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第二章第二章 金属切削过程金属切削过程第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程 切削过程是刀具从工件表面上切去多余材料的过程。切削过程是刀具从工件表面上切去多余材料的过程。切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具的磨切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑损与刀具寿命、卷屑与断屑-研究金属切削过程就是研研究金属切削过程就是研究这些现象。究这些现象。金属切削过程金属切削过程第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程 切切削削和和磨磨削削是是机机械械加加工工的的主主要要方方法法，在在切切削削（磨磨削削）过过程程中中，始始终终存存在在着着刀刀具具切切削削工工件件和和工工件件材材料料抵抵抗抗切切削削的的矛矛盾盾，机机械械加加工工的的质质量量、效效率率、成成本本就就决定于这些矛盾的处理。决定于这些矛盾的处理。研研究究切切削削过过程程的的矛矛盾盾，探探索索和和掌掌握握金金属属切切削削过过程程的的基基本本规规律律，从从而而主主动动地地加加以以有有效效的的控控制制，对对保保证证加加工工精精度度和和表表面面质质量量，提提高高切切削削效效率率，降降低低生生产产成成本本和和劳动强度具有十分重大的意义。劳动强度具有十分重大的意义。研究金属切削过程的意义研究金属切削过程的意义第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n1.1.切削加工的基本概念切削加工的基本概念n2.2.刀具角度刀具角度n3.3.刀具材料刀具材料第一节第一节 金属切削刀具基础金属切削刀具基础第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程1.1 1.1 切削运动与切削过程中的工件表面切削运动与切削过程中的工件表面n切削运动切削运动切削运动切削运动是指利用刀具切除工件上多余的金是指利用刀具切除工件上多余的金属层，以获得所要求的尺寸、形状精度和表面质属层，以获得所要求的尺寸、形状精度和表面质量的运动。量的运动。刨、刨、钻、钻、铣削时的切削运动铣削时的切削运动 第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n切削过程的切削表面：切削过程的切削表面：(1)(1)待加工表面：待加工表面：即将被切去金属层的表面。即将被切去金属层的表面。(2)(2)加工表面：加工表面：切削刃正在切削的表面。切削刃正在切削的表面。(3)(3)已加工表面：已加工表面：切削后形成的新表面。切削后形成的新表面。这这些些定定义义也也适适用用于于其其它它切切削削。如如刨刨削削、钻钻削削、铣铣削削时时的的切削运动。切削运动。1.1 1.1 切削运动与切削过程中的工件表面切削运动与切削过程中的工件表面第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n1 1）切削速度）切削速度v vc c 切切削削速速度度是是主主运运动动的的线线速速度度，单单位位为为m mminmin。车车削削时时切切削速度为：削速度为：(m/s或或m/min)式中式中:d d工件或刀具直径工件或刀具直径(mm)(mm)；n工件或刀具转速工件或刀具转速(rs或或rmin)。n2 2）进给量进给量f f 进进给给量量是是进进给给运运动动的的单单位位量量。车车削削时时进进给给量量f f是是取取工工件件每每旋旋转转一一周周的的时时间间内内，工工件件与与刀刀具具的的相相对对位位移移量量，单单位位为为mmr(或或mm/双行程双行程)。故车削时进给运动速度。故车削时进给运动速度vf为为：1.2 1.2 切削用量切削用量vf=nf=nzfz 第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n3 3）背吃刀量）背吃刀量a ap p背背吃吃刀刀量量是是工工件件已已加加工工表表面面和和待待加加工工表表面面间间的的垂垂直直距距离离，车外圆时：车外圆时：1.2 1.2 切削用量切削用量式中式中:d dw w 待加工表面直径待加工表面直径(mm)(mm)；dm已加工表面直径已加工表面直径(mm)。切削用量（切削三要素）：切削用量（切削三要素）：切削速度，进给量，背吃刀量切削速度，进给量，背吃刀量第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n切切削削刃刃在在一一次次走走刀刀中中从从工工件件上上切切下下的的一一层层材材料料称称为为切切削削层层。切切削削层层的的截截面面尺尺寸寸参参数数称称为为切切削削层层参参数数。