机械制造技术基础论文

金属的切削加工摘要：金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自的变化规律是一门学科。

在设计机床和刀具﹑制订机器零件的切削工艺及其定额﹑合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时﹐都要利用金属切削原理的研究成果﹐使机器零件的加工达到经济﹑优质和高效率的目的。

金属的切削加工主要内容包括金属切削中切削力和切削功、切削热和切削温度、刀具的磨损机理和刀具寿命、切削振动和加工表面质量、切屑的形成和变形等。

关键词：刀具机床切削原理切削加工切削热与切削温度切削原理工件与刀具之间相互滑移即表示金属切削的剪切变形经过这种变形以后,切屑从刀具前面上流过时又在刀、屑界面处产生进一步的摩擦变形。

通常，切屑的厚度比切削厚度大，而切屑的长度比切削长度短，这种现象就叫切屑变形。

金属被刀具前面所挤压而产生的剪切变形是金属切削过程的特征。

由于工件材料刀具和切削条件不同,切屑的变形程度也不同,因此可以得到各种类型的切屑。

机械加工设备机械加工是一种用加工机械对工件的外形尺寸或性能进行改变的过程。

按被加工的工件处于的温度状态，分为冷加工和热加工。

一般在常温下加工,并且不引起工件的化学或物相变化，称冷加工。

一般在高于或低于常温状态的加工，会引起工件的化学或物相变化，称热加工。

冷加工按加工方式的差别可分为切削加工和压力加工。

热加工常见有热处理，煅造，铸造和焊接。

各种设备繁多，笼统的称：热处理设备、锻造设备、铸造设备、焊接设备、金属切削机床、压力机等等。

金属切削机床大的类别有：车、钻、镗、磨、齿轮加工、铣、刨、拉、专用机床等等，一般以车床和铣床应用较广泛。

刀具种类及材料金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的。

在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，被称为切削层。

切削层的截面尺寸被称为切削层参数。

此外，在切削层中需介绍一重要概念－背吃刀量ap，对于外圆车削，它指已加工表面与待加工表面间的垂直距离。

金属切削刀具一般有45度车刀，90度车刀，镗刀，铰刀，拉刀，铣刀等，一般情况的加工车刀和铣刀应用较多，所以以下内容多以车刀为主。

随着全球机加工水平的不断进步，刀具生产制造技术的也在逐步发展，从刀具材料方面来讲，近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、立方氮化硼等超硬刀具材料，使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。

随着数控机床和难加工材料的不断发展，刀具实有难以招架之势。

要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。

在影响金属切削发展的诸多因素中，刀具材料起着决定性作用。

切削力切削时刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力F，在外圆车削时,一般将这个切削合力F分解成三个互相垂直的分力切向力F1──它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常称主切削力；径向力F2──在平行于基面的平面内,与进给方向垂直,又称推力；轴向力F3──在平行于基面的平面内,与进给方向平行,又称进给力。

一般情况下,F1最大,F2和F3较小,由于刀具的几何参数刃磨质量和磨损情况的不同和切削条件的改变，F1、F2对F3的比值在很大的范围内变化。

切削热及切削温度切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。

刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。

切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。

一般说来，切削区的金属经过剪切变形以后成为切屑,随之又进一步与刀具前面发生剧烈摩擦,所以温度场中温度分布的最高点不是在正压力最大的刃口处，而是在前面上距刃口一段距离的地方。

切削区的温度分布情况，须用人工热电偶研究金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自的变化规律的一门学科。

在设计机床和刀具、制订机器零件的切削工艺及其定额、合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时，都要利用金属切削原理的研究成果，使机器零件的加工达到经济、优质和高效率的目的。

尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。

前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触面摩擦温度之和。

根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响。

刀具磨损刀具在切削时的磨损是切削热和机械摩擦所产生的物理作用和化学作用的综合结果。

刀具磨损表现为在刀具后面上出现的磨损带、缺口和崩刃等，前面上常出现的月牙洼状的磨损，副后面上有时出现的氧化坑和沟纹状磨损等。

当这些磨损扩展到一定程度以后就引起刀具失效，不能继续使用。

刀具逐渐磨损的因素，通常有磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损和塑性变形等。

在不同的切削条件下，尤其是在不同切削速度的条件下，刀具受上述一种或几种磨损机理的作用。

例如，在较低切削速度下，刀具一般都因磨料磨损或粘着磨损而破损；在较高速度下，容易产生扩散磨损、氧化磨损和塑性变形。

刀具寿命刀具由开始切削达到刀具寿命判据以前所经过的切削时间叫做刀具寿命，刀具寿命判据一般采用刀具磨损量的某个预定值，也可以把某一现象的出现作为判据，如振动激化、加工表面粗糙度恶化，断屑不良和崩刃等。

