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金属切削加工基础知识节选

1机械加工工艺系统

　　从机械制造的整个过程来看

机器的最基本组成单元为零件

也就是首先要制造出合格的零件

然后组装成部件

再由零、部件装配成机器

因此

制造出符合要求的各种零件是机械加工的主要目的

而机械加工中绝大部分材料是金属材料

故机械加工主要是对各种金属进行切削加工

　　零件的表面通常是几种简单表面如平面、圆柱面、圆锥面、球面、成形表面等的组合

而零件的表面是通过各种切削加工方法得到的

其中在金属切削机床上利用工件和刀具彼此间协调的相对运动切除被加工零件多余的材料

获得在形状、尺寸和表面质量都符合要求的这种加工方法称为金属切削加工

　　金属切削加工常作为零件的最终加工方法

它需要用金属切削刀具直接对零件进行加工

它们之间要有确定的相对运动和承受很大的切削力

通常需在金属切削机床上进行加工

零件和刀具需通过机床夹具和刀架与机床进行可靠的联接

带动它们做相对的运动

实现切削加工

这种由金属切削机床、刀具、夹具和工件构成的机械加工封闭系统称为机械加工工艺系统

其中金属切削机床是加工机械零件的工作机械

起支承和提供动力作用；刀具起直接对零件进行切削加工作用；机床夹具用来对零件定位和夹紧

使之有正确的加工位置

本章就围绕机械加工工艺系统四个组成部分进行分析

阐述机械零件加工的整个过程

2切削运动与切削用量

　　2.1切削运动

　　金属切削加工时

工件是机械加工过程中被加工对象的总称

任何一个工件都是经过由毛坯加工到成品的过程

在这个过程中

要使刀具对工件进行切削加工形成各种表面

必须使刀具与工件间产生相对运动

这种在金属切削加工中必须的相对运动称为切削运动

以车床加工外圆柱面为例

图2-1表示出了车削运动、切削层及工件上形成的表面

　　图2-1车削运动、切削层及工件上形成的表面

　　切削运动可分为主运动和进给运动两种

（1）主运动

　　主运动是切除工件上多余金属层

形成工件新表面所必需的运动

它是切削加工中最基本、最主要的运动

通常它的速度最高、消耗的机床功率最多

如车削加工、镗削加工时是工件的回转运动

铣削加工和钻削加工是刀具的回转运动

刨削加工是刨刀的直线运动

（2）进给运动

　　进给运动是把被切削金属层间断或连续投入切削的一种运动

与主运动相配合即可不断地切除金属层

获得所需的表面

进给运动的特点是速度小

消耗功率少

可由一个或多个运动组成

图2-1所示外圆车削中沿工件轴向的纵向进给运动是连续的

沿工件径向的横向进给运动

它是间断的

　　（3）切削层

　　切削层是指切削时刀具切削工件一个单行程所切除的工件材料层

图2-1所示

工件旋转一周回到原来的平面时

由于刀具纵向进给运动是连续的

刀具从位置Ⅰ移动到了位置Ⅱ

在两个位置间形成的工件材料层（图中ABCD区域）就是切削层

　　（4）切削过程中工件上形成的表面

　　工件在切削过程中形成了三个表面：

其中待加工表面是指工件上即将被切削掉的表面即图中外圆表面1；过渡表面是工件上切削刃正在切削的表面

如图中表面2；已加工表面是指工件上经切削加工后形成的表面

如图中外圆表面3

2.2切削用量

　　刀具与工件之间有了相对运动才可以进行切削加工

用来衡量切削运动大小的参数称为切削用量

切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）称为切削用量的三要素

只有合理地确定切削用量才能顺利地进行切削

（1）切削速度

　　刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度

单位为或

由于切削刃上各点的切削速度是不同的

计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度

外圆车刀车削外圆时的切削速度计算式为：

　　　　（2-2）

　　式中-工件待加工表面的直径（mm）

-工件的转速（）

（2）进给量

　　刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量称进给量

不同的加工方法

由于所用刀具和切削运动形式不同

进给量的表述和度量方法也不同

进给量的单位是（用于车削、镗削等）或行程（用于刨削、磨削等）

进给量表示进给运动的速度

进给运动速度还可以用进给速度（单位是）或每齿进给量（用于铣刀、铰刀等多刃刀具

单位是齿）表示

一般

　　　　（2-3）

　　式中-主运动的转速（）

-刀具齿数

　　（3）背吃刀量（切削深度）

　　在垂直于主运动方向和进给运动方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度

对于外圆车削

背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离

单位

即

　　　　（2-4）

　　式中-工件待加工表面的直径（）

-工件已加工表面的直径（）

3切削加工刀具的基本知识

　　金属切削过程中

直接完成切削工作的是刀具

而刀具能否胜任切削工作

主要由刀具切削部分的合理几何形状与刀具材料的物理、机械性能决定

3.1刀具切削部分的结构要素

　　切削刀具的种类很多

结构也多种多样

车刀、刨刀均属单刃刀具

而钻头、铣刀等为多刃刀具

虽然它们形状不同

但它们切削部分的结构要素及其几何形状都具有许多共同的特征

因此正确认识与理解单刃刀具是认识与理解多刃刀具的基础

　　如图3-1所示

车刀由刀体（夹持部分）与刀头（切削部分）组成

刀体用来将车刀夹持在车床刀架上

起支承和传力作用

刀头担负切削工作

车刀切削部分（又称刀头）由前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成

　　图3-1车刀的组成

　　其定义分别为：

（1）前刀面（前面）刀具上与切屑接触并相互作用的表面

