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1、第第4章章 机械切削加工基础知识机械切削加工基础知识 4.1切削加工成形过程切削加工成形过程的基础知识的基础知识机械加工及设备机械加工及设备 4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的概念及分类切削加工的概念切削加工的概念 切削加工切削加工是指用切削刀具从工件上切除多余的材料，使工是指用切削刀具从工件上切除多余的材料，使工件的几何形状、尺寸和表面质量达到设计要求的过程。件的几何形状、尺寸和表面质量达到设计要求的过程。车削加工车削加工铣削加工铣削加工图图4-1切削加工图切削加工图切削加工的分类切削加工的分类按工艺特征按工艺特征车削车削铣削铣削钻削钻削镗削镗削刨削刨削磨削磨削拉削拉削滚削滚削vssv
2、svvsvs1s2(a)车削车削(b)铣削铣削(c)钻削钻削(d)镗削镗削(e)刨削刨削(f)磨削磨削sv4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的概念及分类切削加工的分类切削加工的分类按切除率和精度按切除率和精度粗加工粗加工半精加工半精加工精加工精加工超精密加工超精密加工光整加工光整加工4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的概念及分类切削加工的分类切削加工的分类按表面按表面形成方形成方法法刀尖轨迹法刀尖轨迹法成形刀具法成形刀具法相切法相切法展成法展成法工件工件车刀车刀工件工件成型成型车刀车刀工件工件刀具刀具工件工件刀具刀具(a)轨迹法(b)成形法(c)相切法(d)展成法图图4-2表面成形方法
3、表面成形方法4.1.1切削加工的概念及分类切削加工的概念及分类零件表面的切削成形原理零件表面的切削成形原理母线母线轨迹轨迹母线母线母线母线母线母线母线母线轨迹轨迹轨迹轨迹轨迹轨迹轨迹轨迹(a)圆柱面圆柱面(b)圆锥面圆锥面(c)平面平面(d)旋转曲面旋转曲面(e)曲面曲面图图4-3表面成形原理图表面成形原理图通过母线沿着轨迹线的运动进行零件表面成形的。通过母线沿着轨迹线的运动进行零件表面成形的。4.1.2切削运动切削运动切削运动切削运动（CuttingmotionCuttingmotion）切削运动切削运动是指在切削加工中刀具与工件间的相对运动，即是指在切削加工中刀具与工件间的相对运动，即表面
4、成形运动。表面成形运动。切削运动切削运动通常分为通常分为主运动主运动和和进给运动进给运动两种。两种。主运动主运动进给运动进给运动工件工件刀具刀具图图4-4螺纹的车削运动螺纹的车削运动4.1.2切削运动切削运动 主运动主运动主运动主运动是指直接切除工件上的余量形成加工表面的运是指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用动。主运动的速度即切削速度，用v(m/s)表示。表示。图图4-5外圆面的车削运动外圆面的车削运动待加工表面待加工表面v过渡表面过渡表面已加工表面已加工表面主运动主运动f进给运动进给运动主运动主运动是切削运动中是切削运动中速度速度最高，消耗功率最大最高，消耗
5、功率最大的运的运动；动；主运动只有一个；主运动只有一个；可以是刀具或工件的运动；可以是刀具或工件的运动；可以是直线或旋转运动。可以是直线或旋转运动。4.1.2切削运动切削运动 进给运动进给运动进给运动进给运动是指不断把余量投入切削的运动。其速度用进是指不断把余量投入切削的运动。其速度用进给量给量f（mm/r）或进给速度）或进给速度vf（mm/min）表示。）表示。进给运动进给运动可以是一个可以是一个或几个；或几个；可以是刀具或工件的可以是刀具或工件的运动；运动；可以是直线或旋转运可以是直线或旋转运动。动。主运动主运动进给运动进给运动fv过渡表面过渡表面已加工表面已加工表面待加工表面待加工表面图
6、图4-6平面的刨削运动平面的刨削运动4.1.2切削运动切削运动常见表面成形加工的运动常见表面成形加工的运动4.1.2切削运动切削运动外圆磨外圆磨无心磨无心磨铣削加工铣削加工滚压加工滚压加工铣削铣削成形磨（横磨成形磨（横磨）主运动主运动 进给运动进给运动表表4-1外圆表面加工方法外圆表面加工方法刀刀具具T/RT主运动主运动 进给运动进给运动工工件件表表面面成成形形原原理理图图RRRRRTRRT/R车削车削成形车削成形车削拉削拉削研磨研磨T表表4-2内圆表面加工方法内圆表面加工方法表表 面面 成成 形形 原原 理理 图图钻钻扩扩铰铰镗镗拉拉挤挤行星式内圆磨行星式内圆磨主运动主运动刀刀 具具主运动主
