机械制造技术 吉卫喜 编 第二章 金属切削基本理论2

第三节影响金属切削加工的主要要素工件材料的可切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。1、工件材料切削加工性的评定指标1)粗加工时以刀具寿命T或材料切除率Qz＝1000Vcfαp衡量；2)精加工时以加工外表粗糙度衡量；3)自动机床、自动化生产线上以断屑性能衡量，如深孔钻削,盲孔镗削等;4)在机床动力缺乏或机床、夹具、刀具、工件组成的工艺系统刚性缺乏时以单位切削力大小来衡量，5)以工件材料的物理力学性能指标(硬度HBS、抗拉强度σb、伸长率δ、冲击吸收功AK、热导率λ来衡量〕。一、工件材料的可切削加工性一般用相对加工性Kv来衡量工件材料的可切削加工性。通常以〔抗拉强度〕σb=0.637GPa的45钢的υ60〔刀具寿命为60min时所允许的切削速度，用υ60表示〕为基准，写作(υ60)j。将其它工件材料的υ60与之相比，其比值即为相对加工性Kv，即Kv=υ60/(υ60)j当Kv＞1时，该材料比45钢容易切削，例如有色金属Kv＞3；当Kv＜1时，该材料比45钢难切削，例如高锰钢、钛合金Kv≤0.5，均属难加工材料。2、改善工件材料切削加工性的途径

要改善工件材料的切削加工性，可通过热处理方法，改变材料的金相组织和物理力学性能，也可通过调整材料的化学成分等途径。生产实际中，热处理是常用的处理方法。途径：高速钢、工具钢的硬度偏高，且有较多的网状、片状的渗碳体组织，加工性差。经过球化退火即可降低硬度，并得到球状渗碳体；热轧中碳钢的组织不均匀，经正火可使其组织与硬度均匀；低碳钢的塑性太高，可通过正火适当降低塑性，提高硬度；马氏体不锈钢常要进行调质处理降低塑性；铸铁一般在切削加工前均要进行退火处理，降低表层硬度。在钢中适当添加一些元素，如硫、磷、铅、钙等，可使钢的切削加工性得到显著改善，这样的钢叫易切钢。二、刀具材料1在加工难加工材料时，首先应考虑选用的刀具材料承受切削力高、耐热性好、刀具寿命长；其次应考虑刀具材料的抗弯强度好、热导率大；还要考虑刀具材料的工艺性能好、本钱合理。2刀具材料不同，刀具寿命就不同，所允许的切削速度也就不同。图2-26描述了用不同刀具材料切削同一种工件材料(镍铬钼合金钢)的刀具寿命曲线。

3切削难加工材料时，为保证刀具寿命，不得不降低切削速度。4刀具材料不同，刀具与工件之间的摩擦系数不同，从而对切削力的大小产生影响。综上所述，刀具材料应根据被加工材料、金属切削加工性，提高金属切削效率。三、刀具几何参数1.前角γO

（1）作用γO

刀刃锋利，切屑变形切削力和切削功率刀刃和刀尖强度，散热体积刀具寿命γo1Prγo2（2）选择前角大小取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。刀具材料韧性好〔高速钢〕，取较大前角，反之〔硬质合金〕取较小前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。2.后角αo

（1）作用（2）选择α0↑→锋利、F↓→外表质量、加工精度↑刀头强度↓散热体积↓

①粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角。②精加工取较大后角，保证外表质量；③成形、复杂、尺寸刀具取小后角；④系统刚性差，易振动，取较小后角；⑤工材塑性大取较大后角，脆材↓α03.主偏角κr

和副偏角κr′

（1）作用κr和κr′

刀刃强度外表粗糙度背向力Fp残留面积高度，散热条件刀具寿命，进给力Ff（2）选择1主要看系统刚性。假设刚性好，不易变形和振动，κr取较小值；假设刚性差〔细长轴〕，κr取较大值〔90°〕；2粗加工，κr取大些，减振。精加工小些，提高外表粗糙度。3副偏角大小取决于外表粗糙度〔5°〜15°)，粗加工时取大值，精加工取小值0°。4.刃倾角λs

