1、第 1 章 金属切削的基本要素,1.1 车削运动 1.1.1 加工表面的成形运动 1.2 加工表面和切削用量三要素 1.2.1 工件加工表面 1.2.2 切削用量三要素 1.3 刀具角度 1.3.1 刀具切削部分的结构要素 1.3.2 刀具角度的参考系 1.3.4 刀具标注角度 1.4 切削层参数与切削方式 1.4.1 切削层参数 1.4.2 切削方式,第 1 章 金属切削的基本要素,1-1切削运动，加工表面和切削用量三要素金属切削加工：金属切削刀具与工件（被加工零件）按一定规律的轨迹作相对运动，通过刀具上的切削刃切除工件上多余的金属，从而使工件的的形状、尺寸、相互位置精度及表面质量达到规定的
2、要求。在金属切削加工过程中有两个基本要素：一个是成形运动，另一个是刀具。机床的运动是为了加工出所需要的工件表面，我们把这种为了加工出所需要的工件表面，机床所进行的运动叫机床的切削运动,一，车削运动和工件上的加工表面 （）车削运动：,其运动共有两个：a:工件回转运动 (主运动)b:车刀纵向进给运动,录像：车削外圆端面,（） 切削过程中工件上的加工表面 (1) 待加工表面：加工时即将被切除的表面。(2) 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。(3) 过渡表面：加工时由主切削刃正在切削的那个表面，它是待加工表面和已加工表面之间的表面。 在切削过程中，切削刃相对于工件运动轨迹面，就是
3、工件上的过渡表面和已加工表面。显然，这里有两个要素，一是切削刃，二是切削运动。不同形状的切削刃与不同的切削运动组合，即可形成各种工件表面，如图1-13所示。 录像：加工表面，切削用量三要素,二. 主运动、进给运动和合成切削运动,各种切削加工中的成形运动，按照它们在切削过程中所起的作用，可以分为主运动和进给运动两种，而这两个运动的向量和称为合成切削运动。所有切削运动的速度及方向都是相对于工件定义的。 (1)主运动由机床或手动提供的刀具与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。主运动的特征：消耗的功率比较大，速度也比较高。在表面成形运动中
4、，必须有而且只能有一个主运动。主运动的方向：切削刃上选定点相对工件的瞬时主运方向。主运动的大小（切削速度）：切削刃上选定点相对工件的主运动的瞬时速度。,如图1-10所示，在车削时，工件的回转运动是主运动；在钻削、铣削和磨削时，刀具或砂轮的回转运动是主运动；在刨削时，刀具或工作台的往复直线运动是主运动。主运动可能是简单的成形运动，也可能是复合的成形运动。上面所述各种切削中的主运动都是简单运动。图1-7(b)所示的车削螺纹，主运动就是复合运动B11A12。,(2)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。 进给运动的特征：消耗
5、的功率较小，速度较低。进给运动可能是连续的，也可能是间歇的。可以是一个，也可以是多个，也可能没有。可以是简单运动，也可以是复合运动。 进给运动的方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给运动的方向。 进给运动大小（进给速度VC）：切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。 例如在车床上车削圆柱表面时，刀架带动车刀的连续纵向运动是连续的进给运动。 又如在牛头刨床上加工平面时，刨刀每往复一次，工作台带工件横向间歇移动一次是间歇的进给运动。上述两个例子的进给运动都是简单运动。,(3)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。,合成切削运动的方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时合成切削运
6、动的方向。合成切削运动的大小（合成切削速度Ve ）：切削刃上选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。合成切削速度角：主运动方向和合成切削运动方向之间的夹角。在工作进给剖面c内度量。 Ve=Vccos,录像：深孔钻,三， 切削用量三要素,切削用量三要素包括：切削速度Vc、进给量f和切削深度ap。 1切削速度VC 主运动为回转运动时，切削速度的计算公式如下：VC = (m/min 或 m/s）式中 d工件或刀具上某一点的回转直径（mm） n工件或刀具的转速（r/min 或 r/s）在生产中，磨削速度的单位习惯上用m/s(米秒)，其它加工的切削速度单位用m/min(米分)。,由于切削刃上各点的回转
