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Fundamentals of Manufacturing Technology,机械制造技术基础,第二章 金属切削过程,切削过程是指刀具和工件相互作用，刀具从工件表面上切去多余材料得到预期零件表面的过程。伴随着切削过程，会产生切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等一系列现象。 本章在讲授有关切削刀具基本知识的基础上，对切削过程中的上述各种现象进行研究，揭示它们的产生机理和相互之间的内在联系。,第一节 金属切削刀具基础,一、切削加工的基本概念 （一）切削运动与切削中的工件表面 用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。,主运动是使刀具和工件间产生相对切削速度并消耗大部分切削动力的运动。刀具相对于工件的主运动速度称为切削速度，用vc表示。,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表面的运动。进给运动的速度称为进给速度，用vf表示。,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。,进给运动的速度较低，它可能是连续性的运动，也可能是间歇性的；它有时仅有一个，但有时也可能有几个。,图2-1 平面刨削的切削运动与加工表面,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具完成，也可以由工件完成，还可以由刀具和工件共同完成。 同时，主运动和进给运动可以是直线运动，也可以是回转运动，还可以是二者的复合运动。,主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动。,（2-1）,外圆车削时，合成切削运动速度的大小和方向由下式确定,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,在切削过程中，工件上有以下三个不断变化着的表面，如图21所示。,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,待加工表面 工件上即将被切除的表面。,已加工表面 切去材料后形成的新的工件表面。 过渡表面 加工时主切削刃正在切削的表面，它处于前两种表面之间。,待加工 表面,已加工 表面,过渡 表面,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,（二）切削用量 切削用量是指切削速度 vc、进给量 f（或进给速度vf）和背吃刀量ap。 vc、f、ap三者又称为切削用量三要素。,图2-2 切削层参数,1. 切削速度 (m/s 或 m/min) 切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。计算切削速度时，应选取切削刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定,式中 d 工件（或刀具）的最大直径（mm）； n工件（或刀具）的转速（r/min）。,（2-2）,2. 进给量（ mm/r或mm/双行程） 工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量。 对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每齿进给量，单位是mm/z。进给速度vf 、进给量 f 和每齿进给量 fz 之间的关系为 （2-3） 式中 z 刀齿数。,3. 背吃刀量 ap(mm) 背吃刀量为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。外圆车削的背吃刀量为（参见图2-2）,式中 dw 工件上待加工表面直径（mm）； dm 工件上已加工表面直径（mm）。,（2-4）,（三）切削层参数 切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。 切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。,图2-2 切削层参数,1. 切削层公称厚度 hD 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。 车外圆时如车刀主切削刃为直线，则 hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。,（2-5）,2. 切削层公称宽度 bD 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。 如车刀主切削刃为直线，则 bD反映了切削刃参加切削的工作长度。,（2-6）,3. 切削层公称横截面积 AD 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。对于车削，切削面积即为切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。,（2-7）,二、刀具角度 切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。 外圆车刀是最基本、最典型的刀具，车刀的切削部分与其它各种刀具刀齿上的切削部分是基本相同的。下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。,（一）刀具切削部分的构造 刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。外圆车刀的切削部分由六个基本结构要素构造而成：,图2-3 外圆车刀的切削部分,前刀面 切屑沿其流出的刀具表面。 主后刀面 与工件上过渡表面相对的刀具表面。,图2-3 外圆车刀的切削部分,前刀面,主后刀面,副后刀面,副后刀面 与工件上已加工表面相对的刀具表面。,主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作，也称为主刀刃。,图2-3 外圆车刀的切削部分,主切削刃,副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也称为副刀刃。,图2-3 外圆车刀的切削部分,主切削刃,副切削刃,图2-3 外圆车刀的切削部分,刀尖 连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线或圆弧。,主切削刃,副切削刃,刀尖,图2-3 外圆车刀的切削部分,自由切削 刀具只有一条直线主切削刃参与切削的切削过程。 非自由切削 刀具的曲线刃参与切削或刀具的主、副切削刃同时参与切削的切削过程。,附图 自由切削,图2-1 平面刨削的切削运动与加工表面,（二）刀具的标注角度 1刀具标注角度的参考系 刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。 