2023年切削加工基礎(chǔ)知識技巧歸納

第三十章切削加工的基礎(chǔ)知識

切削加工是運用切削刀具從毛坯上切除多余的材料,以獲得所需

的形狀、尺寸精度和表面粗糙度加工方法。

切削加工在工業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位，除了少數(shù)零件可

以用鑄造和鍛造獲得外，大部分的零件都要通過切削加工。登記表白，

金屬切削加工的工作量占機器制造總工作量的40%?60%。金屬切削加

工與其他的加工方法相比重要有如下的優(yōu)點：

1、切削加工可獲得相稱高的尺寸精度和很小的表面粗糙度磨削

外圓精度最高可高達IT51T7級，粗糙度Ra=0.1?0.8|im,鏡面磨

削的粗糙度甚至可達0.006um,而最精密的壓力鑄造只能達成IT9

~IT10,R=1.6~3.2口m。.

2.切削加工幾乎不受零件的材料、尺寸和重量的限制

目前尚未發(fā)現(xiàn)不能切削加工的金屬材料.事實上，涉及橡膠、塑

料、木材這些非金屬材料在內(nèi)，也都可進行切削加工，這是任何其它冷

熱加工方法都無法做到的.金屬切削加工的尺寸可小至不到0.1mm,大

至幾十米，重達幾百噸.

金屬切削加工可分為鉗工和機械加工。鉗工的內(nèi)容在金工實習(xí)中

介紹，本章只介紹機械加工的內(nèi)容，機械加工是通過操縱機床對工件進

行切削加工，其生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量好，是現(xiàn)代金屬加工的重要方式。

第一節(jié)切削加工的基本概念

切削運動和切削要素在切削過程中是兩個經(jīng)常碰到的概念，因此

必須對的理解。

一、切削運動（表面成型運動）

切削加工是靠刀具和工件之間的相對運動來實現(xiàn)的。刀具和工件

之間的相對運動叫切削運動,它涉及主運動和進給運動。

1.主運動是切除工件表面多余材料的基本運動，在切削運動中通

常線速度最高，所消耗的功率也最多。例如車削時工件的旋轉(zhuǎn)運動；鉆

削時刀具的旋轉(zhuǎn)運動；刨削時工件與刀具的相對往復(fù)運動等都屬于主

運動。

2.選給運動是使工件未被切除的多余材料不斷被切除的運動，

又稱走刀運動。通過進給運動便可以切削出要加工的表面。進給運動

的速度一般遠遠小于主運動的速度。例如，車削外圓時車刀的縱向移

動；鉆孔時鉆頭的軸向移動；銃平面時工件的縱向移動；牛頭刨床刨削

時工件的橫向間歇移動等都屬于進給運動。

機床除上述運動外，其它運動均稱為輔助運動。如：進刀運動、

退刀運動、分度運動、工作臺的升降等。

二、切削要素

切削要素指切削用量和切削層幾何參數(shù)。切削加工時在工件上

形成三個表面:

待加工面，是工件上等待切除一層材料的表面；

已加工表面，是工件上經(jīng)切削后產(chǎn)生的表面；

加工面，正被刀具切削的表面，它是待加工面和已加工表面之間的

過渡面。

1、切削用量

切削用量涉及切削速度、進給量、與切削深度。要完畢切削，這三

者缺一不可，故又稱為切削用量三要素。

(1)切削速度匕指主運動的線速度,當主運動是旋轉(zhuǎn)運動時，

7iDn

匕=m/min

TOGO

式中匕一切削速度，m/min;

D-工件待加工表面直徑，mm;

n-工件轉(zhuǎn)速，r/min。

(2)進給量f(又稱為走刀量)指刀具在進給運動方向上相對

工件移動的距離?？捎玫毒呋蚬ぜ哭D(zhuǎn)或每行程的位移量來表達。例

如，車削時進給量為工件每轉(zhuǎn)刀具沿進給方向的位移量，單位mm/r,

刨削時進給量指工件或刀具每往復(fù)一次，兩者在進給方向的相對位移,

單位mm/str(毫米/每往復(fù)行程)

