金属切削的基本要素

金属(jīnshǔ)切削的基本要素第一节

工件(gōngjiàn)表面的形成方法和成形运动零件的形状是由各种表面组成的，所以零件的切削加工归根到底是表面成形问题。

1.1.1

工件的加工表面及其形成方法

1．被加工工件的表面形状

零件表面是由若干个表面元素组成的。这些表面元素是：(a)平面、(b)直线成形表面、(c)圆柱面、(d)圆锥面、(e)球面、(f)圆环面、(g)螺旋面等。如图1-1所示：

共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第一节

工件(gōngjiàn)表面的形成方法和成形运动2．工件表面的形成方法

各种典型表面都可以看作是一条线(母线)沿着另一条线(导线)运动的轨迹。为得到平面(图1-2)，可以使直线1(母线)沿着直线2(导线)移动。

母线和导线称为形成表面的发生线。

有些表面的两条发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，也可形成不同的表面。如图1-2中(a)与(b)。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第一节

工件表面的形成方法和成形(chénɡxínɡ)运动3．发生线的形成方法及所需的运动

发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的。根据使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为四种:

（1）轨迹法：利用刀具作一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。需要一个成形运动。如图1-3(a)。

（2）成形法：利用成形刀具对工件进行加工的方法。如图1-3(b)。

（3）相切法：利用刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工的方法。用相切法得到发生线，需要两个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律的运动。如图1-3(c)。

（4）展成法：利用工件和刀具作展成切削运动的加工方法。如图1-3(d)。

用展成发形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。典型例子是渐开线。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第一节

工件表面的形成(xíngchéng)方法和成形运动1.1.2表面成形运动

机床加工零件时，为获得所需的表面，工件与刀具之间作相对运动，既要形成母线，又要形成导线，于是形成着两条发生线所需的运动的总和，就是形成该表面所需的运动。机床上形成被加工表面所需的运动，称为机床的工作运动，又称为表面成形运动。

工作运动是机床上最基本的运动。每个运动的起点、终点、轨迹、速度、方向等要素的控制和调整方式，对机床的布局和结构有重大的影响。

1．表面成形运动分析

表面成形运动（简称成形运动）是保证得到工件要求的表面形状的运动。

（1）成形运动的种类

1，简单成形运动：简单成形运动是旋转运动或直线运动。一般用符号A表示直线运动，用符号B表示旋转运动。

2，复合成形运动：如把螺旋运动分解成等速旋转运动和等速直线运动。

前者是复合运动的一部分，各个部分必须保持严格的相对运动关系，是互相依存，而不是独立的。简单运动之间是互相独立的，没有严格的相对运动关系。

（2）零件表面成形所需的成形运动

母线和导线是形成零件表面的两条发生线。因此，形成表面所需要的成形运动，就是形成其母线及导线所需要的成形运动的总和。为了加工出所需的零件表面，机床就必须具备这些成形运动。用普通车刀削外圆、用成形车刀削成形回转表面、用螺纹车刀削螺纹、用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面等。

2．主运动、进给运动和合成切削运动

（1）主运动

使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。在表面成形运动，必须有且只能有一个主运动。

（2）进给运动

维持切削加工得以继续的运动。

（3）合成切削运动

由同时进行的主运动和进给运动合成的运动。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第二节

加工(jiāgōng)表面和切削用量三要素1.2.1

切削过程中工件上的加工表面

（1）待加工表面

加工是即将被切除的表面

（2）已加工表面

已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面

（3）过渡表面

加工时由主切削刃正在切削的那个表面，他是待加工表面之间的表面共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第二节

加工(jiāgōng)表面和切削用量三要素1.2.2

切削用量三要素

（1）切削速度υc（2）进给量f（3）切削深度αp称之为切削用量三要素

1．切削速度

主运动为回转运动时，切削速度的计算公式如下：

υc=πdn/1000

(m/s或m/min)

式中

d——工件或刀具上某一点的回转直径，mm；

n——工件或刀具的转速，r/s或r/min。

2．进给速度υf，进给量f和每齿进给量fz

进给速度υf是单位时间内的进给位移量，单位是mm/s(或mm/min)。

进给量f是工件或刀具每回转一周时二者进给方向的相对位移，单位是mm/r(毫米/转)。

每齿进给量fz，单位是mm/齿。

三者有如下关系υf=fn=fzzn

(mm/s或mm/min)

3．切削深度αp

切削深度αp为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。

外圆车削时切削深度可用下式计算：

αp=(dw-dm)/2

(mm)

对于钻削

αp=dm/2

(mm)

上两式中

dm——已加工表面直径，

mm；

dw——待加工表面直径，

mm。

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刀具(dāojù)角度1.3.1

刀具切削部分的结构要素

外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前面、主后面、副后面、主切

削刃、副切削刃和刀尖所组成。刀具切削部分的结构要素如图1-5所示，其定义如下：

前刀面切屑流过的表面，以Aγ表示。

主后刀面与工件上过渡表面相对的表面，以Aα表示。

副后刀面与工件上已加工表面相对的表面，以A´α表示。

主切削刃前刀面与主后刀面的交线，记为S。它承担主要的切削工作。

副切削刃前刀面与副后刀面的交线，记为S′。它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，如图1-6所示。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度刀尖主副切削刃衔接处很短的一段切削刃。也称为过度刃。它可以是小的直线段或圆弧。

