第2章金屬切削加工的基本知識

●一般鑄、鍛、焊和軋制的毛坯精度低和表面粗糙度大，難滿足零件較高的使用性能要求。

●利用切削加工的方法加工的零件尺寸精度、形狀和位置精度、表面質量均較高。

●金屬切削加工是用刀具從工件表面上切除多余的金屬，從而形成符合要求的已加工表面（形狀和精度）加工方法。

2.1

切削運動與切削要素

2.1.1切削運動

1．主運動

▲主運動是切削中由機床提供的使刀具與工件之間產生的最主要的相對運動。

▲主運動的運動速度最高、消耗功率最大。▲主運動有大小和方向。

2．進給運動

▲進給運動是附加相對運動，它配合主運動依次或連續不斷地切除工件上的加工余量。

▲進給運動的速度較小，消耗的功率也較小。▲進給運動有大小和方向。

●3．合成運動

▲主運動和進給運動合成的運動。

●車削時主軸帶動工件的旋轉運動是主運動；●銑削和鉆削時刀具的旋轉運動是主運動；●刨削時刨刀向前的刨削運動是主運動；●磨削時砂輪的旋轉運動是主運動。

3．合成切削運動

▲主運動和進給運動的合成運動。

▲主運動和進給運動矢量和的方向是合成運動速度的方向；▲主運動和進給運動矢量和的大小是合成運動速度的大小。

主運動方向——刀刃上選定點相對于工件瞬時主運動方向。主運動速度的大小——刀刃上選定點相對于工件主運動的瞬時速度。

進給運動方向——刀刃上選定點相對于工件的瞬時進給方向。

進給速度的大小——刀刃上選定點相對于工件進給運動的瞬時速度2.1.2切削加工過程中的工件表面

以車削加工為例——因為車削加工是一種最常見的和最典型的切削加工方法。1.待加工表面

工件上有待于切除材料的表面。

2.已加工表面

工件上經刀具切削后形成的新表面。

3.過渡表面

工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之間的過渡表面。

圖2.3車削加工的切削運動及工件上的表面2.1.3切削要素

1.切削用量要素

切削用量要素——是指切削加工過程中切削速度、進給量和背吃刀量（切削深度）三個要素的總稱。

切削速度

——是指刀刃上選定點相對于工件的主運動的瞬時速度。

進給量——是指刀具在進給方向上相對工件的位移量。

背吃刀量——是工件已加工表面和待加工表面之間的垂直距離。2.切削層橫截面要素

切削層公稱寬度——是指平行于過渡表面度量的切削層參數。

切削層公稱厚度——是指垂直于過渡表面度量的切削層參數。

切削層公稱橫截面積——是指切削層橫截面的面積。切削層公稱厚度：切削層公稱寬度：切削層公稱橫截面積：2.2刀具切削部分的幾何參數2.2.1刀具的構成

所有的刀具都是由切削部分和夾持部分（刀柄）組成。

切削部分——承擔切削作用的部分。

刀柄——通過刀柄將刀具夾持在機床的刀架上。鉸刀、鏟齒銑刀、鉆頭、成形銑刀、車刀、切斷刀、拉刀、絲錐、刨刀2.2.2刀具切削部分的基本定義1．刀面（三個刀面）

（1）前面（2）后面（3）副后面2．刀刃（兩條刀刃）

（1）主切削刃（2）副切削刃

3．刀尖（一個刀尖）1.刀面

（1）前面——切屑流出時所經過的刀面。

（2）后面——與工件上過渡表面相對的刀面。

（3）副后面

——與工件已切削加工表面相對的刀面。

2.刀刃

（1）主切削刃——刀具前面與后面的交線。

（2）副切削刃——刀具前面與副后面的交線。3.刀尖——三個刀面的交點（主、副切削刃的交點）。車刀切削部分的結構要素1.車刀靜止參考系假設2.2.3刀具角度

（1）不考慮進給運動的影響。（2）車刀的安裝使刀尖與工件中心等高，刀桿軸線與工件軸線垂直。（3）刀刃平直，刀刃各點的切削速度方向均相互平行。2.正交平面參考系

