金屬切削原理基礎(chǔ)

第五篇切削加工

切削加工是用刀具從毛坯（或型材）上切除多余的材料，以便獲得形狀、尺寸、精度和表面質(zhì)量等都符合要求的零件的加工過(guò)程。切削加工可分為機(jī)械加工(簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)工)和鉗工兩部分。機(jī)工是通過(guò)工人操縱機(jī)床來(lái)完成切削加工的。鉗工一般是通過(guò)工人手持工具來(lái)進(jìn)行切削加工的。第一章金屬切削的基礎(chǔ)知識(shí)一、零件表面零件定義：機(jī)構(gòu)（或機(jī)器）的最小獨(dú)立加工的單元體，這些單元體稱(chēng)為零件?！?切削運(yùn)動(dòng)及切削用量常用的零件表面：零件表面的形成：

零件表面靠機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)形成。例如外圓表面可以在車(chē)床或磨床上靠工件的轉(zhuǎn)動(dòng)和刀具的運(yùn)動(dòng)形成。二、機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)

機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)有兩類(lèi)：主運(yùn)動(dòng)：切下切屑所需要的最基本的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：使刀具能繼續(xù)切下金屬層所需要的運(yùn)動(dòng)。

主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速最高，消耗功率最大。機(jī)床上主運(yùn)動(dòng)必須有。三、切削用量

在切削過(guò)程中主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的大小，由切削用量來(lái)控制的。切削用量的大小直接影響到零件的尺寸精度和表面粗糙度。1.切削速度vc

切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度稱(chēng)為切削速度，用vc表示，單位為m/s或m/min。切削速度的計(jì)算公式：⑴主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)（例如，車(chē)削、磨削、銑削）切削速度為其最大的線速度。vc式中：d----工件或刀具的直徑，mm；n----工件或刀具的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。⑵主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)（例如，刨削、拉削）切削速度為其往復(fù)行程的平均速度。vc式中：L----往復(fù)行程長(zhǎng)度，mm；nr----主運(yùn)動(dòng)每秒或每分鐘的往復(fù)次數(shù)，st/s或st/min。2.進(jìn)給量刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)工件的位移量稱(chēng)為進(jìn)給量。進(jìn)給量有兩種表示：⑴單齒刀具（車(chē)刀、刨刀）加工時(shí)，用每轉(zhuǎn)進(jìn)給量或每行程進(jìn)給量表示，記為f，單位為mm/r或mm/st。

⑵多齒刀具（銑刀、鉆頭）加工時(shí)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度稱(chēng)為進(jìn)給速度，用vf表示，單位為mm/s或mm/min。刀具每轉(zhuǎn)或每行程中每齒相對(duì)工件在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的位移量，稱(chēng)為每齒進(jìn)給量，用fz表示，單位為mm/z。3.背吃刀量ap

待加工表面與已加工表面之間的垂直距離，單位為mm。fz、f、vf之間的關(guān)系為：vf＝fn＝fzznmm/s或mm/min式中：n----刀具或工件轉(zhuǎn)速，r/s或r/min；z----刀具的齒數(shù)。式中：dw----工件待加工表面直徑，mm；dm----工件已加工表面直徑，mm?！?刀具材料及刀具構(gòu)造

一般刀具分為工作部分和夾持部分。一、刀具材料1.刀具材料的基本要求(1)高的硬度硬度必須高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上；

