1、第第2章章金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具v2.1 金属切削过程金属切削过程 2.1.1 切削层与切削参数切削层与切削参数 2.1.2 切削过程切削过程 2.1.3 影响切削变形的因素影响切削变形的因素v2.2 切削过程的基本规律切削过程的基本规律 2.2.1 切削力切削力 2.2.2 切削热与切削温度切削热与切削温度 2.2.3 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 v2.3 切削参数的选择切削参数的选择 2.3.1 刀具几何角度刀具几何角度 2.3.2 刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择 2.3.3 切削用量的选择切削用量的选择 v2.4 切削过程基本规律的应用切削过程基本规律的
2、应用 2.4.1 切屑的控制切屑的控制 2.4.2 材料的切削加工性材料的切削加工性 2.4.3 切削液切削液 v2.5 刀具材料刀具材料2.5.1 刀具材料的基本要求刀具材料的基本要求 2.5.2 普通刀具材料普通刀具材料 2.5.3 特殊刀具材料特殊刀具材料 2.5.4 涂层刀具涂层刀具？夹夹具的选用具的选用？夹夹具的选用具的选用？夹夹具的选用具的选用？夹具？夹具l l一夹具体；一夹具体；2 2一压板；一压板；3 3、7 7一螺母；一螺母；4 4、5 5一垫一垫圈：圈：6 6一螺栓；一螺栓；8 8一弹簧；一弹簧；9 9一定位键；一定位键；1010一菱形一菱形销；销；1111一圆柱销一圆柱销
3、？夹具？夹具？夹具？夹具？夹具的选用？夹具的选用？夹具？夹具l l一长方形基础板；一长方形基础板；2 2一方形支撑件；一方形支撑件；3 3一菱形定位盘；一菱形定位盘；4 4一快换钻套；一快换钻套；5 5一叉形压板；一叉形压板；6 6一螺栓；一螺栓；7 7一手柄杆；一手柄杆；8 8一分度合件一分度合件？夹具的选用？夹具的选用2.1 金属切削过程金属切削过程2.1.1 切削层与切削参数切削层与切削参数v金属切削的过程金属切削的过程：刀具与工件相互：刀具与工件相互运动、相互作用的过程。运动、相互作用的过程。v切削层：切削层：在切削过程中，刀具的刀刃在在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表
4、面切下的金一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层。属层。v切削层参数：切削层参数：切削层的截面尺寸。切削层的截面尺寸。v主运动主运动：使工件与刀具产生相对运动：使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动。主运动而进行切削的最主要的运动。主运动特点是运动速度最高，消耗功率最大。特点是运动速度最高，消耗功率最大。主运动一般只有一个。主运动一般只有一个。v进给运动进给运动：保证金属的切削能连续进：保证金属的切削能连续进行的运动。进给运动的特点是运动速行的运动。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有度低，消耗功率小。进给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是间几个，可以是连续运
5、动，也可以是间歇运动。歇运动。切削用量切削用量v切削速度（切削速度（c）：刀刃上选定点相对于工件刀刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。的主运动速度称为切削速度。v进给量（进给量（f）：）：工件或刀具每转或每一行程时，工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位移量。工件和刀具在进给运动方向的相对位移量。v背吃刀量（背吃刀量（ap）：）：它是在与主运动和进给运动方它是在与主运动和进给运动方向所组成的平面相垂直的方向上测量的工件上已加向所组成的平面相垂直的方向上测量的工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。工表面和待加工表面间的垂直距离。v如图的外圆的车削运动。如图的外
6、圆的车削运动。vc为切削刃某点切削速度，为切削刃某点切削速度，vf为同一点的进给运动速度，为同一点的进给运动速度，ve为两个运动的合成速度。为两个运动的合成速度。外圆车削的切削运动与加工表面外圆车削的切削运动与加工表面 1车削切削层参数车削切削层参数（1）切削层切削层公称厚度公称厚度hD：在主切削刃选定点的：在主切削刃选定点的基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸。v切削层截面的切削厚度为：切削层截面的切削厚度为：hD f sinr（2）切削层切削层公称宽度公称宽度bDv切削层切削层公称宽度公称宽度bD：在主切削刃选定点的基：在主切削刃选定点的基面内，沿过渡层表面
7、度量的切削层尺寸面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸 v切削层截面的切削层截面的公称切削宽度为公称切削宽度为：v bD ap/sinrv切削层切削层公称横截面积公称横截面积AD：在主切削刃选：在主切削刃选定点的基面内，切削层的截面面积定点的基面内，切削层的截面面积。v车削切削层车削切削层公称横截面公称横截面为为：v ADhD bDf ap2铣削切削层参数铣削切削层参数（1）切削层）切削层公称厚度公称厚度hD：在基面内度量的相邻刀：在基面内度量的相邻刀齿主切削刃运动轨迹间的距离齿主切削刃运动轨迹间的距离 v切削层切削层厚度厚度为：为：v hD ab=acsin fzsinv（2）切削层）切削层公称
8、宽度公称宽度bD：铣削的切削层公称：铣削的切削层公称宽度是指宽度是指主切削刃主切削刃与与工件切削面工件切削面的的接触长度接触长度(近似值近似值)。v铣削的背吃刀量：平行于铣刀轴线方向度量的被切铣削的背吃刀量：平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸削层尺寸 bD apv（3）切削层）切削层公称横截面积公称横截面积AD：切削厚度切削厚度与背吃刀量的积：与背吃刀量的积：AD hD bD 2.1.2 切削过程v金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图2-4表示表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的
9、剪切滑移线。流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。v图图2-5表示了金属的滑移过程。由图可知，金属表示了金属的滑移过程。由图可知，金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区。切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区。1金属切削过程的变形金属切削过程的变形v（1）第一变形区第一变形区：切削：切削层金属从开始塑性变形到层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程剪切滑移基本完成的过程区。区。OA与与OM之间的区域之间的区域就是第一变形区就是第一变形区。v第一变形区是金属切削变第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产在这个区域内，金属将产生大量的切削
