金属切削原理与刀具教案.docx
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金属切削原理与刀具教案
授课时间
第1周第节课年月日
课次
1
授课方式
（请打√）
理论课（√）讨论课（）实践课（）
习题课（）其他（）
课时安排
2
授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削加工的基本知识
知识点1切削运动知识点2切削要素
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1、了解切削运动的概念；
2、掌握切削用量三要素及其计算方法；
3、熟悉切削层参数的基本要素。
要求：
熟练应用切削三要素
教学内容重点及难点：
重点：
切削运动
难点：
切削用量三要素
教具
多媒体
作业
思考题
1.
2.
课后小结
教学基本内容
方法及手段
金属切削加工的基本知识
一、切削运动
1．概念
在机床上切削工件，工件与刀具之间要有相对运动，这个相对运动称为切削运动。
金属切削加工的形式虽然有多种，但它们在切削运动、切削用量、切削刀具及切削过程中产生的物理现象有着共同规律。
这些规律揭示了金属切削加工的实质，是学习和研究各种加工方法，合理选择刀具及其切削部分几何参数和切削用量，充分发挥刀具切削效能，保证加工质量，提高机械加工生产率的理论基础。
2．外圆的母线沿直导线运动时就形成了工件上的外圆表面，故工件的旋转运动和车刀的纵向直线运动就是车削外圆时的切削运动。
教学基本内容
二、切削运动
1.主运动
主运动是使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。
主运动的速度最高，所消耗的功率也最大。
换句话说，主运动就是从工件上切除金属所必须的运动。
在切削运动中，主运动只有一个。
2.进给运动
进给运动是不断地把被切削层投入切削，以逐渐切削出整个表面的运动。
进给运动一般速度较低，消耗的功率较少，可由一个或多个运动组成，可以是连续的，也可以是间断的。
3.三种表面
待加工表面
待加工表面是指即将切去的表面。
已加工表面
已加工表面是指切削后得到的表面。
过渡表面
过渡表面是指正在被切削的表面
4.切削用量三要素
教学基本内容
方法及手段
切削速度
进给量f
背吃刀量
5.切削用量的选择
处理好效率与精度的关系是选择切削用量的关键所在。
切削用量总的选择原则是：
粗加工以效率为主，精加工以精度为主。
一般顺序为：
先选择背吃刀量，再选择进给量，最后选择切削速度。
6.切削层参数
1.切削层公称横截面积
2.切削层公称宽度
3.切削层公称厚度
参考资料：
《金属切削原理与刀具》戴乃昌聂辉文
备注：
注：
课程教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份；重复班授课可不另填写教案。
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课时安排
2
授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削刀具的基本知识
知识点1刀具材料知识点2刀具的组成和结构
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1．了解刀具材料应具备的性能；
2．能够根据加工实际选用刀具材料；
3．熟悉刀具的组成及结构；
要求：
掌握刀具的几何角度和工作角度。
教学内容重点及难点：
重点：
能够根据加工实际选用刀具材料
难点：
刀具的几何角度和工作角度
教具
多媒体
作业
思考题
课后小结
教学基本内容
方法及手段
金属切削加工的基本知识
一、刀具材料
金属切削刀具是用于从工件表面上切除多余金属层的带刃工具，是完成零件切削加工的重要组成部分，刀具切削性能的优劣将直接影响切削加工的生产率、质量和成本。
刀具标准可参照：
GB/T6117.3—2010。
选择刀具材料时，很难找到各方面的性能都是最佳的刀具材料，因为其性能之间是相互制约的，所以只能根据工艺需要保证主要需求的性能。
1.高硬度和高耐磨性
2.足够的强度与冲击韧性
3.高耐热性
4.好的导热性和小的膨胀系数
5.良好的工艺性和经济性
教学基本内容
刀具材料的种类及其选择
1.低速切削时的刀具材料
部分刀具常用工具钢
2.高速切削时的刀具材料
1）P类硬质合金
主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色（包括P01～P50）作为标志。
2）K类硬质合金
主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色（包括K10～K40）作为标志。
3）M类硬质合金
主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作为标志，又称为通用硬质合金。
3.其他刀具材料
1.陶瓷刀具材料
2.人造金刚石
3.立方氮化硼
二、刀具的组成和结构
教学基本内容
方法及手段
刀面
1.前刀面2.后刀面
切削刃
1.主切削刃2.副切削刃
刀尖
刀尖是指主切削刃与副切削刃的交点或主切削刃与副切削刃间的过渡弧（也称为过渡刃）。
刀尖的类型主要有切削刃交点、圆弧刀尖、倒棱刀尖等。
参考资料：
《金属切削原理与刀具》戴乃昌聂辉文主编
备注：
注：
课程教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份；重复班授课可不另填写教案。
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3
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授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削刀具的基本知识
知识点3刀具的几何角度知识点4刀具的工作角度
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1．了解刀具材料应具备的性能；
2．能够根据加工实际选用刀具材料；
3．熟悉刀具的组成及结构；
要求：
刀具的几何角度和工作角度。
教学内容重点及难点：
重点：
能够根据加工实际选用刀具材料
难点：
刀具的几何角度和工作角度
教具
多媒体
作业
思考题
1.
