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1、第 1 章 金属切削原理,1-1 基本定义,1. 金属切削过程,刀具从工件上切除多余的金属的过程，并使工件得到符合图纸要求的尺寸、形状和表面质量。 必须具备以下三个条件： 1.工件和刀具之间要有相对运动及，即切削运动； 2.刀具材料必须具备一定的切削性能； 3.刀具必须有合理的几何参数，即切削角度等。,一、切削运动与切削用量,1.工件加工表面,待加工表面 已加工表面 过渡表面（切削表面）,在切削过程中，工件上存在三个不断变化的表面：,一、切削运动与切削用量,2.切削运动,通常，切削运动按其作用可分为主运动和进给运动，这两个运动的向量和，称为合成切削运动。,工件和刀具之间的相对运动。,一、切削运
2、动与切削用量,2.切削运动,主运动 是实现切除工件或毛坯上多余金属，形成工件新表面所必须的基本运动。,方向：在不考虑进给运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向。,特点：速度高、消耗功率最大；主运动只有且必须有一个。,一、切削运动与切削用量,2.切削运动,进给运动 是实现依次地或连续不断地切除金属, 形成已加工表面的附加运动。,方向：在不考虑主运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向（进给方向）。,特点：速度低、消耗功率小；进给运动可以是一个或多个运动的合成运动。,一、切削运动与切削用量,2.切削运动,不同切削加工的切削运动,一、切削运动与切削用量,2.切削运动,方向：
3、切削刃上选定点相对于工件的瞬时合成运动方向。,合成切削运动是同时存在的主运动和进给运动合成的运动。 Ve=Vc+Vf,一、切削运动与切削用量,2.切削运动,进给运动角 瞬时主运动方向与进给运动方向之间的夹角。,合成切削速度角 瞬时主运动方向与合成切削运动方向之间的夹角。,一、切削运动与切削用量,2.切削运动,一、切削运动与切削用量,3.切削用量,切削用量三要素： 切削速度 进给速度（进给量） 背吃刀量,一、切削运动与切削用量,3.切削用量,1）切削速度 Vc 切削刃上选定点相对于工件沿主运动方向的瞬时速度。单位：m/s或m/min（r/s或r/min),一、切削运动与切削用量,3.切削用量,2
4、）进给速度 Vf 切削切削刃上选定点相对于工件沿进给运动方向的瞬时速度。单位：mm/s或m/min,一、切削运动与切削用量,3.切削用量,2）进给速度 Vf,进给量 f：工件或刀具每回转一周或往返一个行程时，两者沿进给运动方向的相对位移。单位：mm/r或mm/dstr（double stroke双行程） 例如，车削时进给速度 Vf = fn 每齿进给量 fz：在用多刃刀具进行切削时，后一个刀齿相对前一个刀齿的进给量。f = zfz ，单位：mm/齿 例如，铣削时进给速度为 Vf = fn = zfzn,一、切削运动与切削用量,3.切削用量,3）背吃刀量 ap （在基面上）垂直于进给运动方向测量
5、的切削层最大尺寸。单位：mm 例如，外圆车削: ap(dw-dm)/2,二、刀具几何参数,1.刀具切削部分的组成要素,刀具由工作部分和非工作部分构成。 以外圆车刀为例来介绍其几何参数。,“三面” “两刃” “一尖”,二、刀具几何参数,1.刀具切削部分的组成要素,刀具由工作部分和非工作部分构成。,（1）前刀面 A 切屑流过的刀面。 （2）主后刀面 A 与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。 （3）副后刀面 A 与工件已切削加工的表面相对的刀面。,二、刀具几何参数,1.刀具切削部分的组成要素,刀具由工作部分和非工作部分构成。,（4）主切削刃S 前面与主后面在空间的交线。 （5）副切削
6、刃S 前面与副后面在空间的交线。,二、刀具几何参数,2.定义刀具角度的参考系,用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系。,参考系可分为： 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称为刀具静止参考系或标注角度参考系。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。 刀具工作参考系：在考虑进给运动在内的合成切削运动和刀具实际安装情况下的参考系称为刀具工作参考系。在该参考系中的角度称为刀具的工作角度。,二、刀具几何参数,2.定义刀具角度的参考系,最常用的刀具标注角度参考系,正交平面参考系 法平面参考系 假定工作平面与背平面参考系,二、刀具几何参数,2.定义刀具角度的参
7、考系,1）正交平面参考系,组成： 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。通常平行于车刀的安装面（底面）。 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。 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。,二、刀具几何参数,2.定义刀具角度的参考系,2）法平面参考系,组成： 基面Pr 切削平面Ps 法平面Pn 通过切削刃上选定点，垂直于主切削刃或其切线的平面。,2.定义刀具角度的参考系,3）假定工作平面与背平面参考系,组成： 基面Pr 假定工作平面Pf 通过切削刃上选定点，垂直于该点基面且平行于假定进给运动方向的平面。 背平面Pp 通
8、过切削刃上选定点，垂直于该点基面且垂直于假定进给运动方向的平面。,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,以外圆车刀在正交平面参考系中的角度为例,（1）主偏角r 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r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r 主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。r=180-(r r)。r是标注角度是否正确的验证公式之一。,1）基面中测量的刀具角度,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,2）切削平面中测量的刀具角度 （1）刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。,在
