第一章 金属切削加工的基础3

机械制造技术基础

武凯南京理工大学机械工程学院本课程的重要性制造水平的高低是衡量国家综合国力的重要标志，机械制造业是制造业的最主要组成部分《机械制造基础》是对机械制造专业知识的系统的概括与总结。为从事机械制造、机械设计、车辆工程、控制与检测等专业方向高级工程技术人才的培养奠定制造知识基础本课程是一门实践性、综合性较强的专业技术基础课程,是机械工程及其自动化专业的必修课，是构成机械制造专业知识的主干课课程的教学内容与目标互换性与技术测量内容如何提出技术要求(尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度、公差与配合)目标具有在机械设计中正确确定零件几何要素技术要求、标注标准和技术条件的基础知识机械制造基础与工艺内容如何实现技术要求（机床、刀具、工艺）目标初步掌握机械加工中的综合性工艺基础知识，具备解决机械加工工艺过程中一般生产技术问题的初步能力课程的教学计划与方法共4.5学分,分两个学期学习第一学期学习（切削运动、刀具、机床及加工方法、机械加工工艺规程、典型零件加工）第二学期学习（机械加工质量、机械装配工艺、机床夹具设计、现代机械制造技术）以课堂讲授为主，通过实验、作业、答疑、课堂互动、个别辅导与交流一起学习、提高课程的考核方式闭卷考试期末占80%，实验占10%，平时（考勤、作业等）占10%教材与参考书教材袁军堂，机械制造技术基础参考书方子良，机械制造技术基础，上海交通大学出版社，2004赵雪松，机械制造技术基础，华中科技大学出版社，2006第1章金属切削加工的基础知识金属切削加工实例第1章金属切削加工的基础知识内容切削加工运动分析及切削要素金属切削刀具切削过程中的物理现象工件材料的切削加工性切削液1.1切削加工的运动分析及切削要素

1.1.1零件表面的形成零件的表面都是由回转体表面(外圆面、内圆面)、平面和曲面等组成。零件表面的切削加工通过切削运动完成。1.1切削加工的运动分析及切削要素☆回转体表面：是以直线为母线作旋转运动所形成的表面；成型方法主要有：车削、钻孔、扩孔、镗孔、铰孔、内外圆磨削等。如构成轴类、盘套类零件的内外圆、圆锥等。

1.1.1零件表面的形成☆

平面：是以直线为母线作直线运动形成的表面；如机床导轨面、轴端面等，成型方法主要有：铣削、刨削、平面磨削等。☆

曲面：是以曲线为母线作旋转或平移所形成的表面；如螺旋桨、汽车外型面等，成型主要方法有：铣削、成形磨削、数控铣削、电火花加工、激光加工等1.1.2切削运动

主运动：切除切屑所需的基本运动。3个特点：速度最快；消耗功率最大；唯一性。概念：刀具与工件间的相对运动，以切除多余的金属分类：

进给运动：使金属层不断投入被切削的运动。3个特点：速度较慢；消耗功率较小；可以为一个或多个。常见机床的切削运动机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转车刀纵向、横向移动钻床钻头旋转钻头轴向移动铣床铣刀旋转工件纵向、横向、垂直方向移动牛头刨床刨刀往复工件横向、垂直方向间隙移动龙门刨床工件往复刨刀横向、垂直方向间隙移动内、外圆磨床砂轮旋转工件旋转、工件往复或砂轮横向移动平面磨床砂轮旋转工件往复移动，砂轮横向、垂直移动镗床镗刀旋转镗刀轴向移动、工件轴向移动已加工表面

加工表面（过渡表面）

待加工表面

加工表面切削要素切削用量三要素

体现了刀具与工件之间相互作用条件与相互关系。直接影响刀具耐用度、加工质量与加工效率。切削速度vc

进给量

f背吃刀量（切削深度）

ap切削层尺寸平面要素切削层公称厚度hD切削层公称宽度bD切削层公称横截面积AD第1章金属切削加工的基础知识切削用量三要素切削速度vc主运动的线速度，即单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。主运动为旋转运动时：vc=πdn/1000(m/min)其中:d—工件待加工表面的直径n—工件的转速主运动为往复直线运动时：vc=2Lnr/1000(m/min)其中:L—往复运动行程长度nr—主运动每分钟往复次数第1章金属切削加工的基础知识切削用量三要素进给量

f

进给量表示进给运动的速度。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/行程(用于刨削、插削等)。进给运动速度还可以用进给速度Vf（单位mm/min）或每齿进给量fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是mm/齿)表示。

Vf=nf=nzfz

其中：n—主运动的转速

z—刀齿齿数第1章金属切削加工的基础知识切削用量三要素背吃刀量（切削深度）

ap

待加工表面与已加工表面的垂直距离对外圆面：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)

