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机械加工技术机械加工技术 第二章第二章 金属切削的基本知识金属切削的基本知识 欢迎同学们光临欢迎同学们光临2014年秋期年秋期2024/5/21机械加工技术欢迎同学们光临2014年秋期2023/8/第第2章章金属切削的基本知识金属切削的基本知识金属切削加工金属切削加工依靠刀具与工件的相对运动，从工件表面切去多余金属层，以获得依靠刀具与工件的相对运动，从工件表面切去多余金属层，以获得所需零件的加工方法。所需零件的加工方法。切削过程：切削过程：金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等物理现象金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等物理现象知识点知识点l切削运动切削运动l切削形成的加工表面切削形成的加工表面l切削用量切削用量l刀具的几何角度刀具的几何角度l切削层参数切削层参数 技能点技能点l认识切削运动、加工表面、切削用量切削层参数等相关概念认识切削运动、加工表面、切削用量切削层参数等相关概念l认识刀具的几何角度认识刀具的几何角度2024/5/21第2章金属切削的基本知识金属切削加工依靠刀具与工件的相第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素一、切削运动一、切削运动 切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。切削运动切削运动可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动包括主可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动包括主运动和进给运动。运动和进给运动。1.1.主运动主运动 由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动,它使刀具切削刃及其它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑,从而形成工件的新从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大。主运动只有一个。表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大。主运动只有一个。2024/5/21第一节切削运动和切削要素一、切削运动切削加工中刀具和第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素一、切削运动一、切削运动 切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。切削运动切削运动可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动包括主可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动包括主运动和进给运动。运动和进给运动。1.1.主运动主运动2.2.进给运动进给运动 刀具与工件之间附加的相对运动刀具与工件之间附加的相对运动,它配合主运动依次地或连续不断地切除切它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑屑,从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完成从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完成(如车如车削削)，也可由工件完成，也可由工件完成(如铣削如铣削)，可以是间歇的（如刨削），可以是间歇的（如刨削）,也可以是连续的也可以是连续的（如车削）。进给运动可以是（如车削）。进给运动可以是1 1个或多个个或多个2024/5/21第一节切削运动和切削要素一、切削运动切削加工中刀具和第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素一、切削运动一、切削运动 切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。切削加工中刀具和工件之间的相对运动即切削运动。切削运动切削运动可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动包括主可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动包括主运动和进给运动。运动和进给运动。1.1.主运动主运动2.2.进给运动进给运动3.3.