机械制造基础课件

第一章金属切削过程的基本知识第一节基本概念

切削加工方法很多，如：车、铣、刨、钻、拉、镗等。其中，外因车削最具典型性。

一、切削运动与切削用量

如图所示以外圆车削为例，要切除工件表面多余金属层，刀具与工件之间必须有相对运动。即工件必须作回转运动，刀具作直线运动。

待加工表面

—即将被切去金属层的表面。

加工表面

（过渡表面）—切削刃正在切削的表面。

已加工表面

—已经切去一部分金属层形成的新表面。第一章金属切削过程1.切削运动

金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。依其作用不同，可把切削运动分为主运动与进给运动。

（1）主运动

主运动是工件的回转运动，是切除多余金属层以形成工件要求的形状、尺寸精度及表面质量所必须的基本运动，是速度最高、消耗功率最大的运动。这种运动在切削过程中只能有一个。

（2）进给运动

进给运动是指使新的金屑层不断投入切削过程，使其在所需方向上使切削得以继续下去的运动。进给运动可由一个或多个运动组成。一般情况下，进给运动的速度较低、消耗功率较小，是形成已加工表面的辅助运动。进给运动可以是连续的，也可以是间歇的。第一章金属切削过程刨、钻、铣削时的切削运动如下图所示：第一章金属切削过程其它切削加工的切削运动及工件表面第一章金属切削过程其它切削加工的切削运动及工件表面第一章金属切削过程

（3）合成运动与合成切削速度

切削主运动和进绘运动的合成称合成切削运动，亦即刀具切削刃上某一点相对工件的运动，其大小与方向用合成速度向量表示。

第一章金属切削过程（2）进给速度、进给量、每齿进给量

进给速度是单位时间内，刀具相对于工件在进给方向上的位移量，记作vf，单位为mm/s或mm／min。

进给量是工件每回转一周，刀具相对于工件在进给方向上的位移量，记作f，单位为mm／r。

对于铣刀、铰刀、拉刀和齿轮滚刀等多刃刀具，每个刀刃相对于工件在进给方向上的位移量称为每齿进给量，记为fZ，单位为mm/Z。vf、f、fZ之间的关系如下式：mm/s或mm/min第一章金属切削过程（3）背吃刀量

背吃刀量旧称切削深度。当刀具不能一次吃刀就能切除工件上的金属层时，还需由操作者在一次进给后再沿半径方向完成吃刀运动，习惯上称每次吃刀的深度为背吃刀量，以ap表示，单位为mm。对于外圆表面加工，ap按下式计算：对于钻孔（不是扩孔）有：式中dm—已加工表面直径（mm）。dw—待加工表面直径（mm）。mmmm第一章金属切削过程二、刀具切削部分的基本定义

1.刀具切削部分的构造要素

虽然用于切削加工的刀具种类繁多，但刀具切削部分的组成却有共同点。车刀的切削部分可看作是各种刀具切削部分最基本的形态。刀具切削部分的构造要素如下图所示。第一章金属切削过程第一章金属切削过程2.刀具标注角度的参考系

刀具角度分为工作角度和标注角度。把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度，称为刀具的工作角度，也就是刀具在使用状态下（inuse）的角度。在设计、制造、刃磨和测量刀具时所标注的角度，称为刀具的标注角度。

为了在设计、制造、刃磨和测量刀具的过程中，能够正确、统一地确定刀具角度，ISO制订了一套刀具标注角度参考系。

（1）确定刀具标注角度参考系的假定工作条件

假定运动条件：假定的进给速度很小，即可用主运动向量Vc近似代替合成运动向量Ve。

假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直与刀具的安装定位平面或轴线。刀具的标注角度参考平面就是在以上假定条件下确定的。第一章金属切削过程（2）刀具标注角度参考系的诸平面

基面Pr：通过切削刃上选定点且与该点切削速度方向垂直的平面。一般是平行或垂直于制造、刃磨和测量时适合于安装或定位的表面或轴线。第一章金属切削过程第一章金属切削过程3.刀具工作角度的参考系

上述刀具标注角度参考系，是忽略进给运动条件时给出的，实际上在刀具使用中，应考虑刀具切削刃上选定点的合成运动速度ve、刀尖安装不一定对准机床中心高度、背平面不一定平行于侧安装面等因素。这时的坐标平面参考系与标注角度参考系不再相同，而称工作角度参考系，在其内的刀具角度称刀具工作角度。刀具工作角度参考系与标注角度参考系的区别就是用合成运动ve来代替主运动vc，用实际进给运动代替假定的进给运动。