7、运动 进给运动进给运动工工 件件RRTRRT/RTTRTT内圆磨内圆磨无心磨无心磨进给运动进给运动4.1.2切削运动切削运动表表4-3平面加工方法平面加工方法主运动主运动 进给运动进给运动刀刀 具具主运动主运动 进给运动进给运动工工 件件表表 面面 成成 形形 原原 理理 图图RTTTT刨刨插插周铣周铣端铣端铣平磨平磨端面平磨端面平磨车车拉拉TR4.1.2切削运动切削运动表表4-4螺纹加工方法螺纹加工方法刀刀 具具工工 件件滚压滚压车螺纹车螺纹板牙板牙主运动主运动 进给运动进给运动主运动主运动 进给运动进给运动表表 面面 成成 形形 原原 理理 图图RTRRTTR丝锥丝锥铣螺纹铣螺纹梳形铣刀梳
8、形铣刀旋风铣旋风铣磨螺纹磨螺纹RR4.1.2切削运动切削运动4.1.2切削运动切削运动表表4-5齿形加工方法齿形加工方法主运动主运动 进给运动进给运动刀刀 具具主运动主运动 进给运动进给运动工工 件件表表 面面 成成 形形 原原 理理 图图RRRTTR/TRRR/T铣齿铣齿指状铣指状铣刀铣齿刀铣齿成形成形磨齿磨齿滚齿滚齿剃齿剃齿插齿插齿蜗杆砂轮磨齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿R4.1.3切削要素切削要素工件上的表面工件上的表面图图4-7工件上的表面工件上的表面(a)车加工表面车加工表面(b)镗加工表面镗加工表面待加工表面待加工表面已加工表面已加工表面过渡表面过渡
9、表面fv待加工表面待加工表面过渡表面过渡表面已加工表面已加工表面vf待加工表面待加工表面：工件上有待切除的表面；：工件上有待切除的表面；已加工表面已加工表面：工件上刀具切削后形成的表面；：工件上刀具切削后形成的表面；过渡表面过渡表面：工件上正在被切除材料的表面。：工件上正在被切除材料的表面。4.1.3切削要素切削要素切削用量切削用量切削速度切削速度v vc c：单位时间内，工件和刀具在主运动方向上，相单位时间内，工件和刀具在主运动方向上，相对移动的距离。（对移动的距离。（Cuttingspeed）单位为）单位为m/s，或，或m/min旋转运动：旋转运动：式中式中n主运动转速（主运动转速（r/s
10、）；）；D刀具或工件的直径（刀具或工件的直径（mm）。）。往复运动：往复运动：式中式中nr主运动每秒钟往复次数（主运动每秒钟往复次数（str/s）；）；l往复运动单行程长度（往复运动单行程长度（mm）。）。4.1.3切削要素切削要素切削用量切削用量进给量进给量 f f：工件或刀具每转一周时工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时或主运动一循环时)，两，两者沿进给方向上相对移动的距离。（者沿进给方向上相对移动的距离。（Feed）进给速度进给速度vf(mm/min)（Feedspeed）每转进给量每转进给量f(mm/r)（Feed）每齿进给量每齿进给量fz(mm/z)（Feedpertooth）切削
11、深度切削深度a ap p：工件上待加工表面与已加工表面之间的距离。工件上待加工表面与已加工表面之间的距离。(Cuttingdepth，Backengagementofthecuttingedge)车外圆时：车外圆时：式中式中D工件待加工表面的外径工件待加工表面的外径(mm)；d工件已加工表面的外径工件已加工表面的外径(mm)。4.1.3切削要素切削要素切削层参数切削层参数bD ap/sinr切削层公称宽度切削层公称宽度 b bD D：沿过渡表面测量的切削层尺寸。沿过渡表面测量的切削层尺寸。(Nominalwidthofcut)过渡表面过渡表面待加工表面待加工表面已加工表面已加工表面图图4-8车
12、削要素图车削要素图bD4.1.3切削要素切削要素切削层参数切削层参数切削层公称厚度切削层公称厚度 h hD D：垂直于过渡表面测量的切削层尺寸。垂直于过渡表面测量的切削层尺寸。(Nominalthicknessofcut)待加工表面待加工表面过渡表面过渡表面已加工表面已加工表面图图4-8车削要素图车削要素图hDhD fsinr4.1.3切削要素切削要素切削层参数切削层参数AD hDb bD D=a ap pf f切削层公称横截面积切削层公称横截面积 A AD D：切削层横截面积。切削层横截面积。(Nominalcross-sectionalareaofthecut)过渡表面过渡表面待加工表面待
