第一章金属切削加工的基本知识

金属切削加工的基本知识

【任务目标】

1、 理解金属切削加工的基本概念 2、 掌握切削运动与切削用量

3、 熟悉切削刀具的几何形状、材料及选择方法 【教学课时】3课时 导入新课：

金属切削加工，通常又称为机械加工，是通过刀具与工件之间的相对运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的加工方法。

切削加工的基本形式有：车、铣、刨、磨、钻等，包括钳工加工（錾、锉、锯、刮削、钻孔、铰孔、攻丝、套丝等）

一般情况下，通过铸造、锻造、焊接及轧制的型材毛坯精度低和表面粗糙度大，必须进行切削加工才能成为零件。

本章主要介绍金属切削加工中的基本规律和现象。 讲授新课：

＆1 金属切削加工的基本概念

一、切削运动和切削要素 1、切削运动

切削运动是为了形成工件所必需的刀具和工件之间的相对运动。 切削运动按其作用不同，分为主运动和进给运动。 （1）主运动

是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动；一般切削运动中，主运动只有一个。

各种机械加工的主运动： 车削：工件的旋转 铣削：铣刀的旋转

刨削：刨刀（牛头刨）或工件（龙门刨）的往复直线运动 钻削：刀具（钻床上）或工件（车床上）的旋转。 （2）进给运动

是使新的切削层金属不断地投入切削，从而切出整个表面的运动；进给运动可以是一个或多个。

各种机械加工的进给运动：

车削：刀具的移动 铣削：工件的移动

钻孔：钻头沿轴向移动 内外圆磨削：工件旋转和移动

切削加工过程中，为实现机械化和自动化，提高效率，除切削运动外，还需要辅助运动。如切入运动，空程运动，分度转位运动、送夹料运动及机床控制运动等。

切削过程中形成三个表面：

待加工表面、加工表面、已加工表面

2、切削要素

包括切削用量和切削层横截面要素。 （1）切削用量三要素

1）切削速度 v

是主运动的线速度（m/s 或 m/min ） 旋转主运动：

2）进给速度vf 或进给量f

vf ：单位时间内刀具对工件沿进给方向的相对位移（mm/s 或mm/min） 进给量f：工件或刀具每转一周，刀具对工件沿进给方向的相对位移。（mm/r） 切削时间 t = L/vf = L/nf 3）背吃刀量ap（切削深度）

工件已加工表面和待加工表面的垂直距离（mm）

dw?dm外圆车削：ap?

2

dm钻孔：ap?