常用有交点刀尖、圆弧刀尖和倒棱刀尖共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度1.3.2

刀具角度的参考系

刀具切削部分的几何形状主要有一些刀面和刀刃的方位角度来表示。为了确定刀具的这些角度，必须将刀具置于相应的参考系中。参考系可分为刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系，前者由主运动方向确定，而后者有合成切削运动方向确定。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度1．刀具标注角度参考系（见图1-7与图1-8）

基面Ｐr通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方

向的平面。

切削平面Ｐs通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。

主剖面Po

通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。

主剖面参考系

Pr-Ps-Po组成一个正交的主剖面参考系。目前生产中最常用的刀具标注角度参考系

切削刃法剖面Pn

通过切削刃上选定点，垂直与切削刃的平面。

进给剖面Pf

通过切削刃上选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面的片面。

切深剖面Pp

通过切削刃上选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。

进给、切深剖面参考系

Pr-Pf-Pp组成共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度

2．刀具工作角度参考系

在刀具标注参考系里定义基面时，只考虑主运动，未考虑进给运动。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度往往不能反映切削加工的真实情形，只有用合成切削运动方向来确定参考系。

其定义见表1-1。

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刀具(dāojù)角度

1.3.3

刀具标注角度

在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面的方位角度，称为刀具标注角度。如图1-9所示。

1．主剖面参考系内的标注角度

前角γo

在主剖面内度量的前刀面与基面的夹角。

后角αo在主剖面内度量的主后刀面与切削平面的夹角。后角一般为正值。

刃倾角λs在切削平面内度量的主切削刃与基面间的夹角。

主偏角κr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。主偏角一般为正值。

副偏角κ´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。副偏角一般为正值

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刀具(dāojù)角度

2．法剖面参考系内的标注角度

法前角γn

在法剖面内度量的前刀面与基面的夹角。

法后角γn

在法剖面内度量的切削平面与后刀面的夹角。

法楔角βn

在法剖面内度量的前刀面与后刀面的夹角。

3．进给、切深剖面参考系内的标注角度

进给、切深剖面参考系内的标注角度可以从图1-9所示的R向视图Pr、F-F（Pf）和P-P（Pp）剖面图中得到。

1.3.4

刀具角度换算

1．主剖面与法剖面内的角度换算

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刀具(dāojù)角度

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刀具(dāojù)角度

2．主剖面与其它剖面内的角度换算

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刀具(dāojù)角度

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刀具(dāojù)角度

1.3.5

刀具工作角度

1．进给运动对刀具工作角度的影响

（1）横车

图1-12所示为切断车刀加工时的情况，此时切削速度Vc变至合成速度Vｅ，因而基面Pｒ由水平位置变至工作基面Pre，切削平面Pｓ由铅垂位置变至工作切削平面Pse，从而引起刀具的前角和后角发生变化：

γoe

=γo

+

μ

αoe=αo

-

μ

μ=arctgf/(πd)

式中，γoe,αoe－－－工作前角和工作后角。由此可知，当进给量ｆ增大，则μ值增大；当瞬时直径

ｄ减小，μ值也增大。因此，车削至接近工件中心时，μ值增长的很快，工作后角将由正变负，致使工件最后被挤断。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度

（2）纵车

车削外圆时，假定车刀λs＝０，如不考虑进给运动，则基面Pｒ平行于刀杆底面，切削平面Pｓ垂直于刀杆底面。若考虑进给运动，则过切削刃上选定点的相对速度是合成切削速度Vｅ而不是主运动Vｃ，故刀刃上选定点相对于工件表面的运动就是螺旋线。这时基面Pｒ和切削平面Pｓ就会在空间偏转一定的角度ｕ，从而使刀具的工作前角λoe增大，工作后角减小（见图1-13）。

γoe＝γo＋μ

αoe＝αo－μ

tgμ＝fsinκr/(πdw)

可知，进给量ｆ越大，工件直径ｄｗ越小，则工作角度值的变化就越大。一般车削时，由进给运动所引起的μ值不超过30′～1o，故其影响常可忽略。但是在车削大螺距螺纹或蜗杆时，进给量ｆ很大，故μ值较大，此时就必须考虑它对刀具工作角度的影响。

共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度

2．切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度的影响

车削外圆时，车刀的刀尖一般与工件轴心是等高的。如果刀尖高于或低于工件轴线，则此时的切削速度方向发生变化，引起基面和切削平面的位置改变，从而使车刀的实际切削角度发生变化。如图1-14所示：刀尖高于工件轴线时，工作切削平面变为Pse，工作基面变为Pre，则工作前角λoe增大，工作后角αoe减小；刀尖低于工件轴线时，工作角度的变化正好相反：

