金属工艺学电子教学教案——第十二章 切削加工基础知识(高教版 王英杰主编)

第十二章切削加工基础知识一、教学组织1.复习提问10分钟2.讲解75分钟3.小结5分钟二、教学内容第一节切削加工概述一、切削加工的实质和分类♦切削加工是指利用切削工具从工件上切除多余材料，获得符合预定技术要求的零件或半成品的加工方法。

切削加工包括机械加工和钳工加工两种，其主要形式有：车削、钻削、刨削、铣削、磨削、齿轮加工以及钳工等。

二、切削加工在工业生产中的地位及特点(1)切削加工可获得相当高的尺寸精度和较小的表面粗糙度参数值。

(2)切削加工几乎不受零件的材料、尺寸和质量的限制。

第二节切削运动与切削用量一、切削运动♦在切削过程中，加工刀具与工件间的相对运动，就是切削运动。

切削运动包括主运动和进给运动两个基本运动。

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。

主运动可以是旋转运动，也可以是直线运动。

多数机床的主运动为旋转运动，如车削、钻削、铣削、磨削中的主运动均为旋转运动。

2．进给运动♦进给运动是由机床或人力提供的运动，它使刀具与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屑，并获得具有所需几何特性的已加工表面。

进给运动有直线、圆周及曲线进给之分。

直线进给又有纵向、横向、斜向三种。

任何切削过程必须有一个，也只有一个主运动。

进给运动则可能有一个或几个。

主运动和进给运动可以由刀具、工件分别来完成，也可以是由刀具单独完成。

二、切削用量切削用量要素包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素。

要完成切削，三者缺一不可，故又称为切削用量三要素。

♦待加工表面──工件上有待切除的表面；♦已加工表面──工件上经刀具切削后产生的表面；♦过渡表面──工件上由切削刃形成的那部分表面，它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。

1．切削速度υc♦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 。

2．进给量f♦进给量是指主运动的一个循环内(一转或一次往复行程)刀具在进给方向上相对工件的位移量。

3．背吃刀量a p♦吃刀量是两平面间的距离，该两平面都垂直于所选定的测量方向，并分别通过作用切削刃上两个使上述两平面间的距离为最大的点。

♦背吃刀量是指在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量。

车削时每次走刀切入的深度，即工件上待加工表面与已加工表面间的垂直距离，称为背吃刀量，也称切削深度，单位为mm。

第三节切削刀具一、刀具材料切削刀具一般由刀柄与刀体两部分组成。

刀柄是刀具的夹持部分，刀体则是指刀条或刀片等直接参与切削工作的部分，所以，刀体又称为切削部分。

刀柄一般只要求具有足够的强度和刚度，普通材料即可满足这些要求。

通常将刀条或刀片用钎焊或用机械夹固的方法固定在刀柄上，以降低刀具的制造成本。

(一)刀具材料应具备的基本性能(1)高硬度刀具材料的硬度必须大于被切削的工件材料的硬度，常温下一般要求60～65HRC。

(2)高热硬性指刀具在高温下保持其高硬度和高耐磨性的能力。

(3)较好的化学稳定性指刀具在切削过程中不发生粘结磨损及高温下的扩散磨损的能力。

(4)足够的强度和韧性指刀具材料承受冲击和振动而不破坏的能力。

除上述基本性能外，刀具材料还应该具备良好的热塑性、磨削加工性、焊接性、热处理工艺性等，以便于制造。

(二)常用刀具材料的种类及选用刀具材料主要有：碳素工具钢与合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼二、刀具角度(一)车刀切削部分的组成最常用的外圆车刀切削部分由三个刀面、两个切削刃和一个刀尖组成，简称三面、两刃、一尖。

(1)前面刀具上切屑流过的表面。

刀具前面可以是平面，也可以是曲面，目的是使切屑顺利流出。

(2)后面与工件上切削中产生的表面相对的表面，又称后刀面。

它倾斜一定角度以减小与工件的摩擦。

(3)副后面刀具上同前面相交形成副切削刃的后面。

它倾斜一定角度以免擦伤已加工表面。

(4)主切削刃刀具前面上拟作切削用的刃，即前面与后面的交线，担负主要切削任务。

(5)副切削刃切削刃上除主切削刃外的刀刃，即前面与副后面的交线，仅担负少量切削任务。

(6)刀尖主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃，并非绝对尖锐，一般呈圆弧状，以保证刀尖有足够的强度和耐磨性。

（二）车刀切削部分的几何参数1.坐标平面组成（1）基面过切削刃选定点的平面，它平行(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。

（2）切削平面通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面，称为切削平面。

过切削刃上任一点的切削平面与基面互相垂直，如图12－4。

（3）正交平面正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。

刀具的正交平面包括主切削刃正交平面(简称正交平面)和副切削刃正交平面，如图12－5所示。

车刀的基面、切削平面、正交平面在空间是相互垂直的，如图12－6所示。

（4）假定工作平面。

通过切削刃选定点并垂直于基面，平行于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，其方位平行于假定的进给运动方向。

