机械制造技术基础

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2024年5月24日发(作者：)

制造技术：就是按照人们所需要的目的，运用知识和技能，利用客观物质工具，是原材料转

变为产品的技术总称。

在机械制造领域中，机械制造技术主要包括了机械设计技术，机械加工工艺技术，基础设施

及其支撑技术等内容。

第一节 金属切削的基本概念

金属材料的切削过程是一个通过刀具与工件之间的相对切削运动，将工件上多余的金属层切

除，从而得到的所需要的零件几何形状的过程。

一、切削成型运动的组成：

1主运动：是切削中刀具和工件之间最主要的相对运动，是刀具切除工件的切削层，形成新

的工件表面。

2进给运动：是刀具与工件间附加的相对运动，他配合主运动连续不断的切削工件，获得具

有所需几何特征的已加工表面。

二、工件加工中的表面：

在切削过程中，工件上形成了三个不断变化着的表面

（1）待加工表面（2）已加工表面（3）过度表面

三、切削层及切削用量三要素：

1. 切削层：（1）切削层公称厚度A

c

(2) 切削层公称宽度A

w

（3） 切削公称横截面面积A

c

2. 切削用量：（1）主切削速度V

c

（2）进给量f（3）切削深度A

p

第二节 刀具切削部分的几何角度

一、刀具切削部分的组成

（1）前刀面：前刀面是指刀具上切屑流过的表面

（2）后刀面：后刀面是指刀具上同前刀面相交形成主切削刃的后面 （一尖二刃三面）

（3）副后刀面：副后刀面是指到刀具上同前刀面相交形成副切削刃的后面

二、刀具切削部分的几何角度

1、测量刀具角度的参考系：

（1）基面P

r

：基面就是通过切削刃选定点并平行或垂直与刀具在制造，刃磨及测量时适合

于安装或定位的一个平面或轴线。

（2）切削平面P

s

：切削平面就是通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。

（3）正交平面P

0

：正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于基面的平面

（4）法平面P

n

：法平面是指通过切削刃选定点垂直于主切削刃的平面

2、刀具角度的定义：

（1）前角γ

0

：前角是前刀面与及基面间的夹角，在正交平面P

0

中测量。

（2）后角α

0:

：后角是后刀面与切削平面间的夹角，在正交平面中测量。

（3）楔角β

0

：楔角是前刀面与后刀面的夹角，在正交平面中测量。

（4）主偏角k

r

：主偏角是主切削平面与假定工作平面之间的夹角，在基面中测量。

（5）副偏角k'

r

：副偏角是副切削平面与假定工作平面之间的夹角，在基面中测量。

（6）刀尖角ε

r

：刀尖角是主切削平面P

s

与副切削平面P'

