一金属切削过程的基础知识

1、第一章第一章 金属切削过程的基础知识金属切削过程的基础知识 本章提要 1.1 基本定义 1.2 刀具材料 本章主要介绍金属切削过程的基础知识，分两大本章主要介绍金属切削过程的基础知识，分两大 部分：部分： 一、基本定义一、基本定义介绍金属切削过程方面的一些基本介绍金属切削过程方面的一些基本 概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切 削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。 二、刀具材料二、刀具材料介绍刀具材料应具备的性能（硬度、介绍刀具材料应具备的性能（硬度、 耐磨性、强度、韧性、耐热性

2、、工艺性、经济性），两耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两 种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材 料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼）。 1 1 ）理解金属切削过程的四大规律：）理解金属切削过程的四大规律： 变形规律：变形规律：工件材料硬度（强度）、刀具前角、切削速度、进给量等工件材料硬度（强度）、刀具前角、切削速度、进给量等 对变形的影响。对变形的影响。 切削力规律：切削力规律：工件材料硬度（强度）、刀具角度、切削用量、刀具磨工件材料硬度（强度）、刀具角度、切削用量、刀具磨

3、损对切削力的影响。损对切削力的影响。 切削温度规律：切削温度规律：工件材料硬度（强度）、刀具角度、切削用量、刀具工件材料硬度（强度）、刀具角度、切削用量、刀具 磨损对切削温度的影响。磨损对切削温度的影响。 刀具磨损与刀具耐用度规律：刀具磨损与刀具耐用度规律：工件材料硬度（强度）、刀具角度、切工件材料硬度（强度）、刀具角度、切 削用量、刀具材料性能对耐用度的影响。削用量、刀具材料性能对耐用度的影响。 2 2 ）了解四大规律在生产过程中的四个方面）了解四大规律在生产过程中的四个方面 （工件材料切削加工性、切削液、切削用量、刀具几何参数）的应（工件材料切削加工性、切削液、切削用量、刀具几何参数）的应

4、 用。并具备合理选择切削液、切削用量与刀具几何参数的初步能力。用。并具备合理选择切削液、切削用量与刀具几何参数的初步能力。 在四大规律中，切削变形是最基本的一条规律。如果切削变形小，在四大规律中，切削变形是最基本的一条规律。如果切削变形小， 则切削力减少，切削温度降低，刀具磨损减少，刀具耐用度提高。则切削力减少，切削温度降低，刀具磨损减少，刀具耐用度提高。 1.1 基本定义 1.1.2 1.1.2 刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义 1.1.3 1.1.3 刀具角度的换算刀具角度的换算 1.1.5 1.1.5 切削层参数与切削形式切削层参数与切削形式 1.1.4 1.1.4 刀具工作

5、角度刀具工作角度 1.1.1 1.1.1 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 如外圆车削时，工件做旋转运动，刀具作纵向直线运动，形成了工件如外圆车削时，工件做旋转运动，刀具作纵向直线运动，形成了工件 的外圆表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面的外圆表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面 （图（图1.11.1）：）： 图1.1车削时的切削运动 待加工表面：待加工表面：即将被切去金属即将被切去金属 层的表面层的表面; ; 加工表面：加工表面：切削刃正在切削着切削刃正在切削着 的表面的表面; ; 已加工表面：已加工表面：已经切去一部分已经切去一部分 金属形成的

6、新表面。金属形成的新表面。 1.1.1 切削运动与切削用量 1.1.1.1 切削运动 金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。但是，按切削金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。但是，按切削 时工件与刀具相对运动所起的作用来分，可分为主运动和进给运动。时工件与刀具相对运动所起的作用来分，可分为主运动和进给运动。 如图如图1.11.1所示。所示。 （1 1）主运动）主运动 主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速度最高，主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速度最高， 消耗机床功率最多。消耗机床功率最多。 （2 2）进给运动）进给运动 使新的金属不断投入切削的运动。进给运

7、动可以是连续运动，也使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可以是连续运动，也 可以是间歇运动。可以是间歇运动。 当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某 一点相对工件的运动称为合成切削运动，其大小与方向一点相对工件的运动称为合成切削运动，其大小与方向 用合成速度向量用合成速度向量veve表示。如图表示。如图1.31.3所示，合成速度向量所示，合成速度向量 等于主运动速度与进给运动速度的向量和。即等于主运动速度与进给运动速度的向量和。即 ve=vc+vf (1.1) （3）合成运动与合成切削速度 图图1.3 1.3 切削时合成切削速度切削时合成切削

