1、10金属切削原理与刀具教案教 案2009-2010学年 第 2学期院 （部） 机电学院教 研 室 机制课 程 名 称 金属切削原理与刀具授 课 专 业 班 级 机械0705 机械071-4主 讲 教 师 李英杰职 称 职 务 副教授使 用 教 材 金属切削原理与刀具山东建筑大学教务处制山东建筑大学机电工程学院教案 第 1 次课授课内容绪论、切削运动、刀具切削部分基本定义刀具角度目的要求掌握切削运动的基本概念掌握刀具切削部分几何参数及刀具角度的概念重点难点六个基本角度、刀具切削部分几何参数的基本定义课 型理论计划学时3课前准备绪 论课程性质和任务能力培养第一章 刀具角度及切削要素第一节 切削运动
2、与切削用量 切削运动 切削用量第二节 刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的组成刀具角度参考系刀具静止（标注角度）参考系刀具角度（刀具标注角度）正交平面参考系内的标注角度课堂小结作业、思考切削运动的基本概念刀具切削部分几何参数的基本定义课后小结绪 论课程性质和任务金属切削原理与刀具课程是机械工程及自动化专业机制方向的专业任选课。本课程是研究金属切削加工过程及刀具设计、使用的一门科学，该课程既有理论性又有很强的实践应用性，为学生在日后工作中解决机械制造技术问题奠定一定的基础。本课程是由金属切削原理和金属切削刀具两部分组成，前者又是本课程及其它专业课程的基础，主要讲述金属切削过程中各种物理现象的变化
3、规律，以及应用这些规律解决金属切削技术问题的方法；后者主要讲述通用刀具和专用刀具的类型、结构特点、应用范围及设计计算方法等。能力培养学习本课程后，应具备以下能力：能正确图示并合理选择刀具几何参数；掌握金属切削基本规律，并会初步运用其分析解决金属切削的技术问题；了解常见通用刀具的类型、结构特点与应用范围，并能正确选用；初步掌握专用刀具的设计计算方法；对刀具的发展趋势和新成就有初步的了解；具有较强的自学能力和创新意识，能进一步研究探讨金属切削与刀具设计理论。本课程为机制方向的专业任选课 、考试课。本课程总学时：32学时，其中：授课：30 学时 ；实验学时：2学时。第一章 基本定义第一节 切削运动与
4、切削用量金属切削加工：是工件与刀具相互作用的过程，是用刀具从工件表面上切除多余的材料的过程。金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。实现切削过程的三个条件1切削运动：工件与刀具之间要有相对运动。2切削性能：刀具材料必须具备一定的切削性能。3切削角度：刀具必须具有合理的几何参数。三个表面待加工表面：工件上即将切除的表面。已加工表面：工件上已经切除而形成的新表面。过度表面（加工表面）：工件上正在切削的表面。切削运动刀具与工件间的相对运动（即表面成形运动）。切削运动可分为主运动和进给运动。主运动和进给运动的向量合称为合成切削运动。主运动：使工件与刀具产
5、生相对运动以进行切削的最基本的运动，称为主运动。特征：速度最高、消耗功率最大。只有一个。进给运动：使主运动能够连续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动，称为进给运动。特征：速度低、消耗功率小。可有多个。切削层在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。切削层参数是指这个切削层的截面尺寸，一般在基面内度量和观察。切削用量是切削加工中切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）的总称。切削速度c ：切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。单位为m/s或m/min。主运动是旋转时，最大切削运动是：进给量 f：是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量
6、。当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r；当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；对于多齿的旋转刀具（如铣刀、切齿刀），常用每齿进给量 fz，单位为mm/z或mm/齿。它与进给量 f 的关系为 f = z fz 进给速度f ：指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬间时速度，单位为mm/s或m/min。车削时进给运动速度为：f = n f背吃刀量（切削深度）ap ：在基面上，垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸（已加工表面与待加工表面间的垂直距离）。外圆车削的
7、背吃刀量： ap（dw-dm）/2 合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动。合成切削速度e：切削刃上选定点相对于工件的合成运动的瞬时速度。ec+f第二节 刀具几何角度刀具的组成：由工作部分和非工作部分构成（车刀由刀头和刀柄两部分组成）。刀头用于切削，刀柄用于装夹。刀具切削部分的组成外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）组成可用一句话总结： “三面两刃一尖”。前面（前刀面）A：刀具上切屑流过的表面。主后面（后面）A：与工件过渡表面相对的表面。 副后面A：与已加工表面相对的表面。主切削刃S：前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。副切削刃S：前刀面与副后刀面的交线。它
