第一讲 第一章绪论 第一节机械制造工业在国民经济中的地位与作用 、制造业与制造技术 1.制造业 制造业为人类创造着辉煌的物质文明 据统计,190年20个工业化国家制造业所创造的财富占国民生产总值(GDP)的比例平均为 22.15%,其中,美国68%的财富来源于制造业,日本国民总产值的49%是由制造业提供的。中国 的制造业在工业总产值中也占有40%的比例 2制造技术 制造技术是使原材料变成产品的技术总称,是国民经济得以发展,也是制造业本身赖以生存的 关键基础技术。先进的制造技术使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位 3.制造系统 制造系统是指覆盖全部产品生命周期的制造活动所形成的系统,即设计、制造、装配、市场乃 至回收的全过程。 在这一全过程中,所存在的物质流(主要指由原材料到产品的有形物质的流动)、信息流(主要 指生产活动的设计、规划、调度与控制)及资金流(包括了成本管理、利润规划及费用流动等)构 成了整个制造系 4.我国制造技术与制造业 新中国成立以来,我国的制造技术与制造业得到了长足的发展,一个自立的机械工业体系基本 形成。改革开发十多年来,开放与引进在一定程度上促进了我国制造业的发展及制造技术的提高。 但与工业发达国家相比,我们还存在着十分明显的差距 如果定义出口额与进口额之比为竞争力,工业发达国家机械产品名义竞争力一般为1,我国1990 年为0.466,1993年为0.376,1994年为0.28。 5今后我国机械工业科技工作的主要任务 二、机械制造(冷加工)学科的范畴、研究內容及特点 机械工程科学是一门有着悠久历史的学科,是国家建设和社会发展的支柱学科之 机械制造(冷加工)是机械工程的一个分支学科,是一门研究各种机械制造过程和方法的科学。 机械的制造工艺过程:改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等,使之成为成品或半成 品的过程 热加工工艺过程:句括铸造、塑性加T、焊接、热处理、表而改性籌 机械 制造 零件的机械加工工艺过程:研究如何利用切削的原 工艺 理使工件成型而达到预定的设计要求(尺寸精度、 过程泠冷加工工艺过程:形状、位置精度和表面质量)。 机器的装配工艺过程:研究如何将零件或部件进行配 合和连接,使之成为半成品或成品,并达到要求的装 配精度的工艺过程
第一讲 第一章 绪论 第一节 机械制造工业在国民经济中的地位与作用 一、制造业与制造技术 1.制造业 制造业为人类创造着辉煌的物质文明。 据统计，1990 年 20 个工业化国家制造业所创造的财富占国民生产总值（GDP）的比例平均为 22.15％，其中，美国 68％的财富来源于制造业，日本国民总产值的 49％是由制造业提供的。中国 的制造业在工业总产值中也占有 40％的比例。 2.制造技术 制造技术是使原材料变成产品的技术总称，是国民经济得以发展，也是制造业本身赖以生存的 关键基础技术。先进的制造技术使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位。 3.制造系统 制造系统是指覆盖全部产品生命周期的制造活动所形成的系统，即设计、制造、装配、市场乃 至回收的全过程。 在这一全过程中，所存在的物质流（主要指由原材料到产品的有形物质的流动）、信息流（主要 指生产活动的设计、规划、调度与控制）及资金流（包括了成本管理、利润规划及费用流动等）构 成了整个制造系统。 4.我国制造技术与制造业 新中国成立以来，我国的制造技术与制造业得到了长足的发展，一个自立的机械工业体系基本 形成。改革开发十多年来，开放与引进在一定程度上促进了我国制造业的发展及制造技术的提高。 但与工业发达国家相比，我们还存在着十分明显的差距。 如果定义出口额与进口额之比为竞争力，工业发达国家机械产品名义竞争力一般为 1，我国 1990 年为 0.466，1993 年为 0.376，1994 年为 0.28。 5.今后我国机械工业科技工作的主要任务 二、机械制造（冷加工）学科的范畴、研究内容及特点 机械工程科学是一门有着悠久历史的学科，是国家建设和社会发展的支柱学科之一。 机械制造（冷加工）是机械工程的一个分支学科，是一门研究各种机械制造过程和方法的科学。 机械的制造工艺过程：改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使之成为成品或半成 品的过程。 机械 制造 工艺 过程 热加工工艺过程： 包括铸造、塑性加工、焊接、热处理、表面改性等。 冷加工工艺过程： 零件的机械加工工艺过程：研究如何利用切削的原 理使工件成型而达到预定的设计要求（尺寸精度、 形状、位置精度和表面质量）。 机器的装配工艺过程：研究如何将零件或部件进行配 合和连接，使之成为半成品或成品，并达到要求的装 配精度的工艺过程
第二节课程的特点、研究的主要内容和学习方法 、课程的特点 《机械制造技术基础》是机械设计制造及其自动化专业的一门重要的专业基础课程。课程设置 的目的是为学生在制造技术方面奠定最基本的知识和技能基础 该课程是一门实践性很强的课程,须有相应的实践性教学环节与之配合。 二、本课程的主要学习要求 1.掌握金属切削的基本理论,具有根据加工条件合理选择刀具种类、刀具材料、刀具几何参数、 切削用量及切削液的能力。 2.熟悉各种机床的用途、工艺范围,具有通用机床传动链分析与调整的能力。 3.掌握机械制造工艺的基本理论,具备制订机械加工工艺规程和装配工艺规程的能力,学会分 析机械加工过程中产生误差的原因,并能针对具体工艺问题提出相应的改善措施 4.对机械制造技术的新发展有一定的了解。 本课程的学习方法 结合实践环节,按照生产环节的要求理解、学习理论知识。 优质、高产、低成本”是指导机械制造技术工作的基本原则。机械制造人员的任务就是要在 给定的生产条件下,按照预定的供货日期要求,最经济地制造出具有规定质量要求的机器。学习过 程中以此为主线联系各部分内容
1 第二节 课程的特点、研究的主要内容和学习方法 一、课程的特点 《机械制造技术基础》是机械设计制造及其自动化专业的一门重要的专业基础课程。课程设置 的目的是为学生在制造技术方面奠定最基本的知识和技能基础。 该课程是一门实践性很强的课程，须有相应的实践性教学环节与之配合。 二、本课程的主要学习要求 1．掌握金属切削的基本理论，具有根据加工条件合理选择刀具种类、刀具材料、刀具几何参数、 切削用量及切削液的能力。 2．熟悉各种机床的用途、工艺范围，具有通用机床传动链分析与调整的能力。 3．掌握机械制造工艺的基本理论，具备制订机械加工工艺规程和装配工艺规程的能力，学会分 析机械加工过程中产生误差的原因，并能针对具体工艺问题提出相应的改善措施。 4．对机械制造技术的新发展有一定的了解。 三、本课程的学习方法 结合实践环节，按照生产环节的要求理解、学习理论知识。 “优质、高产、低成本”是指导机械制造技术工作的基本原则。机械制造人员的任务就是要在 给定的生产条件下，按照预定的供货日期要求，最经济地制造出具有规定质量要求的机器。学习过 程中以此为主线联系各部分内容
