機械制造基礎課件

第一章金屬切削過程的基本知識第一節(jié)基本概念

切削加工方法很多，如：車、銑、刨、鉆、拉、鏜等。其中，外因車削最具典型性。

一、切削運動與切削用量

如圖所示以外圓車削為例，要切除工件表面多余金屬層，刀具與工件之間必須有相對運動。即工件必須作回轉運動，刀具作直線運動。

待加工表面

—即將被切去金屬層的表面。

加工表面

（過渡表面）—切削刃正在切削的表面。

已加工表面

—已經(jīng)切去一部分金屬層形成的新表面。第一章金屬切削過程1.切削運動

金屬切削機床的基本運動有直線運動和回轉運動。依其作用不同，可把切削運動分為主運動與進給運動。

（1）主運動

主運動是工件的回轉運動，是切除多余金屬層以形成工件要求的形狀、尺寸精度及表面質量所必須的基本運動，是速度最高、消耗功率最大的運動。這種運動在切削過程中只能有一個。

（2）進給運動

進給運動是指使新的金屑層不斷投入切削過程，使其在所需方向上使切削得以繼續(xù)下去的運動。進給運動可由一個或多個運動組成。一般情況下，進給運動的速度較低、消耗功率較小，是形成已加工表面的輔助運動。進給運動可以是連續(xù)的，也可以是間歇的。第一章金屬切削過程刨、鉆、銑削時的切削運動如下圖所示：第一章金屬切削過程其它切削加工的切削運動及工件表面第一章金屬切削過程其它切削加工的切削運動及工件表面第一章金屬切削過程

（3）合成運動與合成切削速度

切削主運動和進繪運動的合成稱合成切削運動，亦即刀具切削刃上某一點相對工件的運動，其大小與方向用合成速度向量表示。

第一章金屬切削過程（2）進給速度、進給量、每齒進給量

進給速度是單位時間內(nèi)，刀具相對于工件在進給方向上的位移量，記作vf，單位為mm/s或mm／min。

進給量是工件每回轉一周，刀具相對于工件在進給方向上的位移量，記作f，單位為mm／r。

對于銑刀、鉸刀、拉刀和齒輪滾刀等多刃刀具，每個刀刃相對于工件在進給方向上的位移量稱為每齒進給量，記為fZ，單位為mm/Z。vf、f、fZ之間的關系如下式：mm/s或mm/min第一章金屬切削過程（3）背吃刀量

背吃刀量舊稱切削深度。當?shù)毒卟荒芤淮纬缘毒湍芮谐ぜ系慕饘賹訒r，還需由操作者在一次進給后再沿半徑方向完成吃刀運動，習慣上稱每次吃刀的深度為背吃刀量，以ap表示，單位為mm。對于外圓表面加工，ap按下式計算：對于鉆孔（不是擴孔）有：式中dm—已加工表面直徑（mm）。dw—待加工表面直徑（mm）。mmmm第一章金屬切削過程二、刀具切削部分的基本定義

1.刀具切削部分的構造要素

雖然用于切削加工的刀具種類繁多，但刀具切削部分的組成卻有共同點。車刀的切削部分可看作是各種刀具切削部分最基本的形態(tài)。刀具切削部分的構造要素如下圖所示。第一章金屬切削過程第一章金屬切削過程2.刀具標注角度的參考系

刀具角度分為工作角度和標注角度。把刀具同工件和切削運動聯(lián)系起來確定的刀具角度，稱為刀具的工作角度，也就是刀具在使用狀態(tài)下（inuse）的角度。在設計、制造、刃磨和測量刀具時所標注的角度，稱為刀具的標注角度。

為了在設計、制造、刃磨和測量刀具的過程中，能夠正確、統(tǒng)一地確定刀具角度，ISO制訂了一套刀具標注角度參考系。

（1）確定刀具標注角度參考系的假定工作條件

假定運動條件：假定的進給速度很小，即可用主運動向量Vc近似代替合成運動向量Ve。

假定安裝條件：假定標注角度參考系的諸平面平行或垂直與刀具的安裝定位平面或軸線。刀具的標注角度參考平面就是在以上假定條件下確定的。第一章金屬切削過程（2）刀具標注角度參考系的諸平面

