金屬切削加工的基本知識

1、第1章 金屬切削加工的基本知識本章要點本章介紹機械加工中的金屬切削基本理論、基本知識及其應(yīng)用，主要內(nèi)容如下：1）金屬切削加工的基本知識和術(shù)語。如切削運動、切削用量、切削層等。2）金屬切削刀具切削部分的幾何角度。它包括刀具組成、正交平面靜止參考系、刀具工作角度等內(nèi)容。3）金屬切削刀具的材料。它包括常用刀具材料的性能、常用高速鋼和硬質(zhì)合金刀具材料的的實際應(yīng)用等內(nèi)容。4)金屬切削過程的基本規(guī)律及切削過程的控制 包括切削變形、切削力、切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象的成因，切削過程中各物理現(xiàn)象的控制。5)金屬切削條件的合理選擇。如切削過程中刀具幾何參數(shù)的合理選擇、切削用量的合理選擇、切削液的合理選擇等內(nèi)容。

2、學(xué)習(xí)目的：了解和掌握金屬切削加工中的基本理論和基本知識，達到能合理選擇各種金屬切削加工參數(shù)以及能對金屬切削過程進行控制的要求。§1.1 切削運動與切削要素 §1.1.1切削運動金屬切削加工就是用金屬切削刀具切除工件上多余的金屬材料，使其形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量達到預(yù)定要求的一種機械加工方法。在金屬切削加工過程中，為切除多余的金屬，刀具和工件之間必須有相對運動，這種相對運動被稱為切削運動。按照切削運動在切削加工中的所起的作用不同，可把其分為主運動和進給運動兩種。1主運動主運動是由機床提供的主要運動，它促使刀具和工件之間產(chǎn)生相對運動，從而使刀具前面接近工件并切除切削層。主運動的

3、特點是切削加工中速度最高，消耗功率最大的運動。通常主運動只有一個，它可由工件完成，也可由刀具完成。圖1-1所示的車削時工件的旋轉(zhuǎn)運動、鉆削和銑削時刀具的旋轉(zhuǎn)運動、磨削時砂輪的旋轉(zhuǎn)運動、刨削時工件或刀具的往復(fù)運動等都是主運動。進給運動由機床或人力提供的運動，它使刀具與工件之間產(chǎn)生附加的相對運動，加上主運動，即可不斷地或連續(xù)地切除多余金屬，并得出具有所需幾何特性的已加工表面。進給運動的特點是切削加工中速度較低，消耗功率較小。進給運動可以是連續(xù)的運動，也可以是間斷運動。切削運動可由刀具或刀具與工件同時完成。當(dāng)主運動和進給運動同時進行時,可合成為合成切削運動。合成切削運動速度等于主運動速度與進給運動速

4、度的矢量和。即 (1-1)圖1-1 幾種常見加工方法的切削運動§1.1.2切削時產(chǎn)生的表面在切削過程中，工件上的多余金屬層不斷地被刀具切除而轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?，同時工件上形成三個不斷變化的表面。1)待加工表面 工件上有待切除的表面稱為待加工表面。 2)已加工表面 工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的表面稱為已加工表面。3)過渡表面 工件上由切削刃形成的那部分表面，它在切削過程中不斷變化，但總是處于待加工表面與已加工表面之間。 §1.1.3切削要素1切削用量切削用量是表示主運動及進給運動參數(shù)的數(shù)量，是切削速度、進給量和背吃刀量三者的總稱。它是調(diào)整機床，計算切削力、切削功率和工時定額的重要參數(shù)。（

5、1）切削速度 切削刃上選定點相對于工件的主運動的瞬時速度，單位為m/s。當(dāng)主運動為旋轉(zhuǎn)運動時，其計算公式為 (1-2)式中 切削刃上選定點所對應(yīng)的工件或刀具的直徑,單位為mm；主運動的轉(zhuǎn)速，單位為r/s。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，選定點不同，切削速度不同。實際生產(chǎn)中考慮刀具的磨損和切削功率等原因，確定切削速度時一律以刀具或工件進入切削狀態(tài)的最大直徑作為計算依據(jù)。（2）進給量 刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，可用刀具或工件每轉(zhuǎn)（主運動為旋轉(zhuǎn)運動時）或每行程（主運動為直線運動時）的位移量來表達和測量，單位為mm/r或mm/行程。切削刃上選定點相對工件的進給運動的瞬時速度稱為進給速度,單位為mm/

6、s。它與進給量之間的關(guān)系為 (1-3)（3）背吃刀量（切削深度） 是在與主運動和進給運動方向相垂直的方向上測量的已加工表面與待加工表面之間的距離，單位為mm。圖1-2 切削用量三要素2切削層參數(shù)在切削過程中，刀具的切削刃在一次進給中從工件待加工表面上切除的金屬層，稱為切削層。為簡化計算，切削層參數(shù)是在與主運動方向相垂直的平面內(nèi)度量的切削層截面尺寸。如圖1-3所示。切削層的參數(shù)有以下三個：（1）切削層公稱橫截面積 是指給定瞬間切削層在與主運動方向相垂直的平面內(nèi)度量的實際橫截面積。實際上，由于刀具副偏角的存在，經(jīng)切削加工后的已加工表面上常留下有規(guī)則的刀紋，這些刀紋在切削層尺寸平面里的橫截面積ABE

7、稱為殘留面積，殘留面積的高度直接影響已加工表面的表面粗糙度值。圖1-3 切削層參數(shù)（2）切削層公稱寬度 是指沿切削刃方向測量的切削層截面尺寸，單位為mm。它大致反映了主切削刃參加切削工作的長度。（3）切削層公稱厚度 是指垂直于切削刃方向上測量的切削層截面尺寸，單位為mm。當(dāng)主切削刃為直線且刀尖圓弧半徑很小時，由圖1-3可見： (1-4) (1-5) (1-6)分析上述公式可知，由于主偏角值的不同，引起切削層公稱厚度與切削層公稱寬度的變化，從而對切削過程的切削機理產(chǎn)生了較大的影響。§1.2 刀具切削部分的幾何角度金屬切削加工所用刀具種類繁多，但是它們參加切削的部分在幾何特征上都有相同之