2.
课后小结
教学基本内容
方法及手段
金属切削加工的基本知识
三、刀具的几何角度
1、刀具角度参考系
基面
通过切削刃上某选定点，与假定的主运动方向垂直的平面称为基面，用符号Pr表示。
切削平面
通过切削刃上某选定点，包含主切削刃或与主切削刃相切并垂直于基面Pr的平面称为切削平面，用符号Ps表示。
正交平面
通过切削刃上某选定点，同时垂直于基面Pr与切削平面Ps的平面称为正交平面，用符号Po。
教学基本内容
2、刀具的标注角度
前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角、楔角、刀尖角
上述八个角度中，前六个为刀具的基本角度，其余均为派生角度。
刀具角度的换算
法平面与正交平面内前、后角的关系
法向前角与前角的关系为：
法向后角和后角的关系为：
教学基本内容
方法及手段
2.任意平面与正交平面内前、后角的关系
四、刀具的工作角度
刀具工作角度的含义
刀具工作角度是刀具在工作时的实际切削角度，即在考虑刀具的具体安装情况和运动影响的条件下而确定的角度。
进给量对刀具工作角度的影响
当考虑横向进给运动后，切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹，是主运动和横向进给运动的合成运动轨迹，为阿基米德螺旋线。
其合成运动方向为过切削刃上选定点的阿基米德螺旋线的切线方向。
结果引起了切断刀的角度变化。
刀具安装位置对其工作角度的影响
1.刀具安装高低的影响
2.刀杆轴线与进给运动方向不垂直的影响
参考资料：
《金属切削原理与刀具》戴乃昌聂辉文主编
备注：
注：
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4
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授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削加工中主要现象与规律
知识点1切屑变形与切屑形成过程知识点2切削力
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1．熟悉切屑变形与切屑形成过程；
2．了解影响切屑变形的主要因素；
3．掌握切削力及切削效率的计算；
要求：
切削温度的测量方法以及切削温度对切削过程的影响；
教学内容重点及难点：
重点：
影响切屑变形的主要因素
难点：
切削力及切削效率的计算
教具
多媒体
作业
思考题
课后小结
教学基本内容
方法及手段
金属切削加工中主要现象和规律
一、金属切削过程的变形
1．金属切削加工时，刀具通过切削运动从工件上切下多余的金属层（切削层）形成切屑，获得需要的已加工表面。
在切削加工的整个过程中，刀具与工件之间始终存在着切除和反切除这一对矛盾，由此产生了一系列的加工现象。
本单元将从加工现象出发来认识切削加工的本质和规律，以帮助大家更合理地使用刀具和机床，保证切削加工质量，减少能量消耗，提高生产效率。
2．切屑是金属切削过程中切削层金属经过刀具的作用而形成的，金属切削过程的一切物理变化和化学变化都是因为形成切屑而引起的。
金属切削过程变形区的划分
教学基本内容
3．切屑的形成过程
切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的。
金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。
4．切屑的形态
带状切屑、节状切屑、粒状切屑、崩碎切屑
5．切屑变形程度的度量和计算
切屑变形系数、相对滑移
6．影响切屑变形的主要因素
工件材料的影响
工件材料的强（硬）度越高，刀具前刀面上的法向应力越大，摩擦系数μ越小，剪切角φ越大，切屑变形越小。
刀具几何参数的影响
刀具几何参数中影响切屑变形最大的是刀具前角γo。
刀具前角γo越大，剪切角φ就越大，切屑变形越小。
这是刀具前角γo对切屑变形的直接影响。
切削用量的影响
教学基本内容
方法及手段
1）切削速度的影响2）进给量的影响3）背吃刀量的影响
二、切削力
1．切削力的来源
金属切削时，刀具切入工件使切削层金属转变成切屑所需要的力称为切削力。
2．总切削力、分力和切削功率
1）切削力
切削力Fc作用于切削平面内，即切削刃上选定点的切削速度方向上，消耗机床的主要功率，是计算切削功率，选取机床电动机功率和设计机床主传动机构的依据。
