⚙️ 机械加工基础理论要素

1. 表面形成基础

发生线定义

母线和导线统称为形成表面的发生线。

形成发生线的方法（四种基本成型法）

成型法：利用成形刀具对工件进行加工。
轨迹法：利用刀具做一定规律的轨迹运动来对工件进行加工。
展成法：利用工件和刀具作展成切削运动的加工方法。
相切法：利用刀具边旋转边做轨迹运动来对工件进行加工。

展成法与相切法的区别

区别点：刀尖的运动轨迹不同。
展成法
- 刀具旋转速度和中心移动速度彼此关联，满足刀具与工件纯滚动特定关系。
- 刀刃上的一个点对工件上的对应点进行切削，是一一对应关系。
相切法
- 刀具旋转速度远大于其中心的移动速度。
- 刀刃上的一个点对工件上多个不同的点进行切削，不是一一对应关系。
关系：展成法可以看成相切法的一种特例。
表面成型运动
保证得到工件要求的表面形状的运动。

2. 机床分类与组成

机床运动类型
- 切削运动
- 辅助运动
  - 分度运动
  - 送夹料运动
  - 控制运动
  - 其他各种空程运动
按机床特性分类
- 按万能性程度
  - 通用机床
  - 专门化机床
  - 专用机床
- 按精度
  - 普通机床
  - 精密机床
  - 高精度机床
- 按自动化程度
  - 一般机床
  - 半自动机床
  - 自动机床
- 按重量
  - 仪表机床
  - 一般机床
  - 大型机床
  - 重型机床
- 按主要工作部件数目
  - 单刀机床
  - 多刀机床
  - 単轴机床
  - 多轴机床
- 按数控功能
  - 普通机床
  - 一般数控机床
  - 加工中心
  - 柔性制造单元等
机床组成部分
- 动力源部件
- 成型运动执行件
- 变速传动装置
- 运动控制装置
- 润滑装置
- 电气系统零部件
- 支承零部件
- 其他装置

3. 刀具分类与材料

按加工类型分类
- 切刀
  - 车刀
  - 刨刀
  - 插刀
  - 膛刀
- 孔加工刀具
  - 麻花钻
  - 中心钻
  - 扩孔钻
  - 铰刀
- 铣刀
- 拉刀
- 螺纹刀具
- 齿轮刀具
- 自动化加工刀具
按其他特性分类
- 按主切削刃多少：单刃刀具，多刃刀具。
- 按切削部分复杂程度：一般刀具，复杂刀具。
- 按尺寸关系：定尺寸刀具，非定尺寸刀具。
- 按切削部分构造：单一刀具，复杂刀具。
- 按结构关系：整体式刀具，装配式刀具。

常用刀具材料

表格总结

种类	牌号	硬度	维持切削性能的最高温度／${ }^{\circ} \mathrm{C}$	抗弯强度 $/ \mathrm{GPa}$	工艺性能	用途
碳素工具钢	T8A T10A T12A	$60 \sim 64 \mathrm{HRC}$ （ $81 \sim 83 \mathrm{HRA}$ ）	约 200	$2.45 \sim 2.75$ （ $250 \sim 280$ ）	可冷热加工成形，工艺性能良好，磨削性好，须热处理	只用于手动刀具，如手动丝锥、板牙、铰刀、锯条、锉刀等
合金工具钢	9 CrSi CrWMn等	$60 \sim 65 \mathrm{HRC}$ （ $81 \sim 83 \mathrm{HRA}$ ）	250～300	$2.45 \sim 2.75$ （ $250 \sim 280$ ）		只用于手动或低速机动刀具，如丝锥、板牙、拉刀等
高速钢	W18Cr4V W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al	$62 \sim 70 \mathrm{HRC}$ （ $82 \sim 87 \mathrm{HRA}$ ）	540～600	2．45～4．41 （ $250 \sim 450$ ）	可冷热加工成形，工艺性能好，须热处理，磨削性好，但高钥类较差	用于各种刀具，特别是形状较复杂的刀具，如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具、丝锥、板牙、刨刀等
硬质合金	钨钴类： YG3，YG6，YG8钨钴钦类： YT5，YT15，YT30	89～94HRA	$800 \sim 1000$	0．88～2．45 （90～250）	压制烧结后使用，不能冷热加工，多镶片使用，无须热处理	车刀刀头大部分采用硬质合金，铣刀、钻头、滚刀、丝锥等也可镶刀片使用。钨钴类加工铸铁，有色金属；钨钴钛类加工碳素钢、合金钢、淬硬钢等
陶瓷材料	$\mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3 \mathrm{Si}_3 \mathrm{~N}_4$	91～94HRA	＞1200	$0.441 \sim$ 0.833 （ $45 \sim 85$ ）	压制烧结后使用，不能冷热加工，多镶片使用，无须热处理	多用于车刀，性脆，适于连续切削
立方氮化硼	CBN PCBN	$7300 \sim$ 9000 HV			压制烧结而成，可用金刚石砂轮磨削	用于硬度、强度较高材料的精加工。在空气中达 $1300^{\circ} \mathrm{C}$ 时仍保持稳定
金刚石	PCD	10000 HV			用天然金刚石砂轮刃磨极困难	用于有色金属的高精度、低粗糙度切削， $700 \sim 800^{\circ} \mathrm{C}$ 时易碳化

