金属切削原理

金属切削原理第1页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院21.1基本定义金属切削过程

工件与刀具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、尺寸精度、表面质量等各个方面均符合技术要求，同时要求高质量，高效率，低成本。

第2页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院31.1基本定义实现切削过程的三个条件

切削运动工件与刀具之间要有相对运动刀具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必须具有合理的几何参数第3页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院41.1.1切削运动与切削用量1.1.1.1工件加工表面在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的表面。待加工表面

[工件上即将切除的表面]已加工表面

[工件上已经切除而形成的新表面]过渡表面(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]。第4页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院5外圆车削的切削运动与加工表面第5页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院6平面刨削的切削运动与加工表面第6页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院71.1.1.2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第7页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院8(1)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】速度高、消耗功率大、通常只有一个【形式】直线或旋转【状态】连续或间歇【主运动方向】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vc】切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度第8页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院9(2)进给运动【进给运动】使主运动能够连续进行，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】速度低、消耗功率小、可以有多个【形式】直线或旋转，或他们的组合【状态】连续或间歇【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vf

】切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。第9页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院10(3)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η：

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φ:

瞬时主运动方向与进给运动方向之间的夹角第10页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院11(4)切削用量三要素

切削速度vc进给量f

背吃刀量（切削深度）ap

第11页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院12切削速度vc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=πdwn/1000

其中:dw—工件待加工表面的直径(mm)；

n—工件的转速(r/s)。第12页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院13进给量f在主运动每转一转或每一行程时，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)或mm/d.str(毫米/双行程，doublestroke)(用于刨削、磨削等)。进给速度Vf:切削刃上选定点相对工件沿进给运动方向的瞬时速度（mm/s或mm/min)。通常直线运动不确定进给速度，只确定进给量对多刃刀具，可以用每齿进给量fz表示：Vf=nf=nzfz

其中：n—主运动的转速(mm/s)；

z—刀齿齿数。第13页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院14背吃刀量ap对于外圆车削和平面刨削而言，背吃刀量等于工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。其中外圆车削的背吃刀量为

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)。第14页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院15讨论确定下列加工方法的切削运动钻孔外圆磨削滚齿确定下列加工方法的切削用量外圆车削时的背吃刀量ap平面刨削第15页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院16作业：

P511第16页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院17第二讲金属切削原理第17页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院181.1.2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”前刀面主后面副后面主切削刃副切削刃刀尖（过渡刃）第18页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院191.1.2.1刀具切削部分的组成要素前刀面Aγ：切屑沿着流出的表面主后面Aα：刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。副后面Aα‘：刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。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。

第19页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院20刀具组成示意图第20页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院211.1.2.2确定刀具切削刃角度的参考平面

由于大多数加工表面都不是平面，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。第21页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院221.1.2.3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。第22页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院231.1.2.3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，Pr⊥Ps。

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：第23页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院241.1.2.3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），Pr⊥Ps⊥Po。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。Pf、Pp与Pr构成空间正交的假定工作平面、背平面参考系。第24页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院251.1.2.3刀具标注角度的参考系第25页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院261.1.2.4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个派生角度。第26页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院27（1）正交平面参考系中的标注角度第27页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院28（1）正交平面参考系中的标注角度第28页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院29刀具的标注角度（1）主偏角κr：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κr’：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λs：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角.

第29页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院30刀具的标注角度

当主切削刃呈水平时,λs=0,此时主切削刃与切削速度方向垂直，称为直角切削。当λs≠0时称为斜角切削。刀尖为主切削刃最低点时，λs〈0;

刀尖为主切削刃上最高点是，λs〉0.第30页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院31刀具的标注角度（4）前角γ0：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α0：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α0’：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。第31页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院32刀具的标注角度三个派生角度：（1）楔角β0:在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角，β0=90-（α0+γ0）（2）刀尖角εr:主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角，εr=180-（κr+κr’）（3）余偏角ψr:主切削刃在基面上投影与进给方向垂线之间的夹角，ψr=90-κr第32页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院33作业P512、3第33页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院34第三讲金属切削原理第34页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院35（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、主后角和楔角改为在法平面内的法前角、法后角与法楔角即可。第35页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院36刀具在法平面参考系中的标注角度第36页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院37（3）刀具在假定工作平面和背平面参考系中的标注角度

第37页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院381.1.2.5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。

