1、1機械制造技術機械制造技術Mechanical Manufacturing Technology第第1 1章章 金屬切削過程的基本知識金屬切削過程的基本知識2第1章 金屬切削過程的基本知識主要內容：1.1 切削運動與切削用量 1.2 金屬切削刀具幾何參數1.3 切削層參數與切削方式1.4 刀具材料及選用 金屬切削過程 3第1章 金屬切削過程的基本知識主要內容：1.1 切削運動與切削用量 1.2 金屬切削刀具幾何參數1.3 切削層參數與切削方式1.4 刀具材料及選用 金屬切削過程 41.1.1 切削時的工件表面 1待加工表面：工件上多余金屬即將被切除的表面。2已加工表面：工件上多余金屬被切除后形

2、成的新表面。3過渡表面（加工表面）：刀具正在切削著的表面（或工件上多余金屬被切除過程中，待加工表面與已加工表面之間相連接的表面）。1.1 切削運動與切削用量 第1章 金屬切削過程的基本知識51.1 切削運動與切削用量 1.1.2 切削運動：刀具和工件之間的相對運動。 1主運動： 直接切除工件上的切削層以形成工件新表面的基本運動, 或使工件和刀具產生相對運動以進行切削的最基本運動。 （1）速度最高，消耗的功率最多； （2）機床的主運動只有一個。 2進給運動： 不斷地把切削層投入切削，以逐漸切削出整個工件表面的運動。 （1）一般速度較低，消耗功率較少； （2）可有一個、兩個或多個，可以是連續或間斷

3、的。 6外圓車削時的切削運動與加工表面外圓車削時的切削運動與加工表面 1.1 切削運動與切削用量 7刨削、鉆削、銑削加工時刨削、鉆削、銑削加工時的切削運動和切削表面的切削運動和切削表面1.1 切削運動與切削用量 8注意:主運動和進給運動是完成金屬切削的最基本運動； 任何加工方法都必有一個主運動，可有一個或幾個進 給運動；主運動和進給運動可由工件或刀具分別完成，也可由 刀具單獨完成（如在鉆床上鉆、擴、鉸孔）。1.1 切削運動與切削用量 93合成切削運動和合成切削速度合成切削運動：由同時進行的主運動和進給運動合成的運動。合成切削速度：等于主運動速度和進給運動速度的向量和： fcevvv合成切削速度

4、合成切削速度 1.1 切削運動與切削用量 101.1.3 切削用量：切削速度、進給量（或進給速度 ）、背吃刀 量三者的總稱切削用量三要素 1切削速度 ： 2背吃刀量 ： 3進給量 f ： 進給速度 ： 每齒進給量 ：cvpafvzf為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，單位mm。刀具在進給運動方向上相對工件的位移量，單位mm/r或mm/d.st 。對于多刃刀具（銑刀、拉刀），應規定每一個刀齒的進給量，單位是mm/Z后一個刀齒相對于前一個刀齒的進給量。 進給運動的速度，單位mm/s（或mm/min）。 1.1 切削運動與切削用量 切削刃選定點相對于工件的主運動速度，計量單位為m/s（或m/

5、min）。 114 4主刀刃（主切削刃）主刀刃（主切削刃） ：前刀面前刀面 與主后刀面與主后刀面 相交而得到的邊鋒。相交而得到的邊鋒。SAA2 2主后刀面主后刀面 ：與工件過渡表面相與工件過渡表面相對的表面；對的表面； A3 3副后刀面副后刀面 ：與工件上已加工表與工件上已加工表面相對的表面；面相對的表面；A1 1前刀面前刀面 ：切屑流過的表面；切屑流過的表面；A6 6刀尖（過渡刃）：刀尖（過渡刃）：主切削刃與副切削刃連主切削刃與副切削刃連接處的那部分切削刃。接處的那部分切削刃。刀尖形狀如圖：刀尖形狀如圖：1.2 金屬切削刀具的幾何參數5 5副刀刃（副切削刃）副刀刃（副切削刃） ：前刀面前刀面

