第二章第一节-金属切削基础

机电学院机械教研室刘萌

机械制造技术基础制造业在国民经济中的地位

纺织机械动力机械家用电器通讯设备出版印刷网络媒体文化娱乐冶金机械建筑机械交通工具环保设备军事装备医疗设备机器制造农业机械化工设备制造业当今制造业的社会功能第二章金属切削加工机理金属切削加工：利用刀具与工件的相对运动（切削运动），使毛坯上多余的金属（通常称为加工余量）变成切屑的一种加工，目的是制成一定的形状、尺寸精度和相互位置精度以及表面质量都合乎技术要求的零件或半成品。一切削运动及切削用量二刀具切削部分概述三切削层参数四刀具材料第一节金属切削基础第二章金属切削加工机理一切削运动及切削用量刀具夹具机床工件

1、工艺系统为了形成零件表面形状，刀具与工件之间的相对运动。1）主运动：切下切屑最主要的运动。特点：在整个运动系统中—

速度最高、消耗的功率最大。主运动只有一个。2）进给运动：使金属层不断投入切削，加工出完整表面所需的运动。特点：速度低、消耗的功率小。有一个或多个。2、切削运动外圆车削的切削运动平面刨削的切削运动铣削主：铣刀的旋转运动工件的纵向、横向运动钻孔主：钻头的旋转运动钻头的轴向运动外圆磨削主：砂轮的旋转运动工件转动，同时往复运动，砂轮横向移动注释:1、主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动；2、主运动可以是工件来实现（车外圆）,也可以是刀具来实现（刨、铣加工）;3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。（1）待加工表面：即将被切去的表面。（2）已加工表面：已经切去一层金属，在工件上形成的新表面。（3）加工表面（过渡表面）：切削刃正在切削的表面。

三、加工表面已加工表面：已经切去一层金属，在工件上形成的新表面。过渡表面（加工表面）：切削刃正在切削的表面。待加工表面：即将被切去的表面。nf已加工表面过渡表面待加工表面dwdm3、零件的三个表面平面刨削的切削运动车孔、切断加工中的工件表面指出车端面时的三个加工表面4、切削用量三要素切削用量:切削速度、进给量和切削深度三个量的总称。用以描述切削运动。vfdwdm（1）切削速度：主运动的线速度。①主运动为旋转运动：②主运动为往复直线运动：式中dw－工件待加工表面或刀具的最大直径(mm)

n－工件或刀具每分钟转数式中L－往复直线运动的行程长度(mm)nr－主运动每分钟的往复次数(m/s)(m/s)在切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。切削用量:切削速度、进给量和切削深度三个量的总称。vfdwdm车端面讨论：车端面或车断时，工件旋转速度不变，此时的切削速度是否有变化？（2）进给量

(走刀量)工件或刀具的主运动每转一转或每一行程时，工件和刀具两者在进给运动方向上的相对位移量。

进给速度切削刃上选定点相对于工件的进给运动速度，在外圆车削中

式中—车刀每转进给量（mm/r）—工件转速（r/s）(mm/s)每齿进给量每转进给量每转进给量f（mm/r）

进给速度vf(mm/min)

