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1、第一章 切削加工及刀具的基本知识绪 论一、概念 加工时工件和刀具都安装在机床上并完成一定的相对运动，使刀具在工件毛坯上切去一部分多余材料，将毛坯加工成具有一定尺寸、形状、精度和表面质量的零件。二、切削加工具备的三个条件1、刀具与工件之间要有相对运动2、刀具具有恰当的几何参数，即切削角度3、刀具材料具有一定的切削性能三、切削加工研究的对象机床、夹具、刀具和工件第一节 切削加工基本知识一、切削运动和工件的加工表面1、切削运动：在切削过程中，工件与刀具间必须完 成一定的相对运动。 （1）主运动：切削运动中最主要的运动。特点：主运动的速度较高，消耗的功率最大。在整个切削运动中主运动只有一个。主运动可以
2、是旋转运动，也可以是直线运动。主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成。（2）进给运动：是一种在切削运动中不断地把切削层投入，使切削工作得以持续下去地运动。特点：进给运动的速度较低，功率消耗也较少。进给运动的数量可以是一个，也可以是多个。进给运动可以是连续进行的，也可以是断续的进给运动可以是工件完成的，也可以是刀具完成的2、工件加工表面及成形方法待加工表面：即将被切除金属层的表面。已加工表面：已经切去一部分金属而形成的新表面。加工表面：切削刃正在切削的表面。也称为过渡表面一、一、工件加工表面工件加工表面二、工件加工表面成形方法二、工件加工表面成形方法(一) 工件表面的构成 机械零件的表面形状千变
3、万化，但大都是由几种常见的表面组合而成的。这些表面包括平面、圆柱面、圆锥面、球面、螺旋面、圆环面以及成形曲面等 （二）工件表面的形成方法 各种典型表面都可以看成是由一根母线沿着导线 运动而形成的。图2表示了零件表面的成形过程。母线和导线，统称为发生线。（三）发生线的形成方法及所需的运动 1、轨轨迹迹法法(locus method)：指指的的是是刀刀具具切切削削刃刃与与工工件件表表面面之之间间为为点点接接触触，通通过过刀刀具具与与工工件件之之间间的的相相对对运运动动，由由刀刀具具刀刀尖尖的的运运动动轨轨迹迹来来实实现现表面的成形。表面的成形。 被被加加工工表表面面的的形形状状精精度度主主要要取取
4、决决于于机机床床切切削削运运动动的的精精度度。刀刀尖尖轨轨迹迹法法是是利利用用非非成成形形刀刀具具，在在一一定定的的切切削削运运动动下下，由由刀刀尖尖轨轨迹迹获获得得零零件件所所需需表表面的方法面的方法 是指刀具切削刃与工件表面之间为线接触，切削刃的形状与形成工件表面的一条发生线完全相同，另一条发生线由刀具与工件的相对运动来实现。 3、相相切切法法：利用刀具边旋转边做轨迹运动对工件进行加工的方法。 下下面面以以外外圆圆车车刀刀为为例例，给给出出刀刀具具几何参数方面的有关定义。几何参数方面的有关定义。 图二、刀具切削部分的几何参数二、刀具切削部分的几何参数 刀具上承担切削部分工作的称为刀刀具上承
5、担切削部分工作的称为刀具的切削部分。具的切削部分。 （一）刀具切削部分的构造（一）刀具切削部分的构造车刀的组成：车刀的组成： 三面三面 前刀面前刀面A 后刀面后刀面A 副后刀面副后刀面A 两刃两刃 主切削刃主切削刃 S 副切削刃副切削刃 S 一尖一尖 过渡刃过渡刃刀尖刀尖主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主刀刃主刀刃前刀面前刀面副切削刃副切削刃刀杆刀杆刀头刀头一尖二刃三刀面一尖二刃三刀面（二）、参考系的确定（二）、参考系的确定确定刀具角度的参考系有两类：（1）标注坐标系或静态坐标系，它是刀具设计计算、绘图标注、制造刃磨和测量角度时的基准。 此类坐标系与工件不发生直接联系，只在刀具上假定一个主运动
6、方向和进给运动方向，不考虑运动速度的大小和刀具相对于工件的安装情况。（2）工作坐标系或动态参考系，它是确定刀具在切削运动中角度的基准，它定义的角度称为工作角度 此类坐标系要与工件联系，并需考虑到切削点合成运动，及刀具安装情况的影响。注意：参考系和刀具角度都是对刀刃上某一研究点而言，不同的点应建立各自的参考系，表示各自的角度。主剖面参考系（二）、刀具的标注角度（二）、刀具的标注角度 在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。（1）前角前角o （2）后角后角o（3）主偏角主偏角r（4）刃倾角刃倾角s（5）副偏角）副偏角r （6）副后角）副后角o 派生角度：派生角度：
