机械制造工程学 第1章 金属切削加工的基础知识

1、第1章金属切削加工的基础知识1.1金属切削基本知识1.2刀具材料 切削运动切削运动是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相对运动。分为主运动和进给运动，间的相对运动。分为主运动和进给运动，如图如图1-2所示。所示。 主运动主运动是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速度高、消耗功率大。运动速度高、消耗功率大。 进给运动进给运动是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运动。面的运动。 切削过程中，主运动、进给运动合理的组合，便可以加切削过程中，主运动、进给运

2、动合理的组合，便可以加工各种不同的工件表面。工各种不同的工件表面。1.1金属切削基本知识1.1.1切削运动 切削过程中，工件上形成三个表面，如图切削过程中，工件上形成三个表面，如图1-2所示所示 1）待加工表面）待加工表面将被切除的表面；将被切除的表面； 2）过渡表面）过渡表面正在切削的表面；正在切削的表面； 3）已加工表面）已加工表面切除多余金属后形成的表面。切除多余金属后形成的表面。图图1-2 车削加工工件上的表面车削加工工件上的表面 切削过程中，为提高切削过程中，为提高生产效率，机床除切削运生产效率，机床除切削运动外，还需要有辅助运动，动外，还需要有辅助运动，如切入运动、分度转位运如切入

3、运动、分度转位运动、空程运动及送夹料运动、空程运动及送夹料运动等动等。1、切削用量三要素切削用量三要素 1）切削速度切削速度 ：切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬时速度。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：时速度。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下： 1000dnccv式中式中 d工件加工表面或刀具某一点的回转直径（工件加工表面或刀具某一点的回转直径（mm）；）； n工件或刀具的转速（工件或刀具的转速（r/s或或r/min）。）。 1.1.2切削用量2 2）进给量）进给量 ：在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时在工件或刀具的每一转或每一往复行程的

4、时间内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。通常间内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。通常用用 表示，单位为表示，单位为mm/rmm/r或或mmmm行程。行程。 3）背吃刀量背吃刀量 ：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量工作平面方向上测量的吃刀量，单位为单位为mmmm，也就是工件待也就是工件待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯上也将背吃加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯上也将背吃刀量称为切削深度。刀量称为切削深度。 外圆车削时外圆车削时 f2dDap式中式中 D工件待加工表面的直径工件待加工表面的直径(mm)；

5、 d工件已加工表面的直径工件已加工表面的直径(mm)。fnzfnfvzfp 刀具是金属切削加工中不可缺少的重要工具之一，无刀具是金属切削加工中不可缺少的重要工具之一，无论是普通机床，还是先进的数控机床和加工中心、以及柔论是普通机床，还是先进的数控机床和加工中心、以及柔性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加工。实际证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产工。实际证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产效率。效率。 1 1、刀具的分类：、刀具的分类： 刀具的种类很多，根据用途和加工方法不同，通常把刀刀具的种类很多，根据用途和加工方法

6、不同，通常把刀具分为以下类型。具分为以下类型。1 1）切刀：）切刀：包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等。包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等。2 2）孔加工刀具孔加工刀具：包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具刀具( (如钻一铰复合刀具如钻一铰复合刀具) )等。等。 1.1.3刀具切削部分的基本定义3 3）拉刀拉刀：包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀( (如花键拉刀如花键拉刀) )等。等。4 4）铣刀铣刀：包括加工平面的圆柱铣刀、端铣刀等；加工沟槽包括加工平面的圆柱铣刀、端铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面

7、刃铣刀、锯片铣刀等；加工特殊的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片铣刀等；加工特殊形面的模数铣刀、凸形面的模数铣刀、凸( (凹凹) )圆弧铣刀、成形铣刀等。圆弧铣刀、成形铣刀等。5 5）螺纹刀具螺纹刀具：包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切刀、搓包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切刀、搓丝板等。丝板等。6 6）齿轮刀具齿轮刀具：包括齿轮滚刀、蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、包括齿轮滚刀、蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。花键滚刀等。7 7）磨具磨具：包括砂轮、砂带、油石和抛光轮等。包括砂轮、砂带、油石和抛光轮等。8 8）其它刀具）其它刀具：包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。：包括数控机床专用刀具、自

8、动线专用刀具等。 2 2、刀具切削部分结构要素、刀具切削部分结构要素 刀具通常由工作部分和夹持部分组成。刀具切削部分总刀具通常由工作部分和夹持部分组成。刀具切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态，其它各类刀具是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态，其它各类刀具可看成是它的演变和组合，故以普通车刀为例，刀具切削部可看成是它的演变和组合，故以普通车刀为例，刀具切削部分的结构要素如图分的结构要素如图7-4所示。所示。1 1）前刀面）前刀面 2 2）主后刀面）主后刀面3 3）副后刀面）副后刀面4 4）主切削刃）主切削刃S S5 5）副切削刃副切削刃S S 6 6）刀尖）刀尖AAA图图7-4车