13、加工表面已加工表面已加工表面图图4-8车削要素图车削要素图AD第第4章章 机械切削加工基础知识机械切削加工基础知识 4.2机械制造工艺过程机械制造工艺过程（该节不讲该节不讲）机械加工及设备机械加工及设备 4.2.1机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成200.07210.8图图4-9阶梯轴阶梯轴3240250.07350-0.0170.80.8354030550150其余倒角1453.221工工序序是是指指由由一一个个或或一一组组工工人人在在同同一一台台机机床床或或同同一一个个工工作作地地，对对一一个个或或同同时时对对几几个个工工件件所所连连续续完完成成的的那那一一部部分机械加工工艺
14、过程。分机械加工工艺过程。工工序序是是工工艺艺过过程程的的基基本本单单元元，又又是是生生产产计计划划和和成成本本核核算算的基本单元，工序的安排与零件的生产批量有关的基本单元，工序的安排与零件的生产批量有关。4.2.1机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成安安装装在在一一道道工工序序中中，工工件件每每经经一一次次装装夹夹后后所所完完成成的的那部分工序称为安装。那部分工序称为安装。Vf图图4-10车削加工过程图车削加工过程图工工位位工工件件在在机机床床上上占占据据每每一一个个位位置置所所完完成成的的那那部部分分工序称为工位工序称为工位。1-装卸工件；装卸工件；2-钻孔钻孔；3-扩孔；扩孔
15、；4-绞孔绞孔图图4-11多工位加工多工位加工4.2.1机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成4.2.1机械加工工艺过程及其组成机械加工工艺过程及其组成工工步步指指在在加加工工表表面面不不变变、切切削削刀刀具具不不变变的的情情况况下下所所连连续续完完成成的的那那部部分分工工序序。（在在一一个个工工步步内内，若若有有几几把把刀刀具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）具同时加工几个不同表面，称此工步为复合工步）走走刀刀同同一一加加工工表表面面加加工工余余量量较较大大，可可以以分分作作几几次次工工作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走刀。作进给，每次工作进给所完成的工步称为一次走
16、刀。a）立轴转塔车床的一个复合工步）立轴转塔车床的一个复合工步b）钻孔、扩孔复合工步）钻孔、扩孔复合工步图图4-12复合工步复合工步4.2.2机械装配工艺过程机械装配工艺过程 机械装配工艺过程机械装配工艺过程机械装配工艺过程机械装配工艺过程 将将组组成成机机器器的的零零、部部件件按按一一定定的的精精度度要要求求和和技技术术条条件件连连接与固定在一起，构成合格机械产品的过程。接与固定在一起，构成合格机械产品的过程。机械装配工作机械装配工作机械装配工作机械装配工作 包包括括：组组装装、部部装装、总总装装、调调试试、检检验验、试试车车、涂涂装装与与包装等。包装等。装配工序、工步和操作装配工序、工步和
17、操作装配工序、工步和操作装配工序、工步和操作u装装配配工工序序在在一一个个工工作作地地点点，由由一一个个或或一一组组工工人人所所连续完成的那一部分装配工作；连续完成的那一部分装配工作；u装装配配工工步步装装配配工工序序的的组组成成部部分分，在在装装配配工工步步中中，装配对象、装配工具和装配方法均不改变；装配对象、装配工具和装配方法均不改变；u装配操作装配操作装配工步中各个装配动作。装配工步中各个装配动作。第第4章章 机械切削加工基础知识机械切削加工基础知识 4.3切削刀具切削刀具机械加工及设备机械加工及设备 4.3.1刀具结构刀具结构车刀车刀外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。外
18、圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由车刀的切削部分由3个刀面个刀面(前刀面、主后刀面和副后刀面前刀面、主后刀面和副后刀面)，2个刀刃个刀刃(主切削刃和副切削刃主切削刃和副切削刃)和和1个刀尖个刀尖组成。组成。(a)焊接式车刀焊接式车刀(b)整体式车刀整体式车刀(c)机夹式车刀机夹式车刀图图4-12车刀的结构车刀的结构前刀面前刀面主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖“3“3面面”“2“2刃刃”“1“1尖尖”4.3.1刀具结构刀具结构刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图图4
