金属切削基本知识 章

     8.1 概述切削加工方法 机械加工质量 8.1.1 切削加工方法定义： 定义：利用切削工具从毛坯或工件上切除多 余材料，以获得合格零件的加工过程。 余材料，以获得合格零件的加工过程。 分类： 分类： 1）钳工：划线、錾削、锯削、刮研、钻孔、 ）钳工：划线、錾削、锯削、刮研、钻孔、 铰孔、攻丝、 铰孔、攻丝、套丝等以及装配和修理 2）机械加工：利用机械力，采用刀具切除工 ）机械加工：利用机械力， 件余量的方法。 件余量的方法。 8.1.2 机械加工质量 1.机械加工精度 机械加工精度 （1）尺寸精度：零件实际尺寸与设计尺寸的符 ）尺寸精度： 合程度。 合程度。 IT01，IT0，IT1～IT18 ， ， ～ （2）形状精度 零件实际表面和理想表面之间 ）形状精度：零件实际表面和理想表面之间 形状上的符合程度。直线度，平面度， 在 形状上的符合程度。直线度，平面度，圆 圆柱度，线轮廓度，面轮廓度。 度，圆柱度，线轮廓度，面轮廓度。 （3）位置精度：零件表面、轴线或对称平面之 ）位置精度：零件表面、 间的实际位置与理想位置的符合程度。平行度， 间的实际位置与理想位置的符合程度。平行度， 2.表面质量 表面质量 （1）表面几何特征：表面粗糙度、浓度、纹理。 ）表面几何特征：表面粗糙度、浓度、纹理。 表面粗糙度Ra(轮廓算术平均偏差 ：机械加工 轮廓算术平均偏差)： 表面粗糙度 轮廓算术平均偏差 由于切削刀痕、表面撕裂、振动、 中，由于切削刀痕、表面撕裂、振动、摩擦等 原因在被加工表面上所产生的一种微观几何形 状误差。 状误差。 Ra(轮廓算术平均偏差 ：在取样长度 内，被测 轮廓算术平均偏差)：在取样长度l内 轮廓算术平均偏差 轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的算术平均 值。 （2）表面层材质的变化：零件加工后在表面层 ）表面层材质的变化： 内出现不同于基体材料的力学、冶金、 内出现不同于基体材料的力学、冶金、物理及 精度和表面质量的选择原则设计时：据零件作用和寿命要求确定。 制造时：据经济性和可行性原则来选择每个加 工过程的加工精度和表面质量。 总原则：满足零件的性能要求和后续工序要求 前提下，尽可能选用低精度等级和较大表面 粗糙度值。 8.2 切削加工基本知识 8.2.1 切削运动和切削用量切削运动 切削用量 切削层参数 金属切屑运动切削运动是为了形成工件表面所必需的、 切削运动是为了形成工件表面所必需的、刀具与工 主运动和进给运动。 件之间的相对运动。分为主运动和进给运动 件之间的相对运动。分为主运动和进给运动。 主运动是切除工件多余金属所需要的最基本的运动， 是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速度高、消耗功率大。（1个） 主运动速度高、消耗功率大。（1 。（ 进给运动是使金属层连续投入切削，从而加工出完 是使金属层连续投入切削，整表面的运动。（1个或几个） 整表面的运动。（1个或几个） 。（ 切削运动：旋转运动或直线运动，曲线运动。 切削运动：旋转运动或直线运动，曲线运动。 连续或间断； 连续或间断； 刀具和工件分别、同时或交替完成。 刀具和工件分别、同时或交替完成。 切削过程中，工件上形成三个表面： 切削过程中，工件上形成三个表面： 1）待加工表面——待切除的表面； 待加工表面——待切除的表面； ——待切除的表面 2）过渡表面——正在切削的表面； 过渡表面——正在切削的表面； ——正在切削的表面 3）已加工表面——切除多余金属后形成的表面。 已加工表面——切除多余金属后形成的表面。 ——切除多余金属后形成的表面 图8-1 车削加工工件上的表面 切削用量切削运动三要素：切削速度、进给量、背吃刀量。 切削运动三要素：切削速度、进给量、背吃刀量。 1.切削速度 主运动的线速度。 切削速度： 1.切削速度：主运动的线速度。 