（5）副切削平面。

通过副切削刃选定点与副切削刃相切并垂直于基面的平面。

2.刀具角度的基本定义(1)前角γ0在正交平面中测量的由前面与基面构成的夹角，表示前面的倾斜程度。

(2)后角α0在正交平面中测量的主后面与切削平面构成的夹角，表示主后面的倾斜程度。

(3)副后角α0′在副切削刃正交平面中测量的由副后面与副切削平面之间构成的夹角，表示副后面的倾斜程度。

以上三个角度表示车刀三个刀面的空间位置，都是两平面之间的夹角。

(4)主偏角κr 主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角。

它表示主切削刃在基面上的方位，在基面中测量。

(5)副偏角κr′副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间的夹角。

它表示副切削刃在基面上的方位，在基面中测量。

(6)刃倾角λs 在切削平面内主切削刃与基面之间的夹角。

该角度在切削平面内测量。

规定主切削刃上刀尖为最低时，λs为负值；主切削刃与基面平行时，λs为零；主切削刃上刀尖为最高点时，λs为正值。

上述三个角度表示车刀两个切削刃在空间的位置，分别在基本面和切削平面内测量。

以上为6个独立角度，此外还有4个派生角度：楔角β0、切削角δ、刀尖角εr 、副前角γ0′。

它们的大小完全取决于前6个角度。

其中γ0+α0+β0=90°；κr+κr′+εr=180°。

第四节金属切削过程中的物理现象金属切削过程中，伴随着一系列物理现象的产生，如滞流层与积屑瘤、切削力、切削热、刀具磨损等。

一、切屑种类切屑有崩碎切屑、带状切屑和节状切屑三种。

形成何种切屑主要取决于工件材料的塑性大小、刀具前角和切削用量。

切削脆性材料时易形成粒状切屑，切削塑性材料或切削速度高、刀具前角大时易形成带状切屑。

二、滞流层与积屑瘤在一定的切削速度范围内切削塑性材料时，经常发现在刀尖附近的前面上牢牢地粘附着一小块很硬的金属，这就是积屑瘤，又称刀瘤。

积屑瘤的产生过程是这样的：切屑与母体分离后，沿前面排出，这时切屑与前面之间产生高温高压作用，切削刃附近的底层金属与刀具前面产生很大的摩擦阻力，使得该层金属流动速度很低，此层称为滞流层。

当滞流层金属与刀具前面的外摩擦阻力超过切屑本身的分子结合力时，有一部分金属发生剧烈变形而脱离切屑，停留在刀具前面上形成积屑瘤，随后切屑底层金属在开始形成的积屑瘤上逐层积累，积屑瘤也就随之长大。

研究表明，刀具前刀面的温度在200℃～600℃范围内才会产生积屑瘤，而且积屑瘤的高度、大小也是变动的。

采用高速切削(υc >100m/min，使前刀面温度超过600℃)或低速切削(υc<5m/min，使前刀面温度低于200℃)、增大刀具的前角、研磨刀具的前面、使用冷却润滑液等措施，均可以避免刀具产生积屑瘤。

三、切削力♦刀具总切削力是刀具上所有参予切削的各切削部分所产生的总切削力的合力。

1.总切削力总切削力可F分解成三个相互垂直的分力F c、F f、F p。

其车削时的总切削力的计算公式是:F=(1)主切削力F c。

它是总切削力在主运动方向上的正投影，是三个分力中最大者，大约占总切削力的80%～90%。

消耗机床功率最多。

作用在刀具上，使刀片受压，刀柄受弯曲，因此，在实际应用中F c最重要，是计算机床功率、机床刚度，刀柄和刀片强度的主要依据。

(2)进给力F f 。

它是总切削力在进给运动方向上的正投影。

由于进给方向速度很小，因此，进给力做的功也很小，只占总功率的1%～5%，它是校验机床走刀机构强度的依据。

(3)背向力F p。

它是总切削力在垂直于工作平面上的分力。

它是与切削深度方向平行的分力，作用在工件的半径方向。

车内外圆和磨内外圆时不做功，但会引起工件轴线纵向弯曲变形，因而使轴与孔在长度方向切除的余量不均匀，使轴与孔各处直径不相同而变成腰鼓形。

另外，背向力还容易引起工件振动。

增大主偏角可以减小背向力。

2.影响切削力的因素与减小切削力的措施(1)工件材料。

材料的强度、硬度愈高，即变形抗力愈大，切削力就愈大。

(2)切削用量。

背吃刀量a p和进给量f决定了切削面积的大小，当两者加大时，切削力明显增大。

但a p的影响比f大，a p增大一倍，切削力也增大一倍；进给量增大一倍，切削力只增加70%～80%左右。

由此看来，减小背吃刀量a p可有效地降低切削力。

但减小背吃刀量会使生产率降低，所以，单纯地靠减小背吃刀量来减小切削力并不是十分理想的措施。

从减小切削力而又不降低生产率考虑，取大的进给量和小的背吃刀量是合算的。

切削速度υc对切削力的影响较小。

(3)刀具几何角度。

增大前角可有效地减小切削力；改变主偏角κr的大小，可改变F f与F p的比值；减小刃倾角，可有效地减小F f。

(4)冷却润滑条件充分的冷却润滑，可使切削力减小5%～20%。

同时还有利于减少刀具与工件的切削热。

四、切削热切削时所消耗的功几乎全部转化为热量，切削热的直接来源有两个：(1)内摩擦热由切削层金属的弹、塑性变形产生的热。

(2)外摩擦热由切屑与刀具前面、过渡表面与刀具后面、已加工表面与刀具副后面之间的摩擦产生的热。

切削热对刀具和被加工零件有较大的影响：(1)使刀具硬度降低，造成刀具很快磨损。

(2)温度过高时可能改变工件材料的金相组织，从而严重影响了零件的使用性能。

(3)使工件膨胀变形，从而影响测量及加工精度。

实验证明:充分的冷却润滑可使切削区的平均温度降低100℃～150℃左右。

五、刀具的磨损与刀具的耐用度刀具磨损主要有三种形式:后刀面磨损、前刀面磨损、前后两刀面同时磨损。

刀具两次刃磨中间的实际切削时间称为刀具的耐用度，单位为min。

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。