第3章 金属切削及金属切削机床的基本知识

1、第第3章章 金属切削及金属切削及金属切削机床的基本知识金属切削机床的基本知识3.1 刀具材料与金属切削的基本知识3.2 刀具几何角度及工作角度3.3 金属切削过程3.4 提高切削效益的途径3.5 金属切削机床的基本知识 本章主要介绍刀具材料与金属切削的基本知识、本章主要介绍刀具材料与金属切削的基本知识、刀具几何角度及工作角度，切削加工过程中的物刀具几何角度及工作角度，切削加工过程中的物理现象理现象切削变形与积屑瘤、切削力、切削热与切削变形与积屑瘤、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与刀具耐用度、切削液及刀切削温度、刀具磨损与刀具耐用度、切削液及刀具几何参数的合理选择，金属切削机床的基本知具几何

2、参数的合理选择，金属切削机床的基本知识等内容。识等内容。 学习本章应重点掌握学习本章应重点掌握刀具的几何角度，刀具的几何角度，积积屑瘤的成因、作用及其控制措施，屑瘤的成因、作用及其控制措施，各种因素对各种因素对切削力、切削热与切削温度、刀具磨损的影响，切削力、切削热与切削温度、刀具磨损的影响，并能根据生产条件和工艺要求，合理选择刀具并能根据生产条件和工艺要求，合理选择刀具切削部分的材料、刀具几何参数、切削液，切削部分的材料、刀具几何参数、切削液，对对切屑控制提出合理的方法。切屑控制提出合理的方法。 v教学重点：教学重点：刀具切削部分的材料的选择刀具切削部分的材料的选择掌握切削运动和切削用量的概

3、念；掌握切削运动和切削用量的概念；分清各种加工方法中主运动和进给运动；分清各种加工方法中主运动和进给运动；掌握切削用量的计算方法。掌握切削用量的计算方法。v教学难点：教学难点：各种加工方法中主运动和进给运动的划分；各种加工方法中主运动和进给运动的划分；切削用量的计算。切削用量的计算。3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 11）高的硬度和耐磨性切削部分材料硬度必须高于工件材料的硬度。刀具切削部分的常温硬度应在60HRC以上。硬度是刀具材料应具备的基本性能。耐磨性是材料抵抗磨损的能力。刀具材料的

4、耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度和显微组织等有关。 2）足够的强度和韧性-使刀具不产生崩刃和碎裂通常用刀具材料的抗弯强度和冲击韧性表示。3）高耐热性(红硬性或热硬性）硬性） -是衡量刀具材料性能的主要标志。 4）良好的工艺性如锻造、焊接、热处理、磨削加工等性能。 5）经济性尽可能采用原料资源丰富和价格低廉的刀具材料。3.1 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识3.1.1 3.1.1 刀具材料刀具材料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，从而获得具有一定加工质量零件的过程。 3.1 刀具

5、材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 2刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼 （PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD） 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 3天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高

6、速钢断裂韧性耐磨性图 刀具材料的耐磨性与断裂韧性 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 4刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 金属刀具材料金属刀具材料 5碳素工具钢和合金工具钢碳素工具钢和合金工具钢，因其耐因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。热性很差，目前仅用于手工工具。表 常用高速钢牌号及其应用范围类别牌 号主 要 用 途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮

7、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，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，如轧制钻头等高性能高速钢高碳9W18 Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al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W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2

8、Mo9Cr4VCo8（M42）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 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 6 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 7表 各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有

9、色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度 3.1 刀具材料与金属切削的基

10、本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 8 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识非金属刀具材料非金属刀具材料 第第3章章 9天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），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。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性

11、很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 10v超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于

12、加预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。v天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位硬度，单位kgf/mm2），密度为），密度为3.483.56。由于天然金刚石是。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为热性为700800。天

13、然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。v聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成

14、，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。v用等离子用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片

15、等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。v聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达间变动，其耐热性达1200左左右，化学惰性很好，在右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替于

16、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。磨削加工。v由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本

17、知识第第3章章 10刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰

18、性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 113.1.2 3.1.2 金属切削概述金属切削概述2 2、切削运动、切削运动切削加工时切削

