第九章 切削加工基础知识.(DOC)

第九章切削加工基础知识
●切削加工是指在机床上利用切削工具与工件（铸件、锻件等）的相对运动，从工件上切除多余材料，获得符合预定技术要求的零件或半成品零件的加工方法。

切削加工是在常温状态下进行的，它包括机械加工和钳工加工两种。

机械加工方法主要有：车削、钻削、刨削、铣削、磨削、齿轮加工等。

第一节切削加工运动及切削要素
一、切削运动
●切削过程中，切削刀具与工件间的相对运动，就是切削运动。

切削运动包括主运动和进给运动两个基本运动。

1．主运动
●主运动是由机床或人力提供的主要运动，它促使切削刀具和工件之间产生相对运动，从而使切削刀具前面接近工件。

主运动是直接切除切屑所需要的基本运动。

它在切削运动中形成机床的切削速度，也是消耗机床功率最大的运动。

一般主运动只有一个。

2．进给运动
●进给运动是由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可不断地或连续地切屑，并获得具有所需几何特性的已加工表面。

进给运动的速度一般远小于主运动速度，而且消耗机床的功率也较少。

切削过程中进给运动可能有一个，也可能有若干个。

二、切削用量
●切削用量是指在切削加工过程中的切削速度、进给量和背吃刀量的总称。

在每次切削中，工件上形成三个表面。

（1）待加工表面：工件上有待切除的表面；
（2）已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面；
（3）过渡表面：工件上由切削刃正在切削的表面，它是待加工
表面和已加工表面之间的过渡表面。

图9-2 切削要素
1．切削速度υc
●在进行切削加工时，刀具切削刃上的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，称为切削速度，其单位为m/s。

当主运动是旋转运动时，切削速度是指圆周运动的线速度。

2．进给量f
●进给量是指主运动的一个循环内（一转或一次往复行程）刀具在进给方向上相对工件的位移量。

例如，车削时，进给量f是工件旋转一周，车刀沿进给方向移动的距离（mm/r）。

3．背吃刀量a p
●背吃刀量一般是指工件已加工表面与待加工表面间的垂直距离，也称切削深度，单位为mm。

选择切削用量的一般原则是：先尽量选择较大的背吃刀量；再尽量选择较大的进给量；最后尽量选择较大的切削速度。

第二节切削刀具
一、切削刀具材料
切削刀具一般由刀柄与刀头两部分组成。

刀柄用于夹持切削刀具，刀头直接担负切削任务，所以，刀头又称为切削部分。

通常将刀头用焊接（钎焊）或用机械夹固的方法固定在刀柄上，以降低切削刀具的制造成本。

1．切削刀具材料应具备的基本性能
（1）高硬度和高耐磨性。

（2）高热硬性。

（3）较好的化学稳定性。

（4）足够的强度和韧性。

2．常用刀具材料的种类及选用
切削刀具材料主要有：碳素工具钢与合金工具钢、高速钢、硬质合金及其它刀具材料（如金属陶瓷、氮化硅陶瓷、立方氮化硼、金刚石等）。

（1）碳素工具钢允许的切削速度较低（υc<10m/min），主要用于制作手工用切削刀具及低速切削刀具，如手工用铰刀、丝锥、板牙等，不宜用来制造形状复杂的刀具。

常用的碳素工具钢有T10钢或T10A 钢、T12钢或T12A钢等。

（2）合金工具钢用来制造形状比较复杂，要求淬火后变形小的切削刀具，如冷剪切刀、板牙、丝锥、铰刀、搓丝板、拉刀等。

常用的合金工具钢有9SiCr钢、CrWMn钢、Cr12MoVA钢等。

（3）高速钢适用于制作切削速度较高的精加工切削刀具和各种复杂形状的切削刀具，如车刀、铣刀、麻花钻头、丝锥、滚刀、拉刀、铰刀、宽刃精刨刀等。

常用高速钢有W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢、W2Mo9Cr4V2钢和W12Cr4V5Co5钢等。

