第1章金属切削的基本知识 实习目的与要求 （1） 了解机械制造的概念及其阶段划分。 （2） 掌握切削加工的原理及其基本知识。 （3） 掌握工程材料的种类及其应用。 1.1机 械 制 造 机械制造是指将原材料和辅助材料通过机械制造系统，经存储、运输、加工和检验等环节，将其加工成机械零件，并装配成机器的整个过程。概括地讲，机械制造就是将原材料转变为成品的各种劳动总和，包括以下阶段： （1） 技术准备。某种零件或产品投产前，必须作各项生产技术准备工作，首先要制定工艺规程，这是指导各项技术操作的重要文件。此外，原材料供应，机床、刀具、夹具、辅具、量具的配备，热处理设备及其检测仪器的准备，都要在技术准备阶段安排就绪。 （2） 毛坯制造。根据零件批量、尺寸、形状、性能要求等因素，采用铸造、锻压、焊接等方法制造零件毛坯。合理选择毛坯可以提高生产率，降低成本。 （3） 机械加工。金属切削加工（即机械加工）是目前各种零件的主要加工方法。通用的加工设备有车床、铣床、钻床、刨床、镗床和磨床等，此外还有专用机床、特种加工机床和数控机床等。采用哪种加工方法和选用哪种加工设备，要根据零件批量、精度、表面粗糙度和其他技术要求等诸多因素综合考虑，以达到既保证零件质量要求，又保证生产效率高、成本低的目的。 （4） 产品检验和装配。每个零件按其在机器中的作用不同，都有一定的精度、表面粗糙度和相关的技术要求，而零件在加工过程中，不可避免地会产生加工误差。因此，必须设定检验工序，以对加工过程产生的尺寸、几何形状误差等进行检验。此外，对于承受重载或高温、高压条件下工作的零件还应进行其他性能检验，如缺陷检验、力学性能或金相组织检验等。只有当质量检验全面合格后零件才能使用。 装配过程中必须严格遵守技术条件的规定，如零件的清洗、装配顺序、装配方法、工具使用、结合面修磨、润滑剂施加及运转跑合、油漆色泽和包装等，只有这样才能生产出符合要求的合格产品。 1.2切 削 加 工 切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具或磨具上的切削刃切除工件上的多余层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。理解零件加工质量的概念，掌握切削运动和金属切削原理的基本知识，认识金属切削过程的基本规律是学习金属切削加工的基本内容。 1.2.1加工质量 1. 加工精度 零件加工后实际几何参数（尺寸、形状和位置）与设计理想值的符合程度称为机械加工精度，简称加工精度。实际值与理想值相符合的程度越高，即偏差（加工误差）越小，加工精度越高。 加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。 (1) 尺寸精度是指加工表面本身的尺寸和零件尺寸公差带中心的符合程度。尺寸精度的高低，用尺寸公差来表示。 (2) 形状精度是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度,如直线度、圆度、圆柱度、平面度等。 (3) 位置精度是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想位置接近的程度，如平行度、垂直度、同轴度、对称度等。 零件上述三方面精度是相互关联的，对于普通的机械加工，零件的形状和位置精度应高于尺寸精度。机械加工精度越高，加工的成本也越高，所以在设计零件时，应在满足零件使用要求的前提下，选用合适的经济精度。 2. 表面质量 机械零件的表面质量主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。 1) 表面粗糙度 在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦等原因，会使加工表面产生峰谷交替的波纹。这些表面微观几何形状的误差称为表面粗糙度。表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它直接影响机器的使用性能和寿命。国家标准规定了表面粗糙度的评定参数及其数值。常用的评定表面粗糙度的参数采用轮廓算术平均偏差Ra值，常见加工方法一般能达到的表面粗糙度值见表1-1。 