以下講解的刀具材料和刀具角度均指工作部分。(2)足夠的強(qiáng)度和韌性，以承受切削力、沖擊和振動(dòng)；

(3)較好的耐磨性，以抵抗切削過(guò)程中的磨損，維持一定的切削時(shí)間；

(4)較高的耐熱性即在高溫下仍能保持較高硬度的性能，又稱(chēng)為紅硬性或熱硬性；

(5)較好的工藝性，以便于制造各種刀具。刀具材料代表牌號(hào)基本性能硬度HRA耐熱性℃切削速度之比碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼T10A、T129SiCrW18Cr4V81~8381~83.582~87~200250~300540~6500.2~0.40.5~0.61硬質(zhì)合金YG8YT1589.5~9189.5~92800~900900~100066陶瓷91~941000~120012～14立方氮化硼961200～140012～14金剛石100700～80010~122.刀具材料簡(jiǎn)介高速鋼：常用牌號(hào)W18Cr4V，由于良好的加工工藝特性，是復(fù)雜刀具的最常用的材料。鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金(YG)：硬質(zhì)合金：國(guó)標(biāo)中有兩大類(lèi)最常用的牌號(hào)。YG3、YG6、YG8。3、6、8表示含鈷的百分量，數(shù)越大韌性越好。此類(lèi)硬質(zhì)合金適用于切削脆性材料，如鑄鐵。鎢鈷鈦類(lèi)硬質(zhì)合金（YT）：YT5、YT15、YT30。5、15、30表示含碳化鈦的百分量，數(shù)越小韌性越好。此類(lèi)硬質(zhì)合金適用于切削韌性材料，如鋼。陶瓷刀具材料（氧化鋁基的）聚晶立方氮化硼(PCBN)聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金剛石(PCD):二、刀具角度（以車(chē)刀為例）1.車(chē)刀切削部分的組成前刀面后刀面主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃刀尖二、刀具角度（以車(chē)刀為例）1.車(chē)刀切削部分的組成前刀面后刀面主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃刀尖二、刀具角度（以車(chē)刀為例）1.車(chē)刀切削部分的組成前刀面后刀面主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃刀尖二、刀具角度（以車(chē)刀為例）1.車(chē)刀切削部分的組成前刀面后刀面主后刀面副后刀面主切削刃副切削刃刀尖2.確定刀具角度的參考系（坐標(biāo)系）基面pr：過(guò)切削刃選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。主切削平面ps：過(guò)切削刃選定點(diǎn)，于切削刃相切，并垂直于基面的平面。正交平面po：過(guò)切削刃選定點(diǎn)，并同時(shí)垂直于基面和主切削平面的平面。3.刀具角度的標(biāo)注

刀具角度的五個(gè)基本角度分別在上述參考系的三個(gè)平面內(nèi)標(biāo)注。(1)在正交平面內(nèi)定義：a.前角γo前刀面與基面間的夾角。b.后角αo

后刀面與切削平面間的夾角。(2)在基面內(nèi)定義：c.主偏角κr主切削平面與進(jìn)給方向間的夾角。d.副偏角副切削平面與進(jìn)給方向間的夾角。(3)在主切削平面內(nèi)定義：d.刃傾角λs主切削刃與基面間的夾角。

綜合上述五個(gè)角度，一般刀具角度標(biāo)注圖如左圖所示。4.刀具角度的基本作用a.前角γo的基本作用

影響切削刃的鋒利程度和刀頭部分的強(qiáng)度，影響切削刃的受力情況。前角γo一般取-5°～25°。b.后角αo的基本作用

影響后刀面與工件表面之間的摩擦，αo小，摩擦大，αo大，摩擦?。涣硗夂颓敖且黄鹩绊懬邢魅械匿h利程度和強(qiáng)度。c.主偏角κr的基本作用

影響切削層截面的形狀和參數(shù)；

后角一般取值范圍在6°～15°。影響切削分力的變化；主偏角和副偏角一起影響已加工表面的粗糙度。主偏角常用的數(shù)值有：

45°、60°、75°、90°。d.副偏角的基本作用

和主偏角一起影響已加工表面的粗糙度；減小副后刀面與已加工表面間的摩擦。一般取值范圍在5°～15°。d.刃傾角λs的基本作用

影響排屑的方向；影響刀頭的強(qiáng)度。

刃傾角取值為：-5°～5°?！?金屬切削過(guò)程一、切削過(guò)程和切屑種類(lèi)1.切削過(guò)程(以刨削塑性材料為模型)§3金屬切削過(guò)程一、切削過(guò)程和切屑種類(lèi)1.切削過(guò)程(以刨削塑性材料為模型)

切削過(guò)程就是刀具擠壓工件的切削層，使切削層產(chǎn)生一系列的變形（彈性和塑性變形），直到切削層的材料被擠裂，沿刀具的前刀面流出成為切屑。

具體的講在切削時(shí)切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了三個(gè)變形區(qū)：第Ⅰ變形區(qū)；（在切削層內(nèi)）第Ⅱ變形區(qū)；（在前刀面上）第Ⅲ變形區(qū)。（已加工表面上）第Ⅰ變形區(qū)：被切削層從AO開(kāi)始發(fā)生塑性變形，到MO變形區(qū)塑性變形基本完成。切削脆性材料切削脆性材料第Ⅱ變形區(qū)：切屑沿前刀面排出時(shí)，切屑底部受前刀面的擠壓和摩擦發(fā)生進(jìn)一步塑性變形。第Ⅲ變形區(qū)：已加工表面受切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓、摩擦，造成塑性變形（加工硬化）。2.切屑種類(lèi)切塑性材料：(鋼、鋁）帶狀切屑節(jié)狀(擠裂)切屑