（4）硬质合金主要用于高速切削，要求耐磨性很高的切削刀具，如车刀、铣刀等。

（5）其它刀具材料主要是指陶瓷、立方氮化硼、金刚石等。

陶瓷材料的特点是高温时硬度高、耐磨性和化学稳定性好，切屑与刀具的前刀面粘结小，但抗弯强度和冲击韧度差。

立方氮化硼和金刚石的硬度高、价格高，仅用于某些特殊材料的精加工等。

二、切削刀具的角度
（一）车刀切削部分的组成
常用的外圆车刀切削部分由三个刀面、两个切削刃和一个刀尖组成，简称三面、两刃、一尖。

●切削刀具上切屑流过的表面称为前面。

●与工件上切削中产生的过渡表面相对的表面，称为后面，又称后刀面。

●切削刀具上同前面相交形成副切削刃的后面称为副后面。

●前面与后面的交线称为主切削刃。

●前面与副后面的交线称为副切削刃。

●主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃，称为刀尖。

图9-3 外圆车刀组成示意图
（二）车刀切削部分的几何参数
1．
●为了确定车刀各刀面及切削刃的空间位置，必须选定一些坐标平面和测量平面作为基准，二者统称为辅助平面。

常用的辅助平面有：基面、切削平面和正交平面等。

●过切削刃选定点的平面，它平行（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），称为基面。

●通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面，称为切削平面。

●通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面称为正交平面。

图9-4基面与切削平面的空间位置图9-5
基面、切削平面和正交平面的空间关系
2．切削刀具角度的基本定义
普通外圆车刀一般有：前角γ0、后角α0、副后角α0′、主偏角κr、副偏角κr′、刃倾角λs、楔角β0、切削角δ、刀尖角εr、副
前角γ0′10个角度。

图9-6 外圆车刀的10个角度
●前角γ0。

在正交平面中测量的由前面与基面构成的夹角，称为前角。

硬质量合金车刀的前角一般是-5°~+25°。

当工件材料硬度较低、塑性较好或精加工时，前角取较大值，反之，前角取较小值。

●后角α0。

在正交平面中测量的后面与切削平面构成的夹角，称为后角。

粗加工时，后角一般取6°~8°；精加工时，后角一般取10°~12°。

●副后角α0′。

在正交平面中测量的由副后面与副切削平面之间构成的夹角，称为副后角。

●主偏角κr。

在基面中测量，由主切削刃在基面上的投影与进给方向之间形成的夹角，称为主偏角。

主偏角一般为45°~90°，粗加工时取较大值，精加工时取较小值。

●副偏角κr′。

在基面中测量，副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间形成的夹角，称为副偏角。

副偏角一般为5°~10°，粗加工时取较大值，精加工时取较小值。

●刃倾角λs 。

在切削平面内测量，由主切削刃与基面之间构成的夹角称为刃倾角。

刃倾角一般为-5°~+10°，粗加工时取负值，精加工时取正值。

以上6个角度为切削刀具的独立角度，此外还有4个派生角度：
楔角β0、切削角δ、刀尖角εr 、副前角γ0′。

它们的大小完全取决于前6个角度。

其中γ0+α0+β0=90°；κr +κr ′+εr =180°。

三、常用车刀
常用车刀的结构形式有：整体式车刀、焊接式车刀、机械夹固式
车刀等。

应用最多的是焊接式车刀和机械夹固式车刀。

车刀按用途可分为外圆车刀、端面车刀、切断刀、镗孔刀、成形
车刀、螺纹车刀等。

第三节 金属切削过程中的物理现象
一、切屑种类
常见的切屑类型有崩碎切屑、带状切屑和节状切屑三种。

形成何种类型的切屑主要取决于工件材料的塑性大小、切削刀具
前角大小和切削用量。

二、总切削力
●切削刀具的总切削力是切削刀具上所有参予切削的各切削部分
所产生的切削力的合力。

1．总
总切削力F 可分解成三个相互垂直的分力F c （主切削力）、F f （进
给力）、F p （背向力）。

车削时总切削力的计算公式是:F=222p f c F F F ++
图9-9 车削时总切削力的分解图
●主切削力F c 是总切削力在主运动方向上的正投影，是三个分力
中最大者。

