第二章第一節(jié)-金屬切削基礎(chǔ)

機(jī)電學(xué)院機(jī)械教研室劉萌

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位

紡織機(jī)械動(dòng)力機(jī)械家用電器通訊設(shè)備出版印刷網(wǎng)絡(luò)媒體文化娛樂(lè)冶金機(jī)械建筑機(jī)械交通工具環(huán)保設(shè)備軍事裝備醫(yī)療設(shè)備機(jī)器制造農(nóng)業(yè)機(jī)械化工設(shè)備制造業(yè)當(dāng)今制造業(yè)的社會(huì)功能第二章金屬切削加工機(jī)理金屬切削加工：利用刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（切削運(yùn)動(dòng)），使毛坯上多余的金屬（通常稱為加工余量）變成切屑的一種加工，目的是制成一定的形狀、尺寸精度和相互位置精度以及表面質(zhì)量都合乎技術(shù)要求的零件或半成品。一切削運(yùn)動(dòng)及切削用量二刀具切削部分概述三切削層參數(shù)四刀具材料第一節(jié)金屬切削基礎(chǔ)第二章金屬切削加工機(jī)理一切削運(yùn)動(dòng)及切削用量刀具夾具機(jī)床工件

1、工藝系統(tǒng)為了形成零件表面形狀，刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。1）主運(yùn)動(dòng)：切下切屑最主要的運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：在整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中—

速度最高、消耗的功率最大。主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)。2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：使金屬層不斷投入切削，加工出完整表面所需的運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：速度低、消耗的功率小。有一個(gè)或多個(gè)。2、切削運(yùn)動(dòng)外圓車削的切削運(yùn)動(dòng)平面刨削的切削運(yùn)動(dòng)銑削主：銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)鉆孔主：鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鉆頭的軸向運(yùn)動(dòng)外圓磨削主：砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，砂輪橫向移動(dòng)注釋:1、主運(yùn)動(dòng)可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以是往復(fù)運(yùn)動(dòng)；2、主運(yùn)動(dòng)可以是工件來(lái)實(shí)現(xiàn)（車外圓）,也可以是刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)（刨、銑加工）;3、主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以一個(gè)以上。（1）待加工表面：即將被切去的表面。（2）已加工表面：已經(jīng)切去一層金屬，在工件上形成的新表面。（3）加工表面（過(guò)渡表面）：切削刃正在切削的表面。

三、加工表面已加工表面：已經(jīng)切去一層金屬，在工件上形成的新表面。過(guò)渡表面（加工表面）：切削刃正在切削的表面。待加工表面：即將被切去的表面。nf已加工表面過(guò)渡表面待加工表面dwdm3、零件的三個(gè)表面平面刨削的切削運(yùn)動(dòng)車孔、切斷加工中的工件表面指出車端面時(shí)的三個(gè)加工表面4、切削用量三要素切削用量:切削速度、進(jìn)給量和切削深度三個(gè)量的總稱。用以描述切削運(yùn)動(dòng)。vfdwdm（1）切削速度：主運(yùn)動(dòng)的線速度。①主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：②主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)：式中dw－工件待加工表面或刀具的最大直徑(mm)

n－工件或刀具每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)式中L－往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的行程長(zhǎng)度(mm)nr－主運(yùn)動(dòng)每分鐘的往復(fù)次數(shù)(m/s)(m/s)在切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。切削用量:切削速度、進(jìn)給量和切削深度三個(gè)量的總稱。vfdwdm車端面討論：車端面或車斷時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)速度不變，此時(shí)的切削速度是否有變化？（2）進(jìn)給量

(走刀量)工件或刀具的主運(yùn)動(dòng)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)或每一行程時(shí)，工件和刀具兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移量。

進(jìn)給速度切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度，在外圓車削中

式中—車刀每轉(zhuǎn)進(jìn)給量（mm/r）—工件轉(zhuǎn)速（r/s）(mm/s)每齒進(jìn)給量每轉(zhuǎn)進(jìn)給量每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f（mm/r）

進(jìn)給速度vf(mm/min)

