第十一章金属切削加工的基础知识Word下载.docx
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车削圆柱时：
式中
——待加工表面直径，
——已加工表面直径，
2、切削层尺寸平面要素（几何参数）切削层是指由切削部分只产生一圈过渡表面的动作所切除的工件材料层。
如图11-2车削加工切削要素所示。
车削过程中工件转过一转，车刀由位置Ⅰ移动到位置Ⅱ时，车刀所切下的一层金属即为切削层。
切削层的几何参数在垂直于切削速度的平面观察和度量（图中ABDD’阴影面积）。
（1）切削层公称厚度在同一瞬间的切削层横截面积与其公称切削层宽度之比。
用符号“
切削层公称厚度，代表了切削刃的工作负荷。
（2）切削层公称宽度指在切削层尺寸平面内，沿切削刃方向所测得的切削层尺寸。
如图车削加工切削要素所示。
用“
”表示，单位mm。
切削层公称宽度通常等于切削刃的工作长度。
（3）切削层公称横截面积在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面内的实际横截面积。
它等于切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积；
也等于切削深度与进给量的乘积。
即
当切削速度一定时，切削层公称横截面积代表了生产率。
第二节金属切削刀具
刀具由切削部分和刀柄部分组成。
切削部分（即刀头）直接参加切削工作，而刀柄用于把刀具装夹在机床上。
刀柄一般选用优质碳素结构钢制成，切削部分必须由专门的刀具材料制成。
为了切削工作得以顺利进行，刀具切削部分有严格的几何形状要求。
一、刀具材料
1、刀具切削部分材料的性能刀具工作时，其切削部分承受着冲击、振动，较高的压力和温度，剧烈的摩擦。
因此刀具材料应具备高硬度、高耐磨性，用来承受切削过程中的剧烈摩擦，减少磨损；
同时还要有足够的强度和韧性，以承受切削力和冲击载荷；
高的热硬性和良好的工艺性和经济性等。
2、常用刀具材料的性能及应用
常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷以及超硬材料等。
机械制造中应用最广的刀具材料有高速钢和硬质合金。
常用刀具材料的主要性能及用途见下表11-1。
表11-1常用刀具材料的主要性能及用途
二、车刀切削部分的几何参数
要使刀具能顺利地切削工件，刀具不但要有一定的性能，而且要有合理的几何形状。
刀具种类很多，形状各异，其中车刀是最基本的刀具。
其他刀具都可以看成是车刀的演变。
以外圆车刀为例介绍刀具几何形状。
如图11-3所示。
1、车刀切削部分的组成“三面、两刃、一尖”
（1）前面指刀具上切屑流过的表面，用“
”表示。
（2）主后面指刀具上同前面相交形成主切削刃的后面，用“
（3）副后面指刀具上同前面相交形成副切削刃的后面，用“
（4）主切削刃指前面与主后面的交线，用“S”表示。
（5）副切削刃指前面与副后面的交线，用“S’”表示。
（6）刀尖指主切削刃与副切削刃相交成一个尖角，它不是一个几何点，而是具有一定圆弧半径的刀尖。
2、车刀切削部分的主要角度为确定刀面和切削刃的空间位置，引入静止状态下的辅助平面。
如图11-4所示。
（1）基面指通过切削刃上选定点,垂直于切削速度方向的平面，用“
（2）主切削平面指通过切削刃上选定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面，用“
（3）正交平面通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，用“
（4）法平面通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面，用“
（5）假定工件平面通过切削刃选定点并垂直于基面，用“
（6）背平面通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面，用“
3、车刀的标注角度车刀切削部分的几何角度有七个，主要角度有五个,如图11-5所示。
（1）前角
前面与基面间的夹角。
前角的正负方向按图示规定表示，即刀具前刀面在基面之下时为正前角，刀具前刀面在基面之上时为负前角。
（2）后角
主后面与切削平面间的夹角。
（3）楔角
前面与主后面间的夹角。
它们都在正交平面中测量。
（4）主偏角
进给运动方向主切削刃在基面上投影的夹角。
（5）副偏角
副切削刃与进给运动反方向在基面上投影的夹角。
（6）刃尖角
主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角。
