金屬切削原理及刀具

關(guān)于金屬切削原理及刀具第一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1基本定義

金屬切削過程

金屬切削過程是工件和刀具相互作用的過程。刀具從工件上切除多余的（或預(yù)留的）金屬，并在高生產(chǎn)率和低成本的前提下，使工件得到符合技術(shù)要求的形狀、位置、尺寸精度和表面質(zhì)量。

切削運(yùn)動

為實(shí)現(xiàn)切削過程，工件與刀具之間要有相對運(yùn)動，即切削運(yùn)動，它由金屬切削機(jī)床來完成。

工藝系統(tǒng)

機(jī)床、夾具、刀具和工件，構(gòu)成一個機(jī)械加工工藝系統(tǒng)，切削過程的各種現(xiàn)象和規(guī)律都在這個系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)中去研究。

基本定義第二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

1.1.1

切削運(yùn)動與切削用量

在金屬切削過程中，為了要從工件上切去一部分金屬，刀具與工件之間必須完成一定的切削運(yùn)動。如外圓車削時，工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，刀具作連續(xù)的縱向直線運(yùn)動，形成了工件的外圓柱表面。在新的表面的形成過程中，工件上有三個依次變化的表面：基本定義第三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

待加工表面：即將被切去金屬層的表面；

加工表面：切削刃正在切削著的表面；

已加工表面：已經(jīng)切去一部分金屬形成的新表面。

這些定義也適用于其它切削。圖中分別表示了車削、刨削、鉆削、銑鏜削時的切削運(yùn)動。切削運(yùn)動與切削用量第四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.1.1切削運(yùn)動金屬切削機(jī)床的基本運(yùn)動有直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。按切削時工件與刀具相對運(yùn)動所起的作用可分為主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。如圖所示。（1）主運(yùn)動：切下金屬所必須的最主要的運(yùn)動。特點(diǎn)：通常它的速度最高，消耗機(jī)床功率最多。機(jī)床的主運(yùn)動只有一個。

例如，車削、鏜削的主運(yùn)動是工件與刀具的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而刨削是的主運(yùn)動是刀具相對于工件的直線運(yùn)動。（2）進(jìn)給運(yùn)動：使新的金屬不斷投入切削的運(yùn)動。它保證切削工作連續(xù)或反復(fù)進(jìn)行，從而切除切削層形成已加工表面。

特點(diǎn)：機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動可有一個、兩個或多個組成，通常消耗功率較小，進(jìn)給運(yùn)動可以是連續(xù)運(yùn)動也可以是間歇運(yùn)動。切削運(yùn)動與切削用量第五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

（3）合成運(yùn)動與合成切削速度vｅ

主運(yùn)動vｃ和進(jìn)給運(yùn)動vｆ可以由刀具或工件分別完成，或由刀具單獨(dú)完成。

主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動可以

同時進(jìn)行（車削、銑削等），

也可交替進(jìn)行（刨削等）。

當(dāng)主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動同時

進(jìn)行時，刀具切削刃上某

一點(diǎn)相對工件的運(yùn)動稱為

合成切削運(yùn)動。合成速度

向量等于主運(yùn)動速度與進(jìn)

給運(yùn)動速度的向量和：

vｅ=vｃ+vｆ

切削運(yùn)動第六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

1.1.1.2切削用量三要素

在切削加工過程中，需要針對不同的工件材料、刀具材料和其它技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求來選定適宜的切削速度vc

、進(jìn)給量f(或進(jìn)給速度值vf),還要選定適宜的背吃刀量值ap。vc

、f、ap

稱之為切削用量三要素。

（1）切削速度

大多數(shù)切削加工的主運(yùn)動采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)體(刀具或工件)上外圓或內(nèi)孔某一點(diǎn)的切削速度計(jì)算公式如下：

式中d——工件或刀具上某一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑(mm)；

n——工件或刀具的轉(zhuǎn)速（r/s或r/min）。切削運(yùn)動與切削用量第七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

在生產(chǎn)中，磨削速度單位用米/秒(m/s)，其它加工的切削速度單位習(xí)慣用米/分（m/min）。

在轉(zhuǎn)速n值一定時，切削刃上各點(diǎn)的切削速度不同?？紤]到刀具的磨損和已加工表面質(zhì)量等因素，計(jì)算時，應(yīng)取最大的切削速度。

如：外圓車削時計(jì)算待加工表面上的速度(用dw代入公式），

內(nèi)孔車削時計(jì)算已加工表面上的速度(用dm代入公式)，

鉆削時計(jì)算鉆頭外徑處的速度。

（2）進(jìn)給速度、進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量

進(jìn)給速度是單位時間的進(jìn)給量,單位是mm/s(mm/min)。

進(jìn)給量是工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時兩者沿進(jìn)給運(yùn)動方向的相對位移(對于車削、鉆削、鉸削),單位是mm/r。

