第一章金属切削原理(2011)

1、2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院1面向面向21世纪世纪普通高校机械类专业系列教材普通高校机械类专业系列教材机械制造工程学金属切削原理金属切削原理授课：张传伟2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院21 1 金属切削原理金属切削原理 本讲提要基本定义切削运动和切削用量刀具组成本讲重点切削运动切削用量三要素刀具组成要素（三面二刃一尖）2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院31.1基本定义 金属切削过程工件工件与与刀具刀具相互作用的过程相互作用的过程 金属切削加工 用刀具从工件表面上切除多余的材料，使工件的几何形状几何形状、尺寸精度尺寸精度、表面质量表面质量等各个方面均符

2、合技术要求，同时要求高质量高质量，高效率高效率，低成本低成本。 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院41.1基本定义 实现切削过程的三个条件切削运动切削运动工件与刀具之间要有相对运动工件与刀具之间要有相对运动刀具的切削性能刀具的切削性能刀具材料必须具备一定的切削性能刀具材料必须具备一定的切削性能刀具的切削角度刀具的切削角度刀具必须具有合理的几何参数刀具必须具有合理的几何参数2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院5工件加工工件加工2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院6 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院71.1.1切削运动与切削用量1.1.1.1工件加工表

3、面 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的表面。待加工表面待加工表面工件上即将切除的表面已加工表面已加工表面工件上已经切除而形成的新表面过渡表面过渡表面( (切削表面切削表面) )工件上正在切削的表面， 介于已加工表面和待加工表面之间。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院8外圆车削的加工表面2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院9平面刨削的加工表面2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院101.1.1.2 切削运动 切削运动刀具与工件间的相对运动（即表面成形运动） 切削运动可分为主运动和进给运动。 主运动和进给运动的向量和称为合成切削运动2022-3-28西安科技

4、大学机械制造工程学院11(1)(1)主运动主运动【主运动】【主运动】由机床提供的刀具与工件间主要的相对运动，它使刀具切削刃极其毗邻的刀具表面切入工件材料,从而形成工件新表面的运动【主要特征】【主要特征】速度高、消耗功率大、通常只有一个【形式】【形式】直线或旋转【状态】【状态】连续或间歇【主运动方向】【主运动方向】在在不考虑进给运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向【切削速度【切削速度vcvc】切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院12切削速度切削速度v vc c 刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度，单位为m/s。由于切削刃上

5、各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。 车削外圆时的切削速度计算公式：V=dwn/1000其中: dw工件待加工表面的直径(mm)； n工件的转速(r/s)。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院13(2)(2)进给运动进给运动【进给运动】【进给运动】使主运动能够依次或连续进行，切除工件上多余材料, 形成满足一定要求的已加工表面的运动【主要特征】【主要特征】速度低、消耗功率小、可以有多个【形式】【形式】直线或旋转，或他们的组合【状态】【状态】连续或间歇【进给运动方向】【进给运动方向】不考虑主运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向。【进给速度【

6、进给速度v vf f 】切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院14进给量进给量f f 在主运动每转一转或往返一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位是mm/r(用于车削、镗削等) 往复直线运动mm/d.str(毫米/双行程，double stroke) (刨削、磨削)。 进给量表示进给运动的速度。进给运动速度还可以用进给速度Vf（单位mm/s) 每齿进给量fz(铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是mm/齿)表示。 Vf=nf=nzfz其中： n主运动的转速(mm/s)； z刀齿齿数。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院15(

7、3)(3)合成切削运动合成切削运动合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动合成切削运动方向： 切削刃上选定点相对于工件瞬时合成切削运动的方向合成切削运动速度ve： 切削刃上选定点相对于工件沿合成切削运动的瞬时速度合成切削速度角：瞬时主运动方向与合成切削运动方向之间的夹角进给运动角: 瞬时主运动方向与进给运动方向之间的夹角2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院16外圆车削的切削运动2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院17平面刨削的切削运动2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院18背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）ap 在垂直于主运动方向和进给方向的工作平面内测量

8、的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度。 注：它是主切削刃的工作长度在包含主运动和进给运动速度的平面的垂线上的投影长度。 对于外圆车削，背吃刀量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 其中： dw工件待加工表面的直径(mm)；dm工件已加工表面的直径(mm)。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院19(4)(4)切削用量三要素切削用量三要素 q切削速度切削速度v vc cq进给量进给量ffq背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）a ap p 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院20切削加工的成形运动切削加工的成形运动 在切削和磨削加

9、工中，工件表面的形状、尺寸及相互在切削和磨削加工中，工件表面的形状、尺寸及相互位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。按照在切位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。按照在切削过程中所起的作用，切削运动可分三类：削过程中所起的作用，切削运动可分三类：1）主运动）主运动 直接切除工件上的切削层，以形成工件新直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度以耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度以 表示，称作切削速度。表示，称作切削速度。2）进给运动

