金属切削的基本要素
金属切削的基础知识
切削过程： 三个变形区
（1）第一变形区
（2）第二变形区： （3）第三变形区：
制造技术
切屑种类：
1）带状切屑
外形连绵不断，与前刀 面接触的面很光滑，背面呈毛 茸状。用较大前角、较高的切 削速度和较小的进给量切削塑 性材料时，容易得到带状切屑。
制造技术
2）崩碎切屑 切削铸铁等脆性材料
制造技术
二、切削热的传散
在一般干切削的情况下，大部分的切削热由切屑传散出 去，其次由工件和刀具传散，而周围介质传散出去的热量很 少。但各种传散热量的比例，随着工件材料、刀具材料、切 削用量、刀具角度及切削方式等切削条件的不同而异。 切削热传散给切削及周围介质，对切削加工没有影响， 且传散得越多越好。 切削热传散给刀具切削部分，使刀具磨损加快，缩短刀 具的使用寿命；切削热传散给工件，影响工件的加工精度和 表面质量。 为了减小切削热对工件加工质量的不良影响，可采取的 两方面工艺措施：一是减小工件材料的变形抗力和摩擦阻力， 降低功率消耗和减少切削热；二是要加速切削热的传散，以 降低切削温度。
面粗糙度；严重时，会引起崩刀打刀，加速刀具的磨损。 二、表层材质变化
1.加工硬化
加工硬化是指在切削过程中，工件已加工表面受刀刃和后 面的挤压和摩擦而产生塑性变形，使表层组织发生变化，硬度 显著提高的现象。硬化层深度可达到0.02～0.03mm,表层硬度 约为工件材料的1.2～2倍。
制造技术
对加工硬化的影响因素：刀具几何参数、切削条件、工件
制造技术
2.润滑作用 金属切削加工液（简称切削液）在切削过程中的润滑作用， 可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，形成部 分润滑膜，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件 坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工 性能。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入砂轮磨粒－工 件及磨粒－磨屑之间形成润滑膜，使界面间的摩擦减小，防止磨 粒切削刃磨损和粘附切屑，从而减小磨削力和摩擦热，提高砂轮 耐用度以及工件表面质量。 3.清洗和排屑作用 在金属切削过程中，要求切削液有良好的清洗作用。除去生 成切屑、磨屑以及铁粉、油污和砂粒，防止机床和工件、刀具的 沾污，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。 对于油基切削油，粘度越低，清洗能力越强，尤其是含有煤油、 柴油等轻组份的切削油，渗透性和清洗性能就越好。含有表面活 性剂的水基切削液，清洗效果较好，因为它能在表面上形成吸附
金属切削加工基本知识
二、积屑瘤
1、积屑瘤的形成 在一定的切削速度下切削塑性材料时，常发现在刀具的 前刀面上靠近刀尖的部位粘附着一小块很硬的金属，称为积 屑瘤。 一般认为，积屑瘤是由于切屑与前刀面在切削过程中剧 烈的摩擦而形成的。
2、积屑瘤对加工过程的影响
保护刀具
积屑瘤硬 度很高
有利方面
积屑瘤的存在， 增加工 使刀具的实际工 作前角 作前角增大
（2）足够的强度和韧性。
（3）良好的耐磨性
（4）较高的耐热性
（5）良好的导热性
2、常用刀具材料
• 碳素工具钢：T8A、T10、T12A。如丝锥、锉刀、锯条 等。 • 合金工具钢：9SiCr、CrWMn。如拉刀、铰刀、钻头等。 • 高速钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。如钻头、铣刀、齿轮 刀具等。 • 硬质合金：粗加工YG6、YG8、YT5；精加工YT15、YT30。 能耐1000℃高温，耐磨性好。 • 陶瓷：Al2O3、Al2O3-TiC、Si3N4；车刀（高速）。特点： 热硬性好，耐磨，抗弯性差，易碎。 • 立方氮化硼：如车刀、铣刀（中高速）。特点：热硬 性强，可耐1500℃高温，与铁亲和力小。 • 人造金刚石：如车刀、铣刀等。特点：热硬性好。
v=2Ln/1000×60（m/s） 式中：L—往复运动行程长度（mm） n—主运动每分钟往复次数
（2）进给量f
在主运动的一个循环（或单位时间）内， 工件与刀具间沿进刀方向相对运动的距离。 如在车削、镗削、钻削时，进给量表示工 件或刀具每转一转，刀具或工件移动的距离， 单位是mm/r。 在牛头刨床（龙门刨）刨削时，刀具（工 件）每往复一次，工件（刀具）移动的距离。
3. 积屑瘤的控制
工件材料 切削用量 刀具角度 切削液等 要避免在中温、中速加工塑性材料 控制措施 增大前角可减小切削变形，降低切削 温度，减小积屑瘤的高度 采用润滑性能优良的切削液可减少 甚至消除积屑瘤
1 金属切削的基本要素
切削刃 + 切削运动 = 新表面
切削用量三要素
切削用量三要素：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
切削速度c 、进给量 f 、切削深度a p 。
切削用量三要素
切削速度：单位时间内，工件和刀具沿主运动 方向相对移动的距离。
切削用量三要素
