金属切削是什么？

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金属切削加工是用刀具从工件上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件的加工过程。实现这一切削过程必须具备三个条件：工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；刀具材料必须具备一定的切削性能；刀具必须具有适当的几何参数，即切削角度等。金属的切削加工过程是通过机床或手持工具来进行切削加工的，其主要方法有车、铣、刨、磨、钻、镗、齿轮加工、划线、锯、锉、刮、研、铰孔、攻螺纹、套螺纹等。其形式虽然多种多样，但它们有很多方面都有着共同的现象和规律，这些现象和规律是学习各种切削加工方法的共同基础。?
1.1.1 切削运动及切削用量?
1.零件表面的形成?
各种切削加工的目的都是为了得到合乎要求的零件表面。因此，零件表面的形成问题是切削加工的基础问题。常见的零件表面有以下几种：?
(1)圆柱面 是以直线为母线，以和它相垂直的平面上的圆为轨迹，作旋转运动所形成的表面。?
(2)圆锥面 是以直线为母线，以圆为轨迹，且母线与轨迹平面相交成一定角度作旋转运动所形成的表面。?
(3)平面 是以直线为母线，以另一直线为轨迹作平移运动所形成的表面，如图5.1(c)所示。
(4)成形面 是以曲线为母线，以圆为轨迹作旋转运动或以直线为轨迹作平移运动所形成的表面,此外，其它较为复杂的表面可以用上述各表面组合而成。
2.切削运动?
在金属切削加工中，为了切除多余的金属，刀具和工件间必须有相对运动--切削运动。 外圆车削加工中常见的加工方法，如图5.2所示：工件旋转，车刀作连续纵向直线进给运动，于是形成工件的外圆柱表面。在其它切削加工方法中，刀具和工件也同样必须完成一定的切削运动。通常，切削运动包括主运动和进给运动。
(1)主运动 主运动是由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，使刀具接近工件，产生切削。通常主运动的速度最高，消耗的功率最大。主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成，它是刀具与工件之间主要的相对运动。如图5.2所示，工件的回转运动是主运动。
(2)进给运动 进给运动是由机床或人力提供的运动，它使刀具和工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可连续地或间断地切除多余材料，获得已加工表面。进给运动的速度较低，消耗的功率较小。进给运动可以是步进的，也可以是连续进行的。车削时车刀的纵向移动和横向移动是进给运动。
在这两个运动的合成作用下，工件表面的一层金属不断地被刀具切下来并转变为切屑，从而加工出所需要的工件新表面。在新表面的形成过程中，工件上有三个依次变化着的表面，即待加工表面、过渡表面和已加工表面。
3.切削用量?
在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素。
(1)切削速度（vc）切削速度指切削加工时，刀刃上选定点在工件的主运动方向上相对于工件的瞬时速度。大多数切削加工的主运动采用回转运动，车削时其切削速度为：?
vc=πdn/1000(m/s或m/min) (5.1)?
式中 d--工件或刀具上某一点的回转直径(mm)??
n--工件或刀具的转速(r/s或r/min)?
由于切削刃上各点相对于工件的旋转半径不同，因而刀刃上各点的切削速度也不同，在计算时应取最大的切削速度。外圆车削时计算待加工表面上的速度，内孔车削时计算已加工表面上的速度，钻削时计算钻头外径处的速度。?
(2)进给量（f） 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r。进给速度(vf)是单位时间内的进给量，单位是mm/s(mm/min)。进给量的大小反映了进给速度的大小。车削时进给速度vf为：?
? vf=n·f(mm/min) (5.2)?
(3)背吃刀量（ap）背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm.?
外圆柱表面车削的背吃刀量为：?
? ap=（dw-dm)/2(mm) (5.3)?
钻孔加工的背吃刀量为：?
? ap=dm/2(mm) (5.4)?
式中dm--已加工表面直径(mm);?
? dw--待加工表面直径(mm)。
4.切削层参数?
切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。仍以外圆车削为例，切削层就是工件每转一周，切削刃所切下的一层材料。切削层参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度量，它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。
(1)切削厚度?垂直于加工表面度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。它是刀具或工件每移动一个进给量f，刀具主切削刃相邻两个位置间的垂直距离。在外圆纵车时：?
hD=f·sinkr? (5.5)?
式中kr--车刀主切削刃与工件轴线之间的夹角。?
(2)切削宽度?沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。它是刀具主切削刃与工件实际接触的长度。在外圆纵车时：?
bD=ap/sinkr? (5.6)?
