模块03 金属切削加工质量及刀具几何参数的选择

普通材料
一般钢、铸铁 1.0~1.6 稍难切削的材料 0.65~1.0 较难切削的材料 0.5~0.65 难切削的材料 0.15~0.5
很难切削的材料 <0.15
课题1 工件材料的切削加工性
(二) 切削加工性的影响因素
材料的物理力学性能、化学成分、金相组织是影响 材料切削加工性的主要因素。 1. 材料的物理力学性能 就材料的物理性能而言，材料的强度、硬度越高， 切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，切削加工性 越差。强度相同，塑性、韧性越好的材料，切削变形越大， 切削力越大，切削温度越高，并且不易断屑，故切削加工 性越差。材料的线膨胀系数越大，导热系数越小，加工性 也越差。
课题1 工件材料的切削加工性
【知识链接】 难加工材料种类繁多，高锰钢、不 锈钢是常用的难加工材料。高锰钢加工硬化严重，造成切 削困难；导热性差，仅为45钢的1/4，切削温度高，刀具 易磨损；韧性大、塑性好，变形严重，不易断屑。 不锈钢中由于铬、镍含量较大，强度、韧性较好， 加工硬化严重，易粘刀，断屑困难；切屑与前刀面接触长 度较短，刀尖附近应力较大，易崩刃；导热性差，切削温 度高，刀具耐用度低。 不难看出，这些材料性能相差甚大，所以加工特点 也不相同。只要从材料特性去把握它们的切削特点，就能 通过改变切削条件，来解决它们的切削问题。
课题2 已加工表面质量
本课题中，精车表面质量差的主要原因，就刀具而 言无外乎是副偏角偏大或刀尖圆弧半径过小，以致于 切削后残留层高度增大而引起的。若减小副偏角或适 当增大刀尖圆弧半径，必将减小切削后的残留层高度， 从而降低表面粗糙度。 【知识链接】 不难想象，切削加工时，由于刀具 形状及走刀运动的原因，必然在工件上存在残留层， 残留层的高度直接影响已加工表面粗糙度。
课题2 已加工表面质量
一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识
课题2 已加工表面质量
知识点
＊表面粗糙度评定指标。 ＊表面粗糙度的形成及影响因素。 ＊降低表面粗糙度的措施。
技能点
＊能够在加工过程中提高加工表面质量。
课题2 已加工表面质量
一、课题引入
实际加工中，往往由于多方面的原因，使得工件加 工后的表面质量不尽如人意。例如，在某C6140车床上采 用150m/min的切削速度、0.15mm/r的进给量和1mm的背吃 刀量，精车一普通中碳钢工件后，发现已加工面上出现刀 痕，表面粗糙，远远达不到表面质量要求。那么，如何才 能改变这种状况呢？
课题1 工件材料的切削加工性
材料的切削加工性不仅是一项重要的工艺性能指标， 而且是材料多种性能的综合评价指标。材料的切削加工性 不仅可以根据不同情况从不同方面进行评定，而且也是可 以改变的。那么，切削加工性的主要评定指标有哪些？切 削加工性的影响因素有哪些？如何综合分析和改善指定材 料的切削加工性呢？ 下面就来学习工件材料切削加工性的有关知识。
课题1 工件材料的切削加工性 3. 金相组织 就材料的金相组织而言，钢中的珠光体有较好的切 削加工性，铁素体和渗碳体则较差；托氏体和索氏体组织 在精加工时能获得质量较好的加工表面，但必须适当降低 切削速度；奥氏体和马氏体切削加工性很差。 材料的物理力学性能的数值大小与加工等级的关系 见表3-1。凡等级代号数值大于4的材料，表示较难切削或 难切削。例如，从有关材料手册得1Cr18Ni9Ti不锈钢的 HB=229、σ b=0.642GPa、δ =55%、AKJ=2.45MJ/m2、 k=16.3W/(m·K)，可查出相应的切削加工等级代号为4、3、 8、8、8，加工性好坏不言而喻。
0.22 Ry 0.005mm 8 1
课题2 已加工表面质量 2. 实际粗糙度 这是指切削加工中出现的非正常原因造成的表面不 平度，其中包括积屑瘤影响、加工振动影响和鳞刺影响等。 【知识链接】 由于积屑瘤将引起加工中的过切，或 在加工表面上划出犁沟，或脱落后粘附在加工表面上形成 毛刺，或形成的毛刺被刀具挤平后形成硬质光点。这样便 加剧了加工表面的粗糙程度。 鳞刺是指切削加工后残留在已加工表面的鳞片状毛 刺，通常采用较低速度对塑性材料加工时可能出现。
