宿迁学院机械制造技术基础课件第1章 金属切削基本知识

第一章金属切削基本知识第一章金属切削基本知识1.1切削运动与切削要素1.2刀具切削部分的几何参数

1.3刀具材料

金属切削加工是目前机械制造的主要方法和手段之一。金属切削过程是刀具与工件相互作用的过程。即利用刀具切去多余金属层，使工件的几何形状、尺寸精度、位置精度和表面质量达到预定的要求。为实现金属切削过程，刀具相对于工件必须要有相对运动，即切削运动。在金属切削过程中，机床、刀具、工件、夹具组成了机械加工工艺系统。机床提供切削运动，刀具直接参与切削工作。本章着重介绍切削运动和刀具的基本知识。

第一章金属切削基本知识1.1切削运动与切削要素1.1.1切削运动在切削加工过程中，刀具与工件间的相对运动称为切削运动。

切削运动就是工件表面的成形运动，它由机床提供。

完成切削加工必须具备的两个条件：1)切削刀具与工件之间必须有一定的相对运动；2)切削刃有一定的形状；切削运动1.主运动：直接切除工件上的切削层，使之变为切屑，以形成工件新表面的运动。通常用切削速度

vc

(m/s)表示。特点：速度高、功耗大、只能有一个。2.进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用vf、f或fz表示。特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用ve表示。第一章金属切削基本知识1.1.1切削运动见：切削运动视频第一章金属切削基本知识1.1.2切削加工表面1.待加工表面——工件上即将被切除多余金属的表面。待加工表面在加工前就已存在，加工后不再存在。2.已加工表面——工件上已被切除多余金属而形成的工件新表面。已加工表面在加工前不存在，加工后才形成。3.过渡表面——工件上正在被切削的表面。过渡表面在加工前、后均不存在，只存在于加工过程中。在切削过程中，工件上有三个不断变化着的表面。见：加工表面、待加工表面、已加工表面视频第一章金属切削基本知识1.1.3切削要素1.切削用量（视频）（1）切削速度：(vc)

“切削刃选定点相对与工件主运动的瞬时速度”。通常以最大线速度为准。主运动是旋转运动时：主运动是直线运动时：（2）进给量：(f)“工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移”。f(mm/r),vf

(mm/s),fz(mm/z)（3）背吃刀量：(ap)“工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离”。对于外圆车削：第一章金属切削基本知识1.1.3切削要素例题：

车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求vc、f、和ap。解：

v=πdwn/1000=π·62·4/1000=0.779m/sf=vf

/n=2/4=0.5mm/rap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3mm第一章金属切削基本知识1.1.3切削要素2、切削层参数工件上正在被切削刃切削着的那层金属称为切削层，亦即相邻两个过渡表面之间的一层金属。

（1）切削宽度：aw“沿着过渡表面度量的切削层尺寸”aw=ap/sinКr(mm)（2）切削厚度：ac“垂直于过渡表面度量的切削层尺寸”ac=f∙sinКr(mm)（3）切削面积：AcAc=aw∙ac

(mm2)对于外圆车削：Ac=f∙ap

(mm2)

第一章金属切削基本知识1.1.4切削方式切削方式对切屑的流动方向，切削层金属的变形，切削刃的工作情况等都有直接影响。1.自由切削与非自由切削自由切削——只有一条直线切削刃参加切削工作的切削称为自由切削。刨削平面的方式是自由切削。自由切削时切削过程比较简单，切削刃上各点切屑流出的方向大致相同。

非自由切削——若切削刃为曲线或直线的主、副切削刃均参加切削，则称为非自由切削。车削外圆、车削螺纹等是非自由切削。大多数切削都是非自由切削。见：刨平面车圆柱面视频第一章金属切削基本知识1.1.4切削方式2.直角切削与斜角切削直角切削——切削刃与切削速度的方向垂直，亦即刃倾角λs=0的切削方式称为直角切削，又称为正交切削（图1.3a）。图1.3直角切削与斜角切削斜角切削——切削刃与切削速度的方向不垂直，亦即刃倾角λs≠0的切削方式称为斜角切削（图1.3b）。在实际生产中，大多属于斜角切削。第一章金属切削基本知识1.1.4切削方式3.正切屑与倒切屑正切屑——当进给量f小于背吃刀量ap时，切屑沿着正交平面方向流出并卷曲，这种切屑称为正切屑。图1.4正切屑与倒切屑倒切屑——当进给量f大于背吃刀量ap时，切屑将沿着副切削刃的正交平面方向流出并卷曲，这种切屑则称为倒切屑。这种情况常见于宽刃大进给车削中。第一章金属切削基本知识1.2刀具切削部分的几何参数1.2.1刀具切削部分的结构要素刀具一般都由刀柄（夹持部分）和刀头（切削部分）两部分组成。图1.5外圆车刀的组成(视频)归纳起来：“三面两刃一尖”主后刀面Aα前刀面Ar副后刀面Aα/交线主切削刃s副切削刃s’交线连接部分刀尖尽管切削刀具的种类繁多，结构也多种多样，但刀具切削部分的组成却有共同之处。

