切削加工的基本理论

1、本章要点切削运动与切削用量刀具角度和刀具的工作角度切削层参数与切削方式旋转刀具的角度切屑的形成过程切削力及其影响因素切削热及切削温度刀具磨损与刀具寿命flashflashflashflasha）轨迹法 b）成形法c）相切法 d）展成法图1-6 零件表面成形方法 指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用 T 表示），也可以是回转运动（用 R 表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。 指为不断把余量投入切削的运

2、动。进给运动的速度用进给量（fmm/r）或进给速度（vf mm/min）表示。（3）合成运动与合成切削速度v 主运动v和进给运动v可以由刀具或工件分别完成，或由刀具单独完成。 主运动和进给运动可以同时进行（车削、铣削等），也可交替进行（刨削等）。当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动。合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和： v=v+v 切切 削削 运运 动动 1.1.1 1.1.1 切削运动与切削运动与切削用量切削用量 在金属切削过程中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具与工件之间必须完成一定的切削运动。 如外圆车削时，工件作旋转运动，刀具作

3、连续的纵向直线运动，形成了工件的外圆柱表面。 在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面：基 本 定 义待加工表面待加工表面：即将被切去金属层的表面； 加工表面加工表面 ：切削刃正在切削着的表面； 已加工表面已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。 这些定义也适用于其它切削。图中分别表示了车削、刨削、钻削、铣镗削时的切削运动。 若主运动为往复运动时，其平均速度为： 1000nDvc（1-2）式中 n 主运动转速（r/s）； d 刀具或工件的最大直径（mm）。式中 nr 主运动每秒钟往复次数（str/s）； l 往复运动行程长度（mm）。10002rcnlv （1-3） （2-4）r

4、Dfhsin （2-5）sinfbD图2-7 切削层截面bDhD = ffdwDmapa）rhDbD = apb）c）切屑的形成过程切削力及其影响因素切削热及切削温度刀具磨损与刀具寿命没有副刃参加切削，且s = 0。图1-1 直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削）直角切削b）斜角切削）斜角切削c）不自由切削）不自由切削 FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削图1-2 金属挤压与切削比较图1-3 切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角图1-4 切削变形实验设备与录像装置 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切

5、削过程的塑性变形主要集中于此区域。图1-5 切削部位三个变形区第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧

6、性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表1-1 切屑类型及形成条件带状切屑Real挤裂切屑Real节状切屑Real崩碎切屑Real图1-6 切屑形态照片v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图1-7）图1-7 切屑的卷曲图1-8 断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置

7、，图1-8） 切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。LchhDhchLD图1-9 切屑与切削层尺寸厚度变形系数 （1-1） Dchhhh长度变形系数chDLLL （1-2） ysOM0图1-10 相对滑移系数)cos(sincos00yS （1-3） 粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。 图1-11 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前

8、刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfin切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDhDhACFE图1-12 已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。rFcFFpFf pFfFf pFf pfv图1-15 切削力的分解 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力nnn.FFFcccccFFFppcppFFFffcffxycFpFxypFpFx

9、yfFpFcccFCafKFCafKFCafKvvv（1-6）式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。1FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（1-7） 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。 （1-8）310()ccPFvKW式中 机床传动效率

10、，通常= 0.750.85 （1-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（1-9）指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂（图1-16） 强度高加工硬化倾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）图1-16 切削速度对切削力的影响 前角0 增大，切削力减小（图1-17） 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff，图1-18）图1-17 前角对0切削力的影响前角0切削力

11、F0 - Fc0 Fp0 Ff图1-18 主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff） 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff） ； 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ； 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、

12、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图1-19 切削热的来源与传出 主要来源 QA=QD+QFF+QFR （1-12）cccvFPq（1-11）式中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量TJ University 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具图1-20 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611Cq 切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均

13、温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。 经验公式ZyxcpC vfa （1-12）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表1-2 切削温度的系数及指数q 刀具几何参数的影响 q 工件材料的影响 vc（m/min）图1-21 切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o

14、=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q 刀具磨损的影响 q 冷却液的影响 工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极（图1-22）。mV图1-22 人工热电偶工件刀具金属丝小孔 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。 磨削区温度 砂轮与工件接触区的平均温

15、度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。 磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。 工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性图2-55 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素

