第一章 刀 具刀具与切削原理第一章 刀 具
1.1 切削加工基本知识
1.1.1 切削运动和工件加工表面
切削运动
工件加工表面
1.1.2 刀具切削部分的几何参数
刀具切削部分的组成
参考系的确定
刀具标注角度
1.1.3 切削用量和切削层参数
切削用量
切削层参数
刀具标注角度
1.2 常用刀具材料和刀具种类
1.2.1 刀具材料应具备的基本性能
1.2.2 常用刀具材料的类型及选用
高速钢
硬质合金
陶瓷材料
人造金刚石
立方氮化硼
1.2.3 常用刀具种类第一章 刀 具金属切削加工是机械制造工业中的一种基本加工方法 利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层（加工余量），以获得具有一定的表面精度（形状、尺寸和位置精度）和表面质量切削加工必备三个条件：
刀具与工件之间要有相对运动
刀具具有适当的几何参数，即切削角度
刀具材料具有一定的切削性能机械制造技术的主要研究对象：由机床、夹具、刀具和工件组成的金属切削加工工艺系统
1.1 切削加工基本知识切削运动 切削加工中，工件与刀具之间必须完成一定的相对运动，一般是 主运动 和 进给运动 的合成
主运动 切削运动中最主要的运动通常，主运动的速度较高，消耗的切削功率也最大，在切削运动中主运动只有一个
进给运动 在切削运动中不断把切削层投入，使切削工作得以继续下去的运动一般，进给运动的速度较低，功率也较少。其数量可以是一个，也可以是多个。可以是连续进行的，也可以是断续进行的。可以是工件完成的，也可以是刀具完成的
1.1 切削加工的基本知识 2
工件加工表面以车削为例，工件在车削过程中有三个不断变化着的表面
o 待加工表面
— 即将被切除金属层的表面
o 已加工表面
— 已经切去一部分金属而形成的新表面
o 加工表面
— 切削刃正在切削的表面
1.1 切削加工的基本知识 3
刀具切削部分的几何参数
刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的切削部分
车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀的演变和组合刀具切削部分的组成车刀：刀杆和刀头两部分车刀的切削部分：
前刀面 Aγ— 切屑沿其流出的刀面
主后刀面 Aα— 与工件加工面相对的刀面
副后刀面 Aα’— 与工件已加工面相对的刀面
主刀刃 — 前刀面与主后刀面的交线，它完成主要切削工作
副刀刃 — 前刀面与副后刀面的交线，它配合主刀刃最终形成已加工表面
刀尖（过渡刃） — 主刀刃与副刀刃的交点
1.1 切削加工的基本知识 4
刀尖形式
a) 实际交点
b) 曲线刃
c) 直线刃
各种复杂刀具或多齿刀具，拿出其中一个刀齿，其几何形状都相当于一把车刀的刀头
以普通外圆车刀为代表来确定切削部分的基本定义，也必然适用于其他刀具
1.1 切削加工的基本知识 5
参考系 定义刀具几何角度的参照平面系，以确定刀面和刀刃的空间位置正交剖面系 通过刀刃某选定点
基面 Pr— 通过刀刃某选定点 x，与主运动假定方向相垂直的平面
切削平面 Ps— 通过刀刃某选定点 x，与刀刃相切且垂直于基面的平面
正交平面（主剖面） Po— 通过刀刃某选定点 x，同时垂直于基面与切削平面的平面通过副刀刃上任选点 Pr,P’s,P’o
1.1 切削加工的基本知识 6
刀具标注角度 画刀具图及磨刀时掌握的角度，是假定条件下的切削角度，以便于刀具的设计与制造假定运动条件 不考虑进给运动的大小假定安装条件 规定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削平面或平行于基面，同时规定刀杆的中心线同进给运动方向垂直
前角 γо
后角 αо
主偏角 кr
副偏角 кr’
副后角 αo
刃倾角 λS
1.1 切削加工的基本知识 7
刀具安装位置对工作角度的影响
1.1 切削加工的基本知识 8
进给运动对工作角度的影响
1.1 切削加工的基本知识 9
切削用量 三要素切削速度 ν 切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的主运动速度进给量 f 工件或刀具的主运动每转或每双行程时，工件和刀具在进给运动中的相对位移量 mm/r
进给速度 νf 切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，
单位为 mm/min
背吃刀量（切削深度） αp 工件已加工表面与待加工表面的垂直距离
1.1 切削加工的基本知识 10
切削层 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切削层参数 截面尺寸
