第5章金属切削加工基础知识

1、机械制造基础机械制造基础 第第5 5章章 金属切削金属切削加工基础加工基础知识知识 金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切 削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层， 从而获得具有一定加工质量零件的过程。由此可见，理从而获得具有一定加工质量零件的过程。由此可见，理 解零件加工质量的概念；掌握切削运动和金属切削刀具解零件加工质量的概念；掌握切削运动和金属切削刀具 的基本知识；认识金属切削过程的基本规律是学习金属的基本知识；认识金属切削过程的基本规律是学习金属 切削加工的基本内容。切削加工的

2、基本内容。 5.1 5.1 加工加工质量质量 为了保证机电产品的质量，设计时应对零件提出加工质为了保证机电产品的质量，设计时应对零件提出加工质 量的要求，机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两量的要求，机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两 方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、 外观质量、生产率和经济性。外观质量、生产率和经济性。 5.1.15.1.1加工加工精度精度 经经机械加工后，零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值与设计理机械加工后，零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值与设计理 想值的符合程度称为机械加工精度

3、，简称加工精度。想值的符合程度称为机械加工精度，简称加工精度。 实际值与理想值相符合的程度越高，即偏差（加工误差）越小，加工精 实际值与理想值相符合的程度越高，即偏差（加工误差）越小，加工精 度越高。度越高。 加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件 加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件 的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。 （1 1）尺寸精度）尺寸精度 是是指加工表面本身的尺寸指加工表面本身的尺寸( (如圆柱面的直径如圆柱面的直径) )和表面间的尺寸和表面间的尺寸( (如孔

4、间如孔间 距离等距离等) )的精确程度。的精确程度。 尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。 尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。 尺寸公差是尺寸允许的变动量，国家标准 尺寸公差是尺寸允许的变动量，国家标准GB/T1800. 3-1998GB/T1800. 3-1998极限与配极限与配 合合中规定，尺寸公差分中规定，尺寸公差分2020个等级，即个等级，即IT01IT01、IT0IT0、IT1IT1、IT2IT18IT2IT18。 ITIT后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺 寸精度越低。寸精度越低。

5、在零件图上，通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸 在零件图上，通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸 公差外公差外, ,还要规定形状和位置公差。还要规定形状和位置公差。 （2 2）形状精度）形状精度 是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度。是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度。 常用的有直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等。 常用的有直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等。 （3 3）位置精度）位置精度 是是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想位指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想

6、位 置接近的程度。置接近的程度。 常用的有平行度、垂直度、同轴度、对称度等。 常用的有平行度、垂直度、同轴度、对称度等。 机械机械加工精度愈高，加工费用也愈高。每种加工方法在正加工精度愈高，加工费用也愈高。每种加工方法在正 常条件下所能达到的加工精度范围称为经济精度。常条件下所能达到的加工精度范围称为经济精度。 5.1.2 5.1.2 表面质量表面质量 主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。 主要包括：主要包括： 表面粗糙度 表面粗糙度 表面层材质的变化 表面层材质的变化 （1 1）表面粗糙度）表面粗糙度 表面粗糙度表面粗糙度是

7、指在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦是指在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦 等原因，会使加工表面产生微小的峰谷，这些微小峰谷的高低程度等原因，会使加工表面产生微小的峰谷，这些微小峰谷的高低程度 和间距状况称为表面粗糙度。和间距状况称为表面粗糙度。 表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它 表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它 直接影响机器的使用性能和寿命。直接影响机器的使用性能和寿命。 国家标准 国家标准GB/T1031-2009GB/T1031-2009规定规定了表面粗糙度的评定参数及其数值。常用了表面粗糙度的评定参数及其数值。

8、常用 的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差RaRa值。值。 一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿命也越 一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿命也越 长，但零件的制造成本也会相应增加。长，但零件的制造成本也会相应增加。 （2 2）表面层材质的变化）表面层材质的变化 是是指零件加工后在表面层内出现不同于基体材料的力学、冶金、物理指零件加工后在表面层内出现不同于基体材料的力学、冶金、物理 及化学性能的变质层。及化学性能的变质层。 具体表现为加工硬化、金相组织变化、残余应力产生、热损伤、疲劳强度 具体表现为加工硬化、金相组

9、织变化、残余应力产生、热损伤、疲劳强度 变化及耐腐蚀性下降等。变化及耐腐蚀性下降等。 在在满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选 用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。 在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是：在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是： 5.2 5.2 切削切削运动运动 5.2.1 5.2.1 切削切削运动运动 切削切削加工时加工时, ,为了获得各种形状的零件为了获得各种形状的零件, ,刀具与工件必须具有一定的刀具与工件必须具有一定的 相对运动相对运动, ,我们将这

