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1、庄万玉庄万玉电子科技大学电子科技大学 2005.102005.10（4）1第第4 4章章 金属切削的基本知识金属切削的基本知识4.1 4.1 切削运动与切削用量切削运动与切削用量4.1.1 4.1.1 工件表面的成形方法工件表面的成形方法 可逆表面可逆表面n 特点：特点：母线、导线可互换母线、导线可互换 不可逆表面不可逆表面1.1.工件常用表面工件常用表面2.2.工件表面的形成工件表面的形成术语：术语：线性表面线性表面发生线发生线：母线、导线母线、导线2345v3.发生线的形成发生线的形成切削刃与被加工表面之间按一定规律的切削刃与被加工表面之间按一定规律的相对运动，形成所需的母线和导线。相对运
2、动，形成所需的母线和导线。n轨迹法轨迹法 n 需一个独立的成形运动需一个独立的成形运动n成形法成形法 n 不需专门的成形运动不需专门的成形运动n相切法相切法 n 需两个独立的成形运动需两个独立的成形运动n展成法展成法 n 需一个复合运动（展成运动）需一个复合运动（展成运动）678910要获得所需工件表面形状，必须使刀具要获得所需工件表面形状，必须使刀具和工件按上述方法完成一定的运动。和工件按上述方法完成一定的运动。4 4表面成形运动表面成形运动直线运动直线运动旋转运动旋转运动常见的表面成形运动：常见的表面成形运动：11图图 车削外圆柱面的成形运动车削外圆柱面的成形运动to1812图图 刨削平面
3、的成形运动刨削平面的成形运动13切削工件时，工件与刀具之间的相对运动。切削工件时，工件与刀具之间的相对运动。主运动主运动 （一个）（一个）速度最高、消耗功率最大速度最高、消耗功率最大进给运动进给运动（一个或几个）（一个或几个）4.1.2 4.1.2 切削运动切削运动切削运动按其在切削中所起的作用分为：切削运动按其在切削中所起的作用分为：141516 工件上的加工表面工件上的加工表面n待加工表面待加工表面n已加工表面已加工表面n（加工表面）过渡（加工表面）过渡表面表面to12174.1.3 4.1.3 切削用量切削用量（切削三要素（切削三要素）n切削速度切削速度vc（主运动）（主运动）式中式中
4、d工件或刀具上某一点的回转直径（工件或刀具上某一点的回转直径（mmmm）n工件或刀具的转速（工件或刀具的转速（r/sr/s或或r/minr/min）例：例：外圆车削：外圆车削：计算计算待加工表面待加工表面上的速度上的速度 内孔车削：内孔车削：计算计算已加工表面已加工表面上的速度上的速度 钻削：钻削：计算计算钻头外径钻头外径处的速度。处的速度。*取最大的切削速度取最大的切削速度 18 进给速度进给速度vf 背吃刀量背吃刀量asp（吃刀辅助运动的大小）（吃刀辅助运动的大小）进给量进给量f(mm/r)(mm/r)（工件或刀具每回转一周时两者沿（工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移）进给
5、运动方向的相对位移）外圆车削：外圆车削：钻孔：钻孔：式中式中 dm已加工表面直径已加工表面直径 dw待加工表面直径待加工表面直径车削、刨削：车削、刨削：asp为工件上已加工为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离表面和待加工表面间的垂直距离 1920切削加工的阶段切削加工的阶段 划分加工阶段的优点：划分加工阶段的优点：n避免毛坯内应力的释放而影响加工精度避免毛坯内应力的释放而影响加工精度n避免粗加工时较大的夹紧力和切削力所引起的弹性避免粗加工时较大的夹紧力和切削力所引起的弹性变形和热变形对精度的影响变形和热变形对精度的影响n先粗加工，可及时发现毛坯的内在缺陷而决定取舍先粗加工，可及时发现毛坯
6、的内在缺陷而决定取舍（对铸件尤为重要）（对铸件尤为重要）n可合理使用机床可合理使用机床n便于工艺过程中热处理工序的安排。便于工艺过程中热处理工序的安排。粗加工、半精加工、精加工、精密加工、超精密加工粗加工、半精加工、精加工、精密加工、超精密加工2122注：大多数零件，只经过前三个阶段的加工。注：大多数零件，只经过前三个阶段的加工。23 4.1.4 4.1.4 切削用量的选择切削用量的选择1.1.选择切削用量的原则选择切削用量的原则（1 1）对于）对于粗加工，粗加工，要尽可能保证较高的要尽可能保证较高的金属切金属切除率除率和必要的和必要的刀具耐用度刀具耐用度。应应优先考虑采用大的背吃刀量，优先考
