《中医五方演绎》【精】李静

掌握机床成形运动的知识。明确切削用量的三要素及其选用原则。熟悉常用车刀的结构、主要角度及其作用。了解对刀具材料性能的要求和常用刀具材料。了解切屑变形的基本过程。了解切削力、切削热及其对加工的影响。理解刀具磨损的原因及形式，掌握刀具耐用度的知识。了解切削机床的类型和常用机床的运动特性和结构特点。第3章金属切削基础知识3.1零件面的成形运动3.2切削运动和切削用量3.3金属切削刀具3.4金属切削过程3.5刀具磨损、破损和刀具寿命3.6金属切削机床简介本章大纲3.1零件表面的成形运动机械加工的主要任务是获得符合使用要求的零件表面。机械零件的各种表面都可看作是一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线。直接参与切削过程，形成工件表面的刀具与工件之间的相对运动称为表面成形运动。在机床上加工工件时，一定形状的切削刃与工件被加工表面间的相对运动即可形成工件所需要的表面形状，即形成需要的发生线。形成发生线的可概括为以下四种。组成零件的不同几何表面1.轨迹法2.成形法轨迹法利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线。成形法利用成形刀具对工件进行加工的方法。切削刃的形状和长度与需要形成的发生线（母线）完全重合。机械加工的主要任务是获得符合使用要求的零件表面。机械零件的任何表面都可看作是一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线。3.展成法4.相切法相切法利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法称为相切法。为了用相切法得到发生线，需要两个彼此独立的成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。展成法利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法。切削加工时，刀具切削刃与被成形表面相切（可认为是点接触），切削刃相对工件滚动（展成运动或称范成运动），其所需形成的发生线是刀具切削刃在各瞬时位置的包络线。形成发生线的方法3.2切削运动和切削用量加工不同的零件表面，刀具与工件间有不同的切削运动。切削运动包括主运动和进给运动两种类型。3.2.1切削运动加工不同的零件表面时的切削运动常见机床的主运动和进给运动机床名称主运动进给运动机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转运动车刀纵向、横向、斜向直线运动龙头刨床工件往复移动刨刀横向、垂直、斜向间歇移动钻床钻头旋转运动钻头轴向移动外圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动卧铣、立铣铣刀旋转运动工件纵向、横向移动（有时也作垂直方向移动）内圆磨床砂轮高速旋转工件转动，同时工件往复移动，砂轮横向移动牛头刨床刨刀旋转运动工件横向间歇移动或刨刀垂直斜向间歇移动平面磨床砂轮高速旋转工件往复移动，砂轮横向、垂直方向移动3.2.2加工表面和切削层参数（1）已加工表面：已经切削加工完成的表面，也是刀具副后刀面正对的零件表面。（2）加工表面：零件上正在加工生成的表面，也是刀具主后刀面正对的零件表面，也称过渡表面。（3）待加工表面：尚未加工但是即将加工的表面1.切削表面切削层是指切削过程中，由刀具切削部分所切除的工件材料层。车削时切削层尺寸2切削层参数（1）切削厚度：垂直于加工表面度量的切削层尺寸，如上图所示的hD。（2）切削宽度：沿主切削刃度量的切削层尺寸，如上图所示的bD。（3）切削面积：切削层在垂直于切削速度截面内的面积，即上图所示带有网格线的区域。（4）残留面积：切削加工中未被切到的区域，残留面积越大，零件表面越粗糙。上图所示网格区域右上侧的三角形区域即是残留面积。