第七章第一节

1、主要内容：主要内容： 金属切削过程金属切削过程 材料的可加工性材料的可加工性 加工质量和切削用量的选择加工质量和切削用量的选择 切削运动切削运动 切削刀具切削刀具 加工表面和切削用量加工表面和切削用量 7.1 金属切削加工基础知识金属切削加工基础知识 7.1 金属切削加工基础知识金属切削加工基础知识 切削加工切削加工： 指利用切削刀具将金属坯料上多余材料切除，指利用切削刀具将金属坯料上多余材料切除， 以获得所需要的尺寸、形状、位置精度和表面质量以获得所需要的尺寸、形状、位置精度和表面质量 的加工方法。的加工方法。 钳钳 工工：工人手持工具进行切削加工。：工人手持工具进行切削加工。 常用方法有划

2、线、锯削、锉削、钻削等。常用方法有划线、锯削、锉削、钻削等。 分类分类 机械加工机械加工：工人操作机床完成切削加工过程。：工人操作机床完成切削加工过程。 如车削、铣削、刨削、磨削、镗削等。如车削、铣削、刨削、磨削、镗削等。 7.1.1 切切 削削 运运 动动 定义定义：指机床为实现切削加工，：指机床为实现切削加工，刀具与工件刀具与工件之间之间 所必须具有的所必须具有的相对运动相对运动。 按作用的不同可分：按作用的不同可分： 1. 主运动主运动：切下切屑所必需的最基本、最主要的运动。 切下切屑所必需的最基本、最主要的运动。 特点特点：在整个运动系统中， 在整个运动系统中，速度最高、消耗的功率最大

3、速度最高、消耗的功率最大。 主运动主运动只有一个只有一个。 2. 进给运动进给运动： 特点特点：速度低、消耗的功率小 速度低、消耗的功率小。 进给运动进给运动可以有一个或多个可以有一个或多个。 保证加工连续进行所需要的运动。保证加工连续进行所需要的运动。 切削运动切削运动 各种切削加工的工作运动举例各种切削加工的工作运动举例 主运动和进给运动可以由工件完成，也可以由刀具来完成主运动和进给运动可以由工件完成，也可以由刀具来完成； 二者的合成就是实际的二者的合成就是实际的切削运动切削运动。 机床名称机床名称主运动主运动进给运动进给运动 卧式车床卧式车床 工件的旋转运动工件的旋转运动 车刀的横向、纵

4、向、斜向的直线运动车刀的横向、纵向、斜向的直线运动 钻床钻床 钻头的旋转运动钻头的旋转运动 钻头的轴向移动钻头的轴向移动 卧铣、立铣卧铣、立铣 铣刀的旋转运动铣刀的旋转运动 工件的纵向、横向移动（有时也作垂直方向工件的纵向、横向移动（有时也作垂直方向 移动）移动） 牛头刨床牛头刨床 刨刀的往复直刨刀的往复直 线运动线运动 工件横向间歇移动或刨刀垂直斜向间歇移动工件横向间歇移动或刨刀垂直斜向间歇移动 龙门刨床龙门刨床 工件的往复直工件的往复直 线转运动线转运动 刨刀的横向、纵向、斜向的间歇移动刨刀的横向、纵向、斜向的间歇移动 外圆磨床外圆磨床 砂轮高速旋转砂轮高速旋转 工件的转动，同时纵向往复移

5、动，砂轮横向工件的转动，同时纵向往复移动，砂轮横向 移动移动 内圆磨床内圆磨床 砂轮高速旋转砂轮高速旋转 工件转动，同时纵向往复移动，砂轮横向移工件转动，同时纵向往复移动，砂轮横向移 动动 平面磨床平面磨床 砂轮高速旋转砂轮高速旋转 工件往复移动，砂轮横向、垂直方向移动工件往复移动，砂轮横向、垂直方向移动 常见机床上的工作运动（切削运动）常见机床上的工作运动（切削运动） 6 有两个基本要素有两个基本要素 刀具刀具切削刃切削刃相对于工件的运动过程，相对于工件的运动过程， 就是表面形成的过程。就是表面形成的过程。 不同切削运动不同切削运动的组合，即可形成各种的组合，即可形成各种 工件表面。工件表面

6、。 在切削加工过程中在切削加工过程中: 切削刀具切削刀具 切削运动切削运动 机械零件机械零件 常用的表常用的表 面形状面形状 平面平面 圆柱面圆柱面 特殊表面特殊表面 成形表面成形表面 圆锥面圆锥面 7.1.2 加工表面和切削用量加工表面和切削用量 8 l 待加工表面待加工表面：工件上：工件上待切除待切除 的表面的表面。切削中，逐渐减小。切削中，逐渐减小 直到全部被切去。直到全部被切去。 l 已加工表面已加工表面：工件上：工件上经刀具经刀具 切削后产生的新表面切削后产生的新表面。切削。切削 中逐渐扩大。中逐渐扩大。 l 过渡表面过渡表面(加工表面加工表面)：工件：工件 上上切削刃正在切削的表面

7、切削刃正在切削的表面。 介于待加工表面和已加工表介于待加工表面和已加工表 面之间。面之间。 1. 1. 工件上的工件上的3 3个表面个表面 车内圆（孔）车内圆（孔） （1）切削速度）切削速度 vc 在单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。在单位时间内，工件或刀具沿主运动方向的相对位移。 当当主运动为旋转运动主运动为旋转运动时时 (m/s) 601000 c nD v 式中：式中： n 主运动转速（主运动转速（r/min）；）； D 刀具或工件的最大直径（刀具或工件的最大直径（mm）。 当当主运动为往复运动主运动为往复运动时时， (m/min) 1000 2 c r nL v 式中：式中

8、：L 往复运动行程长度，往复运动行程长度，mm； nr 主运动在单位时间的往复次数，主运动在单位时间的往复次数，str/min。 录像录像vc 平均速度平均速度 2. 2.切削用量切削用量 （2）进给量）进给量 f 指在主运动的一个循环内，刀具相对于工件指在主运动的一个循环内，刀具相对于工件在进给在进给 运动方向上运动方向上的位移量。的位移量。 min)(mm/s zf 或nzfnfv 式中：式中：z 多齿刀具的齿数；多齿刀具的齿数； n 刀具的转速（刀具的转速（r/s 或或 r/min)。 录像录像f 单位时间的进给量单位时间的进给量 进给速度，进给速度，用用 vf 表示。表示。 2. 2.

