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1第一章金属切削基本知识目录第一节切削加工的运动的分析与切削要素一、切削运动二、切削加工过程中的工件表面三、切削要素第二节金属切削刀具一、刀具的构成二、刀具切削部分的基本定义三、刀具角度四、刀具角度的换算五、刀具角度标注实例六、刀具工作角度七、刀具材料1、刀具材料的基本要求2、常用刀具材料第三节切削过程中的物理现象一、金属切削层的切削变形二、影响切削变形的主要因素三、切削力和切削功率四、切削热和切削温度五、刀具磨损及刀具寿命金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。金属切削加工必须具备的两个基本条件：切削运动和刀具。工件表面的成形方法工件表面的成形原理：任何表面都可以看成是一条线（母线）沿着另一条线（导线）的运动轨迹。2注意：1、平面、直线形成的表面和圆柱面的导线、母线可以互换，有些表面如圆锥面、螺旋面等不能互换。2、有些表面发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，可以形成不同的表面。3、同一表面母线和导线不同，可以有不同的成形方法。4、根据这些工件表面的成形原理，人们发明了车、铣、钻、镗、磨等机床。工件表面的成形方法发生线的成形方法1、成形法2、轨迹法3、展成法4、相切法工件表面的成形运动表面成形运动是保证得到工件要求的表面形状的运动。图2-1-6工件的旋转运动产生母线，刀具的直线运动产生导线。图2-1-7工件的旋转运动产生导线，刀具的纵向进给和横向进给的合成的直线运动产生母线。第一节切削运动与切削要素一、切削运动1．主运动2．进给运动3．合成切削运动1．主运动主运动：刀具与工件之间主要的相对运动，它使工件材料由被切削层转变为切屑，形成工件的新表面。(1)主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。(2)切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。2．进给运动进给运动：刀具与工件之间附加的相对运动，它使工件被切削层不断投入切削，形成已加工表面。进给运动主体：刀具或工件3进给运动方式：间歇或连续(1)进给运动方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。(2)进给速度vf：切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。3．合成切削运动合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。二、切削加工过程中的工件表面切削过程中工件上有三个变化着的表面(1)待加工表面：工件上待切除的表面。(2)已加工表面：工件上经刀具切削后产生的新表面。(3)过渡表面(或切削表面)：工件上正在切削的表面。三、切削要素切削要素：切削过程的切削用量要素和切削层参数。1．切削用量要素(1)切削速度vc(2)进给量f(3)背吃刀量ap4(2)进给量进给量f：刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。主运动是回转运动时，进给量指每转相对位移量，(mm／r)；主运动是直线运动时，进给量指每双行程或单行程的相对位移量，（mm／双行程或mm／单行程）；多齿旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，（mm／z或mm／齿），它与进给量f的关系为：f=zfz进给速度计算公式车削时进给速度vf计算公式vf=fn式中vf——进给速度，单位为mm／min；f——进给量，单位为mm／r；n一主运动转速，单位为r／min。铣削时进给速度为vf=fn=zfzn合成切削速度ve表达为ve=vc+vf(3)背吃刀量背吃刀量ap在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸。外圆车削ap＝dw-dmap——背吃刀量，单位mmdw——工件待加工表面直径，单位mm。dm——工件已加工表面直径，单位mm。切削用量三要素与材料切除率vc、f、ap——外圆车削的切削用量三要素。切削用量三要素影响切削效率的高低，三要素的乘积，为材料切除率。材料切除率用Qz（mm3/min）表示：Qz=1000vcfap2.切削层参数切削层：在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层。切削层参数：在基面中测量的切削层长度、宽度和面积。切削层三个参数(1)切削层公称厚度hD：垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。(2)切削层公称宽度bD：平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。5(3)切削层公称横截面积AD：在切削层参数平面内度量的横截面积。切削用量要素与切削层参数的关系hD=fsinkrbD=ap/sinkrAD=hDbD=apf可见:hD、bD均与主偏角kr有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或ap、f有关。第二节刀具切削部分的几何参数一、刀具的构成刀具是由工作部分和非工作部分构成。外圆车刀的几何参数具有普遍研究价值。二、刀具切削部分的基本定义刀具切削部分是由三部分构成：刀面、刀刃、刀尖1.刀面(1)前面Ag：切屑流过的刀面。(2)主后面Aa：与被切削加工的表面(过渡表面)相对的刀面。(3)副后面Aa’：与已切削加工的表面相对的刀面。2.刀刃(1)主切削刃S前面与主后面在空间的交线。(2)副切削刃S’前面与副后面在空间的交线。3.刀尖刀尖:三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。三、刀具角度刀具角度:为设计、制造、刃磨和测量刀具角度所使用的几何参数，是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。参考系：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系，可分为:静止参考系工作参考系1．刀具静止参考系刀具静止参考系:在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度最常用的刀具静止参考系是正交平面参考系，其它还有法平面参考系、假定工作平面参考系等。6正交平面参考系与法平面参考系正交平面参考系的构成正交平面参考系由三个相互垂直的平面构成：(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。(2)切削平面ps通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(3)正交平面po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。2.