第二章切削过程及其控制 第一节金属切削刀具基础 、切削加工的基本概念 )切削运动与切削中的工件表面 用刀具切除工件材料,刀具和工件之间必须要有一定的相对运动,该相对运动由主运动和进给 运动组成 主运动是使刀具和工件产生主要相对运动以进行 过渡表面 切削 已加工表面 运动(其速度称为切削速度v) 待加工表 进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表 面的运 动(其速度称为进给速度v,) 主运动和进给运动合成后的运动,称为合成切削运动(合 成切削 速度v) 进给运动 在切削过程中,工件上有以下三个变化着的表面: 待加工表面:工件上即将被切除的表面 已加工表面:切去材料后形成的新的工件表面 过渡表面:加工时主切削刃正在切削的表面,它处于已加工表面和待加工表面之间。 二)切削用量 切削用量是指切削速度ν、进给量f(或进给速度vr)和背吃刀量an。三者又称为切削用量 三要素。 1.切削速度v(m/s或m/min) 切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度 计算切削速度时,应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时,切削速度由下 式确定 000 式中d—一工件(或刀具)的最大直径(mm): n一工件(或刀具)的转速(r/s或r/min) 2.进给量f 工件或刀具转一周(或每往复一次),两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量,其单位 是mm/r(或mm/双行程)。对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具,还规定每刀齿进给量f,单位 是mm/z。进给速度、进给量和每齿进给量之间的关系为 3.背吃刀量an(m 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称为背吃刀 量。外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。 式中d—一工件上待加工表面直径(mm) 工件上已加工表面直径(mm) 三)切削层参数
2 第二章 切削过程及其控制 第一节 金属切削刀具基础 一、切削加工的基本概念 （一）切削运动与切削中的工件表面 用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给 运动组成。 主运动是使刀具和工件产生主要相对运动以进行 切削的 运动（其速度称为切削速度 c v ）。 进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表 面的运 动（其速度称为进给速度 f v ）。 主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动（合 成切削 速度 e v ）。 在切削过程中，工件上有以下三个变化着的表面： 待加工表面：工件上即将被切除的表面。 已加工表面：切去材料后形成的新的工件表面。 过渡表面：加工时主切削刃正在切削的表面，它处于已加工表面和待加工表面之间。 （二）切削用量 切削用量是指切削速度 c v 、进给量 f（或进给速度 f v ）和背吃刀量 p a 。三者又称为切削用量 三要素。 1．切削速度 c v （m／s 或 m／min） 切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。 计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下 式确定 1000 dn vc = 式中 d——工件（或刀具）的最大直径（mm）； n——工件（或刀具）的转速 （r／s 或 r／min）。 2．进给量 f 工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位 是 mm／r（或 mm／双行程）。对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每刀齿进给量 z f ，单位 是 mm／z。进给速度、进给量和每齿进给量之间的关系为 f nf nzf z v = = 3．背吃刀量 p a （mm） 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称为背吃刀 量。外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。 2 w m p d d a − = 式中 dw——工件上待加工表面直径（mm）； dm——工件上已加工表面直径（mm）。 （三）切削层参数
切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层 参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。 1.切削层公称厚度hn 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公 称厚度hn(以下简称为切削厚度)。 车外圆时,如车刀主切削刀为直线 2.切削层公称宽度b 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称 宽度b(以下简称为切削宽度)。 如车刀主切削刃为直线 b 前刀面 3.切削层公称横截面积AD 刀头 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层 副切削 主切削刃 公称横截面积A。(以下简称为切削面积)。 副后刀面 刀尖 对于车削 Ap=hpbp = fa 一图23外圆车刀的切削部分 刀具角度 下面以外圆车刀为例,给出刀具几何参数方面的有关定义。 (一)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削部分 (1)前刀面A:切屑沿其流出的刀具表面。 (2)主后刀面Aa:与工件上过渡表面相对的刀具表面。 (3)副后刀面Aa:与工件上已加工表面相对的刀具表面 (4)主切削刃S:前刀面与主后刀面的交线,它承担主要切削工作,也称为主刀刃 (5)副切削刃S:前刀面与副后刀面的交线,它协同主切削刃完成切削工作,并最终形成已 加工表面,也称为副刀刃。 (6)刀尖:连接主切削刃和副切削刀的一段刀刃,它可以是一段小的圆弧,也可以是一段直线。 二)刀具的标注角度 1.刀具标注角度的参考系 刀具要从工件上切除材料,就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面 之间的相对位置 为了确定和测量刀具的角度,必须引人一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。组成刀具 标注角度参考系的各参考平面定义如下: (1)基面P:通过主切削刃上某一指定点,并与该点切削速度方向相垂直的平面。 (2)切削平面P:通过主切削刃上某一指定点,与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。 (3)正交平面P:通过主切削刃上某一指定点,同时垂直于该点基面和切削平面的平面 根据定义可知,上述三个参考平面是互相垂直的,由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交 平面参考系 除正交平面参考系外,常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平 面参考系
3 切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层 参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。 1．切削层公称厚度 Dh 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公 称厚度 Dh （以下简称为切削厚度）。 车外圆时，如车刀主切削刀为直线 D r h = f sin 2．切削层公称宽度 Db 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称 宽度 Db （以下简称为切削宽度）。 如车刀主切削刃为直线 bD ap r = /sin 3．切削层公称横截面积 AD 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层 公称横截面积 AD （以下简称为切削面积）。 对于车削 D D D p A = h b = fa 二、刀具角度 下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。 （一）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削部分。 （1）前刀面 A ：切屑沿其流出的刀具表面。 （2）主后刀面 A ：与工件上过渡表面相对的刀具表面。 （3）副后刀面 ' A ：与工件上已加工表面相对的刀具表面。 （4）主切削刃 S：前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作，也称为主刀刃。 （5）副切削刃 ' S ：前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已 加工表面，也称为副刀刃。 （6）刀尖：连接主切削刃和副切削刀的一段刀刃，它可以是一段小的圆弧，也可以是一段直线。 （二）刀具的标注角度 1．刀具标注角度的参考系 刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面 之间的相对位置。 为了确定和测量刀具的角度，必须引人一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。组成刀具 标注角度参考系的各参考平面定义如下： （l）基面 Pr ：通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。 （2）切削平面 Ps ：通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。 （3）正交平面 Po ：通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。 根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交 平面参考系。 除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平 面参考系
图24正交平面参考系 图25车刀在正交平面参考系中的标注角度 2.刀具的标注角度 在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中 用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中,刀具的主要标注角度有五个,其定义如下(图 2-5): (1)前角y。:在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值 前刀面在基面之上时前角为负值 (2)后角an:在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角,一般为正值。 (3)主偏角K: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 (4)副偏角K,: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 (5)刃倾角As:在切削平面内测量的主切削刃与基面 之间的夹角。在主切削刃上,刀尖为最高点时刃倾角为正值, 刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时,刃 倾角为零 要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置,还需标 注副后角an,副后角确定副 后刀面的空间位置。 3.刀具的工作角度 上面讨论的外圆车刀的标注角度,是在忽略进给运动的 影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上 图26横向进给运动对工作角度的影响 选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响,参考平面 的位置应按合成切削运动方向来确定,这时的参考系称为刀具工作角度参考系。 在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状 态。 (1)进给运动对工作角度的影响 当刀具对工件作切断或切槽工作时,刀具进给运动是沿横向进行的。图2-6所示为切断刀工作 时的情况,当不考虑迸给运动的影响时,按切削速度的方向确定的基面和切削平面分别为P和P 考虑进给运动的影响后,刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线,按合成切削速度ν的方向确 定的工作基面和工作切削平面分别为P和Pse。工作前角y。和工作后角a为
