課程:數(shù)控加工工藝學(xué)Chapter2、數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)金屬切削加工：利用刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（切削運(yùn)動(dòng)），使毛坯上多余的金屬（通常稱(chēng)為加工余量）變成切屑的一種加工，目的是制成一定的形狀、尺寸精度和相互位置精度以及表面質(zhì)量都合乎技術(shù)要求的零件或半成品。Chapter2、數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)

在金屬切削加工中，為了切除毛坯上多余的金屬，獲得合乎技術(shù)要求的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的工作表面，刀具與工件之間必須具有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為切削運(yùn)動(dòng)。切削運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)加上進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即可不斷地或連續(xù)地切除材料，并得到具有所需幾何特征的表面。

合成運(yùn)動(dòng)（1）主運(yùn)動(dòng)

——

是由機(jī)床或人力提供的刀具和工件之間的主要相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它使刀具切削刃及其鄰近的刀具表面切入工件材料，導(dǎo)致切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行肌?/p>

指直接切除工件上的余量形成加工表面的運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)的速度即切削速度，用ν（m/s）表示。切削速度最高，消耗功率最大，只有一個(gè)。

主運(yùn)動(dòng)可以由工件、也可以由刀具完成，主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)切削加工的基本運(yùn)動(dòng)，可以由刀具來(lái)完成，也可以由工件來(lái)完成.（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)——是由機(jī)床或人力提供的刀具和工件之間附加的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，配合主運(yùn)動(dòng)，不斷地將多余金屬投入切削，以保持切削連續(xù)或反復(fù)地進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)。

指為不斷把余量投入切削的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度用進(jìn)給量（?—mm/r）或進(jìn)給速度（ν?

—mm/min）表示。速度較低，消耗功率較小，可有一個(gè)或多個(gè)，也可不存在?？梢允沁B續(xù)的，也可以是間歇運(yùn)動(dòng)。在確定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，一般指連續(xù)進(jìn)給方向或間歇運(yùn)動(dòng)中的主要一個(gè)。

主運(yùn)動(dòng)vｃ和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)vｆ可以由刀具或工件分別完成，或由刀具單獨(dú)完成。

主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行（車(chē)削、銑削等），也可交替進(jìn)行（刨削等）。

當(dāng)主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，刀具切削刃上某一點(diǎn)相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為合成切削運(yùn)動(dòng)。

合成速度向量等于主運(yùn)動(dòng)速度與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度的向量和：

vｅ=vｃ+vｆ

（3）合成運(yùn)動(dòng)與合成切削速度vｅ常見(jiàn)機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)機(jī)床名稱(chēng)主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)臥式車(chē)床工件旋轉(zhuǎn)車(chē)刀縱向、橫向移動(dòng)鉆床鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆頭軸向移動(dòng)銑床銑刀旋轉(zhuǎn)工件縱向、橫向、垂直方向移動(dòng)牛頭刨床刨刀往復(fù)工件橫向、垂直方向間隙移動(dòng)外圓磨床砂輪旋轉(zhuǎn)工件旋轉(zhuǎn)、工件往復(fù)或砂輪橫向移動(dòng)平面磨床砂輪旋轉(zhuǎn)工件往復(fù)移動(dòng)，砂輪橫向、垂直移動(dòng)鏜床鏜刀旋轉(zhuǎn)鏜刀軸向移動(dòng)、工件軸向移動(dòng)龍門(mén)刨床工件往復(fù)刨刀橫向、垂直方向間隙移動(dòng)正在加工的工件表面，根據(jù)其所處的狀態(tài)分為：

已加工表面：已經(jīng)加工完成的表面。

加工表面（過(guò)渡表面）：切削刀具正在進(jìn)行切削加工的表面。

待加工表面：即將進(jìn)入切削加工的表面。

加工表面切削要素切削用量三要素：切削速度vc:主運(yùn)動(dòng)的線速度(mm/min)進(jìn)給量：刀具相對(duì)工件沿進(jìn)給方向移動(dòng)的距離。1）（周期）進(jìn)給量f(mm/r)：主運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)2）進(jìn)給速度vf(mm/min)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)3）每齒進(jìn)給量af(mm/z)：刀具每個(gè)刀齒背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面與待加工表面間的距離。補(bǔ)充定義：在垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測(cè)量的主切削刃切入工件的深度。切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度稱(chēng)為切削速度，以最大切削速度為準(zhǔn)，車(chē)削外圓時(shí)：1、切削速度vc式中n

——

主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速（r/s）；

D——

刀具或工件的最大直徑（mm）。若主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均速度為：式中nr——

主運(yùn)動(dòng)每秒鐘往復(fù)次數(shù)（str/s）；l——

往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)度（mm）。2、進(jìn)給量?(v?)

