第1章-金屬切削基本原理-機(jī)械制造技術(shù)課件

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第1章

金屬切削基本原理FundamentalofMechanicalMetalCuting1.1

概述Summary機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第1章金屬切削基本原理1.1概述11.1.1零件表面形成方法軌跡法成形法相切法展成法a）軌跡法b）成形法c）相切法d）展成法圖1-1零件表面成形方法1.1.1零件表面形成方法軌跡法a）軌跡法2主運(yùn)動(dòng)

指直接切除工件上的余量形成加工表面的運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)的速度即切削速度，用v（m/s）表示。

◆主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)切削加工的基本運(yùn)動(dòng)，可以由刀具來(lái)完成，也可以由工件來(lái)完成；可以是直線運(yùn)動(dòng)（用T

表示），也可以是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（用

R

表示）。正是由于上述不同運(yùn)動(dòng)形式和不同運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件的多種組合，產(chǎn)生了不同的加工方法。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

指為不斷把余量投入切削的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度用進(jìn)給量（f—mm/r）或進(jìn)給速度（vf—mm/min）表示。定位和調(diào)整運(yùn)動(dòng)

使工件或刀具進(jìn)入正確加工位置的運(yùn)動(dòng)。如調(diào)整切削深度，工件分度等。1.1.2切削加工的成形運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)◆主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)切削加工的基31.1.3

切削用量及典型表面加工方法切削用量

切削速度vc若主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均速度為：

（1-1）式中n——主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速（r/s）；D——刀具或工件的最大直徑（mm）。式中nr——主運(yùn)動(dòng)每秒鐘往復(fù)次數(shù)（str/s）；l——往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)度（mm）。（1-2）進(jìn)給量：工件或刀具每轉(zhuǎn)一周時(shí)(或主運(yùn)動(dòng)一循環(huán)時(shí))，兩者沿進(jìn)給方向上相對(duì)移動(dòng)的距離，單位為mm/r。背吃刀量：主刀刃與工件切削表面接觸長(zhǎng)度在主運(yùn)動(dòng)方向及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向所組成的平面的法線方向上測(cè)量的值。1.1.3切削用量及典型表面加工方法切削用量

切削速度4

外圓磨無(wú)心磨車銑加工滾壓加工銑削成形磨（橫磨）主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-1外圓表面加工方法刀具T/RT主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RRRRRTRRT/R車削成形車削拉削研磨1.1.3典型表面加工方法外圓磨無(wú)心磨車銑加工滾壓加工銑削成形磨（橫磨）主運(yùn)動(dòng)5表1-2內(nèi)圓表面加工方法表面成形原理圖鉆擴(kuò)鉸鏜拉擠行星式內(nèi)圓磨主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件RRTRRT/RTRTRTTRTT內(nèi)圓磨無(wú)心磨1.1.3典型表面加工方法表1-2內(nèi)圓表面加工方法表面成形原理6主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-3平面加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RTRTTT刨插周銑端銑平磨端面平磨車?yán)璗1.1.3典型表面加工方法主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-3平面加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給7車螺紋板牙主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-4螺紋加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RTRRTTR滾壓絲錐銑螺紋梳形銑刀旋風(fēng)銑磨螺紋RR1.1.3典型表面加工方法車螺紋板牙主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-4螺紋加工方法刀具主運(yùn)8主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-5齒形加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RTRTTR/TRRR/T銑齒指狀銑刀銑齒成形磨齒滾齒剃齒插齒蝸桿砂輪磨齒碟形砂輪磨齒錐形砂輪磨齒1.1.3典型表面加工方法主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-5齒形加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)91.1.4刀具結(jié)構(gòu)

刨刀、銑刀、鉆頭等其他刀具可視為車刀的演變或組合圖1-2各種刀具切削部分的形狀1.1.4刀具結(jié)構(gòu)刨刀、銑刀、鉆頭等其他刀具可視為車刀的101.1.4刀具幾何參數(shù)

車刀a）焊接式車刀b）整體式車刀c）機(jī)夾式車刀圖1-1車刀的結(jié)構(gòu)外圓車刀是最基本、最典型的刀具，由刀頭和刀體組成。車刀的切削部分由3個(gè)刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），2個(gè)刀刃（主切削刃和副切削刃）和1個(gè)刀尖組成。1.1.4刀具幾何參數(shù)車刀a）焊接式車刀b）整體式車刀c111.1.4刀具幾何角度

刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系（主剖面坐標(biāo)系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1）基面Pr：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與主運(yùn)動(dòng)方向垂直的平面?；媾c刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr圖1-3車刀主剖面坐標(biāo)系2）切削平面Ps：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。1.1.4刀具幾何角度刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系（主剖面坐標(biāo)系）121）前角γo在主剖面內(nèi)測(cè)量，是前刀面與基面的夾角。通過(guò)選定點(diǎn)的基面位于刀頭實(shí)體之外時(shí)γo定為正值；位于刀頭實(shí)體之內(nèi)時(shí)γo定為負(fù)值。γo影響切削難易程度。增大前角可使刀具鋒利，切削輕快。但前角過(guò)大，刀刃和刀尖強(qiáng)度下降，刀具導(dǎo)熱體積減小，影響刀具壽命。Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ01.1.4刀具幾何角度

刀具標(biāo)注角度用硬質(zhì)合金車刀切削鋼件，γo取10～20°；切削灰鑄鐵，γo取5～15°；切削鋁及鋁臺(tái)金，γo取25～35°；切削高強(qiáng)度鋼，γo取-5～-10°。1）前角γoγo影響切削難易程度。增大前角可使刀13Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo后角αo在主剖面內(nèi)測(cè)量，是主后刀面與切削平面的夾角。后角的作用是為了減小主后刀面與工件加工表面之間的摩擦以及主后刀面的磨損。但后角過(guò)大，刀刃強(qiáng)度下降，刀具導(dǎo)熱體積減小，反而會(huì)加快主后刀面的磨損。α01.1.4刀具幾何角度

