车工培训资料

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1、 金属切削原理与刀具 第一章 金属切削加工的基本概念什么叫金属切削？ 定义-在切削过程中，刀具与工件之间必须有相对的切削运动，即在金属机床上利用有一定几何形状的刀具来切除工件上多余的金属层，以获得所要求的尺寸、形状、精度和表面质量的过程（举例运动和速度的关系)。 第一节 切削运动和切削用量一 . 零件表面的形成 金属切削中，机加工零件的表面均可看成是曲面和平面（外圆面、内圆面或曲面）组成。但在切削过程中，工件上始终有三个连续小段变化的表面。1） 已加工面-工件上经刀具切削后产生的表面即仰对的表面。2） 加工表面-工件上由主切削刃正在切削形成的表面。3） 待加工面-工件上有待切除的表面。 如图1

2、-1上述三个表面在切削过程中，始终处于一个动态过程（变化）。因此只要能对这些基本表面进行加工，就能完成所有零件的加工，而上述基本表面可以用一定的运动组合来完成的。例如外（内）圆表面可由旋转运动和直线运动的组合来形成。平面可由直线运动和直线运动的组合来完成（即车床、刨床、磨床等）。所以，要完成零件表面的切削加工，刀具与零件之间必须要有相对的切削运动。 二 . 切削运动什么叫切削运动?定义-切削运动是指在切削过程中刀具相对工件的运动。即在切削过程中应具备形成零件表面的基本运动。按其在切削过程中的作用，可分为主运动和进给运动。如图（1-2）所示。1） 主运动：直接切除工件表面上的切削层，使之转变为切

3、削一形成工件新的表面的主要运动。也就是讲，切削运动中速度最高消耗功率最大的运动称为主运动。主运动可以由工件来完成。如：车削时，主运动是工件的旋转运动。铣削是，主运动是铣刀的选择运动。钻削是，主运动是钻头的选择运动。刨削时，刨刀的往复直线运动均为主运动。但无论哪种运动，主运动度只能有一个。根据加工方法不同，主运动的形态也不相同。当然有是也可以相互转换的（举例）。主运动的速度即为切削速度，用v来表示。单位为m/min或m/s。2） 进给运动：使新的切削层不断投入切削的运动称为进给运动。它分为吃刀运动和走刀运动（如车削外圆是车刀的横向进给运动和车削外圆时车刀的纵向进给运动）。1. 车削：进给运动有两

4、个，纵向进给和横向进给。2. 钻削：进给运动有一个，即轴向进给，钻头向下的运动属于 进给运动。 3. 铣削： 进给运动有三个，即纵向进给、横向进给和垂直进给。切屑（铁屑)是指从工件上多余金属层中切下来的金属或者说因尺寸与形状需要，被切削刃从工件上切割而离开母体的金属。吃刀运动是控制刀刃的切入深度的运动。多数情况下多数情况下是间隙性的也可以是连续性的，如钻削。进给运动速度较低消耗的功率较小。所以，要完成工件上多余金属层的切除工作，只有主运动和进给运动同时具备，才能得以实现。三 . 切削用量切削用量是表示切削参数的量。它包括背吃刀量、进给量和切削速度三要数。合理选择切削用量与提高劳动生产力、提高加

5、工质量及经济性有着密切的关系（举例）。有以下三个方面限制其的选择：1） 切削速度v 切削速度是刀具切削刃上的某一点相对于加工表面上该点在主运动方向上的瞬时速度。即主运动的线速度。单位为：m/s或m/min 。当主运动为旋转运动时（如车削加工运动），车削速度按下式公式计算： V=dn/1000(m/min) 式中：n表示工件或刀具每分钟转速（r/min) B表示工件待加工表面直径或刀具的最大直径当主运动为往复直线运动时（如牛头刨床的运动），其平均速度按下式计算： V=2lnv/1000(m/min) 式中 l表示往复直线运动的行程长度（mm) nv表示主运动每分钟的往复次数（str/min)2)