7、虑采用大的背吃刀量，其次考虑采用大的进给其次考虑采用大的进给量，最后才根据刀具耐用度选定合理的切削速度。量，最后才根据刀具耐用度选定合理的切削速度。（2 2）半精加工、精加工半精加工、精加工时首先要保证时首先要保证加工精度和表面加工精度和表面质量质量，同时应兼顾必要的刀具耐用度和生产效率。，同时应兼顾必要的刀具耐用度和生产效率。应应采用较小的背吃刀量和进给量。采用较小的背吃刀量和进给量。金属切除率：金属切除率：金属切除率：金属切除率：车削时，单位时间内的金属切除量。车削时，单位时间内的金属切除量。24 1 1）背吃刀量的选择）背吃刀量的选择（根据加工余量确定）（根据加工余量确定）粗加工：粗加工
8、：除留给下道工序的余量外，其余的粗车除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，使走刀次数最少。余量尽可能一次切除，使走刀次数最少。例：纵车外圆例：纵车外圆 中等功率机床：中等功率机床：asp可达可达8 810mm10mm（一般：（一般：一次切除背吃刀量一次切除背吃刀量asp）2.2.切削用量的确定切削用量的确定25当：粗车余量太大或工艺系统刚性较差，则可分次走刀当：粗车余量太大或工艺系统刚性较差，则可分次走刀 第一次走刀的背吃刀量第一次走刀的背吃刀量asp1 第二次走刀的背吃刀量第二次走刀的背吃刀量asp226半精加工、精加工：半精加工、精加工：根据粗加工留下的余量确定，根据粗加工
9、留下的余量确定，原则上一次切除。原则上一次切除。半精加工：半精加工：asp=0.52mm精精 加加 工：工：asp=0.10.4mm27半精加工、精加工：半精加工、精加工：根据根据工件工件表面粗糙度表面粗糙度的的要求要求查阅资料查阅资料确定进给量确定进给量f f。2 2）进给量的选择）进给量的选择粗加工：粗加工：在工艺系统刚度、强度条件允许下，在工艺系统刚度、强度条件允许下，选择最大的进给量选择最大的进给量f f。f f 值可查资料获得值可查资料获得当切削力很大、工件长径比很大时，需对刀当切削力很大、工件长径比很大时，需对刀具强度和机床进给机构强度校核。具强度和机床进给机构强度校核。f f大，
10、工件表面粗糙度大。大，工件表面粗糙度大。2829303）切削速度的确定）切削速度的确定Cv与刀具、工件材料和切削条件有关的系数与刀具、工件材料和切削条件有关的系数Kv切削条件与实验条件不同的修正系数切削条件与实验条件不同的修正系数T 刀具耐用度刀具耐用度m指数，表示切削速度对刀具耐用度的影响程度指数，表示切削速度对刀具耐用度的影响程度*由公式计算切削速度由公式计算切削速度*直接查阅资料获得切削速度的参考值直接查阅资料获得切削速度的参考值313233*材料加工性差材料加工性差:vc低低*粗车时粗车时:asp、f 均较大，均较大，vc较低较低*工件材料强度、硬度较高时工件材料强度、硬度较高时:vc
11、较低较低归纳：归纳：34校验机床功率校验机床功率nvc机床功率允许的切削速度机床功率允许的切削速度nPE机床电机功率（机床电机功率（KWKW）nFc主主切削力（切削力（N N）n 机床传动效率（机床传动效率（0.750.750.850.85）粗车时的切削用量受到机床功率的限制。粗车时的切削用量受到机床功率的限制。选定切削选定切削用量后，应效验机床功率是否足够，应满足：用量后，应效验机床功率是否足够，应满足：35nvc 切削速度切削速度m/minm/minndw工件未加工前的直径工件未加工前的直径mmmmn注：注：所选定的转速所选定的转速n n应按机床说明书最后确定应按机床说明书最后确定切削速度
12、确定后机床转速为：切削速度确定后机床转速为：其它注意事项参见教材其它注意事项参见教材其它注意事项参见教材其它注意事项参见教材P77P7736术语：术语：积屑瘤、鳞刺、振动积屑瘤、鳞刺、振动硬皮硬皮（表面变形强化）（表面变形强化）37 4.2 4.2 刀刀 具具4.2.1 4.2.1 刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义1.1.刀具切削部分的构造要素刀具切削部分的构造要素 以以车刀车刀切削部分为基础，确定金切削部分为基础，确定金属切削刀具工作部分几何形状的一般属切削刀具工作部分几何形状的一般术语。术语。3839402.2.刀具角度的静止参考系刀具角度的静止参考系 建立刀具静止参考系时的假
13、设建立刀具静止参考系时的假设（车刀为例）：（车刀为例）：*不考虑进给运动（不考虑进给运动（f=0f=0）*刀尖与工件中心等高，刀柄中刀尖与工件中心等高，刀柄中心线与工件轴线垂直心线与工件轴线垂直*主切削刃上选定点与工件中心主切削刃上选定点与工件中心等高等高目的：便于制造、刃磨和测量刀具角度目的：便于制造、刃磨和测量刀具角度 应用：欧洲标准、我国应用：欧洲标准、我国 正交平面参考系正交平面参考系基面基面PrPr切削平面切削平面PsPs正交平面正交平面PoPo41法法法法平面参考系平面参考系平面参考系平面参考系 背平面和假定工作平面参考系背平面和假定工作平面参考系背平面和假定工作平面参考系背平面和
