材料性能及其加工第17章金属切削加工基础知识.ppt
第17章 金属切削加工基础知识,本章知识点先导案例第一节 常用切削刀具第二节 切削运动和切削要素第三节 切削刀具基本定义第四节 刀具材料第五节 切削过程中的物理现象知识扩展先导案例解决本章小结思考题,本章知识点,1掌握切削运动的原理和切削要素。2掌握刀具定义和刀具材料。3了解常用切削刀具的分类及切削的物理现象。,返回,先导案例,试分析切削低碳钢、高碳钢时，如何改善其切削加工性能。,返回,第一节 常用切削刀具,一、车刀1车刀的种类和用途车刀的种类很多，具体可按用途和结构分类。（1）按用途分类。车刀可分为外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等。如图17-1所示。（2）按结构分类。车刀可分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。2焊接车刀焊接车刀是由一定形状的刀片和刀杆通过焊接连接而成的。刀片一般选用各种不同牌号的硬质合金材料，而刀杆一般选用45钢，使用时根据具体需要进行刃磨。具有结构简,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,单、紧凑、刀具抗振性强、制造方便等优点，但焊接车刀的刀片经过高温焊接后，切削性能有所降低，而且刀杆不能重复使用，换刀和对刀的时间较长，不适用自动机床和数控机床的需要。3可转位车刀可转位车刀是使用可转位刀片的机夹车刀。（1）可转位车刀的组成。可转位车刀由刀杆、刀片和夹紧元件组成，如图17-2所示。（2）硬质合金可转位刀片的形状。常用的有三角形、偏8三角形、凸三角形、正方形、五角形和圆形等。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,（3）可转位车刀刀片夹紧结构。常用的夹紧机构有偏心式、杠杆式、杠销式、楔销式和上压式等。（4）可转位车刀的特点。刀片不经焊接、刃磨，可避免脱焊、裂纹等缺陷，提高了刀片的寿命，而且刀杆可以重复使用。可以为工业化大生产提供先进的、合理的刀具几何参数。刀片可转位使用，切削刃全用钝后，只需更换相同规格的刀片即可，效率提高，适合于大批量生产。而且，可转位车刀的几何角度完全由刀片和刀槽的几何角度决定，切削性能稳定，在数控机床、自动线上极其重要。有利于标准化设计和大量生产，有利于采用先进的涂层刀片。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,二、孔加工刀具孔加工方法很多，机械加工中最常见的是在车床、钻床和镗床上进行孔的加工。孔加工刀具分为两类：一类是在实体上加工出孔的刀具，主要有扁钻、麻花钻、中心钻及深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具，主要有扩孔钻、锪钻、铰刀及镗刀等。1麻花钻麻花钻由柄部、颈部和工作部分所组成，如图17-3所示。柄部用于装夹并传递钻削力和转矩。颈部主要用来连接柄部和工作部分。工作部分由导向部分和切削部分组成。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,导向部分，即钻头的螺旋槽部分，它的径向尺寸决定了钻头的直径d0。螺旋槽是排屑的通道，两条棱边起导向作用，导向部分也是钻头的备磨部分。切削部分，见图17-3（b），由两个螺旋形前刀面、两个经刃磨获得的后刀面、两个圆柱形的副后刀面（棱边）组成。前刀面与后刀面的交线形成两条主切削刃，前刀面与棱边交线形成两条副切削刃，两后刀面交线形成横刃。2铰刀铰刀用于中小直径孔的半精加工与精加工，因铰削加工余量小，铰刀齿数多，铰刀刚性和导向性好，工作平稳，加工精度可达IT7IT6，表面粗糙度Ra达1.60.4m。铰刀的种类，如图17-4所示。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,三、铣刀铣削生产效率高、应用广泛，可以加工平面、沟槽、螺纹、齿轮及其他成形表面，是金属切削加工的主要方法之一。1）铣削平面的铣刀（1）圆柱铣刀。如图17-5（a）所示，切削刃成螺旋状分布在圆柱体表面上，两端无切削刃。常用来加工平面，铣削平稳，生产效率高。（2）硬质合金面铣刀。如图17-5（b）所示，面铣刀的切削刃分布在铣刀端面。铣刀轴线垂直于被加工表面，多用于立式铣床上加工平面。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,2）铣沟槽铣刀（1）盘形铣刀。盘形铣刀主要有槽铣刀图17-5（c）、两面刃铣刀图17-5（d）、三面刃铣刀图17-5（e）、错齿三面刃铣刀图17-5（f）等。常用于加工台阶面、沟槽等。（2）键槽铣刀。如图17-5（h）所示，是铣键槽的专用铣刀，使用时先轴向进给切入工件，然后沿键槽方向进给铣出全槽。