碳素工具钢与和合金工具钢
- 碳素工具钢
  - 含碳量最高
  - 淬火后有较高硬度
  - 价格低廉
- 合金工具钢
  - 在碳素工具钢中加入少量合金元素
  - 热处理变形减少
  - 耐热性提高
- 制造手工工具和形状简单的低速刀具
高速钢
- 普通高速钢
- 高性能高速钢
  - 钴高速钢
  - 铝高速钢
  - 高钒高速钢
- 用于制造中速切削以及形状复杂的刀具
- 改善措施
  - 增加新元素
  - 用粉末冶金法制取高速钢
硬质合金钢
- 以高硬度,高熔点的金属碳化物为基体,以Co,Ni为粘结剂,用粉末冶金法制成的一种合金
- 常用于制造形状简单的高速切削刀片
- 改善措施
  - 调整化学成分,提高韧性
  - 细化合金晶粒,提高硬度和抗弯强度
陶瓷
- 加工硬度高
- 可进行大冲击间断切割
- 刀具寿命高
- 切削效率高
金刚石
- 优点
  - 摩擦系数低
  - 切削刃锋利
  - 导热性能好
  - 热膨胀系数低
- 缺点
  - 热稳定性差
  - 不能加工铁元件
立方氮化硼(CBN)
- 磨削性能优异
- 烧结性很差
- 粘结剂含量越高,硬度越低,韧性越高

4. 刀具几何结构与角度

外圆车刀切削部分的结构要素
- 前刀面
- 后刀面
- 副后刀面
- 主切削刃
- 副切削刃
- 刀尖
刀具的参考系
- 标注角度参考系（由主运动方向确定）
- 工作角度参考系（由切削运动方向确定）
构成标注角度参考系的参考平面
- 基面：过切削刃选定点垂直于主运动方向的平面。
- 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。
- 正交平面：通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。
- 法平面：通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。
- 假定工作平面：通过切削刃选定点平行进给方向并垂直于基面的平面。
- 背平面
几何参数（角度）及其测量平面
- 在正交平面内标注的角度
  - 前角 ($\gamma_o$)：前刀面与基面之间的夹角。
  - 后角 ($\alpha_o$)：后刀面与切削平面之间的夹角。
  - 楔角 ($\beta_o$)：前刀面与后刀面之间的夹角。
- 在切削平面内标注的角度
  - 刃倾角 ($\lambda_s$)：主切削刃与基面之间的夹角。
- 在基面内标注的角度
  - 主偏角 ($\kappa_r$)：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。
  - 副偏角 ($\kappa_r’$)：副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。
  - 刀尖角 ($\epsilon_r$)：主刃与副刃之间的夹角。