切削用量三要素

第八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

對于刨削、插削等主運(yùn)動為往復(fù)直線運(yùn)動的加工，雖然可以不規(guī)定進(jìn)給速度，卻需要規(guī)定間歇進(jìn)給的進(jìn)給量，其單位為mm/d.st(毫米/雙行程）。

對于銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪滾刀等多刃切削工具，在它們進(jìn)行工作時，還應(yīng)規(guī)定每一個刀齒的進(jìn)給量，即后一個刀齒相對于前一個刀齒的進(jìn)給量，單位是mm/Z(毫米/齒)。

顯然

mm／s或mm／min

（3）背吃刀量

對于車削和刨削加工來說，背吃刀量ap為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，單位是mm。

。切削用量三要素第九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四外圓柱表面車削的背吃刀量可用下式計(jì)算：

對于鉆孔

其中dm——已加工表面直徑(mm)；

dw—待加工表面直徑(mm)。

1.1.2刀具切削部分的基本定義

1.1.2.1刀具切削部分的構(gòu)造要素

金屬切削刀具的切削部分的幾何形狀與參數(shù)都有著共性，即不論刀具構(gòu)造如何復(fù)雜，它們的切削部分總是近似地以外圓車刀的切削部分為基本形態(tài)。

切削用量三要素第十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在確定金屬切削刀具的工作部分幾何形狀的一般術(shù)語時，就是以車刀切削部分為基礎(chǔ)的。刀具切削部分的構(gòu)造要素(圖1、2)及其定義和說明如下：

(1)前刀面

直接作用于被切削的金屬層，并控制切屑沿其排出的刀面。

根據(jù)前刀面與主、副切削刃相毗鄰的情況分為：

主前刀面：與主切削刃毗鄰的稱為主前刀面；

副前刀面：與副切削刃毗鄰的稱為副前刀面。

(2)后刀面

后刀面分為主后刀面與副后刀面。

主后刀面：是指與工件上加工表面相互作用和相對著的刀面；

副后刀面：是與工件上已加工表面相互作用和相對著的刀面。

刀具切削部分的構(gòu)造要素第十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(3)切削刃:切削刃是前刀面上直接進(jìn)行切削的鋒邊，有主切削刃和副切削刃之分。

主切削刃：指前刀面與主后刀面相交的鋒邊，它完成主要的切除或表面成形工作；

副切削刃：指前刀面與副后刀面相交的鋒邊，它配合主切削刃完成切除工作，并最終形成以加工表面。

(4)刀尖

刀尖是主、副切削刃的連接部位。為了強(qiáng)化刀尖，許多刀具都在刀尖處磨出直線或圓弧形過渡刃。

刀具切削部分的構(gòu)造要素第十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.2.2刀具標(biāo)注角度的參考系

為了確定刀具前刀面、后刀面及切削刃在空間的位置，首先應(yīng)建立參考系。它是一組用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)平面。這樣就可以用刀具前刀面、后刀面和切削刃相對于各基準(zhǔn)平面的夾角來表示它們在空間的位置，這些夾角就是刀具切削部分的幾何角度。

工作角度：把刀具同工件和切削運(yùn)動聯(lián)系起來確定的刀具角度，即刀具在使用狀態(tài)下(inuse)的角度。

刀具標(biāo)注角度參考系：任何一把刀具，在使用之前，總可以知道它將要安裝在什么機(jī)床上，將有怎樣的切削運(yùn)動，因此也可以預(yù)先給出假定的工作條件，并以此確定刀具標(biāo)注角度參考系（所謂的“靜止參考系”）。

刀具標(biāo)注角度的參考系第十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四確定刀具標(biāo)注角度參考系的方法：

假定運(yùn)動條件：首先給出刀具的假定主運(yùn)動方向和假定進(jìn)給運(yùn)動方向；其次假定進(jìn)給速度值很小，可以用主運(yùn)動向量近似代替合成速度向量；然后再用平行和垂直于主運(yùn)動方向的坐標(biāo)平面構(gòu)成參考系。

假定安裝條件：假定標(biāo)注角度參考系的諸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和測量時定位與調(diào)整的平面或軸線(如車刀底面、車刀刀桿軸線、銑刀、鉆頭的軸線等)。也可以說，假定刀具的安裝位置恰好使其底面或軸線與參考系的平面平行或垂直。

注：“靜止系”本質(zhì)上不是靜止的，它仍然是把刀具同工件和運(yùn)動聯(lián)系起來的一種特定的參考系。刀具標(biāo)注角度的參考系第十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

