金属切削加工的基础知识.docx

1、金属切削加工的基础知识第7章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的方法很多，尽管它们的形式有所不同，但是却有着许多共同的规律和现象。掌握这些规律和现象，对正确应用各种金属切削加工方法有着重要的意义。本章主要介绍切削加工过程的切削运动、切削刀具以及其过程的基本规律等金属切削加工基础知识。金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。由此可见，理解零件加工质量的概念；掌握切削运动和金属切削刀具的基本知识；认识金属切削过程的基本规律是学习金属切削加工的基本内容。7.1加工质量为了保证机电产品的质量，设计时应对零件提出

2、加工质量的要求，机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。7.1.1加工精度经机械加工后，零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值与设计理想值的符合程度称为机械加工精度，简称加工精度。实际值与理想值相符合的程度越高，即偏差（加工误差）越小，加工精度越高。加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。 1. 尺寸精度 是指加工表面本身的尺寸(如圆柱面的直径)和表面间的尺寸(如孔间距离等)的精确程度。尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。尺寸公差是尺寸

3、允许的变动量，国家标准GB/T1800. 3-1998极限与配合中规定，尺寸公差分20个等级，即IT01、IT0、IT1、IT2IT18。IT后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺寸精度越低。不同公差等级的加工方法和应用见表7.1.1。加工过程中影响尺寸精度的因素很多，表7.1.1中表示的某种加工方法所对应达到的加工精度，是指在正常产生条件下保证一定生产率所能达到的加工精度，称为经济精度。表面微观特征Ra(m)加工精度加工方法应用不加工清除毛刺IT16IT14铸件、锻件、焊接件、冲压件粗加工明显可见刀痕80IT13IT10粗车、粗刨、粗铣、钻、毛锉、锯断用于非配合尺寸或

4、不重要的配合可见刀痕40IT10用于一般要求，主要用于长度尺寸的配合微见刀痕20IT10IT8半精加工可见加工痕迹10IT10IT8半精车、精车、精刨、精铣、粗磨用于重要配合微见加工痕迹5IT8IT7不见加工痕迹2.5IT8IT7精加工可辩加工痕迹方向1.25IT8IT6精车、精刨、精磨、铰微辩加工痕迹方向0.63IT7IT6用于精密配合，不辩加工痕迹方向0.32IT7IT6超精加工暗光泽面0.16IT6IT5精磨、研磨、镜面磨、超精加工量块、量仪和精密仪表、精密零件的光整加工亮光泽面0.08IT6IT5镜状光泽面0.04雾状光泽0.02镜面0.01表7.1.1各种加工方法所能达到的公差等级和

5、表面粗糙度2. 形状精度 是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度。如直线度、圆度、圆柱度、平面度等。3. 位置精度 是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想位置接近的程度。如平行度、垂直度、同轴度、对称度等。国家标准GB/T1182-1996形状和位置公差中规定，形状和位置公差共有14个项目，其公差特征项目的名称及符号见表7.1.2。表7.1.2 形状和位置公差特征项目的名称及符号表11.1.2在零件图上，通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸公差外,还要规定形状和位置公差。一般机械加工精度越高，加工的成本也越高，所以在设计零件时，应在满足零件使用要求的

6、前提下，选用经济精度。7.1.2表面质量 机械零件的表面质量，主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。1.表面粗糙度 在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦等原因，会使加工表面产生微小的峰谷。这些微小峰谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙度。表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它直接影响机器的使用性能和寿命。国家标准GB/T1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数及其数值。常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra值，常见加工方法一般能达到的表面粗糙度值见表7.1.1。一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿命也越长，但零件的制造成

7、本也会相应增加。2.表面层材质的变化 零件加工后表面层的力学、物理及化学等性能会于基体材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、疲劳强度变化及耐腐蚀性下降等，这些将直接影响零件的使用性能。零件加工质量与加工成本有着密切的关系。加工精度要求高，将会使加工过程复杂化，导致成本上升，所以在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是，在满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。7.2切削运动7.2.1切削运动切削加工时,为了获得各种形状的零件,刀具与工件必须具有一定的相对运动,即切削运动，切削运动按其所起的作用可分为主运动和进给运动 。1. 主运动 由机床