切切削削层层参参数数通通常常在在与主运动方向相垂直的平面内观察与度量与主运动方向相垂直的平面内观察与度量。1.3 1.3 切削层参数切削层参数a)切削层公称厚度切削层公称厚度hDb)切削层公称宽度切削层公称宽度bDc)切削层公称横截面积切削层公称横截面积ADhD=f*sinkrbD=ap/sinkrAD=hD*bD =f*ap 第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n1.1.切削加工的基本概念切削加工的基本概念n2.2.刀具角度刀具角度n3.3.刀具材料刀具材料第一节第一节 金属切削刀具基础金属切削刀具基础 刀刀具具种种类类繁繁多多，结结构构各各异异，但但各各种种刀刀具具的的切切削削部部分分具具有共同的特征。有共同的特征。第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程2.1 刀具切削部分的构造刀具切削部分的构造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面前面主后面主后面副后面副后面主切削刃主切削刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖刀杆刀杆刀头刀头第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度基面基面Pr假定主运动方向假定主运动方向主切削刃上主切削刃上选定点选定点刀柄底面平面刀柄底面平面n1 1）刀具标注角度的参考系）刀具标注角度的参考系主剖面主剖面Po：Ps Pr切削平面切削平面 Ps:与与 S相切相切 且且 Pr假定主运动方向假定主运动方向Vc主剖面参考系（主剖面参考系（Pr-Ps-Po)主切削刃主切削刃上选定点上选定点基面基面Pr：Pr Vc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度1）刀具标注角度的参考系）刀具标注角度的参考系2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度1）刀具标注角度的参考系）刀具标注角度的参考系2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度1）刀具标注角度的参考系）刀具标注角度的参考系为为便便于于刀刀具具设设计计者者在在设设计计刀刀具具时时的的标标注注，一一般般先先合合理理地地规规定一些条件。在车削时，这些条件是：定一些条件。在车削时，这些条件是：(1)装刀时，刀尖恰在工件的中心线上。装刀时，刀尖恰在工件的中心线上。(2)刀杆中心线垂直于工件轴线。刀杆中心线垂直于工件轴线。(3)没有进给运动。没有进给运动。(4)工件已加工表面的形状是圆柱表面。工件已加工表面的形状是圆柱表面。2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度2）刀具的标注角度）刀具的标注角度2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度2）刀具的标注角度）刀具的标注角度 根据根据ISO规定，当刀尖是主切削刃上最低点时，规定，当刀尖是主切削刃上最低点时，s为负值；为负值；当刀尖是主切削刃上最高点时，当刀尖是主切削刃上最高点时，s为正值。为正值。s s0 0(如如图图所所示示)的的切切削削称称直直角角切切削削或或正正切切削削。这这时时主切削刃与切削速度方向相垂直；主切削刃与切削速度方向相垂直；s s00的的切切削削称称斜斜角角切切削削。这这时时主主切切削削刃刃与与切切削削速速度度方方向不垂直。向不垂直。2.2 刀具的标注角度刀具的标注角度3）切削方式）切削方式自由切削：只有一条直线切削刃参与切自由切削：只有一条直线切削刃参与切削削非自由切削：曲线切削刃或主、副切削非自由切削：曲线切削刃或主、副切削刃同时参与切削刃同时参与切削直角切削：切削速度方向与主切削刃直角切削：切削速度方向与主切削刃相垂直的切削相垂直的切削斜角切削：切削速度方向与主切削刃斜角切削：切削速度方向与主切削刃不垂直的切削不垂直的切削 直角切削和斜角切削直角切削和斜角切削(a)直角切削直角切削 (b)斜角切削斜角切削2.3 刀具的工作角度刀具的工作角度进给量进给量f f越大，越大，值越大；工件切削直径值越大；工件切削直径d d切切越小，越小，值越大。值越大。1）横向进给运动对工作角度的影响）横向进给运动对工作角度的影响2.3 刀具的工作角度刀具的工作角度前角前角增大，后角增大，后角a aoeoe减小。减小。2）纵向进给运动对工作角度的影响）纵向进给运动对工作角度的影响2.3 刀具的工作角度刀具的工作角度3）刀具安装位置对工作角度的影响）刀具安装位置对工作角度的影响2.3 刀具的工作角度刀具的工作角度4）刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响）刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程n1.1.