在刀具標(biāo)注角度參考系中的刀具角度稱為標(biāo)注角度。

刀具標(biāo)注角度的參考系的形成如右圖動畫所示，由基面、切削平面、主剖面等平面構(gòu)成了主剖面參考系。

刀具標(biāo)注角度的參考系第十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(1)基面Pr

通過切削刃選定點(diǎn)，垂直于假定主運(yùn)動方向的平面。

通常，基面應(yīng)平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和測量的某一安裝定位平面或軸線。

例如，圖示為普通車刀或刨刀的基面，它平行于刀具底面。鉆頭、銑刀和絲錐等旋轉(zhuǎn)類刀具，其切削刃各點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(即主運(yùn)動)方向，都垂直于通過該點(diǎn)并包含刀具旋轉(zhuǎn)軸線的平面，故其基面Pr就是刀具的軸向剖面。

刀具標(biāo)注角度的參考系第十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(2)切削平面

Ps

通過切削刃選定點(diǎn)，與主切削刃相切，并垂直于基面的平面。也就是主切削刃與切削速度方向構(gòu)成的平面。

基面和切削平面十分重要。這兩個平面加上以下所述的任一剖面，便構(gòu)成各種不同的刀具標(biāo)注角度參考系?？梢哉f，不懂得基面和切削平面就不懂得刀具。

(3)主剖面Po和主剖面參考系

主剖面是通過切削刃選定點(diǎn)，同時垂直于基面和切削平面的平面。由此可知，主剖面垂直于主切削刃在基面上的投影。

Pr-Ps-Po組成正交的主剖面參考系。

(4)法剖面Pn和法剖面參考系

法剖面是通過切削刃選定點(diǎn)，垂直于切削刃的平面。

Pr-Ps-Pn組成法剖面參考系。

刀具標(biāo)注角度的參考系第十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

右圖表示由Po-Pr-Ps組成的一個正交的主剖面參考系，這是目前生產(chǎn)中最常用的刀具標(biāo)注角度參考系。圖中同時也表示了一個由Pn-Pr-Ps

組成的法剖面參考系。在實(shí)際使用時一般是分別使用某一個參考系。

刀具標(biāo)注角度的參考系第十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四(5)進(jìn)給剖面Pf

和背平面Pp及其組成的進(jìn)給、背平面參考系

進(jìn)給剖面Pf是通過切削刃選定點(diǎn)，平行于進(jìn)給運(yùn)動方向并垂直于基面Pr的平面。通常，它也平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和測量的某一安裝定位平面或軸線。

背平面Pp

是通過切削刃選定點(diǎn)，同時垂直于Pr和Pf的平面。

如:普通車刀和刨刀的Pf垂直于刀桿軸線；鉆頭、拉刀、端面車刀、切斷刀等的Pf

平行于刀具軸線；銑刀的Pf

則垂直于銑刀軸線。

由Pr-Pf-Pp

組成一個進(jìn)給、背平面參考系，如右圖所示。

刀具標(biāo)注角度的參考系第十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.2.3刀具工作角度的參考系

前述刀具標(biāo)注角度參考系，在定義基面時，都只考慮主運(yùn)動，不考慮進(jìn)給運(yùn)動，即在假定運(yùn)動條件下確定的參考系。但刀具在實(shí)際使用時，這樣的參考系所確定的刀具角度，往往不能確切地反映切削加工的真實(shí)情形。只有用合成切削運(yùn)動方向來確定參考系，才符合切削加工的實(shí)際。

下圖所示三把刀具的標(biāo)注角度完全相同，但由于合成切削運(yùn)動方向不同，后刀面與加工表面之間的接觸和摩擦的實(shí)際情形有很大的不同：刀具切削部分的基本定義(b)(a)(c)第二十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

圖(a)，刀具后刀面同工件已加工表面之間有適宜的間隙，切削情況正常；

圖(b)，刀具的背棱頂在已加工表面上，切削刃無法切入，切削條件被破壞?？梢姡谶@種場合下，只考慮主運(yùn)動的假定條件是不合適的，還必須考慮進(jìn)給運(yùn)動速度的影響，也就是必須考慮合成切削運(yùn)動方向來確定刀具工作角度的參考系；

