金属切削的基本要素课件

第一章金属切削的基本要素1金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，使工件获得规定的加工精度与表面质量。因此，要进行优质、高效与低成本的生产，必须重视金属切削过程的研究。

本章主要介绍金属切削过程的基础知识：本章提要基本定义：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（主剖面参考系、法剖面参考系、进给背平面参考系）、刀具标注角度、切削层参数等。

刀具材料：介绍刀具材料应具备的性能(硬度、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)和其它刀具材料(涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼)。

引论工件表面的形成方法和成形运动加工表面和切削用量三要素刀具角度切削层参数与切削方式刀具材料1.01.11.21.31.41.5金属切削加工：刀具和工件按一定规律作相对运动，通过刀具切削刃切除工件上多余的或预留的金属，使工件形状、尺寸精度及表面质量满足预定要求。切削加工必须具备三个条件：刀具与工件之间要有相对运动刀具具有适当的几何参数——几何角度刀具材料具有一定的切削性能1.0

引论成形运动—机床刀具—刀具制造1.1

工件表面的形成方法和成形运动零件的常用表面平面圆柱面特殊表面成型表面圆锥面

零件的形状是由各种表面组成的，零件切削加工的实质就是表面成形问题。R0110重型燃气轮机剖析模型(W=15万马力,可作航母动力)2002.10-2008.02一、工件表面的构成

二、工件加工表面的形成方法

各种典型表面都可看作是一条线(母线/切削线)沿着另一条线(导线)运动形成的轨迹。母线和导线统称为发生线。导线与母线可换，则形成的表面为可逆表面；反之，为不可逆表面，如圆锥面，螺旋面等。问题：两条发生线完全相同，形成的表面相同？1.1

工件表面的形成方法和成形运动成形法：利用成形刀具对工件进行加工展成法：利用工件和刀具作展成切削运动轨迹法：利用刀具作一定规律的轨迹运动来对工件进行加工相切法：利用刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工三、发生线的形成方法1.1

工件表面的形成方法和成形运动

刀具切削刃与工件表面之间为线接触。切削刃的形状与形成工件表面的一条发生线完全相同，另一条发生线由刀具与工件相对运动来实现。

三、发生线的形成方法——成形法1.1

工件表面的形成方法和成形运动成形法：利用成形刀具刀刃的几何形状切削出工件的形状。工件形状精度主要取决于刀刃的形状精度与刀具的装夹精度。用成形法形成发生线不需要专门的成形运动。三、发生线的形成方法——展成法1.1

工件表面的形成方法和成形运动展成法：利用刀具和工件作展成切削运动时，刀刃在被加工表面上的包络面形成成形表面。工件形状精度主要取决于机床展成运动的传动链精度与刀具的制造精度等因素。用展成法形成发生线时需要一个复合运动。轨迹法：利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工表面的形状。三、发生线的形成方法——轨迹法1.1

工件表面的形成方法和成形运动轨迹法形成发生线需要一个独立的成形运动。

刀具切削刃与工件表面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具刀尖的运动轨迹来实现表面的成形。被加工表面的形状精度主要取决于机床切削运动的精度。刀尖轨迹法是利用非成形刀具，在一定的切削运动下，由刀尖轨迹获得零件所需表面的方法。

轨迹法：利用切削运动中刀尖的运动轨迹形成被加工表面的形状。三、发生线的形成方法——轨迹法1.1

工件表面的形成方法和成形运动相切法：利用刀具边旋转边做轨迹运动对工件进行加工。三、发生线的形成方法——相切法1.1

工件表面的形成方法和成形运动用相切法形成发生线需要两个独立的成形运动。表面成形运动分析表面成形运动：形成发生线的运动。按组成情况不同，可分为：简单成形运动和复合成形运动。