（1）基面——通過切削刃的選定點，垂直于該點切削速度方向的平面。

（2）切削平面——通過切削刃的選定點，垂直于基面并與主切削刃相切的平面

。

（3）正交平面——通過切削刃的選定點，垂直于主切削刃在基面上投影的平面。三個平面相互垂直，組成空間的三維直角坐標系。

（2）法平面——通過切削刃上選定點并與切削刃垂直的平面。法平面參考系——法平面、基面與切削平面組成的參考系。

（3）假定工作平面——通過切削刃上選定點并垂直于該點基面且平行于假定進給運動方向的平面。

（4）背平面——通過切削刃上選定點并垂直于該點基面和假定工作平面的平面。正交平面參考系與法平面參考系主偏角——主切削刃在基面上的投影與進給運動方向之間的夾角。副偏角——副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向之間的夾角。刀尖角——主、副切削刃在基面上的投影之間的夾角，它是派生角度。3．正交平面參考系中的刀具角度（1）在基面中測量的刀具角度

（2）在切削平面中測量的角度

刃傾角——主切削刃與基面之間的夾角。圖2.9各種刀尖和切削刃（3）在正交平面中測量的角度

前角——前面與基面之間的夾角。后角——后面與切削平面之間的夾角。楔角——前面與后面之間的夾角，它是派生角度。（4）在副截面中測量的角度

副前角——前面與基面之間的夾角。副后角——副后面與副切削平面之間的夾角。4.法平面、假定工作平面和背平面中度量的角度

1.法平面、假定工作平面和背平面中度量的角度仍然有前角和后角。5．刀具角度正負的規定（1）前角的正負——前面與切削平面之間的夾角小于90o時，規定前角為正；等于90o時為零；大于90o時為負。

（2）后角的正負——后面與基面之間的夾角小于90o時為正；等于90o時為零；大于90o時為負。（3）刃傾角的正負——刀尖處于切削刃上最高點時為正；最低點時為負；切削刃與基面平行時，刃傾角為零。

切斷刀有八個獨立角度——1.前角、

2.后角、

3.主偏角、

4.左副偏角、

5.右副偏角、

6.刃傾角、

7.左刃副后角、

8.右刃副后角。（見圖2.12）2.2.4刀具角度標注實例練習:請圖示端面車刀和鏜孔刀的幾何角度

2.3刀具角度的換算及工作角度2.3.1正交平面參考系和法平面參考系的前、后角換算（推導過程從略）2.3.2垂直于基面任一剖面于正交平面前、后角換算（推導過程從略）2.3.2刀具工作角度1．刀具工作參考系的建立

（1）工作基面——通過切削刃上的選定點，垂直于合成切削運動速度方向的平面。（2）工作切削平面——通過切削刃上的選定點，與切削刃相切且垂直于工作基面的平面。

（3）工作正交平面——通過切削刃上的選定點，同時與工作基面和工作切削平面相垂直的平面。2.刀具工作角度的分析（1）縱向進給運動對工作前、后角的影響

縱向進給車外圓時，合成切削運動產生的加工軌跡是阿基米德螺旋線，由于合成切削運動方向的變化，從而使工作前角增大、工作后角減小。（2）車削梯形螺紋時對工作前、后角的影響

車削梯形螺紋時，由于合成切削運動速度方向的變化，使加工表面傾斜了螺旋面一個螺紋升角T，使左、右切削刃的工作角度都發生了變化。為保證左、右螺紋加工表面質量一致，刀具安裝時應調整一個安裝角（圖2.16）。（3）橫向進給對工作前、后角的影響

刀具橫向進給時,切削刃相對于工件的運動軌跡為阿基米德螺旋線，工作切削平面和工作基面都發生了變化，引起了實際切削時前、后角的變化（圖2.17和式2.23、式2.24、式2.25）。（4）刀具安裝高低對刀具工作角度的影響