圖(c)，刀具后刀面與已加工表面全面接觸，摩擦嚴(yán)重。

同樣，刀具實(shí)際安裝位置也影響工作角度的大小。只有采用刀具工作角度的參考系，才能反映切削加工的實(shí)際。

刀具工作角度的參考系第二十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

刀具工作角度參考系：

用于定義刀具進(jìn)行切削加工時幾何參數(shù)的參考系。該參考系考慮了切削運(yùn)動和實(shí)際安裝情況對幾何參數(shù)的影響。

刀具工作角度參考系同標(biāo)注角度參考系的唯一區(qū)別是：用ve

取代vc

，即用實(shí)際進(jìn)給運(yùn)動方向取代假定進(jìn)給運(yùn)動方向。

1.1.2.4刀具的標(biāo)注角度

刀具標(biāo)注角度：在刀具的標(biāo)注角度參考系中確定的切削刃與刀面的方位角度，稱為刀具標(biāo)注角度。

注意：由于刀具角度的參考系沿切削刃各點(diǎn)可能是變化的，故所定義的刀具角度應(yīng)指明是切削刃選定點(diǎn)處的角度；凡未特殊注明者，則指切削刃上與刀尖毗鄰的那一點(diǎn)的角度。

在切削刃是曲線或者前、后刀面是曲面的情況下，定義刀具的角度時，應(yīng)該用通過切削刃選定點(diǎn)的切線或切平面代替曲線刃或曲面。刀具的標(biāo)注角度第二十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四主剖面參考系里的標(biāo)注角度的名稱、符號與定義如下圖所示：

刀具的標(biāo)注角度第二十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

前角γo

：前刀面與基面間的夾角(在主剖面中測量)；

后角αo

：后刀面與切削平面間的夾角(在主剖面中測量)；

主偏角κr：基面中測量的主切削刃與進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角；

刃傾角λs：切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角。

上述四個角度就可以確定車刀主切削刃及其前后刀面的方位：

γo、λs確定前刀面的方位,κr、αo

確定后刀面的方位，κr

、λs

確定主切削刃的方位。

同理，副切削刃及其相關(guān)的前刀面、后刀面在空間的定位也需用四個角度：即副偏角κr’

、副刃傾角λs’

、副前角γo’

、副后角αo’。

車刀副切削刃與主切削刃共處在同一前刀面上，當(dāng)γo、λs兩者確定后,前刀面的方位已經(jīng)確定,γo’

、λs’兩個角度可由γo、λs

、κr、κr’等角度換算出來,稱為派生角度。

刀具的標(biāo)注角度第二十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

由上分析可知，外圓車刀有三個刀面，兩個切削刃，所需標(biāo)注的獨(dú)立角度只有六個。此外，根據(jù)分析刀具的需要還要給定幾個派生角度，它們的名稱與定義如下：

楔角βo：主剖面中測量的前、后刀面間夾角；

刀尖角εr：基面中測量的主、副切削刃間夾角。

前角、刃傾角正負(fù)的規(guī)定：

在主剖面中，前刀面與基面平行時前角為零；前刀面與切削平面間夾角小于90°時，前角為正；大于90°時，前角為負(fù)。

刀具的標(biāo)注角度第二十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

后刀面與基面夾角小于90°時，后角為正；大于90°時后角為負(fù)。加工中，后角一般不選負(fù)值。

刃傾角的正負(fù)如圖示：

刀具的標(biāo)注角度刃傾角的正負(fù)對排屑方向有影響

第二十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.3刀具工作角度

如果考慮合成運(yùn)動和實(shí)際安裝情況，刀具的參考系將發(fā)生變化。按照切削工作的實(shí)際情況，在刀具工作角度參考系中所確定的角度，稱為工作角度。第二十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

由于通常的進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于主運(yùn)動速度，因此，在一般的安裝條件下，刀具的工作角度近似等于標(biāo)注角度(誤差不超過l%)。這樣，在大多數(shù)場合下(如普通車、鏜孔、端銑、周銑)不必進(jìn)行工作角度的計(jì)算。只有在角度變化值較大時(如車螺紋或絲杠、鏟背和鉆孔時，研究鉆心附近的切削條件或刀具特殊安裝時)，才需要計(jì)算工作角度。

1.1.3.1進(jìn)給運(yùn)動對工作角度的影響

(1)橫車

以切斷車刀為例，在不考慮進(jìn)給運(yùn)動時，車刀主切削刃選定點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動軌跡為一圓周，切削平面Ps為通過切削刃上該點(diǎn)切于圓周的平面，基面Pr為平行于刀桿底面同時垂直

于Ps的平面,γo、αo為標(biāo)注前角和后角。刀具工作角度第二十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

當(dāng)考慮橫向進(jìn)給運(yùn)動之后，切削刃選定點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動軌跡為一平面阿基米德螺旋線，切削平面Ps變?yōu)橥ㄟ^切削刃切于螺旋面的平面Pse,基面也相應(yīng)傾斜為Pre,角度變化值為η。工作主剖面

Poe仍為平面。此時在工

作參考系(Pre、Pse、Poe)