每齿进给量fz（mm/z）铣削中进给量与进给运动速度、每齿进给量的关系为：不同的加工方法，切削用量三要素的含义和表示方法有所不同。（3）切削深度

ap

（背吃刀量）对外圆车削和平面刨削而言，切削深度ap等于工件已加工表面与待加工表面间的垂直距离。(mm)本小节完返回本章目录外圆车削的背吃刀量：二刀具切削部分概述

1、刀具切削部分的构造要素主切削刃车刀切削部分的结构要素

前刀面（）—切屑沿其流出的表面。

主后刀面（）—与工件上加工表面相对的表面。

副后刀面（）—与工件上已加工表面相对的表面。

主切削刃（S）——前刀面与主后刀面的交线。它承担主要的金属切除工作并形成工件上的过渡表面。

副切削刃（S′）——前刀面与副后刀面的交线。参与部分的切削工件并最终形成工件上的已加工表面。

刀尖———刀尖是主、副切削刃的连接部位。讨论切断刀或切槽刀有几个面、刃、点？切断刀

2、刀具角度的参考平面两个平面所构成的角度从不同的方向测量会得到不同的数值。(a)(b)(c)三个参考平面

（一）基面（Pr）—过切削刃上选定点并垂直于该点切削速度的平面。对于普通车刀，当切削刃上被选点与工件中心线等高时，则它的基面总是平行于刀杆的底面。

（二）切削平面（Ps

）—过切削刃上选定点切于工件加工表面的平面。它也是包含该点切削速度在内并与切削刃相切的平面。

（三）剖面

1.主剖面（正交平面）（P0）—过切削刃上选定点，并垂直于切削刃在基面上的投影的平面（同时垂直于该点基面Pr和切削平面Ps的平面）。

2.法剖面（Pn）—过切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面。

p0pnpspr主剖面和法剖面3.纵向剖面（Pp

）—过切削刃上选定点，并垂直于该点基面并平行于刀杆轴线的平面。

4.横向剖面（Pf）—过切削刃上选定点，并垂直于该点基面并垂直于刀杆轴线的平面。两点说明：（1）“切削刃上某一选定点”的提法是十分必要的。（2）在任何情况下，切削平面都垂直于基面；除法剖面外，其它各种剖面也都垂直于基面；基面、切削平面和主剖面总是相互垂直。

3、刀具的标注角度

刀具的标注角度是画刀具图、进行刃磨和测量时掌握的角度。要确定外圆车刀的三面、两刃、一尖的空间位置，须有六个基本角度。刀具标注角度1）前角是前刀面与基面的夹角。

在主剖面内度量的前角为主前角（简称前角）2）后角是后刀面与切削平面的夹角。

在主剖面内度量的后角为主后角（简称后角）。刀具标注角度SA3）主偏角

在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与进给方向的夹角。刀具标注角度SA4）副偏角在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。刀具标注角度SA5）刃倾角

切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。刀具标注角度SA讨论：有了上面的前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角5个角度，刀具的空间位置能否唯一确定？SA6）副后角

在副主剖面内测量，是副后刀面与副切削平面的夹角刀具标注角度SA

1、前角

—前刀面与基面Pr之间的夹角。在主剖面P0内度量的前角称主前角

（简称前角）在法剖面Pn内度量的前角称法前角在纵向剖面Pp内度量的前角称纵向前角在横向剖面Pf内度量的前角称横向前角

2、后角

—后刀面与切削平面Ps之间的夹角。说明：3、副切削刃上同样有切削平面和基面，也可以作各种剖面，所以同样也有副前角、副后角及副刃倾角等。4、前角、后角和刃倾角均有正负之分。A）前角、后角的正负B）刃倾角的正负负前角负后角正、负刃倾角讨论：车刀切削部分共有6个独立的基本角度和2个派生角度

前角在基面内测量的角度在主剖面内测量的角度在副剖面（副正交平面）内测量的角度在切削平面内测量的角度楔角有了六个基本角度（），外圆车刀的三面、两刃、一尖的空间位置就基本确定了。刀具除基本角度外还有派生角度。

楔角——前刀面与后刀面的夹角，在主剖面内度量的为主楔角，

刀尖角——在基面内测量，主、副切削刃在基面上投影之间的夹角，，

进给方向基面主偏角()副偏角（）刀尖角（）主偏角副偏角刀尖角基面内测量的角度主切削刃投影副切削刃投影主要作用改变主切削刃的受力及导热能力，影响切屑的厚度。

主要作用减少副切削刃与以加工表面间的摩擦。减小副偏角可减小表面粗糙度值，但是太小会使背向力增大主要作用影响大家强度和散热性能。基面进给方向f主切削刃（投影）主偏角副切削刃（投影）、副偏角刀尖角基面内车刀角度κr+κr’+εr=180·主剖面前角基面楔角主后角切削平面

