论文《金属的切削加工》

金属的切削加工

这学期，我学习了一门从来没接触过的科目——《机械制造技术基础》，作为一名文科生，对这门科目既陌生又熟悉，在我们的生活中，经常接触着和机械制造有关的知识，最常见的就比如金属的切削，所以，学习完了这门科目，我最想谈谈的就是关于金属的切削加工。何谓金属的切削加工，就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。

通过查阅相关资料，我了解到金属切削原理的研究始于19世纪中叶。1851年，法国人M.科克基拉最早测量了钻头切削铸铁等材料时的扭矩，列出了切除单位体积材料所需功的表格1864年，法国人若塞耳首先研究了刀具几何参数对切削力的影响1870年，俄国人..季梅首先解释了切屑的形成过程，提出了金属材料在刀具的前方不仅受挤压而且受剪切的观点。1896年，俄国人..布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。至此，切屑形成才有了较完整的解释。1904年，英国人J.F.尼科尔森制造了第一台三向测力仪，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907年美国人F.W.泰勒研究了切削速度对刀具寿命的影响，发表了著名的泰勒公式。1915年，俄国人..乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度（常称人工热电偶法），并用实验方法找出这一温度同切削条件间的关系1924～1926年，英国人E.G.赫伯特、美国人H.肖尔和德国人K.科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了平均温度（常称自然热电偶法）。

1938～1940年美国人H.厄恩斯特和M.E.麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释了断续切屑和连续切屑的形成机理。40年代以来，各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利用近代技术和先进的测试手段，取得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。例如，美国人S.拉马林加姆和J.T.布莱克于1972年通过扫描电镜利用微型切削装置对切屑形成作了动态观察，得到用位错力学解释切屑形成的实验根据。

关于金属的切削加工的技术要点，首先是切削力。切削时刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力F,在外圆车削时，一般将这个切削合力F分解成三个互相垂直的分力（图3[切削合力和分力])：切向力F──它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常称主切削力；径向力F──在平行于基面的平面内，与进给方向垂直，又称推力；轴向力F──在平行于基面的平面内，与进给方向平行，又称进给力。一般情况下,F最大,F和F较小，由于刀具的几何参数刃磨质量和磨损情况的不同和切削条件的改变,F、F对F的比值在很大的范围内变化。切削过程中实际切削力的大小，可以利用测力仪测出。测力仪的种类很多，较常用的是电阻丝式和压电晶体式测力仪。测力仪经过标定以后就可测出切削过程中各个分力的大小。然后是切削热，切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。切削温度也是很重要的，切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。一

般说来，切削区的金属经过剪切变形以后成为切屑，随之又进一步与刀具前面发生剧烈摩擦，所以温度场中温度分布的最高点不是在正压力最大的刃口处，而是在前面上距刃口一段距离的地方。切削区的温度分布情况，须用人工热电偶法或红外测温法等测出。用自然热电偶法测出的温度仅是切削区的平均温度。

另外还会有刀具磨损的现象，刀具磨损表现为在刀具后面上出现的磨损带、缺口和崩刃等，前面上常出现的月牙洼状的磨损，副后面上有时出现的氧化坑和沟纹状磨损等。当这些磨损扩展到一定程度以后就引起刀具失效，不能继续使用。刀具逐渐磨损的因素，通常有磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损和塑性变形等。在不同的切削条件下，尤其是在不同切削速度的条件下，刀具受上述一种或几种磨损机理的作用。例如，在较低切削速度下，刀具一般都因磨料磨损或粘着磨损而破损；在较高速度下，容易产生扩散磨损、氧化磨损和塑性变形。关于切削加工性，指零件被切削加工成合格品的难易程度。它根据具体加工对象和要求，可用刀具寿命的长短、加工表面质量的好坏、金属切除率的高低、切削功率的大小和断屑的难易程度等作为判据。在生产和实验研究中，常以作为某种材料的切削加工性的指标，它的含义是：当刀具寿命为分钟时，切削该材料所允许的切削速度。越高，表示加工性越好，一般取60、30、20或10分钟。还有切削振动，切削过程中，刀具与工件之间经常会产生自由振动、强迫振动或自激振动（颤振）等类型的机械振动。自由振动是由机床零部件受到某些突然冲击所引起，它会逐渐衰减。强迫振动是由机床内部或外部持续的交变干扰力（如不平衡的机床运动件、断续切削等）所引起，它对切削产生的影响取决于干扰力的大小及其频率。自激振动是由于刀具与工件之间受到突然干扰力（如切削中遇到硬点）而引起初始振动，使刀具前角、后角和切削速度等发生变化，以及产生振型耦合等，并从稳态作用的能源中获得周期性作用的能源，促进并维持振动。通常，根据切削条件可能产生各种原生型自激振动，从而在加工表面上留下的振纹，又会产生更为常见的再生型自激振动。上述各种振动通常都会影响加刀表面质量，降低机床和刀具的寿命，降低生产率，并引起噪声，极为有害，必须设法消除或减轻。