第一章金属切削过程4.刀具的标注角度

（1）在主剖面参考系中的刀具标注角度

基面Pr内的角度：

主偏角kr

——在基面Pr内测量的主切削平面Ps与进给剖面Pf间的夹角。

副偏角kr’——在基面Pr内测量的副切削平面Pr’与进给剖面Pf间的夹角。

切削平面Ps内的角度：

刃倾角λs

—在切削平面Ps内测量的主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角。λs有正负之分，刀尖位于切削刃的最高点时定为正（“十”），反之为负（“一”），它影响切屑流向和刀尖强度。精加工时取λs＞0°，粗加工时取λs＜0°。

主剖面Po内的角度：

前角γo

—在主剖面Po内测量的前刀面Ar与基面Pr间的夹角。γo有正负之分，前刀面Ar位于基面Pr之前者γo＜0°，反之γo＞0°。后角αo

—在主剖面Po内测量的后刀面Aa与切削平面Ps间的夹角。第一章金属切削过程

a.主切削刃成水平b.刀尖低，后部高c.刀尖高，后部低第一章金属切削过程

以上五个角度kr、λs、γo、αo、kr’为车刀的基本标注角度。在此kr、λs确定了主切削刃S的空间位置，kr’、λs’确定了副切削刃S’的空间位置。γo、αo则确定了前刀面Ar、后刀面Aa的空间位置。γo’、αo’确定了Ar’、Aa’的空间位置。但是，γo’、αo’、λs’井非是独立角度，可通过计算得到。此外，还有以下派生角度：

刀尖角εr

—在基面Pr内测量的主切削平面Ps与副切削平面Ps’间的夹角。

楔角βo

—在主剖面Po内测量的前刀面Ar与后刀面Aa间的夹角。第一章金属切削过程三、刀具角度的换算

在设计和制造刀具时，常常需要对不同参考系内的标注角度进行换算。

1.主剖面与法剖面内的角度换算

下图所示为刃倾角λs的车刀主切削刃在主剖面与法剖面内的角度。第一章金属切削过程

2.主剖面与任意剖面内的角度换算任意剖面上给出的车刀角度如图所示。很明显，当θ=0°时，Pθ剖面与切削平面Ps重合；当θ=90°－Kr时，Pθ剖面与背平面Pp重合；当θ=180°－Kr时，Pθ剖面与进给平面Pf重合。pθp第一章金属切削过程

任意剖面上的前角γθ求解公式如下：任意剖面上的后角αθ求解公式如下：最大前角γg求解公式如下：对应最大前角的夹角θmax为：

第一章金属切削过程（2）纵车同理，当考虑进给运动后，切削刃上选定点的运动轨迹是一螺旋线，这时的切削平面Pse是过选定点与螺旋面相切的平面，刀具工作角度的参考系（Pse、Pre）倾斜了一个角η，则工作进给剖面内的工作角度为：合成切削速度角η为：DW—工件待加工表面的直径。将上述角度转换到主剖面时为：

第一章金属切削过程应为ηo应为fo

第一章金属切削过程2.刀具安装对工作角度的影响

（1）刀尖安装对工作角度的影响

刀尖安装高低的影响如图所示：

第一章金属切削过程

第一章金属切削过程如图，当刀尖安装高于机床中心高时，背平面内的工作前角γPe增大，工作后角αPe减小，其变化值θP为：工作角度为：转换到主剖面为：h—刀尖高度与机床中心高的差（mm）dW—工件直径（mm）刀尖低于机床中心高时，取相反符号。

第一章金属切削过程刀杆安装倾斜的影响如图所示：车刀刀杆与进给方向不垂直时，工作主偏角kre和工作副偏角kre’将发生变化：

第一章金属切削过程五、切削层参数与切削方式

1.切削层参数刀具切削刃在一次进给(走刀)中，从工件待加工表面上切下来的金屑层称切削层。外圆车削时，工件转一转，车刀从位置Ⅱ移动到位置I，前进了一个进给量f，图中阴影部分即为切削层。其截面尺寸的大小即为切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切削尺寸。还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产效率。切削层参数通常在基面内测量。

第一章金属切削过程

第一章金属切削过程

（1）切削层公称厚度hD（旧称切削厚度）

切削层公称厚度是在基面内测量的切削刃两瞬时位置加工表面间的距离，有如下关系：

（2）切削层公称宽度bD（旧称切削宽度）切削层公称宽度是在基面内沿加工表面测量的切削层尺寸。有如下关系：

（3）切削层公称横截面面积AD（旧称切削面积）削层公称横截面面积在基面内测量，计算公式为：

第一章金属切削过程2.切削方式

（1）直角切削与斜角切削切削刃上选定点的切线垂直于该点切削速度的切削方式，称为直角切削或正切削，否则称为斜角切削或斜切削。直角切削时切屑是沿切削刃的法向流出的。只将工件斜置vc方向不变的切削仍为正切削。