8、速度 1000 dn （1 1）切削速度）切削速度 大多数切削加工的主运动采用回转运动。回旋体（刀具或大多数切削加工的主运动采用回转运动。回旋体（刀具或 工件）上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下：工件）上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下： vc= m/s 或 m/min (1.2) 式中式中 d 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（mm)mm) n n工件或刀具的转速（工件或刀具的转速（r/sr/s或或r/min)r/min) 1.1.1.2 切削用量三要素 veve、f f 、a ap p称之为切削用量三要素。称之为切削用量三要素。 进给速度进给速度v

9、vf f是单位时间的进给量，单位是是单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min)mm/s(mm/min) 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位进给量是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，单位是移，单位是mm/rmm/r（毫米（毫米/ /转）。转）。 对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行 工作时，还应规定每一个刀齿的进给量工作时，还应规定每一个刀齿的进给量f fz z，即后一个刀齿相对于前一，即后一个刀齿相对于前一 个刀齿的进给量，单位是个刀齿的进给量，单位是mm/z(mm/z(

10、毫米毫米/ /齿齿) )。 显而易见显而易见 v vf f= =f fn=n=f fz zznzn mm/smm/s或或mm/min mm/min （1.31.3） （2）进给速度、进给量和每齿进给量）进给速度、进给量和每齿进给量 （3）背吃刀量）背吃刀量 对于车削和刨削加工来说，背吃刀量对于车削和刨削加工来说，背吃刀量apap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，单位为表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mmmm。 外圆柱表面车削的深度可用下式计算：外圆柱表面车削的深度可用下式计算： a ap=p=（d dw-w-d dm m）/2 mm (1.4)/2 mm (1.4

11、) 对于钻孔工作对于钻孔工作 a ap=p=d dm/2 mm (1.5)m/2 mm (1.5) 上两式中上两式中 d dmm已加工表面直径（已加工表面直径（mmmm） d dw w 待加工表面直径（待加工表面直径（mmmm） 1.1.2 刀具切削部分的基本定义 1.1.2.1 刀具切削部分的构成要素刀具切削部分的构成要素 三个刀面、两个刀刃、一个尖三个刀面、两个刀刃、一个尖 图图1.3 1.3 典型外圆车刀切削部分的构成典型外圆车刀切削部分的构成 (1) 前刀面前刀面 (2) 后刀面后刀面 (3) 切削刃切削刃 (4) 刀尖刀尖 (1) (1) 前刀面前刀面 前刀面前刀面ArAr是切屑流过

12、的表面。分为：与是切屑流过的表面。分为：与 主切削刃毗邻的称为主前刀面；与副切削刃毗邻的称为副主切削刃毗邻的称为主前刀面；与副切削刃毗邻的称为副 前刀面。前刀面。 （2 2）后刀面）后刀面 后刀面分为主后刀面与副后刀面。后刀面分为主后刀面与副后刀面。 （3 3）切削刃）切削刃 切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋，有切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋，有 主切削刃和副切削刃之分。主切削刃指前刀面与主后刀面相主切削刃和副切削刃之分。主切削刃指前刀面与主后刀面相 交的锋边；副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边。交的锋边；副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边。 （4 4）刀尖）刀尖 刀尖可以是主、副切

13、削刃的实际交点，也可刀尖可以是主、副切削刃的实际交点，也可 以是主、副两条切削刃连接起来的一小段切削刃，它可以是以是主、副两条切削刃连接起来的一小段切削刃，它可以是 圆弧，也可以是直线，通常都称为过渡刃。圆弧，也可以是直线，通常都称为过渡刃。 1.1.2.2 刀具标注角度的参考系 假定运动条件：假定运动条件：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运 动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量v vc c近似代替合近似代替合 成速度向量成速度向量v ve e；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成

14、参；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参 考系。考系。 假定安装条件：假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀 具便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面、具便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面、 车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等）。反之也可以说，假定刀具的车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等）。反之也可以说，假定刀具的 安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。 刀具标注角度的参考系由下列诸平面构成： （1 1）基面）基面PrPr 通过

15、切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通常，基面应通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通常，基面应 平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴。平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴。 例如，图例如，图1.61.6所示为普通车刀、刨刀的基面所示为普通车刀、刨刀的基面P Pr r ，它平行于刀具底面。，它平行于刀具底面。 图图1.61.6普通车刀的基面普通车刀的基面P Pr r (2)(2)切削平面切削平面PsPs 通过切削刃选定点，通过切削刃选定点， 与主切削刃相切，并垂直与主切削刃相切，并垂直 于基面于基面P Pr r的平面。也就是的平面