工件上的三个表面工件上的三个表面(1)待加工表面待加工表面(2)已加工表面已加工表面(3)过渡表面过渡表面工件上待切除的表面。工件上待切除的表面。工件上已加工好的表面。工件上已加工好的表面。工件上切削刃正在切削的表面。工件上切削刃正在切削的表面。各种切削运动及工件上的三个表面（各种切削运动及工件上的三个表面（P16图）图）2024/5/21第一节切削运动和切削要素一、切削运动切削加工中刀具和第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素二、切削要素二、切削要素 切削要素包括切削用量和切削层横截面要素切削要素包括切削用量和切削层横截面要素1.1.切削用量切削用量切削用量三要素：切削速度、进给量、背吃刀量。切削用量三要素：切削速度、进给量、背吃刀量。切削用量的选择意义切削用量的选择意义 直接影响生产效率和工件质量。直接影响生产效率和工件质量。（）切削速度（）切削速度vc 是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。主运动为旋转运动主运动为旋转运动（车削、铣削、磨削等），（车削、铣削、磨削等），主运动为往复直线运动主运动为往复直线运动（刨削、插削），（刨削、插削），2024/5/21第一节切削运动和切削要素二、切削要素切削要素包括切削第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素二、切削要素二、切削要素1.1.切削用量切削用量（）切削速度（）切削速度vc 是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。（2 2）进给量）进给量f 是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。是单位时间内刀具和工件在主运动方向上的相对位移。单位是单位是mm/rmm/r（毫米（毫米/转）。转）。（3）背吃刀量 ap 对于车削和刨削加工来说，背吃刀量对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。对于对于外圆车削外圆车削的深度可用下式计算：的深度可用下式计算：ap=（dw-dm）/2 mm 对于对于钻孔钻孔工作：工作：ap=dm/2 mm 上两式中 dw 待加工表面直径（mm）dm已加工表面直径（mm）2024/5/21第一节切削运动和切削要素二、切削要素1.切削用量（）切第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素二、切削要素二、切削要素 1.1.切削用量切削用量 选择切削用量的基本原则：首先尽量选择较大的背吃刀量；其次，在工艺装备和技术条件允许的情况 下选择大的进给量；最后再根据刀具耐用度确定合理的切削速度。2024/5/21第一节切削运动和切削要素二、切削要素1.切削用量第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素二、切削要素二、切削要素 2.2.切削层横截面要素切削层横截面要素切削层横截面要素：切削层横截面要素：刀具走过一个进给量时，相邻两个过渡表面之间的区刀具走过一个进给量时，相邻两个过渡表面之间的区域。域。2024/5/21第一节切削运动和切削要素二、切削要素2.切削层横截面第一节第一节切削运动和切削要素切削运动和切削要素 包括：切削宽度、切削厚度和切削面积包括：切削宽度、切削厚度和切削面积（1）切削宽度）切削宽度 指刀具切削刃与工件的接触长度，单位是指刀具切削刃与工件的接触长度，单位是 mm（2）切削厚度）切削厚度 指刀具或工件每移动一个进给量时，刀具切削刃相邻的两个位置之间的指刀具或工件每移动一个进给量时，刀具切削刃相邻的两个位置之间的距离，单位是距离，单位是 mm（3）切削面积）切削面积 指切削层横截面的面积，单位是指切削层横截面的面积，单位是 2.2.切削层横截面要素切削层横截面要素2024/5/21第一节切削运动和切削要素第二节第二节切削对加工表面的影响切削对加工表面的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度的影响 .残余面积残余面积残留高度残留高度H H影响工件轮廓及表面粗糙度值。影响工件轮廓及表面粗糙度值。影响表面轮廓的因素：影响表面轮廓的因素：进给量进给量f f、刀具主偏角、刀具副偏角、刀具主偏角、刀具副偏角减小上述参数有利于降低残留高度，但通常是减小刀具副偏角。设置刀尖减小上述参数有利于降低残留高度，但通常是减小刀具副偏角。设置刀尖圆角半径也能降低残留高度。圆角半径也能降低残留高度。2024/5/21第二节切削对加工表面的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度第二节第二节切削对加工表面的影响切削对加工表面的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度的影响 .