第二章切削理论基础

1、切削加工基础理论切削加工概述1.切削加工的地位和种类地位：0.8-0.9种类：钳工、机械加工2.切削加工的特点和发展方向特点：切削加工获得零件的几何精度变化范围广泛；切削加工零件的材料、形状、尺寸和重量的适用范围很大；切削加工的生产效率较高。发展方向：加工设备朝着高精度、高效率、自动化、柔性化、智能化方向发展；刀具材料朝超硬材料发展；生产规模由目前的小批量和单品种向大批量多品种发展；切削加工融入到CAD/CAM/CIMS/CAT中。待加工表面：即将被切去金属层的表面;加工表面：切削刃正在切削着的表面;已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。3. 切削运动刨削加工刨削加工 金属切削机床的基本

2、运动有直线运动和回转运动。但金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。但是，按所起的作用来分，可分为是，按所起的作用来分，可分为主运动主运动和和进给运动进给运动。（1）主运动）主运动 主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床功率最多。度最高，消耗机床功率最多。切削运动切削运动 切削加工时工件与刀具之间的相对运动切削加工时工件与刀具之间的相对运动注意注意: 主运动可为刀具，也可为工件；主运动可为刀具，也可为工件； 主运动可是直线运动，也可旋转运动；主运动可是直线运动，也可旋转运动； 切削加工中，主运动只有一个。切削加工中，

3、主运动只有一个。（2 2）进给运动）进给运动 使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可以是使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可以是连续运动，也可以是间歇运动。连续运动，也可以是间歇运动。注意：注意： 进给运动可以是进给运动可以是一个一个或或几个几个； 进给运动可是进给运动可是直线运动直线运动、旋转运动旋转运动 或或两者的组合两者的组合； 进给运动可由进给运动可由刀具或工件刀具或工件完成。完成。 当主运动与进给运动当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为某一点相对工件的运动称为合成切削运动，其大小与方合成切削运动，其大小与方向用合成速度向量向

4、用合成速度向量veve表示。表示。如图所示，合成速度向量等如图所示，合成速度向量等于主运动速度与进给运动速于主运动速度与进给运动速度的向量和。即度的向量和。即 ve=vc+vf 4. 切削用量切削速度、进给量、背吃刀量的总称，也称为切削用量三要素。1000dn 进给量进给量 工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对于工件在进给运动工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对于工件在进给运动方向的移动量。方向的移动量。例如：例如：车削时的进给量是指工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量（车削时的进给量是指工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量（m/rm/r）。）。进给速度进给速度

5、 ： 单位时间的进给量单位时间的进给量指切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度指切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度(mm/min(mm/min或或mm/s)mm/s)。 对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量还应规定每一个刀齿的进给量fzfz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是位是mm/z(mm/z(毫米毫米/ /齿齿) )。 vf=fn=fzzn mm/s或mm/min（3）背吃刀量ap 垂直于进给运动方向测量

6、的切削层最大尺寸。 对于车削和刨削加工来说，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。ap=（dw-dm）/2 mm 对于钻孔加工： ap=dm/2 mm 上两式中： dm已加工表面直径（mm） dw 待加工表面直径（mm） 5. 切削层参数与切削形式 1、 切削层 各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如下图所示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动就轨迹是一条空间螺旋线。它们的各义及说明如下：工件每转一转，车刀沿工件轴线移动一段距离，即进给量（f，mm/r）。由车刀正在切削着的这一层金属，就叫切削层。在特殊情况下（kr90）为矩形。在外圆纵车时，当

7、kr0、s0时，切削层的表面形状为一平行四边形。(1)切削厚度bD=ap/sinkr垂直于加工表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车（s0）时： 为了简化计算工作，切削层的表面形状和尺寸，通常都在垂直于切削速度vc的基面Pr内观察和量度。切削层参数为：（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。hDf.sinkr曲线形主切削刃、切削层各点的切削厚度互不相等。外圆纵车（当s0 时） 可见，在f与ap一定的条件下，主偏角kr越大，切削厚度hD也就越大，但切削宽度bD越小；kr越小时，hD越小，bD越大；当kr90时，hDf。 （3）切削面积切削层在基面

8、Pr的面积，称为切削面积，以AD表示。其计算公式为：AD=hD.bD对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为：ADhD.bD=f.ap上面所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积。 残留面积是指刀具副偏角kr0时，刀具经过切削后，残留在已加工表面上的不平部分（ABE）的剖面面积。 在下图中标注主运动速度Vc方向，切削深度ap，进给量f及切削层厚度hD和宽度bD。 切削形式（1）正切削与斜切削 切削刃垂直于合成切削方式称为正切削或直角切削。如果切削刃不垂直于切削方向则称为斜切削或斜角切削。下图所示为刨削时的正切削和斜切削。一. 车刀的组成(1) 前刀面前刀面(5)

