第1章金属切削过程的基本知识

1、1机械制造技术机械制造技术Mechanical Manufacturing Technology第第1 1章章 金属切削过程的基本知识金属切削过程的基本知识2第1章 金属切削过程的基本知识主要内容：1.1 切削运动与切削用量 1.2 金属切削刀具几何参数1.3 切削层参数与切削方式1.4 刀具材料及选用 金属切削过程 3第1章 金属切削过程的基本知识主要内容：1.1 切削运动与切削用量 1.2 金属切削刀具几何参数1.3 切削层参数与切削方式1.4 刀具材料及选用 金属切削过程 41.1.1 切削时的工件表面 1待加工表面：工件上多余金属即将被切除的表面。2已加工表面：工件上多余金属被切除后形

2、成的新表面。3过渡表面（加工表面）：刀具正在切削着的表面（或工件上多余金属被切除过程中，待加工表面与已加工表面之间相连接的表面）。1.1 切削运动与切削用量 第1章 金属切削过程的基本知识51.1 切削运动与切削用量 1.1.2 切削运动：刀具和工件之间的相对运动。 1主运动： 直接切除工件上的切削层以形成工件新表面的基本运动, 或使工件和刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。 （1）速度最高，消耗的功率最多； （2）机床的主运动只有一个。 2进给运动： 不断地把切削层投入切削，以逐渐切削出整个工件表面的运动。 （1）一般速度较低，消耗功率较少； （2）可有一个、两个或多个，可以是连续或间断

3、的。 6外圆车削时的切削运动与加工表面外圆车削时的切削运动与加工表面 1.1 切削运动与切削用量 7刨削、钻削、铣削加工时刨削、钻削、铣削加工时的切削运动和切削表面的切削运动和切削表面1.1 切削运动与切削用量 8注意:主运动和进给运动是完成金属切削的最基本运动； 任何加工方法都必有一个主运动，可有一个或几个进 给运动；主运动和进给运动可由工件或刀具分别完成，也可由 刀具单独完成（如在钻床上钻、扩、铰孔）。1.1 切削运动与切削用量 93合成切削运动和合成切削速度合成切削运动：由同时进行的主运动和进给运动合成的运动。合成切削速度：等于主运动速度和进给运动速度的向量和： fcevvv合成切削速度

4、合成切削速度 1.1 切削运动与切削用量 101.1.3 切削用量：切削速度、进给量（或进给速度 ）、背吃刀 量三者的总称切削用量三要素 1切削速度 ： 2背吃刀量 ： 3进给量 f ： 进给速度 ： 每齿进给量 ：cvpafvzf为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位mm。刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，单位mm/r或mm/d.st 。对于多刃刀具（铣刀、拉刀），应规定每一个刀齿的进给量，单位是mm/Z后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量。 进给运动的速度，单位mm/s（或mm/min）。 1.1 切削运动与切削用量 切削刃选定点相对于工件的主运动速度，计量单位为m/s（或m/

5、min）。 114 4主刀刃（主切削刃）主刀刃（主切削刃） ：前刀面前刀面 与主后刀面与主后刀面 相交而得到的边锋。相交而得到的边锋。SAA2 2主后刀面主后刀面 ：与工件过渡表面相与工件过渡表面相对的表面；对的表面； A3 3副后刀面副后刀面 ：与工件上已加工表与工件上已加工表面相对的表面；面相对的表面；A1 1前刀面前刀面 ：切屑流过的表面；切屑流过的表面；A6 6刀尖（过渡刃）：刀尖（过渡刃）：主切削刃与副切削刃连主切削刃与副切削刃连接处的那部分切削刃。接处的那部分切削刃。刀尖形状如图：刀尖形状如图：1.2 金属切削刀具的几何参数5 5副刀刃（副切削刃）副刀刃（副切削刃） ：前刀面前刀面

6、 与副后刀面与副后刀面 相交而得到的边锋。相交而得到的边锋。 SAA1.2.1 刀具切削部分结构要素第1章 金属切削过程的基本知识12 Pr、Ps 、 Po、Pn、Pf 、Pp（1）基面Pr：通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度 方向的平面vc 。 基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某 一安装定位平面或轴线。1.2.2 确定刀具切削角度的参考平面和测量平面1.2 金属切削刀具的几何参数13普通车刀的基面普通车刀的基面 钻头的基面钻头的基面 1.2 金属切削刀具的几何参数14（2）切削平面Ps：通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于基面的平面。切于工件过渡表面的平面 Ps

