第一章金属切削加工的基本知识

1、第一章 金属切削加工的基本知识 第一节 金属切削加工的基本概念 切削运动为了形成工件表面，所必需的刀具与工 件之间的相对运动。 主运动使工件与刀具产生相对运动以进行切削 的最基本的运动，称为主运动。 一般切削加工中主运动只有1个。 切削速度切削刃上选取点相对于工件的主运 动的瞬时速度，称为切削速度，用矢量c 表示。 切削运动与切削要素 进给运动使主运动能够继续切除工件上多余 的金属，以便形成工件表面所需的运动，成为进给运 动。 进给运动可以是一个或多个。 进给速度切削刃上选取点相对于工件的进 给运动的瞬时速度，成为进给速度，用矢量vf 表示。 辅助运动：切入运动、空程运动、分度转位运动、 送夹

2、料运动以及机床控制运动等。 切削运动和加工表面 a）车削 b）铣削 c）刨削 d）钻削 e）磨削 1-主运动 2-进给运动 3-待加工表面 4-过渡表面 5-已加工表面 切削运动与切削要素 合成切削运动主运动和进给运动的合成运动， 成为合成切削运动。 合成切削运动的瞬时速度用矢量ve表示：ve = vc + vf 工作平面 vc和 vf 所在的平面，称为工作平面， 以 Pfe表示。 合成切削速度角在工作面内，同一瞬时主运动与 切削运动之间的夹角，称为合成切削速度角，以表示 。 合成切削运动速度角 d f v v c f tan 切削要素 切削要素： 切削用量、切削层横截面要素。 切削用量三要素

3、 （1）切削速度 切削速度切削加工时，刀刃上选定点相对于工 件的主运动的线速度，单位为m/s或m/min。主运动是旋 转运动时，切削速度计算公式如下： 1000 dn v 切削要素 （2）进给速度vf 和进给量f f v 进给速度vf是刀刃上选定点相对于工件的进给运动 的速度，单位是mm/s或mm/min。 进给量f与进给速度vf 之间的关系为： 进给量f是工件或刀具的主运动每转或每一行程时， 刀具与工件两者在进给运动方向上的相对位移量，单 位是mm/r。 fnv f 切削要素 （3）背吃刀量ap 工件已加工表面和待加工表 面之间的垂直距离，单位是mm。 2 m p d a 外圆车削时，背吃刀

4、量为： 钻孔时，背吃刀量为： 2 mw p dd a 切削层横截面要素 切削层在切削过程中，刀具的刀刃一次走刀中 从待加工表面切下的金属层。 切削层横截面切削层的轴向剖面。 切削层横加面要素指切削层的横截面尺寸，包 括切削层公称宽度bD、切削层公称厚度hD和切削层公称 横截面积AD三个要素。 车外圆时的切削层要素 刀具切削部分基本定义 车刀切削部分的结构要素 刀具切削部分结构要素 （1）前刀面Ar 切下的金属沿其流出的表面。 （2）主后刀面A 与工件上过渡表面相对的表面。 （3）副后刀面A 与副切削刃毗邻、与工件上已加工表面相对的表面。 （4）主切削刃S（主刀刃） 前刀面与主后刀面相交而得到的

5、边锋。 （5）副切削刃S（副刀刃） 前刀面与副后刀面相交而得到的边锋。 （6）刀尖 主切削刃与副切削刃的交点或连接部分。 刀具角度的参考系 （1）刀具标注角度参考系即静止参考系，在刀 具设计图上所标注的角度，刀具在制造、测量、刃 磨时，均以它为基准； （2）刀具工作角度参考系确定刀具在切削运动 中有效工作角度的参考系。 两者的区别在于：前者仅由主运动方向确定，后者 则由合成切削运动方向确定。 刀具角度的参考系 以车刀为例建立静止参考系。 建立车刀静止参考系的假设： 不考虑进给运动的影响； 车刀安装绝对正确，即刀尖与工件中心等高，刀 杆轴线垂直于工件轴线； 刀刃平直，刀刃选定点的切削速度方向与刀

6、刃各 处的平行。 车刀上的参考平面 车刀上的参考平面 切削平面Ps 通过刀刃上选定点，包含该点假 定主运动方向和刀刃的平面，即切于工件过渡表面的 平面。 基面Pr 通过刀刃上选定点，垂直于该点主运 动速度方向的平面。它平行于安装底面和刀杆轴线。 PoPo平面 即正交平面，通过主切削刃上选 定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。 车刀上的参考平面 车刀上的参考平面 假定工作平面Pf 即进给平面，通过切削刃选 定点，与 基面Pr垂直，且与假定进给方向平行。 刀具标注角度参考系由Ps、Pr、PoPo 组成 一个正交平面参考系，是生产中最常用的刀具标注角 度参考系。 背平面PP 即切深平面，通