8、處。外圓車刀的切削部分可作為其它各類刀具切削部分的基本形態(tài)。 §1.2.1刀具切削部分的組成普通外圓車刀的構(gòu)造如圖1-4所示，其組成包括刀柄和刀頭（切削部分）兩部分。刀柄是車刀在車床上定位和夾持的部分，刀頭用于切削工件。切削部分的組成要素如下：圖1-4 車刀的組成1前面 刀具上切屑流過的表面。2主后面 刀具上與工件過渡表面相對的表面。3副后面 刀具上與工件已加工表面相對的表面。4主切削刃 刀具前面與主后面相交而得到的刃邊（或棱邊），用于切出工件上的過渡表面，完成主要的金屬切除工作。5副切削刃 刀具前面與副后面相交而得到的刃邊，它配合主切削刃完成切削工作，最終形成工件已加工表面。6刀尖

9、 是指主切削刃與副切削刃連接處相當(dāng)少的一部分切削刃。§1.2.2刀具切削部分的幾何角度為確定刀具切削部分的幾何角度，必須建立一定的空間參考坐標系和參考坐標平面。刀具角度的參考系有兩種：靜止參考系和工作參考系。刀具靜止參考系是用來定義刀具設(shè)計、制造、刃磨和測量時的的參考系。在該參考系中確定的刀具幾何角度稱為刀具的標注角度。靜止參考系的確定有兩個假定條件：一是不考慮進給運動的大小，只考慮其方向，這時合成切削運動方向就是主運動方向；二是刀具的安裝定位基準與主運動方向平行或垂直，刀柄的軸線與進給運動方向平行或垂直。下面介紹常用的正交平面靜止參考系。1參考系的建立 正交平面參考系由三個互相垂直

10、的基面、切削平面、正交平面組成，如圖1-5所示。1）基面 通過切削刃選定點垂直于主運動方向的平面。由于刀具靜止參考系是在假定條件下建立的，因此，對車刀、刨刀來說，其基面平行于刀具的底面，對鉆頭、銑刀等旋轉(zhuǎn)刀具來說，則為通過切削刃某選定點，包含刀具軸線的平面?；媸堑毒咧圃?、刃磨及測量時的定位基準。 2）切削平面 通過切削刃選定點與主切削刃相切并垂直于基面的平面。當(dāng)切削刃為直線刃時，過切削刃選定點的切削平面即是包含切削刃并垂直于基面的平面。3）正交平面 通過切削刃選定點并同時垂直于基面和切削平面的平面。也可認為，正交平面是過切削刃選定點垂直于主切削刃在基面上的投影所作的平面。由組成一個正交平面參

11、考系。圖1-5 正交平面參考系2正交平面參考系刀具角度在正交平面參考系中可標注出如下刀具角度，如圖1-6所示。1)在基面內(nèi)測量的角度主偏角 主切削刃在基面上的投影與假定進給運動方向間的夾角。它總是為正值。副偏角 副切削刃在基面上的投影與假定進給運動反方向之間的夾角。刀尖角 主、副切削刃在基面投影之間的夾角。在基面內(nèi)，主偏角和副偏角分別決定了主切削刃和副切削刃的位置，刀尖角可由主偏角和副偏角派生得到，即。 2）在切削平面內(nèi)測量的角度刃傾角 主切削刃與基面之間的夾角。當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅械淖罡唿c時刃傾角為正值，當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅械淖畹忘c時，刀傾角為負值，當(dāng)主切削刃與基面重合時，刃傾角為零度。3）在正交平

12、面內(nèi)測量的角度前角 前面與基面之間的夾角。前角有正、負和零度之分，當(dāng)前面與切削平面夾角小于90°時前角為正值，大于90°時前角為負值，前面與基面重合時為零度前角。后角 后面與切削平面之間的夾角。當(dāng)后面與基面夾角小于90°時后角為正值。為減小刀具和加工表面之間的摩擦等，后角一般不能為零度，更不能為負值。楔角 是前面與后面之間的夾角。此角為派生角度。在正交平面內(nèi)，前角和后角分別決定了前刀面和后刀面的位置，楔角可由前角和后角派生得到，即。4）在副切削刃的正交平面內(nèi)測量的角度參照主切削刃的研究方法，可過副切削刃選定點垂直于副切削刃在基面上的投影作出副切削刃的正交平面（用表

13、示），在副切削刃的正交平面內(nèi)可同樣測量副后角。 圖1-6 正交平面參考系內(nèi)的刀具標注角度§1.2.3刀具工作角度刀具的工作角度是刀具在工作時的實際切削角度，即在考慮刀具的具體安裝情況和運動影響的條件下而確定的刀具角度。在大多數(shù)情況下，普通車削、鏜孔、端面銑削等，由于進給速度遠小于主運動速度，刀具工作角度與標注角度相差無幾，兩者差別可不予考慮。但當(dāng)切削大螺距絲杠和螺紋、鏟背、切斷以及鉆孔分析鉆心附近的切削條件或刀具特殊安裝時，需要計算刀具的工作角度，其目的是使刀具的工作角度得到最合理值，據(jù)此換算出刀具的標注角度，以便于制造或刃磨。1.刀具工作參考系平面（1）工作基面 通過切削刃選定點并

14、與合成切削速度方向相垂直的平面。（2）工作切削平面 通過切削刃選定點與切削刃相切并垂直工作基面的平面。2.進給量對工作角度的影響以切斷車刀加工為例，設(shè)切斷刀主偏角90o，前角0o，后角0o，安裝時刀尖對準工件的中心高。不考慮進給運動時，前角和后角為標注角度。當(dāng)考慮橫向進給運動后，刀刃上選定點相對于工件的運動軌跡，是主運動和橫向進給運動的合成運動軌跡，為阿基米德螺旋線，如圖1-7所示。其合成運動方向為過該點的阿基米德螺旋線的切線方向。因此，工作基面和工作切削平面相對和相應(yīng)地轉(zhuǎn)動了一個角，結(jié)果引起切斷刀的角度的變化，其值為： (1-7) (1-8) (1-9)式中 工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)刀具的橫向進給量，單