它大约占总切削力的80%～90%。

消耗机床功率最多。

●进给力F f是总切削力在进给运动方向上的正投影。

由于进给方向速度小，因此，进给力做的功也很小，只占总功率的1%～5%。

●背向力F p是总切削力在垂直于进给方向的分力，是与切削深度方向平行的分力，作用在工件的半径方向。

背向力不做功，但会引起工件轴线纵向弯曲变形，因而使轴与孔在长度方向切除的量不均匀，使轴与孔各处直径不相同而变成腰鼓形。

另外，背向力还容易引起工件振动。

2．
（1）工件材料。

工件材料的强度、硬度愈高，即变形抗力愈大，则总切削力也愈大。

（2）切削用量。

背吃刀量a p和进给量f加大时，切削力明显增大。

切削速度υc对总切削力的影响较小。

（3）切削刀具几何角度。

增大前角可有效地减小总切削力；增大主偏角κr，F f增大，F p减少小，有利于减少工件变形和振动。

（4）冷却润滑条件。

充分的冷却润滑，可使总切削力减小5%～20%。

同时还有利于减少切削刀具与工件的切削热。

三、切削热
切削热的直接来源有两个：内摩擦热和外摩擦热。

切削热对切削刀具与被加工零件有如下一些影响：
（1）使切削刀具硬度降低，造成切削刀具很快磨损。

（2）造成工件温度过高，可能导致工件内部组织发生变化，影响工件的使用性能。

（3）使工件膨胀变形，影响测量精度及加工精度。

四、切削刀具的磨损与切削刀具的耐用度
切削刀具磨损形式主要有:后刀面磨损、前刀面磨损、前后两刀面同时磨损三种。

●切削刀具两次刃磨中间的实际切削时间称为切削刀具的耐用度，单位是min。

影响切削刀具耐用度的因素很多，如切削刀具材料、刀具角度、切削用量和冷却润滑情况等，其中以切削速度影响最大。

第四节金属切削机床的分类和编号
●金属切削机床简称为机床，是用切削刀具对工件进行切削加工
的机器。

一、金属切削机床的分类
金属切削机床按其工作原理可划分为:车床、钻床、镗床、刨插床、
铣床、磨床、拉床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、锯床和其它机床。

二、金属切削机床型号的编制方法
●金属切削机床的型号是用来表示机床的类别、主要参数和主要
特征的代号。

金属切削机床的型号由大写汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。

1
．金属切削机床的类代号
机床型号的第一个字母表示机床的类，并按名称的汉语拼音的第
一个大写字母表示。

表9-1 机床的类和分类代号
类 车床 钻床 镗床 磨床 齿轮加工机床 螺纹加工机床
铣床 刨插床 拉床 锯床 其他 机床 代号
C Z T M 2M 3M Y S X B L G Q 读音 车 钻 镗 磨 二磨 三磨
牙 丝 铣 刨 拉 割 其 2．金属切削机床的特性代号
金属切削机床的特性代号包括通用特性和结构特性，也用汉语拼
音字母表示。

表9-2
机床的通用特性代号
通用特性 高精度 精密 自动 半自动 数控 加工中心自动换刀 仿形 轻型 加重型 简式或经济型 柔
性加工单
元
数显 高速 万能 代号
G M Z B K H F Q C J R X S W 读音
高 密 自 半 控 换 仿 轻 重 简 柔 显 速 万 结构特性代号是为了区别主参数相同而结构不同的机床，如
CA6140和C6140是结构有区别而主参数相同的普通车床。

3．金属切削机床
每类机床按其用途、性能、结构相近或有派生关系，分为10个组，每个组又分10个系列。

在机床型号中，跟在字母后面的两个数字分别表示机床的组和系。

4．金属切削
机床的主参数表示机床规格的大小和工作能力。

在机床型号中，表示机床组和系的两个数字后面的数字表示机床的主参数或主参数的折算值。

5．金属切削
规格相同的机床，经改进设计，其性能和结构有了重大改进后，按改进设计的次序，分别用汉语拼音字母“A、B、C…”表示，并写在机床型号的末尾。

第五节车床及车削加工
车床种类有：卧式车床、立式车床、转塔车床、自动和半自动车床等。

一、车床的功能和运动
车床的基本功能是加工外圆柱面，如各类轴、圆盘、套筒等。

车削时工件旋转为主运动，车刀纵向移动和横向移动为进给运动。

二、卧式车床组成
卧式车床主要由左右床脚、床身、主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、光杠、丝杠、溜板箱、刀架和尾座等部分构成。