ｖ＝πｄｎ/1000 m/min或 ｖ＝πｄｎ/1000 （m/min或m/s ） 当主运动为往复直线运动时ｖ m/min） 当主运动为往复直线运动时ｖ=2Lnr/1000 （m/min） 式中： 式中： mm） d —工件表面待加工表面直径 （mm） r/min） ｎ—工件转速 （r/min） 往复运动的行程长度。 mm） L —往复运动的行程长度。 （mm） 主运动每分钟的往复次数（Str/min） nr —主运动每分钟的往复次数（Str/min） 2.进给量f 走刀量) 2.进给量f(走刀量)：在工件或刀具的每一转或每一 进给量 往复行程的时间内， 往复行程的时间内，刀具与工件之间沿进给运动方 向的相对位移。通常用f表示，单位为mm/r或mm／ 向的相对位移。通常用f表示，单位为mm/r或mm／ mm/r 行程。 行程。 进给速度： 进给速度：切削刃上选定点相对于工件的进给运动 走刀运动）的瞬时速度。（mm/s或mm/min） 。（mm/s （走刀运动）的瞬时速度。（mm/s或mm/min） vf = f ? n = fz ? z ? n 3.背吃刀量a 3.背吃刀量ap：在通过切削刃基点并垂直于工作平面 背吃刀量 方向上测量的吃刀量，单位为mm mm， 方向上测量的吃刀量，单位为mm，也就是工件待加 工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯上也将 工表面与已加工表面之间的垂直距离， 切削深度。 背吃刀量称为切削深度 背吃刀量称为切削深度。 外圆车削时： 外圆车削时： ap = D?d 2 式中， ——工件待加工表面的直径(mm)； 式中，D——工件待加工表面的直径(mm)； 工件待加工表面的直径(mm) d——工件已加工表面的直径(mm)。 ——工件已加工表面的直径(mm)。 工件已加工表面的直径(mm) 切削层参数切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金 切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金 属。也就是相邻的两过渡表面之间所夹着的一层金 属。 1）切削层厚度：是相邻两过渡表面之间的垂直距 切削层厚度： 离。 2）切削宽度：是沿主切削刃测量的切削层尺寸。 切削宽度：是沿主切削刃测量的切削层尺寸。 3）切削面积：切削层公称横截面积。 切削面积：切削层公称横截面积。 1.切削层公称横截面积 AD 2.切削层公称厚度 hD 3.切削层公称宽度 bD AD = hDbD = ap f hD = f sin kr aP bD = sin kr 图8-2切外圆时的切削层要素 切外圆时的切削层要素 切削用量的合理选择切削用量的选择，对加工质量、生产率和刀 具的使用寿命（耐用度）有重要影响。合理 选择切削用量，对提高产品的技术经济效益 有重要影响。 1）对加工质量的影响 2）对刀具寿命（耐用度的影响）和辅助时间 的影响 切削用量的合理选择 1）对加工质量的影响 背吃刀量ap和进给量f增大------使切削力增大--------工件变形增大，并有可能 引起震动---------从而降低加工精度和增大表 面粗糙度Ra. 切削用量的合理选择 2）对刀具寿命（耐用度的影响）和辅助时间 ）对刀具寿命（耐用度的影响） 的影响 耐用度概念：刀具从开始切削到磨损量达到 耐用度概念： 磨钝标准为止的切削总时间T。 T 其影响程度由大到小： Vc切削速度-----f进给量-------背吃刀量ap 粗加工切削用量选取原则： 粗加工切削用量选取原则： 较大f和ap,较小vc----保证高效精加工切削用量选取原则： 精加工切削用量选取原则： 较大vc,较小 f和ap---保证加工精度 8.2.3 切屑的形成过程和种类 1. 切屑的形成及类型刀具接触工件的最初瞬间， 刀具接触工件的最初瞬间，接触处 产生应力而产生弹性变形； 产生应力而产生弹性变形； 随着刀具继续切入，工件某曲面OA 随着刀具继续切入，工件某曲面OA 上的切应力达到材料的屈服极限， 上的切应力达到材料的屈服极限， 产生塑性变形而滑移； 产生塑性变形而滑移； 当滑移面上的应力达到材料的强度 极限时，材料沿滑移面挤裂； 极限时，材料沿滑移面挤裂； 大量被挤裂的金属沿刀具前刀面经 剧烈摩擦被排出，从而形成切屑。 