粗加工和承受沖擊載荷的刀具，為了使刀刃有足夠強(qiáng)度，后角可選小些，一般為4°～6°；精加工時(shí)切深較小，為保證加工的表面質(zhì)量，后角可選大一些，一般為8°～12°。Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α14主偏角應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象正確選取，車刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°幾種。3）主偏角κr

在基面內(nèi)測(cè)量，是主切削刃在基面上投影與假定進(jìn)給方向的夾角。κr的大小影響刀具壽命。減小主偏角，主刃參加切削的長(zhǎng)度增加，負(fù)荷減輕，同時(shí)加強(qiáng)了刀尖，增大了散熱面積，使刀具壽命提高。κr的大小還影響切削分力。減小主偏角使吃刀抗力增大，當(dāng)加工剛性較弱的工件時(shí)，易引起工件變形和振動(dòng)。1.1.4刀具幾何角度

Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr主偏角應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象正確選取，車刀常用的主偏角有45°、615κr′AA向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′

κr′在基面內(nèi)測(cè)量，是副切削刃在基面上的投影與假定進(jìn)給反方向的夾角。副偏角的作用是為了減小副切削刃與工件已加工表面之間的摩擦，以防止切削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。副偏角的大小影響刀尖強(qiáng)度和表面粗糙度。1.1.4刀具幾何角度

κr′在切深、進(jìn)給量和主偏角相同的情況下，減小副偏角可使殘留面積減小，表面粗糙度降低。κr′AA向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α16a）b）c）圖1-5刃傾角對(duì)排屑方向的影響1.1.4刀具幾何角度

5）刃傾角λs——切削平面內(nèi)測(cè)量，是主切削刃與基面的夾角。當(dāng)?shù)都馐乔邢魅凶罡唿c(diǎn)時(shí),λs定為正值；反之位負(fù)。

λs影響刀尖強(qiáng)度和切屑流動(dòng)方向。粗加工時(shí)為增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，λs常取負(fù)值；精加工時(shí)為防止切屑劃傷已加工表面，λs常取正值或零。a）b）c）圖1-5刃傾角對(duì)排屑方向的影響1.1.417刀具工作角度◆刀具安裝對(duì)工作角度的影響圖1-6車刀安裝高度對(duì)工作角度的影響γre=γrα0e=α0a）α

0e＜α0b）α

0e＞α0c）γre＜γrγre＞γr

1.1.4刀具幾何角度

刀具工作角度◆刀具安裝對(duì)工作角度的影響圖1-6車刀安裝高18刀具工作角度

式中μ角是主運(yùn)動(dòng)方向與合成切削速度方向間的夾角?！暨M(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響橫切（圖1-13）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPse圖1-13切斷刀的工作角度f(wàn)xα0（1-4）1.1.4刀具幾何角度

（1-4a）刀具工作角度式中μ角是主運(yùn)動(dòng)方向與合成切削速度方向間的夾角19

縱切（圖1-14）

在進(jìn)給剖面，有：將其換算到主剖面內(nèi)得到：在主剖面內(nèi)：（1-5）O—O圖1-14外圓車刀工作角度μffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe1.1.4刀具幾何角度

縱切（圖1-14）在進(jìn)給剖面，有201.1.5切削層截面參數(shù)切削層截面參數(shù)

切削厚度

（1-3）切削寬度

（1-4）圖1-17切削層截面bDhD=ffdwDmapa）ΚrhDbD

=apb）c）acaw1.1.5切削層截面參數(shù)切削層截面參數(shù)

切削厚度（121對(duì)刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足夠的強(qiáng)度和韌性3）較好的耐熱性4）良好的工藝性5）經(jīng)濟(jì)性1.1.6刀具材料

刀具材料的發(fā)展對(duì)刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性1.1.6刀221.1.5刀具材料

圖1-18刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質(zhì)合金高速鋼WC-TiC系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlN涂層硬質(zhì)合金DLC涂層硬質(zhì)合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）1.1.5刀具材料圖1-18刀具材料的發(fā)展與切削加工231.1.5刀具材料

天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬質(zhì)合金涂層WC硬質(zhì)合金涂層超細(xì)粒狀硬金屬涂層高速鋼TiN涂層高速鋼斷裂韌性耐磨性圖1-19刀具材料的耐磨性與斷裂韌性1.1.5刀具材料天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化24刀具材料種類很多，常用的有工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼）、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具鋼和合金工具鋼，因其耐熱性很差，目前僅用于手工工具?！舾咚黉摳咚黉撌且环N加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。特點(diǎn)：1）強(qiáng)度高，抗彎強(qiáng)度為硬質(zhì)合金的2～3倍；2）韌性高，比硬質(zhì)合金高幾十倍；3）硬度HRC63以上，且有較好的耐熱性；4）可加工性好，熱處理變形較小。應(yīng)用：常用于制造各種復(fù)雜刀具（如鉆頭、絲錐、拉刀、成型刀具、齒輪刀具等）。1.1.5刀具材料

常用刀具材料刀具材料種類很多，常用的有工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼25表1-6常用高速鋼牌號(hào)及其應(yīng)用范圍類別牌號(hào)主要用途普通高速鋼W18Cr4V廣泛用于制造鉆頭、絞刀、銑刀、拉刀、絲錐、齒輪刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等W14Cr4VMnRe用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等高性能高速鋼高碳95W18Cr4V用于制造對(duì)韌性要求不高，但對(duì)耐磨性要求較高的刀具高礬W12Cr4V4Mo用于制造形狀簡(jiǎn)單，對(duì)耐磨性要求較高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造復(fù)雜刀具和難加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高強(qiáng)度耐熱鋼的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形狀簡(jiǎn)單的刀具，如加工鐵基高溫合金的鉆頭W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐熱性好，用于制造加工高強(qiáng)度鋼的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作難加工材料的刀具，因其磨削性好可作復(fù)雜刀具，價(jià)格昂貴