19、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, ,刀刀具与工件必须具有一定的相对运动具与工件必须具有一定的相对运动, ,我们我们将这种相对运动为切削运动。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 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识 与其他金属加工方法相比，具有两大与其他金属加工方法相比，具有两大特点：特点： (1)可获得较复杂的工件形状，并具有比较高的加工效率。可获得较复杂的工件形状，并具有比较高的加工效率。 (2)可获得较小的表面粗糙度值、较高的尺寸可获得较小的表面粗糙度值、

20、较高的尺寸 精度、几何形状精度和位置精度。精度、几何形状精度和位置精度。金属切削加工指使用金属切削刀具，在工件上切除多余（或预留）金属的金属切削加工指使用金属切削刀具，在工件上切除多余（或预留）金属的一种机械加工方法。一种机械加工方法。1、金属切削加工及其特点、金属切削加工及其特点第第3章章 （放录像金属切削概述）（放录像金属切削概述）12主运动主运动 主运动是使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动，主运动是使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动，由机床提供。主运动的特征是速度最高，消耗功率最多。由机床提供。主运动的特征是速度最高，消耗功率最多。 进给运动进给运动进给运动是

21、使切削连续或间断地进行下去的运动。它保证切削工进给运动是使切削连续或间断地进行下去的运动。它保证切削工作连续或反复进行，从而切除多余金属，形成已加工表面。进给作连续或反复进行，从而切除多余金属，形成已加工表面。进给运动的速度较低，消耗功率较小。运动的速度较低，消耗功率较小。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 （放录像金属切（放录像金属切削运动）削运动）主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；切削加工中只有一个主运动，切削加工中只有一个主运动，可以由工件完成，也可以由刀具完成可以由工件完成，也可

22、以由刀具完成;如车削时工件的旋转运动，如车削时工件的旋转运动，铣削、钻削时铣刀、钻头的旋转运动铣削、钻削时铣刀、钻头的旋转运动进给运动可以是一个，也可以是几个；可以是连续运动，也可以是间歇运动；可以是工件进给运动可以是一个，也可以是几个；可以是连续运动，也可以是间歇运动；可以是工件的运动，如刨削，也可以是刀具的运动，如车削。的运动，如刨削，也可以是刀具的运动，如车削。 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；13常见的切削运动常见的切削运动 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 14（3 3）主运动和进给

23、运动的合成）主运动和进给运动的合成 当主运动和进给运动同时当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成相对于工件的运动为合成切削运动，常用合成速度切削运动，常用合成速度向量向量v ve e来表示，如图所示。来表示，如图所示。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 153 3、工件表面、工件表面 切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一切削加工过程中，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，

24、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；过渡表面（切削表面或加工表面）过渡表面（切削表面或加工表面）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, , 已加工表面已加工表面 已经切去多余金属层而形成的新表面。已经切去多余金属层而形成的新表面。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 （放录像切削工件上的表面）（放录像切削工件上的表面）164 4、切削用量、切削用量 切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运

25、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。 切削用量三个要素：切削用量三个要素：切削速度切削速度vc vc 进给量进给量f f 背吃刀量背吃刀量 apap 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 17（1 1）切削速度）切削速度vcvc 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

26、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/(1000smmndvc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) )钟钟转数转数(r/min(r/min或或r/s)r/s) 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 （放录像）（放录像）18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/(10002smmnLvrc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

27、一主运动每分钟的往复次数( (往复次数往复次数/min)/min)。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 19进给量进给量f f 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，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。具或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，即工件每转一圈，即工件每转一圈, ,刀具沿进给运动方向移动的距离。刀具沿进给运动方向移动的距离。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

28、给的进给量为mm/mm/双行程，即每个往复双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 （放录像）（放录像）20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，用量，用azaz表示，单位是表示，单位是(mm/z)(mm/z)，vfvf、f f、az

29、az三者之间的关系为：三者之间的关系为：zanfnvff)/min/(smmmmfnvf或z z为多齿刀具的齿数为多齿刀具的齿数 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 21（3 3）背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）apap 背吃刀量背吃刀量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等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离待加工表面之间的垂直距离, ,单位为单位为mm

30、mm 。即：。即：2mwpdda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 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 （放录像）（放录像）22 rDfhsin sinfbD图3-4 切削层截面bDhD = ffdwDmapa）rhDbD = apb）c） 3.1 刀具材料与金属切削的基本知识刀具材料与金属切削的基本知识第第3章章 刀具切削刃在一个进给量的进给中，从工件待加刀具切削刃在一个进给量的进给中，从工件待加工表面上切下来的金属层称为切削层。工表面上切下来的金属层称为切削层。 切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大