6、 进给量（f) 进给量是工件或刀具每转一转或往复一次或刀具每转一齿时，工件与进给方向的移动量。单位为：mm/r 。如果主运动是往复直线运动（如刨床）时，f为刀具每一次在工件进给方向上的移动量。单位为：mm/str(毫米/ ？ ）。3） 背吃刀量 (ap)背吃刀量是工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。单位（mm)。车外圆时，背吃刀量ap按下式计算: ap=(dw-dm)/2 (mm) 式中，dw为待加工表面直径（mm),dm为加工表面直径（mm).钻孔时，ap=dm/2 式中dm为钻孔的直径或钻头直径。背吃刀量ap的大小直接影响到刀具主运动刃的工作长度，可以反映出切削负荷的大小。 第二节

7、 刀具切削部分的组成和刀具的几何角度 本节主要以外圆车刀为例，来讨论刀具切削部分的组成。 刀具是切削加工中的重要工具，也是切削加工中影响生产率、加工质量和成本的最活跃的因素。刀具种类繁多，形状各异，有共同的特性，也有不同的特性。且都是有切削部分和刀体两部分组成。前者是起切削作用，后者是其起夹持作用。但外圆车刀切削部分的形态是基本形态，其它刀具均可看成是外圆车刀的演变和组合。 根据需要外圆车刀： 基本形态 -各种形状的刀具。如钻头、铣刀、拉刀、 演变 铰刀等。以下是以普遍外圆车刀为典型，来确定切削部分的基本定义。1） 车刀切削部分的组成 它是由刀头（切削部分）和刀杆（夹持部分）而组成，图1-3所

8、示。 前刀面Ar 主后刀面Aa 主后刀面Aa 主切削刃S 副切削刃S 刀尖（过渡刃）2） 车刀的几何角度刀具的几何角度是确定刀具切削部分几何形状与缺陷性能的重要参数。确定刀具几何角度的参考坐标系有两大类：一类称为标注参考系(静态），它是刀具设计、制造与刃磨及测量时用来确定刀刃定位基准的标准角度。另一类为工作参考系（动态），它是用来确定刀具切削刃、刃面在切削过程中相对于工具的位置基准的工作角度。如下图： 前角。 前角可以是正值（+）、负值（-）或零，其正、负值规定如下：在正交平面中，前刀面与切削平面的夹角小于90时为正值，大于90时为负值，前刀面与切削平面平行时为零度。 后角。 在正交平面内测量

9、的后刀面与切削平面间的夹角。 后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件之间的摩擦，同时影响刀头的强度。 主偏角 在基面中测量的主切削刃在基面的投影与进给方向（走刀方向）的夹角。主偏角的大小主要影响刀具的耐用度和切削力的分配。 负偏角 在基面P中测量的副切削刃在基面上的投影与进给相反方向之间的夹角。副偏角的主要作用是减少副切削刃与加工面的摩擦，同时可以控制工件上残留高度的大小，一控制表面粗糙度。 刃倾角s 在切削平面内侧量的主切削刃与基面间的夹角。当刀尖为切削刃的最高点时，s为“+”；当刀尖为切削刃的最低点时，s为“-”。刀刃角主要影响切屑流向和刀头强度。 刀尖角 主切削刃和副切削刃在基面内投影之间

10、的夹角。3) 车刀进给运动和安装位置（高底）时工作角度的影响刀具静止角度是以刀杆底面为基准，并不考虑进给运动的大小（f=0)的条件下定义的角度，但在实际切削时，由于刀具的安装位置，刀具与工件相对运动情况的变化，实际起作用的角度与静止角度不同。我们把刀具切削时实际起作用的角度称为工作角度（如车削螺纹、丝杆、蜗杆）。 横向进给对刀具工作角的影响 车刀的前角和后角是随着车刀进给而不断变化的，切削刃选定处与工件的旋转直径在不断的变化。逐渐形成越靠近中心，后角变小成负值，工件被挤压断裂。 纵向进给对刀具工作角度的影响 是由于工作中基面和切削平面发生了变化，形成了一个合成切削速度角，引起了工作角度的变化。

