機械制造基礎(chǔ)-金屬切削加工(本)

第五篇-切削加工內(nèi)容23451切削加工的基礎(chǔ)知識刀具材料刀具角度金屬切削過程常用加工方法綜述5-1切削加工的基礎(chǔ)知識金屬切削加工——利用切削刀具與工件作相對運動，從金屬毛坯上切除多余材料，從而獲得表面粗糙度及精度合格的機器零件的過程。因為是在冷態(tài)下進行的，因此稱之為冷加工。熱加工毛坯裝配機器冷加工粗糙度、精度合格的零件尺寸精度尺寸精度是指尺寸的準確程度，由尺寸公差控制。公差—是尺寸的允許變動量，公差越小精度越高。公差示意圖中，上下偏差之間所限定的區(qū)域稱為公差帶。 公差＝｜最大極限尺寸－最小極限尺寸｜ ＝｜上偏差－下偏差｜零線和基本偏差—零線通常表示基本尺寸，基本偏差則是用以確定公差帶相對于零線位置較近的那個上偏差或下偏差。孔的基本偏差用大寫英文字母表示，軸用小寫字母表示公差等級—同一基本尺寸，若公差等級相同則公差值相等，公差帶等寬形狀精度形狀精度是指零件上被測要素（線或面）相對于理想形狀的準確程度，由形狀公差來控制。直線度平面度圓度圓柱度線輪廓度面輪廓度形狀公差的標注在圖紙上用兩個框格標注，前一框格標注形狀公差符號，后一框格填寫形狀公差值位置精度位置精度是指零件上被測要素（線或面）相對于基準之間的位置準確程度，由位置公差來確定。平行度垂直度同軸度位置度圓跳動全跳動傾斜度對稱度位置公差的標注在圖紙上用三個框格標注，前一框格標注位置公差符號，后一框格填寫位置公差值，第三框格標注基準代號表面粗糙度在切削加工過程中，刀具會振動、與工件摩擦，在工件已加工表面上留下微小的波峰與波谷，這些微小波峰、波谷的高低程度和間距狀況稱為表面粗糙度。表面粗糙度以工件表面輪廓的平均算術(shù)偏差Ra來表征，單位是微米。幾種主要切削表面及切削方式

外圓面：車、磨削；內(nèi)圓面（孔）：鉆、鏜、車、磨、拉削；平面：刨、銑、車、磨、拉削；成形面：車、銑、磨、拉削。粗車外圓車錐體車孔銑端面銑齒銑鍵槽磨削外圓平面磨削鏜孔鉆孔5-1-2切削運動切削運動——工件和刀具之間的相對運動(直線和回轉(zhuǎn)運動兩個基本運動單元)；切削運動由主運動和進給運動構(gòu)成。主運動——直接切下切屑的運動（轉(zhuǎn)速最高、消耗功率最大、唯一一個）；車削中的工件旋轉(zhuǎn)磨削中的砂輪旋轉(zhuǎn)銑削中的刀具旋轉(zhuǎn)進給運動——使金屬層不斷投入切削的運動（一個或多個）；車削、銑削中的工件移動外圓磨時工件的旋轉(zhuǎn)和軸向移動切削運動在工件上形成三類加工表面待加工表面即將被切去金屬層的表面加工表面（過渡表面）切削刃正在切削加工的表面已加工表面已經(jīng)切除部分金屬而形成的新表面

切削表面nf已加工表面加工表面待加工表面5-1-3切削用量三要素切削要素又稱切削用量三要素，包括切削速度Vc、進給量f（或進給速度Vf）和切削深度（背吃刀量）ap

。主運動為圓周運動，其切削速度：主運動為往復(fù)直線運動，其切削速度：在單位時間內(nèi)，工件或刀具沿主運動方向的相對位移。（主運動線速度）fn進給量刀具在進給方向上相對工件的位移量——對外圓車削進給量是指工件旋轉(zhuǎn)一周，刀具沿工件進給移動的距離，通常用字母f表示（mm/r）dmdwfn12ff↑→加工速度？多齒刀具加工時，進給運動的瞬時速度稱進給速度(mm/s)加工齒輪，每齒進給量af(mm/z)刀具每轉(zhuǎn)或每行程中每齒相對工件在進給運動方向上的位移量稱為每齒進給量，用fz表示（mm/z）切削深度(背吃刀量)一次切削過程中，待加工表面與已加工表面之間的垂直距離。車外圓：dmdwfn12fap5-1-4切削層剖面要素切削層——工件上正被刀具切削的那層金屬。