2

合成切削运动 ：ve = v +vf （向量的关系） （2）切削层横截面要素

切削层是指刀具与工件相对移动一个进给量时，相邻两个加工表面之间的金属层，切削层的轴向剖面称为切削层横截面。 1）切削宽度 aw

是指刀具主切削刃与工件的接触长度。

切削宽度、切削深度与主偏角的关系：sinKr = ap / aw 2）切削厚度 ac

是刀具或工件每移动一个进给量f 时，刀具主切削刃相邻的两个位置间的垂直距离（mm）： ac = f sin Kr 3）切削面积 Ac

即切削层横截面的面积：Ac = ap f = ac aw 二、刀具切削部分基本定义 1、刀具切削部分的结构要素

任何刀具都由切削部分和夹持部分组成 刀具切削部分的结构要素（讲解图1-3）： （1）前刀面Ar ：切屑流出的表面。

（2）后刀面Aα：与工件上新形成的过渡表面相对的刀面 （3）副后刀面Aα'：与工件上已加工表面相对的刀面。

（4）主切削刃：前刀面与后刀面的交线，在切削过程中担负主要切削任务。 （5）副切削刃：前刀面与副后刀面的交线。

（6）刀尖：指主切削刃与副切削刃的交点或连接部分。

刀具切削部分必须具有合理的几何形状，才能保证切削加工的顺利进行。为了确定刀具表面在空间的相对位置，可以用一定的几何角度表示。 2、刀具角度的参考系

确定刀具几何角度的参考系有两类：

一是刀具标注角度参考系，是刀具设计图上的角度所采用的基准

二是刀具工作角度参考系，是确定刀具在切削运动中有效工作角度的基准

区别：刀具标注角度参考系由主运动方向确定；而刀具工作角度参考系则由合成切削

运动方向确定。

由于进给速度一般远小于切削速度，因此刀具工作角度近似等于刀具标注角度。 构成刀具标注角度参考系的参考平面有：基面、切削平面、主剖面、切削法剖面、进给剖面和切深剖面。 （1）基面Pr

定义：通过切削刃上选定点，垂直于主运动的平面。

基面通常平行或垂直于刀具在制造、测量、刃磨时适合于安装或定位的一个平面或轴线（例如：普通车刀的基面Pr平行于刀具底面） （2）切削平面Ps

定义：通过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面。 削平面也是由切削刃和切削速度方向构成的平面。

基面和切削平面是刀具标注角度参考系中两个基本的参考平面，由基面和切削平面与下面讲述的任一剖面，便构成各种不同的刀具角度参考系。

课堂小结：切削运动、切削用量三要素和切削层横截面要素基面、切削平面的定义 作业布置：预习下次课内容

＆2刀具平面和刀具浇道

复习提问：切削用量三要素、基面、切削平面的定义

导入新课：基面和切削平面是刀具标注角度参考系中两个基本的参考平面，由基面和

切削平面与下面讲述的任一剖面，便构成各种不同的刀具角度参考系。

讲授新课：

（3）主剖面Po和主剖面参考系

定义：主剖面Po是通过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面，它必须垂直于切削刃在基面上的投影。

主剖面参考系：由Pr - Ps - Po 组成的正交参考系，是最常用的刀具标注角度参考系。

（4）切削刃法剖面Pn和法剖面参考系

定义：法剖面Pn是通过主切削刃选定点，并垂直于切削刃的平面。 法剖面参考系：由Pr - Ps - Pn 组成的参考系。

（5）进给剖面Pf和切深剖面Pp及进给、切深剖面参考系

定义：进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向，并垂直于基面Pr的平面。

切削剖面Pp是通过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr和进给剖面Pf的平面。

由Pr - Pf - Pp构成进给、切深剖面参考系。 3、刀具的标注角度

（1）主剖面参考系内的标注角度 1）主剖面参考系内的标注角度

前角γo：前刀面与基面间的夹角，有正、负之分。

后角αo：后刀面与切削平面之间的夹角，一般取正值。 楔角βo：前刀面与后刀面之间的夹角，γo+αo+βo = 90° 2）在基面Pr内的标注角度

主偏角κγ：切削平面与进给平面间的夹角，即主切削刃在基面内的投影与进给运动方向的夹角。

副偏角Kγ'：副切削刃与进给运动方向在基面内投影的夹角

刀尖角εγ：切削平面与副切削平面间的夹角，即主切削刃与副切削刃在基面上投影间的夹角。

Kγ+Kγ'+εγ = 180°

余偏角ψγ：切削平面与切深剖面的夹角，即主偏角的余角 3）在切削平面Ps内标注的角度

刃倾角λs：主切削刃与基面内的夹角，有正、负之分。 （2）法剖面参考系内的标注角度

（3）进给、切深剖面参考系内的标注角度

与主剖面参考系内的标注角度相似，区别在于将γo、αo、βo换成了γn、αn、βn和γf、αf、βf及γp、αp、βp 。 4、刀具工作角度

刀具的标注角度是在假定运动条件和假定安装条件下的标注角度。当考虑合成运动和实际安装情况时，刀具的参考系将发生变化。 （1）进给运动对工作角度的影响

图1-8 以切断工件为例

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为通过切削刃上选定点切于圆周的平面，基面Pr为通过切削刃上该点切于圆周的平面，对应前角、后角为γo、αo