2）背向力
背向力Fp作用于基面内，与吃刀方向一致，它能使工件产生变形，是校验机床主轴在水平面内刚度及相应零部件强度的依据。
3）进给力
进给力又称为轴向力，是进给方向的分力
切削功率
切削过程中，各分力消耗功率的总和称为切削功率，用符号Pc表示，单位为kW。
车削时，由于背面力和进给力消耗的功率很小，可忽略不计，因而主运动消耗的功率即为总的切削功率，即：
影响切削力的主要因素
1．工件材料的影响
2．刀具几何参数的影响
前角的影响、主偏角的影响、刃倾角的影响
3．切削用量的影响
切削速度的影响、背吃刀量和进给量的影响
4．其他因素的影响
刀具材料的影响、后刀面磨损的影响、刀具刃磨质量的影响、切削液的影响
参考资料：
《金属切削原理与刀具》戴乃昌聂辉文主编
备注：
注：
课程教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份；重复班授课可不另填写教案。
授课时间
第3周第节课年月日
课次
5
授课方式
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理论课（√）讨论课（）实践课（）
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授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削加工中主要现象与规律
知识点3切削热与切削温度知识点4刀具磨损与刀具耐用度
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1．熟悉切削温度的测量方法以及切削温度对切削过程的影响；
2．了解刀具磨损的原因和形式；
3．能够正确选用刀具耐用度。
要求：
教学内容重点及难点：
重点：
刀具磨损的原因和形式
难点：
能够正确选用刀具耐用度
教具
多媒体
作业
思考题
1.
2.
课后小结
教学基本内容
方法及手段
金属切削加工中主要现象和规律
三、切削热的产生和传出
1．切削热的产生
金属塑性变形的能量全部转变为热能而散失。
在金属切削过程中工件上有三个塑性变形区，每个塑性变形区都是一个热源。
因此，切削时共有三个热源。
教学基本内容
2．切削热的传出
切屑、工件和刀具中切削热的分布
切削热传入对象
切屑
工件
刀具
周围介质
车削
50%～86%
3%～9%
10%～40%
1%
钻削
28%
52.5%
14.5%
5%
3．影响切削温度的主要因素
1）工件材料的影响
2）刀具几何参数的影响
3）切削用量的影响
4）刀具磨损和切削液的影响
4.切削温度对切削过程的影响
1）.对工件材料机械性能的影响。
2）对刀具材料的影响。
3）对工件尺寸精度的影响。
4）切削温度自动控制切削速度或进给量。
4.刀具磨损与刀具耐用度
1.前刀面磨损2.刀面磨损3.边界磨损
刀具磨损的形态
刀具磨损的原因
（1）切屑、工件和刀具接触面经常是活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等的污染。
（2）刀具前刀面和后刀面与工件表面的接触压力非常大，产生的应力有时甚至超过
被切材料的屈服强度
教学基本内容
方法及手段
（3）切屑、工件和刀具接触面的温度很高。
硬质点磨损、黏结磨损、化学磨损、扩散磨损
5．刀具磨损过程与磨钝标准
随着切削时间的延长，刀具后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损量KT）随之增加。
如图所示为典型的刀具磨损曲线，其磨损过程分为初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。
初期磨损阶段
因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具的后面存在着微观不平等缺陷，所以，这一阶段的磨损很快。
正常磨损阶段
经过初期磨损后。
刀具的粗糙不平表面已经被磨平，刀具进入正常磨损阶段
急剧磨损阶段
刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。
刀具磨损到一定限度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和表面质量，这个磨损限度称为磨钝标准。
