第一章 考研复试机械制造基础金属切削原理与刀具(一-切削运动)

二. 金属切削刀具的基本知识 1.刀具材料 ＊金属切削技术的发展，实际上就是刀具材料的 发展和由此带来的机床的发展。 （1）刀具材料应具备的性能 高硬度（刀具硬度大于HRC60）； 高耐磨性； 强度高，韧性好； 热稳定性、导热性和耐热冲击性好； 工艺性能好（包括锻造性能、焊接性能、热处 理性能、磨削加工性能等）； 经济性好；
⑥ 超硬材料 金刚石 特点 ＊硬度特高，耐磨性特好，刀刃异常锋利，用 于超精密加工。 ＊与铁的亲和力好，因而不宜加工钢，铸铁等 材料，用于加工有色金属，硬质合金。 立方氮化硼 特点 ＊硬度和耐磨性特仅次于金刚石，与铁系元素 不易发生化学反应，可加工淬硬钢、淬硬铸铁 等。 ＊高温时易于水发生化学反应，只能干切削。
＊高速钢的硬度、耐热性比工具钢高得多，允许 的切削速度也高得多，突出优点是工艺性好（锻 造性能、焊接性能、机械加工性能等）。因此， 形状较为复杂的刀具（如：钻头、齿轮滚刀等） 基本上是用高速钢制造。
高速钢的性能比较
钢 号 常温硬度 HRC 63～66 63～66 抗弯强度 GPa 3～3.4 3.5～4 冲击韧度 MJ/m2 0.18～0.32 0.3～0.4 高温硬度 HRC 500℃ 56 55～56 600℃ 48.5 47～48
（3）刀具的标注角度 前角γ0 — 主剖面内测量的前刀面与基面之间 的夹角 后角α0 — 主剖面内测量的主后刀面与切削 平面之间的夹角 主偏角κr— 基面内测量的主切削刃在基面上 的投影与进给运动方向的夹角 副偏角κr′— 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 刃倾角λs — 切削平面内测量的主切削刃与 基面间的夹角 ＊副后角α0 ′— 副剖面内测量的副后刀面与 副切削平面之间的夹角
零件不同表面加工时的切削运动
各种切削加工的切削运动都是由一些简单的 运动单元组合而成。
主运动 车削 钻削 拉削 工件旋转 钻头旋转 拉刀直线运动 进给运动 车刀轴向运动和切入运动 钻头轴向运动 拉刀直线运动
磨削
铣削
砂轮旋转
铣刀旋转
工件旋转及工件与砂轮移动
工件移动
刨削
刨刀往返运动
工件往返运动
工件横向运动（牛头刨床）
纵向进给：车刀加工零件的外圆时， 切削平面变为通过切削刃切于（圆 柱面内）螺旋面的平面，基面也随 之变化，此时，刀具实际的前角和 后角为： γ0e =γ0+μ；α0e =α0 –μ；
② 刀具安装位置
刀尖安装高低 （a）刀尖与工件中 心线等高，正常。 （b）刀尖高于工件中心线，前角增大，后角减小。 γ0e =γ0+θ；α0e =α0 –θ； （c）刀尖低于工件中心线，前角减小，后角增大。 γ0e =γ0－θ；α0e =α0 +θ；
（2）常用刀具材料 ① 工具钢 碳素工具钢（T8，T等） 工具钢 低合金工具钢（CrWMn,9SiCr等） ② 高速钢 （含W、Mo、Cr、V等元素比较多的高合金工具 钢） W18Cr4V —— 经典高速钢 W6Mo5Cr4V2 —— 通用型高速钢 W2Mo9Cr4VCo8 —— 高性能高速钢 W3Mo2Cr4VSi —— 低合金高速钢
（2）定义刀具角度的参考系 三个坐标平面
通过主切削刃上选定点且垂直于该点 基面（Pr） 切削速度方向的平面 通过主切削刃上选定点，与主切 切削平面（Ps） 削刃相切且垂直该点基面的平面
主剖面（Po） 通过主切ห้องสมุดไป่ตู้刃上选定点，且垂直于
基面和切削平面的平面 ＊基面、切削平面和主剖面（也称 正交平面）组成了一个空间坐标参 考系，即：主剖面参考系，也称正 交平面参考系。 ＊选择不同平面，就可组成不同参 考系（如：法剖面参考系）。
2.车刀的形状及几何角度 （1）刀具切削部分的几何要素 车刀切削部分的组成: 3个刀面 2个刀刃 1个刀尖
前 刀 面
主后刀面 主切削刃 副切削刃
刀尖
副后刀面
车刀切削部分的组成: 3个刀面 ＊前刀面— 切屑流过的表面(直接与切屑接触) ＊主后刀面— 与工件上的过渡表面相对的表面 ＊副后刀面— 与工件上已加工表面相对的表面 2个刀刃 ＊主切削刃— 前刀面与主后刀面的交线 ＊副切削刃— 前刀面与副后刀面的交线 1个刀尖 ＊刀尖— 主切削刃与副切削刃连接处的那一部 分切削刃
硬质合金 钨钴类（代号YG）：YG3，YG6，YG8 钨钛钴类（代号YT）：YT5，YT15，YT30 钨钛钽（铌）钴类（代号YW）：YW1，YW2 碳化钛基类（代号YN）：YN05，YN10
硬质合金的性能与用途比较
类 型 特 点 用 途
能在较高硬度时获得较高的 主要用于加工铸铁、耐热合 抗弯强度，特别适合于在较 金、不锈钢、有色合金及绝 低切削速度下工作 缘材料等 随着TiC含量提高和Co含量 降低，与YG类相比，硬度 和耐磨性提高，韧性降低 因抗弯强度和冲击韧性比较 低，不适合加工脆性材料， 如铸铁，主要用于加工钢材