8、配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。刀尖（过渡刃）：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段，折线段，或圆弧。刀具角度参考系刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。用于定义刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。参考系有两类刀具静止参考系：用于刀具的设计、刃磨和测量的参考系。刀具工作参考系：它是确定刀具切削工作时的基准，用于定义刀具的工作角度。刀具静止（标注角度）参考系用于刀具的设计、刃磨和测量的参考系四个假设条件1.装刀时，刀尖恰在工件的中心线上；2.刀具的轴线垂直工件的轴线；3.没有进给运动；4.工件已加工表面的形状是圆住表面。正交平面参考系由以下三个在空间相互
9、垂直的参考平面构成。切削平面PS：包含有切削刃选定点的切线与切削速度向量的平面。基面Pr：通过切削刃选定点且垂直于切削速度向量的平面。正交平面Po ：是过切削刃选定点，并垂直于切削平面PS与基面Pr的平面。法平面参考系法平面参考系由基面Pr、切削平面PS和法平面Pn 组成。法平面Pn ：过主切削刃选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面。假定工作平面参考系假定工作平面参考系由 Pr、P f和Pp组成。假定进给平面（假定工作平面）Pf ：过主切削刃选定点，平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面。假定切深平面（背平面）Pp ：过切削刃上选定点，垂直于假定进给平面和基面的平面。正交平面参考系内的标注角
10、度前角o：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。后角o：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。主偏角r：在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。主偏角一般为正值。刃倾角s：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。当主切削刃呈水平时，s=0；刀尖为主切削刃最低点时，s0；刀尖为主切削刃上最高点是，s0。副偏角r：在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。副偏角一般为正值。副后角o： 在正交平面内测量的副后刀面与切削平面的夹角。在正交平面参
11、考系中，需要6个独立角度r 、o 、o 、 s 、 r和o确定一把刀具切削部分的几何形状。法平面参考系内的标注角度法平面参考系由Pr、Ps、Pn三个面组成。法前角n 、法后角n 、法楔角n 、主偏角r、刃倾角前角s、副偏角r法前角n ：在法平面内测量的前刀面A与基面Pr的夹角。 法后角n：在法平面内测量的切削平面Ps与后刀面A的夹角。 法楔角n：在法剖平面内测量的前刀面A与后刀面A的夹角。假定工作平面参考系中的标注角度背前角p 、背后角p 、背楔角p 、侧前角f 、侧后角f 、侧楔角f 刀具角度的一面二角分析法空间任意一个平面的定向角度只需两个，所以判断刀具切削部分需要标注的独立角度数量可用一
12、面二角分析法确定。即刀具需要标注的独立角度的数量是刀面数量的二倍。用工作图标注刀具几何参数时首先应判断或假定刀具哪条是主切削刃，那条是副切削刃。然后就可确定各切削刃的基准坐标平面及全部的标注参数。四、刀具的工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角oe、工作后角oe 的变化。研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。刀具工作参考系工作基面Pre ：通过切削刃上的选
13、定点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。工作切削平面Pse：通过切削刃上的选定点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。工作正交平面Poe：通过切削刃上的选定点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。刀具工作角度的定义与标注角度类似。在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度（oe 、oe 、re、re、oe 、se）的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。在车削（切断、车螺纹、车丝杠）、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。刀具安装对工作角度的影响刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响刀尖安装高低对工作前、后角的影响进给运动
14、对工作角度的影响进给运动方向与工件旋转轴线不平行轴向进给运动对工作前、后角的影响横向进给运动的影响山东建筑大学机电工程学院教案 第 2次课授课内容切削层与切削方式金属切削对刀具材料性能的要求；常用刀具材料性能及应用。 目的要求掌握常用刀具材料性能及应用：高速钢 硬质合金重点难点金属切削对刀具材料性能的6项要求；常用刀具材料性能及应用：高速钢 硬质合金课 型理论计划学时3课前准备第三节 切削层与切削方式第二章 刀具材料刀具材料应具备的性能常用刀具材料高 速 钢硬质合金硬质合金的选用课堂小结作业、思考刀具材料性能与刀具材料成分及含量的关系；常用刀具材料选用。课后小结第三节 切削层与切削方式切削层：