內(nèi)的工作角度γoe、αoe

為：

進(jìn)給運(yùn)動對工作角度的影響第二十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

η

—合成切削速度角，它是主運(yùn)動方向與合成切削速度方向之間的夾角。

由定義知：

式中f—

進(jìn)給量；

d—

隨著車刀進(jìn)給而不斷變化著的切削刃選定點(diǎn)處工件的旋轉(zhuǎn)直徑；

η—

隨著切削刃趨近工件中心而增大的;在常用進(jìn)給量下當(dāng)切削刃距離工件中1mm時，；再靠近中心，η值急劇增大,工作后角變?yōu)樨?fù)值。

注意：在鏟背加工時,η值很大,它是不可忽略的。進(jìn)給運(yùn)動對工作角度的影響第三十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.3.2刀具安裝對工作角度的影響刀桿安裝傾斜對工作角度的影響

如圖所示，車刀刀桿與進(jìn)給方向不垂直時,工作主偏角和工作副偏角將發(fā)生變化：式中G—假定進(jìn)給剖面與工作進(jìn)給剖面之間的夾角,在基面內(nèi)測量。即進(jìn)給運(yùn)動方向的垂線和刀桿中心線間的夾角。刀具安裝對工作角度的影響第三十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.4切削層參數(shù)與切削形式

1.1.4.1切削層參數(shù)

各種切削加工的切削層參數(shù)，可用典型的外圓縱車來說明。如圖示，車刀主切削刃上任意一點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動軌跡是一條空間螺旋線。當(dāng)λs=0時，主切削刃所切出的加工表面為阿基米德螺線旋面。工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀沿工件軸線移過

一段距離，即進(jìn)給量(f，mm／r)。這時，切削刃從加工表面Ⅰ的位置移到相鄰加工表面Ⅱ的位置上。于是Ⅰ、Ⅱ之間的金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?。由車刀正在切削著的這一層金屬，就叫做切削層。

切削層參數(shù)第三十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

切削層的大小和形狀直接決定了車刀切削部分所受的負(fù)荷大小及切下切屑的形狀和尺寸。在外圓縱車時當(dāng)、時，切削層的表面形狀為一平行四邊形；在特殊情況下

()為矩形，其底邊尺寸為f，高為ap,不論何種加工，能夠說明切削機(jī)理的，仍是切削層截形的力學(xué)性質(zhì)所決定的真實(shí)厚度和寬度。

為了簡化計(jì)算工作，切削層的表面形狀和尺寸，通常都在垂直于切削速度vc的基面Pr內(nèi)觀察和度量。

切削層參數(shù)為：

(1)切削厚度(hD)

垂直于加工表面來度量的切削層尺寸，稱為切削厚度，在外圓縱車(λs=0)時：切削層參數(shù)第三十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四(2)切削寬度(bD)

沿加工表面度量的切削層尺寸，稱為切削寬度，

在外圓縱車(λs=0)時：

可見，在f、ap

一定的條件下,主偏角κr越大,切削厚度hD

也就越大,但切削寬度bD

越?。恢髌铅蕆

越小，切削厚度hD也就越小，但切削寬度bD

越大；當(dāng)κr=90°時，hD=f。

曲線形主切削刃,切削層各點(diǎn)的切削厚度互不相等(圖）。

(3)切削面積

切削層在基面Pr的面積,稱為切削面積,以AD

表示.

AD=hDbDmm2切削層參數(shù)第三十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

對于車削來說，不論切削刃形狀如何，切削面積均為：

以上所計(jì)算的均為名義切削面積。實(shí)際切削面積等于名義切削面積減去殘留面積。

殘留面積：指刀具副偏角時,刀具經(jīng)過切削后,殘留在已加工表面上的不平部分剖面面積。

切削層參數(shù)第三十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.1.5切削形式

(1)正切削與斜切削

切削刃垂直于合成切削速

度方向的切削方式稱為正切

削或直角切削。如果切削刃

不垂直于切削速度方向則稱

為斜切削或斜角切削。

(2)自由切削與非自由切削

只有直線形主切削刃參加

切削工作，而副切削刃不參加切削工作，稱為自由切削。曲線主切削刃或主、副切削刃都參加切削者，稱為非自由切削。這是根據(jù)切削變形是二維問題或三維問題進(jìn)行區(qū)分的。為了簡化研究工作，通常采用自由切削進(jìn)切削變形區(qū)和觀察和研究。切削形式第三十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.2刀具材料

刀具材料第三十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

在切削過程中,刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面,刀具材料對金屬切削的生產(chǎn)率、成本、質(zhì)量有很大的影響,因此要重視刀具材料的正確選擇與合理使用。

