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机械制造技术——切削原理与刀具
包含切削加工的运动分析及切削要素、切削加工刀具、切削过程的物理现象、工件材料的加工性及切削用量选择、切削液的作用和选用、磨具与磨损原理、非金属材料切削加工等。
编辑于2021-09-15 22:45:25- 相似推荐
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切削原理与刀具
2.1 切削加工的运动分析及切削要素
2.1.1 零件表面与成形运动
机械零件的大多数表面都可以看作是一条母线（直线、折线或曲线）沿导线（直线、圆或曲线）运动而形成的
2.1.2 切削运动
基本概念
切削加工时，刀具和工件之间的相对运动
分类
主运动
使刀具与工件之间产生相对运动，最基本的运动
进给运动
使刀具与工件之间产生附加的相对运动，不断将多余金属层投入切削
其他运动
吃刀运动、分度运动等
2.1.3 切削要素
切削用量三要素
切削速度Vc
主运动的线速度，即单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离
进给量f
主运动一个周期，刀具和工件之间沿着进给运动方向的相对位移
背吃刀量ap
待加工表面和已加工表面之间的距离，在垂直于主切削速度的平面内测量的主切削刃在垂直于进给方向切入工件的长度
切削层尺寸平面要素
公称厚度hD
在PD面内，垂直于切削刃方向所测得的切削层尺寸，影响切削刃的工作负荷
公称宽度bD
在PD面内，沿切削刃方向所测得的切削层尺寸，反映切削刃与工件接触的长度
横截面积AD
在给定瞬间，切削层PD面内的实际横截面积，反映切削加工的生产率
2.2 切削加工刀具
2.2.1 常用刀具类型及刀具结构
分类
车铣镗刨等
外圆车刀组成
三面两刃一尖
前刀面
直接作用于被切金属层，并控制切屑经过时流出方向的刀面
主后刀面
同工件的加工表面相互作用和相对着的刀面
副后刀面
与工件的已加工表面相互作用和相对着的刀面
主切削刃
前刀面与主后刀面的交线，主刃
副切削刃
前刀面与副后刀面的交线，副刃
刀尖
主切削刃与副切削刃的连接部位
2.2.2 刀具角度
正交平面参考系（静止）
切削平面Ps
通过切削刃上某一选定点，切于工件加工表面的平面，即这点的主运动速度与该点的切削刃的切线构成的平面
基面Pr
通过切削刃上的同一点，并于该点主运动方向相垂直的平面
正交平面Po
通过切削刃上的同一点，并于切削刃在基面上的投影相垂直的平面
刀具标注角度的定义
在正交平面Po内标注（测量）的角度
前角γo
定义：在正交平面Po内测量的前刀面Ar与基面Pr之间的夹角
特点：越大越锋利，在满足刀刃强度要求的前提下选用大的
后角αo
定义：在正交平面Po内测量的后刀面Aα与切削平面Ps之间的夹角αo
特点：粗加工或切削较硬材料，取小αo；精加工或切削塑性好的材料，取大αo； 大前角选小，小前角选大
在基面Pr上标注（测量）的角度
主偏角kr
定义：主切削刃在基面上的投影与进给方向之间所夹的角度
特点：决定切削层截面形状、切削分力的比例、刀尖强度和散热条件、寿命
副偏角kr’
定义：副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间所夹的角度
特点：控制切屑的流向，角度为负会刮伤已加工面； 控制切入时首先与工件接触的位置。平稳性。
2.2.3 刀具材料
基本性能
高的硬度
足够的强度和韧性
高的耐磨性
高的耐热性和化学稳定性
工艺性好
种类、特点及应用
工具钢类
硬质合金类
高性能刀具材料
2.3 切削过程的物理现象
2.3.1 切削过程
切削的形成
金属切削过程就是利用刀具从工件上切下切屑的过程，也就是切屑形成的过程，其实质是一种挤压变形的过程
切削的种类
带状切屑
节状切屑
子主题
粒状切屑
崩碎切屑
切削变形
第Ⅰ变形区（剪切区）
从OA线（剪切线）开始发生塑性变形，到OE线（称最终剪切线）晶粒的剪切滑移基本完成
可采用增大前角、后角、切削速度等措施，控制切削变形
第Ⅱ变形区（摩擦区）
切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近刀面处的金属纤维化，纤维化的方向基本上和前刀面平行
300°C会产生“冷焊现象”形成积屑瘤，保持良好的润滑
第Ⅲ变形区（挤压区）
已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化
产生残余应力和细微裂纹，降低疲劳强度，造成“加工硬化”。应减小切屑变形与摩擦，增大前角、后角、切削速度
2.3.2 切削力和切削功率
切削力的来源
刀具上所有参与切削的各切削部分所产生的切削力的合力
