金属切削原理与刀具教案

绪论

【内容提要】

本章主要介绍本课程的根本内容、性质、特点和学习本课程的根本要求。

【目的要求】

1、明确本课程的根本内容和性质：

2、了解本课程的特点；

3、掌握学习本课程的根本要求。

【本章内容】

一、本课程的内容

?金属切学原理与刀具?这门课，原理讨论的是金属切削加工过程中的主要物理现象

的变化规律，以及对规律的控制及应用；刀具是要我们学习常用金属切削刀具的选择、

使用以及常用非标准刀具的设计，如成形车刀、成形铳刀和拉刀等。

二、本课程的性质

根据所学专业的教学方案根本课程的教学大纲的规定，本课程是一门专业根底课，

为培养与机制方面有关的应用型人才效劳，为本专业的其他专业课如?金属切削机床？、?

机械制造工艺学?及?机械加工技术?等提供必要的根底知识。

我国自1949年以来各高等工科院校相继进行了金属切削原理与刀具方面的科学研

究。可见在工科院校与机制有关的专业中本课程占有重要的地位，因此一直列为考试课,

在我校的数控、机制、机电等专业自然也是考试课。

三、本课程的特点

(1)涉及知识面广

本课程是一门专业课。在学习这门专业课之前，应先掌握?画法几何？、？机械制图？、？

金属工艺学？、？机械设计?等根本理论及?公差配合与技术测量?等根底知识。

(2)实验理论多

许多公式都是在不同的实验条件下得出的。如切削力的实验指数公式和单位切削力

公式，虽都是计算切削力，但实验条件不同，那么得出的结论也不同。因此说专业课中

没有绝对的理论，或许有些还要做近似处理。

(3)实践性强

学习理论就是为实践效劳，但经过实践又可以提高理论水平。如果学习了不会用，

那就是“纸上谈兵〃，因此，一定要做到理论与实践相结合。

四、学习木课程的要求

1、具有正确图示和选择刀具合理几何参数的能力。

2、根本掌握切削过程中的主要物理现象的变化规律和应用及控制方法，具有解决

实际生产问题的能力。

3、具有根据具体要求选择使用常用刀具，以及设计一般非标准刀具的能力。

4、要求课上认真听讲，抓住重点，做好笔记，课下复习，辅导与自学相结合。

第一章刀具材料

【内容提要】

本章主要介绍刀具材料应具备的性能，以及常用刀具材料中高速钢和硬质合金

材料的特性及应用场合；简单介绍了其他刀具材料的性能及应用。

【目的要求】

1、明确刀具材料应具备的性能；

2、掌握常用刀具材料中高速钢和硬质合金的性能及应用场合；会根据具体加

工工艺情况选择不同牌号的刀具材料。

3、了解其他刀具材料的性能。

【本章内容】

概述

刀具材料是指刀具上参与切削的那局部材料。刀具的切削局部不但要求具有一定的

几何形状，而且还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料由高速钢和硬质合

金。随着生产率的不断提高和难加工材料的日益广泛应用，超硬刀具材料也不断涌现如

陶瓷、立方氮化硼以及金刚石（人造）等。

时间刀具材料切削速度

1900年以前碳工钢低

1900年左右高速钢提高六倍

在以后的相继几十年里，据统计，每十年切削速度能提高一倍，耐用度可提高两倍。

高速钢一般允许切削速度为25〜30m/min；硬质合金允许的切削速度为lOOm/min.

要提高切削加工的生产率，就需要提高切削速度和刀具耐用度，那末就要求提供

切削性能更好的刀具材料，以便进一步提高切削加工生产率及加工质量。

由于切削过程中会产生切削抗力、切削热、冲击和振动，那么刀具材料具有哪些

性能才能满足要求呢？

§1-1刀具材料应具备的性能

一、硬度和耐磨性

刀具材料的硬度一定要大于工件材料的硬度，一般常温硬度超过60HRC以上。高速

钢在63〜66HRC以上，硬质合金在74〜81.5HRC左右，人造金刚石lOOOOHVo

一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。因为均匀分布的细化碳化物数量越

多，颗粒越小，耐磨性就越高。

二、强度和韧性

在切削过程中，刀具承受很大的压力，只有抗弯强度好，切削用量才不会发生变化。

粗加工余量不均，切削力发生变化，对刀具有冲击和震动，如果韧性不好，常会出现崩

刃或折断。

硬度和韧性是一对不可解决的矛盾，如高速钢的韧性好，而硬质合金的硬度高，在

下一节中我们会讲到。

三、耐热性

耐热性是指在高温下刀具材料保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。用红硬性表

示。高温下硬度越高，那么红硬性越好。

碳素工具钢的红硬性200〜250℃,高速钢不超过650℃,硬质合金约800〜1000℃。

四、良好的工艺性

热处理性能好-一淬透性

工艺性良好焊接性能好——易焊接

锻造性能好一一如麻花，先拧后锻

磨削性能好一一易刃磨

总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预

测性等要求，这里不作为讲述内容。

§1-2常用刀具材料

Id前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合

金及陶瓷等。

一、碳素工具钢

碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.65-1.35%）.

