機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 第一章

第一章金屬切削加工的基本知識(shí)第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)與切削用量第二節(jié)切削層參數(shù)第三節(jié)刀具幾何角度第四節(jié)金屬切削刀具的常用材料第一節(jié)切削運(yùn)動(dòng)與切削用量一、切削運(yùn)動(dòng)與工件表面

切除毛坯上的多余金屬的刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)。分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。1、主運(yùn)動(dòng)

使工件與刀具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)切削、形成工件新表面的最基本運(yùn)動(dòng)。2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)使主運(yùn)動(dòng)得以持續(xù)的切除工件上被切削層的運(yùn)動(dòng)。(由機(jī)床或手動(dòng)傳給刀具或工件的運(yùn)動(dòng)。）常見(jiàn)機(jī)床的切削運(yùn)動(dòng)機(jī)床名稱主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)臥式車床工件旋轉(zhuǎn)車刀縱向、橫向移動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)及切削要素鉆床鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆頭軸向移動(dòng)銑床銑刀旋轉(zhuǎn)工件縱向、橫向、垂直方向移動(dòng)牛頭刨床刨刀往復(fù)工件橫向、垂直方向間隙移動(dòng)外圓磨床砂輪旋轉(zhuǎn)工件旋轉(zhuǎn)、工件往復(fù)或砂輪橫向移動(dòng)平面磨床砂輪旋轉(zhuǎn)工件往復(fù)移動(dòng)，砂輪橫向、垂直移動(dòng)鏜床鏜刀旋轉(zhuǎn)鏜刀軸向移動(dòng)、工件軸向移動(dòng)龍門刨床工件往復(fù)刨刀橫向、垂直方向間隙移動(dòng)3、切削時(shí)產(chǎn)生的工件表面（圖１）（1）待加工表面（2）已加工表面（3）過(guò)渡表面二、切削用量三要素

切削用量是指切削速度，進(jìn)給量f（或進(jìn)給速度）和背吃刀量（切削深度）

。三者又稱為切削用量三要素。

1、切削速度（m/s或m/min）

切削刃相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)速度稱為切削速度。磨削

計(jì)算切削速度時(shí)，應(yīng)選取刀刃上速度最高的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削速度由下式確定式中：d-工件或刀具的最大值（mm）n-工件或刀具的轉(zhuǎn)速(r/s或r/min)例:用高速鋼立銑刀加工中碳鋼材料零件時(shí)，一般銑削速取20～40m／min?，F(xiàn)假定用?16的立銑刀，銑削速度取30m／min，計(jì)算出主軸轉(zhuǎn)速。

n=1000Vc/（пd）

=1000×30/3.14×16 ≈597r／min

2、進(jìn)給量

工件或刀具轉(zhuǎn)一周（或每往復(fù)一次），兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移量稱為進(jìn)給量，其單位是mm／r（或mm／雙行程）。

式中：Vf為進(jìn)給速度f(wàn)z為每齒進(jìn)給量主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)例：?16的立銑刀為3個(gè)齒，每齒進(jìn)給量為0.07mm，切削進(jìn)給速度。

Vf=fzZn =0.07×3×597 =126.37（mm/min）

3、切削深度

=式中

-工件上待加工表面直徑（mm）

-工件上已加工表面直徑（mm）鉆削：ap=dm/2例題：

車外圓時(shí)工件加工前直徑為62mm，加工后直徑為56mm，工件轉(zhuǎn)速為4r/s，刀具每秒鐘沿工件軸向移動(dòng)2mm，工件加工長(zhǎng)度為110mm，切入長(zhǎng)度為3mm，求v、f、ap和切削工時(shí)t。

解：

v=πdn/1000=π·62·4/1000

=0.779m/sf=vf/n=2/4=0.5mm/rap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3mmt=(l+l1)/vf=(110+3)/2=56.5s第二節(jié)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(lái)說(shuō)明。切削層：在切削加工過(guò)程中，工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)（車削）或刀具每轉(zhuǎn)一齒（銑、鉆），刀具主切削刃相鄰兩位置間的一層金屬，稱為切削層。主偏角為90度1、切削層公稱厚度hD