在主剖面中，前面与基面之间的夹角在主剖面中主后刀面与切削平面之间的夹角叫主后角。

在主剖面中在前刀面与主后刀面之间的夹角叫楔角。

前角主后角楔角副正交平面副后角副后角在副剖面中副后刀面与副切削平面间的夹角。主要作用：减少车刀副后刀面和工件已加工表面间的摩擦。初步选择：1.一般磨成与后角相等。2.在切断刀等特殊情况下，为保证刀具强度应取1-2度刃倾角

在主切削平面中，主切削刃与基面间的夹角。切削平面基面刃倾角主要作用

控制排屑方向。当刃倾角为正值时，可增加刀头强度，并在车刀受冲击时保护刀尖。基面切削平面切削平面进给方向f翻转90度主剖面基面前刀面前角主后刀面主后角副切削平面翻转90度副正交平面楔角副后刀面副后角S将切削平面翻转90度基面主切削刃刃倾角主切削刃（投影）主偏角副切削刃（投影）、副偏角刀尖角画车刀图f作业1：如图所示为一刨刀，画图表示出它的标注角度：参考图4、刀具角度对加工过程的影响（1）

前角（0）作用①减小切屑的变形；②减小前刀面与切屑之间的摩擦力。所以0：a.减小切削力和切削热；b.减小刀具的磨损；c.提高工件的加工精度和表面质量。0选择：加工塑性材料和精加工—取大前角（）0加工脆性材料和粗加工—取小前角（）0前角（0）可正、可负、也可以为零。高速钢车削碳钢：0=200~300硬质合金车削碳钢：0=100~2002.

后角（

0）作用：减小工件加工表面与主后刀面之间的摩擦力。所以

0a.减小切削力和切削热；b.减小刀具的磨损；c.提高工件的加工精度和表面质量。00选择：加工塑性材料和精加工—取大后角（）

0加工脆性材料和粗加工—取小后角（）

0后角（0）只能是正的。精加工：

0=80~120粗加工：

0=40~803.主偏角（kr）改善切削条件，提高刀具寿命。作用：减小kr：当ap、f不变时，则bD、hD—使切削条件得到改善，提高了刀具寿命。nfdwdmkrkr’ap选择系统刚性好：取较小的kr。100~300、450。系统刚性差：取较大的kr。600、750、900。但减小krFy、Fx，加大工件的变形挠度，使工件精度降低。同时，容易引起系统振动。4.副偏角（kr’）最终形成已加工表面。作用：选择：在不产生振动的前提下，取小值。Kr’：使已加工表面残留密集的高度减小，降低工件的表面粗糙度。5.刃倾角（S）作用①影响切削刃的锋利程度；②影响切屑流出方向；③影响刀头强度和散热条件；④影响切削力的大小和方向。选择：粗加工：可取零或负（S

=0、-S）精加工：取正（+S

）补充:Sκr′A向f车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsOOO`O`五、刀具的工作角度

如果考虑进给运动和实际安装情况，刀具的参考系将发生变化。按照切削工作的实际情况，在刀具工作角度参考系中所确定的角度，称为工作角度。刀具标注角度的假设条件

1.假定运动条件暂不考虑进给运动（vf

=0），即用主运动向量近似代替切削刃与工件之间相对运动的合成速度向量。

2.假定安装条件刀具安装处于理想状态，即刀具水平安装时所选点与工件中心线等高，刀杆轴线垂直于进给运动方向。

所以，刀具标注角度的参考平面是在相对静止状态下（进给运动vf

=0）确定的。故称之为“静止系”。b)刀具安装位置对工作角度的影响:

①刀尖安装高低对工作角度的影响：②刀杆轴线与进给方向不垂直时工作角度变化：a)进给运动对工作角度的影响：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：实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角，使车刀的工作前角增大，工作后角减小。在车端面、切断和加工凸轮、偏心轮时，则应考虑螺旋升角的影响。进给运动对工作角度的影响纵向进给运动对工作角度的影响：实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角，使车刀的工作前角增大，工作后角减小。一般车削时，进给量比工件直径小很多，故螺旋升角很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。