8、或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。主运动的特点是速度最高，消耗功率最大。车削时，主运动是工件的回转运动，如图7.2.1所示；牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动，如图7.2.2所示。 2. 进给运动 由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，

9、也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。3. 主运动和进给运动的合成 当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示，如图7.2.3所示。7.2.2工件表面切削加工过程中，在切削运动的作用 下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是待加工表面，切削表面和已加工表面，如图7.2.1和图7.2.2所示。其涵义是：1. 待加工表面 即将被切去金属层的表面；2. 切削表面 切削刃正在切削而形成的表面, 切削表面又称加工表面或过渡表

10、面；3. 已加工表面 已经切去多余金属层而形成的新表面。7.2.3切削用量切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。1. 切削速度vc 在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时,切削速度vc计算公式为: 式中d工件直径（mm） n工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min或r/s)。主运动为往复运动时,平均切削速度为： 式中L一往复运动行程长度(mm) nr一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。2. 进给

11、量f 进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf 计算公式为: 铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是(mm/z)，vf、f、az三者之间的关系为： z为多齿刀具的齿数。3.背吃刀量（切削深度）ap 背吃刀量ap是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进

12、给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离(见图7.3.12),单位为mm 。即 式中 dw待加工表面直径 dm已加工表面直径7.3刀具切削部分的几何角度切削刀具种类很多,如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。它们几何形状各异,复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性。其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形(图7.3.1)。因此,研究金属切削工具时，通常以车刀为例进行研究和分析。7.3.1车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机

13、床刀架上。切削部分是由一些面、切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，见图7.3.2所示。1.刀面（l）前刀面A 刀具上切屑流过的表面；（2）后刀面A 与工件上切削表面相对的刀面；（3）副后刀面A 与已加工表面相对的刀面。 2.切削刃图7.3.3刀尖形状（1）主切削刃S 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作；（2）副切削刃S 前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。（3）刀尖是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径,用r表示,如图7.3.3所示。 7.3.2刀具几何角度参考系为了便于

14、确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。1.刀具标注角度参考系（1）假设条件 刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量角度的基准，在此基准下定义的刀具角度称刀具标注角度。为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规定了如下假设条件。假设运动条件 用主运动向量vc近似地代替相对运动合成速度向量ve(即vf=0)。假设安装条件 规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等高。（2）刀具标注角度参考系种类 根据ISO3002/1-199

15、7标准推荐，刀具标注角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种。正交平面参考系 如图7.3.4所示,正交平面参考系由以下三个平面组成： 图7.3.4 正交平面参考系基面pr是过切削刃上某选定点平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。车刀的基面都平行于它的底面。主切削平面ps是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。正交平面po是过切削刃某选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。 过主、副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。基面pr、主切削平面ps、正 交平面po三个平面在空间相互垂直。 图

16、7.3.6 假定工作平面参考系图7.3.5 法平面参考系法平面参考系 如图7.3.5所示,法平面参考系由pr、ps和法平面pn组成。其中法平面pn是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。假定工作平面参考系 如图7.3.6所示,假定工作平面参考系由pr、pf和pp组成。假定工作平面pf是过切削刃某选定点平行于假定进给运动并垂直于基面的平面。背平面pp是过切削刃某选定点既垂直于假定进给运动又垂直于基面的平面。刀具设计时标注、刃磨、测量角度最常用的是正交平面参考系。3. 刀具工作角度参考系 刀具工作角度参考系是刀具切削工作时角度的基准（不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具工作角度。它同样有

17、正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。7.3.3刀具标注角度定义如图7.3.7所示。 1.在基面内测量的角度（1）主偏角r 主切削刃与进给运动方向之间的夹角。（2）副偏角r 副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。 （3）刀尖角r 主切削平面与副切削平面间的夹角。刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。它与主偏角和副偏角的关系如下: 2.在主切削刃正交平面内(O-O)测量的角度（1）前角o 前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。（2）后角o 后刀面与切削平面间的夹角。（3）楔角o 前刀面与后刀面间的夹角。楔

