1、 第一章 金属切削加工的基本知识 金属切削刀具切除工件上多余的金属材料，以获得所需要的形状、精度及表面质量，称为金属切削加工。它是机械制造工业中一种基本加工方法。 1 1 切削运动与切削用量 一、 切削运动 切削运动：刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动），切削运动可分为主运动和进给运动 主运动（切削运动）：在机床上形成切削速度并消耗大部分切削力的运动。它是必不可少的。 进给运动（走刀运动）：机床上维持切削加工过程连续不断进行的运动。 当表面成形运动只有一 个时，则只有主运动，无进给运动；当表面成形运动有两个或两个以上时，其中一个为主运动，其余为进给运动。进给运动根据刀具相对工件
2、被加工表面运动方向的不同，可分为纵向进给、横向进给、圆周进给、径向进给和切向进给等。 车削：主运动：工件的旋转 进给运动：车刀沿工件轴线运动（纵向进给运动）垂直与工件轴线运动（横向进给运动） 钻削：主运动：钻头的旋转 进给运动：钻头沿工件轴向运动 刨削：牛头刨：主运动：刨刀的往复直线运动 进给运动：垂直于主运动方向间歇运动 龙门刨：主运动：工件的往复直线运动 进 给运动：垂直于主运动方向间歇运动 磨削：主运动：砂轮的旋转 进给运动：工件的旋转，工件的轴向移动，砂轮沿工件径向进给 拉削：主运动：拉刀运动 无进给运动 二 、 切削时产生的工件表面 在切削加工时，工件上通常存在三个表面： 待加工表面
3、：工件上即将被切除的表面 已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面 过渡表面 (加工表面 )：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间 三 、 切削用量 1切削速度：刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度，单位为 m/s。刀具切削刃上各点切削速度可能是不同的，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。 外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为 dw 工件待加工表面的直径， (mm)； n 工件的转速， (r/s) 内孔车削时的切削速度计算公式为 dm 工件已加工表面的直径， (mm)； n 工件的转速， (r/s) 2进给量 f：在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运
4、动方向上相对于工件的位移量，单位是 mm/r(用于车削、镗削等 )或 mm/行程 (用于刨削、磨削等 )。进给量表示进给运动的速度。进给运动速度还可以用进给速度 Vf（单位 mm/s)或每齿进给量 fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是 mm/齿 )表示。 其中： n 主运动的转速， (mm/s)； z 刀齿齿数。 3背吃刀量（切削深度） ap：工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 即对于外圆车削， 其中： dw 工件待加工表面的直径， (mm)； dm 工件已加工表面的直径， (mm) 对于钻孔工作 5 1 2 刀具的几何角度 一 、刀具切削部分的组成 1.前刀面：切屑流过
5、的刀面 2.（主）后刀面： 与工件过渡表面相对的刀面 3.副后刀面：与已加工表面相对的刀面 4.主切削刃：前刀面与后刀面的交线，它完成主要的切削工作 5.副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面 6.刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧 其它各类刀具，都可以看作是车刀的演变和组合 二、定义刀 具角度的参考系 1.切削平面 Ps（紫） ： 通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面 2.基面 Pr（黄）： 通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面 (车刀基面一般是平行于刀具底面平面 ) 3.主剖面 P0：（正