第一章金属切削过程（2）自由切削与非自由切削只有一条切削刃参加切削工作的切削称为自由切削，宽刃刨刀刨削就是一个典型自由切削。此时切削刃上各点切屑流出方向大致相同，切削层金属变形基本在二维平面内，即为平面变形。反之，像外圆车削、切槽、车螺纹等，副切削刃也参加已加工表面形成的切削称非自由切削。

第一章金属切削过程第二节刀具材料刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具材料性能的优劣对切削加工过程及精度、质量、生产效率有着直接影响。近一百年来不断出现新的刀具材料以及改善原有的刀具材料，切削速度提高了几十倍，最高切削速度提高了将近100倍。一、刀具材料应具备的性能切削加工时，刀具要承受很大的压力与很高的温度，所以刀具材料应满足以下基本要求：

1.高硬度高硬度是刀具材料应具备的最基本性能。一般认为，刀具材料应比工件材料的硬度高1.3—1.5倍，常温硬度高于HRC60。

2.足够的强度和韧性切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振动。刀具材料必须具备足够的抗弯强度和冲击韧性。

第一章金属切削过程

3.高耐磨性在切削过程中，刀具要经受剧烈磨擦，所以作为刀具材料必须具备良好的耐磨性。耐磨性不仅与硬度有关，往往还与强度、韧度和金相组织结构等因素有关，因而耐磨性是个综合性的指标。

4.高耐热性和高温下的物理、化学稳定性耐热性是刀具材料在高温下保持其硬度、强度和韧度、耐磨性的一个指标。一般用保持其常温下切削性能的温度（红硬性）来表示热耐性。在高温状态下，刀具材料还应具有较高的物理、化学稳定性，以避免刀具材料中的元素向工件材料中扩散。

5.工艺性作为刀具材料除具备上述性能外、还应具备一定的可加工性能，如：切削加工性、磨削性、焊接性能、热处理性能、高温塑性等。

6.经济性刀具材料在满足使用要求的同时，还应具备良好的经济性。

第一章金属切削过程二、常用刀具材料

根据刀具材料的发展，可将现有刀具材料分为下列几种：

工具钢：包括碳素工具钢和合金工具钢；高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料：包括金刚石和立方氮化硼。其中高速钢、硬质合金用得最为广泛。碳素工具钢和工具钢因耐磨性差，仅用于一些手工工具或低速刀削工具。

第一章金属切削过程

1.高速钢

高速钢全称高速合金工具钢．也称白钢、锋钢（风钢），是19世纪末研制成功的。高速钢是在高碳钢中加入较多合金元素W、Cr、V、Mo等与C生成碳化物制成的。加入合金元素后，细化了晶粒，提高了合金的硬度。一般高速钢的淬火硬度可达HRC63—67，红硬性可达550℃一650℃。允许的切削速度vc可比合金工具钢提高1—2倍，高速钢因此而得名。高速钢具有较高的强度，在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击韧性最高。是制造各种刃形复杂刀具的主要材料。就其性能用途，可将高速钢分为通用型高速钢、高性能高速钢、粉未冶金高速钢和涂层高速钢等几类。

（1）通用型高速钢

按其化学成分，普通高速钢可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。

第一章金属切削过程钨系高速钢的典型牌号为：W18Cr4V，含C0.7—0.8%、W18%、Cr4%、V1%。钨系高速钢是我国应用最多的高速钢。它具有较好的综合性能，即有较高硬度（HRC62—66）、强度、韧性和耐热性。红硬性可达620℃，切削刀刃可刃磨的比较锋利，通用性较强，常用于钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具、丝锥等复杂刀具的制造。但强度随横截面尺寸变大而下降较多。由于钨是重要的战略物资，而且有些性能尚不能满足切削加工要求，国外已在减少其用量。钨系高速钢钨钼系高速钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2，在这种牌号中用Mo代替了一部分的W。Mo在合金中的作用与W相似，但其原子量比W小50％。钨钼系高速钢的综合性能与钨系相近，但碳化物晶粒更小、分布更均匀，故强度和韧性好于钨系高速纲，可用于制造大截面尺寸的刀具，持别是热塑性好，适于制造热轧刀具（如热轧钻头）。主要缺点是热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围较窄。钨钼系高速钢

