1、第一章 切削加工概论（P1）,金属零件切削加工：是通过刀具与工件之间的相对运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的加工方法。切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、刨削、钳工等。一般情况下，通过铸造、锻造、焊接和各种轧制的型材毛坯精度低和表面粗糙度大，必须进行切削加工才能成为零件。金属切削加工担负着几乎所有零件的加工任务，在机械制造过程中，处于十分重要的地位。,11 切削加工的基本概念 一、零件表面的形成及切削运动（P1）,任何复杂的机器零件，均由一些简单的几何表面组成，归纳起来不外乎以下三类表面：1、回转体表面：以某一条线（直线或曲线）为准线，其运动轨迹为圆时所形成的表面。 2、平面：
2、以一直线为准线，而以另一直线为运动轨迹作平移运动时所形成的表面。 3、成形表面：准线主运动轨迹皆为任意曲线。,一、零件表面的形成及切削运动（P2）,切削运动：是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运动。 切削运动按其作用不同，分为主运动和进给运动两种。 主运动：是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速度高、消耗功率大。 进给运动：是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运动。一般说来，主运动只有一个，而进给运动可以多个。,各种切削运动和加工表面,二、切削用量和切削层几何参数（P2）,切削过程中，工件上形成三个表面即：1）待加工表面将被切除的表面；2）加工表面正在切削的表面
3、；3）已加工表面切除多余金属后形成的表面。车削加工工件上的表面,1、切削用量三要素（P2）,1）切削速度：单位时间内，刀具相对于工件沿主运动方向的相对位移。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：式中：d工件加工表面或刀具某一点的回转直径（mm）；n工件或刀具的转速（r/s或r/min）。,m/s,2)进给速度（P2）,进给速度Vf ：单位时间内，刀具相对于工件沿进给运动方向的相对位移。单位mm/s。进给量f：工件或刀具每转一周时，两者沿进给方向之相对位移。当主运动为旋转运动时，f的单位是mm/r；当主运动为往复直线运动时， f的单位是mm/str（毫米/双行程）；多刃刀具的每齿进给量用af
4、表示，单位是mm/Z。显然：Vf f.n af.n.Z mm/s,3)切削深度（P2）,切削深度ap：工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。 习惯上也将切削深度称为背吃刀量。外圆车削时：,式中 D工件待加工表面的直径(mm)；d工件已加工表面的直径(mm)。,2、切削层几何参数（P3）,切削层：是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属。也就是车刀移动f之后，切下的金属层，如图12所示。1）切削层厚度ac ：垂直于加工表面来度量的切削层尺寸。 2）切削宽度aw：沿加工表面测量的切削层尺寸。 3）切削面积Ac：切削层公称横截面积。,切外圆时的切削层要素,12 切削刀具的几何角度（P3）,刀具则
5、是金属切削加工中不可缺少的重要工具之一，无论是普通机床，还是先进的数控机床和加工中心，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加工。实践证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产效率。,刀具种类（P4）,1）切刀：包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成型车刀等。 2）孔加工刀具：包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具(如钻一铰复合刀具)等。 3）拉刀：包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀)等。 4）铣刀：包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片铣刀等；加工特殊形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成型铣刀等。 5）螺纹刀具：包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切头