，它们都在基面中测量。
（7）刃倾角
主切削刃与基面主切削平面投影的夹角。
4、车刀几何角度的功用及影响
1、前角削时，切削是沿着刀具的前面流出的。
增大前角，则刀刃锋利，切屑变形小，切削力小，使切削轻快，切削热也小。
但前角太大，使楔角减小，则刀刃强度降低。
硬质合金车刀的前角一般取-5°
～＋25°
2、后角后角能减少刀具与工件的磨擦。
增大后角，可减小刀具主后面与工件间的摩擦，但后角大大，刀刃强度降低。
粗加工时一般取6°
～8°
，精加工时可取10°
～12°
3、主偏角增大主偏角，可使进给力加大，背向力减小，有利于消除振动，但刀具磨损加快，散热条件差。
主偏角一般在45°
～90°
之间选取。
4、副偏角增大副偏角可减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，改善散热条件，但表面粗糙度数值增大。
副偏角一般在5°
～＋10°
5、刃倾角刃倾角主要影响切屑流向和刀体强度。
刃倾角一般在-5°
之间。
第三节金属切削过程中的物理现象
金属切削过程中存在的切削力、切削热和刀具磨损等各种物理现象，是由金属变形和摩擦引起的。
研究金属切削过程中的物理现象，对加工质量、生产率和生产成本都有其重要意义。
一、金属切削过程的实质
塑性金属的切削过程是一个挤压变形切离过程，经历了弹性变形、塑性变形、挤裂和切离四个阶段。
二、切削的形成和种类
1、切屑的形成切屑的形成是被切削的金属主要经历剪切滑移变形而形成切屑。
切削塑性材料时，工件受到刀具挤压，在接触处产生弹性变形。
随着刀具继续切人，应力逐渐增大。
达到材料的屈服点时，开始产生滑移即塑性变形。
如图11-6所示。
随着刀具连续切人，若切应力超过材料的强度极限时，材料被挤裂。
越过OE面后切削层脱离工件，沿着前刀面流出而形成切屑。
2、切屑的种类切削时，由于被加工材料性能与切削条件的不同，切削层金属将产生不同程度的变形，从而形成不同类型的切屑。
常见的切屑有以下三种：
带状切屑、节状切屑、崩碎切屑。
如图11-7所示。
（1）带状切屑外形连绵不断，与前刀面接触的面很光滑，背面呈毛茸状。
用较大前角、较高的切削速度和较小的进给量切削塑性材料时，容易得到带状切屑。
形成带状切屑时，切削过程较平稳，切削力波动较小，加工表面较光洁。
但切屑连续不断，易缠绕在刀具和工件上，且不利于切屑的清除和运输。
生产上常采用在车刀上磨断屑槽等方法断屑。
（2）节状切屑切屑的背面呈锯齿形，底面有时出现裂纹。
用较低的切削速度和较大的进给量切削中等硬度的钢件时，容易得到节状切屑。
形成节状切屑是典型的金属切削过程。
切削力波动较大，切削过程不平稳，工件表面较粗糙。
（3）崩碎切屑切削呈不规则的碎块状屑片。
切削铸铁等脆性材料时，切削层产生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩碎，形成崩碎切屑。
产生崩碎切屑过程中，切削热和切削力都集中在主切削刀和刀尖附近，刀尖易磨损，切削过程不平稳，影响表面质量。
切屑形状随切削条件不同而变化。
加大前角、提高切削速度或减小进给量可将节状切屑转变成带状切屑。
生产上常根据具体情况采取不同措施，以得到所需形状的切屑，保证切削顺利进行。
三、积屑瘤现象
1、积屑瘤的形成切削塑性材料时，由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，使切屑底层的流动速度低于上层的流动速度，形成滞流层。
当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间结合力时，滞流层的部分新鲜金属就会粘附在刀刃附近，形成楔形的积屑瘤。
如图11-8所示。
2、积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤经过强烈的塑性变形而被强化，其硬度远高于被切金属的硬度，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃和减少刀具磨损的作用。
积屑瘤的产生增大了刀具的工作前角，易使切屑变形和减小切削力。
所以，粗加工时产生积屑瘤有一定好处。
但是积屑瘤是不稳定的，它时大时小，时有时无，影响尺寸精度，引起振动。
积屑瘤还会在已加工表面刻划出不均匀的沟痕，并有一些积屑瘤碎片粘附在已加工表面上，影响到表面粗糙度。
所以精加工时应避免产生积屑瘤。
四、切削力
1、切削力的来源、合力和分力切削力是切削刀具对工件的作用力。
其大小影响切削热的多少，并进而影响刀具的磨损和寿命以及工件加工精度和表面质量。
切削力来源于两个方面：
