第四章金属切削原理

第四章金属切削原理 切削运动与切削要素（一）切削运动在切削加工时，按工件与刀具相对运动所起的作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。 1．主运动刀具与工件之间最主要的相对运动，它消耗功率最多，速度最高。主运动只有且必须有一个。主运动可以是旋转运动（如车削、镗削中主轴的运动），也可以是直线运动（如刨削、拉削中的刀具运动）

2．进给运动 刀具与工件之间产生的附加相对运动，配合主运动，不断将多余的金属投入切削以保持切削连续进行或反复进行的运动。一般而言，进给运动速度较低，消耗功率较少。进给运动可由刀具完成（如车削、钻削），也可由工件完成（如铣削）；进给运动不限于一个（如滚齿），个别情况也可以没有进给运动（如拉削）。

３．工件上的表面 切削时工件上形成三个不断变化着的表面：（１）已加工表面（２）待加工表面（３）过渡表面

（二）切削用量 切削用量是切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）的总称。它是用于调整机床、计算切削力、切削功率、核算工序成本等所必需的参数。 1．切削速度 2．进给量 3．背吃刀量（切削深度）

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。

切削用量是指切削速度 、进给量f（或进给速度）和背吃刀量。三者又称为切削用量三要素。（二）切削用量 1．切削速度（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式中： d-工件或刀具的最大直（mm） n-工件或刀具的转速(r/s或r/min)

3．背吃刀量（mm） 式中: -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

1．切削层公称厚度 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。

2．切削层公称宽度 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。

3．切削层公称横截面积 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（以下简称为切削面积）。

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。

副切削刃 前刀面主切削刃刀体刀头副后刀面主后刀面刀尖：一尖二刃三刀面

（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，必须引入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：

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。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。

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

（1）主偏角 （2）副偏角

（3）前角 （4）后角

（5）刃倾角 （5）刃倾角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，副后角确定副后刀面的空间位置。

3．刀具的工作角度

（1）进给运动对工作角度的影响

刀具沿纵向进给时，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。刀具沿纵向进给时，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

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。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，会引起工作主偏角和工作副偏角的改变。

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 2．硬质合金 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。

一、切屑的形成过程 1．变形区的划分

2．切屑的受力分析

如将上述两对力都画在切削刃的前方，就得到直角自由切削时力与角度的关系图。如将上述两对力都画在切削刃的前方，就得到直角自由切削时力与角度的关系图。

如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力 和，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。

1．变形系数 在切削过程中，刀具切下的切屑厚度通常都大于工件切削层厚度，而切屑长度却小于切削层长度。切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。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。

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 = =

2．相对滑移ε 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。如图中，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OCPM，其相对滑移

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

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

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力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；在背吃刀量 和进给量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。

2．积屑瘤对切削过程的影响 （1）使刀具前角变大（2）使切削厚度变化（3）使加工表面粗糙度增（4）对刀具寿命的影响

积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：（1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。（4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。

第四章 金 属 切 削 原 理