第一章金属切削基本知识1.2.1刀具切削部分的结构要素其他刀具，就其单齿的切削部分而言，都可以看成是由外圆车刀的切削部分演变而来。图1.6三种刀具切削部分的形状a)刨刀

b)钻头

c)铣刀图1.6a为与车刀切削部分相同的刨刀。图1.6b所示为钻头，可以看作是一正一反并在一起的两把车刀。图1.6c所示铣刀可以看成是由多把车刀复合而成的，其每一个刀齿相当于一把车刀。第一章金属切削基本知识1.2.2刀具标注角度刀具要从工件上切除金属，必须具有一定的角度，以体现其锋利性。刀具角度是设计、制造、刃磨和测量刀具时的重要几何参数，也是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。参考系——用于定义刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。刀具角度参考系刀具静止参考系——标注角度刀具工作参考系——工作角度1.刀具静止参考系（标注角度参考系）前提条件：假定运动条件——不考虑进给运动；假定安装条件——车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面Pr平行；正交平面参考系法平面参考系假定工作平面参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。第一章金属切削基本知识正交平面参考系：假定Vc假定f（1）基面Pr：“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”（2）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”。（3）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”。基准平面Pr

—

Ps

—

Po组成的静止参考系称为刀具的正交平面参考系。第一章金属切削基本知识2.正交平面参考系中标注的刀具角度（视频）(1)在正交平面内测量的角度前角：γo“前刀面与基面之间的夹角”。后角：αo“后刀面与切削平面的夹角”第一章金属切削基本知识2.正交平面参考系中标注的刀具角度(2)在基面内测量的角度：主偏角Kr：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。副偏角Kr/：“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。刀尖角εr

：“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。εr=180º-(Кr+Кr’)第一章金属切削基本知识2.正交平面参考系中标注的刀具角度(2)在基面内测量的角度：第一章金属切削基本知识2.正交平面参考系中标注的刀具角度(3)在切削平面内测量的角度：刃倾角：λS“主切削刃与基面之间的夹角”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。第一章金属切削基本知识2.正交平面参考系中标注的刀具角度(3)在切削平面内测量的角度：第一章金属切削基本知识

从以上刀具标注角度的定义可知，对于主切削刃具有4个独立角度：γo、αo、κr、λs。同理，对于副切削刃也有4个独立角度：γo/、αo/、κr/、λs/。由于外圆车刀的主切削刃和副切削刃共一个前刀面，所以外圆车刀的独立角度只有6个：γo、αo、κr、κr/、λs、αo/。在刀具设计图上，必须标注这6个角度，如图1.8所示。2.正交平面参考系中标注的刀具角度

第一章金属切削基本知识2.正交平面参考系中标注的刀具角度

外圆车刀的标注角度车刀角度视频

第一章金属切削基本知识3.其他平面参考系除了正交平面参考系外，标注刀具角度的参考系还有法平面参考系，假定工作平面、背平面参考系。第一章金属切削基本知识3.其他平面参考系(1)法平面Pn与法平面参考系法平面Pn

通过切削刃上的选定点，并垂直于切削刃的平面。注意，正交平面是垂直于切削刃在基面的投影。基准平面Pr

—

Ps

—

Pn组成的静止参考系称为刀具的法平面参考系。第一章金属切削基本知识法平面参考系刀具在法平面参考系中定义的静态角度也有六个：即：法前角gn、法后角an、主偏角kr、刃倾角ls、副偏角kr’、副法后角an’其中主偏角kr、刃倾角ls、副偏角kr’