9、切削平面内标注或测量，但有正、负之分。 当主切削刃与基面平行时s=0； 当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时s0；反之，s0。,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,3）正交平面中测量的刀具角度 (1) 前角o 前刀面与基面之间的夹角。 (2) 后角o 后刀面与切削平面之间的夹角。 (3) 楔角o 前刀面与后刀面之间的夹角。,楔角是个派生角。它与前角、后角有如下的关系：o90(oo)，o也是判断标注是否正确的验证式之一。,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,二、刀具几何参数,3.刀具的标注角度,4）其它角度 （1）副后角o在通过副切削刃上选定点的正交
10、平面po内的副后刀面与副切削平面之间的夹角。 （2）余偏角r 主切削刃在基面上的投影与进给方向垂线之间的夹角，r= 90- r。,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,刀具在工作状态下的切削角度（即工作角度），应该考虑包括进给运动在内的合成切削运动和刀具的实际安装情况，因而它的参考系也就不同于标注角度参考系，各参考平面的空间位置也相应的有所改变。,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,基面Pre 通过切削刃上选定点，垂直于该点合成切削速度方向的平面。 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。通常平行于车刀的安装面（底面）。,合成切削速度角,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角
11、度,1）横向进给运动对刀具工作角度的影响,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,1）横向进给运动对刀具工作角度的影响,当横向进给量f一定时，切削刃愈接近工件中心，值愈小，值急剧增大，工作后角oe将变为负值。因此，对于横向切削不宜选用过大的进给量f，并应适当加大刀具标注后角o。,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,2）纵向进给运动对刀具工作角度的影响,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,3）刀具安装高度工作角度的影响,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,3）刀具安装高度工作角度的影响,二、刀具几何参数,4.刀具的工作角度,4）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响,三、切削层参数,切削层是指在
12、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。,三、切削层参数,切削层厚度hD 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinr 切削层宽度bD 平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 bDapsinr 切削层横截面积AD 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，但切削层横截面积 AD 只与 hD、bD 或 f、ap有关。,三、切削层参数,切削层厚度hD 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinr 切
13、削层宽度bD 平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 bDapsinr 切削层横截面积AD 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，但切削层横截面积 AD 只与 hD、bD 或 f、ap有关。,三、切削层参数,切削层厚度hD 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinr 切削层宽度bD 平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 bDapsinr 切削层横截面积AD 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，但切削层横截面积 AD
14、只与 hD、bD 或 f、ap有关。,1-2 刀具材料,刀具材料通常是指刀具切削部分的材料。 加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的主要因素。 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料具备一定性能。,硬度：必须高于工件的硬度，一般常温硬度不低于HRC62； 强度和韧性：能够承受切削中的压力、冲击和振动，避免崩刃和折断。 耐磨性：通常硬度高则耐磨； 耐热性（热硬性）：在高温下保持较高硬度、耐磨性、硬度和冲击韧性； 化学稳定性：高温下抗氧化、抗黏结和扩散；,一、刀具材料应具备的性能,导热性：导热系数大、
15、散热性好，可降低切削区温度，延长刀具寿命； 热变形：热膨胀系数小、热变形小，有利于工件尺寸精度的稳定； 工艺性：加工性好，如锻、焊接、热处理、机加工； 经济性：资源丰富，价格低廉。,一、刀具材料应具备的性能,早期的刀具材料 主要是高碳钢，现在仍用于低速刀具，如锉刀、手锯条（渗碳钢）等，其切削速度只有5m/min左右； 1910年 出现了高速钢，切削速度提高到30m/min； 1930年 出现了硬质合金，切削速度提高到100m/min以上； 现在 刀具技术仍在不断进步，涂层刀具（在韧性基体上用物理气相沉积法PVD或化学气相沉积法CVD涂上硬度很高的薄膜）、采用超硬刀具材料，进一步提高了切削性能。
16、 常用刀具材料有碳素工具钢(如T10A、T12A)、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方炭化硼等。,二、常用刀具材料,常用刀具材料的种类及其特性 碳素工具钢 高速钢 硬质合金 其它刀具材料（涂层刀具、陶瓷、金刚石、立方氮化硼 ）,优点、缺点、种类、常用牌号、应用等,二、常用刀具材料,1-3 金属切削过程,金属切削过程：是刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。 在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等各种现象，分析产生诸现象的原因及对切削过程的影响规律，以解决生产上出现的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等。对提高生产率，保证加工质量，降低生产成本起着重要的作用。,1-3 金属切削过程,待加工表面、 已加工表面、 过渡表面（切削表面）。,在切
