第2章金屬切削加工的基本知識(shí)

●一般鑄、鍛、焊和軋制的毛坯精度低和表面粗糙度大，難滿足零件較高的使用性能要求。

●利用切削加工的方法加工的零件尺寸精度、形狀和位置精度、表面質(zhì)量均較高。

●金屬切削加工是用刀具從工件表面上切除多余的金屬，從而形成符合要求的已加工表面（形狀和精度）加工方法。

2.1

切削運(yùn)動(dòng)與切削要素

2.1.1切削運(yùn)動(dòng)

1．主運(yùn)動(dòng)

▲主運(yùn)動(dòng)是切削中由機(jī)床提供的使刀具與工件之間產(chǎn)生的最主要的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

▲主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度最高、消耗功率最大。▲主運(yùn)動(dòng)有大小和方向。

2．進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

▲進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是附加相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它配合主運(yùn)動(dòng)依次或連續(xù)不斷地切除工件上的加工余量。

▲進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度較小，消耗的功率也較小。▲進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有大小和方向。

●3．合成運(yùn)動(dòng)

▲主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成的運(yùn)動(dòng)。

●車削時(shí)主軸帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)；●銑削和鉆削時(shí)刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)；●刨削時(shí)刨刀向前的刨削運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)；●磨削時(shí)砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。

3．合成切削運(yùn)動(dòng)

▲主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。

▲主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)矢量和的方向是合成運(yùn)動(dòng)速度的方向；▲主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)矢量和的大小是合成運(yùn)動(dòng)速度的大小。

主運(yùn)動(dòng)方向——刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件瞬時(shí)主運(yùn)動(dòng)方向。主運(yùn)動(dòng)速度的大小——刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向——刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)進(jìn)給方向。

進(jìn)給速度的大小——刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度2.1.2切削加工過程中的工件表面

以車削加工為例——因?yàn)檐囅骷庸な且环N最常見的和最典型的切削加工方法。1.待加工表面

工件上有待于切除材料的表面。

2.已加工表面

工件上經(jīng)刀具切削后形成的新表面。

3.過渡表面

工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之間的過渡表面。

圖2.3車削加工的切削運(yùn)動(dòng)及工件上的表面2.1.3切削要素

1.切削用量要素

切削用量要素——是指切削加工過程中切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量（切削深度）三個(gè)要素的總稱。

切削速度

——是指刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。

進(jìn)給量——是指刀具在進(jìn)給方向上相對(duì)工件的位移量。

背吃刀量——是工件已加工表面和待加工表面之間的垂直距離。2.切削層橫截面要素

切削層公稱寬度——是指平行于過渡表面度量的切削層參數(shù)。

切削層公稱厚度——是指垂直于過渡表面度量的切削層參數(shù)。

切削層公稱橫截面積——是指切削層橫截面的面積。切削層公稱厚度：切削層公稱寬度：切削層公稱橫截面積：2.2刀具切削部分的幾何參數(shù)2.2.1刀具的構(gòu)成

所有的刀具都是由切削部分和夾持部分（刀柄）組成。

切削部分——承擔(dān)切削作用的部分。

刀柄——通過刀柄將刀具夾持在機(jī)床的刀架上。鉸刀、鏟齒銑刀、鉆頭、成形銑刀、車刀、切斷刀、拉刀、絲錐、刨刀2.2.2刀具切削部分的基本定義1．刀面（三個(gè)刀面）

（1）前面（2）后面（3）副后面2．刀刃（兩條刀刃）

（1）主切削刃（2）副切削刃

3．刀尖（一個(gè)刀尖）1.刀面

（1）前面——切屑流出時(shí)所經(jīng)過的刀面。

（2）后面——與工件上過渡表面相對(duì)的刀面。

（3）副后面

——與工件已切削加工表面相對(duì)的刀面。

2.刀刃

（1）主切削刃——刀具前面與后面的交線。

（2）副切削刃——刀具前面與副后面的交線。3.刀尖——三個(gè)刀面的交點(diǎn)（主、副切削刃的交點(diǎn)）。車刀切削部分的結(jié)構(gòu)要素1.車刀靜止參考系假設(shè)2.2.3刀具角度

（1）不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響。（2）車刀的安裝使刀尖與工件中心等高，刀桿軸線與工件軸線垂直。（3）刀刃平直，刀刃各點(diǎn)的切削速度方向均相互平行。2.正交平面參考系