6．刀具耐用度
一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间称为刀具耐用度，用符号T表示，单位为min。
切削用量与刀具耐用度的关系
7．刀具的破损
刀具的塑性破损是指切削时，由于高温和高压的作用，在前刀面、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。
刀具的塑性破损直接与工件材料和刀具材料的硬度比有关。
硬度比越高，越不容易发生塑性破损
参考资料：
《金属切削原理与刀具》戴乃昌聂辉文主编
备注：
注：
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授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削加工质量与刀具几何参数的选择
知识点1切屑控制知识点2工件材料的切削加工性知识点3切削液的选择
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1．了解切屑的分类以及断屑的主要措施；
2．熟悉工件材料的切削加工性及其衡量指标；
3．掌握切削液的选择和使用
要求：
了解工件材料加工性的影响因素；
教学内容重点及难点：
重点：
工件材料的切削加工性及其衡量指标
难点：
工件材料加工性的影响因素
教具
多媒体
作业
思考题
1.
2.
课后小结
教学基本内容
方法及手段
一、
切屑的分类
教学基本内容
二、切屑卷曲
影响切屑卷曲形状的主要因素有切屑的流出方向与切屑卷曲的基本方式。
切屑卷曲的基本方式有向上卷曲和侧向卷曲。
切屑的流出方向切屑卷曲方式的不同组合，就形成了不同卷曲形状的切屑。
三、断屑机理
（1）第一部分称为基本变形
（2）第二部分称为附加变形
影响断屑的主要因素有：
（1）工件材料力学性能的影响
（2）刀具几何参数的影响。
（3）切削用量的影响。
四、断屑的主要措施
磨制断屑槽、改变刀具几何参数、改变切削用量、间断进给断屑、附加断屑装置。
五、工件材料切削加工性的衡量指标
1.以刀具耐用度衡量切削加工性
2.以切削速度衡量切削加工性
3.以切削力和切削温度衡量切削加工性
4.以加工表面质量衡量切削加工性
5.以断屑性能衡量切削加工性
六、工件材料物理力学性能的影响
1.工件材料硬度
2.材料强工件度
3工件材料塑形与韧性
4.工件材料导热系数
七、工件材料化学成分的影响
1.碳
钢的强度与硬度一般随含碳量的增加而增加，而塑性和韧性随含碳量的增加而
降低。
2.合金元素
为了改善钢的性能，可加入一些合金元素如：
Cr、Ni、V、Mo、W、Mn、Si和Al等。
八、工件材料金相组织的影响
工件材料金相组织的影响
1）对钢的切削加工性的影响
不同种类金相组织对切削加工性有直接影响。
钢中铁素体与珠光体的比例关系影响
教学基本内容
方法及手段
钢的切削加工性。
2）对铸铁切削加工性的影响
按金相组织的不同铸铁可分为白口铁、马口铁、灰铸铁和球墨铸铁。
它们的硬度依次递减，塑性依次增高，切削加工性依次递增。
九、切削液的作用机理
1.切削液的冷却作用
2.切削液的润滑作用
3.切削液的清洗作用
4.切削液的防锈作用
十、切削液和添加剂的分类
1.切削液的分类
1）水溶液
2）切削油
3）乳化液
2.添加剂的分类
1）油性添加剂
2）极压添加剂
3）表面活性剂极压添加剂
切削液和添加剂的分类
参考资料：
《金属切削原理与刀具》戴乃昌聂辉文主编
备注：
注：
课程教案按授课次数填写，每次授课均应填写一份；重复班授课可不另填写教案。
授课时间
第4周第节课年月日
课次
7
授课方式
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授课题目（教学章、节或主题）：
项目一金属切削加工质量与刀具几何参数的选择
知识点3切削液的选择知识点4已加工表面质量知识点5刀具几何参数的合理选择
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
目的：
1．熟悉表面粗糙度及其评定指标
2．能够在加工过程中提高加工表面质量
要求：
加工中的表面粗超度及表面质量的确定
教学内容重点及难点：
重点：
表面粗糙度及其评定指标
难点：
加工过程中提高加工表面质量
教具
多媒体
作业
思考题
1.
