第9章金屬切削加工金屬切削加工是指使用金屬切削刀具從工件上切除多余（或預(yù)留）的金屬（使之成為切屑），從而形成已加工表面，使工件達(dá)到預(yù)定的幾何形狀、尺寸準(zhǔn)確度、位置精度、表面質(zhì)量以及低加工成本要求的一種零件加工方法。常用的金屬切削加工方法有車、銑、刨、磨、鉆、鏜、拉、鋸、螺紋加工、齒輪加工等。9.1

金屬切削加工的基本知識(shí)金屬切削過程是指工件上一層多余的金屬被刀具切除的過程和已加工表面的形成的過程。在這個(gè)過程中始終存在著刀具與工件（金屬材料）之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。并帶來如形成切屑、切削力、切削熱與切削溫度及刀具的磨損等一系列現(xiàn)象。1

切削運(yùn)動(dòng)為了切除工件上多余的金屬，刀具與工件之間必須作一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即切削運(yùn)動(dòng)。根據(jù)切削運(yùn)動(dòng)在切削加工過程中的功用分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

9.1.1切削加工概述a）車削b）鉆削c）刨削d）銑削e）磨削圖9-1切削運(yùn)動(dòng)（1）主運(yùn)動(dòng)最基本最主要的運(yùn)動(dòng),它促使刀具和工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使刀具前刀面接近工件，從工件上直接切除金屬。具有切削速度最高，消耗功率最大的特點(diǎn)。

在切削中必須有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)、且只能有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(如車削)，也可以是直線運(yùn)動(dòng)（如刨削）；可以由工件完成（如車削），也可以由刀具完成（如銑削）；

（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主運(yùn)動(dòng)配合，使刀具和工件之間產(chǎn)生附加的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證切削能夠連續(xù)進(jìn)行。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是連續(xù)的，如車削外圓時(shí)車刀平行于工件軸線的縱向運(yùn)動(dòng)；已可以是步進(jìn)的，如刨削時(shí)工件或刀具的橫向移動(dòng)等。在切削中可以有一個(gè)或多個(gè)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

2工件上的加工表面隨切削運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，工件上有三個(gè)不斷變化的表面。待加工表面：工件上有待切除的表面；已加工表面：工件經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的表面；過渡表面：工件上由刀具切削刃形成的正在切削的那一部分表面，它在刀具或工件的下一轉(zhuǎn)里被切除，或由下一切削刃切除。圖9-2車削運(yùn)動(dòng)時(shí)工件上的表面3切削用量要素切削加工時(shí)選定的不同切削參數(shù)稱為切削用量要素。主要有切削速度Vc、進(jìn)給量f（或進(jìn)給速度Ｖf）、背吃刀量αp，也稱為切削用量。是調(diào)整刀具與工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)位置所需的工藝參數(shù)。圖9-3切削用量要素

（1）切削速度刀具切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)線速度稱為切削速度，用Vc表示，單位為m/s。Vc=(πdwn)/1000

式中dw——工件或刀具的最大直徑（mm）；

n——工件轉(zhuǎn)速（r/s）。（2）進(jìn)給量：工件或刀具每轉(zhuǎn)一周，刀具（或工件）在進(jìn)給方向上相對(duì)位移量，用f表示，單位為mm/r。單位時(shí)間內(nèi)刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)工件的位移量，稱為進(jìn)給速度，用Vf表示，單位為mm/s或m/min。當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)給量f與進(jìn)給速度Vf之間的關(guān)系為：

Vf

＝fn（3）背吃刀量（切削深度）工件已加工表面和待加工表面之間的法向距離，用ap表示，單位為mm。車外圓時(shí)背吃刀量αp為：4切削層表面尺寸要素切削層是刀具切削部分切過工件的一個(gè)單程所切除的工件材料層。切削層的形狀和尺寸將直接影響刀具切削部分所承受的負(fù)荷和切屑的尺寸大小。圖9-3切削層要素