工件或刀具每轉(zhuǎn)一周時(shí)(或主運(yùn)動(dòng)一循環(huán)時(shí))，兩者沿進(jìn)給方向上相對(duì)移動(dòng)的距離，單位為mm/r。對(duì)于多齒刀具還可用每齒進(jìn)給量?z表示,單位為mm／min。若刀具齒數(shù)z為，則進(jìn)給量與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度、每齒進(jìn)給量的關(guān)系為：

v?=?n

主刀刃與工件切削表面接觸長(zhǎng)度在主運(yùn)動(dòng)方向及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向所組成的平面的法線方向上測(cè)量的值。單位為mm。工件上待加工表面與已加工表面間的垂直距離。3、背吃刀量ap式中：dw——工件待加工表面的直徑；

dm——工件已加工表面的直徑。車(chē)削外圓時(shí)：切削層參數(shù)切削層是指切削過(guò)程中，由切削部分的一個(gè)單一動(dòng)作所切除的工件材料層。(1)切削層公稱(chēng)寬度（bD)。

是在給定瞬間，作用主切削刃截形上兩個(gè)極限點(diǎn)間的距離，單位mm。(2)切削層公稱(chēng)橫截面積(AD)。

是在給定瞬間，切削層的實(shí)際橫截面積，單位mm2。(3)切削層公稱(chēng)厚度（hD)。

在同一瞬間的切削層公稱(chēng)橫截面積與其公稱(chēng)切削層寬度之比，單位mm。殘留面積ΔAD

殘留面積高度：H=f/(ctgKr+ctgKr’)切削用量的合理選擇

切削用量的選擇直接影響工件加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具的使用壽命(耐用度)。切削用量(主要指背吃刀量和進(jìn)給量)的增大，都會(huì)使切削力增大、使工件變形的可能增大，并有可能引起振動(dòng)，還會(huì)使殘留面積的高度顯著增大，降低加工精度和增大表面粗糙度(見(jiàn)動(dòng)畫(huà)4)。由圖可知，截面ABE為未被切除的殘留面積。切削液切削液的作用冷卻作用潤(rùn)滑作用防銹作用清洗作用降溫冷卻作用，進(jìn)提高刀具耐用度和加工質(zhì)量

由于潤(rùn)滑劑的滲透性和吸附性極強(qiáng)，部分接觸面間存在著流體潤(rùn)滑吸附膜，起到減小摩擦系數(shù)的作用。在金屬切削過(guò)程中，為了防止碎屑（如鑄鐵屑）或磨料微粒粘附在工件、刀具或機(jī)床上，影響已加工表面質(zhì)量、刀具耐用度和機(jī)床精度，要求切削液具有良好的清洗作用為了使工件、機(jī)床和刀具不受周?chē)橘|(zhì)的腐蝕，以及工件在工序間運(yùn)行不生銹，要求切削液具有良好的防銹作用。切削液的分類(lèi)水溶液冷卻為主的冷卻潤(rùn)滑液。切削油主要成分是礦物油，少數(shù)情況采用植物油或復(fù)合油。乳化液兼顧冷卻與潤(rùn)滑的切削液。切削液的選用粗加工時(shí)加工余量和切削量較大，產(chǎn)生的切削熱量多，刀具易磨損。這時(shí)需盡量降低切削溫度，應(yīng)選用以冷卻作用為主的水溶液或乳化液。精加工時(shí)采用切削液主要是改善加工表面質(zhì)量和提高刀具耐用度，穩(wěn)定尺寸精度。切削高強(qiáng)度鋼、高溫合金鋼等難加工材料時(shí)由于含硬質(zhì)點(diǎn)多，機(jī)械擦傷作用大，導(dǎo)熱性低等原因，對(duì)切削液的冷卻與潤(rùn)滑方面都有較高的要求。難加工材料的切削均處于極壓潤(rùn)滑摩擦狀態(tài)下，因此應(yīng)選用極壓切削油或極壓乳化液。切屑的形成金屬切削過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一種擠壓過(guò)程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，切削塑性金屬過(guò)程中，金屬在受到刀具前面的擠壓后，將發(fā)生塑性剪切滑移變形，然后被切離工件形成切屑。實(shí)際上，塑性變形—滑移—切離三個(gè)過(guò)程，會(huì)根據(jù)加工材料等條件不同，不完全地顯示出來(lái)。金屬的切削過(guò)程切屑變形區(qū)的劃分第I變形區(qū)（剪切區(qū)、塑性變形區(qū)）：從開(kāi)始發(fā)生塑性變形到晶粒剪切滑移基本完成。切屑收縮現(xiàn)象：變形系數(shù)

越大，切削變形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削溫度越高，加工表面質(zhì)量越差。第II變形區(qū)（摩擦區(qū)）形成條件：中低速切削塑性金屬特性：無(wú)→有→小→大→脫落周期性對(duì)切削過(guò)程的影響：保護(hù)刀刃；使工作前角增大，切削力減小；切削平穩(wěn)性差；影響加工精度和表面粗糙度。變形強(qiáng)化（加工硬化）成因：1）擠壓塑性變形2）表面相變對(duì)加工過(guò)程的影響：影響后續(xù)加工影響加工表面質(zhì)量產(chǎn)生殘余應(yīng)力消除變形強(qiáng)化的措施：通過(guò)熱處理降低材料塑性；采用切削液；加工后通過(guò)熱處理消除變形強(qiáng)化。（3）第III變形區(qū)（擠壓區(qū)）例如，加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，被切層在彈性變形后很快形成切屑離開(kāi)母材。而加工塑性很好的鋼材時(shí)，滑移階段特別明顯。由于切屑形成過(guò)程不同，切屑的形狀也不同。一般可以分成四類(lèi)切屑的種類(lèi)積屑瘤

