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1、第一章第一章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具一一.金属切削加工的基本概念金属切削加工的基本概念1.1.切削运动切削运动：切削时，刀具和工件的相对运动。：切削时，刀具和工件的相对运动。1.1 1.1 切削运动及刀具结构切削运动及刀具结构切削运动切削运动在切削过程中，消耗功率最在切削过程中，消耗功率最多，速度最高的运动。多，速度最高的运动。主运动主运动进给运动进给运动使金属层不断投入切削，以使金属层不断投入切削，以加工出整个工件表面的运动加工出整个工件表面的运动主运动的速度（线速度），就是切削速度。主运动的速度（线速度），就是切削速度。主运动只有一个，切削运动可以有两个以上。主运动只有一个，
2、切削运动可以有两个以上。零件不同表面加工时的切削运动零件不同表面加工时的切削运动各种切削加工的切削运动都是由一些简单的各种切削加工的切削运动都是由一些简单的运动单元组合而成。运动单元组合而成。主运动主运动 进给运动进给运动 车削车削 工件旋转工件旋转 车刀轴向运动和切入运动车刀轴向运动和切入运动 钻削钻削 钻头旋转钻头旋转 钻头轴向运动钻头轴向运动 拉削拉削 拉刀直线运动拉刀直线运动 拉刀直线运动拉刀直线运动 磨削磨削 砂轮旋转砂轮旋转 工件旋转及工件与砂轮移动工件旋转及工件与砂轮移动 铣削铣削 铣刀旋转铣刀旋转 工件移动工件移动 刨削刨削 刨刀往返运动刨刀往返运动 工件横向运动（牛头刨床）工
3、件横向运动（牛头刨床）工件往返运动工件往返运动 刨刀往返运动（龙门刨床）刨刀往返运动（龙门刨床）2.2.切削用量切削用量（切削用量三要素）（切削用量三要素）（1 1）切削速度切削速度v v 在单位时间内，工件和刀具在单位时间内，工件和刀具沿住运动方向的相对位移（主运动的速度）。沿住运动方向的相对位移（主运动的速度）。单位：单位：m/sm/s 或或 m/minm/min。主运动为旋转运动：主运动为旋转运动：V=V=（m/sm/s）d n10001000式中：式中：d d 工件待加工表面或刀具直径（）；工件待加工表面或刀具直径（）；n n 工件或刀具转速（工件或刀具转速（r/sr/s）。）。主运动
4、为直线运动：主运动为直线运动：V=V=（m/sm/s）2Ln2Lnr r100010006060式中：式中：L L 往复运动行程长度（）；往复运动行程长度（）；n nr r 主运动每分钟往复次数。主运动每分钟往复次数。（2 2）进给量进给量f f 工件或刀具的运动再一个工作工件或刀具的运动再一个工作循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移（也称进给速度）。单给运动方向的相对位移（也称进给速度）。单位：位：mm/mm/s,mm/rs,mm/r或或mm/minmm/min。（3 3）切削深度切削深度a ap p 工件上的已加工表面与待加工
5、件上的已加工表面与待加工之间的距离（也称背吃刀量，进刀深）。单工之间的距离（也称背吃刀量，进刀深）。单位：位：mmmm。3.3.切削时的工件表面切削时的工件表面：已加工表面已加工表面过渡表面（加工表面）过渡表面（加工表面）待加工表面待加工表面4.4.切削层几何参数切削层几何参数切削层切削层：由刀具在切削部位的一个单一动作所：由刀具在切削部位的一个单一动作所切除的工件材料层。切除的工件材料层。切削层几何参数切削层几何参数：反映切削层截面几何形状尺：反映切削层截面几何形状尺寸的数据。寸的数据。（1 1）切削层厚度切削层厚度a ac c:两两相邻加工表面间的垂直相邻加工表面间的垂直距离。距离。a a
6、c c=fSinfSin（2 2）切削层长度切削层长度aw:沿主切削刃度量的切削层尺沿主切削刃度量的切削层尺寸。寸。a aw w=a ap p/Sin/Sin（3 3）切削面积切削面积A AC C：切削层在垂直于切削速度截面切削层在垂直于切削速度截面内的面积。内的面积。A Ac c=a ac caaw w=fafap p（1 1）刀具材料应具备的性能）刀具材料应具备的性能高硬度（刀具硬度大于高硬度（刀具硬度大于HRC60HRC60）；）；高耐磨性；高耐磨性；强度高，韧性好；强度高，韧性好；热稳定性、导热性和耐热冲击性好；热稳定性、导热性和耐热冲击性好；工艺性能好（包括锻造性能、焊接性能、热处工
