金属切削加工

金属材料切削加工金属切削加工主要掌握内容：◎切削运动和切削要素◎金属切削刀具◎金属的切削过程◎加工质量和生产率◎材料的切削加工性材料成形加工：如铸造、锻造、挤压、粉末冶金等材料累积加工：利用微体积材料逐渐叠加的方式使零件成形。

传统方法有焊接、粘接或铆接等，近几年发展起来的快速原型制造技术机械制造中的加工方法材料去除加工切削加工：指利用切削刀具从工件上切除多余材料特种加工：指利用机械能以外的其他能量直接去除材料，如电火花加工、电解加工等切削加工概述1、定义：用切削刀具从毛坯上切除多余的材料，获得几何形状、尺寸和表面粗糙度等方面符合图纸要求的零件的加工过程。2、分类：

◎钳工（用手持工具）如划线、錾削、锯削、锉削、刮研、钻孔和铰孔、攻丝、套扣等◎机械加工（用机床）如车、铣、刨、钻、磨及齿轮加工等1.1切削运动和切削要素1.1.1零件的种类及其表面的形成零件主要有以下四种表面组成：（1）圆柱面：（2）圆锥面：（3）平面：（4）成形面：上述表面，可以用以下相应加工方法获得：

（e）刨平面（f）铣平面（g）车成形面（h）铣成形面（a）车外圆面（b）磨外圆面（c）钻孔（d）车床上镗孔形成零件表面的方法可以归纳为以下4种：（1）轨迹法利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切

削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线。图

1.3中母线2，工件作回转运动形成导线，最终获得回转曲面.

采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。（2）成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法。如图1.3b所示，切削

刃1的形状和长度与所需形成的发生线（母线2）完全吻合，

工件作回转运动形成导线，最终也获得回转曲面。（3）相切法利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。如图

1.3c所示,刀刃1作回转运动，同时刀具轴线沿着发生线的等

距线作轨迹运动，切削点运动轨迹的包络线就是所需的发生

线。为了用相切法得到发生线，需要二个成形运动，即刀具

的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。（4）展成法利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的方法。如图1.3d

所示，加工时，刀具1与工件按确定的运动关系作相对运动，

切削刃与被加工表面相切，切削刃各瞬时位置的包络线，就

是所需的发生线。用展成法形成发生线需要一个成形运动（

即刀具运动A与工件运动B组合而成的展成运动3）。图1.3形成零件表面的4种方法1.1.2机床的切削运动概念：用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。◎主运动——是切下切屑所需要的最基本的运动，对切削起主要作用。

特点：在整个运动系统中速度最高、消耗的功率最大。消耗机床的功率

95%以上。机床主运动只有1个。◎进给运动——使工件不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。

特点：速度低、消耗的功率小，消耗机床的功率5%以下。机床的进给运动可以有一个或几个。

切削运动中的主运动和进给运动图示1.1.3工件上的几个表面1.1.4切削用量定义：切削用量是指切削速度v、进给量f（或进给速度）和切削深度ap。三者又称为切削用量三要素。1）切削速度（v）m/s单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。（m/s）（m/s）nf旋转运动往复直线运动2）进给量（f）（mm）单位时间内(主运动的一个循环内)，刀具或工件沿进给运动方向的相对位移。单位时间的进给量—进给速度（Vf）（mm/s）dmdwfn12fapKr3）切削深度（ap）

切削深度指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。如车外圆时，

式中:——待加工表面直径（mm）——已加工表面直径（mm）1.1.5切削层的几何参数切削层—指工件上正在被切削刃切削的那一层金属。即两个相邻加工表面之间的那一层金属。1)切削厚度（ac）（mm）两相邻加工表面之间的垂直距离。2)切削宽度（aw）（mm）沿主刀刃度量的切削层的长度。3)切削面积（AC）（mm2）dmdwfn12fapKracawapfKr1.2金属切削刀具◎刀具切削部分的刀具材料是决定刀具切削性能优劣的关键因素之一。◎材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。1、对刀具材料的基本要求⑴较高的硬度。一般要求在HRC60以上。⑵有足够的强度和韧性。⑶有较好的耐磨性。⑷较高的耐热性。⑸有较好的工艺性。2.常用刀具材料手工工具铰刀、拉刀…..铣刀、齿轮刀具用途大小小热处理变形0.5~1.08>20%碳素工具钢

0.13许用切削速度m/s600300~400200~250耐热性OCHRC62~65HRC61~65HRC61~65硬度W18Cr4VCrWMn、9SiCrT10、T10A