1.1.5刀具材料

表1-6常用高速鋼牌號(hào)及其應(yīng)用范圍類別牌號(hào)主要26◆硬質(zhì)合金

超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK8000～12000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.48～3.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700～800℃。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01μm左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤(pán)、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK6500～8000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開(kāi)發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500間變動(dòng)，其耐熱性達(dá)1200℃左右，化學(xué)惰性很好，在1000℃的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機(jī)床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機(jī)床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進(jìn)刀具材料的作用，取得良好的使用效果。硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金屬粘結(jié)劑（如Co、Ni、Mo等）經(jīng)高壓成型后，再在高溫下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高，允許的切削速度遠(yuǎn)高于高速鋼，且能切削諸如淬火鋼等硬材料。硬質(zhì)合金的不足是與高速鋼相比，其抗彎強(qiáng)度較低、脆性較大，抗振動(dòng)和沖擊性能也較差。硬質(zhì)合金因其切削性能優(yōu)良而被廣泛用來(lái)制作各種刀具。在我國(guó)，絕大多數(shù)車刀、面銑刀和深孔鉆都采用硬質(zhì)合金制造，目前，在一些較復(fù)雜的刀具上，如立銑刀、孔加工刀具等也開(kāi)始應(yīng)用硬質(zhì)合金制造。1.1.5刀具材料

◆硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物（如W27

超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK8000～12000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.48～3.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700～800℃。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01μm左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤(pán)、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK6500～8000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開(kāi)發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500間變動(dòng)，其耐熱性達(dá)1200℃左右，化學(xué)惰性很好，在1000℃的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機(jī)床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機(jī)床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進(jìn)刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表1-7各種硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍牌號(hào)應(yīng)用范圍YG3X鑄鐵、有色金屬及其合金精加工、半精加工，不能承受沖擊載荷YG3鑄鐵、有色金屬及其合金精加工、半精加工，不能承受沖擊載荷YG6X普通鑄鐵、冷硬鑄鐵、高溫合金的精加工、半精加工YG6鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工和粗加工YG8鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料粗加工，也可用于斷續(xù)切削YG6A冷硬鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工，亦可用于高錳鋼、淬硬鋼的半精加工和精加工YT30碳素鋼、合金鋼的精加工YT15碳素鋼、合金鋼在連續(xù)切削時(shí)的粗加工、半精加工，亦可用于斷續(xù)切削時(shí)的精加工YT14同YT15YT5碳素鋼、合金鋼的粗加工，也可以用于斷續(xù)切削YW1高溫合金、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料及普通鋼料、鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工和精加工YW2高溫合金、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料及普通鋼料、鑄鐵、有色金屬及其合金的粗加工和半精加工抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量硬度、耐磨性、切削速度抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量硬度、耐磨性、切削速度抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量硬度、耐磨性、切削速度1.1.5刀具材料

表1-7各種硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍牌號(hào)應(yīng)用28

超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK8000～12000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.48～3.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700～800℃。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01μm左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤(pán)、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK6500～8000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開(kāi)發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。聚晶立方氮化硼是由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500間變動(dòng)，其耐熱性達(dá)1200℃左右，化學(xué)惰性很好，在1000℃的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。由于陶瓷、金剛石和立方氮化硼等材料韌性差、硬度高，因此要求使用這類刀具的機(jī)床剛性好、速度高、功率足夠、主軸偏擺小，并且要求機(jī)床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)的剛性好。只有這樣才能充分發(fā)揮這些先進(jìn)刀具材料的作用，取得良好的使用效果?！籼沾傻毒卟牧咸沾刹牧媳扔操|(zhì)合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐熱性，在1200℃的溫度下仍能切削，耐磨性和化學(xué)惰性好，摩擦系數(shù)小，抗粘結(jié)和擴(kuò)散磨損能力強(qiáng)，因而能以更高的速度切削，并可切削難加工的高硬度材料。1.1.5刀具材料

主要缺點(diǎn)是性脆、抗沖擊韌性差，抗彎強(qiáng)度低。

◆陶瓷刀具材料陶瓷材料比硬質(zhì)合金具有更高的硬度（HRA29◆超硬刀具材料

天然金剛石是自然界最硬的材料，耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01μm，刀具壽命可達(dá)數(shù)百小時(shí)。因價(jià)格昂貴，主要用于高速、精密加工。

聚晶金剛石PCD由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，硬度比天然金剛石略低（HK6500～8000），價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成為金剛石刀具主要材料。

金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。

聚晶立方氮化硼（PCBN）由單晶立方氮化硼微粉在高溫高壓下聚合而成。硬度為HV3000～4500，耐熱性達(dá)1200℃，化學(xué)惰性很好，在1000℃的溫度下不與鐵、鎳和鈷等金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。主要用于加工淬硬工具鋼、冷硬鑄鐵、耐熱合金及噴焊材料等。用于高精度銑削時(shí)可以代替磨削加工。1.1.5刀具材料

◆超硬刀具材料天然金剛石是自然界最硬的材料，耐磨性極好，301.1.5刀具材料

刀具材料種類合金高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷天然

聚晶金剛石聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD化硼PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500HV4000抗彎強(qiáng)度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)40-5020-3070-10030-40146.5

100-12040-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃＞1000℃化學(xué)惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低較高高最高最高很高一般精度Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工對(duì)象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料表1-8普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對(duì)比1.1.5刀具材料刀具材料種類合金高速31第1章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

1.2

切屑的形成過(guò)程ProcessofChipForming第1章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)1.2切屑的形成過(guò)程321.2.1金屬切削過(guò)程的變形

直角切削沒(méi)有副刃參加切削，且λs

=0°。圖1-15直角、斜角自由切削與不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削1.2.1金屬切削過(guò)程的變形直角切削沒(méi)有副刃參加切削，33

