金属切削原理 第二版 华中科技大学 陈日曜主编 第1-48页word版

1、绪论绪论一、本课程的性质和任务一、本课程的性质和任务金属切削原理是研究金属切削加工的一门技术科学。材料的切削加工是用 一种硬度高于工件材料的单刃或多刃刀具，在工件表层切去一部分预留量，使 工件达到预定的几何形状、尺寸准确度、表面质量以及低加工成本的要求。切 削过程牵涉到刀刃前端工件材料的大塑性变形（剪切应变约为 28） 、高切削温 度（可达或超过 1000） 、新鲜的具有化学敏感性的切出表面、刀具以及加工 表面的相当高的机械应力和热应力和刀具的磨损或破损2。因此，这门科学与 金属物理学、金属工艺学、力学、热学、化学、弹塑性理论、工程数学、计算 技术、电子学和生产管理与经济学等有着密切的联系。根据“机械制造工艺与设备专业”教学计划及本课程教学大纲的规定6， 本课程是一门专业基础课。它为这一专业的培养目标即培养机械制造方面的工 程师服务，并为本专业的后续课程如“金属切削刀具” 、 “金属切削机床” 、 “机 械制造工艺学”和其他专业选修课等以及专业课课程设计、毕业设计提供必要 的基础知识。学生通过本课程的教学、实验、并配合生产实习，应达到下列要求：在基本理论方面，掌握金属切削及磨削过程中切

2、削变形，切削力，切削热 及切削温度，刀具磨损、破损以及砂轮磨损的基本理论与基本规律。在基本知识方面，掌握常用刀具材料的种类、性能及其应用范围；掌握材 料加工性及加工表面质量的评定标志、影响因素和提高加工性及加工表面质量 的主要措施等知识；掌握切削用量的选用原则，并初步了解切削液的种类、作 用和选用。在基本技能方面，应具有根据加工条件合理选择刀具材料、刀具几何参数 的能力；应具有根据加工条件，和用资料、手册及公式，计算切削力和切削功 率的能力；应具有根据加工条件，从最大生产率或最低加工成本出发，合理选 择切削用量的能力；应初步具有利用常用仪器设备进行切削变形、切削力、切 削温度、刀具磨损和砂轮磨损等测试的技能，并具有对实验数据进行处理和分 析的能力。此外，还应初步了解国内外在金属和非金属切削（磨削）方面的新成就和 发展趋势，对国内切削加工的生产实践有一定的了解，有初步的对生产上提出 的切削加工问题进行试验研究的能力。二、切削加工的地位、种类和发展二、切削加工的地位、种类和发展金属的机器零件可能经过的加工方式3可分塑性加工、加热加压成形加工、机械加工、高能加工、电及化学加工等几大类。塑性加

3、工又可分热锻加工 （Forging） 、轧压加工（Rolling） 、冷拔加工（Drawing） 、挤压加工（Extrusion） 、 冷锻加工（Cold Forging） 、剪切加工（Shearing）和弯曲加工（Bending） 。加热 加压成形加工又可分铸造（Casting） 、模型铸造（Die Casting） 、注入成形 （Injection Moulding） 、焊接（Welding） 、摩擦焊（Friction Welding） 、钎焊 （Brazing） 、金属喷镀（Metalizing） 、粉末冶金（Powder metallurgy） 。机械加 工又可分为用刀具加工切削加工（Cutting） ，用磨料加工和液压喷射加工 （Hydrojet Machining）用磨料加工还可分为磨削（Grinding） 、珩磨（Honing） 、 超精加工（Superfinishing） 、研磨（Lapping） 、抛光（Buffing） 、滚筒加工 （Barrel Finishing） 、超声波加工（Supersonic Machining）和喷射加工（ blasting） 。高能