(3)切削深度指待加工表面與已加工表面的垂直距離。例如

車削外圓時切削深度是待加工表面與已加工表面的半徑差。

2、切削層幾何參數(shù)

切削層幾何參數(shù)涉及切削寬度、切削厚度和切削面積。它比進給

量、切削深度更能直觀地反映，切削刃單位長度負荷以及切削刃工作

長度的變化。如圖30-2所示。

(1)切削寬度-沿刀具主切削刃所量得的切削層尺寸，即切削

刃參與切削工作的長度，單位為mm。外圓縱車時：

式中K,一刀具主切削刃和工件軸線之間的夾角。

⑵切削厚度/刀具或工件每移動一個進給量/后，刀具主切

削刃相鄰兩個位置間的垂直距離，單位為mm。

ac=/sin/cr

(3)切削面積A切削層的橫截面面積，單位為mm?。

由以上公式可以看出，/,p決定A,.的大小。A,隨著K,的減小而增

大，而牝隨著冷的減小而減小.

第二節(jié)切削刀具

金屬切削刀具重要由刀頭和刀體組成，刀頭承擔(dān)切削任務(wù)，刀體用

來夾持刀頭。選擇合適的刀具對切削加工極為重要，選擇刀具重要考慮

材料和角度兩個因素。

一、刀具材料

1.對刀具材料的規(guī)定

(1)較高的硬度其硬度應(yīng)高于工件材料的硬度，常溫硬度在

HRC60以上。

(2)良好的耐磨性使刀具的工作時間延長，提高生產(chǎn)率。

(3)足夠的強度和韌性以保證對切削抗力、沖擊力與振動有足夠

的承受能力。

(4)高的耐熱性(又稱紅硬性)能在高溫下維持切削所需的硬

度、耐磨性、強度和韌性。

除上述基本切削性能外，還應(yīng)有良好的工藝性和導(dǎo)熱性。

2、刀具的常用材料

(1)合金工具鋼有較高的熱硬性，耐熱溫度在22O°C左右，切削

速度約在8~1Om/min之間，但價格低廉，常用來制造形狀復(fù)雜的低

速刀具，如鐵刀、絲錐和板牙等。

(2)高速工具鋼其高溫硬度、耐磨性都比合金工具鋼好，耐熱溫

度在560°C左右，其熱解決后的硬度可達成HRC63~66,切削速度可達3

Om/min左右。由于其熱解決性能好，有較高的強度和良好的刃磨性，

被廣泛用于制導(dǎo)致形車刀、銃刀、鉆頭和拉刀等各種機用刀具。目前

應(yīng)用最多的材料是W18Cr4Vo

(3)硬質(zhì)合金是由碳化鴇、碳化鈦和鉆等材料用粉末冶金方法

制成的合金。其硬度可達HRA89-92.5(相稱于HRC70-75),能耐

溫度達850°?1000°C,耐磨性很好。切削速度是高速鋼的470倍，但

抗彎強度僅為高速鋼的1/3,怕沖擊振動。通常是將硬質(zhì)合金刀片固定

在刀體上使用，目前硬質(zhì)合金已成為重要的刀具材料之一。

根據(jù)GB2075-87,切削用的硬質(zhì)合金按其排屑形式和加工對象

范圍。分為三類，分別以字母P、M、K表達。

P一適于加工長切屑的黑色金屬，以藍色作標志。

M—適于加工長切屑或短切屑的黑色金屬和有色金屬，以黃色作

K—適于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬合非金屬材料，以紅

色作標志。

P類的硬度、耐磨性較高，韌性較差。K類的韌性較高，硬度、耐

磨性略低。M類的綜合性能較好。表307列出了分組代號及應(yīng)用范圍，

供實際工作中參考。

每個類別的分組代號中，數(shù)字愈大，耐磨性愈低，而韌性愈高，

則進給量可選得大些，而切削速度應(yīng)選得小些。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，刀具材料不斷更新。出現(xiàn)了一些新的刀具材