10、）进给运动 是指不断地把切削层投入切削的运动。它是指不断地把切削层投入切削的运动。它的速度较低。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间的速度较低。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给运动的速度用进给量运动的速度用进给量f或进给速度或进给速度vf表示。表示。切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动的合成。其合成速度的合成。其合成速度 。2022-

11、3-28西安科技大学机械制造工程学院21切削加工的成形运动切削加工的成形运动3）定位和调整运动）定位和调整运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。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，还可以由刀具和工件共同来完成。同时，主运动和进给运动可以是直线运动（平动Translation），也可以是回转运动（转动Rotation），还可以是平动和转动的复合运动。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。在加工中，工件上出现三个不断变化着的表面：待加工表面-即将被切除切削层的表面；加工表面-切削刃正在

12、切削着的表面；已加工表面-已经切去切屑形成的新表面。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院22典型表面加工方法典型表面加工方法-外圆表面加工外圆表面加工 表2-5列出了一些常用的外圆表面加工方法。表中T表示平动，R表示转动，T/R表示平动与转动的复合运动。实线箭线表示主运动，虚线箭线表示进给运动，点划线箭线表示调整运动。1）车削）车削 外圆表面加工中，车削应用最为广泛。通常，工件通过夹具安装在车床主轴上，并与车床主轴一起回转，形成主运动。刀具安装在刀架上，与纵溜板一起作平行于主轴回转轴线的直线进给运动，形成圆柱面；或作与主轴回转轴线成一定角度的的直线进给运动，形成圆锥面；或沿靠模曲线运

13、动，形成回转曲面。2）成形车削）成形车削 用成形车刀车削外圆通常采用径向进给方式，少数也有采用切向进给方式的。成形车削多用于自动车床上的小件加工。3）旋转拉削）旋转拉削 工件旋转，拉刀沿切向作直线进给运动，完成外圆加工。旋转拉削是一种高生产率的加工方式，适用于大批量生产。4）研磨）研磨 工件回转，研具沿工件轴向作往复直线进给运动。研磨属零件表面光整加工，材料去除量很小。5）铣削外圆）铣削外圆 刀具与工件均作回转运动（刀具运动为主运动，工件运动为进给运动），可用于加工长度较短、具有不完整圆柱形的表面。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院23典型表面加工方法典型表面加工方法-外圆表面加工

14、外圆表面加工 6）成形外圆磨）成形外圆磨（横磨） 运动形式与铣削外圆相同，多用于长度较短或不完整圆柱形表面的精加工。7）普通外圆磨）普通外圆磨 砂轮回转运动为主运动，工件进给运动包括转动和移动。多用于黑色金属、特别是淬硬钢外圆表面的精加工。8）无心磨）无心磨 工件放在砂轮和导轮之间，砂轮高速回转进行磨削，导轮低速回转，带动工件旋转并作轴向移动，实现进给运动。无心磨生产率高，适用于大批量生产。9）车铣加工）车铣加工 这是一种新的加工方法。加工偏心零件外圆表面时，由于零件不能高速旋转，采用车削方法无法充分发挥刀具的潜力。此时若采用端铣刀铣外圆，不仅可以获得高的切削效率，且可保证可靠的断屑。车铣时，

15、端铣刀与工件互相垂直布置。通过改变工件转速、轴向进给和切深，可在工件上车铣出不同的形状。由于其运动模型较复杂，需采用计算机进行数据处理和加工过程仿真。 10）滚压加工）滚压加工 通过自由旋转的磙子对工件表面均匀施加压力，使被滚压表面得到强化，并形成表面残余压应力，表面粗糙度也得到减小。滚压加工还常用来成形表面花纹。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院24 表2-6列出了几种常用的内圆表面加工方法。1）钻孔）钻孔 通常用于在实心材料上加工直径0.550mm的孔。钻孔加工有不同的运动形式：在钻床或镗床上加工，主运动和进给运动均由刀具完成；在车床上钻孔，主运动由工件完成，进给运动由刀具完成

16、；在组合机床上加工时，刀具完成主运动，进给运动或由工件完成，或由刀具完成。钻孔刀具有麻花钻、扁钻、深孔钻及中心钻等。2）扩、铰孔）扩、铰孔 扩、铰孔是孔加工的中间或终结工序，其成形运动与钻孔相似。3）镗孔）镗孔 一般刀具的回转运动为主运动，刀具或工件的作直线进给运动。镗孔加工可在镗床上进行，也可在车床、铣床、组合机床或加工中心上进行。4）拉孔）拉孔 利用多刃刀具，通过刀具相对于工件的直线运动完成加工工作。可以拉圆柱孔、花键孔、成形孔等，是一种高生产率的加工方法，多用于大批量生产。5）挤孔）挤孔 可以用挤刀挤孔，也可以用钢球挤孔。挤孔在获得尺寸精度的同时，可使孔壁硬化，使被加工孔表面粗糙度降低。