正交平面参考系的建立(1)确认刀具的主切削刃和副切削刃；(2)在切削刃上确定考查点；(3)确定考查点x处主切削运动速度方向；(4)建立正交平面参考系中的基面；(5)建立正交平面参考系中的切削平面；(5)建立正交平面参考系中的正交平面。3．正交平面参考系刀具的标注角度(1)基面中测量的刀具角度(2)切削平面中测量的刀具角度(3)正交平面中测量的刀具角度(1)基面中测量的刀具角度1)主偏角kr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。2)副偏角kr’副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。3)刀尖角er主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。er=180°-(kr+kr’)(4)刀尖情况刀尖情况刀尖圆弧半径re改变刀尖的几何形状：re=0时为尖角过渡；7reo时为圆角过渡；直线过渡时用ke和be参数描述。(2)切削平面中测量的刀具角度刃倾角ls：主切削刃与基面之间的夹角注意：刃倾角ls有正负之分：当主切削刃与基面平行时，ls=0°；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时，ls0°；否则，ls≤0°。(3)正交平面中测量的刀具角度1)前角g0前面与基面之间的夹角。2)后角a0后面与切削平面之间的夹角。3)楔角b0前面与后面之间的夹角：b0＝90°-(g0+a0)(1—12)4．其它刀具标注参考系(1)法平面参考系通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面，称为法平面pn。法平面参考系由pr、pn、ps组成。(2)假定工作平面、背平面及其参考系假定工作平面pf：通过切削刃上选定点并垂直于该点基面且平行于假定进给运动方向的面。背平面pp：通过切削刃上选定点并垂直于该点基面和假定工作平面的平面。假定工作平面-背平面参考系：由pr、pf、pp，组成的参考系。四、刀具角度的换算在ISO标准中，刀具标注角度参考系可以有多种，各参考系之间的刀具角度均可相互换算。在生产实践中，常需要进行不同参考系下的标注角度值换算。换算时可查具体手册的相关公式。五.刀具角度标注实例切断加工所用的切断刀，有一条主切削刃、两个刀尖、两条副切削刃。该刀具应有八个独立标注角度。六、刀具工作角度在实际切削条件下（考虑刀具安装、切削速度等），刀具角度的考系会发生变化，需要引入一个工作参考系来进行描述。刀具工作角度：刀具在工作参考系中确定的角度。1．刀具工作参考系的建立(1)工作基面pre：通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。(2)工作切削平面pse：通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。(3)工作正交平面poe：通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。2．刀具工作角度的分析8纵向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹是阿基米德螺旋线，从而使工作前角goe增大、工作后角aoe减小。（1）、车削梯形螺纹角度变化的影响车削梯形螺纹时，为保证左、右螺纹加工表面质量一致，刀具安装时应调整一个安装角(2)刀具安装位置对刀具工作角度的影响若切削刃高于工件中心且刃倾角ls＝0°：，工作前角goe增大，而工作后角aoe减小。若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。加工内表面时，情况与加工外表面相反。(3)刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。第三节刀具材料刀具切削部分的刀具材料是决定刀具切削性能优劣的关键因素之一。材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。一、刀具材料的基本要求对刀具材料有如下要求：(1)高的硬度和耐磨性。(2)足够的强度和韧性。(3)高的耐热性与化学稳定性。(4)良好的工艺性和经济性。9二、常用刀具材料常用的刀具材料有:◆工具钢；◆硬质合金；◆陶瓷和超硬刀具材料。机械加工使用最多的是高速钢和硬质合金，推广使用陶瓷和超硬刀具材料。1．高速钢高速钢是富含钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。硬度可达62～66HRC，抗弯强度约3.3GPa，热稳定性、耐磨性、耐热性好。切削温度达500～650ºC。适合制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。(1)高速钢的分类按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成分可分为：钨系和钼系。(2)常用高速钢的牌号与性能高速钢是一种综合性能良好的刀具材料。高速钢的使用约占刀具材料总量的60%～70%。1)通用型高速钢。2)高性能高速钢。3)粉末冶金高速钢。2.硬质合金硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(WC、TiC、TaC、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高，化学稳定性好，热稳定性、耐磨性、耐热性好。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～l0倍。4．其它刀具材料(1)陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料是以氧化铝或氮化硅为基体添加少量金属，经高温烧结成的刀具材料。10优点：硬度高，耐磨性好，高温切削性能优良，化学稳定性和抗氧化性良好，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强，切削速度比硬质合金刀具高2—5倍。缺点：脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制，可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。(2)金刚石刀具材料优点：金刚石硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等材料，也可用于加工石材、压缩木材、玻璃等高硬度的非金属材料和有色金属。缺点：热稳定性差、强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。(3)立方氮化硼立方氮化硼(CBN)由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，耐高温，化学惰性大，与铁系金属在高温下不易起化学反应，导热性好，摩可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。总结：选用刀具