4 2．刀具的标注角度 在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中， 用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个，其定义如下（图 2－5）： （1）前角 o ：在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值， 前刀面在基面之上时前角为负值。 （2）后角 o ：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角，一般为正值。 （3）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。 （4）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。 （5）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。在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值， 刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃 倾角为零。 要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需标 注副后角 ' o ，副后角确定副 后刀面的空间位置。 3．刀具的工作角度 上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的 影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上 选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面 的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。 在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状 态。 （1）进给运动对工作角度的影响 当刀具对工件作切断或切槽工作时，刀具进给运动是沿横向进行的。图 2－6 所示为切断刀工作 时的情况，当不考虑迸给运动的影响时，按切削速度的方向确定的基面和切削平面分别为 Pr 和 Po 。 考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度 e v 的方向确 定的工作基面和工作切削平面分别为 Pre 和 Pse。工作前角 oe 和工作后角 oe 为
yoe =yo +n doe = ao-n n=arctan,/.=arctan f/nd eg Pre 刀具沿纵向进给已进给量/的取值较大时(例如车 螺纹),进给运动对工作角度的影响也不可忽视 (2)刀具安装位置对工作角度的影响 安装刀具时,如刀尖高于或低于工件中心,会引起 刀具工作角度的变化。以图2-8所示车刀车槽为例,若 不考虑车刀横向进给运动的影响,如果刀尖安装得高于 工件中心,基面由Pr变为Pre,切削平面由Ps变为Pe 实际工作前角y。将大于标注前角y。,工作后角将小于 标注后角。 图28刀具安装高低对工作角度的影响 yme=y。+6 a-e 0=arctan 2h/d 如果刀尖安装低于工件中心,则 工作角度的变化情况恰好相反。 当车刀刀杆中心线与进给方向 不垂直时,会引起工作主偏角K和 工作副偏角K的改变。 刀具材料 图29刀杆中心线与进给方向不垂直对主偏角和副偏角的影响 刀具切削性能的优劣取决于刀 具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影 响极大。 (一)刀具材料的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求: (1)较高的硬度和耐磨性 (2)足够的强度和韧性 (3)较高的耐热性 (4)良好的导热性和耐热冲击性能 (5)良好的工艺性 二)常用刀具材料 刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前,在生产中所用 的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差,仅用于手工或切 削速度较低的刀具。 1.高速钢 高速钢是加人了较多的钨(W)、铝(Mo)。铬(Cr)、钒门)等合金元素的高合金工具钢。高 速钢具有较高的硬度(62-67HRC)和耐热性,在切削温度高达500-650℃时仍能进行切削;高速 钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的2一3倍,陶瓷的5-6倍)、韧性好,可在有冲击、振动的 场合应用:它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、髙温合金等范围广泛的材料。高速钢的制造 工艺性好,容易磨出锋利的切削刃,适于制造各类刀具,尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿
5 v f vc f d切 oe oe o arctan / arctan / 0 = = = − = + 刀具沿纵向进给已进给量／的取值较大时（例如车 螺纹），进给运动对工作角度的影响也不可忽视。 （2）刀具安装位置对工作角度的影响 安装刀具时，如刀尖高于或低于工件中心，会引起 刀具工作角度的变化。以图 2－8 所示车刀车槽为例，若 不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装得高于 工件中心，基面由 Pr 变为 Pre，切削平面由 Ps 变为 Pse， 实际工作前角 oe 将大于标注前角 o ，工作后角将小于 标注后角。 h d oe o oe o = arctan 2 / = − = + 如果刀尖安装低于工件中心，则 工作角度的变化情况恰好相反。 当车刀刀杆中心线与进给方向 不垂直时，会引起工作主偏角 re 和 工作副偏角 ' re 的改变。 三、刀具材料 刀具切削性能的优劣取决于刀 具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影 响极大。 （一）刀具材料的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求： （1）较高的硬度和耐磨性 （2）足够的强度和韧性 （3）较高的耐热性 （4）良好的导热性和耐热冲击性能 （5）良好的工艺性 （二）常用刀具材料 刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用 的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切 削速度较低的刀具。 l．高速钢 高速钢是加人了较多的钨（W）、铝（Mo）。铬（Cr）、钒门）等合金元素的高合金工具钢。高 速钢具有较高的硬度（62－67HRC）和耐热性，在切削温度高达 500－650℃时仍能进行切削；高速 钢的强度高（抗弯强度是一般硬质合金的 2－3 倍，陶瓷的 5－6 倍）、韧性好，可在有冲击、振动的 场合应用；它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。高速钢的制造 工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿
轮刀具等形状复杂的刀具。 高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢;按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉 末冶金高速钢。 普通高速钢是切削硬度在250-280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料,切削普 通钢料时的切削速度一般不高于40-60m/min 髙性能髙速钢是在普通髙速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钻、铝等合金元素熔炼 而成,其耐热性好,在630-650T时仍能保持接近60HRC的硬度,适用于加工高温合金、钛合金 奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。 粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体(氢气或氮气)把钢水雾化成粉末后,再经过热压锻轧成 材。这种钢有效地解决了熔炼高速钢的碳化物共晶偏析问题,结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相 比,粉末冶金高速钢材质均匀,韧性好,硬度髙,热处理变形小,质量稳定,刃磨性能好,刀具寿 命较高。可用它切削各种难加工材料,特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具 2.硬质合金 硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(wC、TC等)和金属粘结剂(C。,Ni等)在高温 条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89-93HRA,760℃时其硬度为77一 85HRA,在800-1000t时硬质合金还能进行切削,刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍,可加工 包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差,常温下的冲击韧性仅为高速钢 的1/8-1/30,因此,硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金是最常用的刀具材料 之一,常用于制造车刀和面铣刀,也可用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形 状复杂的刀具,可采用整体硬质合金制造;但整体硬质合金刀具成本高,其价格是高速钢刀具的 ISO(国际标准化组织)把切削用硬质合金分为三类:P类、K类和M类。 P类(相当于我国YT类)硬质合金由WC、TC和CO组成,也称钨钛钻类硬质合金。这类合 金主要用于加工钢料。 K类(相当于我国YG类)硬质合金由WC和CO组成,也称钨钻类硬质合金。这类合金主要 用来加工铸铁、有色金属及其合金。 M类(相当于我国YW类)硬质合金是在WC、TC、C。的基础上再加人TaC(或NbC)而 成。加人TaC(或NbC)后,改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有 色金属,又可以加工钢料,还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料,有通用硬质合金之称。 (三)其他刀具材料 1.陶瓷 用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类:氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。 2.立方氨化硼 立方氮化硼(CBN)是由六方氨化硼经高温高压处理转化而成,其硬度高达8000HV,仅次于 金刚石。CBN是一种新型刀具材料,它可耐1300-1500℃的高温,热稳定性好;它的化学稳定性 也很好,即使温度高达1200-1300℃也不与铁产生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和 普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。 3.人造金刚石 金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两种,由于天然金刚石价格昂贵,工业上多使用人造金刚 石。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)。聚晶金刚石的晶粒随机排列,属各向同性 体,常用于制造刀具。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用,在高温高压条件下由石墨转化而成。 金刚石的硬度高达6000~-10()H,是目前已知的最硬物质,可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅 铝合金等高硬度、高耐磨材料。人造金刚石目前主要用于制作磨具及磨料,用作刀具材料主要用于 有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态,遇热易氧化和石墨化,用金刚石刀具进行切 削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜 加工铁族元素,因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大,刀具寿命低 6
