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1、第章金属切削与第章金属切削与刀具设计基础刀具设计基础 本章要点本章要点 本本章章将将对对金金属属切切削削加加工工及及刀刀具具的的基基本本知知识识作作一一个个简简单单的的介介绍绍。重重点点了了解解切切削削运运动动及及切切削削用用量量，刀刀具具角角度度，切切削削力力，切切削削热热，切切削削温温度度，刀刀具具磨磨损损及及刀刀具具使使用用寿寿命，刀具合理几何参数的选择。命，刀具合理几何参数的选择。1.切削加工基本知识切削加工基本知识 2.常用刀具材料及种类常用刀具材料及种类 3.切屑和积屑瘤切屑和积屑瘤 4.切削力切削力 5.切削力与切削温度切削力与切削温度 6.刀具磨损及刀具使用寿命刀具磨损及刀具使
2、用寿命 7.刀具合理几何参数的选择刀具合理几何参数的选择 本章主要内容：本章主要内容：2.1 金属切削加工及刀具的基本知识金属切削加工及刀具的基本知识2.1.1 切削加工基本知识（1）切削运动与切削用量切削运动：切削运动：在金属切削机床上切削工件时，工件与刀具之在金属切削机床上切削工件时，工件与刀具之间要有相对运动，这个相对运动即称为切削运动。间要有相对运动，这个相对运动即称为切削运动。切削运动通常按其在切削中所起的作用可以分为以下两种：切削运动通常按其在切削中所起的作用可以分为以下两种：主运动主运动 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动称为
3、主运动。主运动的形式可以是旋转运动或直本的运动称为主运动。主运动的形式可以是旋转运动或直线运动，但每种切削加工方法中主运动通常只有一个。线运动，但每种切削加工方法中主运动通常只有一个。主运动的运动的速度最高，消耗的功率最大。形式可以是旋转运动或直线主运动的运动的速度最高，消耗的功率最大。形式可以是旋转运动或直线运动，但每种切削加工方法中主运动通常只有一个。运动，但每种切削加工方法中主运动通常只有一个。进给运动进给运动 使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动称为进给运动。的运动称为进给运动。进给运动可能不止一个，
4、它的运动形式可以是直线运动，旋转运动或两者进给运动可能不止一个，它的运动形式可以是直线运动，旋转运动或两者的组合，但无论哪种形式的给进运动，其运动速度和消耗的功率都比主运动要的组合，但无论哪种形式的给进运动，其运动速度和消耗的功率都比主运动要小。小。如图如图2.1表示外圆车削时的情况。表示外圆车削时的情况。图图2.2表示在牛头刨床上刨平面的情况。表示在牛头刨床上刨平面的情况。图图2.1图图2.2图3.83 牛头刨床1刀架 2刀架座 3滑枕 4床身 5横梁 6工作台图3.84 龙门刨床1、8左、右侧刀架 2横梁 3、7立柱 4顶梁 5、6垂直刀架 9工作台 10床身 a）纵磨法 b）横磨法 图3
5、.45 外圆磨削的工作方式a）钻孔 b）扩孔 c）铰孔 d）攻螺纹 e、f）锪埋（沉）头孔 g）锪端面图3.74 钻床的加工方法 待待加加工工表表面面：它它是是工工件件上上即即将将被被切切去去的的表表面面，随着切削过程的进行，它将逐渐减小，直至全部切去。随着切削过程的进行，它将逐渐减小，直至全部切去。已已加加工工表表面面：它它是是刀刀具具切切削削后后在在工工件件上上形形成成的的新新的的表表面面，随随着着切切削削过过程程的的进进行行，它它将将逐逐渐渐扩扩大大。过过渡渡表表面面 ：它它是是切切削削刃刃正正切切着着的的表表面面，并并且且是是切切削削过过程程中中不不断断改改变变着着的的表表面面，它它总
6、总是是处处在在待待加加工工表面与已加工表面之间。表面与已加工表面之间。工件上的加工表面工件上的加工表面切削用量切削用量 切削用量：是指切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称。是指切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称。切削速度：切削速度：它是切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的它是切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动速度。切削刃上各点的切削速度可能是不同的。当主运动主运动速度。切削刃上各点的切削速度可能是不同的。当主运动为旋转运动时，工件或刀具最大直径处的切削速度有下式确定：为旋转运动时，工件或刀具最大直径处的切削速度有下式确定：（ms 或或 mmin）式中式中:d 完成主运动的工件或刀