4、加工可分为火焰切割（Flame Cutting） 、等离子加工（ Plasma machining） 、放电加工（Electrical Discharge machining）电子束加工 （Electrochemical machining） 、电解抛光（Electrolytic Polishing） 、电镀 （Plating） 、电铸（Electroforming） 、化学加工（Chemical Machining）和化学抛 光（Chemical Polishing）等。在上述各种加工方法中机械加工中的切削加工和磨削加工，在机械制造过 程中所占比重最大，用途最广，属于本课程的研究范围。目前机械制造中所用 工作母机有 80%90%仍为金属切削机床。日本近年来每年消费在与切削加工有 关的费用超过 10000 亿日元3；美国每年消耗在切削加工方面的费用近年达 1000 亿美元2。在工业发达国家中，国民经济中创造物质财富部分1，制造业 占 2/3；而其它如农业、林业、渔业、矿业和建筑业等共占 1/3。在各种制造业 中，机械制造业占着主导地位；而且各个经济部门都必须有相当的机械制造力 量。由上

5、面所列数据可知：机械制造业的切削加工在国民经济发展中处于十分 重要的地位。切削加工方法的种类很多，例如可分端面车削、外圆车削、立车加工、锥 度车削、成形车削、螺纹车削、切槽、切断、套螺纹、镗孔、内螺纹车削、在 车床上钻孔、铰孔、攻螺纹，龙门刨或牛头刨刨削，插削，拉削，在钻床上钻 孔、锪孔，锯削，端铣刀铣削、棒铣刀铣削、盘铣刀铣削、成形铣削和齿轮展 成切削等等。其实，不同的切削加工方法使用着不同形状和结构的刀具，而且 刀具、工件和机床间的运动关系和所用机床设备等也有所不同；比较常用的主 要切削加工方法是：（1）制作圆柱形表面的车削加工；（2）制作平面和复杂 几何型面的铣削和刨削加工；（3）制作圆孔的钻削、镗削和铰削加工和（4） 各种形式的磨削加工。本课程将介绍带有共性的切削加工的一般规律。影响切 削加工的主要因素有：刀具的性能和刀具的磨损或破损，工件材料的特性包括 硬度、强度和加工性等，对加工表面粗糙度、精度和加工表面状态的要求，机 床的性能（包括型号规格、功率、刚度等）和与加工有关的成本或经济效益。 这些问题，在本课程中都会接触到。人类的文明是随着生产工具的发展而发展的。我们的祖先曾经

6、经历过石器 时代、铜器时代和铁器时代，在历史上也曾经有过作为刀具使用的石器、铜器 和铁器。根据历史记载，我国在商代已采用各种青铜工具如刀、钻等；在公元 前 8 世纪的春秋时代，已采用锯、凿等铁制工具；在 1668 年已使用过马拉铣床 和脚踏砂轮机5。18 世纪 60 年代，英国 James Watt 发明了蒸汽机，1775 年 J. Wilkinson 研制成了加工蒸汽机汽缸的镗床，这是英国的第一部机床。1818 年 美国 Eli Whitney 发明了铣床。在 1865 年巴黎国际博览会前后，各式车床、镗 床、刨床、插床、齿轮机床和螺纹机床等就相继出现。1851 年法国 Cocquilhat 研究了钻削石头、铜、铁时所需的功。1864 年法国 Jessel 研究了刀具几何形状 对切削力的影响。18701877 年俄国的 A.TMe 研究了切屑的形成和切屑的 种类。19061907 年美国 F.W.Taylor 发表了“关于金属切削技术”及刀具耐用 度与切削速度的关系式。这些是金属切削方面主要的早期研究成果。应指出：杜会生产力的发展对机械制造业不断提出了提高劳动生产率、提 高加工质量和

7、降低加工成本的要求。这一要求和新的加工材料的出现促进了刀 具材料的发展。自 1780 年至 1898 年期间，刀具材料主要用碳素工具钢和合金 工具钢，切削速度一般为 612m/min。1898 年 Taylor 和 White 发明了高速钢， 切削速度可较前提高 2 至 6 倍，1927 年德国出现了Widia 牌硬质合金，其切削速度又比高速钢刀具提高 25 倍。1932 年美国 出版了切削用量手册，1950 年前后前苏联先后出版了高速钢切削用量手册和高 速切削用量手册。1960 年以后，高强度、高抗磨损性、高抗腐蚀性、低热传导、 高抗高温性的难加工材料相继出现。许多新的刀具材料如变型硬质合金，单晶 金刚石，各种 TiC、TiN、Al2O3、HfC 或 HfN 涂层硬质合金刀具及陶瓷刀具和 各种新型磨料如立方氮化硼等也相继出现，使刀具耐用度、砂轮耐用度和切削、 磨削速度有更大幅度地提高，出现了高速切削、高速磨削、强力磨削，在加热 或冷冻情况下的强力磨削。在飞机制造业中已突破了切削热的限制，实现了超 高速切削。在非传统的加工方法方面，1947 年前苏联 Lazarenko 和美国 Wil