9、 副切削刃副切削刃(6) 刀尖刀尖金属切削刀具基础金属切削刀具基础(1) 前刀面A 前刀面A 是切屑流过的表面。（2）后刀面A 与过渡表面相对的刀面。（4）主切削刃s 主切削刃指前刀面与主后刀面相交的锋边。（6）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切削刃，它可以是圆弧，也可以是直线，通常都称为过渡刃（3）副后刀面A 与已加工表面相对的刀面。（5）副切削刃s 副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边。刀面切削刃二、刀具角度参考系 1. 参考系 2.刀具静止参考系 3.刀具工作参考系三、刀具标注角度参考系三、刀具标注角度参考系-过切削刃上选定点过切削刃上选定

10、点 (1)假定运动条件：假定运动条件：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量vc近似代近似代替合成速度向量替合成速度向量ve；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。即：面构成参考系。即：假定进给运动速度假定进给运动速度Vf=0 (2)假定安装条件：假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面、便于

11、制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等）。反之也可以说，假定刀具车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等）。反之也可以说，假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。 即：即：选定点与工件中心等高选定点与工件中心等高 1 两个假定条件两个假定条件2 2三种平面参考系三种平面参考系基面基面 Pr Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。底面平行。切削平面切削平面 PsPs：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直

12、于基面通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面PrPr的平面。的平面。主剖面主剖面 PoPo：通过切削刃选定点垂直于基面通过切削刃选定点垂直于基面PrPr和切削平面和切削平面 PsPs的平面。的平面。1）正交平面参考系）正交平面参考系基面基面Pr假定主运动方向假定主运动方向主切削主切削刃上选刃上选定点定点刀柄底面平面刀柄底面平面主剖面主剖面Po： Ps P基面基面P： PVc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）切削平面切削平面 Ps: 与与 S相切相切 且且 P假定主运动方向假定主运动方向Vc主剖面参考系（主剖面参考系（Pr-Ps-Po)主切削主切削刃上选刃上选定点定点2）法剖面）法剖面P

13、n和法剖面参考系和法剖面参考系 (pr-ps-pn)法平面法平面Pn：PnS法剖面法剖面Pn：PnS基面基面P： PVc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）切削平面切削平面 Ps: 与与 S相切相切 且且 P假定主运动方向假定主运动方向Vc法剖面参考系（法剖面参考系（ Pr-Ps-Pn ）90主切削主切削刃上选刃上选定点定点3）假定工作平面和背平面参考系）假定工作平面和背平面参考系: (PrPfPP )进给平面进给平面Pf ：Pf Pr 、f切深平面切深平面Pp ：Pp Pr 、aP 进给剖面进给剖面P Pf f是通过切削刃选定点，平行于进给运是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向并垂直于基

14、面动方向并垂直于基面P Pr r的平面。通常，它也平行或垂直的平面。通常，它也平行或垂直与刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或与刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。轴线。 背平面背平面P Pp p是通过切削刃选定点，同时垂直于是通过切削刃选定点，同时垂直于P Pr r 和和P Pf f的平面，由的平面，由P Pr r P Pf fP Pp p组成一个进给、背平面参考组成一个进给、背平面参考系。系。进给剖面进给剖面Pf ： Pf Pr 、f基面基面P： PVc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）切削平面切削平面 Ps: 与与 S相切相切 且且 P假定主运动方向假定主运

15、动方向Vc假定进给运动方向假定进给运动方向f切深平面切深平面Pp ： Pr 、 Pf 进给、切深剖面参考系（进给、切深剖面参考系（ Pr-Ps-Pf-Pp ）主切削主切削刃上选刃上选定点定点主剖面参考系（主剖面参考系（Pr-Ps-Po)PSPrDrooPOPrPSPrDrooPOPrDDPSPr主剖面参考系刀具静止角度主剖面参考系刀具静止角度前角o = A与 Pr ：A在Pr之上负，A在Pr之下正前角o立体图示前角o正负图示3 3正交平面参考系中角度定义(1)正交平面中的角度 后角o =A与 Ps （一般无负）(2) 在基面内测量 主偏角r =“S 在基面上的投影”与Vf 副偏角r =“S在基

