第一章刀具

1、第二章 金属切削加工的基本知识第一节第一节 金属切削刀具的基本知识金属切削刀具的基本知识金属切削加工的目的：金属切削加工的目的： 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求面质量达到设计与使用要求。 金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。本节课的要求：1、熟悉切屑的形成过程2、掌握切削运动、主运动、进给运动的概念3、掌握切削用量三要素

2、的定义一、金属切削加工的基本概念一、金属切削加工的基本概念 1. 切削运动切削运动 （1） 主运动主运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑, 从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大，是切下切屑所必须的基本运动。主运动方向主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。切削速度切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。 刀具与工件之间附加的相对运动, 它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑, 从而形成具有所需几何特性的已加工表面。 进给运动可由刀具完成(如车削)，也可由工件完

3、成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）, 也可以是连续的（如车削）。 （2） 进给运动进给运动进给运动方向进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。进给速度进给速度vf 切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。（3）合成切削运动）合成切削运动各种切削加工的切削运动各种切削加工的切削运动理解主运动、理解主运动、进给运动进给运动切削刃相对于工件的运动过程切削刃相对于工件的运动过程, , 就是表面形成过程。就是表面形成过程。在这个过程中在这个过程中, , 切削刃相对于工切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表件的运动轨迹面就是工件上的加

4、工表面和已加工表面。面和已加工表面。有两个要素，一是切削刃有两个要素，一是切削刃, , 二是二是切削运动。切削运动。不同的切削运动的组合不同的切削运动的组合, ,即可形成即可形成各种工件表面。各种工件表面。2、切削加工过程中的工件表面、切削加工过程中的工件表面 车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面（图1-1） 。（1）待加工表面待加工表面工件上待切除的表面。（2）已加工表面已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。（3）过渡表面）过渡表面工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。3、切削三要素、切削三要素切削要素主要

5、指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。（1）切削用量要素）切削用量要素切削速度切削速度对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为vc =dwn/1000进给量进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。 当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r； 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程； 对于多齿的旋转刀具对于多齿的旋转刀具( (如铣刀、切齿刀如铣刀、切齿刀) )，常用每齿进给量常用每齿进给量 f fz z，单位

6、为，单位为mm/zmm/z或或mm/mm/齿。齿。它与进给量它与进给量f f的关系为的关系为 f f=z=zf fz z 车削时进给速度车削时进给速度v vf f可由下式计算可由下式计算 v vf f= =f fn n铣削时进给速度为铣削时进给速度为 v vf f= =f fn=zn=zf fz zn n合成切削速度合成切削速度v ve e可表达为可表达为 v vc c=v=ve e+v+vf f 背吃刀量背吃刀量a ap p在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削: ap(dw-dm)/2 v vc c、f f、a ap p 构成了普通外圆车削的构成了普通外圆车削的切削用量三

7、要切削用量三要素素。材料切除率，用材料切除率，用Q Qz z表示表示三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min， Qz=1000vcfap（2 2）切削层参数）切削层参数 切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层（图12）。切削层公称厚度切削层公称厚度h hD D 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinKr切削层公称宽度切削层公称宽度b bD D平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。bDapsinKr图图23 车削时的切削层尺寸车削时的切削层尺寸切削层公称横

8、截面积切削层公称横截面积A AD D在切削层参数平面内度量的横截面积。ADhDbD=apf上述公式中可看出上述公式中可看出 h hD D、b bD D均与主偏角有均与主偏角有关，但切削层公称横截面积关，但切削层公称横截面积A AD D只与只与h hD D、b bD D或或f f、a ap p有关。有关。本节教学要求：n1、熟悉刀具的组成n2、掌握刀具几何坐标系的定义n3、掌握刀具几何角度的定义n4、掌握刀具几何角度的作用二、刀具角度二、刀具角度（一）刀具的构成（一）刀具的构成 由工作部分和非工作部分构成。由工作部分和非工作部分构成。 车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀

9、的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。（1)1)前刀面前刀面A A 切屑流过的刀面。切屑流过的刀面。 1. 1.刀刀 面面（2)2)主后刀面主后刀面A A 与工件正在被切削加工的表面与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。（过渡表面）相对的刀面。 （3)3)副后刀面副后刀面A A 与工件已切削加工的表面相对与工件已切削加工的表面相对 的刀面。的刀面。刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义图图24图图24 车车 刀刀 的的 构构 成成 2. 2.刀刃刀刃（1 1）主切削刃）主切削刃

