金属工艺学(邓文英, 郭晓鹏, 邢忠文主编) 01第一章

国产的硬质合金一般分为两大类： K类硬质合金 WC+Co 适于加工铸铁、青铜等脆 性材料。常用的牌号有KO1、K20、 K30等，其中数字 大的表示Co含量的百分率高。 P类硬质合金 WC+TiC+Co 适于加工钢件等塑 性材料。常用的牌号有PO1、P10、P30等，其中数字 大的表示TiC含量的百分率低。
第一章 金属切削的基础知识
第一节 切削运动及切削要素
一、零件表面的形成及切削运动
1.零件表面的形成
母线
内、外圆柱表面
直线
平面
直线
轨迹 圆
直线
成形表面
母线 直线或曲线
轨迹 直线或曲线
2. 切削运动 1）主运动--使刀具和工件之间产生相对运动，
促使刀具前面接近工件而实现切削。
2）进给运动--使刀具与工件之间产生附加的相 对运动，与主运动配合，即可连续地切除切屑，获 得具有所需几何特性的已加工表面。
分析切削运动
图 1-1 零件不同表面加工时的切削运动
实际的切削运动
图 1-2 切削运动
图 1-2 切削运动
二、切削用量
1. 切削速度vc 切削刃上选定点相对与工件主运动的瞬时速度
称为切削速度，以vc表示，单位为m/s或m/min。若主 运动为螺旋运动，切削速度一般为其最大线速度， vc按下式表示：
2. 常用的刀具材料
目前, 常用的刀具材料有: 碳素工具钢、合金工具 钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。
碳素工具钢是碳质量分数较高（0.7 % ~1.2%）的优质钢 （如T10A 等），在碳素工具钢中加入少量的Cr、w、Mn、Si 等元素，形成合金工具钢（如 9SiCr等）。但由于它们的耐热 性较差，允许的切削速度不高，常用来制造一些手工工具， 如锉刀、锯条、铰刀等。
正交平面和假定工作平面等（图1-8）
1）基面Pr—通过切削刃某选定点，与主运动假定方 向相垂直的平面
2）切削平面Ps—通过切削刃某选定点，与切削刃相 切且垂直于基面的平面
3）正交平面（主剖面）Po —通过切削刃某选定点， 同时垂直于基面与切削平面的平面
4）假定工作平面Pf —通过切削刃某选定点，垂直于 基面并平行于假定进给运动方向的平面
图 1-14
1）采用90 °主偏角，以减小背向力，使工件变形小。
图 1-15 银白屑车刀
2）前角大（15 ° ~30 ° ），切削力小，前面上 磨有宽3~4mm的卷屑槽，卷屑排屑顺利，发热量 小，切屑呈银白色。
图 1-15 银白屑车刀
3）主切削刃磨有0.1~0.15mm的倒棱，以增加主切
削刃的强度。
生产中常用切削层单位切削力kc 来估算切削力的大小，
kc为单位切削面积（1mm2）所需的主切削力Fc，所以 Fc = kcAD = kc bD hD ≌ kc ap f N
kc的值可从表1-2中查出。
3. 切削功率
式中：Fc——切削力，N； vc——切削速度，m/s。
机床电动机的功率PE可以用下式计算： 式中， ——机床传动效率，一般取0.75~0.85。
似的认为它们相等，即：
第二节 刀具材料及刀具构造
无论哪种刀具，一般都由切削部分和夹持部分 构成。刀具切削性能的优劣，取决于切削部分的材 料、角度和结构。
一、刀具材料
1. 对刀具材料的基本要求 （1）较高的硬度，常温硬度一般在60HRC以上； （2）足够的强度和韧性； （3）较好的耐磨性； （4）较高的耐热性，又称为红硬性或热硬性； （5）较好的工艺性，工艺性包括锻造、轧制、焊接、 切削加工、磨削加工和热处理性能等。
（2）车刀的主要角度（图1-9）
1）主偏角κr 在基面中测量的
主切削平面与假定工作平面的 夹角。
2）副偏角κr ′ 在基面中测量的
副切削平面与假定工作平面的 夹角。
图 1-9 车刀的主要角度
主偏角对切削层参数的影响
图 1-10 主偏角对切削层参数的影响
图1-11 主、副偏角对残留面积的影响
主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选 取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45°、 60°、75°、90°等几种；副偏角为5°、15°， 粗加工时取较大值。
三、切削层参数