16、。也就是 主切削刃与切削速度方向主切削刃与切削速度方向 构成的平面。构成的平面。 （3）主剖面主剖面P0和主剖面参考系和主剖面参考系 （4 4）法剖面）法剖面PnPn和法剖面参考系和法剖面参考系 主剖面主剖面P0P0是通过切削刃选定点，同时垂直于是通过切削刃选定点，同时垂直于P Pr r和切削平面和切削平面P Ps s的的 平面。图平面。图1.81.8表示由表示由P Pr r P Ps s P P0 0组成的一个组成的一个正交的主剖面参考系正交的主剖面参考系。 法剖面法剖面PnPn是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。如图是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。如图 1.81.8所示，所示，

17、 由由 Pr Pr Ps Ps PnPn组成的一个组成的一个法剖面参考系法剖面参考系。 图图1.8 1.8 主剖面与法剖面参考系主剖面与法剖面参考系 (5) 进给剖面进给剖面Pf和背平面和背平面Pp及其组成的及其组成的 进给、背平面参考系进给、背平面参考系 进给剖面进给剖面P Pf f是通过切削是通过切削 刃选定点，平行于进给运动刃选定点，平行于进给运动 方向并垂直于基面方向并垂直于基面P Pr r的平面。的平面。 通常，它也平行或垂直通常，它也平行或垂直 与刀具上便于制造、刃磨和与刀具上便于制造、刃磨和 测量的某一安装定位平面或测量的某一安装定位平面或 轴线。由轴线。由P Pr r P Pf

18、 fP Pp p组成组成 一个一个进给、背平面参考系进给、背平面参考系， 如图如图1.9 1.9 所示。所示。 背平面背平面P Pp p是通过切削刃是通过切削刃 选定点，同时垂直于选定点，同时垂直于P Pr r 和和 P Pf f的平面。的平面。 图图1.9 1.9 进给、背平面参考系进给、背平面参考系 Pr PfPp 第一节 刀具的结构 刀具的参考平面刀具的参考平面 要确定和测量刀具角度，必须引入三个相互要确定和测量刀具角度，必须引入三个相互 垂直的参考平面：垂直的参考平面： (1)(1)切削平面：通过切削平面：通过 主切削刃上某一主切削刃上某一 点并与工件加工点并与工件加工 表面相切的平面

19、。表面相切的平面。 第一节 刀具的结构 (2)(2)基面基面: :通过主切削刃上某一点并与该点切削速通过主切削刃上某一点并与该点切削速 度方向相垂直的平面。度方向相垂直的平面。 第一节 刀具的结构 (3)(3)正交平面正交平面: :通过主切削刃上某一点并与主切削通过主切削刃上某一点并与主切削 刃在基面上的投影相垂直的平面。刃在基面上的投影相垂直的平面。 第一节 刀具的结构 刀具的标注角度刀具的标注角度 (1)(1)前角：在正交平面内测量的前刀面与基前角：在正交平面内测量的前刀面与基 面之间的夹角，前角表示前刀面的倾斜面之间的夹角，前角表示前刀面的倾斜 程度；程度； (2)(2)后角：在正后角：

20、在正 交平面内测交平面内测 量的主后刀面与量的主后刀面与 切削平面之间的切削平面之间的 夹角，后角表示主夹角，后角表示主 后刀面的倾斜程度；后刀面的倾斜程度； 1.1.2.3 刀具工作角度的参考系 上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑 主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参 考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具 角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用 合

21、成切削运动方向合成切削运动方向v ve e来确定参考系，才符合切削加工的实来确定参考系，才符合切削加工的实 际。例如，图际。例如，图1.101.10所示三把刀具的标注角度完全相同，但所示三把刀具的标注角度完全相同，但 由于合成切削运动方向由于合成切削运动方向v ve e不同，后刀面与加工表面之间的不同，后刀面与加工表面之间的 接触和摩擦的实际情形有很大的不同。接触和摩擦的实际情形有很大的不同。 同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。 刀刀 具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是用具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是用v ve e取