15、是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层切削层。切削层参数：是指切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的负荷和切屑的尺寸大小，一般在基面内度量和观察切削层公称厚度hD：垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。（简称切削厚度）hD =f sinr 切削层公称宽度bD ：平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。（简称切削宽度）bD = ap /sinr 切削层公称横截面积AD ：在切削层参数平面内度量的横截面积。（简称切削面积）AD=hD bD=ap f上述公式中可看出 ：hD、bD均与主偏角
16、有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。残留面积实际横截面积切削方式 正交切削（直角切削）：正交切削是指切削刃垂直于合成切削运动方向的切削方式。显然直角切削其切削刃刃倾角s0。非正交切削（斜角切削）：切削刃不垂直于合成切削运动方向的切削，称非正交切削，即s0。自由切削：自由切削是指只有一条直线切削刃参与切削的方式，其特点是切削刃上各点切屑流出方向一致，且金属变形在二维平面内。非自由切削：曲线刀刃或两条以上切削刃参与切削的切削方式称为非自由切削方式。 在实际生产中，切削方式多属于非自由切削方式。在今后对金属切削变形的研究中，为了简化条件常采用自由切削方式。 第二章 刀具材料刀
17、具材料一般是指刀具切削部分的材料在切削过程中，刀具担负着切除工件上多余金属以形成已加工表面的任务。刀具的切削性能好坏，取决于刀具切削部分的材料、几何参数以及结构的合理性等。刀具材料对刀具寿命、加工生产效率、加工质量以及加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。刀具材料的发展受着工件材料发展的促进和影响。刀具材料应具备的性能1. 高的硬度和耐磨性 2. 足够的强度和韧性3. 高的耐热性（热稳定性）4. 良好的物理特性5. 良好的工艺性6. 经济性高的硬度和耐磨性：硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具的切削刃的硬度，刀具材料常温硬度一
18、般要求大于60HRC。耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。足够的强度和韧性：为承受切削负荷、振动和冲击，刀具材料必须具备足够的强度和韧性。高的耐热性（热稳定性）：耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。 除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化
19、的能力以及良好的抗粘结和抗扩散能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。良好的物理特性：刀具材料应具备良好的导热性、大的热容量以及优良的热冲击性能。良好的工艺性能：为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等等。经济性：经济性是刀具材料的重要指标之一。刀具材料的发展应结合本国资源。有的刀具（如超硬材料刀具）虽然单件成本很贵，但因其使用寿命很长，分摊到每个零件的成本不一定很高。因此在选用时要考虑经济效果。此外，在切削加工自动化和柔性制造系统中，也要求刀具的切削性能比较稳定和可靠，有一定的可预测性和高度的可靠性。 常用刀具材料工具钢：包括碳
20、素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）高速钢硬质合：有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。陶瓷超硬刀具材料：金刚石及立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢因耐热性低而常用于手工工具。陶瓷、金刚石及立方氮化硼目前仅用于超硬工件的加工。目前最常用的是高速钢和硬质合金。高 速 钢它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。热处理后硬度可达6266HRC，抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度在500650C时仍能进行切削。由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、
21、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。高速钢的分类 按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为：钨系和钨钼系。通用型高速钢这类高速钢含碳量为0.70.9，合金元素主要成分有W、Mo、Gr、V等。主要牌号：钨钢：W18Cr4V（1841）由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。钨钼钢 ：它是钨钢中部分钨用钼取代而获得的一种高速钢。典型牌号W6Mo5Cr4V2（6542），简称M2钢。强度、韧性、热塑性好，但热处理时易脱炭、氧化，且淬火温度范围窄等，用于热轧刀具或热成形刀具。另一种是W9Mo3Cr
22、4V（9341）简称W9。其碳化物均匀界于M2与W18之间，热稳定性优于M2。 高性能高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。典型牌号：高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2高钒高速钢W6Mo5Cr4V3钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5、W18Cr4VCo5超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8（M42）W6Mo5Cr4V2Al（501）可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。优点1.