10、S S 前面与主后面在空间的交线。前面与主后面在空间的交线。（2 2）副切削刃）副切削刃SS 前面与副后面在空间的交线。前面与副后面在空间的交线。 3 3刀尖刀尖 三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。二条刀刃汇交的一小段切削刃。 在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。 刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。 用于定义和规

11、定刀具角度的各基准坐标面称为参考系; 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。 （三）定义刀具角度的参考系（三）定义刀具角度的参考系在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。1 1刀具静止参考系刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等。 2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。图26(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。(2)切削平面ps 通过切

12、削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(3)正交平面po 通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。 图2-6 正交平面参考系（三）刀具的标注角度（三）刀具的标注角度（1 1）基面中测量的刀具角度）基面中测量的刀具角度1）主偏角r 主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf 方向之间的夹角。2）副偏角r 副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。3）刀尖角r 主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。r=180-(r r)r是标注角度是否正确的验证公式之一。4）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径r描述，当r=0时为

13、尖角过渡，r0时为圆角过渡，直线过渡时用 和 b参数描述(图1-6)p10。（2）切削平面中测量的刀具角度）切削平面中测量的刀具角度1）刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。当主切削刃与基面平行时s=0；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时s 0；反之s 0。 （3）正交平面中测量的刀具角度1)前角O 前面与基面之间的夹角。2)后角o 后面与切削平面之间的夹角。3)楔角o 前面与后面之间的夹角，它是个派生角。 它与前角、后角有如下的关系：o90(Oo)o也是判断标注是否正确的验证式之一。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进

14、给方向，以及不考虑进给运动影响等条件下确定的。 图27 车刀的主要角度 3.其它刀具标注参考系（1）法平面pn与法平面参考系 1)法平面 通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面2)法平面参考系 pr、ps、pn组成的参考系。 （图1-4） 刀具角度标注见图1-5。（2）假定工作平面pf、及其参考系1)假定工作平面 通过切削刃上选定点并垂直于该点基面以及其方位平行于假定进给运动方向的平面。3)假定工作平面参考系 pr、pf、pp组成的参考系。（四）刀具工作角度（四）刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。1

15、 1刀具工作参考系的建立刀具工作参考系的建立 与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。 由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角oe、工作后角oe 的变化。刀具工作参考系刀具工作参考系(1)工作基面pre 通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。(2)工作切削平面pse通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。(3)工作正交平面poe通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。2 2刀具工作角度的分析刀具工作角度的分析 在工作正交平

16、面参考系中，一般考核刀具工作角度(oe 、oe 、re、re、oe 、se)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。 在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。1 1）横向进给运动对工作前、后角的影响）横向进给运动对工作前、后角的影响（1 1）进给运动对工作前、后角的影响）进给运动对工作前、后角的影响2 2）轴向进给运动对工作前、后角的影响）轴向进给运动对工作前、后角的影响 轴向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹是阿基米德螺旋线，从而使工作前角oe增大、工作后角oe 减小(图2-10) 。

17、图210 轴向进给运动对工作角度的影响v刃用倾角s=0车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置发生变化，工作前角oe增大，而工作后角oe减小。v若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。v加工内表面时，情况与加工外表面相反。如图2-11所示。（3 3）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1)1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响刀尖安装高低对工作前、后角的影响图图211n 图211 刀尖安装高低对工作角度的影响v当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。如图1-12所示。2 2）刀杆

18、安装偏斜对工作主、副偏角的影响）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响图212车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响本节教学要求：n1、熟悉常用刀具的材料种类n2、掌握常用刀具材料性能、用途n3、了解新型刀具材料的种类、性能特点三、刀具材料三、刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。性能。 刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。的刀

19、具材料。 金属切削过程中的加工质量、加工效率、加金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，材料、结构和几何形状是构成刀具切择。因此，材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。削性能评估的三要素。1. 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能（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）高的耐热性与化学稳定性）高的耐热性与化学稳定性（4 4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的 工艺性工艺性（5 5）导热

20、性好，有利于切削热传导，降低切削区）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。富，价格低廉。 2. 常用刀具材料常用刀具材料工具钢工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。硬质合金硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。陶瓷陶瓷超硬刀具材料超硬刀具材料 推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。 高速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2-1、2(p15)。1 1高速钢高速钢它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高