车： 镗： 钻： 刨：
c
dwn
1000
c
c
dmn
1000
do n
εr＝1800 - (kr + kr’)
刀具标注角度
小结 1.在主剖面参考系里定义了5个角度γ0、α0、β0、λs、kr。
2.β0是派生的角度。除β0外4个角度是独立的。
3.刃倾角和主偏角给定后，主切削刃S在空间的方位就唯一被 确定。 4.给定γ0和α0后，前刀面和后刀面也唯一被确定。 5.对于单刃刀具，若给定这4个独立角度，那么它的切削部分 的几何形状便被唯一确定。 6.副切削刃S’也有4个独立角度：γ0’、α0’、kr’、λs’。 7.γ0、α0、λs有正负之分。
刀具标注角度 法剖面参考系内的标注角度 在法剖面Pn内标注的角度 1)法前角γn：在法剖面内度量的Ar与Pr的夹角。
2)法后角αn：在法剖面内度量的Ps与Aα的夹角。
3)法楔角βn：在法剖面内度量的Ar与Aα的夹角。 三个角度有如下关系： γ
n
+αn +βn =90o
刀具标注角度 进给、切深剖面参考系内的标注角度 同上述同理：进给、切深剖面参考系中的 标注角度有公共部分Kr、Kr’；
通常进给剖面平行或垂直于刀 具上制造、刃磨和测量时的某一 安装定位平面或轴线。 车刀、刨刀垂直于刀柄底面。 钻头、拉刀、端面车刀、切断 刀平行于刀具轴线。 铣刀垂直于铣刀轴线。
第1单元 金属切削基本知识
2．刀具静止参考系
(1) 基面Pr。
(2) 切削平面Ps。
1.2 刀具角度及刀具材料选用
1.2.1 刀具切削部分的几何形状和角度
1.2.1.2 刀具切削部分的几何角度
2．刀具静止参考系
(3) 正交平面Po。
(4) 法平面Pn。
1.2 刀具角度及刀具材料选用
1.2.1 刀具切削部分的几何形状和角度
1.2.1 刀具切削部分的几何形状和角度
1.2.1.1 刀具切削部分的组成
图1-7 刀具切削部分的组成
1.2 刀具角度及刀具材料选用
1.2.1 刀具切削部分的几何形状和角度
1.2.1.1 刀具切削部分的组成
(1) 前面(Aγ)。 (2) 主后面(Aα)。 (3) 副后面(A'α)。
(4) 主切削刃(S)。
1.2 刀具角度及刀具材料选用
1.2.1 刀具切削部分的几何形状和角度
1.2.1.2 刀具切削部分的几何角度
3．刀具的标准角度 (5) 在假定工作平面和背平面参考系中测量的角度。 为了机械刃磨刀具或分析讨论问题的需要，常 常要利用在假定工作平面和背平面中测量的角 度。在假定工作平面中测量的前角和后角分别 称侧前角γf和侧后角αf，在背平面中测量的前角 和后角分别称背前角γp和背后角αp。
(2) 金刚石。
1.2 刀具角度及刀具材料选用
1.2.2 刀具材料
1.2.2.2 刀具材料的种类与选用
4．刀具材料的表面涂层
表面涂层可以提高刀具的硬度，降 低摩擦因数，使刀具磨损显著降低， 可提高切削速度30%～50%。表面 经涂层的刀片广泛用于对各种钢料、 铸铁的精加工和半精加工上或负荷 较轻的粗加工上。
金属切削加工的基本知识
第一章金属切削加工的根本学问教学方法导入课：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。
切削加工的根本形式有：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〕一般状况下，通过铸造、锻造、焊接及轧制的型材毛坯精度低和外表粗糙度大，必需进展切削加工才能成为零件。
本章主要介绍金属切削加工中的根本规律和现象。
讲授课：第一节金属切削加工的根本概念一、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）进给运动是使的切削层金属不断地投入切削，从而切出整个外表的运动；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，还需要关心运动。
如切入运动，空程运动，分度转位运动、送夹料运动及机床掌握运动等。
切削过程中形成三个外表：待加工外表、加工外表、已加工外表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 〕a = d w旋转主运动：2） 进给速度 v f 或进给量 fv f ：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/v f = L/nf3〕背吃刀量 a p 〔切削深度〕工件已加工外表和待加工外表的垂直距离〔mm 〕 教学方法 外圆车削： - d p 2钻孔： a = d mp 2合成切削运动 ：v e = v +v f 〔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，相邻两个加工外表之间的金属层，切削层的轴向剖面称为切削层横截面。
金属切削的基本原理
金属切削的基本原理金属切削的基本原理1. 引言金属切削作为一种重要的制造工艺，在现代工业中得到广泛应用。
了解金属切削的基本原理对于提高生产效率和产品质量至关重要。
本文将深入探讨金属切削的原理和相关概念。
2. 金属切削的定义和概述金属切削是指通过工具在金属材料上切削形成所需形状的制造过程。