19、-13各种刀具切削部分的形状各种刀具切削部分的形状4.3.2刀具几何角度刀具几何角度刀具标注角度坐标系刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系）主切削刃主切削刃主后刀面主后刀面前刀面前刀面副切削刃副切削刃主剖面主剖面PoA1)基基面面Pr：通通过过切切削削刃刃选选定定点点与与主主运运动动方方向向垂垂直直的的平平面面。基基面面与与刀具底面平行。刀具底面平行。切削平面切削平面Ps基面基面Pr图图4-14车刀主剖面坐标系车刀主剖面坐标系2)切切削削平平面面Ps：通通过过切切削削刃刃选选定定点点与与主主切切削削刃刃相相切切且且垂垂直直于于基基面面Pr的平面。的平面。3)主主剖剖面面Po：通通过过切切削削刃刃选
20、选定定点点垂垂直直于于基基面面Pr和和切切削削平平面面Ps的的平平面。面。4.3.2刀具几何角度刀具几何角度(1)前角前角o在在主主剖剖面面内内测测量量，前前刀刀面面与与基基面面的的夹夹角角。基基面面位位于于刀刀头头实实体体之之外外时时o o定定为为正正值值；位位于于刀刀头头实实体体之之内内时时o o定为负值。定为负值。o o影影响响切切削削难难易易度度。增增大大前前角角可可使使刀刀具具锋锋利利,但但前前角角过过大大，刀刀刃刃和和刀刀尖尖强强度度下下降降，刀刀具具导导热热体体积积减减小小，影影响响刀刀具具寿命。寿命。ArA向f图图4-15车车刀的主要角度刀的主要角度0000rrs0刀具标注角度
21、刀具标注角度刀具标注角度刀具标注角度q用硬质合金车刀切削钢件，用硬质合金车刀切削钢件，o取取1020；切削灰铸铁，；切削灰铸铁，o取取515；切削；切削铝及铝台金，铝及铝台金，o取取2535；切削高强；切削高强度钢，度钢，o取取-5-10。4.3.2刀具几何角度刀具几何角度ArA向f图图4-15车车刀的主要角度刀的主要角度0000rrs(2)后角后角o 后后角角o在在主主剖剖面面内内测测量量，是是主主后后刀刀面面与与切切削平面的夹角。削平面的夹角。后角的作用后角的作用是为了减是为了减小主后刀面与工件加小主后刀面与工件加工表面间的摩擦，以工表面间的摩擦，以及主后刀面的磨损。及主后刀面的磨损。但后
22、角过大，刀刃强但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体度下降，刀具导热体积减小，反而会加快积减小，反而会加快主后刀面的磨损。主后刀面的磨损。0q粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为一般为46；精加工时切深小，为保；精加工时切深小，为保证表面加工质量，后角可选大一些，证表面加工质量，后角可选大一些，一般为一般为812。4.3.2刀具几何角度刀具几何角度q主偏角应根据加工对象正确选取，主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。几种。(3)主偏角主偏角r
23、在在基基面面内内测测量量，是是主主切切削削刃刃在在基基面面上上投投影影与进给方向的夹角。与进给方向的夹角。r影影响响刀刀具具寿寿命命。减减小小主主偏偏角角，主主刃刃参参加加切切削削长长度度增增加加，负负荷荷减减轻轻，增增强强了了刀刀尖尖，增增大大了了散散热热面面积积，使使刀刀具具寿寿命命提提高。高。r还还影影响响切切削削分分力力。减减小小主主偏偏角角使使吃吃刀刀抗抗力力增增大大，当当加加工工刚刚性性较较弱弱的的工工件件时时，易易引引起起工工件件变变形和振动。形和振动。ArA向f图图4-15车车刀的主要角度刀的主要角度0000rrsr4.3.2刀具几何角度刀具几何角度rAA向f图图4-15车车刀
24、的主要角度刀的主要角度0000rrs(4)副偏角副偏角rr在在基基面面内内测测量量，是是副副切切削削刃刃在在基基面面上上的的投投影影与与进进给给反反方方向向的的夹角。夹角。副副偏偏角角的的作作用用是是为为了了减减小小副副切切削削刃刃与与工工件件已已加加工工表表面面之之间间的的摩摩擦擦，以以防防止止切切削削时时产产生生振振动动。副副偏偏角角的的大大小小影影响响刀刀尖尖强强度度和和表表面粗糙度。面粗糙度。rq在在切切深深、进进给给量量和和主主偏偏角角相相同同的的情情况况下下，减减小小副副偏偏角角可可使使残残留留面面积积减减小，表面粗糙度降低。小，表面粗糙度降低。4.3.2刀具几何角度刀具几何角度(