切屑的形成與切離過(guò)程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過(guò)程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：金屬材料受擠壓時(shí)，最大剪應(yīng)力方向與作用力方向約成45°偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時(shí)，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應(yīng)力增大，達(dá)到屈服點(diǎn)→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大，達(dá)到斷裂強(qiáng)度→切屑與母體脫離。圖1-16金屬擠壓與切削比較1.2.1金屬切削過(guò)程的變形

擠壓與切削切屑的形成與切離過(guò)程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓34圖1-17切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角1.2.1金屬切削過(guò)程的變形

金屬切削變形過(guò)程圖1-17切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線351.2.1金屬切削過(guò)程的變形

金屬切削變形過(guò)程圖1-18切削變形實(shí)驗(yàn)設(shè)備與錄像裝置1.2.1金屬切削過(guò)程的變形金屬切削變形過(guò)程圖1-1836

第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過(guò)程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。圖1-19切削部位三個(gè)變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應(yīng)力的主要原因。1.2.1金屬切削過(guò)程的變形

三個(gè)變形區(qū)分析

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時(shí)受前刀面擠壓與摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。371.2.2切屑類型與變形系數(shù)

形成條件影響名稱簡(jiǎn)圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達(dá)到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強(qiáng)度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進(jìn)給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進(jìn)給量較大，刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料，刀具前角較小切削過(guò)程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑切削過(guò)程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動(dòng)較大，切削過(guò)程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動(dòng)大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表1-9切屑類型及形成條件1.2.2切屑類型與變形系數(shù)形成條件影響名稱簡(jiǎn)圖形態(tài)381.2.2切屑類型與變形系數(shù)

切屑類型帶狀切屑擠裂切屑節(jié)狀切屑崩碎切屑圖1-20

切屑形態(tài)照片1.2.2切屑類型與變形系數(shù)切屑類型帶狀切屑擠裂切屑節(jié)狀391.2.2切屑類型與變形系數(shù)

切屑控制為使切削過(guò)程正常進(jìn)行和保證已加工表面質(zhì)量，應(yīng)使切屑卷曲和折斷。切屑的卷曲是切屑基本變形或經(jīng)過(guò)卷屑槽使之產(chǎn)生附加變形的結(jié)果（圖1-21）圖1-21

切屑的卷曲圖1-22

斷屑的產(chǎn)生斷屑是對(duì)已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置，圖1-22）

1.2.2切屑類型與變形系數(shù)切屑控制為使切削過(guò)程正常進(jìn)40切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長(zhǎng)度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗拥淖冃纬潭取chhDhch1.2.2切屑類型與變形系數(shù)

LD圖1-23切屑與切削層尺寸◆厚度變形系數(shù)（1-11）◆長(zhǎng)度變形系數(shù)（1-12）變形系數(shù)切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長(zhǎng)度縮小，寬度基本不變。可用其411.2.2切屑類型與變形系數(shù)

當(dāng)γ0=0～30°，Λh

≥1.5時(shí)，Λh與ε相近ε主要反映第Ⅰ變形區(qū)的變形，Λh還包含了第Ⅱ變形區(qū)的影響。ΔyΔsOMφγ0圖1-24相對(duì)滑移系數(shù)（1-13）相對(duì)滑移系數(shù)1.2.2切屑類型與變形系數(shù)當(dāng)γ0=0～30°，Λ42

粘結(jié)區(qū)：高溫高壓使切屑底層軟化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成長(zhǎng)度為lfi的粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層金屬之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，其間的摩擦屬于內(nèi)摩擦。1.2.3切屑與前刀面的摩擦變形

圖1-25切屑與前刀面的摩擦

在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內(nèi)摩擦。

滑動(dòng)區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點(diǎn)接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。lfolfi特點(diǎn)兩個(gè)摩擦區(qū)粘結(jié)區(qū)：高溫高壓使切屑底層軟化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑43積屑瘤成因◆

一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接◆粘接金屬嚴(yán)重塑性變形，產(chǎn)生加工硬化◆

增大前角，保護(hù)刀刃◆

影響加工精度和表面粗糙度滯留—粘接—長(zhǎng)大積屑瘤形成過(guò)程積屑瘤影響切屑刀具圖1-26積屑瘤積屑瘤1.2.3切屑與前刀面的摩擦變形

積屑瘤成因◆一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接441.2.4已加工表面的變形

σn切削刃存在刃口圓弧，導(dǎo)致擠壓和摩擦，產(chǎn)生第Ⅲ變形區(qū)。A點(diǎn)以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A點(diǎn)以下部分受擠壓和摩擦留在加工表面上，并有彈性恢復(fù)。hDΔhDΔhACFE圖1-27已加工表面變形A點(diǎn)前方正應(yīng)力最大，剪應(yīng)力為0。A點(diǎn)兩側(cè)正應(yīng)力逐漸減小，剪應(yīng)力逐漸增大，繼而減小。變形原因變形情況應(yīng)力分布ττ1.2.4已加工表面的變形σn切削刃存在刃口圓弧，導(dǎo)45

1.2.5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理G＞GC

（1-17）式中G——裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)釋放的能量（應(yīng)變能釋放率）；

GC

——裂紋擴(kuò)展單位長(zhǎng)度時(shí)所需的能量（裂紋擴(kuò)展阻力）。K1＞K1C

（1-18）式中K1——應(yīng)力強(qiáng)度因子；

K1C

——K1臨界值。脆性斷裂條件對(duì)于Ⅰ型（張開(kāi)型）裂紋，在平面應(yīng)變條件下，脆性斷裂條件為：1.2.5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理G＞GC46

1.2.5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理脆性材料切削過(guò)程◆大規(guī)模擠裂與小規(guī)模擠裂交替進(jìn)行（圖1-28）a）b）c）d）e）圖1-28硬脆材料切削過(guò)程a）大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）b）空切c）小規(guī)模擠裂（小塊破碎切除）d）小規(guī)模擠裂（次小塊破碎切除）e）重復(fù)大規(guī)模擠裂（大塊破碎切除）1.2.5硬脆非金屬材料切屑形成機(jī)理脆性材料切47第1章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