17、6）磨孔）磨孔 是高精度、淬硬内孔的主要加工方法，其基本加工方式有内圆磨削、无心磨削和行星磨削。 典型表面加工方法典型表面加工方法-内圆表面加工内圆表面加工2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院25 平面加工方法有刨、铣、磨、车、研等，见表2-7。1）刨平面）刨平面 对于牛头刨床，刨刀的直线运动为主运动，进给运动通常由工件完成；对于龙门刨床，工件的直线往复运动为主运动，进给运动通常由刀具完成。目前，牛头刨床已逐渐被各种铣床所代替，但龙门刨床仍广泛用于大件的平面加工。宽刃精刨工艺在一定条件下可代替磨削或刮研工作。2）插削）插削 是内孔键槽的常用加工方法，其主运动通常为插刀的直线运动。3）

18、铣平面）铣平面 有周铣和端铣两种形式。端铣刀由于刀盘转速高，刀杆刚性好，可进行高速铣削和强力铣削。 4）磨削平面）磨削平面 也可以分圆周磨和端面磨两大类。圆周磨由于砂轮与工件接触面积小，磨削区散热排屑条件好，加工精度较高；端面磨允许采用较大的磨削用量，可获得高的加工效率，但加工精度不如圆周磨。平面磨削一般作为精加工工序，安排在粗加工之后进行。由于缓进给磨削的发展，毛坯也可直接磨削成成品。5）车（镗）车（镗）平面 在车床上车平面时，工件的回转运动是主运动，刀具作垂直于主轴回转轴线的进给运动。镗平面时，主运动和进给运动均由刀具来完成。6）拉平面）拉平面 平面拉刀相对于工件作直线运动，实现拉削加工。

19、平面拉削是一种高精度和高效率的加工方法，适用于大批量生产。典型表面加工方法典型表面加工方法-平面加工平面加工2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院26表2-8列出了几种常用的螺纹加工方法。1）车螺纹）车螺纹 螺纹车刀结构简单，通用性好，可用于加工各种尺寸、形状和精度的内外螺纹。但加工效率较低，多用于单件小批生产。2）攻螺纹和套螺纹）攻螺纹和套螺纹 用丝锥攻螺纹和用板牙套螺纹常用于加工精度要求不高的标准内、外螺纹。3）盘形铣刀铣螺纹）盘形铣刀铣螺纹 主要用于加工大螺距的梯形螺纹及蜗杆。4）梳形铣刀铣螺纹）梳形铣刀铣螺纹 梳形螺纹铣刀相当于若干把盘形铣刀的组合，一般在专用的螺纹铣床上加工短

20、而螺距不大的内、外螺纹。5）旋风铣螺纹）旋风铣螺纹 利用装在特殊旋转刀盘上的硬质合金刀头进行内、外螺纹的高速铣削，是一种高效率的加工方法。 6）磨螺纹）磨螺纹 是一种高精度的螺纹加工方法，主要用于加工外螺纹。7）滚压螺纹）滚压螺纹 是一种高效率的螺纹加工方法。它利用压力加工方法使金属材料产生塑性变形以形成螺纹，所用工具有滚丝轮和搓丝板。 典型表面加工方法典型表面加工方法-螺纹加工螺纹加工2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院27 齿形有多种形式，其中以渐开线齿形最为常见。渐开线齿形常用的加工方法有两大类，即成形法和展成法，见表2-9。1）铣齿）铣齿 采用盘形模数铣刀或指状铣刀铣齿属于成

21、形法加工，铣刀刀齿截面形状与齿轮齿间形状相对应。此种方法加工效率和加工精度均较低，仅适用于单件小批生产。2）成形磨齿）成形磨齿 也属于成形法加工，因砂轮不易修整，使用较少。3）滚齿）滚齿 属于展成法加工，其工作原理相当于一对螺旋齿轮啮合。齿轮滚刀的原型是一个螺旋角很大的螺旋齿轮，因齿数很少（通常齿数z = 1），牙齿很长，绕在轴上形成一个螺旋升角很小的蜗杆，再经过开槽和铲齿，便成为了具有切削刃和后角的滚刀。4）剃齿）剃齿 在大批量生产中剃齿是非淬硬齿面常用的精加工方法。其工作原理是利用剃齿刀与被加工齿轮作自由啮合运动，借助于两者之间的相对滑移，从齿面上剃下很细的切屑，以提高齿面的精度。剃齿还可

