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第一篇第一章 金属切削加工的基础知识本讲稿第一页，共三十七页金属切削原理：金属切削原理：研究金属切削机理的一门基础科学。研究金属切削机理的一门基础科学。研究内容：研究内容：阐述金属切削的基本概念。阐述金属切削的基本概念。解释金属切削的物理现象。解释金属切削的物理现象。介绍生产中实用的金属切削常识。介绍生产中实用的金属切削常识。研究目的：研究目的：后续课程的基础知识。后续课程的基础知识。本讲稿第二页，共三十七页第一章第一章 金属切削加工的基础知识金属切削加工的基础知识第一节第一节 切削运动和切削要素切削运动和切削要素第二节第二节 刀具的几何角度和结构刀具的几何角度和结构第三节第三节 切削层参数切削层参数第四节第四节 刀具材料刀具材料本讲稿第三页，共三十七页金属切削加工金属切削加工:是在机床上，用金属切削刀具是在机床上，用金属切削刀具将坯料或工件上多余金属材料切除，以获得所将坯料或工件上多余金属材料切除，以获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的方法。要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的方法。研究地方：机床上研究地方：机床上普通加工：用金属切削刀具切普通加工：用金属切削刀具切加工对象：金属加工对象：金属相关链接：切削加工概述本讲稿第四页，共三十七页完成切削加工必须具备的三个条件：完成切削加工必须具备的三个条件：切削刀具与工件之间必须有相对运动；切削刀具与工件之间必须有相对运动；刀具材料必须有一定的切削性能；刀具材料必须有一定的切削性能；刀具必须有适当的几何角度。刀具必须有适当的几何角度。本讲稿第五页，共三十七页第一节第一节 切削运动和切削要素切削运动和切削要素零件的种类及组成零件的种类及组成相关链接：金属零件表面成形本讲稿第六页，共三十七页一、切削运动分析一、切削运动分析切削运动切削运动切削运动切削运动直线运动直线运动直线运动直线运动旋转运动旋转运动旋转运动旋转运动本讲稿第七页，共三十七页一、切削运动分析一、切削运动分析1.1.主主主主运运运运动动动动：直直直直接接接接切切切切除除除除工工工工件件件件上上上上的的的的切切切切削削削削层层层层，使使使使之之之之变变变变为为为为切切切切屑屑屑屑，以以以以形形形形成成成成工工工工件新表面的运动。件新表面的运动。件新表面的运动。件新表面的运动。通常用切削速度通常用切削速度通常用切削速度通常用切削速度 v vc c(m/s)(m/s)表示。表示。表示。表示。特点：速度高、功耗大、只能有一个。特点：速度高、功耗大、只能有一个。特点：速度高、功耗大、只能有一个。特点：速度高、功耗大、只能有一个。2.2.进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用进给运动：不断地把切削层投入切削的运动。通常用v vf f、f f或或或或 f fz z表示。表示。表示。表示。特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。3.3.合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用v ve e表示。表示。表示。表示。相关链接：金属切削运动实例本讲稿第八页，共三十七页本讲稿第九页，共三十七页二、工件加工表面二、工件加工表面相关链接：工件上的三种表面本讲稿第十页，共三十七页三、切削用量三要素三、切削用量三要素1.1.切削速度切削速度切削速度切削速度：(v vc c)2.2.进给量：进给量：进给量：进给量：(f f)3.3.背吃刀量：背吃刀量：背吃刀量：背吃刀量：(a ap p)“工工件件上上已已加加工工表表面面和和待待加加工表面之间的垂直距离工表面之间的垂直距离”。对于外圆车削：对于外圆车削：“切切削削刃刃选选定定点点相相对对于于工工件件主主运运动动的的瞬瞬时时速速度度”。通常以最大线速度为准。通常以最大线速度为准。主运动是旋转运动时：主运动是旋转运动时：主运动是直线运动时：主运动是直线运动时：“工工件件或或刀刀具具每每转转一一转转时时，两两者者沿沿进给方向的相对位移进给方向的相对位移”。