7、 Pr（3）主剖面（正交平面）Po 通过主切削刃上选定点，垂直于基面Pr 和切削平面 Ps 的平面。 （4）法剖面（法平面）Pn 通过主切削刃上选定点，且垂直于主切削刃的平面。1.2 金属切削刀具的几何参数15（5）进给剖面Pf 和背剖面PP 进给剖面（假定工作平面）Pf ：通过主切削刃（刀刃）上选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr 的平面。 背剖面（背平面）PP：通过主切削刃（刀刃）上选定点，垂直于基面Pr 和进给剖面Pf 的平面。 1.2 金属切削刀具的几何参数161.2.3 刀具标注角度的参考系（1）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动方向；其次假定进给速度很小（

8、可忽略）： 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基面和切削平面（参考平面）。0fvecvv 1.2 金属切削刀具的几何参数17（2）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上便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面，车刀刀杆轴线，铣刀、钻头的轴线等）。 使标注角度参考平面与刀具的刃磨、测量平面一致。 测量平面：用来标注和测量刀具前、后刀面角度的平面，有主剖面、法剖面、进给剖面、背剖面。 刀具的标注角度参考系： 正交平面参考系（主剖面参考系）PrPsPo 法剖面参考系: PrPsPn 背平面、假定工作平面参考系: PrPfPP1.2 金属切削刀具的

9、几何参数18车刀标柱角度参考系1.2 金属切削刀具的几何参数19主剖面（正交平面）参考系主剖面（正交平面）参考系 1.2 金属切削刀具的几何参数20 法剖面（法平面）参考系法剖面（法平面）参考系 1.2 金属切削刀具的几何参数21 背平面、假定工作平面背平面、假定工作平面（进给、背剖面）参考系（进给、背剖面）参考系 1.2 金属切削刀具的几何参数221.2.4 刀具的标注角度： 制造和刃磨所需要的，在刀具设计图上所标注的角度。 在标注角度参考系中标注，是制造、刃磨和检查刀具所需要的角度。1正交平面参考系里的标注角度：PrPsPo 1.2 金属切削刀具的几何参数23副偏角 ：在基面内，副切削刃的

10、投影与进给运动反方向的夹角。r刃倾角s ：在切削平面内，主切削刃与基面间的夹角。当刀尖是刀刃最高点时，s为正，反之为负，如图所示：前角 ：在主剖面内，前刀面与基面间的夹角。前刀面在基面下面为正，反之为负。0后角 ：在主剖面内，主后刀面与切削平面间的夹角。后刀面在切削平面下面为正，反之为负。 0副后角a0：在副剖面内，副后刀面与副切削平面间的夹角。 主偏角 ：在基面内，主切削刃的投影与进给运动方向的夹角。 r1.2 金属切削刀具的几何参数24 外圆车刀所必须标注的六个基本角度： 、 确定主切削刃位置的角度; 、 确定前刀面与主后刀面在主剖面内位置的角度; 、 是确定副切削刃位置的角度。s0rr0

11、01.2 金属切削刀具的几何参数25 派生角度： 刀尖角 在基面内，主、副切削刃投影之间的夹角， 余偏角 在基面上，主切削刃的投影与进给运动方向垂线 之间的夹角， 刀楔角 主剖面中测量的前、后刀面间的夹角，r）(180rrrr90r0)(900001.2 金属切削刀具的几何参数26 2法剖面参考系PrPsPn内的标注角度在基面和切削平面内在基面和切削平面内标注角度标注角度kr、kr、s、（、（ 、 ）；）； 在法剖面内标注角度在法剖面内标注角度 、 、（、（ ）；）；在副法剖面在副法剖面 中能够中能够标注角度标注角度 。rrnnnnPn法剖面参考系标注角度法剖面参考系标注角度 1.2 金属切削

12、刀具的几何参数273进给剖面、背剖面参考系PrPfPp的标注角度：进给剖面、背剖面进给剖面、背剖面参考系的标注角度参考系的标注角度 1.2 金属切削刀具的几何参数281.2.5 刀具的工作角度 刀具工作角度：刀具在工作状态下的角度考虑进给运动及实际安装情况。 刀具工作角度参考系不同于标注角度参考系，各参考平面的空间位置也相应地有了改变。1.2 金属切削刀具的几何参数29 刀具工作角度的参考系 考虑进给运动的影响：用ve取代vc，即实际进给运动方向取代假定进给运动方向。 考虑安装条件：1切削平面Ps Pse：通过主切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面（包含刀刃在该点的切线和由主运动与进给运动合

