机械制造课件第一章：金属切削过程及其控制

1.1金属切削基本知识

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。

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、表面质量达到设计与使用要求。成形车刀播放1.1切削运动与切削要素

1.切削运动播放切削运动和加工表面播放（1）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。①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。②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。

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-工件或刀具的最大直径（mm）

n-工件或刀具的转速(r/min)(m/min)

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①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。②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）合成切削运动图2.1各种切削加工的切削运动切削刃相对于工件的运动过程,就是表面形成过程。在这个过程中,切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。有两个要素，一是切削刃,二是切削运动。不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。2．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2-2）。（1）待加工表面工件上待切除的表面。（2）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、切削要素切削要素主要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①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

=πdwn/1000m/min

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称为进给量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。式中：—为进给速度

—为每齿进给量②进给量

对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mm/z或mm/齿。

车削时进给速度vf可由下式计算：vf

=fn铣削时进给速度为：vf

=fn=zfzn合成切削速度ve可表达为：ve=vc+vf它与进给量f

的关系为：

f=zfz

式中:-工件上待加工表面直径（mm）

-工件上已加工表面直径（mm）

③背吃刀量ap

(mm)

vc、f、ap

构成了普通外圆车削的切削用量三要素。材料切除率，用Qz表示三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min，Qz=1000vcfap（2）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2－3）。①切削层公称厚度hD

垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。

hD＝fsinKr②切削层公称宽度bD

平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切层参数。bD＝ap／sinKr图2－3车削时的切削层尺寸

垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。切削层公称厚度

沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。切削层公称宽度

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（以下简称为切削面积）。切削层公称横截面积1.2刀具切削部分几何参数（一）刀具结构

由工作部分和非工作部分构成。

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)前刀面Aγ

切屑流过的刀面。1.刀面（2)主后刀面Aα

与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。（3)副后刀面A’α

与工件已切削加工的表面相对的刀面。刀具切削部分的基本定义图2－4图2－4车刀的结构

2.刀刃（1）主切削刃S

前刀面与主后刀面在空间的交线。（2）副切削刃S’

前刀面与副后刀面在空间的交线。

3．刀尖

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。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。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。

（二）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．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。

主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面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2-5车刀主剖面坐标系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）主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。

2.正交平面参考系

图刀具角度动画演示播放

图正交平面参考系1）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。Aκr′A向f图车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr（1）基面中测量的刀具角度（三）刀具的标注角度κr′AA向f图车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）副偏角κr′

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。κr′3）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rε描述，当rε=0时为尖角过渡，rε＞0时为圆角过渡，直线过渡时用κε

和bε参数描述。1）前角γo

在主剖面内测量，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图车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ0（2）正交平面中测量的刀具角度Aκr′A向f图车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo

后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。α01）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。（3）切削平面中测量的刀具角度

图2－6车刀的主要角度（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．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υe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γoe、工作后角αoe

的变化。刀具工作参考系的组成（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．刀具工作角度的分析

在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(γoe

、αoe

、κre、κ’re、α’oe

、λse)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）横向进给运动对工作前、后角的影响（图）（1）进给运动对工作前、后角的影响2）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γoe增大、工作后角αoe

减小(图2-10)

。

式中μ角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。横切（图）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPes图切断刀的工作角度fxα0（2-1）（2-3）（1）进给运动对工作前、后角的影响

纵切（图2-10）

在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：（2-4）O—OμffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe用刃倾角λs=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γoe增大，而工作后角αoe减小。若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。加工内表面时，情况与加工外表面相反。（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响图2－12◆刀具安装对工作角度的影响图2-12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

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。如图所示。2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响1.3刀具材料

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的刀具材料。因此，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性能。

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。1.3.1刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性；一般要求HRC60以上（2）足够的强度和韧性；（3）高的耐热性与化学稳定性；（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性；（5）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，资源丰富，价格低廉。第二章制造工艺装备

1.3.2常用刀具材料工具钢硬质合金高速钢超硬刀具材料图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）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刀具材料的耐磨性与断裂韧性图刀具切削照片1)高速钢它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。热处理后硬度可达62～66HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500～650℃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）高速钢的分类

（2）常用高速钢的牌号与性能通用型高速钢

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。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67～70HRC，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。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(15页)。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

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；硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000°C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～10倍。

2)硬质合金常用硬质合金的牌号及其性能

（1）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。

（2）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，适合于切削切屑一般呈带状的普通碳素钢及合金钢等塑性材料。

（3）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。常用硬质合金的牌号与性能见表2-2(18页)。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)涂层刀具材料（1）TiC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）TiN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，并能有效降低切削温度。

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。（3）TiC—TiN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）TiC-Al203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TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。4)其它刀具材料（1）陶瓷刀具材料

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。（2）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65～70HRC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。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（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。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W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90