15、位為mm/r；工件切削刃選定點處的瞬時過渡表面直徑，單位為。由式可知，在橫向進給切削或切斷工件時，隨著進給量值的增加和加工直徑的減小，值不斷增大，工作后角不斷減小，刀尖接近工件中心位置時，工作后角的減小特別嚴重，很容易因后面和工件過渡表面劇烈摩擦使刀刃崩碎或工件被擠斷，切削中應(yīng)引起充分重視。因此，切斷工件時不宜選用過大的進給量，或在切斷接近結(jié)束時，應(yīng)適當(dāng)減小進給量或適當(dāng)加大標注后角。圖1-7 橫向進給運動對工作角度影響對縱向外圓車削，同樣隨著進給量值的增加和加工直徑的減小，值增大，工作前角增大，工作后角減小，但縱向外圓車削過程中，工件直徑基本不變，進給量又較小，一般可忽略不計，不必進行工作角度

16、的計算。但當(dāng)進給量很大時，如車螺紋時，尤其是大導(dǎo)程或多頭螺紋時，工作角度與標注角度相差很大，必須進行工作角度計算。3.刀具安裝位置對工作角度的影響（1）刀具安裝高低的影響 在外圓橫車時，忽略進給運動的影響，并假定,當(dāng)?shù)都獍惭b高于工件中心時，工作切削平面和工作基面將轉(zhuǎn)動角，使工作前角增大、工作后角減小，如圖1-8示，工作角度與標注角度的換算關(guān)系如下 (1-10) (1-11) (1-12)式中 切削刃高于工件中心的距離，單位為mm； d工件上選定點的直徑，單位為mm。圖1-8 刀具安裝高低的影響當(dāng)?shù)都獍惭b低于工件中心時，刀具工作角度的變化則相反。內(nèi)孔鏜削時的角度變化情況恰好與外圓車削時的情況相反

17、。（2）刀桿軸線與進給運動方向不垂直的影響 當(dāng)?shù)稐U的軸線與進給運動方向不垂直時，如果刀桿右斜，使工作主偏角增大，工作副偏角減小，如果刀桿左斜，使工作主偏角減小工作副偏角增大，車削錐面時，進給方向與工件軸線不平行，也會使實際的主偏角和副偏角發(fā)生變化。以上討論的刀具工作角度是單獨考慮一個因素的影響，實際工作中的刀具可能既有安裝的高低或偏斜，又有進給運動的影響，這時應(yīng)綜合考慮各項影響的結(jié)果，將各項疊加起來。§1.3刀具材料 刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。在切削加工過程中，刀具的切削部分直接承擔(dān)切削工作，刀具使用壽命的長短和生產(chǎn)率的高低，首先取決于刀具材料性能的優(yōu)劣，其次取決于刀具切削

18、部分的結(jié)構(gòu)是否合理。刀具材料的性能是影響加工表面質(zhì)量、切削效率、刀具壽命的基本因素，刀具切削部分材料的工藝性對制造刀具和刃磨刀具質(zhì)量也有顯著的影響。§1.3.1刀具材料應(yīng)具備的性能從切削加工的使用實際出發(fā)，刀具材料應(yīng)具備如下性能1 高硬度和耐磨性 要實現(xiàn)切削加工，刀具材料必須具有比工件材料高的硬度，高硬度是刀具材料的最基本性能。在金屬切削加工中，刀具材料的硬度應(yīng)在60HRC以上，工件材料的硬度越高，要求刀具材料的硬度相應(yīng)提高。2 足夠的強度和韌性 要使刀具在切削力作用下，不致產(chǎn)生破壞，就必須具有足夠的強度。同時還要具備足夠的韌性，以承受著各種應(yīng)力、沖擊載荷和振動的作用。3 良好的耐熱

19、性和導(dǎo)熱性 切削過程中一般都會產(chǎn)生很高的溫度，刀具材料必須具有一定的耐熱性，以保證在高溫下仍然具有所要求硬度的性能。4 良好的工藝性 為了便于制造，刀具切削部分材料應(yīng)具有良好的鍛造、焊接、熱處理和磨削加工等性能。5 經(jīng)濟性 應(yīng)結(jié)合本國的資源，盡可能降低材料的成本。 §1.3.2刀具材料的種類與選用刀具切削部分材料主要有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬刀具材料等，各種刀具材料的物理力學(xué)性能，見表1-1所示，表1-1 各種刀具材料的物理力學(xué)性能材料種類硬度密度（g/cm3）抗彎強度（GPa）沖擊韌性（kJ/m2）熱導(dǎo)率W/(m· k)耐熱性（oC）碳素工具鋼

20、6365HRC7.67.82.241.8200250合金工具鋼6366HRC7.77.92.441.8300400高速鋼6370HRC8.08.81.965.889858816.725.1600700硬質(zhì)合金8994HRA8.0150.92.45295916.787.98001000陶瓷9195HRA3.64.70.450.851219.238.21200立方氮化硼80009000HV3.443.490.450.819.238.21200金剛石10000HV3.473.560.210.4819.238.21200其中，碳素工具鋼與合金工具鋼由于耐熱性差，但抗彎強度高，焊接與刃磨性能好，故廣泛用

21、于中、低速切削的成形刀具，不宜高速切削，生產(chǎn)中使用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。1.高速鋼高速鋼是在合金工具鋼中加入了較多的鎢、鉻、鉬、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的硬度（熱處理硬度可達6366HRC）和耐熱性（600650oC），切削中碳鋼的速度一般不高于5060m/min。具有高的強度（抗彎強度為一般硬質(zhì)合金的23倍）和韌性，能抵抗一定的沖擊振動。它具有較好的工藝性，可以制造刃形復(fù)雜的刀具，如鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀和齒輪刀具等。高速鋼按用途不同分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。（1）通用型高速鋼 通用型高速鋼工藝性能好，能滿足通用工程材料的切削加工要求。常用的種類有：1）鎢系高