16、工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼 （PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56 刀具材料的耐磨性与断裂韧性刀具材料种类很多，常用的有工具钢（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（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。表2-9 常用高速钢牌号及其应用范围类别牌 号主 要 用 途普通高速

17、钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18 Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3

18、Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单

19、晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化

20、硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一

21、刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为70

22、0800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花

23、钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良

24、好的使用效果。表2-10 各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，

25、也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐

26、热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚

27、石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐

28、热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶

29、立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa

30、2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢

31、、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表2-11 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比表2-13 工件材料加工性分级表切削加工易切削较易切削较难切围难 切 削等级代号01234567899a9b硬度HB5050100100 150150200200 250250300300350350 400400480480635635 HRC 1424.824.832.332.338.138.1434350506060 抗拉强度b（GPa）0.1960.1960.4410.4410.5880.5880.7840.7840.980.981.1761.1761.3721.372l.5681.6581.7641.

32、7641.961.962.452.45延伸率()101015152020252530303535404050506060100100 冲击值k(kJ/m2)19619639239258858878478498098013721372176417641962196224502450294029403920 导热系数k(W/mK)418.68293.08293.08167.47167.4783.7483.4762.8062.8041.8741.8733.533.525.1225.1216.7516.758.378.37 有色金属有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。铸铁铸铁的加

33、工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。，碳素钢，合金工具钢，表2-14 难切削金属材料的切削加工性比较（恶化顺序1234）影响切削加工性的因素难切削金属材料（淬火或析出硬化状态）高锰钢高 强 度 钢不 锈 钢高温 合金低合金高合金马氏体时效钢沉淀硬化型奥氏体型马氏体型索氏体型铁基镍基钴基钛合金硬度1234234131223122322高温强度11221l21123332微观硬质点 121231111123321与刀具

34、亲和性111112222334导热性42223322343444加工硬化性4221232133432粘附件21111231133421相对切削加工性0.20.40.20.50.20.450.10.250.30.40.50.60.50.70.60.80.150.30.80.20.050.150.250.38a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀图3-47 车刀的结构AAA SS刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图3-48 各种刀具切削部分的形状 刀具标注角度参考系刀具标注角度参考系 设计制造测量角度时的基准设计制造测量角度时的基准 刀具角度的参考系刀具角度的参考系刀具工作角度参

35、考系刀具工作角度参考系实际切削中确定角度的基准实际切削中确定角度的基准 vcReference systems for tool angles刀具的参考平面刀具的参考平面 刀具标注角刀具标注角 度的参考系：度的参考系： (1)(1)正交平面正交平面 参考系参考系 p pr r、p ps s、p po o (2) (2)法平面参法平面参 考系考系 p pr r、p ps s、p pn n (3) (3)背平面进给背平面进给 平面参考系平面参考系p pr r、p ps s、p pp p、 p pf f1）f=0 ：不考虑进给运动的：不考虑进给运动的影响影响2）刀柄与进给方向垂直；）刀柄与进给方向垂

36、直；3）刀尖与工件中心等高）刀尖与工件中心等高（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面 PoA1）基面 Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削平面 Ps基面 Pr图3-49 车刀主剖面坐标系2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。 法平面法平面P Pn n :过切削刃上选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面过切削刃上选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面 进给平面进给平面Pf :过切削刃上选定点并垂直于刀杆轴线及基面的平面过切削刃上选定点并垂直于刀

37、杆轴线及基面的平面 切深平面切深平面Pp :过切削刃上选定点平行刀杆轴线并垂直基面的平面过切削刃上选定点平行刀杆轴线并垂直基面的平面ArA 向f图3-50 车刀的主要角度0000rrs0q 用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5 -10。ArA 向f图3-50 车刀的主要角度0000rrs0q 粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。q 主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。A

38、rA 向f图3-50 车刀的主要角度0000rrsrrAA 向f图3-50 车刀的主要角度0000rrsrq 在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。a）b）c）图3-51 刃倾角对排屑方向的影响5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。q s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。刀具标注角度容易混淆的概念 前角和刃倾角在正交平面参考在正交平面参考系中的标注角度系中的标注角度“一刃四角一刃四角”（5）副偏角）副偏角r （6）

