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1、第1章 金属切削加工的基础知识-讲义金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。对刀具的基本要求是：应具有适当的切削角度，刀具材料对工件具有一定的切削能力。1.1 金属切削加工基本知识一.切削运动 切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面：待加工表面、已加工表面、加工表面（工件上正在被刀具切削着的表面）。切削运动刀具与工件间的相对运动，切削运动可分为主运动和进给运动。 (1) 主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，以进行切削的最基本运动。是机床上形成切削速度并消耗大部分切削动力的运动，是必不可少的成形运动。可由工件或刀具来实现。主运动只有一个、速度最高、消耗功率最大。 (2) 进给运动是
2、不断地把待切金属投入切削的过程，从而加工出全部表面的运动。进给运动不止一个、速度较低、消耗功率较小。合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动。二.切削用量 切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）合称切削用量，又称为切削用量三要素。（1）切削速度Vc：计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。车削外圆的计算公式如下：（2）进给量f ：表示进给运动的速度 在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位为mm/r（用于车削、镗削）或mm/行程（用于刨削、磨削），还可以用进给速度Vf表示（mm/s）或每齿进给量fz（mm/齿）（3） 背吃刀量（切削深度）ap：对外圆车削，
3、为已加工表面待加工表面间的垂直距离。三.刀具切削部分的基本定义 金属刀具的种类很多，单它们切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具结构如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。1车刀的组成 以外圆车刀为例，切削部分由以下部分组成：（1） 前面（前刀面）：刀具上与切屑接触并相互作用的平面（2） 主后面（主后刀面）；刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。（3） 副后面（副后刀面）：刀具上与工件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：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形
4、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。 其他各类刀具，都可看作时车刀的演变和组合。2. 刀具角度的参考系 刀具必须具有一定的切削角度才能从工件上切除金属。刀具作为一个三维几何体，要确定其切线部分各表面和切削刃的空间位置，需要建立三维平面参考系。前提条件：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； 为确定和测量刀具角度，引入三个相互垂直的参考平面。(1)切削平面Ps：通过主切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。(2)基面Pr：通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。(3)正
5、交平面Po： 通过主切削刃上某一点并同时垂直于切削平面与基面的平面。3刀具的标注角度 在正交平面内标注的角度：（1）前角0：在正交平面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（2）后角0 ：，在正交平面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。（3）刃倾角s：在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。刀主切削刃为水平时s0；刀尖为主切削刃上最低点时，s 0。在基面内标注的角度：（4）主偏角r：在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。主偏角一般为正值。（5）副偏角r：在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影
6、与假定进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。4刀具的工作角度实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，标注角度会发生一定的变化，角度变化的根本原因时切削平面、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、基面和正交平面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外圆车刀为例，当刀尖安装的高于工件轴线时，将引起工作前角和工作后角的变化。实际工作前角将大于标注前角，工作后角将小于标注后角。如果刀尖安装的低于工件轴线，则工作角度的变化情况恰好相反。当车刀安装偏斜时，将会引起工作主偏角和工作副偏角的变化。2. 进给运动对工作角度的
7、影响在做进给运动时，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角。横向进给时（如车端面或切槽）时，加工表面是阿基米德螺旋面，当进给量f增大时，值增大；工件切削直径d越小值越大。纵向进给时（如车外圆与螺纹），其加工表面实际上是螺旋面。一般车削时，进给量比工件直径小很多，故螺旋升角很小，对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但当进给量f很大时（如车螺纹），进给运动对工作角度的影响不可忽视。四切削层参数 切削层：刀具的切削刃在一次走刀从工件待加工表面切下的金属层（阴影的平行四边形），三个都在垂直于切削速度的平面内测量。（1） 切削层公称厚度hD：相邻两过渡表面间的距离，反映了切削刃单位长度上的切削负
8、荷。 （2） 切削层公称宽度bD：沿过渡表面测量的切削层尺寸，反映了切削刃参加切削的工作长度。 （3） 切削层公称横截面积AD： 1.2 刀具材料1. 刀具材料应具备的性能 （1）高的硬度 必须高于工件材料的硬度，60HRC（2）高的耐磨性 硬度越高，耐磨性越好（3）足够的强度和韧性 承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃（4）高的耐热性（热稳定性） 在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力（5）良好的热物理性能和耐热冲击性能 即刀具的导热性要好（6）良好的工艺性能和经济性2.常用刀具材料常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。碳素工具钢