22、速鋼 最常用的為W18Cr4V，它具有較好的綜合性能，可制造各種復(fù)雜刀具和精加工刀具，在我國應(yīng)用較普遍。2)鉬系高速鋼 最常用的牌號是W6MO5Cr4V2，其抗彎強度和沖擊韌度都高于鎢系高速鋼，并具有較好的熱塑性和磨削性能，但熱穩(wěn)定性低于鎢系高速鋼，適合制作抵抗沖擊刀具及各種熱軋刀具。（2）高性能高速鋼 高性能高速鋼是在普通型高速鋼中加入鈷、釩、鋁等合金元素，以進一步提高其耐磨性和耐熱性等。常見高性能高速鋼的力學(xué)性能和應(yīng)用范圍見表1-2所示。2.硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是用粉末冶金的方法制成的。它是由硬度和熔點很高的金屬碳化物（碳化鎢、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等）的微粉和金屬粘結(jié)劑（

23、鈷o、鎳i、鉬o等）以粉末冶金法燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的硬度高達7882HRC，耐磨性很好，能耐8001000oC的高溫，具有良好的耐磨性，允許的切削速度比高速鋼高410倍。切削速度可達100m/min以上，能加工包括淬火鋼在內(nèi)的多種材料，因此獲得廣泛應(yīng)用。但硬質(zhì)合金抗彎強度低、沖擊韌性差，制造工藝性差，不易做成形狀復(fù)雜的整體刀具。在實際使用中，一般將硬質(zhì)合金刀片焊接或機械夾固在刀體上使用。國際標準化組織（ISO513-1975（E）規(guī)定，將切削加工用硬質(zhì)合金分為三大類，分別用K、P、M表示。K類適用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，相當(dāng)我國的YG類硬質(zhì)合金，外包裝用紅色標志；P類適用

24、于加工長切屑的黑色金屬，相當(dāng)我國的YT類硬質(zhì)合金，外包裝用藍色標志；M類適用于加工長、短切屑的黑色金屬和有色金屬，相當(dāng)我國的YW類硬質(zhì)合金，外包裝用黃色標志。常用硬質(zhì)合金牌號及用途見表1-3所示。表1-2 常用高速鋼的力學(xué)性能和應(yīng)用范圍類型硬度(HRC)抗彎強度(GPa)沖擊韌性(MJ/m2)600OC時硬度(HRC)主要性能和適用范圍普通高速鋼W18Cr4V63663.03.40.180.3248.5綜合性能好，通用性強，可磨削，適用于加工輕合金、碳素鋼、合金鋼、普通鑄鐵的精加工刀具和復(fù)雜刀具。如螺紋車刀、成形車刀、拉刀等。W6Mo5Cr4V263663.54.00.300.404748強度

25、和韌性略高于W18Cr4V ，熱硬性略低于W18Cr4V ，熱塑性好。適用于制造加工輕合金、碳鋼、合金鋼的熱成形刀具及承受沖擊、結(jié)構(gòu)薄弱的刀具W14Cr4VMnRe64664.00.3150.5切削性能與W18Cr4V 相當(dāng)，熱塑性好，適用于制作熱軋刀具高性能高速鋼95 W18Cr4V66683.03.40.170.2251屬高碳高速鋼，常溫硬度和高溫硬度有所提高，適用于加工普通鋼材和鑄鐵，耐磨性要求較高的鉆頭、鉸刀、絲錐、銑刀和車刀等，但不宜受大的沖擊W6MO5Cr4V365673.20.2551.7屬高釩高速鋼，耐磨性很好，適合切削對刀具磨損較大的材料，如纖維、硬橡膠、塑料等，也用于加工不

26、銹鋼、高強度鋼和高溫合金等W2Mo9Cr4VCo867692.73.80.230.3055屬含鈷高速鋼，有很高的常溫和高溫硬度，適合加工高強度耐熱鋼、高溫合金、鈦合金等難加工材料,可磨性好,適于作精密復(fù)雜刀具,但不宜在沖擊切削條件下工作W6Mo5Cr4V2Al67692.843.820.230.30屬含鋁高速鋼,切削性能相當(dāng)W2Mo9Cr4VCo8,適宜制造銑刀、鉆頭、鉸刀、齒輪刀具和拉刀等，用于加工合金鋼、不銹鋼、高強度鋼和高溫合金 表1-3 硬質(zhì)合金的用途牌號化學(xué)成分(%)性能比較適用場合ISO（相近）國產(chǎn)wwcwTiCWTaC(wTbC)wCoK01YG3X96.5<0.53抗彎強

27、度、韌性、進給量硬度、耐磨性、切削速度鑄鐵、有色金屬及合金的精加工，也可用于合金鋼、淬火鋼等的精加工、不能承受沖擊載荷K10YG6X93.5<0.56鑄鐵、冷硬鑄鐵、合金鑄鐵、耐熱鋼、合金鋼的半精加工、精加工K20YG6946鑄鐵、有色金屬及合金的粗加工、半精加工K30YG8928鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬的粗加工，能適應(yīng)斷續(xù)切削P01YT3066304抗彎強度、韌性、進給量硬度、切削速度碳鋼和合金鋼連續(xù)切削時的精加工P10YT1579156碳鋼和合金鋼連續(xù)切削時的半精加工、精加工P20YT1478148碳鋼和合金鋼連續(xù)切削時的粗加工、半精加工、精加工或斷續(xù)切削時的精加工P30YT58

28、5510碳鋼和合金鋼的粗加工，也可用于斷續(xù)切削M1OYW184646抗彎強度、韌性、進給量硬度、切削速度不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼及其它難加工材料及普通鋼料、鑄鐵的半精加工和精加工M20YW282648不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼及其它難加工材料及普通鋼料、鑄鐵的粗加工和半精加工3.其它刀具材料（1）陶瓷材料 是以氧化鋁為主要成分，經(jīng)壓制成形后燒結(jié)而成的一種刀具材料。它有很高的硬度和耐磨性，硬度達78HRC，耐熱性高達1200oC以上，化學(xué)性能穩(wěn)定，故能承受較高的切削速度。但陶瓷材料的最大弱點是抗彎強度低，沖擊韌性差，主要用于鋼、鑄鐵、有色金屬、高硬度材料及大件和高精度零件的精加工。（2）金剛石 金剛石

