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机械制造工艺基础

机械制造工艺基础知识点

第一章金属切削加工基础知识

一、切削加工基本概念

1、成形运动（切削运动）是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运动。成形运动（切削运动）包括主运动和进给运动。

2、主运动是指直接切除工件上的切削层，形成已加工表面所需的最基本

运动。一般来讲，主运动是成形运动中速度最高、消耗功率最大的运动，机床的主运动只有一个。

3、进给运动是指不断地把切削层投入切削的运动，以加工出完整表面所需的运动。进给运动可能有一个或几个，通常运动速度较低，消耗功率较小。

4、切削过程中，工件上形成三个表面

1）待加工表面——将被切除的表面；

2）过渡表面——正在切削的表面；

3）已加工表面——切除多余金属后形成的表面。

5、切削用量三要素

1）切削速度v c

切削刃上选定点在主运动方向上相对于工件的瞬时速度。

2）进给量f

在进给运动方向上，刀具相对于工件的位移量，称为进给量。

3）背吃刀量a p

背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的切削深度。

6、成形运动简图

7、切削层尺寸要素

(1)切削层：刀具切过工件的一个单程，或只产生一圈过渡表面的过程中所切除的工件材料层。

(2)切削层尺寸平面：通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。

(3)切削层尺寸要素

①切削厚度 :指在切削层尺寸平面内，沿垂直于切削刃方向度量的切削层尺寸。

②切削宽度：指在切削层尺寸平面内，沿切削刃方向度量的切削层尺寸。

③切削面积：是指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面面积。

二、刀具角度

1、车刀的组成

三个刀面：前面、主后面、副后面

两个切削刃：主切削刃、副切削刃

一个刀尖

2、辅助平面

1）基面：过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。

2）主切削平面：过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面。

3）正交平面：通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平

面的平面。

3、车刀的标注角度

（1）前角0

在正交平面中测量，是刀具前面与基面之间的夹角。

（2）主后角0

在正交平面中测量，是刀具主后面与主切削平面之间的夹角。

（3）主偏角r

在基面中测量，主切削刃在基面上的投影与进给方向之间的夹角。（4）副偏角'r

在基面中测量，副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向之间的夹角。

（5）刃倾角s

在主切削平面中测量，是主切削刃与基面之间的夹角。

4、刀具材料的选用

（1）对刀具切削部分材料的基本要求①高的硬度：刀具材料的硬度必

须高于工件材料的硬度，刀具材料的室温硬度一般要求在 60HRC 以上。

②高的耐磨性：耐磨性高，抗磨损能力强。一般刀具材料硬度越高，耐

磨性越好。③高的热硬性：即在高温下仍能保持较高硬度的性能。一般

用热硬性温度表示，热硬性温度是指能保持刀具切削性能所允许的最高

温度。热硬性温度越高，刀具材料所允许的切削温度越高。

④足够的强度和韧性

⑤较好的工艺性

（2）常用的刀具材料

1、碳素工具钢与合金工具钢

碳素工具钢淬火后具有较高的硬度，而且价格低廉。但这种材料的

耐热性较差，淬火时容易产生变形和裂纹。

合金工具钢是在碳素工具钢中加入少量的 Cr 、 W 、 Mn 、 Si 等合金元素形成的刀具材料（如 9SiCr ）。由于合金元素的加入，与碳素工具钢相比，其热处理变形有所减少，耐热性也有所提高。

2、高速钢

高速钢具有较高的耐热性，其许用切削速度为 30～50m/min ，是碳素工具钢的 5～ 6 倍，而且它的强度、韧性和工艺性都较好，可广泛用于制

造中速切削及形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、各种齿轮加工

工具。

3、硬质合金

它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（ WC ， TiC ）为基体，以金属Co， Ni 等为粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金。其硬度为

HRC74 ～82，能耐 800～ 1000o C 的高温，因此耐磨、耐热性好，许用切

削速度是高速钢的 6 倍，但强度和韧性比高速钢低，工艺性差，因此硬质

合金常用于制造形状简单的高速切削刀片，经焊接或机械夹固在车刀、刨

刀、端铣刀、钻头等刀体（刀杆）上使用。

4、陶瓷

陶瓷的硬度高，化学性能高，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加

工中。但由于其强度低、韧性差、长期以来主要用于精加工。

陶瓷刀具与于传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：可加工硬度高

达 HRC65 的高硬度难加工材料；可进行扒荒粗车及铣、刨等大冲击间

断切削；耐用度可提高几倍至几十倍；切削效率提高 3～10 倍，可实现以车、铣代磨。

5、立方氮化硼（CBN ）

既能胜任淬硬钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热

喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。

6、金刚石

具有很高的耐磨性，其摩擦系数小，切削刃可以做得非常锋利。但

人造金刚石的热稳定性差，不得超过 700～ 800o C，特别是它与铁元素的化学亲和力很强，因此它不宜用来加工钢铁件。人造金刚石主要用作制

作模具磨料，用作刀具材料时，多用与在高速下精细车削或镗削有色金

属及非金属材料。尤其用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及高

硬度、高耐磨性的材料时，具有很大的优越性。三、切削的形成过程

1、切削过程也是切屑的形成过程，其实质是一种挤压过程。在挤压过

程中，被切削的金属主要经过剪切滑移变形而形成切屑。

当与切削速度方向呈一定夹角的 OA 晶面上（约 45o）产生的切应力达到材料的屈服强度时，开始剪切滑移产生塑性变形。

OE 位置时，应力、应变达到最大值。

2、变形区

（1）第 I 变形区或基本变形区： OA 与 OE 之间是切削层的塑性变形区，变形量最大。

（2）第 II 变形区：切屑沿前刀面流出时会进一步受到挤压和摩擦而又一

次发生塑性变形。

（3）第 III 变形区：由于刀具磨损，已加工表面会受到后刀面的强烈挤

压和摩擦而发生塑性变形。

3、切屑的种类

a)带状切屑：切屑延续成较长的带状，接触的面很光滑，背面呈毛茸状。

b)节状切屑：切屑的背面呈锯齿形，底面有时出现裂纹。

c)粒状切屑：切屑切离成单元切屑。

d)崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。

4、积屑瘤※

（1）定义：在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时，往

往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。

（2）形成

切屑塑性材料时，在一定的温度和压力作用下，与刀具前面接触的

切屑底层受到很大的摩擦阻力，使这层金属的流动速度低于切屑上层的

流动速度，形成一层很薄的滞留层。当刀具前面对滞留层的摩擦阻力超

过切屑本身分子间的结合力时，滞留层的部分金属就会粘附在切屑刃附

近，形成楔形的积屑瘤。

（3）对切屑过程的影响