9、切削用量切削用量 （3）背吃刀量）背吃刀量ap ，又称，又称切削深度切削深度 2. 2.切削用量切削用量 2 mw p dd a vc、f、ap 构成切削用量三要素，是影响工件加工质构成切削用量三要素，是影响工件加工质 量、刀具磨损和生产率的重要因素，应合理选择。量、刀具磨损和生产率的重要因素，应合理选择。 v 金属的切除率金属的切除率Zw ：指单位时间内切除金属的体积。指单位时间内切除金属的体积。 )min(1000 3 pw 或smmvfaZ ap 指在垂直于进给方向上测量的主切削刃切入工件的深度指在垂直于进给方向上测量的主切削刃切入工件的深度 。 外圆车削外圆车削时，时， ap 为工件上

10、为工件上已加工表面已加工表面与与待加工表面待加工表面之间的之间的 垂直距离。垂直距离。 Zw生产率生产率 12 课堂练习课堂练习： 图示为车外圆、车端面、刨图示为车外圆、车端面、刨 平面，请在图中标出平面，请在图中标出vc、f、ap 及工件表面。及工件表面。 刀具材料刀具材料 刀具角度刀具角度 刀具结构刀具结构 评估刀具切削评估刀具切削 性能的三要素性能的三要素 切削刀具切削刀具： 是完成切削加工的重要工具，是完成切削加工的重要工具，其作用是其作用是从工件上切除多从工件上切除多 余材料余材料。 刀具的切削性能是刀具的切削性能是影响加工生产率、质量和成本影响加工生产率、质量和成本的主要的主要 因

11、素，决定着机床性能的发挥。因素，决定着机床性能的发挥。 7.1 金属切削加工基础知识金属切削加工基础知识 7.1.3 7.1.3 刀具材料刀具材料 （1 1）高的硬度和耐磨性）高的硬度和耐磨性 （2 2）足够的强度和韧性）足够的强度和韧性 （3 3）较高的热硬性）较高的热硬性 （4 4）良好的工艺性能 良好的工艺性能 （5 5）导热性好）导热性好 （6 6）化学稳定性好且成本低）化学稳定性好且成本低 1. 1. 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能 15 2. 常用刀具材料及其选用常用刀具材料及其选用 常见的常见的 刀具材刀具材 料种类料种类 YT类类 YG类类 YW类类 陶瓷陶瓷 金刚石

12、金刚石 立方氮化硼立方氮化硼 硬质合金硬质合金 超硬刀具材料超硬刀具材料 涂层刀具涂层刀具 工具钢工具钢 高速钢高速钢 碳素工具钢碳素工具钢 低合金工具钢低合金工具钢 重点重点 热硬性差，仅热硬性差，仅 用于手工工具用于手工工具 16 1 1）高速钢高速钢 成分成分：WC0.751.5 ， Me：W、Mo、Cr、V等等 性能性能： l硬度高（硬度高（63HRC），），热硬性好热硬性好，工作温度达，工作温度达600 ； l耐磨性高；耐磨性高； l韧性好，比硬质合金高几十倍韧性好，比硬质合金高几十倍 l抗弯强度高，抗冲击，为一般硬质合金的抗弯强度高，抗冲击，为一般硬质合金的23倍；倍； l可加工性

13、好，热处理变形小，易刃磨。可加工性好，热处理变形小，易刃磨。 应用应用：适于制造各类刀具，特别是：适于制造各类刀具，特别是形状形状 复杂的刀具复杂的刀具，如铣刀、钻头、拉刀、，如铣刀、钻头、拉刀、 螺纹刀具、成形刀具和齿轮刀具等。螺纹刀具、成形刀具和齿轮刀具等。 齿轮盘形铣刀齿轮盘形铣刀 17 高速钢的分类高速钢的分类 按制造工艺分按制造工艺分 按切削性能分按切削性能分 普通高速钢普通高速钢 高性能高速钢高性能高速钢 熔炼高速钢熔炼高速钢 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 涂层高速钢涂层高速钢 按基本化学成份分按基本化学成份分 钨系钨系 钼系钼系 18 （1 1）普通高速钢普通高速钢 是切削硬度在

14、是切削硬度在250280HBS以下的大部分结构钢和铸以下的大部分结构钢和铸 铁的铁的基本刀具材料基本刀具材料。切削普通钢料时，切削速度一般不能。切削普通钢料时，切削速度一般不能 高于高于4060m/min。 典型牌号典型牌号： l W18Cr4V（简称（简称W18） ：综合性能较好综合性能较好，在，在600时硬度时硬度 为为48.5HRC，适于适于制造精加工刀具和形状复杂刀具制造精加工刀具和形状复杂刀具，如钻，如钻 头、丝锥、拉刀、成形车刀和齿轮刀具等。头、丝锥、拉刀、成形车刀和齿轮刀具等。 lW6Mo5Cr4V2（简称（简称M2） ：抗弯强度和韧性比：抗弯强度和韧性比W18高，高， 热塑性好

