机械制造第2章

项目二金属切削基础知识项目学习要点切削运动和切削用量金属切削刀具切削层参数和切削方式综合实训项目小结任务一切削运动和切削用量

一、切削运动和工件表面

1．切削运动

切削运动是指切削过程中刀具与工件之间存在的相对运动。根据运动作用的不同，切削运动分为主运动和进给运动。（1）主运动

主运动是指使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动，如下图所示。（2）进给运动

进给运动是指配合主运动使刀具能够持续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动，如下图所示。

主运动

主运动

进给运动

进给运动

vc

vf

vc

vf

外圆车削的切削运动

刨削的切削运动2．工件的表面及其形成方法

（1）切削过程中工件的表面金属切削过程是指在机床上通过刀具与工件的相对运动，利用刀具从工件上切下多余金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在切削过程中，由于工件表面的多余金属不断地被刀具切下，因此，被加工工件上有三个依次变化着的表面，即待加工表面、已加工表面和过渡表面。待加工表面过渡表面已加工表面

已加工表面：工件上已被切去多余金属的表面。

过渡表面：是由待加工表面向已加工表面过渡的表面，也是切削过程中不断变化的表面。待加工表面：工件上待切除的表面。如右图所示：（2）工件表面的形成方法

（a）圆柱面

（b）圆锥面

（c）回转双曲面（d）平面

（e）螺旋面

（f）成形曲面工件的表面形状千变万化，但大都是由几种常见的表面组合而成的。这些表面包括圆柱面、圆锥面、回转双曲面、平面、螺旋面和成形曲面等，如下图所示。

如下图所示表面都可以看成是由一母线沿着导线运动而形成的。

（a）

（b）

（c）（d）

（e）母线母线母线母线导线导线导线导线导线母线常用的工件表面的形成方法有轨迹法、成形法、展成法、相切法等，如下图所示。二、切削用量

切削用量又称为切削用量三要素，是指切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量的总称。1．切削速度vc切削速度是指切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位是m/s或m/min。若主运动为旋转运动，切削速度可按下式计算：

若主运动为直线运动（如刨削、插削等），则切削速度为刀具相对于工件的直线运动速度。2．进给速度vf、进给量f和每齿进给量fz进给速度：是指刀具上选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，单位是mm/s或mm/min。进给量：当主运动是回转运动时，进给量是指每回转一周工件或刀具沿进给方向的相对位移量，单位是mm/r；当主运动是直线往复运动时，进给量是指每一往复行程工件和刀具沿进给方向的相对位移量，单位是mm/行程。

每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀、拉刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位移，单位是mm/z。三者的关系为：3．背吃刀量ap

背吃刀量是指在垂直于主运动和进给运动方向上测得的工件已加工表面和待加工表面间的距离，单位是mm。主运动是回转运动时：钻孔

主运动是直线运动时：

车外圆任务二金属切削刀具

一、刀具的组成

车刀由刀柄和切削部分组成，如下图所示。刀柄是指刀具的夹持部分；切削部分是指刀具上直接参加切削工作的部分。刀柄切削部分副切削刃副后刀面刀尖主后刀面前刀面主切削刃刀具切削部分包括“三面、二线、一点”。其中，“三面”包括前刀面、主后刀面和副后刀面；“二线”包括主切削刃和副切削刃；“一点”是指刀尖。二、刀具角度

1．刀具的角度参考系

刀具的角度参考系分为刀具标注角度参考系（又称为静止参考系）和刀具工作参考系两种。

刀具标注角度参考系：是指在假设运动条件和假定的刀具安装条件下，刀具设计、制造、刃磨和测量时用于定义刀具几何参数的参考系。

刀具工作参考系：是指刀具在切削状态下的实际参考系，即按合成切削运动方向（主运动和进给运动的合成）和实际安装情况来定义的刀具参考系。2．刀具的标注角度

刀具的标注角度又称静止角度，是指在刀具标注角度参考系内确定的刀具几何角度。（1）刀具标注角度的坐标平面与参考系①刀具标注角度的坐标平面

刀具标注角度的坐标平面由测量坐标平面和参考坐标平面组成。

测量坐标平面：主要包括正交平面、法平面、假定工作平面和背平面四种坐标平面。横车纵车γoγoaoao假定主运动方向假定主运动方向切削平面切削平面基面基面假定进给运动方向（f≈0）

参考坐标平面：主要包括基面和切削平面两种坐标平面，如下图所示。②刀具标注角度参考系上述参考平面和测量平面可以组成正交平面参考系、法平面参考系、假定工作平面和背平面参考系三个坐标平面参考系，如下图所示。

vfPoPsPrvfvfPsPrPnPrPfPp（a）正交平面参考系（b）法平面参考系（c）假定工作平面和背平面参考系（2）正交平面参考系中的标注角度在正交平面中测量的刀具角度有前角γo、后角αo和楔角βo三种。在切削平面内测量的刀具角度只有刃倾角λs。如右图所示：在基面中测量的刀具角度有副偏角和刀尖角εr三种。