22、取 代代v vc c，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。 图（图（a a）刀具后刀面同工件之间有适宜的间隙，切削情况正常；）刀具后刀面同工件之间有适宜的间隙，切削情况正常； (a) 图图1.10 1.10 刀具工作角度示意图刀具工作角度示意图 图（b）该两个表面全面接触，摩擦严重； (b) 图图1.10 1.10 刀具工作角度示意图刀具工作角度示意图 刀具工 作角度 示意图 图（图（c c）刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削）刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削 条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不

23、合条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不合 适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运 动方向来确定刀具工作角度的参考系。动方向来确定刀具工作角度的参考系。 图1.10 刀具工作角度示意图 1.1.2.4 刀具的标注角度 在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度， 称为刀具标注角度。在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况称为刀具标注角度。在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况 下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平

24、下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平 面代替曲刃或曲面。面代替曲刃或曲面。 主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如图图1.111.11： 同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间 的定位也需要四个角度：即副偏角的定位也需要四个角度：即副偏角 r r ，副刃倾角，副刃倾角 ss，副前角，副前角00，副后角，副后角00。它们的定义与主。它们的定义与主 切削刃上的四种角度类似。切削刃上的四种角度类似。 前角0后角0主偏角r刃倾角 s 前角前角0 0：前刀面与基面间的夹角（在：前刀面与

25、基面间的夹角（在 主剖面中测量）。主剖面中测量）。 图1.11(a) 主剖面系标注的刀具角度 后角后角0 0：后刀面与切削平面间的夹角：后刀面与切削平面间的夹角 （在主剖面中测量）。（在主剖面中测量）。 图1.11(b) 主剖面系标注的刀具角度 图1.11(c) 主剖面系标注的刀具角度 kr 主偏角主偏角r r ：基：基 面中测量的主切面中测量的主切 削刃与进给运动削刃与进给运动 方向的夹角。方向的夹角。 刃倾角刃倾角 s s：切削平：切削平 面中测量的主切削刃面中测量的主切削刃 与基面间的夹角。与基面间的夹角。 图1.11(d) 主剖面系标注的刀具角度 由于图由于图1.111.11所示车刀副

26、切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，所示车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上， 因此，当因此，当0 0、 s s两者确定后，前刀面的方位已经确定，两者确定后，前刀面的方位已经确定， 0 0、 s s 两个角度可由两个角度可由0 0、 s s、 r r、 r r 等角度换算出来，称为等角度换算出来，称为 派生角度。派生角度。 由上分析可知，图由上分析可知，图1.111.11中外圆车刀有三个刀面，两个切削刃，中外圆车刀有三个刀面，两个切削刃， 所需标注的独立角度只有六个。所需标注的独立角度只有六个。 此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们的名此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生

27、角度，它们的名 称与定义如下：称与定义如下： 楔角楔角0 0 ：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。 0 09090 （0 0 0 0） （1.61.6） 刀尖角刀尖角rr ：基面中测量的主、副切削刃间夹角。：基面中测量的主、副切削刃间夹角。 r r180 180 （ r r r r ） （1.71.7） 前角、后角、刃倾角正负的规定如图前角、后角、刃倾角正负的规定如图1.121.12所示：在主剖面中，前所示：在主剖面中，前 刀面与基面平行时前角为零，前刀面与切削平面间夹角小于刀面与基面平行时前角为零，前刀面与切削平面间夹角小于90 90 时前时前 角为正、大于角

28、为正、大于90 90 时后角为正，大于时后角为正，大于90 90 时后角为负，刃倾角的正时后角为负，刃倾角的正 负如负如 图图1.12 1.12 所示。所示。 (a) s0 (b) s (c) + s 图图1.12 1.12 刃倾角刃倾角 s s的符号的符号 1.1.3 刀具角度的换算 1.1.3.1 主剖面与法剖面内的角度换算主剖面与法剖面内的角度换算 在刀具设计、制造、刃磨和检验中，常常需要知道主切削刃在法在刀具设计、制造、刃磨和检验中，常常需要知道主切削刃在法 剖面内的角度。许多斜角切削刀具，特别是大刃倾角刀具，必须标注剖面内的角度。许多斜角切削刀具，特别是大刃倾角刀具，必须标注 法剖面

29、角度。它们的计算公式如下：法剖面角度。它们的计算公式如下： 在设计和和制造刀具时，需要对不同参考系内的标注角度进行换在设计和和制造刀具时，需要对不同参考系内的标注角度进行换 算，也就是主剖面、法剖面、背平面、进给剖面之间角度换算。算，也就是主剖面、法剖面、背平面、进给剖面之间角度换算。 tann =tan0.coss cotn =cot0.coss 1.1.3.1主剖面与法剖面内的角度换算 以前角计算公式为例，公式推导如下：以前角计算公式为例，公式推导如下： Ma ac n tan Ma ab o tan s o n ab ac ab Ma Ma ac cos tan tan son cost