10、热，并消耗生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，大部分功率。此区域较窄，宽度仅宽度仅0.020.2。（2）第二变形区第二变形区v产生塑性变形的金属切削层材产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在刀面流出，在靠近前刀面处靠近前刀面处形形成第二变形区。成第二变形区。v在这个变形区域，由于切削层在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的材料受到刀具前刀面的挤压和挤压和摩擦摩擦，变形进一步加剧，材料，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，在此处纤维化，流动速度减慢流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的切
11、屑与前刀面的压力压力很大，高很大，高达达23GPa，由此，由此摩擦产生的摩擦产生的热量热量也使切屑与刀具面温度上也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，升到几百度的高温，切屑底部切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。与刀具前刀面发生粘结现象。粘结现象时的摩擦状况粘结现象时的摩擦状况（3）第三变形区第三变形区v金属切削层在金属切削层在已加工已加工表面表面受刀具刀刃钝圆受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩擦而部分的挤压与摩擦而产生塑性变形部分的产生塑性变形部分的区域。区域。刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程 切屑经过刀刃钝圆切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面点后，受到后刀面B
12、C段段的挤压和摩擦，的挤压和摩擦，经过经过BC段后，段后，这部分金属开始这部分金属开始弹性恢复，弹性恢复，恢复高度为恢复高度为h，在恢复过程中又与，在恢复过程中又与后刀面后刀面CD部分产生摩擦部分产生摩擦，这部分切削层在，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面形成了已加工表面的加工质量。的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。质量产生很大影响。v2积屑瘤的形成及对加工影响积屑瘤的形成及对加工影响概念概念：v在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工加工塑性材料
13、塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一时，在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积积屑瘤屑瘤。积屑瘤的积屑瘤的成因成因：当金属切削层从终滑移面：当金属切削层从终滑移面流出时，受到流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就达到一定的程度时，就产生粘结现象产生粘结现象，也就是，也就是常说的常说的“冷焊冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工时，产生内摩擦，这时底层上
14、面金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图积屑瘤，如图2-9所示。所示。积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和压力有关。而且也与刀刃前区的温度和压力有关。v积屑瘤对金属切削过程产生的影响积屑瘤对金属切削过程产生的影响：v（1）实际刀具前角增大）实际刀具前角增大v（2）实际切削厚度增大）实际切削厚度增大v（3）加工后表面粗糙度增大）加工后表面粗糙度增大v（4）切削刀具的耐用度降低）切削刀具的耐用度降低（1）实际刀具前角增大）实际刀具前角增大v刀具前角刀具前角o指前刀面
15、与基面之间的夹角，其指前刀面与基面之间的夹角，其概念将在后节详细论述。如图所示，由于积概念将在后节详细论述。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b角度，角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大际刀具前角增大,现为现为o b。v刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大，越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。实际刀具前角也越大，切削更容易。（2）实际切削厚度增大）实际切削厚度增大v由图由图2-9可以
16、看出，当切削瘤存可以看出，当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个比无切削瘤时增加了一个hD，显然，这对工件切削尺寸的控显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，制是不利的。值得注意的是，这个厚度这个厚度hD的增加并不是固的增加并不是固定的定的，因为切削瘤在不停变化，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生能在加工中产生振动。振动。（3）加工后表面粗糙度增大）加工后表面粗糙度增大v积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身积屑瘤的变化不但是整体，
17、而且积屑瘤本身也有一个变化过程。也有一个变化过程。积屑瘤的底部积屑瘤的底部一般比较一般比较稳定稳定，而它的，而它的顶部极不稳定，经常会破裂顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。然后再形成。v破裂破裂的一部分随切屑的一部分随切屑排除排除，另一部分留在加另一部分留在加工表面上，工表面上，使加工表面变得非常使加工表面变得非常粗糙粗糙。可以。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。积屑瘤的发生。（4）切削刀具的耐用度降低）切削刀具的耐用度降低v从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切