39、副后角）副后角o 派生角度：派生角度：楔角楔角o、刀尖角、刀尖角r余偏角余偏角rr（1）主偏角）主偏角r（4）后角）后角o（2）刃倾角）刃倾角s（3）前角）前角o刀具安装对工作角度的影响图3-52 车刀安装高度对工作角度的影响re=r0e=0a） 0e0b） 0e0c） rer rer 式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。进给运动对工作角度的影响（图2-53）0e=0-0e=0+ 0PsPes图3-53 切断刀的工作角度fx00000ee（3-8）（3-8a）tanWfD （图3-54）tanfwfd 在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：oeooeo（3-9）tant

40、ansinsinfrrwfDO O图3-54 外圆车刀工作角度ffoeoedwooforACAO vf B C B f O dwf ffefef ffefe正常磨损形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量VBVBmaxa) KTKBb)图3-25 刀具磨损形态 3.4 3.4 刀具磨损、破损及使用寿命刀具磨损、破损及使用寿命刀具失效形式：刀具失效形式：磨损磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗）（正常工作

41、时逐渐产生的损耗） 破损破损 （突发的破坏，随机的）（突发的破坏，随机的）一、刀具的磨损形式一、刀具的磨损形式（一）前刀面磨损（一）前刀面磨损 切塑性材料，切塑性材料，v 和和ac较大时，较大时， 在前刀面上形成在前刀面上形成月牙洼磨损，月牙洼磨损，以最大深度以最大深度KT 表示表示（二）后刀面磨损（二）后刀面磨损 切铸铁或切铸铁或v 和和ac较小切塑性较小切塑性 材料时，主要发生这种磨损。材料时，主要发生这种磨损。后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界

42、处表示；边界处磨损严重，以磨损严重，以VN表示。表示。（三）边界磨损（三）边界磨损 切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接 触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬 质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。二、刀具磨损的原因二、刀具磨损的原因（一）磨料磨损（一）磨料磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时

43、，磨料磨损是刀具磨损的主要原因低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因(HSS刀刀)。（二）粘结磨损（二）粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原 子间结合而产生粘结现象，又称为子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊冷焊。相对运动使粘。相对运动使粘 接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬 度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。（三）扩

44、散磨损（三）扩散磨损 刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素 在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快；切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快； 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。（四）化学磨损（四）化学磨损 一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起 化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。化学作用，生成较软的化合物，造

45、成刀具磨损。 化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削 条件下。条件下。（五）热电磨损（五）热电磨损 切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。 三、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具磨损过程及磨钝标准（一）刀具磨损过程（一）刀具磨损过程 1. 1. 初期磨损阶段初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关与刀具刃磨质量有关 2. 2. 正常磨损阶段正常磨损阶段 VBVB与切削时间近似正比与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度斜率表示磨损强度 3. 3. 急剧磨损阶段急剧磨损阶段 切削力、温度急

46、升，刀切削力、温度急升，刀 具磨损加剧，之前换刀具磨损加剧，之前换刀（二）刀具磨损标准（二）刀具磨损标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度 称为磨钝标准。称为磨钝标准。 1. 小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝；小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝； 2. ISO标准规定以标准规定以1/2 ap处的处的VB值作为刀具的磨钝标准；值作为刀具的磨钝标准； 在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。 粗车碳素钢粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁粗车铸铁0.81.2

47、 粗车合金钢粗车合金钢0.40.5 精车碳钢精车碳钢0.10.3 系统刚性大、系统刚性大、HSS ， VB值较大；值较大； 系统刚性小、系统刚性小、Y合金，合金，VB值较小值较小 3. 自动化精加工刀具，以径向磨损量自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准作为磨钝标准四、刀具使用寿命及其与切削用量的关系四、刀具使用寿命及其与切削用量的关系（一）刀具使用寿命（一）刀具使用寿命T刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间。刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间。 刀具总使用寿命：刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时间。刀具从开始使用到报废为止的总切削时间

48、。刀具总使用寿命刀具使用寿命刀具总使用寿命刀具使用寿命刃磨次数刃磨次数（二）刀具使用寿命与切削速度的关系（二）刀具使用寿命与切削速度的关系 工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，v 对对T 影响最大。影响最大。 通过实验得经验公式：通过实验得经验公式： v T m =C0 指数指数m 表示表示v 对对 T 的影响程度，的影响程度，Y合金合金 , m =0.20.4 ; HSS , m = 0.10.125。m 越小，则越小，则v 对对 T 的影响越大。的影响越大。 系数系数C0 ，与刀具、工件材料和切削条件有关。，与刀具、工件材料和切削条件有关。（三）刀具使用