（3）立铣刀。如图17-5（g）所示。其圆柱面上的螺旋刃是主切削刃，端面上的切削刃是副切削刃。一般不能作轴向进给，可加工平面、台阶面、沟槽等。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,（4）角度铣刀。可分为单角度铣刀图17-5（i）和双角度铣刀图17-5（j）主要用于铣削沟槽和斜面。（5）成形铣刀。如图17-5（k）所示，用于加工成形表面，其刀齿廓形需根据被加工工件的廓形来确定。四、砂轮磨削一般用于半精加工和精加工各种内圆、外圆、平面、螺纹、花键、齿轮等表面。砂轮是磨削加工使用的切削工具，是由很多磨粒用黏结材料结合在一起经烧结而成的多孔体，如图17-6所示。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,砂轮的特性由磨料、粒度、结合剂、硬度及组织五个参数决定。1磨料磨料是砂轮的基本材料。必须具有高硬度、耐热性、耐磨性和相当的韧性，在切削受力过程中破碎后还要能形成锋利的棱角。其种类、性能等见表17-1所列。2粒度粒度是指磨料颗粒尺寸的大小程度。3结合剂结合剂的作用是将磨料黏合成具有一定强度和形状的砂轮。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及耐腐蚀性主要取决于结合剂的性能。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,4硬度砂轮的硬度是指砂轮表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。若磨粒容易脱落，则称砂轮软，硬度低；反之，则称砂轮硬、硬度高。由此可见，砂轮的硬度和磨料的硬度是两个不同的概念。砂轮的硬度取决于结合剂的黏结能力与其在砂轮中所占比例的大小，而与磨料的硬度无关。当磨削硬材料时，磨料容易磨钝，应选择较软的砂轮；磨削软材料时，磨粒不易变钝，应采用较硬的砂轮，以充分利用磨粒的切削能力，延长砂轮的寿命。磨削导热性差的材料（如不锈钢、硬质合金）及薄壁件时，为避免工件烧伤或变形，应选软砂轮；精磨或成形磨削时，为了在较长时间内，能保持砂轮的形状，就选较硬的砂轮。,上一页,下一页,返回,第一节 常用切削刀具,5组织组织是指砂轮中磨粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占比例越大，气孔越小，砂轮的组织越紧密；反之，则组织疏松，如图17-7所示。一般磨削面积大的或薄壁件磨削时，为利于容屑，防止变形及工件烧伤，应采用组织疏松的砂轮。有色金属韧性大，砂轮气孔易被磨屑堵塞，一般不宜磨削。6砂轮的形状、用途为了适应在不同类型的磨床上磨削各种不同形状和尺寸工件的需要，砂轮需制成不同的形状和尺寸，表17-2中列出了砂轮的名称、代号和用途。,上一页,返回,第二节 切削运动和切削要素,一、切削加工概述利用刀具和工件之间的相对运动，从毛坯或半成品上切去多余的金属，以获得所需要的几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的零件，这种加工方法叫金属切削加工，也叫冷加工。1切削加工的分类金属切削加工方式很多，一般可分为车削加工、铣削加工、钻削加工、镗削加工、刨削加工、磨削加工、齿轮加工及钳工等。2切削加工的特点及应用切削加工的主要特点是：工件精度高、生产率高及适应性好，凡是要求具有一定几何精度和表面粗糙度的零件，通常都采用切削加工方法来制造。,下一页,返回,第二节 切削运动和切削要素,二、切削运动机械零件的形状很多，它们的表面都是由圆柱面、圆锥面、平面和各种成形面组成。各种形状的表面是以直线（或曲线）为母线，以曲线（或直线）为运动轨迹所形成的面，如图17-8所示。在切削加工过程中，刀具和工件之间的相对运动称为切削运动。按其所起的作用，切削运动分为两类。主运动。切下切屑所必需的基本运动称为主运动。在切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率也最大。进给运动。使被切削的金属层不断投入切削的运动称为进给运动。由于金属切削加工方式的不同，这两种运动的表现形式也不相同。如图17-9所示为几种主要切削加工的运动形式。,上一页,下一页,返回,第二节 切削运动和切削要素,三、切削用量切削用量是切削速度、进给量及背吃刀量的总称。在了解切削用量之前，应当注意到，在切削加工过程中，工件上存在三种表面。以车削为例，如图17-10所示，即待加工表面需要切去金属的表面。已加工表面切削后得到的表面。过渡表面正在被切削的表面。过渡表面亦称为切削表面或加工表面。1切削速度切削速度指主运动的线速度，以表示，单位为m/s。当主运动为旋转运动时，其切削速度可按下式计算：,上一页,下一页,返回,第二节 切削运动和切削要素,式中D被切削件（或刀具）的直径，mm；n被切削件（或刀具）的转速，r/min。