为了确定和测量刀具的角度，此处引入一个由以下三个参考平面组成的空间坐标参考系。,组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下： （1）基面 Pr 通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。,图2-4 正交平面参考系,基面Pr,（2）切削平面Ps 通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。,图2-4 正交平面参考系,切削平面Ps,（3）正交平面Po 通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。,图2-4 正交平面参考系,正交平面Po,根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系，如图2-4所示。,图2-4 正交平面参考系,除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面参考系和假定工作平面参考系。 2. 刀具的标注角度 在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。,在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有以下五个，其定义如下(见图2-5)：,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,（1）前角 在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。,Pr,Po,Pr,O-O,（2）后角 在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角，一般为正值。,Ps,楔角,（3）主偏角 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。,Pr,vf,（4）副偏角 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,主偏角与副偏角一般均为正值。,刀尖角,（5）刃倾角 在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。,Pr,S,S,Pr,在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。,附图 车刀在正交平面参考系中的刃倾角,以刃倾角为零的刀具进行切削时，主切削刃与切削速度方向垂直，称为直角切削。 以刃倾角不等于零的刀具进行切削时，主切削刃与切削速度方向不垂直，称为斜角切削。,附图 直角切削,附图 斜角切削,要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需要标注副后角 ，副后角确定副后刀面的空间位置。,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,也可以用以下方法来判断前角、后角及刃倾角的正负：角度的顶点取在刀尖上，空心的角度为正，实心的角度为负。 上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。,3. 刀具的工作角度 如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。,（1）进给运动对工作角度的影响,1）横向进给对工作角度的影响 当刀具对工件作切断或切槽工作时，刀具进给运动是沿横向进行的。,图2-6 横向进给运动对工作角度的影响,考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度的确定的工作基面和工作切削平面分别为Pre和 Pse。工作前角 和工作后角 为,当 f 增大时， 值增大；工件切削直径 d切越小， 值越大。过大的 值有可能使 变为负值，后刀面将与工件相碰，这是不允许的。因此，切断刀应选用较大的 ，f 的取值也不宜过大。,2）纵向进给对工作角度的影响 用螺纹车刀的左刃车削螺纹表面，刀具沿纵向进给且进给量较大时，进给运动对工作角度的影响也不可忽视。,图2-7 纵向进给运动对工作角度的影响,考虑纵向进给的影响后，按合成速度 的方向确定的工作基面和工作切削平面为Pre和Pse。图中螺纹车刀左侧刀刃上A点在正交平面内的工作前角大于标注前角 ；而工作后角则小于标注后角 ，其中角为,（2）刀具安装位置对工作角度的影响,1）刀刃与工件中心不等高的影响 安装刀具时，如刀尖高于或低于工件中心，会引起刀具工作角度的变化。,图2-8 刀具安装高低对工作角度的影响,若不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装得高于工件中心，基面由Pr变为Pre，切削平面由Ps变为Pse，实际工作前角 将大于标注前角 ,工作后角 将小于标注后角 。即 如果刀尖安装低于工件中心：,2）刀杆中心线与进给运动方向不垂直的影响,图2-9 刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响,当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，会引起,工作主偏角和工作副偏角的改变。,如图2-9所示。其计算公式为： 式中： 刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。当刀杆轴线逆时针转动时， 角前的正负号取其上。 在使用车刀时，要注意利用这些安装特点。如粗车时，刀尖可稍高于工件轴线以增大前角来减少切削力；车细长轴时，可转动刀架来增大主偏角，以减少工件弯曲和振动。,注意，在一般车削时，由于进给量比工件直径小很多，故螺旋升角很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大时，则应考虑螺旋升角的影响。,三、刀具材料 刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。 （一）刀具材料的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求： （1）较高的硬度和耐磨性 （2）足够的强度和韧性 （3）较高的耐热性 （4）良好的导热性和耐热冲击性能 （5）良好的工艺性,（二）常用刀具材料 刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。 碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。,1. 高速钢 高速钢是加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 高速钢具有较高的硬度(6267HRC)和耐热性，在切削温度高达500650时仍能进行切削；高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的23倍,陶瓷的56倍)、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用。