金屬切削原理與刀具教案

緒論

【內(nèi)容提要】

本章主要介紹本課程的根本內(nèi)容、性質(zhì)、特點和學習本課程的根本要求。

【目的要求】

1、明確本課程的根本內(nèi)容和性質(zhì)：

2、了解本課程的特點；

3、掌握學習本課程的根本要求。

【本章內(nèi)容】

一、本課程的內(nèi)容

?金屬切學原理與刀具?這門課，原理討論的是金屬切削加工過程中的主要物理現(xiàn)象

的變化規(guī)律，以及對規(guī)律的控制及應用；刀具是要我們學習常用金屬切削刀具的選擇、

使用以及常用非標準刀具的設計，如成形車刀、成形銃刀和拉刀等。

二、本課程的性質(zhì)

根據(jù)所學專業(yè)的教學方案根本課程的教學大綱的規(guī)定，本課程是一門專業(yè)根底課，

為培養(yǎng)與機制方面有關(guān)的應用型人才效勞，為本專業(yè)的其他專業(yè)課如?金屬切削機床？、?

機械制造工藝學?及?機械加工技術(shù)?等提供必要的根底知識。

我國自1949年以來各高等工科院校相繼進行了金屬切削原理與刀具方面的科學研

究。可見在工科院校與機制有關(guān)的專業(yè)中本課程占有重要的地位，因此一直列為考試課,

在我校的數(shù)控、機制、機電等專業(yè)自然也是考試課。

三、本課程的特點

(1)涉及知識面廣

本課程是一門專業(yè)課。在學習這門專業(yè)課之前，應先掌握?畫法幾何？、？機械制圖？、？

金屬工藝學？、？機械設計?等根本理論及?公差配合與技術(shù)測量?等根底知識。

(2)實驗理論多

許多公式都是在不同的實驗條件下得出的。如切削力的實驗指數(shù)公式和單位切削力

公式，雖都是計算切削力，但實驗條件不同，那么得出的結(jié)論也不同。因此說專業(yè)課中

沒有絕對的理論，或許有些還要做近似處理。

(3)實踐性強

學習理論就是為實踐效勞，但經(jīng)過實踐又可以提高理論水平。如果學習了不會用，

那就是“紙上談兵〃，因此，一定要做到理論與實踐相結(jié)合。

四、學習木課程的要求

1、具有正確圖示和選擇刀具合理幾何參數(shù)的能力。

2、根本掌握切削過程中的主要物理現(xiàn)象的變化規(guī)律和應用及控制方法，具有解決

實際生產(chǎn)問題的能力。

3、具有根據(jù)具體要求選擇使用常用刀具，以及設計一般非標準刀具的能力。

4、要求課上認真聽講，抓住重點，做好筆記，課下復習，輔導與自學相結(jié)合。

第一章刀具材料

【內(nèi)容提要】

本章主要介紹刀具材料應具備的性能，以及常用刀具材料中高速鋼和硬質(zhì)合金

材料的特性及應用場合；簡單介紹了其他刀具材料的性能及應用。

【目的要求】

1、明確刀具材料應具備的性能；

2、掌握常用刀具材料中高速鋼和硬質(zhì)合金的性能及應用場合；會根據(jù)具體加

工工藝情況選擇不同牌號的刀具材料。

3、了解其他刀具材料的性能。

【本章內(nèi)容】

概述

刀具材料是指刀具上參與切削的那局部材料。刀具的切削局部不但要求具有一定的

幾何形狀，而且還要求有相應的刀具材料。目前廣泛應用的刀具材料由高速鋼和硬質(zhì)合

金。隨著生產(chǎn)率的不斷提高和難加工材料的日益廣泛應用，超硬刀具材料也不斷涌現(xiàn)如

陶瓷、立方氮化硼以及金剛石（人造）等。

時間刀具材料切削速度

1900年以前碳工鋼低

1900年左右高速鋼提高六倍

在以后的相繼幾十年里，據(jù)統(tǒng)計，每十年切削速度能提高一倍，耐用度可提高兩倍。

高速鋼一般允許切削速度為25?30m/min；硬質(zhì)合金允許的切削速度為lOOm/min.

要提高切削加工的生產(chǎn)率，就需要提高切削速度和刀具耐用度，那末就要求提供

切削性能更好的刀具材料，以便進一步提高切削加工生產(chǎn)率及加工質(zhì)量。

由于切削過程中會產(chǎn)生切削抗力、切削熱、沖擊和振動，那么刀具材料具有哪些

性能才能滿足要求呢？

§1-1刀具材料應具備的性能

一、硬度和耐磨性

刀具材料的硬度一定要大于工件材料的硬度，一般常溫硬度超過60HRC以上。高速

鋼在63?66HRC以上，硬質(zhì)合金在74?81.5HRC左右，人造金剛石lOOOOHVo

一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。因為均勻分布的細化碳化物數(shù)量越

多，顆粒越小，耐磨性就越高。

二、強度和韌性

在切削過程中，刀具承受很大的壓力，只有抗彎強度好，切削用量才不會發(fā)生變化。

粗加工余量不均，切削力發(fā)生變化，對刀具有沖擊和震動，如果韌性不好，常會出現(xiàn)崩

刃或折斷。

硬度和韌性是一對不可解決的矛盾，如高速鋼的韌性好，而硬質(zhì)合金的硬度高，在

下一節(jié)中我們會講到。

三、耐熱性

耐熱性是指在高溫下刀具材料保持硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。用紅硬性表

示。高溫下硬度越高，那么紅硬性越好。

碳素工具鋼的紅硬性200?250℃,高速鋼不超過650℃,硬質(zhì)合金約800?1000℃。

四、良好的工藝性

熱處理性能好-一淬透性

工藝性良好焊接性能好——易焊接

鍛造性能好一一如麻花，先擰后鍛

磨削性能好一一易刃磨

總之，刀具應具備的性能主要就這四個方面，當然還有經(jīng)濟性、切削性能的可預

測性等要求，這里不作為講述內(nèi)容。

§1-2常用刀具材料

Id前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合

金及陶瓷等。

一、碳素工具鋼

碳素工具鋼是一種含C量較高的優(yōu)質(zhì)鋼（含C一般為0.65-1.35%）.