总切削力的几何分力
主切削力Fc
切削力F在主运动方向上的正投影。最大，消耗功率95%，是计算机床功率和主传动系统零件强度和刚度的主要依据
进给力Ff
F在进给运动方向上的正投影，是设计或校核进给系统零件强度和刚度的依据
背向力Fp
F在垂直于工作平面上的分离。不做功，具有将工件顶弯的趋势，增大主偏角可减小
切削力的估算与切削功率
单位切削力kc
Fc=kc · AD = kc · αp · f N
切削功率Pc
Pc=Fc · Vc × 10^-3 Kw
影响切削力的因素
工件材料
强度、硬度越大，切削力越大
切削用量
影响最大的是背吃刀量αp，其次是进给量f
刀具的几何角度与刀具材料
前角γ0越增大，刀刃锋利，切屑变形减小，切削力减小。 后角α0增大，切削力减小
同样条件下，陶瓷刀切削力最小，硬质合金刀次之，高速钢刀具的切削力最大
其他因素
2.3.3 切削热和切削温度
切削热的来源与传散
切削热的来源
切削层材料的弹、塑性变形以及切屑与刀具前刀面、后刀面之间的摩擦
切削热的传散
通过切屑、工件、刀具和周围介质等传散
切削温度及其影响因素
切削用量
影响大小排序：切削速度Vc、进给量f、背吃刀量αp
工件材料
强度、硬度、塑性越好，产生热越多
刀具角度与刀具材料
前角γ0增大，切削变形和摩擦减小，温度低，但过大会因刀具散热体积减小而使温度升高； 主偏角kr减小，切削刃工作长度增加，温度低，但过小会引起振动。
2.3.4 刀具磨损和寿命
磨损的过程及形式
磨损过程
初期磨损阶段
发生在刀具开始切削的短时间内。磨损后可采用油石抛磨
正常磨损阶段
初期磨损后，刀具粗糙表明磨平，单位面积压力减小，磨损缓慢均匀，磨损呈线性增加
急剧磨损阶段
磨损量增加到一定时，刀具磨损变钝，切削力与温度迅速升高，磨损量加剧，刀具失去切削能力
磨损形式
后刀面磨损
通常用后刀面平均磨损宽度VB表示，切脆性材料hD<0.1mm时发生
前刀面磨损
月牙磨损，在切削刃口后方出现月牙洼，用月牙洼最大深度KT表示，切塑性材料hD>0.5mm时发生
前、后刀面同时磨损
边界磨损，在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，切塑性材料hD=0.1~0.5mm时发生
刀具磨损的原因
磨粒磨损（硬质点磨损）
切削时，切屑、工件材料中含有如碳化物、氮化物和氧化物等硬质粒子，以及积屑瘤碎片等，其硬度超过了刀具，会在刀具表面刻划出沟纹
粘结磨损
切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面杰出而发生冷焊粘接现象
扩散磨损
切削时，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具和工件、切屑双方的化学元素互相扩散到对方表面，改变原有材料的成分与结构，削弱刀具性能，加剧磨损
相变磨损
用高速钢、工具钢刀具切削时，当切削温度超过相变温度，刀具材料中的金相组织发生变化，硬度明显下降而引起磨损
化学磨损
在一定温度下，刀具材料与某些周围介质发生化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物。
刀具寿命及影响因素
寿命的概念
刀具刃磨后开始前切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经历的总切削时间T，单位min
影响因素
切削用量Vc、f、αp
工件强度、硬度越好，塑性越好，导热性越差，磨损越严重
刀具材料的热硬性和耐磨性好，越不易磨损，寿命高。
刀具前角、后角增大，切削变形越小，磨损减小，寿命提高。但太大时，刀刃强度削弱，导热体积减小，会加快磨损，寿命下降
正确使用切削液
2.7 非金属材料的切削加工
2.7.1 纤维增强树脂基复合材料FRP加工
FRP的性能特点
具有高比强度和比刚度
抗疲劳性好
减振能力好
断裂安全性好
常用纤维增强复合材料FRP
芳纶纤维增强复合材料KFRP
玻璃纤维增强复合材料GFRP
碳纤维增强复合材料CFRP
FRP切削加工的特点
切削温度高
刀具磨损严重，使用寿命低
产生沟状磨损
产生参与应力
要控制切削温度
2.7.2 工程陶瓷材料加工
加工难点
刀具：具备相当高的耐磨性和足够的强度、韧性，同时考虑化学性
裂纹和崩豁：龟裂
钻孔加工工艺
刀具：采用金刚石套料钻
装夹：采用专门装夹工艺
切削液：乳化液、水溶液等
加工工艺参数
2.7.3 工程塑料的切削加工
工程塑料的性能特点
热膨胀系数大
导热性差
蠕变性
老化现象
加工工艺措施
车削时，车刀选取较大的前角，装夹夹紧力不宜过大
注意收缩量对尺寸的影响
塑料有多层物质或粉末状填料压制而成。车削时注意磨料作用，车刀磨损加快
车削过程中，不宜使用切削液，只能进行“干车”，必要时使用压缩空气
