切削加工的基础知识.docx

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切削加工的基础知识

第14章切削加工的基础知识

切削加工是利用切削刀具从毛坯上切除多余的材料，以获得所需的形状、尺寸精度和表面粗糙度加工方法。

切削加工在工业生产中占有非常重要的地位，除了少数零件可以用铸造和锻造获得外，大部分的零件都要经过切削加工。

统计表明，金属切削加工的工作量占机器制造总工作量的40％～60％。

金属切削加工与其他的加工方法相比主要有如下的优点：

1、切削加工可获得相当高的尺寸精度和很小的表面粗糙度磨削外圆精度最高可高达IT5～IT7级,粗糙度Ra=0.1～0.8μm,镜面磨削的粗糙度甚至可达0.006μm,而最精密的压力铸造只能达到IT9～IT10,R=1.6～3.2μm。

.

2.切削加工几乎不受零件的材料、尺寸和重量的限制

目前尚未发现不能切削加工的金属材料.实际上,包括橡胶、塑料、木材这些非金属材料在内，也都可进行切削加工，这是任何其它冷热加工方法都无法做到的.金属切削加工的尺寸可小至不到0.1mm,大至几十米,重达几百吨.

金属切削加工可分为钳工和机械加工。

钳工的内容在金工实习中介绍，本章只介绍机械加工的内容，机械加工是通过操纵机床对工件进行切削加工，其生产效率高，加工质量好，是现代金属加工的主要方式。

第一节切削加工的基本概念

切削运动和切削要素在切削过程中是两个经常遇到的概念，因此必须正确理解。

一、切削运动（表面成型运动）

切削加工是靠刀具和工件之间的相对运动来实现的。

刀具和工件之间的相对运动叫切削运动，它包括主运动和进给运动。

1．主运动是切除工件表面多余材料的基本运动，在切削运动中通常线速度最高，所消耗的功率也最多。

例如车削时工件的旋转运动；钻削时刀具的旋转运动；刨削时工件与刀具的相对往复运动等都属于主运动。

2．进给运动是使工件未被切除的多余材料不断被切除的运动，又称走刀运动。

通过进给运动便可以切削出要加工的表面。

进给运动的速度一般远远小于主运动的速度。

例如，车削外圆时车刀的纵向移动；钻孔时钻头的轴向移动；铣平面时工件的纵向移动；牛头刨床刨削时工件的横向间歇移动等都属于进给运动。

机床除上述运动外，其它运动均称为辅助运动。

如：

进刀运动、退刀运动、分度运动、工作台的升降等。

二、切削要素

切削要素指切削用量和切削层几何参数。

切削加工时在工件上形成三个表面：

待加工面，是工件上等待切除一层材料的表面；

已加工表面，是工件上经切削后产生的表面；

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间的过渡面。

1、切削用量

切削用量包括切削速度、进给量、与切削深度。

要完成切削，这三者缺一不可，故又称为切削用量三要素。

（1）切削速度

指主运动的线速度，当主运动是旋转运动时，

式中

－切削速度，m/min；

D-工件待加工表面直径，mm；

n-工件转速，r/min。

（2）进给量f（又称为走刀量）指刀具在进给运动方向上相对工件移动的距离。

可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表示。

例如，车削时进给量为工件每转刀具沿进给方向的位移量，单位mm/r,刨削时进给量指工件或刀具每往复一次，两者在进给方向的相对位移，单位mm/str（毫米/每往复行程）

（3）切削深度ap指待加工表面与已加工表面的垂直距离。

例如车削外圆时切削深度是待加工表面与已加工表面的半径差。

2、切削层几何参数

切削层几何参数包括切削宽度、切削厚度和切削面积。

它比进给量、切削深度更能直观地反映，切削刃单位长度负荷以及切削刃工作长度的变化。

如图30-2所示。

（1）切削宽度

沿刀具主切削刃所量得的切削层尺寸，即切削刃参与切削工作的长度，单位为mm。

外圆纵车时：

式中

—刀具主切削刃和工件轴线之间的夹角。

（2）切削厚度

刀具或工件每移动一个进给量

后，刀具主切削刃相邻两个位置间的垂直距离，单位为mm。

（3）切削面积

切削层的横截面面积，单位为mm2。

由以上公式可以看出，

决定

的大小。

随着

的减小而增大，而

随着

的减小而减小.