T12例碳素工具钢

合金工具钢

高速钢硬质合金陶瓷材料人造金刚石例钨钴类（YG）钨钛钴类（YT）YG3、YG6YT5、YT15硬度HRA89~91（HRC74~78）HRA86~96HV10000(硬质合金为HV1300~1800)耐热性OC850~10001200700~800许用切削速度m/s1.7~5用途各种刀片高硬度钢材精加工不宜加工钢铁材料碳素钢刀具高速钢刀具硬质合金刀块新型刀具材料◎陶瓷刀具材料陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。◎超硬刀具材料——天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。

金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。——聚晶金刚石（PCD）由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。——聚晶立方氮化硼（PCBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度很高，耐热性达1200℃，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。刀具材料对比

刀具材料对比

3、刀具组成切削部分夹持部分刀具组成nf切削部分夹持部分◎车刀的组成夹持部分（刀体）切削部分（刀头）◎车刀切削部分组成

三面两刃一刀尖nf前刀面nf前刀面主后面◎车刀切削部分组成

三面两刃一刀尖nf前刀面主后面副后面◎车刀切削部分组成

三面两刃一刀尖nf前刀面主切削刃◎车刀切削部分组成

三面两刃一刀尖nf前刀面主切削刃副切削刃◎车刀切削部分组成

三面两刃一刀尖f前刀面主切削刃副切削刃刀尖◎车刀切削部分组成

三面两刃一刀尖前刀面主后刀面副后刀面主刀刃副刀刃刀尖前刀面三面两刃一刀尖后刀面切削刃主切削刃副切削刃刀尖2.车刀切削部分组成主后刀面副后刀面4、刀具角度1.辅助平面①基面pr②切削平面ps③正交平面po④假定工作平面pfnf4、刀具角度1.辅助平面①基面pr②切削平面ps③正交平面po④假定工作平面pf4、刀具角度1.辅助平面①基面pr②切削平面ps③正交平面po④假定工作平面pf4、刀具角度1.辅助平面①基面pr②切削平面ps③正交平面po④假定工作平面pf4、刀具角度1.辅助平面①基面pr②切削平面ps③正交平面po④假定工作平面pf①

基面过主切削刃上一点，与该点切削速度方向相垂直的平面。②切削平面过主切削刃上一点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面。③正交平面过主切削刃选定点，同时垂直于基面和主切削平面。④假定工作平面过主切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向。1.3金属的切削过程1.3.1切削过程及切屑种类1.切屑形成过程弹性变形塑性变形挤裂切离切屑oM2.切屑类型带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工中等硬度材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设断屑槽切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑切屑类型及形成条件1.3.2积屑瘤在一定的切削速度下切削塑性材料时，常在刀具前刀面上靠近刀刃部位粘附着的一小块很硬的金属—称为积屑瘤。1.积屑瘤的形成2.积屑瘤对加工过程的影响有利①使

0增大，使切削过程变得轻快。所以：粗加工时可以利用。不利②会引起ap的变化，使加工精度降低。所以：精加工时应尽量避免。②可代替主刀刃和前刀面进行切削，保护刀具。①积屑瘤不稳定，易引起振动，使Ra增大。3.积屑瘤的影响因素及控制切削速度（切中碳钢）<5m/min不产生5~50m/min产生>100m/min不产生冷却润滑条件300~500oC最易产生>500oC趋于消失提高硬度，降低塑性>HRC50

低速或高速

选用切削液控制措施工件材料

塑性越大，

越易产生

影响因素1.切削力的产生及切削分力1)切削力的构成oM①材料的弹性变形和塑性抗力；②切屑、工件表面与刀具的摩擦力。刀具切削工件时作用在刀具或工件上的力。1.3.3切削力和切削功率2)切削力的分解将Fr沿速度方向、轴向和径向三个相互垂直的方向分解为Fc、Ff、FpFrFCFfFP①主切削力（切向分力）Fc是Fr在切削速度方向上的分力。主切削力消耗的功率占总功率的95%以上。是计算机床动力及主要传动零件强度和刚度的依据。②进给力（轴向分力）Ff是Fr在进给方向上的分力。消耗的功率仅占总功率的1~5%。是设计和计算进给机构零件强度和刚度的依据。③背向力（径向分力）Fp是Fr在切削深度方向上的分力。FrFCFfFP3)背向力对加工的影响