49、寿命与切削用量的关系（三）刀具使用寿命与切削用量的关系 经过实验得类似关系式：经过实验得类似关系式： f T n =C1 ap T p =C2 综合可得到综合可得到切削用量与刀具使用寿命的关系式：切削用量与刀具使用寿命的关系式：T = CT v1/m f 1/n ap1/p令令x =1/m，y =1/n，z =1/p，则，则 T = CT v x f y apz用用YT5车削车削b=0.637GPa碳钢时，碳钢时， T = CT v 5 f 2.25 ap0.75由上式看出，由上式看出，切削用量切削用量， T ，其中速度，其中速度v 对对T 影响最大，影响最大，进给量进给量f 次之，背吃刀量次

50、之，背吃刀量ap影响最小，与对温度影响最小，与对温度影响一致。影响一致。 3.7 3.7 切削条件的合理选择切削条件的合理选择 一、刀具几何参数的合理选择一、刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数包含四方面内容：刀具几何参数包含四方面内容： 几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数 （一）前角的选择（一）前角的选择 1.1.前角的作用前角的作用 0 0 变形程度变形程度F F q T T振动振动质量质量 刀刃和刀头强度刀刃和刀头强度散热面积容热体积散热面积容热体积断屑困难断屑困难 在一定的条件下，存在一个合理值在一定的条件下，存在一个合理值对于不同的刀具材料和工件

51、材料，对于不同的刀具材料和工件材料，T T 随随0 0 的变化趋势为驼峰形。的变化趋势为驼峰形。高速钢的合理前角比高速钢的合理前角比Y合金的大。合金的大。加工塑材的合理前角比脆材的大加工塑材的合理前角比脆材的大2.2.合理前角的选择原则合理前角的选择原则粗加工、断续切削、刀材强度韧性低粗加工、断续切削、刀材强度韧性低 工材强度硬度高，选较小的前角；工材强度硬度高，选较小的前角；工材塑韧性大、系统刚性差，易振动工材塑韧性大、系统刚性差，易振动 或机床功率不足，选较大的前角；或机床功率不足，选较大的前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；A A磨损增大前角，磨损增大前角，

52、 A A磨损减小前角磨损减小前角（二）后角的选择（二）后角的选择 1.1.后角的作用后角的作用 0 0r rn n锋利、锋利、 l摩擦摩擦F F 质量质量 VB VB 一定，磨损体积一定，磨损体积T T但但NBNB 刀头强度刀头强度散热体积散热体积重磨体积重磨体积 在一定的条件下，存在一个合理值在一定的条件下，存在一个合理值2.2.合理后角的选择原则合理后角的选择原则粗加工、断续切削、工材强度硬度高，粗加工、断续切削、工材强度硬度高， 选较小后角选较小后角, , 已用大负前角应已用大负前角应0 0 ；精加工取精加工取较大后角，保证表面质量；较大后角，保证表面质量；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；

53、成形、复杂、尺寸刀具取小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；工材塑性大工材塑性大取取较大后角，脆材较大后角，脆材0 0 （三）主偏角的选择（三）主偏角的选择 1.1.主偏角的作用主偏角的作用 r rac caw w单位刃长负荷单位刃长负荷 T T 刀尖强度刀尖强度散热体积散热体积，RaRa F Fp p变形变形加工精度加工精度，易振动，易振动RaRa，T T 在一定的条件下，存在一个合理值在一定的条件下，存在一个合理值2.2.合理主偏角的选择原则合理主偏角的选择原则主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r r取较取

54、较 小值；若刚性差（细长轴），小值；若刚性差（细长轴），r r取较大值（取较大值（9090）；）；考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取 90 ；镗盲孔；镗盲孔90 ；r r小切屑成长螺旋屑不易断；小切屑成长螺旋屑不易断； 较小较小r r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。（四）副偏角的选择（四）副偏角的选择 副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角的主要作用是形成已加工表面。 副偏角副偏角 RaRa刀尖强度刀尖强度散热体积散热体积 副刃工作长度副刃工作长度 摩擦摩擦F Fp p易振动易振动RaR