第38页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院39（1）进给运动对刀具工作角度的影响横向进给运动的影响第39页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院40(2)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第40页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院41(3)刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响第41页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院421.1.3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Ac第42页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院43切削层公称厚度ac

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*sinkr

其中：ac—切削层公称厚度(mm)；

f—进给量(mm/r）；

kr—车刀主偏角(。)。第43页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院44切削层公称宽度aw

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/sinkr

其中：aw—切削层公称宽度(mm)。第44页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院45切削层公称横截面积Ac

切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。

Ac=acaw=fsinkrap/sinkr=fap

其中:Ac—切削层公称横截面积(mm2)。第45页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院46切削层参数示图第46页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院47作业

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°，刃倾角10°，刀柄端面宽×高为20×20。第47页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院48第四讲金属切削原理第48页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院491.2刀具材料

刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、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。第49页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院501.2.1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、高温、摩擦、冲击和振动，应具备以下基本性能：高硬度、高耐磨性足够的强度和韧性高的耐热性（热稳定性）良好的工艺性能经济性切削性能可预测性第50页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院511.2.2常用刀具材料的种类与特性常用刀具材料有:碳素工具钢，合金工具钢，高速钢，硬质合金，陶瓷，金刚石，立方氮化硼高速钢——具有较高的热稳定性、高的强度，刀具制造工艺简单。硬质合金——具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。陶瓷材料——硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。第51页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院521.2.2.1高速钢

在碳素工具钢中加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元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，细化碳化物颗粒。特点：强度高、韧性好、工艺性好、刃磨性好

适用：特别适用于制造结构复杂的刀具及中、低速切削的各种刀具按用途分成两大类通用型高速钢高性能高速钢第52页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院53

通用型高速钢

这类高速钢的含碳量为0．7％～0．9％。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40—60m／min。按钢中含钨量的不同，可分为钨系高速钢和钼系高速钢。

（1）钨系:W18Cr4V

特点: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。其它牌号：W14Cr4MnRE，塑性较大，用于热轧刀具（2）钼系：W6Mo5Cr4V2

特点:具有良好的综合性能。由于碳化物细小均匀，抗弯强度比W18Cr4V高15％～20％，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敏感性大，淬火温度范围窄。第53页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院54高性能高速钢高碳:9W18Cr4V(C:0.9%)高钒:W6Mo5Cr4V3高钴:W6Mo5Cr4V2Co8超硬:W2Mo9Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al

刀具的耐用度约为通用型高速钢刀具的1．5—3倍，适合于加工难加工材料。超硬高速钢是指硬度达到HRC67—70的高速钢。就其成分而言，可分为含钴和不含钴的超硬高速钢。它们在600C时的高温硬度可达到HRC54左右，具有较高的强度、韧性和优良的切削性能。第54页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院551.2.2.2硬质合金

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、高压烧结而成的粉末冶金材料。特点：硬度高、热硬性高、耐磨性好，但较脆适用：刚性好、刃形简单的刀具牌号与选择：

YG类，硬钴（K类）：YG3X,YG6X,YG8，数字越大韧性越好；切铸铁、有色金属、非金属、高温合金

YT类，硬钛（P类）：YT5,YT14,YT30,数字越小韧性越好；切碳素钢、合金钢

YW类，硬钨（M类）：YW1,YW2，数字越大韧性越好；切耐热钢、不锈钢、普通钢和铸铁

TiC基硬质合金:精加工和半精加工涂层硬质合金选用：粗加工：选韧性好、耐冲击的材料精加工：选硬度高、耐高温、细晶粒的材料第55页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院56金属陶瓷

是一种先进的硬质合金。金属陶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、以及在低速大进给时的强度。金属陶瓷在小的和不变的负荷时，也象常规硬质合金那样，有差不多的刀刃强度。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。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(碳化钛、碳氮化钛和氮化钛)，粘结剂是镍或镍钼。由于金属型粘结剂的温度局限性，典型的金属陶瓷牌号，在加工的材料硬度超过HRC40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。车削碳钢时，进给量的上限通常是0.025英寸/转。一般用途的铣削，可以在高的主轴速度、中等进给量的条件下进行。如果满足这些条件，在大量生产时金属陶瓷能长时间地保持锋利的切削刃。如果金属陶瓷是在传统的切削速度和进给量下使用，比起硬质合金刀具能改善刀具寿命和表面质量，也能提高生产率，对于切削合金钢时其提高幅度为20%，对于切削碳钢、不锈钢时为50%。第56页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院57

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“工业牙齿”的刀具，主要材料为硬质合金钢。现在一种比硬质合金钢重量轻、切削速度快、使用寿命长2倍以上的新型纳米工具材料在合肥工业大学问世。这是合肥工业大学材料学院年轻的刘宁教授主持研究的“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”的重要创新成果.