30、antan 1.1.3.2 主剖面与任意剖面的角度换算 求解任意剖面P内的前角 ： tan 得 tantan0.sin+tans.cos （1.10） AB BC AB DCBD AB DCEF AB sDCAEtantan 0 s AB DF AB AE tan.tan. 0 当0时: tan=tans ，s 当90kr时，可得切深前角p: tanp=tan 0.cos krtan s .sin kr （1.11） 当180kr时，可得切深前角f: tanf=tan 0.sin krtan s .coskr （1.12） 对式1.10利用微商求极值，可得最大前角g tan g （1.13）

31、或 tan g （1.14） s 2 0 2 tantan pf 22 tantan 1.1.3.2 主剖面与任意剖面的角度换算 最大前角所在剖面同主切削刃在基面上投影之间夹角max 为： tan max （1.15） 同理，可求出任意剖面内的后角： 当90kr时： 当180kr时: s tan tan 0 rsrp kksin.tancos.cotcot 0 (1.17) rsrf kkcos.tansin.cotcot 0 (1.18) 1.1.3.2 主剖面与任意剖面的角度换算 1.1.4 刀具工作角度 (1)(1)横车横车 如如( (图图1.15)1.15)： 以切断车刀为例，在不考虑

32、进给以切断车刀为例，在不考虑进给 运动时，车刀主切削刃选定点相对于运动时，车刀主切削刃选定点相对于 工件的运动轨迹为一圆周，切削平面工件的运动轨迹为一圆周，切削平面P Ps s 为通过切削刃上该点切于圆周的平面，为通过切削刃上该点切于圆周的平面， 基面基面P Pr r的平面，的平面，0 0、0 0为标注前角和为标注前角和 后角。当考虑横向进给运动之后，切后角。当考虑横向进给运动之后，切 削刃选定点相对于工件的运动轨迹为削刃选定点相对于工件的运动轨迹为 一平面阿基米德螺旋线，切削平面变一平面阿基米德螺旋线，切削平面变 为通过切削刃切于螺旋面的平面为通过切削刃切于螺旋面的平面P Pse se， ，

33、 基面也相应倾斜为基面也相应倾斜为P Pre re，角度变化值为 ，角度变化值为 。工作主剖面。工作主剖面P P0e 0e仍为平面。此时在 仍为平面。此时在 工作参考系（工作参考系（ P Pre re、 、 P Pse se、 、 P P0e 0e）内的 ）内的 工作角度工作角度0 e 0 e和 和0e 0e为： 为： 0e 0e 0 0 + +; ; 0e 0e= = 0 0。 1.1.1.4 进给运动对工作角度的影响进给运动对工作角度的影响 角称为合成切削速度角，它是主运动方向与合成运动切削角称为合成切削速度角，它是主运动方向与合成运动切削 速度方向之间的夹角。由速度方向之间的夹角。由角定

34、义可知：角定义可知： tan = (1.19) c f v v d f (1)横车 式中式中d d为随着车刀进给而不断为随着车刀进给而不断 变化着的切削刃选定点处工件的变化着的切削刃选定点处工件的 旋转直径，旋转直径，值是随着切削刃趋值是随着切削刃趋 近工件中心而增大的；在常用进近工件中心而增大的；在常用进 给量下当切削刃距离工件中心给量下当切削刃距离工件中心1mm1mm 时，时，1 14040；再靠近中心，；再靠近中心， 值急剧增大，工作后角变为负值急剧增大，工作后角变为负 值。值。 刀具装夹位置刀具装夹位置的影响的影响 （2）纵车 同理，也是由于工作中基面和同理，也是由于工作中基面和 切削

35、平面发生了变化，形成了一个切削平面发生了变化，形成了一个 合成切削速度角合成切削速度角，引起了工作角，引起了工作角 度的变化。如图度的变化。如图1.161.16所示，假定车所示，假定车 刀刀ss0 0，在不考虑进给运动时，在不考虑进给运动时， 切削平面切削平面PsPs垂直于刀杆底面，基面垂直于刀杆底面，基面 PrPr平行于刀杆底面，标注角度为平行于刀杆底面，标注角度为0 0、 0 0；考虑进给运动后，工作切削平；考虑进给运动后，工作切削平 面面P Pse se为切于螺旋面的平面，刀具工 为切于螺旋面的平面，刀具工 作角度的参考系（作角度的参考系（ P Pse se、 、 P Pre re ）倾