13、成的切削运动速度向量ve的平面）。2基面Pr Pre：通过主切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运动速度向量ve的平面。 如车外圆，基面不再平行于刀杆底面 PsePre 下面就进给运动和刀具安装对工作角度的影响分别加以讨论。1.2 金属切削刀具的几何参数30（一）进给运动对工作角度的影响 1.横向进给运动对 工作角度的影响：对工件切断和车槽时，进给运动是沿横向进行的。切断车刀（或车端面）：横向进给运动对工作角度的影响横向进给运动对工作角度的影响 1.2 金属切削刀具的几何参数31（1）不考虑进给运动：切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹是一个圆， 过该点切于此圆的平面， 过该点垂直于 的平面，它与

14、刀杆底面平行。在主剖面内标注角度为 、（2）考虑横向进给运动：切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹是阿基米德蜗线，参考平面 （过该点切于该曲线的平面）与 和 （过该点垂直于 的平面）与 产生了 角： 合成切削速度角：主运动方向与合成切削速度方向的夹角。sPrPsP00sePsPrePsePrP00e00edfvvtgcf1.2 金属切削刀具的几何参数32结论：刀具越靠近中心， ， ；当 ， 为负值，刀刃失去切削作用切断时在端面中心留下直径约1mm小凸头的原因； ， 。 对于横向切削的刀具，不宜选用过大的进给量f，或者应适当加大标注（刃磨）角度 。d0e0f01.2 金属切削刀具的几何参数332纵

15、向进给运动对工作角度的影响 外圆切削时，由于纵向进给量较小，它对车刀工作角度的影响通常忽略不记； 车螺纹时，尤其是车多头螺纹时，应该考虑纵向进给运动对工作角度的影响，如图所示。假定车刀的 ，以车削右螺纹车刀的左侧刀刃进行分析：0s1.2 金属切削刀具的几何参数341.2 金属切削刀具的几何参数外圆车刀的工作角度 35（1）不考虑进给运动：切削平面 垂直于刀杆底面，基面平行于刀杆底面，在主剖面内的标注角度为 ， ，进给剖面内的标注角度为 ， 。（2）考虑进给运动：切削平面 为切于圆柱螺旋面的平面，基面 垂直于 ，与刀杆底面不再平行，刀具的工作角度参考系（ 、 ）在进给剖面内倾斜了 值，在主剖面内

16、倾斜了 值。 sPrP00ffsesPP rerPP sePsePreP01.2 金属切削刀具的几何参数36 在进给剖面内工作角度为： f纵向进给量，或被切螺纹导程（单头螺纹螺距）； 工件直径，或螺纹外径。在主剖面内工作角度为： fffefffewfdftgwd000e000erfwrwntgdfdftgsinsin01.2 金属切削刀具的几何参数37结论： 或 与 及 有关，由于外圆切削时 很小， 或 很小可忽略不记 对于车螺纹，尤其是车多头螺纹或蜗杆时，由于 、 较 大，必须进行工作角度计算（同时车刀左、右两侧刀刃其 影响正、负号相反）。f0fwdff04030fff1.2 金属切削刀具的

17、几何参数38（二）刀具安装状态 对工作角度的影响 1.刀尖安装高低对工 作角度的影响 设 刀尖高于工件中心时：刀尖安装高低的影响刀尖安装高低的影响0s1.2 金属切削刀具的几何参数39 主切削刃上选定点的切削平面将变为 ，切于工件过渡表 面；基面 保持与 垂直；在背剖面 内：刀具工作前角 增大，工作后角 减小，两者角度的变化值为 ，即： h 刀尖高于工件中心的距离， 工件直径。sePrePsePpPpepeppppepppe22)2(hdhtgwpwd1.2 金属切削刀具的几何参数40 刀尖低于工件中心时： 在背剖面 内，刀具工作前角 减小，工作后角 增大。即： 在主剖面内： H刀具厚度尺寸