切削加工的基本概念切削加工的基本概念n2.2.刀具角度刀具角度n3.3.刀具材料刀具材料第一节第一节 金属切削刀具基础金属切削刀具基础第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料n决定切削刀具切削性能因素包括：决定切削刀具切削性能因素包括：刀具材料刀具材料刀具结构（整体、焊接、装配等）刀具结构（整体、焊接、装配等）刀具切削部分的几何参数（几何角度）刀具切削部分的几何参数（几何角度）n性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，其材料应刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，其材料应具备以下要求。具备以下要求。第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料n1)高硬度和高耐磨性高硬度和高耐磨性 n2)足够的强度与冲击韧性足够的强度与冲击韧性 n3)高耐热性高耐热性 n4)良好的工艺性和经济性良好的工艺性和经济性n5)良好的导热性和耐热冲击性良好的导热性和耐热冲击性 刀具材料的硬度必须刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在刀具材料硬度都在60HRC60HRC以上。刀具材料越硬，其以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。和金相组织的稳定性。强度是指抵抗切削力的作用强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具材料在间冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一是刀具材料所应克服的一个关键。个关键。高耐热性。耐热性又高耐热性。耐热性又称红硬性，是衡量刀具材称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。扩散的能力。为了便于制造，刀具为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合因此在选用时一定要综合考虑。考虑。刀具材料性能要求：刀具材料性能要求：刀具材料性能要求：刀具材料性能要求：第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料碳素工具钢碳素工具钢高速钢高速钢合金工具钢合金工具钢刀具材料的种类刀具材料的种类高速钢高速钢超硬材料超硬材料硬质合金硬质合金陶瓷陶瓷金刚石金刚石立方氮化硼立方氮化硼CBN单晶金刚石单晶金刚石聚晶金刚石聚晶金刚石（PCD）第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 1 1）高速钢）高速钢）高速钢）高速钢 高速钢是一种加入了较多的钨高速钢是一种加入了较多的钨W、铬、铬Cr、钒、钒V、鉬、鉬Mo等合金元素的高合金工具钢：等合金元素的高合金工具钢：有良好的综合性能。有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。由于其制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；由于其制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在结构复杂的刀具，如麻锻造、热处理变形小，目前在结构复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。占有主要地位。第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 1 1）高速钢）高速钢）高速钢）高速钢 W18Cr4V。广泛用于制造各种。广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为高，切削普通钢料时为40-60m/min。W12Cr4V4Mo。在普通高速钢。在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的使用寿命为普通高速钢的它的使用寿命为普通高速钢的1.5-3倍（倍（60-180m/min）粉末冶金高速钢是粉末冶金高速钢是70年代投入年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高性分别提高30%-40%和和80%-90%使用寿命可提高使用寿命可提高2-3倍。倍。