金属切削加工基本知识 第一节 金属切削加工的运动要素 第二节 刀具材料和角度 第三节 金属的切削过程 第四节 技术经济分析

概述 金属切削加工是用刀具从金属材料（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得几何形状、尺寸精度和表面质量都符合要求的机器零件的加工方法。 分为钳工和机械加工两部分。 机械加工是通过工人操作机床对工件进行切削加工，常见的加工方法有：车、钻、刨、铣、磨以及齿形加工等。

第一节 金属切削加工的运动要素 一、切削运动 二、运动要素 第一节 金属切削加工的运动要素 一、切削运动 二、运动要素

一、切削运动 切削运动包括主运动和进给运动两类。 1、主运动 在切削运动中，运动速度最高、消耗动力最大、为切除切屑的最基本的运动。 例如：车削时工件的旋转运动； 刨削时刀具（牛头刨）或工件（龙门刨）的直线往复运动； 钻削、铣削和磨削时，钻头、铣刀和砂轮的旋转运动。

在切削过程中，为了使新的金属层连续投入切削，从而切出工件全部加工表面所需要的运动。 2、进给运动 在切削过程中，为了使新的金属层连续投入切削，从而切出工件全部加工表面所需要的运动。 例如：车削时车刀沿纵向、横向的直线走刀运动； 钻削时钻头的轴向移动； 铣削时工件随工作台的直线运动。

1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动； 2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,也可以是刀具来实现（刨、铣加工）; 注释: 1、主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动； 2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,也可以是刀具来实现（刨、铣加工）; 3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。

二、运动要素 1、切削运动中的三个表面 （1）待加工表面：指加工时工件上有待切除的表面； （2）已加工表面：指工件上经刀具切削后产生的表面； （3）加工表面：指工件上由刀具切削刃形成的表面。

2、切削用量三要素 切削速度 进给量 背吃刀量 在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。 在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。 进给量 背吃刀量 待加工表面和已加工表面的垂直距离。

v=2Ln/1000×60（m/s） （1）切削速度 在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。 例如：主运动为旋转运动时 v=πdwn/1000(m/s) 式中：dw—工件待加工表面的直径或刀具最大直径（mm） n—工件或刀具的转速（r/s） 主运动为往复直线运动时 v=2Ln/1000×60（m/s） 式中：L—往复运动行程长度（mm） n—主运动每分钟往复次数

（2）进给量f 在主运动的一个循环（或单位时间）内，工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。 如在车削、镗削、钻削时，进给量表示工件或刀具每转一转，刀具或工件移动的距离，单位是mm/r。 在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工件）每往复一次，工件（刀具）移动的距离。

（3）背吃刀量（切削深度）ap 待加工表面和已加工表面的垂直距离。 在车削外圆时： ap=（dw-dm）/2 （mm）

3、切削层参数 切削层包括切削厚度、切削宽度和切削面积。 （1）切削厚度ac 垂直于加工表面度量的切削层尺寸。 （2）切削宽度aw 沿着加工表面度量的切削层的尺寸。 （3）切削面积Ac 切削层截面面积。 Ac= acaw=fap

第二节 刀具材料和角度 一、刀具 二、刀具材料 三、刀具角度

一、刀具 1、刀具结构 车刀的组成和形式 （a）焊接式 （b）整体式 （c）机夹式

铣刀 （a）三面刃铣刀 （b）圆柱铣刀 （c）端铣刀

刨刀的结构 钻头和镗刀的对比

二、刀具材料 1、刀具材料的性能 （1）较高的硬度：为工件硬度的1.3-1.5倍，一般要求HRC60以上。 （2）足够的强度和韧性。 （3）良好的耐磨性 （4）较高的耐热性 （5）良好的导热性

2、常用刀具材料 碳素工具钢：T8A、T10、T12A。如丝锥、锉刀、锯条等。 合金工具钢：9SiCr、CrWMn。如拉刀、铰刀、钻头等。 高速钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。如钻头、铣刀、齿轮刀具等。 硬质合金：粗加工YG6、YG8、YT5；精加工YT15、YT30。能耐1000℃高温，耐磨性好。 陶瓷：Al2O3、Al2O3-TiC、Si3N4；车刀（高速）。特点：热硬性好，耐磨，抗弯性差，易碎。 立方氮化硼：如车刀、铣刀（中高速）。特点：热硬性强，可耐1500℃高温，与铁亲和力小。 人造金刚石：如车刀、铣刀等。特点：热硬性好。