第二节切削刀具

金属切削刀具主要由刀头和刀体组成，刀头承担切削任务，刀体用来夹持刀头。

选择合适的刀具对切削加工极为重要，选择刀具主要考虑材料和角度两个因素。

一、刀具材料

1．对刀具材料的要求

（1）较高的硬度其硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度在HRC60以上。

（2）良好的耐磨性使刀具的工作时间延长，提高生产率。

（3）足够的强度和韧性以保证对切削抗力、冲击力与振动有足够的承受能力。

（4）高的耐热性（又称红硬性）能在高温下维持切削所需的硬度、耐磨性、强度和韧性。

除上述基本切削性能外，还应有良好的工艺性和导热性。

2、刀具的常用材料

（1）合金工具钢有较高的热硬性，耐热温度在2200C左右，切削速度约在8～10m/min之间，但价格低廉，常用来制造形状复杂的低速刀具，如铰刀、丝锥和板牙等。

（2）高速工具钢其高温硬度、耐磨性都比合金工具钢好，耐热温度在5600C左右，其热处理后的硬度可达到HRC63～66，切削速度可达30m/min左右。

由于其热处理性能好，有较高的强度和良好的刃磨性，被广泛用于制造成形车刀、铣刀、钻头和拉刀等各种机用刀具。

目前应用最多的材料是W18Cr4V。

（3）硬质合金是由碳化钨、碳化钛和钴等材料用粉末冶金方法制成的合金。

其硬度可达HRA89-92.5（相当于HRC70-75），能耐温度达8500～10000C，耐磨性很好。

切削速度是高速钢的4-10倍，但抗弯强度仅为高速钢的1/3，怕冲击振动。

通常是将硬质合金刀片固定在刀体上使用，目前硬质合金已成为主要的刀具材料之一。

根据GB2075-87，切削用的硬质合金按其排屑形式和加工对象范围。

分为三类，分别以字母P、M、K表示。

P--适于加工长切屑的黑色金属，以蓝色作标志。

M--适于加工长切屑或短切屑的黑色金属和有色金属，以黄色作标志。

K--适于加工短切屑的黑色金属、有色金属合非金属材料，以红色作标志。

P类的硬度、耐磨性较高，韧性较差。

K类的韧性较高，硬度、耐磨性略低。

M类的综合性能较好。

表30-1列出了分组代号及应用范围，供实际工作中参考。

每个类别的分组代号中，数字愈大，耐磨性愈低，而韧性愈高，则进给量可选得大些，而切削速度应选得小些。

随着科学技术的发展，刀具材料不断更新。

出现了一些新的刀具材料，如钴高速钢，粉末冶金高速钢，钢结硬质合金。

人造金刚石，立方氮化硼（CBN）等。

二、刀具的几何形状

刀具的几何形状主要指切削部分的几何形状，包括切削部分的组成、辅助平面、切削部分的几何角度等内容。

下面以普通外圆车刀为例加以说明。

其它刀具都可看作由车刀演化而来。

1、车刀切削部分的组成如图30－4a所示

（1）前刀面－切屑流出时首先接触的表面。

为使切屑卷曲、折断，切削塑性材料时，刀具的前刀面一般磨有断屑槽，如图30-4b所示。

前刀

面可为平面，也可为曲面。

（2）主后刀面切削时，刀具上与工件加工表面相对着的表面。

（3）副后刀面切削时，刀具上与工件已加工表面相对着的表面。

（4）主切削刃前刀面与主后刀面的交线，它担负着主要的切削工作。

（5）副切削刃前刀面与副后刀面的交线，它只担负少量的切削工作。

（6）刀尖主切削刃和副切削刃的交点。

为增强刀尖的强度和耐磨性，刀尖常常修磨成一段很小的直线或圆弧。

由上述可知，

车刀切削部分的组成，可以简称为“三面、两刃、一尖”。

此外，刀具上还常磨有过渡刃、修光刃及负倒棱。

2、辅助平面。

为确定车刀各刀面和刀刃的空间位置，度量车刀的几何角度，引入三个互相垂直的辅助平面作为基准面和测量面。

基面P通过切削刃选定点，并垂直于该点的切削速度方向的平面。

切削平面Ps通过切削刃上选定点，与工件加工表面相切，且垂直于该点基面的平面。

主剖面P0通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面，该平面是为了测量刀具的几何角度。

副剖面P0`通过副切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。

切削刃上同一点的切削平面与基面垂直，构成了确定刀具几何角度的坐标平面系，如图30-5所示。

3、车刀切削部分的几何角度如图30-6所示