1、常用牌号

T7A、T8A……T13A其中T一碳，A——高级优质碳素工具钢

2、主要性能

淬火后硬度较高，可达HRC61〜65；红硬性为200C〜250℃,价格低廉，不耐高温,

切削速度因此而不能提高，允许切削速度VcWlOm/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、

锯条、锂等；优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃。

二、合金工具钢

在碳素工具钢中参加一定量的铝（Cr）、鸽（W）、锦（Mn）等合金元素，能够提高

材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。

1、主要牌号

9SiCr：9表示平均含C量为0.90%,Si、Cr平均含量均小于L5%；

CrWMn：平均含C量大于1.0%,Cr>W.Mn平均含量均小于1.5%。

2、主要性能

淬火后的硬度可达HRC61〜65,红硬性为300C〜400C,允许切削速度Vc=10〜

制作低速、形状比拟复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用钱

刀（孔的精加工）等。

三、高速钢

高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素，这些合金元素

的含量较高，主要改变以往工具钢的性能。

（一）高速钢的性能：

1、具有高的强度和韧性；

2、良好的耐磨性，63〜66HRC（参加V元素的作用）；

3、红硬性为600℃（参加W元素的作用）；

4、允许切削速度Yc=25〜30m/min：

高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性能。用高速钢制成的刀具，在切削

时显得比一般低合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢。高速钢区别于其他一般工

具钢的主要特性是它具有良好的热硬性（红硬性），当切削温度高达600C左右时硬度仍

无明显下降，能以比合金工具钢更高的切削速度进行切削，高速钢由此而得名。

5、具有良好的制造工艺性；

高速钢能锻造，易刃磨，能制造形状复杂的及大型成形刀具，如钻头、丝锥、成

形刀具、拉刀、齿轮刀具、整体铳刀盘等都用高速钢。高速钢的焊接、韧性、热处理性

能好。

6、可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；

7、加工范围较大：铸铁、有色金属、钢（指正火状态下，淬火状态不能加工）

（二）高速钢的分类

高速钢按用途来分可分为普通高速钢和高性能高速钢。

1、普通高速钢：工艺性好，可满足一般工程材料的切削加工。又可分为

鸨系高速钢：W18Cr4V（最常用，刃磨性好）

铜系高速钢：W6Mo5Cr4V2

2、高性能高速钢

通过调整根本化学成分和添加其他合金元素，，使其性能比普通高速钢提高一步，

可用于切削高强度钢，高温合金、钛合金等难加工材料。分类：

高碳高速钢：95W】8CQV（含C量为0.95%）

高锐高速钢：W6M05行4V3（提高耐磨性）

钻高速钢：W6Mo5Cr4V2Co8

铝高速钢：W6Mo5Cr4V2Al

四、硬质合金

指有高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结剂，经过高压成形，在500℃的高温

下烧结而成的材料为硬质合金。

组成：硬质相（TiC或WC：+粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比拟常用）

（-）主要性能

1、常温硬度74〜81.5HRC,红硬性为800℃〜1000C,耐磨性优良。

2、允许切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超过200m/min.

硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高4〜7倍，刀具寿命可提高5〜80倍。有的

金属材料如奥氏体耐热钢和不锈钢等用高速钢无法切削加工，假设用含WC的硬质合金

就可以切削加工，硬质合金还可加工硬度在HRC50左右的硬质材料。

3、脆性较大，怕冲击和振动。容易出现崩刃，因此注意加工条件。

4、制造工艺性差。由于硬度太高，不能进行机械加工，因而硬质合金经常制成一

定规格的刀片，焊在刀体上使用。如硬质合金端铳刀(非整体式的)

5、加工范围较广。脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。

(二)分类

硬质合金分为

鸨钻类硬质合金(YG)I前二者应

鸨钻钛类硬质合金(YT)」用较广

添加稀有金属硬质合金(YA、YW)

碳化钛基硬质合金(YN)

1、铝钻钛类硬质合金YG

(1)组成：WC+Co

(2)常用牌号：YG3、YG6、YG8(3、6、8、代表Co含量占3乐6乐8%)

当Co的含量较多时，WC的含量较小时，那么硬度较低，韧性和强度提高，硬度

下降，耐磨性降低；反之，韧性和强度下降，硬度提高，耐磨性、耐热性提高。

(3)应用：

YG3(精加工)YG6(半精加工)YG8(粗加工)