当考虑横向进给运动时，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹，是一平面阿基米德螺旋线，实际切削平面Pse为过切削刃选定点并切于螺旋线的平面，相应基面为Pre，角度变化值为η。

则实际前角为γoe=γo +η；

αoe = αo - η

η角称为合成切削速度角，它是主运动方向与合成切削运动方向的夹角。tanη = vf/vc = f / πd

工件直径减小或进给量增大都将使η值增大，工作后角减小。一般情况下，（如普通车削、镗削、端铣），η值很小，可忽略不计。但在车螺纹或丝杠、铲背时，η值很大，则不可忽略。

（2）刀具安装情况对工作角度的影响 1）刀具安装高低对工作角度的影响

图1-9当车刀车外圆，当刀尖安装得高于工件中心线时，在工作切深剖面内的工作前角和工作后角的角度变化值为θp

sinθp = 2h/dw

则γpe = γp + θp ; αPe = αP - θp

在主剖面内的前、后角变化与切深剖面内相似。 2）刀杆中心线与进给方向不垂直时对工作角度的影响

当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，主偏角和副偏将变化变化：κγe = κγ±G ；κγe' = κγ' + G

课堂练习：用图表示外圆车刀的标注角度

课堂小结：刀具标注角度参考系中各参考平面的定义；刀具标注角度和工作角度的区别

＆3、刀具材料及选用

复习提问：用图表示切断车刀的前角、后角、主偏角、副偏角、刀尖角？ 导入新课：刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。在切削过程中，刀具的切削能力，

直接影响着生产率、加工质量和加工成本。而刀具的切削性能，主要取决于刀具材料；其次是刀具几何参数和刀具结构的选择与设计是否合理。

讲授新课：

三、刀具材料及选用

1、刀具材料应具备的性能 1）高的硬度和耐磨性

即比工件材料硬和抵抗磨损的能力强。一般来说，硬度越高，耐磨性好。常温硬度须在HRC62以上，并要求保持较高的高温硬度。 2）足够的强度和韧性

即承受切削中的冲击和振动，避免崩刃和折断。 3）高的耐热性

即高温下保持高硬度、高强度和高韧性的能力，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。

4）良好的工艺性

即要求刀具材料有较好的可加工性，可磨削性和热处理性。 5）好的导热性和小的膨胀系数

在其它条件相同时，刀具材料的导热系数越大，则由刀具传出去的热量就越多，有利于降低切削温度和提高刀具的使用寿命。线膨胀系数小，可减小刀具的热变形。

此外，还应考虑刀具材料的经济性。

常用的刀具材料主要有：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷、金钢石和立方氮化硼等。

碳素工具钢与合金工具钢因耐热性差，仅用作如锉刀，錾子、锯条、手用丝锥等手工工具。

陶瓷、金钢石、和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在小范围使用。

目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。 2、高速钢

高速钢是加入了W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。具有较高的耐热性，可在500~650°的温度下进行切削加工，同时具有高的强度和冲击韧性。

高速钢按用途分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造方法分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

（1）普通高速钢 1）钨系高速钢

典型牌号W18Cr4V，可用于制造各种复杂刀具。缺点是碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具和小截面刀具的耐用度。 2）钨钼系高速钢

典型牌号是W6Mo5Cr4V2。

特点是碳化物细小并且分布均匀，抗弯强度和冲击韧性均超过W18Cr4V，热塑性好，常用于轧制和扭制麻花钻，也可用于制造大尺寸刀具。

缺点是热处理时脱碳倾向较大，较易氧化，淬火温度较窄。 （2）高性能高速钢

通过调整基本化学成分和添加其他合金元素（如钴、铝等），以提高其耐热性和耐磨性。主要用于加工高强度钢、高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料。 （3）粉末冶金高速钢

