金属切削原理与机床第七章-切削用量与刀具几何参数的选择

第七章切削用量和刀具几何参数的选择教学目的与要求：

通过本章的学习初步掌握刀具几何参数的选择和切削用量的选择。

教学内容摘要：

本章介绍切削用量的制订原则、切削三用量的确定和刀具几何参数的选择。

教学重点与难点：

切削用量的确定和刀具几何参数的选择。

所谓合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。第一节切削用量的制订原则切削用量三要素对生产率的影响程度是不同的，下面以外圆纵车时，按切削工时tm计算的生产率P为:

切削用量三要素同生产率均保持线性关系，即提高切削速度、增大进给量和背吃刀量，都能“同样地”提高劳动生产率。（一）最大生产率耐用度

完成一个工序所需要的工时tw为:

求一阶导数，得最大生产率耐用度（二)最低成本耐用度每个工件的工序成本为:刀具经济使用寿命（1）f保持不变，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐用度，则v必须降低15%，此时生产率P3ap≈2.6P，即生产率提高至2.6倍。（2）ap保持不变，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，则v必须降32%，此时生产率P3f≈2P，即生产率提高至2倍。由此可见，增大ap比增大f更有利于提高生产率。（3）切削速度高过一定的临界值时，生产率反而会降低。ap增大至某一数值时，因受加工余量的限制而成为常值时，进给量f不变，把切削速度v增至3v时，P3v≈0.13P,生产率大为降低。切削用量的选择原则1.背吃刀量的选定

切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。粗加工（Ra80～20μm）时，一次走刀应尽可能切除全部余量，在中等功率机床上，背吃刀量可达8～10mm。半精加工（Ra10～5μm）时，背吃刀量取为0.5～2mm。精加工（Ra2.5～1.25μm）时，背吃刀量取为0.1～0.4mm。

①在留下精加工及半精加工的余量后，粗加工应尽可能将剩下的余量一次切除，以减少走刀次数。

②如果工件余量过大，或机床动力不足而不能将粗切余量一次切除，也应将第一次走刀的切削深度尽可能取大些。

③当冲击负荷较大或工艺系统刚性较差时，应适当减小切削深度。

当余量太大，除留给下道工序的余量外，其余尽可能一次切除。当余量太大或工艺系统刚性较差时，所有加工余量A应分2次或多次切除，但应把第一次进给的背吃刀量选得大些，最后一次进给的ap选得小一些。第一次进给的背吃刀量ap1=（2/3—3/4）A

第二次进给的背刀量：ap2=（1/3—1/4）A2.进给量的选定进给量f：通常限制进给量的主要因素是切削力及加工表面粗糙度，选择时应考虑：

①粗切时，加工表面粗糙度要求不高，进给量主要受力杆、刀片、工件及机床的强度和刚度所能承受的切削力的限制。

②半精切及精切时，进给量主要受表面粗糙度要求的限制，刀具的副偏角愈小，刀尖圆弧半径愈大，切削速度愈高，则进给量可愈大。

生产实际中多采用查表法确定合理的进给量。粗加工时，根据工件材料、车刀刀杆的尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量来选择进给量；在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料，刀尖圆弧半径，切削速度来选择进给量（具体数值可查阅“机械加工工艺手册”）。3.切削速度的选定在ap、f值选定后，根据合理的刀具耐用度计算或用查表来选定车削速度。在生产中选择切削速度的一般原则车削速度计算公式如下：在生产中选择切削速度的一般原则

（1）粗车时，ap和f较大，故选择较低的v；精车时，ap和f均较小，故选择较高的v。（2）工件材料强度、硬度高或塑性太大或太小时，应选较低的v；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的v；刀具材料的耐热性好，切削速度可高些。

（3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20%～30%；切削调质状态的钢比切削正火、退火状态钢要降低切削速度20%～30%；切削有色金属时比切削中碳钢的切削速度可提高100%～300%。（4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。如硬质合金的切削速度比高速钢刀具可高好几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具可采用更高的切削速度。

（5）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。

（6）断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。

（7）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。（8）加工大件、细长件和薄壁工件或加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。（9）加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。（10）工艺系统刚性较差时，切削速度应适当减小。（11）要求得到较小的表面粗糙度时，切削速度应避开积屑瘤的生成速度范围。（12）对硬质合金刀具，可取较高的切削速度；对高速钢刀具，宜用低速切削。切削用量的选择应满足下列要求：