------------------------------------------------------►

Co的含量f韧性1强度fHRCI耐磨性I

<------------------------------------------------------

Co的含量I韧性I强度IHRCt耐磨性t脆性t

主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640C时发生严

重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。

为了适应各种加工情况的需要，在含C。量相同的情况下，按WC粉末的不同粒度

分为粗晶粒(YG3C)、细晶粒1YG3X)、中间晶粒(YG3)。一般硬质合金为中间晶粒。

2、铝钻钛类硬质合金(YT)

(1)组成：硬质相(WC+TiC)+粘结相(Co)

（2）常用牌号：YT5、YT14xYT15>YT30（数字表示TiC的百分含量）

（3）应用：

YT5［粗加工）YT14、YT15（半精加工）YT30（精加工）

-----------------------------------------------------------------►

TiC含量f硬度t耐磨性f脆性t韧性I

◄-----------------------------------------------------------------

TiC含量I硬度I耐磨性I脆性I韧性t

主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料，如lCrl5Ni9Ti,Ti

与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。

3、添加稀有金属硬质合金

鸨但（银）钻类硬质合金（YA）和鸨钛但（银）钻类硬质合金（YW）,是在铝钻钛

类硬质合金（YT）中参加TaC（NbC）,可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和

金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有

色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。

4、碳化钛基硬质合金（YN）

这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工

件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加

工。

（三）涂层硬质合金的选用

涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气

相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金外表涂层厚度为5〜1211nl的涂层材料以提高刀

具的抗磨损能力。

涂层材料为TiC、TiN、ALCh等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也

适合于负荷较小的精加工。

§1-2其他刀具材料

1、陶瓷材料

主要是以氧化铝（AL03）或氮化硅（SiN）等为主要成分，经压制成型后烧结而

成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工

中。但由于其强度低，韧性差，长期以来主要用于精加工。近几年来采用先进的工艺，

使其抗弯强度、抗冲击性能有很大的提高，应用范围在日益扩大。除适于一般的精加工

和半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。

陶瓷刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：

1）可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料；

2）可用于扒荒粗车及铳、刨等大冲击间断切削；

3）耐用度提高几倍至几十倍；

4）切削效率提高3〜10倍，可实现以车、铳代磨。

2、立方氮化硼

它是70年代才开展起来的一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高

温、高压下参加催化剂转变而成的。其硬度很高，可达8000〜9000HV,仅次于金刚石，

并具有很好的热稳定性，可承受1000C以上的切削温度，它的最大的优点是在高温

1200C〜1300C时也不会与铁族金属起反响。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和

精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。

3、金刚石

分为人造和天然两种，是目前最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，缺乏之

处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属，在800℃

时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反响，刀具急剧磨损。

金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。

主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。

课后作业：课后习题一第一章（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）

第二章刀具根本定义

【内容提要】

本章主要介绍切削运动及形成的外表、刀具几何角度、机动时间、金属切除率的根本

概念；明确切削用量要素和切削层参数；常用刀具静止和工作状态下的特点及应用知识。

【目的要求】

1、明确根本概念，会画刀具图，能看懂刀具图；

2、会根据加工具体情况判断刀具静止和工作状态下的几何角度、切削用量以及切削

层参数；

3、试根据加工具体情况正确选择和确定刀具几何角度、切削用量以及切削层参数。

【本章内容】

第一次课

§2-1切削运动及形成外表

一、切削运动

金属切削运动，是指刀具从工件外表上切除多余的金属层，并形成符合要求的外表

(即符合精度、形状、外表质量上的要求)的运动。

切削时，通常切削运动按其所起的作用可分为两种:主运动和进给运动。如图。

1、主运动：指切削过程中速度最高、消耗功率最多的运动。

比方：车削外圆时工件旋转运动，刨削平面时刀具直线往复运动。主运动有刀具或

工件来完成，其形式可以是旋转运动或直线运动，但每种切削加工方法的主运动只有一

个。

主运动的速度即为切削速度，用匕表示，单位是m/min或m/s。值得注意的是以后

一提到切削速度就知道是主运动的速度。

2、进给运动：是新的金属层不断投入切削的运动。

表示方法：J(1)进给速度"/(mm/min或mm/s)

