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1、第一章 金属切削加工及刀具的基本定义,本章主要介绍金属切削过程的基础知识，分两大部分： 一、基本定义介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等 二、刀具材料介绍刀具材料应具备的性能（硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼,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。 金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和刀具(几
2、何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。,一、金属切削加工基本概 念,图2-1 切削运动,由机床或人力提供的刀具与 工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的 刀具表面切入工件材料，使 被切削层转变为切屑, 从而 形成工件的新表面。在切削 运动中，主运动速度最高、 耗功最大，是切下切屑所必 须的基本运动。,切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,刀具与工件之间附加 的相对运动, 它配合主运动 依次地或连续不断地切除 切屑, 从而形成具有所需几 何
3、特性的已加工表面。 进给运动可由刀具完 成(如车削)，也可由工件完 成(如铣削)，可以是间歇的 （如刨削）, 也可以是连续 的（如车削）。,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。,切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,主运动和进给运动 合成的运动称为合 成切削运动。,图2-2 各种切削加工的切削运动,切削刃相对于工件的运动过程, 就是表面形成过程。 在这个过程中, 切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。 有两个要素，一是切削刃, 二是切削运动。 不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。,2、切削加工过程中的工件表面,车削加工是一种最常见的、
4、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面（图2-1） 。,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。,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,3、切削要素,切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。,对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为 vc =dwn/1000,是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。 当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r； 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
5、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；,图2-3 切削时合成切削速度,对于车削和刨削加工来说，切削深度ap（背吃刀量）是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位mm。外圆车削: ap(dw-dm)/2,三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min， Qz=1000vcfap,切削用量和切削层参数,切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层（图23）。,垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinKr,平行于
6、正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 bDapsinKr,图23 车削时的切削层尺寸,在切削层参数平面内度量的横截面积。 ADhDbD=apf,上述公式中可看出 hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。,二、刀具角度,（一）刀具的构成,1.刀 面,刀具切削部分的基本定义,图24,图24 车 刀 的 构 成,2.刀刃,3刀尖,副后刀面,主切削刃,副切削刃,主后刀面,前 刀 面,刀 尖,一 尖,两 刃,三 面,刀具结构 (以车刀为例),图2-5 外圆车刀和车孔刀的组成,刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几
7、何形状（各表面空间位置）的重要参数。 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系; 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。,（三）定义刀具角度的参考系,1刀具静止参考系,2.正交平面参考系,由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。图26,通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。,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。,通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,图2-6 正交平面参考系,（三）刀具的标注角度,前角和刃倾角的符号,说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进
8、给运动的影响等条件下确定的。,图27 车刀的主要角度,3.其它刀具标注参考系,图2-8 假定工作平面和法平面参考系,Pr PfPp,（四）刀具工作角度,刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。,1刀具工作参考系的建立,刀具工作参考系,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。,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。,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,oe=o oe=o tanf /d,当进给量f一定时， 随 d 值值，接近中心oe为
9、负值。,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。由角定义可知： tan = (1.19),图211,图211 刀尖安装高低对工作角度的影响,假定车刀s0,刀尖高于工件中心,pe=pp pe=p p tanph/,pe=pp pe=p p tanph/,oe=o oe=o tan tanp cosr,图212车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响,三、刀具材料,1. 刀具材料应具备的性能,2. 常用刀具材料,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。,有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。,推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。 高
10、速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2-1、2(p15)。,1高速钢,它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。 热处理后硬度可达6266HRC, 抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度在500650C时仍能进行切削。 由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于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。,各类高速钢刀具,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。 按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。,（1）高速钢的分类,（2）常用高速钢的牌号与性能,通用型
11、高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，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。,硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造； 硬质合金是由高硬度和高熔点
12、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8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000C。 硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍 。,2硬质合金,各类硬质合金钢刀具,钨钴类（WC+Co）； 钨钛钴类（WC+TiC+Co）； 添加稀有金属碳化物类（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）； 碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。,（1）硬质合金的分类,（2）常用硬质合金的牌号及其性能,钨钴类硬质合金 代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高，韧性愈好，
13、适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。 钨钛钴类硬质合金 代号为YT，属P类。它以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。 钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW，属M类。它在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。,表2.1 各种硬质合金牌号的应用范
14、围,表2.1 各种硬质合金牌号的应用范围(续),3涂层刀具材料,在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。,在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。,（3）TiCTiN复合涂层,第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。,（4）TiC-Al203复合涂层,第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。
15、第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。,目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。,4其它刀具材料,以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； 其缺点是脆性大、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。,碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。 由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面
16、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、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 缺点是热稳定性差，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。,立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它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，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。 因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。,应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难