其大小和形狀決定了刀具切削部分所受載荷大小及切屑形狀。切屑層剖面的尺寸稱為切削層的幾何參數(shù)，包括：切削層厚度ac：是相鄰兩個加工表面之間在基面上測量的垂直距離ac=f?sinKr(帶狀屑厚度)切削層寬度aw：沿主切削刃方向度量的切削層尺寸：參加切削主刀刃長度aw=ap/sinKr(帶狀屑寬度)切削層面積Ac：切削層垂直于切削速度截面內(nèi)的面積：刀具所受負荷大小Ac=ac?aw=f?ap(帶狀屑折斷后的截面積)dmdwfn12fapKracfapKraw5-2刀具材料及刀具構(gòu)造刀具在高溫下進行切削工作，還要承受大的壓力、摩擦、沖擊和震動等。對刀具材料的基本要求：高硬度：必須高于工件的的硬度，常溫硬度一般要求≥HRC60；有足夠的強度和韌性：可以承受切削力，沖擊力和振動；耐磨性好：以抵抗的磨損，維持一定的切削時間；紅硬性好（熱穩(wěn)定性、耐熱性）：即在高溫下切削能保持較高的硬度的性能；有良好的工藝性及經(jīng)濟性：以便于制造各種刀具。包括鍛、軋、焊、切削加工和熱處理性能等；目前還沒有一種刀具材料能夠全部滿足上述要求。5-2刀具材料及刀具構(gòu)造一、

常用刀具材料及其選擇碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷刀具金剛石刀具立方氮化硼常用新型材料碳素工具鋼碳素工具鋼（T10、T12等）——含碳量較高（0.7-1.3）的優(yōu)質(zhì)鋼，雜質(zhì)少（S、P），淬火后較硬but熱硬性差；一般只用于不重要的手工工具的制造，如銼刀，鑿子及鋸條等。碳素結(jié)構(gòu)鋼：wc<0.38%(<0.25%常用,S/P高):Q215合金工具鋼（低～）合金工具鋼（9CrSi、8CrMoV等）——在碳素工具鋼中加入適量的合金元素Cr、W、Mn等，使得其熱硬性提高（250-300），常用來制造較重要、復(fù)雜、切削速度不高的刀具，如鉸刀、拉刀等。低合金鋼：合金總含量<3%、含碳量也較低的合金結(jié)構(gòu)鋼。>同含碳量的碳素鋼高速鋼（高合金工具鋼）高速鋼——是一種加入較多碳化物鎢、鉬、鉻、釩等的高合金工具鋼；特點：