料，如鉆高速鋼，粉末冶金高速鋼，鋼結(jié)硬質(zhì)合金。人造金剛石，立方氮

化硼(CBN)等。

二、刀具的幾何形狀

刀具的幾何形狀重要指切削部分的幾何形狀，涉及切削部分的組

成、輔助平面、切削部分的幾何角度等內(nèi)容。下面以普通外圓車刀為

例加以說明。其它刀具都可看作由車刀演化而來。

1、車刀切削部分的組成如圖30-4a所示

(1)前刀面一切屑流出時一方面接觸的表面。為使切屑卷曲、折斷，

切削塑性材料時，刀具的前刀面一般磨有斷屑槽，如圖30-4b所示。前

刀

面可為平面，也可為曲面。

(2)主后刀面切削時，刀具上與工件加工表面相對著的表面。

(3)副后刀面切削時，刀具上與工件已加工表面相對著的表

面。

(4)主切削刃前刀面與主后刀面的交線，它擔(dān)負著重要的切

削工作。

(5)副切削刃前刀面與副后刀面的交線，它只擔(dān)負少量的切削

工作。

(6)刀尖主切削刃和副切削刃的交點。為增強刀尖的強度和耐

磨性，刀尖經(jīng)常修磨成一段很小的直線或圓弧。

由上述可知，

車刀切削部分的組成，可以簡稱為“三面、兩刃、一尖”。此外，

刀具上還常磨有過渡刃、修光刃及負倒棱。

2、輔助平面。

為擬定車刀各刀面和刀刃的空間位置，度量車刀的幾何角度，引入

三個互相垂直的輔助平面作為基準面和測量面。

基面P通過切削刃選定點，并垂直于該點的切削速度方向的平

面。

切削平面Ps通過切削刃上選定點，與工件加工表面相切，且垂

直于該點基面的平面。

主剖面P0通過主切削刃上選定點，垂直于基面和切削平面的

平面，該平面是為了測量刀具的幾何角度。

副剖面P。'通過副切削刃上選定點，垂直于基面和切削平面的平

面。

切削刃上同一點的切削平面與基面垂直，構(gòu)成了擬定刀具幾何角

度的坐標平面系，如圖30-5所示。

3、車刀切削部分的幾何角度如圖30-6所示

建立主剖面參考系，在主剖面)上測得的角度：

0-0(Po

⑴前角九前刀面與基面的夾角。它反映前刀面的傾斜限度。

前角越大，刀具越鋒利，切削越輕快。但前角大會減少刀頭部分的強度，

切削過程中，容易崩刃。因此在保證刀頭強度的前提下，盡量選擇大一

些的前角。根據(jù)工件材料和刀具材料，通常為5°~20°。

(2)卮魚出主后刀面與切削平面的夾角。后角的重要作用是減

少刀具與加工表面的摩擦。但過大會減少刀頭強度，散熱變差。粗加

工等重要考慮強度場合，取較小后角為3°?6°,精加工等重要考慮減小

摩擦的場合，取較大的后角為6°~12°

(3)接魚為前刀面與主后刀面的夾角。

在基面上測量的角度：

(4)主偏角K.主切削刀在基面上的投影與進給方向之間的夾

角。它決定了主切削刀的工作長度、刀尖強度和徑向力。主偏角較小

時，切削寬度增長，切削厚度減薄，主切削刀的工作長度增長，刀具磨損

較小、耐用。但容易引越振動，增大徑向力，頂彎細長工件，影響加工

精度。一般30°~90°最常用的是45°。

(5)副偏角￡副切削刃在基面上的投影與進給相反方向之間的

夾角。它可以減少副切削刃與已加工表面間的摩擦。減小副偏角，可

使表面粗糙度Ra值減小，一般5°?15°。

(6)刀尖角一主、副切削刃在基面上投影的夾角。它反映了刀