纳米氮化钛、氮化铝改性的碳化钛基金属陶瓷刀具是一种高技术含量、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，而成本与现在使用的硬质合金钢刀具相当或略低。第57页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院58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。纯氧化铝可以耐非常高的温度，但是它的强度和韧性很低，工作条件如果不好，容易破碎。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，加入了氧化锆或加入碳化钛与氮化钛的混合物。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。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、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的准备、机器和装备的稳定性和选用最佳的加工参数。第58页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院59

涂层刀具涂层刀具是近20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、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化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世纪70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80m／min提高到180m／min。1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m／min。1981年又出现了碳化钛—氧化铝—氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m／min。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)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HRC80，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20％一40％．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、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。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9um，表面硬度可达2500—4200HV。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，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70％一80％，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、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。第59页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院60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。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数c但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)，很少作为切削工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展。例如微型机械的微型零件，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，计算机硬盘芯片、加速器电子枪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域．天然金刚石起到了重要作用。

20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70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、木材复合材料等。金刚石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)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。第60页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院61PCD的应用

国内PCD刀具市场随着刀具技术水平的发展也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个PCD车刀使用点，许多人造板企业也采用PCD刀具进行木制品加工。PCD刀具的应用也进一步推动了对其设计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等均在积极开展这方面的研究。国内从事PCD刀具研发、生产的有上海舒伯哈特、郑州新亚、南京蓝帜、深圳润祥、成都工具研究所等几十家单位。目前，PCD刀具的加工范围已从传统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材料的加工。第61页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院62PCD的应用

通过对近年来PCD刀具应用的分析可见，PCD刀具主要应用于以下两方面:①难加工有色金属材料的加工:用普通刀具加工难加工有色金属材料时,往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷,而PCD刀具则可表现出良好的加工性能。如用PCD刀具可有效加工新型发动机活塞材料-过共晶硅铝合金(对该材料加工机理的研究已取得突破)。②难加工非金属材料的加工:PCD刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料、人造板材等难加工非金属材料的加工。如华中理工大学1990年实现了用PCD刀具加工玻璃;目前强化复合地板及其它木基板材的应用日趋广泛,用PCD刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷。第62页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院63立方氮化硼

立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉。由于CBN的烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。

第63页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院641.3金属切削过程【金属切削过程】刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到加工表面形成为止的完整过程。第64页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院651.3.1切削层的变形

在金属压缩实验中，当金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。第65页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院66切削层的变形

当切屑层达到切削刃OA（OA代表始滑移面）处时，切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成了切屑，然后沿前面流出。第66页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院671.3.1.1第一变形区（剪切滑移）OA—始滑移线OM—滑移线特点：沿着滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。第67页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院681.3.1.2第二变形区

当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属产生纤维化，基本上和前刀面平行，这部分称为第二变形区。在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层。第68页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院69积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1）什么是积屑瘤在中低速切削塑性金属材料时,常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料,形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。2）积屑瘤的形成原因

产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。3）影响积屑瘤的因素积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。第69页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院701.3.1.3第三变形区

工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦，使已加工表面内产生纤维化和加工硬化，已加工表面与后面的接触区称为第三变形区。第70页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院71刀-工接触区的变形与加工质量已加工表面的形成第71页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院72切削层金属的变形过程第72页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院731.3.3切屑的种类与变形规律由于工件材料、刀具角度和切削用量的不同，切削过程中的变形情况也不同，因而产生的切屑种类也就多种多样。从变形观点出发，可将切屑归纳为以下四种形态。带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑第73页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院741.3.3.1带状切屑外形特征：内表面光滑，外表面毛茸。如果用显微镜观察，在外表面上也可看到剪切面的条纹，但每个单元很薄，肉眼看来大体上是平整的。产生原因：由于被切金属沿剪切面滑移而形成的。形成条件：一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。缺点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。