2） 表面层材质的变化 零件加工后表面层的力学、物理及化学等性能会与基体材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、表面层金相组织变化等，这些将直接影响零件的使用性能。 表1-1各种加工方法所能达到的公差等级和表面粗糙度 表面微观特征Ra/μm公差等级加工方法 不加工清除毛刺IT16～IT14 粗加工 明显可见刀痕 ≤ 80 IT13～IT10 可见刀痕 ≤ 40 IT10 微见刀痕 ≤ 20 IT10～IT8 粗车、粗刨、粗铣、钻、毛锉、锯断 半精加工 可见加工痕迹 ≤ 10IT10～IT8 微可见加工痕迹 ≤ 5 IT8～IT7 不见加工痕迹 ≤ 2.5 IT8～IT7半精车、精车、精刨、精铣、粗磨 精加工 可辨加工痕迹方向 ≤ 1.25 IT8～IT6 微辨加工痕迹方向 ≤ 0.63 IT7～IT6 不辨加工痕迹方向 ≤ 0.32 IT7～IT6 精车、精刨、精磨、铰 超精加工 暗光泽面 ≤0.16 IT6～IT5 亮光泽面 ≤0.08 IT6～IT5 镜状光泽面 ≤0.04 雾状光泽面 ≤0.02 镜面 ≤0.01 精磨、研磨、镜面磨、超精加工 零件表面质量越高，零件的使用性能越好，寿命也越长，但零件的制造成本也会相应增加，所以在确定零件加工精度和表面粗糙度时，在满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。 1.2.2切削运动 切削加工时，为了获得各种形状的零件，刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，即切削运动。切削运动按其所起的作用可分为主运动和进给运动。 (1) 主运动即刀具从工件上切下切屑所需要的基本运动。它是由机床提供的主要运动，可以是旋转运动（车削时，主运动是工件的回转运动），也可以是直线运动（牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动）。它是速度最高、消耗功率最大的运动。 (2) 进给运动多数由机床提供。它是刀具和工件之间产生的相对运动，与主运动配合，可不断地或连续地切除工件，并得到所需几何特性的加工表面。它的速度比较低，消耗的功率比较少。车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动； 车削端面时，进给运动是刀具的横向运动； 牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。 (3) 主运动和进给运动的合成。主运动和进给运动可以同时进行，也可以分开进行； 主运动vc通常只有一个，而进给运动vf的数目可以有一个或几个。 当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量vｅ来表示，如图1-1所示。 1.2.3工件表面 切削过程中，工件上多余的材料不断地被刀具切除而转变为切屑，因此，被加工零件同时存在着3个变化着的表面，如图1-2所示。 图1-1合成速度 图1-2工件车削时形成的表面 （1） 已加工表面： 工件上经刀具切削后产生的表面。 （2） 待加工表面： 工件上有待切除的表面。 （3） 过渡表面： 工件上切削刃正在切削的那部分表面，它是待加工表面与已加工表面的连接表面。该表面的位置始终在待加工表面和已加工表面之间。 1.2.4切削用量 切削用量是调整机床用的参数。切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap构成切削用量三要素。 1. 切削速度vc 切削速度是指切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，即在单位时间内工件和刀具沿主运动方向上相对移动的距离，用vc表示，单位为m/s或m/min。 若主运动为旋转运动，则 vc=πdn/(1000×60）（m/s）或vc=πdn/1000（m/min） 式中： d——切削刃选定点处工件或刀具的直径，mm； n——主运动工件或刀具的转速，r/min。 