γoe＝γo±θ

αoe＝αo+θ

tgθ＝hcosκr/√(dw/2)2－h2

式中，ｈ——刀尖高于或低于工件轴线的距离（ｍｍ共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第三节

刀具(dāojù)角度

3．刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响

当车刀刀杆的中心线与进给方向不垂直时，车刀的主偏角ｋｒ和副偏角ｋ′ｒ将发生变化。刀杆右斜（见图1-15），将使工作主偏角ｋre增大，工作副偏角ｋ′re减小；如果刀杆左斜，则ｋre减小，ｋ′re增大：

ｋre

=

ｋｒ

±

j

ｋ′re

=

ｋ′ｒ+

j

式中，j——进给方向的垂线与刀杆中心线的夹角共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第四节

切削(qiēxiāo)层参数与切削(qiēxiāo)方式

1.4.1

切削层参数

各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如图：

1.切削层

在各种切削加工中，刀具相对于工件沿进给方向每移动f(mm/r)或fz(mm/齿)之后，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层。切削层的尺寸称为切削层参数。切削层的剖面形状和尺寸通常在基面内观察和度量。

2．切削厚度

垂直于过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车（λs=0）

hD=fsinκr

3．切削宽度

沿过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。在外圆纵车（λs=0）

bD=αp/sinκr

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切削(qiēxiāo)层参数与切削(qiēxiāo)方式

4．切削面积

切削层在基面内的面积，称为切削面积，以AD表示。其计算公式为：

AD=hDbD

5．金属切除率

金属切除率是指刀具在单位时间内从工件上切除的金属的体积，它是衡量金属切削加工效率的指标。

1.4.2

切削方式

1．正切削和斜切削

切削刃垂直于合成切削运动的切削方式称为正切削或直角切削。如切削刃不垂直于切削运动方向则称为斜切削或斜角切削。

2．自由切削与非自由切削

自由切削是只有直线形切削刃参加切削工作者。

非自由切削是曲线形主切削刃或主副切削刃均参加切削者。

根据切削变形是二维变形还是三维变形进行区分的。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第五节

刀具(dāojù)材料

1.5.1

刀具材料应具备的基本性能

（1）高的硬度

刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料的常温硬度，一般要求在HRC60以上。

（2）高的耐磨性

耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。

（3）足够的强度和韧性

以便承受切削力，冲击和振动，而不致于产生崩刃和折断。

（4）高的耐热性（热稳定性）

耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度，耐磨性，强度和韧性的能力。

（5）良好的热物理性能和耐热冲击性能

即刀具材料的导热性能要好，不会因受到大的热冲击产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。

（6）良好的工艺性能

即刀具材料应具有良好的锻造性能，热处理性能，焊接性能，磨削加工性能等。

1.5.2

高速钢

高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达HRC62—67）和耐热性（切削温度可达550—600o）。与碳素工具钢和合金工具钢相比，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在内的范围广泛的材料。

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。

高速钢按用途不同，可分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。表1-2列出了常用高速钢的力学性能和适用范围。共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第五节

刀具(dāojù)材料

共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第五节

刀具(dāojù)材料

1.5.3

硬质合金

硬质合金是高硬度、难熔金属碳化物（主要是WC，TiC等，又称高温碳化物）微米级的粉末，用钴或镍作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。允许切削温度高达800-1000·C，切削中碳钢时，切削速度可达100-200m/min.

1．高温碳化物

硬质合金的性能主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量。

（1）碳化物的种类和性能

在硬质合金中碳化物所占比例越大，则硬度越高；反之，碳化物减少，则硬度低，但抗弯强度提高。

（2）碳化物的粒度

碳化物的粒度越细，则越有利于提高硬质合金的硬度和耐磨性，但当粘结剂含量一定时，如碳化物粒度减小，则碳化物颗粒的总表面积加大，使粘结层厚度减薄，从而降低了合金的抗弯强度。反之，则合金的抗弯强度提高，而硬度降低。碳化物粒度的均匀性也影响硬质合金的性能，粒度均匀的碳化物可形成均匀的粘结层，可防止产生裂纹。在硬质合金中添加TaC能使碳化物粒度均匀和细化。

2．硬质合金的种类和牌号

目前大部分硬质合金是以WC为基体，并分为WC-Co(YG类),WC-TiC-Co(YT类),WC-TaC(NbC)-Co(YA类)以及WC-TiC-TaC(NbC)-Co(YW类)四类。表1-3列出了常用硬质合金的牌号、性能和使用范围。

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刀具(dāojù)材料

共二十八页金属(jīnshǔ)切削的基本要素第五节

刀具(dāojù)材料

3．硬质合金的性能

（1）硬度

由于WC,TiC等的硬度很高，所以合金的硬度也很高，一般在HRA89-93之间。硬质合金的硬度随着温度的升高而降低。合金的高温硬度主要取决于碳化物在高温下的硬度。添加TaC（或Nb）能提高高温硬度。

（2）抗弯强度和韧性

常用牌号硬质合金的抗弯强度在0.