影响切削力的因素（1）工件材料（2）切削用量◎切削深度与切削力近似成正比；◎进给量增加，切削力增加，但不成正比◎切削速度对切削力影响复杂（右图）4)切削力的估算强度高,材料塑性好,加工硬化倾向大则切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fz（N）切削速度对切削力的影响其他因素影响◆切削液：有润滑作用，使切削力降低；◆后刀面磨损：使切削力增大，对切深抗力Fy的影响最为显著；2.切削功率（Pm）1.3.4切削热和切削温度1.切削热来源与传播——切削过程变形和摩擦所消耗的切削功，绝大部分转变为切削热◎主要来源

（1）切削层变形产生的热量，是切削热的主要来源（2）切屑与前刀面摩擦产生的热量（3）工件与后刀面摩擦产生的热量◎切削热传播——切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去。

◎注意：切削加工时，切削层金属发生弹

性变形和塑性变形所消耗的能量98％以

上都转换成为热能，这是切削热的一个

主要来源。工件切屑刀具切削热的来源与传播它是将乳化油（已加入乳化剂）用水稀释而成，呈乳白色。具有良好的冷却和清洗性能，也有一定的润滑性能。适用于粗加工和磨削。主要成分是水，并加入一定量的防锈剂。其冷却性能好，但润滑性能差，呈透明状，常在粗加工或磨削中使用。主要是矿物油，也有用动、植物油或复合油。其润滑性能好，但冷却性能差，主要用于精加工。水溶液乳化液切削油

1.3.5切削液（1）切削液的作用和种类切削液起冷却、润滑、清洗和防锈的作用。水＋添加剂乳化油＋水矿物油＋添加剂1.粗加工（低浓度）2.精加工（高浓度）3.磨削1.粗加工2.磨削1.精加工水溶液乳化液切削油（2）切削液的选用在生产中，通常根据加工性质、工件材料、刀具材料等因素选用切ee削液主要使用方法是浇注法和喷雾冷却法。不用切削液的情况：1.切削脆性材料（如铸铁、青铜）；2.使用硬质合金刀具1.3.6刀具磨损和刀具耐用度1.刀具磨损形式①后刀面磨损②前刀面磨损③前后刀面同时磨损VBKTKTVBVBtOABC初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段①初期磨损阶段(OA)磨合阶段②正常磨损阶段(AB)

③急剧磨损阶段(BC)◎所以：

应在刀具正常磨损阶段后期，

急剧磨损阶段之前刃磨刀具。3.刀具耐用度◎刀具耐用度：刀具刃磨锋利以后，自开始切削到磨钝为止的实际切削时间◎刀具寿命：新刀从第一次切削开始，经多次刃磨切削到不能再刃磨使用，

哈实际切削工作时间总和。1）刀具耐用度T、刀具寿命2.刀具磨损过程尺寸精度形状精度位置精度1.4加工质量和生产率1.4.1加工质量（包括加工精度和表面质量）1.加工精度——是指零件加工以后，其尺寸、形状、相互位置等参数的实际值与其理想值相接近的程度。实际值与理想值越接近则加工误差越小，加工精度越高。包括：是指零件的实际尺寸与理想尺寸相接近的程度，用尺寸公差表示。据GB/T1800.1-2000规定，标准公差分为20个等级，即IT01、IT0、IT1~IT18，精度依次降低是指零件的实际形状与理想形状相接近的程度，包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度6种是指零件的表面、轴线或中心平面之间的实际位置与理想位置相接近的程度，包括平行度、垂直度、倾斜度、位置度、同轴度、对称度、圆跳动和全跳动8种

经济精度：指在正常操作情况下所能达到的精度。

选择精度的原则：在保证达到技术要求的前提下，选用较低的精度等级。

2.表面质量

●零件的表面质量包括：

◎表面粗糙度

◎表面层加工硬化的程度

◎表面残余应力的性质和大小。

●零件的表面质量影响：

◎零件的耐磨性能

◎耐腐蚀性能

◎耐疲劳等性能

◎零件使用寿命。

一般图纸上只标注表面粗糙度的要求。表面粗糙度常用轮廓算术平均偏

差Ra来评定。零件表面的质量要求越高，Ra越小。

3、加工表面质量包括两个方面的内容：

⑴加工表面的几何形状误差

⑵表面层金属的力学物理性能

◎加工表面的几何形状误差，包括如下四个部分

表面粗糙度——表面粗糙度是加工表面的微观几何形状误差，其波长与波高比值一般小于50。

波度——加工表面不平度中波长与波高的比值等于50～1000的几何形状误差称为波度，它是由机械加工中的振动引起的。当波长与波高比值大于1000时，称为宏观几何形状误差。