21、合金钢。合金钢。热处理后硬度可达热处理后硬度可达62626666HRC, HRC, 抗弯强度约抗弯强度约3.33.3GPaGPa，有较高的热稳定性有较高的热稳定性 、耐磨性、耐磨性 、耐热性。切削温度、耐热性。切削温度在在500500650650C C时仍能进行切削。时仍能进行切削。由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金

22、高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。 （1 1）高速钢的分类）高速钢的分类 （2）常用高速钢的牌号与性能）常用高速钢的牌号与性能v通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。v高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42、5O1。v粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧

23、制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。高速钢的主要物理力学性能见表2-1(p15)。硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造；大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造；硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物( (碳化碳化钨钨WCWC、碳化钛、碳化钛TiCTiC、碳化钽、碳化钽TaCTaC、碳化铌、碳化铌NbCNbC等等) )和金和金属粘结剂属粘结剂( (CoCo、MoMo、NiNi等等) )用粉末冶金工艺制成。用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常

24、温硬度为硬质合金刀具常温硬度为89899393HRAHRA，化学稳定性，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达80080010001000C C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5 51010倍倍 。 2 2硬质合金硬质合金钨钴类（钨钴类（WC+Co）；）；钨钛钴类（钨钛钴类（WC+TiC+Co）；）；添 加 稀 有 金 属 碳 化 物 类添 加 稀 有 金 属 碳 化 物 类（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）；）；碳化钛基类（碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。）。（1 1）硬质合金硬质合金的

25、分类的分类 （2）常用硬质合金的牌号及其性能）常用硬质合金的牌号及其性能v钨钴类硬质合金 代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。v钨钛钴类硬质合金 代号为YT，属P类。它以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。v钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW，属M类。它在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强

26、度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。v常用硬质合金的牌号与性能见表常用硬质合金的牌号与性能见表2-2（p18)。3 3涂层刀具材料涂层刀具材料在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。（1 1）TiCTiC涂层涂层 硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。（2 2）TiNTiN涂层涂层 在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效

27、降低切削温度。（3 3）TiCTiCTiNTiN复合涂层复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。（4 4）TiC-AlTiC-Al2 20 03 3复合涂层复合涂层第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。 目前单涂层刀片已很少应用，大多采用目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复复合涂层或合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。三复合涂层。4其它刀具材料其它刀具材料以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是硬度高，耐磨性、耐高

28、温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。（1）陶瓷刀具材料）陶瓷刀具材料 （2）金刚石刀具材料）金刚石刀具材料 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。

29、缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。（3）立方氮化硼）立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。图 2-1 各类刀具材料硬度和韧性各类刀具材料硬度和韧性 应当指出，加工一般材料大量使应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑只有

30、在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，在加工高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。 习题习题 :2-7、2-8。金属切削过程n1、熟悉切削的方式n2、掌握切削过程的三个变形区及特点 在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化等各种现象，严重影响了生产的进行。针对上述现象，本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响，并在此基础上总结出切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化四大规律。应用这些规律，很好地解决了生产上出现的各种问题，如改善工件材

31、料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等，并对促进机械加工技术的发展起着很重要的作用。 一、切削方式与切削模型一、切削方式与切削模型the orthogonal and free cutting modelthe orthogonal and free cutting model直角自由切削模型直角自由切削模型 特点：特点： 一条切削刃参与切削过程一条切削刃参与切削过程; ; 切削速度与切削刃垂直切削速度与切削刃垂直; ; 切削刃长度超过切削层宽度。切削刃长度超过切削层宽度。 直角自由切削方式直角自由切削方式第一节第一节 切削模型切削模型1 1、正压力挤压破坏模型、正压

32、力挤压破坏模型F 在正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、在正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、塑性变形，沿滑移面产生剪切破坏。塑性变形，沿滑移面产生剪切破坏。 特点：两侧是自由的，速度比较低。特点：两侧是自由的，速度比较低。2 2、“笨刀笨刀”切削模型切削模型F F 此时前角为此时前角为0 0，后角也为，后角也为0 0，相当于对金属进行正挤压，相当于对金属进行正挤压，同样在正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、塑性变同样在正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、塑性变形，沿滑移面产生剪切破坏。形，沿滑移面产生剪切破坏。 特点：一侧是自由的，故金属只能沿一侧分离成为切屑。特点：一侧是自由的，故