补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。第1章金属切削加工的基础知识dwdm第1章金属切削加工的基础知识切削用量三要素：各种切削方法的切削用量三要素标注切削层尺寸平面要素切削层：两个相邻加工表面之间的材料。工件（刀具）每转一圈,刀具切削刃从工件上切削下来转化为切屑的金属层。切削层尺寸平面PD：过主切削刃基点（作用切削刃的中点），并垂直于该点主运动方向的平面。第1章金属切削加工的基础知识第1章金属切削加工的基础知识切削层尺寸平面要素切削层公称厚度hD=

fsinkr切削层尺寸平面内沿垂直于切削刃方向所测得的切削层尺寸切削层公称宽度bD=

ap

/

sinkr切削层尺寸平面内沿切削刃方向所测得的切削层尺寸第1章金属切削加工的基础知识切削层尺寸平面要素切削层公称横截面积ADAD=hDbD=fap残留高度反映加工后的表面粗糙度1.2金属切削刀具刀具的组成：夹持部分工作部分/切削部分刀具的分类：按工种：车刀、铣刀、刨刀、滚刀等。按功能：外圆车刀、切断刀、螺纹刀、偏刀、尖刀、镗孔刀、成形刀等。刀具的形式：整体式、焊接式、机械安装式（压板压紧）机夹不重磨刀具铣刀、螺纹刀具

无论刀具结构如何复杂，都可以认为是由普通外圆车刀切削部分演变或组合而成。1.2.1刀具切削部分的基本定义切削部分：前刀面Ar主切削刃S主后面Aa刀尖副后面Aa‘副切削刃S

1.2.2刀具的静止参考系

（Pr—Ps—Po系—正交平面参照系）（1）静止参照系的假设条件：

假定运动条件：进给量f=0假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；刀杆方向与进给方向垂直。（2）辅助平面：

切削平面Ps：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面。即主运动速度与该点的切削刃的切线构成的平面。

基面Pr：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面。

正交平面Po（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平面和基面相垂直的平面。前角的作用：前角↑切屑变形↓切削力↓刃口强度↓前刀面磨损↓导热体积↓刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角加工脆性材料、断续切削选小前角加工硬材料选用负前角刀具的标注角度是指静止状态下，在工程图上标注的刀具角度。（下面以车刀为例介绍刀具的标注角度）刀具标注前角γ0：在正交平面内测量的，前刀面与基面的夹角。（注意：前角有正、负之分）前角的标注1.2.3刀具标注角度的定义在正交平面内测量的，后刀面与切削平面的夹角。后角的标注后角的作用及影响：

后角↑后刀面与加工表面间的摩擦↓后刀面磨损↓刃口强度↓导热体积↓刀具后角的选用：

粗加工选小后角、精加工选大后角选大前角时选小后角以增大刃口强度刀具标注注后角α0主偏角的作用：主偏角↑切削刃工作长度↓刀尖强度↓导热体积↓径向分力↓主偏角的选用：一般为30~75°,加工细长工件采用90~93°副偏角的作用：副偏角↑副后面与工件已加工表面摩擦↓刀尖强度↓表面粗糙度↑副偏角的选用：一般为5~20°,特殊要求可采用Kr‘=0°的修光刃主偏角Kr：在基面内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。副偏角Kr’：在基面内测量的，副切削刃与进给反方向的夹角。主偏角和副偏角的标注：主偏角与副偏角刀具刃倾角的选用：精加工取λS≥0°粗加工取λS＜0°工细长工件采用λS＞0°刃倾角的作用：（1）影响排屑方向：λS

＞0°排向待加工表面；

λS

＜0°排向已加工表面；

λS=0°前刀面上卷曲

在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。刃倾角的标注：刃倾角λS（2）控制切削刃切入时首先与工件接触的位置（3）影响切入切出的稳定性（4）影响背向分力大小例题：下图为外圆车削示意图，在图上标注：1主运动、进给运动和背吃刀量；

2已加工表面、加工（过渡）表面和待加工表面；

3基面、主剖面和切削平面；

4刀具角度

0＝15

、

0＝6

、Kr＝55

、Kr

＝45

、

s＝－10

。1.2.4刀具工作角度通常情况下工作角与标注角近似相等。如普通车削、镗孔、铣削等。当较大时或安装误差较大时必须考虑其影响。如：车螺纹、钻孔等。刀具工作角度又称刀具切削角度。刀具在实际切削条件下的角度。1.刀具工作参考系（Pre—Pse—Poe）工作参考系与静止参考系的差别：进给速度不为零：合成切削速度为主运动与进给运动的合成速度；而静止条件下合成速度与切削速度是一致的。刀具的安装条件变化（3）刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度变化（2）刀尖安装高低对工作角度的影响车外圆刀尖安装偏高（低）：工作前角增大（小），工作后角减小（大）；镗内孔刀尖安装偏高（低）：工作前角减小（大），工作后角增大（小）。