每齒進(jìn)給量fz（mm/z）銑削中進(jìn)給量與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度、每齒進(jìn)給量的關(guān)系為：不同的加工方法，切削用量三要素的含義和表示方法有所不同。（3）切削深度

ap

（背吃刀量）對(duì)外圓車削和平面刨削而言，切削深度ap等于工件已加工表面與待加工表面間的垂直距離。(mm)本小節(jié)完返回本章目錄外圓車削的背吃刀量：二刀具切削部分概述

1、刀具切削部分的構(gòu)造要素主切削刃車刀切削部分的結(jié)構(gòu)要素

前刀面（）—切屑沿其流出的表面。

主后刀面（）—與工件上加工表面相對(duì)的表面。

副后刀面（）—與工件上已加工表面相對(duì)的表面。

主切削刃（S）——前刀面與主后刀面的交線。它承擔(dān)主要的金屬切除工作并形成工件上的過(guò)渡表面。

副切削刃（S′）——前刀面與副后刀面的交線。參與部分的切削工件并最終形成工件上的已加工表面。

刀尖———刀尖是主、副切削刃的連接部位。討論切斷刀或切槽刀有幾個(gè)面、刃、點(diǎn)？切斷刀

2、刀具角度的參考平面兩個(gè)平面所構(gòu)成的角度從不同的方向測(cè)量會(huì)得到不同的數(shù)值。(a)(b)(c)三個(gè)參考平面

（一）基面（Pr）—過(guò)切削刃上選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)切削速度的平面。對(duì)于普通車刀，當(dāng)切削刃上被選點(diǎn)與工件中心線等高時(shí)，則它的基面總是平行于刀桿的底面。

（二）切削平面（Ps

）—過(guò)切削刃上選定點(diǎn)切于工件加工表面的平面。它也是包含該點(diǎn)切削速度在內(nèi)并與切削刃相切的平面。

（三）剖面

1.主剖面（正交平面）（P0）—過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，并垂直于切削刃在基面上的投影的平面（同時(shí)垂直于該點(diǎn)基面Pr和切削平面Ps的平面）。

2.法剖面（Pn）—過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，并垂直于切削刃的平面。

p0pnpspr主剖面和法剖面3.縱向剖面（Pp

）—過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，并垂直于該點(diǎn)基面并平行于刀桿軸線的平面。

4.橫向剖面（Pf）—過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，并垂直于該點(diǎn)基面并垂直于刀桿軸線的平面。兩點(diǎn)說(shuō)明：（1）“切削刃上某一選定點(diǎn)”的提法是十分必要的。（2）在任何情況下，切削平面都垂直于基面；除法剖面外，其它各種剖面也都垂直于基面；基面、切削平面和主剖面總是相互垂直。

3、刀具的標(biāo)注角度

刀具的標(biāo)注角度是畫(huà)刀具圖、進(jìn)行刃磨和測(cè)量時(shí)掌握的角度。要確定外圓車刀的三面、兩刃、一尖的空間位置，須有六個(gè)基本角度。刀具標(biāo)注角度1）前角是前刀面與基面的夾角。

在主剖面內(nèi)度量的前角為主前角（簡(jiǎn)稱前角）2）后角是后刀面與切削平面的夾角。

在主剖面內(nèi)度量的后角為主后角（簡(jiǎn)稱后角）。刀具標(biāo)注角度SA3）主偏角

在基面內(nèi)測(cè)量，是主切削刃在基面上投影與進(jìn)給方向的夾角。刀具標(biāo)注角度SA4）副偏角在基面內(nèi)測(cè)量，是副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給反方向的夾角。刀具標(biāo)注角度SA5）刃傾角

切削平面內(nèi)測(cè)量，是主切削刃與基面的夾角。刀具標(biāo)注角度SA討論：有了上面的前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角5個(gè)角度，刀具的空間位置能否唯一確定？SA6）副后角