简单成形运动：如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。一般以主轴的旋转，刀架或工作台的直线运动的形式出现，用A表示直线运动，用B表示旋转运动。四、表面成形运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动复合成形运动：由两个或两个以上旋转运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成的一个独立的成形运动。两者的区别：复合成形运动分解成的直线或旋转运动之间必须保持严格的相对运动关系，是相互依存，而不是独立存在的；简单运动之间互相独立，没有严格的相对运动关系。注意：表面形状很复杂的零件的成形运动由于要分解为多个部分，只能在多轴联动的数控机床上实现。四、表面成形运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动例：1-1用普通车刀车外圆母线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。导线——直线，由轨迹法形成，需要一个成形运动A1。表面成形运动的总数为两个，即B1和A2都是简单的成形运动四、表面成形运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动例：1-2用成形车刀车削成形回转表面母线——曲线，由成形法形成，不需要成形运动。导线——圆，由由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。表面成形运动的总数为一个——B1，是简单的成形运动四、表面成形运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动例:1-3用螺纹车刀车削螺纹四、表面成形运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动母线——车刀的刀刃形状与螺纹轴向剖面轮廓的形状一致，故母线由成形法形成，不需要成形运动。导线——螺旋线，由轨迹法形成，需要一个成形运动。这是一个复合运动，把它分解为工件旋转B11和刀具移动A12。B11和A12不能彼此独立，它们之间必须保持严格相对运动关系,即工件每转一转时，刀具就均匀地移动一个螺旋线导程。表面成形运动的总数为一个—B11A12，是复合的成形运动。

试分析如图所示所需的表面成形运动。四、表面成形运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动切削运动切削加工中，工件与刀具之间必须完成一定的相对运动，即切削运动，切削运动一般是主运动和进给运动的合成。主运动：切削加工中最主要的运动。由机床或手动提供的刀具和工件之间主要的相对运动，它使刀具的切削部分切入工件材料，使被切金属层转变为切屑，从而形成工件新表面。通常，主运动的速度较高，消耗的切削功率也最大，在切削运动中主运动必须有且只有一个。它可以是旋转运动、直线运动，可以由工件完成、刀具完成，可以是简单运动，也可以是复合运动。五、主运动、进给运动和合成切削运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动进给运动：由机床或手动传给刀具或工件的运动，它配合主运动连续不断地切削工件，同时形成具有所需几何形状的已加工表面。是在切削运动中不断地把切削层投入，使切削工作得以持续下去的运动。一般，进给运动的速度较低，功率消耗也较少，可以是连续进行的，也可以是断续进行的(?)，可以由工件完成，也可以由刀具完成，可以是简单运动，也可以是复合运动。合成切削运动：由同时进行的主运动和进给运动合成的运动。五、主运动、进给运动和合成切削运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动Movies：刨削加工，插削加工，车削加工五、主运动、进给运动和合成切削运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动

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

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T-平动；R-转动；T/R-复合运动选取切削刃上某一个合适的点为研究对象，该点为选定点。主运动方向：切削刃上选定点相对工件的瞬时主运动方向。切削速度Vc：切削刃上选定点相对工件主运动的瞬时速度。进给运动方向：切削刃上选定点相对工件瞬时进给运动方向。进给速度Vf：切削刃上选定点相对工件的进给运动瞬时速度。合成切削运动方向：切削刃上选定点相对工件的瞬时合成切削运动的方向。合成切削速度Ve：切削刃上选定点相对工件的合成切削运动的瞬时速度。合成切削速度角η：主运动方向和合成切削运动方向之间夹角。五、主运动、进给运动和合成切削运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动五、主运动、进给运动和合成切削运动1.1

工件表面的形成方法和成形运动以车削为例，工件在车削中有三个不断变化的表面：待加工表面：加工时即将被切除的表面。已加工表面：已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面。过渡表面：加工时由主切削刃正在切削的表面，位于待加工表面与已加工表面之间。一、工件的加工表面1.2加工表面和切削用量三要素1．切削速度Vc

（m/s或m/min）

切削刃选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。

切削用量是指切削速度Vc、进给量f和背吃刀量ap;三者又称为切削用量三要素。二、切削用量三要素1.2加工表面和切削用量三要素

计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定:式中：d-工件或刀具的最大值（mm）

n-工件或刀具的转速(r/s或r/min)二、切削用量三要素1.2加工表面和切削用量三要素进给速度：单位时间内的进给位移量，mm/s；进给量：工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量，mm/r（或mm/双行程）。