14、假定工作平面参考系基面基面P Pr r *基面基面P Pr r切削平面切削平面P Ps s *背平面背平面P Pp p法平面法平面P Pn n *假定工作平面假定工作平面P Pf f应用：国际标准、我国应用：国际标准、我国 应用：美国、日本应用：美国、日本 42在刀具静止参考系中定义的角度在刀具静止参考系中定义的角度 称为称为刀具角度（刀具角度（刀具标注角度刀具标注角度）4.2.2 4.2.2 刀具角度刀具角度刀具在刀具在正交平面参考系正交平面参考系中的角度：中的角度：1.1.刀具标注角度刀具标注角度刀具角度的刀具角度的作用作用：确定刀具上切削刃的空间位置确定刀具上切削刃的空间位置 确定刀具上
15、前、后面的空间位置确定刀具上前、后面的空间位置43主偏角主偏角kr刃倾角刃倾角s前角前角o后角后角o副偏角副偏角kr副后角副后角o442.2.刀具工作角度刀具工作角度把刀具、工件和切削运动联系把刀具、工件和切削运动联系起来所确定的刀具角度。起来所确定的刀具角度。考虑合成切削运动方向！考虑合成切削运动方向！刀具工作角度参考系中，用刀具工作角度参考系中，用ve表示表示实际进给运动方向，各角度的脚标实际进给运动方向，各角度的脚标加注加注e e45 后刀面后刀面与与加工表面加工表面之间之间的接触和摩擦的情形不同的接触和摩擦的情形不同 三把刀具的标注角度相同三把刀具的标注角度相同但合成切削运动方向但合成
16、切削运动方向ve不同不同46刀杆中心线与进给方向不垂直，将引起工作主偏角刀杆中心线与进给方向不垂直，将引起工作主偏角Kre和工作副偏角和工作副偏角Kre的变化。的变化。工作主偏角增大（减小），工作副偏角减小（增大）工作主偏角增大（减小），工作副偏角减小（增大）刀具安装位置对工作角度的影响刀具安装位置对工作角度的影响（以车刀车外圆为例，不考虑进给运动，设刃倾角为以车刀车外圆为例，不考虑进给运动，设刃倾角为0 0）刀尖安装高于或低于工件轴线，将引起工作前角刀尖安装高于或低于工件轴线，将引起工作前角oe 和和工作后角工作后角oe 的变化的变化刀尖高于工件中心：工作前角增大，工作后角减小。刀尖高于工件
17、中心：工作前角增大，工作后角减小。刀尖低于工件中心：工作前角减小，工作后角增大。刀尖低于工件中心：工作前角减小，工作后角增大。474849 结结 论：论：采用刀具工作角度的参考系，采用刀具工作角度的参考系，才能反映切削加工的实际情况。才能反映切削加工的实际情况。504.2.3 4.2.3 刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择1.1.前角前角 前角前角是刀具上重要的几何参数是刀具上重要的几何参数 其大小决定刀具的锋利程度其大小决定刀具的锋利程度(前角大前角大,刀刀具锋利具锋利)1 1）前角的作用）前角的作用2 2）前角的选择原则）前角的选择原则参见参见P82 P82 自学自学51思思 考
18、：考：1 1、加工铸铁时，为什么刀具前角应小？、加工铸铁时，为什么刀具前角应小？答：答：因为加工铸铁时，切屑呈崩碎状，切削力集中在因为加工铸铁时，切屑呈崩碎状，切削力集中在刀刃附近，为保护刀刃应取较小的前角（刀刃附近，为保护刀刃应取较小的前角（前角小，刀前角小，刀刃强度较高）。刃强度较高）。2 2、加工淬硬钢时，为什么刀具的前角应很小甚、加工淬硬钢时，为什么刀具的前角应很小甚至取负值？至取负值？答：答：因为淬硬钢的硬度很高，刀具前角取负值，可增因为淬硬钢的硬度很高，刀具前角取负值，可增加其刃口强度。加其刃口强度。3 3、加工塑性材料时，为什么刀具前角较大？、加工塑性材料时，为什么刀具前角较大？
19、答：答：因为塑性材料的强度、硬度较低，前角较大，可因为塑性材料的强度、硬度较低，前角较大，可使刃口锋利。使刃口锋利。5253 倒棱指沿着切削刃在前刀面上磨出负前角的小棱面。倒棱指沿着切削刃在前刀面上磨出负前角的小棱面。倒棱有两个参数：倒棱前角倒棱有两个参数：倒棱前角o1和倒棱宽度和倒棱宽度br1。倒棱前角。倒棱前角o1的大小与刀具材料有关。的大小与刀具材料有关。3 3）倒棱）倒棱54 倒棱宽度倒棱宽度粗加工粗加工或或进给量较大进给量较大：b br1r1取较大值取较大值精加工精加工或或进给量较小进给量较小：b br1r1取较小值取较小值 （一般（一般b br1r1：0.20.21mm1mm）倒棱
20、前角倒棱前角高速钢刀具：高速钢刀具：o1o1=0=0硬质合金刀具：硬质合金刀具：o1o1=-5=-5-15-1555答：答：增大前角增大前角的的优点：优点：切削变形减小、切削力降切削变形减小、切削力降低、加工表面质量提高；低、加工表面质量提高；缺点：缺点：切削刃强度下切削刃强度下降，散热条件变差。降，散热条件变差。在前角的前刀面磨出倒棱，可以维持切削刃强在前角的前刀面磨出倒棱，可以维持切削刃强度及散热条件。度及散热条件。思考：思考：在前角的前刀面磨出倒棱，其作用？在前角的前刀面磨出倒棱，其作用？（b1b1f f，故它不改变前角的作用），是提高，故它不改变前角的作用），是提高刀具强度和耐用度的有