7、半径不同(刀具的回转运动为主运动)，或切削刃上各点对应的工件直径不同(工件的回转运动为主运动)，因而切削速度也就不同。考虑到切削速度对刀具磨损和已加工表面质量有影响，在计算切削速度时，应取最大值。 车削外圆时： VC = 车削内圆时： VC = 钻削圆孔时： VC = dW 待加工表面直径 dm 已加工表面直径,2进给速度 Vf （进给量 f 和每齿进给量f z）,进给速度Vf：单位时间内的进给位移量，单位是mm/min。进 给 量 f：工件或刀具每回转一周时二者沿进给方向的相对位移量，单位是mm/r。每齿进给量fz：多刃刀具（铣刀、铰刀、，拉刀、齿轮滚刀）每移动一个刀齿的进给位移量，单位是m
8、mZ。对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定间歇进给速度，但要规定间歇进给的进给量，单位为mm双行程。显然进给速度Vf进给量f和每齿进给量fZ有如下关系：Vf = fn = fz zn,3切削深度ap,对于车削和刨削来说切削深度ap为:工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。单位为mm。外圆车削时切削深度为：ap=钻削时切削深度为： ap=铣削:切削深度为沿铣刀轴向度量的尺寸,1-刀具切削部分的基本定义,一，刀具切削部分的组成 尽管金属切削刀具的种类繁多，但其切削部分的几何形状与参数都有共性，即不论刀具结构如何复杂，其切削部分的形状总是近似地以外圆车刀切削部分的形状为基本
9、形态。因此，在确定刀具切削部分几何形状的一般术语时，常以车刀切削部分为基础。外圆车刀切削部分的结构要素如图1-14所示。 三面两刃一尖 1.前 刀 面A ： 切屑流过的刀面。 2.主后刀面A ： 与工件过渡表面相对的刀具表面。 3.副后刀面A：与工件已加工表面相对的刀具表面。 4.主切削刃S ： 前刀面与主后刀面的交线。 5.副切削刃S： 前刀面与副后刀面的交线。 6.刀 尖 ： 主、副切削刃的交点。,二，刀具角度的参考系,参考系：由一系列参考（测量）平面所组成的平面系。 参考系可分为：刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。 1. 刀具标注角度参考系两个假定条件：假定运动条件和假定安装条件。
10、假定运动条件：以主运动方向代替合成切削运动方向。假定安装条件：刀具安装基面与参考平面平行或垂直。两个参考平面：基面、切削平面四个测量平面：主剖面法剖面、进给剖面和切深剖面。两个参考平面测量平面刀具标注角度参考系 ，参考平面（1）基面Pr通过切削刃上选定点，垂直于主运动方向的平面(图1-17)。通常基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。,普通车刀、刨刀的基面Pr平行于刀具底面。 钻头和铣刀等旋转类刀具，其切削刃上各点的主运动(即回转运动)方向都垂直于通过该点并包含刀具旋转轴线的平面，故其基面Pr就是刀具的轴向平面。,(2)切削平面Ps 通过切削刃上选定点与切削刃
11、S相切，并垂直于基面Pr的平面；也就是切削刃S与切削速度方向构成的平面(见图1-18)。 基面和切削平面是两个十分重要的参考平面。这两个参考平面加上以下所述的任一剖面，便构成不同的刀具角度参考系。 (3)主剖面Po 通过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面(见图1-18)。 (4)法剖面Pn 通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。如,Vc,(5)进给剖面Pf 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。通常进给剖面Pf也平行或垂直于刀具上制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。例如，车刀和刨刀的Pf垂直于刀柄底面(图1-19)； 钻头、拉刀、端面车刀、
12、切断刀等的进给剖面Pf平行于刀具轴线；铣刀的进给剖面Pf则垂直于铣刀轴线。 (6)切深剖面Pp 通过切削刃上选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。 由以上六个参考平面可组成三个刀具标注角度参考系： 主 剖 面 参 考 系： Pr Ps Po ； 法 剖 面 参 考 系： Pr Ps Pn ； 进给、切深剖面参考系： Pr Pf Pp 。,. 刀具工作角度参考系,在刀具标注角度参考系里定义基面时，只考虑了主运动，未考虑进给运动。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度往往不能反映切削加工的真实情形，只有用合成切削运动方向来确定参考系，才符合实际情况。因此，刀具工作角度参考系没有两个假定条件