1、常用牌號

T7A、T8A……T13A其中T一碳，A——高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼

2、主要性能

淬火后硬度較高，可達HRC61?65；紅硬性為200C?250℃,價格低廉，不耐高溫,

切削速度因此而不能提高，允許切削速度VcWlOm/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、

鋸條、鋰等；優(yōu)點：易刃磨，可獲得鋒利的刀刃。

二、合金工具鋼

在碳素工具鋼中參加一定量的鋁（Cr）、鴿（W）、錦（Mn）等合金元素，能夠提高

材料的耐熱性、耐磨性和韌性，同時還可以減少熱處理時的變形。

1、主要牌號

9SiCr：9表示平均含C量為0.90%,Si、Cr平均含量均小于L5%；

CrWMn：平均含C量大于1.0%,Cr>W.Mn平均含量均小于1.5%。

2、主要性能

淬火后的硬度可達HRC61?65,紅硬性為300C?400C,允許切削速度Vc=10?

制作低速、形狀比擬復雜、要求淬火后變形小的刀具。如板牙、拉刀、手用錢

刀（孔的精加工）等。

三、高速鋼

高速鋼是一種高合金工具鋼，鋼中含有W、Mo、Cr、V等合金元素，這些合金元素

的含量較高，主要改變以往工具鋼的性能。

（一）高速鋼的性能：

1、具有高的強度和韌性；

2、良好的耐磨性，63?66HRC（參加V元素的作用）；

3、紅硬性為600℃（參加W元素的作用）；

4、允許切削速度Yc=25?30m/min：

高速鋼經(jīng)過適當熱處理，可獲得良好的切削性能。用高速鋼制成的刀具，在切削

時顯得比一般低合金工具鋼刀具更加鋒利，因此又俗稱鋒鋼。高速鋼區(qū)別于其他一般工

具鋼的主要特性是它具有良好的熱硬性（紅硬性），當切削溫度高達600C左右時硬度仍

無明顯下降，能以比合金工具鋼更高的切削速度進行切削，高速鋼由此而得名。

5、具有良好的制造工藝性；

高速鋼能鍛造，易刃磨，能制造形狀復雜的及大型成形刀具，如鉆頭、絲錐、成

形刀具、拉刀、齒輪刀具、整體銃刀盤等都用高速鋼。高速鋼的焊接、韌性、熱處理性

能好。

6、可獲得鋒利的刀刃（鋒鋼之稱）；

7、加工范圍較大：鑄鐵、有色金屬、鋼（指正火狀態(tài)下，淬火狀態(tài)不能加工）

（二）高速鋼的分類

高速鋼按用途來分可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。

1、普通高速鋼：工藝性好，可滿足一般工程材料的切削加工。又可分為

鴇系高速鋼：W18Cr4V（最常用，刃磨性好）

銅系高速鋼：W6Mo5Cr4V2

2、高性能高速鋼

通過調(diào)整根本化學成分和添加其他合金元素，，使其性能比普通高速鋼提高一步，

可用于切削高強度鋼，高溫合金、鈦合金等難加工材料。分類：

高碳高速鋼：95W】8CQV（含C量為0.95%）

高銳高速鋼：W6M05行4V3（提高耐磨性）

鉆高速鋼：W6Mo5Cr4V2Co8

鋁高速鋼：W6Mo5Cr4V2Al

四、硬質(zhì)合金

指有高硬度、高熔點的碳化物，用金屬粘結(jié)劑，經(jīng)過高壓成形，在500℃的高溫

下燒結(jié)而成的材料為硬質(zhì)合金。

組成：硬質(zhì)相（TiC或WC：+粘結(jié)相（Co、Ni、Mo等，其中Co比擬常用）

（-）主要性能

1、常溫硬度74?81.5HRC,紅硬性為800℃?1000C,耐磨性優(yōu)良。

2、允許切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超過200m/min.

硬質(zhì)合金刀具的切削速度比高速鋼提高4?7倍，刀具壽命可提高5?80倍。有的

金屬材料如奧氏體耐熱鋼和不銹鋼等用高速鋼無法切削加工，假設用含WC的硬質(zhì)合金

就可以切削加工，硬質(zhì)合金還可加工硬度在HRC50左右的硬質(zhì)材料。

3、脆性較大，怕沖擊和振動。容易出現(xiàn)崩刃，因此注意加工條件。

4、制造工藝性差。由于硬度太高，不能進行機械加工，因而硬質(zhì)合金經(jīng)常制成一

定規(guī)格的刀片，焊在刀體上使用。如硬質(zhì)合金端銃刀(非整體式的)

5、加工范圍較廣。脆性材料、鋼材、有色金屬等均可加工。

(二)分類

硬質(zhì)合金分為

鴇鉆類硬質(zhì)合金(YG)I前二者應

鴇鉆鈦類硬質(zhì)合金(YT)」用較廣

添加稀有金屬硬質(zhì)合金(YA、YW)

碳化鈦基硬質(zhì)合金(YN)

1、鋁鉆鈦類硬質(zhì)合金YG

(1)組成：WC+Co

(2)常用牌號：YG3、YG6、YG8(3、6、8、代表Co含量占3樂6樂8%)

當Co的含量較多時，WC的含量較小時，那么硬度較低，韌性和強度提高，硬度

下降，耐磨性降低；反之，韌性和強度下降，硬度提高，耐磨性、耐熱性提高。

(3)應用：

YG3(精加工)YG6(半精加工)YG8(粗加工)

------------------------------------------------------?