影响熔炼高速钢制造质量的主要原因是碳化物分布的均匀性和碳化物粗细的控制。

采用粉末冶金高速钢可以完全消除碳化物偏析提高刀具质量

优点：韧性与硬度较高，可磨性有显著改善，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，刀具使用寿命长。可切削各种难加工材料，特别适用于制造各种精密刀具和形状复杂 的刀具。 3、硬质合金

硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。

特点：硬度、耐磨性、耐热性都超过高速钢。允许切削温度高达800~1000°，因此切削速度高。

多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均采用硬质合金制造。

（1）硬质合金的种类、牌号和性能

常有的硬质合金是以WC为基体，分为WC—Co（YG类）、WC—TiC—Co（YT类）、WC—TaC（NbC）—Co（YG6A）、（YW类）。

TiC基硬质合金（TiC—WC—Ni—Mo），代号为YN，相当于P类（YT类）。

（2）硬质合金的选用

讲解表1-1

WC—Co（YG类）一般用于加工铸铁、有色金属及合金；WC—TiC—Co（YT类）则用于高速切削钢料。

对于高温合金、不锈钢等难加工材料，由于工件材料中含钛，导热系数低，容易发生冷焊，切削力大，切削温度高，因此要求刀具中不含（或少含）钛，并有较好的导热性，以便减轻冷焊并降低切削温度。说明加工难加工材料选用YG类并采用较低的切削速度较为合适。

精加工时宜选用含Co少（硬度高）的合金；粗加工或有冲击载荷时宜选用含Co多（抗弯强度大）的合金。

在WC—Co合金中添加少量TaC（或NbC）可显著提高高温强度、高温硬度和耐 磨性，而抗弯强度则略有降低，使切削性能获得改善。（YG6A属此类）

在TiC含量少于10%的WC—TiC—Co合金中，添加少量TaC（或NbC），可提高韧性和抗冷焊性，同时耐磨性好，既可加工铸铁、有色金属，又可加工碳素钢，合金钢，也适合于加工高温合金、不锈钢等难加工钢料，称为“通用合金”（YW类）。 4、其它刀具材料 （1）涂层硬质合金

是在韧性较好的硬质合金基体上，涂一层硬度、耐磨性极高的难熔金属化合物而获得。它能够较好地解决刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，具有较好的切削性能。

与未涂层刀具相比，能降低切削力和切削温度，并提高已加工表面质量。

由于涂层硬质合金刀具有高的耐磨性和抗月牙洼磨损的能力，摩擦系数小，耐热性高，通用性好等优点，故可用于各种钢和铸铁的粗加工、半精加工、精加工和高速精加工。一种涂层刀片可代替几种非涂层刀片的使用。

涂层刀片不适于切削高温合金、钛合金、有色金属及某些非金属，不能采用焊接结构，不能重磨使用。 （2）陶瓷

特点：有很高的高温硬度，在1200°硬度仍能达到HRA80；与被加工金属亲和作用小，不易氧化，与普通钢不易发生粘结和扩散作用，摩擦系数小。

缺点：抗弯强度和冲击韧性很差，导热系数低，线膨胀系数大。对冲击十分敏感，容易破裂。

主要用于加工各种钢、铸铁及有色金属，不适用于加工铝合金、钛合金和某些耐热钢。

（3）金刚石

是目前最硬的材料，硬度很高（HV10000）但耐热性不高。

既适用于硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度耐磨材料的加工，又能切削其它有色金属及其合金，但不适用于加工钢铁材料（由于铁和碳原子的亲和性产生冷焊作用而损坏刀具）。 （4）立方氮化硼

硬度仅次于金刚石，热稳定性和化学惰性则大大优于金刚石。耐热温度达到1300~1500°，与铁族材料的亲和作用小，能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等，从而提高生产效率。对淬硬零件进行精车，其加工精度和表面质量足以代替磨削。

立方氮化硼刀具能用金刚石砂轮磨削，而金刚石刀具的磨削则要困难得多。 课堂小结：几种常用的刀具材料的应用特点 作业布置：课后练习

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