21、效措施（尤其大前角时）。刀具强度和耐用度的有效措施（尤其大前角时）。生产中常利用增大前角减小切削力、提高切削效率，生产中常利用增大前角减小切削力、提高切削效率，同时配合倒棱保持刀具强度。同时配合倒棱保持刀具强度。562.2.后角、副后角后角、副后角1 1 1 1）后角的作用）后角的作用）后角的作用）后角的作用*主要功用：减小后刀面主要功用：减小后刀面与过渡表面之间的摩擦与过渡表面之间的摩擦*在同样的磨钝标准在同样的磨钝标准VBVB下，下，后角大的刀具耐用度较后角大的刀具耐用度较高。原因：后角大的刀高。原因：后角大的刀具由新到磨钝，所磨去具由新到磨钝，所磨去的金属体积较大。的金属体积较大。*后角
22、越大，刃口钝圆半后角越大，刃口钝圆半径越小，切削刃越锋利径越小，切削刃越锋利57*当当NBNB一定一定时，增大时，增大后角，刀后角，刀具磨损体具磨损体积小，耐积小，耐用度降低。用度降低。*使刀具径向磨损值使刀具径向磨损值NBNB增大，增大，精加工应避免。精加工应避免。*使切削刃和刀头强度减弱，使切削刃和刀头强度减弱，导热面积和容热体积减小。导热面积和容热体积减小。增大后角的不利方面增大后角的不利方面582 2）后角选择的原则）后角选择的原则 P83 P83 自学自学 思考：思考：1 1、粗加工时，应如何选取后角？、粗加工时，应如何选取后角？答：答：因为加工一般的脆性材料时，其切削力因为加工一般
23、的脆性材料时，其切削力集中在刃口附近，若刃口锋利，容易发生崩集中在刃口附近，若刃口锋利，容易发生崩刀，故应选取较小的后角。刀，故应选取较小的后角。答：答：应选取较小的后角，因为粗加工时，切应选取较小的后角，因为粗加工时，切除的金属切削层厚度值较大，所需切削力较除的金属切削层厚度值较大，所需切削力较大，切削刃应有足够的强度。大，切削刃应有足够的强度。2 2、加工一般的脆性材料，应如何选取后角？、加工一般的脆性材料，应如何选取后角？593 3）双重后角）双重后角（1 1）消振棱：消振棱：a)a)图图沿着切削刃在后面上磨出负后角的小棱面。沿着切削刃在后面上磨出负后角的小棱面。两个参数：两个参数：消振
24、棱后角消振棱后角o1和和消振棱宽度消振棱宽度b1。*消振棱有强化切削刃、减缓刀具磨损和消振作用。消振棱有强化切削刃、减缓刀具磨损和消振作用。（2 2）刃带：刃带：b)b)图图沿着切削刃在后面上磨出后角为零度的小棱面沿着切削刃在后面上磨出后角为零度的小棱面 切削时，刃带起到稳定、导向、消振、强化切削刃的作用。切削时，刃带起到稳定、导向、消振、强化切削刃的作用。604 4）副后角的作用及选择（略）副后角的作用及选择（略）3.3.主偏角、副偏角主偏角、副偏角1 1）主偏角和副偏角的作用）主偏角和副偏角的作用n影响切削加工残留影响切削加工残留面积高度面积高度61切削层的形状、尺寸切削层的形状、尺寸影响
25、刀具所承受的负荷影响刀具所承受的负荷。其尺寸。其尺寸与切削用量与切削用量 a aspsp、f f 的大小有关，但直接影响切削过的大小有关，但直接影响切削过程的是切削层的截面积、厚度、宽度。程的是切削层的截面积、厚度、宽度。设：设：主、副切削刃为直线，刃倾角主、副切削刃为直线，刃倾角 ss=0=0o o 当当 K Kr r=0=0o o 时，切削层截面形状为时，切削层截面形状为平行四边形平行四边形 K Kr r=90=90o o 时，切削层截面形状为时，切削层截面形状为矩形矩形n影响切削层的形状影响切削层的形状切削层切削层切削层切削层 车刀移动一个进给量车刀移动一个进给量车刀移动一个进给量车刀移
26、动一个进给量 f f 时，正在切时，正在切时，正在切时，正在切削着的金属层叫切削层削着的金属层叫切削层削着的金属层叫切削层削着的金属层叫切削层626364 Kr Kr 的大小，改变着切削层截面形状，直接影响的大小，改变着切削层截面形状，直接影响刀具所承受的负荷刀具所承受的负荷 影响刀具的磨损和耐用度。影响刀具的磨损和耐用度。n影响切削分力的大小影响切削分力的大小背向力背向力Fp 总切削力总切削力F F在垂直于工作平面方向上的分力。由于在垂直于工作平面方向上的分力。由于Fp指向工件轴心，所以也称为指向工件轴心，所以也称为径向力径向力。Fp能使工件变形或产生切削振动，故对加工精度及已能使工件变形或