Co的含量f韌性1強度fHRCI耐磨性I

<------------------------------------------------------

Co的含量I韌性I強度IHRCt耐磨性t脆性t

主要用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料，不適合加工鋼料，因為在640C時發(fā)生嚴

重粘結(jié)，使刀具磨損，耐用度下降。

為了適應各種加工情況的需要，在含C。量相同的情況下，按WC粉末的不同粒度

分為粗晶粒(YG3C)、細晶粒1YG3X)、中間晶粒(YG3)。一般硬質(zhì)合金為中間晶粒。

2、鋁鉆鈦類硬質(zhì)合金(YT)

(1)組成：硬質(zhì)相(WC+TiC)+粘結(jié)相(Co)

（2）常用牌號：YT5、YT14xYT15>YT30（數(shù)字表示TiC的百分含量）

（3）應用：

YT5［粗加工）YT14、YT15（半精加工）YT30（精加工）

-----------------------------------------------------------------?

TiC含量f硬度t耐磨性f脆性t韌性I

?-----------------------------------------------------------------

TiC含量I硬度I耐磨性I脆性I韌性t

主要用于加工鋼材及有色金屬，一般不用與加工含Ti的材料，如lCrl5Ni9Ti,Ti

與Ti的親合力較大，使刀具磨損較快。

3、添加稀有金屬硬質(zhì)合金

鴇但（銀）鉆類硬質(zhì)合金（YA）和鴇鈦但（銀）鉆類硬質(zhì)合金（YW）,是在鋁鉆鈦

類硬質(zhì)合金（YT）中參加TaC（NbC）,可提高其抗彎強度、疲勞強度和沖擊韌性，提高和

金的高溫硬度和高溫強度，提高抗氧化能力和耐磨性。這類合金可以用于加工鑄鐵及有

色金屬，也可用于加工鋼材，因此常成為通用硬質(zhì)合金，他們主要用于加工難加工材料。

4、碳化鈦基硬質(zhì)合金（YN）

這種合金有很高的耐磨性，有較高的耐熱性和抗氧化能力，化學穩(wěn)定性好，與工

件材料的親合力小，抗粘結(jié)能力較強。主要用于鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工和粗加

工。

（三）涂層硬質(zhì)合金的選用

涂層硬質(zhì)合金是采用韌性較好的基體（如硬質(zhì)合金刀片或高速鋼等），通過化學氣

相沉積和真空濺射等方法，對硬質(zhì)合金外表涂層厚度為5?1211nl的涂層材料以提高刀

具的抗磨損能力。

涂層材料為TiC、TiN、ALCh等。適合于各種鋼材、鑄鐵的半精加工和精加工，也

適合于負荷較小的精加工。

§1-2其他刀具材料

1、陶瓷材料

主要是以氧化鋁（AL03）或氮化硅（SiN）等為主要成分，經(jīng)壓制成型后燒結(jié)而

成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化學性能穩(wěn)定，耐氧化，所以被廣泛用于高速切削加工

中。但由于其強度低，韌性差，長期以來主要用于精加工。近幾年來采用先進的工藝，

使其抗彎強度、抗沖擊性能有很大的提高，應用范圍在日益擴大。除適于一般的精加工

和半精加工外，還可用于沖擊負荷下的粗加工。

陶瓷刀具和傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具相比，具有以下優(yōu)點：

1）可加工硬度高達HRC65的高硬度難加工材料；

2）可用于扒荒粗車及銃、刨等大沖擊間斷切削；

3）耐用度提高幾倍至幾十倍；

4）切削效率提高3?10倍，可實現(xiàn)以車、銃代磨。

2、立方氮化硼

它是70年代才開展起來的一種人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高

溫、高壓下參加催化劑轉(zhuǎn)變而成的。其硬度很高，可達8000?9000HV,僅次于金剛石，

并具有很好的熱穩(wěn)定性，可承受1000C以上的切削溫度，它的最大的優(yōu)點是在高溫

1200C?1300C時也不會與鐵族金屬起反響。因此既能勝任淬火鋼、冷硬鑄鐵的粗車和

精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削。

3、金剛石

分為人造和天然兩種，是目前最硬的，硬度約為HV10000,故其耐磨性好，缺乏之

處是抗彎強度和韌性差，對鐵的親和作用大，故金剛石刀具不能加工黑色金屬，在800℃

時，金剛石中的碳與鐵族金屬發(fā)生擴散反響，刀具急劇磨損。

金剛石價格昂貴，刃磨困難，應用較少。

主要用作磨具及磨料，有時用于修整砂輪。

課后作業(yè)：課后習題一第一章（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）

第二章刀具根本定義

【內(nèi)容提要】

本章主要介紹切削運動及形成的外表、刀具幾何角度、機動時間、金屬切除率的根本

概念；明確切削用量要素和切削層參數(shù)；常用刀具靜止和工作狀態(tài)下的特點及應用知識。

【目的要求】

1、明確根本概念，會畫刀具圖，能看懂刀具圖；

2、會根據(jù)加工具體情況判斷刀具靜止和工作狀態(tài)下的幾何角度、切削用量以及切削

層參數(shù)；

3、試根據(jù)加工具體情況正確選擇和確定刀具幾何角度、切削用量以及切削層參數(shù)。

【本章內(nèi)容】

第一次課

§2-1切削運動及形成外表

一、切削運動

金屬切削運動，是指刀具從工件外表上切除多余的金屬層，并形成符合要求的外表

(即符合精度、形狀、外表質(zhì)量上的要求)的運動。

切削時，通常切削運動按其所起的作用可分為兩種:主運動和進給運動。如圖。

1、主運動：指切削過程中速度最高、消耗功率最多的運動。

比方：車削外圓時工件旋轉(zhuǎn)運動，刨削平面時刀具直線往復運動。主運動有刀具或

工件來完成，其形式可以是旋轉(zhuǎn)運動或直線運動，但每種切削加工方法的主運動只有一

個。

主運動的速度即為切削速度，用匕表示，單位是m/min或m/s。值得注意的是以后

一提到切削速度就知道是主運動的速度。

2、進給運動：是新的金屬層不斷投入切削的運動。

表示方法：J(1)進給速度"/(mm/min或mm/s)

