机械基础第一章 金属切削过程的基本知识

第一章金属切削过程的根本学问本章主要介绍以下内容：1、金属切削过程的根本概念2、刀具材料课时支配：1，两个学时，2，一个学时重点、难点：金属切削过程的根本概念1.1金属切削过程的根本概念一、切削外表及切削运动(见P4-5)〔一〕切削外表

切削加工过程是一个动态过程，在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变更的切削外表。即：待加工外表：工件上即将被切除的外表。已加工外表：工件上已切去切削层而形成的新外表。过渡外表(加工外表)：工件上正被刀具切削着的外表，介于已加工外表和待加工外表之间。以车削外圆为例，如下列图。〔二〕切削运动刀具及工件间的相对运动称为切削运动〔即外表成形运动〕。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。上图给出了车刀进展一般外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度Vc和进给运动速度Vf之间的关系。

1、主运动主运动是刀具及工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面可以接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。2、进给运动进给运动是协作主运动实现依次连绵起伏地切除多余金属层的刀具及工件之间的附加相对运动。进给运动及主运动协作即可完成所需的外表几何形态的加工，依据工件外表形态成形的须要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。3、合成运动及合成切削速度当主运动和进给运动同时进展时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量ve表示,见上图。

Ve=Vc+Vf二、切削用量三要素及切削层参数

(一〕切削用量三要素1、切削速度vc切削速度vc是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。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。当主运动为回转运动时：式中d—切削刃上选定点的回转直径，mm；n—主运动的转速，r/s或r/min。2、进给速度vf、进给量f进给速度vf—切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。进给量f—刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。Vf=nf3、切削深度ap对于车削和刨削加工来说，切削深度ap〔背吃刀量〕是在及主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工外表及待加工外表之间的间隔，单位mm。对于钻孔加工来说，

切削用量三要素及切削层参数式中dw----工件待加工外表直径，mm。dm----工件已加工外表直径，mm。〔二〕切削层参数(见P13)

在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工外表切下的金属层，称为切削层。切削层参数切削层公称厚度hD

在过渡外表法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡外表之间的间隔。hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得：hD=fsinkr

其中：hD—切削层公称厚度，(mm)；f—进给量，(mm/r〕；

kr—车刀主偏角，(。)。切削层公称宽度bD

沿过渡外表测量的切削层尺寸。bD反映了切削刃参与切削的工作长度。由图得：bD=ap/sinkr

其中：bD—切削层公称宽度，(mm)。切削层公称横截面积AD

切削层公称厚度及切削层公称宽度的乘积。由图得：

AD=hD*bD=fsinkr*ap/sinkr=f*ap

其中:AD—切削层公称横截面积，(mm2)。1.2刀具角度外圆车刀是最根本、最典型的切削刀具，其切削部分〔又称刀头〕由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：

〔1〕前刀面

刀具上及切屑接触并互相作用的外表〔即切屑流过的外表〕。〔2〕主刀后面

刀具上及工件过渡外表相对并互相作用的外表。〔3〕副刀后面

刀具上及已加工外表相对并互相作用的外表。

〔4〕主切削刃

前刀面及主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。〔5〕副切削刃

前刀面及主后刀面的交线。它协作主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工外表。〔6〕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或圆弧。详细参见切削运动及切削外表图和车刀的组成图。其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演化和组合。〔一〕刀具标注角度参考系(见P8)1、假定运动条件：用刀具主运动向量vc近似代替合成运动向量ve，然后再用平行或垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。2、假定安装条件：假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线及参考系的平面平行或垂直。3、刀具标注角度参考系诸平面：〔见下列图〕1)基面pr：通过切削刃某一点，垂直于假定主运动方向的平面。。2)切削平面ps：通过切削刃某一点，及工件加工外表〔或及主切削刃〕相切的平面。切削平面ps及基面pr垂直。3)主剖面P0：通过切削刃某一点，同时垂直于切削平面ps及基面pr的平面。。4)法剖面Pn：通过切削刃某一点，垂直于切削刃的平面。。5)进给剖面Pf：通过切削刃某一点，平行于进给运动方向并垂直于基面pr的平面。6)背平面Pp：通过切削刃某一点，同时垂直于进给剖面Pf及基面pr的平面。〔二〕刀具工作角度参考系上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件确定的参考系。但刀具在实际运用过程中，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能准确反映切削加工的真实状况。只有用合成切削方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。P8的图。另外，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有承受刀具工作角度参考系，才能反映切削加工的实际。刀具工作角度参考系及刀具标注角度参考系的唯一区分是：用合成切削方向ve取代主运动切削方向vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。〔三〕刀具的标注角度(见P8)

刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所须要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。前

角γo在主剖面P0内测量的前刀面及基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如下图。后

角αo在主剖面P0内测量的主后刀面及切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。主偏角κr在基面内测量的主切削刃在基面上的投影及进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。副偏角κr'在基面内测量的副切削刃在基面上的投影及进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。刃倾角λs在切削平面内测量的主切削刃及基面之间的夹角。当主切削刃呈程度常，λs=0；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，如图示。车刀的主要角度刃倾角的符号〔四〕刀具的工作角度(见P11-13)