垂直于過(guò)渡表面來(lái)度量的切削層尺寸，稱為切削層公稱厚度，簡(jiǎn)稱為切削厚度。

外圓縱車λs=0時(shí)：曲線形主切削刃，切削層各點(diǎn)的切削厚度互不相等

2、切削層公稱寬度bD

沿過(guò)渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱寬度簡(jiǎn)稱為切削寬度。外圓縱車λs=0時(shí)：3、切削層公稱橫截面積AD（在基面內(nèi)）

切削層在切削層尺寸度量平面內(nèi)的橫截面積稱為切削層公稱橫截面積（以下簡(jiǎn)稱為切削面積）。第三節(jié)刀具幾何角度

金屬切削刀具的種類雖然很多，但它們的切削部分的幾何形狀與參數(shù)都有著共性，即不論刀具結(jié)構(gòu)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)。下面以外圓車刀為例，給出刀具幾何參數(shù)方面的有關(guān)定義。立裝面銑刀平裝面銑刀焊接球頭銑刀

合金涂層球頭銑刀

立銑刀機(jī)夾式鉆頭整體式鉆頭一、刀具切削部分的組成

刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素如下(ISO)：（圖２）

１、前刀面２、后刀面３、副后刀面４、主切削刃５、副切削刃６、刀尖也就是所謂的一尖兩刃三刀面。刀體前刀面Aγ刀頭副切削刃S′副后刀面A′α主切削刃S刀尖主后刀面Aα二、定義刀具角度的參考系

按照構(gòu)造參考系時(shí)所依據(jù)的切削運(yùn)動(dòng)的差異，參考系分為刀具標(biāo)注角度參考系(靜止參考系）和刀具工作角度參考系。前者由主運(yùn)動(dòng)方向確定，而后者則由合成切削運(yùn)動(dòng)方向確定。vc標(biāo)注角度參考系：在刀具設(shè)計(jì)、繪制和制造過(guò)程中，標(biāo)注在刀具設(shè)計(jì)圖上的刀具角度。便于刀具的生產(chǎn)、刃磨和測(cè)量。假設(shè)前提：不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響主運(yùn)動(dòng)向量近似代替合成速度向量刀尖與工件的中心等高

我國(guó)過(guò)去多采用正交平面參考系，與歐洲標(biāo)準(zhǔn)相同。近年來(lái)參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，逐漸兼用正交平面和法平面參考系。而工作平面參考系常見(jiàn)于美國(guó)、日本的文獻(xiàn)中。1、刀具標(biāo)注角度的參考系

構(gòu)成刀具標(biāo)注角度參考系的參考平面，通常有基平面、切削平面、主剖面、切削刃法剖面、進(jìn)給剖面和切深剖面。

①基面Pr②切削平面Ps③主剖面（正交）P0④切削刃法剖面Pn⑤進(jìn)給剖面Pf和切深剖面Pp刀具標(biāo)注角度的作用：確定刀具上切削刃的空間位置確定刀具上前、后面的空間位置

基面和切削平面十分重要。這兩個(gè)平面加上以下所述的任一剖面，將構(gòu)成各種不同的刀具標(biāo)注角度參考系。

主剖面和主剖面參考系（圖3圖4）

切削刃法剖面和法剖面參考系

進(jìn)給剖面和切深剖面及其組成的進(jìn)給、切深剖面參考系2、刀具的標(biāo)注角度

在刀具標(biāo)注角度參考系中測(cè)得的角度稱為刀具的標(biāo)注角度。標(biāo)注角度應(yīng)標(biāo)注在刀具的設(shè)計(jì)圖中，用于刀具制造、刃磨和測(cè)量。在正交平面參考系中，刀具的主要標(biāo)注角度有五個(gè)，其定義如下:前角γo后角αo主偏角Kr副偏角K′r刃傾角λs

前角的標(biāo)注:在正交平面內(nèi)測(cè)量的，前刀面與基面的夾角。前角的作用：前角↑切屑變形↓切削力↓刃口強(qiáng)度↓前刀面磨損↓導(dǎo)熱體積↓刀具標(biāo)注后角α0：在正交平面內(nèi)測(cè)量的，主后刀面與切削面的夾角。后角的作用：后角↑后刀面與過(guò)渡表面間的摩擦↓后刀面磨損↓刃口強(qiáng)度↓導(dǎo)熱體積↓主偏角Kr：在基面內(nèi)測(cè)量的，主切削刃與進(jìn)給方向的夾角。