6 轮刀具等形状复杂的刀具。 高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉 末冶金高速钢。 普通高速钢是切削硬度在 250－280HBS 以下的大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普 通钢料时的切削速度一般不高于 40－60m／min。 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钻、铝等合金元素熔炼 而成，其耐热性好，在 630－650T 时仍能保持接近 60HRC 的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、 奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。 粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体（氢气或氮气）把钢水雾化成粉末后，再经过热压锻轧成 材。这种钢有效地解决了熔炼高速钢的碳化物共晶偏析问题，结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相 比，粉末冶金高速钢材质均匀，韧性好，硬度高，热处理变形小，质量稳定，刃磨性能好，刀具寿 命较高。可用它切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。 2．硬质合金 硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TIC 等）和金属粘结剂（C。，Ni 等）在高温 条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达 89－93HRA，760℃时其硬度为 77－ 85HRA，在 800－1000t 时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工 包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢 的 1／8－l／30，因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金是最常用的刀具材料 之一，常用于制造车刀和面铣刀，也可用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形 状复杂的刀具，可采用整体硬质合金制造；但整体硬质合金刀具成本高，其价格是高速钢刀具的 8 －10 倍。 ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P 类、K 类和 M 类。 P 类（相当于我国 YT 类）硬质合金由 WC、TIC 和 CO 组成，也称钨钛钻类硬质合金。这类合 金主要用于加工钢料。 K 类（相当于我国 YG 类）硬质合金由 WC 和 CO 组成，也称钨钻类硬质合金。这类合金主要 用来加工铸铁、有色金属及其合金。 M 类（相当于我国 YW 类）硬质合金是在 WC、TIC、C。的基础上再加人 TaC（或 NbC）而 成。加人 TaC（或 NbC）后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有 色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。 （三）其他刀具材料 1．陶瓷 用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。 2．立方氨化硼 立方氮化硼（CBN）是由六方氨化硼经高温高压处理转化而成，其硬度高达 8000HV，仅次于 金刚石。CBN 是一种新型刀具材料，它可耐 1300－1500℃的高温，热稳定性好；它的化学稳定性 也很好，即使温度高达 1200－1300℃也不与铁产生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和 普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。 3．人造金刚石 金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两种，由于天然金刚石价格昂贵，工业上多使用人造金刚 石。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）。聚晶金刚石的晶粒随机排列，属各向同性 体，常用于制造刀具。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成。 金刚石的硬度高达 6000－1000（）H，是目前已知的最硬物质，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅 铝合金等高硬度、高耐磨材料。人造金刚石目前主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于 有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态，遇热易氧化和石墨化，用金刚石刀具进行切 削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜 加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低