1—待加工表面２—過渡表面３—已加工表面（1）切削層厚度hD：是垂直于過渡表面度量的切削層尺寸。其值反映了切削刃單位長(zhǎng)度上的工作負(fù)荷。

hD＝fsinκr

（2）切削層寬度bD：是沿過渡表面度量的切削層尺寸。其值反映了切削刃參加切削的長(zhǎng)度。

bD＝αp/sinκr

（3）切削層公稱橫截面積AD：指在切削層尺寸平面內(nèi)度量的橫截面積。

AD＝hD×bD＝f×αp

9.1.2金屬切削刀具刀具通常由切削部分和刀柄兩部分組成。刀柄部分起支撐作用，是被夾持和定位的部位。一般選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造。切削部分也稱刀頭部分，切削時(shí)主要靠其與工件毛坯接觸并完成切削工作。刀具切削性能的優(yōu)劣取決于切削部分的材料、幾何參數(shù)以及刀具結(jié)構(gòu)。1刀具材料切削加工過程中，加工生產(chǎn)率和刀具耐用度、刀具消耗、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等，在很大程度上都取決于刀具材料的選擇。

（1）、刀具材料的性能★較高的硬度，常溫下60HRC以上★良好的耐磨性★足夠的強(qiáng)度和韌性★良好耐熱性★良好工藝性★較好的經(jīng)濟(jì)性（2）、刀具材料的種類★工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼）★硬質(zhì)合金★陶瓷★金剛石（天然和人造）★立體氮化硼碳素工具鋼（如Tl0A、T12A）和合金工具鋼（9SiCr、CrWMn），因其耐熱性較差，僅用于手工工具。陶瓷、金剛石和立方氮化硼則由于性質(zhì)脆、工藝性差及價(jià)格昂貴等原因，目前只在較小的范圍內(nèi)使用。當(dāng)今，用得最多的刀具材料為高速鋼和硬質(zhì)合金。①高速鋼高速鋼是含有較多鎢、鉬、鉻、釩等元素的高合金工具鋼。與碳素工具鋼和合金工具鋼相比，高速鋼能提高切削速度1—3倍（因此而得名），提高刀具耐用度10—40倍。它可以加工從有色金屬到高溫合金在內(nèi)的范圍廣泛的材料。高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單，能鍛造，容易磨出鋒利的刀刃，因此在復(fù)雜刀具（鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等）的制造中，高速鋼占有重要地位。②硬質(zhì)合金：硬質(zhì)合金是用粉未冶金法制造的合金材料，硬質(zhì)合金的硬度較高，常溫下可達(dá)74～81HRC，它的耐磨性較好，耐熱性較高，能耐800～1000C的高溫，因此能采用比高速鋼高幾倍甚至十幾倍的切削速度；

它的不足之處是抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度較高速鋼低，刃口不能磨得象高速鋼刀具那樣鋒利，一般制成各種形狀的刀片，焊接或夾固在刀體上。

銑刀、齒輪刀具鉸刀、拉刀手工工具用途小小大熱處理變形0.5~1.08

（1）>20%碳素工具鋼（0.5~0.6）

0.13（0.2~0.4）許用切削速度m/s（速比）600300~400200~250耐熱性O(shè)CHRC62~65HRC61~65HRC61~65硬度W18Cr4VCrWMn、9SiCrT10、T10AT12例高速鋼合金工具鋼碳素工具鋼常用刀具材料的性能及用途硬質(zhì)合金陶瓷材料人造金剛石例鎢鈷類（YG）鎢鈦鈷類（YT）YG3、YG6YT5、YT15硬度HRA89~91（HRC74~78）HRA86~96HV10000(硬質(zhì)合金為HV1300~1800)耐熱性O(shè)C850~10001200700~800許用切削速度m/s（速比）

1.7~5（6）（12~14）熱處理變形不需要用途各種刀片高硬度鋼材精加工不宜加工鋼鐵材料碳素鋼刀具高速鋼刀具硬質(zhì)合金刀塊2車刀切削部分的幾何參數(shù)（1）車刀的組成車刀由切削部分、刀柄兩部分組成。切削部分承擔(dān)切削加工任務(wù)；刀柄用來將車刀裝夾在機(jī)床刀架上。我們常用的外圓車刀由三面、兩刃、一尖組成。