6、、搓丝板等。 6）齿轮刀具：包括齿轮滚刀、蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。 7）磨具：包括砂轮、砂带、油石和抛光轮等。,刀具切削部分结构要素（P3）,刀具通常由工作部分和夹持部分组成。工作部分承担切削加工；夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置。刀具切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态，其它各类刀具可看成是它的演变和组合，故以普通车刀为例，刀具切削部分的结构要素如图14所示。,刀具切削部分结构要素及定义（P3）,1）前刀面：切屑沿其流出的表面。 2）主后刀面：刀具上与工件的加工表面相对的表面。 3）副后刀面：刀具上与工件已加工表面相对
7、的刀面。4）主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。在切削过程中，承担主要的切削工作。 5）副切削刃：前刀面和副后刀面的交线，配合主切削刃完成切削工作，最终形成已加工表面。 6）刀尖：主切削刃与副切削刃的联结部位。,车刀切削部分的构造要素,一、车刀的几何角度 1、刀具标注角度的参考系（P4）,在设计刀具时，为了表示刀具几何角度的大小以及刃磨和测量刀具角度的需要，必须表示出刀面和切削刃的空间位置。而要确定它们的空间位置，就应当建立假想的参考平面坐标系。这里只介绍主剖面参考系。,1、刀具标注角度的参考系（P4）,主剖面参考系：如图1-5所示：1）基面（pr)：过主切削刃上的选定点，与切削速度垂直的平面；
8、 2）切削平面（ps) ：过主切削刃上的选定点，并与该点加工面相切的平面； 3）主剖面（po) ：过选定点，与切削平面和基面都垂直的平面。,车刀标注角度的参考系,2、车刀的标注角度（P5）,车刀的标注角度是指刀具制造图上标注的角度，它是刀具的刃磨角度，也称静止角度。车刀的角度有：前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等。,2、车刀的标注角度（P5）,1）前角0：在主剖面中测量，前刀面与基面（水平面）之间的夹角。增大前角刃口锋利，切削轻快；但前角过大会使切削刃强度降低，易崩刀。2）后角0 ：在主剖面中测量，后面与切削平面之间的夹角。增大后角，可减少刀具主后面与工件间的摩擦，但后角过大，切削刃强度降低
9、。3）主偏角r ：在基面中测量，主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。增大主偏角，使轴向力增大、径向力减小，可减小切削时的振动，但不利于刀具散热，易磨损。主偏角可在45一90间选取。工件刚度好，粗加工时选取小值，反之，取大值。,2、车刀的标注角度（P5）,4）副偏角 r：在基面中测量，副切削平面在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。增大副偏角可减少副切削刃与工件已加工表面的摩擦，有利于散热。但表面粗糙度增大。5）刃倾角s：在切削平面中测量，主切削刃与基面之间的夹角。当主切削刃位于水平时， s 0。,车刀的标注角度,2、车刀的工作角度（P6）,刀具在图纸上标注的角度称刃磨角度或标注角度。
10、在切削加工过程中，由于车刀安装位置的变化以及进给运动的影响，使得参考平面坐标系的位置发生变化。按照切削工作中的参考平面坐标系所确定的角度，称为工作角度，用0e、 0e等表示。,车刀工作角度的影响因素（P6）,1）刀尖安装高低对工作角度的影响：粗车外圆时，使刀尖略高于工件中心，以增大前角；精车外圆时，使刀尖略低于工件中心，以增大后角，减少后刀面的磨损；车成形表面时，刀刃应与工件中心等高，以免产生误差。2）刀杆中心线安装偏斜对工作角度的影响：在普通车床上为了避免振动，有时将刀杆偏斜安装以增大主偏角。3）进给运动对工作角度的影响。,13 切削刀具材料（P13）,刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。在