6、 與副后刀面與副后刀面 相交而得到的邊鋒。相交而得到的邊鋒。 SAA1.2.1 刀具切削部分結構要素第1章 金屬切削過程的基本知識12 Pr、Ps 、 Po、Pn、Pf 、Pp（1）基面Pr：通過主切削刃上選定點，垂直于該點切削速度 方向的平面vc 。 基面應平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和測量的某 一安裝定位平面或軸線。1.2.2 確定刀具切削角度的參考平面和測量平面1.2 金屬切削刀具的幾何參數13普通車刀的基面普通車刀的基面 鉆頭的基面鉆頭的基面 1.2 金屬切削刀具的幾何參數14（2）切削平面Ps：通過主切削刃上選定點，與主切削刃相切，且垂直于基面的平面。切于工件過渡表面的平面 Ps

7、 Pr（3）主剖面（正交平面）Po 通過主切削刃上選定點，垂直于基面Pr 和切削平面 Ps 的平面。 （4）法剖面（法平面）Pn 通過主切削刃上選定點，且垂直于主切削刃的平面。1.2 金屬切削刀具的幾何參數15（5）進給剖面Pf 和背剖面PP 進給剖面（假定工作平面）Pf ：通過主切削刃（刀刃）上選定點，平行于進給運動方向并垂直于基面Pr 的平面。 背剖面（背平面）PP：通過主切削刃（刀刃）上選定點，垂直于基面Pr 和進給剖面Pf 的平面。 1.2 金屬切削刀具的幾何參數161.2.3 刀具標注角度的參考系（1）假定運動條件首先給出刀具的假定主運動方向和假定進給運動方向；其次假定進給速度很小（

8、可忽略）： 然后再用平行和垂直于主運動方向的坐標平面構成參考系基面和切削平面（參考平面）。0fvecvv 1.2 金屬切削刀具的幾何參數17（2）假定安裝條件： 假定標注角度參考系的諸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和測量時定位與調整的平面或軸線（如車刀底面，車刀刀桿軸線，銑刀、鉆頭的軸線等）。 使標注角度參考平面與刀具的刃磨、測量平面一致。 測量平面：用來標注和測量刀具前、后刀面角度的平面，有主剖面、法剖面、進給剖面、背剖面。 刀具的標注角度參考系： 正交平面參考系（主剖面參考系）PrPsPo 法剖面參考系: PrPsPn 背平面、假定工作平面參考系: PrPfPP1.2 金屬切削刀具的

9、幾何參數18車刀標柱角度參考系1.2 金屬切削刀具的幾何參數19主剖面（正交平面）參考系主剖面（正交平面）參考系 1.2 金屬切削刀具的幾何參數20 法剖面（法平面）參考系法剖面（法平面）參考系 1.2 金屬切削刀具的幾何參數21 背平面、假定工作平面背平面、假定工作平面（進給、背剖面）參考系（進給、背剖面）參考系 1.2 金屬切削刀具的幾何參數221.2.4 刀具的標注角度： 制造和刃磨所需要的，在刀具設計圖上所標注的角度。 在標注角度參考系中標注，是制造、刃磨和檢查刀具所需要的角度。1正交平面參考系里的標注角度：PrPsPo 1.2 金屬切削刀具的幾何參數23副偏角 ：在基面內，副切削刃的

10、投影與進給運動反方向的夾角。r刃傾角s ：在切削平面內，主切削刃與基面間的夾角。當刀尖是刀刃最高點時，s為正，反之為負，如圖所示：前角 ：在主剖面內，前刀面與基面間的夾角。前刀面在基面下面為正，反之為負。0后角 ：在主剖面內，主后刀面與切削平面間的夾角。后刀面在切削平面下面為正，反之為負。 0副后角a0：在副剖面內，副后刀面與副切削平面間的夾角。 主偏角 ：在基面內，主切削刃的投影與進給運動方向的夾角。 r1.2 金屬切削刀具的幾何參數24 外圓車刀所必須標注的六個基本角度： 、 確定主切削刃位置的角度; 、 確定前刀面與主后刀面在主剖面內位置的角度; 、 是確定副切削刃位置的角度。s0rr0