这种切削通过将刀具与金属工件相对移动来去除材料，从而实现目标形状。
金属切削常用于车削、铣削、钻削等加工过程中。
3. 切削过程的基本元素金属切削包括以下基本元素：3.1 切削工具切削过程中使用的工具通常由坚固的材料制成，如高速钢、硬质合金等。
切削工具的类型和几何形状根据切削操作的需求而变化，比如刀片、铣刀、钻头等。
3.2 金属工件金属工件是经过切削加工的目标。
它可以是圆柱形、平面形或复杂形状的。
不同材料的切削特性也会影响切削过程的选择和参数设定。
3.3 切削速度切削速度是指工具切削过程中与工件接触部分的相对速度。
合适的切削速度可以提高加工效率和工件表面质量，但过高的切削速度可能导致工具磨损和加工表面粗糙度增加。
3.4 进给速度进给速度是指工具与工件相对运动的速度。
适当的进给速度可以控制切削过程中材料的去除率，同时避免过度磨损和切削力过大。
3.5 切削深度切削深度是指工具进入工件的深度，即每次切削过程中所移除的金属厚度。
切削深度的选择应根据工件的要求、切削力和工具稳定性等因素考虑。
4. 金属切削的力学原理金属切削的力学原理主要涉及三个力：切削力、切向力和主动力。
4.1 切削力切削力是指在金属切削过程中作用在切削工具上的力。
它由切削材料的去除、摩擦和变形引起。
切削力的大小和方向取决于切削工艺参数、切削材料和刀具等。
4.2 切向力切向力是指垂直于切削方向的力。
它使工件保持在切削位置，并防止工件偏离切削方向。
切向力的大小和方向直接影响切削的稳定性和表面质量。
4.3 主动力主动力是指在金属切削过程中将工具向工件施加的力。
它与切削深度和切削速度等直接相关。
2.金属切削基本要素
第二章金属切削基本要素§2.1 加工表面及切削用量§2.2 刀具角度§2.3 刀具材料§2.1 加工表面及切削用量金属切削：刀具和工件按一定规律作（轨迹、成形、展成、相切），通过切削刃切除工件上的多余的金属，使工件的形状、尺寸精度及表面质量达到预定要求。
表面成形运动车削加工：典型切削加工方法切削用量三要素：切削速度vc进给速度vf（进给量f）切削深度ap切削用量§2.2 刀具角度一、车刀基本结构（切削部分几何形状与参数有共性）二、车刀坐标系：1．基面Pr2．切削平面Ps3．切削刃剖面1）主剖面P2）法剖面Pn3）进给（工作）剖面Pf4）切深（背）剖面Pp车刀的标注角度三、车刀基本角度1．主偏角κr ：在基面内主切削刃的投影与进给运动方向之间的夹角2．刃倾角λs ：在切削平面内主刀刃与基面的夹角。
3．前角γo ：在主剖面内前刀面与基面间的夹角。
4．后角αo ：在主剖面内后刀面与基面间的夹角。
5．副偏角κr ˊ：在基面内副切削刃的投影与进给运动方向间的夹角6. 副刃后角αo ˊ：在副刃主剖面内副后刀面与基面间的夹角λs 、κr →主切削刃方位γo 、αo →前后刀面主、副切削刃共在平面前刀面→加κr ˊ、αo ˊ外圆车削切削层参数切削厚度h D 切削宽度b D 切削面积A D 金属去除率切削层四、切削层参数§2.3 刀具材料刀具切削性能：刀具材料、几何形状和结构一、刀具材料应具备的性能硬度、耐磨性、耐热性、强度与韧性、减摩性、导热性与热膨胀系数、工艺性与经济性。
二、刀具材料分类金属类：高速钢（60％）、硬质合金（30－40％）非金属类：（5－10％）陶瓷、金刚石、立方氮化硼三、高速钢刀具高碳钢加入W 、Mo 、Cr 、V →钢的耐磨性、淬透性↑最大优点：强度、韧性和工艺性能好，价格便宜，广泛应用于复杂刀具和小型刀具的制造中碳钢加工切削速度可达30m/min 600℃以上→硬度↓→切削性能失去三、高速钢刀具1、通用高速钢：W18Cr4V （最常用）2、特殊用途高速钢：钴高速钢：M42（W2Mo9Cr4VCo8）铝高速钢：W6Mo5Cr4V2Al （替代M42）钼高速钢：锻造性好。
第二章 金属切削的基本知识
刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应
力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离。
20
第四节 切削热
切屑类型
21
第四节 切削热
22
第四节 切削热
二、切削热和切削温度
切削热来源
切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的能量约98% 转换为热能
切削热传出
切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等 传散出去
主运动和迚给运动是实现切削加工的基本运动，可 以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线 运动（用T 表示），也可以是回转运动（用R 表示）
2
第一节 切削运动和切削要素
外圆表面加工方法
3
第一节 切削运动和切削要素
二、工件加工表面
4
第一节 切削运动和切削要素
三、切削用量
切削用量是指切削速度νc、迚给量ƒ（或迚给速度νƒ）和 背吃刀量ap，三者又称为切削用量三要素。
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第三节 切削力