由于車刀刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置發生變化，工作前角增大，而工作后角減小。請思考：刀尖安裝低于工件中心時，刀具的工作角度該如何變化？（5）刀桿安裝偏斜對工作主、副偏角的影響

1．高的硬度和耐磨性；

2．足夠的強度和韌性

；3．高的耐熱性

；4．良好的導熱性和較小的膨脹系數

；5．穩定的化學性能和良好的抗粘結性能；6．良好的工藝性和經濟性。2.4刀具材料

刀具切削性能的優劣（鋒利程度和壽命，加工質量、加工效率和加工成本等），不僅取決于刀具切削部分的幾何參數，還取決于刀具切削部分的材料。2.4.1刀具材料的基本要求刀具材料種類很多，各類刀具材料的使用范圍見圖2.20。刀具材料的發展與切削加工高速化的關系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質合金高速鋼WC-TiC系硬質合金涂層硬質合金TiAlN涂層硬質合金DLC涂層硬質合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬質合金涂層WC硬質合金涂層超細粒狀硬金屬涂層高速鋼TiN涂層高速鋼斷裂韌性耐磨性刀具材料的耐磨性與斷裂韌性PCD——聚晶金剛石PCBD——聚晶立方氮化硼2.4.2常用刀具材料及其選用

目前常用的刀具材料有：

a.工具鋼（碳素工具鋼、合金鋼和高速鋼）

b.硬質合金

c.陶瓷

d.超硬刀具材料

等四大類。1.高速鋼高速鋼是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達62～66HRC，抗彎強度約3.3GPa，有較高的熱穩定性、耐磨性、耐熱性。切削溫度在500～650度時仍能進行切削。由于熱處理變形小、能鍛易磨。特別適合于制造結構和刃型較復雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、切齒刀、螺紋刀具、拉刀和齒輪刀具等。俗名又叫“鋒鋼”、“風鋼”、“白鋼”。

高速鋼的分類按用途可分為：

a.通用高速鋼

b.高性能高速鋼

2．硬質合金硬質合金是由高硬度和高熔點的金屬碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）和金屬粘結劑（Co、Mo、Ni）等用粉末冶金工藝制成。常溫硬度為89～93HRA，化學穩定性好，熱穩定性好，耐熱性達800~1000度。允許的切削速度可達220m/min，比高速鋼高5~10倍。大多數車刀、端銑刀等均由硬質合金制造，解決了高速鋼、淬硬鋼無法切削加工的難題。

硬質合金的分類按其化學成分與使用性能分為：a.鎢鈷類（WC+Co）b.鎢鈷鈦類（WC+TiC+Co）c.鎢鈷鈦鉭（鈮）類WC+TiC+TaC（NbC）+Co）d.碳化鈦基類（TiC十WC＋Ni＋Mo）3．其它刀具材料

陶瓷刀具材料——以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬，在高溫下燒結而成。優點——硬度高，耐磨性、耐高溫性能好，有良好的化學穩定性和抗氧化性，與金屬的親合力小、抗粘結和抗擴散能力強，切削速度比硬質合金刀具高2~5倍。缺點——脆性大、抗彎強度低，沖擊韌性差，易崩刃，導熱性能差，熱膨脹系數大。使用范圍——主要用于冷硬鑄鐵、淬硬鋼、非鐵金屬等材料的精加工和半精加工。

硬質合金刀具材料陶瓷刀具材料刀片（刀具材料）刀桿（普通鋼材）金剛石——是碳的同素異形體。金剛石分天然金剛石和人造金剛石兩種。人造金剛石是在高溫、高壓下由石墨轉化而成。

。優點——硬度極高（可達10000HV），耐磨性好，切削刃口鋒利，刃部表面摩擦系數小，不易產生粘結或積屑瘤，導熱性好、熱膨脹系數低。缺點——熱穩定性差，強度低、脆性大，對振動敏感，與鐵有強烈的化學親合力（不能加工鋼材）。使用范圍——可用于加工硬質合金、陶瓷、高硬度的非金屬材料（如石材、壓縮木材、玻璃）、非鐵金屬及其合金等

立方氮化硼（CBN）——是由