1、第9章 金属切削的基本知识,9.1切削运动及切削要素 9.2刀具几何参数及刀具材料 9.3金属的切削过程 9.4切削过程基本规律的应用 9.5金属切削机床的基础知识,9.1切削运动及切削要素,9.1.1零件表面的形成 （1）工件的表面形状 （2）工件表面的形成方法,9.1.2切削运动,是切除工件上多余金属，以获得形状精度、尺寸精度、位置精度和表面质量都符合要求的工件，刀具与工件之间必须进行相对运动 。 （1）主运动 是切除工件多余金属层，形成工件新表面必须的运 （2）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的切除金属层，获得所需表面。 （3）合成切削运动 是
2、主运动和进给运动的合成。,9.1切削运动及切削要素,9.1.3切削要素,（1）切削速度 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，用vc表示，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。,d 工件或刀具的直径 n 工件或刀具的转速,9.1切削运动及切削要素,（2）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。,9.1切削运动及切削要素,（3）背吃刀量背吃刀量ap是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给
3、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。,dw 工件待加工表面直径 dm 工件已加工表面直径,9.1切削运动及切削要素,9.1.3.2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。（1）切削层公称横截面积AD hD. bD f. ap （2）切削层公称宽度bD ap/sinr （3）切削层公称厚度hD f sinr,9.1切削运动及切削要素,9.2刀具几何参数及
4、刀具材料,9.2.1刀具的结构几何参数 9.2.1.1刀具的基本结构（一尖、两刃、三面）见下图 刀面（三面） 前刀面： 刀具上切屑流过的表面； 后刀面： 与工件上切削表面相对的刀面； 副后刀面： 与已加工表面相对的刀面。切削刃（两刃） 主切削刃 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作； 副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。 刀尖（一尖） 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。,9.2刀具几何参数及刀具材料,9.2.1.2车刀切削部分的主要角度,（1）刀具静止参考系 基面Pr 通过切削刃上某选定点
5、，与主运动假定方向垂直的平面。基面是刀具制造、刃磨、测量时的定位基准。 切削平面P s 通过切削刃上某选定点，与刀刃相切并垂直于基面Pr的平面 。 正交平面Po 通过切削刃上某选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。 假定工作面Pf 过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面,9.2刀具几何参数及刀具材料,9.2刀具几何参数及刀具材料,（2）车刀的主要角度 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：前刀面与切削平面之间的夹角小于90时为正前角、前刀面与基面平行时为零度前角和大于9
6、0时为副前角。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s： 在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。当刀尖是切削刃上最高点时，刃倾角为正；当刀尖是切削刃上的最低点时，刃倾角为负。,9.2刀具几何参数及刀具材料,9.2刀具几何参