剧烈摩擦被排出，从而形成切屑。 弹性变形 塑性变形 切削挤裂 切削沿前 刀面流出 表1-1 切屑类型及形成条件名称 带状切屑 节状切屑 单元切屑 崩碎切屑 简图 形态 变形 形成 条件 带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑 节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状 粒状 不规则块状颗粒未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料， 刀具前角较小 局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低 影响 切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀 积屑瘤积屑瘤: 积屑瘤: 加工塑性材料时， 加工塑性材料时，一些切屑和工件上滞留下来的金属冷焊 并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块， 并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，代替刀面和切 削刃对工件进行切削的小块硬金属。 削刃对工件进行切削的小块硬金属。 积屑瘤的形成原因滞流层: 切屑沿前刀面流出时，由于高温高压作用， 滞流层: 切屑沿前刀面流出时，由于高温高压作用，切削 刃附近的前刀面与切削底层金属产生强烈的摩擦阻力， 刃附近的前刀面与切削底层金属产生强烈的摩擦阻力，致 使该层金属流动速度很低。 使该层金属流动速度很低。 滞流层金属与前刀面的摩擦阻力超过该金属原子本身的结 合力时,一部分金属停留在刀具前刀面上形成积屑瘤。 合力时,一部分金属停留在刀具前刀面上形成积屑瘤。 积屑瘤对切削加工的影响保护切削刃，产生振动， 保护切削刃，产生振动，降低工件尺寸精度与表面质量 粗加工时可利用积屑瘤减小切削力，同时保护切削刃； 粗加工时可利用积屑瘤减小切削力，同时保护切削刃； 精加工时必须避免积屑瘤产生， 精加工时必须避免积屑瘤产生，以保证工件的加工精 度。 抑制积屑瘤产生的措施采用较高或很低的切削速度 提高前刀面的表面质量 使用切削液 增大前角 8.2.4 切削力和切削功率切削力：切削时产生的刀具与工件之间的相互作用力。 切削力：切削时产生的刀具与工件之间的相互作用力。 切削力来源 ★ 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 个变形区产生的弹、塑性变形抗力 ★ 切屑、工件与刀具间摩擦力 切屑、工件与刀具间摩擦力 切削分力及其作用 v Ff ·p Fc F Ff Fp Ff ·p f 吃刀抗力 Fp Ff 进给抗力 Ff ·p Fc 主切削力 F 切削合力 图8-5 切削力的分解 κr 切削力切削分力及其作用主切削力：与切削速度的方向一致。在三个分力中, 主切削力：与切削速度的方向一致。在三个分力中, 一般值最大。是计算机床所需功率、 一般值最大。是计算机床所需功率、强度和刚度的基 本数据。 本数据。 进给抗力: 与进给方向平行， 进给抗力: 与进给方向平行，是设计和校验机床走 刀机构必需的数据。 刀机构必需的数据。 切深抗力: 与进给方向垂直， 切深抗力: 与进给方向垂直，是设计和校验工艺系 统刚度及精度的必需数据。 统刚度及精度的必需数据。 切削功率 Ff V f Pm = Pc + Pf = 10 ( FcVc + ) 1000 ?3 式中， 式中， Fc ? 切削力（N） vc ? 切削速度（m/s） F f ? 进给力（N） v f ? 进给速度（mm/s）机床的电机功率计算 Pm PE ≥ （kW） ηm    

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