1、2022-8-13机械制造及其自动化1机械制造及其自动化机械制造及其自动化机械制造及其自动化1第二章第二章 切削过程及控制切削过程及控制l金属切削过程 工件工件与与刀具刀具相互作用的过程相互作用的过程l金属切削加工 用刀具从工件表面上切除多余的材料，以获得几何形状几何形状、尺寸精度尺寸精度、表面粗糙度表面粗糙度及表面层质量表面层质量等各个方面符合要求的加工方法，要求高质量高质量、高效率高效率、低成本低成本机械制造及其自动化1第二章第二章 切削过程及控制切削过程及控制实现切削过程的三个条件三个条件l切削运动切削运动 工件与刀具之间要有相对运动工件与刀具之间要有相对运动l切削性能切削性能 刀具材料
2、必须具备一定的切削性能刀具材料必须具备一定的切削性能l切削角度切削角度 刀具必须具有合理的几何参数刀具必须具有合理的几何参数机械制造及其自动化12.1金属切削刀具基础金属切削刀具基础l切削加工的基本概念切削加工的基本概念l刀具角度刀具角度l刀具材料刀具材料机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念一、工件加工表面一、工件加工表面 在切削过程中工件上通常存在着三个不断不断变化变化的表面待加工表面待加工表面工件上即将切除的表面已加工表面已加工表面工件上已经切除而形成的新表面过渡表面过渡表面 工件上正在切削的表面，介于已加工表面和待加工表面之间机械制造及其自动化12.1.1切
3、削加工的基本概念切削加工的基本概念以车削外圆为例：工件做旋转运动，刀具作纵向直线运动，形成了工件的外圆表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面切除多余金属后形成的表面切除多余金属后形成的表面处于已加工表面与待加工表面处于已加工表面与待加工表面之间，与主切削刃正对之间，与主切削刃正对即将被切除金属层的表面即将被切除金属层的表面机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念二、切削运动二、切削运动 刀具与工件间的相对相对运动(表面成形运动)，从而切除多余金属，使工件获得所需要求的形状和精度 切削运动可分为主运动主运动和进给运动进给运动。主运动和进给运动的向量和称
4、合成切削运动合成切削运动机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念以外圆车削为例主运动工件的回转运动工件的回转运动使新的金属层不断投入切削使新的金属层不断投入切削过程并使其在所需方向上继过程并使其在所需方向上继续下去的运动续下去的运动 切削速度进给速度合成切削运动速度V e=V c+V f机械制造及其自动化1注释注释:1、主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动；、主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动；2、主运动可以是工件来实现（车外圆）、主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动主运动 也可以是也可以是刀具来实现（钻孔、切断、刨、铣加工）刀具来实现（钻孔、切断、刨、铣加
5、工）;3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念三、切削用量三、切削用量l切削速度切削速度vC：切削刃相对于工件的主运动速度切削刃相对于工件的主运动速度(m/s)主运动为旋转运动，计算公式为：主运动为旋转运动，计算公式为：主运动为往复直线运动，计算公式为主运动为往复直线运动，计算公式为：dw工件待加工表面或刀具的最大直径 n工件或刀具每分钟转数 L往复直线运动的行程长度nr主运动每分钟的往复次数 机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念三、三、切削用量切削用量l进
6、给量进给量f：在主运动每转一转或每一行程时在主运动每转一转或每一行程时(或单位时间或单位时间内内)，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移 V=n=z z n机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念a p=(dw-dm)/2 mm三三、切削用量、切削用量l背吃刀量背吃刀量a p：刀具切削刃与工件的接触长度在同刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值l对外圆车削：对外圆车削：l对钻孔：对钻孔：a p=dm/2 mm机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念
7、切削加工的基本概念l思考题思考题 确定下列加工方法的切削用量a)a)车外圆车外圆b)b)车端面车端面c)c)切槽切槽机械制造及其自动化1车外圆车端面切槽2.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念l思考题思考题 确定下列加工方法的切削用量机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念l思考题思考题 确定下列加工方法的切削用量机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念l例题例题 车外圆时工件加工前直径为车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为，加工后直径为56mm，工件转速为，工件转速为4r/s。刀具每秒钟沿工件轴向移动。刀具每秒钟沿工件轴向移
8、动2mm，工件加工长度为，工件加工长度为110mm，切入长度为，切入长度为3mm。求。求 v、f、ap和切削工时和切削工时t。机械制造及其自动化1l例题解答例题解答解解：v=d n/1000=624/1000=0.779 m/s f=vf /n=2/4=0.5 mm/r ap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm t=(l+l1+l2)/vf =(110+3+0)/2=56.5 sl:工件加工长度l1:工件切入长度l2:工件切出长度车外圆时工件加工前直径为车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为，加工后直径为56mm，工，工件转速为件转速为4r/s。刀具每秒钟沿工件轴向移动。