10、种相对运动为切削运动。我们将这种相对运动为切削运动。 切削运动按其所起的作用可分为：切削运动按其所起的作用可分为： 主运动 主运动 进给运动 进给运动 （1 1）主运动）主运动 主主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件运动是使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件 实现切削的运动。主运动的特点速度最高，消耗的功率最大。实现切削的运动。主运动的特点速度最高，消耗的功率最大。 （2 2）进给运动）进给运动 由由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动， 进给运动将使被切金属层不断地投入切削，

11、以加工出具有所需几何进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何 特性的已加工表面。特性的已加工表面。 主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动； 主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动； 主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成； 主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成； 主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行； 主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行； 主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。 主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。 （3 3）主运动和进给运动的合成）主运动和进给运动的合成 当当主运动和进给运动同主运动

12、和进给运动同 时进行时，切削刃上某一时进行时，切削刃上某一 点相对于工件的运动为合点相对于工件的运动为合 成运动，常用合成速度向成运动，常用合成速度向 量量v ve e来表示，如图所示。来表示，如图所示。 5.2.2 5.2.2 工件工件表面表面 切削切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一 层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新 的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化 着的表面，它们分别是：着的表面，它们分别是： 待加工表

13、面待加工表面 即将被切去金属层的表面；即将被切去金属层的表面； 切削表面切削表面 切削刃正在切削而形成的表面切削刃正在切削而形成的表面, , 切削表面又称加工表面或过切削表面又称加工表面或过 渡表面；渡表面； 已加工表面已加工表面 已经切去多余金属层而形成的新已经切去多余金属层而形成的新 表面。表面。 5.2.3 5.2.3 切削切削用量用量 切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。 切削用量包括：切削用量包括： 切削速度 切削速度 进给量 进给量 背吃刀量三个要素。 背吃刀量三个要素。 （1 1）切削速度）切削速度vcv

14、c 在在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切 削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的 距离距离, ,单位为单位为m/minm/min或或m/sm/s。 主运动为旋转运动时主运动为旋转运动时, ,切削速度切削速度vcvc计算公式为计算公式为: : )/min/( 1000 smm nd vc或 式中式中d d工件直径（工件直径（mmmm） n n工件或刀具每分工件或刀具每分( (秒秒) )钟转数钟转数(r/min(r/min或或r/s)r/s)

15、 主运动为往复运动时主运动为往复运动时, ,平均切削速度为：平均切削速度为： )/min/( 1000 2 smm nL v r c 或 式中式中L L一往复运动行程长度一往复运动行程长度(mm)(mm) nr nr一主运动每分钟的往复次数一主运动每分钟的往复次数( (往复次数往复次数/min)/min)。 （2 2）进给量）进给量f f 进给量进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或 工件每转或每行程的位移量来表述或度量。工件每转或每行程的位移量来表述或度量。 车削时进给量的单位是 车削时进给量的单位是mm/rmm/r，即工件

16、每转一圈，即工件每转一圈, ,刀具沿进给运动方向移刀具沿进给运动方向移 动的距离。动的距离。 刨削等主运动为往复直线运动 刨削等主运动为往复直线运动, ,其间歇进给的进给量为其间歇进给的进给量为mm/mm/双行程，即双行程，即 每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。 单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf vf 计算公式为计算公式为: : 铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/rmm/r外，还规定了每齿进给外，还规定了每齿进给 量，

17、用量，用azaz表示，单位是表示，单位是(mm/z)(mm/z)，vfvf、f f、azaz三者之间的关系为：三者之间的关系为： zanfnv ff )/min/(smmmmfnv f 或 z z为多齿刀具的齿数为多齿刀具的齿数 （3 3）背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）apap 背背吃刀量吃刀量a ap p是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进 给运动方向上的投影值。给运动方向上的投影值。 对于外圆车削，背吃刀量对于外圆车削，背吃刀量apap等于工件已加工表面和待加工表面之间等于工件已加工表面和待加工表面之间 的垂直距离的垂直距离

18、, ,单位为单位为mm mm 。即：。即： 2 mw p dd a 式中式中 dwdw待加工表面直径待加工表面直径 dmdm已加工表面直径已加工表面直径 5.3 5.3 刀具刀具切削部分的几何角度切削部分的几何角度 切削刀具切削刀具种类很多种类很多, ,如如 车刀、刨刀、铣刀和钻头车刀、刨刀、铣刀和钻头 等。它们几何形状各异等。它们几何形状各异, ,复复 杂程度不等，但它们切削杂程度不等，但它们切削 部分的结构和几何角度都部分的结构和几何角度都 具有许多共同的特征，其具有许多共同的特征，其 中车刀是最常用、最简单中车刀是最常用、最简单 和最基本的切削工具，因和最基本的切削工具，因 而最具有代表