第二讲 第二节金属切削过程中的变形 、切屑的形成过程 1.变形区的划分 切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程 图2-10是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。流线表 明被切削金属中的某一点在切削过程中流动的轨迹。切削过程中,切削层金属的变形大致可划分为 三个区域 (1)第一变形区从OA线开始发生塑性变形,到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA 线和OM线之间的区域(图中I区)称为第一变形区。 图2-10金属切削过程中的滑移线和流线示意图 图2-11第一变形区金属的剪切滑移 (2)第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦,使靠近前刀面处的金 属纤维化,基本上和前刀面平行。这一区域(图中Ⅱ区)称为第二变形区。 3)第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦,造成表层金属纤维 化与加工硬化。这一区(图中Ⅲ区)称为第三变形区。 在第一变形区内,变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形,以及随之产生的加工硬化。OA 称作始滑移线,OM称作终滑移线。 当金属沿滑移线发生剪切变形时,晶粒会伸长。晶粒伸长的方向与滑移方向(即剪切面方向) 是不重合的,它们成一夹角v。在一般切削速度范围内,第一变形区的宽度仅为0.02-0.2mm, 所以可以用一剪切面来表示(图2-12)。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角,以φ表示。 图2-12滑移与晶粒的伸长 图2-13切屑形成过程示意图 2.切屑的受力分析 在直角自由切削的情况下,作用在切屑上的力有:前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff:剪切面 上的正压力Fns和剪切力Fs;这两对力的合力互相平衡,如图2-14所示
7 第二讲 第二节 金属切削过程中的变形 一、切屑的形成过程 1．变形区的划分 切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。 图 2-10 是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。流线表 明被切削金属中的某一点在切削过程中流动的轨迹。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为 三个区域： （1）第一变形区 从 OA 线开始发生塑性变形，到 OM 线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA 线和 OM 线之间的区域（图中Ⅰ区）称为第一变形区。 （2）第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金 属纤维化，基本上和前刀面平行。这一区域（图中Ⅱ区）称为第二变形区。 （3）第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维 化与加工硬化。这一区（图中Ⅲ区）称为第三变形区。 在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。OA 称作始滑移线，OM 称作终滑移线。 当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。晶粒伸长的方向与滑移方向（即剪切面方向） 是不重合的，它们成一夹角 ψ。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为 0．02－0．2mm， 所以可以用一剪切面来表示（图 2－12）。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以φ表示。 2．切屑的受力分析 在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力 Fn 和摩擦力 Ff；剪切面 上的正压力 Fns 和剪切力 Fs；这两对力的合力互相平衡，如图 2－14 所示
切屑 图2-15直角自由切削时力与角度的关系 图2-14作用在切屑上的力 I cos(A+B-2) sin Pcos(f+p-y)(2-8) F。=Fcs(B-y。)9(中+B-7)(29) Fp=Fsin(B-y。)= rapin(B-y。) sincos(中+B-y。) 如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力F和Fp,在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的 条件下,即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角β,进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数u tan(B-y)= 二、切削变形程度 切削变形程度有三种不同的表示方法,分述如下。 1.变形系数A 图2-16变形系数A的计算 在切削过程中,刀具切下的切屑厚度h通常都大于 工件切削层厚度h,而切屑长度lh却小于切削层长度l切屑厚度h与切削层厚度h之比称为厚 度变形系数An;而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数An hk OM sin(90-中+Yn)cos(中-y。) OM sin中 由于切削层变成切屑后,宽度变化很小,根据体积 不变原理,可求得 相对滑移 既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移, 当然就可以用相对滑移(剪应变)。来衡量切削过程的变 形程度。图2-17中,平行四边形ONM发生剪切变形 图2-17剪切变形示意图 后,变为平行四边形OCPM,其相对滑移 8
8 如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力 Fc和 Fp，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的 条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角β，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数μ。 二、切削变形程度 切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。 1．变形系数 h 在切削过程中，刀具切下的切屑厚度 hch 通常都大于 工件切削层厚度 hD，而切屑长度 lch 却小于切削层长度 lc。切屑厚度 hch 与切削层厚度 hD 之比称为厚 度变形系数 ha ；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数 hl 。 由于切削层变成切屑后，宽度变化很小，根据体积 不变原理，可求得 ha ＝ hl =h 2．相对滑移。 既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移， 当然就可以用相对滑移（剪应变）。来衡量切削过程的变 形程度。图 2-l7 中，平行四边形 OllNM 发生剪切变形 后，变为平行四边形 OCPM，其相对滑移