对工作角度的影响（1）进给对工作角度的影响横向进给：纵向进给：γ0e=γ0+μα0e=α0-μ工作前角增大，工作后角减小。1.2.4刀具工作角度刀杆中心线与进给方向不垂直时工作角度的变化主偏角与副偏角发生变化刀具材料

刀具在切削过程中要承受很大的载荷，较高的切削温度和摩擦。刀具材料的切削性能，直接影响刀具的耐用度和生产率；刀具材料的工艺性，将影响刀具本身的制造和刃磨质量。1.2.5刀具材料刀具材料的基本性能高的硬度刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC60以上。

高的耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。

足够的强度和韧性承受切削力而不变形和承受冲击载荷或振动而不断裂、崩刃的能力。高的耐磨性工艺性高温可塑性、可加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。

1.2.5刀具材料常用刀具材料工具钢碳素工具钢低合金工具钢高合金工具钢（高速钢）通用型高速钢、高性能高速钢熔炼高速钢和粉末高速钢硬质合金YG（K）类，YT(P)类，YW（M）类其它材料涂层刀具、陶瓷、金刚石、立方氮化硼1.2.5刀具材料耐热性差，仅用于手工（锉刀、刮刀等）或切削速度较低（丝锥、板牙、机用铰刀等）的刀具通用型高速钢①钨钢

典型牌号为W18Cr4V（简称W18）。含W18％、Cr4%、V1％。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造刀具（如热轧钻头）。

②钨钼钢将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6MoCr4V2（简称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前广为应用。1.2.5刀具材料1.2.5刀具材料高性能高速钢是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。具有更好的切削性能，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。典型牌号有钒高速钢、钴高速钢、铝高速钢等。粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状，具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍；磨加工性能好；物理机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性能提高20％～30％，适合制造切削难加工材料的刀具，大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。

1.2.5刀具材料1.2.5刀具材料硬质合金YG（K）类，即WC－Co类硬质合金

由WC和Co组成。牌号有YG6、YG8、YG3X、YG6X，含钴量分别为6％、8％、3％、6％，组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般（YG6、YG8）为中晶粒组织，细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X）在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些，但抗弯强度、韧性则低些。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料，如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高（如端铣）的钢料等。

1.2.5刀具材料硬质合金YT(P)类，即WC－TiC－Co类硬质合金

硬质点相除WC外，还含有5％～30％的TiC。牌号有YT5、YT15、YT30，TiC的含量分别为5％、15％、30％，相应的钴含量为10％、6％、4％，分别用于粗加工、半精加工和精加工。含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工，含钴减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。与YG类比较，硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性降低。适于加工塑性金属，不宜加工脆性材料。应注意，不适合加工钛合金，因YT中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。1.2.5刀具材料硬质合金YW（M）类，即WC—TiC－TaC－Co类硬质合金

在YG类中加入TaC（NbC）可提高其高温强度、硬度与耐磨性；在YT类中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号为YW1和YW2。其它

超细晶粒硬质合金（<0.5μ）TiC、Ti(C,N)基硬质合金，硬度更高，韧性稍差。梯度硬质合金，晶体组织呈连续倾斜结构，综合性能好。1.2.5刀具材料其它材料涂层刀具

硬涂层它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层材料有TiC、TiN、Al2O3、金刚石、氮化碳等。涂层刀具具有较高的抗氧化性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高硬质合金耐用度1～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。软涂层（自润滑刀具），有MoS2、WS基。可以减小摩擦，防止积屑瘤，使抗磨性能提高。1.2.5刀具材料其它材料陶瓷主要有Al2O3基陶瓷刀具、Si3N4基陶瓷刀具与Ti（C，N）基金属陶瓷刀具。在基体上加入各类碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和金属添加剂，在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度（HRA91~95）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高2～5倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。

1.2.5刀具材料其它材料金刚石

是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV10000,耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。其切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。目前主要用于磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细切削加工。1.2.5刀具材料其它材料立方氮化硼

由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。有很高的硬度（HV8000～9000）及耐磨性；其比金刚石高得多的热稳定性（1400℃），可用来加工高温合金；化学惰性大，与铁族金属直至1300℃时也不易起化学反应，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。