,高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。 高速钢可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。 高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,普通高速钢是切削硬度在250280HBW以下的结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于4060m/min。 普通高速钢的典型牌号有W18Gr4V（W18）和W6Mo5Gr4V2 （M2）。 W18的综合性能较好，可用于制造各种复杂刀具。但其强度和韧性略低，不适于制作大截面的刀具。,M2的抗弯强度和韧性比W18高，可用来制造尺寸较大，承受较大冲击力的刀具；同时，M2的热塑性好，适合于制造热轧钻头等刀具。 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630 650时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、不锈钢和高强度钢等难加工材料。,高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Gr4VCo8（M42）和W6Mo5Gr4V2Al （501） 。 M42的综合性能和刃磨性能好，但因含钴多，成本较高。501是我国研发的一种含铝的无钴高性能高速钢，其切削性能与M42大体相当，成本较低，但刃磨性能较差。 表2-1列出了几种常用高速钢的力学性能。,表2-1 几种常用高速钢的力学性能,粉末冶金高速钢是采用高压惰性气体（如氩气或氮气）将高速钢水雾化成粉末后，再经过热压成型、锻轧成材。粉末冶金高速钢除成本略高外，在切削性能和工艺性能方面均明显优于熔炼高速钢。粉末冶金高速钢适合于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸复杂刀具，也适于制造各种精密刀具和断续切削的刀具。,2. 硬质合金 硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)微米级的粉末和金属粘结剂(Co、Ni等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。 硬质合金的常温硬度达8993HRA，760时其硬度为7785HRA ，在8001000时还能切削，切削中碳钢时，切削速度可达100200m/min，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。,但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8 1/30，因此，其承受切削振动和冲击的能力较差。 目前硬质合金主要用于制造刃形简单、无冲击性的非断续切削加工的刀具。尺寸较小和形状复杂的刀具，也可采用整体硬质合金制造，但成本较高，其价格是高速钢刀具的8 10倍。,ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。 P类（相当于我国YT类）硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。 这类合金一般可用于钢料的高速切削。常用牌号有YT5、YT15等。随着TiC含量的提高，含钴量相应减少，硬度、耐磨性和切削速度增高，但抗弯强度及冲击韧性下降。此类硬质合金不易加工不锈钢和钛合金。,K类（相当于我国YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。 这类合金主要适合于铸铁、有色金属及其合金和非金属材料等脆性材料的加工。常用牌号有YG6、YG8 等，随着含钴量增多，硬度、耐磨性和切削速度下降，但抗弯强度和冲击韧性增高。,M类（相当于我国YW类）硬质合金是在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC或NbC而成，称为钨钛钽(铌)钴类硬质合金。加入TaC或NbC 后，改善了硬质合金的综合性能。 这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。常用牌号有YW1和YW2等。,表2-2列出了几种常用的硬质合金的牌号、性能及其使用范围。 由表2-2中可以看出，当硬质合金中碳化物含量较高时，硬度就高，但抗弯强度就相对较低；当粘结剂含量较高时，则抗弯强度较高，硬度较低。,表2-2 几种常用的硬质合金材料的牌号、性能及其使用范围,3. 涂层刀具材料 涂层刀具材料是在韧性较好的高速钢或硬质合金基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而成。涂层刀具材料与高速钢、硬质合金刀具材料相比，其表面具有高的硬度和耐磨性，基体又有良好的抗弯强度和韧性，使涂层刀具的寿命大为提高。 常用涂层刀具的材料有TiC、TiN、Al2O3等。,（三）其它刀具材料 1陶瓷 陶瓷刀具材料主要有Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷两类。 前者硬度高达9195HRA，耐磨性和耐热性好，但抗弯强度和韧性差，多用于精加工和半精加工冷硬铸铁和淬硬钢。后者有较高的抗弯强度和韧性，适合于加工铸铁及高温合金，但切削钢料效果不显著。 陶瓷是一种极有发展前途的刀具材料。,2. 立方氮化硼 立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成的一种新型刀具材料。 CBN的硬度高达80009000HV，仅次于金刚石。它可耐13001500的高温，热稳定性与化学稳定性都很好，在12001300高温下也不与铁发生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。,3. 人造金刚石 工业上多使用人造金刚石。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）。聚晶金刚石的晶粒随机排列，属各向同性体，常用于制造刀具。 金刚石的硬度高达10000HV，是目前自然界中已知的最硬物质，可以用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。,人造金刚石主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金属的高速精细切削。 金刚石不是碳的稳定状态，当温度大于700时，金刚石转化为石墨结构而丧失硬度，因此，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。,