22、形成鼓形齿，用以改善齿面接触区位置。5）插齿）插齿 插齿是除滚齿以外常用的一种利用展成法的切齿工艺。插齿时，插齿刀与工件相当于一对圆柱齿轮的啮合。插齿刀的往复运动是插齿的主运动，而插齿刀与工件按一定比例关系所作的圆周运动是插齿的进给运动。6）展成法磨齿）展成法磨齿 展成法磨齿的切削运动与滚齿相似，是一种齿形精加工方法，特别是对于淬硬齿轮，往往是唯一的精加工方法。展成法磨齿可以采用蜗杆砂轮磨削，也可以采用锥形砂轮或碟形砂轮磨削。 典型表面加工方法典型表面加工方法-齿形加工齿形加工2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院28讨论讨论 确定下列加工方法的切削运动 钻孔 外圆磨削 滚齿2022-

23、3-28西安科技大学机械制造工程学院29车刀的组成 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院301.1.2刀具几何参数1.1.2.1刀具切削部分的组成要素 外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，由刀杆和刀头（切削部分）组成。 刀具切削部分的组成 刀具切削部分（又称刀头）组成可用一句话总结： “三面两刃一尖” 前刀面 主后刀面 副后刀面 主切削刃 副切削刃 刀尖（过渡刃）2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院311.1.2.1刀具切削部分的组成要素 前刀面A：切屑沿着流出的表面 主后面A：刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。 副后面A：刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。

24、主切削刃S：前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。 副切削刃S：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段，折线段，或圆弧。 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院32刀具组成示意图2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院33作业： P51 第1、2题2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院34第二讲 本讲提要确定刀具角度的参考平面刀具的角度标注 本讲重点刀具角度标注2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院351.1.2.2确定刀具切削刃角度的参考平面 由于大多数加工

25、表面都不是平面，而是空间曲面，不便于直接用来作为参考平面，因此将构造刀具角度坐标系的参考平面定义如下：（1）基面Pre 通过主切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运动向量的平面。（2）切削平面Pse 通过主切削刃上选定点，与切削刃S相切并垂直于基面Pre的平面。 显然，切削刃上同一点的基面与切削平面是互相垂直的。 上述定义是在刀具与工件的相对运动状态中给出的，是广义定义。对切削刃上的不同点会有不同的Pre和Pse，因而同一切削刃上各点切削角度的数值也就不一定相等。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院361.1.2.3刀具标注角度的参考系 标注角度的切削平面与基面的定义不考虑进给运动，因

26、而这时的基面Pr则是通过该点而垂直于切削速度向量的平面，切削平面Ps只包含切削刃在其选定点的切线和切削速度向量。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院371.1.2.3刀具标注角度的参考系 实际上，除了由上述切削平面和基面组成了刀具标注角度参考平面系以外，还需要选一个用来标注和测量刀具前、后角度的平面，即“测量平面”。在切削刃上同一选定点测量其角度时，如果测量平面选得不同，刀具角度的大小也就不同。 测量平面、切削平面和基面组成了刀具标注角度参考系，PrPs。 目前各国由于选用的测量平面不同，故所采用的刀具标角度参考系也不完全统一。一般用来标注前、后刀面角度的测量平面有如下三种：2022

27、-3-28西安科技大学机械制造工程学院381.1.2.3刀具标注角度的参考系（1）正交平面Po ：通过主切削刃上选定点，垂直于切削平面与基面的平面（与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面），PrPsPo。 Po、Ps、Pr构成一个空间正交平面参考系。 （2）法平面Pn 通过主切削刃上选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面。Pn、Ps、Pr构成一个法平面参考系。 （3）背平面（也称切深剖面） Pp和假定工作平面（也称进给剖面）Pf 背平面是通过主切削刃上选定点，平行于刀杆轴线并垂直于基面的平面，它与进给方向垂直。 假定工作平面是通过主切削刃上选定点，同时垂直于刀杆轴线及其基面的平面，它与进给方向平行

28、。 Pf、Pp与Pr构成空间正交的假定工作平面、背平面参考系。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院391.1.2.3刀具标注角度的参考系2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院40刀具角度的参考平面示意2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院411.1.2.4刀具的标注角度 刀具的标注角度用于设计、制造、刃磨和测量。它们将保证刀具在使用时得到必要的切削角度，其参考系的选用与生产中实际采用的刀具角度刃磨方式和检测方法有关。 刀具标注角度的内容包括两个方面： -确定刀具上切削刃位置的角度； -确定前刀面与后刀面位置的角度。 以外圆车刀为例，在正交平面内标的包含六个基本角度和三