19、性。其他刀而最具有代表性。其他刀 具都可以看作是车刀的组具都可以看作是车刀的组 合或变形。如图所示。合或变形。如图所示。 5.3.1 5.3.1 车刀车刀的组成的组成 车刀车刀由切削部分、刀柄两由切削部分、刀柄两 部分组成。切削部分承担切削部分组成。切削部分承担切削 加工任务，刀柄用以装夹在机加工任务，刀柄用以装夹在机 床刀架上。切削部分是由一些床刀架上。切削部分是由一些 面、切削刃组成。我们常用的面、切削刃组成。我们常用的 外圆车刀是由一个刀尖、两条外圆车刀是由一个刀尖、两条 切削刃、三个刀面组成的。如切削刃、三个刀面组成的。如 图所示。图所示。 （1 1）刀面）刀面 前刀面前刀面A A 刀

20、具上切屑流过的表面；刀具上切屑流过的表面； 后刀面后刀面A A 与工件上切削表面相对的与工件上切削表面相对的 刀面；刀面； 副后刀面副后刀面AA 与已加工表面相对的刀面。与已加工表面相对的刀面。 （2 2）切削刃）切削刃 主切削刃主切削刃S S 前刀面与后刀面的交线，承担主要前刀面与后刀面的交线，承担主要 的切削工作；的切削工作； 副切削刃副切削刃S S 前刀面与副后刀面的交线，承担少前刀面与副后刀面的交线，承担少 量的切削工作。量的切削工作。 刀尖刀尖 是主、副切削刃相交的一点，实际是主、副切削刃相交的一点，实际 上该点不可能磨得很尖，而是由一上该点不可能磨得很尖，而是由一 段折线或微小圆弧

21、组成，微小圆弧段折线或微小圆弧组成，微小圆弧 的半径称为刀尖圆弧半径的半径称为刀尖圆弧半径, ,用用rr表表 示示, ,如图所示。如图所示。 5.3.2 5.3.2 刀具刀具几何角度参考系几何角度参考系 为了为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作 为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的 角度值来反映它们的空间方位。角度值来反映它们的空间方位。 刀具几何角度参考系有两类：刀具几何角度参考系有两类： 刀具标注角度参考系刀具标注角度参考系 刀具工作角度参考系。刀具工作角度参考系。 （1

22、 1）刀具标注角度参考系）刀具标注角度参考系 刀具刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量 角度的基准，在此基准下定义的刀具角度称刀具标注角度。角度的基准，在此基准下定义的刀具角度称刀具标注角度。 为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特 别规定了如下假设条件。别规定了如下假设条件。 假设运动条件假设运动条件 用主运动向量用主运动向量vcvc近似地代替相对运动合成速度向量近似地代替相对运动合成速度向量ve(ve(即即 vf=0)vf=0)。 假设安装条件假设安装条件 规定刀杆中心线与进给

23、运动方向垂直；刀尖与工件中心等规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等 高。高。 1 1）刀具标注角度参考系种类）刀具标注角度参考系种类 根据根据ISO3002/1-1997ISO3002/1-1997标准推荐，刀具标注角度参考系有：标准推荐，刀具标注角度参考系有： 正交平面参考系正交平面参考系 法平面参考系法平面参考系 假定工作平面参考系三种。假定工作平面参考系三种。 2 2）正交平面参考系）正交平面参考系 正交平面参考系由以下三个平面正交平面参考系由以下三个平面 组成：组成： 基面 基面 Pr Pr ： 通过切削刃选定点与主运动方向通过切削刃选定点与主运动方向 垂直的平面。基面与

24、刀具底面平垂直的平面。基面与刀具底面平 行。行。 切削平面 切削平面 PsPs： 通过切削刃选定点与主切削刃相通过切削刃选定点与主切削刃相 切且垂直于基面切且垂直于基面PrPr的平面。的平面。 主剖面 主剖面 PoPo： 通过切削刃选定点垂直于基面通过切削刃选定点垂直于基面PrPr 和切削平面和切削平面 PsPs的平面。的平面。 主切削刃 主后刀面 前刀面 主剖面 Po A 切削平面 Ps 基面 Pr 3 3）法平面参考系）法平面参考系 如如图所示，法平图所示，法平 面参考系由面参考系由p pr r、p ps s和和 法平面法平面p pn n组成。其中组成。其中 法平面法平面p pn n是过切

25、削刃是过切削刃 某选定点垂直于切削某选定点垂直于切削 刃的平面。刃的平面。 4 4）假定工作平面参考系）假定工作平面参考系 如如图所示，假定工作图所示，假定工作 平面参考系由平面参考系由p pr r、p pf f和和p pp p 组成。假定工作平面组成。假定工作平面pfpf是是 过切削刃某选定点平行于过切削刃某选定点平行于 假定进给运动并垂直于基假定进给运动并垂直于基 面的平面。背平面面的平面。背平面p pp p是过是过 切削刃某选定点既垂直于切削刃某选定点既垂直于 假定进给运动又垂直于基假定进给运动又垂直于基 面的平面。刀具设计时标面的平面。刀具设计时标 注、刃磨、测量角度最常注、刃磨、测量