由上式可知：当已知机床主轴转速（即工件或刀具的转速）n和工件直径D时，可求出切削速度v。当已知工件直径D和切削速度v时，也可求出机床主轴的转速n。2进给量进给量指工件（或刀具）每转一转时，刀具（或工件）沿进给方向移动的距离（也称走刀量），以f表示，单位为mm/r。如主运动为往复直线运动（如刨削、插削），则进给量的单位为mm/双行程。通常，切削加工中的主运动只有一个，而进给运动可以是一个或几个。,上一页,下一页,返回,第二节 切削运动和切削要素,3背吃刀量背吃刀量指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离（旧称切削深度），以ap表示，单位为mm。在车床上车外圆时，背吃刀量计算公式为式中D工件待加工表面的直径，mm；d工件已加工表面的直径，mm。上述切削速度、进给量和背吃刀量称为切削用量三要素。它们与加工质量、刀具磨损、机床动力消耗以及机床生产率等参数密切相关，因此应该合理选择和使用切削用量。,上一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,金属切削的刀具种类繁多，形状各异，但从刀具切削部分的几何特征来看，却具有共性。外圆车刀的切削部分的形态可看作是各种刀具切削部分的基本形态。一、车刀切削部分的组成图17-11所示是常见的直头外圆车刀，它由刀杆和刀头（刀体和切削部分）组成。切削部分由不同刀面和切削刃构成，定义如下。前刀面A刀具上切屑流经的刀面；后刀面A切削过程中，刀具上与过渡表面相对的刀面；,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,副后刀面A切削过程中，刀具上与已加工表面相对的刀面；主切削刃S刀具前刀面与后刀面的交线，它担负着主要的切削工作。至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面；副切削刃S刀具前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并形成已加工表面；刀尖主、副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃，它可以是一个点、直线或圆弧形状的一小部分切削刃。二、刀具角度坐标平面参考系要表示刀具切削部分各个面、刃的空间位置，就必须将刀具置于一空间坐标平面参考系内。该参考系包括参考坐标平面和测量坐标平面。,上一页 下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,1参考坐标平面基面通过切削刃上选定点，垂直于主运动方向的平面，记作pr；切削平面过切削刃上选定点，包括切削刃或切于切削刃（曲线刃）且垂直于基面的平面，记作ps。2测量坐标平面正交平面通过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，记为po；法平面通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面，记作pn。3坐标平面参考系（1）正交平面参考系由pr、ps、po组成的平面参考系，如图17-12（a）所示,上一页,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,（2）法平面参考系由pr、ps、pn组成的平面参考系，如图17-12（b）所示。三、刀具的标注角度刀具的标注角度是刀具设计、制造、刃磨和测量的依据。下面简要介绍在正交平面参考系中的刀具标注角度，如图17-13所示。1基面pr内测量的角度主偏角主切削刃在基面pr上的投影与进给方向之间的夹角，记为r；副偏角副切削刃在基面pr上的投影与进给方向之间 的夹角，记为r。2切削平面ps内测量的角度,上一页,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,刃倾角在主切削平面ps内测量的主切削刃S与基面pr间的夹角，记为s；有正负之分，刀尖位于切削刃的最高点时，s为正，反之为负，如图17-14所示。3正交平面po内测量的角度前角在正交平面po内测量的前刀面A与基面pr间的夹角，记为o；有正负之分，前刀面A位于基面之上时，o为负，反之为正；后角在正交平面po内测量的后刀面A与切削平面ps间的夹角，记为o。上述五个角度就确定了主切削刃及前、后刀面的方位，其中o、s确定前刀面方位，r、o确定后刀面方位，r、s确定主切削刃的方位。,上一页,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,四、刀具几何参数的合理选择1刀具几何参数的内容（1）切削刃的形状。它直接影响切削刃各点工作角度的变化，影响切削刃的受力状况。以车刀为例，有直线、折线、圆弧、波形、刀尖过渡、分段等。