29、分天然和人造兩種，天然金剛石由于價格昂貴用的很少。金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，其硬度接近10000HV，是硬質(zhì)合金的80120倍，但韌性差，在一定溫度下與鐵族元素親和力大，因此不宜加工黑色金屬，主要用于加工有色金屬以及非金屬材料的高速精加工。 （3）立方氮化硼（CBN） 由氮化硼在高溫高壓作用下轉(zhuǎn)變而成。它具有僅次于金剛石的硬度和耐磨性，硬度可達80009000HV，耐熱高達1400oC，化學(xué)穩(wěn)定性好，與鐵族元素親和力小，但強度低，焊接性差，主要用于淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金和一些難加工材料。§1.4 金屬切削過程及控制金屬切削過程是用刀具從工件表面上切去多余的金屬，形成切屑和已加工

30、表面的全過程。在這個過程中會遇到一系列物理現(xiàn)象（又稱切削過程的基本規(guī)律），如形成切屑、切削力、切削熱、刀具磨損等。掌握這些物理現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化規(guī)律，對于保證切削加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低成本和促進切削加工技術(shù)的發(fā)展，都有十分重要的意義。 §1.4.1切削變形及切屑的種類1. 切削時的三個變形區(qū)以切削塑性金屬為例，切削層金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榍行级湍阁w分離的本質(zhì)，是工件表層材料在加工過程中，受到刀具切削刃和前面的強烈擠壓，連續(xù)發(fā)生彈性變形塑性變形斷裂破壞，使切削層不斷被變成切屑從前面流出。圖1-9為低速切削時的切削層內(nèi)發(fā)生的三個變形區(qū)情況。圖1-9 切削時形成的三個變形區(qū)（1）第一變形區(qū) 當(dāng)?shù)毒?/p>

31、前面以切削速度擠壓切削層時，切削層中的某點沿OA面開始產(chǎn)生剪切滑移，直到其流動方向開始與刀具前面平行，不再沿OM面滑移，切削層形成切屑沿刀具前面流出。從OA面開始發(fā)生塑性變形到OM面晶粒的剪切滑移基本完成，這一區(qū)域稱為第一變形區(qū)。第一變形區(qū)的主要特征是沿滑移面的剪切滑移變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。（2）第二變形區(qū) 當(dāng)剪切滑移形成的切屑在刀具前面流出時，切屑底層進一步受到刀具的擠壓和摩擦，使靠近刀具前面處的金屬再次產(chǎn)生剪切變形，稱為第二變形區(qū)。（3）第三變形區(qū) 是工件與刀具后面接觸的區(qū)域，受到刀具刃口與刀具后面的擠壓和摩擦，造成已加工表面變形，稱為第三變形區(qū)。這是由于在實際切削中刀具的刃口不可避

32、免地存在鈍圓半徑，使被擠壓層再次受到刀具后面的拉伸、摩擦作用，進一步產(chǎn)生塑性變形，使已加工表面變形加劇。2切屑的種類由于加工材料性質(zhì)不同，切削條件不同，切削過程中的變形程度不同。根據(jù)切削過程中變形程度的不同，形成四種不同形態(tài)的切屑。 （1）帶狀切屑 切屑連續(xù)成帶狀，底面光滑，背面無明顯裂紋，呈微小鋸齒形，如圖1-10所示。一般加工塑性金屬材料（如低碳鋼、銅、鋁），采用較大的刀具前角，較小的切削層公稱厚度,較高的切削速度時，最易形成這種切屑。形成帶狀切屑時，切削力波動小，切削過程比較平穩(wěn)，已加工表面粗糙度較小，但需采取斷屑措施，保證正常生產(chǎn)，尤其是自動生產(chǎn)線和自動機床生產(chǎn)。 （）節(jié)狀切屑 又稱擠

33、裂切屑。這種切屑背面有較深的裂紋，呈較大的鋸齒形。一般加工塑性較低金屬材料（如黃銅），在刀具前角較小，切削層公稱厚度較大,切削速度較低時，或加工碳素鋼材料在工藝系統(tǒng)剛性不足時，易形成這種切屑。形成節(jié)狀切屑時，切削力波動較大，切削過程不太穩(wěn)定，已加工表面粗糙度較大。 （）粒狀切屑 又稱單元切屑。切削塑性材料時，若整個剪切面上的切應(yīng)力超過了材料斷裂強度，所產(chǎn)生的裂紋貫穿切屑斷面時，擠裂呈粒狀切屑。采用小前角或副前角，以極低的切削速度和大的切削層公稱厚度切削時，會形成這種切屑。形成粒狀切屑時，切削力波動大，切削過程不平穩(wěn)，已加工表面粗糙度大。（4）崩碎切屑 切削鑄鐵、青銅等脆性材料時，切削層通常在彈

34、性變形后未經(jīng)塑性變形就被擠裂，形成不規(guī)則的碎塊狀的崩碎切屑。工件材料越脆硬，刀具前角越小，切削層公稱厚度越大，越易產(chǎn)生崩碎切屑。形成崩碎切屑時，切削力波動大，且切削層金屬集中在切削刃口碎斷，易損壞刀具，加工表面也凸凹不平，已加工表面粗糙度增大。）帶狀切屑 ）節(jié)狀切屑 ）粒狀切屑 d)崩碎切屑圖1-10 切屑的種類3.積屑瘤（1）積屑瘤的形成 在切削速度不高而又能形成連續(xù)性切屑的情況下，加工鋼料或其它塑性材料時，常在切削刃口附近粘結(jié)一塊很硬的金屬堆積物，它包圍著切削刃且覆蓋刀具部分前面，這就是積屑瘤。積屑瘤的形成主要是由于切削加工時，在一定的溫度和壓力作用下，切屑與刀具前面發(fā)生強烈摩擦，致使切屑