课题2 已加工表面质量
(1) 如图3-1所示，用尖头刀加工时，残留层的最 大高度Ry的具体求解公式如下。
f Ry cot r cot r
（3-wenku.baidu.com）
相应的轮廓算术平均值Ra的具体求解公式如下。
Ra Ry 4
（3-3）
课题2 已加工表面质量
图3-1
残留层
课题2 已加工表面质量
工件材料分类 很容易切削的材料 一般有色金属 容易切削的材料 易切钢 较易切钢
代表性材料 5-5-5铜铅合金，铝镁合金， 9-4铝铜合金 退火15Cr，自动机钢 正火30钢 45钢，灰铸铁，结构钢 调质2Cr13，85钢 调质45Cr，调质65Mn 1Cr18Ni9Ti，调质50CrV， 某些钛合金 铸造镍基高温合金， 某些钛合金
课题2 已加工表面质量 1.理论粗糙度 这是刀具几何形状和切削运动引起的表面不平度。 生产中，如果条件比较理想，加工后表面粗糙度接近 于理论粗糙度。 刀具几何形状和切削运动对表面粗糙度的影响主要 是通过刀具的主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径r及进给 量对切削后工件上的残留层高度来体现的。主偏角、 副偏角、进给量越小，表面粗糙度越小；刀尖圆弧半 径r越大，表面粗糙度越小。
课题1 工件材料的切削加工性
一、课题引入
有切削加工经验的人都有这样的体会：在同样的加 工条件下，对于不同的工件材料，其加工的难易程度、刀 具的磨损速度、加工后工件的表面粗糙度往往不同，有时 甚至相去甚远。那么，如何去评判工件材料(如 1Cr18Ni9Ti不锈钢)的切削加工性呢？如何比较两种材料 加工性的好坏？例如，45钢与45调质钢哪个容易加工？对 于难加工材料的加工，从刀具方面和其他方面又该采取什 么措施？
课题2 已加工表面质量
切削过程中的振动会使加工表面出现振纹，不仅恶 化了加工表面质量，而且对机床精度、刀具磨损会产生很 大的影响。振动分为强迫振动和自激振动两大类。强迫振 动是由外界周期作用力所引起，其特点是工艺系统的振动 频率与外界激振力的频率相一致。造成强迫振动的原因有： 机械运动的不平稳、液压传动的压力脉动与冲击、传动带 的接头不平、工件材料不均匀、断续切削、加工余量不均 匀或附近其他设备振动的传入等。自激振动又称颤振，是 由于切削过程中切削力的变动而引起的，当工艺系统刚度 不足时，往往容易引起自激振动，在细长轴车削或深孔镗 削时要特别注意。
课题1 工件材料的切削加工性
(三) 改善切削加工性的途径
1. 调整材料的化学成分 除了金属材料中的含碳量外，材料中加入锰、铬、 钼、硫、磷或铅等元素时，都将不同程度地影响材料的硬 度、强度和韧性等，进而影响材料的切削加工性。在材料 中，若加入硫、铅或磷等元素组成易切削钢，即能改善材 料的切削加工性。 2. 进行适当的热处理 可以将硬度较高的高碳钢和工具钢等材料进行退火 处理，以降低硬度；低碳钢可以通过正火降低材料的塑性， 提高其硬度；中碳钢通过调质使材料硬度均匀。这些方法 都可以达到改善材料切削加工性的目的。
课题1 工件材料的切削加工性
二、课题分析
材料切削加工的难易程度称为材料的切削加工性。 良好的切削加工性一般包括：在相同切削条件下刀具具有 较高的耐用度；在相同切削条件下，切削力、切削功率较 小，切削温度较低；加工时，容易获得良好的表面质量； 容易控制切屑的形状，容易断屑。材料切削加工性的好坏， 对于顺利完成切削加工任务，保证工件的加工质量意义重 大。
课题2 已加工表面质量
二、课题分析
工件已加工表面质量包括工件的表面粗糙度、表面 残余应力和表面加工硬化层等指标。加工工件表面质量的 好坏直接影响到产品质量和产品的使用性能。由课题引入 可以看出，已加工表面质量可能与切削用量有关。除此以 外，它还与哪些因素直接相关呢？怎样才能提高加工表面 质量呢？ 由于表面质量指标中表面粗糙度比较直观，便于测 量和控制，以下就从表面粗糙度入手，谈谈什么是表面粗 糙度？表面粗糙度的形成原因和变化规律如何？减小表面 粗糙度的有效途径有哪些？
课题1 工件材料的切削加工性 课题2 已加工表面质量 课题3 刀具几何参数的合理选择