11、 刀具安装位置：1. 一般来说，刀具安装应不低于中心，不然容易造成刀刃崩裂或过快磨损。 2. 刀杆安装应考虑刚性，刀杆不易伸出过长。 第二章 刀 具 材 料 刀具直接完成切削工作。刀具切削性能的好坏，取决于刀具切削部分的材料，它直接影响到刀具使用寿命、加工效率、加工质量及加工成本等。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用，同时随着科学技术的发展，要重视新型刀具材料的研制与应用。 2-1 刀具草榴应具备的性能及种类1） 刀具的工作条件 刀具在切削过程中，要承受切削力、刀具温度、严重摩擦及冲击与振动等恶劣工作条件。作为刀具必须具备承受这些工作条件的能力，从实践可知，要满足这些工作条件，取决于刀

12、具的材料、合理的结构及切削部分的几何形状。2） 刀具材料应具备的性能: 足够的硬度； 良好的耐磨性 耐磨性表示材料抵抗磨损的能力。耐磨性与材料的硬度、强度和组织机构有关。一般来说，材料的硬度越高，耐磨性越好。但材料的耐磨性不单纯取决于材料的硬度，也并非材料越硬耐磨性越高。 足够的强度和韧性（坚韧性) 切削加工时，刀具要承受很大的切削力、冲击和振动，为避免崩刃和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性（此处的强度一般是指抗弯强度）。一般说强度越高，承受切削抗力的能力越大。刃口崩刃的倾向小。 高耐热性 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度也就越高。

13、3） 常用刀具材料的种类：主要分四大类：工具钢、硬质合金、陶瓷及超硬材料。 2-2 碳素工具钢及合金工具钢1） 碳素工具钢 常用的有T8A，T10A，T12A等。这种材料的优点是刀具刃磨性好，热塑性好，切削加工性好，价格低廉等。缺点是热处理后变形大，淬透性差，耐热性差。2） 合金工具钢 常用的合金工具钢有9CrSi, CrWMn等，近年来GCr9,GCr15等轴承钢也用作合金工具钢。主要用于制造丝锥、板牙、铰刀等。 2-3 高 速 钢 高速钢是高速工具钢的简称，又叫锋钢，白钢。特点是工艺性好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。1） 普通高速钢的类型： 1. W18Cr4V 这种高速钢的综合性

14、能好，是目前应用的最多的高速钢。 2. W6Mo5Cr4V2 它是以Mo代W发展起来的一种高速钢。 2-4 硬 质 合 金1） 硬质合金的组成与特点 硬质合金中的碳化物（WC TiC TaC等)的硬度高、熔点高。因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性度高于高速钢。主要有以下三大类： 1. 钨钴类硬质合金 2. 钨钛类硬质合金 3. 钨钛钽（铌）类硬 质合金2） 硬质合金的选用 粗加工时，要求加工精度较高，表面粗糙度值小，切削量小，切削力也小，切削过程比较平稳，应选择含钴量少的硬质合金，如YG3YT30等。 切削不规则的工件，一般选用含钴量高的硬质合金，如YG8、YT5等。 切削铸铁等脆性材料，宜

15、选用YG类硬质合金。 YW类硬质合金，一般是在YT类中。这类硬质合金既可切削加工铸铁和非铁合金材料（如铜、铝合金），也可加工各类钢材，主要用于加工较难加工材料。3） 细晶粒和超细晶粒硬质合金 主要用于原来只能用高速钢制造的刀具，如滚齿铣刀等。4） 表面涂层硬质合金 涂层硬质合金主要用于机夹不重磨刀片，作为半精加工和精加工。适用于各种钢材、铸铁等。 2-5 其 他 刀 具 材 料1） 金刚石 天然单晶金刚石（钻石）具有极高的硬度（10000HV左右)和耐磨性。因此，可以加工硬质合金。 人造金刚石是将粉末石墨（碳）微晶在高温、高压下，借助于合金触媒的作用，聚合而成的多晶体。又称聚晶金刚石。 第三章