33、金属只能沿一侧分离成为切屑。3 3、理想剪切模型、理想剪切模型直角自由切削条件下的切削模型为：直角自由切削条件下的切削模型为：F F 此时刀具前后角均不为此时刀具前后角均不为0 0，前刀面对金属进行正挤压，前刀面对金属进行正挤压的作用削弱，对晶体的分离作用增强，有利于切屑的形的作用削弱，对晶体的分离作用增强，有利于切屑的形成和流出。成和流出。 特点：金属只能沿一侧分离成为切屑，分离后可沿前特点：金属只能沿一侧分离成为切屑，分离后可沿前刀面流动，与前刀面剧烈摩擦。刀面流动，与前刀面剧烈摩擦。二、剪切过程的理论分析二、剪切过程的理论分析 金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前金属切削过程就是工件

34、的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切滑刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切滑移变形并转变为切屑的过程。移变形并转变为切屑的过程。1 1、三个变形区、三个变形区 n第一变形区：剪切滑移区域第一变形区：剪切滑移区域n第二变形区：切屑形成和流出区第二变形区：切屑形成和流出区n第三变形区：已加工表面形成区第三变形区：已加工表面形成区第第变形区变形区近切削刃处切削层近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；内产生的塑性变形区；物理现象：物理现象：产生切屑产生切屑第第变形区变形区与前刀面接触的与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；切屑层内产生的变形区；物理现象：物理现象：产生积屑瘤

35、产生积屑瘤第第变形区变形区近切削刃处已加近切削刃处已加工表层内产生的变形区。工表层内产生的变形区。物理现象：物理现象：产生加工硬化产生加工硬化选定被切金属层中的一个晶粒选定被切金属层中的一个晶粒P P来观察其变形过程。来观察其变形过程。OAOA始剪切线始剪切线OBOB滑移线滑移线OCOC滑移线滑移线OMOM终剪切线终剪切线OAOMOAOM所形成的塑性变形区称为第一变形区所形成的塑性变形区称为第一变形区晶粒剪切滑移挤压示意晶粒剪切滑移挤压示意晶格拉伸晶格拉伸 滑移滑移 破坏破坏金属金属(material) (material) 切屑切屑(chips)(chips)2 2、晶格的微观变形：、晶格的

36、微观变形：正常晶格正常晶格 1）加工硬化 加工后已加工表面层硬度提高的现象称为加工硬化。切削时在形成已加工表面过程中，由于表层金属经过多次复杂的塑性变形，硬度显著提高；另一方面，切削温度又使加工硬化减弱弱化；更高的切削温度将引起相变。已加工表面的加工硬化就是这种强化、弱化、相变作用的综合结果。加工中变形程度愈大，则硬化程度愈高，硬化层深度也愈深。 工件表面的加工硬化将给后续工序切削加工增加困难。如切削力增大，刀具磨损加快，影响了表面质量。加工硬化在提高工件耐磨性的同时，也增加了表面的脆性，从而降低了工件的抗冲击能力。 2）残余应力 n 残余应力是指在没有外力作用的情况下，物体内存在的应力。n

37、由于切削力、切削变形、切削热及相变的作用，已加工表面常存在残余应力，有残余拉应力和残余压应力之别。残余应力会使已加工表面产生裂纹，降低零件的疲劳强度，工件表面残余应力分布不均匀也会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸。对精密零件的加工是极为不利的。 二、切削变形程度的度量方法 1、相对滑移 相对滑移 是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中AB线沿剪切面滑移至A“B”时的距离为y，事实上y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为s。则相对滑移表示为： 2、变形系数h 变形系数h 是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削

38、层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。 变形系数h表示切屑收缩的程度，即 四、刀具角度的选择四、刀具角度的选择1.1.前角前角O （1 1）功用）功用O 刀刃锋利刀刃锋利，切屑变形，切屑变形切削力和切削功率切削力和切削功率刀刃和刀尖强度刀刃和刀尖强度，散热体积，散热体积刀具寿命刀具寿命o1Pro2（2 2）选择）选择前角大小取决于：工件材料、前角大小取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。刀具材料及加工要求。工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。之应取较小的前角。加工塑性材料时，应取较大前角，