（2）切削刃区剖面形式。它主要影响切削时的温度、振动等。主要有：锋刃、负倒棱刃、消振棱、倒圆刃、刃带等，如图17-15所示。（3）刀面形式。它影响切屑的变形、卷屑和断屑，对切削力、切削热及刀具的磨损都有影响。常见的刀面形式有：前刀面上的卷屑槽（如图17-16所示）、断屑槽，后刀面的双重刃磨、铲背以及波形刀面等。,上一页,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,（4）刀具几何角度。刀具的基本角度o、o、r、r、s等，它对保证零件的加工质量和提高生产效率是十分重要的。2刀具角度的选择（1）前角o。增大前角，切屑易流出，可使切削力降低，切削轻快，但前角过大时，会削弱刀刃强度及散热能力，使刀具的寿命降低。当加工塑性材料、工件材料硬度较低、刀头材料韧性较好或精加工时，前角值可取大些；当加工脆性材料、工件材料硬度较高、刀头材料韧性较差或粗加工时，前角值可取小些。加工各种材料的前角参考值约为：铝合金2535、铜合金35、低碳钢2025、不锈钢1525、中等硬度钢如45钢、40Cr钢取1020、高碳钢取5、灰铸铁取15。,上一页,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,（2）后角o。增大后角，可减少刀具后面与工件之间的摩擦，但后角过大时，刀刃强度将降低，散热条件变差，刀具容易损坏。一般，当加工塑性材料和精加工时，后角可取大些。通常，用高速钢制成的车刀，其后角约为615；用硬质合金制成的车刀在强力切削时，其后角为36、精车时为812。（3）主偏角r。在切削深度和进给量不变的情况下，增大主偏角，可使切削力沿工件轴向力加大，径向力减小，有利于加工细长轴并减小振动。但是，由于主刀刃参加切削工作的长度减小，刀刃单位长度上切削力加大，散热性能下降，刀具磨损加快。通常，当加工细长轴时，主偏角选取7590；强力切削时选取6075；加工硬材料时，选取1030。,上一页,下一页,返回,第三节 切削刀具基本定义,（4）刃倾角s。增大刃倾角有利于提高刀具承受冲击的能力。当刃倾角为正值时，切屑向待加工面方向流动；为负值时，切屑向已加工面方向流出，如图17-17所示。通常，精车时，刃倾角值取04；粗车时取-10-5。,上一页,返回,第四节 刀具材料,在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量、刀具消耗和加工成本。刀具材料的发展在一定程度上推动着金属切削加工的进步。一、对刀具切削部分材料的基本要求刀具切削部分在切削过程中，承受很大的切削力和冲击力，并且在很高的温度下进行工作，摩擦十分剧烈。为保证切削的进行，刀具切削部分材料必须具备以下基本要求。（1）高硬度。其材料的硬度必须高于被切工件的硬度，常温硬度必须在62HRC以上。（2）高耐磨性。耐磨性是表示刀具材料抵抗磨损的能力。它取决于材料本身的硬度、化学成份和金相组织。,下一页,返回,第四节 刀具材料,一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。金相组织中碳化物越多、颗粒越细、分布越均匀，其耐磨性越好。（3）足够的强度和韧度。刀具切削时要承受很大的压力、冲击和振动，刀具材料必须具有足够的抗弯强度bb和冲击韧度k。一般用刀具材料的抗弯强度bb表示它的强度大小；用冲击韧度k表示其韧性的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂、崩刃的能力。（4）高的热硬性。高的热硬性是指刀具在高温下仍能保持高硬度的性能，通常用红硬性表示。热硬性越好，允许的切削速度越高，因此，它是衡量刀具材料性能的重要指标。（5）良好的工艺性和经济性。为便于制造刀具，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造、磨削、热处理、焊接等性能，同时，价格要求低廉。,上一页,下一页,返回,第四节 刀具材料,二、常用刀具材料性能的比较刀具材料的种类主要有工具钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料四大类，目前使用最多的是高速钢和硬质合金。1工具钢（1）优质碳素工具钢。它淬火后有较高的硬度，容易磨得锋利，但其热硬性差，在200250时，硬度就明显下降，因此，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。常见的牌号有T10A、T12A等。（2）合金工具钢。它较碳素工具钢有较高的热硬性和韧性，其热硬性温度为300350，仅用于切削速度较低的场合。常见的牌号有CrWMn、9CrSi等。（3）高速钢。是含有W（钨）、Mo（钼）、Cr（铬）、V（钒）等合金元素较多的工具钢，俗称白钢、风（锋）钢。