外圆车削的切削运动与加工表面平面刨削的切削运动与加工表面3.2.3切削用量在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）三要素。（1）切削速度vc切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，单位为m/s或m/min。（2）进给量刀具在进给运动方向上相对工件的位移量称为进给量。（3）背吃刀量（切削深度）ap工件已加工表面与待加工表面间的垂直距离。1.切削用量的内容切削用量用来衡量切削过程中切削量的大小。2.切削用量对加工的影响在生产中，忽略切削加工的实际规律盲目提高切削用量，看似能够提高生产效率，实际上却是“欲速则不达”，往往达不到加工要求。（1）切削用量对加工质量的影响。根据生产实践的经验，切削用量对加工质量的影响包括以下几个方面。（2）切削用量对生产效率的影响。通过实验测定，当用硬质合金刀具加工中碳钢工件时，刀具寿命和切削用量三要素之间符合以下关系：式中，T—刀具寿命。CT—常系数。3.切削用量的选择选择切削用量的顺序为：首先选尽可能大的切削深度ap，其次选尽可能大的进给量f，最后选尽可能大的切削速度vc。在切削用量三要素中，切削深度ap对刀具耐用度的影响最小，而切削速度vc对刀具耐用度的影响最大。（1）切削深度的选择。切削深度要尽可能大些，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。例如，在粗加工中，当加工余量过大或工艺系统刚性较差需进行二次切削时，首次取较大的切削深度。（2）进给量的选择。粗加工时，对工件的表面质量要求不太高，进给量主要受机床、刀具和工件所能承受切削力的限制。精加工时，切削深度较小，切削力不大，进给量主要受工件表面粗糙度的限制。（3）切削速度的选择。粗加工时，由于切削力一般较大，切削速度主要受机床功率的限制。精加工时，切削力较小，切削速度主要受刀具耐用度的限制。3.3金属切削刀具1．高硬度2．高耐磨性3．足够的强度和韧性4．高的耐热性（热稳定性）5．良好的热物理性能和耐热冲击性能6．良好的工艺性3.3.1刀具材料应具备的性能3.3.2常用刀具材料常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。3.3.3刀具角度切削刀具虽然种类繁多，形状各异，但其切削部分的几何形状大多为楔形，都可以按照下图所示简化刀具的形状和结构。请读者通过此图领会刀具的特殊性和一般性的关系。各种刀具切削部分的形状3.3.4刀具角度的选择1．前角的选择前角主要影响切削变形和切削力的大小、刀具耐用度和加工表面的质量。（1）前角对加工的影响。（2）根据工件材料选择前角。（3）根据刀具材料选择前角。（4）根据加工性质选择前角。2．后角的选择后角的主要功用是减小后刀面与工件的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。（1）后角对加工的影响。（2）根据切削厚度选择后角。（3）适当考虑被加工材料的力学性能。（4）考虑工艺系统的刚性。（5）考虑加工精度。3．主偏角和副偏角的选择主偏角和副偏角对刀具耐用度影响很大。（1）减小主偏角和副偏角可使刀尖角r增大，刀尖强度提高，散热条件改善，刀具耐用度高。减小主偏角和副偏角可降低加工表面残留面积的高度，故可减小加工表面的粗糙度。（2）主偏角和副偏角还会影响各切削分力的大小和比例。（3）工艺系统刚性较好时，主偏角宜取较小值，如r = 30°～45°，例如选用45°偏刀；当工艺系统刚性较差或强力切削时，一般取r = 60°～75°，例如选用75°偏刀。车削细长轴时，取r = 90°～93°，以减小背向力Fp。（4）副偏角的大小主要根据表面粗糙度的要求选取，一般为5°～15°，粗加工时取大值，精加工时取小值。4．刃倾角的选择刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。