7、艺性能好（包括锻造性能、焊接性能、热处理性能、磨削加工性能等）；理性能、磨削加工性能等）；经济性好；经济性好；二二.金属切削刀具的基本知识金属切削刀具的基本知识1.1.刀具材料刀具材料金属切削技术的发展，实际上就是刀具材料的金属切削技术的发展，实际上就是刀具材料的发展和由此带来的机床的发展。发展和由此带来的机床的发展。工具钢工具钢（2 2）常用刀具材料）常用刀具材料工具钢工具钢碳素工具钢碳素工具钢（T8，T等）等）低合金工具钢低合金工具钢（CrWMn,9SiCr等）等）高速钢高速钢（含（含W、Mo、Cr、V等元素比较多的高合金工具钢等元素比较多的高合金工具钢）W18Cr4V 经典高速钢经典高速
8、钢W6Mo5Cr4V2 通用型高速钢通用型高速钢W2Mo9Cr4VCo8 高性能高速钢高性能高速钢W3Mo2Cr4VSi 低合金高速钢低合金高速钢钢钢 号号常温硬度常温硬度HRCHRC抗弯强度抗弯强度GPaGPa冲击韧度冲击韧度MJ/mMJ/m2 2高温硬度高温硬度 HRCHRC500600W18Cr4V636633.40.180.325648.5W6Mo5Cr4V263663.540.30.455564748W2Mo9Cr4VCo867692.73.80.23 0.36055高速钢的性能比较高速钢的性能比较高速钢的硬度、耐热性比工具钢高得多，允许高速钢的硬度、耐热性比工具钢高得多，允许的切削
9、速度也高得多，突出优点是工艺性好（锻的切削速度也高得多，突出优点是工艺性好（锻造性能、焊接性能、机械加工性能等）。因此，造性能、焊接性能、机械加工性能等）。因此，形状较为复杂的刀具（如：钻头、齿轮滚刀等）形状较为复杂的刀具（如：钻头、齿轮滚刀等）基本上是用高速钢制造。基本上是用高速钢制造。特点特点硬度高，耐磨性好，化学稳定性和热稳定性好硬度高，耐磨性好，化学稳定性和热稳定性好好，耐高温，因而允许使用的切削速度可达好，耐高温，因而允许使用的切削速度可达100100300m/min300m/min，大大高于高速钢，大大高于高速钢；抗弯强度低，冲击韧性不好，工艺性能较差；抗弯强度低，冲击韧性不好，工
10、艺性能较差；种类种类 硬质合金硬质合金（高耐热性和高耐磨性的金属碳化物与金属粘结（高耐热性和高耐磨性的金属碳化物与金属粘结剂在高温下烧结而成的粉末冶金制品）剂在高温下烧结而成的粉末冶金制品）硬质合金硬质合金钨钴类（代号钨钴类（代号YG）：）：YG3，YG6，YG8钨钛钴类（代号钨钛钴类（代号YT）：）：YT5，YT15，YT30钨钛钽（铌）钴类（代号钨钛钽（铌）钴类（代号YW）：）：YW1，YW2碳化钛基类（代号碳化钛基类（代号YN）：）：YN05，YN10硬质合金的性能与用途比较硬质合金的性能与用途比较类类 型型特特 点点用用 途途YG能在较高硬度时获得较高的能在较高硬度时获得较高的抗弯强度
11、，特别适合于在较抗弯强度，特别适合于在较低切削速度下工作低切削速度下工作主要用于加工铸铁、耐热合主要用于加工铸铁、耐热合金、不锈钢、有色合金及绝金、不锈钢、有色合金及绝缘材料等缘材料等YT随着随着TiC含量提高和含量提高和Co含量含量降低，降低，与与YG类相比，硬度类相比，硬度和耐磨性提高，韧性降低和耐磨性提高，韧性降低因抗弯强度和冲击韧性比较因抗弯强度和冲击韧性比较低，不适合加工脆性材料，低，不适合加工脆性材料，如铸铁，主要用于加工钢材如铸铁，主要用于加工钢材YW加入了加入了TaC（或（或NbC）,提提高了高了抗弯强度抗弯强度、疲劳强度、疲劳强度、冲击韧性和高温硬度与强度冲击韧性和高温硬度与
12、强度既可用于加工铸铁及有色合既可用于加工铸铁及有色合金，也可用于加工一般钢材，金，也可用于加工一般钢材，常称为通用型硬质合金常称为通用型硬质合金YN硬度很高，耐磨性、耐热性硬度很高，耐磨性、耐热性和抗氧化能力高，化学稳定和抗氧化能力高，化学稳定性好，抗弯强度和韧性稍差性好，抗弯强度和韧性稍差可用于加工钢，也可用于加可用于加工钢，也可用于加工铸铁，特别适合半精加工工铸铁，特别适合半精加工和精加工，不适于重切削和精加工，不适于重切削特点特点硬度高（达硬度高（达HRA91HRA919595），耐磨，耐高温），耐磨，耐高温（12001200时，时，HRA80HRA80），化学稳定性好，不易），化学稳定
