第二章切削理論基礎(chǔ)

切削加工基礎(chǔ)理論切削加工概述1.切削加工的地位和種類地位：0.8-0.9種類：鉗工、機械加工2.切削加工的特點和發(fā)展方向特點：切削加工獲得零件的幾何精度變化范圍廣泛；切削加工零件的材料、形狀、尺寸和重量的適用范圍很大；切削加工的生產(chǎn)效率較高。發(fā)展方向：加工設(shè)備朝著高精度、高效率、自動化、柔性化、智能化方向發(fā)展；刀具材料朝超硬材料發(fā)展；生產(chǎn)規(guī)模由目前的小批量和單品種向大批量多品種發(fā)展；切削加工融入到CAD/CAM/CIMS/CAT中。待加工表面：即將被切去金屬層的表面;加工表面：切削刃正在切削著的表面;已加工表面：已經(jīng)切去一部分金屬形成的新表面。3.切削運動刨削加工

金屬切削機床的基本運動有直線運動和回轉(zhuǎn)運動。但是，按所起的作用來分，可分為主運動和進給運動。（1）主運動主運動是切下金屬所必須的最主要的運動。通常它的速度最高，消耗機床功率最多。切削運動切削加工時工件與刀具之間的相對運動注意:主運動可為刀具，也可為工件；主運動可是直線運動，也可旋轉(zhuǎn)運動；切削加工中，主運動只有一個。（2）進給運動使新的金屬不斷投入切削的運動。進給運動可以是連續(xù)運動，也可以是間歇運動。注意：進給運動可以是一個或幾個；進給運動可是直線運動、旋轉(zhuǎn)運動或兩者的組合；進給運動可由刀具或工件完成。

當主運動與進給運動同時進行時，刀具切削刃上某一點相對工件的運動稱為合成切削運動，其大小與方向用合成速度向量ve表示。如圖所示，合成速度向量等于主運動速度與進給運動速度的向量和。即ve=vc+vf

4.切削用量切削速度、進給量、背吃刀量的總稱，也稱為切削用量三要素。

進給量

工件或刀具的主運動每轉(zhuǎn)或每一行程時，刀具切削刃相對于工件在進給運動方向的移動量。例如：車削時的進給量是指工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，切削刃沿進給方向的移動量（m/r）。進給速度：

單位時間的進給量指切削刃上選定點相對于工件的進給運動的瞬時速度(mm/min或mm/s)。。對于銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪滾刀等多刃切削工具，在它們進行工作時，還應(yīng)規(guī)定每一個刀齒的進給量fz，即后一個刀齒相對于前一個刀齒的進給量，單位是mm/z(毫米/齒)。

vf=f·n=fz·z·nmm/s或mm/min（3）背吃刀量ap垂直于進給運動方向測量的切削層最大尺寸。

對于車削和刨削加工來說，背吃刀量ap為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，單位為mm。ap=（dw-dm）/2mm

對于鉆孔加工：ap=dm/2mm

上兩式中：

dm——已加工表面直徑（mm）dw——待加工表面直徑（mm）

5.切削層參數(shù)與切削形式

1、切削層

各種切削加工的切削層參數(shù)，可用典型的外圓縱車來說明。如下圖所示，車刀主切削刃上任意一點相對于工件的運動就軌跡是一條空間螺旋線。它們的各義及說明如下：

工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀沿工件軸線移動一段距離，即進給量（f，mm/r）。由車刀正在切削著的這一層金屬，就叫切削層。在特殊情況下（kr＝90°）為矩形。在外圓縱車時，當k’r＝0、λs＝0時，切削層的表面形狀為一平行四邊形。(1)切削厚度bD=ap/sinkr垂直于加工表面來度量的切削層尺寸，稱為切削厚度，以hD表示。在外圓縱車（λs＝0）時：為了簡化計算工作，切削層的表面形狀和尺寸，通常都在垂直于切削速度vc的基面Pr內(nèi)觀察和量度。切削層參數(shù)為：（2）切削寬度沿加工表面度量的切削層尺寸，稱為切削寬度，以bD表示。hD＝f.sinkr曲線形主切削刃、切削層各點的切削厚度互不相等。外圓縱車（當λs＝0時）可見，在f與ap一定的條件下，主偏角kr越大，切削厚度hD也就越大，但切削寬度bD越??；kr越小時，hD越小，bD越大；當kr＝90時，hD＝f。（3）切削面積切削層在基面Pr的面積，稱為切削面積，以AD表示。其計算公式為：AD=hD.bD對于車削來說，不論切削刃形狀如何，切削面積均為：AD＝hD.bD=f.ap上面所計算的均為名義切削面積。實際切削面積等于名義切削面積減去殘留面積。殘留面積是指刀具副偏角k’r≠0時，刀具經(jīng)過切削后，殘留在已加工表面上的不平部分（△ABE）的剖面面積。在下圖中標注主運動速度Vc方向，切削深度ap，進給量f及切削層厚度hD和寬度bD。