第74页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院751.3.3.2挤裂切屑特点：外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。产生原因：它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。由滑移变形所产生的加工硬化使剪切力增加，在局部区域达到材料的断裂强度。产生场合：大都在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。

第75页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院761.3.3.3单元切屑单元(粒状)切屑在挤裂(节状)切屑产生的前提下,当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑。1.3.3.4崩碎切屑崩碎切屑切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑。第76页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院77作业：P515、6、7、9、10第77页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院78第五讲金属切削原理第78页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院791.4切削力【切削力】切削时，刀具切入工件，使被加工材料变形成为切屑所需的力。【来源】加工材料的弹塑性变形抗力和切屑、工件表面对刀具表面的摩擦力。【意义】研究切削力对刀具、夹具的设计和使用具有重要的意义。第79页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院801.4.1切削力的分析【定义】切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力。

为了研究方便，将作用于刀具上的切削合力分解为相互垂直的Fc、Ff、Fp.Fc：切削力,切于过渡表面,与基面垂直。作用：计算刀具和机床强度,确定机床功率Ff：进给力,在基面内,与进给方向相反.作用：用于设计机床进给机构和确定进给功率Fp：背向力,在基面内,与进给方向垂直。作用：计算工件挠度和刀具、机床零件的强度第80页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院811.4.2切削力与切削功率的计算1.4.2.1指数形式的切削力经验公式第81页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院821.4.2.2用切削层单位面积切削力计算切削力【经验公式】车削普通钢材时三个力的比例大约为第82页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院831.4.2.3工作功率计算【定义】消耗在切削加工过程中的功率(Pe)，可以分解成切削功率(Pc)和进给功率(Pf)。切削功率Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。【计算公式】

主运动消耗的切削功率Pc＝Fcυc/60×10-3（kW）机床电机功率Pm=Pc／ηm（ηm＝0.75～0.85）。第83页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院841.4.3影响切削力的因素

1.4.3.1工件材料的影响工件材料的硬度和强度越高，产生的切削力会越大；工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切屑与刀具间摩擦增加，切削力会越大。切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力小。第84页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院851.4.3.2切削用量的影响进给量、背吃刀量增大，都会使切削力增大，而实际上背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。其主要原因在于，αp增大一倍时，切削厚度不变，而切削宽度则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f增大一倍时，切削宽度不变，只是切削厚度增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。在切削力经验公式中，加工各种材料，αp的指数约等于1，而f的指数yFc只有0.75~0.9。因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。第85页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院861.4.3.3刀具几何参数的影响前角的影响:γo↑→切削变形↓→切削力↓(塑性材料)负倒棱的影响：负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值↑→切削变形程度↑→切削力↑；主偏角的影响对Fc的影响较小（影响程度不超过10%），而对背向力和进给力的影响较大

Fp=FDcosKrFf=FDSinKr

Kr↑→Fp↓,Ff↑刃倾角的影响：

λs↑→Fp↓,Ff↓,Fc基本不变刀尖圆弧半径rε↑→切削刃圆弧部分的长度↑→切削变形↑→切削力↑。此外rε增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff减小。第86页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院871.4.3.3刀具几何参数的影响第87页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院881.4.3.4刀具材料的影响主要是刀具材料与工件材料的摩擦系数的影响通常按照CBN，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢的顺序切削力依次增大。1.4.3.5切削液的影响切削液具有润滑作用，使得切削力降低。切削液的润滑作用愈好，切削力的降低愈显著。在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。第88页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院891.4.3.6刀具后刀面磨损的影响刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈大。VB对背向力Fp影响最显著。第89页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院901.5切削热和切削温度

切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削温度影响工件材料的性能、前刀面上的摩擦系数和切削力的大小，影响刀具磨损和刀具耐用度，影响积屑瘤的产生和已加工表面质量，也影响工艺系统的热变形和加工精度。因此，研究切削热和切削温度具有重要的实际意义。第90页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院911.5.1切削热的产生和传出

金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。并通过切屑、工件、刀具和周围介质向外传出切削过程中消耗的能量有98~99%转换为热能，因此近似认为单位时间内产生的切削热q等于切削功率Pc。第91页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院921.5.1切削热的产生和传出

