屑虽然是塑性材料最理想的切削状态，但是，连续卷绕的长条切屑会造成诸多不便。因此，在刀具的切削部位设置断屑槽，将切屑适度折断。具体作用如下：(1)在连续高速切削中，使切屑处理单纯化，减少加工的停顿时间及次数。(2)有效控制切屑的容积比（容积比是指相同质量的屑片占有的体积与工件材料占有体积之比，长条切屑的容积比可能高达50，而充分破断的切屑可小至3左右）。(3)避免连续缠绕的切屑伤及操作者、设备或工件。(4)增进刀具使用寿命，减少加工刀具的费用。(5)降低成本，提高生产效率。五、切削热及切削温度

切削过程中，由于被切削材料层的变形、分离以及刀具和被切削材料间的摩擦所产生的热称为切削热。切削热的多少受到许多加工参数的影响，其中影响最大的为切削速度。切削热对加工过程有很大的影响，具体如下：(1)降低刀具的强度、硬度及耐磨性。(2)工件因热而膨胀，对尺寸精度的控制不利。(3)高温可能导致工件表面金属相组织的改变，对材料特性产生不利的影响。(4)机床可能因高温而产生扭曲，影响工件的加工精度。

切削热主要来源包括切屑剪切变形所产生的热量和刀具前面、后面摩擦所产生的热量。如图5-14所示，剪切区所产生的热约占全部热量的60%，刀具前面与工件面的摩擦约占30%，刀具后面与工件面的摩擦约占10%。切削热的产生和传递影响切削区域的温度。六、刀具磨损、破坏与刀具的耐用度

刀具的耐用度是指连续切削的刀具两次刃磨之间的切削时间，以分为单位来表示。影响刀具耐用度的因素有很多，如被切削材料的材质、刀具材料的硬度、金属表面的状况、刀具的外形、切削速度、进刀量、切削深度和切削液等，这些因素中，以切削速度的影响最大。切削速度越大，刀具耐用度越短。判定刀具是否磨损的基准有下列几项：(1)工件表面产生光亮的条纹。(2)刃口磨损已达一定尺寸。(3)切削阻力显著增加。(4)加工尺寸的变化已达到最大的允许误差。1.磨损

(1)磨损的形式一般而言，切削刀具的磨损有下列四种形式：①磨料磨损由于工件上的小硬点摩擦刀具表面所引起。一般认为磨料磨损量与切削路程成正比。②黏结磨损由于刃口黏结的积屑瘤脱落时，撕落刀具表面的材料所引起。刀具表面刃磨质量越差，越会加剧黏结磨损。③扩散磨损由于切削的剪力作用，使刀具表面的原子由一晶格点移动到另一晶格点所造成。扩散磨损是硬质合金刀具主要磨损原因之一。④氧化磨损由于切削所产生的高温，使刀具中的碳化物氧化，导致刀具硬度降低所造成。(2)磨损位置

刀具的磨损通常发生在以下两个主要部位：①后刀面磨损：如图5-15（a）、（b）所示，其磨损部位在刀尖下方的后刀面上。切削脆性材料时的磨损大都属于此类。②前刀面磨损(陷坑磨损)：如图5-15（c）、（d）所示，其磨损部位在刀尖后方的前刀面上。高速切削塑性材料时，大都产生这种磨损。2.破坏

刀具破坏的主要形式及原因如下：(1)刀尖崩裂：①刀具太脆。②刀具角度磨得不正确：前角及后角太大则刃口太弱，支撑力不足。③切削负荷突然增加：工件材料有硬皮、砂眼或不连续的加工面。(2)硬度丧失：切削热使刀具退火软化。(3)自然磨损。七、加工面的表面粗糙度

工件切削完成后，其表面因刀具切削的缘故，常会留下一条条凹凸的切削刀痕，这种凹凸不平的现象，也就是工件表面的粗糙程度，称为表面粗糙度。为了方便说明，我们将粗糙度分为理想粗糙度及自然粗糙度两种。1.理想粗糙度依据刀具的几何形状及进刀量等条件，依理论所推导出的表面粗糙度即为理想粗糙度，实际上的加工面是不可能存在这种理想状态的，也就是圆弧形刃口与尖形刃口切削时所形成的表面粗糙度。2.自然粗糙度

工件表面加工后，实际上所形成的粗糙度必大于理想粗糙度，这是因切削过程中存在各种不规则因素所导致，这些不规则因素包括：(1)机床产生颤振。(2)机床的运动轨道不精确。(3)进给过程中的不稳定。(4)工件材料结构中有缺陷，如裂缝、硬点等。(5)刀具刃口产生裂纹。(6)切屑沿工件面流动，所造成的工件表面损伤。八、材料的切削性

切削性是指材料容易切削的程度。切削性并不是一个精确量化的数据，切削性只是一个比较性的名词，常以刀具耐用度的长短、切削所需的动力、加工成本或加工后的表面情况来表示。考虑到切削成本时，这些因素中最重要的是刀具的耐用度。为此在机械加工中我们必须了解刀具材料所应具备的一些性能。性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。1.刀具材料应具备的基本性能2.常用刀具材料的切削性1.熟悉切削加工中切削液所起的作用。2.了解切削液常见的种类及选用原则。5.3切削液

任务书本节重点●切削液的作用●切削液选用原则返回主目录

金属切削过程中会产生大量的摩擦和温度，摩擦导致刀具快速磨损，高温使刀具退火软化，对刀具使用寿命也有较大的影响。工件在高温所产生的热胀现象，对尺寸精度的控制很不利。因此，为改良这些不利因素，通常在切屑与刀具面间喷注切削液。一、切削液的作用切削液具有下列作用：(1)降低刀具和工件的温度，冲走切屑。(2)减少切屑、刀具和工件间的摩擦。(3)改善工件表面质量，降低粗糙度。(4)防止刃口产生裂纹，延长刀具使用寿命。(5)减少动力损失。(6)减少工件和机器可能产生的腐蚀。二、切削液必须具备的性质

切削液要起到上述的作用，必须具备下列几项性质：(1)不易挥发，不起泡沫。(2)燃点高，不易起火燃烧。(3)传热性高，具有良好的冷却能力。(4)具有润滑性。(5)不会侵蚀机器、工件及刀具。(6)不会妨碍人体的健康及安全。三、切削液的种类

切削液按照使用形式的不同，可分为固体切削液、气体切削液及液体切削液三种。固体切削液通常存在于材料组织内，如铸铁中的石墨；气体切削液包括水蒸气、二氧化碳及压缩空气等；液体切削液使用最广，有油基及水