9、刀切削部分结构要素车刀切削部分结构要素图图7-5 车刀的参考系车刀的参考系3 3、刀具几何角度参考系、刀具几何角度参考系 刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角度，分别对应静态参考系和工作参考系。如图度，分别对应静态参考系和工作参考系。如图7-5所示为静所示为静态参考系的各组成平面。态参考系的各组成平面。1）基面）基面2）主切削平面）主切削平面3）主剖面）主剖面 和主剖面参考和主剖面参考系系4）法剖面）法剖面 和法剖面参考和法剖面参考系系rpsp0p0pppsrnpnsrppp图图7-5 车刀的参考系车刀的参考系5）进给剖面）进给剖面6）切

10、深剖面）切深剖面进给切深剖面参考系进给切深剖面参考系fppppfrppp00rk图图7-6车刀的标注角度车刀的标注角度前角前角后角后角楔角楔角04 4、刀具的标注角度、刀具的标注角度：如图：如图7-67-6所示所示1）主剖面内标注角度）主剖面内标注角度2 2）基面内标注角度）基面内标注角度主偏角主偏角副偏角副偏角刀尖角刀尖角余偏角余偏角3 3）切削平面内标注角度）切削平面内标注角度刃倾角刃倾角rkrrsnn图图7-6车刀的标注角度车刀的标注角度前角前角后角后角楔角楔角n4）法剖面内标注角度）法剖面内标注角度ff图图7-6车刀的标注角度车刀的标注角度前角前角后角后角楔角楔角f5）进给剖面内标注角

11、度）进给剖面内标注角度6）切深剖面内标注角度）切深剖面内标注角度前角前角后角后角楔角楔角ppp5.刀具的工作角度 以切削过程中实际的切削平面、基面和正交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。(1)刀具安装位置对工作角度的影响图2-8 车刀安装高度对工作角度的影响a)刀尖高于工件轴线 b)刀尖低于工件轴线图2-9 车刀安装偏斜对工作角度的影响(为切削时刀杆纵向轴线的偏转角)5.刀具的工作角度图2-10 纵向进给运动对工作角度的影响(2)进给运动对工作角度的影响图2-11 横向进给运动对工作角度的影响5.刀具的工作角度 切削层是指工件上正被刀切削层是指工件上正被刀具切削刃

12、切削着的一层金属。具切削刃切削着的一层金属。也就是相邻的两过渡表面之间也就是相邻的两过渡表面之间所夹着的一层金属，如图所夹着的一层金属，如图7-3所所示。示。1 1）切削层厚度）切削层厚度 ：是相邻两过是相邻两过渡表面之间的垂直距离。渡表面之间的垂直距离。2 2）切削宽度）切削宽度 ：是沿主切削刃是沿主切削刃测量的切削层尺寸。测量的切削层尺寸。3 3）切削面积）切削面积 ：切削层公称横切削层公称横截面积。截面积。图图7-3切外圆时的切削层要素切外圆时的切削层要素 cawacA1.1.4切削层参数刀具材料及合理选用：刀具材料及合理选用： 刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。在切削过程刀具材料主要

13、是指刀具切削部分的材料。在切削过程中，刀具的切削能力，直接影响生产率、加工质量和加工中，刀具的切削能力，直接影响生产率、加工质量和加工成本。成本。 刀具的切削性能，主要取决于刀具的切削性能，主要取决于刀具材料刀具材料；其次是刀具；其次是刀具几何参数几何参数和和刀具结构刀具结构的选择与设计是否合理。的选择与设计是否合理。 1.2刀具材料1.2.1刀具材料应具备的性能1）刀具材料应具备的性能）刀具材料应具备的性能 刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动。因此，刀具材料应具备以下性能：擦、冲击和振动。因此，刀具材料应具备以下性能：

14、高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性； 足够的强度和韧性足够的强度和韧性； 高的耐热性高的耐热性；良好的工艺性良好的工艺性；好的导热性和小的膨胀系数。好的导热性和小的膨胀系数。 刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前，刀具材料中合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前，刀具材料中使用最广泛的仍是高速钢和硬质合金。使用最广泛的仍是高速钢和硬质合金。 高速钢：高速钢：高速钢是加入了钨（高速钢是加入了钨（W）、）、钼（钼（Mo）、）、铬铬（Cr）、）、钒（钒（V）等合金元素的高合金工具钢。具有较高等合金元素的高合金

15、工具钢。具有较高的硬度的硬度(6267HRC)和耐热性和耐热性(5506000C)，较高的强度和较高的强度和韧性，抗冲击、振动的能力较强。韧性，抗冲击、振动的能力较强。适用于适用于制造各种形状复制造各种形状复杂刀具杂刀具(如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)。常。常用的通用型高速钢牌号为用的通用型高速钢牌号为W6M05Cr4V2和和W18Cr4V。1.2.2高速钢高速钢高速钢（1 1）通用高速钢：）通用高速钢：典型牌号：典型牌号：W18Cr4V W6Mo5Cr4V2高速钢高速钢（2 2）高性能高速钢：）高性能高速钢： 高性能高速钢是在通用高速钢的成

