机械制造技术基础 第一章

第一章金属切削加工的基本知识第一节切削运动与切削用量第二节切削层参数第三节刀具几何角度第四节金属切削刀具的常用材料第一节切削运动与切削用量一、切削运动与工件表面

切除毛坯上的多余金属的刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。分为主运动和进给运动。1、主运动

使工件与刀具产生相对运动以实现切削、形成工件新表面的最基本运动。2、进给运动使主运动得以持续的切除工件上被切削层的运动。(由机床或手动传给刀具或工件的运动。）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、横向移动切削运动及切削要素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、工件轴向移动龙门刨床工件往复刨刀横向、垂直方向间隙移动3、切削时产生的工件表面（图１）（1）待加工表面（2）已加工表面（3）过渡表面二、切削用量三要素

切削用量是指切削速度，进给量f（或进给速度）和背吃刀量（切削深度）

。三者又称为切削用量三要素。

1、切削速度（m/s或m/min）

切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。磨削

计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定式中：d-工件或刀具的最大值（mm）n-工件或刀具的转速(r/s或r/min)例:用高速钢立铣刀加工中碳钢材料零件时，一般铣削速取20～40m／min。现假定用Ø16的立铣刀，铣削速度取30m／min，计算出主轴转速。

n=1000Vc/（пd）

=1000×30/3.14×16 ≈597r／min

2、进给量

工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。

式中：Vf为进给速度fz为每齿进给量主运动为往复直线运动例：Ø16的立铣刀为3个齿，每齿进给量为0.07mm，切削进给速度。

Vf=fzZn =0.07×3×597 =126.37（mm/min）

3、切削深度

=式中

-工件上待加工表面直径（mm）

-工件上已加工表面直径（mm）钻削：ap=dm/2例题：

车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求v、f、ap和切削工时t。

解：

v=πdn/1000=π·62·4/1000

=0.779m/sf=vf/n=2/4=0.5mm/rap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3mmt=(l+l1)/vf=(110+3)/2=56.5s第二节切削层参数各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。切削层：在切削加工过程中，工件每转一转（车削）或刀具每转一齿（铣、钻），刀具主切削刃相邻两位置间的一层金属，称为切削层。主偏角为90度1、切削层公称厚度hD

垂直于过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削层公称厚度，简称为切削厚度。

外圆纵车λs=0时：曲线形主切削刃，切削层各点的切削厚度互不相等

2、切削层公称宽度bD

沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度简称为切削宽度。外圆纵车λs=0时：3、切削层公称横截面积AD（在基面内）

切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。第三节刀具几何角度

金属切削刀具的种类虽然很多，但它们的切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具结构如何复杂它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。立装面铣刀平装面铣刀焊接球头铣刀

合金涂层球头铣刀

立铣刀机夹式钻头整体式钻头一、刀具切削部分的组成

刀具切削部分的结构要素如下(ISO)：（图２）

１、前刀面２、后刀面３、副后刀面４、主切削刃５、副切削刃６、刀尖也就是所谓的一尖两刃三刀面。刀体前刀面Aγ刀头副切削刃S´副后刀面A´α主切削刃S刀尖主后刀面Aα二、定义刀具角度的参考系

按照构造参考系时所依据的切削运动的差异，参考系分为刀具标注角度参考系(静止参考系）和刀具工作角度参考系。前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定。vc标注角度参考系：在刀具设计、绘制和制造过程中，标注在刀具设计图上的刀具角度。便于刀具的生产、刃磨和测量。假设前提：不考虑进给运动的影响主运动向量近似代替合成速度向量刀尖与工件的中心等高

我国过去多采用正交平面参考系，与欧洲标准相同。近年来参照国际标准的规定，逐渐兼用正交平面和法平面参考系。而工作平面参考系常见于美国、日本的文献中。1、刀具标注角度的参考系

构成刀具标注角度参考系的参考平面，通常有基平面、切削平面、主剖面、切削刃法剖面、进给剖面和切深剖面。

①基面Pr②切削平面Ps③主剖面（正交）P0④切削刃法剖面Pn⑤进给剖面Pf和切深剖面Pp刀具标注角度的作用：确定刀具上切削刃的空间位置确定刀具上前、后面的空间位置

基面和切削平面十分重要。这两个平面加上以下所述的任一剖面，将构成各种不同的刀具标注角度参考系。

主剖面和主剖面参考系（图3图4）

切削刃法剖面和法剖面参考系

进给剖面和切深剖面及其组成的进给、切深剖面参考系2、刀具的标注角度

在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个，其定义如下:前角γo后角αo主偏角Kr副偏角K´r刃倾角λs

