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第3章金属切削及金属切削机床的基本知识3.1刀具材料与金属切削的基本知识3.1.1刀具材料1.刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高耐热性（4）良好的工艺性第3章金属切削及金属切削机床的基本知识2.刀具材料的种类与选择刀具切削部分材料的种类很多，主要金属材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢和硬质合金等，非金属材料有陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（1）碳素工具钢碳素工具钢是指碳的质量分数为0.65%～1.35%的优质高碳钢（T8A、T10A、T12A）。目前多用于制造低速手用工具。（2）合金工具钢在碳素工具钢中加入适量的合金元素锰、铬、钨、硅等，就形成了合金工具钢（9SiCr、GCr15和CrWMn等）。用于制造一些低速、手用刀具。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（3）高速钢高速钢是在碳素工具钢中加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素所构成的高合金工具钢。高速钢的强度和冲击韧性较好，热处理后硬度为63～66HRC，易磨出较锋利的切削刃，故生产中常称为“锋钢”。其耐热性为600～660℃，切削碳钢材料时切削速度可达30m/min左右，可以制造多种刃形复杂的刀具。按化学成分高速钢可分为钨系、钨钼系；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识①普通高速钢普通高速钢可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。钨系高速钢中较常见的牌号是W18Cr4V，简称W18。其综合性能好，可制造各种复杂刀具和精加工刀具。但其抗弯强度和冲击韧性均比钼系高速钢低，因而使用寿命短。目前世界上各工业先进国家已经不使用，我国也逐渐减少使用。钨钼系高速钢中最常见的牌号是W6Mo5Cr4V2，它具有较好的综合性能。但其脱碳倾向较大、较易氧化、淬火温度窄，较难控制热处理工艺。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识②高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢中加入钴、钒、铝等合金元素，进一步提高其耐磨性和耐热性的新型高速钢，此类高速钢主要用于高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的切削加工。主要包括：高钒高速钢：含钒量3%～5%，W6Mo5Cr4V3。钴高速钢：在高速钢中加入钴，W2Mo9Cr4VCo8。铝高速钢：在高速钢中加入铝，W6Mo5Cr4V2Al。高碳高速钢：碳质量分数0.9%～1.05%，钢中的合金元素全部形成碳化物，95W18Cr4V。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（4）硬质合金硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC等）微粉和金属黏结剂（Co、Ni、Mo等）经高压成形，并在1500℃左右的高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度高达89～94HRA，耐磨性很好，能切削淬火钢等硬度高的材料。硬质合金的耐热性为800～1000℃，切削速度可达100m/min以上，但其抗弯强度低、韧性差、怕冲击和振动，制造工艺性差。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识常用的硬质合金有如下几种：①钨钴类硬质合金（YG）②钨钛钴类硬质合金（YT）③钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）④钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW）以上四种硬质合金的主要成分都是WC，故统称为WC基硬质合金。⑤碳化钛基类硬质合金（YN）第3章金属切削及金属切削机床的基本知识第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（5）非金属刀具材料①陶瓷陶瓷刀具材料是以人造的化合物为原料，在高压下成形和高温下烧结而形成的.②金刚石金刚石分天然和人造两种，它们都是碳的同素异形体。③立方氮化硼立方氮化硼是由六方氮化硼在高温、高压条件下加入催化剂转变而成的。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识3.1.2金属切削概述1.金属切削加工及其特点金属切削加工指使用金属切削刀具，在工件上切除多余（或预留）金属的一种机械加工方法。金属切削加工具有两大特点:（1）可获得较复杂的工件形状，并具有比较高的加工效率。（2）可获得较小的表面粗糙度值、较高的尺寸精度、几何形状精度和位置精度。金属切削加工常作为零件的最终加工方法。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识2.切削运动在金属切削加工过程中，除了刀具材料硬度必须高于工件材料硬度之外，还必须使刀具与工件之间有相对运动，这样刀具才能切除工件上多余的金属层，这种相对运动就称为切削运动。图3-1切削运动第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（1）主运动主运动是使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动，由机床提供。（2）进给运动进给运动是使切削连续或间断进行下去的运动。（3）合成切削运动当主运动与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，其大小与方向用合成速度向量ve表示。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识3.工件上的表面在切削加工过程中，工件上始终有三个不断变化着的表面：待加工表面、过渡表面（也称为加工表面）和已加工表面。图3-2工件上的表面第3章金属切削及金属切削机床的基本知识4.切削用量切削速度、进给量（或进给速度）和背吃刀量称之为切削用量三要素。图3-3切削用量第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（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，单位是m/s或m/min。当主运动是回转运动时，切削速度为vc=πdn／1000式中d——完成主运动的刀具或工件上某一点的回转直径，mm；n——主运动的转速，r/min或r/s。考虑到刀具的磨损和切削功率等因素，计算时取各点切削速度最大值。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（2）进给量f主运动每转或每行程中，作进给运动的物体沿进给运动方向上的位移量，也称为每转或每行程进给量f（mm/r或mm/st）。