热硬性温度可达550600，强度、韧性、工艺性均,上一页,下一页,返回,第四节 刀具材料,较好，热处理变形小，刃磨后切削刃比较锋利，可制造各种刀具，尤其是复杂刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、拉刀、齿轮刀具等。加工材料范围也很广泛，如钢、铁和有色金属等。常用的牌号有：W18Cr4V（简称W18）、W6Mo5Cr4V2（简称M2）、W9Mo3Cr4V（简称W9）等。2硬质合金硬质合金是由硬度和熔点都很高的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属黏结剂（如Co、Ni、Mo等）研制成粉末，按一定比例混合、压制成形，在高温高压下烧结而成。由于硬质合金中含有大量金属碳化物，其硬度、熔点都很高，化学稳定性也好，因此硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，硬度可达8993HRA，热硬性温度高达9001 000，允许的切削速度比高速钢高47倍，但抗弯性和冲击,上一页,下一页,返回,第四节 刀具材料,韧度较高速钢低。硬质合金由于切削性能优良，已成为主要的刀具材料，一般制成各种形状的刀片焊接或夹固在刀体上使用。一些形状复杂的刀具如麻花钻、齿轮滚刀、铰刀、拉刀等也日益广泛采用此材料。硬质合金成份、性能及用途见表17-3所列。表中所列硬质合金都是以WC为基体，加入TiC可以提高硬质合金的硬度、耐热性和耐磨性，加入TaC（碳化钽）或NbC（碳化铌）后，不仅提高了耐磨性和抗弯强度，而且提高了韧性，表现出较好的综合性能。3陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料主要有两大类，即氧化铝（Al2O3）基陶瓷材料和氮化硅（Si3N4）基陶瓷材料。陶瓷刀具的硬度达9195HRA，超过硬质合金，其耐磨性为一般硬质合金的5倍。耐热性高，在1200时仍保持80HRA，而且化学稳定性好，与钢不易亲和，抗黏结、抗扩散能力较强；又具有较低的摩擦因数。但陶瓷刀具的最大的缺点是抗弯强度低、抗冲击性能差，刀片易破损。,上一页,下一页,返回,第四节 刀具材料,陶瓷刀具主要用于高速精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢等。4超硬材料（1）人造金刚石。人造金刚石是在高温高压下由石墨转化而成的，其硬度接近于10 000HV，是目前人工制成的硬度最高的刀具材料。但人造金刚石的耐热性差，切削温度超过800时就会失去切削能力，而且高温时金刚石极易氧化、碳化，与铁发生化学反应，导致刃口破裂，故不适合加工铁族材料。目前主要可用于高速精加工有色金属及合金、非金属硬脆材料以及用作牙科磨具和磨料。（2）立方氮化硼。立方氮化硼（CBN）是由立方BN（hBN）在高温高压下加入氮化剂转变而成。其硬度高达8 0009 000HV，耐磨性好，耐热温度高达1 400，主要用于对高硬度、高强度淬火钢和耐热钢、冷硬铸铁进行半精加工和精加工，也适用于有色金属的精加工。,上一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,一、切屑的形成切屑的形成过程，其实质是一种挤压过程。在挤压过程中，被切削的金属主要经历剪切滑移变形而形成切屑。切削塑性材料时，当工件受到刀具挤压后，随着刀具继续切入，材料内部的应力、应变逐渐增大。产生的应力达到材料的屈服点时，开始产生滑移即塑性变形，如图17-18所示。随着刀具连续切入，原来处于始滑移面OA上的金属不断向刀具靠近，当滑移过程进入终滑移面OM位置时，应力应变达到最大值，若切应力超过材料的强度极限时，材料被挤裂。越过OM面后切削层脱离工件，沿着前刀面流出而形成切屑。,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,二、切屑的形态由于工件材料、切削条件的不同，因此产生的切屑种类也不一样。按其机理可分为四大类：带状切屑、挤裂切屑、单元切屑、崩碎切屑，如图17-19所示。1带状切屑带状切屑是底面光滑，上表面呈毛茸状的连续状切屑。通常，用较大前角刀具高速、小切削厚度切削塑性材料时易产生带状切屑。形成带状切屑时，切削过程平稳，波动小，已加工表面粗糙度值小，但切屑连续不断，会缠绕在刀具或工件上，不够安全，故需采取断屑措施。2挤裂切屑挤裂切屑是底面光滑，有时出现裂纹，上表面呈锯齿状的连续带状切屑。这种切削过程有轻微的振动，已加工表面粗糙度值较前者大。其产生条件与前者相比切削速度、刀具前角均有减小，切削厚度有所增加。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,3单元切屑单元切屑的形状呈粒状，裂纹贯穿切屑。这种切削过程不平稳，产生较大振动，使已加工表面粗糙度值增大，切削力波动大。其产生条件与前者相比切削速度、前角进一步减小，切削厚度进一步增加，是在加工塑性材料时较少见的一种切屑形态。