15、，适于热塑性好，适于制作尺寸较大和承受较大冲击的刀具制作尺寸较大和承受较大冲击的刀具，以，以 及热成形刀具（如制作热轧钻头）。及热成形刀具（如制作热轧钻头）。 19 （2 2）高性能高速钢高性能高速钢 普通高速钢中普通高速钢中 C V Co、Al等元素等元素熔炼而成。熔炼而成。 特点特点：热硬性好，热硬性好，在在650时，硬度仍接近时，硬度仍接近60HRC； 应用应用：适于加工适于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、 高强度钢等高强度钢等难加工材料难加工材料，并，并制作形状复杂刀具制作形状复杂刀具。 典型牌号典型牌号： l W2Mo9Cr4VCo8（M42）：综

16、合性能好，易刃磨，常温）：综合性能好，易刃磨，常温 硬度接近硬度接近70HRC，600为为55HRC，因含，因含Co多，较贵。多，较贵。 l W6Mo5Cr4V2Al（501）：）：501钢中含钢中含Al无无Co，比，比M42 便宜，但刃磨性稍差。便宜，但刃磨性稍差。 20 （3）粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 l制备方法制备方法：先用高压气体（氩气或氮气）将钢水雾化成粉末：先用高压气体（氩气或氮气）将钢水雾化成粉末 后，再经过热压和锻轧成材。后，再经过热压和锻轧成材。 l特特 点点：与熔炼高速钢相比，与熔炼高速钢相比， 有效地解决了熔炼高速钢组织中的碳化物共晶偏析问有效地解决了熔炼高速钢组织中

17、的碳化物共晶偏析问 题，组织细小均匀；题，组织细小均匀； 韧性好，硬度高，耐磨性提高韧性好，硬度高，耐磨性提高2030，刃磨性好；，刃磨性好； 热处理变形小（淬火变形只有熔炼钢的热处理变形小（淬火变形只有熔炼钢的1/21/2）；）； 质量稳定，刀具寿命较高。质量稳定，刀具寿命较高。 l应应 用用：可切削各种可切削各种难加工材料难加工材料，特别适于制作各种，特别适于制作各种精密刀精密刀 具具和和形状复杂的刀具形状复杂的刀具。 高速钢的铸态组织高速钢的铸态组织 粗大碳粗大碳 化物化物 常用高速钢牌号及其应用范围常用高速钢牌号及其应用范围 类别类别牌牌 号号主主 要要 用用 途途 普通普通 高速钢高

18、速钢 W18Cr4V 广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、 齿轮刀具等齿轮刀具等 W6Mo5Cr4V2 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具 ，如轧制钻头等，如轧制钻头等 W14Cr4VMnRe 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具 ，如轧制钻头等，如轧制钻头等 高高 性性 能能 高高 速速 钢钢 高碳高碳95W18 Cr4V 用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高 的刀具的刀具 高矾高矾W12Cr4V4

19、Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具 超硬超硬 W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具 W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具 W6Mo5Cr4V5SiN bAl 用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金 的钻头的钻头 W12Cr4V3 Mo3Co5Si 耐磨、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具耐磨、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具 W2Mo9Cr4VCo8 （M42） 用

20、作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂 刀具，价格昂贵刀具，价格昂贵 22 2 2硬质合金硬质合金 金属碳化物粉末，如金属碳化物粉末，如WC、TiC、TaC、NbC等等 金属粘结剂，如金属粘结剂，如Co、Ni、Mo等等 高高 压压 成成 型型 高高 温温 烧烧 结结 粉末冶金制品粉末冶金制品 高熔点、高硬度高熔点、高硬度 硬质合金刀片硬质合金刀片 23 u 硬质合金的性能特点：硬质合金的性能特点： 硬度很高，耐磨性好，硬度很高，耐磨性好，常温硬度常温硬度8993HRA； 热硬性好，工作温度可达热硬性好，工作温度可达8001000，允许的切削，允许的切

21、削 速度可达速度可达100300m/min； 刀具寿命高，比高速钢高几倍几十倍。刀具寿命高，比高速钢高几倍几十倍。 缺点缺点：抗弯强度低，冲击韧性差，加工困难。抗弯强度低，冲击韧性差，加工困难。 硬质合金多制作成硬质合金多制作成各种形状刀片各种形状刀片，焊接或直接，焊接或直接 夹固在刀体上使用；还不能完全代替高速钢夹固在刀体上使用；还不能完全代替高速钢。 24 25 YG类类 钨钴类硬质合金：钨钴类硬质合金：WCCo 常用牌号：常用牌号：YG3、YG6、YG8 YT类类 钨钛钴类硬质合金：钨钛钴类硬质合金：WCTiCCo 常用牌号：常用牌号：YT5、YT15、YT30 YW类类 钨钛钽钨钛钽(

22、铌铌)钴类：钴类：YT类类TaC（NbC） 常用牌号：常用牌号：YW1、YW2。 u 硬质合金的分类：硬质合金的分类： ISO 国际标准化组织国际标准化组织 P类类 K类类 M类类 我国我国 YG类类 YT类类 YW类类 26 合金中，合金中，WCo 抗弯强度越高抗弯强度越高 韧性越好韧性越好 合金中加入合金中加入TiC、TaC或或NbC，使硬度使硬度 热硬性热硬性 抗弯强度抗弯强度导热系数导热系数，并随其含量增加而下降。，并随其含量增加而下降。 u 含钴量及碳化物对硬质合金性能的影响含钴量及碳化物对硬质合金性能的影响 所以，所以，YT类比类比YG类合金，硬度、热硬性高，但强度类合金，硬度、热

23、硬性高，但强度 和韧性要差，导热系数要小；和韧性要差，导热系数要小；YW类合金的综合性能好类合金的综合性能好。 u 应用：应用：应用广泛，主要的刀具材料之一。如：大多数应用广泛，主要的刀具材料之一。如：大多数 车刀车刀；硬质合金；硬质合金铣刀、拉刀、铰刀铣刀、拉刀、铰刀也逐渐增多；也逐渐增多； 尤其在数控机床和加工中心上使用的刀具。尤其在数控机床和加工中心上使用的刀具。 27 （1）切削）切削铸铁、青铜等脆性材料铸铁、青铜等脆性材料时，宜选用抗弯强度和时，宜选用抗弯强度和 韧性好的韧性好的YG类类，如，如YG3、YG8。 原因原因：脆性金属材料在切削时，：脆性金属材料在切削时，易形成崩碎切屑易