△ S NP NK+KP △ y MK MK E=cot+tan(中-y (2-12) 3.剪切角φ 在剪切面上,金属产生了滑移变形,最大剪应力就在剪切面上。图2-15为直角自由切削状态 下的作用力分析,在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零,切削合力F的方向就是主应力的 方向。根据材料力学平面应力状态理论,主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45,即Fs与F 的夹角应为45,故有 中+B-y 分析上式可知 1)前角增大时,剪切角随之增大,变形减小。这表明 增大刀具前角可减少切削变形,对改善切削过程有利。 2〕摩擦角增大时,剪切角随之减小,变形增大。提高 刀具刃磨质量、采用润滑性 能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数,有图219积屑瘤前角x和伸出量△h 利于改善切削过程 、前刀面上的摩擦 经测定,切削钢材时,刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和切向应力τ。在切屑与刀具前 刀面接触的OB长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的OA区,由于正应力值大,切屑 在前刀面上形成粘结接触,在此区域内,各点的切应力τ基本相同,它等于被切材料的剪切屈服强 度τs:在AB区,由于正应力小,切屑在前刀面上形成滑动接触,切屑相对于前刀面的摩擦特性服 从古典摩擦法则,各点的摩擦系数μ相同,切应力τ=uo 粘结接触区上各点的摩擦系数 由于σ(x)随x变化,故在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值,离切削刃越远,摩 擦系数越大,其平均摩擦系数 T OA 1平均 bpl o(x)dx o(x)d 四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 1.积屑瘤的形成及其影响 在切削速度不高而又能形成带状切履的情况下,加 切削速度v2(m,min-) 一般钢料或铝合金等塑性材料时,常在前刀面切削处粘着 块剖而三角的硬热〔閡3~19)宸的硬度很赢,通图220积屑瘤高度与切削速度的关系 黨是忑件材料硬度的3~3貸,这抉糙附在煎双面上的淾属称为积履瘢。 切削时,切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦,当接触面达到一定温度,同时又存在较高压力时 被切材料会粘结(冷焊)在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时,如果 温度与压力适当,切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上,粘成一体,使 粘结层逐步长大,形成积屑瘤。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压 9
9 3．剪切角φ 在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图 2-15 为直角自由切削状态 下的作用力分析，在垂直于切削合力 F 方向的平面内剪应力为零，切削合力 F 的方向就是主应力的 方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为 45，即 Fs 与 F 的夹角应为 45，故有 分析上式可知： 1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明 增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。 2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高 刀具刃磨质量、采用润滑性 能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有 利于改善切削过程。 三、前刀面上的摩擦 经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和切向应力τ。在切屑与刀具前 刀面接触的 OB 长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的 OA 区，由于正应力值大，切屑 在前刀面上形成粘结接触，在此区域内，各点的切应力τ基本相同，它等于被切材料的剪切屈服强 度τs；在 AB 区，由于正应力小，切屑在前刀面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面的摩擦特性服 从古典摩擦法则，各点的摩擦系数μ相同，切应力τ=μσ。 粘结接触区上各点的摩擦系数 由于σ(x)随 x 变化，故在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值，离切削刃越远，摩 擦系数越大，其平均摩擦系数 四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 1．积屑瘤的形成及其影响 在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工 一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着 一块剖面呈三角状的硬块（图 2－19），它的硬度很高，通 常是工件材料硬度的 2－3 倍，这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。 切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时， 被切材料会粘结（冷焊）在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果 温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊” 在前刀面上的金属层上，粘成一体，使 粘结层逐步长大，形成积屑瘤。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压