6、交平面）（绿） 通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面 切削平面、基面和正交平面共同组成标注刀具角度的正交平面参考系。常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系 三、车刀的标注角度 刀具制造和刃磨所需要的角度，并且在刀具设计图上予以标注的角度，共有 五个。 正交平面测量角度：（绿） 前角：在正交平面内测量的前刀面与基面（黄）之间的夹角 前角表示前刀面的倾斜程度 前角的正负 后角：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面（紫）之间的夹角 后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值 基面内测量：（黄） 主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方
7、向的夹角 主偏角一般为正值 副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角 副偏角一般为正值 切削平面内测量： 刃倾角：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角 当主切削刃呈水平时， s=0，刀尖为主切削刃上最低点时， s 0。 1 3 切削层参数 在切削过程中，工件每转一转或刀具每转一齿，刀具主切削刃相邻两位置间的一层金属，称为切削层。 1.切削厚度 hD：垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，反映了切削刃单位长度上的切削负荷 hD=fsin r 2.切削宽度 bD：沿工件过渡表面测量的切削层尺寸， 反映了切削刃参加切削的工作长度 bD=ap/sin r 3.切削面积 AD：
8、切削层在基面内的面积 AD=bDhD=fap 1 4 金属切削刀具的常用材料 刀具切削部分的材料，刀具切削性能的好坏，主要取决于刀具材料、刀具的几何形状和刀具的结构，其中刀具的材料居于首位，它对于刀具的寿命、加工质量加工的成本都有很大的影响。 一、刀具材料应具备的性能 刀具在高温下进行切削加工，同时还要承受强烈的摩擦、冲击和振动，因此，对他要有一些特殊要求： 1.硬度：刀具要对工件材料进行切削，要切入工件，他的硬度必须要高于工件材料的硬度，刀具材料常温硬度一般要求在 HRC60 以上 2.耐磨性 表示刀具的抗磨损能力，一般刀具材料的硬度越高，耐磨性 越好，还与化学稳定性有关。 3.强度和韧性
9、承受切削力，冲击和振动，防止刀具发生脆性断裂和崩刃 强度：抗弯强度 韧性：冲击值来表示 4.耐热性（高热稳定性）刀具在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力 5.工艺性：为便于制造，具有良好的可加工性，锻造性能、焊接性能、磨削加工性能、热处理性能 6.导热性：（良好的热物理性能和耐热冲击性能），导热系数越大，刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度，提高刀具的耐用度。不会因受到大的热冲击，产生到局内部裂纹，而使刀具断裂 上述要求有些是相互矛盾的，例如硬度越高 ，耐磨性越好的材料，韧性和抗破损能力往往越差，而耐热性好的材料韧性也往往较差，实际工作重要根据具体的切削条件，选择合适的材料。 二、常用
10、刀具材料 1碳素工具钢：含碳量在 0.651.35%优质高碳钢（ T12(读作碳 12，制造冲头、锉刀 ) 合金工具钢：加入 Cr、 W、 Mn、 Si等合金元素，总含量不超过 35% 耐热性较差（ 250300），仅用于手工工具及切削速度较低的刀具（铰刀、拉刀、丝锥、板牙、搓丝板等） 2高速钢（ HSS） 高速钢全称高速合金工具钢，也称白钢、锋钢，是 19 世纪末研制成功的。 高速钢是在 高碳钢中加入较多合金元素 W、 Cr、 V、 Mo 等与 C生成碳化物制成的，加入合金元素后。细化了晶粒。提向了合金的硬度。一般高速钢的淬火硬度可达HRC6367。在切削温度高达 500650C ,仍能进行
11、切削。允许的切削速度可比合金工具钢提高 13 倍，高速钢因此而得名。高速钢具有较高的强度。在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击值最高。 (抗弯强度是硬质合金的 23 倍，为陶瓷的 56 倍 )，制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，是制造各种刃形复杂刀具的主要材料 按用途 通用型高速钢 钨系 W18Cr4V W 是重要的战略物资，有些性能不能满足切削加工性能，其用量逐渐减小。（国外已经淘汰） 钼系 W6Mo5Cr4V2 用 1%的 Mo 代替 2%W 减少碳化物的不均匀性，细化颗粒，提高韧性（制造麻花钻） 满足一般材料的常规加工 高性能高速钢 W6Mo5Cr4VCo8（ M42） Co 高速