24、形成崩碎切屑，切削力，切削力 集中在切削刃上，局部压力很大，且有一定的冲击，集中在切削刃上，局部压力很大，且有一定的冲击， 刀具易崩刃。刀具易崩刃。 （2）切削普通）切削普通钢料钢料时，时，宜选用宜选用YT类和类和YW类类（不宜用（不宜用YG类类 合金），如合金），如YT5、YT15、YT30、YW1、YW2。 原因原因：切削钢料时，：切削钢料时，YG类合金的抗月牙洼磨损能力较差类合金的抗月牙洼磨损能力较差。 (铁和钴在元素周期表的同一族中，高温下可互溶铁和钴在元素周期表的同一族中，高温下可互溶) u 硬质合金的选用硬质合金的选用 ( (参见表参见表7 72)2) （月牙洼磨损月牙洼磨损） 2

25、8 u 硬质合金的选用硬质合金的选用 （3）切削高温合金、不锈钢等难加工材料时，应选用）切削高温合金、不锈钢等难加工材料时，应选用YG 或或YW类合金。类合金。 原因原因：高温合金和不锈钢中有的含有钛元素，且导热性差，：高温合金和不锈钢中有的含有钛元素，且导热性差， 切削温度高易产生冷焊，所以要求刀具材料不含钛切削温度高易产生冷焊，所以要求刀具材料不含钛 或少钛，且导热性好。或少钛，且导热性好。 （4）精加工精加工时，宜选用含钴少、硬度高的硬质合金，时，宜选用含钴少、硬度高的硬质合金， 如如YG3（铸铁精加工）、（铸铁精加工）、YT30（钢件精加工）（钢件精加工）。 粗加工时粗加工时，宜选用含

26、钴多、抗弯强度大的合金，宜选用含钴多、抗弯强度大的合金， 如如YG8 （铸铁粗加工）（铸铁粗加工） 、YT5 （钢件粗加工）（钢件粗加工） 。 （5）YW类合金综合切削性能好，可用于各种金属材料的切类合金综合切削性能好，可用于各种金属材料的切 削加工，有削加工，有通用硬质合金通用硬质合金之称，如之称，如YW1、YW2。 29 3）涂层刀具材料）涂层刀具材料 硬质合金或高速钢基体硬质合金或高速钢基体TiC、TiN 或或Al2O3涂层涂层 涂层硬质合金刀片的寿命至少可提高涂层硬质合金刀片的寿命至少可提高13倍；倍； 涂层高速钢刀具的寿命可提高涂层高速钢刀具的寿命可提高210倍。倍。 应用应用：使用

27、中不用磨刃，生产率高；可用于钢料、铸铁的使用中不用磨刃，生产率高；可用于钢料、铸铁的 精加工和半精加工及负荷较轻的粗加工；精加工和半精加工及负荷较轻的粗加工；但不能用于但不能用于 加工高温合金、不锈钢及钛合金加工高温合金、不锈钢及钛合金。 选用选用： 对会产生剧烈磨损的刀具，采用对会产生剧烈磨损的刀具，采用TiC涂层较好；涂层较好； 在容易产生粘结的条件下，采用在容易产生粘结的条件下，采用TiN涂层较好；涂层较好； 在高速切削产生大量热量的场合，采用在高速切削产生大量热量的场合，采用Al2O3涂层为涂层为好。好。 30 l性能性能：与硬质合金相比，：与硬质合金相比， 硬度硬度 (9195HRA

28、)和和热硬性更高热硬性更高， 在在1200的温度下仍能切削；的温度下仍能切削； 耐磨性、化学惰性好，摩擦系数小耐磨性、化学惰性好，摩擦系数小 ，抗粘结和扩散磨损能力强，抗粘结和扩散磨损能力强，能以，能以 更高的速度切削更高的速度切削; 可切削难加工的高硬度材料可切削难加工的高硬度材料; 主要缺点主要缺点：脆性大：脆性大,抗冲击韧性差，抗弯强度低。抗冲击韧性差，抗弯强度低。 l分类分类：主要有：主要有Al2O3、Si3N4 两类两类 31 5 5）超硬刀具材料）超硬刀具材料 天然金刚石天然金刚石：自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切 削刃的钝圆半径

29、可达削刃的钝圆半径可达0.01m。因价格昂贵，主要用于高速、精密。因价格昂贵，主要用于高速、精密 加工，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等的加工。加工，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等的加工。 聚晶金刚石聚晶金刚石：由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天 然金刚石略低（然金刚石略低（65008000HK），价格便宜，焊接方便，可磨），价格便宜，焊接方便，可磨 削性好，已成为金刚石刀具主要材料。削性好，已成为金刚石刀具主要材料。 vv 金刚石刀具不适于加工钢和铸铁金刚石刀具不适于加工钢和铸铁。 聚晶立方氮化硼（聚晶立方氮化硼（CBN）：由单晶立

30、方氮化硼微粉在高温高由单晶立方氮化硼微粉在高温高 压下聚合而成。硬度为压下聚合而成。硬度为30004500HV，耐热性达，耐热性达1200，化学，化学 惰性很好，在惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反 应。应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料 等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。 刀具材料种类刀具材料种类 合金合金 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 陶瓷陶瓷 天然天然 聚晶金刚石聚晶金刚石 聚晶立方氮聚晶立方氮 工具钢工具钢 W

31、18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石金刚石 PCD 化硼化硼 PCBN 材料性能材料性能 硬度硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000 抗弯强度抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa 导热系数导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100 热稳定性热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性化学惰性 低低 惰性大惰性大 惰性小惰性小 惰性小惰性小 惰性大惰性大 耐磨性耐