5. 刀具角度的选择原则与功用

刀具的几何参数组成
- 切削刃形状
- 刃区剖面型式
- 刀面型式
- 刀具角度
前角
- 功用：增大能减小切削变形和摩擦，降低切削力和切削温度，减少刀具磨损和改善加工表面质量。
- 选择原则
  - 工件材料强度低/硬度低/塑性大，取大值；加工脆性材料取小值。
  - 刀具材料强度和韧性越好，选用较大前角。
  - 粗切时取小值；工艺系统差时取大值。
后角
- 功用：增大能减少后刀面与过渡表面间的摩擦，减少切削刃圆弧半径，使刃口锋利。
- 选择原则
  - 粗切时可取小值；精切时取大值。
  - 工艺系统刚性较差或使用有尺寸精度要求的刀具时取较小后角。
刃倾角
- 功用：影响切屑流出方向、切削刃的锋利性、刀刃强度、切削分力。
主偏角与副偏角
- 功用
  - 影响已加工表面粗糙度。
  - 影响切削分力的大小和比例，影响工艺系统的弹性变和振动。
  - 直接影响刀尖强度，影响对切削热的传散。
  - 主偏角影响切屑层形状，影响断屑效果和排屑方向。
- 主偏角选择原则
  - 粗/半精加工、硬质合金车刀，选较大主偏角。
  - 加工很硬材料取较小主偏角。
  - 工艺刚性好取较小；车细长轴选较大。
  - 单件小批量生产，取 90 度或 45 度。
- 副偏角选择原则
  - 一般刀具取较小副偏角。
  - 精加工刀具取更小副偏角。
  - 加工高强度/高硬度或断续切削时取较小副偏角。

磨具的组成与功用

构成
- 由磨料
- 结合剂
- 空隙
砂轮的特性
- 磨料
- 粒度
- 结合剂
- 组织
- 形状
- 尺寸
粒度
- 磨粒
- 微粉
硬度
- 指砂轮工作时磨料自砂轮上脱落的难易程度
一般情況下，加工硬度大的金属应选用软砂轮；软金属使用硬砂轮

金属切削过程及其物理现象

将切削刃作用部位的切削层分为三个变形区
- 第一变形区（剪切区）
- 第二变形区（摩擦区）
- 第三变形区（挤压区）
切屑种类
- 带状切屑:较高速度，较低切削厚度，较大刀具前角切削塑性材料（最好）
- 节状切屑:较低切削速度，较小前角，较大切削厚度切削塑性金属时形成
- 粒状切屑:更低切削速度，更大切削厚度，切削塑性较小材料
- 崩碎切屑:切削脆性材料
积屑瘤
- 定义:在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在前面处黏结一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前面上的金属称为积屑瘤或刀瘤
- 产生原因:切屑对前刀面接触处的摩擦使后者十分洁净。当两者的接触面达到一定温度，同时压力又较高时，会产生黏结现象(即冷焊)。这时切屑从黏结层上流过，形成"内摩擦"，如果温度与压力适当，黏结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成黏结层依附为止
- 影响
  - 实际前角增大
  - 增大切削厚度
  - 使已加工表面粗糙度增大
  - 对刀具耐用度影响
    - 相对稳定时减少刀具磨损
    - 不稳定，使用硬质合金刀具时，使磨损加剧
- 防止方法
  - 降低切削速度，使温度较低
  - 采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度
  - 采用润滑性能好的切削液，减小摩擦
  - 增加刀具前角，减少接触区压力
  - 提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向

切削力与切削功率

切削力的来源
- 克服加工材料弹性变形的抗力
- 克服加工材料塑性变形的抗力
- 克服切屑与刀具前面和刀具后面与过度表面之间的摩擦力
切削合力与切削效率
- $F_z$ 主切削力或切向力
- $F_x$ 进给力或州向力
- $F_y$ 切深抗力或背向力,径向力,吃刀力
- $F_r = \sqrt{F_n^2 + F_z^2} = \sqrt{F_z^2 + F_x^2 + F_y^2}$
- $P_m = \left (F_zv_c + \frac{F_x n_w f}{1000} \right ) \times 10^{-3} $
切削力的测量
- 功率反求法
- 切削力测力仪