L(2)进给量/(单位mm/r)表示。

在生产实际中，有时将进给运动称为走刀运动，进给量称为走刀量。

进给运动的速度和消耗的功率都要比主运动小得多。

比方：车削外圆时车刀的纵向连续直线进给运动；刨削平面时工件的间歇直线进给

运动。

进给运动形式可以是直线运动、旋转运动或两者的组合，也可以是连续的或是断续

的。有工件或刀具来完成进给运动，但进给运动可能不止一个。

3、合成切削运动

进行切削时，主运动与进给运动同时进行。对于刀具切削刃上的一点来说都是做的

合成切削运动。假设A点，相对于工件有一个旋转运动，同时又相对工件作了一个直线

运动，那么A点的合成切削运动速度用匕表示，即

（是矢量相加，而不是大小相加）

Ve=Vc+Vf

由于匕=冗Z'n/1000,切削刃上各点速度匕不等，由此可推出合成切削速度匕在各点

上的大小和方向也不相等。

对于外圆车刀来讲，直径d大的地方合成速度也匕大。

二、工件上的几个外表

1、待加工外表：即将被切除的外表；

2、加工外表：切削刃正在切削的外表；

3、已加工外表：切削后形成的新外表。

切屑：在刀刃的作用下离开工件母体的金属或者说被切下的金属。

（本节掌握：主运动、进给运动和合成切削运动的概念）

§2-2刀具切削局部几何角度

同学们想一想，为什么要以外圆车刀为例？

切削刀具的种类繁多，形状各异。但从切削局部的几何特征上看，却具有共性。外

圆车刀切削局部的根本形态可作为其他各类刀具的切削局部的根本形态。因此外圆车刀

可以看是其他各类刀具的演变，都是在这个根本形态上演变出各自的特点，所以本节以

外车刀切削局部为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。

一、外圆车刀切削局部的组成

车刀由刀杆和刀头组成，也就是导体和切削局部。刀体用于安装切削局部用于进行

金属切削加工。切削局部的组成：

1、前刀面Ar：切屑流经的刀面。

2、后刀面A。：与加工外表相对的刀面。

3、副后刀面Aa'：与已加工外表相对的刀面。

4.主切削刃S：前后刀面的交线。负担主要的切削工作。也称主刀刃。

5、副切削刃S':前面与副后刀面的交线。只参加少量的切削，形成已加工外表。

也称副刀刃。

6、刀尖：主副刀刃的交点。它可以是一个点、直线或圆弧。

由此可看出：外圆车刀切削局部的特点是“321〃；即3面2刃1尖。而切断刀切

削局部的特点是“432〃。即4面3刃2尖。

二、刀具标注角度坐标系

刀具要从工件上切下金属，就必须是它具备一定的切削角度，也正是由于这些角度才决定了

刀具切削局部各外表的空间位置。为了确定切削局部各刀面在空间的位置，要人为的建立基准坐

标系。要建立坐标系，首先应建立坐标平面。以这些坐标平面为基准，建立坐标系，平面称为基

准坐标平面。

基准坐标平面基面Pr二者以切削速度匕为依据

<>

J切削平面Ps.

派※在建立基准坐标平面以前，首先要做两点假设：

（1）假设主运动方向垂直于车刀刀杆底面；

（2）假定进给运动方向平行于车刀刀杆底面。

有了这两点假设，我们就好定义基准坐标平面了。

（1）基面Pr：过切削刃上的选定点，垂直于切

削速度方向的平面。

特点：匕相切于外圆，那么Pr〃刀杆底面。

进给方向在Pr内。

（2）切削平面R：过切削刃上的选定点，包括切削刃或切于切削刃（曲面刃）且

垂直于基面Pr的平面。

特点：Ps_L刀杆底面，匕方向在R内。PsiPro巳不垂直于P,。

▼▼考虑问题：分析切断刀的基面P「和切削平面P”