尖的強度和散熱條件。

在切削平面內(nèi)測量的角度：

(7)刃傾角￡主切削刃與基面之間的夾角。它重要影響刀頭的

強度和排屑方向，改變刀頭的受力情況。粗加工時，為了提高刀頭的強

度常取負值；粗加工時，為了不使切屑劃傷已加工面取正值，如圖30-

7所示。一般為-5°?10°。

此外，在過副切削刃上選定點的副切削面內(nèi)，尚有副后角〃和副前

角或，其定義參考前角人和后角4的定義。

代第三節(jié)切削過程中的物理現(xiàn)象

在金屬的切削過程中，隨著著許多物理現(xiàn)象，如滯流、切削力、

切削熱、刀具磨損等。

一、切屑

1.切屑的形成

切屑是刀具擠壓工件使工件表面的一層金屬產(chǎn)生一系列的變形

而形成的。切削塑性材料時一般通過擠壓滑移、擠裂、切離四個階段

形成切屑。切削脆性材料時不通過滑移階段。

(1)擠壓階段刀具擠壓工件使接觸處的金屬產(chǎn)生彈性變形。

(2)滑移階段刀具擠壓工件并使金屬內(nèi)部的應(yīng)力達成材料的

屈服極限，發(fā)生塑性變形。

(3)擠裂階段刀具擠壓工件并使金屬內(nèi)部的應(yīng)力達成材料的強

度極限，產(chǎn)生裂痕而被擠裂。

(4)切離階段被擠裂的金屬脫離工件而形成切屑。

2.切屑的種類如圖30—8所示

(1)帶狀切屑切削較軟的塑性材料時，采用高的切削速度和

小的進給量時得到，或采用低的切削速度和，而車刀的前角較大時形成

帶狀切屑。

(2)節(jié)狀切屑在粗加工較硬的鋼材時，采用大的進給量和高

的切削速度，而刀具的前角較小時形成節(jié)狀切屑。

(3)粒狀切屑在加工脆性材料時形成粒狀切屑。

不同的切屑對工件和刀具的影響也不同，帶狀切屑的形成過程較

平穩(wěn)，工件的表面質(zhì)量較好，但易刮傷工件；粒狀切屑是斷續(xù)產(chǎn)生的，會

使刀具產(chǎn)生振動，減少工件的表面質(zhì)量，刀尖的沖擊較大，容易損壞刀

刃。

二、積屑瘤

切削塑性材料時，常在切削刃上粘附著一小塊很硬的金屬，其組

織性能與刀具、工件材料均不相同，這塊金屬稱為積屑瘤。在切削過程

中，前刀面、刀刃和切屑形成一個小楔形區(qū)，這里壓力大、溫度高。切

屑從刀具前刀面流出時切屑底層受前刀面摩擦，使流動速度減少，這層

金屬稱為滯流層。當摩擦阻力大到一定值，就會使切屑底層金屬的一

小部分粘結(jié)到刀具前刀面的切削刃處，形成了積屑瘤。硬度約為工件

硬度的1.5-2.5倍，粘附在切削刃上保護了切削刃，并增大了前角。

在粗加工時，這是有利的。但由于積屑瘤不穩(wěn)定，時隱時現(xiàn)，時小時大，

并容易粘到工件表面上，引起振動，使工件表面粗糙度加大。因此，精

加工時，應(yīng)避免產(chǎn)生積屑瘤。切削速度對積屑瘤影響較大，當切削速度

達成某一值附近，積屑瘤最大，切削速度進一步提高，積屑瘤則隨之

減小。因此，為避免積屑瘤的產(chǎn)生，可以采用較高或較底的切削速度；

使刀面的粗糙度較小或加切削液以減小摩擦系數(shù)；增大前角，減少進

給量以減小切削厚度等措施。

三、加工硬化

由于刀具的切削刃有一定的刃口圓弧半徑P（約為0.012?