18、pPpepepppepppeHtgHHACHABhdhtgrprrwcoscos/cos)2(2201.2 金属切削刀具的几何参数000e000e41 2刀杆中心线偏斜对工作角度的影响 车刀刀杆中心线安装得与进给方向垂直时，工作主偏角和工作 副偏角等于车刀的标注主偏角和副偏角； 当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，则工作主偏角将增大 （或减小），而工作副偏角将减小（或增大），其角度变化值 为 G，即： 式中的“”或“”号由刀杆的倾斜方向决定，G为刀杆中 心线的垂线与进给方向的夹角。GrreGrre1.2 金属切削刀具的几何参数42右倾斜左倾斜刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响1.2 金

19、属切削刀具的几何参数43 切削层：在切削过程中，刀具或工件沿进给方向移动一 个f 时所切下的金属层在基面内的截形。外圆纵切时切削层参数1.3 切削层参数与切削方式第1章 金属切削过程的基本知识44（一）切削层参数：在基面内度量的切削层的尺寸1切削厚度 垂直过渡表面测量的切削层尺寸（相邻两过渡表面之间的距离）。 在外圆纵车（ ）时：2切削宽度 沿过渡表面测量的切削层尺寸（反映了切削刃参加切削的工作长度）。 在外圆纵车（ ）时：3切削面积 ：切削层在基面内的截面面积车削时：Dh0srDfhsinDb0srpDabsinDADDDbhApDDDafbhA1.3 切削层参数与切削方式45（二）切削方式

20、 1自由切削与非自由切削：按切削刃数量分 自由切削：只有一条直线刀刃参与切削（主切削刃） 非自由切削： 曲线刀刃或两条以上刀刃参与切削（包括主、副刀刃） 2正切削与斜切削：按有无刃倾角分 正切削（直角切削）：切削刃垂直于合成切削运动方向， 特点：切屑沿刀刃法向流出；刀刃上各点切屑流出方向一致，且金属变形在二维平面内。 斜切削（斜角切削）：切削刃不垂直于合成切削运动方向，0s0s1.3 切削层参数与切削方式46示例：图（a）是直角自由切削方式正切削和斜切削 1.3 切削层参数与切削方式471.4 刀具材料及选用1.4.1 刀具材料应具备的性能1高的硬度2高的耐磨性 3足够的强度和韧性 4高的耐热

21、性（热稳定性）5良好的物理性能6良好的工艺性和经济性表示抵抗磨损的能力，与硬度、硬质点多少、分布均匀程度有关。一般来说，硬度，耐磨性；组织中硬质点（碳化物、氮化物）数量，硬度，颗粒，分布越均匀，耐磨性。 具有良好切削加工性、铸造性、锻造性、焊接性、热处理性等。 刀具在高温下具有保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。刀具材料的高温硬度，刀具切削性能，允许的切削速度。刀具材料要比工件硬度高，常温硬度在HRC60以上。 承受切削中的切削力、冲击和振动，避免崩刃和折断。 刀具材料具有良好的导热性，大的热容量以及优良的热冲击性能。刀具材料导热性，有利于切削温度。热冲击性能，在切削加工时可使用切削液。第1章

22、 金属切削过程的基本知识48 1.4.2 常用的刀具材料 碳素工具钢（T10A、T12A）、合金工具钢（9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工刀具及切削速度较低的刀具。 高速钢、硬质合金、涂层高速钢、涂层硬质合金 主要的刀具材料 陶瓷、金刚石和立方氮化硼仅用于有限的场合。1.4 刀具材料及选用49（一）高速钢： 一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 特点： 有较高的热稳定性，切削温度在600650时工作良好； 有高的强度和韧性，有一定的硬度和耐磨性，硬度为HRC6370，抗弯强度为一般硬质合金23倍，为陶瓷56倍； 工艺性好，容易磨成锋利切削刃，能锻造； 性能较

23、硬质合金和陶瓷稳定。1.4 刀具材料及选用50 应用场合： 制造各种复杂刀具，成为切削硬度在250280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的主要刀具材料（如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具），占刀具材料的50%以上。 分类： 按用途分：通用型高速钢、高性能高速钢； 按制造工艺分：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢。1.4 刀具材料及选用511通用型高速钢：含碳量0.70.9%，属中等热稳定性高速钢。按含W量不同分为：（1）钨钢：含W12%、W18% 典型牌号：W18Cr4VW18%、Cr4%、V1%。 特点：综合性能好。 应用：用于制造各种复杂刀具。不能用作热成形刀具。（2）钨钼钢：钨钢中部分钨用钼取代而获