第一章金属切削过程（2）高性能高速钢

高性能高速钢包括：高碳高速钢（含C0.9％以上）、高钒高速钢（含V3％以上）、钴高速钢（含Co5%—10％）和铝高速钢。典型的牌号有：9W18Cr4V、W6MoCr4V3、W6MoCr4V2Co8、W6Mo5Cr4V2Al。高性能高速钢具有更好的耐热性和切削性能，其耐用度较通用型高速钢高1.3—3倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。但这些特殊性能高速钢必须在适用的特殊切削条件下，才能发挥其优异的切削性能、选择时不要超出使用范周。（3）粉未冶金高速钢

熔化的高速钢经过喷惰性气体(氮或氩)使之雾化成约50一500μm大小的粉未，这种粉未冷凝十分迅速，形成十分细小的晶粒结构。其中的碳化物更加细小，并且分布也很均匀。粉末可以通过不同方法制成钢材，然后再热轧或锻打成所需的尺寸。粉未冶金高速钢碳化物颗粒细小，大小均匀；断续切削时有较好的耐冲击性能；可磨削性好；热处理时间短。

第一章金属切削过程2.硬质合金

硬质合金以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC）粉未为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。它的耐热性比高速钢高得多，约在800℃一1000℃，允许的切削速度vc约是高速钢的1一10倍。硬度很高，可达HRA89—93，但它的抗弯强度只为高速钢的一半，冲击韧性不足高速钢的1／25一1／10。由于它的耐热性、耐磨性好，因而在刃形不复杂刀具上的应用日益增多，如：车刀、端铣刀、立铣刀、饺刀、镗刀，小尺寸钻头、丝锥及中小模数齿轮滚刀等。试验和生产实践证明，含WC用Co作粘结剂的硬质合金强度最高。所以目前以WC为基体的硬质合金占主导地位。此类硬质合金分为四类：

钨钴类（WC-Co），国标代号YG，相当于ISO中的K类。

钨钛钴类（WC-TiC-Co），国标代号YT，相当于ISO中的P类。

钨钴钽（铌）类（WC-TaC（NbC）-Co），国标代号YGA，相当于ISO中的K类。

钨钛钴钽（铌）类（WC-TiC-TaC（NbC）-Co），国标代号YW，相当于ISO中的M类。YW中的W表示“万能（通用）”的意思。

第一章金属切削过程

（1）YG类（钨钴类）硬质合金

钨钴类硬质合金的硬质相是WC，粘结剂是Co。主要牌号有YG3、YG6、YG8，其中Y表示硬质合金，G表示钴，其后数字表示钴的质量百分含量。数字后还可能有X（细晶粒）或C（粗晶粒）。YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性都较其它硬质合金好，导热系数也比YT类的大，切削热能很快传出，从而降低刃口处的温度。因而，YG类适宜加工铸铁、有色金属及其合金、非金属等脆性材料，加工导热性能不好的不锈钢。含钴少的宜于精加工，含钴多的宜于粗加工。（2）YT类（钨钛钴类）硬质合金

钨钴类硬质合金的硬质相是WC、TiC，粘结剂是Co。常用牌号有YT5、YT14、YT15，YT30。其中T表示TiC，其后数字表示TiC的质量百分含量。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗粘结扩散和抗氧化能力较好，适宜高速切削钢材。但由于这类材料的导热系数较小，不适于加工导热性能不好的不锈钢。而且，该类材料中含有钛，在加工钛合金时，在高温下刀具材料中的钛会向工件材料中扩散，加剧刀具的磨损，所以它们不能用于钛合金的加工。

第一章金属切削过程（3）YGA类（钨钴钽（铌）类）硬质合金

钨钴钽（铌）类硬质合金是在钨钴类合金中加入TaC或NbC制成的、加入TaC或NbC的目的是提高硬度。常用牌号为YG6A、YG8A。牌号中的数字表示钴的质量百分含量。因为YGA类的高温硬度、强度及耐磨性均比YG类高，所以YGA类宜加工冷硬铸铁、高锰钢、淬硬钢以及含Ti不锈钢、钛合金、高温合金。（4）YW类（钨钛钴钽（铌）类）硬质合金

钨钛钴钽（铌）类硬质合金是在钨钛钴类合金中加入TaC或NbC制成的、加入TaC或NbC的目的是改善切削性能。常用牌号为YW1、YW2。因为YW类的强度、韧度、抗热冲击性均比YT类高，通用性较好。YW类硬质合金可用于高温合金、高锰钢、不含Ti的不锈钢等难加工材料的半精加工和精加工。上述合金的性能及使用范围详见教课书P16—P17的表1.1。除了这些WC基的刀具材料外，还有以TiC为基以Ni为粘结剂的硬质合金材料，其性能介于WC基硬质合金与陶瓷刀具材料之间。其具体参数可查阅相关的刀具手册。

第一章金属切削过程3.其它刀具材料

（1）涂层刀具