第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 1 1）高速钢）高速钢）高速钢）高速钢 第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 2 2）硬质合金硬质合金 a)硬质合金是由难熔金属碳化物（、硬质合金是由难熔金属碳化物（、i）和金）和金属粘结剂（如属粘结剂（如o）经粉末冶金方法而制成的。）经粉末冶金方法而制成的。b)硬度比高速钢高很多硬度比高速钢高很多 c)硬质合金的抗弯强度只相当于高速钢强度的硬质合金的抗弯强度只相当于高速钢强度的1/21/3 d)硬合金的韧度比高速钢低得多硬合金的韧度比高速钢低得多 e)硬质合金的导热性高于高速钢，热导率是高速钢的硬质合金的导热性高于高速钢，热导率是高速钢的23倍倍 f)硬质合金的耐热性比高速钢高很多，在硬质合金的耐热性比高速钢高很多，在8001000时尚可进行切削，在高温下有良好的抗塑性时尚可进行切削，在高温下有良好的抗塑性变形的能力。变形的能力。第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 2 2）硬质合金硬质合金 硬质合金硬质合金P（钨钛钴类）（钨钛钴类）WC+TiC+Co代号为代号为YT。K（钨钴类）（钨钴类）为为WC+Co代号为代号为YGM（钨钛钽钴类）通用合金（钨钛钽钴类）通用合金WC+TiC+TaC(NbC)+Co代号为代号为YW。P类硬质合金主要用类硬质合金主要用于加工长切屑的黑于加工长切屑的黑色金属（色金属（45钢），钢），用蓝色作标志用蓝色作标志K类主要用于加工短类主要用于加工短切屑的黑色金属切屑的黑色金属（铸铁）、有色金（铸铁）、有色金属和非金属材料，属和非金属材料，用红色作标志。用红色作标志。M类主要用于加类主要用于加工黑色金属和有工黑色金属和有色金属，用黄色色金属，用黄色作标志作标志第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 2 2）硬质合金硬质合金-符号的意义符号的意义 后面的阿拉伯数字表示其成分含量，决定其性能后面的阿拉伯数字表示其成分含量，决定其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。和加工时承受载荷的情况或加工条件。Y G 8硬字的硬字的汉语拼汉语拼音第一音第一个字母个字母钨钴类钨钴类 WC+Co钴字的汉钴字的汉语拼音第语拼音第一个字母一个字母含钴含钴Co量量8%Y T15钨钨钛钛钴类钴类WC+TiC+Co钛字的钛字的汉语拼音第汉语拼音第一个字母一个字母含钴含钴TiC量量15%第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 2 2）硬质合金硬质合金YG3YG6YG8YT30YT15YT5碳钢、合金钢碳钢、合金钢淬硬钢淬硬钢硬度、耐磨性、切硬度、耐磨性、切削速度削速度强度、韧性、进强度、韧性、进给量给量加工条件加工条件铸铁铸铁有色金属及其合金有色金属及其合金精精粗粗第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 2 2）硬质合金硬质合金a)YT类类不不宜宜加加工工含含Ti的的不不锈锈钢钢和和钛钛合合金金等等难难加加工工材材料料，而应采用而应采用YG类硬质合金。类硬质合金。b)YG类类宜宜加加工工冷冷硬硬铸铸铁铁、高高锰锰钢钢、淬淬硬硬钢钢以以及及含含Ti的的不锈钢、钛合金与高温合金。不锈钢、钛合金与高温合金。c)YW类类硬硬质质合合金金可可用用于于高高温温合合金金、高高锰锰钢钢、不不含含Ti的的不锈钢等难加工材料的半精加工和精加工。不锈钢等难加工材料的半精加工和精加工。第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 2 2）硬质合金硬质合金 第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 3 3）其他刀具材料其他刀具材料 n n 陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料 1)Al2O3系陶瓷系陶瓷 2)SiSi3 3N N4 4系陶瓷系陶瓷 3)SiSi3 3N N4 4-Al-Al2 2O O3 3系复合陶瓷系复合陶瓷n n 超硬刀具材料超硬刀具材料超硬刀具材料超硬刀具材料 1)金刚石金刚石 2)立方氮化硼立方氮化硼第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程3.3.刀具材料刀具材料 3 3）其他刀具材料其他刀具材料 n n金刚石与金刚石与金刚石与金刚石与 金刚石的硬度金刚石的硬度HV10000（硬质合金（硬质合金HV13001800），立方氮化硼硬度），立方氮化硼硬度HV9000金刚石不能加工含铁金属（铁和碳亲和性高）金刚石不能加工含铁金属（铁和碳亲和性高）金刚石高温下易发生石墨化金刚石高温下易发生石墨化聚晶金刚石聚晶金刚石聚晶金刚石复合片立方氮化硼复合片聚晶金刚石复合片立方氮化硼复合片第二章第二章第二章第二章 金属切削过程金属切削过程金属切削过程金属切削过程