16、 金属切削加工过程中的主要现象及规律 所谓金属切削过程是指工件上多余的一层金属被刀具切除的过程和已加工表面的形成过程。在这过程中产生的一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。都属于金属切削的基本理论范畴。 3-1 金 属 切 削 过 程1） 金属切削过程的实质金属切削过程的实质是工件受到刀具的切削和推挤以后发生的弹性和塑性变形，而是切削层与工件分离的过程。金属变形有弹性和塑性变形两种。2） 切削的种类与变化 由于工件的材料不同，切削条件不同，切削过程中的变形程度也有不同。因而所产生的切削种类也就多种多样，归纳起来，有以下四种类型： 1. 带状切屑 2. 节状切屑 3. 粒

17、状切屑 4. 崩碎切屑3） 积屑瘤 积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃部的一个楔块，它的硬度为金属母体的23倍。在切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性金属时，常有一些从切屑和和工件上脱落下来的金属冷焊（粘结)并层积在前刀面上，形成积屑瘤。 积屑瘤的形成 在一定加工条件下，随着切屑与前刀面间的温度和家里的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞留”现象，越是贴近前刀面处的金属层流速越低。当温度和压力增加到一定程度时，滞留层中底层与前刀面产生了粘结。 积屑瘤对加工的影响 1. 保护刀具 2. 增大实际前角 3. 增大切削厚度 4. 增大已加工表面粗糙度值 各种因素对积屑瘤的影响 1

18、. 工件材料的影响 2. 切削速度的影响 3. 刀具前角的影响 4. 刀具表面粗糙度的影响 5. 切削液的影响 3-2 切 削 力 与 切 削 功 率 1） 切削力的种类 1. 主切削力 2. 径向力 3. 轴向力2） 影响切削力的诸因素 凡是影响变形和摩擦的因素都影响切削力的大小，其中以工件材料为主，其次是刀具几何参数、切削用量。 工件材料的影响 工件材料对切削力的影响较大。材料的强度和硬度也高，变形抗力越大，切削力就越大。 刀具几何参数的影响 刀具几何参数影响切削力的主要因素有：前角、主偏角、刀尖圆弧半径、刃倾角等。3） 切削用量的影响 背吃刀量或进给量的增加，切削面积的增大，弹性、塑性变

19、形及摩擦力增加，从而使切削力增大。4） 其他因素的影响 1. 切削液 2.刀具棱面 3. 刀具磨损 3-3 切 削 热 与 切 削 温 度 切削热与切削温度是一个重要的物理现象。切削时产生的热量除少数散逸在周围的介质中，其余均传入刀具、切屑、工件中，并使之温度升高，引起工件热变形，降低工件的精度，加速刀具的磨损。1） 影响切削温度的诸因素 切削用量 切削用量中以切削速度对切削温度的影响最大。因为速度增大，变形速度增大，由摩擦产生的热量也随之大大增加。 刀具几何参数 前角增大，切削变形减小，切削力降低，消耗的功率减小，所以切削温度降低。但前角也 不易过大，否则散热条件不好，切削温度反之增加。 刀

20、具磨损 刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方对切屑的挤压作用增大，所以当刀具磨损严重后切削温度会急剧升高。 被加工材料 材料的强度、硬度高，切削时消耗的切削功率越多，产生的切削温度也高。 3-4 刀具磨损与刀具耐用度 新刃磨好的刀具经过一段时间切削后，会发现工件表面粗糙度值显著增大，工件尺寸变小，切削温度升高，切削的颜色也会发生变化，切削力增大。这说明刀具已经磨损，必须重新刃磨刀具。1） 刀具的磨损形式 正常磨损： 1. 后刀面磨损 主要发生在与切削刃毗邻的后刀面上。 2. 前刀面磨损 前刀面磨损主要发生在前刀面上，磨损 后，在前刀面离开主切削刃一小段距离处形成的月牙 洼。 非正常磨损 ： 1.

