机械制造与工艺全书－2 金属切削原理（图文教程）

第二章       金 属 切 削 原 理

    第一节  金属切削加工基本知识

一、切削运动与切削要素

（一）切削运动

在切削加工时，按工件与刀具相对运动所起的作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。

1．主运动

刀具与工件之间最主要的相对运动，它消耗功率最多，速度最高。主运动只有且必须有一个。

主运动可以是旋转运动（如车削、2．进给运动

刀具与工件之间产生的附加相对运动，配合主运动，不断将多余的金属投入切削以保持切削连续进行或反复进行的运动。一般而言，进给运动速度较低，消耗功率较少。

进给运动可由刀具完成（如车削、钻削），也可由工件完成（如铣削）；进给运

动不限于一个（如滚齿），个别情况也可以没有进给运动（如拉削）。   

３．工件上的表面

切削时工件上形成三个不断变化着的表面：

（１）已加工表面

（２）待加工表面   

（３）过渡表面

（二）切削用量

切削用量是切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）的总称。它是用于调整机床、计算切削力、切削功率、核算工序成本等所必需的参数。

1．切削速度

2．进给量

3．背吃刀量（切削深度）

　　 二、刀具切削部分基本定义

金属切削刀具的种类很多，结构、性能各不相同，但就其单个刀齿而言，可以看成是由外圆车刀的切削部分演变而来的，下面以外圆车刀为例，介绍刀具切削部分的基本定义。

　　（一）刀具切削部分的组成

刀具切削部分由刀面、切削1．前面（    

2．后面（后刀面）A_α　与工件上过渡表面相对的表面。

3．副后面（4．主切削5．副切削6．刀尖 主、副切削   

（二）刀具的标注角度参考系

标注角度参考系或静止参考系：在刀具设计、制造、在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。

建立刀具标注角度参考系时不考虑进给运动的影响，且假定车刀刀尖与工件中心等高，车刀刀杆中心线垂直于工件轴线。

刀具标注角度参考系由下列参考平面所构成：

1．基面p_r　过切削2．切削平面p_s　过切削3．正交平面p_o　与正交平面参考系　过切削p_r、p_s、p_o组成一个正交的正交平面参考系。

4．法平面

5．假定工作平面p_f、背平面p_p

　 二、刀具切削部分基本定义

（三）刀具的标注角度

在上述三种不同的刀具标注角度参考系内，均可定义相应的刀具角度，但一般以采用正交平面参考系兼用法平面参考系较多。

　　1、 正交平面参考系内的标注角度

　　（1）前角 γ_o　正交平面中测量的前面与基面间的夹角。

　　（2）后角 α_o　正交平面中测量的后面与切削平面间的夹角。

　　（3）主偏角κ_r　基面中测量的主切削平面与假定工作平面间夹角。

　　（4）上述四角就能确定车刀主切削其中γ_o、λ_s两角可确定前面的方位，α_o、κ_r两角确定后面的方位，κ_r、λ_s两角可确定主切削　　同时副切削o^ˊ副偏角κ^′_r、副s，它们的定义与主切削　　常用的刀具派生角度有：刀具角度正负规定：　　前面与基面平行时前角为零；前面与切削平面间夹角小于90°时，前角为正；大于90时，前角为负。后面与基面夹角小于90°时，后角为正；大于90°时后角为负。