副偏角Kr’：在基面內(nèi)測(cè)量的，副切削刃與進(jìn)給反方向的夾角。主偏角的作用：主偏角↑切削刃工作長(zhǎng)度↓刀尖強(qiáng)度↓導(dǎo)熱體積↓徑向分力↓副偏角的作用：副偏角↑副后面與工件已加工表面摩擦↓刀尖強(qiáng)度↓表面粗糙度↑刃傾角λS：在切削平面內(nèi)測(cè)量的，主切削刃與基面的夾角。刃傾角主要影響排屑方向：λS

＞0°排向待加工表面

λS

＜0°排向已加工表面

λS=0°前刀面上卷曲

在正交平面參考系中的標(biāo)注角度刀具角度

0＝15

、

0＝6

、Kr＝55

Kr

＝45

、

s＝－10

。3.刀具工作角度刀具工作角度又稱刀具切削角度：刀具實(shí)際切削條件下的實(shí)際角度。工作參考系與靜止參考系的差別：工作條件下，合成切削速度為主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成速度；而靜止條件下合成速度與切削速度是一致的。通常情況下,進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于主運(yùn)動(dòng)速度，工作角與標(biāo)注角近似相等。如普通車削、鏜孔、銑削等。當(dāng)進(jìn)給速度較大時(shí)，或安裝誤差較大時(shí)必須考慮其影響。如：車螺紋、鏟背、鉆孔等。刀具的安裝條件變化也引起了參考系的變化。

如下圖，合成切削運(yùn)動(dòng)速度不同，后刀面與加工表面之間的接觸和摩擦是不同的。

（a）（b）（c）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(wú)法切入，切削條件被破壞。可見(jiàn)，只考慮主運(yùn)動(dòng)的假定條件是不合適的，還必須考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度的影響；

圖(c)，刀具后刀面與已加工表面全面接觸，摩擦嚴(yán)重。

（1）進(jìn)給對(duì)工作角度的影響

1）橫車

當(dāng)考慮橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之后，切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為一平面阿基米德螺旋線，切削平面Ps變?yōu)橥ㄟ^(guò)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。此時(shí)在工作參考系(Pre、Pse、Poe)內(nèi)的工作角度為：

η—合成切削速度角，它是主運(yùn)動(dòng)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;越靠近中心，η值急劇增大,工作后角變?yōu)樨?fù)值。

2）縱車

工作進(jìn)給面(仍為原進(jìn)給剖面)內(nèi)的工作角度為：

合成切削速度角為：換算至主剖面內(nèi)為：（2）刀具安裝高低對(duì)工作角度的影響1)刀尖安裝高低對(duì)工作角度的影響

當(dāng)?shù)都飧哂诠ぜ行木€時(shí)，工作切削平面和基面發(fā)生變化，在背平面內(nèi)角度變化值為：

則：另：當(dāng)?shù)都獾陀诠ぜ行木€時(shí)，上述計(jì)算公式中符號(hào)相反，鏜孔與外圓車削相反。將背平面角度變化換算到主剖面：刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直的影響第四節(jié)金屬切削刀具的常用材料

刀具切削性能的優(yōu)劣取決于刀具材料、切削部分幾何形狀以及刀具的結(jié)構(gòu)。刀具材料的選擇對(duì)刀具壽命、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率影響極大。

（一）刀具材料的性能要求切削時(shí)刀具要承受高溫、高壓、摩擦和沖擊的作用，刀具切削部分的材料須滿足以下基本要求：（1）較高的硬度和耐磨性（2）足夠的強(qiáng)度和韌性（3）較高的耐熱性（紅硬性）（4）良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能（5）良好的工藝性刀具材料與工件材料的合理匹配1.物理性能匹配2.力學(xué)性能匹配3.化學(xué)性能匹配

物理性能

熱導(dǎo)率

抗熱震性能

耐熱性

線膨脹系數(shù)

高

低PCD

HSSPCBN（1300）HSSPCBNWC基硬質(zhì)合金陶瓷（1100）WC基硬質(zhì)合金WC基硬質(zhì)合金Si3N4基陶瓷金屬陶瓷（900）金屬陶瓷金屬陶瓷PCBNWC基硬質(zhì)合金（800）Al2O3基陶瓷HSSPCDPCBNSi3N4基陶瓷金屬陶瓷PCD（700）Si3N4基陶瓷Al2O3基陶瓷Al2O3基陶瓷HSS（600）PCD常用刀具材料物理性能對(duì)比常用刀具材料力學(xué)性能對(duì)比