11、切削过程中，刀具的切削能力，直接影响生产率、加工质量和加工成本。而刀具的切削性能，主要取决于刀具材料；其次是刀具几何参数和刀具结构的选择与设计是否合理。 100年以前，加工一个直径为100mm，长度为500mm的碳素钢零件需要的时间为100min，而现在用陶瓷涂层硬质合金刀片车削只需1min。,一、刀具材料应具备的性能（P13）,1、高的硬度和耐磨性：一般刀具的常温硬度在60HRC以上。 2、足够的强度和韧性： 3、高的热硬性（红硬性）：高温下保持高硬度、高强度和高韧性的能力，并有良好的抗扩散、抗氧化能力。4、良好的工艺性：要求刀具材料有较好的可加工性、可磨削性和热处理性。5、好的导热性和小的
12、膨胀系数。,二、刀具材料的种类（P13）,1、碳素工具钢：常用牌号为T10A、T12A，热硬性差，工作温度不能超过250，切削速度8m/min以下，所以只能用作简单的手工工具，如锉刀了、锯条等。2、合金工具钢：常用牌号有9SiCr、CrWMn，工作温度不能超过400，常用作铰刀、板牙等。3、高速钢：常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，硬度可达6267HRC，工作温度可达600，切削速度可达3050m/min，可用于制造各种刀具。,二、刀具材料的种类 4、硬质合金（P14）,是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(如碳化钨碳化钛、碳化钽等)与金属粘结剂(钴、钨、钼等)在高温下烧结而成的粉
13、末冶金材料。硬度可达8993HRA，切削温度达8001000，允许切削速度可达100300mmin。 是当今主要的刀具材料之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。 缺点是抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷。,我国常用的硬质合金（P14）,1）钨钴硬质合金：A）代号为YG，由碳化物WC和金属Co组成；B）韧性较好，抗弯强度较高，热硬性稍差；C）适用于加工铸铁等脆性材料；D）常用牌号有YG8和YG3，数字表示含钴量的百分数。钴含量越高，其韧性和强度越高，但硬度与耐磨性能低。所以YG8用作粗加工，YG3用作精加工。,我国常用的硬质合金（P14）,2）钨钛硬质合金：A）代号为YT，
14、由碳化物WC、TiC和金属Co组成；B）热硬性比钨钴合金高，耐磨性好；C）适用于加工碳钢等塑性材料材料；D）常用牌号有YT30和YT5，数字表示碳化钛含量的百分数。TiC含量越高，热硬性越高，韧性较差，所以YT30用作精加工，YT5用作粗加工。,我国常用的硬质合金（P15）,3）通用硬质合金：A）代号为YW，在YT类合金中加入碳化钽或碳化铌；B）韧性和抗粘附性较高，耐磨性好；C）适用范围广，既能加工铸铁，又能切削钢材；D）常用牌号有YW1和YW2，特别适合难加工的合金钢，如耐热钢、高锰钢、不锈钢等。所以称为万能合金。,我国常用的硬质合金（P15）,4）表面涂层硬质合金：它是在硬质合金基体上，涂
15、敷一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物(如碳化钛、氮化钛、氧化铝等)而制成的。涂层硬质合金的刀具寿命至少可提高13倍，涂层高速钢的刀具寿命可提高210倍。,陶瓷（P15）,纯氧化铝AL2O3陶瓷、复合氧化铝AL2O3TiC陶瓷、复合氮化硅Si3N4TiCCo陶瓷。 有很高的高温硬度，在1200时，硬度尚能达到80HRA，在高温下不易氧化，与普通钢不易产生粘结和扩散作用； 可用于加工钢、铸铁，对于冷硬铸铁、淬硬钢的车削和铣削特别有效，其使用寿命、加工效率和已加工表面质量常高于硬质合金刀具。 其主要缺点是：抗弯强度低，冲击韧性差，导热能力低和线膨胀系数大。对冲击十分敏感，容易破裂。因此，应用
16、受到限制。,金刚石（P16）,是目前已知的最硬材料，硬度接近于10000HV（硬质合金为13001800HV）。 能对陶瓷、硬质合金等高硬度耐磨材料进行切削加工，使用寿命极高，耐用度通常为硬质合金的10100倍。 但金刚石的热稳定性较差，金刚石是碳的同素异构体，在高温下，与铁原子起反应，易产生粘接磨损，因此不宜加工钢铁材料。 多用于在高速下对合金进行精细车削或鏜削。,14 金属切削过程（P16）,在金属切削过程中，工件上的被切削层材料在刀具的作用下，或因剪应力产生塑性滑移而形成切屑。塑性材料切屑的形成过程：当刀具相对被切削层材料作切削运动时，在剪应力的作用下材料依次错动滑移成切屑，并沿前刀面流