前角的标注:在正交平面内测量的，前刀面与基面的夹角。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↓刀具标注后角α0：在正交平面内测量的，主后刀面与切削面的夹角。后角的作用：后角↑后刀面与过渡表面间的摩擦↓后刀面磨损↓刃口强度↓导热体积↓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↓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↑刃倾角λS：在切削平面内测量的，主切削刃与基面的夹角。刃倾角主要影响排屑方向：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

在正交平面参考系中的标注角度刀具角度

0＝15

、

0＝6

、Kr＝55

Kr

＝45

、

s＝－10

。3.刀具工作角度刀具工作角度又称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的实际角度。工作参考系与静止参考系的差别：工作条件下，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。通常情况下,进给速度远小于主运动速度，工作角与标注角近似相等。如普通车削、镗孔、铣削等。当进给速度较大时，或安装误差较大时必须考虑其影响。如：车螺纹、铲背、钻孔等。刀具的安装条件变化也引起了参考系的变化。

如下图，合成切削运动速度不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦是不同的。

（a）（b）（c）图(a)，刀具后刀面同工件已加工表面之间有适宜的间隙，切削情况正常；

图(b)，刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削条件被破坏。可见，只考虑主运动的假定条件是不合适的，还必须考虑进给运动速度的影响；

图(c)，刀具后刀面与已加工表面全面接触，摩擦严重。

（1）进给对工作角度的影响

1）横车

当考虑横向进给运动之后，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线，切削平面Ps变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse,基面也相应倾斜为Pre,角度变化值为η。此时在工作参考系(Pre、Pse、Poe)内的工作角度为：

η—合成切削速度角，它是主运动方向与合成切削速度方向之间的夹角。

由定义知：

式中f—进给量；d—随着车刀进给而不断变化着的切削刃选定点处工件的旋转直径；η—随着切削刃趋近工件中心而增大的;越靠近中心，η值急剧增大,工作后角变为负值。

2）纵车

工作进给面(仍为原进给剖面)内的工作角度为：

合成切削速度角为：换算至主剖面内为：（2）刀具安装高低对工作角度的影响1)刀尖安装高低对工作角度的影响

当刀尖高于工件中心线时，工作切削平面和基面发生变化，在背平面内角度变化值为：

则：另：当刀尖低于工件中心线时，上述计算公式中符号相反，镗孔与外圆车削相反。将背平面角度变化换算到主剖面：刀杆中心线与进给方向不垂直的影响第四节金属切削刀具的常用材料

刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。

（一）刀具材料的性能要求切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：（1）较高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较高的耐热性（红硬性）（4）良好的导热性和耐热冲击性能（5）良好的工艺性刀具材料与工件材料的合理匹配1.物理性能匹配2.力学性能匹配3.化学性能匹配

物理性能

热导率

抗热震性能

耐热性

线膨胀系数

高

低PCD

HSSPCBN（1300）HSSPCBNWC基硬质合金陶瓷（1100）WC基硬质合金WC基硬质合金Si3N4基陶瓷金属陶瓷（900）金属陶瓷金属陶瓷PCBNWC基硬质合金（800）Al2O3基陶瓷HSSPCDPCBNSi3N4基陶瓷金属陶瓷PCD（700）Si3N4基陶瓷Al2O3基陶瓷Al2O3基陶瓷HSS（600）PCD常用刀具材料物理性能对比常用刀具材料力学性能对比

硬度

抗弯强度

断裂韧性

高

低PCDHSSHSSPCBNWC基硬质合金WC基硬质合金Al2O3基陶瓷

金属陶瓷金属陶瓷Si3N4基陶瓷Si3N4基陶瓷PCBN金属陶瓷Al2O3基陶瓷PCDWC基硬质合金PCDSi3N4基陶瓷HSSPCBNAl2O3基陶瓷刀具材料化学性能对比刀具材料化学性能抗氧化温度对钢的扩散强度对钛的扩散强度元素在钢中的溶解度（）高低

陶瓷PCDAl2O3基陶瓷SiCPCBNSi3N4基陶瓷PCBNSi3N4基陶瓷硬质合金PCBNSiCWC基硬质合金PCDAl2O3基陶瓷Si3N4基陶瓷PCBNHSS-PCDTiN-TiCAl2O3基陶瓷ZrO2（二）常用刀具材料

刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。刀具材料高速钢硬质合金陶瓷立方碳化硼金刚石刀具材料刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（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）l

常用刀具材料的种类及应用类型硬度强度韧性耐热耐磨工艺应用工具钢碳素工具钢低高好低差切削加工、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金属通用类(YW)M通用钨钛钴(YT)P塑性金属非金属陶瓷烧结连续切塑性材料立方氮化硼结晶精密加工金刚石结晶精密加工金属切削刀具高低差高好1.高速钢（表1）是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性,切削温度达500℃-650℃时仍能进行切削；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃,可锻造,这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要,是制造这些刀具的主要材料。