1.3

切削力CuttingForce第1章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)1.3切削力48κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖1-30切削力的分解1.3.1切削力的來(lái)源與分解

切削力來(lái)源★3個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的彈、塑性變形抗力★

切屑、工件與刀具間摩擦力F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進(jìn)給抗力切削力分解κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv圖1-3491.3.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式

切削力經(jīng)驗(yàn)公式（1-26）式中CFc,CFp,CFf

——與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)；

xFc,xFp,xFf

——切削深度ap對(duì)切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf

——進(jìn)給量f對(duì)切削力影響指數(shù)；zFc,zFf,zFp——切削速度對(duì)切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf

——考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。1.3.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式切削力經(jīng)驗(yàn)公式（1-26）式501.3.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式

（1-27）單位切削力

切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數(shù)KFc

=1）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。（1-28）切削功率1.3.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式（1-27）單位切削力式中511.3.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式

機(jī)床電機(jī)功率單位切削功率式中η

——機(jī)床傳動(dòng)效率，通常η=0.75～0.85（1-30）（1-29）指單位時(shí)間切除單位體積V0材料所消耗的功率1.3.2切削力經(jīng)驗(yàn)公式機(jī)床電機(jī)功率單位切削功率式中521.3.3影響切削力因素

工件材料◆背吃刀量與切削力近似成正比；◆進(jìn)給量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度對(duì)切削力影響復(fù)雜（圖3-16）

強(qiáng)度高加工硬化傾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）圖1-31切削速度對(duì)切削力的影響切削用量1.3.3影響切削力因素工件材料◆背吃刀量與切削力近531.3.3影響切削力因素

◆

前角γ0

增大，切削力減?。▓D1-32）◆

主偏角κr

對(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著（κr

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑，圖1-33）圖1-32前角對(duì)γ0切削力的影響前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff圖1-33主偏角κr對(duì)切削力的影響主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具幾何角度影響1.3.3影響切削力因素◆前角γ0增大，切削力減541.3.3影響切削力因素

刀具幾何角度影響◆與主偏角相似，刃傾角λs對(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著（λs

↑——Fp↓，F(xiàn)f↑）◆

刀尖圓弧半徑rε

對(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著（rε

↑——Fp↑，F(xiàn)f↓）；其他因素影響◆

刀具材料：與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，而影響切削力；◆

切削液：有潤(rùn)滑作用，使切削力降低；◆

后刀面磨損：使切削力增大，對(duì)吃刀抗力Fp的影響最為顯著；1.3.3影響切削力因素刀具幾何角度影響◆與主偏角55第1章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

1.4

切削熱與切削溫度CuttingHeatandCuttingTemperature第1章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)1.4切削熱與切削溫度561.4.1切削熱的來(lái)源與傳出

切削熱來(lái)源★切削過(guò)程變形和摩擦所消耗功，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠崆邢鳠嵊汕行肌⒐ぜ?、刀具和周圍介質(zhì)（切削液、空氣)等傳散出去工件切屑刀具圖1-34切削熱的來(lái)源與傳出切削熱傳出★主要來(lái)源QA=QD+QFF+QFR（1-22）（1-21）式中，QD

,QFF,QFR分別為切削層變形、前刀面摩擦、后刀面摩擦產(chǎn)生的熱量1.4.1切削熱的來(lái)源與傳出切削熱來(lái)源★切削過(guò)程變571.4.2切削溫度及分布

切削溫度分布★切削塑性材料——前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?/p>

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。750℃刀具圖1-35二維切削中的溫度分布工件材料：低碳易切鋼；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削條件：干切削，預(yù)熱611C1.4.2切削溫度及分布切削溫度分布★切削塑性材料581.4.3影響切削溫度的因素

切削用量的影響式中θ——用自然熱電偶法測(cè)出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(C)；

Cθ——與工件、刀具材料和其它切削參數(shù)有關(guān)的切削溫度系數(shù)；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)公式（1-25）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速鋼車削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表1-10切削溫度的系數(shù)及指數(shù)1.4.3影響切削溫度的因素切削用量的影響式中591.4.3影響切削溫度的因素

刀具幾何參數(shù)的影響前角o↑→切削溫度↓主偏角r↓→切削溫度↓負(fù)倒棱及刀尖圓弧半徑對(duì)切削溫度影響很小

工件材料的影響工件材料機(jī)械性能↑→切削溫度↑工件材料導(dǎo)熱性↑→切削溫度↓vc（m/min）圖1-36切削速度、工件材料對(duì)切削溫度的影響1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45鋼(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：o=15，o=6~8，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨損的影響

冷卻液的影響1.4.3影響切削溫度的因素刀具幾何參數(shù)的影響前601.4.3切削溫度的測(cè)量

自然熱電偶法工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極，切削時(shí)刀具與工件接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢(shì)，通過(guò)電位差計(jì)測(cè)得切削區(qū)的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測(cè)量切削區(qū)溫度?？蓽y(cè)量切削區(qū)側(cè)面溫度場(chǎng)?！镉貌煌牧稀⑾嗷ソ^緣金屬絲作熱電偶兩極（圖1-37）。mV圖1-37人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔★

可測(cè)量刀具或工件指定點(diǎn)溫度，可測(cè)最高溫度及溫度分布場(chǎng)。人工熱電偶法紅外測(cè)溫法1.4.3切削溫度的測(cè)量自然熱電偶法工件和刀具材料不61第3章切削原理CuttingTheory機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

1.5

刀具磨損與刀具壽命CutterWearandIt’sLife第3章切削原理機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)1.5刀具磨損與刀具壽621.5.1刀具磨損