7、数及刀具材料,（3）刀具的工作角度,9.2刀具几何参数及刀具材料,9.2.2刀具材料,9.2.2.1碳素工具钢 含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%1.2%，如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。 9.2.2.2合金工具钢 在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成 (如 9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。 9.2.2.3高速钢 它是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。 9.2.2.4硬质合金 它是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC等)作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金 9.2.2.5其他刀具材料 金刚石 陶瓷
8、材料 立方氮化硼（CBN）,9.2刀具几何参数及刀具材料,9.3金属的切削过程,9.3.1切屑的形成与积屑瘤 9.3.1.1切屑的形成塑性金属切削过程在本质上是被切削层金属在刀具的挤压作用下发生变形并与工件本体分离形成切削的过程。,9.3.1.2切屑的种类,（1）带状切屑 （2）挤裂切屑 （3）单元切屑 （4）崩碎切屑,9.3金属的切削过程,9.3.1.3积屑瘤,在一定范围的切削速度下切削塑料金属时，常发现在刀具前刀面靠近切削刃的部位黏附着一小块很硬的金属，这就是积瘤屑。,9.3金属的切削过程,9.3.2切削力和切削功率,切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力，切削力所作的功就是切削功。,
9、9.3金属的切削过程,（1）主切削力Fc：切削力在主运动方向上的分力。 （2）背向力Fp：切削力在垂直于假定工作平面方向上的分力。 （3）进给力Ff：切削力在进给方向上的分力。,9.3金属的切削过程,9.3.3切削热和切削温度,（1）切削热 切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削温度影响工件材料的性能、前刀面上的摩擦系数和切削力的大小；影响刀具磨损和刀具寿命；影响积屑瘤的产生和加工表面质量；也影响工艺系统的热变形和加工精度。因此,研究切削热和切削温度具有重要的实际意义。,9.3金属的切削过程,（2）切削温度,切削温度是指前刀面与切屑接触区内的平均温度，它是由切削热的产生与传出的平衡条件所决定
10、的。产生的切削热愈多,传出的愈慢,切削温度愈高。反之,切削温度就愈低。凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升。而有利于切削热传出的因素都会降低切削温度。 在切削过程中，切屑、刀具和工件上不同部位的切削温度分布是不均匀的，在前刀面和后刀面上，最高温度点都不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。这是摩擦热沿前刀面不断增加的缘故。在靠近前刀面的切屑底层上，温度变化很大，说明前刀面上的摩擦热集中在切屑底层。在已加工表面上，较高温度仅存在切削刃附近的一个很小的范围，说明温度的升降是在极短的时间内完成的。,9.3金属的切削过程,9.3.4刀具磨损和刀具耐用度,（1）刀具磨损的形式与过程 进
11、行金属切削加工时，刀具一方面将切屑切离工件，另一方面自身也要发生磨损或破损。具磨损是指切削时刀具在高温条件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料逐渐被磨耗或出现其它形式的损坏。 刀具磨损的形式可分为正常磨损和非正常磨损两类： （1）正常磨损 正常磨损是指随着切削时间的增加，磨损逐渐扩大的磨损，它包括前刀面磨损、后刀面磨损和副后刀面磨损。 （2）非正常磨损 非正常磨损也称破损，常见的有塑性变形、切削刃崩刃、剥落、热裂等。 刀具的磨损形式有以下三种，后刀面磨损 前刀面磨损 前后刀面同时磨损,9.3金属的切削过程,初期磨损阶段（图7-10中区）：由于刀面上表面粗糙度值大，表面组织不耐磨，磨损较快；
12、正常磨损阶段（图7-10中区）：随着切削时间增加，磨损量VB逐渐加大，这是刀具工作的有效时间； 急剧磨损阶段（图7-10中区）：磨损量VB到了一定数值后，磨损急剧增大，引起切削力增大，切削温度急剧升高，如果继续使用，则刀具切削刃将产生破坏。,刀具的磨损一般分为三个阶段，以后刀面磨损为例，它的磨损量VB和切削时间的关系可用右图来表示。,9.3金属的切削过程,（2）刀具耐用度,在生产实际中，为了更加方便、快速、准确地判断刀具的磨损情况，一般以刀具寿命来间接地反映刀具的磨钝标准。刀具耐用度T定义为刀具从开始切削至达到磨损极限为止的总切削时间（单位为min）。 刀具寿命T的定义为：刀具由刃磨后开始切削