建立主剖面参考系，在主剖面0-0（P。

）上测得的角度：

（1）前角

前刀面与基面的夹角。

它反映前刀面的倾斜程度。

前角越大，刀具越锋利，切削越轻快。

但前角大会降低刀头部分的强度，切削过程中，容易崩刃。

因此在保证刀头强度的前提下，尽量选择大一些的前角。

根据工件材料和刀具材料，通常为50～200。

（2）后角

主后刀面与切削平面的夹角。

后角的主要作用是减少刀具与加工表面的摩擦。

但过大会降低刀头强度，散热变差。

粗加工等主要考虑强度场合，取较小后角为30～60，精加工等主要考虑减小摩擦的场合，取较大的后角为60～120

（3）楔角

前刀面与主后刀面的夹角。

在基面上测量的角度：

（4）主偏角

主切削刀在基面上的投影与进给方向之间的夹角。

它决定了主切削刀的工作长度、刀尖强度和径向力。

主偏角较小时，切削宽度增加，切削厚度减薄，主切削刀的工作长度增加，刀具磨损较小、耐用。

但容易引越振动，增大径向力，顶弯细长工件，影响加工精度。

一般300～900最常用的是450。

（5）副偏角

副切削刃在基面上的投影与进给相反方向之间的夹角。

它可以减少副切削刃与已加工表面间的摩擦。

减小副偏角，可使表面粗糙度Ra值减小，一般50～150。

（6）刀尖角

主、副切削刃在基面上投影的夹角。

它反映了刀尖的强度和散热条件。

在切削平面内测量的角度：

（7）刃倾角

主切削刃与基面之间的夹角。

它主要影响刀头的强度和排屑方向，改变刀头的受力情况。

粗加工时，为了提高刀头的强度常取负值；粗加工时，为了不使切屑划伤已加工面取正值，如图30-7所示。

一般为-50～100。

此外，在过副切削刃上选定点的副切削面内，还有副后角

和副前角

，其定义参考前角

和后角

的定义。

第三节切削过程中的物理现象

在金属的切削过程中，伴随着许多物理现象，如滞流、切削力、切削热、刀具磨损等。

一、切屑

1．切屑的形成

切屑是刀具挤压工件使工件表面的一层金属产生一系列的变形而形成的。

切削塑性材料时一般经过挤压滑移、挤裂、切离四个阶段形成切屑。

切削脆性材料时不经过滑移阶段。

（1）挤压阶段刀具挤压工件使接触处的金属产生弹性变形。

（2）滑移阶段刀具挤压工件并使金属内部的应力达到材料的屈服极限，发生塑性变形。

（3）挤裂阶段刀具挤压工件并使金属内部的应力达到材料的强度极限，产生裂痕而被挤裂。

（4）切离阶段被挤裂的金属脱离工件而形成切屑。

2．切屑的种类如图30-8所示

（1）带状切屑切削较软的塑性材料时，采用高的切削速度和小的进给量时得到，或采用低的切削速度和，而车刀的前角较大时形成带状切屑。

（2）节状切屑在粗加工较硬的钢材时，采用大的进给量和高的切削速度，而刀具的前角较小时形成节状切屑。

（3）粒状切屑在加工脆性材料时形成粒状切屑。

不同的切屑对工件和刀具的影响也不同，带状切屑的形成过程较平稳，工件的表面质量较好，但易刮伤工件；粒状切屑是断续产生的，会使刀具产生振动，降低工件的表面质量，刀尖的冲击较大，容易损坏刀刃。

二、积屑瘤

切削塑性材料时，常在切削刃上粘附着一小块很硬的金属，其组织性能与刀具、工件材料均不相同，这块金属称为积屑瘤。

在切削过程中，前刀面、刀刃和切屑形成一个小楔形区，这里压力大、温度高。

切屑从刀具前刀面流出时切屑底层受前刀面摩擦，使流动速度降低，这层金属称为滞流层。

当摩擦阻力大到一定值，就会使切屑底层金属的一小部分粘结到刀具前刀面的切削刃处，形成了积屑瘤。

硬度约为工件硬度的1.5-2.5倍，粘附在切削刃上保护了切削刃，并增大了前角。

在粗加工时，这是有利的。

但由于积屑瘤不稳定，时隐时现，时小时大，并容易粘到工件表面上，引起振动，使工件表面粗糙度加大。

因此，精加工时，应避免产生积屑瘤。

切削速度对积屑瘤影响较大，当切削速度达到某一值附近，积屑瘤最大，切削速度进一步提高，积屑瘤则随之减小。

因此，为避免积屑瘤的产生，可以采用较高或较底的切削速度；使刀面的粗糙度较小或加切削液以减小摩擦系数；增大前角，降低进给量以减小切削厚度等措施。

三、加工硬化

由于刀具的切削刃有一定的刃口圆弧半径ρ（约为0.012～0.032mm如图30-10所示，结果使工件的已加工面受到刀具的刃口圆弧的推压和后刀面的挤压、摩擦作用，产生强烈的塑性变形，导致表面的硬化。