18、削，对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少减少了刀具磨损了刀具磨损。v积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面刀具表面金属剥落金属剥落，从而，从而使刀具磨损加大使刀具磨损加大。对于硬质。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。合金刀具这一点表现尤为明显。问题v某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么
19、？在防止积屑瘤方面，你认为问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。能用哪些方法。回答v1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑瘤能增大刀具实际前角，使瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易切削更容易，所以这位，所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法，师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法，v2、积屑瘤很不稳定积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造，它会周期性地脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工尺影响零件的加工尺寸精度。寸精度。v3、积屑瘤的剥落和形状的不规则积屑瘤的剥落和形状的不
20、规则又使零件加工表又使零件加工表面变得面变得非常粗糙非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。避免积屑瘤的发生的措施避免积屑瘤的发生的措施v、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高提高零件零件材料材料的的硬度硬度，降低降低材料的材料的加工硬化加工硬化。v、调整、调整刀具刀具角度，角度，增大前角，增大前角，从而减小切屑对刀具前从而减小切屑对刀具前刀面的压力。刀面的压力。v、调低调低切削速度切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面使切
21、削层与刀具前刀面接触面温度温度降低，避免粘结现象的发生。降低，避免粘结现象的发生。或采用或采用较高的切削速度，较高的切削速度，增加切削温度，因为增加切削温度，因为温度高到一定程度，温度高到一定程度，积屑瘤也不会积屑瘤也不会发生。发生。v、更换、更换切削液切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少切，采用润滑性能更好的切削液，减少切削摩擦。削摩擦。2.1.3 影响切削变形的因素影响切削变形的因素v1工件材料工件材料v2刀具几何参数刀具几何参数 v3切削速度切削速度v4切削厚度切削厚度1工件材料工件材料v通过试验，可以发通过试验，可以发现工件材料强度和现工件材料强度和切屑变形有密切的切屑变形有密切的关
22、系。关系。v从图可以看出，随从图可以看出，随着工件材料强度的着工件材料强度的增大，切屑的变形增大，切屑的变形越来越小。越来越小。变形系数材料强度图图2-10 材料强度对变形系数的影响材料强度对变形系数的影响 2刀具几何参数刀具几何参数v由由图图2-7可以看到，当可以看到，当刀具刀具前角前角O增大时，沿刀面流出的金属切增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。屑的变形也会变小。v通过对通过对高速钢刀具高速钢刀具所作的切削试所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角削速度下，刀具前角O愈大，材愈大
23、，材料变形系数愈小。料变形系数愈小。v刀尖圆弧半径对切削变形也有影刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，响，刀尖刀尖圆弧半径圆弧半径越大越大，表明刀，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形也越大表面的切削变形也越大。3、切削速度、切削速度v由图由图2-11可以看出，随切削速度变化的材料变形可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线系数曲线并不是一直递减并不是一直递减，而是在某一段有一个，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤度对材料变形的影响分为两个段，
24、一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。这一段，另一个是无积屑瘤段。积屑瘤段情况积屑瘤段情况v切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影响来实现的。响来实现的。v在在积屑瘤增长积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，瘤越大，实际刀具前角也越大实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少切屑的变形相对减少，所以在，所以在此阶段，切削速度增加时，材料变形系数此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。也减少。v随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在随着速度的增加，积屑
25、瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，同时，实际刀具前角实际刀具前角也减小，材料的变形将增大，也减小，材料的变形将增大，在积屑瘤完全消退时，材料变形在积屑瘤完全消退时，材料变形将最大。将最大。在无积屑瘤段在无积屑瘤段v材料变形系数是随着材料变形系数是随着切削速度切削速度的增加而减小。的增加而减小。主要主要是因为是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度，速度低时，金属始剪切面为低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，时，金属
26、流动速度大于塑性变形速度，在在OA面金面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至属并未充分变形，相当于始剪切面后移至OA面面（见图（见图2-12），），终剪切面终剪切面OM也后移至也后移至OM，第一第一变形区后移，使得变形区后移，使得材料变形系数减小材料变形系数减小。另外，。另外，速度速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。4切削厚度切削厚度v如图如图2-11所示，显示了进给量（即切削厚度）对所示，显示了进给量（即切削厚度）对切屑变形的影响。在无积屑瘤段，切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量进给量f越大，越大，材料的变形系数材料的变形系数越小。越小。