刀具磨損形態(tài)◆正常磨損前刀面磨損形式：月牙洼形成條件：加工塑性材料，v大，hD大影響：削弱刀刃強(qiáng)度，降低加工質(zhì)量后刀面磨損形式：后角=0的磨損面（參數(shù)——VB，VBmax）形成條件：加工塑性材料,v較小,hD

較??；加工脆性材料影響：切削力↑,切削溫度↑,產(chǎn)生振動(dòng)，降低加工質(zhì)量VBVBmaxa)

KTKBb)圖1-38刀具磨損形態(tài)前、后刀面磨損1.5.1刀具磨損刀具磨損形態(tài)◆正常磨損前刀面磨損631.5.1刀具磨損

◆非正常磨損破損（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性變形）圖1-39刀具磨損過(guò)程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時(shí)間刀具磨損過(guò)程3個(gè)階段（圖1-39）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.5.1刀具磨損◆非正常磨損破損（裂紋、崩刃、破64◆磨粒磨損——各種切速下均存在——低速情況下刀具磨損的主要原因◆

粘結(jié)磨損（冷焊）——刀具材料與工件材料親和力大——刀具材料與工件材料硬度比小——中等偏低切速粘結(jié)磨損加劇◆

擴(kuò)散磨損——高溫下發(fā)生◆

氧化磨損——高溫情況下，在切削刃工作邊界發(fā)生3.5.1刀具磨損

刀具磨損原因◆磨粒磨損粘結(jié)磨損加劇◆擴(kuò)散磨損3.5.1刀具磨損651.5.2刀具壽命

刀具壽命（耐用度）概念◆刀具從切削開(kāi)始至磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削時(shí)間，用T表示?！舻毒呖倝勖话研碌稄耐度肭邢鏖_(kāi)始至報(bào)廢為止的總切削時(shí)間，其間包括多次重磨。（1-34）式中CT、m、n、p為與工件、刀具材料等有關(guān)的常數(shù)。（1-35）可見(jiàn)v的影響最顯著；f次之；ap

影響最小。用硬質(zhì)合金刀具切削碳鋼（σb=0.763GPa）時(shí)，有：刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗(yàn)公式1.5.2刀具壽命刀具壽命（耐用度）概念◆刀具從切661.5.2刀具壽命

圖1-39不同刀具材料的耐用度比較硬質(zhì)合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料壽命（耐用度）比較1.5.2刀具壽命圖1-39不同刀具材料的耐用度比67規(guī)定刀具切削時(shí)間，離線檢測(cè)常規(guī)方法1.5.3刀具磨損、破損檢測(cè)與監(jiān)控

通過(guò)切削力（切削功率）變化幅值，判斷刀具的磨損程度；當(dāng)切削力突然增大或突然下降很大幅值時(shí)，則表明刀具發(fā)生了破損通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定刀具磨損與破損的“閾值”切削力與切削功率檢測(cè)方法切削加工時(shí)，切屑剝離，工件塑性變形，刀具與工件之間摩擦以及刀具破損等，都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。正常切削時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)小而連續(xù)，刀具嚴(yán)重磨損后聲發(fā)射信號(hào)會(huì)增大，而當(dāng)?shù)毒咂茡p時(shí)聲發(fā)射信號(hào)會(huì)突然增大許多，達(dá)到正常切削時(shí)的幾倍聲發(fā)射檢測(cè)方法規(guī)定刀具切削時(shí)間，離線檢測(cè)常規(guī)方法1.5.3刀具磨損、681.5.3刀具磨損、破損檢測(cè)與監(jiān)控

鉆頭破損檢測(cè)器圖1-40聲發(fā)射鉆頭破損檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖交換機(jī)床控制器工件折斷工作臺(tái)聲發(fā)射傳感器破損信號(hào)1.5.3刀具磨損、破損檢測(cè)與監(jiān)控鉆頭破損檢測(cè)器69機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第1章

金屬切削基本原理FundamentalofMechanicalMetalCuting1.1

概述Summary機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第1章金屬切削基本原理1.1概述701.1.1零件表面形成方法軌跡法成形法相切法展成法a）軌跡法b）成形法c）相切法d）展成法圖1-1零件表面成形方法1.1.1零件表面形成方法軌跡法a）軌跡法71主運(yùn)動(dòng)

指直接切除工件上的余量形成加工表面的運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)的速度即切削速度，用v（m/s）表示。

◆主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)切削加工的基本運(yùn)動(dòng)，可以由刀具來(lái)完成，也可以由工件來(lái)完成；可以是直線運(yùn)動(dòng)（用T

表示），也可以是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（用

R

表示）。正是由于上述不同運(yùn)動(dòng)形式和不同運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件的多種組合，產(chǎn)生了不同的加工方法。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

指為不斷把余量投入切削的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度用進(jìn)給量（f—mm/r）或進(jìn)給速度（vf—mm/min）表示。定位和調(diào)整運(yùn)動(dòng)

使工件或刀具進(jìn)入正確加工位置的運(yùn)動(dòng)。如調(diào)整切削深度，工件分度等。1.1.2切削加工的成形運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)◆主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)切削加工的基721.1.3

切削用量及典型表面加工方法切削用量

切削速度vc若主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其平均速度為：

（1-1）式中n——主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速（r/s）；D——刀具或工件的最大直徑（mm）。式中nr——主運(yùn)動(dòng)每秒鐘往復(fù)次數(shù)（str/s）；l——往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)度（mm）。（1-2）進(jìn)給量：工件或刀具每轉(zhuǎn)一周時(shí)(或主運(yùn)動(dòng)一循環(huán)時(shí))，兩者沿進(jìn)給方向上相對(duì)移動(dòng)的距離，單位為mm/r。背吃刀量：主刀刃與工件切削表面接觸長(zhǎng)度在主運(yùn)動(dòng)方向及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向所組成的平面的法線方向上測(cè)量的值。1.1.3切削用量及典型表面加工方法切削用量