三、刀具角度 1、车刀的切削部分 车刀的切削部分由三个刀面、两个刀刃和一个刀尖组成。 三面：前刀面、主后刀面、副后刀面。 两刃：主刀刃、副刀刃。 一尖：刀尖。

2、车刀切削部分的主要角度 （1）辅助平面 为确定刀具的几何角度而引入的辅助平面包括切削平面、基面和正交平面。 切削平面：通过主刀刃上某一点，并与该点加工表面相切的平面。 基面：通过主刀刃上某一点，并与该点切削速度方向垂直的平面。 正交平面：通过主刀刃上某一点，并与主刀刃在基面上的投影垂直的平面。

（2）车刀的主要角度 车刀的主要角度包括前角、后角、主偏角、负偏角和刃倾角。

1）在正交平面内测量角度 （a）前角γ0：正交平面中，前刀面与基面之间的夹角。 前角的大小对切屑变形、切削力以及切削刃强度都有很大影响。通常为-5至+25°之间。 （b）后角α0：主后刀面与切削平面之间的夹角。 主要作用是减少主后刀面与工件间的摩擦。通常为6-12°。

2）在基面内测量角度 （a）主偏角κr：主刀刃在基面上投影与进给方向的夹角。 它能改变径向切削力和轴向切削力的比例。常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。 （b）副偏角κr´：副刀刃在基面上投影与进给反方向的夹角。 主要作用是减少副刀刃和已加工表面之间的摩擦。 一般为5°~15°左右。

3）在切削平面内测量的角度 刃倾角λs：主刀刃与基面间的夹角。 主要作用是影响排屑的方向和刀具强度。

刀具角度的选择： （1）粗加工时，为了减轻刀具的负荷，采用较大的前角，可适当的减小后角。这时切削刃不会明显削弱。 （2）精加工时，为了减小主后刀面与加工面间的摩擦，可采用较大的后角，并适当减小前角。 （3）在切削较硬材料或有冲击情况时，可采用较小的主偏角和负的刃倾角，而不必明显地减小前角。 （4）当加工精度要求高的细长轴时，为了减小振动，须选用较大的主偏角；为避免划伤已加工表面，须选用正的刃倾角，并相应减小前角。

第三节 金属的切削过程 一、切屑的形成过程及切屑的种类 二、积屑瘤 三、切削力和切削功率 四、切削热和切削温度 五、刀具磨损

金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相关。

一、切屑的形成过程及切屑种类 1. 切屑形成过程 随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移 切 屑 切削层 的金属 1. 切屑形成过程 切 屑 切削层 的金属 弹性变形 塑性变形 挤裂 切离 刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂 沿刀具前刀面流出 切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形

切屑分为带状切屑、节状切屑和崩碎切屑三类。 2、切屑的种类 切屑分为带状切屑、节状切屑和崩碎切屑三类。 （1）带状切屑 带状切屑呈连绵不断的带状或螺旋状,与刀具接触的底层光滑，背面呈毛绒状。 （a）形成条件：大前角、切速高、进给量小、被切金属塑性好。 （c）切屑形成过程：弹性变形、塑性变形、切离。 （c）优点：切削力平稳、切削热少、加工表面光洁。 （d）缺点：切屑连绵不断，易缠绕、易划伤已加工表面。

（2）节状切屑 节状切屑上面呈较大的锯齿状，底面有不贯穿的裂纹 形成条件：切速低、进给量大、中等硬度材料。 缺点：切削力波动大、工件表面较粗糙。

（3）崩碎切屑 切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂而形成形状不规则的崩碎切屑 形成条件：铸铁、铸造黄铜等脆性材料。 缺点：切削热和切削力集中在刀具的主刀刃和刀尖处，刀尖易磨损、易产生振动，表面质量不高。

二、积屑瘤 1、积屑瘤的形成 在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具的前刀面上靠近刀尖的部位粘附着一小块很硬的金属，称为积屑瘤。 一般认为，积屑瘤是由于切屑与前刀面在切削过程中剧烈的摩擦而形成的。

2、积屑瘤对加工过程的影响 有利方面 可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损 积屑瘤硬度很高 保护刀具 积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大 可减小切削变形和切削力，使切削轻快 增加工作前角

不利方面 时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动 影响工件尺寸精度 积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化 积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损 影响工件表面粗造度 会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大