同正交平面参考系中的角度完全相同，其余三个角度，即法前角gn、法后角an、副法后角an’的定义不一样。正交平面参考系与法平面参考系之间的角度换算公式：第一章金属切削基本知识假定工作平面、背平面参考系背平面Pp

通过切削刃上的选定点，垂直于基面和假定工作平面的平面。假定工作平面Pf

通过切削刃上的选定点，垂直于基面且与假定进给运动方向平行的平面。由基准平面Pr

—

Pf

—

Pp组成的静止参考系称为刀具的假定工作平面—背平面参考系。第一章金属切削基本知识假定工作平面、背平面参考系FF刀具在假定工作平面

—

背平面参考系中定义的刀具角度也有六个：即：侧前角gf

、侧后角af

、背前角gp、背后角ap

副侧后角af’、副背后角ap’第一章金属切削基本知识1.2.3刀具工作角度以上介绍的刀具标注角度，是基于下列两个假设条件的基础上建立起来的。

实际切削加工时，上述假定条件往往会发生变化，从而引起坐标平面随之变化，最终导致实际起作用的角度与标注角度不同。因此，必须按切削工作时的参考系来确定刀具角度，即工作角度。

注意，工作角度还不是实际切削角度。实际切削角度必须进一步考虑切削时积屑瘤、振动及流屑方向等影响。1.刀具工作参考系(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和工作切削平面的平面。工作基面Pre、工作切削平面Pse和工作正交平面Poe三个平面两两垂直，组成了刀具工作参考系。第一章金属切削基本知识2.刀具工作角度分析(1)刀具安装位置对工作角度的影响

（视频）

①刀尖安装与工件中心不等高时对工作前、后角的影响

如图1.12所示，车削外圆时，若车刀刀尖高于工件中心时，则工作前角增大，工作后角减小。若刀尖低于工件中心时，则工作前角减小，工作后角增大。图1.12车刀安装高度对工作角度的影响a)刀尖高于工件轴线

b)刀尖低于工件轴线γoe、αoe——工作前角、工作后角θ——由于车刀安装而引起的工作切削平面与切削平面的夹角，sinθ=2h/d。第一章金属切削基本知识2.刀具工作角度分析②刀杆轴线与进给方向不垂直对工作主、副偏角的影响如图1.13所示，若刀杆轴线与进给方向不垂直，则工作主偏角和工作副偏角将发生变化。图1.13刀杆安装偏斜对工作角度的影响(1)刀具安装位置对工作角度的影响

第一章金属切削基本知识(2)进给运动对刀具工作角度的影响①横向进给对工作前、后角的影响如图1.14所示，车端面或切断时，切削刃相对工件运动轨迹不是一个圆，而是阿基米德螺旋线，工作基面和工作切削平面转过了一个μ角，使工作前角增大，工作后角减小。

图1.14横向进给运动对工作角度的影响γoe=γo+μαoe=αo-μμ——工作切削平面与切削平面的夹角，tanμ=f/∏d。μ是变量，越接近中心μ越大，αoe越小，使主后面与工件摩擦剧烈。切断车削接近中心时，实际为挤断。

2.刀具工作角度分析第一章金属切削基本知识

(2)进给运动对刀具工作角度的影响②纵向进给对工作前、后角的影响如图1.15所示，车外圆时，由于有纵向进给运动，工作切削平面相切于螺旋面，使工作基面和工作切削平面倾斜了一个μ角，使车刀的工作前角增大，工作后角减小。

图1.15纵向进给运动对工作角度的影响γoe=γo+μαoe=αo-μ式中

μ——由于纵向进给使得工作切削平面相对于切削平面的倾斜角。tanμ=fsinKr/∏dw2.刀具工作角度分析第一章金属切削基本知识1.3刀具材料为了保证机械加工的顺利进行，获得高的加工精度、良好的表面质量及高的生产效率，除了要求刀具具有合理的结构和角度外，还要求刀具材料具有良好的性能。1.3.1刀具材料应具备的性能1、高的硬度；必须高于工件硬度，通常应60HRC以上。2.足够的强度和韧性——承受很大的切削力、冲击和振动。3.高的耐磨性——刀具要经受剧烈地摩擦，很容易被磨钝。4.高的耐热性——在高温下保持或基本保持其硬度、强度、韧度和耐磨性的能力。耐热性好，则允许的切削速度高，抵抗塑性变形的能力强。5.良好的工艺性；第一章金属切削基本知识1.3.2常用刀具材料