(3)切削面积?工件被切下的金属层在垂直于主运动方向上的截面面积，称为切削面积，以AD表示。对于车削来说，它是背吃刀量和进给量的乘积或是切削宽度和切削厚度的乘积：? AD=ap·f= bD·hD? (5.7)?
1.1.2 刀具材料及刀具结构?
1.刀具材料?
在切削过程中，刀具直接完成切除余量和完成已加工表面的任务。刀具切削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。通常情况下，刀具材料的重要性居于首位，它对刀具耐用度、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。?
1）对刀具材料的基本要求?
(1)高硬度，常温硬度应在60HRC以上；?
(2)足够的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动；?
(3)高耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间；?
(4)较高的耐热性(又称为红硬性或热硬性)，即在高温下仍能保持较高硬度的性能；?
(5)较好的工艺性，以便于制造各种刀具。?
实际上在选择刀具材料时，很难找到上述几方面性能都是最佳的，因为材料性能之间往往相互矛盾。如硬度高，韧性就低；耐磨性好，则可磨削性就差等。?
2）常用的刀具材料?
目前常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢因耐热性较差，仅用于手工工具及切削速度较低的刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼等仅用于特殊场合。用得最多的材料是高速钢和硬质合金。
(1)高速钢 高速钢是在碳素工具钢中加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素所构成的高合金工具钢。其强度和冲击韧度较好，具有一定的硬度和耐磨性，刃磨后切削刃锋利，耐热性在600～700℃。按照用途的不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。在工厂中，高速钢亦被称为"风钢"或"锋钢"，磨光的高速钢亦被称为"白钢"。我国最常用的高速钢牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V3等。?
(2)硬质合金 硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物的粉末和金属粘结剂在高压下成形后，在高温下烧结而成的粉末冶金材料。其硬度、耐磨性、耐热性都很高，许用的切削速度远远超过高速钢，加工效率高，能切削诸如淬火钢一类的硬材料，因而被广泛用做刀具材料。ISO标准将切削用硬质合金分为P、K、M三类。
2.刀具结构?
1）刀具切削部分的结构要素?
金属切削刀具的种类很多，各种刀具的结构大不相同。不论刀具结构如何复杂，但它们切削部分的几何形状大致相同，都是以普通外圆车刀切削部分的几何形状为基本形状，如图5.4所示。?
刀具切削部分的结构要素定义如下：?
(1)前刀面 切削时直接作用于被切金属层且切屑沿其排出的刀面；?
(2)后刀面 同工件上的过渡表面相互作用和相对着的刀面。与过渡表面相对的刀面是主后刀面，与工件上已加工表面相对的刀面是副后刀面；?
(3)切削刃 切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋，有主切削刃和副切削刃之分；?
(4)刀尖 刀尖可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是主、副两条切削刃连接起来的一小段过渡刃，它可以是圆弧，也可以是直线。?
2）刀具的结构形式?
刀具的结构形式对刀具的切削性能、切削加工的生产率和经济效益有着重要的影响。切削刀具的种类很多，形状多种多样，但其结构有共性。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成，如图5.4所示。车刀常用的结构形式有焊接式、整体式、机械夹固式。? 3）刀具角度?
刀具的角度可分为标注角度和工作角度两类。?
(1)刀具的标注角度 在设计和制造刀具时，图样上标注的角度、刃磨刀具时测量的角度统称为刀具的标注角度。?
这里我们仅以外圆车刀的标注角度为例作一下介绍。?
为了确定上述刀面和切削刃的空间位置，首先要建立起由三个辅助平面组成的坐标参考系，如图5.5(a)所示。并以它为基准，用角度值来反映刀面和切削刃的空间位置。
①辅助平面包括基面、切削平面和正交平面。?
基面 通过主切削刃上某一点，垂直于假定主运动方向的平面；?
切削平面 通过主切削刃上某一点，也与该点所在的过渡表面相切并垂直于基面的平面；
正交平面 通过主切削刃上某一点，同时垂直于基面和切削平面的平面。?
这三个辅助平面互相垂直。?
②标注角度 如图5.5(b)所示。?
前角γ0 在正交平面中，前刀面与基面之夹角；?
后角α0 在正交平面中，主后刀面与切削平面之夹角；?
主偏角κr 在基面上，主切削刃的投影与进给方向之夹角；?
副偏角κ′r 在基面上，副切削刃的投影与进给反方向之夹角；?
刃倾角λs 在切削平面中，主切削刃与基面之夹角。?
(2)刀具的工作角度 在实际切削加工时，由于车刀装夹位置和进给运动的影响，确定刀具角度坐标平面的位置将发生变化，使得刀具实际切削时的角度值与其标注角度值不同。这里我们就不再详细介绍了。?
1.1.3 金属切削过程?