（2）主后刀面（主后面）刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面

　　（3）副后刀面（副后面）刀具上与工件已加工表面相对并相互作用的表面

　　（4）主切削刃前刀面与主后刀面的交线

它完成主要的切削工作

　　（5）副切削刃前刀面与副后刀面的交线

它配合主切削刃完成切削工作

并最终形成已加工表面

　　图3-2刨刀、钻头、铣刀切削部分的形状

　　（6）刀尖

主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃

它可以是小的直线段或圆弧

　　由此可见

车刀主要由三个刀面、两条切削刃和一个刀尖组成

其它各类刀具

如刨刀、钻头、铣刀等

都可看作是车刀的演变和组合

如图3-2所示

刨刀切削部分的形状与车刀相同（图3-2a）；钻头可看作是两把一正一反并在一起同时车削孔壁的车刀

因而有两个主切削刃

两个副切削刃

还增加了一个横刃（图3-2b）；铣刀可看作由多把车刀组合而成的复合刀具

其每一个刀齿相当于一把车刀（图3-2c）

3.2刀具的几何角度

（1）刀具角度参考坐标系

　　刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数

要确定刀具的角度

必须先确定用于定义和规定刀具角度的各种基准坐标平面

组成各种参考坐标系

以外圆车刀为例在生产实践中最常用的坐标系是正交平面参考坐标系

如图3-3所示主要三个平面组成：

　　①基面过切削刃选定点

垂直于该点假定主运动方向的平面

用Pr表示

　　②切削平面过切削刃选定点

与切削刃相切

并垂直于刀具基面的平面

主切削平面用Ps表示

副切削平面用P's表示

　　③正交平面过切削刃选定点同时垂直于刀具基面和切削平面的平面

用Po表示

　　这三个平面两两相互垂直

称为正交

故此坐标系叫做正交平面参考坐标系

在图中

过主切削刃选定点和过副切削刃选定点都可以建立正交平面参考坐标系

它们的基面同为平行刀具底面的平面

　　图3-3正交平面参考坐标系

（2）刀具角度

　　建立了正交平面参考坐标系

刀具的各个刀面与坐标系平面之间就产生了交角

这样可以用它们来表示各个刀面的倾斜程度

从而改变刀具的锋利与强弱

设计、刃磨和测量刀具的几何形状

对外圆车刀来说

刀面主要有三个

每个刀面按一面两角分析法需要两个角度来确定其空间位置

因此总共需要六个角度来确定外圆车刀的几何形状

这六个角度称为外圆车刀的独立角度

如图3-4所示：

　　图3-4正交平面参考坐标系的刀具角度

　　刀具角度是制造和刃磨刀具所需要的

并在刀具设计图上予以标注的角度

以外圆车刀为例

角度定义为：

　　①前角在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角

前角表示前刀面的倾斜程度

前角越大刀具越锋利

根据前刀面与基面相对位置的不同

又分别规定为正前角、零度前角和副前角

　　②主后角在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角

主后角表示主后刀面的倾斜程度

一般为正值

　　③副后角在副切削刃的正交平面内测量的副后刀面与切削平面之间的夹角

副后角表示副后刀面的倾斜程度

一般为正值

　　④主偏角在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角

主偏角一般为正值

　　⑤副偏角在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角

副偏角一般为正值

　　⑥刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角

当刃倾角为正时

刀尖的强度较低

铁屑向刀架方向流出

适用于精加工类型刀具

3.3常用刀具材料

（1）刀具材料应具有的性能

　　金属切削过程中

刀具切削部分在高温下承受着很大切削力与剧烈摩擦

切削工作时

还伴随着冲击与振动

引起切削温度的波动

因此

刀具切削部分材料应具有良好的机械和物理化学性能

主要是：

　　①高硬度刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度

一般刀具材料在室温下都应具有60HRC以上的硬度

　　②高耐磨性刀具与工件之间有很大的相对运动速度

产生的摩擦很大

需要很高的耐磨性

一般来说材料硬度越高耐磨性越好

　　③足够的强度与韧性切削时刀具和工件间产生很大的切削力

同时又有较大的冲击力

故要求刀具材料要有足够的强度与韧性来保证刀具不产生破坏

　　④高的耐热性高耐热性是指在高温下仍能维持刀具切削性能的一种特性

通常用高温硬度值来衡量

也可用刀具切削时允许的耐热温度值来衡量

它是影响刀具材料切削性能的重要指标

耐热性越好的材料允许的切削速度越高

　　刀具材料还需有较好的工艺性与经济性

工具钢应有较好的热处理工艺性

淬火变形小

淬透层深、脱碳层浅；高硬度材料需有可磨削加工性；需焊接的材料

宜有较好的导热性与焊接工艺性

此外

在满足以上性能要求时

宜尽可能满足资源丰富、价格低廉的要求

　　选择刀具材料时

很难找到各方面的性能都是最佳的

因为材料性能之间有的是相互制约的

只能根据工艺需要保证主要需求的性能

如粗加工锻件毛坯

需保持有较高的强度与韧性

而加工硬材料需有较高的硬度等

　　　　　　　Metalmachiningknowledge

1Mechanicalprocessingsystem

Fromthewholeprocessofmechanicalmanufacturing

themostbasiccomponentsofmachinepart

alsoisthefirsttoproducequalifiedparts

andthenassembledintocomponents

againfromzero

partsassemblyintomachine

therefore

manufacturedtomeettherequirements