为了能清楚的表达切削局部的空间几何角度，人为的建立起空间坐标系。

「主剖面系------------------------最常用

空间坐标系法剖面系------------------------较常用

进给、切深剖面系一较'常用

最大前角、最小后角剖面系少月

下面先学习主剖面参考系

（―）主剖面参考系（Pr-Ps-Po）

主剖面参考系包括「基面Pr、切削平面Ps：基准坐标平面

L主剖面P。：测量平面

Pr和Ps的概念已讲过，这里主要讲主剖面Po：

（1）概念：过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面R的平面，或者说

垂直于切削刃在基面Pr上的投影。

（2）特点：Po±Ps1PrP。包含切削速度匕的方向。

通过以上分析我们知道，用坐标平面和测量平面与刀具各刀面间形成相应的角度，

从而可以确定各刀面在空间的位置。例：前刀面4的位置是由前刀面Ar和基面P「在主

剖面Po内形成的角度确定；后刀面A“由后刀面A“与切削平面在主剖面P。内形成的角

度确定。

（本次课还需掌握外圆车刀切削局部的组成；掌握主剖面参考系中基面、切削平面

以及主剖面的概念及特点。）

课后作业：课后习题一第二章：（1）、（2）、（3）

第二次课

（二）主剖面参考系中表达的角度

在主剖面系中，刀具的标注角度有六个：Kr、K「、Y。、a。、a。’和入s。下

面我们逐一讨论。

1）在基面Pr内度量的角度（俯视图，让刀具投影到基面上）

主偏角Kr：在基面Pr内，切削刃与进给运动方向间的夹角；

副偏角在基面P,内，副切削刃与进给运动反方向间的夹角；

刀尖角£r：£r=180°-（Kr+K/）,是函数角；

2）在主剖面P°内度量的角度（0-0剖面P。内）

前角Yo：在主剖面Po内，前面与基面Pr之间的夹角；

前角丫。的正负的判定：前面高于基面Pr时为负；前面低于基面巴时为正；前面与

基面Pr重合时为零。

后角a。：在主剖面P0内，后面与切削平面P.间的夹角；

楔角B。：在主剖面P。内，前、后面间的夹角。Po=90°-（Yo+ao）;是一个函数角；

3）在副剖面P。内度量的角度（0'-0'剖面PJ内）

副后角。。’：在剖面PJ内，副后面与副切削平面R间的夹角；

副前角丫。'：在剖面P。’内，基面H与前面间的夹角；

▼▼补充说明：副切削刃同主切削刃一样，也可以建立副切削平面R、副基面H、副

剖面P。’，此时是在副切削刃上找一任意选定点。

4）在切削平面R内度量的角度（刀具在切削平面R内投影）

刀具在切削平面R内投影，就相当于在车刀的后面有一个平面，这个平面与切削

平面P$平行，然后将车刀投影在这个平面内。

刃倾角入s：在切削平面Ps内，切削刃与基面Pr间的夹角；

刃倾角人,正负的判定：以刀尖点为基准点

r刀尖点是刀刃的最高点，那么刃倾角3为正；

《刀尖点是刀刃的最低点，那么刃倾角3为负；

l刀刃与基面重合或平行，那么刃倾角入s为零：

以上四点，分别阐述了在主剖面系中四个平面即基面件、主剖面P。、副剖面汽'、

切削平面R内要度量的角度。由于主刀刃与副刀刃在一个前面上，当前角Y。和刃倾角

3确定时，副前角丫。也就确定了，因此它是函数角，不做标注。

对于一把外圆车刀，在主剖面系中要表达的有：

厂在基面Pr内---主偏角Kr、副偏角

6个独立的角度在主剖面P。内---前角丫。、后角a

（做标注）在副剖面P。内一一副后角a。’

匚在切削平面Ps内一一刃倾角A

2个函数角在基面H内一一刀尖角叫

（不做标注）L在主剖面孔内一一楔角

▼▼思考题

主刀刃、前面、后面和副后面的空间位置由哪几个角度表达出来？

主刀刃一一主偏角和刃倾角Xs；

前面---前角Y。；

后面---主偏角Kr和后角a。；

副后角一一副偏角K「和副后角aJ。

（掌握：六个独立的几何角度的定义。）

（三）法剖面参考系（Pr-Ps-Pn）

法剖面参考系辅助刀具的设计、制造和切削性能分析。

1、法剖面Pn：指过主切削刃上选定点与主切削刃相垂直的平面。特点：Pn_L主切

削刃。

2、法剖面参考系中度量的角度：

（1）在基面Pr内度量的角度主偏角、副偏角K「，在切削平面R内度量的角

度刃倾角入s与主剖面系完全相同。

（2）在法剖面Pn内度量的角度：在主切削刃上选定点，作出法剖面

「法前角Yn：前面与基面Pr间的夹角，其正负判别方法与前角Y。相同。

Y

、法后角an：主后面与切削平面Ps间的夹角。

※※法剖面Pn与主剖面孔间的夹角为刃倾角入S，当入S=O时，法剖面Pn与主剖面P。

重合。

（四）进给、切深剖面参考系（Pr-Ps-Pf-Pp）

进给、切深剖面参考系（K-Es-PrEp）辅助刀具的设计、制造和刃磨。

1、进给剖面Pf：指过主切削刃上选定点，垂直与基面并平行于假定进给运动方向

的平面。特点：Pf_LP「Pr〃假定进给运动方向。

2、切深剖面Pp：指过主刀刃上选定点，并垂直与基面H和进给剖面Pf的平面。特

点：PplPrlPfo

3、进给、切深剖面参考系中度量的角度：

（1）在基面Pr内度量的角度主偏角K「、副偏角K「，在切削平面R内度量的角

度刃倾角入s与主剖面系完全相同。

（2）在进给剖面Pf内度量的角度

进给前角Yf：前面与基面Pr间的夹角，其正负判别方法与前角Y。相同。

进给后角a主后面与切削平面R间的夹角。

（3）在切深剖面Pp内度量的角度

切深前角YP：前面与基面Pr间的夹角，其正负判别方法与前角丫。相同。

切深后角ap：主后面与切削平面R间的夹角。

（要求：理解法剖面系和进给、切深剖面系中的角度、平面定义。）

※※小结：

,主剖面参考系中表达的角度有六个：K,、K」、Y。、a。、aj和％

《法剖面参考系中度量的角度有六个：Kr、K」、Yn、a八叫」和人§

I进给、切深剖面参考系中度量的角度有七个：Kr、K/、Ya丫八CIp和人§

课后作业：课后习题一一第二章（5）、（6）

第三次课

四、刀具工作角度

上面讲到的刀具标注角度，是在忽略进给运动的影响，而且刀具乂按特定条件安装

的情况下给出的。刀具在工作状态下的切削角度，即刀具的工作角度，应该考虑包括进

给运动在内的合成切削运动和刀具的实际安装情况。

下面来学习两个概念

1）工作基面Pre：过切削刃上选定点，垂直于合成切削运动匕方向的平面。特点:

Prc±Ve

2）工作切削平面P$c：过切削刃上选定点，包含切削刃并垂直于工作基面已的平面。

特点：合成运动速度匕在工作切削平面Pw内，Prc±Pseo

（一）进给运动对刀具几何角度的影响：

1、横向进给

在进给剖面内，（也是在主剖面内）

C工作进给前角Yfe

j工作进给后角一

lP«与P,在P/•内的夹角。一Pf

从图中我们可看出，工作基面与工作切削平面相对与基面和切削平面均转过角度〃

/,从而改变了刀具的工作角度，在实际工作中起作用的是工作进给前角^和工作进给

后角5。

j工作进给前角y行丫Hy.汁打（增大）

I工作进给后角a沪a占a「修（减小）

如果让工件旋转一周，那末进给量为人那么以/和不4,分别为直角边可以得到一

个三角形，其有一夹角为〃户那么

▼▼分析：当采用白动进给切断时，

1）进给量一定，工件直径不断减小，甚至为零，那么〃不断增大，结果。

兄二町-〃/有可能为负值；可以说在直径很小时，并非是切断，而是后刀面的挤断。

2）为防止4。二4.〃尸0,对切断刀的后角应采用较大值，并在切断终了时，采用

减小进给量的方法。

2、纵向进给

前面我们学习了切断刀的横向进给情况，外圆车刀不同于切断刀，它进行纵向进给,

下面我们以外圆车刀为例来分析一下纵向进给时对刀具几何角度的影响。

首先画出进给剖面广尸，分析切削速度匕和合成切削速度匕，找到各面尸八Pr-

2和Psc，得到相应的；7、aA〃后Y打、〃/等，那末在进给剖面尸-尸内，由图可得

C工作进给前角Yfe=丫井〃/（增大）

I工作进给后角dfe-OfUf（减小）

如果让工件旋转一周，那末进给量为了,那么以/和不乩,分别为直角边可以得到一

个三角形，其有一夹角为那么

如果我们想知道主剖面0-0内刀具工作角度的大小，该如何去换算他呢？

作主剖面0-0,首先得基面Pr和切削平面Ps，然后过B点做主刀刃的平行线，得

C点。这样工件转过一周ndw，在主剖面0-0内刀尖进给AC,那么Pre、Psc面相应找

到，也就相应有Yoe、Yoxaoexa。、Uo角，由图可知：

f工作前角Yoe=Yo+uO（增大）

l工作后角aao-MO（减小）

一般外圆车刀的口值较小，口弋30'〜40,可忽略不计。但车削螺纹时，尤其是

大导程或多头螺纹时，U°的值很大，不能忽略。

（二）刀具安装位置对刀具工作的影响

1、刀具安装高、低的影响

在安装刀具时，刀尖有可能高于工件中心，有可能低于工件中心。首先来看高于中

心时的情况。设刀具入s=0,以外圆车刀为例，AB、AC都投影在刀杆底面上。

在切深剖面Pp内，工作基面Pre与基面Pr间的夹角为Op,为计算方便做小三角形。

在这里有几点假设：

（1）刀尖高于工件中心值一一版mm）;

（2）不计进给运动速度的大小—Vf=O；

（3）九$=0

所以有

由图可知「工作切深前角yrP+ep（增大）

在切深剖面Pp内I工作切深后角。“二"%（减小）

在主剖面o-o内J「-工L作刖前片角3九+°。（增大）

।工作后角

a叱=aQ-9。（减小）

▼▼对于刀具刀尖位置低于工件中心时的情况，作为思考题留给大家，下次课提问。

2、刀杆轴线安装不垂直与进给运动方向的影响

在基面内，假设刀杆轴线在安装时，不垂直与进给运动方向，刀杆轴线的垂线与进

给运动方向的夹角为，使刀具工作主、副偏角发生变化。如图。

(1)车外圆时(2)加工锥面时

CK**r+G「KQK「G

LKre，=Kr，-G〜*rv'=*r'+G

注：在标注角度时，认为刀杆轴线与进给运动方向垂直。

课后作业：课后习题一第二章(4)、(7)

第四次课

复习一次课内容：

J刀具标注角度：不计进给运动，刀尖和工件轴线等高；

1刀具工作角度：考虑包括进给运动在内的合成切削运动和刀具的实际安装情

况，即刀尖高于或低于工件中心的情况。

(1)横向进给对刀具工作角度的影响(切断刀)