2．进给速度Vf、进给量f、每齿进给量fz二、切削用量三要素1.2加工表面和切削用量三要素一般为工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。外圆车削：钻削：式中:dw

-工件上待加工表面直径（mm）

dm

-工件上已加工表面直径（mm）二、切削用量三要素1.2加工表面和切削用量三要素

3．切削深度/背吃刀量ap各种刀具切削部分的形状一、刀具切削部分的构造1.3

刀具角度刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合一、刀具切削部分的构造1.3

刀具角度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。由工作部分和非工作部分构成。一、刀具切削部分的构造1.3

刀具角度车刀a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀车刀的结构

外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。一、刀具切削部分的构造刀尖：三个刀面在空间的交点，亦即主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。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。前刀面Aγ切屑流过的表面后刀面Aα：与主切削刃毗邻，且与工件过渡表面相对的刀具表面。切削刃S：前刀面上直接进行切削的边锋1.3

刀具角度一、刀具切削部分的构造1.3

刀具角度归结起来：“一尖两刃三刀面”前刀面Ar后刀面Aα副后刀面Aα’交线交线主切削刃s副切削刃s’刀尖连接部分

刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。刀具标注角度参考系：由主运动方向确定。刀具工作角度参考系：由合成切削运动方向确定。二、刀具角度的参考系1.3

刀具角度

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动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量VC近似代替合成速度向量Ve；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。

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）。或者说，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。二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度基面Pr：“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度切削平面Ps：“通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面”。二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度正交平面（主剖面）Po：“通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面”。

在刀具标注角度参考系中的刀具角度称为标注角度。

刀具标注角度的参考系的形成如右图动画所示，由基面、切削平面、主剖面等平面构成了主剖面参考系。

二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度主剖面参考系：由Pr－Ps－P0组成的一个正交的主剖面参考系。

法剖面Pn和法剖面参考系法平面Pn:“通过主切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面”。二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度二、刀具角度的参考系——刀具标注角度参考系(静态)1.3

刀具角度假定工作平面（进给剖面）Pf：“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”背平面（切深剖面）Pp:“通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面”。进给剖面参考系

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考系，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用合成切削运动方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。例如，三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向ve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不同。同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是用ve取代vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。二、刀具角度的参考系——刀具工作角度参考系1.3

刀具角度

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。

标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。由于参考系沿切削刃各点可能是变化的，因此定义刀具角度时应指明切削刃选定点的角度。

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面代替曲刃或曲面。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个，其定义如下。三、刀具标注角度1.3

刀具角度1.3

刀具角度三、刀具标注角度——主偏角kr、副偏角kr’在基面内测量的角度：主偏角：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。副偏角：“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。刀尖角：“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。εr=180º-(Кr+Кr’)主切削刃副切削刃1.3

刀具角度三、刀具标注角度——前角γ0、后角α0在正交平面/主剖面内测量的角度后角αo：“后刀面与切削平面的夹角”前角γo

：“前刀面与基面之间的夹角”。基面主剖面主切削刃副切削刃后刀面切削平面前刀面基面楔角β0：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。

β0＝90°－（γ0＋α0）前角、后角、刃倾角正负的规定：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90°时前角为正、大于90°时前角为负。后刀面与基面夹角小于90°时，后角为正；大于90°时后角为负。加工中，后角一般不选负值。1.3

刀具角度三、刀具标注角度在正交平面/主剖面内测量的角度后角αo：“后刀面与切削平面的夹角”前角γo

：“前刀面与基面之间的夹角”。在切削平面内：1.3

刀具角度三、刀具标注角度——刃倾角λs

基面主剖面切削平面基面主切削刃副切削刃后刀面切削平面前刀面基面主切削刃刃倾角λS：“主切削刃与基面之间的夹角”1.3

刀具角度三、刀具标注角度a）b）c）刃倾角对排屑方向的影响

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；反之为负。

λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。基面主切削刃后刀面切削平面前刀面基面主切削刃基面主剖面切削平面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αoˊ