27、产生切削振动，故对加工精度及已加工表面质量影响较大。是计算工艺系统的刚度及变加工表面质量影响较大。是计算工艺系统的刚度及变形量的主要参数。形量的主要参数。65662 2）主偏角选择的原则）主偏角选择的原则 P84 P84 自学自学3 3）副偏角的选择）副偏角的选择主要影响加工主要影响加工表面粗糙度表面粗糙度和和刀具强度刀具强度。在不引起振动的前提下，副偏角取小值。在不引起振动的前提下，副偏角取小值。过大过大降低刀尖强度和散热条件降低刀尖强度和散热条件过小过小增大副后面与已加工表面之间的增大副后面与已加工表面之间的摩擦，使已加工表面粗糙度值增大，使摩擦，使已加工表面粗糙度值增大，使背向力增大，引
28、起振动。背向力增大，引起振动。krn影响刀尖的强度、导热面积和容热体积及断屑影响刀尖的强度、导热面积和容热体积及断屑67684 4）刀尖与过渡刃）刀尖与过渡刃v刀尖形状刀尖形状过渡刃：过渡刃：主、副切削刃之间主、副切削刃之间的一小段切削刃。的一小段切削刃。过渡刃长度（宽度）：过渡刃长度（宽度）：过渡刃偏角：过渡刃偏角：Kreb修圆刀尖修圆刀尖 形状由形状由圆弧半径圆弧半径确定确定倒角刀尖倒角刀尖 形状由形状由过渡刃参数过渡刃参数确定确定69n过渡刃的选择原则：过渡刃的选择原则：随着工件材料强度硬度的提高、随着工件材料强度硬度的提高、切削用量增大，过渡刃尺寸应相应增大。切削用量增大，过渡刃尺寸应
29、相应增大。（1 1）直线过渡刃）直线过渡刃 （用于粗加工和强（用于粗加工和强力加工）力加工）过渡刃偏角：过渡刃偏角：krkr/2过渡刃宽度：过渡刃宽度：b=0.52mm（2 2）圆弧过渡刃）圆弧过渡刃（一般情况下）（一般情况下）高速钢刀具：高速钢刀具：r=0.25 mm硬质合金刀具：硬质合金刀具：r=0.22 mm（3 3）修光刃）修光刃 （直线过渡刃平行于（直线过渡刃平行于进给方向，进给方向，偏角偏角k krr=0=0 ）b b=（1.21.21.31.3）f fn生产中常在宽刃精生产中常在宽刃精车刀和宽刃精刨刀车刀和宽刃精刨刀上磨大圆弧：上磨大圆弧：r=300500mm 能修光残留面积，能
30、修光残留面积，且无严格的对刀要且无严格的对刀要求。求。704.4.刃倾角刃倾角1 1）刃倾角的作用）刃倾角的作用n控制切屑流出方向控制切屑流出方向71n在切削断续表面的工件时，影响刀尖强度在切削断续表面的工件时，影响刀尖强度 正刃倾角：正刃倾角：刀尖首先与工件接触，受到冲击载荷，易崩刃。刀尖首先与工件接触，受到冲击载荷，易崩刃。负刃倾角：负刃倾角：离刀尖较远部分的切削刃首先接触工件，可避免离刀尖较远部分的切削刃首先接触工件，可避免 刀尖受冲击。刀尖受冲击。72n影响切削刃的锋利性影响切削刃的锋利性 大刃倾角刀具可切下很薄的切削层大刃倾角刀具可切下很薄的切削层n影响工件的加工质量影响工件的加工质
31、量刃倾角为负值：刃倾角为负值：（车削外圆）工件易产生弯曲变形和振动（车削外圆）工件易产生弯曲变形和振动2 2）刃倾角选择的原则）刃倾角选择的原则主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件选主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件选择择参见参见P86 P86 自学自学73答：答：增加刀头强度，避免刀尖首先接触工件（受到增加刀头强度，避免刀尖首先接触工件（受到冲击）而发生崩刀。冲击）而发生崩刀。讨论：讨论：1 1、精车时，刃倾角为、精车时，刃倾角为0 +5，为什么？，为什么？答：答：刃倾角为正，可避免切屑擦伤已加工表面，因刃倾角为正，可避免切屑擦伤已加工表面，因为此时切屑沿待加工表面流出。为此时切屑沿待加工
32、表面流出。2、有冲击负荷但负荷不大时，刃倾角为有冲击负荷但负荷不大时，刃倾角为-5-15，为，为什么？什么？744.2.4 4.2.4 刀具材料刀具材料刀具材料：指刀具材料：指刀体刀体即即刀具切削部分刀具切削部分的材料的材料n刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能n高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性n足够的强度和韧性足够的强度和韧性n高的耐热性高的耐热性n良好的工艺性良好的工艺性n经济性经济性n应了解常用刀具材料的特性，根据切削条件选择应了解常用刀具材料的特性，根据切削条件选择相应的刀具材料。相应的刀具材料。751.1.普通刀具材料普通刀具材料n n高速钢高速钢高速钢高速钢 高碳、高合金工具钢
33、高碳、高合金工具钢n特点：特点：强度、硬度高，硬度达强度、硬度高，硬度达6370HRC,切削温度达切削温度达500650C，切削速度达切削速度达3050m/min（中速）。中速）。韧性高，抗弯力大，不易破损，且加工中成形容易。韧性高，抗弯力大，不易破损，且加工中成形容易。n广泛用于：广泛用于：制造复杂刀具（钻头、绞刀、拉刀、铣刀制造复杂刀具（钻头、绞刀、拉刀、铣刀及各种成形刀具）。及各种成形刀具）。n缺点：缺点：制造工艺复杂，故高速钢刀具的价格昂贵。制造工艺复杂，故高速钢刀具的价格昂贵。常用类别（按化学性质分）：常用类别（按化学性质分）：钨系高速钢钨系高速钢 （典型牌号：（典型牌号：W18Cr