9、刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工，工件加工长度为长度为110mm，切入长度为，切入长度为3mm。求。求 v、f、ap和切削工时和切削工时t。机械制造及其自动化12.1.1切削加工的基本概念切削加工的基本概念四、四、切削层参数切削层参数 由切削刃正在切削的这一层金属叫作由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层切削层。切削层的。切削层的截面尺寸称为截面尺寸称为切削层参数切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面P Pr r内度量。内度量。1.切削厚度切削厚度 ac(s=0)ac f sinr 2.切削
10、宽度切削宽度 aw aw ap/sinr3.切削层面积切削层面积 Ac(=0)Ac ac aw f ap机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l刀具切削部分的构造l确定刀具角度的参考平面l刀具的标注角度l刀具的工作角度下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。的有关定义。机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度一、一、刀具切削部分的构造刀具切削部分的构造 刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分削部分 外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其
11、切削部分（又称刀头）组成可用一句话总结：切削部分（又称刀头）组成可用一句话总结：“三面两刃一尖三面两刃一尖”机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度前刀面前刀面Ar主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面主切削刃主切削刃 副切削刃副切削刃“三面两刃一尖三面两刃一尖”切屑流过的表面切屑流过的表面前刀面和副后刀前刀面和副后刀面相交的部分面相交的部分主切削刃和副切主切削刃和副切削刃相交的部分削刃相交的部分前刀面和后刀前刀面和后刀面相交的部分面相交的部分与工件过渡表面相对的表面与工件过渡表面相对的表面工件已加工表面相对的表面工件已加工表面相对的表面机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几
12、何角度一、一、刀具切削部分的构造刀具切削部分的构造机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l基面基面Pr 通过切削刃选定点，垂直于主运通过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面动方向的平面。通常，基面应平行。通常，基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴测量的某一安装定位平面或轴l切削平面切削平面Ps 通过切削刃选定点，与主切削刃通过切削刃选定点，与主切削刃相切并垂直于基面相切并垂直于基面Pr的平面的平面即主切削即主切削刃与切削速度方向构成的平面刃与切削速度方向构成的平面l正交平面正交平面Po 通过切削刃选定点，同时垂直于通过
13、切削刃选定点，同时垂直于Pr和切削平面和切削平面Ps的平面的平面二、刀具标注角度参考系机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度三、刀具的标注角度 在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。面的方位角度，称为刀具标注角度。如果切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况如果切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面的切线或切平面代替曲刃或曲面机械制造及其自动化1外圆车刀正交平面参考的标注角度外圆车刀正交平面参考的
14、标注角度2.1.2刀具几何角度刀具几何角度机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度机械制造及其自动化1外圆车刀正交平面参考的标注角度外圆车刀正交平面参考的标注角度2.1.2刀具几何角度刀具几何角度正交平面基面Pr切削平面0 0900机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l主偏角主偏角Kr和和副偏角副偏角Krkr主偏角Kr：基面中测量的主切削刃在基面的投影与进给运动方向的夹角副偏角Kr：基面中测量的副切削刃在基面的投影与进给运动反方向的夹角机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l主偏角主偏角Kr对加工性能的影响对加工性能的影响 Kr Ac 从而影响散
15、热从而影响散热 影响刀具的耐用度影响刀具的耐用度机械制造及其自动化1但是Kr过小使工件受力变大，导致工件变形2.1.2刀具几何角度刀具几何角度主偏角改变时，径向切削力的变化图l主偏角主偏角Kr对加工性能的影响对加工性能的影响机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l副偏角副偏角Kr对加工性能的影响对加工性能的影响副偏角对残留面积高度的影响图 Kr 影响已加工表面的表面粗糙度，减小副偏角可使已加工表面光洁机械制造及其自动化1车削时工件表面的残留面积车削时工件表面的残留面积2.1.2刀具几何角度刀具几何角度l主、副偏角主、副偏角对加工性能的影响对加工性能的影响机械制造及其自动化1注意