切削用量不同、材料的性能不同，等原因造成。切脆性材料：（鑄鐵）崩碎切屑。

以上的切屑種類(lèi)劃分只是一種基本的劃分。

在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)具體切削情況，需要更細(xì)的劃分。從右圖可以看到：

帶狀屑、C形卷屑、寶塔狀卷屑、長(zhǎng)緊卷屑、發(fā)條狀卷屑、螺卷屑、崩碎屑。

在切削塑性材料過(guò)程中，當(dāng)切削在一定的速度范圍內(nèi)，使得切屑流經(jīng)前刀面時(shí)。產(chǎn)生一定的1.積屑瘤的產(chǎn)生二、積屑瘤溫度和壓力，形成了局部焊接現(xiàn)象，當(dāng)切削連續(xù)進(jìn)行時(shí)，就會(huì)使焊接處切屑底部的部分金屬撕裂，粘結(jié)在切削刃附近，形成積屑瘤。

在切削過(guò)程中積屑瘤是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，它隨著切削的進(jìn)行不斷堆積長(zhǎng)高，到達(dá)一定高度會(huì)破裂，被切屑帶走或粘在已加工表面上。之一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到切削停止。2.積屑瘤的影響影響尺寸精度；影響工件表面粗糙度；增大前角；保護(hù)刀刃。

精加工中必須避免的。

粗加工中可以利用的。3.控制積屑瘤的措施

積屑瘤的產(chǎn)生的根本原因在于刀具和工件材料存在分子之間的親和，所以減小分子之間的親和作用的措施，都能避免或控制積屑瘤?！锊捎门c工件親和力小的刀具材料例如：切削鋁合金用金剛石刀具★加冷卻潤(rùn)滑液★控制切削速度（最常用的方法）

v<5m/min或v>80~100m/min不產(chǎn)生積屑瘤。積屑瘤高度

v＝20~40m/min最容易產(chǎn)生積屑瘤。因此，精加工時(shí)切削速度總是用低速或高速。切速三、切削力和切削功率

切削過(guò)程中總切削力是一個(gè)大小、方向都在不斷變化的力。為了方便分析研究切削力，把總切削力沿固定方向進(jìn)行分解，定義了三個(gè)切削分力。切削力Fc進(jìn)給力Ff背向力Fp四、切削熱和切削溫度切削熱：切削過(guò)程中切削區(qū)內(nèi)的變形和摩擦產(chǎn)生的熱量。

第Ⅰ變形區(qū)被切屑層的塑性變形產(chǎn)生大量的熱（熱量的主要來(lái)源）。1.熱量產(chǎn)生：第Ⅱ、Ⅲ變形區(qū)的塑性變形和刀具與工件、切屑摩擦產(chǎn)生熱量。2.熱量傳導(dǎo)和影響◆切屑吸收的熱量最多，傳導(dǎo)的熱量也最多?！艚橘|(zhì)吸收，根據(jù)介質(zhì)不同，吸收傳導(dǎo)的熱量的大小也不同?！艄ぜ盏臒崃看沃?，傳導(dǎo)的熱量也次之，但對(duì)工件的尺寸精度和變形影響很大。◆刀具吸收的熱量較少，傳導(dǎo)的熱量也較少，但對(duì)刀具的壽命影響很大。3.切削溫度及其影響因素切削溫度：是指切削區(qū)內(nèi)的平均溫度。

3.切削溫度及其影響因素切削溫度：是指切削區(qū)內(nèi)的平均溫度。①切削用量：

v影響最大，v↑→切溫↑↑；

f影響次之；

ap影響最小，(切削刃增加散熱條件改善)。②工件材料：強(qiáng)度、硬度↑→消耗功↑→切溫↑

③刀具角度：γo、κr對(duì)切削溫度影響較大。γo↑→塑變、摩擦↓→切溫↓

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