第二章 金属切削过程第一节 金属切削刀具基础金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加 工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和 刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同 时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。一、金属切削加工的基本概念1. 切削运动（1） 主运动由机床或人力提供的刀具与 工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的 刀具表面切入工件材料，使 被切削层转变为切屑, 从而 形成工件的新表面。在切削 运动中，主运动速度最高、 耗功最大，是切下切屑所必 须的基本运动。主运动方向切削刃上选定 点相对于工件 的瞬时主运动 方向。切削速度vc切削刃上选定 点相对于工件 的主运动的瞬 时速度。刀具与工件之间附加 的相对运动, 它配合主运动 依次地或连续不断地切除 切屑, 从而形成具有所需几 何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完 成(如车削)，也可由工件完 成(如铣削)，可以是间歇的 （如刨削）, 也可以是连续 的（如车削）。（2） 进给运动进给运动方向切削刃上选定 点相对于工件 的瞬时进给方 向。进给速度vf 切削刃上选定 点相对于工件 的进给运动的 瞬时速度。主运动和进给运动 合成的运动称为合 成切削运动。（3）合成切削运动各种切削加工的切削运动切削刃相对于工件的运动过程, 就 是表面形成过程。在这个过程中, 切削刃相对于工件 的运动轨迹面就是工件上的加工表面 和已加工表面。有两个要素，一是切削刃, 二是切 削运动。不同的切削运动的组合,即可形成各 种工件表面。2、切削加工过程中的工件表面车削加工是一种最常见的、典型的切削加工 方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着 的表面。（1）待加工表面工件上待切除 的表面。（2）已加工表面工件上经刀具 切削后产生的 新表面。（3）过渡表面工件上切削刃正 在切削的表面。 它是待加工表面 和已加工表面之 间的过渡表面。3、切削要素切削要素主要指控 制切削过程的切削 用量要素和在切削 过程中由余量变成 切屑的切削层参数 。（1）切削用量要素切削速度对切削运动定量描述的 重要指标之一。外圆车 削的切削速度为 vc =dwn/1000进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的 位移量。当主运动是回转运动时，进给量指 工件或刀具每回转一周，两者沿进给方 向的相对位移量，单位为mm/r；当主运动是直线运动时，进给量指 刀具或工件每往复直线运动一次，两者 沿进给方向的相对位移量，单位为 mm/str或mm/单行程；对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)， 常用每齿进给量 fz，单位为mm/z或mm/齿。 它与进给量f的关系为 f=zfz 车削时进给速度vf可由下式计算 vf=fn铣削时进给速度为 vf=fn=zfzn合成切削速度ve可表达为 vc=ve+vf背吃刀量ap在基面上垂直于 进给运动方向测 量的切削层最大 尺寸,外圆车削: ap(dw-dm)/2 vc、f、ap 构成了普通外圆车削的切削用量三要 素。材料切除率，用Qz表示三要素的乘积作 为衡量指标，单 位为mm3/min， Qz=1000vcfap（2）切削层参数切削层是指在切削过程中 ，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（图22）。切削层公称厚度hD垂直于正在加工的 表面（过渡表面）度量 的切削层参数。hDfsinKr切削层公称宽度bD平行于正在加 工的表面（过 渡表面）度量 的切削层参数 。 bDapsinKr图 车削时的切削层尺寸切削层公称横截面积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，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD 或f、ap有关。二、刀具角度（一）刀具的构成由工作部分和非工作部分构成。 车刀的工作部分(刀头)比较简单，只由切 削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部( 或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部 分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变 而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参 数。前刀面A ：刀具上切屑流经的表面。主后刀面A ：刀具上与加工（过渡）表面相对的表面，同前刀面相交形成主切削刃的后刀面。前刀面主后刀面副后刀面副后刀面A ：刀具上与已加工表面相对的表面，同前刀面相交形成副切削刃的后刀面。刀具切削部分的基本定义:三面、两刃、一尖刀尖主切削刃： 始于切削刃上主偏 角为零的点，至少有一段拟用来 在工件上切出过渡表面的整段切 削刃，即前刀面与主后刀面的交 线。承担主要切削任务。 副切削刃：始于切削刃上 主偏角为零的点并向背离 主切削刃方向延伸的切削 刃，即前刀面与副后刀面 的交线，起一定的切削作 用。主切削刃刀尖： 主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分 切削刃。为增加刀尖强度，通常磨成一小段过渡圆弧。三面、两刃、一尖副后刀面前刀面副切削刃主后刀面两刃、一尖：（二）刀具标注角度1刀具标注角度参考系在设计、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。静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平 面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平 面参考系等。 c c正交平面切削平面基面a、基面Pr ：通过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面。它平行于刀具安装的一个平面。b、切削平面Ps ：通过切削刃选定点，与切削刃相切并同时垂直 于基面的平面。c、 正交平面Po ：通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。（1）基面中测量的刀具角度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。2刀具标注角度主偏角r副偏角r在基面内测量（2）正交平面中测量的刀具角度1)前角O 前面与基面之间的夹角。2)后角o 后面与切削平面之间的夹角。c c前角0基面投影线前刀面投影线切削平面 投影线主后刀面 投影线后角0（3）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。