s

之间的夹角,在基面中测量。

（7）刃倾角λ

s

：它是主切削刃与基面之间的夹角。在切削平面中测量。

第三节 刀具材料

一、刀具材料应具备的基本性能要求：

（1）硬度高

（2）足够的强度和韧性：一般用刀具材料的抗弯强度

σ

bb

（单位为P

a

=N/M

2

）表示它的强

度大小。用冲击韧度

a

k

（单位为J/m

2

）表示其韧度的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂和

崩刃的能力。

（3）耐磨性和耐热性：一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和

耐热性有着密切的关系。其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的能力即高温硬度来衡

量，或叫热硬性。

（4）导热性好

（5）工艺性好

（6）经济性好

刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料五大类，目前应用最多的是

高速钢和硬质合金。

二、常用的刀具材料即用途：

1、高速钢

2、硬质合金

热硬性可达800~1000摄氏度以上，允许的切削速度比高速钢提高4~7倍，但普通硬

质合金的抗弯强度只有高速钢的1/3~1/2，冲击韧度大约只有高速钢的1/4,即脆性较大，因

此承受冲击和抗弯能力较低。

超细晶粒硬质合金与普通硬质合金相比，主要有以下特点：

（1）提高了硬质合金的硬度和耐磨性

（2）提高了抗弯强度和冲击韧度

（3）可以磨出非常锋利的刀刃和刀尖圆弧半径

3、陶瓷刀具

陶瓷刀具与硬质合金相比主要有一下特点：

（1）有很高的硬度和耐磨性

（2）有很好的高温性能

（3）有很好的化学稳定性和抗黏接性能

（4）摩擦系数低

（5）强度和韧性差，热导率低

4、超硬刀具材料

（1）人造金刚石及其聚晶体（PCD）的性能特点

1）有极高的硬度和耐磨性

2）有锋利的切削刃

3）有很高的导热性

4）耐热性较差

5）强度很低

（2）立方氮化硼（CBN）的性能特点

1）硬度高

2）热稳定性好

3）化学稳定性好

4）有较高的热导率和较小的摩擦系数

5）强度及韧性很差

5、涂层类刀具

高速钢涂层适用于以下刀具：

1）沿前面重磨得复杂工具

2）用于加工难加工材料时的刀具

3）硬质合金涂层刀具

硬质合金涂层刀具注意以下几点

1）硬质合金刀片在涂覆后强度和韧性都有所下降，不适合重负荷或冲击大的粗加工，也不

适合高硬材料的加工

2）为增加涂层刀片的刀刃强度，涂层前，切削刃须经钝化处理，因而发哦片切削刃锋利程

度减少，不适合进给量很小的精密切削

3）涂层刀片在低速切削时容易产生剥落崩刃现象。

金刚石涂层刀具

第四节 金属切削过程及切削参数选择

一、常规切削与高速切削

死谷：对于每一种材料，存在一个从V

1

到V

h

的速度范围，在这个速度范围内，由于切削温

度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能工作，这个范围被称之为“死谷”。

二、金属切削过程中的材料变形规律

金属切削过程实质上是被切削金属层在刀具偏挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程。

直角自由切削含义：（1）只有一条直线切削刃参加切削（2）切削刃与合成切削速度V

e

垂直。

1）第一变形区（剪切滑移变形区）

剪切面OM切削速度方向的夹角称为剪切角φ，剪切角越小，导致材料剪切面越宽，则剪

切面上的剪切力也大，切削越厚；相反，剪切角越大，剪切面越窄，则剪切变形越小，剪切

力越小。

默钱特方程：2φ+β-γ

0

=π/2（摩擦角为β）

1）当刀具前角γ

0

增大时，φ角随之增大，切削变形减少。在保证刀具切削刃强度的条件下，

增大刀具前角γ

0

，可以改善切削过程。

2）当摩擦角β减少时，φ角随之增大，切削变形减少。因此在低速切削时，采用切削液以

减少前刀面上的摩擦系数是很重要的。

2）第二变形区（纤维化变形区）

滞留层金属发生强烈的塑性变形，其变形量可达到第一变形区的几十倍，使靠近前刀面处金

属纤维化，基本上和前刀面相平行，这部分叫做第二变形区，又称为纤维化区。有剧烈的挤

压和摩擦所引起的切屑底层金属的剧烈变形和刀屑界面温度的升高是第二变形区的特点。

3）第三变形区（纤维化与加工硬化变形区）

指工件过度表面和已加工表面金属层受切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦产生塑性变

形的区域，造成表层金属的纤维化和加工硬化。

三、切削中材料变形程度的度量

厚度变形系数ξ

a

为切屑厚度与切削厚度之比

长度变形系数ξ

L

为切削层长度与切屑长度之比

ξ

a

与ξ

L

之和值越大，表示切出的切屑越厚越短，变形越大。

四、切削的类型

1）带状切屑

2）节状切屑

3）粒状切屑

在形成节状切屑条件下，减少前角或增大切削层公称厚度，并采用很低的切削速度就可形成

粒状切屑；反之，增大前角，提高切削速度，减少切削层公称厚度则可形成带状切屑。

4）崩碎切屑

切削脆性金属（如高硅铸铁、白口铁、青铜等）时，由于材料的变形能力很小，切削层往往

未经明显的塑性变形即突然崩裂而成为切屑，并使已加工表面凹凸不平。

避免方法：减少切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料

的塑性

五、切削过程中积屑瘤和鳞刺现象

切削塑性金属时，往往会在切削刃口附近黏结堆积成楔状或鼻状的金属块，它包围着切削刃，

且覆盖着靠近刀刃的部分前刀面，这种堆积物叫做积屑瘤。

影响积屑瘤的因数有很多，主要有工件材料，切削速度、切削液、刀具表面质量、刀具前角

以及刀具材料等切削条件。

鳞刺是在已加工表面上出现的鳞片状反刺现象。

六、切削力和切削功率

切削力：金属切削时，刀具切入工件材料，使被加工材料发生变形，并成为切削所需要的力。

切削力的来源：（1）克服被加工材料对弹性变形的抗力（2）克服被加工材料对塑性变形的

抗力（3）克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。

切削力F

C

-----------总切削力F在主运动方向上的分力，与主切削速度方向一致。

背向力F

P

-----------总切削力F在垂直于工作平面方向上的分力，它会使工件弯曲变形，对工

件精度影响较大，且F

P

大时易产生振动。

进给力F

f

------------总切削力F在进给运动方向上的分力。

本文标签： 切削刀具材料变形平面