切削力
切削力的来源： 被切削材料的弹性、塑性变形抗力； 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力。
将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp
Fc —主切削力，与切削速度方向一致 Ff —迚给力，与迚给方向平行，车外圆时称为轴向力 Fp—背向力(切深抗力)，与迚给方向垂直，又称径向
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第三节 切削力
1、前角γ0 的影响
加工塑性材料时，γ0 ↑→ Φ ↑→变形程度↓→F↓ 加工脆性材料时，切削变形很小， γ0对F 影响不显著 γ0 ＞30°或高速切削时， γ0对F 影响不显著 2、主偏角κr的影响 1） κr对Fc影响较小，影响程度不超过10% κr在60°～75°之间时，Fc最小。 2） κr对Fp、Fƒ影响较大 Fp＝ FD cos κr Fƒ＝ FD sin κr Fp随κr 增大而减小， Fƒ随κr 增大而增大 3、刃倾角λs的影响 1）λs对Fc影响很小 2） λs对Fp、Fƒ影响较大， Fp随λs增大而减小，Fƒ随λs增大而增大
金属切削的要素
1.1切削要素
金属切削的要素
图 5-4 车削加工的切削用量要素
金属切削的要素
1.1切削要素
1）切削速度 vc 切削速度是指在切削过程中，切削刃上的某切削点相对于工件主运动的瞬时速度。
切削刃上各点的切削速度可能是不同的。若工件作旋转运动时，切削速度是指最大直径 处的线速度；若主运动为工件的往复直线运动，则常以往复运动的平均速度作为切削速 度。
1.1切削要素
金属切削的要素
图 5-5 车外圆时的切削层尺寸 ADB-主切削刃截形；BC-副切削刃截形
金属切削的要素
1.1切削要素
1）切削层公称厚度 hD。简称为切削层厚度，是在切削层尺寸平面内，垂直于切削刃方向 所测得的切削层尺寸，单位为 mm。它代表了切削刃的工作载荷。
2）切削层公称宽度 bD。简称为切削层宽度，是在切削层尺寸平面内，沿切削刃的方向所 测得的切削层尺寸，单位为 mm。当切削刃与切削层尺寸平面夹角为零时，切削层宽度即等于 切削刃的工作长度。
3）切削层公称横截面积 AD。简称切削层面积，是指在给定瞬间，在切削层尺寸平面里的 实际横截面积，单位为 mm。它等于切削层厚度与宽度的乘积，也等于背吃刀量与进给量的乘 积，即：
AD=hDbD=apf
金属切削的要素
1.2切削用量的选择原则
在机床、刀具和工件等一定的条件下，选择切削用量具有很大的灵活性和潜力。 合理地选择切削用量，对于保证加工质量、提高生产效率和降低成本有着重要的影响。 切削加工时应当根据具体的加工条件，确定切削用量三要素的合理组合。
2）进给量 f 刀具在进给方向上相对于工件单位时间的位移量称之为进给量，可以用刀具或工件 每转或每行程的位移量来表示。不同的加工方法，由于切削运动的形式不同，进给量的 表达方式也不相同。例如车削外圆时，工件每转一圈车刀沿工件轴线方向移动的距离即 为进给量，单位为 mm/r；牛头刨床刨平面时，刀具每往复一次，工件移动的距离即为 进给量，单位为 mm/str；铣平面时，铣刀每进一齿，或转一圈，或运行一分钟，工件 沿进给方向移动的距离分别称为每齿进给量(mm/z)、每转进给量( mm/r）和每分钟进给 量( mm/min )。 3)背吃刀量 ap 待加工表面和已加工表面的垂直距离，称为刀具切削时的背吃刀量。
第十一章金属切削加工的基础知识
第十一章金属切削加工的基础知识金属切削加工是指在机床上，利用刀具，通过刀具与工件之间的相对运动，从工件上切下多余的余量，从而形成已加工表面的加工方法。
第一节切削运动和切削要素一、切削运动为了切除工件上多余的金属，以获得形状精度、尺寸精度和表面质量都符合要求的工件，刀具与工件之间必须作相对运动——切削运动（图11-1）。
根据这些运动对切削加工过程所起作用的不同，可分为主运动和进给运动。
1、主运动主运动是切下切屑所需要的最基本的运动。
它可以是旋转运动，也可以是直线运动。
它是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动。
任何切削过程必须有一个，也只有一个主运动。
它可由工件完成，也可由刀具完成。
2、进给运动进给运动是使金属层不断投入切屑，从而加工出完整表面所需要的运动。
进给运动可能有一个或几个。
运动形式有平移的、旋转的，有连续的、间歇的。
如图11-1所示为典型的切屑运动。
二、切削要素切削要素包括切削用量要素和切削层尺寸平面要素。
下面以车削加工为例介绍这些要素。
1、切削用量要素车削加工时形成三种表面：待加工表面、已加工表面和过渡表面。
如图11-2所示。
以上三种表面的形成，涉及到三个基本参数，即切削速度、进给量、背吃刀量。
此三个基本参数称为切削用量三要素。
（1）切削速度 在进行切削加工时，刀具切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度,称为切削速度，单位为/m s 。
车削加工时主运动为旋转运动，切削速度为最大线速度。