32、磨性 低低 低低 较高较高 高高 最高最高 最高最高 很高很高 一般精度一般精度 Ra0.8 高精度高精度 Ra=0.4-0.2 加工质量加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削可替代磨削 加工对象加工对象 低速加低速加 工普通工普通 钢材、钢材、 铸铁铸铁 普通钢普通钢 材、铸材、铸 铁粗精铁粗精 加工加工 普通钢普通钢 材、铸材、铸 铁粗精铁粗精 加工加工 高硬度高硬度 钢材精钢材精 加工加工 硬质合金、有硬质合金、有 色金属及其合色金属及其合 金、陶瓷等高金、陶瓷等高 硬度材料硬度材料 淬火钢、冷硬淬火钢、冷硬 铸铁、高温合

33、铸铁、高温合 金等难加工材金等难加工材 料料 表表 超硬刀具材料与普通刀具材料性能与用途对比超硬刀具材料与普通刀具材料性能与用途对比 33 高性能高速钢，在加工高高性能高速钢，在加工高 硬度材料或精密加工时，硬度材料或精密加工时， 才考虑选用超硬材料。才考虑选用超硬材料。 应当指出，加工一般材料大量使用的应当指出，加工一般材料大量使用的 仍是仍是普通高速钢及硬质合金普通高速钢及硬质合金，只有在加工，只有在加工 难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或 l 刀具的组成刀具的组成 切削部分切削部分 夹持部分夹持部分 7.1.4 7.1.4 刀具角度刀具角度 35 1

34、.1.车刀的组成车刀的组成 l切削刀具的种类繁多，但切削刀具的种类繁多，但 其切削部分的几何形状和其切削部分的几何形状和 参数具有共性参数具有共性 l外圆车刀是最基本、最典外圆车刀是最基本、最典 型的切削刀具型的切削刀具； l其它其它各类刀具可以看作是各类刀具可以看作是 车刀的演变和组合车刀的演变和组合； l在确定刀具切削部分几何形状的一般述语时，常在确定刀具切削部分几何形状的一般述语时，常以普以普 通外圆车刀为代表通外圆车刀为代表。 36 v 外圆车刀切削部分的组成（外圆车刀切削部分的组成（） 三面三面：前刀面 前刀面：刀具上切屑流过的表面：刀具上切屑流过的表面 主后刀面主后刀面：刀具上与过

35、渡表面相对的表面：刀具上与过渡表面相对的表面 副后刀面副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面：刀具上与已加工表面相对的表面 两刃两刃： 一刀尖一刀尖: 主切削刃主切削刃：前刀面与主后：前刀面与主后 刀面的交线刀面的交线 副切削刃副切削刃：前刀面与副后：前刀面与副后 刀面的交线刀面的交线 刀尖刀尖：主切削刃与副切削刃的交点。：主切削刃与副切削刃的交点。 37 刀具除了在刀具除了在材料材料方面要具备一定的性能外，其切方面要具备一定的性能外，其切 削部分的削部分的几何形状几何形状也至关重要。也至关重要。 图示图示a，难以切削；，难以切削； 图示图示b，有一定角度，则可顺利切削。，有一定角度，则可顺利

36、切削。 38 2.2.刀具标注角度参考系刀具标注角度参考系（正交平面参考系）（正交平面参考系） 刀具标注角度参考系是在某些假定条件下建立的刀具标注角度参考系是在某些假定条件下建立的。 以车削为例，假定：以车削为例，假定： （1）车削时，切削刃上选定点与工件轴线等高）车削时，切削刃上选定点与工件轴线等高 （2）主运动方向与刀杆底面垂直）主运动方向与刀杆底面垂直 （3）进给运动方向与刀杆中心线垂直。）进给运动方向与刀杆中心线垂直。 这样，构成刀具标注角度参考系有：这样，构成刀具标注角度参考系有： 基面基面 Pr 切削平面切削平面 Ps 正交平面正交平面 Po 三个辅助平面三个辅助平面 （主剖面）（

37、主剖面） 39 v 正交平面参考系（正交平面参考系（P Pr rP Ps sP Po o ） 主切削刃主切削刃 主后刀面主后刀面 前刀面前刀面 副切削刃副切削刃 正交平面正交平面 Po A （1）基面基面 Pr ：通过切削刃通过切削刃 选定点与主运动方向选定点与主运动方向 垂直的平面。通常垂直的平面。通常基基 面与刀具底面平行面与刀具底面平行。 切削平面切削平面 Ps 基面基面 Pr 车刀标注角度参考系辅助平面车刀标注角度参考系辅助平面 （ PrPsPo ） （2）切削平面切削平面 Ps：通过通过 切削刃选定点与主切削刃选定点与主 切削刃相切且垂直切削刃相切且垂直 于基面于基面Pr的平面。的平

38、面。 （3）正交平面正交平面 Po：通过切削通过切削 刃选定点垂直于基面刃选定点垂直于基面Pr 和切削平面和切削平面 Ps的平面。的平面。 40 3.3.车刀的标注角度车刀的标注角度 指在指在刀具设计图样上标刀具设计图样上标 注的角度注的角度，是刀具制造、，是刀具制造、 刃磨和测量的依据。刃磨和测量的依据。车刀车刀 的标注角度主要有的标注角度主要有： 前前 角角 后后 角角 主偏角主偏角 副偏角副偏角 刃倾角刃倾角 o o r k r k s 车刀的主要标注角度车刀的主要标注角度 41 （1 1）前角前角 在在正交平面正交平面 PO中中 测量，是测量，是基面基面 Pr与与 前刀面前刀面之间的夹