在进给剖面内，也是在主剖面内

’工作进给前角==Yf+i*f（增大）

.工作进给后角afe=aoe=arUf（减小）

⑵纵向进给对刀具匚作角度的影响（外圆车刀；设刀具入S=0）

r在进给剖面F-F内----工作进给前角Yfe=Yf+Uf（增大）

----工作进给后角afc=a1-uf（减小）

I在主剖面0-0内

1___工作前角Yoc=Yo+Uo（增大）

I_______工作后角aoc=ao-Uo（减小）

（3）在安装刀具时，刀尖高于工件中心（外圆车刀；设刀具入s=0）

在切深剖面Pp内——工作切深前角Ype=Yp+0p（增大）

一工作切深后角ape=ap-0p（减小）

在主剖面0-0内—_工作前角Yoc=Yo4-0o（增大）

—I作后角aoc=ao-0o（减小）

（4）在安装刀具时，刀尖低于工件中心（外圆车刀：设刀具入s=0）

，在切深剖面PpF*T1-工作切深前角Ype=Yp・4（减小）

1-工作切深后角ape=aP+0P（增大）

〔在主剖面0-0内――工作前角丫优=丫。・0。（减小）

---工作后角aoe=ao+0o（增大）

（5）车右旋螺纹时

左刀刃/工作前角YfeL=Uf

L工作后角akL=a七山

右刀刃「工作前角YfcR=3f

Y

L工作后角afCR=a抵+uf

思考：车左旋螺纹时，工作角度有何影响？

§2-3切削用量与切削方式

一、切削要素

切削要素分为两大类：切削用量要素和切削层横截面要素。

（一）切削用量要素

切削用量是用于表示主运动、进给运动和切入量参数的数量，指切削速度匕、进给

量f和切削深度如这三个要素。三者要根据不同的工件材料、加工性质和刀具材料来选

择，主要用于调整机床，编制工艺路线。

1.切削速度匕

切削速度匕一一指刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。

Vc-〃乩〃/1000（mm/min）

式中d-完成主运动的刀具或工件的最大直径（mm）；

主运动的转速（r/min或r/s）

例：外圆车刀车削外圆时，工件的旋转速度；

刨刀刨削平面时，刨刀的直线运动速度；

钻床上钻孔时，麻花钻的旋转运动速度；等等。

2、进给量f

进给量是指工件或刀具的主运动每转一转（或每一行程时），刀具切削刃相对于工

件在进给运动方向的移动量。

例如：车削时的进给量是指工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量。（mm/r）

进给速度十：指切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。

Vf=nf（mm/min或mm/s）

3、切削深度知

切削深度即是指在基面P,上，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。

车削时：斯=（dw-dm）/2（实质为半径之差）（工件外表之间的垂直距离）

式中dw---工件待加工外表直径；

dm一一工件已加工外表直径：

（二）切削层横截面要素（在基面中度量）

切削层指切削刃移动一个进给量所切除的这一层金属。

切削层的形状与尺寸直接影响切削变形、刀具切削局部所承受的负载和切削的形状

和尺寸。

1、切削厚度加

指在基面内垂直于加工外表度量的切削层尺寸。%=/而勺

切削刃为圆弧刃时，加处处不等。

2、切削宽度M

b=a/sinK

指在基面内沿着加工外表度量的切削层尺寸。Dpr

当仁=90°时，而=M；切削宽度是切削刃和加工外表的接触长度在基面上的投影。当

九二0,为切削刃的实际长度。

由于切削厚度hD说明切削层的厚度，而切削宽度bD反映了切削层的长度。因而用

切削厚度hD和切削宽度bD比用进给量f和切削深度ap更能反映切削断面形状的特性。

3、切削层横截面积AD

2

指基面与切削层相截的面积。AD=hrybD=faP(mm)

二、切削方式

自由切削：指只有一条直线切削刃参加工作的切削；

,非自由切削：指曲线切削刃后主、副切削刃同时参加工作的切削。

直角切削：切削速度方向与切削主刀刃相垂直的切削；

'斜角切削：刃倾角、不为零的刀具进行的切削。

三、机动时间和金属切除率

1、机动时间

机动时间加是指刀具的切削时间，它是衡量刀具切削效率上下的一个指标；

tm=LA/(nfaP)(min)

式中，L一刀具工作长度=工件长度+车刀切入、切出长度；

A—工件半径方向加工余量，A4为走刀次数；

把〃=1000匕/(不乩)代入上式得

tm-L"dwA/(l000V^ap)(min)

2、金属切除率Q

金属切除率0是指单位时间切下工件材料的体积；

3

Qz=1000(mm/min)

由上两式可以得出如下结论：

在Vc、f和ap三要素中，提高任何一个都可缩短机动时间tm,增大金属切除率Qz,

提高切削效率。

课后作业：课后习题一第二章(8)、(9)