16、面上的投影”与“Vf 的反向” (3) 在切削平面上测量刃倾角s = S与P ：刀尖最高正，刀尖最低负刃倾角s立体图示刃倾角s正负图示向法剖面参考系刀具静止角度法剖面参考系刀具静止角度进给、切深剖面参考系刀具静止角度进给、切深剖面参考系刀具静止角度主剖面主剖面Po： Ps P基面基面P： PVc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）切削平面切削平面 Ps: 与与 S相切相切 且且 P假定主运动方向假定主运动方向Vc主剖面参考系（主剖面参考系（Pr-Ps-Po)主切削主切削刃上选刃上选定点定点假定主运动方向假定主运动方向Vc主剖面参考系（主剖面参考系（Pr-Ps-Po)tan=Vf / Vc二、

17、刀具安装对工作角度的影响二、刀具安装对工作角度的影响1 1、刀杆中心与进给方向不垂直：、刀杆中心与进给方向不垂直： rere、rere 变化变化由上图可以看出：当刀杆中心逆时针偏转一角度后，其re增大re减小。2 2、切削刃高低对工作前、后、切削刃高低对工作前、后角的影响角的影响车外圆：若刀尖高于工件中心Ve方向变化Pre变 如右图则：工作角度oe增大，oe减小即：oeo oe o =arcsin(2h/d) 三、进给运动对工作角度的影响1、进给运动不平行回转轴线时扳动小拖板车外锥面时，由于刀具进给方向与工件轴线偏了，引起工作主偏角减小，工作副偏角增大2 2、纵向进给运动对前、后、纵向进给运动

18、对前、后角的影响角的影响刀具材料 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。具的重要内容之一。 1.刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能 金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。即刀具切

19、削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作温度。即刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能。的。因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能。（1 1） 硬度高硬度高 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料的常温硬度必须的常温硬度必须HRC62HRC62以上。以上。（2 2） 足够的强度和韧性足够的强度和韧性 刀具切削部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击力，因刀具切削部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击力，因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。此刀具材料

20、必须要有足够的强度和韧性。（3 3） 耐磨性和耐热性好耐磨性和耐热性好 刀具在切削时承受着剧烈的摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐刀具在切削时承受着剧烈的摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐磨性。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系，其耐热性通常用磨性。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系，其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的能力来衡量（热硬性）。耐热性越好，允它在高温下保持较高硬度的能力来衡量（热硬性）。耐热性越好，允许的切削速度越高。许的切削速度越高。（4 4）导热性好）导热性好 刀具材料的导热性用热导率表示。热导率大，表示导刀具材料的导热性用热导率表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生

21、的热量就容易传散出去，从而降低切热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。削部分的温度，减轻刀具磨损。（5 5）具有良好的工艺性和经济性）具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。2. 2. 常用刀具材料常用刀具材料 刀具材料可分为工具钢刀具材料可分为工具钢( (碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材

22、料的主要性能及用途见表瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表1-11-1种类常用牌号硬度HRC（HRA）抗弯强度 （GPa）热硬性（C）工艺性能用途碳 素工 具钢T8A、T10AT12A6064（ 8 1 83）2.452.752 0 0 250可冷热加工成形，刃磨性能好用于手动工具，如锉刀、锯条、錾子等合 金工 具钢9 s i C r 、CiWMn6065（ 8 1 84）2.452.752 5 0 300可冷热加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于低速成形刀具，如丝锥、板牙、铰刀等高 速钢W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.434.415 5 0

23、600可 冷 热 加 工成 形 ， 刃 磨性 能 好 ， 热处理变形小用于机动复杂的中速刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等硬质合金（YG类）K类（YT类）P类（YW类）M类6981（8993）1.082.168 0 0 1100粉 未 冶 金 成形 ， 只 能 磨削 加 工 不 能热 处 理 ， 多镶 片 使 用 ，较脆 用于机动简单的高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀刀片陶瓷S G 4 、AT6（9394）15002100HV0 . 4 1.1151200压 制 烧 结 成形 ， 只 能 磨削 加 工 ， 不需 热 处 理 ，脆 性 略 大 于硬质合金多用于车刀，适宜精加工连续切削立 方碳 化硼（

24、CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高温高压烧结成形，硬度高于陶瓷，极脆，可用金刚石砂轮磨削，不需热处理用于加工高硬度、高强度材料（特别是铁族材料）人 造金 刚石10000HV0.421.07 0 0 800硬度高于CBN，极脆用于有色金属的高精度、低粗糙度切削，也用于非金属精密加工，不切削铁族金属常用刀具材料的主要性能及用途1、 普通高速钢普通高速钢 普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：a a） W18Cr4VW18Cr4V（简称（简称W18W18） 属钨系高速钢，具有较好的切