39、加工脆性材料加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。时，应取较小的前角。刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。（硬质合金）取较小前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。 2.2.后角后角o （1 1）功用）功用o 后刀面与工件的摩擦后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率后刀面的磨损率（2 2）选择）选择后角大小取决于：切削厚度、后角大小取决于：切削厚度、工件材料及工艺系统刚度。工件材料及工艺系统刚度。切削厚度越大，后角越小；切削厚度越大，后角越小；工件材料

40、越软、塑性越大，后角越大；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工艺系统刚度较差时，适当减小后角；工艺系统刚度较差时，适当减小后角； 3.3.主偏角主偏角r 和副偏角和副偏角r （1 1）功用）功用r 和和r 刀刃强度刀刃强度表面粗糙度表面粗糙度背向力背向力Fp残留面积高度残留面积高度，散热条件，散热条件刀具寿命刀具寿命，进给力，进给力Ffkr1Krkr2FpFf（2 2）选择）选择工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。之取较大值。副偏角大小取决于表面粗糙度（副偏角大小取决于表面粗糙度（5 51515) )，粗加工时取大值，精加工取小值。粗加工时取

41、大值，精加工取小值。4.4.刃倾角刃倾角s （1 1）功用）功用（2 2）选择）选择 主要影响刀头的强度和切主要影响刀头的强度和切屑的流动方向。屑的流动方向。加工一般钢料和铸铁，无冲击时：加工一般钢料和铸铁，无冲击时： 粗车粗车s 0 05 5，精车，精车s 0 0+5+5； 有冲击时：有冲击时：s 5 51515； 特别大时：特别大时：s 30304545。切削加工高强度钢、冷硬钢时：切削加工高强度钢、冷硬钢时： s 30304545。第二节第二节 常用金属切削刀具与砂轮常用金属切削刀具与砂轮一、车刀一、车刀 1. 硬质合金焊接式车刀硬质合金焊接式车刀 结构简单、紧凑，抗振结构简单、紧凑，抗

42、振性能好，制造方便使用灵活。性能好，制造方便使用灵活。但刀片易产生应力和裂纹。但刀片易产生应力和裂纹。 车刀是金属切削加工中使用最广泛的刀具，它可以在车刀是金属切削加工中使用最广泛的刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。 （图213） 图213图图2-13 几种常用的车刀几种常用的车刀145弯头车刀；弯头车刀；290外圆车刀；外圆车刀；3外螺纹车刀；外螺纹车刀；475外圆车刀；外圆车刀；5成形车刀；成形车刀；690外圆车

43、刀；外圆车刀；7切断刀；切断刀；8内圆切槽刀；内圆切槽刀；9内螺纹内螺纹车刀；车刀；10盲孔镗刀；盲孔镗刀；11通孔镗刀通孔镗刀 2. 硬质合金机夹重磨式车刀硬质合金机夹重磨式车刀 避免焊接引起的缺陷，提高了避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。 3.机夹可转位式车刀机夹可转位式车刀 1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。硬度和抗弯强度

44、。 2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。 3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。图图216 可转位式车刀的组成可转位式车刀的组成二、孔加工刀具二、孔加工刀具 1. 麻花钻麻花钻 主要用于孔的粗加工，主要用于孔的粗加工，IT11级以下；表面粗糙度级以下；表面粗糙度Ra25m 6. 3 m 。 1 1）麻花钻的构造）麻花钻的构造图图218 2 2）麻花钻的主要几何参数）麻花钻的主要几何参数（1 1）螺旋角）螺旋角 指钻头最外缘处螺旋线指钻头最外缘处螺旋线的切线与钻头轴线的夹角的切线与钻头轴线的

45、夹角 。zPdtg0图图218 麻花钻的组成和切削部分麻花钻的组成和切削部分 螺旋角对切削过程的影响螺旋角对切削过程的影响 f轴向力和扭矩轴向力和扭矩切削轻快切削轻快切削刃强度和散热条件切削刃强度和散热条件刀具寿命刀具寿命 螺旋角的大小不仅影响螺旋角的大小不仅影响排屑情况，而且它就是钻头排屑情况，而且它就是钻头的轴向前角。的轴向前角。 标准麻花钻的螺旋角标准麻花钻的螺旋角=18 30。 黄铜、软青铜： =10 17 轻合金、紫铜： =35 40 高强度钢、铸铁:图=10 15 213（2 2）顶角）顶角2 2 指两主切削刃在与它们指两主切削刃在与它们平行的平面上投影的夹角平行的平面上投影的夹角