11、01.2 金屬切削刀具的幾何參數25 派生角度： 刀尖角 在基面內，主、副切削刃投影之間的夾角， 余偏角 在基面上，主切削刃的投影與進給運動方向垂線 之間的夾角， 刀楔角 主剖面中測量的前、后刀面間的夾角，r）(180rrrr90r0)(900001.2 金屬切削刀具的幾何參數26 2法剖面參考系PrPsPn內的標注角度在基面和切削平面內在基面和切削平面內標注角度標注角度kr、kr、s、（、（ 、 ）；）； 在法剖面內標注角度在法剖面內標注角度 、 、（、（ ）；）；在副法剖面在副法剖面 中能夠中能夠標注角度標注角度 。rrnnnnPn法剖面參考系標注角度法剖面參考系標注角度 1.2 金屬切削

12、刀具的幾何參數273進給剖面、背剖面參考系PrPfPp的標注角度：進給剖面、背剖面進給剖面、背剖面參考系的標注角度參考系的標注角度 1.2 金屬切削刀具的幾何參數281.2.5 刀具的工作角度 刀具工作角度：刀具在工作狀態下的角度考慮進給運動及實際安裝情況。 刀具工作角度參考系不同于標注角度參考系，各參考平面的空間位置也相應地有了改變。1.2 金屬切削刀具的幾何參數29 刀具工作角度的參考系 考慮進給運動的影響：用ve取代vc，即實際進給運動方向取代假定進給運動方向。 考慮安裝條件：1切削平面Ps Pse：通過主切削刃上選定點，切于工件過渡表面的平面（包含刀刃在該點的切線和由主運動與進給運動合

13、成的切削運動速度向量ve的平面）。2基面Pr Pre：通過主切削刃上選定點，垂直于該點合成切削運動速度向量ve的平面。 如車外圓，基面不再平行于刀桿底面 PsePre 下面就進給運動和刀具安裝對工作角度的影響分別加以討論。1.2 金屬切削刀具的幾何參數30（一）進給運動對工作角度的影響 1.橫向進給運動對 工作角度的影響：對工件切斷和車槽時，進給運動是沿橫向進行的。切斷車刀（或車端面）：橫向進給運動對工作角度的影響橫向進給運動對工作角度的影響 1.2 金屬切削刀具的幾何參數31（1）不考慮進給運動：切削刃上選定點相對于工件的運動軌跡是一個圓， 過該點切于此圓的平面， 過該點垂直于 的平面，它與

14、刀桿底面平行。在主剖面內標注角度為 、（2）考慮橫向進給運動：切削刃上選定點相對于工件的運動軌跡是阿基米德蝸線，參考平面 （過該點切于該曲線的平面）與 和 （過該點垂直于 的平面）與 產生了 角： 合成切削速度角：主運動方向與合成切削速度方向的夾角。sPrPsP00sePsPrePsePrP00e00edfvvtgcf1.2 金屬切削刀具的幾何參數32結論：刀具越靠近中心， ， ；當 ， 為負值，刀刃失去切削作用切斷時在端面中心留下直徑約1mm小凸頭的原因； ， 。 對于橫向切削的刀具，不宜選用過大的進給量f，或者應適當加大標注（刃磨）角度 。d0e0f01.2 金屬切削刀具的幾何參數332縱