35、底層金屬流動速度降低而形成滯流層，如果溫度和壓力合適，滯流層就與前面粘結(jié)而留在刀具前面上，由于粘結(jié)層經(jīng)過塑性變形硬度提高，連續(xù)流動的切屑從粘結(jié)層上流動時，又會形成新的滯留層，使粘結(jié)層在前一層的基礎(chǔ)上積聚，這樣一層又一層地堆積，粘結(jié)層愈來愈大，最后長成積屑瘤。當(dāng)積屑瘤生成時或生成后，在外力、振動等的作用下，會局部斷裂或脫落；另外，當(dāng)切削溫度超過工件材料的再結(jié)晶溫度時，由于加工硬化消失，金屬軟化，積屑瘤也會脫落和消失。由此可見，產(chǎn)生積屑瘤的決定因素是切削溫度，加工硬化和粘結(jié)是形成積屑瘤的必要條件。積屑瘤的化學(xué)成分與工件材料相同，它的硬度約是工件材料的3.5倍，與刀具前面粘結(jié)牢固，能擔(dān)負實際切削工作

36、，但不穩(wěn)定，時生時滅、時大時小。（2）影響積屑瘤的主要因素與控制要抑制積屑瘤的生成和發(fā)展，必須有效控制切屑底層與前面的粘結(jié)和加工硬化。1）工件材料塑性 通過熱處理降低材料塑性，提高其硬度，可抑制積屑瘤的生成。2）切削速度 是通過切削溫度和摩擦系數(shù)來影響積屑瘤的。低速切削時，切屑流動較慢，切削溫度較低，切屑與刀具前面摩擦系數(shù)小，切屑與前面不易發(fā)生粘結(jié)，不會形成積屑瘤，因此用高速鋼刀具低速車削或鉸削，可獲得較小的表面粗糙度值；高速切削時，切削溫度高，切屑底層金屬軟化，加工硬化和變形強化消失，也不會生成積屑瘤，因此，選擇耐熱性好的刀具材料進行高速切削，也可獲得較小的表面粗糙度值；中速切削時，切削溫度

37、在300400o，是形成積屑瘤的適宜溫度，此時摩擦系數(shù)最大，積屑瘤生長得最高，因而表面粗糙值最大。 3）減小進給量、增大刀具前角，減小刀具前面的粗糙度值，合理使用切削液等，可使切削變形減小，切削力減小，切削溫度下降，都可抑制積屑瘤的生成。§1.4.2切削力切削過程中，切削力直接影響切削熱、刀具磨損與耐用度、加工精度和已加工表面質(zhì)量。在生產(chǎn)中，切削力又是計算切削功率，設(shè)計機床、刀具和夾具時進行強度、剛度計算的主要依據(jù)，研究切削力的變化規(guī)律，對于分析切削過程和生產(chǎn)實際都有重要意義。1.切削力的來源與分解金屬切削時，工件材料抵抗刀具切削時所產(chǎn)生的阻力稱為切削力。它與刀具作用在工件上的力大小

38、相等，方向相反。切削力來源于兩方面，一是三個變形區(qū)內(nèi)金屬產(chǎn)生的彈性變形抗力和塑性變形抗力；二是切屑與前面、工件與后面之間的摩擦力。切削時的總切削力一般為空間力，其方向和大小受多種因素影響而不易確定，為了便于分析切削力的作用和測量計算其大小，便于生產(chǎn)實際的應(yīng)用，一般把總切削力F分解為三個互相垂直的切削分力、和。如圖1-11所示。圖1-11 切削合力和分力（1）主切削力 是總切削力在主運動方向上的分力。它與主運動方向一致，垂直于基面，是三個切削分力中最大的，所以稱為主切削力。主切削力是作用在工件上，并通過卡盤傳遞到機床主軸箱，它是設(shè)計機床主軸、齒輪和計算機床切削功率，校核刀具、夾具的強度與剛度，選

39、擇切削用量等的主要依據(jù)。（2）背向力 總切削力吃刀方向上的切削分力，在內(nèi)、外圓車削中又稱徑向力，單位為N。由于在背向力方向上沒有相對運動，所以背向力不消耗切削功率，但它作用在工件和機床剛性最差的方向上，易使工件在水平面內(nèi)變形，影響工件精度，并易引起振動。背向力是校驗機床剛度的主要依據(jù)。（3）進給力 總切削力在進給運動方向上的切削分力，在外圓車削中又稱軸向力，單位為N。進給力作用在機床的進給機構(gòu)上，是校驗機床進給機構(gòu)強度和剛度的主要依據(jù)。2.單位切削力和切削功率單位切削力是指單位切削面積上的主切削力，用表示,單位為Nmm2?？砂聪率接嬎?(1-13) 單位切削力可在切削用量手冊中查到。切削功率是

40、在切削過程中消耗的功率，它等于總切削力的三個分力消耗的功率總和。用表示，單位為KW。由于所消耗的功率占比例很小，約為11.5，通常略去不計。方向的運動速度為零，不消耗功率，所以切削功率為 (1-14)式中 切削功率，單位為KW； 主切削力，單位為N； 切削速度，單位為m/min。根據(jù)切削功率選擇機床電機功率時，還應(yīng)考慮到機床的傳動效率。機床電機功率為 (1-15)式中 機床電機功率，單位為KW； 機床的傳動效率，一般為0.750.85。3.影響切削力的主要因素 （1）工件材料的影響 工件材料的強度、硬度愈高，材料的剪切屈服強度越高，切削力愈大。工件材料的塑性、韌性好，加工硬化的程度高，由于變形

41、嚴重，故切削力也增大。（2）切削用量的影響切削用量中，背吃刀量與進給量對切削力影響較大。當(dāng)或加大時，切削層的公稱橫截面積增大，變形抗力和摩擦阻力增加，因而切削力隨之加大。實驗證明，當(dāng)其它條件一定時，背吃刀量增大一倍時，切削力也增大一倍，進給量增加一倍時，切削力約增加7080。生產(chǎn)實踐中，切削層的橫截面積相同時，選擇大的比選擇大的切削力要小，如強力切削法就是基于這個原理。 （3）刀具幾何角度的影響前角加大，切削層易從刀具前面流出，切削變形減小，因此切削力下降。主偏角對三個分力都有影響，但對主切削力影響較小，對進給力和背向力影響較大。當(dāng)增大時，增大，減小。刃傾角對主切削力的影響較小，對進給力和背向