13、，一直到磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的总切削时间（单位min）。 刀具寿命反映了刀具磨损的快慢程度。刀具寿命长表明刀具磨损速度慢；反之表明刀具磨损速度快。影响切削温度和刀具磨损的因素都同样影响刀具寿命。切削用量对刀具寿命的影响较为明显，通过切削实验，我们可以得出vc、f、ap对刀具寿命T的影响关系式,9.3金属的切削过程,用YT5硬质合金车刀切削b=0.637GPa（f 0.7mm/r）的碳钢时，切削用量与刀具寿命的关系为： 由上式可以看出，切削速度对刀具寿命影响最大，进给量次之，背吃刀量最小。这与三者对切削温度的影响顺序完全一致。反映出切削温度对刀具寿命有重要的影响。 刀具寿命是一个具有多
14、种用途的重要参数，如用来确定换刀时间；衡量工件材料切削加工性和刀具材料切削性能优劣；判定刀具几何参数及切削用量的选择是否合理等，都可用它来表示和说明。,9.3金属的切削过程,影响刀具耐用度的因素,a、切削速度对刀具耐用度的影响 提高切削速度 ，使切削温度增高，磨损加剧，而使刀具耐用度T降低。 b、进给量与背吃刀量的影响 进给量 和背吃刀量 增大，均使刀具耐用度T降低，但 增大后，使切削温度升高较多，故对T影响较大；而 增大，使切削温度升高较少，故对刀具耐用度影响较小。,9.3金属的切削过程,c、刀具几何参数 合理选择刀具几何参数能提高刀具耐用度。 增大前角 ，切削温度降低，刀具耐用度提高，但前
15、角太大，强度低、散热差，刀具耐用度反而会降低，因此，刀具前角有一个最佳值，该值可通过切削实验求得。 适当减小主偏角 、副偏角 和增大刀尖圆弧半径 ，可提高刀具强度和降低切削温度，均能提高刀具耐用度。 d、工件材料 加工材料的强度、硬度越高和韧性越高、延伸率越小，切削时均能使切削温度升高，刀具耐用度较低。 e、刀具材料 刀具材料是影响刀具耐用度的重要因素，合理选用刀具材料、采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，是提高刀具耐用度的有效途径。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.1工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性是指将其加工成合格零件的难易程度。某种材料切削加工的难易，不仅取决于材料本身，
16、还取决于具体的加工要求及切削条件。,9.4.1.1工件材料的切削加工性衡量指标,（1）一定刀具耐用度下的切削速度（VT）即刀具耐用度为T（min）的切削某种材料所允许的切削速度。 VT越高，材料的切削加工性越好。若取T=60min，则VT可写作V60 。 （2）相对加工性（Kr） 即各种材料的V60 与45钢（正火）的V60 之比值。由于把后者的V60 作为比较的基准，故写作（ V60 ）j，于是有：Kr= V60 （ V60 ）j 常用材料的相对加工性可分为8级。凡Kr1的材料，其切削加工性比45（正火）钢好，反之较差。,9.4切削过程基本规律的应用,（3）已加工表面质量 凡较容易获得好的表
17、面质量的材料，其切削加工性 较好；反之则较差。 （4）切屑控制或切屑的难易 凡切削较容易控制或易于断屑的材料，其切削加工性较好；反之较差。 （5）切削力 在相同的切削条件下，切削力较小的材料，其切削加工性较好；反之较差。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.1.2改善材料的切削加工性的主要途径,通过适当的热处理，可以改变材料的力学性能，从而达到改善其切削加工性的目的。对高碳钢进行球化退火可以降低硬度，对低碳钢进行正火可以降低塑性，都能够改善切削加工性。 通过适当调整材料的化学成分来改善其切削加工性。在钢中适当添加某些元素，如硫、铅等，可使其切削加工性得到显著改善。,9.4切削过程基本规律的应
18、用,9.4.2合理选择切削液,9.4.2.1切削液的作用 （1）冷却作用 作用 切削液能从切削区域带走大量切削热，从而降低切削温度。切削液的冷却性能的好坏，取决于它的导热系数、比热、汽化热、汽化速度、流量和流速等。 （2）润滑作用 切削液能渗入到刀具与切屑和加工表面之间，形成一层润滑膜或化学吸附膜，以减小它们之间的摩擦。切削液润滑的效果主要取决于切削液的渗透能力、吸附成膜的能力和润滑膜的强度等。,9.4切削过程基本规律的应用,（3）清洗与防锈作用 切削液大量的流动，可以冲走切削区域和机床上的细碎切屑和脱落的磨粒。清洗性能的好坏，主要取决于切削液的流动性、使用压力和切削液的油性。在切削液中加入防