派生角度：楔角βo、刀尖角εr1.3

刀具角度三、刀具标注角度（1）主偏角κr（2）刃倾角λs（3）法前角γn（4）法后角αn

（5）副偏角κrˊ1.3

刀具角度三、刀具标注角度在法平面参考系中的标注角度基面主切削刃主切削刃基面切削平面法剖面后刀面切削平面前刀面（1）主偏角κr（2）进给前角γf（3）进给后角αf（4）背前角γp（5）背后角αp（6）副偏角κrˊ1.3

刀具角度三、刀具标注角度在进给、切深平面参考系中的标注角度主切削刃基面进给剖面后刀面前刀面基面切削平面切深剖面1.3

刀具角度三、刀具标注角度前刀面基面主切削刃副切削刃后刀面切削平面基面主切削刃基面1.3

刀具角度三、刀具标注角度基面主剖面切削平面主切削刃副切削刃后刀面切削平面前刀面基面主切削刃基面给定λs和κr后，主切削刃在空间的方位被唯一确定；由于车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，因此，当γ0、λs两者确定后，前刀面和后刀面的方位已经确定。此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们的名称与定义如下：

楔角β0

：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。

β0＝90°－（γ0

＋α0）

刀尖角εr：基面中测量的主、副切削刃间夹角。

εr＝180°－（κr＋κ’r

）

1.3

刀具角度三、刀具标注角度在刀具设计、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，必须标注法剖面角度。下图为刃倾角λs的车刀主切削刃在主剖面和法剖面的角度。它们的计算公式如下：1.3

刀具角度三、刀具标注角度——刀具角度的换算1.3.2.1主剖面与法剖面的角度换算

以前角计算公式为例，公式推导如下：在直角△Mac中,在直角△Mab中,在直角△abc中,1.3

刀具角度三、刀具标注角度——刀具角度的换算1.3.2.1主剖面与法剖面的角度换算1.3.2.2主剖面与任意剖面的角度换算

图示，AGBE为通过主切削刃上A点的基面；Po(AEF)为主剖面；PP和Pf为切深、进给剖面；Pθ(ABC)为垂直于基面的任意剖面，它与主切削刃AH在基面上投影AG间的夹角为θ；AHCF为前刀面。求解任意剖面Pθ内的前γθ

：

1.3

刀具角度三、刀具标注角度——刀具角度的换算得（a）当时,所以当时，可得切深前角γp：

当时，可得进给前角γf：对式（a）利用微商求极值，可得最大前角γg:

或

1.3

刀具角度三、刀具标注角度——刀具角度的换算1.3.2.2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θmax

为：

同理，可得任意剖面内的后角αθ

：

当时，

当时，

1.3

刀具角度三、刀具标注角度——刀具角度的换算1.3.2.2主剖面与任意剖面的角度换算

刀具工作角度：按照切削加工的实际情况，在刀具工作角度参考系中所确定的角度。如果考虑合成切削运动和实际安装条件，则刀具角度的参考系将发生变化，刀具角度也将发生变化，即刀具的实际工作角度不等于标注角度。由于通常进给速度远小于主运动速度，所以在一般安装条件下，刀具的工作角度近似等于标注角度，如普通车削、镗削、端铣、周铣等。只有在进给运动引起刀具角度值变化较大时才计算工作角度，如车螺纹或丝杠和钻孔等。1.3

刀具角度四、刀具工作角度主剖面基面切削平面横向进给运动对工作角度的影响（1）横向进给运动对工作角度的影响

1.3

刀具角度四、刀具工作角度

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工件的运动轨迹为一圆周，切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面，基面Pr为平行于刀杆底面同时垂直

于Ps的平面,γo、αo为标注前角和后角。

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一平面阿基米德螺旋线，切削平面Ps变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse,基面也相应倾斜为Pre,角度变化值为η。工作主剖面Poe仍为平面。主剖面基面切削平面①当进给量f一定时，随d值↓—μ值↑，接近中心αoe为负值。②当f↑—μ值↑。横车时f