42、力影響較大。當(dāng)逐漸由正值變?yōu)樨撝禃r，增大，減小。 §1.4.3切削熱與切削溫度切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度，是影響刀具磨損和加工精度的重要原因。高的切削溫度使刀具磨損加劇，耐用度下降；機床的熱變形，工件和刀具受熱膨脹會導(dǎo)致工件精度達不到要求。1.切削熱的產(chǎn)生與傳出在切削過程中，三個變形區(qū)因變形和摩擦所作的功絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，稱為切削熱。切削熱來源于切削時切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形功轉(zhuǎn)變的熱；刀具前面與切屑、刀具后面與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱。其中，切削塑性金屬時，切削熱主要來源于剪切區(qū)變形和刀具前面與切屑的摩擦所消耗的功。切削脆性材料，切削熱主要來源于刀具后面與工件的摩擦所消耗的功?？?/p>

43、的來說，切削塑性材料產(chǎn)生的熱量要比脆性材料為多。切削時所產(chǎn)生的切削熱主要以熱傳導(dǎo)的方式分別由切屑、工件、刀具及周圍介質(zhì)向外傳散。各部分傳出熱量的百分比，隨工件材料、刀具材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)及加工方式的不同而變化。在一般干切削的情況下，大部分切削熱由切屑帶走，其次傳至工件和刀具，周圍介質(zhì)傳出的熱量很少。2.影響切削溫度的因素切削溫度的高低一方面取決于單位時間內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少，同時又取決于單位時間內(nèi)傳散熱量的多少，所以切削溫度是指產(chǎn)生熱量與傳散熱量的綜合結(jié)果。 （1）工件材料 工件材料的強度越大、硬度越高，切削時消耗的功越多，產(chǎn)生的切削熱越多，切削溫度升高。工件材料的熱導(dǎo)率大，熱量容易傳出

44、，若產(chǎn)生的切削熱相同，則熱容量大的材料，切削溫度低。工件材料的塑性越好，切削變形越大，切削時消耗的功越多，產(chǎn)生的切削熱越多，切削溫度升高。（2）切削用量的影響 切削用量中，切削速度對切削溫度影響最大。切削速度增加，切削的路徑增長，切屑底層與刀具前面發(fā)生強烈摩擦從而產(chǎn)生大量的切削熱，切削溫度顯著升高。進給量對切削溫度有一定的影響。隨著進給量的增大，單位時間內(nèi)金屬的切除量增加，消耗的功率增大，切削熱增大，切削溫度上升。背吃刀量對切削溫度影響很小。隨著背吃刀量的增加，切削層金屬的變形與摩擦成正比例增加，產(chǎn)生的熱量按比例增加。但由于切削刃參加工作的長度也成比例增長，改善了刀頭的散熱條件，最終切削溫度略

45、有增高。（3）刀具幾何角度的影響 刀具幾何參數(shù)對切削溫度影響較大的是前角和主偏角。前角增大，切削變形及切屑與刀具前面的摩擦減小，產(chǎn)生的熱量小，切削溫度下降。反之，切削溫度升高。實驗證明，前角從10oC增大到25oC時，切削溫度約降低25。但前角太大，刀具的楔角減小，散熱體積減小，切削溫度反而升高。主偏角增大，刀具主切削刃工作長度縮短，刀尖角減小，散熱面積減少，切削熱相對集中，從而提高了切削溫度。反之，主偏角減小，切削溫度降低。§1.4.4刀具磨損與刀具耐用度刀具在切削過程中與切屑、工件之間產(chǎn)生劇烈的擠壓、摩擦，從而產(chǎn)生磨損。刀具磨損后，會縮短刀具的使用時間，降低表面質(zhì)量，增加刀具材料

46、的損耗，因此，刀具磨損是影響生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和成本的一個重要因素。 1.刀具磨損的形式刀具磨損可分為正常磨損和非正常磨損兩類。（1）刀具的正常磨損正常磨損是指刀具在設(shè)計與使用合理、制造與刃磨質(zhì)量符合要求的情況下，在切削過程中逐漸產(chǎn)生的磨損。如圖1-12a所示，刀具正常磨損主要包括以下三種形式。1)前面磨損 在切削塑性材料、切削速度較高、切削厚度較大的情況下，當(dāng)?shù)毒叩哪蜔嵝院湍湍バ陨杂胁蛔銜r，切屑在前刀面上經(jīng)常會磨出一個月牙洼。月牙洼產(chǎn)生的地方是切削溫度最高的地方。前面磨損量的大小，用月牙洼的寬度KB和深度KT表示，如圖1-12b所示。2）后面磨損 由于工件表面和刀具后面間存在著強烈的擠壓、摩

47、擦，在后面上毗鄰切削刃的地方很快被磨出后角為零的小棱面，這就是后面磨損。在切削速度較低、切削厚度較小的情況下切削塑性金屬以及加工脆性金屬時，主要發(fā)生這種磨損。在后面磨損帶中間部位（B區(qū)）上，磨損比較均勻，平均磨損帶寬度以VB表示，而最大磨損寬度以VBmax表示。3）前、后面同時磨損 這種磨損形式是指切削之后，刀具上同時出現(xiàn)前面和后面磨損。在切削塑性金屬、采用大于中等切削速度和中等進給量時，常出現(xiàn)這種磨損形式。一般情況下，無論是加工塑性材料還是脆性材料，刀具的后面都會產(chǎn)生磨損，刀具磨損的大小常用后面磨損量VB的大小表示。a)刀具磨損形態(tài) b)前面磨損 c)后面磨損圖1-12 刀具的正常磨損形式（

48、2）刀具的非正常磨損非正常磨損亦稱刀具破損，一般屬于非正常失效，刀具破損大多與使用不當(dāng)有關(guān)。刀具破損主要是由于切削過程中的沖擊、振動、熱應(yīng)力等造成刀具切削刃突然崩刃碎裂、折斷、卷刃或熱裂紋等。在研究刀具磨損時，一般研究刀具的正常磨損。2.刀具磨損的過程及磨鈍標準（1）刀具磨損過程生產(chǎn)中，較常見到的是刀具后面磨損。在正常磨損情況下，刀具磨損量隨切削時間的增加而逐漸加大。其磨損過程分為三個階段，如圖1-13所示。初期磨損階段（OA段）：在開始切削的短時間內(nèi)，磨損較快。這是由于新刃磨的刀具表面粗糙不平或表面組織不耐磨（如燒傷、裂紋）等原因造成的。另外，新刃磨的刀具比較鋒利，與工件接觸面積小，壓力大，