还有很多技术要点，就不一一说明，但有一点很重要，就是在金属加工中，很容易出现人员受伤，金属切削加工中常见的伤害事故有刺割伤，操作人员使用较锋利的工具刃口，如金工车间里正在工作着的车、铣、刨、钻等机床的刀锯，就像快刀一样，能对未加防护的人体部位造成极大伤害。其他伤害还有物体打击：车间的高空落物，工件或砂轮高速旋转时沿切线物体打击方向飞出的碎片，往复运动的冲床、剪床等，可导致人员受到打击伤害。另外还有绞伤：机床旋转的皮带、齿轮和正在工作的转轴都可导致绞伤。烫伤：切削加工下来的切削崩溅到人体暴露部位上导致人员

那么对于这些随时可能发生的意外伤害，我们在进行金属切削时应该怎样加工安全操作呢，首先要穿紧身防护服，袖口不要敞开。留长发的，要戴防护帽。操作时不能使用手套，以防高速运转的部件绞缠手套而把手带入机械，造成伤害。在机床主轴上装卸卡盘时，应在停机后进行，不可用电动机的力量切下卡盘。车削形状不规则的工件时，应装平衡块，并试转平衡后再切削。刀具装夹要牢靠，刀头伸出部分不要超出刀体高度的１.５倍，垫片的形状、尺寸应与刀体形状、尺寸相一致，垫片应尽可能的少而平。除了装有运转中自动测量装置的车床外，其他车床均应停车测量工件，并将刀架移动到安全位置。对切削下来的带状或螺旋装的切削，应用钩子及时清除，不准用手拉。操作车床时，应在合适的位置上安装透明挡板，以防止崩碎切削伤人。用砂轮打磨工件表面时，应把刀具移到安全位置，不要让衣服和手接触工件表面。加工内孔时，不可用手指支撑砂轮，应用木棍支撑，同时速度不宜太快。为防止切削崩碎伤人，应在合适的位置上安装透明挡板。持工件的卡盘、拨盘、鸡心夹的凸出部分最好使用防护罩，以免绞住衣服及身体的其他部位。如无防护罩，操作时应注意安全距离，不要靠近。用顶尖装夹工件时，顶尖与中心孔应完全一致，不能用破

损或歪斜的顶尖。使用前应将顶尖和中心孔擦净，后尾座顶尖要顶牢。禁止把工具、夹具或工件放在车床床身上和主轴变速箱上。

有一套通用的金属加工的操作流程如下：

一、操作者必须经过考试合格，持有本机床的《设备操作证》方可操作本机床。

二、工作前认真作到：

1、仔细阅读交接班记录，了解上一班机床的运转情况和存在问题。

2、检查机床、工作台、导轨以及各主要滑动面，如有障碍物、工具、铁屑、杂质等，必须清理、擦拭干净、上油。

3、检查工作台，导轨及主要滑动面有无新的拉、研、碰伤，如有应通知班组长或设备员一起查看，并作好记录。

4、检查安全防护、制动（止动）、限位和换向等装置应齐全完好。

5、检查机械、液压、气动等操作手柄、伐门、开关等应处于非工作的位置上。

6、检查各刀架应处于非工作位置。

7、检查电器配电箱应关闭牢靠，电气接地良好。

8、检查润滑系统储油部位的油量应符合规定，封闭良好。油标、油窗、油杯、油嘴、油线、油毡、油管和分油器等应齐全完好，安装正确。按润滑指示图表规定作人工加油或机动（手位）泵打油，查看油窗是否来油。

9、停车一个班以上的机床，应按说明书规定及液体静压装置使用规定（详见附录Ⅰ）的开车程序和要求作空动转试车3~5分钟。检查：

①操纵手柄、伐门、开关等是否灵活、准确、可靠。

②安全防护、制动（止动）、联锁、夹紧机构等装置是否起作用。

③校对机构运动是否有足够行程，调正并固定限位、定程挡铁和换向碰块等。

④由机动泵或手拉泵润滑部位是否有油，润滑是否良好。

⑤机械、液压、静压、气动、靠模、仿形等装置的动作、工作循环、温升、声音等是否正常。压力（液压、气压）是否符合规定。确认一切正常后，方可开始工作。

凡连班交接班的设备，交接班人应一起按上述(9条）规定进行检查，待交接班清楚后，交班人方可离去。凡隔班接班的设备，如发现上一班有严重违犯操作规程现象，必须通知班组长或设备员一起查看，并作好记录，否则按本班违犯操作规程处理。