31、小及切削层尺寸，还影响切削力切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切削层尺寸，还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产率。和刀具磨损、表面质量和生产率。 切削层尺寸可用以下三个参数表示：切削层尺寸可用以下三个参数表示： (1)切削层公称厚度（切削层公称厚度（hD）是切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离。）是切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离。 (2)切削层公称宽度（切削层公称宽度（bD）是沿过渡表面测量的切削层尺寸。）是沿过渡表面测量的切削层尺寸。 (3)切削层公称横截面面积（切削层公称横截面面积（AD）是切削层横截面的面积。）是切削层横截面的面积。231 1、车刀的组成、车刀的组成 车刀由切削部

32、分、刀柄两部分车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面、架上。切削部分是由一些面、切削刃组成。我们常用的外圆切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的。如图所刃、三个刀面组成的。如图所示。示。3.2 刀具几何角度及工作角度 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 243.2.1 刀具的几何角度刀具的几何角度（放录像（放录像8） 刀头：一般由三面，两刃和

33、一尖组成。刀头：一般由三面，两刃和一尖组成。一尖：即为刀尖。一尖：即为刀尖。二刃：主切削刃、副切削刃。二刃：主切削刃、副切削刃。三面：前刀面、主后刀面、副后刀面。三面：前刀面、主后刀面、副后刀面。五角：前角、后角、主偏角、五角：前角、后角、主偏角、 副偏角、刃倾角。副偏角、刃倾角。a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀图2-2 车刀的结构 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 25（1 1）刀面）刀面 前刀面前刀面A A 刀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

34、 与已加工表面相对的刀面。与已加工表面相对的刀面。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 26（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,

35、 ,用用r r表表示示, ,如图所示。如图所示。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 27刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图 各种刀具切削部分的形状 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 281 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假定工作平面参考系 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3

36、章章 2.刀具的静止参考系刀具的静止参考系 刀具的静止参考系是用于设计、制造、刃磨和测量刀具几何角度的参考系。刀具的静止参考系是用于设计、制造、刃磨和测量刀具几何角度的参考系。刀具的几何角度是在切削过程中起作用的角度，所以静止参考系中坐标平面刀具的几何角度是在切削过程中起作用的角度，所以静止参考系中坐标平面的建立应的建立应以切削运动为依据以切削运动为依据。给出假定工作条件，包含假定安装条件和假定运动条件，然后建立参考系。给出假定工作条件，包含假定安装条件和假定运动条件，然后建立参考系。在该参考系中确定的刀具几何角度，称为刀具的静止角度，即在该参考系中确定的刀具几何角度，称为刀具的静止角度，即标

37、注角度标注角度。 假定安装条件：假定安装条件：假定车刀安装绝对正确。安装车刀时应使刀尖与工件中心等假定车刀安装绝对正确。安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，车刀刀杆对称面垂直于工件轴线。高，车刀刀杆对称面垂直于工件轴线。 假定运动条件：假定运动条件：以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动方向作为假定主以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动方向作为假定主运动方向；以切削刃选定点的进给运动方向作为假定进给运动方向，不考虑进运动方向；以切削刃选定点的进给运动方向作为假定进给运动方向，不考虑进给运动的大小。给运动的大小。静止参考系是在简化了切削运动和设立标准刀具位置条件下建立的参考系。静止参考系是在简化

38、了切削运动和设立标准刀具位置条件下建立的参考系。29正交平面参考系正交平面参考系(我国主要采用我国主要采用)正交平面参考系由以下三个坐正交平面参考系由以下三个坐标平面组成：标平面组成： 基面基面 Pr Pr ：通过切削刃选定点与主运动方通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底向垂直的平面。基面与刀具底面平行。面平行。切削平面切削平面 PsPs：通过切削刃选定点与主切削刃通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面相切且垂直于基面PrPr的平面。的平面。主剖面（正交平面）主剖面（正交平面）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 PsP

39、s的平面。的平面。主切削刃主后刀面前刀面主剖面 PoA切削平面 Ps基面 Pr 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 刀具设计时标注、刃磨、测量角刀具设计时标注、刃磨、测量角度最常用的是正交平面参考系。度最常用的是正交平面参考系。30ArA 向f图2-5 车刀的主要角度0000rrs0q 用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5 -10。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 （放录像（放录像9）(1) 在正交平面在正交平面Po中定义中定义和标注角度：和标注角度：前角、