15、向進給運動對工作角度的影響 外圓切削時，由于縱向進給量較小，它對車刀工作角度的影響通常忽略不記； 車螺紋時，尤其是車多頭螺紋時，應該考慮縱向進給運動對工作角度的影響，如圖所示。假定車刀的 ，以車削右螺紋車刀的左側刀刃進行分析：0s1.2 金屬切削刀具的幾何參數341.2 金屬切削刀具的幾何參數外圓車刀的工作角度 35（1）不考慮進給運動：切削平面 垂直于刀桿底面，基面平行于刀桿底面，在主剖面內的標注角度為 ， ，進給剖面內的標注角度為 ， 。（2）考慮進給運動：切削平面 為切于圓柱螺旋面的平面，基面 垂直于 ，與刀桿底面不再平行，刀具的工作角度參考系（ 、 ）在進給剖面內傾斜了 值，在主剖面內

16、傾斜了 值。 sPrP00ffsesPP rerPP sePsePreP01.2 金屬切削刀具的幾何參數36 在進給剖面內工作角度為： f縱向進給量，或被切螺紋導程（單頭螺紋螺距）； 工件直徑，或螺紋外徑。在主剖面內工作角度為： fffefffewfdftgwd000e000erfwrwntgdfdftgsinsin01.2 金屬切削刀具的幾何參數37結論： 或 與 及 有關，由于外圓切削時 很小， 或 很小可忽略不記 對于車螺紋，尤其是車多頭螺紋或蝸桿時，由于 、 較 大，必須進行工作角度計算（同時車刀左、右兩側刀刃其 影響正、負號相反）。f0fwdff04030fff1.2 金屬切削刀具的

17、幾何參數38（二）刀具安裝狀態 對工作角度的影響 1.刀尖安裝高低對工 作角度的影響 設 刀尖高于工件中心時：刀尖安裝高低的影響刀尖安裝高低的影響0s1.2 金屬切削刀具的幾何參數39 主切削刃上選定點的切削平面將變為 ，切于工件過渡表 面；基面 保持與 垂直；在背剖面 內：刀具工作前角 增大，工作后角 減小，兩者角度的變化值為 ，即： h 刀尖高于工件中心的距離， 工件直徑。sePrePsePpPpepeppppepppe22)2(hdhtgwpwd1.2 金屬切削刀具的幾何參數40 刀尖低于工件中心時： 在背剖面 內，刀具工作前角 減小，工作后角 增大。即： 在主剖面內： H刀具厚度尺寸

18、pPpepepppepppeHtgHHACHABhdhtgrprrwcoscos/cos)2(2201.2 金屬切削刀具的幾何參數000e000e41 2刀桿中心線偏斜對工作角度的影響 車刀刀桿中心線安裝得與進給方向垂直時，工作主偏角和工作 副偏角等于車刀的標注主偏角和副偏角； 當車刀刀桿中心線與進給方向不垂直時，則工作主偏角將增大 （或減小），而工作副偏角將減小（或增大），其角度變化值 為 G，即： 式中的“”或“”號由刀桿的傾斜方向決定，G為刀桿中 心線的垂線與進給方向的夾角。GrreGrre1.2 金屬切削刀具的幾何參數42右傾斜左傾斜刀桿中心線與進給方向不垂直對工作角度的影響1.2 金

19、屬切削刀具的幾何參數43 切削層：在切削過程中，刀具或工件沿進給方向移動一 個f 時所切下的金屬層在基面內的截形。外圓縱切時切削層參數1.3 切削層參數與切削方式第1章 金屬切削過程的基本知識44（一）切削層參數：在基面內度量的切削層的尺寸1切削厚度 垂直過渡表面測量的切削層尺寸（相鄰兩過渡表面之間的距離）。 在外圓縱車（ ）時：2切削寬度 沿過渡表面測量的切削層尺寸（反映了切削刃參加切削的工作長度）。 在外圓縱車（ ）時：3切削面積 ：切削層在基面內的截面面積車削時：Dh0srDfhsinDb0srpDabsinDADDDbhApDDDafbhA1.3 切削層參數與切削方式45（二）切削方式