一是三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；
二是切屑、工件与刀具间的摩擦力。
这两个方面的合力即为总切削力（F），如图11-9所示。
为了便于分析切削力和测量、计算切削力的大小，通常将合力分解成三个相互垂直的分力：
切削力
总切削力在主运动方向上的正投影，旧称垂直切削分力Fv。
切削力的大小约占总切削力的90％以上。
它是计算机床动力、设计主传动系统的零件、夹具强度和刚度的主要依据；
也是计算刀柄、刀体强度和选择切削用量的依据。
背向力
总切削力在垂直于工作平面上的分力。
背向力对工件的加工精度影响最大。
对于刚度差的细长轴类工件，采用双顶尖装夹时，加工后工件易呈鼓形（见图11-10）；
使用三爪自定心卡盘装夹时，加工后工件易呈喇叭形（见图11-10）。
进给力总切削力在进给运动方向上的分力（正投影）。
进给力的存在，影响零件的几何精度。
例如车端面时，表面呈现凹心或凸肚状态。
在切削过程中，切削力能使工件、机床、刀具与夹具变形，影响加工精度。
2、影响切削力大小的因素
影响切削力大小的因素很多，影响较大的是工件材料、切削用量和刀具角度。
（1）材料的强度、硬度越高，则变形抗力越大，切削力也越大。
（2）切削用量增大，将导致切削力的增大。
（3）刀具的前角增大、刃口锋利，都使切削力减小。
五、切削热
切削热和由此产生的切削温度是切削过程中的又一重要物理现象，它们直接影响着刀具的磨损和耐用度，并影响工件加工精度和表面质量。
1、切削热的产生金属切削过程中所消耗的功，绝大部分在切削刃附近转化为热，称为切削热。
它主要来自三个方面：
被切削金属的变形、切屑与前刀面的摩擦和工件与刀具后面的摩擦。
2、切削热的传出切削热通过切屑、工件、刀具以及周围介质传散。
在一般干切削的条件下，大部分切削热由切屑带走，其次为工件和刀具，介质传出热量最少。
3、切削温度切削区域的平均温度。
切削热对切削加工十分不利，它使工件温度升高，产生热变形，影响加工精度；
使刀具温度升高，加剧刀具磨损。
4、减少切削热，降低切削温度的措施增大刀具前角，减小主偏角；
优先采用大的背吃刀量和进给量，再确定合理的切削速度；
使用切削液都能减少和带走切削热，降低切削温度。
六、刀具磨损与刀具使用寿命
在切削过程中，刀具在高压、高温和强烈摩擦条件下工作，切削刃由锋利逐渐变钝以致失去正常切削能力。
刀具磨损超过允许值后，须及时刃磨。
1、刀具的磨损形式刀具正常磨损时，按磨损部位不同，可分为主后面磨损、前刀面磨损、前刀面和主后面同时磨损三种形式。
如图11-11所示。
（1）主后面磨损切削脆性材料或以较低的切削速度和较小的切削层公称厚度切削塑性材料时，前刀面上的压力和摩擦力不大，温度较低，这时磨损主要发生在主后面上。
磨损程度用平均磨损高度VB表示。
（2）前刀面磨损以较高的切削速度和较大的切削层公称厚度切削塑性材料时，切屑对前刀面的压力大，摩擦剧烈，温度高。
在前刀面切削刃附近出现月牙洼，月牙洼扩大到一定程度，刀具就会崩刃。
前刀面磨损程度用月牙洼最大深度KT表示。
（3）前刀面、主后面同时磨损以中等切削速度和中等切削层公称厚度切削塑性材料时，常会发生这种磨损
2、刀具的耐用度刀具两次刃磨之间实际切削的时间，称为刀具的耐用度。
实际生产中，常规定刀具的使用时间当作耐用度，例如：
硬质合金车刀，耐用度大致为60－90min；
钻头的耐用度大致为80－120min；
硬质合金端铣刀的耐用度大致为90－180min；
齿轮刀具的耐用度大致为200－300min。
有经验的操作者常根据切削过程中出现的异常现象，来判断刀具是否已经磨钝。
例如切屑变色发毛、切削力突然增大、振动与噪声以及表面粗糙度值显著增大等。
3、影响刀具耐用度的因素主要有工件和刀具材料、刀具角度、切削用量以及是否使用切削液等。
刀具耐用度的选择与生产率、成本有直接关系。
选择高的刀具耐用度，会限制切削速度，这就影响到生产率；
若选择过低的耐用度，则会增加磨刀次数，增加辅助时间和刀具材料消耗，仍然影响到生产率和成本。
所以应根据切削条件选用合理的刀具耐用度。
刀具耐用度与刀具重磨次数的乘积称为刀具寿命。
第四节关于提高切削加工质量和切削效率的问题
一、工件材料的切削加工性
1、工件材料的切削加工性及其评定切削加工性是指材料被切削加工的难易程度。
它具有一定的相对性，在不同的条件下，切削加工性要用不同的指标来衡量。
生产上常用的评价指标如下几种。
（1）一定刀具耐用度下的切削速度
其含义是当耐用度为T（min）时，切削某种材料所允许的最大切削速度。
越高，材料的切削加工性越好。
（2）相对加工性以切削正火状态45钢的