1.2.1刀具材料應(yīng)具備的性能

切削加工時,由于變形與摩擦,刀具承受了很大的壓力與很高的溫度。作為刀具材料應(yīng)滿足以下基本要求：

(1)高的硬度和耐磨性

刀具材料要比工件材料硬度高，常溫硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨損的能力,它取決于組織中硬質(zhì)點(diǎn)的硬度、數(shù)量、大小和分布。

刀具材料第三十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(2)足夠的強(qiáng)度和韌性

為了承受切削中的壓力沖擊和振動,避免崩刃和折斷,刀具材料應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和韌性。一般強(qiáng)度用抗彎強(qiáng)度表示,韌性用沖擊值表示。

(3)高的耐熱性

刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的能力。

(4)良好的工藝性

為了便于制造,要求刀具材料有較好的可加工性,如切削加工性、鑄造性、鍛造性、熱處理性等。

(5)良好的經(jīng)濟(jì)性

刀具材料第三十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.2.2常用刀具材料

目前,生產(chǎn)中所用的刀具材料以高速鋼和硬質(zhì)合金居多。碳素工具鋼(如T10A、T12A)、工具鋼（如9SiCr、CrWMn）因耐熱性差，僅用于一些手工或切削速度較低的刀具。

1.2.2.1高速鋼

是一種加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。有較高的熱穩(wěn)定性,切削溫度達(dá)500℃-650℃時仍能進(jìn)行切削；有較高的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性；其制造工藝簡單，容易磨成鋒利的切削刃,可鍛造,這對于一些形狀復(fù)雜的工具，如鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等尤為重要,是制造這些刀具的主要材料。

高速鋼分類：

按用途分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；

按制造工藝不同分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。

高速鋼第四十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四(1)通用型高速鋼

①鎢鋼典型牌號為W18Cr4V(簡稱W18)。

含量：W18％、Cr4％、Vl％。

特點(diǎn)：有良好的綜合性能,在600℃時其高溫硬度為HRC48.5,可以制造各種復(fù)雜刀具。淬火時過熱傾向小;含釩量小,磨加工性好;碳化物含量高,塑性變形抗力大;但碳化物分布不均勻,影響薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;強(qiáng)度和韌性顯得不夠;熱塑性差,很難用作熱成形方法制造的刀具(如熱軋鉆頭)。

②鎢鉬鋼(將鎢鋼中的一部分鎢以鉬代替而得。)

典型牌號為W6Mo5Cr4V2(簡稱M2)。

含量：W6％、Mo5％、Cr4％、V2％。

特點(diǎn)：碳化物分布細(xì)小均勻,具有良好的機(jī)械性能,抗彎強(qiáng)度比W18高10％～15％,韌性高50％～60％,可做尺寸較小、承受沖擊力較大的刀具,熱塑性特別好,更適用于制造熱軋鉆頭等;磨加工性也好,目前各國廣為應(yīng)用。

高速鋼第四十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四(2)高性能高速鋼

是在通用高速鋼的基礎(chǔ)上再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素。按其耐熱性,又稱高熱穩(wěn)定性高速鋼。在630～650℃時仍可保持HRC60的硬度,具有更好的切削性能,耐用度較通用型高速鋼高1.3～3倍。適合于加工高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。

典型牌號有：高碳高速鋼9W18Cr4V、

高釩高速鋼W6Mo5Cr4V3、

鈷高速鋼W6Mo5Cr4V2Co8、

超硬高速鋼W2Mo9Cr4VCo8等。

1.2.2.1高速鋼高速鋼第四十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(3)粉末冶金高速鋼

用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融的高速鋼水,直接得到細(xì)小的高速鋼粉末,高溫下壓制成致密的鋼坯,而后鍛壓成材或刀具形狀。這有效地解決了一般熔煉高速鋼時鑄錠產(chǎn)生粗大碳化物共晶偏析的問題,得到細(xì)小、均勻的結(jié)晶組織,使之具有良好的機(jī)械性能。其強(qiáng)度和韌性分別是熔煉高速鋼的2倍和2.5～3倍;磨加工性能好;物理機(jī)械性能高度各向同性,淬火變形??；耐磨性能提高20％～30％，適合制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滾刀、插齒刀)、精密刀具、磨加工量大的復(fù)雜刀具、高壓動載荷下使用的刀具等。

高速鋼第四十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

1.2.2.2硬質(zhì)合金

由難熔金屬化合物(如WC、TiC)和金屬粘結(jié)劑(Co)經(jīng)粉末冶金法制成。

因含有大量熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好的金屬碳化物,硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性都很高。硬度可達(dá)HRA89～93,在800～1000℃還能承擔(dān)切削,耐用度較高速鋼高幾十倍。當(dāng)耐用度相同時,切削速度可提高4～10倍。唯抗彎強(qiáng)度較高速鋼低,僅為0.9-1.5GPa(90-150kgf/mm2),沖擊韌性差,切削時不能承受大的振動和沖擊負(fù)荷。碳化物含量較高時,硬度高,但抗彎強(qiáng)度低;粘結(jié)劑含量較高時,抗彎強(qiáng)度高,但硬度低。