23、 可有效地解决一般熔炼高速钢在铸造时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织。这就使这种钢有良好的力学性能。强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.53倍。2. 这种钢的磨加工性很好，磨削表面粗糙度可显著减小。3. 由于粉冶钢物理力学性能的高度各向同性，可减小淬火时的变形（只及熔炼钢的1/21/3）。4. 粉冶钢的耐磨性可提高20%30%。5. 适用于制造精密刀具、大尺寸（滚刀、插齿刀）刀具、复杂成形刀具、拉刀等。硬质合金硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物（碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等）和金属粘结剂（Co、Mo、Ni等）用粉末冶金工艺制成。特点：硬质合金刀具常
24、温硬度为8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍，切削钢时，切削速度可达220m/min。 硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造。硬质合金分为类P类，用于加工长切屑（塑性）黑色金属。相当我国YT类硬质合金； K类，用于加工短切屑（脆性）黑色金属、有色金属和非金属材料。相当于我国的YG类；M类，可加工长切屑和短切屑黑色金属和有色金属。相当于我国的YW类。 K类：钨钴类硬质合金 代号为YG。这类合金是由WC和Co组成。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加
25、工。我国生产的常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，含Co量分别为3%、6%、6%、8%。YG（K）类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性。硬度为8991.5HRA，抗弯强度为1.11.5GPa比YT类高。适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。如黑色金属、有色金属以及非金属材料，低速时也可加工钛合金等耐热钢。P类：钨钛钴类硬质合金 代号为YT。它以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成，常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30，TiC含量分别为5%、14%、15%和30%，相应的钴含量为10%、8%、6%及4%主要用于加工钢料；不宜加工不锈钢和钛合金；适合
26、于精加工。这类合金的硬度为89.592.5HRA，抗弯强度为0.91.4GPa。随着合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低 。YT类硬质合金的突出优点是耐热性好。M类：钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW。它在YT（P）类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。以上三类硬质合金的主要成分都是WC，故可统称为WC基硬质合金。YN类硬质合金（ TiC 基硬质合金）：这类合金是TiC为主要硬质相，以Ni或Mo为粘结相制成的合金。它比WC基合金有高的耐磨性、耐
27、热性和高的硬度（近似陶瓷），但抗弯强度和冲击韧性较差。通常适用于钢和铸铁的半精加工和精加工。代表牌号为YN05和YN10。硬质合金的选用YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。YT类硬质合金适于加工钢料。YW类硬质合金则主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。硬质合金中含钴量增多（WC、TiC含量减少）时，其抗弯强度和冲击韧度增高（硬度及耐热性降低），适合于粗加工。含钴量减少（WC、Tic含量增加）时，其硬度、耐磨性及耐热性增加（强度及韧性降低），适合于作精加工用。在加工含钛的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和钛合金时，不宜采用YT类硬质合金。涂层刀具材料在韧牲较好的刀具
28、基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法（CVD法），沉积温度1000左右；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法（PVD法），沉积温度500左右。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3及其复合材料等， 涂层厚度随刀具材料不同而异。TiC涂层 ：硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。TiN涂层 ：在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。TiCTiN复合涂层：第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN，减少表面层与工件间的摩擦。T
29、iC-Al2O3复合涂层：第一层涂TiC， 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al2O3可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。陶瓷刀具材料 以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。优点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；缺点：脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。金刚石刀具材料 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制
30、造出的最坚硬物质。优点：由于硬度极高，其显微硬度达到10000HV，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤。缺点：热稳定性差，切削温度超过700800时，就会完全失去其硬度；强度低，脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料；也可用于加工高硬度的非金属材料，如玻璃等；还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。特点：它有很高的硬度（其显微硬度为80009000HV）及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。山东建筑大学机电工程学院教案 第 3次课授课内容金属切削过程、切削力、切削热与切削温度。目的要求掌握切屑变形、切削力和切削热与切削温度的变化规律及影响因素重点