（通常取T=60min）作基准，而把其他各种材料的
与其相比，其比值
称为相对加工性。
凡
>
1的材料，其加工性比45钢好，反之较差。
也反映了不同材料对刀具磨损和刀具耐用度的影响。
和
是最常用的切削加工性指标，对各种切削条件都适用。
（3）已加工表面质量容易获得好的表面质量的材料其切削加工性较好；
反之较差。
精加工时，常用此项指标来衡量切削加工性好坏。
（4）切屑控制或断屑的难易容易控制或易于断屑的材料，其切削加工性好；
在自动机床或自动线上加工时，常用此项指标来衡量。
（5）切削力的大小在相同的切削条件下，凡切削力小的材料，其切削加工性好；
在粗加工时，当机床刚度或动力不足时，常用此项指标来衡量。
2、影响材料切削加工性的主要因素及综合分析
上述各种指标，从不同的侧面反映了材料的切削加工性能。
而材料的切削加工性能与其本身的物理、化学、力学性能有着密切的关系。
影响材料切削加工性能的主要因素有：
（1）工件材料的性能材料的强度和硬度高，则切削力大、刀具易磨损，切削加工性差；
材料塑性高，则不易断屑，影响表面质量，切削加工性差；
材料的热导性差，切削热不易传散，切削温度高，故切削加工性差。
（2）工件材料的化学成分及组织结构低碳钢塑性、韧性高，高碳钢强度、硬度高，都对切削加工不利；
中碳钢的性能指标适中，有较好的切削加工性能；
硫、铅等元素能改善切削加工性，常用来制造易切削钢；
含铝、硅、钛等元素的钢，形成硬的金属化合物,加剧具磨损，切削性能变差；
锰、磷、氮等元素可改善低碳钢切削加工性能，但使高碳钢、高合金钢切削性能变差；
网状碳化物对刀具磨损严重；
粒状或球状碳化物对刀具磨损较小。
3、改善工件材料切削加工性能的基本措施
1．调整材料的化学成分
除了金属材料中的含碳量外，材料中加入锰、铬、钼、硫、磷、铅等元素时，都将不同程度地影响材料的硬度、强度、韧性等，进而影响材料的切削加工性。
在材料中，如加入硫、铅、磷等元素组成易切削钢，即能改善材料的切削加工性。
2.进行适当的热处理
可以将硬度较高的高碳钢、工具钢等材料进行退火处理，以降低硬度；
低碳钢可以通过正火，降低材料的塑性，提高其硬度；
中碳钢通过调质，使材料硬度均匀。
这些方法都可以达到改善材料切削加工性的目的。
3.选择良好的材料状态
低碳钢塑性大，加工性不好，但经过冷拔之后，塑性降低，加工性好；
锻件毛坯由于余量不均匀，且不可避免有硬皮，若改用热轧钢，则加工性可得到改善。
二、已加工表面质量
工件已加工表面质量，是指工件表面粗糙度、表面层加工硬化程度和表面层残余应力的性质及大小等三个方面的问题。
它们直接影响到工件的耐磨性、耐蚀性、疲劳强度和配合性质，从而影响到工件的使用寿命和工作性能。
1、表面粗糙度影响已加工表面粗糙度的因素主要有以下几个：
（1）理论残留面积高度由于刀具几何形状和切削运动的原因，刀具不能将加工余量全部切除，残存在工件已加工表面上的部分，称为残留面积。
减小进给量、主偏角和副偏角，增加刀尖圆弧半径等，都可使残留面积高度减小，从而减少表面粗糙度。
（2）积屑瘤参见本章第三节。
（3）鳞刺在较低的切削速度下切削塑性金属时，工件已加工表面往往会出现鳞片状的毛刺，这就是鳞刺。
鳞刺是已加工表面的严重缺陷，它使工件表面粗糙度大大增加。
加工时，采用较大的刀具前角，减小切削厚度，增加切削速度，选用润滑性能较好的切削液等均可有效地降低鳞刺的高度，或避免鳞刺的生成。
（4）切削振动切削过程中的振动会改变切削刃与工件的相对位置，在工件已加工表面形成切削振纹，使表面粗糙度明显增大。
产生切削振动的主要原因有：
工艺系统刚性不足、机床回转部分的离心力、断续切削时的冲击、工件加工余量不均匀及径向切削分力较大等。
2、表面加工硬化切削加工时，由于刀具刃口不是绝对锋利，因此切削层内0点以下的金属（如图11-12所示）并未与母体分离，成为已加工表面的一部分。
并受到刀具刃口圆弧的挤压而产生剧烈的塑性变形。
另外，刀具后面对已加工表面的挤压、摩擦，也引起局部塑性变形。
这些塑性变形导致已加工表面产生加工硬化现象。
加工硬化还常常伴随着细微的表面裂纹和残余应力，使表面粗糙度值增加，疲劳强度下降。
使下道工序切削困难。
工件材料塑性越好，加工硬化现象越严重。
精加工时减少已加工表面的加工硬化程度，有利于提高零件的抗疲劳强度和已加工表面的质量。
生产上常采用高速切削、施加切削液、保持刀刃的锋利等，以减少已加工表面的加工硬化程度。
3、表面残余应力由于切削过程中表层金属的塑性变形和切削温度的作用，工件经切削加工后，在已加工表面会产生残余应力。
其主要原因是：
切削过程中刀具对工件的挤压而产生的弹塑性变形，热应力引起的塑性变形和切削温度引起的相变所形成的体积变化等综合作用的结果。