4崩碎切屑在加工铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属未经明显的塑性就突然崩碎，而形成崩碎屑、粉状屑、片状屑、针状屑等。其切削过程振动较大，切削力集中作用在刀刃处，已加工表面粗糙度值较大。切屑的形状、断屑和卷屑的难易，主要受工件材料性能的影响，通过认识各类切屑形成的规律，适当改变切削条件，就可以使切屑的变形受到控制，得到预期的切屑形状。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,三、积屑瘤在一定的切削速度下加工塑性材料时，在刀具的前刀面上靠近刀刃的部位，常发现黏附着一小块很硬的金属，它包围切削刃，覆盖刀具的部分前面，这块金属称为积屑瘤，如图17-20所示。其组织和性质既不同于工件材料，又不同于刀具材料，硬度很高，处于稳定状态时，能代替切削刃进行切削。1积屑瘤的形成切削加工时，在切屑流经前刀面过程中，由于极大的变形产生的高温和极大的压力使切屑在前刀面上流动速度变慢而导致“滞流”，当滞流层冷作硬化后，形成了能抵抗切削力作用而不从刀面上脱落的刀瘤核，滞流层在刀瘤核上不断地堆积，形成了刀瘤。当刀瘤长到一定的程度时，不再继续生长，便形成了一个完整的积屑瘤。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,2积屑瘤对切削加工的影响（1）对刀具强度的影响。由于积屑瘤的硬度很高（为工件硬度的23.5倍），附着在切削刃及前刀面上，可代替切削刃进行切削，起到了保护刀面、减少刀具磨损、增强切削刃的作用。（2）对切削力的影响。积屑瘤黏结在前刀面上，增大了刀具的实际前角，可使切削力减小，因此，在粗加工中，可利用它来保护切削刃。（3）对已加工表面的影响。由于积屑瘤顶部的不稳定性，时生时灭，会造成切削厚度的波动，这将影响工件的尺寸精度，而且其碎片随机性散落，可能会黏附在已加工表面上，从而会使已加工表面变得粗糙。因此，在精加工时应避免形成积屑瘤。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,3避免产生积屑瘤的措施当工件材料一定时，影响积屑瘤形成的主要因素有切削速度、进给量、刀具材料、前角及切削液等，可以采用以下措施避免产生积屑瘤。（1）降低工件材料的塑性，提高硬度，以减少滞流层的形成。（2）采用低速或高速切削、减小进给量、增大刀具前角可减少积屑瘤的形成。（3）适当地使用切削液以降低切削温度也有利于防止积屑瘤的产生。四、切削力1切削力的来源切削力是切削过程中重要的物理现象，它直接影响工件质量、刀具寿命和机床动力消耗等。切削过程中的能量主要消耗,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,在克服切削变形时产生的抗力、克服刀具前刀面和切屑之间以及刀具后刀面和工件之间的摩擦阻力。这些抗力和阻力构成了切削过程中的总切削力，用F表示。为了便于分析，可以把作用在刀具上的总切削力F分解成三个相互垂直的切削分力，如图17-21所示。（1）主切削力Fc。垂直于基面且与切削主运动速度方向一致。是计算机床动力的主要依据，消耗功率95%以上。（2）背向力Fp。在基面内，与切削进给速度方向垂直。其反作用于工件上，容易使工件变形，同时还会引起振动，使工件的表面粗糙度值增大。（3）进给力Ff。在基面内，与进给速度方向平行。它作用于机床进给机构上，是验证进给系统零件强度和刚度的依据。由图17-21可知,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,2影响切削力的大小的因素（1）工件材料的影响。一般来说，工件材料的强度、硬度愈高，韧性、塑性愈好，愈难切削，切削力也愈大。（2）切削用量的影响。当背吃刀量ap和进给量f增加时，切削力也将增大。在车削加工时，当ap加大一倍，Fc也增大一倍；而f加大一倍，Fc只增大68%86%，因此，从切削力角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。而切削速度对切削力的影响不显著。（3）刀具几何参数的影响。前角和后角对切削力的影响最大，前角愈大切屑变形小，切削力也小，后角愈大，刀具后刀面与工件加工表面间的摩擦愈小。当改变主偏角的大小，可以改变轴向力与径向力的比例。特别是加工细长工件时，经常采用较大的主偏角以使径向力减小。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,五、切削热与切削温度切削热是切削过程中的另一重要物理现象。切削热主要来源于三方面：一是正在加工的工件表面和已加工表面发生的弹性变形和塑性变形会产生大量的热，是切削热的主要来源；二是切屑与刀具前刀面之间的摩擦产生的热；三是工件与刀具后刀面之间的摩擦产生的热。