纹理方向——纹理方向是指表面刀纹的方向，它取决于表面形成过程中所采用的机械加工方法。

伤痕——伤痕是在加工表面上一些个别位置上出现的缺陷。例如砂眼气孔、裂痕等表面质量的概念表面质量的概念加工纹理方向及其符号标注1.4.2．表面层金属的力学物理性能和化学性能由于机械加工中力因素和热因素的综合作用，加工表面层金属的力学物理性能和化学性能将发生一定的变化，主要反映在以下几个方面：

表面层金属的冷作硬化

——表面层金属硬度的变化用硬化程度和深度两个指标来衡量。在机械加工

过程中，工件表面层金属都会有一定程度的冷作硬化，使表面层金属的

显微硬度有所提高。一般情况下，硬化层的深度可达0.05～0.30mm；若

采用滚压加工，硬化层的深度可达几个毫米。

表面层金属的金相组织

——机械加工过程中，由于切削热的作用会引起表面层金属的金相组织发生变化。在磨削淬火钢时，由于磨削热的影响会引起淬火钢中的马氏体的分解，或出现回火组织等等。

表面层金属的残余应力

——由于切削力和切削热的综合作用，表面层金属晶格会发生不同程度的塑性变形或产生金相组织的变化，使表层金属产生残余应力。1.4.4加工表面质量对机器零件使用性能的影响１．表面质量对耐磨性的影响

◎表面粗糙度对耐磨性的影响

·由于零件表面存在微观不平度，当两个零件表面相互接触时，实际

上有效接触面积只是名义接触面积的一小部分，表面越粗糙，有效

接触面积就越小。

·在两个零件做相对运动时，开始阶段由于接触面小，压强大，在接

触点的凸峰处会产生弹性变形、塑性变形及剪切等现象，这样凸峰

很快就会被磨掉。◎表面纹理对耐磨性的影响

·其原因在于纹理形状及刀纹方向将影响有效接触面积与润滑液的存

留。一般来说，圆弧状、凹坑状表面纹理的耐磨性好；尖峰状的表

面纹理由于摩擦副接触面压强大，耐磨性较差。

◎冷作硬化对耐磨性的影响

·加工表面的冷作硬化,是指加工后，零件表面的强度和硬度都有提高的现象。它一般都能使耐磨性有所提高，其主要原因是：冷作硬化使表面层金属的显微硬度提高,塑性降低，减少了摩擦副接触部分的弹塑性变形，故可减少磨损。２．表面质量对耐疲劳性的影响◎表面粗糙度对耐疲劳性的影响

·影响很大。在交变载荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起应力集中，产生疲劳裂纹。表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲劳性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的纹痕越深，纹底半径越小，其抵抗疲劳破坏的能力越差。◎表面层金属的力学物理性质对耐疲劳性的影响

·表面层金属的冷作硬化能够阻止疲劳裂纹的生长，可提高零件的耐疲劳强度。３．表面质量对耐蚀性的影响

◎表面粗糙度对耐蚀性的影响

·由零件的耐蚀性在很大程度上取决于表面粗糙度。大气里所含气体

和液体与金属表面接触时，会凝聚在金属表面上而使金属腐蚀。表

面粗糙度值越大，加工表面与气体、液体接触的面积越大，腐蚀物

质越容易沉积于凹坑中，耐蚀性能就越差。

◎表面层力学物理性质对耐蚀性的影响

·当零件表面层有残余压应力时，能够阻止表面裂纹的进一步扩大，有利于提高零件表面抵抗腐蚀的能力。４．表面质量对零件配合质量的影响表面质量对零件配合质量的影响很大◎对于间隙配合的表面，如果太粗糙，初期磨损量就很大，配合间隙迅速加大，改变了配合性质。◎对于过盈配合表面，表面粗糙度越大，两表面相配合时表面凸峰易被挤掉，会使过盈量减少。◎对于过渡配合表面，则兼有上述两种配合的影响。表面的残余应力影响配合质量的稳定性。因此配合质量要求高时，表面的粗糙度值要小。1.4.2生产率切削加工生产率R0——单位时间内生产零件的数量◎提高生产率的途径1.缩短单件生产时间（1）提高切削用量：高速切削、强力磨削等（2）减少切削行程长度：多刀加工一个或几个表面；2.缩短辅助时间（1）采用快速动作夹具，自动上下料装置（如：气动、电磁夹紧装置，联动多点、多向、多件夹紧装置等）（2）缩短测量时间（3）提高机床的自动化程度（如：数控机床等）3.缩短其它时间（1）如清扫切屑、工间休息等时间1.5材料的切削加工性