硬度

抗彎強(qiáng)度

斷裂韌性

高

低PCDHSSHSSPCBNWC基硬質(zhì)合金WC基硬質(zhì)合金Al2O3基陶瓷

金屬陶瓷金屬陶瓷Si3N4基陶瓷Si3N4基陶瓷PCBN金屬陶瓷Al2O3基陶瓷PCDWC基硬質(zhì)合金PCDSi3N4基陶瓷HSSPCBNAl2O3基陶瓷刀具材料化學(xué)性能對(duì)比刀具材料化學(xué)性能抗氧化溫度對(duì)鋼的擴(kuò)散強(qiáng)度對(duì)鈦的擴(kuò)散強(qiáng)度元素在鋼中的溶解度（）高低

陶瓷PCDAl2O3基陶瓷SiCPCBNSi3N4基陶瓷PCBNSi3N4基陶瓷硬質(zhì)合金PCBNSiCWC基硬質(zhì)合金PCDAl2O3基陶瓷Si3N4基陶瓷PCBNHSS-PCDTiN-TiCAl2O3基陶瓷ZrO2（二）常用刀具材料

刀具材料有高速鋼、硬質(zhì)合金、工具鋼、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。目前，在生產(chǎn)中所用的刀具材料主要是高速鋼和硬質(zhì)合金兩類。碳素工具鋼、合金工具鋼因耐熱性差，僅用于手工或切削速度較低的刀具。刀具材料高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷立方碳化硼金剛石刀具材料刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質(zhì)合金高速鋼WC-TiC系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlN涂層硬質(zhì)合金DLC涂層硬質(zhì)合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）l

常用刀具材料的種類及應(yīng)用類型硬度強(qiáng)度韌性耐熱耐磨工藝應(yīng)用工具鋼碳素工具鋼低高好低差切削加工、熱處理、刃磨手動(dòng)工具合金工具鋼低速工具高速鋼復(fù)雜刀具硬質(zhì)合金鎢鈷類(YG)K粉末冶金燒結(jié)刃磨脆性金屬通用類(YW)M通用鎢鈦鈷(YT)P塑性金屬非金屬陶瓷燒結(jié)連續(xù)切塑性材料立方氮化硼結(jié)晶精密加工金剛石結(jié)晶精密加工金屬切削刀具高低差高好1.高速鋼（表1）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(shí)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(jiǎn)單，容易磨成鋒利的切削刃,可鍛造,這對(duì)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。

高速鋼種類（1）低合金高速鋼用來(lái)制作低、中速切削的刀具，例如中心鉆、絲錐、小直徑麻花鉆等。牌號(hào)：W3Mo3Cr4V2W4Mo3Cr4VSi（2）普通高速鋼

1）鎢系高速鋼典型牌號(hào)：W18Cr4V優(yōu)點(diǎn)：較好的磨削性能、脫碳敏感性小、熱處理工藝性好、淬火過(guò)熱傾向小、強(qiáng)的抵抗塑性變形能力等。缺點(diǎn)：碳化物含量高、分布不均勻、顆粒大，強(qiáng)度和韌性不高，熱塑性差，不宜制造較大截面刀具。

2）鎢鉬系高速鋼典型牌號(hào)：W6Mo5Cr4V2(M2)W9Mo3Cr4V

提高了抗彎強(qiáng)度和韌性。(3）高性能高速鋼在普通高速鋼中加入C、V、Co、Si等合金元素的鋼種。提高了普通高速鋼的耐熱和耐磨能力，可以加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金等難加工材料。1）高碳高速鋼（如9W6Mo5Cr4V2）提高了含碳量，與合金元素形成碳化物，提高了硬度，但強(qiáng)度和韌性略下降。2）鈷高速鋼高速鋼中加入鈷可以提高鋼的熱穩(wěn)定性，促進(jìn)回火時(shí)碳化物的析出，增加彌散硬化效果，提高回火硬度，從而提高高溫硬度及抗氧化能力。典型牌號(hào)：W2Mo9Cr4VCo8(M42),硬度可達(dá)70HRC3）鋁高速鋼典型牌號(hào)：W6Mo5Cr4V2Al(501)W10Mo4Cr4V3Al(5F-6)