29、个派生角度。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院42刀具的标注角度 （1）主偏角r：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。 （2）副偏角r：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。 （3）刃倾角s：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角. 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院43刀具的标注角度 当主切削刃呈水平时,s=0,此时主切削刃与切削速度方向垂直，称为直角切削。当s0时称为斜角切削。 刀尖为主切削刃最低点时，s0; 刀尖为主切削刃上最高点是，s0.2022-3-28西安科技大学机械制造工程

30、学院44刀具的标注角度 （4）前角0：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分。 （5）后角0：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示后刀面的倾斜程度，一般为正值。 （6）副后角0：在正交平面内测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角。副切削平面是过该选定点并包含切削速度向量的平面。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院45刀具的标注角度 三个派生角度： （1）楔角0:在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角， 0=90-（0+0） （2）刀尖角r:主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角， r=180-（ r+r） （3）

31、余偏角r:主切削刃在基面上投影与进给方向垂线之间的夹角， r=90-r2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院46（1）正交平面参考系中的标注角度2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院47（1）正交平面参考系中的标注角度2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院48第三讲 本讲提要刀具的角度标注（法平面和假定工作平面）刀具工作角度-切削层参数 本讲重点刀具角度标注切削层参数2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院49（2）刀具在法平面参考系中的标注角度 刀具在法平面参考系中标注的角度与正交平面参考系的类似。在基面和切削平面内表示的角度是相同的，只需将正交平面内的前角、主

32、后角和楔角改为在法还将有面内的法前角、法后角与法楔角即可。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院50（3）刀具在假定工作平面和背平面参考系中的标注角度 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院511.1.2.5刀具的工作角度 在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面、基面和测量平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院52（1）进给运动对刀具工作角度的影响 横向进给运动的影响 可见，当f

33、一定时，切削刃愈近工件中心，值愈小，值急剧增大，工作后角将变为负值。f的大小对值也有很大影响，f增大值也增大，也有可能使工作后角变为负值。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院53纵向进给的影响wffffefffedftanwrrfoeooedfsinsintantan 在工作平面（进给剖面）内 在正交平面内2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院54刀具安装位置对刀具工作角度的影响 刀具安装高低的影响wppppepppedh2sin2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院55刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响GGrrerre 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院

34、561.1.31.1.3切削层参数切削层参数 在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。 切削层公称厚度ac 切削层公称宽度aw 切削层公称横截面积Ac2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院57切削层参数示图切削层参数示图2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院58切削层公称厚度切削层公称厚度ac（hD) 指在主切削刃选定点的基面内,垂直于切削表面的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷。 ac=f*sinkrac切削层公称厚度(mm)；f进给量(mm/r）；kr车刀主偏角(。)。2022-3-28西安科

35、技大学机械制造工程学院59切削层公称宽度切削层公称宽度aw(bD） 指在主切削刃选定点的基面内,沿切削表面度量的切削层尺寸。aw反映了切削刃参加切削的工作长度。 aw=ap/sinkraw切削层公称宽度(mm)。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院60切削层公称横截面积切削层公称横截面积A Ac c 切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。 Ac=ac*aw=f*ap Ac切削层公称横截面积(mm2)。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院61作业 1、P51 4 2、按照投影关系，画出某一车刀正交平面参考系内的5个主要标注角度。已知其主偏角75，副偏角15，前角10，后角5，

36、刃倾角10，刀柄端面宽高为2020。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院62第四讲刀具材料 本讲提要本讲提要- 1.2刀具材料刀具材料- 1.3 1.3 金属切削过程金属切削过程 本讲重点本讲重点 刀具材料种类与特征刀具材料种类与特征金属变形的三个变形区及其特点金属变形的三个变形区及其特点常见的切屑种类、产生条件及特点常见的切屑种类、产生条件及特点2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院631.2 1.2 刀具材料刀具材料 刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削切削部分部分的的材料材料、几何形状几何形状和和刀具结构刀具结构。刀具材料对。刀具材料

37、对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此十分重要。等都有很大影响，因此十分重要。1.2.1 1.2.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能1.2.2 1.2.2 常用刀具材料的种类与特性常用刀具材料的种类与特性2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院641.2.1 1.2.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能 刀具切削部分的材料在切削时要承受高压、刀具切削部分的材料在切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动，应具备以下基本性高温、摩擦、冲击和振动，应具备以下基本性能：能：高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性足够的