工件材料切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度，

是一个相对的概念。

1.5.1衡量材料切削加工性的指标

1.以刀具使用寿命T或切削速度vT来衡量相同切削条件比T

；T一定，比速度vT

或切除材料体积

2.相对加工性Kr

3.以已加工表面质量来衡量

4.以断屑性能来衡量自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标

5.以切削力来衡量粗加工、机床刚性或功率不足用切削力来衡量工件材料的相对加工性分级

2、进行适当的热处理低碳钢宜选正火处理，均匀组织，降低塑性；高碳钢宜用球化退火,降低硬度,均匀组织,改善加性；中碳以上的合金钢硬度较高，需退火以降低硬度；不锈钢常要进行调质处理，降低塑性，以便加工；白口铸铁需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力。

1.5.2改善材料切削加工性的途径

1、调整材料的化学成分钢中加硫、铅等元素，成为“易切削钢”；铸铁中增加石墨成分。主运动部件进给运动部件工件安装装置刀具安装装置支承件动力源§1

机床类型和基本构造二、机床的基本构造一、机床类型1.6金属切削机床基本知识转塔式六角车床立式车床数控车床普通车床

§2机床的传动特点：传动平稳，轴间距离大，过载时皮带打滑，不会引起机器损坏，但传动比不精确，传动效率低。一.常用传动付及其传动关系1.带传动特点：传动比精确，传力大，效率高，但制造复杂，传动噪声大。

2.齿轮传动

防止引偏的措施﹡预钻定心坑﹡钻套导向好﹡两刃对称磨

§3常用加工方法综述1.1、钻削的工艺特点

排屑困难

散热条件差

﹡划伤孔壁；﹡卡死、甚至折断钻头。1.2.钻削的应用①钻孔主要用于粗加工、预加工。如内螺纹底孔等。②单件、小批生产中、小型工件上的小孔（D<13mm），常用台式钻床加工。④大型工件上的孔，则采用摇臂钻床加工。⑤回转体工件上的孔，多在车床上加工。③中、小型工件上较大的孔（D<50mm），常用立式钻床加工。2.扩孔和铰孔2.1.扩孔用扩孔钻对工件上已有的孔进行扩大加工。2.2.铰孔用绞刀对工件上已有的孔进行精加工。三、镗削加工用镗刀对已有的孔进行再加工。多刃镗刀镗孔单刃镗刀镗孔

纠正轴歪与位偏，扩孔铰孔只等闲；单刀独镗力有限，保了精度效率低。浮动镗刀属多刃，镗孔质量相对高；适应广泛又灵活，粗精孔径无限制；操作简便效率高，难纠轴歪和位偏；相对单刃成本高，适合批量大径孔。注意：1、镗孔精度可高可低，除保证孔本身精度外，还可保证孔与孔的相

互位置精度。2、是直径D＞80~100mm的大孔、内成形面、孔内环槽唯一合适的加工

方法。在镗床上除可加工孔或孔系外，还可加工平面、沟槽、钻、扩铰孔等。镗削的应用刨床牛头刨床：适于加工中、小型零件。龙门刨床：适于加工大型零件。插床：主要加工工件内表面，如键槽、花键等。§3刨、拉削的工艺特点及其应用一、刨削加工1.刨削的工艺特点1)生产率较低

；2)设备工具通用性好。

2.刨削的应用适合加工加工平面，沟槽、成形面等。二、拉削加工用拉刀在拉床加工工件的工艺方法。①一刀能完活；效率高③加工范围广；

②加工质量好；平稳光洁又准确

1.拉削的特点④拉床、操作都简单，拉刀成本确实高，活多能摊平——多揽活２．拉削的应用●加工各种通孔●加工沟槽●加工平面、成形面等一、铣削加工设备铣床龙门铣床升降台铣床立式铣床卧式铣床铣削是平面加工的主要方法之一。§4铣削的工艺特点及其应用主运动：铣刀旋转运动进给运动：工件进给运动立铣刀盘铣刀片铣刀二、铣削方式周铣端铣—用圆柱铣刀的圆周刀齿铣平面。—用端铣刀的端面刀齿铣平面。周铣顺铣：在切削部位铣刀旋转方向与工件的进给方向相同。逆铣：在切削部位铣刀旋转方向与工件的进给方向相反。