9、和合金工具钢耐热性差，仅用于一些手工工具及切削速度较低的刀具，金刚石不宜切削铁族金属。（1）高速钢：加入较多钨（W）、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢与碳素工具钢、合金工具钢相比，能提高切削速度13倍（所以称高速钢），提高刀具耐用度1040倍。具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的23倍，陶瓷的56倍）和韧性，具有一定的硬度（6370HRC）耐磨性。它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料，高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。可分为通用型高速钢和高性能高速钢。通用
10、型高速钢，如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2是大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，应用最为广泛。高性能高速钢比前者好：如W6Mo5Cr4V2Al，适用加工难加工材料。（2）硬质合金 ：硬质合金是用具有高耐磨性和高耐热性的WC、TiC等金属粉末以Co、Ni作为粘结剂，用粉末冶金法制得的合金。其硬度为8993HRA(相当于7482HRC)，能耐8501000C的高温，具有很好的耐磨性，允许使用的切削速度可达(100300)mmin，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此得到广泛的应用。但是，硬质合金的抗弯强度低、冲击韧性差，所以很少用于制造整体刀具。一般用它制造各种形状的刀片。（3）陶瓷材料：陶瓷
11、是以氧化铝(A12O3)或氮化硅(Si3N4)等为主要成分，经压制成形后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。 陶瓷刀具与传统硬质合金刀具相比，具有的优点：1)可加工硬度高达65HRC的高硬度难加工材料；2)可进行粗车及铣、刨等大冲击间断切削；3）耐用度可提高几倍至几十倍；4)切削效率提高310倍，可实现以车、铣代磨。（4）立方氮化硼：由立方氮化硼在（CBN）在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000度以上的切削温度。它的最大优点是在高温(12001300C)时也不会与铁族金属起反应，因此，
12、既能胜任淬硬钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。（5）金刚石：有天然金刚石和人造金刚石两种。但天然很贵，所以刀具用人造。用刀具材料用作有色金属的高速精细切削。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。第2章 金属切削过程的基本规律-讲义本章提要 在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损和刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究、揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的
13、控制，对保证加工精度和表面、提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。2.1 金属切削过程一、切屑形成过程及变形区的划分自由切削只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工作，称为自由切削。曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削，则称为非自由切削。为了简化研究工作，通常采用自由切削来观察和研究。实验证明，金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。当金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45方向的斜截面产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。低速直角自由切削工
14、件得到的切削层的变形可大致划分为三个变形区三个变形区1.第一变形区从使滑移面开始发生塑性变形，到终滑移面晶粒的剪切滑移基本完成。第一变形区的主要特征是：沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。2.第二变形区切屑沿前刀面排出时受到前刀面的挤压和摩擦，靠近前刀面处金属纤维化，基本和前刀面平行。这一变形区的特征是：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减慢，甚至会停滞在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触温度升高。对第一变形区也有影响.3.第三变形区已加工表面受切削刃和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化，影响已加工表面质量。二、变形系数剪切角剪切面和切削速度
15、之间的夹角。剪切角的大小可作为衡量切削过程情况的一个标志。由于剪切角难以测量，通常用变形系数来度量。厚度变形系数，长度变形系数根据体积不变原理，h= l 1直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量。 ，变形越大。三、切屑类型由于工件材料不同，变形程度也不同，因而切屑类型也不同1. 带状切屑：最常见，内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属，当切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时产生。2. 挤裂切屑：外表面呈锯齿形，内表面时有裂纹。切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小时产生。3. 单元切屑：在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑。带状切屑、挤裂切屑、单元切屑只有在加工塑性材料时才会得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进