（1）基面——通過切削刃的選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)切削速度方向的平面。

（2）切削平面——通過切削刃的選定點(diǎn)，垂直于基面并與主切削刃相切的平面

。

（3）正交平面——通過切削刃的選定點(diǎn)，垂直于主切削刃在基面上投影的平面。三個(gè)平面相互垂直，組成空間的三維直角坐標(biāo)系。

（2）法平面——通過切削刃上選定點(diǎn)并與切削刃垂直的平面。法平面參考系——法平面、基面與切削平面組成的參考系。

（3）假定工作平面——通過切削刃上選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)基面且平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的平面。

（4）背平面——通過切削刃上選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)基面和假定工作平面的平面。正交平面參考系與法平面參考系主偏角——主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。副偏角——副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向之間的夾角。刀尖角——主、副切削刃在基面上的投影之間的夾角，它是派生角度。3．正交平面參考系中的刀具角度（1）在基面中測(cè)量的刀具角度

（2）在切削平面中測(cè)量的角度

刃傾角——主切削刃與基面之間的夾角。圖2.9各種刀尖和切削刃（3）在正交平面中測(cè)量的角度

前角——前面與基面之間的夾角。后角——后面與切削平面之間的夾角。楔角——前面與后面之間的夾角，它是派生角度。（4）在副截面中測(cè)量的角度

副前角——前面與基面之間的夾角。副后角——副后面與副切削平面之間的夾角。4.法平面、假定工作平面和背平面中度量的角度

1.法平面、假定工作平面和背平面中度量的角度仍然有前角和后角。5．刀具角度正負(fù)的規(guī)定（1）前角的正負(fù)——前面與切削平面之間的夾角小于90o時(shí)，規(guī)定前角為正；等于90o時(shí)為零；大于90o時(shí)為負(fù)。

（2）后角的正負(fù)——后面與基面之間的夾角小于90o時(shí)為正；等于90o時(shí)為零；大于90o時(shí)為負(fù)。（3）刃傾角的正負(fù)——刀尖處于切削刃上最高點(diǎn)時(shí)為正；最低點(diǎn)時(shí)為負(fù)；切削刃與基面平行時(shí)，刃傾角為零。

切斷刀有八個(gè)獨(dú)立角度——1.前角、

2.后角、

3.主偏角、

4.左副偏角、

5.右副偏角、

6.刃傾角、

7.左刃副后角、

8.右刃副后角。（見圖2.12）2.2.4刀具角度標(biāo)注實(shí)例練習(xí):請(qǐng)圖示端面車刀和鏜孔刀的幾何角度

2.3刀具角度的換算及工作角度2.3.1正交平面參考系和法平面參考系的前、后角換算（推導(dǎo)過程從略）2.3.2垂直于基面任一剖面于正交平面前、后角換算（推導(dǎo)過程從略）2.3.2刀具工作角度1．刀具工作參考系的建立

（1）工作基面——通過切削刃上的選定點(diǎn)，垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)速度方向的平面。（2）工作切削平面——通過切削刃上的選定點(diǎn)，與切削刃相切且垂直于工作基面的平面。

（3）工作正交平面——通過切削刃上的選定點(diǎn)，同時(shí)與工作基面和工作切削平面相垂直的平面。2.刀具工作角度的分析（1）縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作前、后角的影響

縱向進(jìn)給車外圓時(shí)，合成切削運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加工軌跡是阿基米德螺旋線，由于合成切削運(yùn)動(dòng)方向的變化，從而使工作前角增大、工作后角減小。（2）車削梯形螺紋時(shí)對(duì)工作前、后角的影響

車削梯形螺紋時(shí)，由于合成切削運(yùn)動(dòng)速度方向的變化，使加工表面傾斜了螺旋面一個(gè)螺紋升角T，使左、右切削刃的工作角度都發(fā)生了變化。為保證左、右螺紋加工表面質(zhì)量一致，刀具安裝時(shí)應(yīng)調(diào)整一個(gè)安裝角（圖2.16）。（3）橫向進(jìn)給對(duì)工作前、后角的影響

刀具橫向進(jìn)給時(shí),切削刃相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線，工作切削平面和工作基面都發(fā)生了變化，引起了實(shí)際切削時(shí)前、后角的變化（圖2.17和式2.23、式2.24、式2.25）。（4）刀具安裝高低對(duì)刀具工作角度的影響