25、5)刃刃倾倾角角s：在在切切削削平平面面内内测测量量的的主主切切削削刃刃与与基基面面的的夹夹角角。当刀尖是切削刃最高点时当刀尖是切削刃最高点时,s0；反之；反之s0s0s=04.3.2刀具几何角度刀具几何角度刀具工作角度刀具工作角度刀具安装高度对工作角度的影响刀具安装高度对工作角度的影响图图4-17车刀安装高度对工作角度的影响车刀安装高度对工作角度的影响(a)刀尖在中心点上刀尖在中心点上0e=0 0e0(b)刀尖在中心点上方刀尖在中心点上方 0e0 rer(c)刀尖在中心点下方刀尖在中心点下方 rerre=r4.3.3刀具材料刀具材料对刀具切削部分材料的要求对刀具切削部分材料的要求(1)高的硬
26、度和耐磨性；高的硬度和耐磨性；(2)足够的强度和韧性；足够的强度和韧性；(3)较好的热硬性；较好的热硬性；(4)良好的工艺性；良好的工艺性；(5)经济性。经济性。4.3.3刀具材料刀具材料刀具材料的发展刀具材料的发展图图4-18刀具材料的刀具材料的发发展与切削加工高速化的关系展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼(PCBN)陶瓷聚晶金刚石（PCD）4
27、.3.3刀具材料刀具材料常用的刀具材料常用的刀具材料 高速钢高速钢(highspeedsteel,HSS)高高速速钢钢是是一一种种加加入入了了较较多多的的钨钨、钼钼、铬铬、钒钒等等合合金金元元素的高合金工具钢。素的高合金工具钢。特点特点(1)强度高，抗弯强度为硬质合金的强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；倍；(2)韧性高，比硬质合金高几十倍；韧性高，比硬质合金高几十倍；(3)硬度硬度HRC63以上，且有较好的耐热性以上，且有较好的耐热性；(4)可加工性好，热处理变形较小。可加工性好，热处理变形较小。应用应用常常用用于于制制造造各各种种复复杂杂刀刀具具（如如钻钻头头、丝丝锥锥、拉拉刀刀、成成型型
28、刀具、齿轮刀具等）。刀具、齿轮刀具等）。表表4-6常用高速钢牌号及其应用范围常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制
29、造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵4.3.3刀具材料刀具材料4.3.3刀具材料刀具材料4.3.3刀具材料刀具材料 硬质合金硬质合金硬硬质质合合金金是是用用高高硬硬度度、高高熔熔点点的的金金属属碳碳化化物物(如如WC、TiC等等)粉粉末末和和金金属属粘粘结结剂剂(如如Co、Ni、Mo等等)经经高高压压成成型型后后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。再在高温下烧结而
30、成的粉末冶金制品。应用应用硬硬质质合合金金切切削削性性能能优优良良，被被广广泛泛用用来来制制作作各各种种刀刀具具，如车刀、铣刀和孔加工工具等。如车刀、铣刀和孔加工工具等。特点特点 优优点点：硬硬质质合合金金的的硬硬度度、耐耐磨磨性性、耐耐热热性性都都很很高高，允允许的切削速度远高于高速钢。许的切削速度远高于高速钢。缺缺点点：与与高高速速钢钢相相比比，其其抗抗弯弯强强度度较较低低、脆脆性性较较大大，抗振动和冲击性能也较差。抗振动和冲击性能也较差。4.3.3刀具材料刀具材料表表4-7各种硬各种硬质质合金的合金的应应用范用范围围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击
31、载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、
32、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度4.3.3刀具材料刀具材料4.3.3刀具材料刀具材料 陶瓷陶瓷常常用用陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料有有Al2O3、Si3N4、Sialon三类陶瓷材料。三类陶瓷材料。特点特点 优优点点：比比硬硬质质合合金金具具有有高高的的硬硬度度和和耐耐热热性性，在在1200的的温温度度下下仍仍能能切切削削，耐耐磨磨性性和和化化学学惰惰性性好好，摩摩擦系数小，承受的切削速度高。擦系数小，承受的切削速度高。缺