硬質(zhì)合金以其切削性能優(yōu)良被廣泛用作刀具材料(約占

50％)。如大多數(shù)的車刀、端銑刀以至深孔鉆、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等。它還可用于加工高速鋼刀具不能切削的淬硬鋼等硬材料。硬質(zhì)合金第四十四頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四ISO將切削用的硬質(zhì)合金分為三類：

(1)YG(K)類，即WC—Co類硬質(zhì)合金

組成：WC和Co。

常用牌號：YG6、YG8、YG3X、YG6X，

含鈷量分別為：6％、8％、3％、6％。

硬度：HRA89～91.5,抗彎強(qiáng)度：1.1-1.5GPa

(110～150kgf/mm2)。

組織結(jié)構(gòu)有：粗晶粒、中晶粒、細(xì)晶粒之分。一般(如YG6、YG8)為中晶粒組織,細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(如YG3X、YG6X)在含鈷量相同時比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,但抗彎強(qiáng)度、韌性則低些。

特點(diǎn)：此類合金韌性、磨削性、導(dǎo)熱性較好,較適于加工產(chǎn)生崩碎切屑、有沖擊切削力作用在刃口附近的脆性材料,如鑄鐵、有色金屬及其合金以及導(dǎo)熱系數(shù)低的不銹鋼和對刃口韌性要求高(如端銑)的鋼料等。硬質(zhì)合金第四十五頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(2)YT(P)類，即WC—TiC—Co類硬質(zhì)合金

組成：WC和Co、還含有5%～30%的TiC。

牌號：YT5、YTl4、YTl5、YT30，

其中TiC的含量分別為：5%、14%、15%、30%相應(yīng)的鈷含量為：10%、8%、6%、4%

硬度：HRA91.5～92.5,抗彎強(qiáng)度為0.9-1.4GPa

(90-140kgf/mm2)。TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是沖擊韌性顯著降低。

特點(diǎn)：此類合金有較高的硬度和耐磨性,抗粘結(jié)擴(kuò)散能力和抗氧化能力好；但抗彎強(qiáng)度、磨削性能和導(dǎo)熱系數(shù)下降,低溫脆性大,韌性差。適于高速切削鋼料。硬質(zhì)合金第四十六頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

此類合金中含鈷量增加,抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性提高，適于粗加工。含鈷量減少,硬度、耐磨性及耐熱性增加,適于精加工。

應(yīng)注意：此合金不適于加工不銹鋼和鈦合金。因YT中的鈦元素和工件中的鈦元素之間的親合力會產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，在高溫切削及摩擦系數(shù)大的情況下會加劇刀具磨損。

(3)YW(M)類，即WC—TiC—TaC—Co類硬質(zhì)合金

組成：在YT類中加入TaC(NbC)可提高其抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、高溫硬度、強(qiáng)度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工鑄鐵,也可加工鋼,因而又有通用硬質(zhì)合金之稱。

常用的牌號：YWl和YW2。

以上三類的主要成分均為WC，所以又稱WC基硬質(zhì)合金。

硬質(zhì)合金第四十七頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

尚有以TiC為主要成分的TiC基硬質(zhì)合金，即Ti-Ni-Mo合金。

因TiC在所有碳化物中硬度最高，所以此類合金硬度很高，達(dá)HRA90～94，有較高的耐磨性、抗月牙洼磨損能力，耐熱性、抗氧化能力以及化學(xué)穩(wěn)定性好、與工件材料的親合性小、磨擦系數(shù)小、抗粘結(jié)能力強(qiáng)，刀具耐用度比WC提高好幾倍，可加工鋼，也可加工鑄鐵。

牌號YNl0與YT30相比較，硬度較接近，焊接性及刃磨性均較好，基本上可代替YT30使用。唯抗彎強(qiáng)度還趕不上WC，當(dāng)前主要用于精加工及半精加工。因其抗塑性變形、抗崩刃性差，所以不適用于重切削及斷續(xù)切削。

表之1、2、3列出了各種硬質(zhì)合金牌號刀具的應(yīng)用范圍。

硬質(zhì)合金第四十八頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四1.2.3其它刀具材料

(1)涂層刀具

它是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上,或在高速鋼刀具基體上,涂抹一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。涂層硬質(zhì)合金一般采用化學(xué)氣相沉積法(CVD法),沉積溫度1000℃左右;涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法(PVD法)，沉積溫度500℃左右。

