金属切削原理与刀具：01 第一章 刀具几何角度及切削要素

1、金属切削原理与刀具课 程 导 引金属切削应用的广泛性金属零件的加工：塑性加工（锻、轧压，剪切、弯曲等）、加热、加压成形加工（铸、焊、粉末冶金等）、机械加工（切削，磨削、水射流等）、高能加工（火焰、等离子、电火花加工EDM、电子束加工EBM、激光加工LBM等）、电及化学加工（电化学，电解，电镀，电铸等）等；其中，机械加工所占比重最大，用途最广。课 程 导 引我国金属切削刀具面临的挑战课 程 导 引金属切削过程实质刀具与工件相互作用的过程，其目的是将工件上多余金属切除并在高效低成本的前提下，使工件满足图纸要求的形状、尺寸精度和表面质量。金属切削过程的完成条件金属切削加工工艺系统：机床、刀具、工件、

2、夹具，刀具与工件之间必须有相对运动；刀具必须具有合理的几何参数；刀具应具备一定的切削性能。课 程 导 引课程的性质金属切削原理与刀具是机械设计制造与自动化专业的一门专业基础课，是其它后续专业课的基础。通过本课程的学习要掌握金属切削基本分析方法和基本规律，合理选择切削用量和刀具几何参数，为以后从事生产、研究和进一步的学习打下基础。课 程 导 引课程的目的通过本课程的学习学生要掌握金属切削基本规律，合理选择切削用量和刀具几何参数。为以后从事生产、研究和进一步的学习打下基础。课程的重点与难点课程的重点是刀具切削部分几何参数基本定义、金属切削过程的基本规律、各种刀具特性及应用。课程的难点是刀具切削部分

3、几何参数基本定义及其表达。课 程 导 引课程的要求从理论上认识金属切削过程的一般现象及基本规律，能按具体加工条件选择合理的刀具材料、切削部分几何参数及切削用量，计算切削力及功率，并能运用所学知识分析及解决实际生产中的技术问题。初步掌握金属切削实验的基本方法和技能，学会使用有关的测量仪器， 掌握实验数据的处理方法。初步掌握标准金属切削刀具的选用和常用非标准金属切削刀具的设计方法。对金属切削学科的发展成就和发展趋势有初步了解。课 程 导 引前导课程本课程是在“大学物理”、 “理论力学”、“材料力学”、“机械制图”、“金属工艺学”、 “机械设计”和“金工实习”等课程后讲授。教学计划计划总学时48；其

4、中面授42学时，实验6学时。（1-8周）考核方式闭卷考试，成绩以百分计，平时成绩（考勤及作业成绩）占总成绩的20%，考试成绩占总成绩的80%。课 程 导 引教材教材名全称：金属切削原理与刀具出版社：机械工业出版社，作者：陆剑中、孙家宁，版别：2011年4月第5版参考教材金属切削原理，机械工业出版社，陈日曜主编，第2版金属切削刀具，机械工业出版社，乐兑谦主编，第2版金属切削原理与刀具，哈尔滨工业大学出版社，韩荣第、裘建军、王辉编著，第4版课 程 导 引参考资料书籍高速切削加工技术，国防工业出版社，艾兴主编精密和超精密加工技术，机械工业出版社，袁哲俊、王先逵主编数控刀具材料选用手册，机械工业出版社

5、，邓建新, 赵军编著干切削理论与加工技术，机械工业出版社，任家隆、刘志峰、唐文献编著先进制造技术与应用前沿:高速切削技术，上海科学技术出版社，何宁等编著高速切削技术基础与应用，上海科学技术出版社，陈明、安庆龙、刘志强编著高速加工理论及应用，科学出版社，H. Schulz, E. Abele, 何宁编著课 程 导 引参考资料期刊机械工程学报、摩擦学学报中国机械工程、工具技术、制造技术与机床International Journal of Machine Tool and ManufactureWearJournal of Materials Processing Technology Surfa

