金属切削基础知识

金属工艺学主讲：李金火TEL-mail：kingfour369@163.com

金属工艺学是一门技术基础课，机电类专业的主干专业基础课，对专业课和基础课起着桥梁的作用。绪论本课程的重要性

本课程的研究对象

生产准备毛坯机械加工装配调试（车，铣，刨，磨，钻，镗、钳工等）（组装，维修）（铸造，锻造，焊接，冲压等）常用的工程材料、各种加工处理工艺。（材料分析、市场调查，购买原材料）原材料零件机器§1金属切削基础知识（切削运动、刀具、切削过程、切削机床）§2常用切削加工方法（车削、铣削、刨削、磨销、钻削、……）§3钳工§4

铸造、锻压§5

焊接§6数控、热处理（实习）本课程的主要内容本课程的特点1、本课程同实践紧密相联系，是一门实践性很强的学科，通过生产实践才能融会贯通地学习掌握相关知识（安排了金工实习）。

2、为了弥补实践方面的不足，采用视频教学以及到工厂参观和实习，通过师生的相互努力来学好这门功课。

金属切削的基础知识切削加工——利用切削工具与工件的相对运动，从工件（毛坯）上切去多余的金属层，从而获得符合一定质量要求的零件的加工过程。

切削运动刀具切削过程的现象第1节切削运动及切削用量一、切削运动二、切削用量三、切削层参数零件表面的形成

一、外圆面和孔

二、平面

三、成形面几何本质——由一条线沿另一条线运动而形成的轨迹。可逆表面——母线和导线可以互换（平面、圆柱面。。。）一、切削运动切削运动：为完成切削工作，刀具与工件之间必须有一定的相对运动，即切削运动。分类：按其在切削过程中所起的作用不同，分为主运动和进给运动主运动：切下切屑所必需的基本运动称为主运动。

特点：在切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率也最大，一般只有一个。

进给运动：使被切削的金属层不断投入切削的运动称为进给运动。特点：速度低，消耗功率小

可有多个二、切削用量———用来衡量切削运动量的大小三要素：切削速度

进给量

背吃刀量1.切削速度定义：

切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度。以

vc表示，单位m/s或m/min计算公式：（1）主运动为旋转运动时，

vc为最大线速度d——工件或刀具的直径，mm

n

——工件或刀具的转速，r/s或r/min（2）主运动为直线运动时，

vc为平均速度L——

往复行程长度，mm

nτ——主运动的往复速度，st/s或st/min2.进给量

——刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。车削：每转进给量用

f表示，单位mm/r刨削：每行程进给量用

f表示，单位mm/st铣削：每齿进给量用fz

表示，单位mm/zfz进给速度，即瞬时速度

用vf表示，单位mm/s

或mm/minz——刀具齿数3.背吃刀量定义：在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。即切削深度，用

ap表示，单位mm加工表面待加工表面已加工表面过渡表面切削用量选择的基本原则粗加工：切削用量选择的顺序应是先确定背吃刀量ap（大）、再确定进给量f、最后确定切削速度Vc。——在切削用量三要素中，背吃刀量ap对刀具耐用度的影响最小，而切削速度Vc对刀具耐用度的影响最大。

精加工：先选择切削速度（大），其次是进给量，最后是背吃刀量。——保证尺寸精度和表面粗糙度。

1.背吃刀量ap的选择

选择尽量大的背吃刀量，尽量在一次走刀中，把本工序加工应切除的加工余量切除掉。（粗加工——提高生产率）2.进给量f的选择

限制粗加工最大进给量f的主要因素——刀杆和刀片的强度、进给机构的强度及工艺系统的刚性。限制精加工时最大进给量主要因素——加工表面的表面粗糙度。3.切削速度vc的选择

粗加工时限制切削速度vc的主要因素——刀具耐用度和机床功率。

精加工时限制切削速度vc的主要因素——刀具耐用度。

切削层——在切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层。包括：切削层公称横截面积AD

——垂直于主运动方向上切削层的截面的面积，AD=bD×hD

切削层公称宽度bD

——沿主切削刃上度量的切削层尺寸

切削层公称厚度hD

——两相邻过渡表面之间的垂直距离三、切削层参数第2节刀具一、刀具材料二、刀具结构三、刀具角度

一、刀具材料刀具材料的要求（1）高硬度＞60HRC（2）高强度、高韧性（3）耐磨性:与硬度有关（4）耐热性（红/热硬性）：抗氧化能力（5）工艺性（可制造性）：便于加工（6）经济性：性价比要高常用刀具材料（1）碳素工具钢、合金工具钢（钳工工具）（2）高速钢（复杂刀具）（3）硬质合金（WC、TiC）（4）新型材料

陶瓷材料

金刚石

立方氮化硼

（CBN）性能比较 硬度（耐磨性）：金刚石＞立方氮化硼＞陶瓷＞金属陶瓷＞硬质合金＞高速钢＞工具钢强/韧度：高速钢＞硬质合金＞陶瓷类耐热性：立方氮化硼＞陶瓷＞金属陶瓷＞硬质合金＞聚晶金刚石(PCD)＞高强度钢(HSS)