26、角度最常 用的是正交平面参考系。用的是正交平面参考系。 （2 2）刀具工作角度参考系）刀具工作角度参考系 刀具刀具工作角度参考系是刀具切削工作时角度的基准工作角度参考系是刀具切削工作时角度的基准 （不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具（不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具 工作角度。它同样有正交平面参考系、法平面参考系和假工作角度。它同样有正交平面参考系、法平面参考系和假 定工作平面参考系。定工作平面参考系。 5.3.3 5.3.3 刀具刀具标注角度定义标注角度定义 （1 1）在基面内测量的角度）在基面内测量的角度 主偏角 主偏角 r r 主切削刃与进给运动方向之间主切

27、削刃与进给运动方向之间 的夹角。的夹角。 副偏角 副偏角 r r 副切削刃与进给运动反方向之副切削刃与进给运动反方向之 间的夹角。间的夹角。 刀尖角 刀尖角 r r 主切削平面与副切削平面间的主切削平面与副切削平面间的 夹角。夹角。 )(180 rrr 刀尖角与主偏角和副偏角的关系：刀尖角与主偏角和副偏角的关系： （2 2）在主切削刃正交平面内）在主切削刃正交平面内(O-O)(O-O)测量的角度测量的角度 前角 前角 o o 前刀面与基面间的夹角。当前前刀面与基面间的夹角。当前 刀面与基面平行时，前角为零。刀面与基面平行时，前角为零。 基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以内，前角为负。

28、基面在前刀面以外，前角为正。基面在前刀面以外，前角为正。 后角 后角 o o 后刀面与切削平面间的夹角。后刀面与切削平面间的夹角。 楔角 楔角 o o 前刀面与后刀面间的夹角。前刀面与后刀面间的夹角。 楔角与前角楔角与前角 o o和后角和后角 o o的关系的关系 如下：如下： )(90 ooo （3 3）在切削平面内）在切削平面内(S (S向向) )测量的角度测量的角度 刃倾角 刃倾角 s s 主切削刃与基面间的夹角。主切削刃与基面间的夹角。 刃倾角正负的规定如图所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于刃倾角正负的规定如图所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于 最低点时，刃倾角为负；

29、切削刃平行于底面时，刃倾角为零。最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。 s=0 s=0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿 切削刃法向流出。切削刃法向流出。 s0 s0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑 的流向与切削刃法向倾斜了一个角度，如下图所示。的流向与切削刃法向倾斜了一个角度，如下图所示。 （4 4）在副切削刃正交平面内（）在副切削刃正交平面内（OO -O-O ）测量的角度）测量的角度 副后角 副后角 oo：副后

30、刀面与副切削刃切削平面间的夹角。副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。 5.3.4 5.3.4 刀具刀具工作角度工作角度 切削切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的 变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为 工作角度。工作角度。 现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下。现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下。 （1 1）刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响）刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响 当车刀刀柄与进给方向不垂直时，

31、主偏角和副偏角将发生变化，如图所示。当车刀刀柄与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角将发生变化，如图所示。 G rre G rre （2 2）切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响）切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响 切削刃安装高于或低于工件中心时，按辅助平面定义，通过切削刃作出的切削刃安装高于或低于工件中心时，按辅助平面定义，通过切削刃作出的 切削平面、基面将发生变化，所以使刀具角度也随着发生变化，如图所示。切削平面、基面将发生变化，所以使刀具角度也随着发生变化，如图所示。 切削刃安装高于工件中心时：切削刃安装高于工件中心时： 切削刃安装低于工件中心时：切削刃安装低于

32、工件中心时： N ooe N ooe N ooe N ooe 5.3.5 5.3.5 切削切削层参数层参数 切削切削层是刀具切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。层是刀具切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。 切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。 为了为了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切 削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺 寸大小。通常在基面寸大小。通常在基面PrPr内度量。内度量。

33、 如所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且如所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且 s =0s =0，切削层就是车刀由位，切削层就是车刀由位 置置移动到位置移动到位置即一个即一个f f距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层 的形状是平行四边形。的形状是平行四边形。 hD f f apap bD r 切削层公称厚度切削层公称厚度h hD D 简称切削厚度，是垂直于切削表面简称切削厚度，是垂直于切削表面 度量的切削层尺寸。度量的切削层尺寸。 hD fsinr 切削层公称宽度切削层公称宽度b bD D 简称切削宽度，是沿切削表面度量简称切削宽度，

34、是沿切削表面度量 的切削层尺寸。的切削层尺寸。 bD ap/sinr 切削层公称横截面积 切削层公称横截面积A AD D DDpD bhafA 5.4 5.4 刀具刀具材料材料 切削切削过程中，刀具的切削性能取决于刀具的几何形状和刀具切过程中，刀具的切削性能取决于刀具的几何形状和刀具切 削部分材料的性能。切削技术发展的基础是刀具材料的发展。早削部分材料的性能。切削技术发展的基础是刀具材料的发展。早 期使用的碳素工具钢，切削速度只有期使用的碳素工具钢，切削速度只有10m/min10m/min左右，加工一根直径左右，加工一根直径 100mm100mm、长、长500mm500mm的碳钢轴件，需要的碳