（1）刃倾角对加工的影响。（2）刃倾角的选用。3.4金属切削过程金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程，是刀具从工件表面切除多余金属，形成符合要求的形状、尺寸精度和表面质量的加工表面的过程。3.4.1切屑的形成及切屑变形金属切削过程中被刀具切除的工件上多余的金属层称为切屑。切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度，以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。1.切屑类型切屑的4种类型切屑是切削加工过程中的副产品，虽然没有实用价值，但是对分析加工中的问题却有着极其重要的指导意义。根据加工材料和加工条件的不同，常见的切屑种类主要包括以下4种基本类型，2.切削过程中的塑性变形工件上切屑层的金属材料在刀具前刀面的推挤作用下发生了塑性变形，最后沿某一面剪切滑移形成了切屑。切屑形成的过程实质是切削层受到前刀面的挤压后产生的以滑移为主的塑性变形过程。金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区，第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（前刀面与切屑底层的摩擦区）、第三变形区（加工硬化）。3.切屑变形由于切削时金属的塑性变形，使切下的切屑厚度hch通常要大于切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削长度lD。切屑变形系数对切削力、切削温度以及工件的表面粗糙度都有着重要影响。在其他条件不变的情况下，切屑变形系数越大，切削力越大，切削温度越高，零件表面越粗糙。4.影响切屑变形的因素对切屑变形有显著影响的因素有：（1）工件材料：工件材料强度和硬度越大，变形系数越小，切屑变形越小。（2）刀具几何参数：刀具几何参数中影响最大的是前角。刀具前角γ0越大，切屑变形系数越小。（3）切削用量：提高切削速度，切削温度升高，摩擦系数减小，切屑变形系数减小。增大进给量，摩擦系数减小，切屑变形系数也会越小。背吃刀量对变形系数基本无影响。3.4.2积屑瘤在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢材或其他塑性材料时，常在前刀面切削处粘有剖面呈三角状的硬块。其硬度通常是工件材料硬度的2～3倍，能够代替切削刃进行切削。这部分冷焊在前刀面的金属称为积屑瘤。3.4.3切削力和切屑功率1.切削力的来源切削力F的来源包括两个部分：（1）切屑形成过程中弹性变形及塑性变形产生的抗力Fnγ和Fnα。（2）刀具与切屑及工件表面之间的摩擦阻力Ffγ和Ffα。切削力的组成2.切削力的分解目前生产实际中采用的切削力计算公式都是通过大量的试验和数据处理而得到的经验公式。这些经验公式主要有两种形式：指数切削力形式和切削层单位面积切削力形式。3.切削力的估算以外圆车削为例，总切削力F可以分解为以下3个相互垂直的分力。（1）Fc：切削力，是总切削力在主运动方向上的分力，约占总切削力的80%～90%。（2）Fp：背向力，是总切削力在垂直于工作平面方向上的分力。（3）Ff：进给力，总切削力在进给运动方向上的分力，是和校验进给机构所必需的数据。用切削层单位面积切削力可以计算切削力工作功率。工作功率Pe可分为两部分：一是主运动消耗的功率Pc（W），即切削功率；二是进给运动消耗的功率Pf（W），即进给功率。计算公式如下：式中：Fc、Ff —— 切削力和进给力（N）；Vc —— 切削速度（m/s）；nw —— 工件转速（r/s）；f —— 进给量（mm/r）。4.切削功率的计算在切削加工中，切削力越大，机床和刀具的负担越大，发热和变形也会越严重，同时还会影响到加工系统的刚度。影响切削力大小的因素主要包括以下方面。（1）工件材料的影响（2）刀具几何参数的影响（3）切削用量的影响（4）刀具材料的影响（5）切削液的影响5.