切削速度73

外圓磨無(wú)心磨車銑加工滾壓加工銑削成形磨（橫磨）主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-1外圓表面加工方法刀具T/RT主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RRRRRTRRT/R車削成形車削拉削研磨1.1.3典型表面加工方法外圓磨無(wú)心磨車銑加工滾壓加工銑削成形磨（橫磨）主運(yùn)動(dòng)74表1-2內(nèi)圓表面加工方法表面成形原理圖鉆擴(kuò)鉸鏜拉擠行星式內(nèi)圓磨主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件RRTRRT/RTRTRTTRTT內(nèi)圓磨無(wú)心磨1.1.3典型表面加工方法表1-2內(nèi)圓表面加工方法表面成形原理75主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-3平面加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RTRTTT刨插周銑端銑平磨端面平磨車?yán)璗1.1.3典型表面加工方法主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-3平面加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給76車螺紋板牙主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-4螺紋加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RTRRTTR滾壓絲錐銑螺紋梳形銑刀旋風(fēng)銑磨螺紋RR1.1.3典型表面加工方法車螺紋板牙主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-4螺紋加工方法刀具主運(yùn)77主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-5齒形加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)工件表面成形原理圖RTRTTR/TRRR/T銑齒指狀銑刀銑齒成形磨齒滾齒剃齒插齒蝸桿砂輪磨齒碟形砂輪磨齒錐形砂輪磨齒1.1.3典型表面加工方法主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)表1-5齒形加工方法刀具主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)781.1.4刀具結(jié)構(gòu)

刨刀、銑刀、鉆頭等其他刀具可視為車刀的演變或組合圖1-2各種刀具切削部分的形狀1.1.4刀具結(jié)構(gòu)刨刀、銑刀、鉆頭等其他刀具可視為車刀的791.1.4刀具幾何參數(shù)

車刀a）焊接式車刀b）整體式車刀c）機(jī)夾式車刀圖1-1車刀的結(jié)構(gòu)外圓車刀是最基本、最典型的刀具，由刀頭和刀體組成。車刀的切削部分由3個(gè)刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），2個(gè)刀刃（主切削刃和副切削刃）和1個(gè)刀尖組成。1.1.4刀具幾何參數(shù)車刀a）焊接式車刀b）整體式車刀c801.1.4刀具幾何角度

刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系（主剖面坐標(biāo)系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1）基面Pr：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與主運(yùn)動(dòng)方向垂直的平面?；媾c刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr圖1-3車刀主剖面坐標(biāo)系2）切削平面Ps：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。1.1.4刀具幾何角度刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系（主剖面坐標(biāo)系）811）前角γo在主剖面內(nèi)測(cè)量，是前刀面與基面的夾角。通過(guò)選定點(diǎn)的基面位于刀頭實(shí)體之外時(shí)γo定為正值；位于刀頭實(shí)體之內(nèi)時(shí)γo定為負(fù)值。γo影響切削難易程度。增大前角可使刀具鋒利，切削輕快。但前角過(guò)大，刀刃和刀尖強(qiáng)度下降，刀具導(dǎo)熱體積減小，影響刀具壽命。Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ01.1.4刀具幾何角度

刀具標(biāo)注角度用硬質(zhì)合金車刀切削鋼件，γo取10～20°；切削灰鑄鐵，γo取5～15°；切削鋁及鋁臺(tái)金，γo取25～35°；切削高強(qiáng)度鋼，γo取-5～-10°。1）前角γoγo影響切削難易程度。增大前角可使刀82Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo后角αo在主剖面內(nèi)測(cè)量，是主后刀面與切削平面的夾角。后角的作用是為了減小主后刀面與工件加工表面之間的摩擦以及主后刀面的磨損。但后角過(guò)大，刀刃強(qiáng)度下降，刀具導(dǎo)熱體積減小，反而會(huì)加快主后刀面的磨損。α01.1.4刀具幾何角度

粗加工和承受沖擊載荷的刀具，為了使刀刃有足夠強(qiáng)度，后角可選小些，一般為4°～6°；精加工時(shí)切深較小，為保證加工的表面質(zhì)量，后角可選大一些，一般為8°～12°。Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α83主偏角應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象正確選取，車刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°幾種。3）主偏角κr

在基面內(nèi)測(cè)量，是主切削刃在基面上投影與假定進(jìn)給方向的夾角。κr的大小影響刀具壽命。減小主偏角，主刃參加切削的長(zhǎng)度增加，負(fù)荷減輕，同時(shí)加強(qiáng)了刀尖，增大了散熱面積，使刀具壽命提高。κr的大小還影響切削分力。減小主偏角使吃刀抗力增大，當(dāng)加工剛性較弱的工件時(shí)，易引起工件變形和振動(dòng)。1.1.4刀具幾何角度

Aκr′A向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr主偏角應(yīng)根據(jù)加工對(duì)象正確選取，車刀常用的主偏角有45°、684κr′AA向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′

κr′在基面內(nèi)測(cè)量，是副切削刃在基面上的投影與假定進(jìn)給反方向的夾角。副偏角的作用是為了減小副切削刃與工件已加工表面之間的摩擦，以防止切削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。副偏角的大小影響刀尖強(qiáng)度和表面粗糙度。1.1.4刀具幾何角度

κr′在切深、進(jìn)給量和主偏角相同的情況下，減小副偏角可使殘留面積減小，表面粗糙度降低。κr′AA向f圖1-4車刀的主要角度γ0γ′0α′0α85a）b）c）圖1-5刃傾角對(duì)排屑方向的影響1.1.4刀具幾何角度

5）刃傾角λs——切削平面內(nèi)測(cè)量，是主切削刃與基面的夾角。當(dāng)?shù)都馐乔邢魅凶罡唿c(diǎn)時(shí),λs定為正值；反之位負(fù)。