35、钢轴件，需要100min100min才能完成；才能完成；2020世纪出世纪出 现高速钢刀具，切削速度提高到每分钟几十米；现高速钢刀具，切削速度提高到每分钟几十米；2020世纪世纪3030年代出年代出 现了硬质合金刀具，切削速度提高到每分钟现了硬质合金刀具，切削速度提高到每分钟100100到几百米；陶瓷刀到几百米；陶瓷刀 具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟1 000m1 000m以上；以上； 如今加工一根如今加工一根2 2105 kW105 kW的电机转子轴，仅需要的电机转子轴，仅需要1min1min，切削效率提，切削效率提 高高1001

36、00倍。倍。 5.4.1 5.4.1 刀具刀具材料应当具备的性能材料应当具备的性能 刀具切削部分的材料应具备以下基本条件：刀具切削部分的材料应具备以下基本条件： 高硬度：高硬度：常温硬度应在常温硬度应在HRC60HRC60以上。以上。 耐磨性：耐磨性：耐磨性是硬度、组织及化学性能等的综合反映。耐磨性是硬度、组织及化学性能等的综合反映。 强度和韧性：强度和韧性：为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足 够的强度和韧性。够的强度和韧性。 耐热性：耐热性：高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等，高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等

37、， 是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。 工艺性：工艺性：为了便于刀具制造，包括锻、轧、焊接、切削加工、可为了便于刀具制造，包括锻、轧、焊接、切削加工、可 磨削性和热处理特性等。磨削性和热处理特性等。 （2 2）常用刀具材料性能特征）常用刀具材料性能特征 刀具材料刀具材料性能特征性能特征刀具种类刀具种类适用工件材料适用工件材料适用加工条件适用加工条件 碳素工具钢碳素工具钢 Tl0ATl0A、T12AT12A HRC61-65,HRC61-65,高温强度低、高温强度低、 淬火时易裂、变形。淬火时易裂、变形。 丝锥、锉刀、锯丝锥、锉刀、锯 条、小钻头条、小钻

38、头 低强度、软材料、有低强度、软材料、有 色金属及塑性材料色金属及塑性材料 简单手动工具简单手动工具 合金工具钢合金工具钢 9SiCr,CrWMn9SiCr,CrWMn HRC 61-65,HRC 61-65,高温强度度高温强度度 比碳素钢稍好。比碳素钢稍好。 拉刀、绞刀、钻拉刀、绞刀、钻 头头 同上同上热处理变形小热处理变形小 的低速工具的低速工具 高速钢高速钢 HRC 61-65,HRC 61-65,能耐能耐600600C C 高温，热硬性尚好高温，热硬性尚好, ,耐磨耐磨 性稍好。性稍好。 钻头、铣刀、齿钻头、铣刀、齿 轮刀具（低、中轮刀具（低、中 速）速） 低、中强度和硬度的低、中强度

39、和硬度的 材料材料 复杂刀具复杂刀具 硬质合金硬质合金 HRC 74-81,HRC 74-81,能耐能耐1000 1000 C C高温，热硬性好高温，热硬性好, ,耐耐 磨性好。磨性好。 车、铣、拉、刨车、铣、拉、刨 钻头、绞刀（中钻头、绞刀（中 高速）高速） 中等以上强度和硬度中等以上强度和硬度 的材料的材料 各种刀具各种刀具 陶瓷材料陶瓷材料 HRA 91-95 HRA 91-95 ，热硬性好，热硬性好， 抗弯性差，易碎。抗弯性差，易碎。 车刀（高速）车刀（高速）各种材料各种材料不可断续切削不可断续切削 立方氮化硼立方氮化硼 HV 73-9000 HV 73-9000 ，热硬性高，热硬性高

40、， 可耐可耐15001500C C，与铁素的，与铁素的 亲和力小。亲和力小。 车刀、铣刀（中车刀、铣刀（中 高速）高速） 淬硬合金钢、高速钢、淬硬合金钢、高速钢、 淬硬、冷硬铸铁、纯淬硬、冷硬铸铁、纯 镍高温合金镍高温合金 用于连续切削、用于连续切削、 避免冲击振动避免冲击振动 人造金刚石人造金刚石 1000HV1000HV，热硬性好。，热硬性好。车刀、铣刀、砂车刀、铣刀、砂 轮等轮等 硬质合金、陶瓷、玻硬质合金、陶瓷、玻 璃、有色金属及合金璃、有色金属及合金 不易加工的铁族不易加工的铁族 金属金属 5.4.2 5.4.2 高速钢高速钢 特点：特点：具有较高的强度、韧性和耐磨性具有较高的强度、