f(mm/r),vf(mm/s),fz(mm/z)切削速度进给量背吃刀量本讲稿第十一页，共三十七页第二节第二节 刀具的几何角度和结构刀具的几何角度和结构一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的结构要素车刀切削部分的组成本讲稿第十二页，共三十七页第二节第二节 刀具的几何角度和结构刀具的几何角度和结构归结起来：归结起来：归结起来：归结起来：“三面两刃一尖三面两刃一尖三面两刃一尖三面两刃一尖”前刀面前刀面前刀面前刀面A Ar r主后刀面主后刀面主后刀面主后刀面A A 副后刀面副后刀面副后刀面副后刀面A A 交线交线交线交线交线交线交线交线主切削刃主切削刃主切削刃主切削刃s s副切削刃副切削刃副切削刃副切削刃ss刀尖刀尖刀尖刀尖连接部分连接部分连接部分连接部分一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的结构要素本讲稿第十三页，共三十七页参考系：参考系：参考系：参考系：工作（切削）角度参考系：它是度量刀具切削时实际工作（切削）角度参考系：它是度量刀具切削时实际工作（切削）角度参考系：它是度量刀具切削时实际工作（切削）角度参考系：它是度量刀具切削时实际几何角度的基准，由它度量的刀具角度称为刀具工作几何角度的基准，由它度量的刀具角度称为刀具工作几何角度的基准，由它度量的刀具角度称为刀具工作几何角度的基准，由它度量的刀具角度称为刀具工作（切削）角度。（切削）角度。（切削）角度。（切削）角度。标注角度参考系：它是刀具在设计时计算、绘图制造、刃标注角度参考系：它是刀具在设计时计算、绘图制造、刃标注角度参考系：它是刀具在设计时计算、绘图制造、刃标注角度参考系：它是刀具在设计时计算、绘图制造、刃磨、测量时的基准，由它确定的刀具角度称为刀具的标注磨、测量时的基准，由它确定的刀具角度称为刀具的标注磨、测量时的基准，由它确定的刀具角度称为刀具的标注磨、测量时的基准，由它确定的刀具角度称为刀具的标注角度。角度。角度。角度。二、刀具标注角度参考系二、刀具标注角度参考系标注角度参考系的两个假设：标注角度参考系的两个假设：假设运动条件：不考虑进给运动；假设运动条件：不考虑进给运动；假设运动条件：不考虑进给运动；假设运动条件：不考虑进给运动；假设安装条件：假设安装条件：车刀刀尖与工件中心等高；车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀杆中心线与进给方向垂直；刀杆中心线与进给方向垂直；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面刀具的安装面与基面PrPr平行；平行；本讲稿第十四页，共三十七页正交平面参考系：正交平面参考系：1.基面基面Pr：“通通过过主主切切削削刃刃上上选选定定点点垂垂直直于于主主运运动动方方向向的的平平面面”辅助平面辅助平面本讲稿第十五页，共三十七页正交平面参考系：正交平面参考系：2.切削平面切削平面Ps：“通通过过主主切切削削刃刃上上选选定定点点，与与切切削削刃刃相相切切并并垂垂直于基面的平面直于基面的平面”。本讲稿第十六页，共三十七页正交平面参考系：正交平面参考系：3.正交平面（主剖面）正交平面（主剖面）Po：“通通过过主主切切削削刃刃上上选选定定点点，并并同同时时垂垂直直于于基基面面和和切切削削平平面面的的平平面面”。本讲稿第十七页，共三十七页法平面参考系：法平面参考系：法平面法平面Pn:“通通过过主主切切削削刃刃上上选选定定点点，并并垂垂直直于于切切削刃的平面削刃的平面”。本讲稿第十八页，共三十七页假定工作平面、背平面参考系：假定工作平面、背平面参考系：假假定定工工作作平平面面（进进给给剖剖面面）Pf：“通通过过主主切切削削刃刃上上选选定定点点，平平行行于于进进给给方方向向并并垂垂直直于于基基面面的的平平面面”本讲稿第十九页，共三十七页假定工作平面、背平面参考系：假定工作平面、背平面参考系：背平面（切深剖面）背平面（切深剖面）Pp:“通通过过主主切切削削刃刃上上选选定定点点，同同时时垂垂直直于于基基面面和和假假定定工工作作平面的平面平面的平面”。本讲稿第二十页，共三十七页三、刀具的标注角度三、刀具的标注角度在基面内测量的角度：在基面内测量的角度：主偏角：主偏角：“主主切切削削刃刃在在基基面面上上的的投投影影与与进进给给方方向向的的夹角夹角”。副偏角：副偏角：“副副切切削削刃刃在在基基面面上上的的投投影影与与进进给给方方向向的的夹角夹角”。刀尖角：刀尖角：“主主切切削削刃刃与与副副切切削削刃刃之之间间的的夹夹角角”。