常用刀具材料⑴

碳素工具钢C=0.7~1.4%；T8、T10、T10A、T12等HRC≈60~64特点a.淬火后硬度高；HRC≈61~65b.价格低；ｃ.耐热温度低；ｄ.淬火后应力、变形大。250~300℃应用：速度低、形状简单的手动工具。如锉刀、锯条等。⑵

合金工具钢Me<5%；9SiCr、CrWMn等。HRC≈61~68耐热温度—

350~400℃应用：速度低、形状复杂的工具。如铰刀、板牙、丝锥等。⑶

高速钢高合金钢。W=6~20%；Cr=3.8~4.4%；V=1.0~4%HRC≈62~69耐热温度

—600℃应用：各种形状复杂的刀具。

如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。⑷

硬质合金碳化物+粘结剂——粉末冶金碳化物：WC、TiC、等粘结剂：CoHRC≈76~84耐热温度

—1000℃允许的切削速度是高速钢的4~10倍。W18Cr4V①钨钴类（YG）：WC+Co韧性好、硬度低，切削韧性材料时耐磨性较差。适于加工铸铁、青铜等脆性材料和粗加工。②钨钴钛类（YT）：WC+TiC+Co硬度高、耐磨性好、耐热性好，但韧性较差。适于加工韧性材料和精加工。⑸

陶瓷材料主要成分是Al2O3HRC≈93~94耐热温度—1200~1450℃主要用于加工半精加工和精加工高硬度、高强度钢及冷硬铸铁等材料。人造金刚石、立方氮化硼等刀具材料二、刀具结构

刀具=夹持部分+切削部分夹持部分——用来将刀具夹持在机床上的部分切削部分——刀具上直接参与切削工作的部分结构形式2、焊接式3、机夹式1、整体式机夹铣刀三、刀具角度（一）车刀切削部分的组成三面两刃一尖：前刀面——刀具上切屑流过的表面主后刀面——与过渡表面相对的表面副后刀面——与已加工表面相对的表面主切削刃——前刀面与主后刀面的相交线，担负主要切削任务，形成过渡表面副切削刃——前刀面与副后刀面的相交线，配合主切削刃完成切削任务刀尖——主副切削刃连接部位刀具标注角度的作用：1、刀具静止参考系

——用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数时所用的参考系。组成：由三个互相垂直的辅助平面组成

基面——过主切削刃上选定点，与该点切削速度方向垂直的平面，以pr表示。

切削平面——过切削刃选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面，包括主切削平面ps和副切削平面ps’

正交平面——过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面，以po表示。假定工作平面——过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面，以pf表示

（二）刀具切削部分的主要角度刀具静止参考系平面2、刀具主要角度

主偏角kr——在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角副偏角kr’——在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角前角γ0——在正交平面中测量的前（刀）面与基面间的夹角。后角α0——在正交平面中测量的刀具后面（主后刀面）与切削平面间的夹角。刃倾角λS——在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。包括：主偏角kr——在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角副偏角kr’——在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角基面投影主偏角的影响：1）影响参与切削的切削刃长度和刀具的寿命切削深度和进给量一定时，

kr减小，切屑宽度增大，切屑厚度减小

参与切削的切削刃长度增大，切削刃单位长度上的负荷小，且利于散热

延长刀具寿命。2）影响工件表面粗糙度主偏角减小，会降低加工表面残留面积的高度，从而减小表面粗糙度的值，提高表面精度。3）影响三个方向切削分力的大小切削力一定时，增大主偏角，则径向分力减小，从而减少工件的弹性变形和振动。所以加工细长轴类零件时选用大的主偏角，一般选用75-90度、甚至大于90度的主偏角。副偏角的作用：1）主要作用是减少副切削刃与已加工表面的摩擦。2）当主偏角一定时，副偏角的大小会影响到加工残留面积的高度，对加工表面的表面粗糙度影响较大。减小副偏角会降低表面粗糙度的数值。副偏角一般为5-15度，粗加工时取较大值

前角γ0——在正交平面中测量的前面与基面间的夹角。

后角α0——在正交平面中测量的刀具后面与切削平面间的夹角。正交平面投影前角分类：根据前面和基面相对位置的不同，分为正前角、零度前角和负前角影响：1）增大前角能使切削刃锋利，切削轻快，即能减小切削层的塑性变形，减小切削力。2）过大的前角，会导致切削刃强度下降，刀头散热体积减小，磨损加剧，降低刀具寿命。选取：考虑工件材料、刀具材料和加工性质1）工件材料强度、硬度低，前角可选大些；2）加工塑性材料，前角大些，加工脆性材料，前角取小些；3）刀具材料韧性好，前角可大些；4）精加工时前角可选大些，粗加工时可选小些。后角作用：1）减少刀具后面与工件表面的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。后角大，摩擦小，切削刃锋利。2）后角过大，切削刃变若，散热条件变差，加速刀具磨损。选取：根据加工的种类和性质来选取粗加工或工件材料较硬时，要求切削刃强固，后角取较小值，为6-8度；反之可取大些，如8-12度。前角、后角的影响刃倾角λS

——在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。

主切削平面投影刃倾角分类：正、负、零度之分影响：影响