第四章 材料切削加工基础1

第四章 材料切削加工基础 MaterialRemoved Fundament 4.1金属切削加工概述

4．1．1 金属切削加工的特点及应用

金属切削加工（切屑的形成）-是利用切削刀具与工件的相对运动，从工件（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得符合一定质量要求的零件的加工过程。

基本加工方法-车、铣、刨、磨、钻等，另外还有电火花、超声波、激光、等离子等特种加工方法。一般所讲的切削加工多指的是基本的机械加工。

切削加工的地位-切削加工在机器制造中所担负的工作量，约占机器制造总工作量的40%~60%。切削加工的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。

4．1．2 零件的加工精度和表面粗糙度 1．加工精度

加工精度是指工件加工后，尺寸、形状和位置等参数的实际数值同它们绝对准确的理论数值之间相符合的程度。相符合的程度越高，也就是说加工误差越小，加工精度越高。加工精度主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度。

（1）尺寸精度

尺寸精度-指加工后的零件的尺寸与理想尺寸相符合的程度。尺寸精度包含两个方面：一是表面本身的尺寸精度，如园柱面的直径；另一是表面间的尺寸精度，如孔间距。

尺寸公差-在保证零件使用要求的前提下，应允许尺寸有一定的变动，尺寸允许变动的最大范围即为尺寸公差。公差越小，则精度越高。国家标准GB/T1800.2~1998规定，标准公差分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2、…、IT18表示。其中IT 表示公差，数字表示等级。IT01的公差值最小，精度最高。其它的各等级中，数字越大，则公差等级越高，相应的精度也就越低。一般IT01~IT13用于配合尺寸，其余的用于非配合尺寸。 （2）形状精度

形状精度是指零件上的各形状要素与理想形状要素的符合程度。当零件的尺寸精度满足要求时，并不意味着其形状也符合要求。如加工一个01.025-Φ的轴，其实际尺寸为24.95，符合精度要求。但轴的某一截面的实际形状不是理想的圆形，故其形状不一定满足要求。关于形状误差方面，其表达符号及相应的含义详见表4-3

表4-3 形状公差

（3）位置精度

位置精度是指零件上的表面、轴线等的实际位置与理想位置相符合的程度。零件加工时应允许有一定的误差，国家标准GB/T1182-1996、GB/T4249-1996、GB/T16671-1996规定了3类共8种标准位置公差，其表达符号及相应的含义详见表4-4。

2．表面粗糙度

无论用何种方法加工，在零件表面总会留下微细的凹凸不平的刀痕，出现交错起伏的现象。粗加工后的表面用肉眼就能看到，精加工后的表面用放大镜或显微镜仍能观察到。表面上微小峰谷间的高低程度称为表面粗糙度，也称微观不平度。

国家标准GB/1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数和评定参数允许数值系列。常用参数是轮廓算术平均偏差R a 和微观不平度十点高度R z ，其含义分别见图4-1、图4-2。

⎰=l a dx x y l R 0|)(|1 或近似地 ∑==n

i i a y n R 1

||1

)(515

151

∑∑==+=i i vi pi z y y R

⎰=l a dx x y l R 0|)(|1 或近似地 ∑==n

i i a y n R 1

||1

)(515

151

∑∑==+=i i vi pi z y y R

表面粗糙度对零件的疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性、配合性能等方面均有很大影响。表面粗糙度的值

越小，零件的表面质量越高，但零件的加工也越因难，加工成本也越高。因此在设计零件时，应根据实际情况合理选用，即在满足技术要求的条件下，尽可能选用较大的值。表4-5列出了不同加工方法所能达到的表面粗糙度，供选用时参考。

y y p 1 图4-1 轮廓算术平均偏差

图4-2 微观不平度十点高度

R a

y x x

y p 1

y p 2

y p 3

y p 4

y p 5

y v 5

y v 4

y v 3

y v 2

y v 1

表4-5 表面粗糙度选用举例

4．1．3切削用量及选用

1．切削要素

切削要素包括切削用量三要素和切削层几何参数。

切削用量三要素-指切削速度v c、进给量f、背吃刀量a p，其数值的大小反映了切削运动的快慢和刀具切入工件的深浅。

切削速度v c —切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为m/s 。 若主运动为旋转运动（图2-1），切削速度一般为其最大线速度。计算公式为：

1000

Dn

v c π=

（m/s ）

式中 D — 工件待加工表面的直径或刀具的最大直径（㎜） n — 主运动的转速（r/s ） 若主运动为往复直线运动（图2-2），则以其平均速度为切削速度，其计算公式为： 1000

ln 2r

c v =

（m/s ） 式中 l – 往复运动行程长度（㎜） r n –主运动每秒往返次数（str/s ）

● 进给量f — 工件或刀具运动的一个循环（或单位时间）内，刀具在进给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和度量

例如车削时（图2-3），工件每转一转，车刀沿工件轴线方向移动的距离即为进给量，单位为㎜/r ，称为每转进给量。

刨削时，刀具每往复一次，工件移动的距离即为进给量，单位为㎜/str ，称为每行程进给量。铣平面时，铣刀每转一齿或一分钟，工件沿进给方向移动的距离，分别称为每齿进给量（㎜/z ）、每分钟进给量（㎜/min ）。 ● 背吃刀量a p —如图2-3所示，车外园时，工件在切削加工过程中形成了三个表面，分别为：待加工表面（工件上即将被切削的表面）、已加工表面（工件上已切去切屑后留下的表面）、加工表面（工件上正被切削刃切削的表面，也就是待加工表面与已加工表面间的过渡表面）。待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，即为背吃刀量，单位为㎜。a p 值的大小直接影响主切削刃的工作长度，反映了切削负荷的大小。

对于外园车削来说

2

d

D a p -=

式中D 、d 分别为工件待加工表面直径与已加工表面的直径。

切削层-切削时，切削刃正在切削的这层金属。其几何参数指切削厚度、切削宽度、切削面积，见图2-3。

● 切削厚度h D — 刀具或工件每移动一个进给量的距离后，刀具切削刃相邻两个位置间的垂直距离，单位为㎜。车外园时，r D K f h sin .=（㎜）

● 切削宽度b D — 沿主切削刃所量得的待加工表面与已加工表面间的距离，即切削刃与工件接触的长度，单位为㎜。车外园时，r p D K a b sin /=（㎜）

● 切削面积A D — 垂直于主运动方向上切削层的截面面积，即背吃刀量和进给量的乘积，或切削宽度与切削厚度的乘积，单位为㎜2。车外园时，A D =b D ×h D =a p ×f(㎜2)。

2. 切削用量的选择原则

粗加工阶段：以提高生产率为主，因此应尽可能多地切除加工余量，在选择合理的刀具耐用度后，把背吃刀量选得大些，其次选择较大的进给量，最后确定合适的切削速度；对于有硬皮的铸件、锻件的第一刀加工，其背吃刀量应大于硬皮厚度；

精加工阶段：为保证工件获得需要的尺寸精度和表面粗糙度，应选择较小的进给量和背吃刀量，较高的切削速度。只有在受到刀具等工艺条件限制不能使用较高切削速度时，才考虑选用较低的切削速度。 ● 背吃刀量的选择：不论是粗加工还是精加工，最佳方法是一次走刀就能完成切削加工。但当切削余量

较大时，切削力较大，这时就会由于机床功率、刚度、刀具强度等方面的不足而无法一次完成。因此，