紅硬性，硬度（HRC62-65）；

且強度↑（3500MPa）、韌性（αk=0.3J/m2）好→工藝性好（可鍛性、可焊性，可切削加工性、熱處理不易變形）；耐熱溫度：550-600℃，不能用于高速切削應(yīng)用：主要用于制造形狀復(fù)雜的刀具，如麻花鉆、銑刀、拉刀等。常見的高速鋼鎢鋼W18Cr4V優(yōu)點：淬火時過熱傾向小，含釩少，耐磨加工性好，塑性變形抗力大；缺點：碳含量高，分布不均勻，影響耐用度，強度韌性不夠，熱塑性差。鎢鉬鋼W6Mo5Cr4V2優(yōu)點：碳化物分布細小，均勻，抗彎強度和韌性高，可作尺寸大，承受沖擊力較大的刀具；熱塑性好，磨削加工性好；能用作熱成形方法制造的刀具，適宜制造熱軋鉆頭。超高速鋼、物理氣相沉積(TiN)、粉末冶金法(偏析)硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金——由高硬度、高熔點的金屬碳化物（WC、TiC等）微米級粉末和粘結(jié)劑鈷（Co、Mo等）經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金被廣泛用作刀具材料；優(yōu)點：硬度高HRC73、耐磨性好、熱硬性好（耐熱溫度800-1000℃），切削速度高（與高速鋼相比）、穩(wěn)定性好；缺點：抗彎強度較低（高速鋼的1/2-1/4），αk比高速鋼低幾十倍，沖擊韌性差；加工工藝性差，常制成刀片，焊接在刀體上。硬質(zhì)合金分類以WC為主要成分的硬質(zhì)合金可以大致分為以下三類YG（K）類—WC-Co類(鎢鈷)硬質(zhì)合金，Co多，強度、韌性好，硬度、耐磨性較差，適用于加工時容易產(chǎn)生崩碎切屑、有沖擊切削力的脆性材料YT（P）類—WC-TiC-Co類(鎢鈷鈦)硬質(zhì)合金，TiC多，硬度、耐磨性、抗氧化性、低溫脆性較高，but抗彎強度、磨加工性、導(dǎo)熱性、韌性較低，適于加工塑性材料YW（M）類—WC-TiC-TaC類(鎢鈦鉭)硬質(zhì)合金，抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性、高溫硬度、抗氧化性、耐磨性均較高。加工不銹鋼、耐熱合金等難加工材料陶瓷刀具陶瓷刀具的硬度、耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和脆性都較高，抗彎強度和沖擊韌性則較低；陶瓷刀具中一般較常用的有：純Al2O3陶瓷Al2O3-TiC混合陶瓷金剛石刀具金剛石刀具切削刃鋒利，硬度、耐磨性、耐用度都很高，加工時不產(chǎn)生積屑瘤，適于精密加工，是一種很好的刀具材料；金剛石刀具的主要缺點就是熱穩(wěn)定性差，強度較低、脆性較高，并且由于化學(xué)成分的影響，不適合加工黑色金屬；因此，金剛石刀具主要用于磨具和磨料，可以進行有色金屬和非金屬的高速車削及鏜孔加工。立方氮化硼立方氮化硼刀具的硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性都比較高；主要的兩大類氮化硼刀具是：整體聚晶立方氮化硼立方氮化硼復(fù)合片nf切削部分夾持部分二、刀具的組成刀具的組成：切削部分夾持部分刀具構(gòu)造1.刀具切削部分的組成三個刀面兩個刀刃一個尖三、刀具的幾何形狀nf前刀面主切削刃副切削刃刀尖主后面副后面1.刀具切削部分的組成三個刀面：三、刀具的幾何形狀：刀具上切屑流過的表面：與過渡表面相對的表面，同前刀面相交形成主切削刃：與已加工表面相對，同前刀面相交形成副切削刃兩個刀刃：：切出過渡表面的切削刃，它負擔(dān)者主要的切削工作；：前刀面與副后面相交形成的切削刃，它擔(dān)負者少量的切削作用；(1)前刀面(2)主后刀面

(3)副后刀面(1)主切削刃(2)副切削刃：主切削刃與副切削刃的連接處一個尖：刀尖車刀結(jié)構(gòu)（1）焊接式車刀（2）機夾重磨式車刀（3）機夾可轉(zhuǎn)位車刀可轉(zhuǎn)位車刀特點：避免焊接缺陷減少調(diào)刀時間刀具材料性能好標準化程度高車刀結(jié)構(gòu)①

基面pr：通過主切削刃選定點，與該點切削速度垂直的平面②主切削平面ps：通過主切削刃選定點，與主切削刃相切并垂直于基面③正交平面po：通過主切削刃選定點，同時垂直于基面和主切削平面④假定工作平面pf：通過主切削刃選定點，垂直于基面并平行于假定進給運動方向假定工作平面正交平面2.車刀切削部分的主要角度(1).坐標平面參考系2.車刀切削部分的主要角度(2).標注角度①在正交平面po標注的角度Ⅰ.前角γo:前刀面與基面間夾角（0?~20?）。Ⅱ.后角αo:主后刀面與主切削平面間夾（6?~12?）2.車刀切削部分的主要角度前角的作用作用：使刀具鋒利，切削輕快；同時，也關(guān)系到刀尖的強度。鋒利↑→切削力↓→切削熱↓→切削溫度↓→刀具磨損↓（優(yōu)點）；散熱面積↓→切削溫度↑→刀具磨損↑（缺點）；刀頭受力截面積↓→刀頭強度↓（缺點）。γ0?↑前角的具體選擇取決于工件材料的性能工件材料強度低、硬度低，γo選大些；刀具材料韌性好(高速鋼)-耐沖擊，γo選大些，反之選小些(硬質(zhì)合金)加工狀態(tài)：精加工時，γo選大些，粗加工γo選小些0選擇原則：應(yīng)綜合考慮，“鋒”字當先，“鋒”中求固(-5～35゜)作用：減少主后刀面與加工表面之間的摩擦，配合前角調(diào)整切削刃的鋒利程度。摩擦↓→刀具鋒利↑→切削熱↓→切削溫度↓→刀具磨損↓(優(yōu)點)散熱面積↓→切削溫度↑→刀具磨損↑（缺點）；刀頭受力截面積↓→刀頭強度↓→易崩刀（缺點）。選擇原則：α0一般取6～12゜之間；2.車刀切削部分的主要角度后角的作用粗加工→強度,小后角(α0=6-8?)；精加工→摩擦↓表面粗糙度，大后角(α0=8-12?)α0↑2.車刀幾何角度標注(2).標注角度②在基面pr內(nèi)標注的角度