它在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s 0； 反之s 0。 基面投影线主切削刃刃倾角sc c3.刀具工作角度刀具在工作参考 系中确定的角度 称为刀具工作角 度。研究刀具工 作角度的变化趋 势，对刀具的设 计、改进、革新 有重要的指导意 义。与静态系统中正交平面参考系建 立的定义和程序相似，不同点就在于 它以合成切削运动e或刀具安装位 置条件来确定工作参考系的基面pre。由于工作基面的变化，将带来工 作切削平面pse的变化，从而导致工作 前角oe、工作后角oe 的变化。(1)工作基面pre 通过切削刃上的考查点，垂直于 合成切削运动速度方向的平面。 (2)工作切削平面pse 通过切削刃上的考查点，与切削刃 相切且垂直于工作基面的平面。 (3)工作正交平面poe通过切削刃上的考查点，同时垂直于 工作基面、工作切削平面的平面。1）横向进给运动对工作前、后角的影响（1）进给运动对工作前、后角的影响进给量f 越大， 越大；工件切 削直径越小， 越大；从而工作 前角oe增大、 工作后角oe减 小。 2）轴向进给运动对工作前、后角的影响轴向进给车外 圆时，合成切削运 动产生的加工轨迹 ， oe= o+ oe= o- 从而使工作前角 oe增大、工作后 角oe 减小。v用刃倾角s=0车刀车 削外圆时，由于车刀的 刀尖高于工件中心，使 其基面和切削平面的位 置发生变化，工作前角 oe增大，而工作后角 oe减小。v若切削刃低于工件中 心，则工作角度的变化 情况正好相反。v加工内表面时，情况 与加工外表面相反。（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响v当刀杆中心线与进 给运动方向不垂直且 逆时针转动G角时，工 作主偏角将增大，工 作副偏角将减小。2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响三、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何 参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削 性能。刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削 部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配 的刀具材料。金属切削过程中的加工质量、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、结构和几何形状是构成刀具切 削性能评估的三要素。（一） 刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度， 延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。（二） 常用刀具材料工具钢包括碳素工具钢 、合金工具钢和 高速钢。硬质合金有钨钴类硬质合金 、钨钛钴类硬质合 金和钨钛钽（铌） 类硬质合金。陶瓷超硬刀具材料推广使用新型刀具 材料如涂层刀具、陶瓷 刀具、立方氮化硼等。1高速钢它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高 合金钢。 热处理后硬度可达6267HRC, 抗弯强度约3.3GPa ，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温 度在500650C时仍能进行切削。 由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制 造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻 头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。按用途可分为：通用高速钢和高性能高速 钢。按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶 金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。（1）高速钢的分类 （2）常用高速钢的牌号与性能v通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差 ，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。v高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增 加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67 70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不 锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型 牌号有M42、501。 v粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮 气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后 再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插 齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。高速钢的主要物理力 学性能见表2-1(p25)。硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。 大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造；硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化 钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金 属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度为8993HRA，化学稳定性 好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800 1000C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5 10倍 。 2硬质合金钨钴类（WC+Co）；钨钛钴类（WC+TiC+Co）；添加稀有金属碳化物类（ WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）；碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。（1）硬质合金的分类 （2）常用硬质合金的牌号及其性能v钨钴类硬质合金 代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高 ，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬 质合金，有较