21、破损 2.卷刃2） 刀具磨损的原因 磨粒磨损 粘结磨损 扩散磨损3） 刀具的耐用度刃磨后的刀具，自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间称为刀具耐用度。 影响耐用度的因素： 1. 工件材料 2. 刀具材料 3. 刀具几何参数 第四章 金属切削加工质量 4-1 已加工表面质量1） 表面质量概念及其影响 表面质量概念 零件上所有的磨损、腐蚀和疲劳损坏都发生在零件的表面，或是从零件表层开始的。因此，零件已加工表面的质量将直接影响其性能和工件寿命。零件的表面质量主要包含以下两个方面：1. 几何方面的质量 主要是指表面粗糙度、尺寸精度、形状精度、毛刺和缺口等。2. 表面层特性方面的质量 主要是指

22、表层出现的一定深度变质层，产生冷作硬化、残余应力、微裂缝等。 表面质量对零件使用性能的影响： 1. 表面粗糙度对配合使用的影响 2. 表面粗糙度对耐磨性的影响 3. 表面粗糙度对耐腐蚀性的影响 4. 表面粗糙度对疲劳强度的影响2） 影响表面粗糙度、加工硬化剂残余应力的因素 影响表面粗糙度的因素： 1. 刀具几何形状方面 已加工表面是由刀具的主、副切削刃切削而成的。 2. 工件材料方面 加工性好的工件材料或经热处理后改善了加工性的材料，塑性、韧性低，切削过程中的积屑瘤、鳞刺和粘屑影响小，能减少表面粗糙度值。 3.切削用量方面 用硬质合金刀具切削塑性材料时，提高切削速度可使积屑瘤和鳞刺减少甚至消失

23、。并可减少国内国际材料的塑性变形。可减少表面粗糙度值。 影响加工硬化的因素： 凡是受到切削温度影响，是金属弱化(软化）的因素，都会减轻硬化。3） 提高表面质量的途径 刀具方面： 1. 加强切割作用，减少挤推作用。 2. 合理选择几何参数 适当减小主偏角和副偏角或磨修光刃、过渡刃都能降低表面粗糙度值；合理选择主、副偏角，可减小径向力，避免振动的等。 3. 提高刀具的刃磨质量，控制磨损量，特别是成形刀具的加工。 4. 合理选择刀具材料 刀具材料是影响切削质量和切削效率的一个基本因素。 工件方面： 提高毛坯质量，通过热处理改善切削加工性能，有利于获得所需要的表面质量。 切削用量方面 提高切削速度减小

24、切削变形，减低切削力。同时在高速切削下，积屑瘤和鳞刺高度会降低甚至消失。采用较小的背吃刀量和进给量对精加工有利。 4-2 切 削 液1） 切削液的作用 1. 冷却作用 2. 润滑作用 3. 清洗和排屑作用 4. 防锈作用2） 切削液的种类 1. 切削油 2. 极压切削油和极压添加剂 4-3 刀具几何参数及切削用量的选择1） 刀具几何参数的合理选择 前角、前刀面和刃口倒棱（举例） 后角和后刀面（举例）2） 切削用量的合理选择 合理选择切削用量的基本要求： 1. 保证安全，不致发生人身事故（或使操作者过分紧张）或损坏机床、刀具等。 2. 保证工件已加工表面的粗糙度和尺寸精度。 3. 在满足以上两项要求的前提下，要充分发挥机床的潜力和刀具的切削性能。