切削形式（1）正切削與斜切削切削刃垂直于合成切削方式稱為正切削或直角切削。如果切削刃不垂直于切削方向則稱為斜切削或斜角切削。下圖所示為刨削時的正切削和斜切削。一.車刀的組成(1)前刀面(5)副切削刃(6)刀尖金屬切削刀具基礎(chǔ)(1)前刀面Aγ

前刀面Aγ

是切屑流過的表面。（2）后刀面Aα

與過渡表面相對的刀面。（4）主切削刃s

主切削刃指前刀面與主后刀面相交的鋒邊。（6）刀尖

刀尖可以是主、副切削刃的實際交點，也可以是主、副兩條切削刃連接起來的一小段切削刃，它可以是圓弧，也可以是直線，通常都稱為過渡刃（3）副后刀面A`α

與已加工表面相對的刀面。（5）副切削刃s`副切削刃指前刀面與副后刀面相交的鋒邊。刀面切削刃二、刀具角度參考系1.參考系2.刀具靜止參考系3.刀具工作參考系三、刀具標注角度參考系-----過切削刃上選定點(1)假定運動條件：首先給出刀具的假定主運動方向和假定進給運動方向；其次假定進給速度值很小，可以用主運動向量vc近似代替合成速度向量ve；然后再用平行和垂直于主運動方向的坐標平面構(gòu)成參考系。即：假定進給運動速度Vf=0

(2)假定安裝條件：假定標注角度參考系的諸平面平行或垂直于刀具便于制造、刃磨和測量時定位與調(diào)整的平面或軸線（如車刀底面、車刀刀桿軸線、銑刀、鉆頭的軸線等）。反之也可以說，假定刀具的安裝位置恰好使其底面或軸線與參考系的平面平行或垂直。即：選定點與工件中心等高

1兩個假定條件2三種平面參考系基面Pr：通過切削刃選定點與主運動方向垂直的平面?；媾c刀具底面平行。切削平面Ps：通過切削刃選定點與主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。主剖面Po：通過切削刃選定點垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。1）正交平面參考系基面Pr假定主運動方向主切削刃上選定點刀柄底面平面主剖面Po：⊥Ps⊥Pγ基面Pγ：Pγ⊥Vc∥刀具安裝面（車刀）切削平面Ps:與S相切且⊥Pγ假定主運動方向Vc主剖面參考系（Pr-Ps-Po)主切削刃上選定點2）法剖面Pn和法剖面參考系(pr-ps-pn)法平面Pn：Pn⊥S法剖面Pn：Pn⊥S基面Pγ：Pγ⊥Vc∥刀具安裝面（車刀）切削平面Ps:與S相切且⊥Pγ假定主運動方向Vc法剖面參考系（Pr-Ps-Pn）90°主切削刃上選定點3）假定工作平面和背平面參考系:(Pr－Pf－PP)進給平面Pf：Pf⊥Pr、∥f

切深平面Pp：Pp⊥Pr、∥aP

進給剖面Pf是通過切削刃選定點，平行于進給運動方向并垂直于基面Pr的平面。通常，它也平行或垂直與刀具上便于制造、刃磨和測量的某一安裝定位平面或軸線。背平面Pp是通過切削刃選定點，同時垂直于Pr和Pf的平面，由Pr－Pf－Pp組成一個進給、背平面參考系。進給剖面Pf：