若主运动为直线运动，常取其平均速度： vc=2Lnr/(1000×60)（m/s）或vc=2Lnr/1000（m/min） 式中： L——直线运动行程长度，mm； nr——工件或刀具每分钟往复的次数，str/min。 2. 进给量f 进给量是指刀具在进给运动方向上相对于工件的移动量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述和度量，用f表示，车、钻、镗和铣削时单位为mm/r，刨、拉削时单位为mm/str。习惯上把进给运动称为走刀运动，把进给量称为走刀量。 3. 背吃刀量ap 背吃刀量又称切削深度，指在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度，用ap表示，单位为mm。 车削外圆时： ap=(dw-dm)/2 式中： dw——待加工表面的直径，mm； dm——已加工表面的直径，mm。 切削用量大小对切削过程的基本规律和生产率有很大的影响，加工时需按具体加工设备、工件材料与状态、加工精度和表面质量要求、所用刀具材料及加工系统各环节等不同情况进行合理选择，具体如表1-2所示。 表1-2粗车/精车选择车削用量的一般原则 切削 要求选择 顺序 切削用量 vcapf 说明 粗车 首选 √ 次选 √ 后选√ 粗车加工余量大，应首选大的ap和f，不宜选大的vc，以提高切除率和车刀耐用度。反之，若选大的vc，必然减少ap，增加进给次数，同时刀具耐用度降低，增加了磨刀次数，相应降低了生产效率 精车 首选√ 次选√ 后选√ 精车加工余量较小，被切削层较薄，切削力小，为提高生产率，应首选大的vc，次选f，再选ap 1.2.5刀具几何角度 任何切削刀具，其参与切削的部分必须具有合理的几何结构才能进行有效的切削加工。这里以车刀为例作一简单的介绍， 图1-3车刀的组成 1—刀柄； 2—主切削刃； 3—主后刀面； 4—刀体； 5—刀尖； 6—副后刀面； 7—副切削刃； 8—前刀面 因为车刀在刀具中最具有代表性，其他很多刀具都可以看成是车刀的演变和派生形式。 车刀由切削部分（刀体）和夹持部分（刀柄）组成，如图1-3所示，这里着重研究的是前者。 1. 车刀切削部分的构成要素 车刀切削部分的几何要素虽然很多，但主要可以归纳为“一点、二线、三面、四角”。所谓“一点”是指刀尖； “二线”指主、副切削刃； “三面”指前刀面、主后刀面和副后刀面； “四角”指前角、后角、主偏角和刃倾角。 1） 几何表面 前刀面： 刀具上切屑流过的地方。 主后刀面： 刀具上与前刀面相交形成主切削刃的表面，该面与工件上的过渡表面相对。 副后刀面： 刀具上与前刀面相交形成副切削刃的表面，该面与工件上的已加工表面相对。 2） 切削刃 切削刃即刀具上拟作切削用的刃。 主切削刃： 前刀面与主后刀面相交形成的切削刃，它担负着主要的切削工作。 副切削刃： 前刀面与副后刀面相交形成的切削刃，它担负着部分切削工作。 3） 刀尖 刀尖指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。它通常被磨成一小段圆弧形成修圆刀尖，或被磨成一小段直线形成倒角刀尖。 2. 车刀几何角度及作用 1） 车刀几何角度的参考平面 车刀的几何角度是指静态时在三维坐标中表现出的空间角度。为了确定其大小，需要建立由3个辅助平面构成的参考坐标系，该坐标系也是标注、刃磨和测量刀具角度的基准，它是由基面Pr、主切削平面Ps和正交平面Po构成，如图1-4所示。 图1-4车刀的3个辅助平面 （1） 基面Pr： 通过主切削刃上选定点并垂直于切削速度v的平面，该平面平行于刀体底面。 （2） 切削平面Ps： 切削刃的切线与切削速度组成的平面。 （3） 正交平面Po： 通过主切削刃选定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。 通常情况下，在认识车刀角度时，往往都认为刀体底面水平放置，因此一般将基面Pr选为水平面，Ps和Po均为铅垂面，3个平面构成相互垂直的空间关系。 2） 车刀的主要几何角度 以外圆车刀为例，其切削部分的主要角度如图1-5所示。 图1-5外圆车刀主要的几何角度 （1） 主偏角κr： 主切削刃与进给方向在基面上投影之间所夹的角度，总为正值。 （2） 副偏角κ′r： 副切削刃与进给方向在基面上投影之间所夹的角度，总为正值。 （3） 刀尖角εr： 主切削刃与副切削刃在基面上投影之间所夹的角度，即 εr=180°-(κr＋κ′r) （4） 前角γo： 前刀面与基面之间的夹角，角度可正可负。 （5） 后角αo： 主后刀面与切削平面之间的夹角，角度可正可负。 （6） 刃倾角λs： 主切削刃与基面之间的夹角，角度可正可负。 3） 几何角度的选择 （1） 前角γo的选择 前角是车刀切削部分的一个最主要的角度，车刀是否锋利主要取决于前角的大小。一般加大前角，可以减小切削变形，减少切屑与前刀面的摩擦，使切削力下降，切削显得轻快、流畅，有利于降低表面粗糙度。因此，在刀具强度许可的情况下，尽量选择大的前角。 （2） 后角αo的选择 后角的作用主要是减少车刀主后刀面和工件过渡表面（切削表面）之间的摩擦。后角大一些，相对摩擦可以减小，车削起来很轻快，车刀的磨损也比较慢。但是后角选得过大，车刀变得单薄，车刀强固性大大减弱，刀头容易敲坏，同时车刀的散热条件变差，磨损反而加剧，车削条件恶化。 （3） 主偏角κr的选择 主偏角是一个重要的角度，对车刀的耐用度有较大影响。在切削用量相同的情况下，选小的主偏角，同时参与切削的刀刃变长，刀尖强固，有利于提高车刀耐用度。但是太小的主偏角将使切削的径向力（这里指车刀沿垂直工件回转轴线方向顶工件的力）显著增大，工件易发生振动，甚至打坏车刀。可供选择的车刀主偏角一般有45°、60°、75°和90°几种。 （4） 副偏角κ′r的选择 副偏角的主要作用是减少车刀同工件已加工表面的摩擦。在副偏角小的情况下，可以明显减少车削后的残留面积，从而降低工件的表面粗糙度，如图1-6所示。但是减小副偏角会增加切削宽度，容易引起振动，所以只有在工艺系统刚度足够的时候，才取较小的副偏角。 图1-6车刀副偏角对残留面积的影响 （5） 刃倾角λs的选择 刃倾角也是一个重要的角度，它与车刀的锋利程度和强固程度密切相关，也影响切屑的流向，如图1-7所示。 图1-7刃倾角对切屑流出方向的影响 当选用负刃倾角车刀车削工件时，如图1-7(a)右图所示，刀尖位于主切削刃最低点，车刀先由强固的刀刃后部切入工件，然后刀刃逐渐切入，刀尖不承受冲击，车削平稳，有利于保护刀尖，提高了车刀的强固性，为车削选取较大的前角提供了条件，其效果在断续车削时尤为显著。但选择负刃倾角时，切屑会沿着已加工表面的方向流出，容易划伤已加工表面，从而增加已加工表面的粗糙度。同时还可能使切屑轧入工件与车刀之间，损坏刀刃。因此，精加工时都不采用负刃倾角切削。 当选用正刃倾角车刀车削工件时，如图1-7(a)左图所示，刀尖率先切入工件，即先受冲击，刀具易损。但切屑流向待加工表面，已加工表面不会划伤。 图1-7(b)左图所示表示刃倾角λs=0，此时切屑在切削点原地打卷或成直条状射出。 1.2.6金属切削过程 金属切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的过程和已加工表面形成的过程。在这个过程中始终存在着刀具与工件（金属材料）之间切削和抗切削的矛盾，并产生一系列重要现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度及刀具的磨损等。研究金属切削过程中这些现象的基本理论、基本规律对提高金属切削加工的生产率和工件表面的加工质量，减少刀具的损耗关系极大。 1. 切屑的形成过程及变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。根据切削实验时制作的金属切削层变形图片，可绘制出如图1-8所示的金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。由图1-8可见，切削过程中切削层金属的变形可大致划分为3个变形区。 图1-8金属切削过程中的滑移线和流线示意图 1） 第一变形区 切削层金属所发生的塑性变形是从OA线开始，直到OM线结束。在这个区域内，被刀具前刀面推挤的工件的切削层金属完成了剪切滑移的塑性变形过程，金属的晶粒被显著地拉长了。离开OM线之后，切削层金属已经变成了切屑，并沿着刀具前面流动。这一变形区域是切屑形成的主要区域，称为第一变形区。在一般切削速度范围内，其宽度仅为0.02～0.2mm，故可用一个面表示，称为剪切面。