由于車刀刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置發(fā)生變化，工作前角增大，而工作后角減小。請(qǐng)思考：刀尖安裝低于工件中心時(shí)，刀具的工作角度該如何變化？（5）刀桿安裝偏斜對(duì)工作主、副偏角的影響

1．高的硬度和耐磨性；

2．足夠的強(qiáng)度和韌性

；3．高的耐熱性

；4．良好的導(dǎo)熱性和較小的膨脹系數(shù)

；5．穩(wěn)定的化學(xué)性能和良好的抗粘結(jié)性能；6．良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。2.4刀具材料

刀具切削性能的優(yōu)劣（鋒利程度和壽命，加工質(zhì)量、加工效率和加工成本等），不僅取決于刀具切削部分的幾何參數(shù)，還取決于刀具切削部分的材料。2.4.1刀具材料的基本要求刀具材料種類很多，各類刀具材料的使用范圍見圖2.20。刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質(zhì)合金高速鋼WC-TiC系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlN涂層硬質(zhì)合金DLC涂層硬質(zhì)合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬質(zhì)合金涂層WC硬質(zhì)合金涂層超細(xì)粒狀硬金屬涂層高速鋼TiN涂層高速鋼斷裂韌性耐磨性刀具材料的耐磨性與斷裂韌性PCD——聚晶金剛石PCBD——聚晶立方氮化硼2.4.2常用刀具材料及其選用

目前常用的刀具材料有：

a.工具鋼（碳素工具鋼、合金鋼和高速鋼）

b.硬質(zhì)合金

c.陶瓷

d.超硬刀具材料

等四大類。1.高速鋼高速鋼是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達(dá)62～66HRC，抗彎強(qiáng)度約3.3GPa，有較高的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐熱性。切削溫度在500～650度時(shí)仍能進(jìn)行切削。由于熱處理變形小、能鍛易磨。特別適合于制造結(jié)構(gòu)和刃型較復(fù)雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、切齒刀、螺紋刀具、拉刀和齒輪刀具等。俗名又叫“鋒鋼”、“風(fēng)鋼”、“白鋼”。

高速鋼的分類按用途可分為：

a.通用高速鋼

b.高性能高速鋼

2．硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由高硬度和高熔點(diǎn)的金屬碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）和金屬粘結(jié)劑（Co、Mo、Ni）等用粉末冶金工藝制成。常溫硬度為89～93HRA，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好，耐熱性達(dá)800~1000度。允許的切削速度可達(dá)220m/min，比高速鋼高5~10倍。大多數(shù)車刀、端銑刀等均由硬質(zhì)合金制造，解決了高速鋼、淬硬鋼無法切削加工的難題。

硬質(zhì)合金的分類按其化學(xué)成分與使用性能分為：a.鎢鈷類（WC+Co）b.鎢鈷鈦類（WC+TiC+Co）c.鎢鈷鈦鉭（鈮）類WC+TiC+TaC（NbC）+Co）d.碳化鈦基類（TiC十WC＋Ni＋Mo）3．其它刀具材料

陶瓷刀具材料——以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬，在高溫下燒結(jié)而成。優(yōu)點(diǎn)——硬度高，耐磨性、耐高溫性能好，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，與金屬的親合力小、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)，切削速度比硬質(zhì)合金刀具高2~5倍。缺點(diǎn)——脆性大、抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，易崩刃，導(dǎo)熱性能差，熱膨脹系數(shù)大。使用范圍——主要用于冷硬鑄鐵、淬硬鋼、非鐵金屬等材料的精加工和半精加工。

硬質(zhì)合金刀具材料陶瓷刀具材料刀片（刀具材料）刀桿（普通鋼材）金剛石——是碳的同素異形體。金剛石分天然金剛石和人造金剛石兩種。人造金剛石是在高溫、高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成。

。優(yōu)點(diǎn)——硬度極高（可達(dá)10000HV），耐磨性好，切削刃口鋒利，刃部表面摩擦系數(shù)小，不易產(chǎn)生粘結(jié)或積屑瘤，導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)低。缺點(diǎn)——熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低、脆性大，對(duì)振動(dòng)敏感，與鐵有強(qiáng)烈的化學(xué)親合力（不能加工鋼材）。使用范圍——可用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硬度的非金屬材料（如石材、壓縮木材、玻璃）、非鐵金屬及其合金等

立方氮化硼（CBN）——是由