机械基础第一章 金属切削过程的基本知识.doc

第一章 金属切削过程的基本知识

本章主要介绍以下内容：

1、金属切削过程的基本概念    
2、刀具材料

课时分配：1，两个学时，2，一个学时
重点、难点：金属切削过程的基本概念
1.1 金属切削过程的基本概念
一、切削表面与切削运动(见P4-5)

（一）切削表面
    切削加工过程是一个动态过程， 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。即：   
待加工表面：工件上即将被切除的表面。
   已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。
   过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。以车削外圆为例，如下图。

（二）切削运动
刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度Vc和进给运动速度Vf之间的关系。   
1、主运动
主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。
2、进给运动
进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。
3、合成运动与合成切削速度
当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量ve表示, 见上图。
                       Ve=Vc+Vf
二、切削用量三要素与切削层参数
(一）切削用量三要素
1、切削速度vc
切削速度vc是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。当主运动为回转运动时：

式中d—切削刃上选定点的回转直径，mm；
n—主运动的转速，r/s或r/min。
2、进给速度vf 、进给量f
进给速度vf—切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。
进给量f—刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。
Vf= n f
3、切削深度ap
对于车削和刨削加工来说，切削深度ap（背吃刀量）是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位mm。

对于钻孔加工来说，

切削用量三要素与切削层参数
式中dw----工件待加工表面直径，mm。
dm----工件已加工表面直径，mm。

（二）切削层参数(见P13)
    在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。
切
削
层
参
数

切削层公称厚度hD
    在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得：hD=fsinkr
其中：hD—切削层公称厚度，(mm)；f—进给量，(mm/r）；
kr—车刀主偏角，(。)。
切削层公称宽度bD
    沿过渡表面测量的切削层尺寸。bD反映了切削刃参加切削的工作长度。由图得：bD=ap/sinkr
其中：bD—切削层公称宽度，(mm)。
切削层公称横截面积AD
    切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由图得：
  AD=hD*bD=fsinkr*ap/sinkr=f*ap
其中: AD—切削层公称横截面积，(mm2)。

1.2 刀具角度
外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：

（1）前刀面    刀具上与切屑接触并相互作用的表面（即切屑流过的表面）。

（2）主刀后面  刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。

（3）副刀后面  刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。

（4）主切削刃  前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。

（5）副切削刃  前刀面与主后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。

（6）刀尖      主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。

具体参见切削运动与切削表面图和车刀的组成图。其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演变和组合。

（一）刀具标注角度参考系(见P8)
1、假定运动条件：用刀具主运动向量vc近似代替合成运动向量ve，然后再用平行或垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。
2、假定安装条件：假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。
3、刀具标注角度参考系诸平面：（见下图）

1)  基面pr：通过切削刃某一点，垂直于假定主运动方向的平面。见P7图1.6。
2)  切削平面ps：通过切削刃某一点，与工件加工表面（或与主切削刃）相切的平面。切削平面ps与基面pr垂直。
3)  主剖面P0：通过切削刃某一点，同时垂直于切削平面ps与基面pr的平面。见P8图1.8。
4)  法剖面Pn：通过切削刃某一点，垂直于切削刃的平面。见P8图1.8。
5)  进给剖面Pf：通过切削刃某一点，平行于进给运动方向并垂直于基面pr的平面。
6)  背平面Pp：通过切削刃某一点，同时垂直于进给剖面Pf与基面pr的平面。

（二）刀具工作角度参考系
    上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件确定的参考系。但刀具在实际使用过程中，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切反映切削加工的真实情况。只有用合成切削方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。P8的图1.10。
    另外，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有采用刀具工作角度参考系，才能反映切削加工的实际。
刀具工作角度参考系与刀具标注角度参考系的唯一区别是：用合成切削方向ve取代主运动切削方向vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。

（三）刀具的标注角度(见P8)

    刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。

前  角γo
在主剖面P0内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。
后  角αo
在主剖面P0内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。
主偏角κr
在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。
副偏角κr'
在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。
刃倾角λs
在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。当主切削刃呈水平时，λs=0；刀尖为主切削刃最低点时，λs〈0；刀尖为主切削刃上最高点是，λs〉0，如图示。

车刀的主要角度

刃倾角的符号
（四）刀具的工作角度(见P11-13)

    在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面Ps、基面Pr和主剖面P0为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。
1、刀具安装位置对工作角度的影响
以车刀车外圆为例，若不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角γoe和工作后角αoe的变化，如下图示。(见P12)

车刀安装高度对工作角度的影响

当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角κre和工作副偏角κre'的变化，如下图示。(见P13)