VcVf前刀面后刀面副后面三個(gè)刀面：前刀面：刀具上切屑流過的表面；后刀面：與工件上切削表面相對(duì)的刀面；副后刀面：與已加工表面相對(duì)的刀面。VcVf主切削刃副切削刃兩個(gè)刀刃：主切削刃：前刀面與后刀面形成的刀刃。切出過渡表面，承擔(dān)主要的切削工作。副切削刃：前刀面與副后刀面相交形成，承擔(dān)少量切削工作。VcVf前刀面主切削刃副切削刃刀尖一尖：刀尖，主切削刃與副切削刃相交的一點(diǎn)（2）刀具標(biāo)注角度參考系：為了便于確定車刀上的幾何角度，常選擇某一參考系作為基準(zhǔn)，通過測(cè)量刀面或切削刃相對(duì)于參考系坐標(biāo)平面的角度值來反映它們的空間方位。

刀具角度的參考系有兩種：靜止參考系和工作參考系，前者用于刀具的設(shè)計(jì)和制造以及刃磨時(shí)定義幾何角度的參考系，后者主要用于規(guī)定刀具切削時(shí)的幾何角度的度參考系。主要學(xué)習(xí)車刀的靜止參考系中最常用的正交平面參考系。

正交平面參考系是由基面Pr

、主切削平面Ps和正交平面Po構(gòu)成的空間三面投影體系。（該參考系是刀具標(biāo)注角度最常用的參考系）①基面Pr：通過切削刃上某選定點(diǎn)垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。②主切削平面Ps：通過切削刃某選定點(diǎn)與主切削刃相切并垂直于基面的平面。③正交平面Po：通過切削刃某選定點(diǎn)并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。（3）車刀的標(biāo)注角度：外圓車刀在正交平面參考系內(nèi)標(biāo)注的角度有如下幾個(gè)：主偏角kr副偏角kr′刃傾角λs前角γ0后角αO①在基面Pr上刀具標(biāo)注角度有：主偏角kr─在過主切削刃選定點(diǎn)的基面內(nèi)，主切削刃與進(jìn)給方向間的夾角；副偏角kr′─在過副切削刃選定點(diǎn)的基面內(nèi)，副切削刃和進(jìn)給方向間所夾的銳角；主偏角kr、副偏角kr′越大，殘留面積越大主偏角kr、越大，進(jìn)給抗力越大，切深抗力越?、谠谇邢髌矫鍼s上刀具標(biāo)注角度有：刃傾角λs─主切削刃與基面間的夾角。刃傾角λs有正負(fù)之分，當(dāng)?shù)都馓幱谇邢魅凶罡唿c(diǎn)時(shí)為正，反之為負(fù)。刃傾角的作用刃傾角對(duì)切屑排出方向的影響③在正平面Po上刀具標(biāo)注角度有：前角γＯ─前面Ａr與基面Pr間的夾角。前角γＯ有正負(fù)，前角在基面之下為負(fù)，前角在基面這上為正；后角αO─后面與切削平面間的夾角。前角的作用前角越大，刀越鋒利、切削輕快，強(qiáng)度下降、不利散熱后角的作用減小主后刀面與加工表面的摩擦3刀具磨損和刀具壽命刀具在切削加工過程中與工件之間產(chǎn)生劇烈的擠壓、摩擦，自身也會(huì)發(fā)生磨損。刀具的正常磨損是連續(xù)的、逐漸的發(fā)展過程；在加工過程中由于沖擊、振動(dòng)、熱效應(yīng)等造成刀具崩刃、碎裂而損壞的情況屬于非正常磨損，破損一般是隨機(jī)的、突發(fā)的破壞。這里僅分析刀具的正常磨損。

（1）刀具的磨損形式：刀具常見的磨損形式有以下三種，①前刀面磨損②后刀面磨損③前后刀面同時(shí)磨損

①前刀面磨損：切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，刀具前刀面上會(huì)形成月牙洼磨損。隨磨損的加劇，月牙洼逐漸加深、加寬，當(dāng)接近切削刃口時(shí)，切削刃強(qiáng)度降低，容易導(dǎo)致切削刃破損。前刀面月牙洼磨損值以其最大深度KT表示。②后刀面磨損：后刀面與工件表面實(shí)際上接觸面積很小，所以接觸壓力很大，存在著彈性和塑性變形，磨損就發(fā)生在這個(gè)接觸面上。在切鑄鐵和以較小的切削厚度切削塑性材料時(shí)，主要發(fā)生這種磨損。后刀面磨損帶寬度往往是不均勻的，通常以其平均的磨損量VB表示。