金属切削过程就是刀具从工件表面上切除多余金属，从切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。要提高切削加工生产率，保证零件的加工质量，降低生产成本，必须研究金属切削过程的物理本质及金属变形规律。?
通过实验发现，切削过程中的各种物理现象都以切屑形成过程为基础，都与金属变形规律有关，所以切屑形成过程及其变化规律是研究金属切削过程的基础。?
1.切屑形成过程及种类?
1）切屑的形成?
切屑的形成过程如图5.6所示。当刀具和被切金属开始接触的最初瞬间，切削刃在与被切金属的接触线下挤压被切金属，使之产生弹性变形。随着切削运动的继续，刀具对被切金属的挤压作用加强，使被切金属的弹性变形及其应力逐渐增大，当应力达到被切金属材料的屈服强度σs时，被切金属在前刀面和切削刃的挤压作用下开始发生塑性变形，这种塑性变形也称为剪切滑移。随着切削运动的继续，被切金属的应力不断增大，当应力达到其强度极限时，被切金属(平行四边形CDEF)与基体分开成为一个切屑单元(平行四边形C′D′E′F′)。随着切削运动的继续，前刀面又挤压另一部分金属(BCFG)，使这部分金属重复上述过程成为一个切屑单元(B′C′F′G′)。若切削运动继续下去，被切金属就变成由若干个金属单元组成的一条完整的切屑了。?
2）切屑的种类?
由于切削条件不同，切屑的变形程度也不同，从而切屑形状也不同。归纳起来，可分为以下四种类型(图5.7)。
(1)带状切屑 它的内表面是光滑的，外表面是毛糙的，若在显微镜下观察其侧表面，可以看到许多剪切面的条纹，其内部应力还没有达到材料的强度极限，所以切屑延续很长呈带状。一般在加工塑性金属、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，易得到这种刀屑。形成带状切屑时，切削过程平稳，切削力波动很小，工件已加工表面粗糙度值小。
(2)节状切屑 这类切屑的外形与带状切屑的不同之处在于外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。一般在加工塑性金属、切削厚度较大、切削速度较低、刀具前角较小时，易得到这种切屑。形成挤裂切屑时，由于切屑局部断裂，切削力波动较大，切削过程欠平稳，工件已加工表面粗糙度值也较大。?
(3)单元切屑 如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被分离，于是形成了大致为梯形的单元切屑。一般在切削塑性金属、切削厚度大、切削速度低、刀具前角小时，易得到这种切屑。形成单元切屑时，切削力波动很大，切削过程不平稳，工件已加工表面粗糙度值大。在生产中应避免出现此种切屑。?
以上三种切屑中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状刀屑，有时得到挤裂切屑。?
(4)崩碎切屑 切削脆性材料时，由于材料的塑性很差且抗拉强度低，切削时，切削刃前方金属在塑性变形很小时就被挤裂或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑，它与工件母体分离的表面很不规则，已加工表面粗糙度值很大，切削力变化很大。工件材料越是硬脆，刀具前角越小，切削厚度越大时，越容易产生这种切屑。?
2.积屑瘤现象?
在一定的切削速度下切削诸如钢、球墨铸铁、铝合金等塑性金属时，常发现在刀具的前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这就是切削过程所产生的积屑瘤，或称刀瘤，如图5.8所示。?
1）积屑瘤的形成?
当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的"滞流层"。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘附在切削刃附近，形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度就会破裂而被切屑带走或嵌附在工件表面上。上述过程是反复进行的。?
2）积屑瘤对切削加工的影响?
积屑瘤在形成过程中，金属材料因塑性变形而被强化。因此，积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。同时，由于积屑瘤的存在，增大了刀具实际工作前角，使切削轻快。所以，粗加工时，希望产生一定的积屑瘤。但是，积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断的产生和脱落，使实际背吃刀量和切削厚度不断变化，影响尺寸精度，并会导致切削力的变化，引起振动；还会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，使表面变得粗糙。因此，精加工时，应尽量避免积屑瘤产生。?
3）积屑瘤的控制?
根据积屑瘤的变化规律，可以通过控制切削速度，即尽量使用很低或很高的切削速度，来避开产生积屑瘤的速度范围，这是降低表面粗糙度值的好方法。减少切削厚度，即采用少的进给量，一般可以减小刀屑接触的面积，从而能减少积屑瘤。使用高效率切削剂、降低刀具表面粗糙度值、减少磨擦，或增大前角、减少刀屑接触面积和减少变形，这些都可以减少或消除积屑瘤。工件材料硬度太低、塑性过高时，可进行预处理或进行热处理提高硬度，以减少积屑瘤。


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