金属切削加工的基础知识

第7章金属切削加工的基础知识金属切削加工的方法很多，尽管它们的形式有所不同，但是却有着许多共同的规律和现象。

掌握这些规律和现象，对正确应用各种金属切削加工方法有着重要的意义。

本章主要介绍切削加工过程的切削运动、切削刀具以及其过程的基本规律等金属切削加工基础知识。

金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。

由此可见，理解零件加工质量的概念；掌握切削运动和金属切削刀具的基本知识；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。

7.1加工质量为了保证机电产品的质量，设计时应对零件提出加工质量的要求，机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。

7.1.1加工精度经机械加工后，零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值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(如圆柱面的直径)和表面间的尺寸(如孔间距离等)的精确程度。

尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。

尺寸公差是尺寸允许的变动量，国家标准GB/T1800. 3-1998《极限与配合》中规定，尺寸公差分20个等级，即IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。

IT后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺寸精度越低。

不同公差等级的加工方法和应用见表7.1.1。

加工过程中影响尺寸精度的因素很多，表7.1.1中表示的某种加工方法所对应达到的加工精度，是指在正常产生条件下保证一定生产率所能达到的加工精度，称为经济精度。

表7.1.1各种加工方法所能达到的公差等级和表面粗糙度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。

国家标准GB/T1182-1996《形状和位置公差》中规定，形状和位置公差共有14个项目，其公差特征项目的名称及符号见表7.1.2。

表7.1.2 形状和位置公差特征项目的名称及符号表11.1.2在零件图上，通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸公差外,还要规定形状和位置公差。

一般机械加工精度越高，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，选用经济精度。

7.1.2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，会使加工表面产生微小的峰谷。

这些微小峰谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙度。

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GB/T1031-1995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是轮廓算术平均偏差Ra值，常见加工方法一般能达到的表面粗糙度值见表7.1.1。

一般来说，零件的表面粗糙度越小，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。

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于基体材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、疲劳强度变化及耐腐蚀性下降等，这些将直接影响零件的使用性能。

零件加工质量与加工成本有着密切的关系。

加工精度要求高，将会使加工过程复杂化，导致成本上升，所以在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是，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。

7.2切削运动7.2.1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.主运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。

主运动的特点是图7.2.1 车削运动和工件上的表面图7.2.2 刨削运动和工件上的表面图7.2.3合成速度速度最高，消耗功率最大。

车削时，主运动是工件的回转运动，如图7.2.1所示；牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动，如图7.2.2所示。

2. 进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。

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。

主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。

3. 主运动和进给运动的合成 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v e 来表示，如图7.2.3所示。

7.2.2工件表面切削加工过程中，在切削运动的作用 下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是待加工表面，切削表面和已加工表面，如图7.2.1和图7.2.2所示。

其涵义是：1. 待加工表面 即将被切去金属层的表面；2. 切削表面切削刃正在切削而形成的表面, 切削表面又称加工表面或过渡表面； 3. 已加工表面已经切去多余金属层而形成的新表面。

7.2.3切削用量切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。

切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。

1. 切削速度v c在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min 或m/s 。

主运动为旋转运动时,切削速度v c 计算公式为:式中d －工件直径（mm ）n －工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min 或r/s)。

主运动为往复运动时,平均切削速度为：式中L 一往复运动行程长度(mm)n r 一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。

2. 进给量f进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。

车削时进给量的单位是mm/r ，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。

刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。

单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度v f 计算公式为:铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r 外，还规定了每齿进给量，用a z表示，单位是(mm/z)，v f 、f 、a z 三者之间的关系为：z 为多齿刀具的齿数。

3.背吃刀量（切削深度）a p背吃刀量a p 是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给运动方向上的投影值。

对于外圆车削，背吃刀量a p 等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离(见图7.3.12),单位为mm 。

即式中 d w －待加工表面直径 d m －已加工表面直径)/min /(1000s m m nd v c 或⋅⋅=π)/min /(10002s m m n L v rc 或⋅⋅=)/min /(s mm mm f n v f或⋅=za n f n v f f ⋅⋅=⋅=2mw p d d a -=7.3刀具切削部分的几何角度切削刀具种类很多,如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。

它们几何形状各异,复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性。

其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形(图7.3.1)。

因此,研究金属切削工具时，通常以车刀为例进行研究和分析。

图7.3.1各种刀具切削部分的形状7.3.1车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。

切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。

切削部分是由一些面、切削刃组成。

我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的，见图7.3.2所示。

1.刀面（l）前刀面Aγ刀具上切屑流过的表面；（2）后刀面Aα与工件上切削表面相对的刀面；（3）副后刀面Aαˊ与已加工表面相对的刀面。

图7.3.3刀尖形状图7.3.2 车刀的组成2.切削刃（1）主切削刃S 前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作； （2）副切削刃S ˊ 前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。

（3）刀尖是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径,用r ε表示,如图7.3.3所示。

7.3.2刀具几何角度参考系为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。

刀具几何角度参考系有两类，刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。

1.刀具标注角度参考系（1）假设条件 刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量角度的基准，在此基准下定义的刀具角度称刀具标注角度。

为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规定了如下假设条件。

①假设运动条件 用主运动向量v c 近似地代替相对运动合成速度向量v e (即v f =0)。

②假设安装条件 规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等高。

（2）刀具标注角度参考系种类 根据ISO3002/1-1997标准推荐，刀具标注角度参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系三种。

图7.3.4 正交平面参考系图7.3.5 法平面参考系图7.3.6 假定工作平面参考系①正交平面参考系如图7.3.4所示,正交平面参考系由以下三个平面组成：基面p r是过切削刃上某选定点平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般来说其方位要垂直于假定的主运动方向。

车刀的基面都平行于它的底面。

主切削平面p s是过切削刃某选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。

正交平面p o是过切削刃某选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。

过主、副切削刃某选定点都可以建立正交平面参考系。

基面p r、主切削平面p s、正交平面p o三个平面在空间相互垂直。

②法平面参考系如图7.3.5所示,法平面参考系由p r、p s和法平面p n组成。