基面Pr：通過切削刃上選定點且與該點切削速度方向垂直的平面。一般是平行或垂直于制造、刃磨和測量時適合于安裝或定位的表面或軸線。第一章金屬切削過程第一章金屬切削過程3.刀具工作角度的參考系

上述刀具標注角度參考系，是忽略進給運動條件時給出的，實際上在刀具使用中，應考慮刀具切削刃上選定點的合成運動速度ve、刀尖安裝不一定對準機床中心高度、背平面不一定平行于側安裝面等因素。這時的坐標平面參考系與標注角度參考系不再相同，而稱工作角度參考系，在其內(nèi)的刀具角度稱刀具工作角度。刀具工作角度參考系與標注角度參考系的區(qū)別就是用合成運動ve來代替主運動vc，用實際進給運動代替假定的進給運動。

第一章金屬切削過程4.刀具的標注角度

（1）在主剖面參考系中的刀具標注角度

基面Pr內(nèi)的角度：

主偏角kr

——在基面Pr內(nèi)測量的主切削平面Ps與進給剖面Pf間的夾角。

副偏角kr’——在基面Pr內(nèi)測量的副切削平面Pr’與進給剖面Pf間的夾角。

切削平面Ps內(nèi)的角度：

刃傾角λs

—在切削平面Ps內(nèi)測量的主切削刃S與基面Pr間的夾角稱刃傾角。λs有正負之分，刀尖位于切削刃的最高點時定為正（“十”），反之為負（“一”），它影響切屑流向和刀尖強度。精加工時取λs＞0°，粗加工時取λs＜0°。

主剖面Po內(nèi)的角度：

前角γo

—在主剖面Po內(nèi)測量的前刀面Ar與基面Pr間的夾角。γo有正負之分，前刀面Ar位于基面Pr之前者γo＜0°，反之γo＞0°。后角αo

—在主剖面Po內(nèi)測量的后刀面Aa與切削平面Ps間的夾角。第一章金屬切削過程

a.主切削刃成水平b.刀尖低，后部高c.刀尖高，后部低第一章金屬切削過程

以上五個角度kr、λs、γo、αo、kr’為車刀的基本標注角度。在此kr、λs確定了主切削刃S的空間位置，kr’、λs’確定了副切削刃S’的空間位置。γo、αo則確定了前刀面Ar、后刀面Aa的空間位置。γo’、αo’確定了Ar’、Aa’的空間位置。但是，γo’、αo’、λs’井非是獨立角度，可通過計算得到。此外，還有以下派生角度：

刀尖角εr

—在基面Pr內(nèi)測量的主切削平面Ps與副切削平面Ps’間的夾角。

楔角βo

—在主剖面Po內(nèi)測量的前刀面Ar與后刀面Aa間的夾角。第一章金屬切削過程三、刀具角度的換算

在設計和制造刀具時，常常需要對不同參考系內(nèi)的標注角度進行換算。

1.主剖面與法剖面內(nèi)的角度換算

下圖所示為刃傾角λs的車刀主切削刃在主剖面與法剖面內(nèi)的角度。第一章金屬切削過程

2.主剖面與任意剖面內(nèi)的角度換算任意剖面上給出的車刀角度如圖所示。很明顯，當θ=0°時，Pθ剖面與切削平面Ps重合；當θ=90°－Kr時，Pθ剖面與背平面Pp重合；當θ=180°－Kr時，Pθ剖面與進給平面Pf重合。pθp第一章金屬切削過程

任意剖面上的前角γθ求解公式如下：任意剖面上的后角αθ求解公式如下：最大前角γg求解公式如下：對應最大前角的夾角θmax為：

第一章金屬切削過程（2）縱車同理，當考慮進給運動后，切削刃上選定點的運動軌跡是一螺旋線，這時的切削平面Pse是過選定點與螺旋面相切的平面，刀具工作角度的參考系（Pse、Pre）傾斜了一個角η，則工作進給剖面內(nèi)的工作角度為：合成切削速度角η為：DW—工件待加工表面的直徑。將上述角度轉換到主剖面時為：