7、具的最大直径（完成主运动的工件或刀具的最大直径（mm）n主运动的转速（主运动的转速（rs或或rmin）在切削加工中，也有用进给速度在切削加工中，也有用进给速度v f来表示进给运动的。所谓来表示进给运动的。所谓进给速度进给速度v f是指切削刃上选定点相对于工件的进给速度，其单位是指切削刃上选定点相对于工件的进给速度，其单位为为mms。若进给运动为直线运动，则进给速度在切削刃上各点。若进给运动为直线运动，则进给速度在切削刃上各点是相同的。在外圆车削中，是相同的。在外圆车削中，（mms）式中式中:f 车刀每转进给量（车刀每转进给量（mmr）；）；n 工件转速（工件转速（rs）。）。进给量进给量f f
8、：工件或刀具的主运动每转一转或每一行程时，工件工件或刀具的主运动每转一转或每一行程时，工件和刀具两者在进给运动方向上的相对位移量。和刀具两者在进给运动方向上的相对位移量。（mm）式中式中:d w 工件待加工表面的直径（mm）；d m 工件已加工表面的直径（工件已加工表面的直径（mm）。）。钻孔的背吃刀量钻孔的背吃刀量 （mm）式中：式中：工件上钻孔孔径。工件上钻孔孔径。背吃刀量背吃刀量a sp对外圆车削（图对外圆车削（图2.1）和平面刨削（图）和平面刨削（图2.2）而）而言，背吃刀量言，背吃刀量a sp等于工件已加工表面与待加工表面间的垂等于工件已加工表面与待加工表面间的垂直距离，其中外圆车削
9、的背吃刀量直距离，其中外圆车削的背吃刀量（2）刀具角度和刀具的工作角度）刀具角度和刀具的工作角度 1）刀具角度的静止参考系）刀具角度的静止参考系 刀具切削部分的表面与切削刃刀具切削部分的表面与切削刃 刀具的组成部分：刀具有多种多样，设计原理和工作方式各不刀具的组成部分：刀具有多种多样，设计原理和工作方式各不相同，尺寸和形状也不一样，但从刀具的结构来看，它们都由两个相同，尺寸和形状也不一样，但从刀具的结构来看，它们都由两个共同部分组成。共同部分组成。工作部分：工作部分：是刀具担负切削工作的部位，由切削部分和校正部是刀具担负切削工作的部位，由切削部分和校正部分组成。分组成。装夹部分：装夹部分：刀具
10、在机床上的定位与夹持部位，并传递动力。刀具在机床上的定位与夹持部位，并传递动力。前面前面（）切下的切屑沿其流出的表面。切下的切屑沿其流出的表面。主后面主后面（）与工件上过渡表面相对的表面。与工件上过渡表面相对的表面。副后面副后面（）与工件上已加工表面相对的表与工件上已加工表面相对的表面。面。主切削刃主切削刃（）前面与主后面的交线。它承前面与主后面的交线。它承担主要的金属切除工作并形成工件上的过渡表担主要的金属切除工作并形成工件上的过渡表面。面。副切削刃副切削刃（）前面与副后面的交线。前面与副后面的交线。它参与部分的切削工件最终形成工件上的已它参与部分的切削工件最终形成工件上的已加工表面。加工表
11、面。刀具角度的静止参考系刀具角度的静止参考系 刀具角度：是指在刀具工作图上需要标出的角度。刀具角度：是指在刀具工作图上需要标出的角度。刀具角度是在一套便于制造、刃磨和测量的刀具静止参考系里度量的。对于刀具角度是在一套便于制造、刃磨和测量的刀具静止参考系里度量的。对于车刀，为了便于测量，在建立刀具静止参考系时，特作如下三点假设：车刀，为了便于测量，在建立刀具静止参考系时，特作如下三点假设：a 不考虑进给运动的影响，即不考虑进给运动的影响，即 f=0；b 安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，且车刀刀杆中心线与工件轴心线垂直；安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，且车刀刀杆中心线与工件轴心线垂直；c 主切