切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的 一个单一动作（如车削时工件转一圈，车刀主切 削刃移动一段距离）所切除的工件材料层。
切削层的尺寸和形状，通常是在切削层尺寸 平面中测量的。
1. 切削层公称横截面积AD 在给定瞬间，切削层在
切削层尺寸平面里的实际横 截面积，单位为mm2。
2. 切削层公称宽度bD 在给定瞬间，作用主
2. 切削力的估算 1）经验公式法
例如车削外圆时，计算FC的经验公式如下：
式中： CFc——与工件材料、刀具材料及切削条件等有关的系数； ap——背吃刀量，mm； f——进给量，mm/r； xFc、yFc——指数； KFc——切削条件下不同时的修正系数。
例如用 件外圆时：
的硬质合金车刀，车削结构钢
3）前角γo 在正交平面中测量的前面与基面间的夹角。
图 1-9 车刀的主要角度
图 1-12 前角的正与负
用硬质合金车刀切
削结构钢件， γo 可取
10 ° ~20 ° ；切削灰
铸铁件， γo可取5 °
~15 °等。
4）后角αo 在正交平面中测量的刀具后面与切削平面
件的夹角。
粗加工或工件材料较 硬时，要求切削刃强固，
高速钢 是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具 钢。
普通高速钢如W18Cr4V是国内使用最为普遍的刀具 材料，广泛地用于制造形状较为复杂的各种刀具。
硬质合金 是以高硬度、高熔点的金属碳 化物(WC、TiC等)作基体，以金属Co等作粘结剂 ，用粉末冶金的方法制成的一种合金。常制成 形状较为简单的各种形式刀片。
(4) 立方氮化硼(CBN) 硬度7300 ～9000HV , 仅次于人造金刚石,但它的耐热性和化学稳定性 都大大高于金刚石，能耐1300～1500 ℃的高温， 不但适于非铁族难加工材料的加工，也适于铁族 材料的加工。
二、刀具角度
1. 车刀切削部分的组成
车刀切削部分由三面、两刃、一尖组成。
图 1-6 外圆车刀
四、切削热和切削温度
1. 切削热的产生、传出及对加工的影响 1）产生 （1）切屑变形所产生的热量，
是切削热的主要来源； （2）切屑与刀具前面之间的摩擦
所产生的热量； （3）工件与刀具后面之间的摩擦
所产生的热量。
2）传出 由切屑、工件、刀具及周围的介质（如空气）传出， 用高速钢车刀，不加切削液，用与之相适应的切削速度
影响因素：
1）切削用量：切削速度对温度的影响最大；
进给量次之；背吃刀量最小。
2）工件材料：强度、硬度大、切削热 大 ， 温度↑
导热性好 ，散热快，
温度↓
3）刀具材料及角度： 刀具前角大，主偏角变小， 温度↓
五、刀具磨损和刀具耐用度
1. 刀具磨损的形式与过程 1）刀具磨损 的形式
图 1-9 车刀的主要角度
后角取较小值： αo =6 °~8°
。反之，主要希望减小摩擦 和已加工表面的粗糙度值，后
角可取稍大的值： αo =8°
~12°。
5）刃倾角λs 在主切削平面中测量的主切削刃与基 面间的夹角。与前角类似，刃倾角也有正、负和零 值之分（图1-14）。
车刀的刃倾角一般在－5 ° ~＋5 °之间选取。有 时为了提高刀具耐冲击的性能，λs可取较大的负值。
每齿进给量 用多齿刀具（如铣刀、钻头等）加工时，
刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运 动方向上的位移量，以fz表示，单位为mm/z。 进给速度。
进给运动的瞬时速度，以vf表示，单位为 mm/s或mm/min。
3. 背吃刀量aP 在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向
的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切 削层尺寸，称为背吃刀量，以ap表示(图1-3)，单位为 mm。车外圆时，背吃刀量可以用下式计算：
4）主切削刃刃倾角
λs=+3 °，使切屑 向待加工表面排出
，不致损伤已加工 表面。
图 1-15 银白屑车刀
（3）刀具的工作角度 它是指在工作参考系中定义的刀具角度
三、刀具结构
车刀的结构形式有整体式、焊接式、机夹重磨 式和机夹可转位式等几种。
图 1-18 机夹重磨式切断刀 图 1-19 杠杆式可转位车刀