λs影響刀尖強(qiáng)度和切屑流動(dòng)方向。粗加工時(shí)為增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，λs常取負(fù)值；精加工時(shí)為防止切屑劃傷已加工表面，λs常取正值或零。a）b）c）圖1-5刃傾角對(duì)排屑方向的影響1.1.486刀具工作角度◆刀具安裝對(duì)工作角度的影響圖1-6車刀安裝高度對(duì)工作角度的影響γre=γrα0e=α0a）α

0e＜α0b）α

0e＞α0c）γre＜γrγre＞γr

1.1.4刀具幾何角度

刀具工作角度◆刀具安裝對(duì)工作角度的影響圖1-6車刀安裝高87刀具工作角度

式中μ角是主運(yùn)動(dòng)方向與合成切削速度方向間的夾角。◆進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響橫切（圖1-13）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPse圖1-13切斷刀的工作角度f(wàn)xα0（1-4）1.1.4刀具幾何角度

（1-4a）刀具工作角度式中μ角是主運(yùn)動(dòng)方向與合成切削速度方向間的夾角88

縱切（圖1-14）

在進(jìn)給剖面，有：將其換算到主剖面內(nèi)得到：在主剖面內(nèi)：（1-5）O—O圖1-14外圓車刀工作角度μffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe1.1.4刀具幾何角度

縱切（圖1-14）在進(jìn)給剖面，有891.1.5切削層截面參數(shù)切削層截面參數(shù)

切削厚度

（1-3）切削寬度

（1-4）圖1-17切削層截面bDhD=ffdwDmapa）ΚrhDbD

=apb）c）acaw1.1.5切削層截面參數(shù)切削層截面參數(shù)

切削厚度（190對(duì)刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足夠的強(qiáng)度和韌性3）較好的耐熱性4）良好的工藝性5）經(jīng)濟(jì)性1.1.6刀具材料

刀具材料的發(fā)展對(duì)刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性1.1.6刀911.1.5刀具材料

圖1-18刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質(zhì)合金高速鋼WC-TiC系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlN涂層硬質(zhì)合金DLC涂層硬質(zhì)合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）1.1.5刀具材料圖1-18刀具材料的發(fā)展與切削加工921.1.5刀具材料

天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬質(zhì)合金涂層WC硬質(zhì)合金涂層超細(xì)粒狀硬金屬涂層高速鋼TiN涂層高速鋼斷裂韌性耐磨性圖1-19刀具材料的耐磨性與斷裂韌性1.1.5刀具材料天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化93刀具材料種類很多，常用的有工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼）、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具鋼和合金工具鋼，因其耐熱性很差，目前僅用于手工工具?！舾咚黉摳咚黉撌且环N加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。特點(diǎn)：1）強(qiáng)度高，抗彎強(qiáng)度為硬質(zhì)合金的2～3倍；2）韌性高，比硬質(zhì)合金高幾十倍；3）硬度HRC63以上，且有較好的耐熱性；4）可加工性好，熱處理變形較小。應(yīng)用：常用于制造各種復(fù)雜刀具（如鉆頭、絲錐、拉刀、成型刀具、齒輪刀具等）。1.1.5刀具材料

常用刀具材料刀具材料種類很多，常用的有工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼94表1-6常用高速鋼牌號(hào)及其應(yīng)用范圍類別牌號(hào)主要用途普通高速鋼W18Cr4V廣泛用于制造鉆頭、絞刀、銑刀、拉刀、絲錐、齒輪刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等W14Cr4VMnRe用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等高性能高速鋼高碳95W18Cr4V用于制造對(duì)韌性要求不高，但對(duì)耐磨性要求較高的刀具高礬W12Cr4V4Mo用于制造形狀簡(jiǎn)單，對(duì)耐磨性要求較高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造復(fù)雜刀具和難加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高強(qiáng)度耐熱鋼的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形狀簡(jiǎn)單的刀具，如加工鐵基高溫合金的鉆頭W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐熱性好，用于制造加工高強(qiáng)度鋼的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作難加工材料的刀具，因其磨削性好可作復(fù)雜刀具，價(jià)格昂貴

1.1.5刀具材料

表1-6常用高速鋼牌號(hào)及其應(yīng)用范圍類別牌號(hào)主要95◆硬質(zhì)合金

超硬刀具材料包括天然金剛石、聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼三種。金剛石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非鐵金屬、耐磨材料和塑料，如鋁及鋁合金、黃銅、預(yù)燒結(jié)的硬質(zhì)合金和陶瓷、石墨、玻璃纖維、橡膠及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬鋼、噴涂材料、冷硬鑄鐵和耐熱合金等。天然金剛石是自然界最硬的材料，根據(jù)其質(zhì)量的不同，硬度范圍為HK8000～12000（HK，Knoop硬度，單位kgf/mm2），密度為3.48～3.56。由于天然金剛石是一種各向異性的單晶體，因此，在晶體上的取向不同，耐磨性及硬度也有差異，其耐熱性為700～800℃。天然金剛石的耐磨性極好，刃口鋒利，切削刃的鈍圓半徑可達(dá)0.01μm左右，刀具壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百小時(shí)。但天然金剛石價(jià)格昂貴，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤(pán)、激光反射鏡、感光鼓、多面鏡等。金剛石刀具不適于加工鋼及鑄鐵。聚晶金剛石是由金剛石微粉在高溫高壓下聚合而成，因此不存在各向異性，其硬度比天然金剛石低，為HK6500～8000，價(jià)格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成為當(dāng)前金剛石刀具的主要材料，可在大部分場(chǎng)合替代天然金剛石刀具。用等離子CVD法開(kāi)發(fā)的金剛石涂層刀具，其基體材料為硬質(zhì)合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金剛石相同。由于可在形狀復(fù)雜的刀具（如硬質(zhì)合金麻花鉆、立銑刀、成形刀具及帶斷屑槽的刀片等）上進(jìn)行涂層，故具有廣闊的發(fā)展前途。聚晶立方氮化硼是由單晶立