Pf⊥Pr、∥f基面Pγ：Pγ⊥Vc∥刀具安裝面（車刀）切削平面Ps:與S相切且⊥Pγ假定主運動方向Vc假定進給運動方向f切深平面Pp：⊥Pr、⊥Pf

進給、切深剖面參考系（Pr-Ps-Pf-Pp）主切削刃上選定點主剖面參考系（Pr-Ps-Po)PSPrDroαoPOPrPSPrDroαoPOPrDDPSPr主剖面參考系刀具靜止角度①前角γo=∠Aγ與Pr：Aγ在Pr之上—>負，Aγ在Pr之下—>正前角γo立體圖示前角γo正負圖示3正交平面參考系中角度定義(1)正交平面中的角度

②后角αo=∠Aα與Ps（一般無負）(2)在基面內(nèi)測量

主偏角Κr=∠“S在基面上的投影”與Vf

副偏角Κr′=∠“S′在基面上的投影”與“Vf

的反向”(3)在切削平面上測量刃傾角λs=∠S與Pγ：刀尖最高—>正，刀尖最低—>負刃傾角λs立體圖示刃傾角λs正負圖示法剖面參考系刀具靜止角度γ進給、切深剖面參考系刀具靜止角度主剖面Po：⊥Ps⊥Pγ基面Pγ：Pγ⊥Vc∥刀具安裝面（車刀）切削平面Ps:與S相切且⊥Pγ假定主運動方向Vc主剖面參考系（Pr-Ps-Po)主切削刃上選定點假定主運動方向Vc主剖面參考系（Pr-Ps-Po)tanω=Vf/Vc二、刀具安裝對工作角度的影響1、刀桿中心與進給方向不垂直：

Κre、Κreˊ變化由上圖可以看出：當?shù)稐U中心逆時針偏轉(zhuǎn)一角度θ后，其Κre增大Κreˊ減小。2、切削刃高低對工作前、后角的影響車外圓：若刀尖高于工件中心Ve方向變化—>Pre變—>如右圖則：工作角度γoe增大，αoe減小即：γoe＝γo＋ε

αoe＝αo－εε

=arcsin(2h/d)

三、進給運動對工作角度的影響1、進給運動不平行回轉(zhuǎn)軸線時扳動小拖板車外錐面時，由于刀具進給方向與工件軸線偏了μ，引起工作主偏角減小，工作副偏角增大2、縱向進給運動對前、后角的影響刀具材料

刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度、已加工表面質(zhì)量和加工成本等，所以正確選擇刀具材料是設(shè)計和選用刀具的重要內(nèi)容之一。

1.刀具材料應(yīng)具備的性能金屬切削時，刀具切削部分直接和工件及切屑相接觸，承受著很大的切削壓力和沖擊，并受到工件及切屑的劇烈摩擦，產(chǎn)生很高的切削溫度。即刀具切削部分是在高溫、高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下工作的。因此，刀具切削部分材料應(yīng)具備以下基本性能。（1）硬度高刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料的常溫硬度必須HRC62以上。（2）足夠的強度和韌性刀具切削部分的材料在切削時承受著很大的切削力和沖擊力，因此刀具材料必須要有足夠的強度和韌性。（3）耐磨性和耐熱性好刀具在切削時承受著劇烈的摩擦，因此刀具材料應(yīng)具有較強的耐磨性。刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關(guān)系，其耐熱性通常用它在高溫下保持較高硬度的能力來衡量（熱硬性）。耐熱性越好，允許的切削速度越高。（4）導(dǎo)熱性好刀具材料的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率表示。熱導(dǎo)率大，表示導(dǎo)熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量就容易傳散出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。（5）具有良好的工藝性和經(jīng)濟性既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、熱處理性能、焊接性能等要好，且又要資源豐富，價格低廉。2.常用刀具材料刀具材料可分為工具鋼(碳素工具鋼、合金工具鋼）、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料等五大類。常用刀具材料的主要性能及用途見表1-1種類常用牌號硬度HRC（HRA）抗彎強度（GPa）熱硬性（°C）工藝性能用途碳素工具鋼T8A、T10AT12A60～64（81～83）2.45～2.75200～250可冷熱加工成形，刃磨性能好用于手動工具，如銼刀、鋸條、鏨子等合金工具鋼9siCr、CiWMn60～65（81～84）2.45～2.75250～300可冷熱加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于低速成形刀具，如絲錐、板牙、鉸刀等高速鋼W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV263～69（82～87）3.43～4.41550～600可冷熱加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于機動復(fù)雜的中速刀具，如鉆頭、銑刀、齒輪刀具等硬質(zhì)合金（YG類）K類（YT類）P類（YW類）M類69～81（89～93）1.08～2.16800～1100粉未冶金成形，只能磨削加工不能熱處理，多鑲片使用，較脆用于機動簡單的高速切削刀具，如車刀、刨刀、銑刀刀片陶瓷SG4、AT6（93～94）1500～2100HV0.4～1.1151200壓制燒結(jié)成形，只能磨削加工，不需熱處理，脆性略大于硬質(zhì)合金多用于車刀，適宜精加工連續(xù)切削立方碳化硼（CBN）FD、LBN-Y7300～7400HV0.57～0.811200～1500高溫高壓燒結(jié)成形，硬度高于陶瓷，極脆，可用金剛石砂輪磨削，不需熱處理用于加工高硬度、高強度材料（特別是鐵族材料）人造金剛石