Ⅰ.主偏角kr:主切削平面與假定工作平面間夾角，即主切削刃在基面上的投影與進給方向間夾角（40?~90?）。

Ⅱ.副偏角kr′:副切削平面與假定工作平面間夾角，即副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向間夾角。2.車刀切削部分的主要角度(2).標注角度kr對刀具耐磨度和切削力的分配有直接影響當走刀量f和吃刀量ap不變時，Kr↓→切削厚度ac↓

，切削寬度aw↑，切削面積不變，主切削刃單位長度上負荷↓，散熱↑，↑刀具耐用度。2.車刀切削部分的主要角度(2).標注角度主偏角kr↓→徑向力大，工件剛度差會引起工件變形車外圓，kr值有45?、60?、75?、90?四種；加工臺階軸，必須取kr=90?，剛性差取大值。BUT2.車刀切削部分的主要角度(2).標注角度副偏角kr′的主要作用是↓副切削刃與已加工表面的摩擦，↓表面粗糙度；同時，kr′↓→殘留面積↓kr′值為：5?-15?2.車刀切削部分的主要角度(2).標注角度③在主切削平面ps標注的角度刃傾角λs:主切削刃與基面間夾角（-5?~+5?）。粗加工取負值；精加工取正值或零值。λs=0→切屑向著與主切削刃垂直的方向流出λs為正值→切屑向著代加工表面流出，切削刃強度較差λs為負值→切屑向著已加工表面流出，主切削刃強度較好。2.車刀切削部分的主要角度(3).工作角度刀具裝夾位置的影響

一、切削過程及切屑種類

1.金屬切削過程彈性變形：晶粒無變化塑性變形：晶粒內(nèi)部滑移擠裂：滑移面產(chǎn)生裂痕切離5-3金屬切削過程三個變形區(qū)（1）第一變形區(qū)：刀刃前方的變形區(qū)。其變形量最大，切削過程切削力、熱量主要來自這個區(qū)域，機床提供的能量也主要消耗在這個區(qū)（2）第二變形區(qū)：是切屑與前刀面間的摩擦變形區(qū)，此區(qū)域的狀況與積屑瘤形成，和刀具前刀面的磨損有直接關(guān)系（3）第三變形區(qū)：是工件已加工表面與工具后刀面的摩擦變形區(qū)，該區(qū)的狀況對工件表面的變形強化和殘余應(yīng)力以及后刀面磨損有很大影響

一、切削過程及切屑種類ⅡⅠⅢ切削收縮：經(jīng)塑性變形切削下來的切屑變得更厚（厚度hch>公稱厚度hD）、更短的現(xiàn)象；稱為切屑收縮；其程度用變形系數(shù)（或收縮系數(shù)）表示，即:

Λ=hch/hD一般情況下，Λ>１

Λ愈大，切削力越大，切削溫度愈高，表面愈粗糙。因此，可以增大前角γ0

，降低材料的塑性來使變形減小。切屑的種類帶狀切屑加工塑性材料，切削速度↑，f↓，刀具前角↑→帶狀切屑特點：F穩(wěn)定→已加工表面光潔整齊；但應(yīng)有段屑措施，防止纏繞節(jié)狀切屑（擠裂切屑）中等硬度塑性材料，切削速度↓，f↑→形成節(jié)狀切屑特點：連續(xù)但不光滑，有擠裂痕跡，金屬變形較大，切削力有波動及表面粗糙；崩碎切屑（粒狀切屑）切削脆性材料時，不發(fā)生明顯的塑性變形就突然斷裂，容易形成崩碎切屑特點：不連續(xù)，不規(guī)則碎塊。切削熱/力集中刀尖→刀尖易磨損，易引起振動使已加工表面粗糙金屬切削過程實質(zhì)：金屬受刀具擠壓，經(jīng)過彈性變形、塑性變形后沿一定面被擠裂的過程。切削顏色與變形程度有關(guān)：銀白色——切削變形小，切削溫度低(300-400℃)淡藍色——切削變形較大，切削溫度較高(500℃)黑紫色——切削變形很大，切削溫度高(800℃以上)切屑一面光亮，一面粗糙原因：切削過程中，切屑靠近前刀面一面受前刀面推擠而拉伸，另一面受擠壓而縮短。切削現(xiàn)象積屑瘤的形成及影響因素積屑瘤條件：在切速不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工塑性材料，脆性材料無現(xiàn)象：常在前刀面切削刃處粘著一塊呈三角狀的硬塊(加工硬化)產(chǎn)生原因：切屑底層與前刀面劇烈摩擦形成滯流層。當摩擦力>切屑分子之間的結(jié)合力時，一部分金屬停留在刀刃附近形成→積屑瘤不斷長大→破裂→帶走積屑瘤對切削加工的影響優(yōu)點：實際前角增大，使切削力減小，

切削輕快，對切削過程起積極作用；積屑瘤加工硬化，保護刀尖，影響

刀具耐用度，穩(wěn)定積屑瘤可減少刀具磨損，提高刀具耐用度；缺點：使切削深度增加Δac，積屑瘤的產(chǎn)生、成長、脫落是周期動態(tài)過程，因此Δac是變量，會引起工藝系統(tǒng)的振動；增大加工表面粗糙度，積屑瘤不穩(wěn)定，容易粘附切屑底層而剝落，一部分則留在加工表面上，影響表面粗糙度。結(jié)論：粗加工應(yīng)保留，精加工盡量避免。積屑瘤的控制影響積屑瘤的因素：金屬材料的塑性材料的塑性越大，越容易形成積屑瘤(避免—低碳鋼正火、調(diào)質(zhì)，提高強度、硬度，降低塑性)切削速度中速易(5-50mm/min)，低、高速難；冷卻潤滑條件及其它前角大，F(xiàn)小，使用切削液則不易產(chǎn)生積屑瘤。精車/高速切削：T↑，切屑熔融拉削、精刨，低速切削：摩擦小切削力的來源切削力來源：克服被加工材料對彈性變形和塑性變形的抗力；克服切屑對刀具前刀面的摩擦力；克服刀具后刀面對加工表面與已加工表面之間的摩擦力。F=F變形抗力+F摩擦抗力

彈、塑前后刀面刨刀oMF彈、塑F摩1F摩2F①主切削力（切向分力）FcFc是F在切削速度方向上的分力。主切削力占總切削力的80%~90%，消耗的功率占總功率的95%以上。是計算機床動力及主要傳動零件強度和剛度的依據(jù)。②進給抗力（軸向分力）FfFf是F在進給方向上的分力。消耗的功率僅占總功率的1~5%。是設(shè)計和計算進給機構(gòu)零件強度和剛度的依據(jù)。切削力的分解與合成③

切深抗力（徑向分力）Fp是F在切削深度方向上的分力。使工件彎曲變形，影響精度——細長軸FFcFfFpFD切削力的估算：影響主切削力的因素：工件材料：E/HB↑→F↑←塑性、韌性↑切削用量：對F影響大小順序為：ap、f、v刀具角度：r0↓→不鋒利、E↑→F↑切削液→F↓切削熱及切削溫度切削熱的主要來源(三個變形區(qū)所做的功轉(zhuǎn)換成熱)：切屑塑性變形所產(chǎn)生的熱量(切屑大部分，工件小部分)切屑與刀具前刀面摩擦產(chǎn)生的熱量（切屑大部分，刀具小部分）；工件與刀具后刀面摩擦產(chǎn)生的熱量(切屑一半，工件一半)散熱：切削鋼件：切屑傳熱：