6、ce EngineeringInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology课 程 导 引参考资料网络资源国家精品课程资源网： /中国制造业信息化网：中国机械信息网： 机械精英论坛：/bbs/中国机械社区： /切削技术论坛： /Simwe仿真论坛： /小木虫：/bbs/课 程 导 引目前金属切削领域研究热点超高速切削、精密及超精密加工微细加工和纳米级加工自动化加工中刀具可靠性研究切削过程在线检测、监控和预报新型刀具材料的设计与开发新型高难加工材料的切削加工其它新型加工方法，如：基于环保意识的绿色干切削、硬切削、低温切削、加热切

7、削、振动切削等复杂曲面加工，复杂刀具CAD/CAM课 程 导 引国内外研究现状山东大学 (新型陶瓷刀具材料、刀具磨损破损、切削可靠性、高速切削等)，代表性人物：艾兴院士哈尔滨工业大学 (精密、超精密加工、纳米级加工、特种加工等)，代表性人物：袁哲俊教授大连理工大学 (切削理论、剪切角理论 、石材加工等)，代表性人物：刘培德教授北京理工 (硬质合金刀具、难加工材料加工等) ，代表性人物：于启勋教授课 程 导 引国内外研究现状天津大学 (陶瓷精密磨削加工等) ，代表性人物：于思远教授东北大学 (高速磨削) ，代表性人物：郑焕文教授华南理工大学 (加工表面质量、 积屑瘤、加工表面残余应力)，代表性人

8、物：周泽华教授华中科技大学（陈日曜教授）、南京航空航天大学（张幼帧教授）、北京航空航天大学（陈鼎昌教授）、清华大学、成都工具研究所等美国、日本、德国、澳大利亚、英国等 第一章 刀具几何角度及切削要素 第二章 刀具材料 第三章 金属切削过程的基本规律 第四章 切削基本理论的应用目 录 第五章 车刀 第六章 成形车刀 第七章 孔加工刀具 第九章 拉刀 第十章 铣削与铣刀 第十二章 齿轮刀具 第十四章 磨削与砂轮金属切削原理金属切削刀具本章主要内容：第一节 切削运动与切削用量第二节 刀具切削部分的基本定义（重点、难点）第三节 刀具角度的换算（了解）第四节 刀具角度的一面二角分析法（了解）第五节 刀具

9、的工作角度第六节 切削层与切削方式切削运动（按其所起的作用分为主运动和进给运动）主运动：速度最高、消耗功率最大的运动。有且仅有一个。进给运动：消耗功率比主运动小，使主运动持续切除工件材料。第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层 卧式车床第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层 机床名称 主运动 进给运动 卧式车床 工件的旋转运动 车刀的直线运动 外圆磨床第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层外圆磨床 砂轮的旋转运动 工件的旋转、往复及砂轮径向 机床名称 主运动 进给运动 摇臂钻床第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层钻床 钻头的旋转运动 钻头的直线移动 机床名称 主运动 进给运动

10、 镗床第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层车床 工件的旋转运动 刀杆的直线移动镗床 镗杆的旋转运动 工件的直线移动车床上镗孔示意图镗床上镗孔示意图 机床名称 主运动 进给运动 牛头刨床第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层 机床名称 主运动 进给运动 牛头刨床 刨刀的往复直线运动 工件的间歇直线移动卧式铣床立式铣床铣床 铣刀的旋转运动 工件的直线移动第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削层 机床名称 主运动 进给运动 任何切削加工都必须有一个主运动，而进给运动则可能有一个或几个。主运动是切削运动中速度最高，消耗功率最多的运动。 零件不同表面加工时的切削运动第一节 概述切削运动与切削