7、楔角楔角o、刀尖角、刀尖角r 余偏角余偏角r在主剖面参考系中的标注角度在主剖面参考系中的标注角度：外圆车刀主剖面参考系的标注角度 前角0：前刀面与基面间的夹角（在主剖面中测量）。主剖面系标注的刀具角度后角0：后刀面与切削平面间的夹角（在主剖面中测量）。主剖面系标注的刀具角度 Kr主偏角r ：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。主剖面系标注的刀具角度 刃倾角 s：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。主剖面系标注的刀具角度 刀尖角：由上分析可知，上图中的外圆车刀有三个刀面，两由上分析可知，上图中的外圆车刀有三个刀面，两个切削刃，所需标注的独立角度只有六个。个切削刃，所需标注的独立角度只有
8、六个。 此外，此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们的名称与定义如下：的名称与定义如下： 楔角0 ：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。 090 （0 0） 刀尖角r ：基面中测量的主、副切削刃间夹角。 r180 （ r r ）余偏角 ：基面中测量的主刀刃与进给垂直方向的夹角。( (三）、切削用量三要素三）、切削用量三要素 切切削削用用量量是是指指切切削削速速度度 、进进给给量量f（或或进进给给速速度度）和和切削深度切削深度 。三者又称为切削用量三要素。三者又称为切削用量三要素。1切削速度切削速度 （ms或或 mmin） 切切削削刃刃相相对对
9、于于工工件件的的主主运动速度称为切削速度。运动速度称为切削速度。注意：注意：刀刃上各点的切削速度可能是不同的，一般，切削速度是指刀刃上的最大切削速度。 计计算算切切削削速速度度时时，应应选选取取刀刀刃刃上上速速度度最最高高的的点点进进行行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定。计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定。式中：式中： d-工件或刀具的最大直（工件或刀具的最大直（mm） n-工件或刀具的转速工件或刀具的转速(r/min) 2进给速度进给速度 ,进给量进给量f 进进给给速速度度是是刀刀刃刃上上选选定定点点相相对对于于工工件件的的进进给给运运动动速速度度，其单位为其单位为mm
10、/minmm/min。 进进给给量量f f是是工工件件或或刀刀具具的的主主运运动动每每转转或或每每双双行行程程时时，工件和刀具在进给运动中的相对位移量。工件和刀具在进给运动中的相对位移量。式中：式中： 为进给速度为进给速度 3. 切削深度切削深度（背吃刀量）（背吃刀量） ap车削外圆时车削外圆时 ap = (dw-dm)/2 钻孔时钻孔时 ap = dm/2式式中中：dw工工件件上上待待加加工工表表面面直直径径(mm) Dm-工件上已加工表面直径工件上已加工表面直径(mm)切削深度等于工件已加工表面与待加工表面的垂直距离。切削深度等于工件已加工表面与待加工表面的垂直距离。例题： 车外圆时工件加
11、工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，求v、f、ap。解：解： v =dn/1000 = 624/1000 = 0.779 m/s f = vf /n = 2/4 = 0.5 mm/r ap = (dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm( (四）、切削层参数四）、切削层参数 由由刀刀刃刃在在一一次次走走刀刀中中从从工工件件待待加加工工表表面面切切下下的的金金属属层层叫叫作作切切削削层层。切切削削层层的的截截面面尺尺寸寸称称为为切切削削层层参参数数。它它决决定定了了刀刀具具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大
12、小。切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小。1切削厚度切削厚度 垂垂直直于于切切削削刃刃的的方方向向上上度度量量的的切切削削层层尺尺寸寸称为切削层厚度。称为切削层厚度。注意：注意：当主偏角当主偏角变化时，切削厚变化时，切削厚度将随之变化。度将随之变化。 沿沿加加工工表表面面度度量量的的切切削削层层尺尺寸寸称称为为切切削削层层宽宽度。度。 2切削宽度切削宽度注意：在f和ap一定条件下，kr越大，则ac也越大，但aw越小；当kr越小时，ac越小，aw越大；当刃顷角等于0，且kr=0时，ac=f aw=ap3切削面积切削面积 是切削层在基面内的面积是切削层在基面内的面积第二节 常用刀具材料和刀具种类一