16、：注意：车外圆与车端车外圆与车端面主、副偏角的变化面主、副偏角的变化机械制造及其自动化1机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l刃倾角刃倾角s:刃倾角刃倾角s 是主切削刃与基面的夹角是主切削刃与基面的夹角,影响切影响切屑的流出方向屑的流出方向机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l刃倾角刃倾角s:刃倾角对刀尖强度的影响刃倾角对刀尖强度的影响机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度l直角切削：直角切削：s0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直的切削，主切削刃与切削速度方向垂直l斜角切削：斜角切削：s0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直的切削，主切削刃
17、与切削速度方向不垂直机械制造及其自动化1外圆车刀正交平面参考的标注角度外圆车刀正交平面参考的标注角度2.1.2刀具几何角度刀具几何角度机械制造及其自动化1机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度四、刀具的工作角度 进给运动对刀具工作角度的影响进给运动对刀具工作角度的影响（1）横向进给运动的影响）横向进给运动的影响 oe=o oe=o tanf/d当进给量当进给量f一定时，一定时，随随 d 值值值值，接近中心接近中心oe为负值为负值 当当 f值值横车时横车时 f 不宜过大，不宜过大，并应适当加大并应适当加大o机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度四、刀具的工作角度
18、进给运动对刀具工作角度的影响进给运动对刀具工作角度的影响（2）纵向进给运动的影响）纵向进给运动的影响 oe=o oe=o tan tanf sinr f sinr/(dw)f 或或dw时，时，f、均均车削右螺纹时左侧刃应车削右螺纹时左侧刃应o(左左 8右右2)右刃应右刃应o车右螺纹时左侧刃车右螺纹时左侧刃 fe=ff fe=ff tanff/dw机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度pe=pppe=p p tanph/oe=o oe=o tan tanp cosr假定车刀假定车刀s0,刀尖高于工件中心刀尖高于工件中心若刀尖低于工件中心，若刀尖低于工件中心，角度变化与上述相反角度
19、变化与上述相反四、刀具的工作角度 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（1）刀具安装高低的影响刀具安装高低的影响机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度四、刀具的工作角度 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）刀杆中心线与进给方向不垂直的影响刀杆中心线与进给方向不垂直的影响 =+G =-G =-G =+G机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度思考：基面思考：基面Pr与工作基面与工作基面Pre的不同的不同 基面基面P Pr r是通过切削刃上选定点且垂直于假定主运动是通过切削刃上选定点且垂直于假定主运动方向的平面；方向的平面
20、；工作基面工作基面P Prere是通过切削刃上选定点，垂直于合成切是通过切削刃上选定点，垂直于合成切削运动方向的平面。削运动方向的平面。二者的不同点在于前者的主运动方向是假定的，而二者的不同点在于前者的主运动方向是假定的，而后者的合成切削运动方向是实际存在的。后者的合成切削运动方向是实际存在的。机械制造及其自动化12.1.2刀具几何角度刀具几何角度思考：前角思考：前角o与工作前角与工作前角oe的不同的不同前角前角o是在正交平面是在正交平面Po上测量的前面上测量的前面A A与基面与基面Pr之间之间的夹角；的夹角；工作前角工作前角o e 是在工作正交平面是在工作正交平面Poe中测量的前面中测量的前
21、面A 与工作基面与工作基面Pre之间的夹角。之间的夹角。二者的差异在于定义刀具角度参考系的三个基准平面二者的差异在于定义刀具角度参考系的三个基准平面都不同，原因还在于静止参考系的基准轴线是假定的，都不同，原因还在于静止参考系的基准轴线是假定的，而工作参考系的基准是实际存在的合成切削运动与进给而工作参考系的基准是实际存在的合成切削运动与进给运动。运动。机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数（一）刀具材料必须具备的性能（一）刀具材料必须具备的性能高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 常温
22、硬度常温硬度60HRC以上，耐磨性是硬度、以上，耐磨性是硬度、组织结构及化组织结构及化 学性能等的综合反映学性能等的综合反映 足够的强度和冲击韧性足够的强度和冲击韧性高耐热性高耐热性 高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等良好的工艺性良好的工艺性 锻造性能、磨削性能、热处理性能等锻造性能、磨削性能、热处理性能等经济性经济性机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料l上述性能中有些是相互矛盾的上述性能中有些是相互矛盾的(如硬度越高，如硬度越高，耐磨性越好的材料的韧性和抗破损能力就越差，耐磨性越好的材料的韧性和抗破损能力就越差，耐热性好
23、的材料韧性也较差耐热性好的材料韧性也较差)。实际工作中，。实际工作中，应根据具体的切削对象和条件，选择最合适的应根据具体的切削对象和条件，选择最合适的刀具材料刀具材料。机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（二）常用刀具材料的种类及特性（二）常用刀具材料的种类及特性 碳素工具钢、合金工具钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、高速钢、硬质合金硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等陶瓷、金刚石、立方氮化硼等机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（二）常用刀具材料的种类及特性（二）常用刀具材料的种类及特性高速钢高速钢:具有较高的热稳定性，具有高的强度和韧性，具具有较高的热稳定性，具有高的