12、削刃上选定点与工件中心等高。主切削刃上选定点与工件中心等高。刀尖刀尖 主、副切削刃的交点。但主、副切削刃的交点。但多数刀具将此处磨成圆弧或一小段多数刀具将此处磨成圆弧或一小段直线（图直线（图2.4）。）。i 正交平面参考系正交平面参考系基面基面（）：过切削刃上选顶并垂直于该点切削速度向量的平）：过切削刃上选顶并垂直于该点切削速度向量的平面。通常，基面应平行与刀具上便于制造、刃磨和测量的某一面。通常，基面应平行与刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面。对于普通车刀，它的基面总是平行于刀杆的底安装定位平面。对于普通车刀，它的基面总是平行于刀杆的底面。面。切削平面切削平面（）：过切削刃上选定点
13、作切削刃切线，此切线）：过切削刃上选定点作切削刃切线，此切线与该点的切削速度向量所组成的平面。与该点的切削速度向量所组成的平面。正交平面正交平面（）：过切削刃上选定点，同时垂直于该点基面和）：过切削刃上选定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。切削平面的平面。ii 法平面参考系法平面参考系 基面基面 和切削平面和切削平面 的定义与正交平面参考系里的定义与正交平面参考系里的和相同。的和相同。法平面（法平面（）：过切削刃上选定点垂直于切削刃或其切）：过切削刃上选定点垂直于切削刃或其切线的平面。对于切削刃上某一选定点，该点的法平面线的平面。对于切削刃上某一选定点，该点的法平面 、基面、基面 和切削
14、平面和切削平面 就构成了法平面参考系（见就构成了法平面参考系（见图图2.6）。在法平面参考系中，切削平面垂直于基面、切削）。在法平面参考系中，切削平面垂直于基面、切削平面垂直于法平面，但法平面不垂直于基面（在刃倾角的平面垂直于法平面，但法平面不垂直于基面（在刃倾角的条件下）。条件下）。基面的定义同正交平面参考系。基面的定义同正交平面参考系。背平面（）：过切削上选定点，平行于刀杆中心线并垂背平面（）：过切削上选定点，平行于刀杆中心线并垂直于基面的平面，它与进给方向是垂直的。直于基面的平面，它与进给方向是垂直的。假定工作平面（）：过切削刃上的选定点，同时垂直于假定工作平面（）：过切削刃上的选定点，
15、同时垂直于刀杆中心线与基面的平面，它与进给方向平刀杆中心线与基面的平面，它与进给方向平行。行。iii 背平面和假定工作平面参考系背平面和假定工作平面参考系 刀具在正交平面参考系中的角度刀具在正交平面参考系中的角度刀刀具具角角度度的的作作用用有有两两个个：一一是是确确定定刀刀具具上上切切削削刃刃的的空空间间位位置置；二二是是确确定定刀具上前、后面的空间位置。现以外圆车刀为例（图刀具上前、后面的空间位置。现以外圆车刀为例（图2.8）予以说明。）予以说明。确定车刀主切削刃空间位置的角度有两个：确定车刀主切削刃空间位置的角度有两个：主偏角主偏角 ：主切削刃在基面：主切削刃在基面 上的投影与进给方向之间
16、的交角，在基面上的投影与进给方向之间的交角，在基面上测量上测量刃倾角刃倾角 ：主切削刃与基面的交角，在切削平面中测量。当刀尖在主：主切削刃与基面的交角，在切削平面中测量。当刀尖在主切削刃上为最低点时，切削刃上为最低点时，为负值；反之，当刀尖在主切削刃上为最为负值；反之，当刀尖在主切削刃上为最高点时，高点时，为正值。为正值。2）刀具角度）刀具角度确定车刀前面与后面空间位置的角度有两个：确定车刀前面与后面空间位置的角度有两个：前角前角 ：在主切刃上选定点的正交平面内，前面与基面之间的夹角。：在主切刃上选定点的正交平面内，前面与基面之间的夹角。后角后角 ：在同一个正交平面内，后面与切削平面之间的夹角
17、。：在同一个正交平面内，后面与切削平面之间的夹角。副偏角副偏角 ：副切削刃在基面上的投影与进给反向之间的夹角，它在基面上：副切削刃在基面上的投影与进给反向之间的夹角，它在基面上测量。测量。副后角副后角 ：在副切削刃上选定点的副正交平面内，副后面与副切削平面之：在副切削刃上选定点的副正交平面内，副后面与副切削平面之间的夹角。间的夹角。还可以标出以下角度：还可以标出以下角度：楔角楔角 ：在主切削刃上选定点的正交平面内，前面与后面的夹：在主切削刃上选定点的正交平面内，前面与后面的夹角，角，。刀尖角刀尖角 ：主、副切削刃在基面上投影之间的交角，在基面上：主、副切削刃在基面上投影之间的交角，在基面上测量
