金属切削加工的基本知识

副后刀面Aa ’: 与副切削刃毗邻,与工件
2、刀具角度参考系
刀具标注角度参考系
刀具制造、测量、刃磨时的基准 刀具工作角度参考系 确定刀具在切削运动中有效工作角度的基准 构成刀具标注参考系的参考平面 基面 切削平面 主剖面 切削刃法剖面 进给剖面 切深剖面
其中基面与切削平面是两个基本的参考平面，以它们作 基准，加上其它任意一个剖面，便构成各种不同的刀具 标注角度参考系。
切 削 层 横 截 面 要 素
由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层的 截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的 负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面Pr内度量。 1. 切削厚度 ac (λs= 0)
ac＝ f sinκr
2. 切削宽度 aw
aw＝ ap/sinκr
3. 切削层面积 Ac ( κr = 0)
切削刃法剖面pn：
通过切削刃选定点，并垂直于 切削刃的平面。
近年来，我国主要采用主剖面参考系
pr – ps–po ，兼用法剖面参考系prps-pn。
主剖面与法剖面参考系
进给剖面Pf
:
过切削刃上选定点并垂直
于刀杆轴线及基面的平面

切深剖面Pp :
过切削刃上选定点平行刀 杆轴线并垂直基面的平面
（3）金刚石
是目前人工制造出的最硬的物质，分天然和人造两种。
特点：
耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、
高耐磨的材料；
其热稳定性差， 强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削； 与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。
（4）立方氮化硼
由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。
切削层横截面要素
切 削 用 量 三 要 素
（1）切削速度v
主运动的线速度。
主运动是旋转运动时： vc=πd n/1000 m/s 或 m/min 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/s或r/min)
注：磨削速度单位用m/s
其它加工的切削速度单位用m/min
切 削 用 量 三 要 素
刀 具 的 工 作 角 度
以上所讲的刀具标注角度，是在假定运动条件和 假定安装条件下的标注角度。 如果考虑合成运动和实际安装情况，则刀具的参 考系将发生变化，刀具角度也随之发生变化。 按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作角度参 考系中确定的角度，称为刀具工作角度。 进给运动对工作角度的影响 刀具安装高低的影响 刀具安装 情况对工 作角度的 影响
余偏角：在基面内度量的切 削平面与切深平面的夹角， 也是主偏角的余角。 刀尖角：主切削刃与副切削 刃在基面上的投影间的夹角。
刃倾角：在切削平面内度 量的主切削刃与基面的夹 角。
法剖面参考系内的标注角度
法前角γn
法后角αn
法楔角βn 与主剖面参考 系内的标注角度的 区别仅在于以法剖 面代替主剖面作为 测量前角、后角、 楔角的平面。其余 角度完全相同。
第Ⅱ变形区
与前刀面 接触的切屑层内产生的变形 区；
第Ⅲ变形区
近切削刃处 已加工表层内产生的变形区。
2.切削的形成过程
如图所示，对于切削层mn 来说，移至剪切面AB时，产生 滑移后形成切屑m’n’ 。这个过 程连续进行，切削层便连续地通 过前刀面转变为切屑。
剪切面AB与切削速度 vc之间的夹角Φ 称为剪切 角。 由此可知，第І变形区 就是形成切屑的主要区域，其 变形特点是切削层产生剪切滑 移变形。
特点：
有很高的硬度及耐磨性；
热稳定性好，可用来加工高温合金； 化学惰性大，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁； 有良好的导热性、较低的摩擦系数。
第二节 金属切削过程中的基本规律
一、切削变形
1.变形区的划分
第Ⅰ变形区
近切削刃处 切削层内产生的塑性变形区； 是切削过程中产生变形的主 要区域。
（2）进给速度vf和进给量f
进给速度vf是单位时间内刀具对工件沿进给方
向的相对位移，单位是mm/s或mm/min。
进给量f是工件或刀具每回转一周时两者沿进
给运动方向的相对位移，单位是mm/r。
二者关系：
vf=f×n
切 削 用 量 三 要 素
（3）背吃刀量 工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距 离，单位为mm。 外圆柱表面车削的深度可用下式计算： ap=（dw-dm）/2 mm 对于钻孔工作 ap=dm/2 mm 上两式中 dm——已加工表面直径（mm） dw—— 待加工表面直径（mm）
4.切削变形程度的度量与计算 相对滑移ε 衡量指标 变形系数 剪切角Φ
• 相对滑移ε：滑移距 离Δs与单元厚度Δy之 比。
（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。 具有良好的机械性能：其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和 2.5～3倍；磨削加工性能好；淬火变形小；耐磨性能提高20％～30％。 适合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、高压动载荷下使用的刀具等。

带状切屑：外形呈带状，最常见，切削过程最平衡。 挤裂切屑：切屑上与前刀面接触的一面较光洁，其背面局部 开裂成节状。 单元切屑：切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。 崩碎切屑：脆性材料的切屑。切削层几乎不经过塑性变形就 产生脆性崩裂，得到的切屑呈不规则的细粒状。
切屑的类型是由材料的应力—应变特性和塑性变形程度决定的。
机械制造及工艺
第一章 金属切削加工的基本知识
金属切削加工的基本概念
金属切削过程中的基本规律
提高生产率的途径
第一节 金属切削加工的基本概念
切削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，从面获得 合格零件的加工方法。
切削加工的基本形式： 车削 铣削 刨削 磨削 钻削 钳工加工
第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，
还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在 受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形（第二变形区的变 形）这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金 属里，表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。
第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦， 造成纤维化与加工硬化。
刀具安装高低的影响
假定车刀λs＝0, 刀尖高于工件中心
γpe=γp＋θp αpe=αp－ θp tanθp＝h/
(
dw
2
)2 h 2
γoe=γo＋θ αoe=αo－θ tanθ＝ tanθp cosκr
若刀尖低于工件中心， 角度变化与上述相反
刀 杆 中 心 线 与 进 给 方 向 不 垂 直 的 影 响