影响切削力的因素3.4.4切削热1.切削热的来源所有切削过程中都伴随有大量的热量产生，这些热量就是切削热。在切削过程中，绝大部分切削功率最后都转变为切削热。切削热主要通过切屑﹑工件﹑刀具和周围介质（如空气）向外传出。各个部分传出的比例取决于工件材料、切削速度、刀具材料以及刀具几何形状等因素。切削热的来源主要包括以下3个方面，如图3-40所示。①切屑变形所产生的热量，这是切削热的主要来源。②切屑与前刀面之间摩擦所产生的热量。③工件和后刀面之间摩擦所产生的热量。2.切削热的传出（1）对刀具的影响刀具负担切削部分的体积很小，因此即使是较小的热量传入刀具都可以导致温度升高很高，这对于耐热性不好的刀具材料来说，不但降低其使用性能，还会加速刀具的磨损。（2）对工件的影响切削热传入工件后，将导致工件体积膨胀及不均匀变形，使零件产生加工误差。凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升，而有利于切削热传出的因素都会降低切削温度。3.切削热对加工的影响3.4.5切削液及其应用1.切削液的用途切削加工时，合理使用切削液可以减小切屑与刀具之间的摩擦，降低切削力和切削温度，减少刀具磨损，提高加工表面质量和生产效率在切削加工中，切削液的主要用途有如下几方面。（1）冷却性能（2）润滑性能（3）清洗性能（4）防锈性能2.切削液的分类（1）水溶液这种切削液以水作为主要成分，并加入一定量的添加剂，使其具有良好的防锈和润滑能力，冷却和清洗性能好，透明，便于操作者观察加工过程。（2）切削油这种切削液以矿物油（机械油、轻柴油和煤油）和动、植物油作为主要成分，还可以使用各种混合油，在加工时能形成润滑油膜，润滑性能良好。（3）乳化液这种切削液是在乳化油（矿物油+乳化剂）中加入95%～98%水稀释而成，呈乳白色或半透明状，冷却性能良好。3.切削液的合理选用选择切削液时，主要遵循以下原则。（1）粗加工时，主要减小切削力和功率消耗，选用冷却作用较好的切削液，常采用3%～5%的乳化液。（2）精加工时，主要改善加工表面质量，降低刀具磨损，减小积屑瘤，降低表面粗糙度，可以采用15%～20%的乳化液或润滑性能较强的极压切削油。（3）高速钢刀具红硬性差，需要使用切削液，硬质合金高温性能好，不需使用切削液。（4）切削液必须连续使用，否则会因为骤冷骤热产生的内应力在刀具内部产生微小裂纹，导致刀具寿命下降。3.4.6材料切削性能的改善1.影响材料切削性能的因素衡量材料切削性能的指标很多，例如产品质量的高低、刀具耐用度的大小、切削力的大小以及断屑性能等。影响材料切削性能的主要因素有以下几方面。（1）材料的硬度（2）材料的强度（3）材料的塑性和韧性（4）材料的导热性（5）材料的化学成分（6）金相组织2.改善材料切削性能的方法（1）调整材料的化学成分在不影响材料使用性能的前提下，在钢中适当加入一种或几种合金元素（例如S、Pb、Ca和P），可以减小切削力，改善断屑性能，提高刀具耐用度。（2）对材料进行热处理同种材料的金相组织不同，其切削性能不同。在生产实际中，常通过预先热处理的方法来改善材料的切削性能。3.5刀具磨损和刀具寿命3.5.1刀具的磨损形式刀具的磨损发生在与切屑和工件接触的前刀面和后刀面上。多数情况下二者同时发生，并且二者相互影响。3.5.2刀具的磨损原因刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。前者是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的磨损，后者则是由黏结、扩散、腐蚀等引起的磨损。1.磨料磨损虽然工件材料的硬度远小于刀具材料的硬度，但工件材料上的碳化物、氮化物、氧化物等所产生的硬质点以及积屑瘤的碎片等都具有很高的硬度，切削过程中这些硬质点将在刀具表面划出沟纹而导致刀具磨损。