0.032mm如圖3070所示，結(jié)果使工件的已加工面受到刀具的刃口圓

弧的推壓和后刀面的擠壓、摩擦作用，產(chǎn)生強烈的塑性變形，導(dǎo)致表面

的硬化。一般硬化層的硬度可達原工件的1—2倍，深度在0.02-0.0

3mmo這種再切削材料時，通過加工的表面硬度增長塑性下降的現(xiàn)象

稱加工硬化。

表面的加工硬化，常引起工件表面產(chǎn)生細小的裂紋，使工件疲勞

強度下降，表面粗糙度增長，使下道工序的加工增長困難。因此，常采用

增大刀具的前角，提高切削速度，使用切削液等措施，減少加工硬化。

四、切削力

切削時所產(chǎn)生的刀具與工件之互相作用的力叫切削力。

1、切削力的來源

切削時，被刀具擠壓的金屬層及切屑由于變形而產(chǎn)生抗力，該抗力

以正壓力幾的形式作用于刀具前刀面，是切削力的重要部分。組成切削

力的其他部分涉及切屑和前刀面的摩擦力；加工表面對后面的正壓

力匕,，和摩擦力Pfa；已加工表面對副后刀面的正壓力工：和摩擦力%

在這三對力中，正壓力均來源自工件及切屑的彈、塑性變形，摩擦力

則來自工件與刀具工件的相對運動。如圖30-11所示。三對力的合力

即為總切削力入，簡稱為切削力?？偳邢髁ψ饔糜诘毒呱系牟课缓头?/p>

向如圖30-12所示。

2、切削分力

為了設(shè)計計算中需要及便于測量，將總切削力,，分解成三個互相

垂直的分力儲、Fp、Fc0

(1)走力抗力戶/其方向與進給方向相反。車削外圓時為軸向分

力。它是機床給進機構(gòu)強度設(shè)計的原始數(shù)據(jù)。

(2)吃力抗力與其方向與吃刀方向相反。車削外圓時，為徑

向分力。其反作用力有將工件頂彎的趨勢，對細長軸工件將影響工件的

加工精度。增大主偏角，可以減少徑向力。

(3)主切削力工它垂直于基面，與切削速度方向一致。是最大的

分力。工所消耗的功率約占機床總功率的90%以上，是計算機床主傳動

系統(tǒng)零件強度、剛度，夾具夾緊力的重要依據(jù)。

由于刀具角度、切削用量的不同，%和乙相對于此的比值在一定

范圍內(nèi)變化。

Fp=(0.15~0.7)工；F尸(0.1?0.6)工

五、切削熱

切削時所消耗的功幾乎所有轉(zhuǎn)化為熱能。切削熱的重要來源有:

⑴內(nèi)摩擦熱在切削過程中，工件(在切削區(qū))和切屑的彈、塑性

變形產(chǎn)生的熱。

(2)外摩擦熱切屑與刀具前面、加工表面與刀具后面、已加工

表面與刀具副后面之間摩擦所產(chǎn)生的熱。

切削熱使工藝系統(tǒng)的溫度升高。使刀具硬度減少，導(dǎo)致刀具不久

摩損；還也許改變工件的金相組織；使工件膨脹變形，影響測量及加工

精度，對大尺寸，薄壁及細長工件影響更大。

可見，減少切削熱減少切削溫度對加工精度是十分重要的。一般

來說，所有減小切削力的辦法均可減少切削熱，但冷卻潤滑重有效。采

用充足合理的冷卻潤滑，除可減少摩擦而減少切削熱外，還可帶走大量

的切削熱，從而使工藝系統(tǒng)溫度明顯減少。

六、刀具耐用度

刀具使用一段時間后就會變鈍，必須重新刃磨后才干使用。我們

把兩次刃磨之間的實際切削時間稱刀具的耐用度，單為是分鐘。觀測磨

損刀具，根據(jù)刀具磨損部位的不同可分為后刀面磨損、前刀面磨損和前

后刀面磨損，

刀具的磨損是不可避免的。在初級磨損階段，刀具后面的不平處被

不久磨平，粗糙度減小。此后便進入了緩慢的正常磨損限度。刀具后

面磨損到一