切削时所消耗的功有98%99%转换为切削热。切削热主要来源于三个变形区，约75%的切削热通过切屑传出，20%通过刀具传出，4%通过工件传出，余下的1%由空气传出。切削热和它产生的切削温度是刀具磨损和影响工件质量的重要原因。切削温度过高，会使刀头软化，磨损加剧，寿命下降；工件和刀具受热膨胀，会导致工件精度超差，影响加工精度，特别是在加工细长轴、薄壁套时，更应注意热变形的影响。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,切削速度对切削温度的影响最明显，因此，在选择切削用量时，一般选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度更有利于降低切削温度。合理选择刀具材料及几何参数可以减少切削热的产生和加快热量的导出。在生产实践中，为了有效地降低切削温度，经常使用切削液，切削液能带走大量的热，对降低切削温度的效果显著，同时还能起到润滑、清洗和防锈的作用。常见的切削液有如下几种。1切削油切削油主要是各种矿物油、动植物油和加入油性、极压添加剂的混合油。其润滑性能好，但冷却性能较差，主要用来减少磨损和降低工件的表面粗糙度，一般用于低速精加工，如铣削加工和齿轮加工等。2水溶液水溶液主要成份是水，加入防锈剂、表面活性剂或油性添加剂。其热导率高、流动性好，主要起冷却作用，同时还具有防锈、清洗等作用。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,3乳化液乳化液由乳化油加水稀释而成，液体呈乳白色或半透明状，有良好的流动性和冷却作用，也有一定的润滑性能，是应用最广泛的切削液。低浓度的乳化液用于粗车、磨削；高浓度乳化液用于精车、钻孔和铣削等。在乳化液中加入硫、磷等有机化合物，可提高润滑性。适用于螺纹、齿轮等精加工。但应当注意以下几点。（1）在加工铸铁时一般不用切削液，因为铸铁中所含的石墨成份，可以起到润滑作用。（2）当采用硬质合金刀具加工工件时，一般不用切削液，因硬质合金的热硬性好，能耐高温，用切削液时却可能使它产生裂纹，导致刀具失效。（3）在切削铜料时不宜用含硫的切削液，因硫能腐蚀铜,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,六、刀具的磨损和耐用度在切削过程中，刀具在高压、高温和强烈摩擦条件下工作，切削刃由锋利逐渐变钝以至失去正常切削能力。刀具磨损超过允许值后，须及时刃磨，否则会引起振动并使加工质量下降。1刀具的磨损刀具正常磨损时，按磨损部位不同，可分为主后面磨损、前刀面磨损、前刀面和主后面同时磨损三种形式，如图17-22所示。1）主后面磨损切削脆性材料或较低的切削速度和较小的切削层公称厚度切削塑性材料时，前刀面上的摩擦力不大，温度较低，这时磨损主要发生在主后面上，磨损程度用平均磨损高度VB表示。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,2）前刀面磨损以较高的切削速度和较大的切削层公称厚度切削塑性材料时，切屑对前刀面的压力大，摩擦剧烈，温度高，在前刀面附近出现月牙洼，月牙洼扩大到一定程度，刀具就会崩刃。前刀面磨损程度用月牙洼最大深度KT表示。3）前刀面、主后刀面同时磨损以中等切削速度和中等切削层公称厚度切削塑性材料时，常会发生这种磨损。2刀具耐用度刀具两次刃磨之间实际切削的时间，称为刀具的耐用度。在实际生产中，不可能经常测量刀具的磨损程度。而是规定刀具的使用时间。调查表明：硬质合金车刀，耐用度为6090min，钻头的耐用度为80120min，硬质合金铣刀的耐用度为90180min，齿轮刀具的耐用度为200300min。有经验的操作者常根据切削过程中出现的异常现象，来判断刀具是否已经磨钝。例如切屑变色发毛、切削力突然增大、振动与噪声以及表面粗糙度值显著增大等。,上一页,下一页,返回,第五节 切削过程中的物理现象,刀具耐用度的选择与生产率、成本有直接关系。选择高的刀具耐用度，会限制切削用量的提高，特别是要限制切削速度，这就影响到生产率。若选择过低的耐用度，则会增加磨刀次数，增加辅助时间和刀具材料消耗，仍然影响到生产率和成本。所以应根据切削条件选用合理的刀具耐用度。刀具耐用度与刀具重磨次数的乘积称为刀具寿命。影响刀具耐用度的因素很多，主要有工件和刀具材料、刀具角度、切削用量以及是否使用切削液等。在切削用量中，切削速度对耐用度影响最大。,上一页,返回,知识拓展,工件材料的切削加工性。工件材料的切削加工性，是指在一定的条件下，对某种材料进行切削加工的难易程度。一般地说，工件材料良好的切削加工性是指：在相同的切削条件下，刀具寿命T较长，或在一定的寿命T下所允许的切削速度vT较高；在相同的切削条件下，切削力较小，切削温度较低；容易获得好的表面质量；切屑形状容易控制或容易断屑的工件材料。