L(2)進給量/(單位mm/r)表示。

在生產(chǎn)實際中，有時將進給運動稱為走刀運動，進給量稱為走刀量。

進給運動的速度和消耗的功率都要比主運動小得多。

比方：車削外圓時車刀的縱向連續(xù)直線進給運動；刨削平面時工件的間歇直線進給

運動。

進給運動形式可以是直線運動、旋轉(zhuǎn)運動或兩者的組合，也可以是連續(xù)的或是斷續(xù)

的。有工件或刀具來完成進給運動，但進給運動可能不止一個。

3、合成切削運動

進行切削時，主運動與進給運動同時進行。對于刀具切削刃上的一點來說都是做的

合成切削運動。假設A點，相對于工件有一個旋轉(zhuǎn)運動，同時又相對工件作了一個直線

運動，那么A點的合成切削運動速度用匕表示，即

（是矢量相加，而不是大小相加）

Ve=Vc+Vf

由于匕=冗Z'n/1000,切削刃上各點速度匕不等，由此可推出合成切削速度匕在各點

上的大小和方向也不相等。

對于外圓車刀來講，直徑d大的地方合成速度也匕大。

二、工件上的幾個外表

1、待加工外表：即將被切除的外表；

2、加工外表：切削刃正在切削的外表；

3、已加工外表：切削后形成的新外表。

切屑：在刀刃的作用下離開工件母體的金屬或者說被切下的金屬。

（本節(jié)掌握：主運動、進給運動和合成切削運動的概念）

§2-2刀具切削局部幾何角度

同學們想一想，為什么要以外圓車刀為例？

切削刀具的種類繁多，形狀各異。但從切削局部的幾何特征上看，卻具有共性。外

圓車刀切削局部的根本形態(tài)可作為其他各類刀具的切削局部的根本形態(tài)。因此外圓車刀

可以看是其他各類刀具的演變，都是在這個根本形態(tài)上演變出各自的特點，所以本節(jié)以

外車刀切削局部為例，給出刀具幾何參數(shù)方面的有關(guān)定義。

一、外圓車刀切削局部的組成

車刀由刀桿和刀頭組成，也就是導體和切削局部。刀體用于安裝切削局部用于進行

金屬切削加工。切削局部的組成：

1、前刀面Ar：切屑流經(jīng)的刀面。

2、后刀面A。：與加工外表相對的刀面。

3、副后刀面Aa'：與已加工外表相對的刀面。

4.主切削刃S：前后刀面的交線。負擔主要的切削工作。也稱主刀刃。

5、副切削刃S':前面與副后刀面的交線。只參加少量的切削，形成已加工外表。

也稱副刀刃。

6、刀尖：主副刀刃的交點。它可以是一個點、直線或圓弧。

由此可看出：外圓車刀切削局部的特點是“321〃；即3面2刃1尖。而切斷刀切

削局部的特點是“432〃。即4面3刃2尖。

二、刀具標注角度坐標系

刀具要從工件上切下金屬，就必須是它具備一定的切削角度，也正是由于這些角度才決定了

刀具切削局部各外表的空間位置。為了確定切削局部各刀面在空間的位置，要人為的建立基準坐

標系。要建立坐標系，首先應建立坐標平面。以這些坐標平面為基準，建立坐標系，平面稱為基

準坐標平面。

基準坐標平面基面Pr二者以切削速度匕為依據(jù)

<>

J切削平面Ps.

派※在建立基準坐標平面以前，首先要做兩點假設：

（1）假設主運動方向垂直于車刀刀桿底面；

（2）假定進給運動方向平行于車刀刀桿底面。

有了這兩點假設，我們就好定義基準坐標平面了。

（1）基面Pr：過切削刃上的選定點，垂直于切

削速度方向的平面。

特點：匕相切于外圓，那么Pr〃刀桿底面。

進給方向在Pr內(nèi)。

（2）切削平面R：過切削刃上的選定點，包括切削刃或切于切削刃（曲面刃）且

垂直于基面Pr的平面。

特點：Ps_L刀桿底面，匕方向在R內(nèi)。PsiPro巳不垂直于P,。

▼▼考慮問題：分析切斷刀的基面P「和切削平面P”