r=180-(r+r)车刀的主要几何角度2本讲稿第二十一页，共三十七页三、刀具的标注角度三、刀具的标注角度在正交平面内测量的角度在正交平面内测量的角度后角：后角：o o“后后刀刀面面与与切切削削平面的夹角平面的夹角”前角：前角：o o“前前刀刀面面与与基基面面之之间间的的夹角夹角”。车刀的主要几何角度1本讲稿第二十二页，共三十七页三、刀具的标注角度三、刀具的标注角度本讲稿第二十三页，共三十七页在切削平面内：在切削平面内：刃倾角：刃倾角：S S“主主切切削削刃刃与与基基面之间的夹角面之间的夹角”车刀的主要几何角度3本讲稿第二十四页，共三十七页四、刀具的工作角度四、刀具的工作角度本讲稿第二十五页，共三十七页四、刀具的工作角度四、刀具的工作角度本讲稿第二十六页，共三十七页刀具安装高低对工作角度的影响：刀具安装高低对工作角度的影响：四、刀具的工作角度四、刀具的工作角度本讲稿第二十七页，共三十七页四、刀具的工作角度四、刀具的工作角度本讲稿第二十八页，共三十七页刀具安装偏斜对工作角度的影响：刀具安装偏斜对工作角度的影响：四、刀具的工作角度四、刀具的工作角度本讲稿第二十九页，共三十七页第三节第三节 切削层参数切削层参数一、切削层：一、切削层：“刀具沿进给方向移动一个进给量刀具沿进给方向移动一个进给量 f，由刀具正在，由刀具正在切削着的金属层切削着的金属层”。切削层的大小和形状直接影响：切削层的大小和形状直接影响：刀具切削部分承受的载荷大小；刀具切削部分承受的载荷大小；决定了切屑的尺寸和形状；决定了切屑的尺寸和形状；本讲稿第三十页，共三十七页二、切削层的参数二、切削层的参数切削厚度：切削厚度：hD“垂直于过渡表面度量的切垂直于过渡表面度量的切削层尺寸削层尺寸”hD=fsinr (mm)切削宽度：切削宽度：bD“沿着过渡表面度量的沿着过渡表面度量的切削层尺寸切削层尺寸”bD=ap/sinr (mm)切削面积：切削面积：ADAD=hDbD (mm2)对于外圆车削：对于外圆车削：AD=fap (mm2)本讲稿第三十一页，共三十七页三、残留面积：三、残留面积：本讲稿第三十二页，共三十七页第四节第四节 刀具材料刀具材料一、刀具材料应具备的基本性能：一、刀具材料应具备的基本性能：一、刀具材料应具备的基本性能：一、刀具材料应具备的基本性能：1.1.高的硬度与耐磨性：必须高于工件硬度，通常应高的硬度与耐磨性：必须高于工件硬度，通常应高的硬度与耐磨性：必须高于工件硬度，通常应高的硬度与耐磨性：必须高于工件硬度，通常应62HRC62HRC以上，以上，以上，以上，硬度高，耐磨性好；硬度高，耐磨性好；硬度高，耐磨性好；硬度高，耐磨性好；2.2.足够的强度和韧性：强度高，韧性好，但硬度低，耐磨性差；足够的强度和韧性：强度高，韧性好，但硬度低，耐磨性差；足够的强度和韧性：强度高，韧性好，但硬度低，耐磨性差；足够的强度和韧性：强度高，韧性好，但硬度低，耐磨性差；3.3.较高的耐热性和化学稳定性；较高的耐热性和化学稳定性；较高的耐热性和化学稳定性；较高的耐热性和化学稳定性；4.4.良好的热物理性能和耐热冲击性能；良好的热物理性能和耐热冲击性能；良好的热物理性能和耐热冲击性能；良好的热物理性能和耐热冲击性能；5.5.良好的工艺性；良好的工艺性；良好的工艺性；良好的工艺性；6.6.良好的经济性。良好的经济性。良好的经济性。良好的经济性。本讲稿第三十三页，共三十七页二、常用刀具材料二、常用刀具材料常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷以及超硬材料等。硬质合金、陶瓷以及超硬材料等。机械制造中应用最广的刀具材料有高速钢和硬质合金。机械制造中应用最广的刀具材料有高速钢和硬质合金。高速钢高速钢 是加入了钨（是加入了钨（W）、钼（）、钼（Mo）、铬（）、铬（Cr）、钒）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。硬质合金是用高硬）等合金元素的高合金工具钢。硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物微米数量级的粉末和金属黏度、高熔点的金属碳化物微米数量级的粉末和金属黏结剂高压成形经高温烧结而成的粉末冶金材料。结剂高压成形经高温烧结而成的粉末冶金材料。碳素工具钢和合金工具钢耐热性差。用于制造简单手碳素工具钢和合金工具钢耐热性差。用于制造简单手工工具。工工具。本讲稿第三十四页，共三十七页二、常用刀具材料二、常用刀具材料1.1.