在副主剖面內(nèi)測(cè)量，是副后刀面與副切削平面的夾角刀具標(biāo)注角度SA

1、前角

—前刀面與基面Pr之間的夾角。在主剖面P0內(nèi)度量的前角稱主前角

（簡(jiǎn)稱前角）在法剖面Pn內(nèi)度量的前角稱法前角在縱向剖面Pp內(nèi)度量的前角稱縱向前角在橫向剖面Pf內(nèi)度量的前角稱橫向前角

2、后角

—后刀面與切削平面Ps之間的夾角。說(shuō)明：3、副切削刃上同樣有切削平面和基面，也可以作各種剖面，所以同樣也有副前角、副后角及副刃傾角等。4、前角、后角和刃傾角均有正負(fù)之分。A）前角、后角的正負(fù)B）刃傾角的正負(fù)負(fù)前角負(fù)后角正、負(fù)刃傾角討論：車刀切削部分共有6個(gè)獨(dú)立的基本角度和2個(gè)派生角度

前角在基面內(nèi)測(cè)量的角度在主剖面內(nèi)測(cè)量的角度在副剖面（副正交平面）內(nèi)測(cè)量的角度在切削平面內(nèi)測(cè)量的角度楔角有了六個(gè)基本角度（），外圓車刀的三面、兩刃、一尖的空間位置就基本確定了。刀具除基本角度外還有派生角度。

楔角——前刀面與后刀面的夾角，在主剖面內(nèi)度量的為主楔角，

刀尖角——在基面內(nèi)測(cè)量，主、副切削刃在基面上投影之間的夾角，，

進(jìn)給方向基面主偏角()副偏角（）刀尖角（）主偏角副偏角刀尖角基面內(nèi)測(cè)量的角度主切削刃投影副切削刃投影主要作用改變主切削刃的受力及導(dǎo)熱能力，影響切屑的厚度。

主要作用減少副切削刃與以加工表面間的摩擦。減小副偏角可減小表面粗糙度值，但是太小會(huì)使背向力增大主要作用影響大家強(qiáng)度和散熱性能。基面進(jìn)給方向f主切削刃（投影）主偏角副切削刃（投影）、副偏角刀尖角基面內(nèi)車刀角度κr+κr’+εr=180·主剖面前角基面楔角主后角切削平面

在主剖面中，前面與基面之間的夾角在主剖面中主后刀面與切削平面之間的夾角叫主后角。

在主剖面中在前刀面與主后刀面之間的夾角叫楔角。

前角主后角楔角副正交平面副后角副后角在副剖面中副后刀面與副切削平面間的夾角。主要作用：減少車刀副后刀面和工件已加工表面間的摩擦。初步選擇：1.一般磨成與后角相等。2.在切斷刀等特殊情況下，為保證刀具強(qiáng)度應(yīng)取1-2度刃傾角

在主切削平面中，主切削刃與基面間的夾角。切削平面基面刃傾角主要作用

控制排屑方向。當(dāng)刃傾角為正值時(shí)，可增加刀頭強(qiáng)度，并在車刀受沖擊時(shí)保護(hù)刀尖。基面切削平面切削平面進(jìn)給方向f翻轉(zhuǎn)90度主剖面基面前刀面前角主后刀面主后角副切削平面翻轉(zhuǎn)90度副正交平面楔角副后刀面副后角S將切削平面翻轉(zhuǎn)90度基面主切削刃刃傾角主切削刃（投影）主偏角副切削刃（投影）、副偏角刀尖角畫(huà)車刀圖f作業(yè)1：如圖所示為一刨刀，畫(huà)圖表示出它的標(biāo)注角度：參考圖4、刀具角度對(duì)加工過(guò)程的影響（1）

前角（0）作用①減小切屑的變形；②減小前刀面與切屑之間的摩擦力。所以0：a.減小切削力和切削熱；b.減小刀具的磨損；c.提高工件的加工精度和表面質(zhì)量。0選擇：加工塑性材料和精加工—取大前角（）0加工脆性材料和粗加工—取小前角（）0前角（0）可正、可負(fù)、也可以為零。高速鋼車削碳鋼：0=200~300硬質(zhì)合金車削碳鋼：0=100~2002.