41、韧性和耐磨性 耐热性为耐热性为540C540C600C600C 工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口工艺性能较好，容易磨出锋利的刃口 硬度和耐热性不如硬质合金，但刀具的刃口强度和韧性比硬硬度和耐热性不如硬质合金，但刀具的刃口强度和韧性比硬 质合金高，能承受较大的冲击载荷。质合金高，能承受较大的冲击载荷。 适用范围：适用范围：结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉 刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。刀、齿轮刀具、螺纹刀具等。 牌号：牌号：通用高速钢：通用高速钢： 钨系钨系 W18Cr4VW18Cr4V 钼系钼系 W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V

42、2 主要用于一般材料的常规加工，速度不高于主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.50m/min. 高性能高速钢：高性能高速钢： 高钒高速钢高钒高速钢 W12Cr4V4Mo W12Cr4V4Mo 高钴高速钢高钴高速钢 W2Mo9Cr4VCo8 W2Mo9Cr4VCo8 高铝高速钢高铝高速钢 W6Mo5Cr4V2Al W6Mo5Cr4V2Al 主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.90m/min. 5.4.3 5.4.3 硬质合金硬质合金 特点：特点：硬度较高，常温下可达硬度较高，常温下可达747481HRC81HRC，

43、它的耐磨性较好，它的耐磨性较好 耐热性较高，能耐耐热性较高，能耐80080010001000 C C的高温的高温 抗弯强度和冲击韧度比高速钢低抗弯强度和冲击韧度比高速钢低 刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。刃口不能磨得象高速钢刀具那样锋利。 适用范围：适用范围：结构简单的刀具，如车刀、铣刀、刨刀等。结构简单的刀具，如车刀、铣刀、刨刀等。 YG (K) YG (K) 类类 YT (P)YT (P)类类 YW (M)YW (M)类类 WC+ Co WC+ Co WC+ TiCWC+ TiC+ Co Co WC+ TiCWC+ TiC+ TaC+ Co TaC+ Co 短切屑黑色金属（铸铁）有色短切

44、屑黑色金属（铸铁）有色 金属非金属钢材等金属非金属钢材等 加工长切屑的黑色金属（钢材）加工长切屑的黑色金属（钢材） 钢材、铸铁有色金属非金属钢材、铸铁有色金属非金属 牌号： 牌号： 5.5 5.5 金属金属切削过程切削过程 金属金属切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的过程和切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的过程和 已加工表面的形成的过程。已加工表面的形成的过程。 在在这个过程中始终存在着刀具与工件（金属材料）之间切削和抗切这个过程中始终存在着刀具与工件（金属材料）之间切削和抗切 削的矛盾，并产生一系列重要现象。如形成切屑、切削力、切削热与切削的矛盾，并产生一系列重要现象。如形

45、成切屑、切削力、切削热与切 削温度及刀具的磨损等。削温度及刀具的磨损等。 在在对金属切削过程进对金属切削过程进 行实验研究时，常用的切行实验研究时，常用的切 削模型是直角自由切削，削模型是直角自由切削， 所谓自由切削就是只有一所谓自由切削就是只有一 个直线切削刃参加切削，个直线切削刃参加切削， 如图所示。如图所示。 5.5.1 5.5.1 切切屑的形成过程屑的形成过程 实验研究表明，金属切削与非金属切削不同，金属切削实验研究表明，金属切削与非金属切削不同，金属切削 的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变的特点是被切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变 形以后转变为切屑和形成已加工表面

46、。形以后转变为切屑和形成已加工表面。 正挤压： 正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作 用力方向约成用力方向约成4545 偏挤压： 偏挤压：金属材料一部分受挤压时，金属只能沿金属材料一部分受挤压时，金属只能沿 OMOM线滑移。线滑移。 切削： 切削：与偏挤压情况类似。弹性变形与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力剪切应力 增大，达到屈服点增大，达到屈服点产生塑性变形，沿产生塑性变形，沿OMOM线滑移线滑移 剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑切屑 与母体脱离。与母体脱离。 F A BO M 45 a a）正挤压）

47、正挤压 F A BO M 45 b b）偏挤压）偏挤压 O M F c c）切削）切削 变形区的划分：变形区的划分： 根据根据金属切削实验绘制的金属切削过程中的变形滑移线和流线，通常把金属切削实验绘制的金属切削过程中的变形滑移线和流线，通常把 被切削刃作用的金属层划分为三个变形区：被切削刃作用的金属层划分为三个变形区： 第 第I I变形区位于切削刃和前刀面的前变形区位于切削刃和前刀面的前 方，面积是三个变形区中最大的，为方，面积是三个变形区中最大的，为 主变形区；主变形区； 第 第IIII变形区是与前刀面相接触的附变形区是与前刀面相接触的附 近区域，切屑沿前刀面流出时，受到近区域，切屑沿前刀面