高速钢种类（1）低合金高速钢用来制作低、中速切削的刀具，例如中心钻、丝锥、小直径麻花钻等。牌号：W3Mo3Cr4V2W4Mo3Cr4VSi（2）普通高速钢

1）钨系高速钢典型牌号：W18Cr4V优点：较好的磨削性能、脱碳敏感性小、热处理工艺性好、淬火过热倾向小、强的抵抗塑性变形能力等。缺点：碳化物含量高、分布不均匀、颗粒大，强度和韧性不高，热塑性差，不宜制造较大截面刀具。

2）钨钼系高速钢典型牌号：W6Mo5Cr4V2(M2)W9Mo3Cr4V

提高了抗弯强度和韧性。(3）高性能高速钢在普通高速钢中加入C、V、Co、Si等合金元素的钢种。提高了普通高速钢的耐热和耐磨能力，可以加工不锈钢、耐热钢、高温合金等难加工材料。1）高碳高速钢（如9W6Mo5Cr4V2）提高了含碳量，与合金元素形成碳化物，提高了硬度，但强度和韧性略下降。2）钴高速钢高速钢中加入钴可以提高钢的热稳定性，促进回火时碳化物的析出，增加弥散硬化效果，提高回火硬度，从而提高高温硬度及抗氧化能力。典型牌号：W2Mo9Cr4VCo8(M42),硬度可达70HRC3）铝高速钢典型牌号：W6Mo5Cr4V2Al(501)W10Mo4Cr4V3Al(5F-6)

由于不含钴，仍然具有较高的强度和韧性。501的综合切削性能与M42相当。4）高钒高速钢通过增加钒量来提高耐磨性。但切削刃容易烧伤退火。

（4）粉末冶金高速钢

20世纪70年代出现的新型刀具材料，将高频感应炉炼出的钢水，用高压氩气或纯氮气雾化钢水，得到细小均匀的结晶组织，然后在高温、高压下制成刀具毛坯。适合制造钻头、拉刀、螺纹刀具、滚刀、插齿刀等。应用：

复杂刀具、成形刀具，尤其是孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、齿轮刀具等。

高速钢(HSS)刀具过去曾经是切削工具的主流，随着数控机床等现代制造设备的广泛应用，开发了各种涂层和不涂层的高性能、高效率的高速钢刀具，高速钢凭藉其在强度、韧性、热硬性及工艺性等方面优良的综合性能，在切削某些难加工材料以及在复杂刀具，特别是切齿刀具、拉刀和立铣刀造中仍有较大的比重。但经过市场探索一些高端产品逐步已被硬质合金工具代替。2、硬质合金（表2）

ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。P类K类M类蓝色（包括P01-P50),为高合金化的硬质合金牌号。这类合金主要用于加工长切屑的黑色金属

M类，黄色（包括M10-M40），为中合化的硬质合金牌号。这类合金为通用型，适于加工长切屑或短切屑的黑色金属及有色金属红色（包括K10-K40），为单纯WC的硬质合金牌号。主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料

YTYG牌号表示方法：Y硬质合金中硬的第一个字的汉语拼音首字母G6表示硬质合金的成分及特性G6-钨钴类合金及钴含量T15-钨钛钴类合金及TiC含量W-钨钛钽钴类合金N-钨钛镍钼类合金X附加字母表示X-细晶粒C-粗晶粒N-加铌元素A-加钽元素（1）YT类主要成分：WC-Ti-Co，加工长切屑的黑色金属。特点：硬度、耐磨性和耐热性好，抗弯和韧性较差。加工含钛不锈钢和钛合金时易粘刀。（2）YG类主要成分：WC-Co,加工短切屑的黑色金属。抗弯强度和冲击韧性好于YT类。（3）YW类主要成分：WC-TiC-TaC-Co，用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属。兼具YG、YT类合金的性能相当的ISO牌号YG3K05YG6xK10YG6K20YG8K30YW1M10YW2M20YT15P10YT30P013.金属陶瓷

一种介于陶瓷和WC基硬质合金之间的合金，切削速度可以填补WC基硬质合金和陶瓷材料之间的空白，用于高速切削各类钢材，尤其适于精加工。主要成分

以TiC或Ti（C、N）为硬质相，以镍和钼等做粘接相，压制烧结而成。镍可以提高合金的强度，添加钼可以改善液态金属对TiC的润湿性。其耐磨性优于WC基硬质合金。分类

国际标准化组织将金属陶瓷划归在硬质合金大类中，材料代号为HT。标准用语称为：钛基硬质合金。

HT-未涂层硬质合金

HC-涂层硬质合金4.陶瓷

具有良好的耐磨性、耐热性、化学稳定性及高硬度，不易与金属亲和，广泛应用于高速切削、干切削、硬切削和难加工材料的切削。最佳切削速度是硬质合金的2-10倍。