100060c dnV π=⨯式中：d ——工件待加工表面直径，mm ；n ——工件转速， /min r ；（2）进给量 刀具在进给方向上相对工件的位移量，称为进给量，用“f ”表示，单位为/mm r 。
车削加工时刀具的进给量为工件每转一转刀具沿进给运动方向移动的距离。
（3）切削深度（旧称背吃刀量） 指待加工表面与已加工表面的垂直距离，用“P a ”表示，单位mm 。
车削圆柱时：2w m P d d a -= 式中 w d ——待加工表面直径，mm ；m d ——已加工表面直径，mm 。
一章金属切削基本知识
（2）常用硬质合金的牌号及其性能
❖ K (YG)（钨钴类）类硬质合金（红色）：
有较好的韧性、磨削性、导热性， 适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬 硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。
❖ 其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，
数字越大，耐磨性越低而韧度越高。
抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐
磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适
用于加工塑性材料。适合加工长(短)切M10、M20、M30、M40等，数字越大，
耐磨性越低而韧度越高。
❖ 精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选
当主运动是直线运动时，进给量 指刀具或工件每往复直线运动一次， 两者沿进给方向的相对位移量，单位 为mm/str或mm/单行程；
对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切
齿刀)，常用每齿进给量 fz，单位为
mm/z或mm/齿。它与进给量f的关系为 f=zfz 进给速度为Vf=fn=zfzn
③背吃刀量ap
背吃刀量是指 在基面上垂直于 进给运动方向测 量的切削层最大 尺寸,工件上待加 工表面与已加工 表面之间的垂直 距离，外圆车削:
然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、
插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。
3）．硬质合金
➢硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化
钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属
粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。
➢硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性
垂直于正在加 工的表面（过渡表 面）度量的切削层 参数。
③切削层公称横截面积AD
在给定瞬间，切削 层在切削层尺寸平面里 的实际横截面积，单位 为mm2。
机械制造工程学(卓越)第一章 金属切削的基本要素
机械制造工程学
教师: 季国顺
2019年11月16日
杭州电子科技大学机械电子工程研究所数控技术实验室
第一章 金属切削的基本要素
1.1 工件表面的形成方法和成形运动 1.2 加工表面和切削用量三要素 1.3 刀具角度 1.4 切削层参数 1.5 刀具材料
杭州电子科技大学机械电子工程研究所数控技术实验室
一、刀具切削部分的结构要素
归结起来： “三面两刃一尖”
后刀面Aα 前刀面Ar 副后刀面Aα’
交线
主切削刃s
连接部分
刀尖
交线
副切削刃s’
杭州电子科技大学机械电子工程研究所数控技术实验室
1. 刀具标注角度参考坐标系
前提条件： 不考虑进给运动； 车刀刀尖与工件中心等高； 刀杆中心线与进给方向垂直； 刀具的安装面与基面 Pr 平行；
杭州电子科技大学机械电子工程研究所数控技术实验室
例1-5 螺旋槽铣刀铣削加工螺杆，如图1-8d所示。 母线：空间曲线，铣刀刀齿回转面与螺旋槽面相切形成，分解为：刀盘 的回转运动B1和铣刀轴线沿螺杆轴线的螺旋复合运动B21A22 导线：螺旋线，由螺旋复合运动B21A22形成，与母线形成运动的一部 分重合。
3. 切削深度 外圆车削切削深度
钻削切削深度
ap
dw
dm 2
mm
ap
dm 2
mm
(1-3) (1-4)
杭州电子科技大学机械电子工程研究所数控技术实验室
1.3 刀具角度
1.3 .1刀具切削部分的结构要素
前刀面 A 加工时，切屑流经的表面。 后刀面 A 与主切削刃毗邻，且与工件过渡表面相对的刀具表面。 副后刀面 A 与副切削刃毗邻，且与工件已加工表面相对的刀具表面。 切削刃 S 前刀面上直接进行切削的边锋。有主切削刃 S 和副切削刃 S 。 刀尖 主、副切削刃相衔接处很短的一段切削刃，通常也称为过渡刃。 有点刀尖、圆弧刀尖和倒角刀尖三种。
金属切削的基本要素.