11、层工件上的加工表面：待加工表面、已加工表面和过渡表面待加工表面：工件上即将被切除的表面。己加工表面：切削后形成的新表面。过渡表面：正被切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。第一节 概述切削运动与切削层切削层切削时刀具切过工件的一个单程所切除的工件材料层。公称横截面积（四边形ABCD）实际横截面积（四边形ABCE） 第一节 切削运动与切削用量切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）若主运动为旋转运动(如车、钻、铣、镗、磨等) ，切削速度vc 式中 n 主运动转速（r/min）； d 刀具或工件的最大直径（mm）。式中 nr 主运动每分钟往复次数（str/min）； l 往复运动行程

12、长度（mm）。 （m/min）（m/min）切削速度 vc若主运动为往复运动，其平均速度vc注意vcvcf ：刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。单位：mm/r。vf：切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度。mm/min。 车削时进给运动速度 vf =n f对于多刃刀具(如铣刀等，齿数为z)，常用每齿进给量fz （mm/z）表示。第一节 切削运动与切削用量切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）进给量 f 或进给速度 vf是工件上已加工表面与待加工表面间的垂直距离。单位：mm 。在与主运动和进给运动方向所组成的平面的法线方向上度量。车外圆时： ap=(dwdm)/2钻孔时： ap=dw/2

13、第一节 切削运动与切削用量切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）背吃刀量（切削深度）ap第一节 切削运动与切削用量切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量）车外圆时： ap=(dwdm)/2钻孔时： ap=dw/2第一节 切削运动与切削用量切削时间tm (机动时间)tm指切削时直接改变工件尺寸、形状等工艺过程所需的时间，单位为min。它是反映切削效率高低的一个指标。式中 l刀具行程长度, 单位mm；A半径方向加工余量, 单位mm。提高切削用量中任一要素均可降低切削时间。车外圆时tm指的计算式：材料切除率 Q1000vcfap (mm3/min)即单位时间内切除材料的体积；是衡量切削效率高低的一个指

14、标。第一节 切削运动与切削用量材料切除率主运动与进给运动合成的运动称合成切削运动。切削刃选定点相对工件合成切削运动的瞬时速度称合成切削速度。第一节 切削运动与切削用量合成切削运动与合成切削速度ve第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的组成（以外圆车刀为例） 外圆车刀是最具有代表性、最典型的刀具。车刀由刀头和刀杆组成。第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的组成（以外圆车刀为例） 刀杆用于装夹，刀头用于切削。结构形式有： a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的组成车刀的切削部分由3个刀面（前刀面A、主后刀面A和副后刀面A），2个刀刃（主切削刃S和副切削刃S ）和

15、1个刀尖组成。第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的组成前刀面A：切屑沿其流出的刀面。控制切屑流向。后刀面A：与工件过渡表面相对的表面，同前刀面相交形成主切削刃的表面。副后刀面A ：与工件已加工表面相对的表面，同前面相交形成副切削刃的表面。主切削刃S：前刀面与主后面的交线。承担主要切削工作。副切削刃S ： 前刀面与副后面的交线。担负少量切削工作 。刀尖： 主、副切削刃交汇处。一小段直线或圆弧。 刀具切削部分由三面二刃一尖组成前刀面A ：切下的切屑沿其流出的表面后刀面A ：与工件上过渡表面相对的表面副后刀面A ：与工件上已加工表面相对的表面主切削刃S：前刀面与主后刀面交线，用来完成主要的金属切除，

16、形成过渡表面副切削刃S ：前刀面与副后刀面交线，用来协同完成金属切除，形成已加工表面过渡刃：主切削刃与副切削刃的连接，直线或圆弧，俗称“刀尖”第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的组成（三面二刃一尖）（以外圆车刀为例） 第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的组成刀尖参数有 :1)刀尖圆弧半径 r2)倒角刀尖长度 b3)刀尖倒角偏角 1第二节 刀具切削部分的基本定义刀具角度参考系 刀具参考系的概念刀具静止参考系：它是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度； 刀具工作参考系：它是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称刀具工作角度。 第二节 刀具切削部分的基本定义