20、 1自由切削與非自由切削：按切削刃數量分 自由切削：只有一條直線刀刃參與切削（主切削刃） 非自由切削： 曲線刀刃或兩條以上刀刃參與切削（包括主、副刀刃） 2正切削與斜切削：按有無刃傾角分 正切削（直角切削）：切削刃垂直于合成切削運動方向， 特點：切屑沿刀刃法向流出；刀刃上各點切屑流出方向一致，且金屬變形在二維平面內。 斜切削（斜角切削）：切削刃不垂直于合成切削運動方向，0s0s1.3 切削層參數與切削方式46示例：圖（a）是直角自由切削方式正切削和斜切削 1.3 切削層參數與切削方式471.4 刀具材料及選用1.4.1 刀具材料應具備的性能1高的硬度2高的耐磨性 3足夠的強度和韌性 4高的耐熱

21、性（熱穩定性）5良好的物理性能6良好的工藝性和經濟性表示抵抗磨損的能力，與硬度、硬質點多少、分布均勻程度有關。一般來說，硬度，耐磨性；組織中硬質點（碳化物、氮化物）數量，硬度，顆粒，分布越均勻，耐磨性。 具有良好切削加工性、鑄造性、鍛造性、焊接性、熱處理性等。 刀具在高溫下具有保持硬度、耐磨性、強度和韌性的能力。刀具材料的高溫硬度，刀具切削性能，允許的切削速度。刀具材料要比工件硬度高，常溫硬度在HRC60以上。 承受切削中的切削力、沖擊和振動，避免崩刃和折斷。 刀具材料具有良好的導熱性，大的熱容量以及優良的熱沖擊性能。刀具材料導熱性，有利于切削溫度。熱沖擊性能，在切削加工時可使用切削液。第1章

22、 金屬切削過程的基本知識48 1.4.2 常用的刀具材料 碳素工具鋼（T10A、T12A）、合金工具鋼（9SiCr、CrWMn）因耐熱性差，僅用于一些手工刀具及切削速度較低的刀具。 高速鋼、硬質合金、涂層高速鋼、涂層硬質合金 主要的刀具材料 陶瓷、金剛石和立方氮化硼僅用于有限的場合。1.4 刀具材料及選用49（一）高速鋼： 一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。 特點： 有較高的熱穩定性，切削溫度在600650時工作良好； 有高的強度和韌性，有一定的硬度和耐磨性，硬度為HRC6370，抗彎強度為一般硬質合金23倍，為陶瓷56倍； 工藝性好，容易磨成鋒利切削刃，能鍛造； 性能較

23、硬質合金和陶瓷穩定。1.4 刀具材料及選用50 應用場合： 制造各種復雜刀具，成為切削硬度在250280HBS以下的大部分結構鋼和鑄鐵的主要刀具材料（如鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具），占刀具材料的50%以上。 分類： 按用途分：通用型高速鋼、高性能高速鋼； 按制造工藝分：熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼。1.4 刀具材料及選用511通用型高速鋼：含碳量0.70.9%，屬中等熱穩定性高速鋼。按含W量不同分為：（1）鎢鋼：含W12%、W18% 典型牌號：W18Cr4VW18%、Cr4%、V1%。 特點：綜合性能好。 應用：用于制造各種復雜刀具。不能用作熱成形刀具。（2）鎢鉬鋼：鎢鋼中部分鎢用鉬取代而獲

24、得的一種高速鋼 典型牌號：W6Mo5Cr4V2 （W6%、Mo5%、Cr4%、V2%）W9Mo3Cr4V 特點：熱塑性好。 應用：熱軋刀具或熱成形刀具。1.4 刀具材料及選用522高性能高速鋼：屬高熱穩定性高速鋼 在通用型高速鋼的基礎上再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素。 典型牌號： 高碳高速鋼 9W6Mo5Cr4V2；高釩高速鋼 W6Mo5Cr4V3；鈷高速鋼W6Mo5Cr4V2Co5、W18Cr4VCo5；超硬高速鋼 W2Mo9Cr4VCo8等。 應用： 適合于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強度鋼等難加工材料。1.4 刀具材料及選用533粉末冶金高速鋼：用高壓氬氣或氮氣霧