合成切削运动
方向：主运动与进给运动 的合成方向 合成切削速度ve
1.2 加工表面和切削用量三要素
1.2.1 切削过程中工件上的加工表面 待加工表面：工件上有待切削的表面； 已加工表面：工件上经刀具切削后形成的表面 过渡表面：工件上由切削刃正在切削的表面；
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 前刀面(Ar)：直接作用于被切削金属层，是控制切屑沿其流出的表面。 主后刀面(Aa) ： 与工件上过渡表面相对并相互作用的表面。 副后刀面(Aa´) ： 与已加工表面相对并相互作用的表面。 主切削刃(S) ：前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。 副切削刃(S´) ：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。 过渡刃（刀尖）： 主、副切削刃连接处的一段切削刃。
进给运动
进给运动：配合主运动依次或连续不断地切除多余材料，同时形成一定要求的已加工表面； 特点：一个或多个 间歇或连续 如：外圆车削时车刀的连续纵向直线运动 刨削时工件的间歇直线运动 方向：不考虑主运动时，切削刃选定点相对于工件的瞬时运动方向； 进给量f：刀具或工件每回转一周或往返一个行程两者沿进给运动方向的相对位移；(mm/r或mm/min) 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；
切削速度vc 进给量f 切削深度ap
工件已加工表面与待加工表面之间的垂直距离；（车削、刨削） dw —待加工表面直径，mm dm —已加工表面直径，mm
制造工程基础-第1章+金属切削基本要素
第1章金属切削基本要素1.1 切削运动及切削用量1.2 刀具角度1.3 切削层参数1.4 刀具材料1.1 切削运动及切削用量1. 零件表面的形成及切削运动2. 切削用量1. 零件表面的形成及切削运动机器零件的形状虽很多，主要由下列几种表面组成，即外圆面、内圆面（孔）、平面和成形面。
外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时所形成的表面。
平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。
成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。
l切削运动包括主运动（图中Ⅰ）和进给运动（图中Ⅱ）。
1) 主运动是切下切屑最基本的运动；2) 进给运动是使金属层不断投入切削的运动。
图1-1 零件不同表面加工时的切削运动图1-2 车外圆的切削要素2. 切削用量（1）切削速度υ在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。
单位为m/s或m/min。
（2）进给量工件或刀具运动在一个工作循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。
（3）切削深度a p待加工表面与已加工表面间的垂直距离，单位为mm。
1.2 刀具角度1. 刀具切削部分的结构要素2. 刀具角度参考系3. 刀具的标注角度图1-3各种刀具切削部分的形状1. 刀具切削部分的结构要素图1-4刀具切削部分的构造要素2. 刀具角度参考系（1）刀具切削角度的参考平面1）切削平面2）基面（2）刀具标注角度的参考系图1-5 刀具切削角度的示意图图1-6 横车的基面和切削平面图1-7 刀具标注角度的参考系图1-8 纵（横）剖面参考系图1-9 各参考系的参考平面图1-10 车刀的标注角度3. 刀具的标注角度图1-11 横向进给运动对工作角度的影响图1-12 外圆车刀的工作角度图1-13 刀尖安装高低对工件角度的影响1.3 切削层几何参数切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。
金属切削的基本要素
1.0、引论
• 金属切削加工是机械制造工业中的一种加工方法 • 切削加工的实质 • 切削加工必须具备三个条件：
✓ 刀具与工件之间要有相对运动 ✓ 刀具具有适当的几何参数－－几何角度 ✓ 刀具材料具有一定的切削性能
1.1、工件表面的形成方法和成形运动
一、工件表面的构成
二、工件加工表面的形成方法
母线和导线统 称为发生线。
v 切削用量是指切削速度 、c 进给量 和f 背吃刀量 ap
三者又称为切削用量三要素。
v 1．切削速度 C（m／s或
m／min） 切削刃选定点相对于工
件的主运动瞬时线速度。
计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行 计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定
V
C
dn
1000
式中： d-工件或刀具的最大值（mm） n-工件或刀具的转速(r/s或r/min)
二、刀具角度的参考系
刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。 切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。 为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平 面组成的空间坐标参考系。
刀具标注角度参考系：由主运动方向确定。 刀具工作角度参考系：由合成切削运动方向确定。
1．刀具标注角度参考系（静态坐标系）
✓复合成形运动：由两个或两个以上旋转运动或直线运动， 按照某种确定的运动关系组合而成的一个独立的成形运动， 称为复合成形运动。
两者的区别： 复合成形运动分解成的直线或旋转运动之间必须保持严格的相 对运动关系，是相互依存，而不是独立存在的；简单运动之间 互相独立，没有严格的相对运动关系。
注意： 表面形状很复杂的零件的成形运动由于要分解为多个部分，只 能在多轴联动的数控机床上实现。
机械制造工程原理之金属切削的基本要素
第一节 工件表面的形成方法和成形运动 1.1.2. 表面成形运动
第一节 工件表面的形成方法和成形运动 1.1.2. 表面成形运动
第一节 工件表面的形成方法和成形运动
1.1.2. 表面成形运动
发生线的形成方法及所需的运动：母线和导 线形成母线及导线所需 要的成形运动的总和。为了加工出所需的零件表 面，机床就必须具备这些成形运动。（例1到例4）
第三节 刀具角度 1.3.2 刀具角度的参考系 一、刀具标注角度参考系
进给剖面Pf 切深剖面Pp：
切深剖面Pp: “通过主切削刃上选定点， 同时垂直于基面和进给平面 的平面”。
第三节 刀具角度 1.3.2 刀具角度的参考系 二、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。
pe p p
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第三节 刀具角度
1.3.5 刀具工作角度