33、缺点点：脆脆性性大大、抗抗冲冲击击韧韧性性差差、抗弯强度低。抗弯强度低。应用应用陶陶瓷瓷刀刀具具材材料料在在高高速速切切削削、高高硬硬度度材材料料零零件件的的加加工工中中具具有广阔的应用前景。有广阔的应用前景。图图4-19陶瓷刀具和刀片陶瓷刀具和刀片4.3.3刀具材料刀具材料 超硬刀具材料超硬刀具材料(1)聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)特点特点特点特点 优优 点点：硬硬 度度 高高，可可 达达8000HV，为为硬硬质质合合金金的的8-12倍倍；耐耐磨磨性性高高，为为硬硬质质合合金金的的80120倍。倍。缺缺点点：韧韧性性和和抗抗弯弯强强度度差，耐热性差。差，耐热性差。应用应用应用应用不不宜宜加
34、加工工黑黑色色金金属属，主主要要用用于于硬硬质质合合金金、玻玻璃璃纤纤维维塑塑料、硬橡胶、石料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等的高速加工。墨、陶瓷、有色金属等的高速加工。图图4-20聚晶金刚石刀具聚晶金刚石刀具4.3.3刀具材料刀具材料 超硬刀具材料超硬刀具材料(1)聚晶立方氮化硼聚晶立方氮化硼(PCBN)特点特点特点特点 优优点点：硬硬度度和和耐耐磨磨性性高高，其其硬硬度度仅仅次次于于聚聚晶晶金金刚刚石石；热热稳稳定定性性好好，可可耐耐13001500高温。高温。缺缺点点：强强度度低低，焊焊接接性差。性差。应用应用应用应用适用于高强度铸铁、淬硬钢等的高速切削加工。适用于高强度铸铁、淬硬钢等的
35、高速切削加工。图图4-21聚晶立方氮化硼刀具聚晶立方氮化硼刀具第第4章章 机械切削加工基础知识机械切削加工基础知识 4.4金属切削过程及金属切削过程及其物理现象其物理现象机械加工及设备机械加工及设备 4.4.1切屑形成过程及切屑类型切屑形成过程及切屑类型金属的切削过程金属的切削过程切削过程：切削过程：切削层金属切削层金属受刀具挤压受刀具挤压弹性变形弹性变形剪切应剪切应力增大力增大，达到屈服点，达到屈服点产生产生塑性变形塑性变形，沿，沿OM线滑移线滑移剪切剪切应力与滑移量继续增大，达到应力与滑移量继续增大，达到断裂强度断裂强度切屑与母体切屑与母体脱离脱离。OMF图图4-22金属切削过程金属切削过
36、程工件工件刀具刀具切屑切屑4.4.1切屑形成过程及切屑类型切屑形成过程及切屑类型 第第变形区：变形区：即剪切变形即剪切变形区，金属剪切滑移成为切屑。区，金属剪切滑移成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。集中于此区域。第第变形区：变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。要原因。第第变形区：变形区：靠近前刀面靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压处，切屑排出时受前刀面挤压与与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑
37、瘤的主要原因。图图4-23切削部位三个切削部位三个变变形区形区u三个变形区分析三个变形区分析4.4.1切屑形成过程及切屑类型切屑形成过程及切屑类型切屑种类切屑种类形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，
38、表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑4.4.1切屑形成过程及切屑类型切屑形成过程及切屑类型带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑图图4-24切屑形态照片切屑形态照片4.4.2积屑瘤积屑瘤积屑瘤的形成积屑瘤的形成一定温度、压力作用下，切屑底层金属与前刀面发生一定温度、压力作用下，切屑底层金属与前刀面发生粘结。粘结金属严重塑性变形，产生加工硬化。粘结。粘结金属严重塑性变形，产生加工硬化。切屑刀具图图4-25积积屑瘤屑瘤积屑瘤增大前角；增大前角；保护刀刃；保护刀刃；增大切削厚度；增大切削厚度；增大已加工表面
39、粗糙度。增大已加工表面粗糙度。对切削的影响对切削的影响4.4.2积屑瘤积屑瘤影响积屑瘤形成的因素及防止方法影响积屑瘤形成的因素及防止方法影响因素影响因素调整切削速度，采用较低或者较高的速度切削；增大调整切削速度，采用较低或者较高的速度切削；增大前角，以减小塑性变形；油石研磨刀面；合适的润滑液前角，以减小塑性变形；油石研磨刀面；合适的润滑液降温减磨。降温减磨。工件材料：工件材料：塑性材料加工硬化倾向大，易产生积屑瘤；塑性材料加工硬化倾向大，易产生积屑瘤；切削速度：切削速度：vc在在560m/min时易产生积屑瘤；时易产生积屑瘤；刀具前角：刀具前角：前角小，切屑变形大，易产生积屑瘤；前角小，切屑变