o 切削厚度 αc 在垂直于切削刃的方向上度量的切削层尺寸
o 切削宽度 αw 沿加工表面度量的切削层尺寸
o 切削面积 Ac 切削层在基面内的面积
1.2 常用刀具材料和刀具种类刀具材料应具备的基本性能
o 高硬度和耐磨性
o 足够的强度和韧性
o 高的耐热性
o 化学稳定性好
o 良好的工艺性和经济性
1.2 常用刀具材料和刀具种类常用刀具材料的类型及选用金属材料
高速钢 是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。具有较高的热 稳定性，在切削温度高达 500— 650℃ 时，仍能进行切削。与碳素工具钢和合金工具相比，高速钢能提高切削速度 1～ 3倍 (因此而得名 )，提高刀具耐用度 10～ 40倍，甚至更多。它可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。
通用型,高性能,粉末冶金
硬质合金碳素工具钢、合金工具钢非金属材料
陶瓷材料
人造金刚石 在高温高压条件下，依靠合金触媒的作用，由石墨转化而来的
立方氮化硼 CBN
1.2 常用刀具材料和刀具种类常用刀具材料的类型及选用金属材料
高速钢 具有高的强度 (抗弯强度为一般硬质合金的 2～ 3倍，为陶瓷的 5～ 6
倍 )和韧性，具有一定的硬度 (63～ 70HRC)和耐磨性，适宜制造各类切削刀具高速钢刀具制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃。因此在复杂刀具 (钻头
、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等 )的制造中，高速钢占有重要地位通用型、高性能、粉末冶金
硬质合金 是用具有高耐磨性和高耐热性的 WC,TiC等金属粉末，以 Co、
Ni作为粘结剂，用粉末冶金法制得的合金。其硬度为 89～ 93HRA(相当于 74～
82HRC)，能耐 850～ 1000℃ 的高温，具有很好的耐磨性，允许使用的切削速度可达 (100～ 300)m／ min，可加工 包括淬硬钢在内的多种材料，因此得到广泛的应用。但是，硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性差，所以很少用于制造整体刀具。一般用它制造各种形状的刀片，焊接或直接夹固在刀体上使用。常用的硬质合金有钨钴类 (YG类 )、钨钛钴类 (YT类 )、通用硬质合金 (YW)和 NiC(N)基硬质合金 (YN类 )等
1.2 常用刀具材料和刀具种类常用刀具种类
切刀
孔加工刀具
拉刀
铣刀
螺纹刀具
齿轮刀具
磨具
1.2 常用刀具材料和刀具种类
1.2 常用刀具材料和刀具种类第二章 切削过程及控制刀具与切削原理第二章 切削过程及控制
1,金属切削层的变形
2,切屑的类型及控制
3,切削力
4,切削热和切削温度
5,刀具磨损及耐用度
2.1 金属切削层的变形塑性金属受挤压 随外力 F的增加，金属内部应力增加，先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发生滑移，
最后产生破裂金属切削 DB以上为切削层，与金属挤压试验相似，切削层受刀具挤压后也产生弹性变形和塑性变形，沿 DA滑移，当其与母体金属分离时，形成切屑
2.1 金属切削层的变形 2
切屑的形成 被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过剪切滑移变形便形成了切屑在切削过程中，被切金属层在前刀面的推动作用下产生剪应力，当剪应力达到并超过工作材料的屈服极限时，被切金属层将沿着某一方向产生剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切削运动的进行，这层累积物将连续不断的沿前刀面流出，
从而形成了被切除的切屑
金属切削加工中的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面质量等，都是以切屑形成过程为基础的
生产实际中出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等，都同切削过程中的变形规律有关
2.1 金属切削层的变形 3
金属切削层的三个变形区
第一变形区 从 OA线开始发生塑性变形，到 OM线晶粒的剪切滑移基本完成
第二变形区 切屑沿刀具前面排出时，进一步受到前面的挤压和摩擦，
使靠近前面处的金属纤维化，其方向基本上和前面相平行