13、（假定运动条件和假定安装条件）。在六个参考（测量）平面前加“工作”两字。工作基面Pre、工作切削平面Pse、工作主剖面Poe、工作法剖面Pne、工作进给剖面Pfe、工作切深剖面Ppe。,由以上六个参考平面可组成三个刀具工作角度参考系： 工作主剖面参考系 Pre Pse Poe ； 工作法剖面参考系 Pre Pse Pne ； 工作进给、切深剖面参考系 Pre Pfe Ppe 。 其详细定义可参见表1-1。,刀具工作角度参考系,（1）工作基面Pre （2）工作切削平面Pse (3)工作正交平面Poe,三，刀具标注角度,，定义：刀具标注角度：在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面之间的方位角度
14、。由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度均应指明是切削刃选定点的角度。下面通过普通车刀给各标注角度下定义，这些定义同样适用于其它类型的刀具。,主剖面参考系内的标注角度 （PrPsPo） （1）基面Pr内的刀具标注角度 1）主偏角r 在基面Pr内测量的切削平面Ps与进给平面Pf (进给方向)的夹角。 2）副偏角r 在基面Pr内测量的副切削平面Ps与进给平面Pf (进给方向)的夹角。 3）刀尖角r 在基面Pr内测量的切削平面Ps与副切削平面Ps的夹角。 4）余偏角r 在基面Pr内测量的切削平面Ps与切深平面Pp的夹角。,基面Pr内的刀具标注角度,工件,进给方向,Kr,Kr
15、=0o,（2）主剖面Po内的刀具标注角度 1）前角o：在主剖面Po内测量的基面Pr与前刀面A的夹角。 2）后角o：在主剖面Po内测量的切削平面Ps与后刀面A的夹角。 3）楔角o：在主剖面Po内测量的前刀面A与后刀面A的夹角。 （3）切削平面Ps内的刀具标注角度 刃倾角S 在切削平面Ps内测量的基面Pr与主切削刃的夹角。 确定单刃刀具切削部分的几何形状的4个独立刀具角度是： 前角O ；后角O ；刃倾角S ；主偏角r,主剖面Po(正交平面)内的刀具标注角度,o,A,A,主剖面Po 通过切削刃上选定点，同时垂直于 基面Pr和切削平面Ps的平面,主剖面Po投影方向,切削平面Ps内的刀具标注角度,S向,
16、切削平面Ps 通过切削刃上选定点与切削刃S相切，并垂直于基面Pr的平面；也就是切削刃S与切削速度方向构成的平面,Pr,+,-,S,A,切削刃,S向(Ps),进给方向,S向,. 法剖面参考系内的标注角度（PrPsPn）,1）法前角n：在法剖面Pn内测量的基面Pr与前刀面A的夹角。2）法后角n：在法剖面Pn内测量的切削平面Ps与后刀面A的夹角。3）法楔角n：在法剖面Pn内测量的前刀面A与后刀面A的夹角。,(1)法剖面Pn参考系内的刀具标注角度,法剖面 Pn内的刀具标注角度,S向,法剖面Pn 通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面,Pr,+,-,S,A,切削刃,N,N,A,A,Pr,Ps,n,n,n
17、,+,S向(Ps),Pn,Pn,.进给、切深剖面参考系内的刀具标注角度 1）进给前角f：在进给剖面Pf内测量的基面Pr与前刀面A的夹角。 2）进给后角f：在进给剖面Pf内测量的切削平面Ps与后刀面A的夹角。 3）进给楔角f：在进给剖面Pf内测量的前刀面A与后刀面A的夹角。 4）切深前角p 在切深剖面Pp内测量的基面Pr与前刀面A的夹角。 5）切深后角p 在切深剖面Pp内测量的切削平面Ps与后刀面A的夹角。 6）切深楔角p 在切深剖面Pp内测量的前刀面A与后刀面A的夹角。,1）切深前角p ：在假定切深平面内测量的基面与前刀面的夹角。 2）切深后角p ：在假定切深平面内测量的切削平面与后刀面的夹角
18、。 3）切深楔角p ：在假定切深平面内测量的前刀面与后刀面的夹角。,进给、切深平面参考系Pr Pf Pp的标注角度,图 车外圆时偏刀的标注角度,S向,S向视图,O,O,OO视图,NN视图,进给方向, 刀具工作角度,图1-15刀具工作角度参考系,（1）工作基面Pre （2）工作切削平面Pse (3)工作正交平面Poe,1，刀刃上选定点安装高低对工作角度的影响,图 切断刀安装高低对工作角度的影响,oe=o+ oe=o- sin=h/r=2h/dw =arcsin(2h/dW),S,2,刀柄轴线与进给方向不垂直时对工作角度的影响,图 1-17 车刀刀杆轴线与进给方向不垂直对工作角度的影响,Kre=k