高速钢（高速钢（高速钢（高速钢（19001900年首次使用）年首次使用）年首次使用）年首次使用）基本性能：基本性能：基本性能：基本性能：硬度：硬度：6265HRC 耐热性：耐热性：耐热性：耐热性：500600 500600 切削速度：切削速度：切削速度：切削速度：V 30 m/min V 30 m/min 工艺性好，适用于制造复杂刀具。工艺性好，适用于制造复杂刀具。常用牌号：常用牌号：常用牌号：常用牌号：W18C W18Cr r4V4V W6M W6MO5Cr r4V24V2分类：按成份、性能、制造工艺分类。分类：按成份、性能、制造工艺分类。本讲稿第三十五页，共三十七页二、常用刀具材料二、常用刀具材料2.硬质合金：硬质相和粘结相构成硬质合金：硬质相和粘结相构成硬质合金：硬质相和粘结相构成硬质合金：硬质相和粘结相构成 基本性能：基本性能：基本性能：基本性能：硬度：硬度：硬度：硬度：7482HRC7482HRC 耐热性：耐热性：耐热性：耐热性：8001000 8001000 切削速度：切削速度：切削速度：切削速度：V=100 300 m/min V=100 300 m/min 工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。典型牌号：典型牌号：典型牌号：典型牌号：钨钴类钨钴类钨钴类钨钴类YG YG（K K类）类）类）类）钨钴钛类钨钴钛类钨钴钛类钨钴钛类YT YT（P P类）类）类）类）通用类通用类通用类通用类YW YW（MM类）类）类）类）成分：成分：WC+Co其其强强度度、韧韧性性较较好好，可可加加工工铸铸铁铁等等脆脆性性材材料料不不易易崩崩刃刃；导导热热性性能能好好可可加加工工不不锈钢、钛合金等导热性差的材料；刃磨性好可加工有色金属等韧性好的材料。锈钢、钛合金等导热性差的材料；刃磨性好可加工有色金属等韧性好的材料。常用牌号：常用牌号：YG3(K01)、YG6(K20)、YG8(K40)等等 精加工精加工 粗加工粗加工成分：成分：WC+TiC+Co硬硬度度、耐耐磨磨性性好好且且耐耐热热性性好好可可加加工工钢钢材材等等塑塑性性材材料料；因因含含Ti不不能加工含能加工含Ti工件。工件。常用牌号：常用牌号：YT5(P30)、YT15(P20)、YT30(P10)等等 粗加工粗加工 精加工精加工成分：成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co 既可用于加工短切屑的铸铁，也可用于加工长既可用于加工短切屑的铸铁，也可用于加工长切屑的钢材。切屑的钢材。常用牌号：常用牌号：YW1(M10)、YW2(M20)、YW3(M30)等等 精加工精加工 粗加工粗加工本讲稿第三十六页，共三十七页三、超硬刀具材料三、超硬刀具材料 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷金刚石金刚石金刚石金刚石 立方氮化硼（立方氮化硼（立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）“Al2O3或或Si3N4添添加加不不同同的的金金属属元元素素(Ni、Co、Mo、W)或或金金属属炭炭化化物物(TiC、WC)，采采用用热热压压和和烧结的方法获得烧结的方法获得”。特点：硬度高、耐磨性好。特点：硬度高、耐磨性好。9195HRA 耐热性高。耐热性高。1200 切削速度高达切削速度高达100400 m/min 抗弯强度、冲击韧性较差。抗弯强度、冲击韧性较差。主要用于冷硬铸铁、高硬钢等精加工和半精加工。主要用于冷硬铸铁、高硬钢等精加工和半精加工。“高温下借助合金触媒的作用，由石墨转化而成高温下借助合金触媒的作用，由石墨转化而成”。特点：特点：硬度高、耐磨性极好。硬度高、耐磨性极好。10000HV以上。以上。耐热性：耐热性：700800，不能在高温下切削，不能在高温下切削冲击韧性、抗弯强度低。只有硬质合金的冲击韧性、抗弯强度低。只有硬质合金的1/4。与与Fe的亲和力强，不能加工铁族材料。的亲和力强，不能加工铁族材料。适用于硬质合金、玻璃等高硬材料的精加工适用于硬质合金、玻璃等高硬材料的精加工与金刚石相比：与金刚石相比：硬度：硬度：80009000HV。耐热性：耐热性：13001500 与与Fe的亲和力小，能加工铁族材料。的亲和力小，能加工铁族材料。主主要要适适用用于于淬淬硬硬钢钢、耐耐磨磨铸铸铁铁、高高温温合合金金等等高硬铁族材料的精加工或半精加工。高硬铁族材料的精加工或半精加工。本讲稿第三十七页，共三十七页