残余面积残余面积 2.积屑廇积屑廇成因：成因：中速切削塑性材料，在高温高压下，工件中速切削塑性材料，在高温高压下，工件上的一小块材料被撕裂、冷焊在刀刃某处上，代替刀上的一小块材料被撕裂、冷焊在刀刃某处上，代替刀刃进行切削的现象。刃进行切削的现象。对精加工的影响对精加工的影响：积屑廇外形不规则，且不稳定，：积屑廇外形不规则，且不稳定，在工件表面上留下毛刺、亮斑，恶化了工件表面质量。在工件表面上留下毛刺、亮斑，恶化了工件表面质量。要力求避免：如保持刀具锋利、避开中速切削区域。要力求避免：如保持刀具锋利、避开中速切削区域。对粗加工的影响：对粗加工的影响：积屑廇对精加工略有好处，可积屑廇对精加工略有好处，可不理会。不理会。2024/5/21第二节切削对加工表面的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度第二节第二节切削对加工表面的影响切削对加工表面的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度的影响 3.3.振动波纹振动波纹振动危害：振动危害：工件表面因振动产生波纹，恶化表面质量，切削难以正常进行。工件表面因振动产生波纹，恶化表面质量，切削难以正常进行。振动的成因：振动的成因：切削阻力大（横向），工艺系统刚性不足（机床、工件、刀具）切削阻力大（横向），工艺系统刚性不足（机床、工件、刀具），刀具磨损，切削用量选择不当等。，刀具磨损，切削用量选择不当等。解决办法：解决办法：分析、消除上述因素。（可先改变切削速度）分析、消除上述因素。（可先改变切削速度）2024/5/21第二节切削对加工表面的影响一、切削时表面轮廓及表面粗糙度第二节第二节切削对加工表面的影响切削对加工表面的影响二、表层材质变化二、表层材质变化 .加工硬化加工硬化 加工硬化现象：加工硬化现象：切削过程中，工件已加工表面受刀切削过程中，工件已加工表面受刀具（挤压、摩擦）作用产生塑性变形，使工件表面组织具（挤压、摩擦）作用产生塑性变形，使工件表面组织硬度变硬的现象。硬度变硬的现象。加工硬化对进一步加工有一定不良影响，对提高零加工硬化对进一步加工有一定不良影响，对提高零件表面硬度有一定好处。件表面硬度有一定好处。2.2.残余应力残余应力成因及危害：成因及危害：工件表面在加工（特别是粗加工）过程中，受刀具（挤压、工件表面在加工（特别是粗加工）过程中，受刀具（挤压、摩擦）作用，会在工件内部留下内应力。这份残余的内应力，今后即使零件没摩擦）作用，会在工件内部留下内应力。这份残余的内应力，今后即使零件没有受到外力的作用，也会在一定时期内自行消除，但这个过程会导致工件的变有受到外力的作用，也会在一定时期内自行消除，但这个过程会导致工件的变形，造成在零件在机器使用过程中形状、尺寸发生变化，降低机器精度。形，造成在零件在机器使用过程中形状、尺寸发生变化，降低机器精度。解决办法：解决办法：在工件粗加工后安排人工时效退火，消除其残余内应力，再进在工件粗加工后安排人工时效退火，消除其残余内应力，再进行一下步的精加工。特别对精密零件尤为重要。行一下步的精加工。特别对精密零件尤为重要。2024/5/21第二节切削对加工表面的影响二、表层材质变化.加工硬第三节第三节切削力切削力切削力切削力 切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力。的力。一一.总切削力的来源总切削力的来源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。即工件材料被切过程中所发生的即工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。弹性变形和塑性变形的抗力。切屑、工件与刀具间摩擦力。切屑、工件与刀具间摩擦力。即切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后即切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。2024/5/21第三节切削力切削力切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工第三节第三节切削力切削力切削力切削力 切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力。的力。一一.总切削力的来源总切削力的来源二二.总切削力的分解总切削力的分解 主切削力主切削力FzFz 切于过渡表面并与基面垂直切于过渡表面并与基面垂直 (切削力或切向力切削力或切向力)进给抗力进给抗力FxFx 处于基面内并与工件轴线平行处于基面内并与工件轴线平行 (进给力或轴向力进给力或轴向力)切深抗力切深抗力FyFy 处于基面内并与工件轴线垂直处于基面内并与工件轴线垂直 (背向力、径向力、吃刀力背向力、径向力、吃刀力)总切削力总切削力2024/5/21第三节切削力切削力切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工第三节第三节切削力切削力二二.