19、锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，对工件、机床、刀具和夹具等都能起到防锈作用。防锈作用的强弱，取决于切削液本身的成分和添加剂的作用。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.2.2切削液的种类,（1）水溶性切削液 水溶液、乳化液、化学合成液 （2）油溶性切削液 切削油、极压切削液 （3）固体润滑剂 常用的固体润滑剂是二硫化钼，其形成的润滑膜摩擦系数极小，耐高温，耐高压，切削时可涂抹在刀面上，也可添加在切削液中。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.2.3切削液的合理选用,切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。 高速钢刀具耐热性差，需采用切削液。 硬质合金刀具耐热
20、性好，一般不用切削液。 切削铸铁一般不用切削液。 切削铜合金等有色金属时，一般不用含硫的切削液。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.2.4切削液的使用方法,切削液的组成和用途,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.3切削用具的合理选择,9.4.3.1选择切削用量的一般原则 根据工件加工余量和粗、精加工要求，选定背吃刀量。 根据加工工艺系统允许的切削力，其中包括机床进给系统、工件刚度及精加工时表面粗糙度要求，确定进给量。 根据刀具耐用度，确定切削速度。 所选定的切削量应该是机床功率允许的。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.3.2切削用量的选择,（1）确定背吃刀量 根据加工性质与加工余量
21、确定。在下列情况下，粗刀要分多次走刀： 工艺系统刚度低 加工余量太大 断续切削,9.4切削过程基本规律的应用,（2）确定进给量粗加工时，对加工表面质量要求不高，这时切削力较大，进给量的选择主要受切削力的限制。 半精加工和精加工时，因背吃刀量较小，产生的切削力不大，进给量的选择主要是受 加工表面质量要求的限制。 （3）确定切削速度 当刀具耐用度、背吃刀量与进给量选定后，可按有关公式计算切削速度。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.4刀具几何参数的合理选择,9.4.4.1前角的选择原则 （1）前角的选择原则 根据工件材料的性质选择前角。加工材料的塑性愈好，前角的数值应选得愈大。工件材料的强度、
22、硬度愈高时，为使刀刃具有足够的强度和散热面积，防止崩刃和刀具磨损过快，前角应小些。 根据刀具材料的性质选择前角。使用强度和韧性较好的刀具材料，可采用较大的前角；使用强度和韧性差的刀具材料，应采用较小的前角。 根据加工性质选择前角。粗加工时，应选择较大的前角， 但由于毛坯不规则和表皮很硬等情况，为增加刀刃的强度，应选择较小的前角；精加工时，选择的背吃刀量和进给量较小，切削力较小，为了使刃口缝里，保证加工质量，可选取较大的前角。,9.4切削过程基本规律的应用,（2）前刀面形式用于精加工刀具、成形工具、铣刀和加工脆性材料的正前角平面型。用于粗加工或精加工塑性材料的正前角曲面带倒棱型。用于切削高硬度材
23、料和淬火钢材料的负前角单面型。负前角双面型以保证切屑沿该棱面流出。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.4.2后角、副后角及后刀面的选择,（1）后角的选择原则后角主要根据切削厚度选择。粗加工时，进给量较大、切削厚度较大，后角应取小值；精加工时，进给量较小、切削厚度较小，后角应取大值。工件材料强度、硬度较高时，为提高刃口强度，后角应取小值。工艺系统刚性差，容易产生振动时，应适当减小后角。定尺寸刀具应选较小的后角，以增加重莫次数，延长刀具寿命。,9.4切削过程基本规律的应用,（2）副后角的选择 副后角通常等于后角的值。但一些特殊刀具，如切断刀，为了保证刀具的强度，可选012。 （3）后刀面的形式
24、 后刀面的形式有双重后角，可在后刀面上刃磨出一条有负后角的棱面，称为消振棱。刀具上的刃带起着使刀具稳定、导向和消振的作用。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.4.3主、副偏角的选择,主偏角的选择原则是，在工艺系统刚度允许的情况下，选择较小的主偏角，这样有利于提高刀具耐用度。在生产中，主要按工艺系统刚性选取。车刀常用的主偏角有45、60、75和90共四种。 副偏角Kr 主要是根据加工性质选取，一般情况下选取Kr =10 15，精加工时取小值。特殊情况，如切断刀，为了保证刀头强度，可选Kr 1 2。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.4.4刃倾角的选择,选择刃倾角时，应按照刀具的具体工作条