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确定的变更。角度变更的根本缘由是切削平面、基面和正交平面位置的变更。以切削过程中实际的切削平面Ps、基面Pr和主剖面P0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。1、刀具安装位置对工作角度的影响以车刀车外圆为例，假设不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角γoe和工作后角αoe的变更，如下列图示。(见P12)车刀安装高度对工作角度的影响当车刀刀杆的纵向轴线及进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角κre和工作副偏角κre'的变更，如下列图示。(见P13)2、进给运动对工作角度的影响车削时由于进给运动的存在，使车外圆及车螺纹的加工外表事实上是一个螺旋面，如下列图示。(见P12图1.16)车端面或切断时，加工外表是阿基米德螺旋面，如下列图示。因此，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角μ，使车刀的工作前角γoe增大，工作后角αoe减小。一般车削时，进给量比工作直径小许多，故螺旋升角μ很小，它对车刀工作角度影响不大，可无视不计。但在车端面、切断和车外圆进给量〔或加工螺纹的导程〕较大，则应考虑螺旋升角的影响。(见P11图1.15)横向进给运动对工作角度的影响1.3刀具的种类、材料及选用一、刀具种类〔一〕刀具分类由于机械零件的材质、形态、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进展加工的刀具具有不同的构造和切削性能。因此，消费中所运用的刀具的种类许多。刀具常按加工方式和详细用处，分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。刀具还可以按其它方式进展分类，如按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼〔CBN〕刀具和金刚石刀具等；按构造分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。

〔二〕常用刀具简介

1.车刀

车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。车刀在构造上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，所以在现代消费中应用越来越多。

孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进展再加工的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。例如，下列图示标准高速钢麻花钻的构造。工作部分〔刀体〕的前端为切削部分，担当主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。

3.铣刀

铣刀是一种应用广泛的多刃回转刀具，其种类许多。按用处分有：1〕加工平面用的，如圆柱平面铣刀、端铣刀等；2〕加工沟槽用的，如立铣刀、T形刀和角度铣刀等；3〕加工成形外表用的，如凸半圆和凹半圆铣刀和加工其它困难成形外表用的铣刀。铣削的消费率一般较高，加工外表粗糙度值较大。

拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛应用于大批量消费中，可加工各种内、外外表。拉刀按所加工工件外表的不同，可分为各种内拉刀和外拉刀两类。运用拉刀加工时，除了要依据工件材料选择刀齿的前角、后角，依据工件加工外表的尺寸〔如圆孔直径〕确定拉刀尺寸外，还须要确定两个参数：〔1〕齿升角af[即前后两刀齿〔或齿组〕的半径或高度之差]；〔2〕齿距p[即相邻两刀齿之间的轴向间隔]。5.螺纹刀具

螺纹可用切削法和滚压法进展加工。齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。按刀具的工作原理，齿轮分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮刀具等。常用的展成齿轮刀具有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀等。选用齿轮滚刀和插齿刀时，应留意以下几点：〔1〕刀具根本参数〔模数、齿形角、齿顶高系数等〕应及被加工齿轮一样。

〔2〕刀具精度等级应及被加工齿轮要求的精度等级相当。

〔3〕刀具旋向应尽可能及被加工齿轮的旋向一样。滚切直齿轮时，一般用左旋齿刀。

这类刀具的切削部分总的来说及一般刀具没有多大区分不同状况，只是为了适应数控机床和自动线加工的特点，对它们提出了更高的要求。车刀拉刀螺纹刀具

〔梳刀〕齿轮刀具

〔盘形铣刀〕孔加工刀具

〔麻花钻〕铣刀二、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、几何形态和刀具构造。刀具材料对刀具运用寿命、加工效率、加工质量和加工本钱等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择及和合理运用。〔一〕刀具材料应具备的性能(见P14)

1、高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抗拒磨损的实力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。2、足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和韧性，防止崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。3、高耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得实力。4、良好的工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造性和热处理性等。5、良好的经济性〔二〕常用的刀具材料目前，消费中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢〔如T10A、T12A〕、工具钢〔如9SiCr、CrWMn〕因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。高速钢定义：是一种参与较多的钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。性能：有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；制造工艺简洁，简洁磨成锐利的切削刃，可锻造。是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的主要材料。分类：按用处分：通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。1〕通用型高速钢钨钢：典型牌号为W18Cr4V，有良好的综合性能，可以制造各种困难刀具。钨钼钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特殊好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。2〕高性能高速钢典型牌号为高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8和超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。相宜于加工高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。3〕粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，干脆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态。相宜于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具〔如滚刀、插齿刀〕、精细刀具、磨加工量大的困难刀具、高动载荷下运用的刀具等。2、硬质合金由难熔金属化合物〔如WC、TiC〕和金属粘结剂〔Co〕经粉末冶金法制成。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料〔约占50%〕。如大多数的车刀、端铣刀以致深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。

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。它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。ISO将切削用的硬质合金分为三类：〔各种牌号的应用范围见p16表1.1〕1〕YG(K)类，即WC-Co类硬质合金2〕YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金3〕YW(M)类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金〔三〕其它刀具材料1、涂层刀具2、陶瓷：硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著进步。3、金刚石4、立方氮化硼三、刀具选用刀具种类主要依据被加