2、进给运动对工作角度的影响
车削时由于进给运动的存在，使车外圆及车螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面，如下图示。(见P12图1.16)

车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面，如下图示。因此，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角μ，使车刀的工作前角γoe增大，工作后角αoe减小。一般车削时，进给量比工作直径小很多，故螺旋升角μ很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大，则应考虑螺旋升角的影响。(见P11图1.15)

横向进给运动对工作角度的影响

1.3 刀具的种类、材料与选用
 一、刀具种类
（一）刀具分类
  由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使用的刀具的种类很多。刀具常按加工方式和具体用途，分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。刀具还可以按其它方式进行分类，如按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等；按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。

（二）常用刀具简介

1.车刀

    车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。

2.孔加工刀具

    孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。例如，下图示标准高速钢麻花钻的结构。工作部分（刀体）的前端为切削部分，承担主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。

3.铣刀

    铣刀是一种应用广泛的多刃回转刀具，其种类很多。按用途分有：1）加工平面用的，如圆柱平面铣刀、端铣刀等；2）加工沟槽用的，如立铣刀、T形刀和角度铣刀等；3）加工成形表面用的，如凸半圆和凹半圆铣刀和加工其它复杂成形表面用的铣刀。铣削的生产率一般较高，加工表面粗糙度值较大。

4.拉刀

    拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛应用于大批量生产中，可加工各种内、外表面。拉刀按所加工工件表面的不同，可分为各种内拉刀和外拉刀两类。使用拉刀加工时，除了要根据工件材料选择刀齿的前角、后角，根据工件加工表面的尺寸（如圆

孔直径）确定拉刀尺寸外，还需要确定两个参数：（1）齿升角af[即前后两刀齿（或齿组）的半径或高度之差]；（2）齿距p[即相邻两刀齿之间的轴向距离]。
5.螺纹刀具

    螺纹可用切削法和滚压法进行加工。
6.齿轮刀具

齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。按刀具的工作原理，齿轮分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮刀具等。常用的展成齿轮刀具有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀等。选用齿轮滚刀和插齿刀时，应注意以下几点：
（1）刀具基本参数（模数、齿形角、齿顶高系数等）应与被加工齿轮相同。
（2）刀具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当。
（3）刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同。滚切直齿轮时，一般用左旋齿刀。

7.自动线与数控机床刀具

    这类刀具的切削部分总的来说与一般刀具没有多大区别不同情况，只是为了适应数控机床和自动线加工的特点，对它们提出了更高的要求。

车刀
拉刀
螺纹刀具
（梳刀）
齿轮刀具
（盘形铣刀）
孔加工刀具
（麻花钻）
铣刀
二、刀具材料
    刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与和合理使用。
（一）刀具材料应具备的性能(见P14)   

1、  高的硬度和耐磨性
刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。

2、足够的强度和韧性
为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。
3、高耐热性
刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。
4、良好的工艺性
为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造性和热处理性等。
5、良好的经济性 
（二）常用的刀具材料
目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。
1、 高速钢
定义：是一种加入较多的钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。
性能：有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的主要材料。
分类：
按用途分：通用型高速钢和高性能高速钢；
按制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。
1）通用型高速钢
钨钢：典型牌号为W18Cr4V，有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。
钨钼钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。
2）高性能高速钢
典型牌号为高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8和超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。适合于加工高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。
3）粉末冶金高速钢
用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。 
  2、 硬质合金
由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。
硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。
    具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。
ISO将切削用的硬质合金分为三类：（各种牌号的应用范围见p16表1.1）
1）YG(K)类，即WC-Co类硬质合金
2）YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金
3） YW(M)类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金
（三）其它刀具材料
1、  涂层刀具
2、  陶瓷：硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。
3、  金刚石
4、  立方氮化硼
三、刀具选用
1.刀具种类的选择
刀具种类主要根据被加工表面的形状、尺寸、精度、加工方法、所用机床及要求的生产率等进行选择。
2.刀具材料的选择

    刀具材料主要根据工件材料、刀具形状和类型及加工要求等进行选择。

3.刀具角度的选择(见P47)
刀具角度的选择主要包括刀具的前角、后角、主偏角和刃倾角的选择。

（1）前角

    前角γo对切削的难以程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之小些；刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）；精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。
（2）后角
    后角αo的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。
（3）主偏角
    主偏角κr的大小影响切削条件和刀具寿命。在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以κr宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。
（4）副偏角
    副偏角κr'的作用是可减小副切削刃和副厚刀面与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削振动。κr'的大小主要根据表面粗糙度的要求选取。
（5）刃倾角
刃倾角λs主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。