切削　　主偏角、副偏角只有正值。派生角度只有正值。

2、其它参考坐标系内的标注角度

　　（四）刀具的工作角度

刀具标注角度都是在假定运动条件和假定安装条件下定义的，如果考虑合成运动和实际安装情况，则刀具的参考系将发生变化，刀具角度也发生了变化。

按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作角度参考系中确定的角度称为刀具工作角度。

多数情况下，不必进行工作角度的计算，只有在进给运动和刀具安装对工作角度产生较大影响时，需考虑工作角度。

　　1．进给运动对工作角度的影响

2．刀具安装高低对工作角度的影响

3．刀杆中心线与进（五）切削层参数

切削层是由切削部分以一个单一动作所切除的工件材料层。

将通过切削1．            1．       切削层公称横截面积_D

2．            2．       切削层公称宽_D

3．            3．       切削层公称厚度

若车刀刀尖为主，副切削r=0°，则切削层公称横截面积为平行四边形。

切削层各有关参数间的关系为

h_D=fsinκ_r        b_D=α_p／sinκ_r           A_D=h_Db_D=α_pf

三、刀具材料

刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。

它的性能是影响加工表面质量、切削效果、刀具寿命和加工成本的重要因素。

   （一）刀具应具备的性能

金属切削过程中，刀具切削部分承受很大切削刀和剧烈摩擦，并产生很高的切削温度；在断续切削工作时，刀具将受到冲击和产生振动，引起切削温度的波动。为此，刀具材料应具　　1．硬度和耐磨性

　　2．强度和韧性

 　3．热硬性

　　4．工艺性与经济性

   （二）常用刀具材料

　　常用刀具材料分为：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢），硬质合金，超硬刀具材料（包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等）

1、  高速钢

高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具，　　高速钢按其性能分成两大类：普通高速钢和高性能高速钢。

2、   硬质合金

硬质合金大量应用在刚性好，常用硬质合金的牌号，成分及性能见表2—2。

添加钽（铌）类硬质合金是在以上两种硬度合金中添加少量其它碳化物（如TaC 或NbC）而派生出的一类硬质合金，代号为YW，既适用加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。常用牌号YW1、YW2。

3、涂层刀具材料

硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。

对刀具表面涂覆的方法有两种：

化学气相沉积法（ＣＶＤ法），适用于硬质合金刀具；

物理气相沉积法（ＰＶＤ法），适用于高速钢刀具。

涂层材料可分为ＴiC涂层、TiN涂层、ＴiC与TiN涂层、Al₂O₃涂层等。

　　４、其它刀具材料

　　（1）陶瓷刀具：是以氧化铝（Al₂O₃）或以氮化硅（Si₃N₄）为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。

一般适用于高速下精细加工硬材料。

一些新型复合陶瓷刀也可用于半精加工或粗加工（2）人造金刚石：它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。

它有极高的硬度和耐磨性，与金属摩擦系数很小，切削　　（3）立方氮化硼：是由立方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的，其硬度仅次于金刚石，耐热温度可达1400℃，有很高的化学稳定性，较好的可磨性，抗弯强度与韧性略低于硬质合金。一般用于高硬度， 

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第二节       金属切削原理及其应用

金属的切削过程是一个复杂的过程，在这一过程中形成切屑、产生切削力、切削热与切削温度，刀具磨损等许多现象，研究这些现象及变化规律，对于合理使用与设计刀具，夹具和机床，保证加工质量，减少能量消耗，提高生产率和促进生产技术发展都有很重要的意义。

　　一、切削变形

　　（一）切削变形特点和切屑的种类

如图所示，金属压缩实验，当金属金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。

如图所示当切屑层达到切削始滑移面OA.2mm)，故常用OM剪切面亦称滑移面来表示，它与切削速度的夹角称为剪切角φ。

当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，这一区域又称为第二变形区。

工件已加工表面受到这三个变形区不是独立的，而是有着紧密的联系和相互影响。

根据被切的金属剪切滑移后形成切屑的外形不同，可将切屑分成以下四种类型。

1．带状切屑

2．节状切屑（挤裂切屑）

3．粒状切屑（单元切屑）

4．切屑的形态随切削条件的不同可互相转化。

　　（二）切削变形程度的表示方法

　　（三）刀具前面上的摩擦切屑流经刀具前面时，在高压力的作用下产生剧烈的摩擦并产生很高的温度，粘结区的摩擦为内摩擦，切削时由于高压和高温作用，切屑底部流速要比切屑的上层缓慢，从而在切屑底部形成了一个滞流层，内摩擦就是滞流层与其上层金属在切屑内部的摩擦，这部分的切向力等于被滑动区的摩擦为外摩擦，即滑动摩擦，摩擦力的大小与摩擦系数和法向正压力有关，而与接触面积大小无关。在粘结区内，切应力是常数，且等于材料的剪切屈服强度，在滑动区内则随着距离切削从实验得知，　　切削速度对切屑20m/min左右，切削温度约为300℃时，最易减小进给量，增大刀具前角，提高　　（四）已加工表面变形和加工硬化