（1）作用（2）选择加工一般钢料和铸铁，无冲击时：粗车λs

＝0°〜－5°，精车λs

＝0°〜+5°；有冲击时：λs

＝－5°〜－15°；特别大时：λs

＝－30°〜－45°。切削加工高强度钢、冷硬钢时：

λs

＝－20°〜－30°。①影响刀刃锋利性.λs↑→↑锋利性②负刃倾角→刀头强度↑散热体积↑③负刃倾角→Fp↑→变形↑，易振动→Ra↑④正λs切屑流向待加工外表，负λs切屑流向已加工外表1、强度和韧性大的刀具材料选择大的还是小的前角，而脆性大的刀具又如何选择？2、加工塑性材料时，一般选择大的还是小的前角。3、加工脆性材料时，刀具前角相对塑性材料如何选择？4、粗加工和精加工时刀具的前角有何区别？问题？强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。加工钢件等塑性材料时，一般采用选择大的前角。加工脆性材料时，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。粗加工时，一般取较小的前角；精加工时，宜取较大的前角，以减小工件变形与外表粗糙度；解答四切削用量1、合理的切削用量及其选择(1)合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工本钱的切削用量。1)切削加工生产率在切削加工中，材料切除率与切削用量三要素vc、f、αp均保持线性关系，其中任一参数增大，都可使生产率提高。2)刀具寿命

切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为vc、f、αp。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，应先采用尽可能大的背吃刀量；然后再选用大的进给量，最后按确定的刀具寿命按式(2-22)求出切削速度(也可查阅切削用量手册)3)加工外表粗糙度精加工时，增大进给量将增大加工外表粗糙度值。因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。(2)选择切削用量时考虑的因素(3)切削用量制定的步骤

(1〕根据加工余量确定

粗加工时，除留下精加工的余量外，应尽可能一次走刀切除全部粗加工的余量，这样不仅能在保证一定刀具使用寿命的前提下使ap、f、vc的乘积大，而且可以减少走刀次数。

〔2〕中等功率机床情况

1〕粗车时背吃刀量最大可达8～10mm。2〕半精车〔外表粗糙度值一般是Ra10～5mm〕时，背吃刀量可取为0.5～2mm。3〕精车〔外表粗糙度值一般是Ra2.5～1.25mm〕时，背吃刀量可取为0.1～0.4mm。

〔3〕加工余量过大或工艺系统刚度缺乏等情况

在此情况下，可分几次走刀完成。如分两次走刀将第一次走刀的背吃刀量取大些，可占全部余量的2/3-3/4，而使第二次走刀的切削深度小些，以使精加工工序获得较小的外表粗糙度及较高的加工精度。

〔4〕切削特殊材料情况

切削零件表层有硬皮的铸、锻件或不锈钢等冷硬较严重的材料时，应使背吃刀量超过硬皮或冷硬层，以防止使切削刃在硬皮或冷硬层上切削。1)被吃刀量的选定

〔1〕一般原那么

背吃刀量选定以后，应进一步尽量选择较大的进给量f，其合理数值应当保证机床、刀具不致因切削力太大而损坏；切削力所造成的工件绕度不致超出工件精度允许的数值；外表粗糙度不致太大。

〔2〕粗加工情况

根据经验主要考虑工艺系统刚度、切削力大小和刀具的尺寸等，但还需进行一些验算。表2-4

〔3〕半精加工和精加工情况

应按粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、刀具副偏角、切削速度等选择进给量。表2-52)进给量的选定3)切削速度的选择根据已选定的背吃刀量ap，进给量f和刀具寿命T，按下述公式计算切削速度vc。

(2-24)式中CV、xv、yv、及m的值见表2-6，加工其它材料和用其它切削加工方法加工时的系数及指数可由切削用量手册查出。式中Kv为切削速度的修正系数，是工件材料、毛坯外表状态、刀具材料、加工方式、主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径、刀杆尺寸等对切削速度影响的修正系数的乘积，其值可由切削用量手册查出。

生产中选择切削速度的一般原那么是：1〕粗车时，ap和f均较大，应选择较低的切削速度v；精车时，ap和f均较小，应选择较高的切削速度v。2〕工件材料强度、硬度高时，应选较低的切削速度v；反之，选较高的切削速度v。3〕刀具材料性能越好，切削速度v选得越高。4〕精加工时应尽量防止积屑瘤和鳞刺产生的区域；5〕断续切削时为减小冲击和热应力，宜适当降低v；6〕在易发生振动的情况下，v应避开自激振动的临界速度；7〕加工大件、细长件和薄壁件或加工带外皮的工件时，应适当较低v。切削用量三要素选定之后，还应校核机床功率。选择切削速度考虑几点：在ap、f值选定后，根据合理的刀具耐用度计算或用查表来选定车削速度。粗车时，ap和f较大，v较低；精车时，ap和f较小，v较高。工件材料强度、硬度高时，应选较低的v；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的v。几点：断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低v。在易发生振动时，切削速度应避开自激振动的临界速度。加工大件、细长件和薄壁工件或加工带外皮的工件时，适当降低v精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。校验机床功率后，超载可以降低切削速度采用切削性能更好的新型刀具材料；改善工件材料的切削加工性；改进刀具结构和选配合理刀具几何参数提高刀具的制造和刃磨质量；采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。2、提高切削用量的途径五切削液1、切削液的作用