25、件进行具体分析，一般情况下可按加工性质选取。精车s=0 5；粗车s=0 -5；继续车削， s=-30 -45；大刃倾角精刨刀， s=75 80。,9.4切削过程基本规律的应用,9.4.4.5刀尖形式的选择,直线过渡刃，多用于粗加工或强力切削的车刀上；圆弧过渡刃可以减少加工表面粗糙度数值，且能提高刀具耐用度，但会增大背向力和容易产生振动；水平修光刃是在副切削刃靠近刀尖处磨出一小段；大圆弧刃是把过渡刃磨成非常大的圆弧形，它的作用相当于水平修光刃。,9.4切削过程基本规律的应用,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.1金属切削机床的分类及型号 9.5.1.1机床的分类 专门用于加工某一种（或几种）零
26、件根据国家标准GB/T15375-94，按加工性质和所用刀具的不同，机床可分为12大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、特种加工机床、锯床(切断机床) 和其它机床。,按机床通用性程度，可分为：通用机床（或称万能机床）、专门化机床和专用机床三类。 按加工精度的不同，可分为：普通精度级、精密级和高精度级机床。 按机床的质量和尺寸不同，可分为：仪表机床、中型（一般）机床、大型机床（质量达10t）、重型机床（质量30t以上）、超重型机床（质量在100t以上）。 按机床自动化程度，可分为：手动、机动、半自动和自动机床。 机床还可以按主要工作器官的数目进行分类，如：
27、单刀机床、多刀机床、单轴机床、多轴机床等。,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.5.2机床的型号,（1）机床的类型代号 通用机床的型号由基本部分和辅助部分组成,中间用“/”隔开,读作“之”。基本部分需统一管理,辅助部分纳入型号与否由生产厂家自定。,（2）机床的特性代号,9.5金属切削机床的基础知识,(3）机床的组和系代号 每类机床划分为10个组，每组又划分为10个系(系列)，都用一位阿拉伯数字表示。在同类机床中，主要布局或使用范围基本相同的机床，即为同一组；在同一组机床中，其主参数相同，主要结构及布局型式相同的机床，即为同一系。 （4）机床的主要参数 机床主参数代表机床规格大小，用折算值表示
28、，位于系代号之后。某些通用机床,当无法用一个主参数表示时，则在型号中用设计顺序号表示。机床的主轴数应以实际数值列入型号，置于主参数之后,用乘号“”分开。第二主参数(多轴机床的主轴数除外)一般不予表示，它是指最大模数、最大跨距、最大工件长度等，在型号中表示第二主参数，一般折算两位数为宜。 （5）机床的重大改进序号 当机床的结构、性能有更高的要求，需按新产品重新设计、试制和鉴定时，按改进的先后顺序选用A、B、C汉语拼音字母加在基本部分的尾部，以区别原机床型号。,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.2机床的运动,（1）表面成形运动根据切削过程中所起的作用不同，表面成形运动可分为主运动和进给运动。
29、（2）辅助运动机床上除了表面成形运动外，其他所有的运动都属于辅助运动。,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.3机床的组成,（1）主传动部件 （2）进给传动部件 （3）工件安装装置 （4）刀具安装装置 （5）支承件 （6）动力源,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.4机床的传动,9.5.4.1机床的机械运动（1）定比传动机构（2）变速机构（3）换向机构（4）操纵机构（5）箱体及其它装置,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.4.2机床的液压传动,（1）动力元件 （2）执行机构 （3）控制元件 （4）辅助装置 （5）工作介质,9.5金属切削机床的基础知识,9.5.4.3机床的气压传动和电气传动,气压传动以压缩空气作为工作介质，通过气动元件传递运动和动力。这种传动的主要特点是动作迅速，易于实现自动化，但运动不易稳定，驱动力较小。它主要用于机床的某些辅助运动。 电气传动应用电能，通过电气装置传递运动和动力，这种传动形式的电气系统比较复杂，成本较高，主要用于数控机床的伺服系统、大型和重型机床的驱动系统等。,9.5金属切削机床的基础知识,