13、性好，不易与其他元素发生化学反应。与其他元素发生化学反应。抗弯强度低，冲击韧性差。抗弯强度低，冲击韧性差。陶瓷刀具陶瓷刀具常用材料有：氧化铝陶瓷（常用材料有：氧化铝陶瓷（Al2O3）；）；金属陶瓷金属陶瓷（Al2O3+TiC）；氮化硅陶瓷（）；氮化硅陶瓷（Al2O3+Si3N4）；）；涂层刀具涂层刀具在高速钢（或韧性较好的硬质合金）的刀具基体在高速钢（或韧性较好的硬质合金）的刀具基体上涂敷一层耐磨性好的难熔金属化合物。此类刀上涂敷一层耐磨性好的难熔金属化合物。此类刀具的耐用度比高速钢高具的耐用度比高速钢高2 21010倍，比倍，比硬质合金高硬质合金高1 13 3倍；加工件硬度越高，涂层刀具的效
14、果越好。倍；加工件硬度越高，涂层刀具的效果越好。金刚石金刚石特点特点硬度特高，耐磨性特好，刀刃异常锋利，用于硬度特高，耐磨性特好，刀刃异常锋利，用于超精密加工。超精密加工。与铁的亲和力好，因而不宜加工钢，铸铁等材与铁的亲和力好，因而不宜加工钢，铸铁等材料，用于加工有色金属，硬质合金。料，用于加工有色金属，硬质合金。立方氮化硼立方氮化硼特点特点硬度和耐磨性特仅次于金刚石，与铁系元素不硬度和耐磨性特仅次于金刚石，与铁系元素不易发生化学反应，可加工淬硬钢、淬硬铸铁等。易发生化学反应，可加工淬硬钢、淬硬铸铁等。高温时易于水发生化学反应，只能干切削。高温时易于水发生化学反应，只能干切削。超硬材料超硬材料
15、车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成:3 3个个刀面刀面 2 2个个刀刃刀刃 1 1个个刀尖刀尖2.2.车刀的形状及几何角度车刀的形状及几何角度（1 1）刀具切削部分的几何要素刀具切削部分的几何要素前前 刀刀 面面主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面刀刀 尖尖主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃车刀切削部分的组成车刀切削部分的组成:3 3个个刀面刀面前刀面前刀面 切屑流过的表面切屑流过的表面(直接与切屑接触直接与切屑接触)主后刀面主后刀面 与工件上的过渡表面相对的表面与工件上的过渡表面相对的表面副后刀面副后刀面 与工件上已加工表面相对的表面与工件上已加工表面相对的表面2 2个个刀刃刀刃主切削刃主切削刃
16、 前刀面与主后刀面的交线前刀面与主后刀面的交线副切削刃副切削刃 前刀面与副后刀面的交线前刀面与副后刀面的交线1 1个个刀尖刀尖刀尖刀尖 主切削刃与副切削刃连接处的那一部主切削刃与副切削刃连接处的那一部分切削刃分切削刃三个坐标平面三个坐标平面（2 2）定义刀具角度的参考系）定义刀具角度的参考系基面（基面（PrPr）切削平面（切削平面（PsPs）主剖面（主剖面（PoPo）通过主切削刃上选定点且垂直于该点通过主切削刃上选定点且垂直于该点切削速度方向的平面切削速度方向的平面通过主切削刃上选定点，与主切通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切且垂直该点基面的平面削刃相切且垂直该点基面的平面通过主切削刃上选定
17、点，且垂直于通过主切削刃上选定点，且垂直于基面和切削平面的平面基面和切削平面的平面基面、切削平面和主剖面（也称基面、切削平面和主剖面（也称正交平面）组成了一个空间坐标参正交平面）组成了一个空间坐标参考系，即：主剖面参考系，也称正考系，即：主剖面参考系，也称正交平面参考系。交平面参考系。选择不同平面，就可组成不同参选择不同平面，就可组成不同参考系（如：法剖面参考系）。考系（如：法剖面参考系）。前角前角0 0 主剖面内测量的前刀面与基面之间主剖面内测量的前刀面与基面之间的夹角的夹角后角后角0 0 主剖面内测量的主后刀面与切削平主剖面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角面之间的夹角主偏角主偏角r r