第一章金屬切削過程應為ηo應為fo

第一章金屬切削過程2.刀具安裝對工作角度的影響

（1）刀尖安裝對工作角度的影響

刀尖安裝高低的影響如圖所示：

第一章金屬切削過程

第一章金屬切削過程如圖，當?shù)都獍惭b高于機床中心高時，背平面內(nèi)的工作前角γPe增大，工作后角αPe減小，其變化值θP為：工作角度為：轉換到主剖面為：h—刀尖高度與機床中心高的差（mm）dW—工件直徑（mm）刀尖低于機床中心高時，取相反符號。

第一章金屬切削過程刀桿安裝傾斜的影響如圖所示：車刀刀桿與進給方向不垂直時，工作主偏角kre和工作副偏角kre’將發(fā)生變化：

第一章金屬切削過程五、切削層參數(shù)與切削方式

1.切削層參數(shù)刀具切削刃在一次進給(走刀)中，從工件待加工表面上切下來的金屑層稱切削層。外圓車削時，工件轉一轉，車刀從位置Ⅱ移動到位置I，前進了一個進給量f，圖中陰影部分即為切削層。其截面尺寸的大小即為切削層參數(shù)，它決定了刀具所承受負荷的大小及切削尺寸。還影響切削力和刀具磨損、表面質量和生產(chǎn)效率。切削層參數(shù)通常在基面內(nèi)測量。

第一章金屬切削過程

第一章金屬切削過程

（1）切削層公稱厚度hD（舊稱切削厚度）

切削層公稱厚度是在基面內(nèi)測量的切削刃兩瞬時位置加工表面間的距離，有如下關系：

（2）切削層公稱寬度bD（舊稱切削寬度）切削層公稱寬度是在基面內(nèi)沿加工表面測量的切削層尺寸。有如下關系：

（3）切削層公稱橫截面面積AD（舊稱切削面積）削層公稱橫截面面積在基面內(nèi)測量，計算公式為：

第一章金屬切削過程2.切削方式

（1）直角切削與斜角切削切削刃上選定點的切線垂直于該點切削速度的切削方式，稱為直角切削或正切削，否則稱為斜角切削或斜切削。直角切削時切屑是沿切削刃的法向流出的。只將工件斜置vc方向不變的切削仍為正切削。

第一章金屬切削過程（2）自由切削與非自由切削只有一條切削刃參加切削工作的切削稱為自由切削，寬刃刨刀刨削就是一個典型自由切削。此時切削刃上各點切屑流出方向大致相同，切削層金屬變形基本在二維平面內(nèi)，即為平面變形。反之，像外圓車削、切槽、車螺紋等，副切削刃也參加已加工表面形成的切削稱非自由切削。

第一章金屬切削過程第二節(jié)刀具材料刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具材料性能的優(yōu)劣對切削加工過程及精度、質量、生產(chǎn)效率有著直接影響。近一百年來不斷出現(xiàn)新的刀具材料以及改善原有的刀具材料，切削速度提高了幾十倍，最高切削速度提高了將近100倍。一、刀具材料應具備的性能切削加工時，刀具要承受很大的壓力與很高的溫度，所以刀具材料應滿足以下基本要求：

1.高硬度高硬度是刀具材料應具備的最基本性能。一般認為，刀具材料應比工件材料的硬度高1.3—1.5倍，常溫硬度高于HRC60。

2.足夠的強度和韌性切削過程中，刀具承受很大的壓力、沖擊和振動。刀具材料必須具備足夠的抗彎強度和沖擊韌性。

第一章金屬切削過程

3.高耐磨性在切削過程中，刀具要經(jīng)受劇烈磨擦，所以作為刀具材料必須具備良好的耐磨性。耐磨性不僅與硬度有關，往往還與強度、韌度和金相組織結構等因素有關，因而耐磨性是個綜合性的指標。

4.高耐熱性和高溫下的物理、化學穩(wěn)定性耐熱性是刀具材料在高溫下保持其硬度、強度和韌度、耐磨性的一個指標。一般用保持其常溫下切削性能的溫度（紅硬性）來表示熱耐性。在高溫狀態(tài)下，刀具材料還應具有較高的物理、化學穩(wěn)定性，以避免刀具材料中的元素向工件材料中擴散。