40、后角前角、后角31ArA 向f图2-6 车刀的主要角度0000rrs0q 粗加工和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46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 楔角楔角o ：正交平面中测量的正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角，即前、后刀面之间的夹角，即o = 90-（o + o ）32在正交平面中，若前刀在正交平面中，若前刀面在基面之上时前角为面在基面之上时前角为负，前刀面在基面之下负，前刀面在基面之下时前角为正，前刀面与时前角为正，前刀面与基面相重合时前角为零。基面

41、相重合时前角为零。后角也有正负之分，但后角也有正负之分，但切削加工中后角只有正切削加工中后角只有正值，不能为零或负值。值，不能为零或负值。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 33前、后角正负的规定前、后角正负的规定 q 主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。ArA 向f图2-7 车刀的主要角度0000rrsr 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 （放录像（放录像10）基面中定义和标注的角度：基面中定义和标注的角度：主偏角、副偏角主偏角、副偏角34rAA 向f图2-8 车刀的主要角度0000rrsrq

42、 在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 刀尖角刀尖角r ：基面中测量的主、基面中测量的主、副切削刃之间的夹角，即副切削刃之间的夹角，即r = 180-（ r + r ）34a）b）c）图 刃倾角对排屑方向的影响刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之为负。q s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 切

43、削平面中定义和标注的角度：切削平面中定义和标注的角度：刃倾角刃倾角36 副正交平面中定义和标副正交平面中定义和标注的角度注的角度 副后角副后角。 ： 副正交平副正交平面中测量副后刀面面中测量副后刀面与副切削平面之间的夹角。与副切削平面之间的夹角。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 对副切削刃也可建立副基面、副切削平面和副正交平面。对副切削刃也可建立副基面、副切削平面和副正交平面。 37 法剖面参考系法剖面参考系 （略）（略） 法剖面参考系由法剖面参考系由p pr r、p ps s和法平和法平面面p pn n组成。其中法平面组成。其中法平面p pn n是是过切削刃某

44、选定点垂直于切过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。削刃的平面。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 测量的角度有测量的角度有法前角法前角n （法（法剖面中测量的基面与前刀面之剖面中测量的基面与前刀面之间的夹角）和间的夹角）和法后角法后角 n （法剖法剖面中面中测量的切削平面与后刀面测量的切削平面与后刀面之间的夹角）。之间的夹角）。38 假定工作平面、背平面静止参考系假定工作平面、背平面静止参考系 假定工作平面参考系由假定工作平面参考系由p pr r、p pf f和和p pp p组成。假组成。假定工作平面定工作平面pfpf是过切削刃某选定点平行于假是过切削刃某选定点平

45、行于假定进给运动并垂直于基面的平面定进给运动并垂直于基面的平面。背平面。背平面p pp p是过切削刃某选定点既垂直于假定进给运动是过切削刃某选定点既垂直于假定进给运动又垂直于基面的平面。又垂直于基面的平面。 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 在该参考系中测量的角度有在该参考系中测量的角度有侧前角侧前角 f 、侧后角侧后角 f 、背背前角前角 p 、背后角背后角 p ，其定，其定义方法与正交平面、法剖面义方法与正交平面、法剖面静止参考系中的类似。静止参考系中的类似。（略）（略）39刀具刀具工作参考系的坐标平面是依据合成切削运动方向来确定的。工作参考系的坐标平面是依据

46、合成切削运动方向来确定的。 3.2.2 刀具的工作角度刀具的工作角度 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 40进给运动对工作角度的影响前角增加fe=f+ffe=f+f后角减小式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。tanWfD 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 41 tanfwfd 在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：tantansinsinfrrwfD前角增加后角减小fe=f+ffe=f+f 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 42图2-10 车刀安装高度对工作角度的影响re=r0e=

47、0a） 0e0b） 0e0c） rer rer 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 2.刀具安装位置对刀具工作角度的影响刀具安装位置对刀具工作角度的影响假定车刀的假定车刀的s =0若刀尖安装高于工件中心高，若刀尖安装高于工件中心高，刀具的工作前角较静止前角增刀具的工作前角较静止前角增大，刀具的工作后角较静止后大，刀具的工作后角较静止后角减小。若刀尖装低，情况则角减小。若刀尖装低，情况则相反。相反。43 工作主偏角或工作副偏角将增大或减小 3.2 刀具几何角度及工作角度刀具几何角度及工作角度第第3章章 44进给运动主运动待加工表面加工表面已加工表面正交平面切削平面基面