第三变形区 已加工面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦，
产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件母体材料分离，大部分变成切屑，很小的一部分留在已加工表面上
2.1 金属切削层的变形 4
第一变形区内金属的剪切变形
主要特征 沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化
工件原材料的晶粒 AB变成 A’B’
受到切应力时，晶格内的晶面就发生滑移，就是剪切面方向
晶粒伸长方向即金属纤维化的方向 A”B”
纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角 ψ
2.1 金属切削层的变形 5
第一变形区内金属的剪切变形
晶粒伸长方向即金属纤维化的方向
纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角 ψ
剪切面 在一般切削速度范围内，宽度仅约 0.2~0.02mm,OM
剪切角 剪切面和切削速度方向的夹角 φ
塑性金属的切削过程模拟示意图
2.1 金属切削层的变形 6
表示切屑变形程度的方法
剪切角 φ 对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，
当切削速度高时,φ较大，剪切面积变小，切削比较省力，说明切屑变形较小。须用某种方法获得切屑根部图片
变形系数 ξ 切屑厚度与切削层厚度之比 ξa
切削层长度与切屑长度之比 ξL
2.1 金属切削层的变形 7
第二变形区的变形和摩擦
沿前刀面的挤压和摩擦而进一步加剧变形
使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上
切屑弯曲
由摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触温度升高 400~1000℃,
压力 2~3GPa
反过来对第一变形区的剪切滑移将加剧所以，研究第一变形区的变形，不能不考虑前刀面的摩擦及其对剪切角 φ的影响剪切角 φ与前刀面摩擦角 β的关系
Φ+β-γ0=π/4
2.1 金属切削层的变形 8
剪切角 φ与前刀面摩擦角 β的关系
Φ+β-γ0=π/4
或 Φ=π/4－ (β-γ0) = π/4－ ω
ω 合力与切削速度方向的夹角，作用角
在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的
提高刀具的刃磨质量，施加切削液以减小前刀面上的摩擦对切削有利
2.1 金属切削层的变形 9
积屑瘤 在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，
常有一部分被切工件材料堆积于刀具刃口附近的前刀面上。这层堆积物大体成三角形，质地十分坚硬，其硬度可为工程材料的 2倍 ~3倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行切削。该堆积物称为积屑瘤，俗称刀瘤。
其形成过程就是切削滞流层在前刀面上逐步堆积和长高的过程
o 实际前角增大，可使切削力减小
o 增大切削厚度，可能引起振动
o 使加工表面粗糙度增大
o 刀具寿命防止积屑瘤 的主要方法：
降低切削速度
采用高速切削
采用润滑性能好的切削液，减小摩擦
增加刀具前角
适当提高工件材料硬度
2.2 切屑的类型及控制切屑的类型 （按切屑形成机理）
带状切屑 内表面是光滑的，外表面是毛茸的，加工塑性金属材料，切削层公称厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时常得到。
挤裂切屑 外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，大多在切削速度较低，
切削层公称厚度较大，刀具前角较小时产生
单元切屑 若在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑
崩碎切屑 在切削脆性金属如铸铁、黄铜等时，切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，从而使切屑呈不规则的颗粒状若改变挤裂切屑的条件：进一步增大前角，提高切削速度，减小切削层公称厚度，即可得到带状切屑；反之，则可得到单元切屑崩碎切屑的切削过程很不稳定，已加工面也很粗糙，改进方法是减小切削层公称厚度，使切屑成针状和片状；同时提高切削速度，增加工件材料塑性
