切削加工基本知识

1 切削加工基本知识

1.1 概述

切削加工是利用切削工具从毛坯或半成品上切除掉多余的材料，以获得形状、尺寸以及表面粗糙度等各方面都符合图纸要求的机械零件。切削加工是机械制造过程中的重要环节，零件的加工，特别是精度和表面质量要求较高的零件都必须经过切削加工。

切削加工分为机械加工和钳工。机械加工是由工人操作机床对工件进行切削加工，钳工一般由工人手持工具对工件进行切削加工。

零件的加工制造一般是在常温状态下进行的，不需要加热，故称为冷加工。切削加工是冷加工的主要方式，冲压加工和特种加工也属于冷加工。

1. 2切削运动分析及切削用量

1.2.1零件典型表面的种类及形成

零件都是由一个表面（如球面）或多个不同性质的典型表面组成的。因此，我们可以将各种各样的零件简化为数量有限的几个不同性质的典型表面的组合。绝大多数的零件由以下两大类表面组成：

1.2.1.1基本表面

（1）回转体表面是以直线为母线，以圆为运动轨迹，且母线与回转轴线在同一平面内（互相平行或相交）作旋转运动所形成的表面，如内、外圆柱面，内、外圆锥面。若母线为折线或曲线，则形成回转体成形表面。这类表面一般在车床、钻床、镗床、磨床等机床上加工。

（2）平面是以直线为母线，以另一直线为轨迹作平移运动时所形成的表面。若母线为折线或曲线，则形成纵向成形表面，如燕尾槽、齿条。这类表面一般在铣床、刨床、插床和磨床等机床上完成。

1.2.1.2型面

这是以曲线为母线，运动轨迹也为曲线或圆，作旋转或平移时所形成的表面，如各种造型模具的型腔、气轮机叶片。这类表面一般在数控铣床、加工中心、电火花机床等机床上完成的。

1.2.2切削运动

切削加工是靠切削运动实现的。所谓切削运动是指刀具与工件之间的相对运动。切削运动按其在切削加工中的作用，可分为主运动和进给运动。

1.2.1.1主运动主运动是由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件。在切削加工中主运动必须有，但只能有一个。其特点是速度最高、消耗动力最大。例如：车削时工件的旋转、铣削时铣刀的旋转。

1.2.1.2进给运动进给运动是由机床或人力提供的运动，它使刀具和工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断地或连续地切除切屑，并得出具有所需特性的已加工表面。在切削加工中进给运动可以有一个或多个。例如：车削时车刀的移动、铣削时工件的移动。各种机械加工的切削运动如图1-1所示（图中Ⅰ代表主运动，Ⅱ代表进给运动）。

图1-1 切削运动

1.2.3切削过程中工件上的三个表面和切削用量三要素

1.2.3.1切削过程中工件上的三个表面

切削加工时，在工件上出现三个不断变化的表面（图1-2），它们是：

待加工表面工件上即将被切去金属层的表面。

已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。

切削表面工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程，刀具或工件的下一转里被切除，或者由下一切削刃切除。

1.2.3.2切削用量三要素

图1-2切削用量

切削用量三要素是指切削速度、进给量和背吃刀量。这三个要素对切削加工质量、刀具磨损、生产率和机床动力消耗有重要影响。

1.2.2.1切削速度（）是指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。单位为m/s。

当主运动是工件的旋转运动时，切削速度为其最大线速度

式中D----工件待加工表面的直径(mm)

n----工件的转速(r/min)

当主运动为往复运动时取其平均速度

式中 L----往复运动的行程长度(mm)

n----主运动每分钟的往复次数(str/min)

1.2.2.2进给量（f）或进给速度（）进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量,用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述和度量。单位为mm/r或mm/str。

进给速度是指切削刃上选定点相对于工件地进给运动的瞬时速度。进给速度与进给量的关系为

式中n----工件或刀具的转速(r/min)

1.2.2.3背吃刀量（）背吃刀量是指在通过切削刃基点（作用主切削刃上的特定参考点，用以确定如作用切削刃截形和切削层尺寸等基本几何参数，通常把它定在将作用切削刃分成两相等长度的点上）并垂直于工作平面（通过切削刃选定点并同时包含主运动方向和进给运动方向的平面）的方向上测量的吃刀量。在车外园时，即为工件上待加工表面和已加工表面的垂直距离，即：（mm）