13、、刀具材料应具备的基本性能 刀具材料通常是指刀具材料通常是指刀具切削部分刀具切削部分的材料。其性能的材料。其性能的好坏将直接影响切削效率、刀具寿命和加工成本。的好坏将直接影响切削效率、刀具寿命和加工成本。 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下性能要求：用，刀具切削部分的材料须满足以下性能要求： 1. 高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 常常温温硬硬度度60HRC以以上上，耐耐磨磨性性是是硬硬度度、 组组织织结结构构及及化学性能等的综合反映。化学性能等的综合反映。 2. 足够的强度和冲击韧性足够的强度和冲击韧性承受切削
14、力承受切削力, ,冲击和振动，避免崩刃和折断。冲击和振动，避免崩刃和折断。3. 高耐热性高耐热性 高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。4. 化学稳定性好化学稳定性好 在在常常温温和和高高温温下下不不容容易易与与周周围围介介质质及及被被加加工工材材料料发发生生化化学学反应。反应。5. 5. 良好的工艺性和经济性良好的工艺性和经济性 便便于于加加工工制制造造，如如锻锻造造性性能能、磨磨削削性性能能、热热处处理理性性能能等，价格低廉的要求。等，价格低廉的要求。二、常用刀具材料的类型及选用 刀具材料有刀具材料有工具钢（碳素工具钢、合金工具钢、工具钢（碳素
15、工具钢、合金工具钢、高高速钢速钢）、硬质合金、硬质合金、陶瓷材料和超硬材料几种类型。、陶瓷材料和超硬材料几种类型。 目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。 1 1高速钢高速钢 是在工具钢中加入较多的是在工具钢中加入较多的W,Mo,Cr,VW,Mo,Cr,V等合金工具钢，等合金工具钢，提高其耐磨性和热硬性。提高其耐磨性和热硬性。 （1 1）通用型高速钢）通用型高速钢（6366 HRC） 钨系高
16、速钢钨系高速钢 W18Cr4V 可磨性好可磨性好 钼系高速钢钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2 高温塑性好高温塑性好 主要用于一般材料的常规加工主要用于一般材料的常规加工. （2 2）高高性性能能高高速速钢钢（增增加加碳碳量量钒钒量量，添添加加钴钴铝铝等等6770HRC） 钴高速钢钴高速钢 W2Mo9Cr4VCo8 价格特高价格特高 铝高速钢铝高速钢 W6Mo5Cr4V2Al 价格低价格低 主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.2、硬质合金 金金属属碳碳化化物物(WC、TiC等等)金金属属粘粘接接剂剂 (Co或或Mo、Ni等等) 高高
17、压成形后，高温烧结而成的粉末冶金制品。压成形后，高温烧结而成的粉末冶金制品。 硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢 抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差分分 类类 YG (K) 类类 YT (P)类类 YW (M)类类 短切屑黑色金属短切屑黑色金属 加工长切屑的加工长切屑的 钢材、铸铁等钢材、铸铁等 有色金属非金属有色金属非金属 黑色金属黑色金属 有色金属非金属有色金属非金属 WCCo WC TiC Co WC TiCTaC Co 3、其它刀具材料1. 陶瓷（硬、脆、价格低）陶瓷（硬、脆、价格低） 普通
18、陶瓷、复合氧化铝陶瓷、复合氮化硅陶瓷，适于精加工普通陶瓷、复合氧化铝陶瓷、复合氮化硅陶瓷，适于精加工 2. 金刚石（最硬、耐磨性好，耐热性较差金刚石（最硬、耐磨性好，耐热性较差 800 ） 加工陶瓷、加工陶瓷、硬合金、有色金属等，不适于铁系金属加工硬合金、有色金属等，不适于铁系金属加工3. 立方氮化硼立方氮化硼 硬度仅次于金刚石，化学稳定性、耐热性好，加工淬火钢等硬度仅次于金刚石，化学稳定性、耐热性好，加工淬火钢等合理选择刀具的基本要求是： 根据工件材料特性和加工要求，选择合适的刀具材料与其相适应，做到既充分发挥刀具特性，又能经济地满足加工要求。加工一般材料，大量使用地仍是普通高速钢和硬质合金。加工难切削的材料时才有必要选用高性能高速钢或硬质合金。加工高硬材料或精密加工时才需要选用超硬材料。三、刀具种类1、切刀（车刀、刨刀、镗刀、成形车刀）2、孔加工刀具（钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具）3、拉刀（拉刀、推刀）4、铣刀（圆柱铣刀、端铣刀、成形铣刀等）5、螺纹刀具（丝锥、板牙、螺纹铣刀）6、齿轮刀具7、磨具（砂轮、砂带、砂瓦、油石）