19、r+ Kre=kr-,3，进给运动对工作角度的影响 ，横车,图 横向进给运动对工作角度的影响,tg=Vf/Vc=f/d=f/2 =arctan(f/2),oe=o+ oe=o-,，纵车,则:工作进给剖面(仍为原进给剖面)内的工作角度为:fe=f+fe=f- 由切削速度合成角的定义 可知: tg=f/dw 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到主 剖面内: tgO=tgsinKr Oe=O+OOe=O-O 由上式可知:不仅与f有关,与dw也有关,1 切削层参数与切削方式 1.1 切削层参数,切削层的尺寸称为切削层参数：hD 、bD 、AD 切削层的工艺尺寸：f
20、、ap 1.切削层 一个刀齿正在切削的金属层。 2.切削厚度 hD 垂直于过渡表面来测量的切削层尺寸。 外圆纵车（S0）时，hDfsinr （mm） 3.切削宽度 bD 沿过渡表面来测量的切削层尺寸。 外圆纵车（S0）时，bDapsinr（mm） 在f 与ap一定的条件下，rhDbD。当r90时，hDf，bDap。 4.切削面积AD 切削层在基面上的投影面积。ADhDbDfap （mm2 ）,5.金属切除率ZW 与切削时间 刀具在单位时间内从工件上切除的金属的体积。是衡量金属切削加工效率的指标。,图1-1 切削层和车外圆切削时间的计算,1.2 切削方式,1. 正切削与斜切削1）正切削（直角切削
21、） 切削刃垂直于合成切削运动方向的切削方式2）斜切削（斜角切削） 切削刃不垂直合成切削运动方向的切削方式 2. 自由切削与非自由切削1）自由切削只有直线主切削刃参加切削方式。2）非自由切削由曲线形主切削刃或主、副切削刃同时参加的切削方式。,第二章 刀具材料,本章主要介绍，目前机械制造业中常用切削刀具材料的种类、机械物理性能及其用途。本章重点是，了解刀具材料类型中常用的高速钢、硬质合金性能、牌号及用途。此外，也介绍了目前国内外生产中使用的高性能涂层刀具材料、陶瓷刀具材料、超硬刀具材料的组成、性能及应用情况。,2. 1 刀具材料应具备的性能,1. 硬度 2. 耐磨性 3. 耐热性 4. 强度和韧性
22、 5. 减摩性 6. 导热性和膨胀系数 7. 工艺性和经济性,刀具材料的种类 1、工具钢 1）碳素工具钢：含碳量为0.651.35% ，T8、T10、T12A。 2）合金工具钢：含碳量为0.901.10% ，并加入35%合金 元素（Cr、Si、Mn、W、V）。 9 Si Cr 、 9 Mn2 V 、 Si W Mn。 （以上两种工具钢的耐热度只有200-500 ）。 3）高速工具钢：含碳量为0.701.60% ，高碳高合金工具钢 2、硬质合金 3、陶瓷 4、金刚石 5、立方氮化硼,2. 2 高速钢,1.高速钢的特点高碳高合金工具钢。含碳量为0.701.65% ，加入一定量的合金元素（W、Mo、
23、Cr、V 、Co、 Mn、Si、Al ）。又称为“锋钢”、“白钢”。 2.高速钢的种类及其选用 1)普通高速钢钨系高速钢：W18Cr4V、W14Cr4VMnRe。钼系高速钢：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V 2)高性能高速钢高碳高速钢：95W18Cr4V、110W6Mo5Cr4V2钴高速钢： W2Mo9Cr4V2Co8(M42)、 W12Mo3Cr4V3Co5Si高钒高速钢：W6Mo5Cr4V3、W9Cr4V5铝高速钢： W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al,高速钢材料制成的中心钻,第二章 刀具材料,第二章 刀具材料,3.新型高速钢 1）粉末冶金高速钢： 2）表面渗入式
24、高速钢： 3）表面涂覆式高速钢：用物理气相沉积法在高速钢表面涂上碳化物（TiC）、氮化物（TiN）等。,涂层高速钢,2.3 硬质合金,硬质合金是以微米级的难熔高硬度金属碳化物（WC、TiC）的粉末，用Co、Mo、Ni作为粘结剂，在高温高压上烧结而成。 1.硬质合金的特点硬度高、耐磨性好、耐热性好、抗弯强度低、冲击韧性差。 硬质合金的性能主要取决于碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的含量。 2.硬质合金的种类及其选用 1）钨钴类硬质合金（WC-Co）：YG3、YG6、YG8、YG3X 2）钨钴钛类硬质合金（WC-TiC-Co）：YT5、YT15、YT30 3）钨钛钽（铌）钴类硬质合金（WC-