48、进给运动主运动待加工表面加工表面已加工表面正交平面切削平面基面向进给运动主运动待加工表面加工表面已加工表面正交平面切削平面基面 第第3章章 46 第第3章章 在切削过程中，会出现许多物理现象，如在切削过程中，会出现许多物理现象，如切削变切削变形形、切削力切削力、切削热切削热、刀具磨损刀具磨损等。等。本节讨论这些物理现象本节讨论这些物理现象的产生和变化规律，它的产生和变化规律，它是进一步研究提高加工是进一步研究提高加工质量、生产率和降低制质量、生产率和降低制造成本等问题的基础知造成本等问题的基础知识。识。金属切削过程金属切削过程是刀具前刀面推挤切削层，切除多余金是刀具前刀面推挤切削层，切除多余金

49、属，使其产生切屑和得到需要的加工表面的过程。属，使其产生切屑和得到需要的加工表面的过程。47 第第3章章 切削变形的本质切削变形的本质是工件受到刀具推挤后产生弹性和塑性变是工件受到刀具推挤后产生弹性和塑性变形，使切削层与母体金属分离。形，使切削层与母体金属分离。 1切削变形与变形系数切削变形与变形系数切削层金属经过切削加工形成的切屑，其长度较切削层长度缩短，厚度切削层金属经过切削加工形成的切屑，其长度较切削层长度缩短，厚度较切削层厚度增加，说明切削层金较切削层厚度增加，说明切削层金属发生了变形，总体呈现属发生了变形，总体呈现收缩趋势收缩趋势。图 切屑与切削层尺寸hchhDLcL变形系数等于切削

50、层变形系数等于切削层金属长度与切屑长度之比，也金属长度与切屑长度之比，也等于切屑厚度与切削层金属厚等于切屑厚度与切削层金属厚度之比，即度之比，即 = L/ Lc = hch / hD 1变形系数值越大，说明切变形系数值越大，说明切削变形越严重。削变形越严重。（放录像（放录像12）48 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图 切削部位三个变形区第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要

51、原因。 第第3章章 49 第第3章章 切削金属时，由于工件材料、刀具几何角度、切削用切削金属时，由于工件材料、刀具几何角度、切削用量等差异，会出现量等差异，会出现带状切屑、节状切屑、粒状切屑带状切屑、节状切屑、粒状切屑（单元切屑）和崩碎切屑（单元切屑）和崩碎切屑。（放录像（放录像13、14、15）50形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀

52、具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 第第3章章 51v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果图 切屑的卷曲图 断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置） 第第3章章 52v 采用断屑槽v 改变刀具角度v调整切削用量 第第3章章 53带状切屑

53、挤裂切屑节状切屑崩碎切屑图 切屑形态照片 第第3章章 54图3-21 积屑瘤 第第3章章 55 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化滞留粘接长大 第第3章章 在一定的切削速度范围内切削塑性金属材料时，切屑与前刀面有剧烈的摩在一定的切削速度范围内切削塑性金属材料时，切屑与前刀面有剧烈的摩擦，使切屑底层流动缓慢。擦，使切屑底层流动缓慢。切屑底层流动缓慢的金属层称为滞留层。切屑底层流动缓慢的金属层称为滞留层。在刀在刀和屑接触面处，滞留层的流速接近于零，与刀具前刀面发生黏结（形成和屑接触面处，滞留层的流速接近于零，与刀具前刀面发生黏结（形成积屑瘤的基础），在

54、这基础上新的滞留层又不断地黏结堆积，最后生成积屑瘤的基础），在这基础上新的滞留层又不断地黏结堆积，最后生成积屑瘤。积屑瘤。积屑瘤不断生成的过程，也是积屑瘤不断破碎、脱落和消失的过程。积屑瘤不断生成的过程，也是积屑瘤不断破碎、脱落和消失的过程。积积屑瘤产生、长大和脱落是周期性的动态过程。屑瘤产生、长大和脱落是周期性的动态过程。 积屑瘤的生长主要取决于切削温度（速度）。在切削温度很低和很积屑瘤的生长主要取决于切削温度（速度）。在切削温度很低和很高时，不易产生积屑瘤。在中温区，例如切削中碳钢的切削温度在高时，不易产生积屑瘤。在中温区，例如切削中碳钢的切削温度在300一一380时，产生的积屑瘤达到很大