总切削力的分解总切削力的分解2024/5/21第三节切削力二.总切削力的分解2023/8/3第三节第三节切削力切削力 三三.影响总切削力的因素影响总切削力的因素凡造成切削变形和摩擦的因素就会影响总切削力。凡造成切削变形和摩擦的因素就会影响总切削力。.工件材料工件材料 主要是工件强度、硬度高主要是工件强度、硬度高低，决定变形抗力，其次是韧性高低。低，决定变形抗力，其次是韧性高低。2.2.刀具角度刀具角度 前角：锋利程度前角：锋利程度 主偏角：影响径向抗力和主偏角：影响径向抗力和轴向抗力的比例分配轴向抗力的比例分配 3.3.切削用量切削用量 影响大小的顺序是：进给影响大小的顺序是：进给量背吃刀量切削速度量背吃刀量切削速度 4.4.切削液切削液 减小变形抗力、摩擦力。减小变形抗力、摩擦力。2024/5/21第三节切削力三.影响总切削力的因素凡造成切削变形和第四节第四节切削热切削热一一.切削热的产生切削热的产生 切削热产生于三个变形区切削热产生于三个变形区区：区：滑移变形区，产生大部分热量滑移变形区，产生大部分热量、区：区：挤压摩擦区的热量挤压摩擦区的热量 切削过程中消耗的能量约切削过程中消耗的能量约98%98%转换为热能转换为热能切削热切削热切削热切削热 切削过程中，由变形抗力和切削过程中，由变形抗力和摩擦阻力所消耗的能量而转变成摩擦阻力所消耗的能量而转变成的热量。的热量。二二.切削热的传散切削热的传散 传散途径：传散途径：大部份热量通过切屑带走，一部分传入工件、刀具和周围介质。大部份热量通过切屑带走，一部分传入工件、刀具和周围介质。如：在干切削车削时，切屑如：在干切削车削时，切屑50%50%86%86%，工件，工件10%10%40%40%，刀具，刀具3%3%9%,9%,空气空气1%1%。热量传入热量传入切屑切屑带走，最理想；带走，最理想；热量传入热量传入工件工件，会引起工件热变形；，会引起工件热变形；热量传入热量传入刀具刀具，使刀具发热升温，降低刀具切削性能以至烧伤刀具。，使刀具发热升温，降低刀具切削性能以至烧伤刀具。2024/5/21第四节切削热一.切削热的产生切削热切削过程中，由变形抗第四节第四节切削热切削热三三.切削温度切削温度 1.1.切削温度的概念切削温度的概念 切削温度是指刀具表面与切屑及工件接触处的平均温度。切削温度是指刀具表面与切屑及工件接触处的平均温度。切削温度是切削过程中生热与散热的平衡点。切削温度是切削过程中生热与散热的平衡点。温度测量：温度计（热电偶）温度测量：温度计（热电偶）目测切屑温度：白色，约目测切屑温度：白色，约200200；深蓝色，约；深蓝色，约600600，越深温度越高。，越深温度越高。2.2.影响切削温度的因素影响切削温度的因素 工件材料、切削用量、刀具角度、切削液工件材料、切削用量、刀具角度、切削液 （1 1）工件材料）工件材料 工件材料的强度、硬度、导热系数工件材料的强度、硬度、导热系数 切削温度依次增高切削温度依次增高如铝合金、铜合金、铸铁、低碳钢、高碳钢、不锈钢如铝合金、铜合金、铸铁、低碳钢、高碳钢、不锈钢（2 2）切削用量）切削用量 增大切削用量，生热增多，切削温度上升；其中影响最大的是增大切削用量，生热增多，切削温度上升；其中影响最大的是切削速度，背吃刀量影响最小。切削速度，背吃刀量影响最小。2024/5/21第四节切削热三.切削温度2.影响切削温度的因素工件材料第四节第四节切削热切削热2.2.影响切削温度的因素影响切削温度的因素 工件材料、切削用量、刀具角度、工件材料、切削用量、刀具角度、切削液切削液 （3 3）刀具角度）刀具角度 前角：前角：大前角，切削温度降低；刀具锋利，切削大前角，切削温度降低；刀具锋利，切削省力，减少生热。省力，减少生热。主偏角：主偏角：减小，切削温度降低；主偏角小，刀尖减小，切削温度降低；主偏角小，刀尖角增大，主刃增长，刀具散热条件好。角增大，主刃增长，刀具散热条件好。（4 4）切削液）切削液 使用切削液，切削温度降低。使用切削液，切削温度降低。改善润滑，减少生热；切削液带走改善润滑，减少生热；切削液带走部分热量。部分热量。2024/5/21第四节切削热2.影响切削温度的因素工件材料、切削用量、第五节第五节切削液切削液一、切削液的作用一、切削液的作用 1.1.冷却作用冷却作用 2.2.润滑作用润滑作用 3.3.清洗作用清洗作用 4.4.防锈作用防锈作用 迅速带走切削区的热量，降低切削温度。迅速带走切削区的热量，降低切削温度。特别是粗加工，生热多，需要发挥冷却功能。特别是粗加工，生热多，需要发挥冷却功能。切切削削液液渗渗入入到到切切屑屑、刀刀具具、工工件件的的接接触触面面间间，粘粘附附在在金金属属表表面面上上形形成成润润滑滑膜膜，减减小小它它们们之之间间的的摩摩擦擦系系数数、减减轻轻粘粘结结现现象象、抑抑制制积积屑屑瘤瘤，并并改改善善已已加加工表面的粗糙度，提高刀具耐用度。