1）保证工件的加工精度和表面粗糙度；

2）充分发挥刀具的切削性能，保证合理的耐用度；

3）充分发挥机床的性能（功率和转矩）

4）高的生产效率和低的加工成本；

5）按切削深度、进给量和切削速度的顺序选择切削用量，并尽可能取大值。第二节刀具几何参数的选择

在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。

刀具几何参数的基本内容包括：①刃形②切削刃区的剖面型式③刀面型式④刀具角度。

1.刀具刃形

2.切削刃刃区的剖面型式及参数

3.前刀面的形式后刀面型式

(1)双重后角

为了保证刃口强度，减小刃磨后刀面的工作量，常在车刀后刀面上磨出双重后角。

(2)消振棱为了增加后刀面与工件加工表面之间的接触面积，增加阻尼作用消除振动，可在后刀面上刃磨出一条有负后角的棱面，称为消振棱。

(3)刃带

对一些定尺寸刀具，如拉刀、铰刀等，为便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化，常在后刀面上刃磨出后角为零度的小棱边，称为刃带。刀具上的刃带起着使刀具稳定、导向和消振的作用。曲面形前刀面车刀的刀刃强度远远大于平面形前刀面车刀的刃强度。

7-6平面形前刀面计算示意图

图7-7曲面形前刀面计算示意图

分别作图7-6和图7-7来分析变两种形式的前γ0=200，离刀刃的水平距离为b=6mm处时的槽深。由图7-6可计算出平面形前刀面的槽深：EF=btanγ0=2.18m；由图7-7可计算出平面形前刀面的槽深：EF=1.06mm。选择刀具合理几何参数的一般性原则

1.要考虑工件的实际情况

2.要考虑刀具材料和刀具结构

3.要注意各个几何参数之间的联系

4.要考虑具体的加工条件

三、前角、后角和主、副偏角的功用及其选择1.前角的功用

增大前角能减小切削变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损，改善加工质量，抑制积屑瘤等。但前角过大会削弱刀头强度和散热能力，容易造成崩刃。因而前角不能太小，也不能太大，应有一个合理数值，

2.前角的选择原则

（1）主要根据工件材料的性质选择（2）兼顾根据刀具材料的性质和加工性质表7-1是硬质合金车刀合理前角的参考值。1.前角的功用及合理前角值的选择

1）前角的主要功用(1)影响切削力

(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件：增大刀具前角，会使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；过份加大前角，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。这些都是增大前角的不利方。

(3)影响切屑形态和断屑效果：若减小前角，可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。

(4)影响已加工表面质量：前角与表面质量的关系。值得注意的是，前角大小同切削过程中的振动现象有关，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大。

合理前角的概念

合理前角的选择原则

(1)工件材料的强度、硬度低，可以取较大的甚至很大的前角；工件材料强度、硬度高，应取较小的前角；加工特别硬的工件(如淬硬钢)时，前角很小甚至取负值。

(2)加工塑性材料时，尤其是冷加工硬化严重的材料，应取较大的前角；加工脆性材料时，可取较小的前角。加工硬度高、机械强度大及脆性材料时，应取较小的前角；加工硬度低、机械强度小及塑性材料时，应取较大的前角

(3)粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保证刀具有足够的强度，应适当减小前角；但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的数值。加工毛坯不规则的工件时，前角应取小些，原因是要求刀具要有足够的刀刃强度来抵挡不规则的毛坯所产生的冲击力。精加工应取较大的前角。

(4)成形刀具，为防止刃形畸变，常取较小的前角，甚至取γ。＝0，但这些刀具的切削条件不好，应在保证切削刃成形精度的前提下，设法增大前角，例如有增大前角的螺纹车刀和齿轮滚刀等。

(5)刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具，允许选用较大的前角(约可增大5～10º)。

(6)工艺系统刚性差和机床功率不足时，应选取较大的前角。

(7)数控机床和自动机、自动线用刀具，应考虑保障刀具尺寸公差范围的使用寿命及工作的稳定性，而选用较小的前角。（8）高速切削时，前角对切屑变形及切削力的影响较小，可取较小前角.。（9）加工强度高、硬度高的材料时前角应磨得小些。加工特硬材料，如淬火钢、前角应磨成负前角，其主要原因是切削这些材料时，切削力大，切削温度高，为了使刀具有足够的强度和散热条件来抵御这些大的切削力和高的切削温度，所以前角应磨小些。后角的功用及合理后角值的选择

1）后角的功用

(1)后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。由于切屑形成过程中的弹性、塑性变形和切削刃钝圆半径rn的作用，在过渡表面上有一个弹性恢复层。后角越小，弹性恢复层同后刀面的摩擦接触长度越大，它是导致切削刃及后刀面磨损的直接原因之一。从这个意义上来看，增大后角能减小摩擦，可以提高已加工表面质量和刀具使用寿命。

(2)后角越大，切削刃钝圆半径rn值越小，切削刃越锋利。

(3)在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新用到磨钝，所磨去的金属体积较大，这也是增大后角可以延长刀具使用寿命的原因之一。但它带来的问题是刀具①减少刀具后面与工件切削表面和已加工表面间的摩擦；②当前角确定之后，后角愈大，刃口愈锋利，但相应减小楔角影响刀具强度和散热面积。后角选择的一般原则

①加工硬度高、机械强度大及脆性材料时，应取较小的后角；加工硬度低、机械强度小及塑性材料时，应取较大的后角

②粗加工切削