36、 ）倾 斜一个角斜一个角，则工作进给剖面（仍，则工作进给剖面（仍 为原进给剖面）内的工作角度为：为原进给剖面）内的工作角度为： fe fe f f + +；fe fe f f 由合成切削速度角由合成切削速度角的定义可知：的定义可知： tan= tan= 式中式中 f f进给量进给量 dwdw切削刃选定在切削刃选定在A A点时的工件待加工表面直径。点时的工件待加工表面直径。 上述角度变化可以换算至主剖面内：上述角度变化可以换算至主剖面内： tantan0 0tan.sinkrtan.sinkr； 0e 0e 0 00 0 （1.201.20） 由上式可知：由上式可知：值不仅与进给量值不仅与进给量

37、f f有关，也同工件直径有关，也同工件直径dwdw有有 关；关；dwdw越小，角度变化值越大。越小，角度变化值越大。 w d f （2）纵车 1.1.4.2 刀具安装对工作角度的影响 （1 1）刀尖安装对工作角度的影响）刀尖安装对工作角度的影响 当刀尖安装得高于工件中心当刀尖安装得高于工件中心 线时，工作切削平面将变为线时，工作切削平面将变为P Psese， 工作基面变为工作基面变为P Prere，工作角度，工作角度pepe增增 大，大，pepe减小。在背平面（减小。在背平面（P PP P仍仍 为标注背平面）内角度变化值为为标注背平面）内角度变化值为 p p： tanp （1.21） 式中式中

38、h h刀尖高于工件中心线刀尖高于工件中心线 的数值（的数值（mmmm）；）； d dw w工件直径工件直径 2 2 2 h d h w 则工作角度为：则工作角度为： pepp 或 pepp （1.22） 上述都是在刀具的背平面（上述都是在刀具的背平面（P Pp pP Pp p）内的角度变化，还需要换算）内的角度变化，还需要换算 到工作主剖面内：到工作主剖面内： tan0 （1.23） 或 ； （1.24） r w k h d h cos 2 2 2 000 e 000 aa e （1）刀尖安装对工作角度的影响 （2）刀杆安装倾斜对工作角度的影响 车刀刀杆与进给方向不垂直时，工作主偏角车刀刀杆与

39、进给方向不垂直时，工作主偏角k krere和工作副偏角和工作副偏角kkrere 将发现将发现 ； （1.251.25） 式中式中GG假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角，在基面内测假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角，在基面内测 量。也就是进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角。量。也就是进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角。 Gkk re 0 Gkk rre 1.1.5 切削层参数与切削形式 1.1.5.1 切削层 各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如(图图 1.19)所示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动就轨迹

40、是一条所示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动就轨迹是一条 空间螺旋线。它们的各义及说明如下：空间螺旋线。它们的各义及说明如下： 工件每转一转，工件每转一转， 车刀沿工件轴线车刀沿工件轴线 移动一段距离，移动一段距离， 即进给量（即进给量（f f， mm/rmm/r）。）。 由车刀正在切削由车刀正在切削 着的这一层金属，着的这一层金属， 就叫切削层就叫切削层。 在特殊情况下（在特殊情况下（krkr 9090）为矩形。）为矩形。 在外圆纵车时，当在外圆纵车时，当 krkr0 0、ss0 0 时，切削层的表面时，切削层的表面 形状为一平行四边形状为一平行四边 形。形。 (1) (1) 切削厚度

41、切削厚度 为了简化计算为了简化计算工作工作，切削层的表面形状和尺寸，通常都在垂直于切，切削层的表面形状和尺寸，通常都在垂直于切 削速度削速度v vc c的基面的基面P Pr r内观察和量度。切削层参数为：内观察和量度。切削层参数为： 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸（图垂直于加工表面来度量的切削层尺寸（图1.191.19），称为切削厚度，），称为切削厚度， 以以h hD D表示。在外圆纵车（表示。在外圆纵车（s s0 0）时：）时： hDf.sinkr （1.26） （2 2）切削宽度）切削宽度 沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bDbD表