后角（

0）作用：減小工件加工表面與主后刀面之間的摩擦力。所以

0a.減小切削力和切削熱；b.減小刀具的磨損；c.提高工件的加工精度和表面質(zhì)量。00選擇：加工塑性材料和精加工—取大后角（）

0加工脆性材料和粗加工—取小后角（）

0后角（0）只能是正的。精加工：

0=80~120粗加工：

0=40~803.主偏角（kr）改善切削條件，提高刀具壽命。作用：減小kr：當(dāng)ap、f不變時(shí)，則bD、hD—使切削條件得到改善，提高了刀具壽命。nfdwdmkrkr’ap選擇系統(tǒng)剛性好：取較小的kr。100~300、450。系統(tǒng)剛性差：取較大的kr。600、750、900。但減小krFy、Fx，加大工件的變形撓度，使工件精度降低。同時(shí)，容易引起系統(tǒng)振動(dòng)。4.副偏角（kr’）最終形成已加工表面。作用：選擇：在不產(chǎn)生振動(dòng)的前提下，取小值。Kr’：使已加工表面殘留密集的高度減小，降低工件的表面粗糙度。5.刃傾角（S）作用①影響切削刃的鋒利程度；②影響切屑流出方向；③影響刀頭強(qiáng)度和散熱條件；④影響切削力的大小和方向。選擇：粗加工：可取零或負(fù)（S

=0、-S）精加工：取正（+S

）補(bǔ)充:Sκr′A向f車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsOOO`O`五、刀具的工作角度

如果考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和實(shí)際安裝情況，刀具的參考系將發(fā)生變化。按照切削工作的實(shí)際情況，在刀具工作角度參考系中所確定的角度，稱為工作角度。刀具標(biāo)注角度的假設(shè)條件

1.假定運(yùn)動(dòng)條件暫不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（vf

=0），即用主運(yùn)動(dòng)向量近似代替切削刃與工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的合成速度向量。

2.假定安裝條件刀具安裝處于理想狀態(tài)，即刀具水平安裝時(shí)所選點(diǎn)與工件中心線等高，刀桿軸線垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向。

所以，刀具標(biāo)注角度的參考平面是在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下（進(jìn)給運(yùn)動(dòng)vf

=0）確定的。故稱之為“靜止系”。b)刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響:

①刀尖安裝高低對(duì)工作角度的影響：②刀桿軸線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)工作角度變化：a)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響：進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響：實(shí)際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個(gè)附加的螺旋升角，使車刀的工作前角增大，工作后角減小。在車端面、切斷和加工凸輪、偏心輪時(shí)，則應(yīng)考慮螺旋升角的影響。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響：實(shí)際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個(gè)附加的螺旋升角，使車刀的工作前角增大，工作后角減小。一般車削時(shí)，進(jìn)給量比工件直徑小很多，故螺旋升角很小，它對(duì)車刀工作角度影響不大，可忽略不計(jì)。

當(dāng)?shù)都飧哂诠ぜS線時(shí)：工作前角變大，工作后角減小。當(dāng)?shù)都獾陀诠ぜS線時(shí)：工作前角變小，工作后角變大。刀桿軸線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)工作角度變化：車刀刀桿與進(jìn)給方向不垂直時(shí),工作主偏角和工作副偏角將發(fā)生變化：式中G—即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的垂線和刀桿軸線間的夾角。切削層:工件上正被切削刃切削的一層金屬，亦即相鄰兩個(gè)加工表面之間的一層金屬。

三切削層參數(shù)切削層參數(shù)(三個(gè))(假設(shè)：切削刃為直線且)⑴切削寬度：沿主切削刃度量的切削層的長(zhǎng)度。

。⑵切削厚度：兩相鄰加工表面之間的垂直距離.apac3ac1ac2apaw曲線切削刃產(chǎn)生的切削寬度acapacawawac切削寬度aw與切削深度ap的關(guān)系：切削厚度ac與進(jìn)給量f的關(guān)系：討論:切削寬度和切削厚度與切削用量之間的關(guān)系⑶切削面積：切削層橫截面的面積Ac。車外圓時(shí)：apacawawac