可见：背吃刀量ap增加一倍，q也增加一倍；切削速度vc对q的影响次之；进给量f的影响最小；其他因素对q的影响与对Fc的影响相似。

第92页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院93切削温度【定义】指前刀面与切屑接触区内的平均温度。它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热越多，传出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度越低。【结论】凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升；有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。第93页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院941.5.2影响切削温度的主要因素1.5.2.1切削用量的影响切削速度对切削温度影响最大进给量次之背吃刀量最小第94页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院951.5.2.2刀具几何参数的影响1)前角γo↑→塑性变形和摩擦↓→切削温度↓（图）。但前角不能太大，否则刀具切削部分的楔角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。

2)主偏角κr↑→切削刃工作接触长度↓，切削宽度bD↓，散热条件变差，故切削温度↑（图）。3）刀具负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响较小。第95页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院961.5.2.3工件材料的影响材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多；导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。1.5.2.4刀具磨损的影响刀具磨损越大，切削温度越高切削速度越大，磨损加剧，温度越大1.5.2.5切削液的影响浇注切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果。切削液的热导率、比热容和流量愈大，切削温度愈低。切削液本身温度越低，其冷却效果愈显著。第96页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院97

1.6刀具磨损和刀具耐用度

1.6.1刀具的磨损形式【定义】刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损。【原因】刀具逐渐磨蚀（正常磨损）刀具随机破损（非正常磨损）【影响】刀具的钝化达到一定的程度时，如继续使用，就会使Fr急剧上升，甚至引起振动刀具的磨损使工件加工精度下降，表面质量显著恶化，刀具材料消耗增加，使加工不能正常进行。第97页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院98磨损形式1.6.1.1前刀面磨损切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼，用KT表示第98页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院991.6.1.2后刀面磨损加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小（hD＜0．1mm），由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损。1.6.1.3边界磨损切削钢料时，常常在主切削刃和副切削刃与工件待加工或已加工表面接触处磨出较深的沟纹，其磨损宽度大于B区，这种磨损称为边界磨损。边界磨损主要是由于工件在边界处的加工硬化层、硬质点和刀具在边界处的较大应力梯度和温度梯度所造成的。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。第99页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院1001.6.2刀具磨损的原因刀具正常磨损的原因是机械磨损，热、化学磨损。前者是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，后者则是由黏结、扩散、腐蚀等引起的磨损。1.6.2.1磨料磨损（硬质点磨损）切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。1.6.2.2粘结磨损切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。

第100页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院1011.6.2.3扩散磨损热作用的磨损，切削高温下刀具与工件的接触面间到分子能量很大，各个原子会在固态下发生相互扩散，从而改变刀具材料的成分结构，使刀具表层变脆而发生扩散磨损扩散磨损随切削温度的上升而按照指数规律迅速增大切削速度增大，扩散磨损增大1.6.2.4化学磨损切削高温高压，以及新鲜表面极易氧化，使表面层硬度降低，从而加剧刀具磨损化学磨损是造成边界磨损的原因之一其他磨损热电磨损，相变磨损第101页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院1021.6.3刀具的磨损过程及磨钝标准1.6.3.1刀具磨损的过程初期磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段第102页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院1031.6.3.2刀具的磨钝标准【定义】刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，此磨损限度称为磨钝标准ISO标准规定，以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准自动化生产和精加工刀具，常以工件径向的刀具磨损尺寸NB作为磨钝标准第103页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院1041.6.4刀具耐用度刀具耐用度的定义：由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的总切削时间。以径向磨损量NB作为磨钝标准所确定的耐用度称为尺寸耐用度。泰勒刀具耐用度方程式m越小，Vc对T的影响越大第104页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院105刀具耐用度方程式

综合上两式可得切削用量与T的一般关系式用YT15硬质合金车刀切削碳钢时，切削用量与T的关系为

第105页，共123页，2023年，2月20日，星期三切削用量选择原则在选择切削用量以提高生产率时，首先尽量选用大的背吃刀量ap其次根据加工条件和加工要求允许的最大进给量f最后在刀具耐用度和机床功率所允许的情况下选择最大的切削速度vc西安科技大学机械工程学院106第106页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院107作业

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第107页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程学院108

1.7工件材料的切削加工性

1.7.1材料切削加工性的概念【定义】工件材料的切削加工的难易程度。当被切削工件难加工时，切削加工性差（低）；反之，切削加工性好（高）。第108页，共123页，2023年，2月20日，星期三西安科技大学机械工程