34、4V）钨钼系高速钢钨钼系高速钢 （典型牌号：（典型牌号：W6Mo5Cr4V2）76n n硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金n硬质合金不是合金钢，而是粉末冶金材料硬质合金不是合金钢，而是粉末冶金材料 （将粉末状的合金碳化物与金属粘接剂混合，（将粉末状的合金碳化物与金属粘接剂混合，经经模压成形、焙烧固化）。模压成形、焙烧固化）。n n特点：特点：特点：特点：硬度高，可达硬度高，可达7482HRC n 切削温度切削温度8001000Cn 切削速度达切削速度达100300m/minn n缺点：缺点：缺点：缺点：抗弯强度（脆性材料的强度指标）约为高抗弯强度（脆性材料的强度指标）约为高速钢的速钢的 1/41
35、/2，韧性为高速钢的，韧性为高速钢的1/5，甚至，甚至1/100以下，故不能承受较大的冲击载荷。以下，故不能承受较大的冲击载荷。n n用于：用于：用于：用于：制造各种形状简单的刀具（车刀、铣刀、刨制造各种形状简单的刀具（车刀、铣刀、刨刀）进行高速切削。刀）进行高速切削。77P P类（类（YTYT类类）：切削钢类）：切削钢类M M类（类（YWYW类类）：切削铸铁、钢）：切削铸铁、钢K K类（类（YGYG类类）：切削铸铁类）：切削铸铁类常用类别：常用类别：n涂层刀具材料涂层刀具材料 在硬质合金或高速钢的基体上，涂一层几微米在硬质合金或高速钢的基体上，涂一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物厚的
36、高硬度、高耐磨性的金属化合物 涂层硬质合金刀具涂层硬质合金刀具的耐用度可提高的耐用度可提高1 13 3倍倍 涂层高速钢刀具涂层高速钢刀具的耐用度可提高的耐用度可提高2 21010倍倍782.2.超硬刀具材料超硬刀具材料n陶瓷陶瓷以氧化铝作为主要成分烧结而成以氧化铝作为主要成分烧结而成n特点：特点：硬度很高（硬度很高（9195 HRA），），耐磨性很好，耐磨性很好，耐热性很高，在耐热性很高，在1200 C的高温下仍能切削，切削速的高温下仍能切削，切削速度高达度高达750m/min,切削效率比硬质合金提高切削效率比硬质合金提高14倍。倍。价格低廉。价格低廉。n缺点：缺点：抗弯强度低，冲击韧性差，脆
37、性大、易破损。抗弯强度低，冲击韧性差，脆性大、易破损。n用于：用于：铸铁、高硬钢、高强度钢等难加工材料的半铸铁、高硬钢、高强度钢等难加工材料的半精加工和精加工。精加工和精加工。79n金刚石金刚石是已知的最硬的物质（天然、人造），是已知的最硬的物质（天然、人造），是碳的同素异形体。是碳的同素异形体。n特点：特点：硬度极高硬度极高 （人造：（人造：5000HV以上，天然：以上，天然：10000HV）、）、耐磨性极好，其刀具耐用度比硬质合耐磨性极好，其刀具耐用度比硬质合金高几十倍至一百倍。金高几十倍至一百倍。n缺点：缺点：韧性差、热稳定性差（低于韧性差、热稳定性差（低于800C）、）、与铁的与铁的亲
38、和力强。亲和力强。n用于：用于：有色金属（铝、铝合金、铜及其合金等）、有色金属（铝、铝合金、铜及其合金等）、非金属（碳、塑料、玻璃纤维合成材料等）的精密非金属（碳、塑料、玻璃纤维合成材料等）的精密切削加工。但不适宜黑色金属（钢铁材料）的加工。切削加工。但不适宜黑色金属（钢铁材料）的加工。n近年，常把人造金刚石和硬质合金结合起来做成近年，常把人造金刚石和硬质合金结合起来做成复复合刀片合刀片，其综合切削性能很好。，其综合切削性能很好。80n立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）新型超硬刀具材料，由新型超硬刀具材料，由硼的氮化物再结晶而形成立方氮化硼（六方氮化硼的氮化物再结晶而形成立方氮化硼（六方氮
39、化硼的同素异形体）。硼的同素异形体）。n特点：特点：硬度极高（硬度极高（达达70008000HV）、）、耐磨性很耐磨性很好、耐热性很高（好、耐热性很高（达达1200 C），），刀具耐用度是硬刀具耐用度是硬质合金和陶瓷刀具的几十倍，导热率高（切削热质合金和陶瓷刀具的几十倍，导热率高（切削热容易扩散）。不与铁系材料反映。容易扩散）。不与铁系材料反映。n缺点：缺点：价格昂贵价格昂贵n用于：用于：淬硬钢、耐磨铸铁、高温合金等难加工材淬硬钢、耐磨铸铁、高温合金等难加工材料的半精加工和精加工。料的半精加工和精加工。n可做成可做成整体刀片整体刀片或与硬质合金做成或与硬质合金做成复合刀片复合刀片。81824.