為了能清楚的表達切削局部的空間幾何角度，人為的建立起空間坐標系。

「主剖面系------------------------最常用

空間坐標系法剖面系------------------------較常用

進給、切深剖面系一較'常用

最大前角、最小后角剖面系少月

下面先學習主剖面參考系

（―）主剖面參考系（Pr-Ps-Po）

主剖面參考系包括「基面Pr、切削平面Ps：基準坐標平面

L主剖面P。：測量平面

Pr和Ps的概念已講過，這里主要講主剖面Po：

（1）概念：過切削刃上選定點，同時垂直于基面Pr和切削平面R的平面，或者說

垂直于切削刃在基面Pr上的投影。

（2）特點：Po±Ps1PrP。包含切削速度匕的方向。

通過以上分析我們知道，用坐標平面和測量平面與刀具各刀面間形成相應的角度，

從而可以確定各刀面在空間的位置。例：前刀面4的位置是由前刀面Ar和基面P「在主

剖面Po內(nèi)形成的角度確定；后刀面A“由后刀面A“與切削平面在主剖面P。內(nèi)形成的角

度確定。

（本次課還需掌握外圓車刀切削局部的組成；掌握主剖面參考系中基面、切削平面

以及主剖面的概念及特點。）

課后作業(yè)：課后習題一第二章：（1）、（2）、（3）

第二次課

（二）主剖面參考系中表達的角度

在主剖面系中，刀具的標注角度有六個：Kr、K「、Y。、a。、a?！腿雜。下

面我們逐一討論。

1）在基面Pr內(nèi)度量的角度（俯視圖，讓刀具投影到基面上）

主偏角Kr：在基面Pr內(nèi)，切削刃與進給運動方向間的夾角；

副偏角在基面P,內(nèi)，副切削刃與進給運動反方向間的夾角；

刀尖角￡r：￡r=180°-（Kr+K/）,是函數(shù)角；

2）在主剖面P°內(nèi)度量的角度（0-0剖面P。內(nèi)）

前角Yo：在主剖面Po內(nèi)，前面與基面Pr之間的夾角；

前角丫。的正負的判定：前面高于基面Pr時為負；前面低于基面巴時為正；前面與

基面Pr重合時為零。

后角a。：在主剖面P0內(nèi)，后面與切削平面P.間的夾角；

楔角B。：在主剖面P。內(nèi)，前、后面間的夾角。Po=90°-（Yo+ao）;是一個函數(shù)角；

3）在副剖面P。內(nèi)度量的角度（0'-0'剖面PJ內(nèi)）

副后角。?！涸谄拭鍼J內(nèi)，副后面與副切削平面R間的夾角；

副前角丫。'：在剖面P?！瘍?nèi)，基面H與前面間的夾角；

▼▼補充說明：副切削刃同主切削刃一樣，也可以建立副切削平面R、副基面H、副

剖面P。’，此時是在副切削刃上找一任意選定點。

4）在切削平面R內(nèi)度量的角度（刀具在切削平面R內(nèi)投影）

刀具在切削平面R內(nèi)投影，就相當于在車刀的后面有一個平面，這個平面與切削

平面P$平行，然后將車刀投影在這個平面內(nèi)。

刃傾角入s：在切削平面Ps內(nèi)，切削刃與基面Pr間的夾角；

刃傾角人,正負的判定：以刀尖點為基準點

r刀尖點是刀刃的最高點，那么刃傾角3為正；

《刀尖點是刀刃的最低點，那么刃傾角3為負；

l刀刃與基面重合或平行，那么刃傾角入s為零：

以上四點，分別闡述了在主剖面系中四個平面即基面件、主剖面P。、副剖面汽'、

切削平面R內(nèi)要度量的角度。由于主刀刃與副刀刃在一個前面上，當前角Y。和刃傾角

3確定時，副前角丫。也就確定了，因此它是函數(shù)角，不做標注。

對于一把外圓車刀，在主剖面系中要表達的有：

廠在基面Pr內(nèi)---主偏角Kr、副偏角

6個獨立的角度在主剖面P。內(nèi)---前角丫。、后角a

（做標注）在副剖面P。內(nèi)一一副后角a。’