17、出。平常所看到的带状切屑其上侧呈层状的锯齿形，即为塑性滑移的结果。切削脆性材料时，由于这类材料的塑性变形能力差，在材料产生明显的塑性滑移前，材料发生崩碎，并沿切削速度方向飞散，形成崩碎状的切屑。,一、切屑类型（P17）,1）带状切屑：切屑延续成较长的带状，切屑钢材（塑性）时，如果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，则切出内表面光滑、而外表面呈毛茸状的切屑。它的切削过程较平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 2）挤裂切屑：挤裂切屑的外形与带状切屑不同之处在于内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。产生条件是在加工塑性金属材料时，如果切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时。它的切削过程
18、剪切应变较大，切削力波动大，易发生颤振，已加工表面粗糙度较大。在使用硬质合金刀具时，易发生崩刃。,一、切屑类型（P17）,3）崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。加工脆性材料时，由于抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属只经受较小的塑性变形就被挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑。切削厚度越大、刀具前角越小，越容易产生这种切屑。,切屑种类如图所示,二、积屑瘤（P18）,切削塑性材料时，在切削速度不高且形成带状切屑情况下，常有一些来自切屑和工件的金属层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，称为积屑瘤。产生原因：刀具与切屑激烈磨擦，形成滞流层，在适当的温度和压力作用下，当这种磨擦
19、阻力大于切屑内部原子结合力时，滞流层金属就会粘结在刀刃上形成积屑瘤。积屑瘤的形成如P18图118所示,积屑瘤（P18）,切削塑性材料时，在切削速度不高且形成带状切屑情况下，常有一些来自切屑和工件的金属层积在前刀面上，形成硬度很高的可喜局面楔块，称为积屑瘤。产生原因：刀具与切屑激烈磨擦，形成滞流层，在适当的温度和压力作用下，当这种磨擦阻力大于切屑内部原子结合力时，滞流层金属就会粘结在刀刃上形成积屑瘤。积屑瘤的形成如P18图118所示,积屑瘤的作用和影响（P18）,可以保护刀刃，减少刀具磨损。 增大前角：积屑瘤具有30左右的前角，因而减少了切削变形，降低了切削力。 易引起振动，因为积屑瘤时大时小、
20、时有时无，吃刀深度不断改变。 光洁度下降。 精加工时不允许存在，粗加工时有好处。,避免产生积屑瘤的方法（P18）,提高刀具前刀面的光洁度减少磨擦。 避开易产生积屑瘤的切削速度范围，即采用低速或高速切削。 增大前角。 小的走刀量。 正火右调质处理。（工件硬度太小，塑性太大时） 采用切削液。,三、加工硬化（P19）,切削塑性材料时，往往发现工件已加工表面的硬度，比工件材料原来的硬度显著提高，这种现象和为加工硬化。加工硬化虽然可以提高工件的耐磨性，但增大表面层的脆性，降低零件的抗冲击能力。同时为后继工序增加困难。增大刀具前角，使用锋利的刀具，提高切削速度，采用切削液等，都可减少变形和磨擦，均可减轻加
21、工硬化。,四、切削力和切削功率 1、切削力的来源与分解（P20）,在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及工件与后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。 这些作用在刀具上所有力的合力就是作用在刀具上的切削力，也称切削合力。 总切削力的方向、大小将随工件材料的性质、切削用量的大小及刀具的几何形状的变化而变化，因此通常将其分解成几个方向既定的分力。切削力的来源如图所示,四、切削力和切削功率 1、切削力的来源与分解（P20）,1）主切削力（切向力）FZ ：垂直于基面，与切削速度方向一致，消耗功率最多，是计算刀具强度、设计机床零件，确定机床功率的主要
22、依据。2）吃刀抗力FY （径向力）：作用在基面内并与工件轴线垂直的力。是作用在机床、工件刚性最弱的方向上。3）走刀抗力（轴向力）FX：是作用在进给方向上的切削分力，作用在基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀具进给功率的依据。,图120 切削力的分解,2、影响切削力的主要因素（P21）,1）工件材料：材料的强度愈高、硬度愈大，切削力愈大；在强度、硬度相近的材料中，塑性、韧性大的，切削力大。 2）切削用量：切削用量中ap和f对切削力的影响较明显。当ap和f增大时，即切削面积Ac增大，从而使变形力、摩擦力增大，引起切削力增大。3）刀具几何参数：刀具几何参数中前角0和主偏角r对切削力的影响比