38、强度和韧性足够的强度和韧性高的耐热性（热稳定性）高的耐热性（热稳定性）良好的工艺性能良好的工艺性能经济性经济性切削性能可预测性切削性能可预测性2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院651.2.2 1.2.2 常用刀具材料的种类常用刀具材料的种类碳素工具钢碳素工具钢合金工具钢合金工具钢高速钢高速钢硬质合金硬质合金陶瓷陶瓷金刚石金刚石立方氮化硼立方氮化硼2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院661.2.2 1.2.2 常用刀具材料的特性常用刀具材料的特性 高速钢高速钢具有较高的热稳定性、高的强具有较高的热稳定性、高的强度，刀具制造工艺简单。度，刀具制造工艺简单。 硬质合金硬质合金具

39、有高耐磨性和高耐热性，具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。造整体刀具。 陶瓷材料陶瓷材料硬度高、耐用度高，还可用硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。高。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院671.2.2.1 1.2.2.1 高速钢高速钢 在碳素工具钢中加入了较多的在碳素工具钢中加入了较多的钨、钼、铬、钒钨、钼、铬、钒等合等合金元金元 素所构成的高合金工具钢。素所构成的高合金工具钢。 热处理状态下，一部分钨和铁、铬一起与碳形成高硬度热处理状态下，一部分

40、钨和铁、铬一起与碳形成高硬度炭化物；另一部分钨熔于基体中，增加钢的高温硬度。钼的炭化物；另一部分钨熔于基体中，增加钢的高温硬度。钼的作用与钨基本相同，且能减少钢的碳化物不均匀性，细化碳作用与钨基本相同，且能减少钢的碳化物不均匀性，细化碳化物颗粒。化物颗粒。 特点：特点：强度高、韧性好、工艺性好、刃磨性好强度高、韧性好、工艺性好、刃磨性好 适用适用：特别适用于制造特别适用于制造结构复杂结构复杂的刀具及的刀具及中、低速中、低速切削的各切削的各 种刀具种刀具例如各类成形刀具、孔加工刀具、铣刀、拉刀、齿轮刀例如各类成形刀具、孔加工刀具、铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等具、螺纹刀具等 按用途分成两大类按

41、用途分成两大类通用型高速钢通用型高速钢高性能高速钢高性能高速钢2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院68 通用型高速钢 这类高速钢的含碳量为这类高速钢的含碳量为0709。其切削速。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为度一般不太高，切削普通钢料时为4060mmin。按。按钢中含钨量的不同，可分为钨系高速钢和钼系高速钢。钢中含钨量的不同，可分为钨系高速钢和钼系高速钢。 （1）钨系）钨系:W18Cr4V 特点特点:有一定的硬度和强度，能承受较大的冲击负荷，可有一定的硬度和强度，能承受较大的冲击负荷，可磨性好，是制造复杂刀具的主要材料。磨性好，是制造复杂刀具的主要材料。 其它牌号：其它牌号：

42、W14Cr4MnRE，塑性较大，用于热轧刀具，塑性较大，用于热轧刀具 （2）钼系：）钼系：W6Mo5Cr4V2 特点特点:具有良好的综合性能。由于碳化物细小均匀，抗具有良好的综合性能。由于碳化物细小均匀，抗弯强度比弯强度比W18Cr4V高高1520，具有较高的高温塑，具有较高的高温塑性，也是热轧刀具的主要材料。主要缺点是热处理脱碳性，也是热轧刀具的主要材料。主要缺点是热处理脱碳敏感性大，淬火温度范围窄。敏感性大，淬火温度范围窄。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院69高性能高速钢高性能高速钢 高碳高碳: 9W18Cr4V(C:0.9%): 9W18Cr4V(C:0.9%) 高钒高钒:

43、 W6Mo5Cr4: W6Mo5Cr4V3V3 高钴高钴: W6Mo5Cr4V2: W6Mo5Cr4V2Co8Co8 超硬超硬: W2Mo9Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al: W2Mo9Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al 刀具的耐用度约为通用型高速钢刀具的刀具的耐用度约为通用型高速钢刀具的153倍，适合于加工难加工材料。倍，适合于加工难加工材料。 超硬高速钢是指硬度达到超硬高速钢是指硬度达到HRC 6770的高速的高速钢。就其成分而言，可分为含钴和不含钴的超硬钢。就其成分而言，可分为含钴和不含钴的超硬高速钢。它们在高速钢。它们在600C时的高温硬度可达到时的高温硬度可达到HRC

44、54左右，具有较高的强度、韧性和优良的切削性左右，具有较高的强度、韧性和优良的切削性能。能。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院701.2.2.2 1.2.2.2 硬质合金硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物微米级粉末和金属粘接剂经过高温、高化物微米级粉末和金属粘接剂经过高温、高压烧结而成的粉末冶金材料。压烧结而成的粉末冶金材料。特点特点：硬度高、热硬性高、耐磨性好，但较脆：硬度高、热硬性高、耐磨性好，但较脆适用：适用：刚性好、刃形简单的刀具刚性好、刃形简单的刀具例如车刀、深孔钻、端铣刀、铰刀等例如车刀、深孔钻、端铣刀、铰刀等 2022-3