40、形大，易产生积屑瘤；刀具表面粗糙度：刀具表面粗糙度：刀具表面粗糙，易产生积屑瘤；刀具表面粗糙，易产生积屑瘤；冷却润滑液。冷却润滑液。防止方法防止方法4.4.3加工硬化加工硬化加工硬化产生的机理加工硬化产生的机理切削加工时，切削层金属的切削加工时，切削层金属的塑性变形塑性变形以及切削力、切以及切削力、切削温度的共同作用，会导致已加工表面层的削温度的共同作用，会导致已加工表面层的硬度提高硬度提高，而而塑性下降塑性下降，称为，称为加工硬化加工硬化；同时，工件的已加工表面；同时，工件的已加工表面层在一定程度内会伴随着残余应力的产生。层在一定程度内会伴随着残余应力的产生。对切削加工的影响对切削加工的影响
41、(1)工件硬度、强度工件硬度、强度、耐磨性、耐磨性，刀具磨损，刀具磨损；(2)残余应力可能引起微裂纹，并影响尺寸、形状精度。残余应力可能引起微裂纹，并影响尺寸、形状精度。4.4.4切削力切削力切削力的概念切削力的概念(CuttingForce)(CuttingForce)切削过程中，作用在刀具与工件上的力。切削过程中，作用在刀具与工件上的力。切削力的来源切削力的来源3个变形区产生的弹、塑性个变形区产生的弹、塑性变形抗力；变形抗力；切屑、工件与刀具间切屑、工件与刀具间摩擦力。摩擦力。rFcFFpFf pFfFf pFf pfv图图4-26切削力的分解切削力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp背向力
42、Ff进给力4.4.4切削力切削力切削力的分解切削力的分解切削力是一个空间力，可分解为三个互相垂直方向的力。切削力是一个空间力，可分解为三个互相垂直方向的力。4.4.4切削力切削力各切削分力的实际意义各切削分力的实际意义主切削力主切削力Fc最大，最大，0.80.9F，消耗机床功率的，消耗机床功率的90%以上，以上，是确定机床动力，设计机床传动系统的依据；是确定机床动力，设计机床传动系统的依据；进给力进给力Ff=(0.10.6)F，一般只消耗机床功率的，一般只消耗机床功率的1%5%，是验算机床进给系统零部件刚度的依据；是验算机床进给系统零部件刚度的依据；背向力背向力Fp=(0.150.7)F，易使
43、工件发生受力变形，并引，易使工件发生受力变形，并引起振动，影响加工精度和表面粗糙度。用来计算工艺系起振动，影响加工精度和表面粗糙度。用来计算工艺系统的刚度。统的刚度。4.4.4切削力切削力切削功率切削功率式中Fc 主切削力（N）；v 主运动速度（m/s）。机床电机功率机床电机功率式中机床传动效率，通常=0.750.854.4.5切削热和切削温度切削热和切削温度切削热的产生及传出切削热的产生及传出切削热来源：切削热来源：塑性变形和摩擦消耗的功。塑性变形和摩擦消耗的功。传出（车削时）：传出（车削时）：切屑带出：切屑带出：50%86%；传入工件：传入工件：10%40%；传入刀具：传入刀具：3%9%；
44、其余：周围介质其余：周围介质1%；切削液带走：使用切削液时，刀具、工件和切切削液带走：使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走。屑上的切削热主要由切削液带走。切削热的影响作用：切削热的影响作用：刀具温升：刀具温升：加剧磨损加剧磨损工件温升：工件温升：影响精度影响精度4.4.5切削热和切削温度切削热和切削温度切削温度及其影响因素切削温度及其影响因素切削温度的影响因素：切削温度的影响因素：工件材料：工件材料：强度、硬度高，消耗功多，温度高；强度、硬度高，消耗功多，温度高；导热好，温度低；导热好，温度低；切削用量：切削用量：vc，切削温度，切削温度；f、ap，切削，切削温度温度；刀具
45、角度和材料：刀具角度和材料：o，塑性变形，塑性变形，温度，温度，但，但o过大，传热过大，传热，温度，温度；r，刀刃切削长度，刀刃切削长度，散热，散热，温度，温度；刀具导热性好，温度；刀具导热性好，温度；切削液：切削液：能比较有效地降低切削温度。能比较有效地降低切削温度。切削温度切削温度是指前刀面与切屑接触区的平均温度。是指前刀面与切屑接触区的平均温度。4.4.6刀具磨损及刀具寿命刀具磨损及刀具寿命刀具磨损形态刀具磨损形态 正常磨损 前刀面磨损前刀面磨损形式：形式：月牙洼；月牙洼；形成条件：形成条件：大切削速度大切削速度和深度加工塑性材料；和深度加工塑性材料；影响：影响：削弱刀刃强度，削弱刀刃强