49、因此刀具后面上很快被磨出一個窄的棱面。正常磨損階段（AB段）：經(jīng)初期磨損，后面上被磨出一條狹窄的棱面，接觸面積增大，壓強減小，故磨損量隨時間的增加而均勻增長，磨損比較緩慢、穩(wěn)定。這一階段是刀具工作的有效階段。急劇磨損階段（BC段）：磨損量達到一定值后，切削刃變鈍，切削力增大，切削溫度升高，刀具強度、硬度降低，磨損急劇加速。此時刀具如果繼續(xù)工作，不但不能保證加工質(zhì)量，而且刀具材料消耗多，成本增加，故應(yīng)當(dāng)避免刀具發(fā)生急劇磨損，也就是在正常磨損即將告終前，應(yīng)及時換刀刃磨。（2）刀具的磨鈍標準在使用刀具時，應(yīng)該控制刀具在產(chǎn)生急劇磨損前必須重磨或更換新切削刃。這時刀具的磨損量稱為磨鈍標準或磨損限度。由于

50、后刀面磨損最常見，且易于控制和測量。因此，規(guī)定將后刀面上均勻磨損區(qū)平均磨損量允許達到的最大值VB作為刀具的磨鈍標準。實際生產(chǎn)中磨鈍標準應(yīng)根據(jù)加工要求制定。精加工，主要保證加工精度和表面質(zhì)量，因此磨鈍標準VB定的較小。粗加工時，為了減少磨刀次數(shù)，提高生產(chǎn)率，磨鈍標準VB定的較大。表1-4為車刀的磨鈍標準，供使用時參考。表1-4 磨鈍標準VB值 (單位mm) 加工條件加工方式剛性差鋼 件鑄鐵件鋼、鑄鐵大件精 車0.10.3粗 車0.40.50.60.80.81.21.01.5圖1-13 刀具磨損典型曲線實際生產(chǎn)中操作工人也可以根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，如工件上是否出現(xiàn)亮點和暗點，加工表面粗糙度的變化情況，

51、切屑形狀和顏色的變化，是否出現(xiàn)振動或不正常的聲音等，判斷刀具是否達到磨鈍標準。3.刀具耐用度按磨鈍標準鑒定刀具是否能繼續(xù)正常工作，需要停機測量，這在生產(chǎn)現(xiàn)場是難以實現(xiàn)的。為了更加方便、快捷、準確地判斷刀具的磨損情況，一般用刀具耐用度來間接地反映刀具的磨鈍標準。在柔性加工設(shè)備上，也常使用切削力的數(shù)值作為刀具的磨鈍標準，從而實現(xiàn)對刀具磨損狀態(tài)的自然監(jiān)控。（1）刀具耐用度的概念 指刃磨后的刀具從開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止的總切削時間稱為刀具耐用度，用表示。耐用度為切削時間，不包括對刀、測量等非切削時間。刀具耐用度的大小表示刀具磨損的快慢，刀具耐用度大，表示刀具磨損慢；耐用度小，表示刀具磨損快

52、。另外，刀具耐用度與刀具壽命是兩個不同的概念。刀具壽命是指一把新刀從投入使用到報廢為止總的切削時間，刀具的壽命等于刀具耐用度乘以刃磨次數(shù)。 生產(chǎn)實踐中經(jīng)常遇到的技術(shù)問題之一，就是根據(jù)工件材料選定刀具材料之后，如何正確選擇切削用量。一般是先選定背吃刀量、進給量和其它參數(shù)后，再根據(jù)已確定的刀具壽命的合理數(shù)值T來計算切削速度，稱為刀具耐用度下允許的切削速度，用表示。是生產(chǎn)中選用切削速度的依據(jù)。 （3）刀具耐用度合理數(shù)值的確定 根據(jù)刀具的耐用度方程，當(dāng)?shù)毒吣陀枚纫欢〞r，為了提高生產(chǎn)率，應(yīng)首先考慮增大背吃刀量，其次是增大進給量，然后根據(jù)耐用度、已定的背吃刀量和進給量確定切削速度。這樣既能保持刀具耐用度，

53、發(fā)揮刀具切削性能，又能提高生產(chǎn)率。由于刀具耐用度確定的太低和太高都會使生產(chǎn)率降低，因此，刀具耐用度存在一個合理數(shù)值。確定刀具耐用度的合理數(shù)值的方法一般有兩種：一是根據(jù)加工一個零件花費時間最少的觀點來制定刀具耐用度，稱為最大生產(chǎn)率耐用度。二是根據(jù)加工一個零件的成本最低的觀點來制定刀具耐用度，稱為最低成本耐用度。生產(chǎn)中常采用最低成本耐用度，只有當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)緊急或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡環(huán)節(jié)時，才選用最低生產(chǎn)率耐用度。表1-5中推薦的某些工廠耐用度值，可供選用時參考。生產(chǎn)中還可參考有關(guān)手冊資料查出。表1-5 刀具耐用度數(shù)值 （單位min）刀 具 類 型耐 用 度刀 具 類 型耐 用 度高速鋼車刀、刨刀、鏜刀3060硬質(zhì)合金面銑刀90180硬質(zhì)合金焊接車刀1560齒輪刀具200300硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀1545自動線、組合機床、自動線刀具240480高速鋼鉆頭80120§1.5 金屬材料的切削加工性 工件材料的切削加工性是指將其切削加工成合格零件的難易程度。某種工件材料加工的難易，不僅取決于工件材料本身，還取決于具體的加工要求及切削條件。研究工件材料切削加工性的目的，是為了找出改善難加工材料切削加工性的途徑。§1.5.1衡量工件材料切削加工性的指標根據(jù)加工要求和生產(chǎn)條件的不