12、钢 Co 储量小，价格高（ HRC70） W6Mo5Cr4V2Al(501) Al 高速钢 我国独创材料与 M42 性能相当，可磨削性能略低 切削性能好，适合加工难加工材料（高温合金、钛合金、不锈钢等） 按制造工艺方法 熔炼高速钢 粉末冶金高速钢：将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体（氩气）雾化成粉末，再经过冷压和热压，制成钢坯，再轧制或锻造成材 塑性、韧性可磨削性能改善，材质均匀，热处理变形小，刀具耐用度高。 3硬质合金 以高硬度、高耐热性的高温碳化物（ WC、 TiC）粉末（微米级）为主要成分，以钴（ Co）或镍（ Ni）、钼（ Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结成的粉末冶金制品。
13、它的耐热性比高速钢高得多，约在 8501000 C，允许的切削速度约是高速钢的4l0 倍。硬度很高，可达 HRA8993；但它的抗弯强度 只为高速钢的一半，冲击韧性不足高速钢的 1 251 10。因而很少用于制造整体刀具，一般制成各种形状刀片，焊接或直接夹固在刀体上使用 （ 1）分类： 钨钴类（ YG 类或 K类） WC+Co YG3 Y:硬质合金 G:钴 3： Co 含量 3% YG3X X:细晶粒 钨钛钴类（ YT 类或 P类） WC+TiC+Co YT30 Y:硬质合金 T:碳化钛 30:TiC 含量 30% 添加稀有金属碳化物类（ TaC 或 NbC，提高合金的综合切削性能） YA 类
14、 WC+TaC（ NbC） +Co YA6: A:含 TaC(NbC)的钨钴类硬质合金 YW 类（或 M 类） WC+TiC+TaC（ NbC） +Co 硬度和耐磨性能介于 YG 和 YT之间 YW1: W:通用合金 镍钼钛类（ YN 类） TiC+WC+Ni、 Mo YN10 N:Ni、 Mo 作粘结剂的合金 10:Ni 含量 10% （ 2）不同牌号硬质合金比较 TiC，硬度 Co，韧性 精加工选用含 Co 少的合金，粗加工或有冲击载荷时，选用含 Co 多的合金 （ 3） YG 和 YT 比较（含 Co 量相同） 硬度 YTYG 抗弯强度和韧性 YTYG *YG：韧性好，但耐磨性差，适于加
15、工铸铁、青铜等脆性材料 *YT：硬度高，耐热性好，适宜加工钢件 4陶瓷材料 用 Al2O3和 Si3N4为主要成分，经压制成形后烧结而成的刀具材料 硬度高（ HRA9195） 化学性能稳定 耐氧化 强度低、韧性差 用于（高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料）精加工，但近年来，采取了一些新工艺方法（控制原料的纯度和晶粒尺寸，添加碳化物或金属，采用热压和热静压等工艺），强度和冲击性能有了很大的提高，适用范围不断扩大。 与硬质合金相比 加工材料的硬度更高 HRC（布氏硬度） 65 的高硬度材料 切削效率提高 310 倍 刀具耐用度提高几倍至几十倍 有很高的高温硬度 1200 C HRA（洛氏硬度） 80
16、 Al2O3资源丰富、价格低是很有发展前途的刀具材料 5立方氮化硼（ CBN） 是上世纪 70 年代才发展起来的人工合成刀具材料。它是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成 硬度仅次于金刚石 HV（维氏硬度） =8000 有很好的热稳定性和化学惰性 金刚石 700800 C 即碳化而 CBN 在 1000 C 以上甚至 1500 C 也不发生相变， 12001300 C也不与铁族金属起反应，既能加工非铁族难加工材料又能加工铁族难加工材料 6人造金刚石 通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成 极高硬度 HV=10000（世界上已知硬度最高的物质） 硬质合金 HV=13001800 耐磨性能好，切削刃锋利，加工出来表面制来很高 耐热性较差 700800 C 即碳化（失去切削能力） 人造金刚石的碳原子与铁元素有很强的化学亲和力，容易与之粘接，发生磨损，所以不宜加工铁族金属，适宜加工有色金属及其合金、玻璃、陶瓷、硬质合金等。 7涂层刀具 硬质合 金或高速钢刀具基体上，涂覆一层 510um 厚的高耐磨、高熔点的金属化合物（碳化钛、氮化钛、氧化铝等），外部高硬度、高耐磨，内部具有较好的韧性。