涂层刀片 就是在韧性较好的硬质合金（K类） 基体表面，涂敷约5μ m厚的一层TiC或TiN（氮化鈦） 或二者的复合，以提高其表层的耐磨性。
（3）人造金刚石 人造金刚石硬度极高（接 近10000 HV，而硬质合金仅达(1000～2000HV）， 耐热性为700 ～ 800 ℃。
适于加工高硬度的硬质合金、陶瓷、玻璃等， 但不宜加工铁族金属。
若主运动为往复直线运动（如刨削、插削等）， 则常以其平均速度为切削速度， vc按下式表示：
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2. 进给量
刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为 进给量。
用单齿刀具（如车刀、刨刀等）加工时， 进给量常用刀具或工件每转或每行程，刀具在进 给运动方向上相对与工件的位移量来度量，称为 每转进给量或每行程进给量，以 f 表示，单位为 mm/r或mm/st。
切削钢料时： 切屑传出的热约为50%~86%； 工件传出的热约为40%~10%； 刀具传出的热约为9%~3%； 周围介质传出的热约为1%。
2. 切削温度及其影响因素 切削温度一般是指切削区的平均温度。
切削碳钢切屑为淡黄色时，切削温度约为200 ℃ ，蓝色 约为320 ℃ 。
切削温度也可以用以下经验公式进行估算：
三、切削力和切削功率
1. 切削力的构成与分解 以车削外圆为例，总切
削力F一般常分解为以下三个 互相垂直的分力：
（1）切削力Fc （2）进给力Ff （3）背向力FP 分力。
总切削力F在主运动方向上的分力； 总切削力F在进给运动方向上的分力； 总切削力F在垂直于工作平面方向上的
三个切削分力与总切削力F有如下关系：
（1）前面 切屑流过的表面 （2）后面
与前面相交形成主切削刃 的后面称为主后面；
与前面相交形成副切削刃 的后面称为副后面。
（3）切削刃（图1-7） 有主切削刃和副切削
刃之分。 主切削刃与副切削刃
的连接处相当少的一部分 切削刃，称为刀尖。
2. 车刀切削部分的主要角度 （1）刀具静止参考系 它主要包括基面、切削平面、
陶瓷材料 大致可分为氧化铝( A1203 )系和 氮化硅( Si3N4)系两大类。
各国已先后研究成功多种“金属陶瓷”。如 我国制成的SG4、DT35、HDM4、P2、T2等牌号的陶 瓷材料。
3.其他新型刀具材料简介
(1)高速钢的改进 为了提高高速钢的硬度和耐 热性，可在高速钢中增添新的元素，如我国制成的 铝高速钢（如W6Mo5Cr4V2A1等）。又称超高速钢。
第三节 金属切削过程
一、切屑形成过程及切屑种类
1. 切屑形成过程 切屑厚度压缩比Λh——切 屑厚度与切削层公称厚度 之比
2. 切屑的种类
（1）带状切屑 （2）节状切
（3）崩碎切屑
图 1-21 切屑的种类
二、积屑瘤
1. 积屑瘤的形成
图 1-22 积屑瘤
2. 积屑瘤对切削加工的影响 利 代替切削刃进行切削，增大了刀具实际工作前角 弊 影响尺寸精度 ，使表面变得粗糙 3. 积屑瘤的控制 1）改变工件材料的力学性能； 2）控制切削速度； 3）选用适当的切削液。
机夹可转位式车刀的主要优点如下： （1）避免了因焊接而引起的缺陷，在相同的切削条件下刀 具切削性能大为提高。 （2）在一定条件下，卷屑、断屑稳定可靠。 （3）刀片转位后，仍可保证切削刃与工件的相对位置，减 少了调刀停机时间，提高了生产效率。 （4）刀片一般不需要重磨，有利于涂层刀片的推广使用。 （5）刀体使用寿命长，可节约刀体材料及制造费用。
也可以用粉末冶金法细化晶粒（碳化物晶粒2 ~ 5μ m），消除碳化物的偏析，适于制造各种高精度 的刀具。
(2) 硬质合金的改进 改进的方法是增添合金 元素和细化晶粒，例如加入碳化钽（TaC ）或碳化 铌（NbC）形成万能型硬质合金M10（YWl )和M20 (YW2），既适于加工铸铁等脆性材料，又适于加工 钢等塑性材料。
切削刃截形上两个极限点
间的距离，在切削层尺寸
平面中测量，单位为mm。
3. 切削层公称厚度hD 在同一瞬间的切削层
公称横截面积与其公称宽
度之比，单位为mm。由定 义可知：
AD=bDhD mm2
因AD不包括残留面积，而且在各种加工方法中AD 与进给量和背吃刀量的关系不同，所以AD不等于f和aP 的积。只有在车削加工中，当残留面积很小时才能近