18、角的大小将影响切削部分截面的大小，决定着切削部分的强度，它与前角o和后角o的关系如下 3.在切削平面内(S向)测量的角度刃倾角s 主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图7.3.8所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。s=0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿切削刃法向流出。s0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的流向与切削刃法向倾斜了一个角度，如图7.3.9所示。 4.在副切削刃正交平面内（O-O）测量的角度副后角o 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。上述的几何角度中，最常用的是前

19、角（o）、后角（o）、主偏角（r）、刃倾角（s）、副偏角（r）和副后角（o），通常称之为基本角度，在刀具切削部分的几何角度中，上述基本角度能完整地表达出车刀切削部分的几何形状，反映出刀具的切削特点。r、o为派生角度。7.3.4刀具工作角度切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下。1. 刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响 当车刀刀柄与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角将发生变化。如图7.3.10所示。 = - G 2. 切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后

20、角的影响 切削刃安装高于或低于工件中心时，按辅助平面定义，通过切削刃作出的切削平面、基面将发生变化，所以使刀具角度也随着发生变化，如图7.3.11所示。切削刃安装高于工件中心时： oe= o - Noe= o + N 切削刃安装低于工件中心时 oe= o + Noe= o - N 7.3.5切削层参数切削层是刀具切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。为了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。如图7.3.12所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且s =0，切削层就是车

21、刀由位置移动到位置即一个f距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层的形状是平行四边形。1. 切削层公称厚度hD 简称切削厚度，是垂直于切削表面度量的切削层尺寸。 hD f sinr 2. 切削层公称宽度bD 简称切削宽度，是沿切削表面度量的切削层尺寸。bD ap/sinr 3.切削层公称横截面积AD AD hD. bD f. ap 7.4刀具材料7.4.1刀具材料应当具备的性能 在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受了很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着切削力、冲击和振动，因此要求刀具切削部分的材料应具备以下基本条件：1. 高硬度 刀具材料必须具

22、有高于工件材料的硬度，常温硬度应在HRC60以上。2.耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，通常刀具材料硬度越高，耐磨性越好，材料中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越好。3.强度和韧性为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足够的强度和韧性。一般用抗弯强度（b ）冲击韧性（k）值表示。4.耐热性刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性和强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。这就是刀具材料的耐热性。它是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。5.工艺性为了便于刀具制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理特性等。此外，在选用刀具材

23、料时，还要考虑经济性。经济性差的刀具材料难以推广使用。刀具材料种类很多，常用的有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢（如Tl0A、T12A）和合金工具钢（9SiCr、CrWMn），因其耐热性较差，仅用于手工工具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前只在较小的范围内使用。当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。7.4.2、高速钢高速钢是一种加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。它的耐热性较碳素工具钢和一般合金工具钢显著提高，允许的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢高两倍

24、以上。高速钢具有较高的强度、韧性和耐磨性，耐热性为540C600C。虽然高速钢的硬度和耐热性不如硬质合金，但由于用这种材料制作的刀具的刃口强度和韧性比硬质合金高，能承受较大的冲击载荷，能用于刚性较差的机床，而且这种刀具材料的工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口，因此到目前为止，高速钢仍是应用较广泛的刀具材料，尤其是结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢，高性能高速钢两类；。1.通用高速钢通用高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。按其化学成分有钨系高速钢和钼系高速钢。W18Cr4V属于钨系高速钢，其淬火后的硬度为6366HRC，

25、耐热性可达620C，抗弯强度b=3430MPa。磨削性能好，热处理工艺控制方便，是我国高速钢中用得比较多的一个牌号。W6Mo5Cr4V2属于钼系高速钢，与W18Cr4V 相比，它的抗弯强度、冲击韧度和高温塑性较高，故可制造热轧刀具，如麻花钻等。2.高性能高速钢高性能高速钢是在通用高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性和耐磨性。这种高速钢的切削速度可达50100mmin，具有比通用高速钢更高的生产率与刀具使用寿命；同时还能切削不锈钢。耐热钢、高强度钢等难加工的材料。高钒高速钢（W12Cr4V4Mo）这种高速钢由于含钒（V）、碳（C）量的增加，提高了耐磨性，刀具寿命比通用高速钢可提高2