它目前不仅用于磨具，还用于车、镗、铣、铰。1.3切削过程中的物理现象切削过程(切屑的形成)切削力与切削功率切削热、切削温度刀具磨损与刀具寿命1.3.1切削过程切屑的形成推挤作用切割作用1.3.1切削过程切屑的种类带状切屑切屑形貌1.内表面光滑；2.外表面毛茸状；3.连续、带状。产生原因1.剪切位移未达到破裂程度;2.剪应力未超过材料强度极限。特点1.切削力波动小，切削过程平稳；2.已加工表面粗糙度小；3.需要断屑措施。产生条件1.塑性金属；2.v较高；3.ap较小；4.γ0较大。1.3.1切削过程切屑的种类挤裂切屑切屑形貌1.内表面有时光滑有时有裂纹；2.外表面锯齿状。产生原因1.局部剪切位移达到破裂程度；2.剪应力超过材料强度极限。特点1.切削力有波动，切削过程较不平稳；2.已加工表面粗糙度较大。产生条件1.塑性金属；2v较低；3.ap较大；4.γ0较小。1.3.1切削过程切屑的种类单元切屑切屑形貌1.裂纹贯穿整个切屑；2.切屑为梯形单元。产生原因1.整个剪切面的剪应力超过材料强度极限。特点1.切削力波动大，切削过程不平稳；2.已加工表面粗糙度大；3.刀具易损坏。产生条件1.塑性金属；2.v很小；3.ap很大；4.γ0小。1.3.1切削过程切屑的种类崩碎切屑切屑形貌1.不规则的碎块产生原因1.靠近切削刃的局部金属塑性变形很小，被挤裂、脆断。特点1.切削力波动很大，切削过程很不平稳；2.已加工表面粗糙度很大；3.刀具易崩刃。产生条件1.脆性金属（铸铁、高碳钢、硬铝、石材、玻璃）1.3.1切削过程不同切屑比较带状切屑内表面光滑，外表面毛茸状；连续、带状。剪切位移未达到破裂程度，剪应力小于材料强度极限切削力波动小，切削过程平稳；表面Ra小，需要断屑塑性,v较高,ap较小,γ0较大。挤裂切屑内表面有时光滑有时有裂纹，外表面锯齿状。局部剪切位移达到破裂程度，剪应力大于材料强度极限切削力波动，切削较不平稳；表面Ra大。塑性；v较低；ap较大；γ0较小。单元切屑裂纹贯穿整个切屑；切屑为梯形单元。整个剪切面的剪应力大于材料强度极限切削力波动大，不平稳；表面Ra大；刀具易损坏。塑性；v很小；ap很大；γ0小。崩碎切屑不规则的碎块。塑性变形很小，被挤裂、脆断切削力波动很大，过程很不平稳；表面Ra很大；刀具易崩刃。脆性金属1.3.1切削过程刀具第一变形区第三变形区第二变形区切屑变形l

切屑变形（1）第I变形区（剪切区、塑性变形区）：从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线Φ剪切角切削过程中切屑的变形

变形系数LChDlchhch变形系数ξ=hch/hD=lc/lch>1变形系数越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。

形成条件：中低速切削塑性金属

本质——冷焊现象：挤压与摩擦产生高温高压，同时摩擦带走杂质，刀具表面与切屑表面新鲜金属粒子间的亲合力和摩擦力之和大于切屑材料内部粒子间的亲合力，就会从切屑上撕下一小块金属粘接在前刀面上，形成积屑瘤。

特性：无→有→小→大→脱落周而复始

对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削刀减小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。滞流现象:

切削塑性金属时，由于切屑底层与刀具的挤压和摩擦，切屑底层金属流速减缓的现象。积屑瘤：在一定温度、压力条件下，滞流层与前刀面之间的摩擦力大于切屑底层内部晶粒间的亲和力，滞流层部分金属粘结在前刀面切屑刃附近，形成的一块硬的金属层（由于塑性变形，硬度很高，约为工件材料2-3倍）（2）第II变形区（摩擦区）形变强化（加工硬化）成因挤压、摩擦导致剧烈的塑性变形

对加工过程的影响影响后续加工影响加工表面质量产生残余应力消除变形强化的措施通过热处理降低材料塑性采用切削液增大前角、后角加工后通过热处理消除变形强化（3）第III变形区（挤压区）1.3.2切削力和切削功率

切削力的来源

变形抗力和摩擦阻力1.3.2切削力和切削功率切削力的几何分力（以车削外圆为例）主切削力Fc

——在主运动方向上的正投影（分力）,是计算机床功率和主传动系统零件强度和刚度的主要依据。进给力Ff

——

在进给方向上的正投影（分力）,是设计或校核进给系统零件强度和刚度的主要依据。背向力Fp

——吃刀方向的分力,是影响工件轴线变弯、切削过程稳定，进而影响加工质量的重要因素。1.3.2切削力和切削功率切削力估算与切削功率切削力的估算Fc=kc

·AD=kc·ap·f切削功率Pc=Fc·Vc经