图9-11 卧式车床组成示意图
三、卧式车床传动系统简介
图9-12所示是C6140型卧式车床的传动系统图。

主运动由电动机（1450r/min）开始经过皮带传递到主轴箱内，通
过改变操作手柄的位置，使主轴箱不同的齿轮进行啮合，可使主轴获得24种正转速度和12种反转速度。

进给运动是由主轴箱把旋转运动输出到交换齿轮箱，再通过进给箱变速后由丝杠或光杠驱动滑板箱，然后由溜板箱将运动传给刀架，最终实现刀架的纵向进给、横向进给及车螺纹运动。

图9-12 C6140型卧式车床传动路线图
四、车床附件及工件安装
●机床附件是指随机床一道供应的附加装置，如各种通用机床的夹具、靠模装置及分度头等。

常用的卧式车床附件有卡盘、花盘、顶尖（死顶尖和活顶尖）、拨盘、鸡心夹头、中心架、跟刀架和心轴等。

1．卡盘
卡盘分三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘。

2．花盘
花盘对于一些形状不规则的工件，不能使用三爪自定心卡盘和四爪单动卡盘装夹时，可使用花盘进行装夹。

图9-13 三爪自定心卡盘图9-14 四爪单动卡盘图9-15 花盘装夹工件
3．顶尖、拨盘和鸡心夹头
图9-16 使用卡盘和尾座后顶尖装夹工件
图9-17 使用前顶尖和尾座后顶尖装夹工件通用顶尖按结构可分为死顶尖和活顶尖；按安装位置可分为前顶尖（安装在主轴锥孔内）和后顶尖（安装在尾座锥孔内）。