45、-28西安科技大学机械制造工程学院711.2.2.2 1.2.2.2 硬质合金的硬质合金的牌号与选择牌号与选择 YG类，类，硬钴硬钴（K类）：类）：YG3X,YG6X,YG8YG3X,YG6X,YG8，数字越大韧性越好；数字越大韧性越好； 切铸铁、有色金属、非金属、高温合金切铸铁、有色金属、非金属、高温合金 YT类，类，硬钛硬钛（P类）：类）： YT5,YT14,YT30,YT5,YT14,YT30,数字越小韧性越好；数字越小韧性越好； 切碳素钢、合金钢切碳素钢、合金钢 YW类，类，硬钨硬钨（M类）：类）： YW1,YW2YW1,YW2，数字越大韧性越好；数字越大韧性越好； 切耐热钢、不锈钢、

46、普通钢和铸铁切耐热钢、不锈钢、普通钢和铸铁 TiCTiC基硬质合金基硬质合金: :精加工和半精加工精加工和半精加工涂层硬质合金涂层硬质合金选用：选用：粗加工：选韧性好、耐冲击的材料粗加工：选韧性好、耐冲击的材料 精加工：选硬度高、耐高温、细晶粒的材料精加工：选硬度高、耐高温、细晶粒的材料 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院72金属陶瓷金属陶瓷是硬质合金的一种型式，它含有坚硬的钛基化合金属陶瓷是硬质合金的一种型式，它含有坚硬的钛基化合物物(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛碳化钛、碳氮化钛和氮化钛)，粘结剂是镍或镍钼。金属陶，粘结剂是镍或镍钼。金属陶瓷比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但是缺

47、乏硬质合瓷比常规硬质合金能承受更高的切削温度，但是缺乏硬质合金的耐冲击性、在中型到重型加工时的韧性、以及在低速大金的耐冲击性、在中型到重型加工时的韧性、以及在低速大进给时的强度。但是它在高切削速度下的耐高温和耐磨性能进给时的强度。但是它在高切削速度下的耐高温和耐磨性能更好，持续时间更长，加工的工件表面更光洁。当用于加工更好，持续时间更长，加工的工件表面更光洁。当用于加工软的和粘性的材料时，它也有较好的抗积屑瘤性能，表面质软的和粘性的材料时，它也有较好的抗积屑瘤性能，表面质量很好。量很好。 由于金属型粘结剂的温度局限性，典型的金属陶瓷牌号，由于金属型粘结剂的温度局限性，典型的金属陶瓷牌号，在加工

48、的材料硬度超过在加工的材料硬度超过HRC40时，不具备足够高的热硬性。时，不具备足够高的热硬性。 金属陶瓷比起涂层和非涂层硬质合金，对断裂和进给引起的金属陶瓷比起涂层和非涂层硬质合金，对断裂和进给引起的压力更加敏感。因此，它最好用于高精度工件和表面质量要压力更加敏感。因此，它最好用于高精度工件和表面质量要求较高时。理想的加工工序是切削那些连续的表面。求较高时。理想的加工工序是切削那些连续的表面。 2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院73 金属陶瓷工具应用纳米材料取得重大突破 长期以来，在我国被称为长期以来，在我国被称为“工业牙齿工业牙齿”的刀具，主要材料为的刀具，主要材料为硬质合金钢

49、。现在一种比硬质合金钢重量轻、切削速度快、使硬质合金钢。现在一种比硬质合金钢重量轻、切削速度快、使用寿命长用寿命长2倍以上的新型纳米工具材料在合肥工业大学问世。倍以上的新型纳米工具材料在合肥工业大学问世。这是这是合肥工业大学合肥工业大学材料学院年轻的材料学院年轻的刘宁教授刘宁教授主持研究的主持研究的“纳米纳米氮化钛、氮化铝改性的碳化钛基金属陶瓷刀具制造技术氮化钛、氮化铝改性的碳化钛基金属陶瓷刀具制造技术”的重的重要创新成果要创新成果. 纳米氮化钛、氮化铝改性的碳化钛基金属陶瓷刀具是一种纳米氮化钛、氮化铝改性的碳化钛基金属陶瓷刀具是一种高技术含量、高附加值的新型刀具，该刀具的问世，填补了国高技术