不宜过大，并应适当加大αo横向进给运动对工作角度的影响（1）横向进给运动对工作角度的影响

1.3

刀具角度四、刀具工作角度基面

当考虑横向进给运动之后，在工作参考系(Pre、Pse、Poe)内的工作角度γoe、αoe为：?在车床上切断工件时，切到最后工件为什么会被挤断？考虑横向进给运动影响，刀具的工作后角变小，当直径很小时，可能使工作后角变为负值，刀具不能正常切削而将工件挤断。

（1）横向进给运动对工作角度的影响

1.3

刀具角度四、刀具工作角度纵向进给运动对工作角度的影响主剖面基面切削平面（1）纵向进给运动对工作角度的影响

1.3

刀具角度四、刀具工作角度

假定车刀λs=0，在不考虑进给运动时,切削平面Ps垂直于刀杆底面,基面Pr

平行于刀杆底面,标注角度为γo、αo。

考虑进给运动后，工作切削平面Pse为切于螺旋面的平面，刀具工作角度的参考系(Pse

、Pre)倾斜了一个角η纵向进给运动对工作角度的影响（1）纵向进给运动对工作角度的影响

1.3

刀具角度四、刀具工作角度主剖面基面切削平面

在工作进给面(仍为原进给剖面)内的工作角度为：

由合成切削速度角定义知：

式中:f—进给量；

dw—切削刃选定点在A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：

f↑或dw↓时，μf、μ均↑切深平面tanθp＝h/

γoe=γo＋θαoe=αo－θ

tanθ＝tanθpcosκr（2）装刀高低对工作角度的影响

1.3

刀具角度四、刀具工作角度

换算到正交平面内为：

当刀尖安装得高于工件中心线h,工作切削平面将变为Pse,工作基面变为Pre,工作角度也发生了变化。γpe=γp＋θp；αpe=αp－θp

当刀尖低于工件中心线时，上述计算公式中符号相反；镗孔时计算公式同外圆车削相反。（3）刀杆中心线与进给方向不垂直的影响1.3

刀具角度四、刀具工作角度

车刀刀杆与进给方向不垂直时,工作主偏角和工作副偏角将发生变化：式中G—假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角,在基面内测量。即进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角。1、已知：加工阶梯轴的外圆车刀：画出该车刀的标注角度，并计算刀尖角εr，楔角β。1.3

刀具角度2、画图说明麻花钻钻孔时切削用量的概念、切削层参数的概念以及二者之间的换算关系。3、已知外圆车刀kr=75o，kr

’=15o，γo=15o，αo=5o，λs=-5o，试画图标出主剖面参考系内的几何角度，并说明以上各角度的定义，当刀尖装高h后，工作角度如何计算。补充：旋转刀具的角度

1.1螺旋齿圆柱铣刀的角度（1）静止参考系（2）刃倾角

1.2

麻花钻的结构和角度麻花钻是孔加工中用得最广泛的一种粗加工刀具，既可在实心材料上钻孔，也可将已有孔进行扩大。可加工的孔径范围为0.1~0.8mm。

钻头切削刃上各点的切削速度和基面

麻花钻的角度1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数

各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如图示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动轨迹是一条空间螺旋线。当λs=0时，主切削刃所切出的加工表面为阿基米德螺线旋面。工件每转一转，车刀沿工件轴线移过一段距离，即进给量(f

，mm/r)。这时，切削刃从加工表面Ⅰ的位置移到相邻加工表面Ⅱ的位置上。于是Ⅰ、Ⅱ之间的金属转变为切屑。由车刀正在切削着的这一层金属，就叫做切削层。(工件转一转过程中车刀所切削的金属层)

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。切削层的工艺尺寸：切削用量的两个要素f

和ap.1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数

在外圆纵车时当kr’=0、λs=0时，切削层的表面形状为一平行四边形；在特殊情况下(kr=90o)为矩形，其底边尺寸为f，高为ap,不论何种加工，能够说明切削机理的，仍是切削层截形的力学性质所决定的真实厚度和宽度。1．切削层公称厚度hD

垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（简称为切削厚度）。1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数

沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（简称为切削宽度）。2．切削层公称宽度bD1．切削层公称厚度hD1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数2．切削层公称宽度bD曲线切削刃工作时的公称厚度与公称宽度切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（简称为切削面积）1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数3．切削层公称横截面积AD

以上所计算的为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积。1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数4．残留面积

残留面积：指刀具副偏角时,刀具经过切削后,残留在已加工表面上的不平部分剖面面积。

金属切除率是指刀具在单位时间内从工件上切除的金属的体积，是衡量金属切除加工效率的指标。

其中，AD为切削面积，vav为平均切削速度。1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数5．金属切除率车外圆：钻孔：扩孔：1.4

切削层参数与切削方式一、切削层参数5．金属切除率直角切削/正切削：主切削刃与合成切削速度方向垂直斜角切削/斜切削：主切削刃与合成切削速度方向不垂直自由切削：只有直线型主切削刃参加切削工作非自由切削：曲线型主切削刃或主副切削刃均参加切削对金属切削变形区进行观察和研究时，一般采用自由切削的方式。1.4

切削层参数与切削方式二、切削方式1.4

切削层参数与切削方式二、切削方式直角切削：主切削刃与合成切削速度方向垂直斜角切削：主切削刃与合成切削速度方向不垂直

刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。1.5

刀具材料1.5

刀具材料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）切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：1.5

刀具材料

（1）较高的硬度和耐磨性：刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力,它取决于组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布。

（2）足够的强度和韧性：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表示,韧性用冲击值表示。（3）较高的耐热性：刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。

（4）良好的导热性和耐热冲击性能：刀具材料的导热系数越大，散热越好，有利于降低切削区温度而提高刀具使用寿命。

（5）良好的工艺性和经济性：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。刀具材料价格应低廉。一、刀具材料的性能要求1.5

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刀具材料的耐磨性与断裂韧性

刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。1.5

刀具材料二、常用刀具材料碳素工具钢：含碳量在0.65％～1.35％的优质高碳钢。常用牌号：T8A，T10A，T12A（含C1.15％～1.2％），只适用于手用和切削速度很低的工具，如锉刀、手用锯条、丝锥和板牙等。原因：当切温高于250℃～300℃时，马氏体组织要分解，使得硬度降低，碳化物分布不均匀，淬火后变形较大，易产生裂纹，淬透性差，淬硬性薄。合金工具钢：在高碳钢中加一些合金元素Si，Cr，W，Mn（含量≤3％～5％），提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——工具钢

在高碳钢中加入较多合金元素W,Cr,V,Mo等与C构成碳化物构成。加入合金元素后，细化了晶粒，提高了合金的硬度，其淬火硬度可达HRC63～67，红硬性达550℃～650℃，允许切速比合金钢提高1～2倍，具有较高的强度，在所有材料中它的抗弯强度和冲击韧度最高。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、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。按其性能用途，可分为普通和高性能高速钢两类。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——高速钢(高速合金工具钢、白钢、锋钢)（1900年首次使用）

含碳量0.7～0.9%，62～66HRC；钨系高速钢:应用最多，用于钻头，铣刀，拉刀，齿轮等复杂刀具。

典型牌号为W18Cr4V（简称W18）。含W18％、Cr4%、V1％。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;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。

1.5

刀具材料二、常用刀具材料——通用型高速钢

含碳量0.7～0.9%，62～66HRC；钨钼系（钼系）高速钢：强度、韧度高于钨系高速钢，将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6MoCr4V2（简称M2）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；可用于制造大截面尺寸的刀具，尤其是热状态下塑性好，适用制造热轧刀具；可磨削性也好，目前各国广为应用。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——通用型高速钢

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。具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V，高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8、超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——高性能高速钢改善高速钢刀具切削性能的主要途径