常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3

等。

涂層厚度：硬質(zhì)合金刀具為4～5μm,表層硬度可達(dá)HV2500～4200;高速鋼刀具為2μm,表層硬度可達(dá)HRC80。

特點(diǎn)：涂層刀具具有較高的抗氧化性能,因而有較高的耐磨性和抗月牙洼磨損能力;有低的摩擦系數(shù),可降低切削時的切削力及切削溫度,可提高刀具的耐用度(提高硬質(zhì)合金刀具耐用度l～3倍，高速鋼刀具耐用度2～10倍)但存在著鋒利性、韌性、抗剝落性、抗崩刃性及成本昂貴之弊。其它刀具材料第四十九頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四(2)陶瓷

有純Al2O3陶瓷及Al2O3-TiC混合陶瓷兩種,其微粉在高溫下燒結(jié)而成。陶瓷刀具有很高的硬度(HRA91-95)和耐磨性；小，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力好。

可用于加工鋼、鑄鐵；車、銑加工也都適用。

但其脆性大、抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差、易崩刃,使用范圍受到限制。但作為連續(xù)切削用的刀具材料,還是有很大發(fā)展前途的。

(3)金剛石

分為天然金剛石（TJ）、人造金剛石（RJ）

人造金剛石（RJ）是目前人工制造出的最硬的物質(zhì)，是在高溫、高壓和其它條件配合下（觸媒）由石墨轉(zhuǎn)化而成。

其它刀具材料第五十頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

特點(diǎn)：硬度高達(dá)HVl0000，耐磨性好,可用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料,刀具耐用度比硬質(zhì)合金可提高幾倍到幾百倍。

其切削刃鋒利，能切下極薄的切屑,加工冷硬現(xiàn)象較少;有較低的摩擦系數(shù),切屑與刀具不易產(chǎn)生粘結(jié)，不產(chǎn)生積屑瘤，很適于精密加工。

但其熱穩(wěn)定性差,切削溫度不宜超過700～800℃;強(qiáng)度低、脆性大、對振動敏感,只宜微量切削;與鐵有極強(qiáng)的化學(xué)親和力,不適于加工黑色金屬。

目前主要用于磨具和磨料,對有色金屬及非金屬材料進(jìn)行高速精細(xì)車削及鏜孔;加工鋁合金、銅合金時,切削速度可達(dá)800～3800m／min。其它刀具材料第五十一頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

(4)立方氮化硼

由軟的立方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成。

特點(diǎn)：有很高的硬度(HV8000～9000)及耐磨性；有比金剛石高,得多的熱穩(wěn)定性(1400℃)，可用來加工高溫合金;化學(xué)惰性大,與鐵族金屬直至1300℃時也不易起化學(xué)反應(yīng),可用于加工淬硬鋼及冷硬鑄鐵；

有良好的導(dǎo)熱性、較低的摩擦系數(shù)。

它不僅用于磨具,也逐漸用于車、鏜、銑、鉸。

它有兩種類型：整體聚晶立方氮化硼,能像硬質(zhì)合金一樣焊接,并可多次重磨;立方氮化硼復(fù)合片,即在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層厚度為0.5mm的立方氮化硼而成。

其它刀具材料第五十二頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四小結(jié)

本章主要學(xué)習(xí)了金屬切削過程的基礎(chǔ)知識。它包括基本定義與刀具材料兩方面的內(nèi)容。

金屬切削過程中的三個方面的基本定義：

1．切削運(yùn)動方面：切削運(yùn)動，切削用量三要素(切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量)，切削形式等。

2．刀具切削部分：車刀構(gòu)造，參考系與參考平面(基面、切削平面、主剖面等)，刀具標(biāo)注角度(前角、后角、主偏角、刃傾角、副偏角、副后角等)與工作角度。

3．工件方面：三個加工表面，工件切削層參數(shù)(切削厚度、切削寬度與切削面積)。

刀具材料：

1．刀具材料的性能：高的硬度與耐磨性，足夠的強(qiáng)度與韌性，高的耐熱性，良好的工藝性，良好的經(jīng)濟(jì)性。小結(jié)第五十三頁，共六十六頁，編輯于2023年，星期四

2．常用的刀具材料：

(1)高速鋼，具有較好的綜合性能，熱處理變形小，適宜制造復(fù)雜刀具；

(2)硬質(zhì)合金，硬度高，但抗沖擊能力差，適用于高速切削。

3.其它刀具材料：包括涂層刀具、陶瓷、人造金剛石與立方氮化硼。

本章的難點(diǎn)是刀具標(biāo)注角度方面的基本定義。因此要理解建立參考