25、化高速鋼水（熔融），直接得到細小的高速鋼粉末，高溫高壓下壓制成致密的鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形狀的一種高速鋼。 特點： 具有良好的力學性能。晶粒細小均勻，尺寸23 ，（熔煉鋼的晶粒尺寸820 ）；強度和韌性比熔煉鋼高。 磨削加工性能好。 淬火變形小，為熔煉高速鋼的1/21/3。 耐磨性好。比熔煉高速鋼2030%。 應用：制造難加工材料刀具、大尺寸刀具（滾刀、插齒刀）、精密刀具、高壓動載荷下用的刀具。mm1.4 刀具材料及選用54（二）硬質合金 由高耐熱性和高耐磨性的金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC）和金屬粘結劑（Co 、Ni、Mo）在高溫下燒結而成的粉末冶金法制品。 1特點（與高速鋼

26、比） 硬度高：8993HRA； 耐磨性好，壽命高幾倍幾十倍；壽命相同時切削速 度可提高410倍（切削速度100300m/min）； 耐熱性高，在8001000 時尚能進行切削。 抗彎強度低（0.91.5GPa），斷裂韌性低硬質合金刀具承受切削振動和沖擊負荷能力差。1.4 刀具材料及選用552常用硬質合金的分類及其性能ISO將切削用硬質合金分為三類：（1）K（YG）類： WC-Co類硬質合金（鎢鈷類） 常用的牌號：YG3、YG6、YG8WC的顆粒為中顆粒，Co含量為3%、6%、8%。YG3X、YG6XWC的顆粒為細顆粒，Co的含量為3%、6%。同含Co量，比中顆粒的硬度和耐磨性，抗彎強度和韌性。

27、 Co，抗彎強度和韌性，耐磨性。 應用： 加工短切屑黑色金屬（鑄鐵）、有色金屬、非金屬材料。 Co含量高的用于粗加工，Co含量低的用于精加工。1.4 刀具材料及選用56（2）P（YT）類：WC-TiC-Co類硬質合金（鎢鈦鈷類）。 常用的牌號： YT30、YT15、YT14、YT5，TiC含量30%、15%、14%、5%。 TiC，硬度、耐熱性及耐磨性，沖擊韌性、強度與導熱 性。 應用：加工長切屑(塑性)黑色金屬（鋼）。 TiC含量高的用于精加工，TiC含量低的用于粗加工。 1.4 刀具材料及選用57（3）M（YW）類：WC-TiC-TaC（NbC）-Co類硬質合金（鎢鈦鉭（鈮）鈷類）。 常用

28、的牌號：YW1、YW2。 抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性（TaC加入），合金的高溫硬度和強度，抗氧化能力和耐磨性。 應用：加工鑄鐵及有色金屬，也可用于加工鋼通用性硬質合金。 加工淬火鋼、高強度鋼、奧氏體鋼和高溫合金等難加工材料。 以上三類硬質合金的主要成分是WC，稱為WC基硬質合金。1.4 刀具材料及選用58 除上述WC基硬質合金外，還有TiC基硬質合金YN：以TiC為主要成分的TiC-Ni-Mo的合金。 特點：與WC基硬質合金相比 硬度（HRA9094），與工件材料的親和力小，摩擦系數小，抗粘結能力強刀具壽命（比WC基硬質合金高幾倍）； 合金的抗彎強度、沖擊韌性。 應用： 用于半精和精加工鋼和鑄鐵材料。1.4 刀具材料及選用59（三）涂層刀具和其它刀具材料1涂層刀具在韌性較好的硬質合金基體上，或在高速鋼刀具基體上，涂覆一層高硬、耐磨、難熔金屬化合物。 常用的涂層材料有：TiC、TiN、Al2O3等。 涂層厚度：硬質合金刀具為45m，表層硬度HV25004200；高速鋼刀具為2m ，表層硬度HRC80。 用于鑄鐵和