42、示。表示。 外圆纵车（当外圆纵车（当ss0 0 时）时） bD=ap/sinkr （1.27） 可见，在可见，在f f与与apap一定的条件下，主偏角一定的条件下，主偏角krkr越大，切削厚度越大，切削厚度hDhD也就越也就越 大，但切削宽度大，但切削宽度bDbD越小；越小；krkr越小时，越小时，hDhD越小，越小，bDbD越大；当越大；当krkr9090时，时， hDhDf f。 曲线形主切削刃、切削层各点的切削厚度互不相等。曲线形主切削刃、切削层各点的切削厚度互不相等。 （3 3）切削面积）切削面积 切削层在基面切削层在基面P Pr r的面积，称为切削面积，以的面积，称为切削面积，以A

43、AD D表示。其计算公表示。其计算公 式为：式为： A AD D=h=hD D.b.bD D （1.281.28） 对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为：对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为： A AD Dh hD D.b.bD D=f.a=f.ap p （1.291.29） 上面所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削上面所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削 面积减去残留面积。面积减去残留面积。 残留面积是指刀具副偏角残留面积是指刀具副偏角 kkr r00时，刀具经过切削后，残时，刀具经过切削后，残 留在已加工表面上的不平部分留在已加工表面上的不平

44、部分 （ABEABE）的剖面面积。）的剖面面积。 1.1.5.2 切削形式 （1 1）正切削与斜切削）正切削与斜切削 切削刃垂直于合成切削方式称为正切削或直角切削。如果切削刃不切削刃垂直于合成切削方式称为正切削或直角切削。如果切削刃不 垂直于切削方向则称为斜切削或斜角切削。图垂直于切削方向则称为斜切削或斜角切削。图1.231.23所示为刨削时的正切所示为刨削时的正切 削和斜切削。削和斜切削。 图1.23 正切削与斜切削 （a）（b） （2）自由切削与非自由切削）自由切削与非自由切削 只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工 作

45、，称为作，称为自由切削。自由切削。 曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削者，称为曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削者，称为非自由切削非自由切削。 这是根据切削变形是二维问题或三维问题进行区分的。为了简化研这是根据切削变形是二维问题或三维问题进行区分的。为了简化研 究工作，通常采用自由切削变形区和观察和研究。究工作，通常采用自由切削变形区和观察和研究。 1.2 刀具材料 1.2.1 刀具材料应具备的性能 1.2.2 常用的刀具材料 1.2.3 其它刀具材料 在切削过程中，刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面，刀在切削过程中，刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面，刀 具材料对金属切削的生

46、产率、成本、质量有很大的影响，因此要重视刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响，因此要重视刀 具材料的正确选择与合理使用。具材料的正确选择与合理使用。 1.2.1 刀具材料应具备的性能 作为刀具材料应满足以下基本要求：作为刀具材料应满足以下基本要求： （1 1）高的硬度和耐磨性）高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62HRC62以上。耐磨性表以上。耐磨性表 示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质、数量、大小和分布。示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质、数量、大小和分布。 （2 2）足够的强度和韧性）足够的强度和韧性 为了

47、承受切削中的压力冲击和振动，避免崩刃和折断，刀具材料应为了承受切削中的压力冲击和振动，避免崩刃和折断，刀具材料应 该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度来表示，韧性用冲击值该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度来表示，韧性用冲击值 表示。表示。 （3 3）高的耐热性）高的耐热性 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。 （4 4）良好的工艺性）良好的工艺性 为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，如切削加工性、为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，如切削加工性、 铸造性、锻造性、热处理性等。铸造性、锻造性、热处理

48、性等。 （5 5）良好的经济性）良好的经济性 1.2.2 常用的刀具材料 目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。 炭素工具钢（如炭素工具钢（如T10AT10A、T12AT12A）、工具钢（如）、工具钢（如9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn）因）因 耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。 1.2.2.1 1.2.2.1 高速钢高速钢 是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具 钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧

49、性、硬度和耐磨性；其钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其 制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形 状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要， 是制造这些刀具的主要材料。是制造这些刀具的主要材料。 高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工 艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。 各类高速钢刀具 （1）通用 型高速钢 钨钢钨钢 典型牌号为典

50、型牌号为W18Cr4VW18Cr4V（简称（简称W18W18）。含）。含W18W18、Cr4%Cr4%、 V1V1。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾 向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分 布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度; ;强度和韧性显得不强度和韧性显得不 够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。 钨钼钢钨钼钢 将