48、流出时，受到 前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面的前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面的 切屑底层会进一步发生变形；切屑底层会进一步发生变形； 第 第IIIIII变形区是已加工表面靠近切削变形区是已加工表面靠近切削 刃处的区域，这一区域金属受到切削刃处的区域，这一区域金属受到切削 刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与 回弹，发生变形造成加工硬化。回弹，发生变形造成加工硬化。 5.5.2 5.5.2 第第I I变形区变形区 主要特征：主要特征：剪切滑移变形剪切滑移变形, , 加工硬化、形成切屑加工硬化、形成切屑 终剪终剪 切面切面 始剪始剪 切面切面 1 1）切屑类型）切屑类型

49、 由于工件材料和切削条件的不同，切屑过程中的变形情况也不同，因而产生由于工件材料和切削条件的不同，切屑过程中的变形情况也不同，因而产生 的切屑形状也不同，从变形的观点来看，可将切屑的形状分为四种类型。的切屑形状也不同，从变形的观点来看，可将切屑的形状分为四种类型。 节状（挤裂）切屑： 节状（挤裂）切屑：在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较 低、切削厚度较大、刀具前角较大的情况下产生。这是由于材料在剪切低、切削厚度较大、刀具前角较大的情况下产生。这是由于材料在剪切 滑移过程中滑移量较大，由滑移变形所产生的加工硬化使剪切应力增大，滑移过程中滑移量较大

50、，由滑移变形所产生的加工硬化使剪切应力增大， 在局部地方达到了材料的断裂强度所引起的。因此切削力波动较大，已在局部地方达到了材料的断裂强度所引起的。因此切削力波动较大，已 加工表面粗糙度较大。加工表面粗糙度较大。 带状切屑： 带状切屑：通常在加工塑性金属材料、切削厚度较小、切削速度较高、通常在加工塑性金属材料、切削厚度较小、切削速度较高、 刀具前角较大的情况下获得。形成带状切屑时，材料没有充分变形。因此刀具前角较大的情况下获得。形成带状切屑时，材料没有充分变形。因此 切削中产生的力和热均较小，切削平稳，已加工表面粗糙度低。切削中产生的力和热均较小，切削平稳，已加工表面粗糙度低。 粒状（单元）切

51、屑： 粒状（单元）切屑：切屑沿剪切面完全断开，因而呈单元状。当切切屑沿剪切面完全断开，因而呈单元状。当切 削塑性较差的材料，在切削速度极低时，会产生这种切屑。削塑性较差的材料，在切削速度极低时，会产生这种切屑。 崩碎切屑： 崩碎切屑：在加工铸铁、青铜等脆性材料时，易形成崩碎切屑。产生在加工铸铁、青铜等脆性材料时，易形成崩碎切屑。产生 崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖易磨崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖易磨 损，容易产生振动，影响工件表面质量。工件材料愈硬脆，刀具前角愈损，容易产生振动，影响工件表面质量。工件材料愈硬脆，刀具前角愈 小，切削厚度

52、愈大，愈易形成这类切屑。小，切削厚度愈大，愈易形成这类切屑。 切脆性材料切脆性材料 不平稳不平稳, ,表面粗糙表面粗糙 带状切屑带状切屑 挤裂切屑挤裂切屑 粒粒( (节节) )状切屑状切屑 崩碎切屑崩碎切屑 加工塑性材料加工塑性材料 切塑性材料：切塑性材料： 带状切屑带状切屑 挤裂切屑挤裂切屑 粒状切屑粒状切屑 0v hD 0 v hD0 v hD 0v hD 切削不平稳，力波动大切削不平稳，力波动大 加工表面粗糙加工表面粗糙 切削平稳，力波动小切削平稳，力波动小 加工面光洁，断屑难加工面光洁，断屑难 滑移量较大，局部滑移量较大，局部 剪应力达断裂强度剪应力达断裂强度 2 2）变形系数）变形系

53、数 切削过程中，切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。切削过程中，切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。 可用其表示切削层变的变形程度。根据体积不变原理，变形系数可用其表示切削层变的变形程度。根据体积不变原理，变形系数hh可用下可用下 式表示：式表示： D Dh Dh D h h h L L 式中式中LDLD切削层的长度切削层的长度 LDhLDh切屑的长度切屑的长度 hDhhDh切屑的厚度切屑的厚度 hD hD 切削层的厚度切削层的厚度 LDh hD hDh LD 切屑与切削层尺寸切屑与切削层尺寸 在在一定条件下，变形系数一定条件下，变形系数hh值的大小能直观地