55、高度值。此外，刀具与切屑接触面间的时，产生的积屑瘤达到很大高度值。此外，刀具与切屑接触面间的压力、前刀面粗糙度、黏结强度等因素都与形成积屑瘤的大小有关。压力、前刀面粗糙度、黏结强度等因素都与形成积屑瘤的大小有关。56 增刀具刀具大前角，保护刀刃 积屑瘤使刀具实际工作前角增大（积屑瘤使刀具实际工作前角增大（。可增至。可增至35)，减小切削变形和切削力。，减小切削变形和切削力。 降低工件表面质量 由于积屑瘤的外形不规则，使被切削的工件由于积屑瘤的外形不规则，使被切削的工件表面不平整。同时由于积屑瘤不断地破碎和脱落，脱落的碎片使工件表面不平整。同时由于积屑瘤不断地破碎和脱落，脱落的碎片使工件表面粗糙

56、，产生缺陷。表面粗糙，产生缺陷。 使切削厚度使切削厚度增大增大积屑瘤前端伸出于切削刃外，导致切削厚度增积屑瘤前端伸出于切削刃外，导致切削厚度增大，不利于保证加工尺寸的精度。大，不利于保证加工尺寸的精度。 对刀具寿命影响对刀具寿命影响 积屑瘤包围着刀具切削刃及刀具部分前刀面，可代替刀具切削刃积屑瘤包围着刀具切削刃及刀具部分前刀面，可代替刀具切削刃进行切削，减少了刀具磨损，提高了刀具寿命。进行切削，减少了刀具磨损，提高了刀具寿命。 但是积屑瘤的生长是一个不稳定的过程，积屑瘤随时会产生破裂、但是积屑瘤的生长是一个不稳定的过程，积屑瘤随时会产生破裂、脱落的现象。脱落的碎片会黏走刀面上的金属材料，或者严

57、重擦伤刀脱落的现象。脱落的碎片会黏走刀面上的金属材料，或者严重擦伤刀面，使刀具寿命下降。面，使刀具寿命下降。 第第3章章 57 图3-22 积屑瘤高度与 切削速度的关系 第第3章章 58 切削过程中工件材料抵抗刀具切削所产生的抗力称为切削过程中工件材料抵抗刀具切削所产生的抗力称为切削力切削力。第第3章章 59 第第3章章 2.总切削力的分解总切削力的分解 外圆车削时总切削力可以分解为主切削力外圆车削时总切削力可以分解为主切削力 Fc、进给力、进给力 Ff 和背向力和背向力 Fp ，这三个分力与总切削力之间的关系为，这三个分力与总切削力之间的关系为图3-24 切削力的分解 （1）主切削力是最大的

58、一个）主切削力是最大的一个分力，它消耗切削总功率的分力，它消耗切削总功率的 95% 左右，作用于主运动方左右，作用于主运动方向，向， 是计算机床切削功率、是计算机床切削功率、主运动机构强度与刀杆、刀主运动机构强度与刀杆、刀片强度以及设计机床夹具、片强度以及设计机床夹具、选择切削用量等的主要依据。选择切削用量等的主要依据。 （2）背向力不消耗功率，）背向力不消耗功率，它作用在工件与机床刚性最它作用在工件与机床刚性最差的方向上，使工件在水平差的方向上，使工件在水平面内变形，影响加工精度，面内变形，影响加工精度，是校验机床刚度的主要依据。是校验机床刚度的主要依据。 （3）进给力作用在机床的）进给力作

59、用在机床的进给运动方向，是设计和校进给运动方向，是设计和校验机床走刀机构必用的数据。验机床走刀机构必用的数据。 60 第第3章章 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数数KFc =1）1FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf3.切削力、切削功率的计算切削力、切削功率的计算（1）切削力的计算）切削力的计算 常用指数公式来计算切削力，可查阅有关资料。常用指数公式来计算切削力，可查阅有关资料。FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK式中 CFc , CFp , C

60、Ff 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。61式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 上式为校验与选取机床电动机的主要依据。上式为校验与选取机床电动机的主要依据。 63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率 第第3章章 （2）切削功率的计算）切削功率的计算 切削功率是指切削时在切削区内消耗的功率。切削功率是指切削时在切削区