切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。(1)冷却作用(2)润滑作用使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小。第三节影响金属切削加工的主要要素(4)防锈作用〔3〕清洗和排屑作用切削液能对粘附在工件、刀具和机床外表的切屑和磨粒起清洗作用，在精密加工、磨削加工和自动线加工中，切削液的清洗作用尤为重要。深孔加工那么完全是利用高压切削液排屑。切削液中加人防锈添加剂，使与金屑外表起化学反响生成保膜，起到防锈、防蚀作用。2.切削液的分类乳化液是用乳化油加水稀释搅拌后形成的乳白色液体。乳化油：由矿物油，乳化剂及添加剂配制而成。乳化液具有良好的冷却作用，常用于粗加工和普通磨削加工中：高浓度乳化液起润滑作用为主，常用于精加工和用复杂刀具的加工中。（2）乳化液水溶液的主要成份是水，冷却性能好，但润滑性差，易锈蚀金属。必须参加一定的添加剂(硝酸钠、碳酸钠、聚二乙酸)，使其具有良好的防锈性能和润滑性能。（1）水溶液切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。纯矿物油不能在摩擦界面上形成巩固的润滑膜，润滑效果一般。常参加添加剂硫、氯、磷等)和防锈添加剂，以提高其润滑性能和防锈性能。（3）切削油切削液的分类

水溶液水＋添加剂冷却粗加工乳化液乳化油＋水切削油矿物油＋添加剂润滑精加工切削液的作用冷却

↓摩擦↓热的产生；将热量带走。等。②润滑切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度③排屑、清洗④防锈防锈添加剂3.切削液的选择和使用按工件材料选用加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工铸铁等脆性材料时，不用切削液。按刀具材料选用高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以冷却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，以提高加工外表质量。硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液；按加工方法选用对半封闭、封闭加工，选用极压乳化液或极压切削油，以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨削加工时，由于磨削区温度很高，磨屑会破坏已磨削外表质量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能，一般选用乳化液。第四节磨削磨削是一种精加工方法。尺寸精度可达IT4～IT6。外表粗糙度能到达1.25～0.01μm.一、砂轮特性及其选择1.砂轮主要起切削作用主要起粘接作用主要起容屑和冷却作用2.砂轮的特性1〕砂轮的磨料磨料氧化物碳化物超硬磨料棕刚玉白刚玉络刚玉黑色碳化硅绿色碳化硅碳化硼人造金刚石立方氮化硼磨削碳钢、合金钢、通用高速钢磨削硬铸铁、硬质合金、非铁金属磨削硬脆材料、硬质合金、宝石、高温合金取决于工件材料的硬度2.砂轮的特性2〕砂轮硬度由结合剂的强度和数量决定工件材料软——硬砂轮工件材料硬——软砂轮选择原则：2.砂轮的特性3〕磨料粒度取决于加工表面的粗糙度磨粒微粉<63μm磨料2.砂轮的特性3〕砂轮粒度取决于加工表面的粗糙度的要求选择原则：加工表面粗糙度值越大→选用越粗的磨料加工表面粗糙度值越小→选用越细的磨料2.砂轮的特性4〕砂轮的结合剂结合剂陶瓷结合剂树脂结合剂橡胶结合剂取决于磨削速度价格便宜，耐酸、耐碱，用的最多，使用90%以上VC>35m/s一磨削的特点磨削加工是用高速回转的砂轮或其它磨具以给定的背吃刀量〔或称切削深度〕，对工件进行加工的方法。根据工件被加工外表的形状和砂轮与工件之间的相对运动，磨削分为外圆磨削、内圆磨削、平面磨削和无心磨削等几种主要加工类型。此外，还有对凸轮、螺纹、齿轮等零件进行磨削加工的专用磨床。1.能获得很高的加工精度和低的外表粗糙度〔1〕径向进给小:磨粒上锋利的切削刃，能够切下一层很薄的金属，切削厚度可以小到数微米；〔2〕每齿切削量少:磨削的切削速度高，因此，磨削时有很多切削刃同时参与切削，每个磨刃只切下极细薄的金属，残留面积的高度小，有利于形成光洁的外表；2.磨削除可以加工铸铁、碳钢、合金钢等一般结构材料外，还能加工一般刀具难以切削的高硬度材料。3.磨削温度高挤压摩擦严重，单位能耗大，砂轮导热性差,瞬时高温可达800～1000℃，要用切削液。4、磨削力1.来源一是磨削过程中工件材料发