工件表面残余应力分为残余拉应力和残余压应力。
残余拉应力容易使工件表面产生裂纹，降低工件的疲劳强度；
残余压应力可阻止表面裂纹的产生和发展，有利于提高工件的疲劳强度。
工件各部分的残余应力如果分布不均匀，就会使工件加工后产生变形，从而影响工件的形状和尺寸精度。
三、切削液
1、切削液的作用在切削加工中，合理使用切削液，可以改善切屑、工件与刀具间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，延长刀具使用寿命，并能减小工件热变形，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，从而提高加工精度和减小已加工表面粗糙度。
所以，对切削液的研究和应用应当予以重视。
2、常用切削液的种类和选用
（1）水溶液水溶液的主要成分是水，它的冷却性能好，若配成液呈透明状，则便于操作者观察。
但是单纯的水容易使金属生锈，且润滑性能欠佳。
因此，经常在水溶液中加入一定的添加剂，使其既能保持冷却性能又有良好的防锈性能和一定的润滑性能。
一般多用于普通磨削和其他精加工。
（2）乳化液乳化液是将乳化油（由矿物油、乳化剂及添加剂配成），用95—98％水稀释后即成为乳白色或半透明状的乳化液。
它具有良好的冷却作用，但因为含水量大，所以润滑、防锈性能均较差。
为了提高其润滑性能和防锈性能，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。
低浓度的冷却效果好，主要用于磨削、粗车、钻孔等加工；
高浓度的润滑效果较好，主要用于精车、攻丝、铰孔、插齿等加工。
（3）切削油切削油的主要成分是矿物油（如机械油、轻柴油、煤油等），少数采用动植物油或复合油。
纯矿物油不能在摩擦界面上形成坚固的润滑膜，润滑效果一般。
在实际使用中常常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂以提高其润滑和防锈性能。
动植物油有良好的“油性”，适于低速精加工，但是它们容易变质，因此最好不用或少用，而应尽量采用其他代用品，如含硫、氯等极压添加剂的矿物油。
四、刀具几何角度的合理选择
1、前角的功用和选择前角是刀具最重要的角度之一，其主要作用有：
（1）影响切削区域的变形程度若增大刀具前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热和功率。
（2）影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件增大刀具前角，会使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；
过份加大前角，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。
这些都是增大前角的不利方面。
（3）影响切屑形态和断屑效果若减小前角，可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。
（4）影响已加工表面质量：
前角与表面质量的关系，本节前面已做过论述。
值得法意的是，前角大小同切削过程中的振动现象有关，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大。
选择前角的原则：
（1）工件材料的强度、硬度低，可以取较大的甚至很大的前角；
工件材料强度、硬度高，应取较小的前角；
加工特别硬的工件（如淬硬钢）时，前角很小甚至取负值。
（2）加工塑性材料时，尤其是冷加工硬化严重的材料，应取较大的前角；
加工脆性材料时，可取较小的前角。
（3）粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保证刀具有足够的强度，应适当减小前角；
但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的数值。
（4）成形刀具和前角影响刀刃形状的其它刀具，为防止刃形畸变，常取较小的前角，甚至取
，但这些刀具的切削条件不好，应在保证切削刃成形精度的前提下，设法增大前角，例如有增大前角的螺纹车刀和齿轮滚刀等。
（5）刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具，允许选用较大的前角（约可增大5—10º
）。
（6）工艺系统刚
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