第三章金属切削根本理论

【内容提要】

本章主要介绍切削力、切削热、切削温度、刀具磨损和刀具耐用度的根本概念；切削

力、切削热、切削温度和刀具磨损的根本规律；应用上述规律选择刀具材料、几何参数、

切削用量、切削液和控制切屑的原那么和方法。

【目的要求】

1、了解与掌握金属切削过程的根本物理现象及其变化规律；

2、能根据具体加工情况正确计算切削力、刀具耐用度以及一定刀具耐用度所允许的

切削速度。

3、能根据具体加工情况正确选择和确定刀具材料、刀具几何参数、切削用量等；

【本章内容】

第一次课

金属切削理论是从生产实际和切削实验中得来的，总结了关于金属切削过程中的根

本物理现象及其变化规律。这些根本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度和刀

具磨损等。为了提高切削加工的生产率，降低加工本钱，保证质量，我们来学习和掌握

这些规律。

§3-1切削变形

一、切屑的根本形态

金属切削时，由于切削用量和刀具几何参数的不同，会出现各种不同形态切屑。从

变形角度考虑，切屑的形态归纳为四种根本形态。

1、带状切屑：

切屑呈连续状，与前面接触的底层光滑，反面成毛茸状。一般在加工塑性材料，采

用大的前角、小的切削厚度、高的切削速度时形成。变形较小，是比拟常见的切屑。

2、节状切屑（挤裂状切屑）

切屑反面呈锯齿形，底层有时有裂纹，切削层变形大，加工硬化严重，使某一局部

的应力到达材料的强度极限，从而出现裂纹。

加工塑性材料，采用小的前角、小的切削速度会形成此类切屑。

3、单元状切屑

切削塑性很大的材料，发生强度破坏严重，变性大，切削力大，

切削功率大。切屑与前面发生粘结，变形充分，使材料到达断裂极限，形成很大的变形

单元。

4、崩碎状切屑

切削脆性材料，形状为片状或粒状切屑。工件材料愈硬，刀具前角愈小，愈容易形

成此类切屑。

由上述介绍可知，带状切屑形成时，切削力变化较小，切削稳定，已加工外表质量

好：节状和单元状切屑形成时切削力有较大的波动，尤其是单元状切屑，在其形成过程

中可能产生振动影响加工质量：在切屑铸铁时，由于所形成的崩碎状切屑是经石墨边界

处崩裂的，加工外表质量下降。

二、切屑与已加工外表的形成

（一）切屑的形成及三个变形区

1、设切削层厚度，宽度，以切削速度向刀具接近。从0A线开始发生塑性变形，

到0M线剪切滑移根本完成。形成AOM塑性变形区。

塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，因此又称为剪切区或第一变形区。

2、当切屑以速度沿前面流出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面

处的金属纤维化，变形方向根本上与前面平行（即为晶格变形方向）。由于该变形主要

由摩擦引起，因而又称摩擦变形区或第二变形区。

3、已加工外表受到切削刃钝圆局部与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造

成纤维化与加工硬化，称为第三变形区。

这三个变形区聚集在切削刃附近，此处的应力比拟集中，也比拟复杂，金属的被切

削层就在此处与工件本体材料别离，一局部变成切屑，很小一局部留在已加工外表上。

第一变形区形成切屑，变形最大；第二变形区变形大小主要影响前面的磨损；第三变形

区的滑移变形，严重使已加工外表产生变形。

※※剪切滑移区（第一变形区）的变形机理

研究剪切滑移区的变形机理,

就是看材料是在该区域内怎样完

成变形的。

以切屑为研究对象。

设刀具对切屑的正压力位

Fn,摩擦力位Ff,二者合力为Fr,在合理的作用下，在垂直它的横截面上产生正应力

。。，在与该力大致星45°角的截面上产生最大剪应力T。

Oo=Fr/A,而T=。。/2

(1)假设最大剪应力T>Ts(材料的屈服极限)时，材料就沿剪应力的方向滑移(沿

剪切面滑移);

(2)假设最大剪应力T2Tb(材料的强度极限)时，材料发生剪切强度破坏，切屑

断裂。

※※剪切滑移区(第一变

形区)的变形过程

在切削层内刃取一

点P,当点P为到达剪切滑

移区时，只产生弹性变

形，一旦到达该区域时，

就要产生剪切滑移一

塑性变形。

(1)OA线为始滑移线，0M线为终滑移线(都是等剪应力曲线)。当P点到达1

点的位置时，剪应力到达材料的屈服极限TS,开始产生剪切滑移，点1在向前移动的

同时，也沿0A滑移，其合成运动将使点1流动到点2。2-2'就是滑移量。随着滑移的

产生，剪应力将逐渐增加，也就是当P点向1、2、3个点流动时，剪应力不断增加，直

到点4位置，此时其流动方向与前面平行，不再沿0M线滑移。

(2)第一变