课题1 工件材料的切削加工性
一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识
课题1 工件材料的切削加工性
知识点
＊材料切削加工性及其评定指标。 ＊材料切削加工性的影响因素。 ＊难加工材料的加工方法。
技能点
＊掌握材料切削加工性的评定指标和难加工材料的加工方 法。
模块3 金属切削加工质量及刀具几 何参数的选择
金属切削加工质量是一个综合因素决定的结果，其 中包括工件材料切削加工性的好坏、切削刀具几何参数的 合理与否、切削用量的合理与否、加工工艺的合理与否、 加工机床的精度高低及操作者的水平。本模块将围绕工件 材料的切削加工性和切削刀具的几何参数进行讨论。
模块3 金属切削加工质量 及刀具几何参数的选择
课题1 工件材料的切削加工性
三、相关知识
(一) 切削加工性评定的主要指标
某种材料切削加工性的好坏是相对于另一种材料而 言的。因此，切削加工性具有相对性。在讨论钢材的切削 加工性时，一般以45钢为基准，其他材料与其比较，用相 对加工性指标Kr来表示，具体如下。
v60 Kr vB60
（3-1）
课题1 工件材料的切削加工性 式中
课题1 工件材料的切削加工性
【知识链接】 实践证明，材料硬度一般在 170~230HBS左右时，其切削加工性最好。 3. 选择良好的材料状态 低碳钢塑性大，加工性不好，但经过冷拔之后，塑 性降低，加工性好；锻件毛坯由于余量不均匀，且不可避 免出现硬皮，但改用热轧钢，则加工性可得到改善。 练习与思考 1. 什么是工件材料切削加工性？ 2. 用什么指标来衡量工件材料切削加工性？Kr的含义是 什么？ 3. 如何改善工具钢的切削加工性？
v60——某种材料其耐用度为60min时的切削速度； vB60——切削45钢(σ b=0.735Gpa)，耐用度为60min时的
切削速度。 相对切削加工性及其分级见表3-1。切削加工性的 好坏，还可用切削时的切削力、加工表面粗糙度和断屑的 难易程度等指标来衡量。
课题1 工件材料的切削加工性
表3-1 加工性 等级 1 2 3 4 5 6 7 8 难切削的材料 相对切削加工性及其分级 相对切削 加工性Kr >3.0 2.5~3.0 1.6~2.5
课题1 工件材料的切削加工性
2. 化学成分 就材料化学成分而言，增加钢的含碳量，强度、硬 度提高，塑性、韧性下降。显然，低碳钢切削时变形大， 不易获得高的加工表面；高碳钢切削力太大，切削困难； 中碳钢介于两者之间，有较好的切削加工性。增加合金元 素会改变钢的切削加工性，如锰、硅、镍和铬等都能提高 钢的强度和硬度。石墨的含量、形状、大小影响着灰铸铁 的切削加工性。促进石墨化的元素能改善铸铁的切削加工 性，如碳、硅、铝、铜和镍等；阻碍石墨化的元素能降低 铸铁的切削加工性，如锰、磷、硫、铬和钒等。
课题2 已加工表面质量
三、相关知识
(一) 已加工表面粗糙度
表面粗糙度主要是由刀具的形状及切削过程中塑性 变形和振动等因素引起的，它是指已加工表面的微观几何 形状误差。一般可看成由理论粗糙度和实际粗糙度叠加而 成。
课题2 已加工表面质量
【知识链接】 表面粗糙度对配合工件的配合性质、 摩擦副与摩擦面的磨损、工件的耐腐蚀性及工件的疲劳强 度等将产生重要影响，是表面质量中一项非常重要的指标。 减小表面粗糙度有利于保证配合工件的配合性质、有利于 提高工件的耐腐蚀性、有利于提高工件的抗疲劳破坏能力， 适当的表面粗糙度有利于提高工件的耐磨性。表面粗糙度 等级用轮廓算术平均值Ra、微观不平度十点高度Rz或轮廓 最大高度Ry的数值大小表示。按国家标准规定，优先采用 轮廓算术平均值Ra的大小来表示。
(2) 用圆头刀加工时，残留层的高度Ry的具体求解 公式如下。
f Ry 8r
Ry 4
2
（3-4）
相应的轮廓算术平均值Ra的具体求解公式如下。
Ra
（3-5）
课题2 已加工表面质量
【例3-1】 用一把尖头车刀( =75°， =10°) 和一把圆头车刀(r=1mm)，以同样的f(f=0.2mm/r)来车削 外圆，分别求出其工件上残留层的高度。 解：尖头车刀 0.2 Ry 0.0337mm cot 75 cot10 圆头车刀