50、含量、高附加值的新型刀具，该刀具的问世，填补了国内外空白。它具有耐磨、耐氧化、耐腐蚀、耐高温等一系列优内外空白。它具有耐磨、耐氧化、耐腐蚀、耐高温等一系列优点。在硬度与硬质合金钢相同时，这种纳米材料制成的刀具耐点。在硬度与硬质合金钢相同时，这种纳米材料制成的刀具耐磨性高于硬质合金钢；其密度只有硬质合金钢的一半，即相同磨性高于硬质合金钢；其密度只有硬质合金钢的一半，即相同重量的粉末，金属陶瓷可获得重量的粉末，金属陶瓷可获得2倍于硬质合金钢数量的制品，倍于硬质合金钢数量的制品，而成本与现在使用的硬质合金钢刀具相当或略低而成本与现在使用的硬质合金钢刀具相当或略低。2022-3-28西安科技大学机械制

51、造工程学院74陶瓷 陶瓷刀具类似于金属陶瓷，它比硬质合金有更高的化学陶瓷刀具类似于金属陶瓷，它比硬质合金有更高的化学稳定性，可在高的切削速度下进行加工并持续较长的时间。稳定性，可在高的切削速度下进行加工并持续较长的时间。纯氧化铝可以纯氧化铝可以耐非常高的温度耐非常高的温度，但是它的，但是它的强度和韧性很低强度和韧性很低，工作条件如果不好，容易破碎。工作条件如果不好，容易破碎。 为了减低陶瓷对破碎的敏感为了减低陶瓷对破碎的敏感性，在企图改善其韧性、提高耐冲击性能时，加入了氧化锆性，在企图改善其韧性、提高耐冲击性能时，加入了氧化锆或加入碳化钛与氮化钛的混合物。尽管加入了这些添加剂，或加入碳化钛与氮

52、化钛的混合物。尽管加入了这些添加剂，但是陶瓷的韧性比硬质合金还是低得多。但是陶瓷的韧性比硬质合金还是低得多。 虽然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是应用必须正确。虽然使用陶瓷刀加工效率可以很高，但是应用必须正确。例如，陶瓷刀具不能用于加工铝，而对灰铸铁、球墨铸铁、例如，陶瓷刀具不能用于加工铝，而对灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金则特别适合。可是对这些淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金则特别适合。可是对这些材料而言，应用得成功还有赖于开始切削之前刀具刃口外观材料而言，应用得成功还有赖于开始切削之前刀具刃口外观的准备、机器和装备的稳定性和选用最佳的加工参数。的准备、机器和装备的稳定性和选

53、用最佳的加工参数。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院75 涂层刀具涂层刀具是近涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和和Al2O3等。等

54、。本世纪本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金的切削速度从后，把普通硬质合金的切削速度从80mmin提高到提高到180mmin。1976年又出现了碳化钛年又出现了碳化钛氧化铝双涂层硬质合金，把切氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到削速度提高到250mmin。1981年又出现了碳化钛年又出现了碳化钛氧化铝氧化铝氮化钴三涂层硬质合氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到金，使切削速度提高到300mmin。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院76在高速钢基体上刀具涂层多为在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物

55、理气相沉，常用物理气相沉积法积法(PVD法法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达HRC80，相当于一般硬质合金的硬度，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高耐用度可提高25倍倍，切削，切削速度可提高速度可提高20一一40硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法物，一般采用化学气相沉积法(CVD法

56、法)。我国株洲硬质合。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9um，表面硬度，表面硬度可达可达25004200HV。 目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方面发展非常迅速。处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂面发展非常迅速。处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到层硬质合金刀片已占到70一一80，在铣削方面已达到，在铣削方面已达到50以上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及以上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。非金属材料

57、，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院77金刚石刀具 金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)，很少作为切削，很少作为切削工具应用在工业中。工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展。例如微型机械的随着高技术和超精密加工

58、日益发展。例如微型机械的微型零件微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺，导弹或火箭中的导航陀螺，计算机硬盘芯片计算机硬盘芯片、加速器电子加速器电子枪枪等超精密零件的加工，单晶天然金刚石能满足上述要求。等超精密零件的加工，单晶天然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氧钎焊金刚石技术使天然金刚石刀具的制造过程变得气氧钎焊金刚石技术使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易因此，在超精密镜面切削的高技术应用领比较简易因此，在超精密镜面切削

59、的高技术应用领域天然金刚石起到了重要作用。域天然金刚石起到了重要作用。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院78 20世纪世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，后，70年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒呈无序排列状态不具方向性，因而硬晶粒呈无序排列状态不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加工各弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加工各种有

60、色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。木材复合材料等。 金刚石刀具是目前高速切削金刚石刀具是目前高速切削(25005000m/min)铝合铝合金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。削铁及其合金工件。2022-3-28西安科技大学机械制造工程学院7