24、强度和韧性，具有一定的硬度和耐磨性。广泛用于制造中速切削及形状复有一定的硬度和耐磨性。广泛用于制造中速切削及形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、各种齿轮加工工具。杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、各种齿轮加工工具。（1）通用型高速钢）通用型高速钢（含碳量（含碳量0.70.9%，6266 HRC）主主要用于一般材料的常规加工，速度不高于要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min（2）高性能高速钢（）高性能高速钢（增加碳量钒量，添加钴铝等增加碳量钒量，添加钴铝等6670HRC）主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min为了提高高速钢的
25、硬度和耐磨性，常用如下措施来提高其性能：为了提高高速钢的硬度和耐磨性，常用如下措施来提高其性能：l在高速钢中增添新的元素；在高速钢中增添新的元素；l用粉末冶金法消除碳化物的偏析并细化晶粒用粉末冶金法消除碳化物的偏析并细化晶粒。机械制造及其自动化1机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（二）常用刀具材料的种类及特性（二）常用刀具材料的种类及特性高速钢高速钢机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（二）常用刀具材料的种类及特性（二）常用刀具材料的种类及特性硬质合金硬质合金：强度和韧性小于高速钢，工艺性差，但耐热性好，强度和韧性小于高速钢，工艺性差，但耐热性好，适于制造高速切削刀具。适
26、于制造高速切削刀具。为了克服常用硬质合金强度和韧性低、脆性大、易崩刃为了克服常用硬质合金强度和韧性低、脆性大、易崩刃的缺点，常采用如下措施改善其性能：的缺点，常采用如下措施改善其性能：l调整化学成分可以使硬质合金既有高的硬度又有好的韧性调整化学成分可以使硬质合金既有高的硬度又有好的韧性l细化合金的晶粒细化合金的晶粒l采用涂层刀片采用涂层刀片机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（二）常用刀具材料的种类及特性材料（二）常用刀具材料的种类及特性材料硬质合金分类硬质合金分类 YG(K)类类 YT(P)类类 YW(M)类类短切屑黑色金属短切屑黑色金属 加工长切屑的加工长切屑的 钢材、铸铁等钢材
27、、铸铁等有色金属有色金属,非金属非金属 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属,非金属非金属 WC+Co WC+TiC+Co WC+TiC+TaC+Co 机械制造及其自动化1常用硬质合金牌号及应用范围常用硬质合金牌号及应用范围牌牌 号号应应 用用 范范 围围YG3硬度、硬度、抗弯抗弯耐磨耐磨 强度、强度、性、性、韧性、韧性、切削切削 进给进给速度速度 量量铸铁、有色金属、高温合金的铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工精、半精加工，无冲击无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，铸铁、冷硬
28、铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、铸铁、有色金属、高温高温合金的合金的半精加工和粗加工半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、铸铁、有色金属、高温高温合金合金粗加工粗加工，可用于，可用于断续切削断续切削YT30硬度、硬度、抗弯抗弯耐磨性耐磨性 强度、强度、切削切削 韧性、韧性、速度速度 进给量进给量碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢的的精加工精加工YT15碳钢、合金钢碳钢、合金钢连续切时连续切时粗、半精加工粗、半精加工，断续切精加工，断续切精加工YT5碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢的的粗加工粗加工，可用于，可用于断续切削断续切削YW1同同 上上高强度钢、碳钢高强度钢、碳钢、铸铁、有色金
29、属等的铸铁、有色金属等的精、半精加工精、半精加工YW2高强度钢、碳钢高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的铸铁、有色金属等的半精与粗加工半精与粗加工YN05同同 上上碳钢、合金钢的碳钢、合金钢的高速精车高速精车，系统刚性好的细长轴精车系统刚性好的细长轴精车YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工精加工机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（二）常用刀具材料的种类及特性（二）常用刀具材料的种类及特性各类硬质合金钢刀具各类硬质合金钢刀具机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（三）新型刀具材料（三）新型刀具材料1.1.陶瓷材料陶瓷材料：硬度高，化学性能稳
30、定，耐氧化，但硬度高，化学性能稳定，耐氧化，但强度低、韧性差。广泛用于高速切削加工的精加强度低、韧性差。广泛用于高速切削加工的精加工阶段。工阶段。2.2.立方氮化硼立方氮化硼：属于超硬材料，硬度极高但韧性极属于超硬材料，硬度极高但韧性极差，有良好的热稳定性，可胜任多种难加工材料差，有良好的热稳定性，可胜任多种难加工材料的高速切削。的高速切削。机械制造及其自动化12.1.3刀具材料刀具材料（三）新型刀具材料（三）新型刀具材料3.3.人造金刚石人造金刚石：具有很高的硬度和耐磨性，但摩擦具有很高的硬度和耐磨性，但摩擦系数小，但热稳定性差。主要用作制作模具磨料，系数小，但热稳定性差。主要用作制作模具磨料，用作刀具材料时，多用与在高速下精细车削或镗用作刀具材料时，多用与在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。削有色金属及非金属材料。机械制造及其自动化12022-8-13机械制造及其自动化1