55、a，T T 在一定条件下，存在一合理值。系统刚性好，取较小值；在一定条件下，存在一合理值。系统刚性好，取较小值； 刚性差，取较大值刚性差，取较大值, ,参考表参考表2-132-13。（五）刃倾角的选择（五）刃倾角的选择 1.1.刃倾角的作用刃倾角的作用 影响刀刃锋利性影响刀刃锋利性. .s s0e 0e 、r rn n 锋利性锋利性 负刃倾角负刃倾角刀头强度刀头强度散热体积散热体积 负刃倾角负刃倾角 F Fp p变形变形，易振动，易振动RaRa 正正s s切屑流向待加工表面切屑流向待加工表面，负负s s切屑流向已加工表面切屑流向已加工表面 在一定条件下，在一定条件下， 存在一合理值存在一合理值

56、Tool cutting edge inclination angle2.2.刃倾角的选择原则刃倾角的选择原则粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s s取负值；取负值；精加工、系统刚性差（细长轴），精加工、系统刚性差（细长轴），s s取正值；取正值；微量极薄切削，取大正微量极薄切削，取大正刃倾角。刃倾角。 二、刀具使用寿命的合理选择二、刀具使用寿命的合理选择 生产目标：生产目标：加工质量、加工效率、经济性加工质量、加工效率、经济性 优化指标：优化指标：单件生产时间、单件加工成本、利润率单件生产时间、单件加工成本、利润率 切削参数：切削参数：切削用量、

57、刀具材料、几何参数、机床等切削用量、刀具材料、几何参数、机床等 常用常用T T 作中间控制因素把优化指标和切削参数联系起来。作中间控制因素把优化指标和切削参数联系起来。1. 最大生产率刀具使用寿命最大生产率刀具使用寿命Tp 根据单件工时最短的原则确定的刀具使用寿命。根据单件工时最短的原则确定的刀具使用寿命。 单件工时单件工时 tw= tm+tct tm/T+ta tm为切削时间；为切削时间； tct为换一次刀时间；为换一次刀时间；ta为辅助时间为辅助时间 tm=l./(n f ap)= l.d/(1000v f ap) = l.d Tm/(1000C0 f ap)=K Tm tw= K Tm+

58、 tctK Tm-1+tot 取取d tw/dT = 0 T=(1-m) tct/m=Tp （2-2） 与此与此 相应的速度为相应的速度为 vp =C0 / Tp m 分析式（分析式（2-2）知：）知： tct Tp，即换刀时间长，即换刀时间长， Tp应取大值，切削应取大值，切削 速度应取速度应取 较小值；较小值； m Tp，即刀材性能较好，速度变化对刀具即刀材性能较好，速度变化对刀具 使用寿命影响小，使用寿命影响小， Tp应取小值，切削速度取应取小值，切削速度取 较大值较大值2. 最低成本使用寿命最低成本使用寿命Tc 根据单件成本最低的原则确定的刀具使用寿命。根据单件成本最低的原则确定的刀具

59、使用寿命。 单件成本单件成本 C= tmM+tct (tm/T)M+ (tm/T) Ct+totM M 为工时费用率；为工时费用率； Ct为刀具每用一次分摊的成本，刀具总成本为刀具每用一次分摊的成本，刀具总成本/刃磨次数；刃磨次数； 将将tm=K Tm代入上式，代入上式， 令令d C /dT = 0 得得 T=(1-m)( tct+ Ct /M)/m=Tc （2-3） 与此与此 相应的速度为相应的速度为 vc= C0 / Tc m 分析式（分析式（2-2）知：）知： tct Tc； m Tc； M Tc；即即Tc应取小值，应取小值，vc取大值以降低成本；取大值以降低成本； Ct Tc；即刀具成

60、本高，即刀具成本高，Tc应取大值，应取大值， vc取小值取小值3. 最大利润使用寿命最大利润使用寿命Tpr 根据单件利润最高的原则确定的刀具使用寿命。根据单件利润最高的原则确定的刀具使用寿命。 单件利润率单件利润率 pr= (S C) / tw S 为单件创造的产值为单件创造的产值 将将C 、tw代入上式，代入上式， 令令d pr /dT = 0 得得 Tpr=(1-m)( tct+ta Ct /S)/m+ Ct K Tpr m/mS （2-4） 与此与此 相应的速度为相应的速度为 vpr= C0 / Tpr m当销售价当销售价生产成本时，生产成本时，有如下关系：有如下关系： TcTPX TP