8、liams 发明了放电加工（EDM）法。随后各国又发展了电化学加工（ECM） 、 化学加工、超声加工、电子束加工等离子加工、激光束加工、水柱喷射加工、 爆炸成形、放电成形、电磁成形等1。新型工程材料的出现和发展必然产生巨 大影响；可以看到，将来在传统的切削加工方法在新型材料的切削机理、微电 子技术在切削加工中的应用和提高制造精度上不断取得进展的同时，以微电子 技术及信息自动化技术的应用为基础的各种复合加工工艺也必然有很大的发展。从历史上看，有代表性的切削加工机床和测量仪器的可达精度和发展简况 如图 0-1 所示。图 0-1 各种切削加工机床和测量仪器的可达精度及发展简况我国自 1949 年解放以来，各高等工科院校相继进行了金属切削和刀具方面 的科学研究；机械工业部建立了工具研究所、机床研究所和磨料、磨具、磨削 研究所，进行了有组织的科研工作；在 1963 年、1979 年和 1982 年第一届、第 二届和第三届全国机械加工学会年会上，在 1963 年广州举行的第一届高等工科 院校校际金属切削学术讨论会上，在 1981 年 5 月成立的中国高校金属切削研究 会成立大会上，共先后宣读了切削

9、和刀具方面的论文约 200 篇以上；1983 年又 在广州举行了第一届国际金属切削会议，宣读和讨论了科研论文 20 篇，其中由 我国国内人员提出的有 13 篇，香港地区 2 篇，国外学者提出 5 篇。其后此一国 际会议每两年开会一次，且研究内容不断扩大。建国以来，我国机械制造业的 发展比较迅速，切削速度已由解放前用碳素工具钢刀具的 10m/min 左右提高到 目前用硬质合金刀具的 100m/min 以上，高速切削及磨削、强力切削及磨削和 先进刀具及磨具得到推广。工人同志在刀具方面的创造发明例如“群钻”等的 出现及其不断改进，促进了我国机械制造业的发展，也得到国际上的好评。在 金属切削和磨削理论，积屑瘤和鳞刺，精密加工表面质量，难加工材料的加工， 新型刀具材料和磨料的研制及其切削磨削性能研究，以及刀具磨损及破损等方 面，均取得相当显著的研究成果；在刀具材料、刀具品种和质量方面，有些已 跃入世界先进行列。近年来，我国培养的机械制造专业博土生日益增多，在切 削、磨削方面，取得了不少达到世界水平的成果。可以预期，随着我国科技现 代化进程中新兴技术的应用的扩大，我国的金属切削学科必然将有更加蓬勃的 发展。如所周知，金属切削机床的数控化和柔性化，和集成制造系统的研究和应 用是现代机械制造的发展方向；亚微米级精密加工和超高速切削也将日益受到 重视。因此，可以认为，切削机理及技术的研究可能将伴随着材料科学、人工 智能科学的发展以及信息和自动化技术对传统机械制造业的改造而日益取得丰 硕成果。参考文献参考文献1 中国机械工程学会秘书处编.机械学会动态（第 113 期）北京：中国机 械工程学会，19822 Komandurir.， Desai JD.， Tool Materials for Machining. Aug， 19823 日竹山秀彦，切削加工.韩步愈译，咸阳：机器制造学校，19824 Tnshoff H-K， Fertigungstechnische Forschungein Faktor zur Zukunftssicherung. IFW Kolloquium Mai. 19805 陶乾.金属切削原理.北京：高等教育出版社，19576 机械制造工艺与设备专业教学指导委员会.金属切削原

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