39、角，之间的夹角， 有正负。有正负。 l作用作用：主要影响切削主要影响切削 难易程度。难易程度。 前角前角刀具锋利刀具锋利切削切削 温度温度切削轻快；切削轻快； 前角过大，刀刃和刀前角过大，刀刃和刀 尖强度尖强度散热体积散热体积刀刀 具寿命具寿命 o 42 l前角选取原则前角选取原则： 工件材料工件材料：塑性材料，前角大些；脆性材料，前角小些；：塑性材料，前角大些；脆性材料，前角小些； 强度、硬度低，前角可选大些，反之小些。强度、硬度低，前角可选大些，反之小些。 刀具材料刀具材料：韧性好的，如高速钢，前角可大些；：韧性好的，如高速钢，前角可大些； 硬质合金，脆性大，前角要选小些。硬质合金，脆性大

40、，前角要选小些。 加工性质加工性质：精加工时，前角可选大些；：精加工时，前角可选大些； 粗加工时，前角选小些。粗加工时，前角选小些。 举例举例： 用硬质合金车刀前角的取值范围用硬质合金车刀前角的取值范围 切削普通钢件，取切削普通钢件，取O10 20 切削灰铸铁，切削灰铸铁， 取取O5 15 切削铝及铝合金，取切削铝及铝合金，取O25 35 切削高强度钢，切削高强度钢， 取取O5 10 前角前角 后角后角 43 o （2 2）后角后角 在在正交平面正交平面 PO内测量，是内测量，是主后刀面主后刀面与与切削切削 平面平面PS 的夹角。的夹角。 作用作用： 后角后角主后刀面与工件主后刀面与工件 间的

41、摩擦间的摩擦主后刀面的主后刀面的 磨损磨损 后角过大，刀头强度后角过大，刀头强度 散热体积散热体积主后刀面的主后刀面的 磨损磨损 44 l 后角后角选择原则选择原则： 工件材料：工件材料： 材料的强度、硬度高，后角可选小些；反之，大些；材料的强度、硬度高，后角可选小些；反之，大些； 加工塑性材料时，后角可取大些；加工塑性材料时，后角可取大些； 加工脆性材料时，后角取小些。加工脆性材料时，后角取小些。 加工性质：加工性质： 粗加工及承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够粗加工及承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够 强度，后角可选小些，一般为强度，后角可选小些，一般为 4 6； 精加工时，背吃刀量较

42、小，为保证加工表面质量，精加工时，背吃刀量较小，为保证加工表面质量， 后角可选大一些，一般为后角可选大一些，一般为8 12。 45 （3 3）主偏角主偏角 r k （Pr r） 在在基面基面Pr内测量内测量，是，是主切削刃在基面上投影主切削刃在基面上投影 与进给方向的夹角与进给方向的夹角。 l 作用作用：r的大小影响的大小影响 刀具寿命刀具寿命。主偏角。主偏角 主切削刃参加切削的长度主切削刃参加切削的长度 负荷负荷，同时刀尖强度，同时刀尖强度散热散热 面积面积刀具寿命刀具寿命。 切削分力切削分力。r (背向力背向力)径向分力径向分力，当切削刚性较弱，当切削刚性较弱 的工件时，易引起工件变形和振

43、动。如车削细长轴。的工件时，易引起工件变形和振动。如车削细长轴。 46 （4 4）副偏角副偏角 q 当当ap、f、kr 值相同时值相同时 ， 残留面积残留面积表面粗糙度表面粗糙度 r k r k r k （Pr） 在在基面基面内测量，是内测量，是副切削刃副切削刃在基面在基面 上的投影与上的投影与进给运动反方向进给运动反方向的夹角。的夹角。 l 作用作用： 为减小副切削刃与工件已加工表面之为减小副切削刃与工件已加工表面之 间的摩擦，防止切削时产生振动。间的摩擦，防止切削时产生振动。 影响刀尖强度和表面粗糙度。影响刀尖强度和表面粗糙度。 l选择原则选择原则：主要根据表面粗糙度主要根据表面粗糙度 要

44、求和系统的刚度。一般，要求和系统的刚度。一般， 粗加工时取大些，精加工取小些；粗加工时取大些，精加工取小些； 系统刚度好时取较小些，刚度差时系统刚度好时取较小些，刚度差时 取较大些。取较大些。 47 刃倾角刃倾角 Ps s Pr r Ps s （5 5）刃倾角刃倾角 s 在在切削平面内切削平面内测量，测量， 是是主切削刃主切削刃与与基面基面的夹的夹 角。角。 当刀尖是切削刃最当刀尖是切削刃最 高点时高点时,s定为正值，反定为正值，反 之为负值。之为负值。 l作用作用： 主要是影响切削的锋利主要是影响切削的锋利 性、刀尖强度和切屑流出性、刀尖强度和切屑流出 的方向。的方向。 刃倾角刃倾角 48

45、l刃倾角的选择原则刃倾角的选择原则： 粗加工时，为增强刀尖强度，粗加工时，为增强刀尖强度，s常取负值；常取负值； 精加工时，为防止切屑划伤已加工表面，精加工时，为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值常取正值。 刃倾角对切屑流向的影响刃倾角对切屑流向的影响 想一想：钻通孔和盲孔时，切屑流向、钻头的刃倾角有没有不同？想一想：钻通孔和盲孔时，切屑流向、钻头的刃倾角有没有不同？ 49 课堂练习：课堂练习： f n Ps PrPo 0 r 已 加 工 面 r 50 习题：切断车刀标注角度习题：切断车刀标注角度 7.1.5 7.1.5 切削层几何参数切削层几何参数 v切削层切削层：工件上正被切削刃切削的那一

