第一章切削加工的基本要素

第1章切削过程的基本要素本章要点工件表面的形成方法与成形运动加工表面与切削用量三要素刀具材料刀具角度切削层参数与切削方式11.1工件表面的形成方法和成形运动轨迹法成形法相切法展成法a）轨迹法

b）成形法c）相切法

d）展成法图1-4

零件表面成形方法形成方法2主运动

指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用vc

（m/s）表示。

◆主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T

表示），也可以是回转运动（用

R

表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。进给运动

指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（f—mm/r）或进给速度（vf—mm/min）表示。定位和调整运动

使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。切削加工的成形运动3

外圆磨无心磨车铣加工滚压加工铣削成形磨（横磨）主运动进给运动表1-1

外圆表面加工方法刀具T/RT主运动进给运动工件表面成形原理图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨示例

典型表面加工方法4表1-2

内圆表面加工方法表面成形原理图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动进给运动刀具主运动进给运动工件RRTRRT/RTRTRTTRTT内圆磨无心磨示例典型表面加工方法5

R

主运动进给运动表1-3

平面加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉T示例典型表面加工方法6车螺纹板牙主运动进给运动表1-4

螺纹加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRRTTR滚压丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR示例典型表面加工方法7主运动进给运动表1-5

齿形加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿示例典型表面加工方法81.2加工表面与切削用量三要素

[例]外圆车削：工件作旋转运动，刀具作纵向直线运动→形成外圆表面。在新表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面（图1.12）：待加工表面：即将被切去金属层的表面;加工表面（过渡表面）：切削刃正在切削着的表面;已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。图1-12车削时的切削运动加工表面9车削时的切削运动

101.2加工表面与切削用量三要素切削速度vc式中n——主运动转速（r/s）；d——刀具或工件的最大直径（mm）。若主运动为往复运动时，其平均速度为：式中nr——主运动每秒钟往复次数（str/s）；l——往复运动行程长度（mm）。切削用量

vc、f、

ap

称之为切削用量三要素111.2加工表面与切削用量三要素进给量f：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。

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fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/z(毫米/齿)。显而易见

vf=f·n=fz·z·nmm/s或mm/min121.2加工表面与切削用量三要素背吃刀量ap

：主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。车削和刨削加工：背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间垂直距离，单位为mm。

外圆柱表面车削：

ap=（dw-dm）/2mm钻削加工：

ap=dm/2mm

上两式中dm——已加工表面直径（mm）

dw——待加工表面直径（mm）13机械制造技术基础第1章切削过程的基本要素1.3

刀具角度141.3.1刀具结构

151.3.1刀具结构

车刀a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀图1-14

车刀的结构外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成。161.3.1刀具结构前刀面切屑流过的表面

后刀面与过渡表面相对的刀具表面后刀面分为主后刀面与副后刀面切削刃前刀面上直接进行切削的边锋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。刀尖可以是主、副刀刃的实际交点，也可以是主、副刀刃连接起来的一段刀刃它可以是圆弧，也可以是直线171.3.1刀具结构

刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图1-14-0

各种刀具切削部分的形状181.3.2刀具几何角度

刀具标注角度坐标系（正交平面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃正交平面PoA1）基面

Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr图1-18

车刀正交平面坐标系2）切削平面

Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）正交平面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。19确定车刀角度的参考平面

vc201.3.2刀具几何角度21车刀正交平面坐标系221）前角γo

在正交平面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；位于刀头实体之内时γo定为负值。Aκr′A向f图1-20

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ01.3.2刀具几何角度

刀具标注角度23前角γo通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；通过选定点的基面位于刀头实体之内时γo定为负值。24前角γo通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；通过选定点的基面位于刀头实体之内时γo定为负值。25Aκr′A向f图1-20

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo

在正交平面内测量，主后刀面与切削平面的夹角。α01.3.2刀具几何角度

26后角αo273）主偏角κr

在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。（主切削平面与假定工作平面间的夹角）假定工作平面——过切削刃选定点平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面

1.3.2刀具几何角度

Aκr′A向f图2-50车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr28κr′AA向f图2-50车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′

在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。1.3.2刀具几何角度

κr′29a）b）c）图1-20-0

刃倾角对排屑方向的影响1.3.2刀具几何角度

5）刃倾角λs——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,λs定为正值；反之位负。30刃倾角λs31刃倾角λs32刃倾角λs33刃倾角λs34外圆车刀的六个基本角度

35外圆车刀在正交平面参考系中的标注角度在正交平面参考系中的标注角度（1）主偏角κr（2）刃倾角λs（3）前角γo（4）后角αo（5）副偏角κrˊ（6）副后角αoˊ36外圆车刀在正交平面参考系中的标注角度37刀具标注角度举例-138刀具标注角度举例-239刀具标注角度举例-340刀具标注角度举例-441法平面Pn和法平面参考系