主偏角、3．刀具的工作角度

刀具的工作角度是指在刀具工作参考系中定义和测量的刀具角度

。工作参考系中的坐标平面和刀具几何角度的符号应在标注角度参考系中相应符号的基础上加注下标“e”。（1）进给运动对刀具工作角度的影响①横向进给运动的影响OPr如右图所示，横向进给时，在刀具工作角度参考系内，刀具工作前角和工作后角分别为：

②纵向进给运动的影响αoe如左图所示，纵向进给时，在假定工作平面内测量的刀具工作前角、工作后角分别为：

在正交平面内，刀具的工作角度为：

（2）刀具安装对刀具工作角度的影响①刀具安装高低的影响

PsPsePrPrevf如右图所示，当刀尖高于工件中心线时，车刀的工作前角、工作后角分别为：当刀尖低于工件中心时，上述角度的变化正好相反，即：②刀具安装轴线位置变化的影响如右图所示，外圆车刀轴线与进给方向不垂直，且与刀具轴线的倾斜角度为θ时，刀具主偏角和副偏角的变化分别为：三、刀具材料

1．对刀具材料的基本要求

（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）良好的耐热性和导热性

（4）良好的工艺性与经济性2．常见刀具材料常用刀具材料的种类很多，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。

（1）高速钢高速钢是指在合金工具钢中加入钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性、耐热性、耐磨性及工艺性，是目前应用最广泛的刀具材料。高速钢因刃磨时易获得锋利的刃口，所以又称为“锋钢”。高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。（2）硬质合金硬质合金是由硬度和熔点都很高的金属碳化物粉末（如WC、TiC等）和粘结剂（如Co、Mo、Ni等）烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达71～82HRC，能耐850℃～1000℃的高温，切削速度可比高速钢高4～10倍。但其韧性与抗弯强度差，抗冲击和振动性差，制造工艺性差。我国目前生产的硬质合金主要分为K类（YG，即钨钴类硬质合金）、P类（YT，即钨钴钛类硬质合金）和M类（YW，即钨钴钛钽铌类硬质合金）三类。（3）其他刀具材料

陶瓷刀具：是指以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。它主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。

金刚石：分天然和人造两种，是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，其显微硬度达10000HV。它主要用于有色金属及非金属的精加工、超精加工以及作磨具、磨料用。立方氮化硼：是由六方氮化硼在高温高压下转化而成的，硬度高，耐磨性好。它主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。四、刀具种类

由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使用的刀具的种类很多。按用途和加工方法，刀具可分为切刀类、孔加工刀具、拉刀类、铣刀类、螺纹刀具、齿轮刀具、磨具类、自动线刀具和数控机床刀具等。一、切削层参数

切削层是指在切削过程中，刀具或工件沿进给方向移动一个进给量时，刀具的刀刃从工件待加工表面切下的金属层。切削层参数是指在垂直于选定点主运动方向的平面中度量的切削层截面尺寸。切削层参数包括切削层公称厚度hD、切削层公称宽度bD和切削层公称横截面积AD。任务三切削层参数和切削方式切削层公称厚度hD：是指过切削刃上的选定点，在基面内测量的垂直于过渡表面的切削层尺寸，单位为mm。

切削层公称宽度bD：是指过切削刃上的选定点，在基面内测量的平行于过渡表面的切削层尺寸，单位为mm。

切削层公称横截面积AD：是指过切削刃上的选定点，在基面内测量的切削层横截面积，单位为mm2。二、切削方式

1．直角切削和斜角切削

切屑沿刀刃法向流出

切屑流出方向

λs

切削刃法线

直角切削斜角切削

直角切削：是指刀刃垂直于合成切削运动方向的切削方式。

斜角切削：是指刀刃不垂直于合成切削运动方向的切削方式。如右图所示：2．自由切削和非自由切削

自由切削是指在切削过程中，只有一条直线刀刃参加切削工作的切削方式。当切削方式既属于自由切削，又属于直角切削时，这种切削方式称为直角自由切削。非自由切削是指曲线刀刃或两条以上的刀刃参加切削的切削方式。实际生产中，切削方式多属于斜角、非自由切削方式，而在理论和实验研究工作中，为了简化条件常采用直角自由切削方式。综合实训

一、切削用量及切削层参数的计算

用主偏角为75°的车刀车外圆，工件加工前直径为75mm，加工后直径为66mm，工件转速n为220r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6mm，试求切削用量三要素（切削速度、进给量和背吃刀量）及切削层参数（切削厚度、切削宽度和切削面积）的大小。1．实训过程

（1）切削用量切削速度（m/min）进给量（mm/r）背吃刀量（mm）（2）切削层参数切削厚度

（mm）切削宽度

（mm）切削面积（mm2）2．实训总结通过计算切削用量和切削层参数，掌握切削用量及切削层参数的概念和计算。二、标注刀具角度

在正交平面参考系中，标注如下图（a）所示切断刀的角度。其中，下图（b）所示为切断刀的主视图，下图（c）所示为切断刀的俯视图，下图（d）所示为切断刀的左视图。

vc（a）（b）（d）（c）vf通过各角度的定义标注角度如右图所示：1．实训过程

2．实训总结通过对切断刀角度的标注，掌握刀具标注角度的坐标平面的确定及刀具标注角度的概念。

项目小结1．切削运动和切削用量（1）切削运动包括主运动和进给运动。在切削运动中，主运动只有一个，进给运动可由一个或多个