由于不含鈷，仍然具有較高的強(qiáng)度和韌性。501的綜合切削性能與M42相當(dāng)。4）高釩高速鋼通過(guò)增加釩量來(lái)提高耐磨性。但切削刃容易燒傷退火。

（4）粉末冶金高速鋼

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新型刀具材料，將高頻感應(yīng)爐煉出的鋼水，用高壓氬氣或純氮?dú)忪F化鋼水，得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織，然后在高溫、高壓下制成刀具毛坯。適合制造鉆頭、拉刀、螺紋刀具、滾刀、插齒刀等。應(yīng)用：

復(fù)雜刀具、成形刀具，尤其是孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀、齒輪刀具等。

高速鋼(HSS)刀具過(guò)去曾經(jīng)是切削工具的主流，隨著數(shù)控機(jī)床等現(xiàn)代制造設(shè)備的廣泛應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了各種涂層和不涂層的高性能、高效率的高速鋼刀具，高速鋼憑藉其在強(qiáng)度、韌性、熱硬性及工藝性等方面優(yōu)良的綜合性能，在切削某些難加工材料以及在復(fù)雜刀具，特別是切齒刀具、拉刀和立銑刀造中仍有較大的比重。但經(jīng)過(guò)市場(chǎng)探索一些高端產(chǎn)品逐步已被硬質(zhì)合金工具代替。2、硬質(zhì)合金（表2）

ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）把切削用硬質(zhì)合金分為三類：P類、K類和M類。P類K類M類藍(lán)色（包括P01-P50),為高合金化的硬質(zhì)合金牌號(hào)。這類合金主要用于加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬

M類，黃色（包括M10-M40），為中合化的硬質(zhì)合金牌號(hào)。這類合金為通用型，適于加工長(zhǎng)切屑或短切屑的黑色金屬及有色金屬紅色（包括K10-K40），為單純WC的硬質(zhì)合金牌號(hào)。主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬及非金屬材料

YTYG牌號(hào)表示方法：Y硬質(zhì)合金中硬的第一個(gè)字的漢語(yǔ)拼音首字母G6表示硬質(zhì)合金的成分及特性G6-鎢鈷類合金及鈷含量T15-鎢鈦鈷類合金及TiC含量W-鎢鈦鉭鈷類合金N-鎢鈦鎳鉬類合金X附加字母表示X-細(xì)晶粒C-粗晶粒N-加鈮元素A-加鉭元素（1）YT類主要成分：WC-Ti-Co，加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬。特點(diǎn)：硬度、耐磨性和耐熱性好，抗彎和韌性較差。加工含鈦不銹鋼和鈦合金時(shí)易粘刀。（2）YG類主要成分：WC-Co,加工短切屑的黑色金屬?？箯潖?qiáng)度和沖擊韌性好于YT類。（3）YW類主要成分：WC-TiC-TaC-Co，用于加工長(zhǎng)或短切屑的黑色金屬和有色金屬。兼具YG、YT類合金的性能相當(dāng)?shù)腎SO牌號(hào)YG3K05YG6xK10YG6K20YG8K30YW1M10YW2M20YT15P10YT30P013.金屬陶瓷

一種介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間的合金，切削速度可以填補(bǔ)WC基硬質(zhì)合金和陶瓷材料之間的空白，用于高速切削各類鋼材，尤其適于精加工。主要成分

以TiC或Ti（C、N）為硬質(zhì)相，以鎳和鉬等做粘接相，壓制燒結(jié)而成。鎳可以提高合金的強(qiáng)度，添加鉬可以改善液態(tài)金屬對(duì)TiC的潤(rùn)濕性。其耐磨性優(yōu)于WC基硬質(zhì)合金。分類

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織將金屬陶瓷劃歸在硬質(zhì)合金大類中，材料代號(hào)為HT。標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)稱為：鈦基硬質(zhì)合金。

HT-未涂層硬質(zhì)合金

HC-涂層硬質(zhì)合金4.陶瓷

具有良好的耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性及高硬度，不易與金屬親和，廣泛應(yīng)用于高速切削、干切削、硬切削和難加工材料的切削。最佳切削速度是硬質(zhì)合金的2-10倍。