一般硬化层的硬度可达原工件的1-2倍，深度在0.02-0.03mm。

这种再切削材料时，经过加工的表面硬度增加塑性下降的现象称加工硬化。

表面的加工硬化，常引起工件表面产生细小的裂纹，使工件疲劳强度下降，表面粗糙度增加，使下道工序的加工增加困难。

因此，常采取增大刀具的前角，提高切削速度，使用切削液等措施，减少加工硬化。

四、切削力

切削时所产生的刀具与工件之相互作用的力叫切削力。

1、切削力的来源

切削时，被刀具挤压的金属层及切屑由于变形而产生抗力，该抗力以正压力

的形式作用于刀具前刀面，是切削力的主要部分。

组成切削力的其他部分包括切屑和前刀面的摩擦力

；加工表面对后面的正压力

和摩擦力

；已加工表面对副后刀面的正压力

和摩擦力

。

在这三对力中，正压力均来源自工件及切屑的弹、塑性变形，摩擦力则来自工件与刀具工件的相对运动。

如图30-11所示。

三对力的合力即为总切削力

，简称为切削力。

总切削力作用于刀具上的部位和方向如图30-12所示。

2、切削分力

为了设计计算中需要及便于测量，将总切削力

，分解成三个相互垂直的分力

、

、

。

（1）走力抗力

其方向与进给方向相反。

车削外圆时为轴向分力。

它是机床给进机构强度设计的原始数据。

（2）吃力抗力

其方向与吃刀方向相反。

车削外圆时，为径向分力。

其反作用力有将工件顶弯的趋势，对细长轴工件将影响工件的加工精度。

增大主偏角，可以减少径向力。

（3）主切削力

它垂直于基面，与切削速度方向一致。

是最大的分力。

所消耗的功率约占机床总功率的90%以上，是计算机床主传动系统零件强度、刚度，夹具夹紧力的主要依据。

由于刀具角度、切削用量的不同，

和

相对于

的比值在一定范围内变化。

=（0.15～0.7）

；

=（0.1～0.6）

五、切削热

切削时所消耗的功几乎全部转化为热能。

切削热的主要来源有：

（1）内摩擦热在切削过程中，工件（在切削区）和切屑的弹、塑性变形产生的热。

（2）外摩擦热切屑与刀具前面、加工表面与刀具后面、已加工表面与刀具副后面之间摩擦所产生的热。

切削热使工艺系统的温度升高。

使刀具硬度降低，造成刀具很快摩损；还可能改变工件的金相组织；使工件膨胀变形，影响测量及加工精度，对大尺寸，薄壁及细长工件影响更大。

可见，减少切削热降低切削温度对加工精度是十分重要的。

一般来说，所有减小切削力的办法均可减少切削热，但冷却润滑重有效。

采用充分合理的冷却润滑，除可减少摩擦而减少切削热外，还可带走大量的切削热，从而使工艺系统温度明显降低。

六、刀具耐用度

刀具使用一段时间后就会变钝，必须重新刃磨后才能使用。

我们把两次刃磨之间的实际切削时间称刀具的耐用度，单为是分钟。

观察磨损刀具，根据刀具磨损部位的不同可分为后刀面磨损、前刀面磨损和前后刀面磨损，

刀具的磨损是不可避免的。

在初级磨损阶段，刀具后面的不平处被很快磨平，粗糙度减小。

此后便进入了缓慢的正常磨损程度。

刀具后面磨损到一定程度，切削刃钝化严重，切削温度较快地升高，使工件表面粗糙增大并出现振动，于是开始了急剧磨损阶段，如图30-14所示。

影响刀具耐用度的因素很多，如刀具材料、刀具角度、切削用量和冷却润滑情况等。

其中以切削速度影响最大。

在实际生产中一般根据生产经验人为地规定各种刀具的耐用度即刀具的使用时间，保证最低生产成本的耐用度。

第四节工件材料的切削加工性

工件材料的切削加工性是指工件材料在切削加工时的难易程度。

这是材料工艺性能的一个重要方面。

它对保证加工质量提高劳动生产率有很大影响。

如果某种材料被切削加工时，允许的切削速度高，刀具耐用度高，加工质量容易保证，切削力小，易断削，则我们说这种材料的切削加工性好，反之则差。

事实上，没有那种材料能同时满足上述各项指标。

因此，在科研和生产中，常常只取Vt或Kr来衡量切削加工性的好坏。

1、Vt

Vt的含义是：

当刀具的耐用度为t分钟时，切削某种材料所允许的切削速度。

显然，Vt越高，材料的切削加工性越好。

一般材料常用V60来衡量切削加工性，难加工材料也有用V30

或V15来衡量的，其中下标“60”、“30”、“15”即指耐用度t.

2、Kr

用Vt衡量时不易看出材料切削加工性的相对程度，此时可用相对加工性Kr来衡量。

Kr的定义是：

如果以σb=736MPa的45号钢V60作基准，计作（V60）j，则其他材料的V60同（V60）j的比值即称为相对加工性，记作Kr。

Kr=V60/（V60）j

材料的可切削性并非一成不变的，根据生产批量的大小，在不影响工件使用性能的前提下，可通过适当调整材料的化学成分或适当的热处理来改善材料的加工性，实际生产中经常采用后者。