23、较明显。0增大，切削力减小。当主偏角r增大，径向力减少；当主偏角r=90时，径向力0，对防止车细长轴类零件弯曲变形减少振动十分有利。,2、切削功率（P21）,消耗在切削过程中的功率叫切削功率Pc，单位是kW，它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在进行外圆车削时，因Fp方向没有位移，故消耗功率为零。式中 Fc：主切削力（N）； Ff：轴向力（N）；f：进给量（mm/r）；c：切削速度（m/s）；nw：工件转速（r/s）。,五、切削热 1、切削热的产生与传散（P22）,切削热来源于切削的变形功以及切屑与前刀面、工件与后刀面相磨擦的磨擦功。 切削热通过切屑、工件、刀具以及周围
24、的介质传散。 大部分切削热由切屑带走，大量切削堆积在机床上，使机床产生热变形，影响加工精度。 30%传入工件，产生热变形，特别是薄壁件、细长件，热变形严重。 10%传入刀具，由于刀具体积小，温升大，高速切削时，切削温度可达1000，加速刀具的磨损。,切削热的产生和传出,2、切削温度及其影响因素（P22）,切削温度一般是指切屑、工件和刀具接触面上的平均温度，影响切削温度的主要因素有：1）切削用量：当、f、ap增大时，切削热增加，但后两者增加，温升增加较小。 2）刀具几何参数 ：前角增大，切削温度降低；主偏角减小，主刀刃长度增加，刀刃散热条件得到改善，故切削温度下降。 3）工件材料：当工件材料的强
25、度、硬度、塑性增加时，使切削温度升高。热导率大时切削温度降低。 4）在切削中使用切削液，可降低切削温度。,六、刀具磨损（P23）,磨损是在切削过程中，由于工件刀具切屑的接触区里发生着强烈的摩擦，以致刀具表面某些部位(如前、后刀面)的材料被切屑或工件逐渐带走。刀具的磨损影响加工质量、生产率及加工成本。刀具磨损的形式：切削时刀具的前、后刀面的高温、高压下，与切屑、工件相互接触，产生剧烈摩擦，因而在前、后刀面上产生磨损。刀具的磨损形式如图121所示。刀具的磨损过程,刀具使用寿命（P24）,刀具寿命是指刀具新刃磨之后，从开始使用起到刀具磨损至规定的磨损限度为止的实际切削时间。在磨损限度已确定后，刀具寿
26、命与磨损速度有关。磨损速度愈慢，刀具寿命愈高。为了提高刀具寿命，一般可从改善工件材料的可加工性、合理设计刀具的几何参数、改进刀具材料的切削性能、采用性能优良的切削液及合理选择切削用量等多方面着手。在实际使用中，在使刀具寿命降低较少而又不影响生产率的前提下，应尽量选取较大的背吃刀量和较小的切削速度，使进给量大小适中。,作业（P38）,第2、3、题,二、刀具材料,2.高速钢高速钢是一种合金工具钢，具有一定的硬度（63 HRC 70 HRC）和耐磨性，有较高的耐热性，在切削温度高达500600时尚能切削。,2.高速钢,高速钢是强度和韧性最好的刀具材料，适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料
27、。,2.高速钢,高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。,2.高速钢,正是由于高速钢具有足够的强度、硬度、耐热性和耐磨性，具有特别好的冷加工工艺性、磨削加工工艺性和较好的热加工工艺性，所以，在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍占主导地位。,2.高速钢,（1）通用高速钢： 典型牌号：W18Cr4V W6Mo5Cr4V2,2.高速钢,（2）高性能高速钢：高性能高速钢是在通用高速钢的成分中，增加碳含量形成高碳高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、或者添加钴、铝等元素形成钴高速钢、铝高速钢，目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性 。,返回文挡,刀具磨损与刀具寿命,3.刀具磨损过程及磨钝标准 (1)刀具的磨损过程,图3-38 硬质合金车刀的典型磨损曲线 YD05-30CrMnSiA；go=4，ao=8，kr=45，ls=-4；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm,返回文挡,r,Fc,F,Fp,Ff p,Ff,Ff p,Ff p,f,切削力的来源与分解,