切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度的影响： 切削刃上选定点安装得比工件中心低时，上述计算 公式符号相反；镗孔时计算公式符号与外圆车削计 算公式符号相反。
第三节 刀具角度
1.3.5 刀具工作角度
2. 进给量：( f )
进3. 切吃给刀削速量深度）度、：（每背(齿ap“度主进)切”运给削。动量刃通是“给f选常旋工(m方定以转件“工对m向点工最运或v表于/r的v相件c)f大动刀面外,相(对1上a线时具v0之圆pf对0d0(与已速：每fw间车m6d位6wn工度加00转m的削)2n移d件为/一工垂：ms”()准主m转表,直。/f。s时运(面距f)mzzm6，动(离和m)z0两的”待mn者瞬。/加z)沿时进速
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金属切削的基本要素 第一节 工件表面的形成方法和成形运动
3．发生线的形成方法及所需的运动 发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的。根据使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不 同，形成发生线的方法可归纳为四种: （1）轨迹法：利用刀具作一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。需要一个成形运动。如图13(a)。 （2）成形法：利用成形刀具对工件进行加工的方法。如图1-3(b)。 （3）相切法：利用刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工的方法。用相切法得到发生线，需要两 个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律的运动。如图1-3(c)。 （4）展成法：利用工件和刀具作展成切削运动的加工方法。如图1-3(d)。 用展成发形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。典型例子是渐开线。
γoe＝γo＋μ αoe＝αo－μ tgμ＝fsinκr/(πdw) 可知，进给量ｆ越大，工件直径ｄｗ越小，则工作角度值的变化就越大。一般车削时，由进给运动所引起的μ值不超过30′～1o，故其影响常可忽略。 但是在车削大螺距螺纹或蜗杆时，进给量ｆ很大，故μ值较大，此时就必须考虑它对刀具工作角度的影响。
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
2．主剖面与其它剖面内的角度换算
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
1.3.5 刀具工作角度 1Fra bibliotek进给运动对刀具工作角度的影响 （1）横车
图1-12所示为切断车刀加工时的情况，此时切削速度Vc变至合成速度Vｅ，因而基面Pｒ由水平位置变至工作基面Pre，切削平 面Pｓ由铅垂位置变至工作切削平面Pse，从而引起刀具的前角和后角发生变化： γoe =γo + μ αoe=αo - μ μ=arctgf/(πd) 式中，γoe,αoe－－－工作前角和工作后角。由此可知，当进给量ｆ增大，则μ值增大；当瞬时直径 ｄ减小，μ值也增大。因 此，车削至接近工件中心时，μ值增长的很快，工作后角将由正变负，致使工件最后被挤断。
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
1.3.1 刀具切削部分的结构要素
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）由前面、主后面、副后面、主切 削 刃、副切削刃和刀尖所组成。
刀具切削部分的结构要素如图1-5所示，其定义如下： 前刀面 切屑流过的表面，以Aγ表示。 主后刀面 与工件上过渡表面相对的表面，以Aα表示。 副后刀面 与工件上已加工表面相对的表面，以A´α表示。 主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，记为S。它承担主要的切削工作。 副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，记为S′。它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，如 图1-6所示。
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
3．刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响 当车刀刀杆的中心线与进给方向不垂直时，车刀的主偏角ｋｒ和副偏角ｋ′ｒ将发生变化。刀杆右斜（见图1-15），将使工作主 偏角ｋre增大，工作副偏角ｋ′re减小；如果刀杆左斜，则ｋre减小，ｋ′re增大： ｋre = ｋｒ ± j ｋ′re = ｋ′ｒ+ j 式中，j——进给方向的垂线与刀杆中心线的夹角
金属切削的基本要素 第一节 工件表面的形成方法和成形运动
2．工件表面的形成方法 各种典型表面都可以看作是一条线(母线)沿着另一条线(导线)运动的轨迹。为得到平面(图1-2)，可以使 直线1(母线)沿着直线2(导线)移动。 母线和导线称为形成表面的发生线。 有些表面的两条发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，也可形成不同的表面。如图1-2中(a)与(b)。
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
刀尖主副切削刃衔接处很短的一段切削刃。也称为过度刃。它可以是小的直线段或圆弧。 常用有交点刀尖、圆弧刀尖和倒棱刀尖
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
1.3.2 刀具角度的参考系 刀具切削部分的几何形状主要有一些刀面和刀刃的方位角度来表示。为了确定刀具的这些角度，必须将刀具 置于相应的参考系中。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，前者由主运动方向确定，而 后者有合成切削运动方向确定。
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金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
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1．刀具标注角度参考系（见图1-7与图1-8） 基面Ｐr 通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方 向的平面。 切削平面Ｐs 通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。 主剖面Po 通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。 主剖面参考系 Pr-Ps-Po组成一个正交的主剖面参考系。目前生产中最常用的刀具标注角度参考系 切削刃法剖面Pn 通过切削刃上选定点，垂直与切削刃的平面。 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的片面。 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。 进给、切深剖面参考系 Pr-Pf-Pp组成