在设备检修或调整之后，也必须按上述(9条）规定详细检查设备，认为一切无误后方可开始工作。

三、工作中认真作到：

1、坚守岗位，精心操作，不做与工作无关的事。因事离开机床时要停车，关闭电源、气源。

2、按工艺规定进行加工。不准任意加大进刀量、磨削量和切（磨）削速度。不准超规范、超负荷、超重量使用机床。不准精机粗用和大机小用。

3、刀具、工件应装夹正确、紧固牢靠。装卸时不得碰伤机床。找正刀具、工件不准重锤敲打。不准用加长搬手柄增加力矩的方法紧固刀具、工件。

4、不准在机床主轴锥孔、尾座套筒锥孔及其他工具安装孔内，安装与其锥度或孔径不符、表面有刻痕和不清洁的顶针、刀具、刀套等。

5、传动及进给机构的机械变速、刀具与工件的装夹、调正以及工件的工序间的人工测量等均应在切削、磨削终止，刀具、磨具退离工件后停车进行。

6、应保持刀具、磨具的锋利，如变钝或崩裂应及时磨锋或更换。

7、切削、磨削中，刀具、磨具未离开工件，不准停车。

8、不准擅自拆卸机床上的安全防护装置，缺少安全防护装置的机床不准工作。

9、液压系统除节流伐外其他液压伐不准私自调整。

10、机床上特别是导轨面和工作台面，不准直接放置工具，工件及其他杂物。

11、经常清除机床上的铁屑、油污，保持导轨面、滑动面、转动面、定位基准面和工作台面清洁。

12、密切注意机床运转情况，润滑情况，如发现动作失灵、震动、发热、爬行、噪音、异味、碰伤等异常现象，应立即停车检查，排除故障后，方可继续工作。

13、机床发生事故时应立即按总停按钮，保持事故现场，报告有关部门分析处理。

14、不准在机床上焊接和补焊工件。

四、工作后认真作到：

1、将机械、液压、气动等操作手柄、伐门、开关等板到非工作位置上。

2、停止机床运转，切断电源、气源。

3、清除铁屑，清扫工作现场，认真擦净机床。导轨面、转动及滑动面、定位基准面、工作台面等处加油保养。

4、认真将班中发现的机床问题，填到交接班记录本上，做好交班工作。

在设计和使用机床和刀具时，需要应用切削原理中有关切削力、切削温度和刀具切削性能方面的数据。例如，在确定机床主轴的最大扭矩和刚性等基本参数时，要应用切削力的数据；在发展高切削性能的新材料时，需掌握刀具磨损和破损的规律；在切削加工中分析热变形对加工精度的影响时，要研究切削温度及其分布；在自动生产线和数字控制机床上，为了使机床能正常地稳定工作，甚至实现无人化操作，更要应用有关切屑形成及其控制方面的研究成果，并在加工中实现刀具磨损的自动补偿和刀具破损的自动报警。为此，各国研制了品种繁多的在线检测刀具磨损和破损的传感器，其中大多数是利用切削力或扭矩、切削温度、刀具磨损作为传感信号。此外，为了充分利用机床，提高加工经济性和发展计算机辅助制造(CAM)，常需要应用切削条件、刀具几何形状和刀具寿命等的优化数据。因此，金属切削原理这门学科在生产中的应用日益广泛，各国都通过切削试验或现场采集积累了大量的切削数据，并用数学模型来表述刀具寿命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削条件之间的关系，然后存入计算机,建立金属切削数据库或编制成切削数据手册，供用户查用。

关于金属切削加工的特点和发展方向，我认为切削加工的特点是用刀具从毛坯(成型材)上切去多余的金属.使零件获得符合图纸要求的几何形状、尺寸和表面质最的加工过程。凡精度要求较高的机械零件，除了很少一部分是采用精密铸造或精密锻造以及粉末冶金和工程塑料压制成形等方法直接获得外，绝大部分零件还要命切俐加工的方法来保证，因此切削加工在机械制造业中占有十分重要的地位.目前占机械制造总工作盈40% -60%。切削加工多用于金属材料的加工，也可用于某些非金属材料的加工，对子零件的形状和尺寸一般不受限制。可加工如外圈、内圈、谁面、平面、螺纹、齿形及空间曲面等各种狱面。目前切削加工的尺寸公差等级一般为 IT12-113，表面粗性度R.为 25 -0.0085m，传统的切削加工基本方法有车削、铣削、刨例、钻削和磨削等.它们是在相应的车床、锐床、刨床、钻床和解床进行的。随肴科学技术和现代工业的飞速发展.材料技术、新能派技术等新技术与制造技术的相互交X、相互融合，传统意义上的切俐加工正在朝粉高精度、高效率、自动化、柔性化和钾能化方向发展.与之相适应的加工设备也正朝着数控机床、精密和超梢密机床发展，刀具材料朝着超硬材料方向发展，加工精度向粉纳米级遇近。21世纪的切削加工，由于数控技术、精密和超精密技术的普及和应用，加工精度达到 0.0015m(即纳米级)将不再困难，而且还会向原子级遇近;由于像肉瓷、玻晶金剐石(PCD).砚晶立方氮化.(PCBN)等超硬刀具材料的普及应用，切削速度也将高达每分钟数千米。