5.工藝性作為刀具材料除具備上述性能外、還應具備一定的可加工性能，如：切削加工性、磨削性、焊接性能、熱處理性能、高溫塑性等。

6.經(jīng)濟性刀具材料在滿足使用要求的同時，還應具備良好的經(jīng)濟性。

第一章金屬切削過程二、常用刀具材料

根據(jù)刀具材料的發(fā)展，可將現(xiàn)有刀具材料分為下列幾種：

工具鋼：包括碳素工具鋼和合金工具鋼；高速鋼；硬質合金；陶瓷；超硬材料：包括金剛石和立方氮化硼。其中高速鋼、硬質合金用得最為廣泛。碳素工具鋼和工具鋼因耐磨性差，僅用于一些手工工具或低速刀削工具。

第一章金屬切削過程

1.高速鋼

高速鋼全稱高速合金工具鋼．也稱白鋼、鋒鋼（風鋼），是19世紀末研制成功的。高速鋼是在高碳鋼中加入較多合金元素W、Cr、V、Mo等與C生成碳化物制成的。加入合金元素后，細化了晶粒，提高了合金的硬度。一般高速鋼的淬火硬度可達HRC63—67，紅硬性可達550℃一650℃。允許的切削速度vc可比合金工具鋼提高1—2倍，高速鋼因此而得名。高速鋼具有較高的強度，在所有刀具材料中它的抗彎強度和沖擊韌性最高。是制造各種刃形復雜刀具的主要材料。就其性能用途，可將高速鋼分為通用型高速鋼、高性能高速鋼、粉未冶金高速鋼和涂層高速鋼等幾類。

（1）通用型高速鋼

按其化學成分，普通高速鋼可分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。

第一章金屬切削過程鎢系高速鋼的典型牌號為：W18Cr4V，含C0.7—0.8%、W18%、Cr4%、V1%。鎢系高速鋼是我國應用最多的高速鋼。它具有較好的綜合性能，即有較高硬度（HRC62—66）、強度、韌性和耐熱性。紅硬性可達620℃，切削刀刃可刃磨的比較鋒利，通用性較強，常用于鉆頭、銑刀、拉刀、齒輪刀具、絲錐等復雜刀具的制造。但強度隨橫截面尺寸變大而下降較多。由于鎢是重要的戰(zhàn)略物資，而且有些性能尚不能滿足切削加工要求，國外已在減少其用量。鎢系高速鋼鎢鉬系高速鋼的典型牌號為W6Mo5Cr4V2，在這種牌號中用Mo代替了一部分的W。Mo在合金中的作用與W相似，但其原子量比W小50％。鎢鉬系高速鋼的綜合性能與鎢系相近，但碳化物晶粒更小、分布更均勻，故強度和韌性好于鎢系高速綱，可用于制造大截面尺寸的刀具，持別是熱塑性好，適于制造熱軋刀具（如熱軋鉆頭）。主要缺點是熱處理時脫碳傾向大，易氧化，淬火溫度范圍較窄。鎢鉬系高速鋼

第一章金屬切削過程（2）高性能高速鋼

高性能高速鋼包括：高碳高速鋼（含C0.9％以上）、高釩高速鋼（含V3％以上）、鈷高速鋼（含Co5%—10％）和鋁高速鋼。典型的牌號有：9W18Cr4V、W6MoCr4V3、W6MoCr4V2Co8、W6Mo5Cr4V2Al。高性能高速鋼具有更好的耐熱性和切削性能，其耐用度較通用型高速鋼高1.3—3倍。適合于加工高溫合金、鈦合金、超高強度鋼等難加工材料。但這些特殊性能高速鋼必須在適用的特殊切削條件下，才能發(fā)揮其優(yōu)異的切削性能、選擇時不要超出使用范周。（3）粉未冶金高速鋼

熔化的高速鋼經(jīng)過噴惰性氣體(氮或氬)使之霧化成約50一500μm大小的粉未，這種粉未冷凝十分迅速，形成十分細小的晶粒結構。其中的碳化物更加細小，并且分布也很均勻。粉末可以通過不同方法制成鋼材，然后再熱軋或鍛打成所需的尺寸。粉未冶金高速鋼碳化物顆粒細小，大小均勻；斷續(xù)切削時有較好的耐沖擊性能；可磨削性好；熱處理時間短。