24、得的一种高速钢 典型牌号：W6Mo5Cr4V2 （W6%、Mo5%、Cr4%、V2%）W9Mo3Cr4V 特点：热塑性好。 应用：热轧刀具或热成形刀具。1.4 刀具材料及选用522高性能高速钢：属高热稳定性高速钢 在通用型高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。 典型牌号： 高碳高速钢 9W6Mo5Cr4V2；高钒高速钢 W6Mo5Cr4V3；钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5、W18Cr4VCo5；超硬高速钢 W2Mo9Cr4VCo8等。 应用： 适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。1.4 刀具材料及选用533粉末冶金高速钢：用高压氩气或氮气雾

25、化高速钢水（熔融），直接得到细小的高速钢粉末，高温高压下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状的一种高速钢。 特点： 具有良好的力学性能。晶粒细小均匀，尺寸23 ，（熔炼钢的晶粒尺寸820 ）；强度和韧性比熔炼钢高。 磨削加工性能好。 淬火变形小，为熔炼高速钢的1/21/3。 耐磨性好。比熔炼高速钢2030%。 应用：制造难加工材料刀具、大尺寸刀具（滚刀、插齿刀）、精密刀具、高压动载荷下用的刀具。mm1.4 刀具材料及选用54（二）硬质合金 由高耐热性和高耐磨性的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC）和金属粘结剂（Co 、Ni、Mo）在高温下烧结而成的粉末冶金法制品。 1特点（与高速钢

26、比） 硬度高：8993HRA； 耐磨性好，寿命高几倍几十倍；寿命相同时切削速 度可提高410倍（切削速度100300m/min）； 耐热性高，在8001000 时尚能进行切削。 抗弯强度低（0.91.5GPa），断裂韧性低硬质合金刀具承受切削振动和冲击负荷能力差。1.4 刀具材料及选用552常用硬质合金的分类及其性能ISO将切削用硬质合金分为三类：（1）K（YG）类： WC-Co类硬质合金（钨钴类） 常用的牌号：YG3、YG6、YG8WC的颗粒为中颗粒，Co含量为3%、6%、8%。YG3X、YG6XWC的颗粒为细颗粒，Co的含量为3%、6%。同含Co量，比中颗粒的硬度和耐磨性，抗弯强度和韧性。

27、 Co，抗弯强度和韧性，耐磨性。 应用： 加工短切屑黑色金属（铸铁）、有色金属、非金属材料。 Co含量高的用于粗加工，Co含量低的用于精加工。1.4 刀具材料及选用56（2）P（YT）类：WC-TiC-Co类硬质合金（钨钛钴类）。 常用的牌号： YT30、YT15、YT14、YT5，TiC含量30%、15%、14%、5%。 TiC，硬度、耐热性及耐磨性，冲击韧性、强度与导热 性。 应用：加工长切屑(塑性)黑色金属（钢）。 TiC含量高的用于精加工，TiC含量低的用于粗加工。 1.4 刀具材料及选用57（3）M（YW）类：WC-TiC-TaC（NbC）-Co类硬质合金（钨钛钽（铌）钴类）。 常用

28、的牌号：YW1、YW2。 抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性（TaC加入），合金的高温硬度和强度，抗氧化能力和耐磨性。 应用：加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢通用性硬质合金。 加工淬火钢、高强度钢、奥氏体钢和高温合金等难加工材料。 以上三类硬质合金的主要成分是WC，称为WC基硬质合金。1.4 刀具材料及选用58 除上述WC基硬质合金外，还有TiC基硬质合金YN：以TiC为主要成分的TiC-Ni-Mo的合金。 特点：与WC基硬质合金相比 硬度（HRA9094），与工件材料的亲和力小，摩擦系数小，抗粘结能力强刀具寿命（比WC基硬质合金高几倍）； 合金的抗弯强度、冲击韧性。 应用： 用于半精和精加工钢和铸铁材料。1.4 刀具材料及选用59（三）涂层刀具和其它刀具材料1涂层刀具在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一层高硬、耐磨、难熔金属化合物。 常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等。 涂层厚度：硬质合金刀具为45m，表层硬度HV25004200；高速钢刀具为2m ，表层硬度HRC80。 用于铸铁和