16、高性能高速钢是在通用高速钢的成分中，增加碳含量形成高碳高速钢、分中，增加碳含量形成高碳高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、或者添加钴、铝等元素形成钴高速或者添加钴、铝等元素形成钴高速钢、铝高速钢，目的是为了提高高钢、铝高速钢，目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性速钢的耐热性和耐磨性 。高速钢高速钢（1 1）通用高速钢：）通用高速钢：典型牌号：典型牌号：W18Cr4V 和和W6Mo5Cr4V2（2 2）高性能高速钢：）高性能高速钢：（3 3）粉末冶金高速钢：）粉末冶金高速钢： 高速钢高速钢（1 1）通用高速钢：）通用高速钢：典型牌号：典型牌号：W18Cr4V 和和

17、W6Mo5Cr4V2（2 2）高性能高速钢：）高性能高速钢：（3 3）粉末冶金高速钢：）粉末冶金高速钢： （4 4）高速钢涂层：）高速钢涂层： 硬质合金硬质合金： 可分为可分为K K、P P、M M三个主要类别，是当今主要的刀具材料三个主要类别，是当今主要的刀具材料之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。合金制造。 涂层刀具材料涂层刀具材料：它是在硬质合金或高速钢基体上，涂敷：它是在硬质合金或高速钢基体上，涂敷一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物( (如碳化钛、如碳化钛、氮化钛

18、、氧化铝等氮化钛、氧化铝等) )而制成的。而制成的。1.2.3硬质合金硬质合金硬质合金(1) 钨钴类硬质合金：钨钴类硬质合金： YG类具有较高的抗弯强度和韧性，类具有较高的抗弯强度和韧性，所以所以适用于加工铸铁适用于加工铸铁，也适用于加，也适用于加工有色金属和非金属材料。此外，工有色金属和非金属材料。此外，YG类硬质合金还适用于加工钛合金类硬质合金还适用于加工钛合金和不锈钢。和不锈钢。硬质合金硬质合金（2 2）钨钛钴类硬质合金：）钨钛钴类硬质合金： 钨钛钴类硬质合金的代号为钨钛钴类硬质合金的代号为YT，相当于相当于ISO标准的标准的P类。类。 （WCTiC+Co） YT类硬质合金适用于类硬质合

19、金适用于在中高切削在中高切削速度下加工钢料。速度下加工钢料。硬质合金硬质合金(3)(3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金：钨钛钽（铌）钴类硬质合金： 钨钛钽（铌）钴类硬质合金的代钨钛钽（铌）钴类硬质合金的代号为号为YW，相当于相当于ISO标准的标准的M类。类。 （WCTiC+TaC(NbC)+Co）硬质合金硬质合金(3)(3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金：钨钛钽（铌）钴类硬质合金： YW类硬质合金兼有类硬质合金兼有YG类和类和YT类类的优点，具有硬度高、耐热性好和的优点，具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性好的特点，既可加工强度高、韧性好的特点，既可加工钢材钢材，也可加工铸铁和有色金属，也可加工铸铁和有色金

20、属，故被称为通用硬质合金。故被称为通用硬质合金。 硬质合金硬质合金(3)(3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金：钨钛钽（铌）钴类硬质合金： YW类硬质合金主要用于耐热钢、类硬质合金主要用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。高锰钢、不锈钢等难加工材料。YW1适用于精加工，适用于精加工，YW2 适用于粗适用于粗加工。加工。YW类硬质合金成本高，使类硬质合金成本高，使用受限。用受限。硬质合金硬质合金(4)(4) 碳化钛基硬质合金：碳化钛基硬质合金： 碳化钛基硬质合金的国标代号碳化钛基硬质合金的国标代号为为YNYN，以以TiCTiC为主要成分，以为主要成分，以NiNi、MoMo作为粘结剂。作为粘结剂。 硬质

21、合金硬质合金(4)(4)碳化钛基硬质合金：碳化钛基硬质合金： TiCTiC基硬质合金的特点是硬度更高。基硬质合金的特点是硬度更高。TiCTiC基硬质合金的硬度已经达到基硬质合金的硬度已经达到93 93 HRAHRA，接近陶瓷的水平。接近陶瓷的水平。 因而，因而，TiCTiC基硬质合金的刀具寿命基硬质合金的刀具寿命比比WCWC基硬质合金高。基硬质合金高。 硬质合金硬质合金(4)(4)碳化钛基硬质合金：碳化钛基硬质合金： TiCTiC基硬质合金可加工钢，也可加基硬质合金可加工钢，也可加工铸铁。但是，工铸铁。但是，TiCTiC基硬质合金的基硬质合金的抗弯强度和韧性不如抗弯强度和韧性不如WCWC基硬质合金，基硬质合金，因此不适于重载荷切削及断续切削，因此不适于重载荷切削及断续切削，只适用于精加工。只适用于精加工。立方氮化硼（立方氮化硼（CBN）：）：硬度为硬度为80009000HV，仅次仅次于金刚石。热