100多年来，刀具的切削速度不断提高，带来了加工效率的变化，进一步带来了加工范围的拓展。切削加工发展的最大标志，就是高速切削加工（highspeedcutting，简称HSC）的发展。

一个高速切削加工系统所涉及的方面很多。仅从加工过程上看，传统的切削加工，一个被加工工件如模具，需要经过毛坯退火—粗加工—精加工—淬火—EDM准备—电火花加工—特别的精加工—人工抛光等程序。而高速加工仅需要毛坯的淬火—粗加工—半精加工—精加工以及超精加工等环节，从步骤上来说，就减少了三个，加工时间比传统加工方法缩短30%-50%左右；在加工小尺寸部件时，这种优势尤其明显。更有甚者，过去某些企业制作复杂的模具，基本上都需要3、4个月才能交付使用，采用高速切削加工後，只需要半个月便可完成。

一个高速切削加工系统，由刀具和技术两部分组成。与刀具相关的因素有刀具材料的选择、刀具系统的组成结构、刀具需加工的边缘形状。而与技术密切相关的是CAD/CAM系统的选择、刀具加工路径的规划、切削参数的设置以及冷却与润滑环节。

自高速切削普及以来，从1950年至2000年的半个世纪内，加工效率提高了4-5倍。当然，需要提到的是，高速切削一般是由其加工物件来定义其“高速”的范围。

刀具在全部加工成本中所占比重并不大。我们以汽车业某制造过程为例来分析：机床等设备投资占总成本35%；设备工作时的能耗占7%；企业的正常运营成本占27%；冷却及润滑成本占17%；直接人工占9%；刀具占4%。无独有偶，机床加工铝合金工件的批量生产成本中，冷却及润滑占16%；刀具4%；其他加工成本占80%。可以看出，刀具在整个成本中，仅占了极小的一部分。但是，不可忽视的是，这4%成本的刀具，却可能影响到10%-15%的整体加工效率。

对刀具来说，最关键的因素有三个，成本、寿命、效率。有实验表明，若刀具成本降低30%，整体成本大约降低1%；若提高50%的刀具寿命，整体成本大约降低1%；但是，若尽可能的优化切削参数，提高20%的刀具加工效率，那麽，每一个工件整体成本能降低15%以上。

当然，要全面提高机床的生产效率，不仅应通过高速切削减少工件的切削加工时间，还需大力压缩加工辅助时间（含机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹、换刀等时间）、待机时间和故障停机时间，因为在多品种小批量生产条件下，机床的有效切削时间一般只占其全部工时的25%-35%。可见，除高速切削外，如何更加有效的加工，是制造业面临的重要课题之一。

目前，绿色加工技术已成为全球的热点，这个绿色，包括了经济、环保、高效。从环保角度看，一方面是高速高效加工带来能耗的降低，另一方面，冷却液与润滑液的选择是非常关键。如上所述，冷却液的成本在整体成本中所占比例颇高，达到16%左右。润滑与冷却的效果与整体的加工效率也非常相关，尤其是对难加工材料，如钛合金，切削到一定程度後，必须进行适当的冷却。随高速切削的发展，冷却液浇注时，刀具经常出现热裂的情况，导致刀具寿命降低，这一点需要改进。

总之，在加工技术中，高精度、高效率、低成本、环保，及结果的可预见性，都将是明显的趋势。这个可预见性，是指加工结果必须是可预测的、可控制的，而不是随机的。这就要求操作者对加工技术有更深的理解。

这就是我学习了机械制造这门课程后，通过查阅资料对金属的切削加工的理解认识，我相信，金属的切削加工技术还会不断发展，为人类的进步提供更多便利！

【参考资料】

1.华南工学院甘肃工业大学主编：《金属切削原理及刀具设计》上册，第2版，上海科学技术出版社，上海，1981。

2.布思罗伊德著，山东工学院机制教研室译：《金属切削加工的理论基础》,山东科学技术出版社，济南，1980。