进给运动的度量往往以进给速度vf表示，其单位为mm/s或mm/min。对于多齿刀具（如铣刀）常常还以每齿进给量fz（mm/z）表示。即vf=fn=fzzn式中n——刀具转速，r/s或r/min；z——刀具的齿数。习惯上常把进给运动称为走刀运动，进给量称为走刀量。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（3）背吃刀量ap背吃刀量一般指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。车外圆时ap=（dw-dm）/2式中dw——待加工表面直径，mm；dm——已加工表面直径，mm。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识5.切削层参数刀具切削刃在一个进给量的进给中，从工件待加工表面上切下来的金属层称为切削层。外圆车削时，工件转一转，车刀从位置I移到位置Ⅱ，前进了一个进给量，图3-4中阴影部分即为切削层。其截面尺寸的大小即为切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切削层尺寸，还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产率。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识切削层尺寸可用以下三个参数表示：（1）切削层公称厚度（hD）是切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离。（2）切削层公称宽度（bD）是沿过渡表面测量的切削层尺寸。（3）切削层公称横截面面积（AD）是切削层横截面的面积。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识图3-4车外圆时切削层参数第3章金属切削及金属切削机床的基本知识3.2刀具几何角度及工作角度3.2.1刀具的几何角度1.车刀的组成车刀由刀柄和刀头组成。刀柄是刀具上的夹持部分，与车床连接。刀头则用于切削，也称为切削部分。它由前刀面（Aγ）、后刀面（Aα）、副后刀面（A′α）、切削刃（S）、副切削刃（S′）和刀尖组成。不同类型车刀，其切削部分的组成可能不相同。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识图3-5车刀切削部分的组成图3-6刀尖形状第3章金属切削及金属切削机床的基本知识2.刀具的静止参考系刀具的静止参考系是用于设计、制造、刃磨和测量刀具几何角度的参考系。其建立应以切削运动为依据。我们给出假定工作条件，包含假定安装条件（假定车刀安装绝对正确）和假定运动条件（以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动方向为假定主运动方向；以切削刃选定点的进给运动方向为假定进给运动方向，不考虑进给运动的大小），建立参考系。在该参考系中确定的刀具几何角度，称为刀具的静止角度，即标注角度。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（1）正交平面静止参考系我国主要采用的正交平面参考系。①参考系的建立正交平面静止参考系由相互垂直的基面（Pr）、切削平面（Ps)和正交平面（Po）组成。图3-7正交平面静止参考系第3章金属切削及金属切削机床的基本知识②正交平面静止参考系中刀具角度的定义与标注图3-8正交平面静止参考系中刀具角度的定义与标注第3章金属切削及金属切削机床的基本知识基面中定义和标注的角度主偏角：κr，基面中测量的主切削刃与假定进给运动方向之间的夹角。副偏角：κ′r，基面中测量的副切削刃与假定进给运动反方向之间的夹角。切削平面中定义和标注的角度刃倾角：λs，切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。正交平面中定义和标注的角度前角：γo，正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。后角：αo，正交平面中测量的后刀面与切削平面之间的夹角。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识副正交平面中定义和标注的角度副后角：α′o，副正交平面中测量副后刀面与副切削平面之间的夹角。楔角：βo，正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角，即βo=90°-（γo+αo）刀尖角：εr，基面中测量的主、副切削刃之间的夹角，即εr=180°-（κr+κ′r）第3章金属切削及金属切削机床的基本知识前、后角正负的规定图3-9前、后角正负的规定图3-10刃倾角正负的规定第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（2）其他静止参考系①法剖面静止参考系法剖面静止参考系由Pr、Ps、Pn三个坐标平面组成。通过切削刃选定点与切削刃相垂直的平面称为法剖面Pn。其中测量的角度有法前角γn（测量的基面与前刀面之间的夹角）和法后角αn（测量的切削平面与后刀面之间的夹角）。图3-11法剖面静止参考系图3-12法剖面静止参考系中测量的角度第3章金属切削及金属切削机床的基本知识②假定工作平面、背平面静止参考系假定工作平面、背平面静止参考系由Pr、Pf、Pp三个坐标平面组成。假定工作平面（Pf）：通过切削刃选定点，平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面。背平面（Pp）：通过切削刃选定点，垂直于假定工作平面和基面的平面。在该参考系中测量的角度有侧前角γf、侧后角αf、背前角γp、背后角αp，其定义方法与正交平面、法剖面静止参考系中的类似。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识图3-13假定工作平面、背平面静止参考系图3-14假定工作平面、背平面静止参考系中的角度第3章金属切削及金属切削机床的基本知识3.2.2刀具的工作角度刀具的工作角度，就是在工作参考系中定义的角度。刀具工作参考系的坐标平面是依据合成切削运动方向来确定的。第3章金属切削及金属切削机床的基本知识1.进给运动对刀具工作角度的影响（1）纵向进给运动对刀具工作角度的影响刀具做纵向进给运动时，刀具的工作前角较静止前角增大，刀具的工作后角较静止后角减小。图3-15纵向进给运动对刀具工作角度的影响第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（2）横向进给运动对刀具工作角度的影响当刀具做横向进给运动时（如图3-16所示），刀具的工作前角较静止前角增大，刀具的工作后角较静止后角减小。图3-16横向进给运动对刀具工作角度的影响第3章金属切削及金属切削机床的基本知识2.刀具安装位置对刀具工作角度的影响（1）刀具安装高、低的影响假定车刀的λs=0°若刀尖安装高于工件中心高，刀具的工作前角较静止前角增大，刀具的工作后角较静止后角减小。若刀尖装低，情况则相反。图3-17刀具安装高、低对刀具工作角度的影响第3章金属切削及金属切削机床的基本知识（2）刀杆轴线不垂直于进给运动方向的影响在基面内，若刀具轴线在安装时不垂直于进给运动方向，则刀具的工作主偏角和工作副偏角将增大或减小。图3-18刀杆轴线不垂直于进给运动方向的工作角度第3章金属切削及金属切削机床的基本知识3.3金属切削过程金属切削过程是刀具前刀面推挤切削层，