当刀尖高于工件轴线时：工作前角变大，工作后角减小。当刀尖低于工件轴线时：工作前角变小，工作后角变大。刀杆轴线与进给方向不垂直时工作角度变化：车刀刀杆与进给方向不垂直时,工作主偏角和工作副偏角将发生变化：式中G—即进给运动方向的垂线和刀杆轴线间的夹角。切削层:工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。

三切削层参数切削层参数(三个)(假设：切削刃为直线且)⑴切削宽度：沿主切削刃度量的切削层的长度。

。⑵切削厚度：两相邻加工表面之间的垂直距离.apac3ac1ac2apaw曲线切削刃产生的切削宽度acapacawawac切削宽度aw与切削深度ap的关系：切削厚度ac与进给量f的关系：讨论:切削宽度和切削厚度与切削用量之间的关系⑶切削面积：切削层横截面的面积Ac。车外圆时：apacawawac

1、对刀具材料性能的基本要求(1)硬度要高和热硬性要好

(2)要有足够的强度和韧性

(3)耐磨性要好

(4)要有良好的工艺性

四刀具材料1）可加工性2）可磨削性3）热处理返回本章目录一般要求在HRC60以上。碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷和超硬刀具材料刀具材料的种类刀具切削部分材料碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷和超硬刀具材料工具钢2、工具钢

⑴

碳素工具钢：含碳量为0.65%~1.35%的优质高碳钢牌号：T8、T10、T10A、T12等HRC≈61~65特点a.淬火后硬度高；HRC≈61~65b.价格低；ｃ.耐热温度低；ｄ.淬火后应力、变形大，淬透性差。250~300℃应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。⑵

合金工具钢：在碳素工具钢中加入合金元素如W、Cr、Mn、Mo等制成的。Me<5%；牌号：9SiCr、CrWMn等。HRC≈61~68耐热温度—350~400℃应用：速度低、形状复杂的工具。如铰刀、板牙、丝锥等。⑶高速钢：

是工具钢中W、Cr、Mo、Ba等含量较高的钢。高合金钢。W=6~20%；Cr=3.8~4.4%；V=1.0~4%牌号：如W18Cr4V2、W6Mo5Cr4VW12Cr4V3Mo3Co5Si、W6Mo5Cr4V2Al

。HRC≈62~69耐热温度—600℃应用：各种形状复杂的刀具。

如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。3、硬质合金碳化物+粘结剂——粉末冶金是由硬度很高的金属碳化物+金属粘结剂，以粉末冶金法制成的。碳化物：WC、TiC、等粘结剂：Co1）硬度HRC≈76~84：热硬性：耐热温度—1000℃允许的切削速度是高速钢的4~10倍。2）耐磨性3）强度、韧性4）导热差、不耐冲击5）不易磨刃口适用场合：简单刀具硬质合金分类：

(1)钨钴类(YG)成分：WC+Co

主要牌号有YG3、YG6、YG8，后缀数字表示Co的质量百分含量。

适用场合：脆性材料(2)钨钴钛(YT)成分：WC+TiC+Co

组成：WC和Co、还含有5%～30%的TiC。

牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30，后缀数字表示TiC的质量百分含量。适用场合：塑性材料

(3)通用类(YW)成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co牌号：YW1、YW2适用场合：脆性材料、塑性材料，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。陶瓷材料陶瓷刀是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。特点：1）硬度高、热硬性好（T：1200~1450°C）2）耐磨性好3）与金属的亲和力小4）抗冲击、抗弯强度差适用场合：连续切削的精加工、半精加工人造金刚石人工制造的最硬材料。特点：1）硬度高、热稳定性差（T：800°C）2）与铁亲和力大金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。

适用场合：切削有色金属、非金属和制作砂轮。立方氮化硼硬度仅次于金刚石。T：1300~1500°C4、其它刀具材料l

常用刀具材料的种类及应用类型硬度耐磨耐热强度韧性工艺应用工具钢碳素工具钢低高差好低高高低好差切削加工、热处理、刃磨手动工具合金工具钢低速工具高速钢复杂刀具硬质合金钨钴类(YG)K粉末冶金烧结刃磨脆性