1.3.2刀具几何角度

法平面Pn是通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。

Pr-Ps-Pn组成法平面参考系

42假定工作平面Pf和背平面Pp

及其组成的假定工作平面、背平面参考系1.3.2刀具几何角度

Pf是通过切削刃上选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。

Pp是通过切削刃上选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。

Pr-Pf-Pp组成一个假定工作平面、背平面参考系

43刀具工作角度参考系

1.3.2刀具几何角度

参考系参考平面符号定义与说明工作正交平面参考系工作基面工作切削平面工作正交平面PrePsePoe⊥合成切削运动方向的平面与S相切并⊥Pre的平面⊥Pre且⊥Pse的平面工作法平面参考系工作基面工作切削平面工作法平面PrePsePne⊥合成切削运动方向的平面与S相切并⊥Pre的平面Pne=Pn工作平面、工作背平面参考系工作基面工作平面工作背平面PrePfePpe⊥合成切削运动方向的平面包含合成切削运动方向且⊥Pre的平面⊥Pre且⊥Pfe的平面44刀具工作角度◆刀具安装对工作角度的影响图1-25

车刀安装高度对工作角度的影响γre=γrα0e=α0a）α

0e＜α0b）α

0e＞α0c）γre＜γrγre＞γr

1.3.2刀具几何角度

45刀具工作角度

式中μ角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。◆进给运动对工作角度的影响横切（图1-23）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPes图1-23

切断刀的工作角度fxα01.3.2刀具几何角度

46

纵切（图1-24）

在进给剖面，有：将其换算到正交平面内得到：在正交平面内：O—O图1-24

外圆车刀工作角度μffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe1.3.2刀具几何角度

471.4切削层参数与切削方式1.4.1切削层参数由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层的截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面Pr内度量。48切削层参数切削层公称厚度（切削厚度）切削层公称宽度（切削宽度）图1-28

切削层参数bDhD

=ffdwDmapa）ΚrhDbD

=apb）c）切削层公称横截面积AD(切削面积)

AD

＝hD

bD

＝f

ap491.4.2切削方式直角切削（正切削）与斜角切削（斜切削）直角切削——

没有副刃参加切削，且λs

=0°图1-32

直角、斜角自由切削与非自由切削a）直角切削b）斜角切削c）非自由切削50自由切削与非自由切削自由切削：只有直线形主刀刃参加切削工作非自由切削：曲线形主刀刃参加切削工作或主副刀刃均参加切削工作a）直角切削b）斜角切削c）非自由切削51对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）良好的耐热性4）良好的工艺性5）经济性1.5刀具材料

521.5刀具材料

图1-33

刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000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涂层硬质合金复合涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）刀具材料的发展531.5刀具材料

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涂层高速钢断裂韧性耐磨性图1-34

刀具材料的耐磨性与断裂韧性54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）高速钢硬质合金陶瓷金刚石（天然和人造）立方氮化硼1.5刀具材料

常用刀具材料碳素工具钢合金工具钢------耐热性差目前仅用于低速、手动工具551.5刀具材料碳素工具钢和合金工具钢561.5刀具材料◆高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度63HRC以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具、精密刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。571.5刀具材料高速钢常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）——本图为球头铣刀581.5刀具材料高速钢的应用圆孔拉刀滚齿插齿59表1-2

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95W18Cr4V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W12Cr4V4Mo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W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（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

1.5刀具材料

60◆硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足：与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造。目前，一些较复杂的刀具，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。1.5刀具材料

611.5刀具材料硬质合金的应用——硬质合金焊接车刀621.5刀具材料硬质合金的应用——硬质合金机夹可转位刀具63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1.5刀具材料

K类P类M类641.5刀具材料讨论题1.用硬质合金刀具对碳素钢工件进行精加工时，应选择刀具材料的牌号为（

）。①YT30②YT5③YG3④YG82.用硬质合金刀具对HT200工件进行精车时，应选择刀具材料的牌号为（

）3.用硬质合金刀具粗刨40Cr工件上的平面时，应选择刀具材料的牌号为（

）4.用硬质合金刀具粗车不锈钢1Cr18Ni9Ti工件时，应选择刀具材料的牌号为（

）5.用硬质合金刀具精铣铸造铝合金ZAlSi5Cu1Mg（旧代号ZL105）工件时，应选择刀具材料的牌号为（

）65◆超硬刀具材料

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0.01μm，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，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HV3000～4500，耐热性达1200℃，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。1.5刀具材料

661.5刀具材料聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合刀片PCD/P671.5刀具材料聚晶金刚石焊接刀具单晶金刚石车刀681.5刀具材料◆陶瓷刀具材料优点：硬度高陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）[相当于HRC78-85]

耐热性好在1200℃的温度下仍能切削

耐磨性好化学惰性好摩擦系数小、抗粘结和扩散磨损能力强

因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。缺点主要是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。691.5刀具材料硬质合金涂层机夹可转位刀片701.5刀具材料

硬质合金多涂层结构711.5刀具材料

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W18Cr4VYG6YT15Si3N4

金刚石

PCD

化硼

PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数

40-50

20-30

70-100

30-40

146.5