匚在切削平面Ps內(nèi)一一刃傾角A

2個函數(shù)角在基面H內(nèi)一一刀尖角叫

（不做標注）L在主剖面孔內(nèi)一一楔角

▼▼思考題

主刀刃、前面、后面和副后面的空間位置由哪幾個角度表達出來？

主刀刃一一主偏角和刃傾角Xs；

前面---前角Y。；

后面---主偏角Kr和后角a。；

副后角一一副偏角K「和副后角aJ。

（掌握：六個獨立的幾何角度的定義。）

（三）法剖面參考系（Pr-Ps-Pn）

法剖面參考系輔助刀具的設計、制造和切削性能分析。

1、法剖面Pn：指過主切削刃上選定點與主切削刃相垂直的平面。特點：Pn_L主切

削刃。

2、法剖面參考系中度量的角度：

（1）在基面Pr內(nèi)度量的角度主偏角、副偏角K「，在切削平面R內(nèi)度量的角

度刃傾角入s與主剖面系完全相同。

（2）在法剖面Pn內(nèi)度量的角度：在主切削刃上選定點，作出法剖面

「法前角Yn：前面與基面Pr間的夾角，其正負判別方法與前角Y。相同。

Y

、法后角an：主后面與切削平面Ps間的夾角。

※※法剖面Pn與主剖面孔間的夾角為刃傾角入S，當入S=O時，法剖面Pn與主剖面P。

重合。

（四）進給、切深剖面參考系（Pr-Ps-Pf-Pp）

進給、切深剖面參考系（K-Es-PrEp）輔助刀具的設計、制造和刃磨。

1、進給剖面Pf：指過主切削刃上選定點，垂直與基面并平行于假定進給運動方向

的平面。特點：Pf_LP「Pr〃假定進給運動方向。

2、切深剖面Pp：指過主刀刃上選定點，并垂直與基面H和進給剖面Pf的平面。特

點：PplPrlPfo

3、進給、切深剖面參考系中度量的角度：

（1）在基面Pr內(nèi)度量的角度主偏角K「、副偏角K「，在切削平面R內(nèi)度量的角

度刃傾角入s與主剖面系完全相同。

（2）在進給剖面Pf內(nèi)度量的角度

進給前角Yf：前面與基面Pr間的夾角，其正負判別方法與前角Y。相同。

進給后角a主后面與切削平面R間的夾角。

（3）在切深剖面Pp內(nèi)度量的角度

切深前角YP：前面與基面Pr間的夾角，其正負判別方法與前角丫。相同。

切深后角ap：主后面與切削平面R間的夾角。

（要求：理解法剖面系和進給、切深剖面系中的角度、平面定義。）

※※小結(jié)：

,主剖面參考系中表達的角度有六個：K,、K」、Y。、a。、aj和％

《法剖面參考系中度量的角度有六個：Kr、K」、Yn、a八叫」和人§

I進給、切深剖面參考系中度量的角度有七個：Kr、K/、Ya丫八CIp和人§

課后作業(yè)：課后習題一一第二章（5）、（6）

第三次課

四、刀具工作角度

上面講到的刀具標注角度，是在忽略進給運動的影響，而且刀具乂按特定條件安裝

的情況下給出的。刀具在工作狀態(tài)下的切削角度，即刀具的工作角度，應該考慮包括進

給運動在內(nèi)的合成切削運動和刀具的實際安裝情況。

下面來學習兩個概念

1）工作基面Pre：過切削刃上選定點，垂直于合成切削運動匕方向的平面。特點:

Prc±Ve

2）工作切削平面P$c：過切削刃上選定點，包含切削刃并垂直于工作基面已的平面。

特點：合成運動速度匕在工作切削平面Pw內(nèi)，Prc±Pseo

（一）進給運動對刀具幾何角度的影響：

1、橫向進給

在進給剖面內(nèi)，（也是在主剖面內(nèi)）

C工作進給前角Yfe

j工作進給后角一

lP?與P,在P/?內(nèi)的夾角。一Pf

從圖中我們可看出，工作基面與工作切削平面相對與基面和切削平面均轉(zhuǎn)過角度〃

/,從而改變了刀具的工作角度，在實際工作中起作用的是工作進給前角^和工作進給

后角5。

j工作進給前角y行丫Hy.汁打（增大）

I工作進給后角a滬a占a「修（減?。?/p>

如果讓工件旋轉(zhuǎn)一周，那末進給量為人那么以/和不4,分別為直角邊可以得到一

個三角形，其有一夾角為〃戶那么

▼▼分析：當采用白動進給切斷時，

1）進給量一定，工件直徑不斷減小，甚至為零，那么〃不斷增大，結(jié)果。

兄二町-〃/有可能為負值；可以說在直徑很小時，并非是切斷，而是后刀面的擠斷。

2）為防止4。二4.〃尸0,對切斷刀的后角應采用較大值，并在切斷終了時，采用

減小進給量的方法。

2、縱向進給

前面我們學習了切斷刀的橫向進給情況，外圓車刀不同于切斷刀，它進行縱向進給,

下面我們以外圓車刀為例來分析一下縱向進給時對刀具幾何角度的影響。

首先畫出進給剖面廣尸，分析切削速度匕和合成切削速度匕，找到各面尸八Pr-

2和Psc，得到相應的；7、aA〃后Y打、〃/等，那末在進給剖面尸-尸內(nèi)，由圖可得

C工作進給前角Yfe=丫井〃/（增大）

I工作進給后角dfe-OfUf（減?。?/p>

如果讓工件旋轉(zhuǎn)一周，那末進給量為了,那么以/和不乩,分別為直角邊可以得到一

個三角形，其有一夾角為那么

如果我們想知道主剖面0-0內(nèi)刀具工作角度的大小，該如何去換算他呢？

作主剖面0-0,首先得基面Pr和切削平面Ps，然后過B點做主刀刃的平行線，得

C點。這樣工件轉(zhuǎn)過一周ndw，在主剖面0-0內(nèi)刀尖進給AC,那么Pre、Psc面相應找

到，也就相應有Yoe、Yoxaoexa。、Uo角，由圖可知：

f工作前角Yoe=Yo+uO（增大）

l工作后角aao-MO（減?。?/p>

一般外圓車刀的口值較小，口弋30'?40,可忽略不計。但車削螺紋時，尤其是

大導程或多頭螺紋時，U°的值很大，不能忽略。

（二）刀具安裝位置對刀具工作的影響

1、刀具安裝高、低的影響

在安裝刀具時，刀尖有可能高于工件中心，有可能低于工件中心。首先來看高于中

心時的情況。設刀具入s=0,以外圓車刀為例，AB、AC都投影在刀桿底面上。

在切深剖面Pp內(nèi)，工作基面Pre與基面Pr間的夾角為Op,為計算方便做小三角形。

在這里有幾點假設：

（1）刀尖高于工件中心值一一版mm）;

（2）不計進給運動速度的大小—Vf=O；

（3）九$=0

所以有

由圖可知「工作切深前角yrP+ep（增大）

在切深剖面Pp內(nèi)I工作切深后角。“二"%（減?。?/p>

在主剖面o-o內(nèi)J「-工L作刖前片角3九+°。（增大）

?工作后角

a叱=aQ-9。（減小）

▼▼對于刀具刀尖位置低于工件中心時的情況，作為思考題留給大家，下次課提問。

2、刀桿軸線安裝不垂直與進給運動方向的影響

在基面內(nèi)，假設刀桿軸線在安裝時，不垂直與進給運動方向，刀桿軸線的垂線與進

給運動方向的夾角為，使刀具工作主、副偏角發(fā)生變化。如圖。

(1)車外圓時(2)加工錐面時

CK**r+G「KQK「G

LKre，=Kr，-G?*rv'=*r'+G

注：在標注角度時，認為刀桿軸線與進給運動方向垂直。

課后作業(yè)：課后習題一第二章(4)、(7)