7、过切削刃选定点， 同时垂直于基面和假定工作平面。 车刀上的参考平面 刀具的标注角度 刀具的标注角度刀具在设计、制造、刃磨和 测量时，都是用刀具标注角度参考系中的角度来标明 切削刃和刀面的空间位置的，这些角度称为刀具的标 注角度。 凡未指明切削刃选定点位置的刀具标注角度，一 般指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。 车刀的标注角度 刀具的标注角度 主偏角kr 主切削刃在基面上的投影与进给运动 方向之间的夹角。 副偏角kr 幅切削刃在基面上的投影与进给运动 反方向之间的夹角。 刀尖角r 主切削刃、副切削刃在基面Pr上投影的夹角。 （1）在基面Pr中测量的角度 刀具的标注角度 （2）在PoPo截面（正

8、交平面）中测量的角度 主后角o 后刀面与切削平面Ps之间的夹角。 楔角0 后刀面与前刀面之间的夹角。 前角o 基面与前刀面之间的夹角。前角有正负之分。 车刀的标注角度 )(90 000 180 rrr kk 刀具的标注角度 （3）在切削平面Ps中测量的角度 刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角有正负之分。 s 刀具的标注角度 （4）在副 PoPo截面中测量的角度 副前角o 副后角 o 副基面Pr与副前刀面之间的夹角。 副后刀面与副切削平面Ps 之间的夹角。 车刀的标注角度 刀具的工作角度 刀具工作角度按照刀具工作中的实际情况， 在刀具工作角度参考系确定的角度。 只有在进给运动和刀具安装对

9、工作角度产生较大 影响时，才需计算工作角度。 切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线， 实际切削平面Pse为过切削刃而切于螺旋线的平面，而 实际基面Pre又恒与之垂直，因而就引起了实际切削时 前、后角的变化，分别称为工作前角oe 和工作后角 oe。 ooe ooe 进给运动对工作角度的影响 刀具安装情况对工作角度的影响 图示为车刀车外圆，安装后刀尖高于工件中心 线h。 刀具安装情况对工作角度的影响 刀尖高于工件中心线h，导致切削平面变为Pse，其 基面应与Pse垂直，变为Pre，刀具角度也随之变为工作 前角pe 和工作后角pe 。 d h d h p 2 2 1 sin 工作角度为： pp

10、pe pppe 在背平面内这两个角度的变化值为p 刀具安装情况对工作角度的影响 在正交平面内，前、后角的变化情况与在背平面内 类似，即： 000 e o为正交平面内前角增大和后角减小时的角度 变化值，由下式计算： rP kcostantan 0 000 e 刀具安装情况对工作角度的影响 （2）刀杆中心线与进给方向不垂直时也会对角度 产生影响 Gkk rre 车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，主偏角kr 和副 偏角kr 将发生变化，其增大和减小的值为G。 式中 G刀杆中心线水平方向的垂线与进给运 动方向之间的夹角。 工作主偏角kre 和工作副偏角kre 值计算如下 ： Gkk rre 刀具材料及

11、选用 刀具材料：刀具切削部分的材料。 刀具的切削性能主要取决于刀具材料。 刀具材料应具备的性能： （1）高的硬度和耐磨性； （2）足够的强度和韧性； （3）高的耐热性； （4）稳定的化学性能和抗粘结性能； （5）良好的工艺性； （6）好的导热性和小的膨胀系数。 刀具材料及选用 常用的刀具材料有工具钢（包括碳素工具钢、 合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金 刚石、立方氮化硼等。 目前常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。 高速钢 高速钢加入了钨（W）、钼（Mo）、铬 （Cr ）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。它具 有较高的耐热性，可在500600的温度下进行切削 加工；还具有高的强度和冲击韧