3. 积屑瘤的控制 工件材料 切削用量 影响积屑瘤的因素 刀具角度 切削液等 要避免在中温、中速加工塑性材料 3. 积屑瘤的控制 工件材料 切削用量 影响积屑瘤的因素 刀具角度 切削液等 要避免在中温、中速加工塑性材料 增大前角可减小切削变形，降低切削温度，减小积屑瘤的高度 控制措施 采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤

三、切削力和切削功率 1、切削力 切削力是指切削时刀具切入工件，切削层产生变形成为切屑所需的力， （2）切削力的产生 （a）被切金属层因弹性变形和塑性变形所产生的变形抗力。 （b）刀具与切屑、工件之间的摩擦。

（2）总切削力的分解 切削力是一个空间力，为了便于研究将其分解为三个相互垂直的分力,即主切削力、进给力和背向力。。

主切削力: 进给力： 背向力: 切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总的切削合力的８５％～９０％ 切削合力在进给方向上的分力;它在基面内，与进给方向平行，但方向相反 进给力： 切削合力在切削深度方向上的分力;它在基面内，与切深方向相反 背向力:

工件材料 刀具角度 2、影响切削力的主要因素 切削用量 积屑瘤

（1）工件材料的影响 （a）强度和硬度高，则切削力大。 （b）塑性和韧性高，则切削力大。 塑性大的材料，切屑与前刀面的摩擦系数大，接触区较长，故切削力较大； 韧性高的材料，致使其发生变形或破坏所消耗的能量较多，故切削力也较大。 如不锈钢0Gr18Ni9Ti与正火的中碳钢的强度硬度基本相同，但不锈钢的塑性韧性较高，其切削力要比正火的中碳钢约高25%。

（2）刀具角度的影响 （3）切削用量的影响 （a）前角：增大，切削力减小。 （b）主偏角：增加，切削力降低。 （a）切削深度ap的影响最大。 （b）进给量f的影响次之。 （c）切削速度的影响

（4）积屑瘤 使切削力发生变化，总的趋势是随着切削速度的增加切削力有所减小。 此外，刀具磨损、刀具材料及冷却润滑条件也对切削力有影响。

四、切削热和切削温度 1、切削热 来源 （1）被加工件材料的弹性变形和塑性变形； （2）切屑与前刀面的摩擦； （3）后刀面与已加工表面之间的摩擦。 传散 （1）切屑，50-86%； （2）工件，40-10%； （3）车刀，9-3%； （4）空气，1%。

切削温度 一般指切屑、工件与刀具接触表面上的平均温度。 2、切削温度及影响因素 切削温度 一般指切屑、工件与刀具接触表面上的平均温度。 决定因素：工件材料、切削用量和刀具角度。

（1）工件材料的影响 （a）工件材料的强度、硬度越高，切削中消耗的功越大，所产生的切削热越多，切削温度就越高。 （b）工件材料的导热性好，温度低。脆性材料，温度低。

（2）切削用量的影响 （a）切削速度增加，温度升高。当速度升高一倍时，温度升高20-30%； （b）进给量 f 增加，温度升高。当 f 增加一倍时，温度升高10%； （c）背吃刀量（切削深度）ap增加，温度升高不多。如ap增加一倍时，温度只升高3%。

（3）刀具角度的影响 （a）前角增大，温度降低； （b）主偏角，在进给量一定时，主偏角增大，温度上升。

3、切削液 （1）切削液的作用：降温和润滑。 （2）切削液的种类：切削油、乳化液、水溶液等。 （a）切削油：矿物油、动植物油和复合油。 特点：润滑性好，流动性差，冷却作用小。 应用：低速精加工。如精车丝杠、螺纹等。

（b）乳化液 （b）水溶液 乳化液是由乳化油加水稀释而成的。 特点：流动性好、冷却能力强。应用最为广泛。 应用：低浓度的用于粗车和磨削；高浓度的用于精车、铰孔和铣削等。 （b）水溶液 主要成分是水，水的热导率和比热容都比油大得多，流动性又好，可以吸收大量的热。 其中加入了一定量的防锈剂，用于粗磨；加入一定的油类，可用于精磨。

五、刀具磨损 1、刀具的磨损形式 由于切削条件不同，刀具磨损产生在刀具的不同部位，一般有三种形式：后刀面磨损、前刀面磨损和前后刀面同时磨损。 五、刀具磨损 1、刀具的磨损形式 由于切削条件不同，刀具磨损产生在刀具的不同部位，一般有三种形式：后刀面磨损、前刀面磨损和前后刀面同时磨损。