n —— 工件或刀具转速（r/s）。
2Lnr 主运动为直线运动： V = —————（ m/s） 1000×60 式中：L —— 往复运动行程长度（㎜）； nr —— 主运动每分钟往复次数。
（2）进给量f — 工件或刀具的运动再一个工作 循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进 给运动方向的相对位移（也称进给速度）。单 位：mm/s,mm/r或mm/min。 （3）切削深度ap — 工件上的已加工表面与待 加工之间的距离（也称背吃刀量，进刀深）。 单位：mm。 3.切削时的工件表面： ＊已加工表面 ＊过渡表面（加工表面） ＊待加工表面
YN
④ 陶瓷刀具 常用材料有：氧化铝陶瓷（Al2O3）； 金属陶瓷 （ Al2O3 +TiC）；氮化硅陶瓷（ Al2O3 + Si3N4）； 特点 ＊硬度高（达HRA91～95），耐磨，耐高温 （1200℃时，HRA80），化学稳定性好，不易 与其他元素发生化学反应。 ＊抗弯强度低，冲击韧性差。 ⑤ 涂层刀具 在高速钢（或韧性较好的硬质合金）的刀具基体 上涂敷一层耐磨性好的难熔金属化合物。此类刀 具的耐用度比高速钢高2～10倍，比硬质合金高1～ 3倍；加工件硬度越高，涂层刀具的效果越好。
（4）刀具的工作角度
刀具在切削过程中，基面、切削平面和主剖面的 位置会发生变化，使标注角度参考系变为工作角度参考 系，在此参考系中度量的刀具角度即为刀具的工作角度。 刀具的进给运动和实际安装位置对刀具工作角度都有影 响。
① 进给运动
横向进给：车刀加工端面或 切断时，切削平面变为通过 切削刃切于（端面内）螺旋 面的平面，基面也随之变化， 此时，刀具实际的前角和后 角为： γ0e =γ0+μ；α0e =α0 –μ；（μ为两平面的变化量）
YG
YT YW
加入了TaC（或NbC ）,提 既可用于加工铸铁及有色合 高了抗弯强度、疲劳强度、 金，也可用于加工一般钢材， 冲击韧性和高温硬度与强度 常称为通用型硬质合金 硬度很高，耐磨性、耐热性 可用于加工钢，也可用于加 和抗氧化能力高，化学稳定 工铸铁，特别适合半精加工 性好，抗弯强度和韧性稍差 和精加工，不适于重切削
W18Cr4V W6Mo5Cr4V2
W2Mo9Cr4VCo8
67～69
2.7～3.8
0.23～ 0.3
～60
～55
③ 硬质合金 （高耐热性和高耐磨性的金属碳化物与金属粘 结剂在高温下烧结而成的粉末冶金制品） 特点 ＊硬度高，耐磨性好，化学稳定性和热稳定性好 好，耐高温，因而允许使用的切削速度可达100 ～300m/min，大大高于高速钢； ＊抗弯强度低，冲击韧性不好，工艺性能较差； 种类
4.切削层几何参数 ＊切削层：由刀具在切削部位的一个单一动作所 切除的工件材料层。 ＊切削层几何参数：反映切削层截面几何形状尺 寸的数据。 （1）切削层厚度ac:两 相邻加工表面间的垂直 距离。ac=fSinκγ （2）切削层长度aw: 沿主切削刃度量的切削层尺 寸。aw=ap/Sinκγ （3）切削面积AC：切削层在垂直于切削速度截面 内的面积。Ac=ac· aw=f· ap
－φ； κ ′=κ ′+φ ；
κre=κr
3.刀具的结构 整体式：切削部分与刀体是一整体材料。高 速钢车刀多作成整体式，截面为矩形或长方 形。 焊接式：在普通碳钢刀杆上镶焊硬质合金刀 片，经刃磨而成。其结构简单、制造方便、 刚性好，在车刀中占相当比例。 机夹车刀：将硬质合金刀片用机械夹固的方 法安装在刀杆上。它只有一个主切削刃，用 钝后必须刃磨。 可转位车刀：是机夹车刀的一类，其刀片为 多边形，每一边都可作为切削刃，用钝后只 须将刀片转位即可重新投入切削。
刀杆中心线偏斜 （a）刀杆中心线 垂直于工件轴线， 正常。 （b）刀杆中心线 朝左偏转，主偏角κr减小，副偏角κr′增大；κre=κr－φ； κre′=κr′+φ ；φ为偏转角。 （c）刀杆中心线朝右偏转，主偏角κr增大，副偏角κr′ 减小； κre=κr+φ； κre′=κr′－φ ； φ为偏转角。 进给运动方向与工件轴线方向不一致 与刀杆中心线朝左偏转时类似。
第一章 金属切削原理与刀具 §1.1 切削运动及刀具结构
一.金属切削加工的基本概念 1.切削运动：切削时，刀具和工件的相对运动。
主运动
切削运动
在切削过程中，消耗功率最 多，速度最高的运动。
进给运动 使金属层不断投入切削，以
加工出整个工件表面的运动
＊主运动的速度（线速度），就是切削速度。 ＊主运动只有一个，切削运动可以有两个以上。
刨刀往返运动（龙门刨床）
2.切削用量（切削用量三要素） （1）切削速度v — 在单位时间内，工件和刀具 沿住运动方向的相对位移（主运动的速度）。 单位：m/s 或 m/min。
1000 式中：d —— 工件待加工表面或刀具直径（㎜）； π· d · n 主运动为旋转运动： V = ————（ m/s）