51、钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为 W6MoCr4V2 W6MoCr4V2 （简称（简称M2M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受 冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨 加工性也好，目前各国广为应用。加工性也好，目前各国广为应用。 是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添 加钴、铝等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。具加钴、铝等元素。按其耐热性，又称为高热

52、稳定性高速钢。具 有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.31.33 3倍。适合倍。适合 于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 典型牌号有：典型牌号有： 高碳高速钢高碳高速钢 9W18Cr4V9W18Cr4V， 高钒高速钢高钒高速钢 W6MoCr4V3W6MoCr4V3、 钴高速钢钴高速钢 W6MoCr4V2Co8W6MoCr4V2Co8、 超硬高速钢超硬高速钢 W2Mo9Cr4Co8W2Mo9Cr4Co8等。等。 （2）高性能高速钢 （3）粉末冶金高速钢 用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水

53、，直接得到用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到 细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻 压成材或刀具形状具有良好的机械性能。其强度和韧性压成材或刀具形状具有良好的机械性能。其强度和韧性 分别是熔炼高速钢的分别是熔炼高速钢的2 2倍和倍和2.52.53 3倍；磨加工性能好；物倍；磨加工性能好；物 理机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性能提高理机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性能提高 20203030，适合制造切削难加工材料的刀具，大尺寸，适合制造切削难加工材料的刀具，大尺寸 刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的

54、复刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复 杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。 由难熔金属化合物（如由难熔金属化合物（如WCWC、TiCTiC）和金属粘结剂（）和金属粘结剂（CoCo）经粉末冶）经粉末冶 金法制成。金法制成。 因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金 属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达 HRA89HRA899393，在，在8008001000 1000 C C还能承担切削，耐用度较高速钢高几还

55、能承担切削，耐用度较高速钢高几 十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高4 41010倍。倍。 唯抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振唯抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振 动和冲击负荷。动和冲击负荷。 碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低；粘结剂含量较高碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低；粘结剂含量较高 时，抗弯强度高，但硬度低。时，抗弯强度高，但硬度低。 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占5050）。）。 如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它

56、还可如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可 用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。 1.2.2.2 硬质合金 各类硬质合金钢刀具 （1 1）YGYG（K K）类，即）类，即WCWCCoCo类硬质合金类硬质合金 由由WCWC和和CoCo组成。牌号有组成。牌号有YG6YG6、YG8YG8、YG3XYG3X、YG6XYG6X，含钴量分别为，含钴量分别为 6 6、8 8、3 3、6 6，组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。，组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。 一般（一般（YG6YG6、YG8YG8）为中晶粒组织，细晶粒硬质合金

57、（如）为中晶粒组织，细晶粒硬质合金（如YG3XYG3X、YG6XYG6X） 在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些，但抗弯强度、韧在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些，但抗弯强度、韧 性则低些。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较适于加工产生性则低些。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较适于加工产生 崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料，如铸铁、有崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料，如铸铁、有 色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高（如色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高（如 端铣）的钢料等。端铣）的钢料等。 ISO将切削用的硬

58、质合金分为三类： （2）YT(P)类，即 WCTiCCo类硬质合金 硬质点相除硬质点相除WCWC外，还含有外，还含有5 53030的的TiCTiC。牌号有。牌号有YT5YT5、YT14YT14、 YT15YT15、YT30YT30、TiCTiC的含量分别为的含量分别为5 5、1414、1515、3030，相应的钴含，相应的钴含 量为量为1010、8 8、6 6、4 4，TiCTiC含量提高，含量提高，CoCo含量降低，硬度和耐磨含量降低，硬度和耐磨 性提高，但是冲击韧性显著降低。性提高，但是冲击韧性显著降低。 此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力此类合金有较高的硬度和耐磨性

59、，抗粘结扩散能力和抗氧化能力 好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差。好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差。 适于高速切削钢料。适于高速切削钢料。 含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工，含钴减少，含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工，含钴减少， 硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。 应注意，合金不适合加工不锈钢和钛合金。因应注意，合金不适合加工不锈钢和钛合金。因YTYT中的钛元素之间中的钛元素之间 的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温

60、切削及摩擦系数大的情况下 会加剧刀具磨损。会加剧刀具磨损。 （3）YW（M）类，即 WCTiCTaCCo类硬质合金 在在YTYT类中加入类中加入TaCTaC（NbCNbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧 性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也 可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号为可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号为YW1YW1和和YW2YW2。 以上三类的主要成分均为以上三类的主要成分均为WCWC，所以又称为，所以又称为WCWC基硬质合金。基硬质合金