第四次課

復習一次課內(nèi)容：

J刀具標注角度：不計進給運動，刀尖和工件軸線等高；

1刀具工作角度：考慮包括進給運動在內(nèi)的合成切削運動和刀具的實際安裝情

況，即刀尖高于或低于工件中心的情況。

(1)橫向進給對刀具工作角度的影響(切斷刀)

在進給剖面內(nèi)，也是在主剖面內(nèi)

’工作進給前角==Yf+i*f（增大）

.工作進給后角afe=aoe=arUf（減?。?/p>

⑵縱向進給對刀具匚作角度的影響（外圓車刀；設刀具入S=0）

r在進給剖面F-F內(nèi)----工作進給前角Yfe=Yf+Uf（增大）

----工作進給后角afc=a1-uf（減小）

I在主剖面0-0內(nèi)

1___工作前角Yoc=Yo+Uo（增大）

I_______工作后角aoc=ao-Uo（減?。?/p>

（3）在安裝刀具時，刀尖高于工件中心（外圓車刀；設刀具入s=0）

在切深剖面Pp內(nèi)——工作切深前角Ype=Yp+0p（增大）

一工作切深后角ape=ap-0p（減?。?/p>

在主剖面0-0內(nèi)—_工作前角Yoc=Yo4-0o（增大）

—I作后角aoc=ao-0o（減小）

（4）在安裝刀具時，刀尖低于工件中心（外圓車刀：設刀具入s=0）

，在切深剖面PpF*T1-工作切深前角Ype=Yp?4（減?。?/p>

1-工作切深后角ape=aP+0P（增大）

〔在主剖面0-0內(nèi)――工作前角丫優(yōu)=丫。?0。（減?。?/p>

---工作后角aoe=ao+0o（增大）

（5）車右旋螺紋時

左刀刃/工作前角YfeL=Uf

L工作后角akL=a七山

右刀刃「工作前角YfcR=3f

Y

L工作后角afCR=a抵+uf

思考：車左旋螺紋時，工作角度有何影響？

§2-3切削用量與切削方式

一、切削要素

切削要素分為兩大類：切削用量要素和切削層橫截面要素。

（一）切削用量要素

切削用量是用于表示主運動、進給運動和切入量參數(shù)的數(shù)量，指切削速度匕、進給

量f和切削深度如這三個要素。三者要根據(jù)不同的工件材料、加工性質(zhì)和刀具材料來選

擇，主要用于調(diào)整機床，編制工藝路線。

1.切削速度匕

切削速度匕一一指刀具切削刃上選定點相對于工件的主運動的速度。

Vc-〃乩〃/1000（mm/min）

式中d-完成主運動的刀具或工件的最大直徑（mm）；

主運動的轉(zhuǎn)速（r/min或r/s）

例：外圓車刀車削外圓時，工件的旋轉(zhuǎn)速度；

刨刀刨削平面時，刨刀的直線運動速度；

鉆床上鉆孔時，麻花鉆的旋轉(zhuǎn)運動速度；等等。

2、進給量f

進給量是指工件或刀具的主運動每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)（或每一行程時），刀具切削刃相對于工

件在進給運動方向的移動量。

例如：車削時的進給量是指工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，切削刃沿進給方向的移動量。（mm/r）

進給速度十：指切削刃上選定點相對于工件的進給運動的瞬時速度。

Vf=nf（mm/min或mm/s）

3、切削深度知

切削深度即是指在基面P,上，垂直于進給運動方向測量的切削層尺寸。

車削時：斯=（dw-dm）/2（實質(zhì)為半徑之差）（工件外表之間的垂直距離）

式中dw---工件待加工外表直徑；

dm一一工件已加工外表直徑：

（二）切削層橫截面要素（在基面中度量）

切削層指切削刃移動一個進給量所切除的這一層金屬。

切削層的形狀與尺寸直接影響切削變形、刀具切削局部所承受的負載和切削的形狀

和尺寸。

1、切削厚度加

指在基面內(nèi)垂直于加工外表度量的切削層尺寸。%=/而勺

切削刃為圓弧刃時，加處處不等。

2、切削寬度M

b=a/sinK

指在基面內(nèi)沿著加工外表度量的切削層尺寸。Dpr

當仁=90°時，而=M；切削寬度是切削刃和加工外表的接觸長度在基面上的投影。當

九二0,為切削刃的實際長度。

由于切削厚度hD說明切削層的厚度，而切削寬度bD反映了切削層的長度。因而用

切削厚度hD和切削寬度bD比用進給量f和切削深度ap更能反映切削斷面形狀的特性。

3、切削層橫截面積AD

2

指基面與切削層相截的面積。AD=hrybD=faP(mm)

二、切削方式

自由切削：指只有一條直線切削刃參加工作的切削；

,非自由切削：指曲線切削刃后主、副切削刃同時參加工作的切削。

直角切削：切削速度方向與切削主刀刃相垂直的切削；

'斜角切削：刃傾角、不為零的刀具進行的切削。

三、機動時間和金屬切除率

1、機動時間

機動時間加是指刀具的切削時間，它是衡量刀具切削效率上下的一個指標；

tm=LA/(nfaP)(min)

式中，L一刀具工作長度=工件長度+車刀切入、切出長度；

A—工件半徑方向加工余量，A4為走刀次數(shù)；

把〃=1000匕/(不乩)代入上式得

tm-L"dwA/(l000V^ap)(min)

2、金屬切除率Q

金屬切除率0是指單位時間切下工件材料的體積；

3

Qz=1000(mm/min)

由上兩式可以得出如下結(jié)論：

在Vc、f和ap三要素中，提高任何一個都可縮短機動時間tm,增大金屬切除率Qz,

提高切削效率。

課后作業(yè)：課后習題一第二章(8)、(9)