46、 。（图图218b） 螺旋角对切削过程的影响螺旋角对切削过程的影响2 主切削刃长度主切削刃长度单位切削刃上的负荷及轴向力单位切削刃上的负荷及轴向力钻尖强度钻尖强度有利于散热，提高钻头耐用度有利于散热，提高钻头耐用度而扭矩而扭矩（3 3）前角）前角o o 是在正交平面内测量的是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角前刀面与基面间的夹角 。（图图219） 由于钻头的前刀面是螺旋面，且各点处的基面和正交由于钻头的前刀面是螺旋面，且各点处的基面和正交平面位置亦不相同，故主切削刃上各处的前角也是不相同平面位置亦不相同，故主切削刃上各处的前角也是不相同的，的，由外缘向中心逐渐减小由外缘向中心逐渐减小。在图

47、样上，钻头的前角不予。在图样上，钻头的前角不予标注，而用螺旋角表示。标注，而用螺旋角表示。图图219 麻花钻的几何角度麻花钻的几何角度（4 4）后角）后角f 是在假定工作平面内测是在假定工作平面内测量的切削平面与主后刀面之量的切削平面与主后刀面之间的夹角间的夹角 。（。（图图219） 为改善切削条件，并能与切削刃上变化的前角相适应，为改善切削条件，并能与切削刃上变化的前角相适应，而使各点的楔角大致相等，麻花钻的后角刃磨时应而使各点的楔角大致相等，麻花钻的后角刃磨时应由外缘由外缘向中心逐渐增大向中心逐渐增大。（5 5）横刃角度）横刃角度 横刃角度包括横刃斜角横刃角度包括横刃斜角、横刃前角横刃前角

48、o、和横刃后角和横刃后角 o。（。（图图220） 由于横刃前角为负值，因此横刃的切削条件很差，切由于横刃前角为负值，因此横刃的切削条件很差，切削时因产生强烈的挤压而产生很大的轴向力。削时因产生强烈的挤压而产生很大的轴向力。 对于直径较大的麻花钻，一般都需要修磨横刃。对于直径较大的麻花钻，一般都需要修磨横刃。图图220 横刃切削角度横刃切削角度 2. 扩孔钻扩孔钻 用于对已钻孔的进一步加用于对已钻孔的进一步加工，工，IT10 IT11级；表面粗糙级；表面粗糙度度6. 3 3.2m 。（1 1）扩孔钻的类型扩孔钻的类型 （2 2）扩孔钻与麻花钻的比较扩孔钻与麻花钻的比较 图图221 1）刀齿数多（

49、）刀齿数多（34个），故导向性好，切削平稳；个），故导向性好，切削平稳； 2）刀体强度和刚性较好；）刀体强度和刚性较好； 3）没有横刃，改善了切削条件。）没有横刃，改善了切削条件。 因此，大大提高了切削效率和加工质量。因此，大大提高了切削效率和加工质量。 3. 铰铰 刀刀 用于中、小尺寸孔的半精用于中、小尺寸孔的半精加工和精加工，加工和精加工，IT6 IT8级；级；表面粗糙度表面粗糙度1.6 0.4m 。（1 1）铰刀的类型铰刀的类型 （2 2）铰刀）铰刀与扩孔钻的比较与扩孔钻的比较 图图222 1）刀齿数多（）刀齿数多（612个），故导向性好，切削平稳；个），故导向性好，切削平稳； 2）刀体

50、强度和刚性较好（容屑槽浅，芯部直径大）；）刀体强度和刚性较好（容屑槽浅，芯部直径大）； 因此，铰孔的加工质量更好。因此，铰孔的加工质量更好。 图图222 铰刀的类型铰刀的类型（a）直柄机用铰刀（）直柄机用铰刀（b）锥柄机用铰刀）锥柄机用铰刀c）硬质合金锥柄机用铰刀）硬质合金锥柄机用铰刀（d）手用铰刀（）手用铰刀（e）可调节手用铰刀（）可调节手用铰刀（f）套式机用铰刀（）套式机用铰刀（g）直柄）直柄 莫式圆锥铰刀（莫式圆锥铰刀（h）手用）手用1:50锥度铰刀锥度铰刀图图223 铰刀的结构铰刀的结构三、铣三、铣 刀刀 1. 铣刀的几何角度铣刀的几何角度 主要用于平面、台阶、沟槽主要用于平面、台阶、