常用的刀具材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。目前生产中用得最多的主要是高速钢和硬质合金。碳素工具钢（如T10A、T12A等）和合金工具钢（如9SiCr、CrWMn等）由于耐热性差，目前主要用于手工工具或切削速度较低的刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料目前应用还不够广泛，但由于其高硬度、高耐磨性和高耐热性，正受到越来越多的重视。

1、高速钢（1900年首次使用）高速钢——含有较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等元素的高合金工具钢。基本性能：硬度：62-67HRC耐热性：550-650℃与普通合金工具钢相比，切削速度提高1～3倍，刀具寿命提高10～40倍。切削速度：V<30m/min工艺性好，适用于制造复杂刀具。第一章金属切削基本知识1、高速钢按照切削性能通用高速钢高性能高速钢按制造工艺熔炼高速钢粉末冶金高速钢按基本化学成分钨系高速钢钼系高速钢第一章金属切削基本知识表1.1常用高速钢的牌号与性能

类别牌

号常温硬度（HRC）抗弯强度GPa冲击韧性(MJ•m-2)高温硬度600℃（HRC）通用高速钢W18Cr4V63~663~3.40.18~0.3248.5W6Mo5Cr4V263~663.5~40.3~0.447~48W14Cr4Mn-Re64~6640.2548.5高性能高速钢高碳9W18Cr4V66~683~3.40.17~0.2251高钒W12Cr4V4Mo63~663.20.2551超硬W6Mo5Cr4V2AL67~692.9~3.90.23~0.355W10Mo4Cr4V3AL67~693.1~3.50.2~0.2854W2Mo9Cr4VCo867~692~3.80.23~0.3~55第一章金属切削基本知识1、高速钢(1)通用高速钢

按其化学成分钨系高速钢钼系（或钨钼系）高速钢钨系高速钢的典型牌号是W18Cr4V。钨系高速钢是我国应用最多的高速钢，具有较好的综合性能，通用性较强，常用于制造各种复杂刀具。由于钨资源有限，价格高，碳化物不够均匀等，目前正逐步被其他材料部分替代。

钼系高速钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2。它是在钨系高速钢基础上用Mo代替了一部分W。钼系高速钢的密度小于钨系高速钢，综合性能与钨系相近，但碳化物晶粒较细小、分布较均匀，故强度和韧度好于钨系高速钢，可用于制造大截面尺寸的刀具，特别是热状态下塑性好，适于制造热轧刀具（如热轧钻头）。主要缺点是热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围较窄。

第一章金属切削基本知识1、高速钢(2)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、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。高性能高速钢包括高碳高速钢、高钒高速钢、钴高速钢、铝高速钢及粉末冶金高速钢等。高性能高速钢的典型牌号有W6Mo5Cr4V2AL、W10Mo4Cr4V3AL、W2Mo9Cr4VCo8等。

(3)粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是将熔融的高速钢液，通过高压惰性气体雾化而得到细小的高速钢粉末，然后热压锻轧成形，再经烧结而成。与熔炼高速钢相比，其硬度和韧性较高，热处理变形小，磨削加工性好，材质均匀，质量稳定可靠，刀具寿命长。尤其适合制造各种精密刀具和形状复杂的刀具，如精密螺纹车刀、复杂成形刀具等。第一章金属切削基本知识2.硬质合金

硬质合金是用高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC）微米级粉末，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）等金属为粘结剂，以粉末冶金方法烧结而成的一种合金刀具材料。

基本性能：硬度：89~91HRC

耐热性：800~1000℃允许的切削速度是高速钢的5～10倍；切削速度：V=100~300m/min

但强度和韧性比高速钢差，制造工艺性也较差。主要用于制造形状简单的高速切削刀片。硬质合金按其化学成分与使用性能可分为4类：钨钴类YG（WC+Co）钨钛钴类YT（WC+TiC+Co）添加稀有金属碳化物类YW（WC+TiC+TaC/NbC+Co）及碳化钛基类等。第一章金属切削基本知识