17、刀具角度参考系刀具切削部分的各个面、刃的空间位置常常用这些面、刃相对某些坐标平面的几何角度来表示，这样就必须将刀具置于空间坐标平面参考系内。该参考系包括参考坐标平面和测量坐标平面。 切削平面 Ps：过切削刃上选定点，与切削刃相切，与基面垂直的平面。基面 Pr ：过切削刃上选定点，平行于刀具安装面的平面。与刀具底面平行。基面 Pr和切削平面 Ps合称参考坐标平面第二节 刀具切削部分的基本定义刀具角度的坐标平面与参考系根据ISO规定，测量平面有正交平面、法平面、假定工作平面及背平面。正交平面：切削刃上选定点的正交平面是过该点并同时垂直于基面和切削平面的平面，记为Po；法平面：切削刃上选定点的法平面

18、是过该点并与切削刃垂直的平面，记作Pn；第二节 刀具切削部分的基本定义刀具角度参考系假定进给平面：切削刃上选定点的假定进给平面是过该点、垂直于基面并与进给方向平行的平面，记作Pf；假定背平面：切削刃上选定点的背平面是过该点且垂直于基面和假定工作平面的平面，记为Pp。 上述参考平面（基面和切削平面）与测量平面组成了三个坐标平面参考系。刀具标注角度参考系a)正交正面参考系 b）法平面参考系 c）假定工作平面参考系由pr、p s、p 0组成，两两垂直 由pr、pf、pp组成，两两垂直 由pr、ps、pn组成 第二节 刀具切削部分的基本定义刀具角度参考系基面 pr切削平面 ps正交平面 popnpfp

19、p在刀具工作图中标出的几何角度，是刀具设计、制造、刃磨和测量的依据 。正交平面参考系刀具角度定义基面Pr内的角度主偏角在基面Pr内测量的主切削平面Ps与假定进给平面Pf 间的夹角，记为 r ;副偏角在基面Pr内测量的副切削平面Ps与假定进给平面Pf 的夹角，记为 r 。第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的角度在基面Pr内测量的主切削平面Ps与假定进给平面Pf 间的夹角。r小，参加切削的刃长增加，单位长度负荷小，刀尖强度大，散热面积大，刀具寿命长。但吃刀抗力增大，工件刚性弱时，易变形和振动。车刀常用主偏角有45、60、75、90在基面Pr内测量的副切削平面Ps与假定进给平面Pf 的夹角。作用：减

20、小副切削刃与工件已加工面间的摩擦及振动。副偏角大，刀尖强度弱，已加工表面残留面积大，粗糙度值大。切削平面Ps内的角度刃倾角s：在切削平面Ps内测量的主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角；s有正负之分，刀尖位于切割刃的最高点时定为（“+”）、反之为负（“-”），它影响切屑流向 和刀尖强度；粗加工时，取负值，增 大刀尖强度；精加工时，取正值或零， 避免切屑划伤已加工表面。第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的角度正交平面参考系刀具角度定义刃倾角s：在切削平面Ps内测量的主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角；s有正负之分，刀尖位于切割刃的最高点时定为正、反之为负，它影响切屑流向和刀尖强度；粗加工时，取

21、负值，增大刀尖强度；精加工时，取正值或零，避免切屑划伤已加工表面。刃倾角对排屑方向的影响第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的角度（3）正交平面Po内的角度前角o在正交平面Po内测量的前刀面Ar与基面Pr间的夹角，记为o；有正负之分，前刀面A位于基面之前角，o0。后角o在正交平面Po内测量的 后刀面A与切削平面PS间的夹角， 记为o。第二节 刀具切削部分的基本定义刀具的角度正交平面参考系刀具角度定义实体减小时为正。作用：减小主后刀面与工件表面间的摩擦、主后刀面的磨损。过大，刀刃强度下降，导热体积减小，主后刀面磨损加快。粗加工和承受冲击载荷时，选小值46，保证强度；精加工时，选大值812，保证表面