任何刀具的切削已加工表面经过严重塑性变形而使表面原硬度增高，这种现象称为加工硬化（冷硬）。

金属材料经硬化后在表面上会出现细微裂纹和残余应力，从而降低了加工质量和材料的疲劳强度，增加下道工序加工困难，加速刀具磨损，所以在切削时应设法避免或减轻加工硬化现象。

　　（五）影响切削变形的因素

切削变形的程度主要决定于剪切角和摩擦系数大小。

影响切削变形的主要因素有工件材料，前角，切削用量。

　　工件材料的强度、硬度越高，　　刀具前角越大，切削　　切削速度对切削变形的影响，切削速度是通过切削温度和20m/min 左右时，40m/min 时，由于切削温度逐渐升高，变形系数ξ减小。切削铸铁等脆性金属时，一般不进给量增大，使切削厚度增加，正压力增大，平均正应力增大，因此，μ下降，剪切角φ增大，使ξ减小。同时，由于各切削层的变形和应力分布不均匀，近前发面处的金属变形和应力大，　　二、切削力

（一）切削力的来源和分解

切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力

而工件低抗变形施加于刀具称为切削抗力，在分析切削力以及切削机理时，切削力与切削抗力意义相同。

刀具切削工件时，由于切屑与工件内部产生弹性，塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生摩擦阻力，形成刀具对工件作用一个合力F，由于其大小，方向不易确定。

因此，为了便于测量、计算及研究，通常将合力F分解成三个分力。

（二）工作功率

（三）计算切削力的经验公式

（四）单位切削力和单位切削功率

（五）影响切削力的主要因素

　　1．工件材料的影响，工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形会减小，但由于剪切屈服强度增高，产生的切削力会越大；工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力会越大。切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力小。

　　2．切削用量的影响 进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。其主要原因在于，α_p增大一倍时，切削厚度h_D不变，而切削宽度b_D则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f增大一倍时，切削宽度b_D不变，只是切削厚度h_D增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。

切削速度对切削力的影响：切削塑性金属时，在40m/min时，40m/min，切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削力也随之下降。切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形很小，且　　3.刀具几何参数的影响 前角对F_c影响较大。前角增大，切削变形减小，故切削力减小。主偏角此外刀尖圆弧半径，刀具磨损程度等因素对切削力也有一定的影响。

　　三、切削温度与切削液

由它引起的切削温度的升高会影响刀具磨损和耐用度，同时抑制了切削速度的提高，还将导致工件、机床，刀具和夹具的热变形，降低零件的加工精度和表面质量。

　　（一）切削热的产生和传散

提高切削速度，由摩擦生成的热量增多，但切屑带走的热量也增加，在刀具中热量减少，在工件中热量更少，所以高速切削时，切屑温度很高，在工件和刀具中温度较低，这有利于加工顺利进行。

（二）

刀具与切屑接触面摩擦大，不易散热，产生的温度值最高；切屑带走热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。

　　切削温度测量方法很多，目前以利用物体的热电效应来进行温度测量的热电偶法应用较多，其测量简单方便。

　　（三）影响切削温度的因素

　　切削温度的高低决定于产生热量多少和传散热量快慢两方面因素。切削时影响产生热量和传散热量的因素有：切削用量、工件材料的性能，刀具几何参数和冷却条件等。

　　切削用量对切削温度的影响，当υ_c、α_p和f增加时，由于切削变形功和摩擦功增大，所以切削温度升高。其中切削速度影响最大，当υ_c增加一倍时,由于摩擦生热增多，切削温度约增加32%，进给量f的影响次之，当f增加一倍，切削温度约增加18%，因为f增加切削变形增加较少，并且改善了散热条件，故热量增加不多。背吃刀量α_p影响最小，α_p增加一倍时，切削温度约增加7%，这是因为α_p增加使切削宽度增加,增大了热量