25、削性能，是属钨系高速钢，具有较好的切削性能，是我国最常用的一种高速钢。我国最常用的一种高速钢。 b b） W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（简称（简称M2M2） 属钼系高速钢，碳化物分布均匀性、韧属钼系高速钢，碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过性和高温塑性均超过W18Cr4VW18Cr4V，但其磨削性能较差。，但其磨削性能较差。c c） W9Mo3Cr4VW9Mo3Cr4V（简称（简称W9W9） 是一种含钨量较多，含钼量较少的钨钼系是一种含钨量较多，含钼量较少的钨钼系高速钢。其碳化物不均匀性介于高速钢。其碳化物不均匀性介于W18W18和和M2M2之间，但抗弯强度和冲击韧度高于之间，

26、但抗弯强度和冲击韧度高于M2M2。具有较好的硬度和韧性，其热塑性也很好。具有较好的硬度和韧性，其热塑性也很好。2、高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，用调整其基本化学成分和添加一些其它合金元素（如钒、钴、铅、硅、铌等）的办法，着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。它主要用来加工不锈钢、耐热钢、高温合金和超高强度钢等难加工材料。普通高速钢常见用途 硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（WCWC、TiCTiC、NbCNbC、TaCTaC等）作硬质相，用钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉等）作硬质相，用钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉末，按一定比例混

27、合，压制成型，在高温高压下烧结而成。末，按一定比例混合，压制成型，在高温高压下烧结而成。 硬质合金的常温硬度很高（硬质合金的常温硬度很高（898993HRA93HRA，相当于，相当于787882HRC82HRC）。耐熔性好，热硬性可达）。耐熔性好，热硬性可达80080010001000以上，允许的切以上，允许的切削速度比高速钢提高削速度比高速钢提高4 47 7倍，刀具寿命高倍，刀具寿命高5 58 8倍，是目前切削倍，是目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。但它的抗弯强度和加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。但它的抗弯强度和韧性均较低，性脆，怕冲击和振动，工艺性也不如高速钢。韧性均较低

28、，性脆，怕冲击和振动，工艺性也不如高速钢。我国目前常用的硬质合金主要有以下三类： 钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金 由由WCWC和和CoCo组成，代号为组成，代号为YGYG。常。常温硬度为温硬度为898991HRA91HRA，耐热性达，耐热性达800800900900，适用于加工切屑呈，适用于加工切屑呈崩碎状的脆性材料。常用牌号有崩碎状的脆性材料。常用牌号有YG3YG3、YG6YG6和和YG8YG8等，其中数字表示等，其中数字表示含含CoCo的百分比，其余为含的百分比，其余为含WCWC的百的百分比。钴在硬质合金中起粘结作分比。钴在硬质合金中起粘结作用，含用，含CoCo愈多的硬质合金韧性愈愈多的硬质

29、合金韧性愈好，所以好，所以YG8YG8适于粗加工和断续切适于粗加工和断续切削，削，YG6YG6适于半精加工，适于半精加工，YG3YG3适于适于精加工和连续切削。精加工和连续切削。 钨钛钴类硬质合金 由WC、TiC和Co组成，代号为YT。此类硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性（9001000）均比YG类合金高，但抗弯强度和冲击韧度降低。主要适于加工切屑呈带状的钢料等韧性材料。常用牌号有YT30、YT15和YT5等，数字表示含TiC的百分比。故YT30适于对钢料的精加工和连续切削，YT15适于半精加工，YT5适于粗加工和断续切削。 钨钛钽（铌）钴类硬质合金钨钛钽（铌）钴类硬质合金 又称通用合金，由又称

30、通用合金，由WCWC、TiCTiC、TaCTaC（NbCNbC）TCoTCo组成，代号为组成，代号为YWYW。其抗弯强度、疲劳强度、。其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、耐热性、高温硬冲击韧性、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大提度和抗氧化能力都有很大提高。常用牌号有高。常用牌号有YW1YW1和和YW2YW2，这两种硬质合金都具有这两种硬质合金都具有YGYG类类硬质合金的韧性，比硬质合金的韧性，比YTYT类硬类硬质合金的抗刃口剥落能力强。质合金的抗刃口剥落能力强。由于由于YWYW类硬质合金的综合性类硬质合金的综合性能较好，除可加工铸铁、有能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要用于色金属和钢料外，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。钢等难加工材料。 陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷刀具材料的主陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3Al2O3、Si3N4Si3N4等氧化物、氮化物，等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