前顶尖总是死顶尖，后顶尖可以是死顶尖，也可以是活顶尖。

拨盘与鸡心夹头的作用是当工件用两顶尖装夹时带动工件旋转。

拨盘靠其上的螺纹旋装在车床的主轴上，带动鸡心夹头旋转，鸡心夹头则依靠其上的紧固螺钉柠紧在工件上，并带动工件一起旋转。

4．中心架与跟刀架
中心架固定在车床导轨上，由上下两部分组成。

上半部可以翻转，以便装入工件。

中心架内有三个可以调节的径向支爪（一般是铜质的）。

跟刀架固定在床鞍（大拖板）上，并随床鞍一起移动。

跟刀架有两个支爪，车刀装在这两个支爪的对面稍微靠前的位置，并依靠背向
力及工件自重作用使工件紧靠在两个支爪上。

图9-18 使用中心架车削细长轴
图9-19 使用跟刀架车削细长轴
5．心轴
常用的心轴有锥度心轴、圆柱体心轴和可胀心轴等。

五、车削
●车削是利用工件的旋转和刀具相对于工件的移动来加工工件的一种切削加工方法。

车削分为粗车、半精车、精车和精细车。

粗车属于低精度车削加工，其目的主要是迅速地切去毛坯的硬皮和大部分加工余量。

粗车加工精度是IT13～IT11，表面粗糙度为Ra50～12.5μm。

半精车是在粗车基础上进行的，其目的是切除粗加工后留下的误差，使工件达到一定精度要求，并为精车作准备。

半精车加工精度是IT10～IT9，表面粗糙度是Ra6.3～3.2μm。

精车是在半精车基础上进行的，其目的是满足工件的加工精度。

精车时一般取较高的切削速度和较小的进给量与背吃刀量。

精车的加工精度是IT8～IT7，表面粗糙度为Ra1.6～0.8μm。

精细车是在高精密车床、在高切削速度、小进给量及小背吃刀量的条件下，使用经过仔细刃磨的人造金钢石或细颗粒硬质合金车刀进行的车削加工。

加工精度是IT6～IT5，表面粗糙度为Ra0.4～0.2μm。

1．车外圆
●将工件车削成圆柱形外表面的方法称为车外圆。

根据工件加工精度要求，车削步骤一般分为粗车、半精车、精车和精细车。

a）尖刀车外圆b）45°弯头车刀车外圆c）90°偏刀车外圆
图9-22 外圆车刀及车外圆方法
2．车端面
●对工件端面进行车削的方法称为车端面。

车削时可由工件外层向其中心切削，也可由工件中心向外层切削。

a）偏刀由外向中心进刀b）偏刀由中心向外进刀c）偏刀由外向中心进刀d）弯头车刀由外向中心进刀
图9-23 车端面
3．车槽与切断
（1）车槽。

在工件表面上车削沟槽的方法称为切槽。

（2）切断。

将坯料或工件分成两段或若干段的车削方法成为切断。

常用的切断方法是：直进法和左右借刀法两种。

a）车窄槽b）车宽槽
a）直进法b）左右借刀法
图9-24 车槽方法示意图
图9-25 车断方法示意图
4．车台阶
●车削台阶处的外圆和端面的方法称为车台阶。

台阶一般使用主偏角κr≥90°的偏刀。

如果台阶高度小于5mm，可用主偏角κr=90°的偏刀，一次走刀切出台阶；
如果台阶高度大于5mmm，可用主偏角κr>90°的偏刀，多次分层纵向进给走刀切削，最后一次纵向进给完后，车刀刀尖应紧贴台阶端面横向退出，车出台阶。

5．车圆锥
●将工件车削成圆锥表面的方法称为车圆锥。

常用的车圆锥的方法有：小滑板转位法、偏移尾架法、靠模法、宽刀法等。

（1）小滑板转位法。

使刀架小滑板绕转盘轴线转动一圆锥斜角（α/2）后固定，然后用手转动小滑板手柄斜向进给，实现圆锥面车削的方法。

该方法多用于车削长度小于100mm的大锥度圆锥面。

（2）偏移尾架法。

工件装夹在双顶尖之间，车削圆锥面时，尾架在机床导轨上横向调整，偏移A距离，使工件旋转轴线与车刀纵向进给方向的夹角等于圆锥面斜角（α/2），然后利用车刀纵向进给，即可车出所需要的锥圆面。

偏移尾架法能自动进给加工较长的圆锥面。

图9-27 小滑板转位法车圆锥面图9-28 偏移尾架法车圆锥面
（3）靠模法。

加工时靠模装在床身上，调整圆锥斜角（α/2），卸下中滑板的丝杠与螺母，使中滑板能横向自由滑动，中滑板的接长杆用滑块铰链与靠模连接。

当床鞍纵向进给时，中滑板带动刀架一面纵向移动，一面横向移动。

从而使车刀运动的方向平行于靠模，从而车削出所要求的圆锥面。

用靠模法能加工较长的圆锥面，精度较高，并能实现自动进给。

（4）宽刀法。

使用与工件轴线成α/2角的宽刃车刀，切削时车刀作横向或纵向进给即可车出所需的圆锥面。

宽刀法可以加工较短的圆锥面（L=20mm～25mm）。

图9-29 靠模法车圆锥面图9-30
宽刀法车圆锥面
6．车成形回转面
●母线为曲线的回转表面称为成形回转面，如曲面手柄、圆球面等。

加工方法有：
7．车孔
●车孔是利用车床对工件上的孔进行车削的加工方法，也称为车内圆或镗孔。

车孔时，逆时针转动小滑板手柄为横向吃刀，顺时针转动小滑板手柄为横向退刀，正好与车外圆时转动方向相反。

a）车通孔b）车不通孔
图9-32 车孔示意图
8．车螺纹
●将工件表面车削成螺纹的方法称为车螺纹。

车螺纹时，为了获得准确的螺距，必须用丝杠带动车刀进给，使工件每转一周，车刀移动的距离等于工件的螺纹导程。