46、度，降低加工质量。降低加工质量。后刀面磨损后刀面磨损形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）；形成条件：小切削速度和小深度加工塑性材料；加工脆性材料；影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量；VBVBmaxb)KTKBa)图图4-27刀具磨刀具磨损损形形态态4.4.6刀具磨损及刀具寿命刀具磨损及刀具寿命 非正常磨损非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）。图图4-28刀具磨损过程刀具磨损过程初期磨损初期磨损后刀面磨损量后刀面磨损量VB正常磨损正常磨损急剧磨损急剧磨损切削时间切削时间刀具磨损过程刀具磨损过程常取后刀面最大允许磨损量常取后刀面最大允许磨损量VB。磨钝标
47、准磨钝标准分为分为初初期期、正常正常、急剧急剧3个磨个磨损阶段。损阶段。4.4.6刀具磨损及刀具寿命刀具磨损及刀具寿命刀具耐用度和刀具寿命刀具耐用度和刀具寿命 刀具耐用度刀具耐用度是指刀具从切削开始至磨钝标准的切削时是指刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用间，用T T 表示。表示。刀具寿命是指一把新刀从投入切削开始至报废为止的是指一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。总切削时间，其间包括多次重磨。式中式中CT、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。为与工件、刀具材料等有关的常数。通常情况下通常情况下v的影响最显著，的影响最显著，f 次之，次之，ap影响最小。影响
48、最小。刀具耐用度经验公式刀具耐用度经验公式第第4章章 机械切削加工基础知识机械切削加工基础知识 4.5工件材料可加工性工件材料可加工性机械加工及设备机械加工及设备 4.5.1工件材料可加工性工件材料可加工性材料切削加工性的概念和衡量指标材料切削加工性的概念和衡量指标 材料切削加工性的概念材料切削加工性的概念工工件件材材料料的的切切削削加加工工性性是是指指材材料料在在一一定定条条件件下下被被切削加工成合格零件的难易程度。切削加工成合格零件的难易程度。材料切削加工性的衡量指标材料切削加工性的衡量指标(常用的有常用的有vT和和Kr两种两种)切削速度切削速度vT vT是是指指耐耐用用度度为为T秒秒（或
49、或分分）时时，切切削削某某种种材材料料所所允允许许的的切切削削速速度度。vT越越高高，表表示示材材料料的的切切削削加加工工性性越越好好。通通常常取取T=60分分，对对于于一一些些特特别别难难加加工工的的材材料料，也也可取可取T30分。分。4.5.1工件材料可加工性工件材料可加工性 材料切削加工性的衡量指标材料切削加工性的衡量指标(常用的有常用的有vT和和Kr两种两种)相对加工性相对加工性Kr以以45钢钢的的v60作作为为基基准准，写写作作(v60)j；而而把把其其它它各各种种材材料料的的v60同同它它相相比比，这这个个比比值值Kr称称为为材料的相对加工性。即：材料的相对加工性。即：4.5.1工
50、件材料可加工性工件材料可加工性加工性等级表表4-8材料相材料相对对加工性等加工性等级级材料名称及种类相对加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金属3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.53退火l5Cr，b0.373o.441GPa自动机钢，b0.3930.491GPa3较易切削钢3.62.5正火30钢，b0.4410.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.03.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.651.02Crl3，调质b0.834GPa85，钢b0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.50.6545Cr，调质b1.03GPa65Mn，调质b0.9320.9817