切削鋼和鋁合金等塑性金屬時(shí)，在切削速度不高且形成帶狀切屑的情況下，常有一些來(lái)自切屑和工件的金屬粘接層堆積在刀具的前面上，形成硬度很高(約為工件材料硬度的2～3.5倍)的楔塊，稱(chēng)為積屑瘤，積屑瘤形成過(guò)程見(jiàn)動(dòng)畫(huà)和視頻。積屑瘤的形成主要取決于切削溫度，如在300～380℃切削碳鋼時(shí)易產(chǎn)生積屑瘤。此外，接觸面間的壓力、粗糙程度、粘結(jié)強(qiáng)度等因素都與形成積屑瘤的條件有關(guān)形成積屑瘤的條件(1)實(shí)際前角增大。積屑瘤對(duì)切削過(guò)程的影響(2)使加工表面粗糙度增大。(3)對(duì)刀具壽命的影響。防止積屑瘤的主要方法

(1）降低切削速度，使溫度較低，粘結(jié)現(xiàn)象不易發(fā)生；

(2）采用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應(yīng)溫度；

(3）采用潤(rùn)滑性能好的切削液，減小摩擦；

(4）增加刀具前角，以減小切屑與前刀面接觸區(qū)的壓力；

(5）適當(dāng)提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。切削力的構(gòu)成與分解切削力Fc（切向力）－占功率90%；進(jìn)給力Ff（軸向力）

---占功率1-5%；背向力Fp（徑向力）

--不消耗功率但使工件變形。切削力和切削功率2.切削功率切削過(guò)程所需功率Pm可按下式計(jì)算：式中：Fc──切削力（N）；

vc

──切削速度(m/s)；

Ff──進(jìn)給力（N）；

vf

──進(jìn)給速度(mm/s)。切削力的變化規(guī)律1)切削深度ap和進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響2)前角對(duì)切削力的影響3)切削速度對(duì)切削力的影響工件材料強(qiáng)度越高，所需切削力越大，可以認(rèn)為這是切削力第三規(guī)律。

4)工件材料強(qiáng)度對(duì)切削力的影響5)主偏角Kr對(duì)切削力的影響6）影響切削力的其它因素(1)刀具棱面(2)刀具圓弧半徑(3)刀具磨損(4)前角(5)刃傾角切削力的測(cè)定

1)測(cè)定機(jī)床功率，計(jì)算切削力2)用測(cè)力儀測(cè)量切削力3)切削力的經(jīng)驗(yàn)公式和切削力估算切削熱和切削溫度

1.切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)2.切削溫度的計(jì)算與測(cè)量3.影響切削溫度的主要因素1)切削用量的影響2)刀具幾何參數(shù)的影響4)刀具磨損的影響3)工件材料的影響5)切削液的影響4.切削溫度對(duì)工件、刀具和切削過(guò)程的影響(1)切削時(shí)的溫度雖然很高，但是切削溫度對(duì)工件材料硬度及強(qiáng)度的影響并不大，剪切區(qū)域的應(yīng)力影響也不太明顯。

(2)適當(dāng)?shù)靥岣咔邢鳒囟?，?duì)提高硬質(zhì)合金的韌性是有利的。

(3)切削溫度對(duì)工件尺寸精度有影響。

(4)利用切削溫度可自動(dòng)控制切削速度或進(jìn)給量。

(5)利用切削溫度與切削力，可控制刀具磨損。2.2常用工件材料性能基礎(chǔ)2.2.1金屬材料的加工特性

1.金屬材料可加工性的概念

2.可加工性的衡量指標(biāo)

加工性等級(jí)名稱(chēng)及種類(lèi)相對(duì)加工性Kr1很易切削材料一般有色金屬〉3.02容易切削材料易切鋼2.5~3.03較易切削鋼1.6~2.54普通材料一般鋼與鑄鐵1.0~1.65稍難切削材料0.65~1.06難切削材料較難切削材料0.5~0.657難切削材料0.15~0.58很難切削材料<0.152.2.2非金屬材料的加工特性影響因素材料硬度；材料塑性和韌性；材料強(qiáng)度；彈性模量E；導(dǎo)熱系數(shù)；其它因素。改善措施（1）選用切削性好材料及表面狀態(tài)好的材料（2）熱處理改善切削加工性，中、低碳鋼正火處理；高碳鋼球化退火；（中碳及中碳合金鋼）調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理。（3）選用合理的刀具材料及刀具角度（4）特種切削加工：振動(dòng)切削；加熱切削；低溫切削。影響切削加工性的因素及其改善措施刀具的磨損與耐用度

1、刀具磨損過(guò)程2.刀具的磨損的形式（a）前刀面磨損（b）后刀面磨損（