18、 基面内测量的主切削刃在基面上基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角的投影与进给运动方向的夹角副偏角副偏角r r 基面内测量的副切削刃在基面基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角上的投影与进给运动反方向的夹角刃倾角刃倾角s s 切削平面内测量的主切削刃与基切削平面内测量的主切削刃与基面间的夹角面间的夹角副后角副后角0 0 副剖面内测量的副后刀面与副剖面内测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角副切削平面之间的夹角（3 3）刀具的标注角度）刀具的标注角度 进给运动进给运动横向进给横向进给：车刀加工端面或：车刀加工端面或切断时，切削平面变为通过切断时，切削平面变为通过
19、切削刃切于（端面内）螺旋切削刃切于（端面内）螺旋面的平面，基面也随之变化，面的平面，基面也随之变化，此时，刀具实际的前角和后此时，刀具实际的前角和后角为：角为：（4 4）刀具的工作角度）刀具的工作角度 刀具在切削过程中，刀具在切削过程中，基面、切削平面和主剖面基面、切削平面和主剖面的的位置会发生变化，使标注角度参考系变为工作角度参考位置会发生变化，使标注角度参考系变为工作角度参考系，在此参考系中度量的刀具角度即为系，在此参考系中度量的刀具角度即为刀具的工作角度刀具的工作角度。刀具的进给运动和实际安装位置对刀具工作角度都有影刀具的进给运动和实际安装位置对刀具工作角度都有影响。响。0e0e=0 0
20、+；0e 0e=0 0；（；（为两平面的变化量）为两平面的变化量）纵向进给纵向进给：车刀加工零件的外圆时，车刀加工零件的外圆时，切削平面变为通过切削刃切于（圆切削平面变为通过切削刃切于（圆柱面内）螺旋面的平面，基面也随柱面内）螺旋面的平面，基面也随之变化，此时，刀具实际的前角和之变化，此时，刀具实际的前角和后角为：后角为：0e0e=0 0+；0e 0e=0 0；刀具安装位置刀具安装位置刀尖安装高低刀尖安装高低（a a）刀尖与工件中）刀尖与工件中心线等高，正常。心线等高，正常。（b b）刀尖高于工件中心线，前角增大，后角减小。刀尖高于工件中心线，前角增大，后角减小。刀尖高于工件中心线，前角增大，
21、后角减小。刀尖高于工件中心线，前角增大，后角减小。0e=0+；0e=0；（c c）刀尖低于工件中心线，前角减小，后角增大。刀尖低于工件中心线，前角减小，后角增大。刀尖低于工件中心线，前角减小，后角增大。刀尖低于工件中心线，前角减小，后角增大。0e=0；0e=0+；刀杆中心线偏斜刀杆中心线偏斜（a a）刀杆中心线）刀杆中心线垂直于工件轴线，垂直于工件轴线，正常。正常。（b b）刀杆中心线刀杆中心线朝左偏转，主偏角朝左偏转，主偏角r减小，副偏角减小，副偏角r增大；增大；re=r；re=r+；为偏转角。为偏转角。（c c c c）刀杆中心线刀杆中心线刀杆中心线刀杆中心线朝右偏转，主偏角朝右偏转，主偏
22、角r增大，副偏角增大，副偏角r减小；减小；re=r+；re=r；为偏转角。为偏转角。进给运动方向与工件轴线方向不一致进给运动方向与工件轴线方向不一致与刀杆中心线朝左偏转时类似。与刀杆中心线朝左偏转时类似。re=r；re=r+；整体式整体式：切削部分与刀体是一整体材料。高：切削部分与刀体是一整体材料。高速钢车刀多作成整体式，截面为矩形或长方速钢车刀多作成整体式，截面为矩形或长方形。形。焊接式焊接式：在普通碳钢刀杆上镶焊硬质合金刀：在普通碳钢刀杆上镶焊硬质合金刀片，经刃磨而成。其结构简单、制造方便、片，经刃磨而成。其结构简单、制造方便、刚性好，在车刀中占相当比例。刚性好，在车刀中占相当比例。机夹车刀机夹车刀：将硬质合金刀片用机械夹固的方：将硬质合金刀片用机械夹固的方法安装在刀杆上。它只有一个主切削刃，用法安装在刀杆上。它只有一个主切削刃，用钝后必须刃磨。钝后必须刃磨。可转位车刀可转位车刀：是机夹车刀的一类，其刀片为：是机夹车刀的一类，其刀片为多边形，每一边都可作为切削刃，用钝后只多边形，每一边都可作为切削刃，用钝后只须将刀片转位即可重新投入切削。须将刀片转位即可重新投入切削。3.3.刀具的结构刀具的结构