46、层金属：工件上正被切削刃切削的那一层金属, 即两个相邻过渡表面之间的那一层金属。即两个相邻过渡表面之间的那一层金属。 v切削层参数切削层参数：切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。：切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。 包括：包括： (1) 切削厚度切削厚度hD：垂直于垂直于过渡表面度量的切削层截面尺寸。过渡表面度量的切削层截面尺寸。 (2) 切削宽度切削宽度bD：平行于平行于过渡表面度量的切削层截面的尺寸。过渡表面度量的切削层截面的尺寸。 (3)切削面积切削面积AD: 切削层在切削尺寸度量平面内的横截面积。切削层在切削尺寸度量平面内的横截面积。 下面以车削外圆为例来说明下面以车削外圆为例来说明

47、: 52 v vf ap kr :为主偏角，是刀具主切削刃与进给方向的夹角。为主偏角，是刀具主切削刃与进给方向的夹角。 f bD hD f ap kr 切削切削 宽度宽度 切削切削 厚度厚度 切削切削 面积面积 车削外圆时，切削层的几何参数：车削外圆时，切削层的几何参数： kr 53 （1）切削厚度切削厚度： hD f sin kr（mm） hD 值的大小值的大小反映了切削刃单位长度上工作负荷的大小反映了切削刃单位长度上工作负荷的大小。 （2）切削宽度切削宽度： bD ap sin kr hD 值的大小值的大小影响刀具的散热情况影响刀具的散热情况。 （3）切削面积切削面积: AD hD bD

48、=ap f 从上述公式可看出：从上述公式可看出：hD、bD均与主偏角均与主偏角kr有关，有关， 但切削层面积但切削层面积AD只与只与hD、bD 或或 f、ap有关。有关。 bD hD f ap kr 7.1.6 7.1.6 金属切削过程金属切削过程 什么是金属切削过程？什么是金属切削过程？ 工件上多余的金属层，通工件上多余的金属层，通 过切削加工被刀具切除成为过切削加工被刀具切除成为 切屑切屑，从而获得所需几何形，从而获得所需几何形 状（状（已加工表面已加工表面）的过程。）的过程。 在这一过程中，会产生哪些现象？在这一过程中，会产生哪些现象？ 切削变形、切屑、切削力、切削热、切削温度、刀具磨切

49、削变形、切屑、切削力、切削热、切削温度、刀具磨 损、积屑瘤、已加工表面的加工硬化现象及残余应力等。损、积屑瘤、已加工表面的加工硬化现象及残余应力等。 两个结果：形成了切屑和已加工表面两个结果：形成了切屑和已加工表面 55 1. 切屑的形成和种类切屑的形成和种类 切屑形成过程切屑形成过程 刀具继续切入，切应力增大，刀具继续切入，切应力增大， 达到其屈服强度时，产生剪达到其屈服强度时，产生剪 切滑移的塑性变形；切滑移的塑性变形； 受刀具切削刃和受刀具切削刃和 前刀面的前刀面的挤压挤压， 产生弹性变形；产生弹性变形； 被切削被切削 金属层金属层 弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形挤裂挤裂切离切离切屑切

50、屑 刀具切刀具切 入工件入工件 刀具再继续切入，当切刀具再继续切入，当切 应力达到其断裂强度时，应力达到其断裂强度时， 金属材料被挤裂；金属材料被挤裂； 沿刀具前沿刀具前 刀面流出刀面流出 形成切屑。形成切屑。 56 切削层经塑性变形后，形成的切削层经塑性变形后，形成的切屑厚度增加切屑厚度增加，长度缩小长度缩小， 宽度基本不变，这种现象称为宽度基本不变，这种现象称为切屑收缩切屑收缩。即。即: o M lD hD lDh hDh 刀具刀具 切屑切屑 ; DDhDDh llhh D Dh h h h 切屑的收缩程度可用切屑的收缩程度可用 切切变形系数变形系数 表示：表示： 厚度变形系数厚度变形系数

51、 长度变形系数长度变形系数 切屑与切削层尺寸切屑与切削层尺寸 Dh D l l l 收缩系数收缩系数 h l ；反映了切屑变形程度和工件材料的塑性反映了切屑变形程度和工件材料的塑性。 57 根据其形态特征可分成根据其形态特征可分成四大类四大类型。型。（见教材表）（见教材表） 粒状切屑 崩碎切屑 带状切屑 节状切屑 切切 屑屑 刀刀 具具 积屑瘤积屑瘤（楔形（楔形 硬化粘附物）硬化粘附物） 2. 2. 积积 屑屑 瘤瘤 （1）什么是积屑瘤？）什么是积屑瘤？ 在在低、中速切削塑性金属材料低、中速切削塑性金属材料时时, 常在刀具的前刀面常在刀具的前刀面刃刃 口处口处粘结一些工件材料，形成一块粘结一些

52、工件材料，形成一块硬度很高的楔块硬度很高的楔块，称之，称之 为为积屑瘤积屑瘤。 积屑瘤的成因积屑瘤的成因 一定温度、压力作用下，切一定温度、压力作用下，切 屑底层与前刀面发生粘接；屑底层与前刀面发生粘接； 粘接金属严重塑性变形，产粘接金属严重塑性变形，产 生加工硬化。生加工硬化。 形成滞流层形成滞流层 粘结粘结层层叠加层层叠加 长大长大 （3）积屑瘤的形成过程）积屑瘤的形成过程 59 有利方面：有利方面： u 保护刀刃，减少磨损保护刀刃，减少磨损 u 增大前角，使切削轻快增大前角，使切削轻快 在粗加工时希望积屑瘤存在在粗加工时希望积屑瘤存在。 不利方面：不利方面： u 影响加工精度，增大表面粗

53、糙度影响加工精度，增大表面粗糙度 精加工时，应避免积屑瘤产生精加工时，应避免积屑瘤产生。 （4） 积屑瘤对切削加工的影响积屑瘤对切削加工的影响 积屑瘤的积屑瘤的形成形成长大长大脱落脱落，是一个，是一个周期性的动周期性的动 态过程态过程，会引起切削力的波动和切削过程的不稳定。，会引起切削力的波动和切削过程的不稳定。 60 对塑性好的材料，采用正火或调质处理，对塑性好的材料，采用正火或调质处理，HBS； 控制切削速度，避开中速区；控制切削速度，避开中速区； 增大前角，减小进给量和背吃刀量，以减小接触区的压力；增大前角，减小进给量和背吃刀量，以减小接触区的压力； 采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦和