51、沟槽和各种成形面的加工和各种成形面的加工 。（。（图图）1 1）圆柱铣刀）圆柱铣刀的几何角度的几何角度 图图224 前前 角角 为了便于制造，规定圆柱铣刀的为了便于制造，规定圆柱铣刀的前角用法平面前角前角用法平面前角n表示。表示。cosontgtg铣削钢件：铣削钢件： o=10 20铣削铸铁件：铣削铸铁件： o=5 15图图 铣刀种类铣刀种类图图224 圆柱铣刀的几何角度圆柱铣刀的几何角度 后后 角角 圆柱铣刀的后角是用正交圆柱铣刀的后角是用正交平面后角平面后角o表示。（表示。（图图）粗加工：粗加工： o 12精加工：精加工： o 16 螺旋角螺旋角 圆柱铣刀的螺旋角圆柱铣刀的螺旋角就是其就是

52、其刃倾角刃倾角它能使切削刃逐渐切入它能使切削刃逐渐切入和切离工件，而且同时工作齿和切离工件，而且同时工作齿数较多，故能提高铣削过程的数较多，故能提高铣削过程的平稳性。平稳性。粗齿铣刀：粗齿铣刀： 40 60细齿铣刀：细齿铣刀： 30 352 2）端铣刀）端铣刀的几何角度的几何角度 端铣刀的每个刀齿类似车刀，有主、端铣刀的每个刀齿类似车刀，有主、副切削刃和过渡刃。在正交平面系内端副切削刃和过渡刃。在正交平面系内端铣刀的标注角度有：铣刀的标注角度有：o、o、kr、kr和和s。图图225 2. 硬质合金端铣刀硬质合金端铣刀图图225 端铣刀的几何角度端铣刀的几何角度 3. 铣削方式及合理选用铣削方式

53、及合理选用 铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系。不同的铣削方式对刀具的耐用度、工件的加工表面粗系。不同的铣削方式对刀具的耐用度、工件的加工表面粗糙度、铣削过程的平稳性及切削加工的生产率等都有很大糙度、铣削过程的平稳性及切削加工的生产率等都有很大的影响。的影响。（1 1）圆周铣削法（周铣法）圆周铣削法（周铣法） 周铣法有两种铣削方式：逆周铣法有两种铣削方式：逆铣法和顺铣法。铣法和顺铣法。1） 逆逆 铣铣 逆铣时，刀齿的切削厚度从逆铣时，刀齿的切削厚度从ac=0至至acmax。当。当ac=0时，刀齿时，刀齿在工件表面上挤压和摩擦，在工件表

54、面上挤压和摩擦，刀齿较易磨损刀齿较易磨损。同时，工件表面受。同时，工件表面受到较大的挤压应力，冷硬现象严重，更加剧刀齿磨损，并到较大的挤压应力，冷硬现象严重，更加剧刀齿磨损，并影响影响已加工表面质量已加工表面质量。此外，逆铣时刀齿作用于工件上的垂直进给。此外，逆铣时刀齿作用于工件上的垂直进给力力FfN朝上有挑起工件的趋势，这就朝上有挑起工件的趋势，这就要求工件装夹紧固要求工件装夹紧固。但是。但是逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响对刀齿没有直接影响；同时作用于工件上的进给力；同时作用于工件上的进给力F

55、f与其进给与其进给方向相反，使铣床工作台进给机构中的方向相反，使铣床工作台进给机构中的丝杠螺母始终保持良好丝杠螺母始终保持良好的右侧面接触的右侧面接触，因此进给速度比较平稳。，因此进给速度比较平稳。 （图图） 铣刀旋转切入工件的方向与铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反。工件的进给方向相反。 （图图228）图图228 逆铣与顺铣逆铣与顺铣 （a）逆铣）逆铣 （b）顺铣）顺铣2） 顺顺 铣铣 顺铣时，刀齿的切削厚度从顺铣时，刀齿的切削厚度从acmax 到到ac=0 。容易切下切削。容易切下切削层，层，刀齿磨损较少，已加工表面质量较高刀齿磨损较少，已加工表面质量较高。顺铣法可提高刀具。顺铣法