40、3 4.3 金属切削过程金属切削过程1.切削过程的实质切削过程的实质4.3.1 切削变形切削变形切削过程：切削过程：利用刀具从工件上切下切屑的过利用刀具从工件上切下切屑的过程（切屑形成的过程）。程（切屑形成的过程）。金属切削过程是一种金属切削过程是一种挤压变形过程挤压变形过程。83 工件因偏挤压而产生弹性变形、塑性变形，挤裂，最终切削工件因偏挤压而产生弹性变形、塑性变形，挤裂，最终切削层金属被切离工件母体，沿刀具前面流出而形成切屑。层金属被切离工件母体，沿刀具前面流出而形成切屑。84 2.2.切削的三个变形区切削的三个变形区8586n（1 1）第一变形区（第一变形区（）n n主要特征：主要特征
41、：主要特征：主要特征：切削层沿滑移线剪切变形切削层沿滑移线剪切变形n OAOA始滑移线始滑移线n OMOM终滑移线终滑移线nOA OA、OMOM实际上是等切应力实际上是等切应力(剪切应力剪切应力)曲线。曲线。切削层金属发生的塑性变形是切削层金属发生的塑性变形是从从OAOA线开始，线开始，OMOM线结束。在此区域，金属的晶粒被显著拉长。线结束。在此区域，金属的晶粒被显著拉长。离开离开OMOM线后，切削层金属变成了切屑，并沿着线后，切削层金属变成了切屑，并沿着刀具前面流动。刀具前面流动。这一变形区域是这一变形区域是切屑形成的主要区域切屑形成的主要区域878889（2 2）第二变形区：）第二变形区：
42、n 主要特征：主要特征：（刀、（刀、屑接触）切屑底层屑接触）切屑底层的摩擦、变形的摩擦、变形n在此区域，切削层金属在此区域，切削层金属被切削刃从工件母体上被切削刃从工件母体上剥离下来，但切屑底层剥离下来，但切屑底层仍受到刀具前面的挤压仍受到刀具前面的挤压和摩擦，其金属晶粒纤和摩擦，其金属晶粒纤维继续被拉长，而切屑维继续被拉长，而切屑顶层的金属并没有被拉顶层的金属并没有被拉长，故切屑向顶层卷曲。长，故切屑向顶层卷曲。90（3 3）第三变形区（第三变形区（）n 主要特征：主要特征：主要特征：主要特征：近切削近切削刃处已加工表面的变刃处已加工表面的变形形n 在此区域在此区域:n工件母体上留下的材料表
43、工件母体上留下的材料表层经过刃口圆弧和刀具后层经过刃口圆弧和刀具后面的挤压、摩擦，将使表面的挤压、摩擦，将使表层金属纤维化与层金属纤维化与加工硬化加工硬化。n刀具后面离开后，已加工刀具后面离开后，已加工表面的表层和深层金属都表面的表层和深层金属都要产生回弹，从而产生表要产生回弹，从而产生表面面残余应力残余应力。n 已加工表面的已加工表面的形成过程形成过程914.3.2 4.3.2 切削力切削力1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率n切削力（合力）切削力（合力）切削金属时，切削金属时，刀具使加工材料变刀具使加工材料变形成为切屑所需要形成为切屑所需要的力。的力。n总切削力来源于三个变
44、总切削力来源于三个变形区，体现在两个方面：形区，体现在两个方面：n克服切削层金属弹性、克服切削层金属弹性、塑性变形抗力所需要塑性变形抗力所需要的力的力n克服摩擦阻力所需要克服摩擦阻力所需要的力的力92 切削合力的分解切削合力的分解n切削力（切向力）切削力（切向力）Fc 切于过渡表面并与基面垂直，切于过渡表面并与基面垂直，是主要作功的力，故又叫主是主要作功的力，故又叫主切削力。切削力。n背向力（径向力）背向力（径向力）Fpn进给力（轴向力）进给力（轴向力）Ff 计算刀具强度、设计机床零件计算刀具强度、设计机床零件及校验机床功率的主要参数及校验机床功率的主要参数 计算机床走刀机构强度及校计算机床走
45、刀机构强度及校验机床进给功率的主要参数验机床进给功率的主要参数 计算工艺系统的刚度计算工艺系统的刚度及变形量的主要参数及变形量的主要参数 93分力间的关系分力间的关系n若不考虑副切削刃的切削作用等因素，若不考虑副切削刃的切削作用等因素，合力合力F位于位于刀具的正交平面内。刀具的正交平面内。n随车刀材料、几何参数、切削用量、工件材料和随车刀材料、几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损，分力之间的比例可在较大范围内变化车刀磨损，分力之间的比例可在较大范围内变化:n一般：一般：Fc 最大，最大，Fp、Ff 较较小小94（2 2）切削功率切削功率消耗在切削过程中的功率消耗在切削过程中的功率Fp沿工件径