54、切削热的产生。采用润滑性能良好的切削液，减小摩擦和切削热的产生。 （5 5）积屑瘤的控制）积屑瘤的控制 主要因素主要因素 工件材料工件材料: 工件塑性好时，易产生；工件塑性好时，易产生； 切削速度切削速度: 切削速度很低（小于切削速度很低（小于0.1ms）或）或 很高（大于很高（大于1.5m/s）时，均不会产生。）时，均不会产生。 控制措施控制措施： 61 课堂练习：课堂练习： 图示中刀具前面产生积屑瘤，请标出积屑瘤前角和切削厚图示中刀具前面产生积屑瘤，请标出积屑瘤前角和切削厚 度的增量。度的增量。 3. 切削力和切削功率切削力和切削功率 1）切削力的来源）切削力的来源 切屑和工件表层金属的弹

55、性和塑性变形所产生的抗力；切屑和工件表层金属的弹性和塑性变形所产生的抗力； 刀具与切屑、工件表面间的摩擦力。刀具与切屑、工件表面间的摩擦力。 2）切削合力的分解）切削合力的分解 切削合力切削合力F 分解为分解为 3个相互垂直的分力：个相互垂直的分力： 主切削力（切向力）主切削力（切向力）Fc 背向力（径向力）背向力（径向力）Fp 进给力（轴向力）进给力（轴向力）Ff 63 u主切削力（切向力）主切削力（切向力）Fc 垂直于基面，与切削速度方向一致。垂直于基面，与切削速度方向一致。 作用作用：是计算切削和设计机床、刀具、夹具强度的主要依据。：是计算切削和设计机床、刀具、夹具强度的主要依据。 机床

56、功率的机床功率的90以上都消耗在主切削力上。以上都消耗在主切削力上。 u背向力（径向力）背向力（径向力）Fp 在基面内，与进给方向垂直。在基面内，与进给方向垂直。 作用作用：车外圆或磨外圆时，：车外圆或磨外圆时， 不做功，但能使工件变形不做功，但能使工件变形 或引起振动影响加工精度或引起振动影响加工精度 和表面质量。和表面质量。 尤其加工刚度小的工件时，如尤其加工刚度小的工件时，如 细长轴细长轴的加工，会产生腰鼓形的加工，会产生腰鼓形。 长度与直径长度与直径 之比大于之比大于2020 64 u进给力（轴向力）进给力（轴向力）Ff： 在基面内，与进给方向相平行。在基面内，与进给方向相平行。 作用

57、作用：设计和校核进给机构强度的参数。设计和校核进给机构强度的参数。 3个分力相互垂直，通常个分力相互垂直，通常主主切削力最大切削力最大，背向力和进给力小些背向力和进给力小些。 切削过程中，实际切削力可以用测力仪测出切削过程中，实际切削力可以用测力仪测出。 3 3）影响切削力的因素）影响切削力的因素 强度高强度高 加工硬化倾向加工硬化倾向 切削力切削力 工件材料：工件材料： 切削用量切削用量: 切削速度切削速度v 对切削力影响复杂，（图示）。对切削力影响复杂，（图示）。 背吃刀量、进给量背吃刀量、进给量 ，切削力，切削力。 其他：刀具几何角度、刀具材料、切削液、等。其他：刀具几何角度、刀具材料、

58、切削液、等。 65 4 4）切削力和切削功率的计算）切削力和切削功率的计算 影响因素多，很复杂。为简化计算，常用影响因素多，很复杂。为简化计算，常用单位切削力单位切削力计计 算切削力的大小。算切削力的大小。 l单位切削力单位切削力p 指单位切削面积上所需要的主切削力的大小，用指单位切削面积上所需要的主切削力的大小，用p表示。表示。 式中式中: Fc 主切削力，牛顿（主切削力，牛顿（N）；）； AD 单位切削面积，单位切削面积，mm2；ADap f ) N/mm ( 2 p c D c fa F A F p 66 式中式中: Fc 主切削力，（主切削力，（N）；）； vc 切削速度，（切削速度，

59、（m/s）。）。 指三个切削分力消耗功率的总和，用指三个切削分力消耗功率的总和，用Pc 表示。表示。 )kW ( 1000 cc c vF P 机床电机功率：机床电机功率： c E P P 式中式中: 为为 机床传动效率，机床传动效率， 通常通常= 0.750.85 。 例题：（见教材）例题：（见教材） 4. 切削热和切削温度切削热和切削温度 切削过程中要克服切削力，机床就要消耗能量切削过程中要克服切削力，机床就要消耗能量电能电能，消，消 耗的能量大部分耗的能量大部分转变成了热能转变成了热能，这就是，这就是切削热切削热。单位时间内产。单位时间内产 生的切削热为：生的切削热为： z FQ 式中式

60、中 Q 单位时间内产生的单位时间内产生的 切削热，切削热，J/s； Fz 主切削力，主切削力，N； v 切削速度，切削速度，m/s。 切削热切削热 工件工件 切屑切屑 刀具刀具 切削热的来源与传导切削热的来源与传导 68 1 1）切削热的来源和传导）切削热的来源和传导 工件工件 切屑切屑 刀具刀具 切削热的来源与传导切削热的来源与传导 切削层金属的弹塑性变形产生的热切削层金属的弹塑性变形产生的热 刀具与工件、刀具与切屑摩擦产生的热刀具与工件、刀具与切屑摩擦产生的热 主要两个主要两个 来源来源 传导传导 主要由主要由 切屑切屑 工件工件 刀具刀具 周围介质（切周围介质（切 削液、空气削液、空气)