1、對(duì)刀具材料性能的基本要求(1)硬度要高和熱硬性要好

(2)要有足夠的強(qiáng)度和韌性

(3)耐磨性要好

(4)要有良好的工藝性

四刀具材料1）可加工性2）可磨削性3）熱處理返回本章目錄一般要求在HRC60以上。碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷和超硬刀具材料刀具材料的種類刀具切削部分材料碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷和超硬刀具材料工具鋼2、工具鋼

⑴

碳素工具鋼：含碳量為0.65%~1.35%的優(yōu)質(zhì)高碳鋼牌號(hào)：T8、T10、T10A、T12等HRC≈61~65特點(diǎn)a.淬火后硬度高；HRC≈61~65b.價(jià)格低；ｃ.耐熱溫度低；ｄ.淬火后應(yīng)力、變形大，淬透性差。250~300℃應(yīng)用：速度低、形狀簡(jiǎn)單的手動(dòng)工具。如銼刀、鋸條等。⑵

合金工具鋼：在碳素工具鋼中加入合金元素如W、Cr、Mn、Mo等制成的。Me<5%；牌號(hào)：9SiCr、CrWMn等。HRC≈61~68耐熱溫度—350~400℃應(yīng)用：速度低、形狀復(fù)雜的工具。如鉸刀、板牙、絲錐等。⑶高速鋼：

是工具鋼中W、Cr、Mo、Ba等含量較高的鋼。高合金鋼。W=6~20%；Cr=3.8~4.4%；V=1.0~4%牌號(hào)：如W18Cr4V2、W6Mo5Cr4VW12Cr4V3Mo3Co5Si、W6Mo5Cr4V2Al

。HRC≈62~69耐熱溫度—600℃應(yīng)用：各種形狀復(fù)雜的刀具。

如鉆頭、銑刀、拉刀、齒輪刀具和其他成形刀具。3、硬質(zhì)合金碳化物+粘結(jié)劑——粉末冶金是由硬度很高的金屬碳化物+金屬粘結(jié)劑，以粉末冶金法制成的。碳化物：WC、TiC、等粘結(jié)劑：Co1）硬度HRC≈76~84：熱硬性：耐熱溫度—1000℃允許的切削速度是高速鋼的4~10倍。2）耐磨性3）強(qiáng)度、韌性4）導(dǎo)熱差、不耐沖擊5）不易磨刃口適用場(chǎng)合：簡(jiǎn)單刀具硬質(zhì)合金分類：

(1)鎢鈷類(YG)成分：WC+Co

主要牌號(hào)有YG3、YG6、YG8，后綴數(shù)字表示Co的質(zhì)量百分含量。

適用場(chǎng)合：脆性材料(2)鎢鈷鈦(YT)成分：WC+TiC+Co

組成：WC和Co、還含有5%～30%的TiC。

牌號(hào)：YT5、YTl4、YTl5、YT30，后綴數(shù)字表示TiC的質(zhì)量百分含量。適用場(chǎng)合：塑性材料

(3)通用類(YW)成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co牌號(hào)：YW1、YW2適用場(chǎng)合：脆性材料、塑性材料，主要用于加工耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料。陶瓷材料陶瓷刀是以AL2O3為主要成份，在高溫下，燒結(jié)而成的一種刀具材料。特點(diǎn)：1）硬度高、熱硬性好（T：1200~1450°C）2）耐磨性好3）與金屬的親和力小4）抗沖擊、抗彎強(qiáng)度差適用場(chǎng)合：連續(xù)切削的精加工、半精加工人造金剛石人工制造的最硬材料。特點(diǎn)：1）硬度高、熱穩(wěn)定性差（T：800°C）2）與鐵親和力大金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。

適用場(chǎng)合：切削有色金屬、非金屬和制作砂輪。立方氮化硼硬度僅次于金剛石。T：1300~1500°C4、其它刀具材料l

常用刀具材料的種類及應(yīng)用類型硬度耐磨耐熱強(qiáng)度韌性工藝應(yīng)用工具鋼碳素工具鋼低高差好低高高低好差切削加工、熱處理、刃磨手動(dòng)工具合金工具鋼低速工具高速鋼復(fù)雜刀具硬質(zhì)合金鎢鈷類(YG)K粉末冶金燒結(jié)刃磨脆性