改变高速钢的合金成分加钴(综合性能好)、加铝采用粉末冶金技术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2倍和2.5～3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20％～30％，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、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。采用表面化学渗入法渗碳处理，提高硬度和耐磨性，但脆性增加；渗硼，降低脆性提高抗粘结性；渗硫，减小表面磨擦；渗氮，提高热硬性。采用表面涂覆硬质薄膜技术PVD物理气相沉积法镀TiC、TiN薄膜1.5

刀具材料二、常用刀具材料——高速钢1.5

刀具材料二、常用刀具材料——高速钢1.5

刀具材料二、常用刀具材料——高速钢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

由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。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HRA89～93，在800～1000°C还能承担切削，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4～10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50％）。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。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金

金属碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)＋金属粘接剂(Co、Ni等)高压成形后，高温烧结而成。

1）硬质合金的性能硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢

抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差分类

2）硬质合金的种类YG

(K)

类

YT

(P)类

YW(W)类短切屑黑色金属加工长切屑的钢材、铸铁等有色金属非金属黑色金属有色金属非金属

WC+CoWC+TiC+CoWC+TiC+TaC+Co1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金ISO将切削用的硬质合金分为三类：

(1)YG(K)类，即WC—Co类硬质合金

组成：WC和Co。

常用牌号：YG6、YG8、YG3X、YG6X，

含钴量分别为：6％、8％、3％、6％。

硬度：HRA89～91.5,抗弯强度：1.1-1.5GPa(110-150kgf/mm2)。

组织结构有：粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般(如YG6、YG8)为中晶粒组织,细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)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。

特点：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。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金

(2)YT(P)类，即WC—TiC—Co类硬质合金

组成：WC和Co、还含有5%～30%的TiC。

牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30，

其中TiC的含量分别为：5%、14%、15%、30%,相应的钴含量为：10%、8%、6%、4%

硬度：HRA91.5～92.5,抗弯强度为0.9-1.4GPa

(90-140kgf/mm2)。TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是冲击韧性显著降低。

特点：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。

此类合金中含钴量增加,抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工。含钴量减少,硬度、耐磨性及耐热性增加,适于精加工。

应注意：此合金不适于加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素和工件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会加剧刀具磨损。1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金

(3)YW(M)类，即WC—TiC—TaC—Co类硬质合金

组成：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、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：YWl和YW2。

以上三类的主要成分均为WC，所以又称WC基硬质合金。

1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金

尚有以TiC为主要成分的TiC基硬质合金，即Ti-Ni-Mo合金。

因TiC在所有碳化物中硬度最高，所以此类合金硬度很高，达HRA90～94，有较高的耐磨性、抗月牙洼磨损能力，耐热性、抗氧化能力以及化学稳定性好、与工件材料的亲合性小、磨擦系数小、抗粘结能力强，刀具耐用度比WC提高好几倍，可加工钢，也可加工铸铁。

牌号YNl0与YT30相比较，硬度较接近，焊接性及刃磨性均较好，基本上可代替YT30使用。唯抗弯强度还赶不上WC，当前主要用于精加工及半精加工。因其抗塑性变形、抗崩刃性差，所以不适用于重切削及断续切削。

1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金3）新型硬质合金1.调整化学成份，提高综合性能

添加TaC、NbC；添加稀土元素；TiC(N)基，高速钢基等2.涂层硬质合金（可转位刀片）

TiC涂层、TiN涂层、复合涂层、陶瓷涂层

3.细晶粒和超细晶粒硬质合金4.TiC基和T(C,N)基硬质合金5.添加稀有元素的硬质合金6.高速钢基硬质合金1.5

刀具材料二、常用刀具材料——硬质合金

涂层刀具

它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。涂层刀具具有较高的抗氧化性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高硬质合金耐用度1～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。1.5

刀具材料三、其它刀具材料——涂层刀具陶瓷刀具有纯Al2O3陶瓷及Al2O3－TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度（HRA91-95）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高2～5倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。1.5

刀具材料三、其它刀具材料——陶瓷刀具金刚石

是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV10000,耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。其切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生