第三章金屬切削根本理論

【內(nèi)容提要】

本章主要介紹切削力、切削熱、切削溫度、刀具磨損和刀具耐用度的根本概念；切削

力、切削熱、切削溫度和刀具磨損的根本規(guī)律；應用上述規(guī)律選擇刀具材料、幾何參數(shù)、

切削用量、切削液和控制切屑的原那么和方法。

【目的要求】

1、了解與掌握金屬切削過程的根本物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律；

2、能根據(jù)具體加工情況正確計算切削力、刀具耐用度以及一定刀具耐用度所允許的

切削速度。

3、能根據(jù)具體加工情況正確選擇和確定刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量等；

【本章內(nèi)容】

第一次課

金屬切削理論是從生產(chǎn)實際和切削實驗中得來的，總結(jié)了關(guān)于金屬切削過程中的根

本物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律。這些根本物理現(xiàn)象包括：切削變形、切削力、切削溫度和刀

具磨損等。為了提高切削加工的生產(chǎn)率，降低加工本錢，保證質(zhì)量，我們來學習和掌握

這些規(guī)律。

§3-1切削變形

一、切屑的根本形態(tài)

金屬切削時，由于切削用量和刀具幾何參數(shù)的不同，會出現(xiàn)各種不同形態(tài)切屑。從

變形角度考慮，切屑的形態(tài)歸納為四種根本形態(tài)。

1、帶狀切屑：

切屑呈連續(xù)狀，與前面接觸的底層光滑，反面成毛茸狀。一般在加工塑性材料，采

用大的前角、小的切削厚度、高的切削速度時形成。變形較小，是比擬常見的切屑。

2、節(jié)狀切屑（擠裂狀切屑）

切屑反面呈鋸齒形，底層有時有裂紋，切削層變形大，加工硬化嚴重，使某一局部

的應力到達材料的強度極限，從而出現(xiàn)裂紋。

加工塑性材料，采用小的前角、小的切削速度會形成此類切屑。

3、單元狀切屑

切削塑性很大的材料，發(fā)生強度破壞嚴重，變性大，切削力大，

切削功率大。切屑與前面發(fā)生粘結(jié)，變形充分，使材料到達斷裂極限，形成很大的變形

單元。

4、崩碎狀切屑

切削脆性材料，形狀為片狀或粒狀切屑。工件材料愈硬，刀具前角愈小，愈容易形

成此類切屑。

由上述介紹可知，帶狀切屑形成時，切削力變化較小，切削穩(wěn)定，已加工外表質(zhì)量

好：節(jié)狀和單元狀切屑形成時切削力有較大的波動，尤其是單元狀切屑，在其形成過程

中可能產(chǎn)生振動影響加工質(zhì)量：在切屑鑄鐵時，由于所形成的崩碎狀切屑是經(jīng)石墨邊界

處崩裂的，加工外表質(zhì)量下降。

二、切屑與已加工外表的形成

（一）切屑的形成及三個變形區(qū)

1、設切削層厚度，寬度，以切削速度向刀具接近。從0A線開始發(fā)生塑性變形，

到0M線剪切滑移根本完成。形成AOM塑性變形區(qū)。

塑性變形的主要特點是晶格間的剪切滑移，因此又稱為剪切區(qū)或第一變形區(qū)。

2、當切屑以速度沿前面流出時，進一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面

處的金屬纖維化，變形方向根本上與前面平行（即為晶格變形方向）。由于該變形主要

由摩擦引起，因而又稱摩擦變形區(qū)或第二變形區(qū)。

3、已加工外表受到切削刃鈍圓局部與后刀面的擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造

成纖維化與加工硬化，稱為第三變形區(qū)。

這三個變形區(qū)聚集在切削刃附近，此處的應力比擬集中，也比擬復雜，金屬的被切

削層就在此處與工件本體材料別離，一局部變成切屑，很小一局部留在已加工外表上。

第一變形區(qū)形成切屑，變形最大；第二變形區(qū)變形大小主要影響前面的磨損；第三變形

區(qū)的滑移變形，嚴重使已加工外表產(chǎn)生變形。

※※剪切滑移區(qū)（第一變形區(qū)）的變形機理

研究剪切滑移區(qū)的變形機理,

就是看材料是在該區(qū)域內(nèi)怎樣完

成變形的。

以切屑為研究對象。

設刀具對切屑的正壓力位

Fn,摩擦力位Ff,二者合力為Fr,在合理的作用下，在垂直它的橫截面上產(chǎn)生正應力

。。，在與該力大致星45°角的截面上產(chǎn)生最大剪應力T。

Oo=Fr/A,而T=。。/2

(1)假設最大剪應力T>Ts(材料的屈服極限)時，材料就沿剪應力的方向滑移(沿

剪切面滑移);

(2)假設最大剪應力T2Tb(材料的強度極限)時，材料發(fā)生剪切強度破壞，切屑

斷裂。

※※剪切滑移區(qū)(第一變

形區(qū))的變形過程

在切削層內(nèi)刃取一

點P,當點P為到達剪切滑

移區(qū)時，只產(chǎn)生彈性變

形，一旦到達該區(qū)域時，

就要產(chǎn)生剪切滑移一

塑性變形。

(1)OA線為始滑移線，0M線為終滑移線(都是等剪應力曲線)。當P點到達1

點的位置時，剪應力到達材料的屈服極限TS,開始產(chǎn)生剪切滑移，點1在向前移動的

同時，也沿0A滑移，其合成運動將使點1流動到點2。2-2'就是滑移量。隨著滑移的

產(chǎn)生，剪應力將逐漸增加，也就是當P點向1、2、3個點流動時，剪應力不斷增加，直

到點4位置，此時其流動方向與前面平行，不再沿0M線滑移。

(2)第一變