10000HV0.42～1.0700～800硬度高于CBN，極脆用于有色金屬的高精度、低粗糙度切削，也用于非金屬精密加工，不切削鐵族金屬常用刀具材料的主要性能及用途

1、普通高速鋼普通高速鋼指用來加工一般工程材料的高速鋼，常用的牌號有： a）W18Cr4V（簡稱W18）屬鎢系高速鋼，具有較好的切削性能，是我國最常用的一種高速鋼。 b）W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）屬鉬系高速鋼，碳化物分布均勻性、韌性和高溫塑性均超過W18Cr4V，但其磨削性能較差。 c）W9Mo3Cr4V（簡稱W9）是一種含鎢量較多，含鉬量較少的鎢鉬系高速鋼。其碳化物不均勻性介于W18和M2之間，但抗彎強度和沖擊韌度高于M2。具有較好的硬度和韌性，其熱塑性也很好。2、高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本化學(xué)成分和添加一些其它合金元素（如釩、鈷、鉛、硅、鈮等）的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的。它主要用來加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金和超高強度鋼等難加工材料。普通高速鋼常見用途

硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）作硬質(zhì)相，用鈷、鉬或鎳等作粘結(jié)相，研制成粉末，按一定比例混合，壓制成型，在高溫高壓下燒結(jié)而成。硬質(zhì)合金的常溫硬度很高（89～93HRA，相當于78～82HRC）。耐熔性好，熱硬性可達800～1000℃以上，允許的切削速度比高速鋼提高4～7倍，刀具壽命高5～8倍，是目前切削加工中用量僅次于高速鋼的主要刀具材料。但它的抗彎強度和韌性均較低，性脆，怕沖擊和振動，工藝性也不如高速鋼。我國目前常用的硬質(zhì)合金主要有以下三類：①鎢鈷類硬質(zhì)合金

由WC和Co組成，代號為YG。常溫硬度為89～91HRA，耐熱性達800～900℃，適用于加工切屑呈崩碎狀的脆性材料。常用牌號有YG3、YG6和YG8等，其中數(shù)字表示含Co的百分比，其余為含WC的百分比。鈷在硬質(zhì)合金中起粘結(jié)作用，含Co愈多的硬質(zhì)合金韌性愈好，所以YG8適于粗加工和斷續(xù)切削，YG6適于半精加工，YG3適于精加工和連續(xù)切削。

②鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金

由WC、TiC和Co組成，代號為YT。此類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性（900～1000℃）均比YG類合金高，但抗彎強度和沖擊韌度降低。主要適于加工切屑呈帶狀的鋼料等韌性材料。常用牌號有YT30、YT15和YT5等，數(shù)字表示含TiC的百分比。故YT30適于對鋼料的精加工和連續(xù)切削，YT15適于半精加工，YT5適于粗加工和斷續(xù)切削。③鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金

又稱