2.
课后小结
教学基本内容
方法及手段
一、切削液的选择和使用
1.切削液的合理选择
1）粗加工时切削液的选用
粗加工时切削用量较大，产生大量的切削热，容易导致高速钢刀具迅速磨损。
这时宜选用以冷却性能为主的切削液（如3%～5%的乳化液），以降低切削温度。
2）精加工时切削液的选用
精加工以减小工件表面粗糙度和提高机床的响应速度为目的，因此，应选用润滑性能好的切削液。
3）切削难加工材料时切削液的选用
切削高强度钢、高温合金等材料时，由于材料中所含的硬质点多、导热系数小，加工均处于高温高压的边界润滑状态，因此，宜选用润滑和冷却性均好的极压切削油或极压乳化液。
教学基本内容
4）磨削加工中切削液的选用
磨削的速度高、温度高，热应力会使零件变形，甚至产生表面裂纹，且磨削产生的细碎屑会划伤已加工表面。
所以宜选用冷却、清洗性能好的水溶液或普通乳化液。
但磨削难加工材料时，宜选用润滑性能好的极压乳化液和极压切削油。
5）封闭或半封闭排屑加工时切削液的选用
钻削、攻丝、铰孔和拉削等加工的排屑方式为封闭或半封闭状态，刀具导向与校正部分与已加工表面摩擦严重，宜选用乳化液、极压乳化液和极压切削油，以降低切削温度，减小切削力。
2.切削液的使用方法
浇注法
高压冷却法
喷雾冷却法
二、已加工表面粗糙度
1.理论粗糙度
理论粗糙度是刀具几何形状和切削运动引起的表面不平度。
生产中，如果条件比较理想，加工后表面实际粗糙度接近于理论粗糙度。
2.实际粗糙度
实际粗糙度是切削过程中出现的非正常原因造成的表面不平度。
其中包括积屑瘤影响、加工振动影响和鳞刺影响。
减小表面粗糙度的途径
1.刀具几何形状方面
2.切削用量方面
前角和前刀面的选择
1.前角的选择
1）前角的功用
1.影响切削变形
2.影响切削刃强度及散热情况
3.影响切屑形态和断屑效果。
4.影响加工表面质量。
2）前角的选择原则
（1）刀具材料的强度及韧性较高时可选用较大的前角。
（2）工件材料的强度或硬度较高时，宜选用较小的前角，以保证刃口强度；反之，宜选用较大的前角。
（3）加工塑性材料时，宜选用较大的前角；加工脆性材料（如铸铁、青铜）时，宜选用较小的前角。
（4）前角的选择，还要考虑其他一些具体加工条件。
前角和前刀面的选择
硬质合金车刀合理前角参考值
教学基本内容
方法及手段
后角、副后角和主后刀面的选择
1.后角的选择
1）后角的功用
（1）增大后角，可减小加工表面上的弹性恢复层与后刀面的接触长度，从而减小后刀面的摩擦与磨损。
（2）当后刀面磨损量VB相同时，若后角大的刀具达到磨钝标准，则刀具上磨去的金属体积较大，从而增大刀具径向磨损量NB，将影响工件尺寸精度。
2）后角的选择原则
（1）精加工时，切削厚度较小，宜选用较大的后角；粗加工时，切削厚度较大，宜选用较小的后角。
（2）加工塑性好、韧性大的工件材料时容易产生加工硬化，为了减少后刀面磨损，宜选用较大的后角。
（3）当工艺系统刚性差，易出现振动时，宜选用较小的后角，以增大后刀面与加工表面的接触面积，增强刀具的阻尼作用。
（4）对尺寸精度要求较高的刀具（如圆孔拉刀、铰刀），宜选用较小的后角。
参考资料：
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项目一金属切削加工质量与刀具几何参数的选择
知识点5刀具几何参数的合理选择知识点6切削用量的合理选择
教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
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