2.7.4 橡胶材料告诉切削加工
属于软性材料，加工过程中容易出现退让和回弹，加工质量难以保证，切削温度较高，容易出现粘刀
2.6 磨具与磨削原理
2.6.1 砂轮的特征要素
磨料
刚玉类
棕刚玉（A）、白刚玉（WA），适用于磨削各种钢材，如不锈钢、高强度合金钢，退火的可锻铸铁和青铜
碳化硅类
黑碳化硅（C）、；绿碳化硅（GC），适用于磨削铸铁、激冷铸铁、黄铜、青铜、铝、硬表面合金和硬质合金
高硬磨料类
碳化硼（CBN）、人造金刚石（MBD）。高硬磨料类具有高强度、高硬度，适用于磨削高速钢、硬质合金、宝石等。
粒度
表示磨粒的大小程度
粒度号越大，表面粗糙度越小，生产率越低
结合剂
将磨料粘合成具有各种形状及尺寸的砂轮，常用陶瓷、树脂、橡胶
硬度
粘合剂对磨料粘结能力的大小，若磨粒从砂轮下脱落，硬度就比较低
组织及形状
砂轮的组织是砂轮中磨料、结合剂和气孔三者体积的比例关系
2.6.2 磨削过程
滑擦阶段
磨粒开始与零件接触，切削厚度由零逐渐增大
刻划阶段
切削厚度增大，磨粒与零件表面的摩擦和挤压作用加剧，磨粒开始切入零件，是零件材料因受挤压而两侧隆起，在零件表面形成沟纹或划痕
切削阶段
当切削厚度继续增大至一定值时，磨削温度不断升高，挤压力大于零件材料的强度，使被切材料明显地沿剪切面滑移而形成切屑，并沿磨粒前刀面流出，表面产生热应力和变形
2.6.3 磨削工艺的特点
精度高、表面粗糙度小
砂轮有自锐作用
背向磨削力Fy较大
磨削温度高
表面变形强化和残余应力严重
2.6.4 磨削的应用及发展
高精度、低粗糙度磨削
包括精密磨削、超精磨削和镜面磨削
高效磨削
高速磨削、强力磨削和砂带磨削
2.5 切削液
2.5.1 切削液的作用
切削液的冷却作用
第一，减小切屑、工件与刀具之间的摩擦，使切削热“产生得少； 第二，将已产生的切削热及时地从切削区域吸收并带走，使切削热“传得快”
切削液的润滑作用
只有在切屑、工件与刀具界面间存在油膜形成流体润滑摩擦时，才能产生良好效果
切削液的清晰作用
使工件、机床和刀具不受周围介质的腐蚀，以及工件在工序运行不生锈
2.5.2 切削液的分类、特点及应用
分类与特点
以冷却为主的冷却润滑液——水溶液
也润滑为主的冷却润滑液——切削油
切削液的应用
粗加工时，加工余量和切削用量大，产生切削热较多。选用以冷却作用为主的水溶液或乳化液。连续、充足地浇注。
精加工时，主要目的是改善加工表面质量，提高刀具寿命及稳定尺寸精度。中低速切削，选用润滑性好地极压切削油或高浓度极压乳化液。大量连续浇注
切削高强度钢、高温合金钢等难加工材料是，硬质点多、机械擦伤作用大、导热性差，选用极压切削油或极压乳化液
磨削加工时，温度高，工件易烧伤，大量细屑、砂末会划伤已加工表面，选用具有良好地冷却和清洗作用并有一定的润滑性能和防锈作用。
切削钛镁合金等易燃材料是，会发生化学反应，使得切屑燃烧。选用矿物油，不能使用乳化液
切削液的使用方法
最普遍的时浇注法
2.4 工件材料切削加工性及切削用量选择
2.4.1 材料切削加工性
定义：工件材料被切削加工的难易程度
2.4.2 影响切削加工性的因素及改善措施
基本因素
工件材料的硬度：塑性越好，加工性越差；塑性很差时也差
工件材料的强度：加工性随材料强度的提高而降低；材料高温强度越高，加工性越好
工件材料的韧性：韧性大的材料，加工性差
工件材料的弹性模量E：E雨大，加工性越差；但E很小的材料，也不好
工件材料的导热系数：系数小，加工性差
改善措施
选用加工性好的材料或表面状态
通过热处理改善切削加工性
选择合适的刀具材料及合理地几何参数
采用特种加工及其他加工方法
2.4.3 选择切削用量的原则
切削用量同加工生产率的关系
切削用量三要素同生产率进保持线性关系。在实际加工时，要兼顾刀具寿命。
选择切削用量
背吃刀量αp的选定
粗加工时，精度要求低，一次走刀应尽可能切除全部粗加工余量
进给量f的选定
粗加工时，受机床进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等； 精加工时，受加工精度和表面粗糙度的限制。
切削速度Vc的选定
前二者选定后，给根据合理的刀具寿命，利用刀具寿命经验公式进行计算获得切削速度
粗车时，背吃刀量、进给量较大，选择低速度； 精车时，背吃刀量、进给量较小，选择高速度。
工件材料强度、硬度高时，选较低速度
刀具材料切削性能越好，速度越高
精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域
继续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，降低速度
在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度