第一章+金属切削基础知识

第1章金属切削基础知识刀具几何角度切削层参数刀具材料切削运动与切削用量

1.1切削运动与切削用量

第1章金属切削基础知识机械制造技术基础主运动

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。进给运动

指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（f—mm/r）或进给速度（vf—mm/min）表示。1.1.1切削运动工件在车削过程中有三个不断变化着的表面：待加工表面已加工表面过渡表面图外圆车削运动和加工表面1.1.2切削用量切削用量

切削速度vc式中n——主运动转速（r/s）；d——刀具或工件的最大直径（mm）。进给量：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。背吃刀量：刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值。外圆车削的背吃刀量（切削深度）就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离1.2刀具角度

第1章金属切削基础知识机械制造技术基础1.2.1刀具切削部分的结构要素图外圆车刀切削部分的结构要素刀具切削部分的结构要素1.2.2刀具标注角度

刀具标注角度坐标系（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。1）前角γo

在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；位于刀头实体之内时γo定为负值。γo影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。Aκr′A向f图车刀在主剖面参考系中的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ01.2.2刀具标注角度

刀具标注角度Aκr′A向f图车刀在主剖面参考系中的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo

后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。α01.2.2刀具标注角度

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。3）主偏角κr

在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。κr的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。κr的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。1.2.2刀具标注角度

Aκr′A向f图车刀在主剖面参考系中的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκrκr′AA向f图车刀在主剖面参考系中的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′

κr′在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。1.2.2刀具标注角度

κr′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）图刃倾角对排屑方向的影响1.2.2刀具标注角度

5）刃倾角λs——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,λs定为正值；反之位负。

λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。横向进给车削①当进给量f一定时，随d值↓—值↑，接近中心αoe为负值。②当f↑—值↑横车时f不宜过大，并应适当加大αo。1.2.3刀具工作角度图横向进给运动对刀具工作角度的影响纵向进给车削1.2.3刀具工作角度图纵向进给运动对刀具工作角度的影响车右螺纹时左侧刃角度变化换算到主剖面内：f↑或dw↓时，ηf、η均↑车削右螺纹时左侧刃应↑αo刀具安装高低的影响1.2.3刀具工作角度图刀具安装高低对工作角度的影响假定车刀λs＝0,刀尖高于工件中心若刀尖低于工件中心，角度变化与上述相反。刀杆中心线与进给方向不垂直的影响1.2.3刀具工作角度

1.3切削层参数第1章金属切削基础知识

机械制造技术基础1.3切削层参数切削层参数

切削厚度

切削宽度

图切削层参数bDhD=ffdwDmapa）ΚrhDbD

=apb）c）切削面积

1.4刀具材料第1章金属切削基础知识

机械制造技术基础刀具材料应具备的基本性能

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）良好的导热性和耐热冲击性能

5）良好的工艺性6）经济性1.4.1刀具材料应具备的基本性能

切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢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）刀具材料的发展1.4.1刀具材料应具备的基本性能

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。高速钢是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：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。1.4.2常用刀具材料

高速钢表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95W18Cr4V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W12Cr4V4Mo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W12Cr4V3Mo3Co5Si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

1.4.2常用刀具材料

硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。1.4.2常用刀具材料

硬质合金表常用硬质合金牌号及应用范围牌号应用范围YG3硬度、抗弯耐磨强度、性、韧性、切削进给速度量铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用于断续切削YT30硬度、抗弯耐磨强度、切削韧性、速度进给碳素钢、合金钢的精加工YT15碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工，断续切精加工YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削YW1同上高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工YW2高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工YN05同上碳钢、合金钢的高速精车，系统刚性好的细长轴精车YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工1.4.2常用刀具材料

陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。1.4.3其他刀具材料

主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。陶瓷刀具材料

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0.01μm，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（HK6500～8000），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HV3000～4500，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。1.4.3其他刀具材料

超硬刀具材料1.4刀具材料

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W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5

100-12040-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃＞1000℃化学惰性