54、反映切屑的变形程度，且值的大小能直观地反映切屑的变形程度，且 测量方便，测量方便，hh值越大，表示切屑越厚而短，切屑变形就越大，否则反之。值越大，表示切屑越厚而短，切屑变形就越大，否则反之。 参照右图，可以推导出变形系数的参照右图，可以推导出变形系数的 计算公式：计算公式： sin )cos( o h 由此可见，影响切削变形的主由此可见，影响切削变形的主 要因素是前角要因素是前角oo和剪切角和剪切角。 剪切角剪切角减小，切屑就变厚、减小，切屑就变厚、 变短，变形系数变短，变形系数hh增大。剪增大。剪 切角切角增大，变形系数增大，变形系数hh减减 小。小。 3 3）剪切角）剪切角 如图所示，根据

55、纯剪切理论，主应力方向与最大剪应力方向之间的夹角呈如图所示，根据纯剪切理论，主应力方向与最大剪应力方向之间的夹角呈 4545，且主应力，且主应力FaFa与作用合力与作用合力 FrFr一致，可得到剪切角的计算公式为：一致，可得到剪切角的计算公式为： o 4 当前角增大时， 当前角增大时，随之增大，变随之增大，变 形减小。可见在保证切削刃强度形减小。可见在保证切削刃强度 的前提下增大刀具前角对改善切的前提下增大刀具前角对改善切 削过程有利。削过程有利。 当摩擦角 当摩擦角增加时，增加时，随之减小，随之减小， 变形增大。所以采用优质切削液变形增大。所以采用优质切削液 减小前刀面上的摩擦系数是很重减小

56、前刀面上的摩擦系数是很重 要的。要的。 5.5.3 5.5.3 第第IIII变形区变形区 此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。 被被切削层金属经过终滑移线切削层金属经过终滑移线OMOM形形 成切屑沿前刀面流出时，切屑底层仍成切屑沿前刀面流出时，切屑底层仍 受到刀具的挤压和接触面之间强烈的受到刀具的挤压和接触面之间强烈的 摩擦，继续以剪切滑移为主的方式变摩擦，继续以剪切滑移为主的方式变 形，其切屑底层的变形程度比切屑上形，其切屑底层的变形程度比切屑上 层剧烈，从而使切屑底层晶粒弯曲拉层剧烈，从而使切屑底层晶粒弯曲拉 长，在摩

57、擦阻力的作用下，这部分切长，在摩擦阻力的作用下，这部分切 屑流动速度减慢，称为滞流层。屑流动速度减慢，称为滞流层。 积屑瘤积屑瘤 在在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑 性材料时，常常在刀具前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块如图所示，性材料时，常常在刀具前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块如图所示， 这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。 积积屑瘤的硬度很高，通常是工件材料屑瘤的硬度很高，通常是工件材料 的的2 23 3倍，当它处于比较稳定的状态时，倍，当它处于

58、比较稳定的状态时， 能够代替切削刃进行切削起到了保护刀具能够代替切削刃进行切削起到了保护刀具 的作用，而且增大了实际前角，可减少切的作用，而且增大了实际前角，可减少切 屑变形和切削力，但是会引起过量切削，屑变形和切削力，但是会引起过量切削， 降低了加工精度，当积屑瘤脱落时，其残降低了加工精度，当积屑瘤脱落时，其残 片会粘附在已加工表面上恶化表面粗糙度，片会粘附在已加工表面上恶化表面粗糙度， 如果残片粘附在切屑底层会划伤刀具表面，如果残片粘附在切屑底层会划伤刀具表面， 因此在粗加工时可以利用积屑瘤的有利之因此在粗加工时可以利用积屑瘤的有利之 处，精加工时应避免产生积屑瘤。处，精加工时应避免产生积

59、屑瘤。 hDhD hDhD oeoe HbHb 影响影响积屑瘤产生的主要因素是积屑瘤产生的主要因素是 工件材料和切削速度。工件材料工件材料和切削速度。工件材料 塑性越好，越易生成积屑瘤；实塑性越好，越易生成积屑瘤；实 践证明，切削速度很高或很低时，践证明，切削速度很高或很低时， 很少生成积屑瘤，在某一速度范很少生成积屑瘤，在某一速度范 围内，积屑瘤容易生成，右图是围内，积屑瘤容易生成，右图是 切削速度与积屑瘤高度切削速度与积屑瘤高度HbHb的关系的关系 曲线。此外增大刀具前角、改善曲线。此外增大刀具前角、改善 前刀面的表面粗糙度、使用合适前刀面的表面粗糙度、使用合适 的切削液，都可减少或避免积

60、屑的切削液，都可减少或避免积屑 瘤生成。瘤生成。 切削速度切削速度v v与积屑瘤高度与积屑瘤高度HbHb的关系的关系 5.5.4 5.5.4 第第变形区变形区 第第变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。是挤压摩擦回弹区，变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。是挤压摩擦回弹区， 直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。 h h D D hh D D 刀刃钝圆半径 刀刃钝圆半径r rn :n : 前后刀面过渡圆弧半径。前后刀面过渡圆弧半径。 后刀面磨损带 后刀面磨损带VB VB : : 后刀面实际后角为零的棱带。后刀面实际后角为零的棱带。 弹性恢复区