（2）陶瓷
有纯Al2O3陶瓷及Al2O3－TiC混合陶瓷两种，以其 微粉在高温下烧结而成。
特点：
很高的硬度（HRA91~95）和耐磨性； 很高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削； 切削速度比硬质合金高2～5倍； 有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗
扩散的能力好； 脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀。
一、切削运动与切削要素 1、切削运动
切削运动是为了形成工件表面所必需的、刀具 与工件之间的相对运动。 金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运 动。但是，按切削时工件与刀具相对运动所起的作 用来分，可分为主运动和进给运动。
主运动
是切下金属所必须的最基本 的运动。通常它的速度最高，消 耗机床功率最多。一般只有一个 主运动。 进给运动 使新的金属不断投入切削的 运动。进给运动可以是连续运动， 也可以是间歇运动。可以有一个 或多个进给运动。 切削过程中，主运动与进给 运动的合理组合，便可以加工各 种不同的工件表面。
κr e =κr +G
κr e = κr -G
κ =κ - G
' re
' r
κ'r e = κ'r +G
三、刀具材料及选用
刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数
1.刀具材料必须具备的性能
(1) 高的硬度和耐磨性 常温硬度60HRC以上，耐磨性是硬度、 组织 结构及化 学性能等的综合反映。一般来说，硬度越高越耐磨。 (2)足够的强度和冲击韧性 (3)高耐热性 (4)良好的工艺性 (5)好的导热性和小的膨胀系数 (6)经济性
（2）高性能高速钢
是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝 等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。 具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合于 加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。 典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V，高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高 速钢W6MoCr4V2Co8、超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。
进给剖面与切深剖面参考系
后角：在主剖面内度量的后 刀面与切削平面的夹角。 前角：在主剖面内度量的 基面与前刀面间的夹角。
主 剖 面 参 考 系 内 的 标 注 角 度
主偏角：在基面内度量的切 削平面与进给平面的夹角。
楔角：在主剖面内度量的前 刀面与后刀面的夹角。 副偏角：在基面内度量的副切 削刃与进给方向在基面上投影 间的夹角。
刀杆中心线与进给方向 不垂直的影响
进给运动的影响
η角称为合成切削速度角，它是主
运动方向与合成运动切削速度方向之间 的夹角。由η角定义可知：

γoe=γo＋ η αoe=αo－ η

当进给量f一定时，随 d 值↓， η值↑，接近中心αoe为负值。 当 f↑，η值↑。横车时 f 不宜 过大，并应适当加大αo
'
Ac＝ ac aw＝ f ap
二、刀具切削部分的基本定义 前刀面 三面 后刀面 副后刀面 车刀的 主切削刃 组成 二刃 副切削刃
一尖：刀尖

前刀面Ar: 切屑流过的表面。 后刀面Aa : 与工件上新形成的过渡表面
相对 表面。
图1-3

上已加工表 面相对的刀面。 主切削刃：指前刀面与后刀面相交的锋 边； 副切削刃：指前刀面与副后刀面相交的 锋边。 刀尖： 刀尖可以是主、副切削刃的实际 交点，也可以是主、副两条切削刃连接起 来的一小段切削刃，它可以是圆弧，也可 以是直线，通常都称为过渡刃。
2.常用刀具材料的种类及特性
目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。炭素工具钢（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。
高速钢
Hale Waihona Puke Baidu
（1）通用型高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66 HRC） 钨系高速钢 W18Cr4V 钨钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 高温塑性好 主要用于一般材料的常规加工，速度不高于 50m/min.

基面pr：通过切削刃选定
点，垂直于主运动方向的平 面。

切削平面ps：通过切削刃
选定点、与切削刃相切、并 垂直于基面pr的平面。
主剖面po：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。 主剖面参考系pr – ps–po是目前生产中最

常用的刀具标注角度参考系
主剖面与法剖面参考系
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。
硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢
抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差
YG (K) 类
YT (P)类
加工长切屑的 黑色金属
WC+ TiC+ Co
YW (M)类
钢材、铸铁等 有色金属非金属
WC+ TiC+ TaC+ Co
分 类
短切屑黑色金属 有色金属非金属
WC+ Co
常用硬质合金牌号及应用范围
见教材第12页 表1-2：

其它刀具材料
(1)涂层刀具
它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具 基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。
特点：
有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力； 有低的摩擦系数，耐热性高； 通用性好，便于刀具的管理； 不能采用焊接结构，不能重磨。
在新的表面的形成 过程中，工件上有三个 依次变化的表面 ： 待加工表面：即将被切 去金属层的表面; 加工表面：切削刃正在 切削着的表面; 已加工表面：已经切去 一部分金属形成的新表 面。
2、切削要素
切削速度v 切削用量 进给速度vf和进给量f 背吃刀量ap 切削宽度aw 切削厚度ac 切削面积Ac