剪切面和切削速度方向之间的夹角φ称为剪切角。剪切角φ的大小反映了切削变形程度的大小，剪切角φ越大，切削变形越小。 2） 第二变形区 切屑沿前刀面流动时，进一步受到前刀面的挤压，在刀具前刀面与切屑底层之间产生了剧烈摩擦，使切屑底层的金属晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。这个变形区域称为第二变形区（图1-8中的Ⅱ区）。第二变形区对切削过程也会产生较显著的影响。 图1-9积屑瘤 切削加工时，切屑底层金属与前刀面产生强烈的摩擦，当接触面具有适当的温度和较高的压力时，就会产生黏结（冷焊）而滞留在前刀面上，形成积屑瘤。积屑瘤的大小常用积屑瘤的高度Hb表示（图1-9）。连续流动的切屑从黏结在前刀面的切屑底层上流过时，在温度、压力适当的情况下也会被阻滞在切屑底层上，使黏结层逐渐在前一层上积聚，这样一层层地滞留、黏结，逐渐形成了一个楔形的积屑瘤。长高了的积屑瘤，受外力或振动的作用，又会发生局部断裂或脱落。积屑瘤的产生、成长、脱落是个周期性的动态过程。 积屑瘤的存在可代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用，还可增大刀具的实际前角，对粗加工的切削过程有利。但积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，使实际背吃刀量和切削厚度发生变化，将影响工件的尺寸精度； 由于积屑瘤的高度变化使已加工表面粗糙度值变大，并容易引起振动。所以，在精加工时应尽量避免产生积屑瘤。 积屑瘤的形成以及它的积聚高度主要取决于切削温度。在切削温度很低时，切屑与前刀面之间摩擦系数小，不易形成黏结； 在温度很高时，接触面间切屑底层金属呈微熔状态，摩擦小，也不易形成积屑瘤； 在中温区，例如切削中碳钢的温度在300～500℃时，黏结严重，摩擦系数大，积屑瘤最高。 合理控制切削条件，尽量不形成中温区域，就能有效地抑制或避免积屑瘤的产生。以切削中碳钢为例，积屑瘤高度与切削速度之间的关系如图1-10所示。在低速（vc≤3m/min）切削时，不产生积屑瘤； 较高速（vc>40m/min）切削时，也不易产生积屑瘤； 在中速（vc≈20m/min）切削时，积屑瘤高度达到最大值。为降低加工表面粗糙度值，应尽量不采用中速切削加工。 图1-10切削速度和积屑瘤高度关系 3） 第三变形区 切削层金属被刀具切削刃和前刀面从工件基体材料上剥离下来，进入第一和第二变形区； 同时，工件基体上留下的材料表层经过刀具钝圆切削刃和刀具后刀面的挤压、摩擦，使表层金属产生纤维化和非晶质化，使其显微硬度提高； 在刀具后刀面离开后，已加工表面的表层和深层金属都要产生回弹，从而产生表面残余应力，这些变形过程都是在第三变形区（图1-8的Ⅲ区）内完成的，也是已加工表面形成的过程。第三变形区内的摩擦与变形情况，直接影响着已加工表面的质量。 经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂，造成已加工表面的硬度增高，这种现象称为加工硬化（冷硬）。硬化程度严重的材料使得切削变得困难。冷硬还使已加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工表面的质量和材料的抗疲劳强度。 鳞刺是已加工表面上的一种鳞片状毛刺，它对表面粗糙度有严重的影响。通常在以较低的切削速度对塑性金属进行车、刨、钻、拉等加工时，都可能出现鳞刺。采用高速切削、减小切削厚度、使用润滑性能好的切削液等措施，都可抑制鳞刺。 2. 切屑的类型 由于工件材料以及切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。切屑形态一般分为4种基本类型，即带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑，如图1-11所示。 图1-11切屑的类型 1） 带状切屑 带状切屑是最常见的一种切屑。它的形状像一条连绵不断的带子，底部光滑，背部呈毛茸状。加工塑性材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，得到的切屑往往是