③前后刀面同時(shí)磨損在常規(guī)條件下，加工塑性金屬，若切削厚度適中，常常出現(xiàn)前后刀面同時(shí)的磨損情況。

①刀具的磨損過程◆初期磨損階段◆正常磨損階段◆急劇磨損階段（2）刀具的磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)：②刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)：刀具磨損到一定限度后就不能繼續(xù)使用。這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。由于VB值比較容易測(cè)量和控制，因此常用VB值來研究磨損過程，作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。ISO標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定以1/2背吃刀量處的后刀面上測(cè)定的磨損帶寬度VB作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。精加工刀具常以沿工件徑向的刀具磨損尺寸作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，稱為徑向磨損量NB。（3）刀具壽命：刀具壽命T指刀具由刃磨后開始切削，一直到磨損量達(dá)到刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)過的總切削時(shí)間（min）。刀具壽命反映了刀具磨損的快慢程度。影響刀具壽命的因素有很多，工件材料、刀具材料、刀具幾何角度、切削用量、切削液的使用等對(duì)其都會(huì)產(chǎn)生影響。其中切削用量對(duì)刀具壽命的影響較為明顯，切削速度對(duì)刀具壽命影響最大，進(jìn)給量次之，背吃刀量最小。

9.1.3金屬切削刀具金屬切削過程從實(shí)質(zhì)講，就是產(chǎn)生切屑和形成已加工表面的過程。在切削過程中產(chǎn)生切削變形、切削力、切削溫度和刀具磨損等基本物理現(xiàn)象。

1切屑形成及其物理現(xiàn)象（1）切屑形成：金屬切削的特點(diǎn)是被切金屬層在刀具的擠壓、摩擦作用下產(chǎn)生變形以后轉(zhuǎn)變?yōu)榍行己托纬梢鸭庸け砻?。切削層金屬被切離并沿刀具前刀面流出而形成切屑。

切屑的種類崩碎切屑帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑切屑的種類帶狀切屑粒狀切屑崩碎切屑①第一變形區(qū)：②第二變形區(qū)：③第三變形區(qū)：（2）變形區(qū)域：在某一定切削速度范圍內(nèi)，切削塑性金屬時(shí)切削刃附近的前刀面上會(huì)出現(xiàn)一小塊很硬的金屬堆積物，代替切削刃工作，稱為積屑瘤。

2積屑瘤（1）積屑瘤的形成積屑瘤是由于切屑與前刀面劇烈的摩擦、粘結(jié)而形成的。積屑瘤與前刀面粘結(jié)牢固，消失或脫落具有一定的臨界切削溫度；不穩(wěn)定，成長(zhǎng)、脫落反復(fù)進(jìn)行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，積屑瘤的化學(xué)性質(zhì)與工件材料相同；硬度增加約為母體材料的2～4倍；影響積屑瘤產(chǎn)生的主要因素是工件材料和切削速度。工件材料塑性越好，越易生成積屑瘤；實(shí)踐證明，切削速度很高或很低時(shí)，很少生成積屑瘤，有利方面保護(hù)刀具增加工作前角積屑瘤硬度很高可代替切削刃進(jìn)行切屑，減少刀具的磨損積屑瘤的存在，使刀具的實(shí)際工作前角增大可減小切削變形和切削力，使切削輕快（2）對(duì)加工的影響不利方面影響工件尺寸精度影響工件表面粗造度積屑瘤破裂后會(huì)劃傷表面，加快刀具磨損會(huì)形成硬點(diǎn)和毛刺，使工件表面粗造度值增大時(shí)大時(shí)小，時(shí)有時(shí)無，使切削力產(chǎn)生波動(dòng)而引起振動(dòng)積屑瘤的頂端突出于切削刃之外，使實(shí)際的切削深度不斷變化