12、度，刃磨时能获得锋 利的刃口，故有“锋钢”之称。 按用途不同，高速钢分为：普通高速钢、高性能 高速钢。 按制造方法不同，高速钢分为：熔炼高速钢、粉 末冶金高速钢。 普通高速钢 按化学成分不同，普通高速钢分为钨系、钨钼系两 类。 （1）钨系高速钢 典型牌号：W18 Cr4 V ，其质量分数分别为18%、 4%和1%，可用于制造各种复杂刀具。 （2）钨钼系高速钢 典型牌号：W6Mo5Cr4V2。由于钼的存在，这种高 速钢的热塑性特别好，常用于轧制和扭制麻花钻，也可 用于制造大尺寸刀具。 高性能高速钢 高性能高速钢在普通高速钢中加入一些其他合 金元素（如钴、铝等），以提高其耐热性和耐磨性， 这就是高

13、性能高速钢。 主要用于加工高强度钢、高温合金、钛合金等难加 工材料，生产率与刀具使用寿命都比普通高速钢高。 典型牌号：W2Mo9Cr4Co8、W6Mo5Cr4V2Al 高性能高速钢的种类很多，主要有钴高速钢、铝高 速钢两种。 粉末冶金高速钢 粉末冶金的基本原理用高压惰性气体（如氩气） 将熔融的钢液雾化成粉末，然后将粉末在高温、高压 下制成刀坯或制成钢坯，再经轧制或锻造成材。 碳化物偏析是影响熔炼高速钢制造的主要原因之一， 采用冶金法可以完全消除碳化物偏析，提高刀具质量。 优点：韧性与硬度较高，耐磨性有显著改善，材质均 匀，热处理变形小，质量稳定可靠，刀具使用寿命长。 用途：切削各种难加工材料，

14、适合于制造各种精密 刀具和形状复杂的刀具。 硬质合金 硬质合金由高硬度、高熔点的金属碳化物 （WC、TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等金属作 粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。 硬质合金的硬度、耐热性、耐磨性都超过高速钢， 允许切削温度达到8001000，因此，其切削速度远高 于高速钢。 硬质合金是当今主要的刀具材料之一，大多数车刀、 端铣刀、部分立铣刀等均已采用它来制造。 硬质合金的种类、牌号和性能 （1）以碳化钨（WC）为基体的硬质合金，为目前常 用的硬质合金。 YG类合金，ISO（国际标准化组织）称为K类，主 要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料。 YT类合金，ISO称为

15、P类，主要用于加工长切屑的黑 色金属。 分为4类：WC-Co、WC-TiC-Co、WC-TaC（NbC）- Co、WC-TiC-TaC（NbC）-Co 。 硬质合金的种类、牌号和性能 （2）TiC基硬质合金。以TiC为主要成分，用Ni和Mo作 粘结剂，代号为YN 。 YW类合金，ISO称为M类，可覆盖K类、P类合金的 应用范围。 硬质合金的选用： WCCo类硬质合金一般用于加工铸铁、有色金属及 其合金，WCTiCCo硬质合金则用于高速切削钢料。 其他刀具材料 （1）涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上，涂一层硬度、耐 磨性极高的难熔金属化合物而获得的刀具材料。 涂层硬质合金具有较好的切削性

16、能：降低切削力， 降低切削温度，提高加工表面质量，在相同的刀具使用 寿命下提高切削速度。 涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法，即在 1000左右利用钛蒸气和碳蒸气之间的化学反应，在 刀具表面上形成TiC的涂层。 常用涂层材料除了TiC之外，还有TiN、Al2O3等。 其晶粒尺寸在0.5m以下，而涂层的厚度为5-10 m 。 其他刀具材料 （2）陶瓷 陶瓷刀具有很高的高温硬度，在1200时硬度仍有 80HRC，仍具有较好的切削性能。在高温下不易氧化， 与普通钢不易发生粘结和扩散作用，摩擦系数较低。可 用于加工钢、铸铁。 陶瓷刀具的主要缺点是：抗弯强度低，冲击韧性 差，导热能力低，线膨胀系数大，对冲击十分敏感， 容易破裂。 制作刀具的陶瓷分为3类：纯氧化铝Al2O3陶瓷、 复合氧化铝Al2O3TiC陶瓷、复合氮化硅Si3N4TiC Co陶瓷。 其他刀具材料 （3）金刚石 目前已知的最硬材料,接近于10000HV(硬质合金仅为 1300-1800HV)。 金刚石分为天然和人造两种。天然金刚石的质量好， 但价格昂贵，用得较少；人造金刚石是在高压高温条件 下，借助于某些合金的触媒作用，由石墨转化而成。 金刚石刀具可以加工陶瓷、高硅铝合金、硬质合金 等高硬度耐磨材料，又能切削有色金属及其合金，使用 寿命极高。