在切削过程中，由于刀具与工件材料的摩擦面上温度和压力都很高，同时切出的表层为洁净的新鲜金属层，极易发生黏结，刀具表面局部强度较低的微粒被切屑或工件黏结带走而造成刀具磨损，这种磨损称为黏结磨损。3.扩散磨损扩散磨损是硬质合金刀具主要磨损原因之一。自800℃开始，硬质合金中的Co、C、W等元素会扩散到切屑中而被带走。同时切屑中的Fe也会扩散到硬质合金中，使WC等硬质相发生分解，形成低硬度、高脆性的复合碳化物。由于Co的扩散，会使刀具表面上WC、TiC等硬质相的黏结强度降低，致使刀具的磨损过程加快，这种固态下元素相互扩散迁移而造成的磨损称为扩散磨损。2.黏结磨损3.5.3刀具的磨损过程刀具的磨损过程主要分为3个阶段：1.初期磨损阶段2.正常磨损阶段3.急剧磨损阶段3.5.4影响刀具磨损的因素1．切削用量增大切削用量时，切削温度升高，这将加速刀具磨损。在切削用量中，又以切削速度对刀具磨损的影响最大。2．刀具材料耐热性较好的刀具材料不易磨损。3．刀具角度适当增大刀具前角，可以减小切削力，从而减小刀具磨损量。4．加工条件正确使用切削液可以改善切削条件，降低刀具的磨损量。3.5.5刀具寿命和刀具耐用度1．刀具寿命在相同切削条件下，使用寿命越长，表明刀具材料的耐磨性越好。刀具使用寿命越长，工件材料的切削加工性能越好。2．刀具耐用度刃磨后的刀具自开始切削直至磨损量达到磨钝所经历的实际切削时间称为刀具耐用度，用T表示。因为影响刀具磨损的主要因素是切削温度，而切削速度对切削温度的影响最大，因此，切削速度对刀具耐用度的影响最大。3.6金属切削机床简介金属切削机床是用刀具对机械零件进行切削加工的机器，是加工机械产品零件的主要设备。常用的金属切削机床有车床、镗床、钻床、铣床、磨床及专门化机床和组合机床等。车床：用于加工回转体零件。钻床：用于粗加工孔。镗床：用于加工尺寸较大的孔和非标准孔。磨床：用于对零件表面精加工。铣床：用于平面和成形面加工。刨插床：用于平面和沟槽加工。齿轮加工机床：专门用于齿轮加工。螺纹加工机床：专门用于螺纹加工。拉床：用于高效率加工平面和孔等。特种加工机床：实现各种特种加工方法。锯床：用于下料和切断。其他机床。3.6.1机床的分类卧式车床的外形和结构1—主轴箱2—夹盘3—刀架4—后顶尖5—尾座6—床身7—光杠8—丝杠9—溜板箱10—底座11—进给箱立式加工中心的外形和结构1—床身2—滑座3—工作台4—立柱5—数控柜6—机械手7—刀座8—主轴箱9—驱动电柜10—操纵面板机床型号包含机床的类别代号、机床的特性代号、机床的组别和型别代号、主要性能参数代号以及机床重大改进序号等。3.6.2机床的型号各类机床通常都由下列基本部分组成。1．动力源2．传动系统3．支撑件4．工作部件5．控制系统6．其他系统①冷却系统。②润滑系统。③排屑装置。④自动测量装置等。3.6.3机床的结构1．尺寸参数具体反映机床的加工范围，包括主参数、第二主参数和与加工零件有关的其他尺寸参数。2．运动参数运动参数是指机床执行件的运动速度，例如主轴的最高转速与最低转速，刀架的最大与最小进给量。3．机床精度①机床几何精度②机床运动精度4．机床刚度①机床静刚度②机床动刚度3.6.4机床的技术指标获得成型毛坯后，接下来需要使用机床和刀具组成的金属切削加工系统切去毛坯上多余材料，最后获得尺寸精度、形状和位置精度，以及表面质量都较好的零件。因此，工件和刀具是切削加工的两个主体。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）三要素。选择切削用量的顺序为：首先选尽可能大的切削深度ap，其次选尽可能大的进给量f，最后选尽可能大的切削速度v。切削刀具应该具有一定的强度、耐热性和工艺性，为了确保加工的顺利进行，刀具都具有一定的角度，刀具角度越大，刀具越锋利，切削能力越强，但是刀具的实体尺寸越小，刀具强度越低，越容易磨损。切屑形成时都要发生压缩变形，同时还可能在刀具表面产生积屑瘤，这些都是切削过程中的重要特征。此外，在切削过程中，通常还伴有切削力和切削热。磨损后的刀具必须尽快更换，否则不但导致加工质量下降，还可能加速刀具的磨损，使之报废。小结