46、向无位移，故不消耗功率；沿工件径向无位移，故不消耗功率；Ff 消耗功率很小消耗功率很小（1%5%），忽略不计。），忽略不计。切削功率只考虑主切削力切削功率只考虑主切削力Fc所消耗的功率（占机所消耗的功率（占机床总功率的床总功率的9599）：n机床电机功率：机床电机功率：nc机床传动效率，一般在机床传动效率，一般在0.750.85之间之间952.2.影响切削力的因素影响切削力的因素n n1)1)1)1)工件材料的影响工件材料的影响工件材料的影响工件材料的影响 (影响显著影响显著)n工件材料强度或硬度愈高，剪切屈服强度也愈高，发工件材料强度或硬度愈高，剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，
47、故切削力也愈大。生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。n对强度、硬度相近的材料对强度、硬度相近的材料n其塑性越大，切削时的塑性变形和加工硬化越显著，其塑性越大，切削时的塑性变形和加工硬化越显著，摩擦越大，故切削力越大；摩擦越大，故切削力越大；n其韧性较大，第一变形区消耗的能量较大，故切削其韧性较大，第一变形区消耗的能量较大，故切削力较大。力较大。n n2)2)2)2)切削用量的影响切削用量的影响切削用量的影响切削用量的影响n背吃刀量背吃刀量 a aspsp 和进给量和进给量 f fn 切削面积切削面积 A AD D =a =aspspff96n结论：结论：为了提高生产效率，在同样切削力为了提
48、高生产效率，在同样切削力和切削功率条件下，宜采用较大的进给量和切削功率条件下，宜采用较大的进给量（减小背吃刀量）。（减小背吃刀量）。97n切削速度切削速度vcvc（切削塑性金属时，宜采用高速切削切削塑性金属时，宜采用高速切削）983 3 3 3)刀具刀具几何参数几何参数对切削力的影响对切削力的影响前角前角。n加工塑性材料时，加工塑性材料时，前角增大，切削力前角增大，切削力减小。减小。99 主偏角主偏角krn改变主偏角，将影改变主偏角，将影响背响背向力和进给向力和进给力力 FP=FD cosKr Ff=FD sinKrn即：即：Kr增大，增大，FP减小，而减小，而Ff增大。增大。100 刃倾角刃
49、倾角ssnss 增大，增大，F FP P 减小，而减小，而 F Ff f 增大。增大。101（4 4）刀尖圆弧半径）刀尖圆弧半径4 4）切削液的影响）切削液的影响减小刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件之减小刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件之间的摩擦间的摩擦降低切削力降低切削力刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 r增大增大参加切削的参加切削的圆弧圆弧长长度增大度增大切削变形增大切削变形增大切削力增大切削力增大背背向力向力FP增大增大产生振动产生振动 工艺系统刚性较差时，应选用小的圆弧半径工艺系统刚性较差时，应选用小的圆弧半径 102归归 纳：纳：n切削力对切削加工产生不利影响，其大小影切削力对切削加工产
50、生不利影响，其大小影响切削热、刀具的磨损和寿命及工件加工精响切削热、刀具的磨损和寿命及工件加工精度和表面质量。度和表面质量。n在切削加工中，应尽量减小切削力。在切削加工中，应尽量减小切削力。n主要措施：增大前角、减小背吃刀量等主要措施：增大前角、减小背吃刀量等。1034.3.3 4.3.3 切削过程中的物理现象切削过程中的物理现象切削热：切削热：切削过程中因变形和摩擦产生的热量切削过程中因变形和摩擦产生的热量1 1）切削热的切削热的产生与传出产生与传出:n 来源于三个变形区来源于三个变形区的弹、塑性变形所的弹、塑性变形所产生的热量产生的热量Q1n切屑与前面、加工切屑与前面、加工表面与后面摩擦所