达到刀具寿命后，应将刀具重磨、转位或废弃。

刀具在废弃前的各次刀具寿命之和称为刀具总寿命。

泰勒提出的刀具寿命和切削速度之间相互制约的经验公式为：vTn＝c 式中T为刀具寿命（分）；v为切削速度（米／分）;n和c为常数（与切削条件有关）。

生产中常根据加工条件按最低生产成本或最高生产率的原则，来确定刀具寿命和拟定工时定额。

切削振动切削过程中，刀具与工件之间经常会产生自由振动、强迫振动或自激振动(颤振)等类型的机械振动。

自由振动是由机床零部件受到某些突然冲击所引起，它会逐渐衰减。

强迫振动是由机床内部或外部持续的交变干扰力（如不平衡的机床运动件、断续切削等）所引起，它对切削产生的影响取决于干扰力的大小及其频率。

自激振动是由于刀具与工件之间受到突然干扰力（如切削中遇到硬点）而引起初始振动，使刀具前角、后角和切削速度等发生变化，以及产生振型耦合等，并从稳态作用的能源中获得周期性作用的能源，促进并维持振动。

通常，根据切削条件可能产生各种原生型自激振动，从而在加工表面上留下的振纹，又会产生更为常见的再生型自激振动。

上述各种振动通常都会影响加刀表面质量，降低机床和刀具的寿命，降低生产率，并引起噪声，极为有害，必须设法消除或减轻。

切削加工性指零件被切削加工成合格品的难易程度。

它根据具体加工对象和要求，可用刀具寿命的长短、加工表面质量的好坏、金属切除率的高低、切削功率的大小和断屑的难易程度等作为依据。

切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。

它与金属材料的化学成分，力学性能，导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。

通常用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断。

一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。

一般非铁金属(有色金属）比铁金属切削加工性好，铸铁比钢好。

积屑瘤在用低、中速连续切削一般钢材或其他塑性材料时,切屑同刀具前面之间存在着摩擦,当切屑上紧靠刀具前面的薄层在较高压强和温度的时，同切屑基体分离而粘结在刀具前面上,再经层层重叠粘结,在刀尖附近往往会堆积成一块经过剧烈变形的楔状切屑材料，叫做积屑瘤。

积屑瘤的硬度较基体材料高一倍以上，实际上可代替刀刃切削。

积屑瘤的底部较稳定，顶部同工件和切屑没有明显的分界线,容易破碎和脱落,一部分随切屑带走，一部分残留在加工表面上，从而使工件变得粗糙。

所以在精加工时一定要设法避免或抑制积屑瘤的形成。

积屑瘤的产生、成长和脱落是一个周期性的动态过程，它使刀具的实际前角和切削深度也随之发生变化，引起切削力波动，影响加工稳定性。

在一般情况下，当切削速度很低或很高时，因没有产生积屑瘤的必要条件（较大的切屑与刀具前面间的摩擦力和一定的温度），不产生积屑瘤。

切屑控制指控制切屑的形状和长短。

通过控制切屑的卷曲半径和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半径被迫加大，促使切屑中的应力也逐渐增加,直至折断切屑的卷曲半径可以通过改变切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或断屑台来控制，其排出方向则主要靠选择合理的主偏角和刃倾角来控制。

切削液切削液是一种用在金属切、削、磨加工过程中，用来冷却和润滑刀具和加工件的工业用液体,切削液由多种超强功能助剂经科学复合配伍而成，同时具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。

克服了传统皂基乳化液夏天易臭、冬天难稀释、防锈效果差的的毛病，对车床漆也无不良影响，适用于黑色金属的切削及磨加工，属当前最领先的磨削产品。

切削液各项指标均优于皂化油，它具有良好的冷却、清洗、防锈等特点，并且具备无毒、无味、对人体无侵蚀、对设备不腐蚀、对环境不污染等特点。

切削液也称冷却润滑液，用于减少切削过程中的摩擦和降低切削温度，以提高刀具寿命、加工质量和生产效率。

常用的切削液有切削油、乳化液和化学切削液3类。

加工表面质量通常包括表面粗糙度加工硬化残余应力、表面裂纹和金相显微组织变化等。

切削加工中影响加工表面质量的因素很多，例如刀具的刀尖圆弧半径进给量和积屑瘤等是影响表面粗糙度的主要因素;刀具的刃口钝圆半径和磨损及切削条件是影响加工硬化和残余应力的主要因素。

因此，生产中常通过改变刀具的几何形状和选择合理的切削条件来提高加工表面质量。

相关应用在设计和使用机床和刀具时，需要应用切削原理中有关切削力、切削温度和刀具切削性能方面的数据。

例如，在确定机床主轴的最大扭矩和刚性等基本参数时,要应用切削力的数据;在发展高切削性能的新材料时，需掌握刀具磨损和破损的规律;在切削加工中分析热变形对加工精度的影响时,要研究切削温度及其分布；在自动生产线和数字控制机床上，为了使机床能正常地稳定工作，甚至实现无人化操作,更要应用有关切屑形成及其控制方面的研究成果,并在加工中实现刀具磨损的自动补偿和刀具破损的自动报警。

为此，各国研制了品种繁多的在线检测刀具磨损和破损的传感器，其中大多数是利用切削力或扭矩、切削温度、刀具磨损作为传感信号。

此外，为了充分利用机床，提高加工经济性和发展计算机辅助制造(CAM),常需要应用切削条件、刀具几何形状和刀具寿命等的优化数据。

因此，金属切削原理这门学科在生产中的应用日益广泛，各国都通过切削试验或现场采集积累了大量的切削数据，并用数学模型来表述刀具寿命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削条件之间的关系，然后存入计算机,建立金属切削数据库或编制成切削数据手册,供用户查用。