25、YiC-TaC（NbC）-Co）： YW1、YW2,3.新型硬质合金 1）通用硬质合金：YW1、YW2 2）细晶粒和超细晶粒硬质合金：YG3X、YG6X 3）TiC基和TiC-TiN基硬质合金：YN5、YN10 4）涂层硬质合金：用化学气相沉积法在硬质合金表面涂上碳化物（TiC）、氮化物（TiN）或氧化物（Al2O3）。 5）钢结硬质合金：以TiC、WC为硬质相，高速钢为粘结剂，用粉末冶金法制成。,涂层硬质合金刀片,硬质合金刀具,2.4 超硬刀具材料,陶瓷 优点：陶瓷刀具的硬度可达9195HRA，具有很高的硬度及耐磨性，刀具耐用度高；耐热性高，在1200 左右硬度可达80HRA；有较好的化学稳
26、定性，与金属的亲和力小，具有较好的抗粘结和抗扩散能力。 缺点：强度和韧性低、脆性大、导热性差等。 种类:1)纯氧化铝陶瓷（Al2O3） 2)复合氧化铝陶瓷（Al2O3+TiC） 3)氮化硅陶瓷（Si3N4） 4)强化陶瓷（Al2O3+SiC） 5)金属陶瓷（TiC+TiN+Ni）,2. 金刚石碳的同素异构体。有天然和人造两种。人造金刚石是在高温高压下，借助合金的触媒作用，由石墨转化而成，可分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）。天然金刚石其硬度达到HV10000左右。聚晶金刚石硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000。金刚石刀具有极高的耐磨性；摩擦因素小；导热性好；不易产生积削瘤 。金刚石
27、的强度和韧性低、脆性大、热稳定性差，当切削温度达700-800时，表面就会碳化，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。与碳元素亲和力大，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。不适合加工黑色金属。,天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01m。 天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。 聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。,天然单晶金刚石晶体,聚晶金刚石刀具
28、,3. 立方氮化硼（立方氮化硼CBN聚晶立方氮化硼PCBN）立方氮化硼是六方立方氮化硼的同素异构体。在高温高压条件下加入催化剂转变而成。 特点： （1）硬度高 其硬度达到HV8000-9000左右，仅次于金刚石刀具。 （2）热稳定性和化学惰性都优于金刚石刀具。 可耐1300-1500的高温。与铁族元素在1200 -1300时不起化学 作用。 2000才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用 比硬质合金小的多。特别适合加工钢铁材料。 （3）导热性好 CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m，是硬质合金的 20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀 尖处温度降
29、低，减少刀具磨损，提高加工精度。,（4）摩擦系数小 CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6）， 且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小， 加工表面质量提高。 （5）耐磨性好 切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金 刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。 应用领域： 加工HRC45以上的硬质材料 例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁 （钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉 末金属表面喷涂（焊）材料等。并用于高速和超高速加工刀具,立方氮化硼刀具,图 2-1 各类刀具材料硬度和韧性, PCBN刀具应用实例,