牌号物理力学性能使用性能使用范围相当于ISO牌号硬度抗弯强度/GPa耐磨耐冲击耐热材料加工性质HRAHRCYG391781.08铸铁、有色金属及其合金连续切削时精加工、半精加工，不能承受冲击载荷K05YG6X91781.37铸铁、冷硬铸铁、高温合金精加工、半精加工K10YG689.5751.42铸铁、有色金属及其合金连续切削粗加工、间断切削半精加工K20YG889741.47铸铁、有色金属及其合金间断切削粗加工K30YT589.5751.37碳素钢、合金钢粗加工，可用于间断切削加工P30YT1490.5771.25碳素钢、合金钢连续切削粗加工、半精加工，间断切削精加工P20YT1591781.13碳素钢、合金钢连续切削粗加工、半精加工，间断切削精加工P10YT3092.5810.88碳素钢、合金钢连续切削精加工P01YW192801.28

较好较好难加工钢材精加工、半精加工M10YW291781.47

好

难加工钢材半精加工、粗加工M20表1.2常用硬质合金的牌号及性能第一章金属切削基本知识(1)钨钴类YG（WC+Co）硬质合金代号——YG，相当于ISO标准中的K类。主要牌号有YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等。Y——硬质合金，G——钴，数字——钴含量的百分数，“X”表示细晶粒组织，无“X”的为中晶粒。

基本特性——YG类硬质合金主要由WC和Co组成。含Co少则硬度高、耐热、耐磨性好，但脆性增加。含Co多则抗弯强度和冲击韧性好，适合粗加工。应用——YG类硬质合金主要用于加工硬、脆的铸铁、有色金属和非金属材料。一般不适宜加工钢件，因为加工钢件温度较高，易产生粘结与扩散磨损而使刀具迅速失效。但加工一些特殊硬铸铁、不锈钢、Ti合金等效果较好。第一章金属切削基本知识(2)钨钛钴类YT（WC+TiC+Co）硬质合金代号——YT

，相当于ISO标准中的P类。主要牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等。YT类硬质合金的硬质相除WC外，还含有5～30%的TiC，牌号中的数字表示TiC含量的百分数。基本特性——牌号中的数字表示TiC含量的百分数。其含量越高，硬度、耐磨性和耐热性越高，但抗弯强度降低。与YG类相比，YT类的硬度、耐热、耐磨性较好，但更脆。应用——YT类硬质合金主要用于加工钢件，不适宜加工铸件和含Ti的不锈钢。第一章金属切削基本知识(3)钨钛钽（铌）类硬质合金YW

代号——YW，相当于ISO标准中的M类。主要牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等。成分和基本特性——在YT类硬质合金中加入TaC或NbC，以提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、耐热性、耐磨性。

应用——YW类既可用于加工铸铁、有色金属，也可加工钢件，故称为通用硬质合金。3.涂层刀具材料

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物获得的。这是解决硬质合金硬度与冲击韧性之间的矛盾比较经济的办法，使用效果很好，近年发展较快。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。其晶粒尺寸在0.5μm以下，涂层厚度为5—10μm。TiC涂层呈灰色，硬度高、耐磨性好，抗氧化性好，切削时产生氧化钛膜，能减少摩擦和磨损，但较脆，不耐冲击。TiN涂层呈金黄色，硬度稍低于TiC涂层，高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦小，抗粘结性好。Al2O3在高温下具有良好的热稳定性。单涂层刀片目前已不太用，而大多采用TiC—TiN、TiC—Al2O3双涂层或TiC—Al2O3—TiN多涂层。第一章金属切削基本知识4.其它刀具材料

陶瓷刀具材料“Al2O3或Si3N4添加不同的金属元素(Ni、Co、Mo、W)或金属碳化物(TiC、WC)，采用热压和烧结的方法获得”。

类型氧化铝（Al2O3）系陶瓷氮化硅（Si3N4）系陶瓷Si3N4-Al2O3系复合陶瓷

Al2O3系陶瓷的特点：优点——硬度高，常温硬度可达92～95HRA；耐热性好，在12000C时硬度下降很少，仍保持80HRA；化学稳定性好，与钢不易亲和，抗粘结、抗扩散能力较强。缺点——抗弯强度低、韧性差、抗冲击性能差。应用——Al2O3-TiC复合陶瓷用得较多，主要用于高速精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢等。Si3N4系陶瓷的特点——有较高的抗弯强度和冲击韧性，可承受较大的冲击负荷；热稳定性高，可在13000～14000C下进行切削；导热系数大于Al2O3系陶瓷，热膨胀系数则小于Al2O3系陶瓷，故可承受热冲击。应用——此种陶