2、刀具磨损过程 （1）初磨阶段 （2）正常磨损阶段 （3）急剧磨损阶段

刀具磨损的原因 （1）机械磨损 （2）相变磨损 由于温度升高发生组织相变，刀具变软而造成的磨损。 （2）相变磨损 由于温度升高发生组织相变，刀具变软而造成的磨损。 （3）扩散磨损 由于温度升高，工件与刀具中某些元素相互扩散，刀具变软而造成的磨损。

第四节 技术经济分析 一、工件材料的切削加工性 二、生产率 三、提高生产率的途径 作业

一、工件材料的切削加工性 材料被切削加工的难易程度通常称为材料的切削加工性。 材料的切削加工性是一个综合指标，包括：刀具耐用度高、允许的切削速度高、切削力小、加工质量易于保证；断屑问题易于解决。

1、衡量材料切削加工性的标准vt vt的含义：当刀具寿命为 t 分钟时，切削某种材料所允许的切削速度。 vt越高，表示材料的加工性越好。 通常取 t =60分钟，所以vt可写作v60。对于一些难加工的材料也可取 t =30min或15min，则所以vt可写作v30或v15。

2、常用金属材料的切削加工性 结构钢的切削加工性 （1）低碳钢：软而韧，易粘结在刀具的前刀面上，使切削不利。故切削性较差。通常通过适当的热处理可改善切削加工性。 （2）中碳钢：综合性能好，切削加工性较好。 （3）高碳钢：硬而脆，刀具易磨损，耐用度下降，故切削性甚差。 （4）合金结构钢：强度硬度高，切屑与刀具前刀面的接触长度极短，切削温度高，刀尖处的应力集中极大，易使刀具崩刃。

铝镁合金的比重小，比强度高，具有良好的导热性和抗蚀性，且硬度较低，具有良好的切削加工性。 铝、镁合金切削加工性 铝镁合金的比重小，比强度高，具有良好的导热性和抗蚀性，且硬度较低，具有良好的切削加工性。 按所需功率比较，假定镁合金的功率为1.0，则铝合金为1.8，黄铜为2.3，铸铁为3.5，中碳钢为6.3，不锈钢为10。

不锈钢、钛合金和高温合金 共同特点：切削力大，切削温度高。因此，切削加工性较差。 具体原因： （1）加工硬化严重 奥氏体不锈钢滑移面数目多，晶粒变形，产生较大程度的加工硬化； 钛合金除塑性变形外，在高温下易吸入氧、氢、氮气，使合金脆化，加速了刀具的磨损，恶化了切削加工性。 （2）容易粘刀 奥氏体不锈钢和高温合金等材料的高温强度高、韧性大。 当强韧的切屑流经刀具前刀面时，将产生粘接、熔焊等粘刀现象。 钛合金在高温下化学亲和力强，加之大的切削压力，促进了刀具的粘接磨损。

二、生产率 在切削加工中，单位时间内所生产的零件数目，称为生产率。 Q=1/td 式中：Q——切削加工生产率 td=tj+tf+tQ 式中：tj——基本工艺时间，即加工一个零件所需要的总时间。 tf——辅助时间，为了维持切削加工所消耗到各种辅助操作上的时间。 tQ——其他时间，日清扫切屑等。

三、提高生产率的途径 可减小或避免积屑瘤，有利于提高加工质量 当切削速度增大时，切削力减小， 进给量增大使工件残留面积的高度显著增大 1、切削用量对加工质量的影响 表面更粗糙 切削深度增大，时切削力和工件变形增大 可能引起振动，使零件的加工精度和表面质量下降

2、切削用量对刀具耐用度的影响 3、选择切削用量的原则 粗加工 精加工 在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，切削深度影响最小 3、选择切削用量的原则 较大的切削深度和进给量，取尽可能大的的切削切削速度 粗加工 一般取较大的切削速度，较小的切削深度和进给量以保证加工质量 精加工

4、 切削用量的选定 粗加工时尽可能一次去除加工余量；精加工时应一次切除精加工工序余量 切削深度的选择 精加工时，一般切削深 4、 切削用量的选定 粗加工时尽可能一次去除加工余量；精加工时应一次切除精加工工序余量 切削深度的选择 精加工时，一般切削深 度不大，切削力较小 粗加工时的进给量应根据机床系统的强度和刀具强度选择 进给量的选择 粗加工时切削速度受机床功率限制；而精加工时，主要受刀具耐用度的限制 切削速度的选择

作业 P237 第1、2、4、5、7、10、11题。