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
2．刀具工作角度参考系
在刀具标注参考系里定义基面时，只考虑主运动，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。 其定义见表1-1。
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
1.3.3 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的方位角度，称为刀具标注角度。如图1-9所示。 1．主剖面参考系内的标注角度 前角γo 在主剖面内度量的前刀面与基面的夹角。 后角αo 在主剖面内度量的主后刀面与切削平面的夹角。后角一般为正值。 刃倾角λs 在切削平面内度量的主切削刃与基面间的夹角。 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κ´r 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
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
2．切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度的影响
车削外圆时，车刀的刀尖一般与工件轴心是等高的。如果刀尖高于或低于工件轴线，则此时的切削速度方向发生变化，引起基面 和切削平面的位置改变，从而使车刀的实际切削角度发生变化。如图1-14所示：刀尖高于工件轴线时，工作切削平面变为Pse，工 作基面变为Pre，则工作前角λoe增大，工作后角αoe减小；刀尖低于工件轴线时，工作角度的变化正好相反： γoe＝γo±θ αoe＝αo+θ tgθ＝hcosκr/√(dw/2)2－h2 式中，ｈ——刀尖高于或低于工件轴线的距离（ｍｍ
金属切削的基本要素 第二节 加工表面和切削用量三要素
1.2.1 切削过程中工件上的加工表面
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（1）待加工表面 加工是即将被切除的表面 （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，他是待加工表面之间的表面
金属切削的基本要素 第二节 加工表面和切削用量三要素
金属切削的基本要素 第四节 切削层参数与切削方式
1.4.1 切削层参数 各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如图：
1.切削层 在各种切削加工中，刀具相对于工件沿进给方向每移动f(mm/r)或fz(mm/齿)之后，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层。切 削层的尺寸称为切削层参数。切削层的剖面形状和尺寸通常在基面内观察和度量。 2．切削厚度 垂直于过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车（λs=0） 3．切削宽度 沿过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。在外圆纵车（λs=0） bD=αp/sinκr
金属切削的基本要素 第三节 刀具角度
（2）纵车 车削外圆时，假定车刀λs＝０，如不考虑进给运动，则基面Pｒ平行于刀杆底面，切削平面Pｓ垂直于刀杆底面。若考虑进给运 动，则过切削刃上选定点的相对速度是合成切削速度Vｅ而不是主运动Vｃ，故刀刃上选定点相对于工件表面的运动就是螺旋线。 这时基面Pｒ和切削平面Pｓ就会在空间偏转一定的角度ｕ，从而使刀具的工作前角λoe增大，工作后角减小（见图1-13）。
1.2.2 切削用量三要素
（1）切削速度υc（2）进给量f（3）切削深度αp称之为切削用量三要素
1．切削速度 主运动为回转运动时，切削速度的计算公式如下： υc=πdn/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。 2．进给速度υf，进给量f和每齿进给量fz 进给速度υf是单位时间内的进给位移量，单位是mm/s(或mm/min)。 进给量f是工件或刀具每回转一周时二者进给方向的相对位移，单位是mm/r(毫米/转)。 每齿进给量fz，单位是mm/齿。 三者有如下关系υf=fn=fzzn (mm/s或mm/min) 3．切削深度αp 切削深度αp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可用下式计算： αp=(dw-dm)/2 (mm) 对于钻削 αp=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。
金属切削的基本要素 第一节 工件表面的形成方法和成形运动
1.1.2表面成形运动 机床加工零件时，为获得所需的表面，工件与刀具之间作相对运动，既要形成母线，又要形成导线，于 是形成着两条发生线所需的运动的总和，就是形成该表面所需的运动。机床上形成被加工表面所需的运动， 称为机床的工作运动，又称为表面成形运动。 工作运动是机床上最基本的运动。每个运动的起点、终点、轨迹、速度、方向等要素的控制和调整方式， 对机床的布局和结构有重大的影响。 1．表面成形运动分析 表面成形运动（简称成形运动）是保证得到工件要求的表面形状的运动。 （1）成形运动的种类 1，简单成形运动：简单成形运动是旋转运动或直线运动。一般用符号A表示直线运动，用符号B表示旋 转运动。 2，复合成形运动：如把螺旋运动分解成等速旋转运动和等速直线运动。 前者是复合运动的一部分，各个部分必须保持严格的相对运动关系，是互相依存，而不是独立的。简单运 动之间是互相独立的，没有严格的相对运动关系。 （2）零件表面成形所需的成形运动 母线和导线是形成零件表面的两条发生线。因此，形成表面所需要的成形运动，就是形成其母线及导线 所需要的成形运动的总和。为了加工出所需的零件表面，机床就必须具备这些成形运动。用普通车刀削外 圆、用成形车刀削成形回转表面、用螺纹车刀削螺纹、用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面等。 2．主运动、进给运动和合成切削运动 （1）主运动 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。在表面成形运动，必须有且只能 有一个主运动。 （2）进给运动 维持切削加工得以继续的运动。 （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。