第一章金屬切削過程2.硬質合金

硬質合金以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC）粉未為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結而成的粉末冶金制品。它的耐熱性比高速鋼高得多，約在800℃一1000℃，允許的切削速度vc約是高速鋼的1一10倍。硬度很高，可達HRA89—93，但它的抗彎強度只為高速鋼的一半，沖擊韌性不足高速鋼的1／25一1／10。由于它的耐熱性、耐磨性好，因而在刃形不復雜刀具上的應用日益增多，如：車刀、端銑刀、立銑刀、餃刀、鏜刀，小尺寸鉆頭、絲錐及中小模數(shù)齒輪滾刀等。試驗和生產(chǎn)實踐證明，含WC用Co作粘結劑的硬質合金強度最高。所以目前以WC為基體的硬質合金占主導地位。此類硬質合金分為四類：

鎢鈷類（WC-Co），國標代號YG，相當于ISO中的K類。

鎢鈦鈷類（WC-TiC-Co），國標代號YT，相當于ISO中的P類。

鎢鈷鉭（鈮）類（WC-TaC（NbC）-Co），國標代號YGA，相當于ISO中的K類。

鎢鈦鈷鉭（鈮）類（WC-TiC-TaC（NbC）-Co），國標代號YW，相當于ISO中的M類。YW中的W表示“萬能（通用）”的意思。

第一章金屬切削過程

（1）YG類（鎢鈷類）硬質合金

鎢鈷類硬質合金的硬質相是WC，粘結劑是Co。主要牌號有YG3、YG6、YG8，其中Y表示硬質合金，G表示鈷，其后數(shù)字表示鈷的質量百分含量。數(shù)字后還可能有X（細晶粒）或C（粗晶粒）。YG類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性都較其它硬質合金好，導熱系數(shù)也比YT類的大，切削熱能很快傳出，從而降低刃口處的溫度。因而，YG類適宜加工鑄鐵、有色金屬及其合金、非金屬等脆性材料，加工導熱性能不好的不銹鋼。含鈷少的宜于精加工，含鈷多的宜于粗加工。（2）YT類（鎢鈦鈷類）硬質合金

鎢鈷類硬質合金的硬質相是WC、TiC，粘結劑是Co。常用牌號有YT5、YT14、YT15，YT30。其中T表示TiC，其后數(shù)字表示TiC的質量百分含量。此類合金有較高的硬度和耐磨性，抗粘結擴散和抗氧化能力較好，適宜高速切削鋼材。但由于這類材料的導熱系數(shù)較小，不適于加工導熱性能不好的不銹鋼。而且，該類材料中含有鈦，在加工鈦合金時，在高溫下刀具材料中的鈦會向工件材料中擴散，加劇刀具的磨損，所以它們不能用于鈦合金的加工。

第一章金屬切削過程（3）YGA類（鎢鈷鉭（鈮）類）硬質合金

鎢鈷鉭（鈮）類硬質合金是在鎢鈷類合金中加入TaC或NbC制成的、加入TaC或NbC的目的是提高硬度。常用牌號為YG6A、YG8A。牌號中的數(shù)字表示鈷的質量百分含量。因為YGA類的高溫硬度、強度及耐磨性均比YG類高，所以YGA類宜加工冷硬鑄鐵、高錳鋼、淬硬鋼以及含Ti不銹鋼、鈦合金、高溫合金。（4）YW類（鎢鈦鈷鉭（鈮）類）硬質合金

鎢鈦鈷鉭（鈮）類硬質合金是在鎢鈦鈷類合金中加入TaC或NbC制成的、加入TaC或NbC的目的是改善切削性能。常用牌號為YW1、YW2。因為YW類的強度、韌度、抗熱沖擊性均比YT類高，通用性較好。YW類硬質合金可用于高溫合金、高錳鋼、不含Ti的不銹鋼等難加工材料的半精加工和精加工。上述合金的性能及使用范圍詳見教課書P16—P17的表1.1。除了這些WC基的刀具材料外，還有以TiC為基以Ni為粘結劑的硬質合金材料，其性能介于WC基硬質合金與陶瓷刀具材料之間。其具體參數(shù)可查閱相關的刀具手冊。

第一章金屬切削過程3.其它刀具材料

（1）涂層刀具