工表面的粗糙度，提高刀具耐用度。冲冲走走切切削削中中产产生生的的细细屑屑、砂砂轮轮脱脱落落下下来来的的微微粒粒等等，起起到到清清洗洗作作用用，防防止止加加工工表表面面、机机床床导导轨轨面面受受损损；有有利利于于精精加加工工、深深孔孔加加工工、自自动动线线加加工工中中的的排排屑；屑；加入防锈添加剂的切削液，还能在金属表面加入防锈添加剂的切削液，还能在金属表面上形成保护膜，使机床、工件、刀具免受周围介质的上形成保护膜，使机床、工件、刀具免受周围介质的腐蚀。腐蚀。2024/5/21第五节切削液一、切削液的作用迅速带走第五节第五节切削液切削液二、切削液的种类二、切削液的种类 1.1.水溶液水溶液 2.2.乳化液乳化液 3.3.切削油切削油 主要成分为水，并加入防锈剂，也可加入适主要成分为水，并加入防锈剂，也可加入适量的表面活性剂和油性添加剂，使其具有一定的润滑量的表面活性剂和油性添加剂，使其具有一定的润滑性能。成本低，主用于粗加工。性能。成本低，主用于粗加工。由矿物油、乳化剂及其它添加剂配制的乳化由矿物油、乳化剂及其它添加剂配制的乳化油加油加95%95%98%98%的水稀释而成的乳白色切削液，有良好的水稀释而成的乳白色切削液，有良好的冷却性能和清洗作用。的冷却性能和清洗作用。有各种矿物油，主要是机油。其它如柴油、有各种矿物油，主要是机油。其它如柴油、煤油及动、植物油等；以及加入油性、极压添加剂配煤油及动、植物油等；以及加入油性、极压添加剂配制的混合油。它主要起润滑作用。成本较高，主要用制的混合油。它主要起润滑作用。成本较高，主要用于精加工。于精加工。2024/5/21第五节切削液二、切削液的种类主要成分为水第五节第五节切削液切削液三、切削液的选用三、切削液的选用 根据工件材料、刀具材料、加工性质、切削方式选用根据工件材料、刀具材料、加工性质、切削方式选用1.1.按刀具材料选按刀具材料选 高速钢刀具高速钢刀具耐热性差，耐热性差，粗加工时，切削用量大，切削热多，容易导致刀具磨粗加工时，切削用量大，切削热多，容易导致刀具磨损，应选用以冷却为主的切削液，损，应选用以冷却为主的切削液，如如3%3%5%5%的乳化液或水溶液；精加工时，主的乳化液或水溶液；精加工时，主要是获得较好的表面质量，可选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。要是获得较好的表面质量，可选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。硬质合金刀具硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液，如必要，也可用低浓度乳化液或耐热性好，一般不用切削液，如必要，也可用低浓度乳化液或水溶液，但应连续、充分地浇注，以免高温下刀片冷热不均，水溶液，但应连续、充分地浇注，以免高温下刀片冷热不均，产生热应力而导产生热应力而导致裂纹、损坏等。致裂纹、损坏等。2.2.按工件材料选按工件材料选 钢钢等塑性材料，需用切削液；等塑性材料，需用切削液；铸铁铸铁等脆性材料时，一般则不用，原因是易污染机床；等脆性材料时，一般则不用，原因是易污染机床；铜、铜、铝及铝合金铝及铝合金，为了得到较好的表面质量和精度，可采用，为了得到较好的表面质量和精度，可采用10%10%20%20%的乳化液、的乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合液；切削铜时不宜用含硫的切削液，因为硫会腐蚀铜；煤油或煤油与矿物油的混合液；切削铜时不宜用含硫的切削液，因为硫会腐蚀铜；2024/5/21第五节切削液三、切削液的选用2.按工件材料选2023/8第五节第五节切削液切削液四、切削液的加注方法四、切削液的加注方法 1.1.浇注法浇注法 简单，广泛使用；但效果差，浪费较大。简单，广泛使用；但效果差，浪费较大。3.3.高压法高压法 适适于于深深孔孔加加工工，将将工工作作压压力力约约1 110 10 MPaMPa，流流量量约约5050150 150 L Lminmin的的切切削削液液直直接接喷喷射射到到切切削削区区，并并可可将将碎碎断断的的切切屑屑驱驱出出。此此法法也也可可用用于于高高速速钢钢车车刀刀切切削削难难加加工工材材料料，以以改改善善渗渗透透性性，可可显显著著提提高高刀刀具耐用度，具耐用度，但飞溅严重，但飞溅严重，需加护罩。需加护罩。2.2.喷雾法喷雾法 以以压压缩缩空空气气及及喷喷雾雾装装置置使使切切削削液液雾雾化化，从从直直径径1.51.53 3 mmmm的的喷喷嘴嘴中中高高速速喷喷射射到到切切削削区区。冷冷却却效效果果好好。用用于于难难切切削削材材料料加加工工及及超超高高速速切切削削时时，可可显显著著提提高高刀具耐用度。刀具耐用度。2024/5/21第五节切削液四、切削液的加注方法3.高压法2.喷雾法20
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