切削热与切削温度

切削热
- 来源
  - 切削变形功
  - 前,后面摩擦功
- 影响因素
  - 背吃刀量$a_p$最大
  - 速度v其次
  - 进给量f最少
切削温度
- 切削温度的导出
  
  加工方法切屑刀具（车／钻）工件周围介质
  
  车削加工 $50 % \sim 86 %$ $40 % \sim 10 %$ $3 % \sim 9 %$ $1 %$
  
  钻削 $28 %$ $14.5 %$ $52.5 %$ $5 %$
- 影响因素
  - 切削用量的影响
    - 切削速度影响最大
    - 进给速度次之
    - 背吃刀量最小
  - 工件材料的影响
    - 强度硬度越高，切削温度越高
    - 材料导热性越好，切削温度降低
    - 合金结构钢温度大于45钢
  - 刀具角度的影响
    - 前角增大，变形和摩擦减小，切削热小，但前角不能过大，否则散热体积减小，不利于温度降低
    - 主偏角减小，切削刃工作长度增加，散热条件改善，切削温度降低
  - 刀具磨损的影响
    - 磨损达到一定数值后，切削速度越高，影响越显著
- 切削温度对工件，刀具，切削过程的影响
  - 工件强度和切削力
    - 影响不大
  - 刀具材料
    - 能提高硬质合金的韧性
  - 工件尺寸精度
    - 影响突出

加工方法	切屑	刀具（车／钻）	工件	周围介质
车削加工	$50 % \sim 86 %$	$40 % \sim 10 %$	$3 % \sim 9 %$	$1 %$
钻削	$28 %$	$14.5 %$	$52.5 %$	$5 %$

刀具磨损

影响
- 工件精度降低
- 表面粗糙度加大
- 切削力加大
- 切削温度升高
- 产生振动
种类
- 逐渐磨损
  - 前面
    - 工况：切削塑性材料
    - 原因：化学活性高，实际接触面积高
    - 特点：月牙洼磨损，向后扩大
  - 后面
    - 工况：切削铸铁时，或以较小切削厚度切削塑性材料时
    - 原因：接触压力大，存在弹性和塑性变形
    - 特点：不均匀
  - 边界磨损
    - 工况：切削钢料时
    - 主切削刃靠近工件外表皮处及副切削刃靠近刀尖处的后面上
    - 特点：较深的沟纹
- 破损
  - 脆性破损
    - 崩裂
    - 碎断
    - 剥落
    - 裂纹破损
  - 塑性破损
磨损标准
- 切削时间T
- 后面磨损量VB
- 前面磨损深度KT
磨损阶段
- 初期磨损阶段
  - 初期磨损量0.05-0.1mm
- 正常磨损阶段
  - 刀具毛糙表面已经磨平
- 急剧磨损阶段
  - 磨损带宽度增加到一定限度后
刀具寿命经验公式
- $vT^m=C$
- v-速度
- T-寿命
- m-指数
- C-系数，与刀具、工件材料和切削条件有关

切削用量的选择

对加工质量
- 切削深度和进给量增加
  - 切削力增大
  - 工件变形增大
  - 引起振动
  - 降低精度
  - 增加表面粗糙度
- 切削速度增加
  - 切削力减小
  - 有利于避免积屑瘤
  - 提高加工精度
对基本时间
- 三要素影响相同
对刀具寿命和辅助时间
- 切削速度影响最大
- 进给量次之
- 切削深度影响最小
优先级
- 切削深度>进给量>切削速度

工件材料的切削加工性

概念
- 工件材料被加工的难易程度
良好的切削加工性
- 刀具寿命较长或一定寿命长度下切削速度较高
- 在相同的切削条件下切削力较小，切削温度较低
- 容易获得好的表面质量
- 切屑形状容易控制或容易断屑
常用指标
- 一定刀具寿命下的切削速度$v_r$
- 相对加工性$K_r$
改善工件材料切削加工性的途径
- 调整材料的化学成分
- 热处理