56、可提高刀具耐用度耐用度23倍。但在顺铣过程中，作用于工件上的进给力倍。但在顺铣过程中，作用于工件上的进给力Ff与与其进给方向相同，此时如果铣床工作台下面的传动丝杠与螺母其进给方向相同，此时如果铣床工作台下面的传动丝杠与螺母之间的间隙较大，则力之间的间隙较大，则力Ff有可能使工作台连同丝杠一起沿进给有可能使工作台连同丝杠一起沿进给方向移动，导致丝杠与螺母之间的间隙转移到另一侧面上去，方向移动，导致丝杠与螺母之间的间隙转移到另一侧面上去，引起进给速度时快时慢，影响工件表面粗糙度引起进给速度时快时慢，影响工件表面粗糙度，有时甚至会因，有时甚至会因进给量突然增加很多而损坏铣刀刀齿。因此，采用顺铣法加工

57、进给量突然增加很多而损坏铣刀刀齿。因此，采用顺铣法加工时，要求铣床的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置。此外，时，要求铣床的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置。此外，用顺铣法加工时，要求工件表面没有硬皮，否则铣刀很易磨损。用顺铣法加工时，要求工件表面没有硬皮，否则铣刀很易磨损。 （图图） 铣刀旋转切入工件的方向与铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相同。（工件的进给方向相同。（图图）（2 2）端面铣削法（端铣法）端面铣削法（端铣法） 1） 对称铣削对称铣削 刀齿切入工件与切出工件的刀齿切入工件与切出工件的切削厚度切削厚度ac相同者称为对称铣削。相同者称为对称铣削。（图图229 a）2） 不对

58、称铣削不对称铣削 刀齿切入时的切削厚度小于刀齿切入时的切削厚度小于或大于切出时的切削厚度者称为或大于切出时的切削厚度者称为不对称铣削。（不对称铣削。（图图229 b c）图图229 端面铣削方式端面铣削方式四、拉四、拉 刀刀 1. 拉刀的类拉刀的类型型 拉削加工质量好，生产率高。拉削加工质量好，生产率高。拉刀寿命长，并且拉床结构简单。拉刀寿命长，并且拉床结构简单。但拉刀结构复杂，制造比较麻烦，但拉刀结构复杂，制造比较麻烦，价格较高，因而多用于大量和批价格较高，因而多用于大量和批量生产的精加工。量生产的精加工。图图 拉刀的类型拉刀的类型 2. 拉刀的结拉刀的结构构头部头部与机床连接，传递运动和拉

59、力。与机床连接，传递运动和拉力。颈部颈部头部和过渡锥连接部分。头部和过渡锥连接部分。过渡锥部过渡锥部使拉刀容易进入工件孔中，起对准中心的作用。使拉刀容易进入工件孔中，起对准中心的作用。前导部前导部起导向和定心作用，防止拉刀歪斜，并可检查拉起导向和定心作用，防止拉刀歪斜，并可检查拉削前孔径是否太小，以免拉刀第一刀齿负荷太大而损坏。削前孔径是否太小，以免拉刀第一刀齿负荷太大而损坏。切削部切削部切除全部的加工余量，由粗切齿、过渡齿和精切切除全部的加工余量，由粗切齿、过渡齿和精切齿组成。齿组成。校准部校准部起校准和修光作用，并作为精切齿的后备齿。起校准和修光作用，并作为精切齿的后备齿。后导部后导部保持

60、拉刀最后几个刀齿的正确位置，防止拉刀即保持拉刀最后几个刀齿的正确位置，防止拉刀即将离开工件时，工件下垂而损坏已加工表面。将离开工件时，工件下垂而损坏已加工表面。尾部尾部防止长而重的拉刀自重下垂，影响加工质量和损坏防止长而重的拉刀自重下垂，影响加工质量和损坏刀齿。刀齿。图图230 图图230 圆孔拉刀的结构圆孔拉刀的结构1头部；头部；2颈部；颈部；3过渡圆锥；过渡圆锥；4前导部前导部5切削部；切削部；6校准部；校准部；7后导部；后导部；8尾部尾部 3. 刀齿几何参数刀齿几何参数1 1）齿升量）齿升量a af f 前、后两刀齿半径或高度之差。前、后两刀齿半径或高度之差。af 影响拉刀强度及拉床负荷