（3）積屑瘤的控制影響積屑瘤的因素工件材料切削用量刀具角度切削液等控制措施要避免在中溫、中速加工塑性材料增大前角可減小切削變形，降低切削溫度，減小積屑瘤的高度采用潤(rùn)滑性能優(yōu)良的切削液可減少甚至消除積屑瘤3切削力金屬切削時(shí)，刀具切入工件使被切金屬層發(fā)生變形成為切屑所需要的力稱為切削力。切削力是設(shè)計(jì)刀具、機(jī)床、夾具的重要依據(jù)。（1）切削力的來源、分力及合力①主切削力Fc②進(jìn)給力Ff③背向力Fp三個(gè)分力與合力之間的關(guān)系：總切削力：F①主切削力Fc②進(jìn)給力Ff③背向力Fp（2）影響切削力的主要因素①工件材料：材料強(qiáng)硬度越高，切削力越大。材料的塑性、沖擊韌度越高，切削力越大。②刀具幾何參數(shù)：前角γ增大，切削力減小。主偏角對(duì)進(jìn)給力Ff和背向力Fp影響較大。③切削用量：背吃刀量和進(jìn)給量增加時(shí)，使切削面積AD成正比增加，變形抗力和摩擦力加大，因而切削力隨之增大

。④其它因素：刀具材料與工件材料之間的摩擦系數(shù)μ、切削液、后刀面磨損帶VB等等。4切削熱和切削溫度切削熱和切削溫度是切削過程的重要物理現(xiàn)象之一。切削溫度影響工件材料的性能、前刀面上的摩擦系數(shù)和切削力的大?。挥绊懙毒吣p和刀具壽命；影響積屑瘤的產(chǎn)生和加工表面質(zhì)量；也影響工藝系統(tǒng)的熱變形和加工精度。切屑層的金屬發(fā)生彈性變形、塑性變形而產(chǎn)生大量的熱切屑與刀具前刀面產(chǎn)生的摩擦工件與刀具后刀面產(chǎn)生的摩擦①產(chǎn)生：三個(gè)變形區(qū)（1）切削熱的產(chǎn)生和傳出②傳出：切削過程中所消耗的能量有98%～99%轉(zhuǎn)換為熱能，切削區(qū)域產(chǎn)生的切削熱，在切削過程中分別由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)向外傳導(dǎo)出去。

50%～

86%由切屑帶走，40%~～

10%傳入工件，9%～

3%傳入刀具，1%左右通過輻射傳入空氣。（2）影響切削溫度的主要因素切削溫度是指前刀面與切屑接觸區(qū)內(nèi)的平均溫度，它是由切削熱的產(chǎn)生與傳出的平衡條件所決定的。產(chǎn)生的切削熱愈多，傳出的愈慢，切削溫度愈高。凡是增大切削力和切削功率的因素都會(huì)使切削溫度上升，而有利于切削熱傳出的因素都會(huì)降低切削溫度。

①工件材料②刀具幾何參數(shù)③切削用量④其它因素5工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性是指將其加工成合格零件的難易程度。某種材料切削加工的難易，不僅取決于材料本身，還取決于具體的加工要求及切削條件。加工要求和生產(chǎn)條件不同，評(píng)定材料切削加工性的指標(biāo)也不相同。

材料切削加工性常用評(píng)定指標(biāo)：（1）刀具壽命指標(biāo)：在相同的切削條件下，使刀具壽命高的工件材料，其切削加工性好。（2）已加工表面質(zhì)量指標(biāo)：以常用材料是否容易保證得到所要求的已加工表面質(zhì)量，作為評(píng)定材料切削加工性的指標(biāo)。一般精加工的零件可用表面粗糙度值來評(píng)定材料的切削加工性工性的指標(biāo)。一般精加工的零件可用表面粗糙度值來評(píng)定材料的切削加工性。（3）切削力或切削溫度指標(biāo)：在相同的切削條件下，凡使切削力加大、切削溫度增高的工件材料，其切削加工性就差；反之，其切削加工性就好。（4）切屑控制性能指標(biāo)：凡切屑容易被控制或折斷的材料，其切削加工性就好，反之，則差。在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，常用切屑控制的難易程度來評(píng)定材