26、4倍，但是，随着钒质量分数的提高，使磨削性能变差，刃磨困难。高钴高速钢和高铝高速钢是近年来为了加工高温合金、钛合金、难熔合金、超高强度钢、奥氏体不锈钢等难加工材料而发展起来的。它们的常温硬度、高温硬度、耐热性和耐磨性都比通用高速钢W18Cr4V高，虽然它的抗弯强度和冲击韧度比较低，但仍是一种综合性能较好的材料，可以制作各种刀具。其牌号有W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等。7.4.3硬质合金硬质合金是用粉未冶金法制造的合金材料，它是由硬度和熔点很高的碳化物（称为硬质相）和金属（称粘结相）组成。硬质合金的硬度较高，常温下可达7481HRC，它的耐磨性较好，耐热性较高，能耐8001

27、000C的高温，因此能采用比高速钢高几倍甚至十几倍的切削速度；它的不足之处是抗弯强度和冲击韧度较高速钢低，刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。常用硬质合金按其化学成分和使用特性可分为四类：钨钴类（YG），钨钛钴类（YT）；钨钛钽钴类（YW）和碳化钛基类（YN）。1.钨钴类硬质合金（GB2075-87标准中K类） 它是由硬质相碳化钨WC和粘结剂钴CO组成的，其韧性、磨削性能和导热性好。主要适用于与加工脆性材料如铸铁、有色金属及非金属材料。这类硬质合金常用牌号和应用范围见表7.4.1，代号YG后的数值表示钴CO的含量，合金中含钴量越高，其韧性越好，适用于粗加工；含钴量少的，用于精加工。2.钨钛钴类硬

28、质合金（GB2075-87标准中P类）它是由硬质相WC、碳化钛TiC和粘结剂Co组成的，由于在合金中加入了碳化钛（TiC），从而提高了合金的硬度和耐磨性，但是抗弯强度、耐磨削性能和热导率有所下降；低温脆性较大，不耐冲击，因此，这类合金适用于高速切削一般钢材。钨钛钴类硬质合金常用牌号和应用范围见表7.4.1。代号YT后的数值表示碳化钛TiC 的含量，当刀具在切削过程中承受冲击、振动而容易引起崩刃时，有应选用TiC含量少的牌号，而当切削条件比较平稳，要求强度和耐磨性高时，应选用TiC含量多的刀具牌号。3.钨钛钽钴类硬质合金（GB2075-87标准中M类）在钨钛钴类硬质合金中加入适量的碳化钽（TaC

29、）或碳化妮（NbC）稀有难熔金属碳化物，可提高合金的高温硬度、强度、耐磨性、粘结温度和抗氧化性，同时，韧性也有所增加，具有较好的综合切削性能，所以人们常称它为“万能合金”。但是，这类合金的价格比较贵，主要用于加工难切削材料。4.碳化钛基类硬质合金（GB2075-87标准中P01类）它是由碳化钛作为硬质相，镍、钼作为粘结剂而组成的，所以硬度高达9095HRA。有高的耐磨性，在1000C以上的高温下，它仍能进行切削加工，适合对较高硬度的合金钢、工具钢、淬硬钢等进行切削加工。随着科学技术的发展，新的工程材料不断出现，对刀具材料的要求也不断提高，在进行切削加工时，我们必须根据具体情况综合考虑，合理的选

30、择刀具材料，既要充分发挥刀具材料的特性，又要较经济地满足切削加工的要求。值得一提的是，在加工一般材料时，仍以使用通用高速钢与硬质合金为宜，当加工难切削材料时，才有必要选用新牌号硬质合金或高性能高速钢。表7.4.1 硬质合金常用牌号和应用范围牌号应用范围YG3X铸铁,有色金属及其合金的精加工、半精加工,不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工,不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的粗加工,也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工,亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工,亦可用于断续切削时精加工加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工,可用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、不锈钢、高锰钢等难加工材料及普通钢料、铸棋、有色金属的粗加工和半精加工7.5金属切削过程图7.5.1