1.3 机械零件的加工质量

机械零件的加工质量是指零件的加工精度和表面质量。零件的加工质量直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量和经济性。

1.3.1 零件的加工精度

加工精度是指加工后零件的尺寸、形状和表面间相互位置等几何参数与理想几何参数相符合的程度。零件的几何参数加工得绝对准确是不可能的，也是没有必要的。实际几何参数对理想几何参数的偏离称为加工误差。在保证零件使用要求的前提下，对加工误差规定一个范围，称为公差。零件的加工精度是指尺寸精度、形状精度和位置精度。

1.3.1.1尺寸精度尺寸精度是指零件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）的精确程度。尺寸精度用尺寸公差等级或相应的公差值来表示。尺寸公差分为20级，即IT01、IT0、IT01至IT18。“IT”表示标准公差，后面的数字表示公差等级。从IT01至IT18等级依次降低。IT01至IT12用于配合尺寸，IT13至IT18用于非配合尺寸。

1.3.1.2 形状精度形状精度是指零件上的被测要素（线和面）相对于理想形状的精确程度。形状精度用形状公差来控制，形状公差常用的有：直线度、平面度、圆度和圆柱度等。

1.3.1.3位置精度位置精度是指零件上被测要素（线和面）相对于基准之间的位置准确度。位置精度用位置公差来控制。位置公差常用的有：平行度、垂直度、同轴度和圆跳动。对于一般机床能够保证的形位公差要求，图样上不必标出。形位公差等级分1～12级（圆度和圆柱度分为0～12级），同尺寸公差一样，等级数值越大，公差值越大。形位公差国家标准中规定的控制零件形位误差的项目和符号如表1-1。

表1-1形位公差项目及符号

1.3.2 零件的表面质量

零件的表面质量是指零件的表面粗糙度、波度、表面层冷变形强化程度、表面残余应力的性质和大小以及表面层金相组织等，其中实际生产中最常用的是表面粗糙度。

零件的表面总是存在一定程度的凹凸不平，即使是看起来光滑的表面，经放大后观察，也会发现凹凸不平的波峰波谷。零件表面的这种微观几何不平度称为表面粗糙度。

国家标准规定了表面粗糙度的多种评定参数，生产中最常用的是轮廓算术平均偏差：即在取样长度内，轮廓上各点至中线距离绝对值的算术平均值，单位为。如图1-3。

或

图1-3 轮廓算术平均偏差

一般来说，零件的精度要求越高，表面粗糙度值要求越小，配合表面的粗糙度值比非配合表面小，有相对运动的表面比无相对运动的表面粗糙度值小，接触压力大的运动表面比接触压力小的运动表面粗糙度值小。而对于一些装饰性的表面则表面粗糙度值要求很小，但精度要求却不高。

与尺寸公差一样，表面粗糙度值越小，零件表面的加工就越困难，加工成本越高。

1. 4机械加工工艺装备

零件的机械加工工艺过程是按照一定的顺序，根据零件表面性质及加工技术要求，分成若干工序在不同的机床上完成的。要完成任何一道工序，除了需要机床这一主要设备外，还必须有一些工具，如卡盘、车刀、卡尺和钻夹头等，这些工具统称工艺装备。工艺装备可分为四类：刀具、夹具、量具和辅具。其中辅具是用于装夹刀具的装置（如铣床刀杆、钻床钻夹头等）。工艺装备是机械加工中不可缺少的生产手段，是生产组织准备阶段的主要工作。

1.4.1刀具

刀具是切削加工中影响生产率、加工质量和成本最活跃的成本。刀具的性能取决于刀具切削部分的材料和刀具的几何形状。

1.4.1.1 刀具切削部分的材料

（1）刀具的工况

金属材料的切削加工主要依靠刀具直接完成。刀具在切削加工中不但要承受很大的切削力，还要承受摩擦力、压力、冲击和振动；此外，在切屑和工件的强烈摩擦下，使工作温度很高。因此，刀具切削部分的材料必须具备良好的性能。