2.2 切屑的类型及控制 2
国际标准化组织的切屑分类法
2.2 切屑的类型及控制 3
切屑的控制 采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，
使形成“可接受”的良好屑形
“不可接受”的切屑
拉伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化
划伤机床，卡在机床运动副之间
造成刀具的早期破损
甚至影响操作者的安全衡量切屑可控性的主要标准
不妨碍正常的加工
不影响操作者的安全
易于清理、存放和搬运切屑控制措施
前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽
可转位刀具
2.2 切屑的类型及控制 5
切屑的类型 （按外形，影响切屑处理和运输）
带状屑 高速切削塑性金属，一般应力求避免
C形屑 车削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，
较好
长紧卷屑 普通车床上较好
发条状卷屑 重型机床上较好
宝塔状卷屑 自动机或自动线上较好
螺卷屑 车削脆性材料较好
崩碎屑
2.3 切削力切削力 切削加工时刀具使切削层形成切屑需要克服的阻力切削时刀具需克服来自工件和切屑两方面的力，即工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力，以及切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力
2.3 切削力 2
切削合力
Fr = √Fz*Fz+FN*FN= √Fz*Fz + Fy*Fy + Fx*Fx
Fx = FNsinκγ Fy = FNcosκγ
切削分力
主切削力 Fz 切于过渡表面并与基面垂直切削力或切向力
进给抗力 Fx 处于基面内并与工件轴线平行进给力或轴向力
切深抗力 Fy 处于基面内并与工件轴线垂直背向力、径向力、吃刀力切削功率
2.3 切削力 3
影响切削力的因素切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，
因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。
影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素。
切削力的计算切削力可运用理论公式和经验公式进行估量。
车削时的切削力及切削功率计算
2.4 切削热和切削温度切削热的产生和导出切削加工时，切削力使切削层金属发生弹性变形和塑性变形需要做功，
这是切削热的一个主要来源。此外，切屑与前刀面间的摩擦以及工件与后刀面间的摩擦所做的摩擦功，这是产生切削热的又一个源泉三个发热区与三个变形区相对应：
剪切面
切屑与前刀面接触区
后刀面与过渡表面接触区如果假定主运动所消耗的功全部转化为热能，
则单位时间内产生的切削热：
Q = Fzν
Q— 每秒钟内产生的切削热
Fz— 主切削力
ν— 切削速度
2.4 切削热和切削温度 2
影响切削温度的因素工程材料的力学物理性能、切削用量、刀具几何参数、冷却条件等
切削用量 切削速度、进给量、切削深度图 3-21
刀具几何参数 前角、主偏角图 3-22,23
工程材料 硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率图 3-24
刀具磨损 图 3-25
2.4 切削热和切削温度 3
切削温度的分布
刀具前刀面温度较高
其次是切屑底层
工件表面温度最低
各点处温度不等
最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处
2.5 刀具磨损及耐用度刀具磨损形式
前刀面磨损 切削塑性材料时产生连续切屑与前刀面发生剧烈摩擦而引起月牙洼磨损
后刀面磨损 无论切削塑性或脆性材料，后刀面总会磨损
前后刀面同时磨损或边界磨损切削塑性金属时经常发生
2.5 刀具磨损及耐用度 2
刀具磨损过程
初期磨损阶段 AB段
正常磨损阶段 BC段
急剧磨损阶段 CD段刀具磨损原因
硬质点磨损
粘结磨损
扩散磨损
化学磨损
相变磨损
2.5 刀具磨损及耐用度 3
刀具磨钝标准刀具磨钝达一定限度就不能继续作用，而应进行重磨，这个磨损限度成为刀具的磨钝标准。一般以后刀面磨损值 VB达到一定数值作为磨钝标准硬质合金车刀的磨钝标准刀具耐用度刀具在不变的切削条件下从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，成为刀具耐用度，以 T表示