一、衡量工件材料切削加工性的指标由于切削加工性是对材料多方面的综合评价，所以很难用一个简单的物理量来精确规定和测量。在生产和实验中，常取某一项指标来反映材料切削加工性的某一具体方面，最常用的是vT和Kr。,下一页,返回,知识拓展,1vT的含义vT是指在一定的切削条件下，当刀具的寿命为T分钟时，切削某种材料所允许的最大的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。通常取T60min，则vT可写作v60。2Kr的含义Kr称为相对加工性，一般以正火状态45钢的v60为基准，写作（v60），然后将其他各种材料的v60与之相比所得的比值。当Kr1时，表示该材料比45钢容易切削；反之，则比45钢难切削。常用工件材料的相对加工性可分为八级，见表17-4所列。二、影响材料切削加工性的因素影响工件材料切削性能的主要因素有如下几种。（1）硬度、强度。一般来讲，材料的硬度、强度愈高，则切削力愈大，消耗切削功率愈多，切削温度愈高，刀具磨损愈快，因此，其切削加工性差。,上一页,下一页,返回,知识拓展,（2）塑性。材料的塑性愈大，则切削变形愈大，刀具容易发生磨损。在较低的切削速度下加工塑性材料还容易出现积屑瘤，使加工表面粗糙度值增大，且断屑困难，故切削加工性不好。但材料塑性太差时，得到崩碎切屑，切削力和切削热集中在切削刃附近，刀具易产生崩刃，加工性也较差。（3）材料的热导率、化学成份、金相组织等都对材料的切削加工性有一定的影响。改善材料切削加工性的主要措施有如下几种。（1）调整材料的化学成份。在钢中加入S、P、Pb、Ca等元素能起到一定的润滑作用并增加材料的热脆性，从而改善其切削加工性。（2）对工件材料进行适当的热处理。,上一页,下一页,返回,知识拓展,利用热处理可改善低碳钢和高碳钢的切削加工性。例如对低碳钢进行正火处理，可降低塑性，提高硬度，使其切削加工性得到改善；对高碳钢和工具钢进行球化退火，使网状、片状的渗碳体组织转化为球状渗碳体，降低了材料的硬度，使切削加工较易进行；对于出现白口组织的铸件，可在9501 000下进行长时间退火，降低硬度，达到改善切削加工性的目的。,上一页,返回,先导案例解决,利用热处理的方法可改善低碳钢和高碳钢的切削加工性。例如对低碳钢进行正火处理，可降低塑性，提高硬度，使其切削加工性得到改善；对高碳钢和工具钢进行球化退火，使网状、片状的渗碳体组织转化为球状渗碳体，降低了材料的硬度，使切削加工较易进行。,返回,本章小结,掌握切削运动和切削用量概念，理解车刀角度及其作用，熟悉常用切削刀具的特点及应用，能运用金属切削基本理论分析、解释切削过程中的一些物理现象。这部分知识是机械加工的必要基础知识。,返回,思考题,（1）试比较整体车刀、焊接车刀、可转位车刀的优缺点。（2）常见的孔加工刀具有哪些，各用于什么场合？（3）铰刀主要用于孔的什么加工？（4）铣刀主要有哪些类型？各用于什么表面加工？（5）常用的砂轮磨料有哪几类？各适用于加工什么材料？（6）什么是切削运动？它对表面加工成形有什么作用？（7）试说明外圆车削、端面车削的切削运动及工件上的各表面。（8）什么是切削用量三要素？（9）车刀切削部分由哪些面和刃组成？,下一页,返回,思考题,（10）如何合理选择刀具的几何角度？（11）常用的刀具材料有哪些？试比较它们的性能。如何正确选用刀具材料？（12）切屑是如何形成的？不同的切屑对加工表面粗糙度有何影响？（13）什么是积屑瘤，它对切削加工有何影响？为避免积屑瘤的产生，可以采取哪些措施？（14）切削热是如何产生的？切削温度对加工有何影响？（15）切削加工中，主要的切削液有哪几类？应该怎样合理选择切削液？,上一页,返回,返回,图17-1常用车刀形式,返回,图17-2可转位车刀的组成,返回,图17-3麻花钻的结构,返回,图17-3麻花钻的结构,返回,图17-4铰刀的种类,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,图17-5铣刀的类型,返回,表17-1磨料的种类、代号、性能和适用范围,返回,图17-7砂轮的组织,返回,表17-2常用砂轮名称、代号、断面简图和用途,返回,图17-6 砂轮的结构,返回,图17-8零件表面的形成,返回,图17-9几种主要切削加工的运动形式,返回,图17-10工件上的三种表面及切削用量,返回,图17-11车刀的组成部分和各部分名称,返回,图17-12刀具标注角度参考系,返回,图17-12刀具标注角度参考系,返回,图17-13外圆车刀正交平面参考系标注角度,返回,图17-14车刀的刃倾角,返回,图17-15切削刃区剖面形式,返回,图17-16卷屑槽形式,返回,图17-17刃倾角对排屑的影响,返回,表17-3硬质合金成份、性能及用途,返回,图17-18切削变形,返回,图17-19切屑种类,返回,图17-20积屑瘤对刀具前角的影响,返回,图17-21切削合力与分力,返回,图17-22刀具正常磨损的三种形式,返回,表17-4常见材料切削加工性等级,