22、质量。副后角实体减小时为正。前角增大，刀具锋利，切削轻快。但过大，刀具强度下降，导热体积减小，刀具寿命短。 pr派生角度：为了比较切削刃、刀尖的强度刀尖角在基面Pr内测量的主切削平面与副切削平面间的夹角，记为r， r =180-（ rr ）；楔角在正交平面Po内测量的前刀面A与后刀面间的夹角，记为o， o =90-（oo）。刀具的角度正交平面参考系刀具角度定义第二节 刀具切削部分的基本定义刀尖角楔角刀具的角度第二节 刀具切削部分的基本定义确定主切削刃位置的角度：主偏角r：在基面内度量的主切削刃在基面上投影与进给方向的夹角。刃倾角s ：在切削平面内度量的主切削刃与基面的夹角。确定前刀面与主后刀面

23、位置的角度： 前角o：正交平面内度量的前刀面与基面的夹角。后角o ：在同一正交平面内度量的后刀面与切削平面的夹角。确定副切削刃位置的角度： 副偏角r：在基面内度量的副切削刃在基面上投影与进给方向的夹角。副后角o ：在副正交平面内度量的副后刀面与副切削平面的夹角。在给定主切削刃、前刀面和主后刀面的各个刀具角度参数后，副切削刃的位置在刀具的制造、刃磨和测量时，仅考虑以上两个角度即可。主偏角刃倾角前角后角副偏角副后角确定主切削刃位置的角度确定前刀面与主后刀面位置的角度确定副切削刃位置的角度刀具的角度正交平面参考系第二节 刀具切削部分的基本定义法平面参考系刀具角度定义与在正交平面参考系中的标注非常相似

24、，由于这两种参考系的基面和切削平面不变，因此这两个面内标注的角度均不变。将正交平面内的前角、后角和楔角改为法平面内的法前角、法后角和法楔角即可。刀具的角度第二节 刀具切削部分的基本定义假定工作平面参考系刀具角度定义由于只有基面与上边的参考系相同，因此在这个面内标注的角度均不变。 在背平面和假定进给平面内标出的角度有：背前角，背后角，背楔角，侧前角，侧后角，侧楔角等。不同参考系角度第二节 刀具切削部分的基本定义正交平面、法平面系前、后角换算第三节 刀具角度的换算（了解）垂直于基面的任一剖面与正交平面的前、后角换算第三节 刀具角度的换算（了解）第四节 刀具角度的一面二角分析法（了解）表示空间任意一

25、个平面方位的定向角度只需两个，所以判断刀具切削部分需要标注的独立角度数量可用一面二角分析法确定。1直头外圆车刀（三面六角） 前面定向角o、s 后面定向角o、r 副后面定向角o、r 第四节 刀具角度的一面二角分析法（了解）45弯头车刀（四面八角）主切削刃12前面定向角o、s；主切削刃12后面定向角o、r；副切削刃23副后面定向角o、r 副切削刃14副后面定向角o、r 第四节 刀具角度的一面二角分析法（了解）切断刀（四面八角）习惯上标注左切削刃上的角为主角，右刃为派生角度 前面定向角o、sL 后面定向角o、rL 左副后面定向角oL、rL 右副后面定向角oR、rR 倒角刀尖刃：倒角切削刃后角o偏角r 倒棱刃：倒棱刃前角o1倒棱刃倾角s1=s倒棱刃宽度b1 第四节 刀具角度的一面二角分析法（了解）倒角刀尖、倒棱的参数（一面二角）第五节 刀具的工作角度刀具工作参考系及工作角度工作参考系：以刀具与工件的相对运动为基础建立参考系。工作正交平面参考系：工作基面pre：通过切削刃上的选定点，垂直于该点合成切削速度方向的平面。工作切削平面pse：通过切削刃上的选定点与切削刃相切，且垂直于工作基面的平面。该平面包含合成切削速度方向。工作正交平面