18、，测量，。余偏角余偏角 ：主切削刃在基面上的投影与进给方向垂线之间的夹：主切削刃在基面上的投影与进给方向垂线之间的夹角，在基面上测量，角，在基面上测量，。以上是外圆车刀必须标出的六个基本角度。有了这六个基本角度，外圆车以上是外圆车刀必须标出的六个基本角度。有了这六个基本角度，外圆车刀的三面（前面、主后面、副后面）、两刃（主切削刃、副切削刃）、一刀的三面（前面、主后面、副后面）、两刃（主切削刃、副切削刃）、一尖的空间位置就完全确定下来了。尖的空间位置就完全确定下来了。首先划出刀具在基面（首先划出刀具在基面（）上的投影视图，标出主偏角）上的投影视图，标出主偏角 ，副偏角，副偏角 ，余偏角，余偏角
19、和刀尖角和刀尖角 画出切削平面的投影视图，标出刃倾角画出切削平面的投影视图，标出刃倾角 。采取正交平面参考系，在过切削刃上选定点的采取正交平面参考系，在过切削刃上选定点的OO剖面剖面内标出前角内标出前角 ，后角，后角 和楔角和楔角 。对副切削刃，可按照研究主切削刃的办法，同样取一正交对副切削刃，可按照研究主切削刃的办法，同样取一正交平面，在副切削刃上选定点的平面，在副切削刃上选定点的OO可剖面内标出副前角可剖面内标出副前角 和副后角和副后角 。刀具角度作图步骤：刀具角度作图步骤：刀具在法平面参考系中要标出的角度，基本上刀具在法平面参考系中要标出的角度，基本上和正交平面参考系中类似。在基面和正交
20、平面参考系中类似。在基面 上表示上表示的角度主偏角的角度主偏角 、副偏角、副偏角 、刀尖角、刀尖角 余余偏角偏角 和在切削平面和在切削平面 内表示的角度内表示的角度 ，二，二参考系是相同的，所不同的是只需将正交平面参考系是相同的，所不同的是只需将正交平面内内 的前角的前角 、副后角、副后角 、楔角、楔角 ，改为法平面改为法平面 内的法前角内的法前角 ，法后角，法后角 与与法楔角法楔角 （图（图2.9）。）。刀具在法平面参考系中的角度刀具在法平面参考系中的角度除除基基面面上上表表示示的的角角度度与与上上面面相相同同外外，前前角角、后后角角和和楔楔角角是是分分别别在在背背平平面面 和和假假定定工工
21、作作平平面面 内内标标出出的的，故故有有背背前前角角 、背背后后角角 、背背楔楔角角 和和侧侧前前角角 、侧侧后后角角 、侧楔角、侧楔角 诸角度（图诸角度（图2.10）。）。刀具在背平面和假定工作平面参考系刀具在背平面和假定工作平面参考系中的角度中的角度 上面讲到的刀具角度，是在忽略进给运动的影响，而且刀具又按特定条上面讲到的刀具角度，是在忽略进给运动的影响，而且刀具又按特定条件安装的情况下给出的。而刀具的角度是指刀具在实际工作状态下的切削角件安装的情况下给出的。而刀具的角度是指刀具在实际工作状态下的切削角度，它必须考虑进给运动和实际的安装情况，此时刀具的参考系发生变化，度，它必须考虑进给运动
22、和实际的安装情况，此时刀具的参考系发生变化，从而导致刀具的工作角度不同于原来的刀具角度。从而导致刀具的工作角度不同于原来的刀具角度。刀具工作参考系刀具工作参考系与刀具静止参考系一样，刀具工作参考系也有三种：工作正交平面参考与刀具静止参考系一样，刀具工作参考系也有三种：工作正交平面参考系；工作法平面参考系；工作背平面和工作平面参考系。刀具工作参考系与系；工作法平面参考系；工作背平面和工作平面参考系。刀具工作参考系与静止参考系的区别在于：用合成切削速度向量代替切削速度向量；用实际安静止参考系的区别在于：用合成切削速度向量代替切削速度向量；用实际安装条件代替假定安装条件；用实际的进给方向代替假定的进
23、给方向。刀具工装条件代替假定安装条件；用实际的进给方向代替假定的进给方向。刀具工作参考系中各坐标平面的定义见表作参考系中各坐标平面的定义见表2.1。3）刀具的工作角度）刀具的工作角度 刀刀具具的的工工作作角角度度就就是是在在刀刀具具工工作作参参考考系系中中确确定定的的角角度度，其其定定义义与与原原来来的的刀刀具具工工作作角角度度相相同同。刀刀具具的的工工件件角角度度是是刀刀具具在在实实际工作状态下的切削角度。际工作状态下的切削角度。刀具的工作角度刀具的工作角度以切断刀为例，以切断刀为例，如图如图2.11所示。所示。由于与相对与原来的与倾斜了一个角度，因此，现在由于与相对与原来的与倾斜了一个角度
24、，因此，现在的工作前角和工作后角应为：的工作前角和工作后角应为：（2.4）（2.5）（2.6）式中式中 ：合成切削速度角，它是同一瞬时主运动方向与合成切削：合成切削速度角，它是同一瞬时主运动方向与合成切削方向之间的夹角，在工作平面中测量；方向之间的夹角，在工作平面中测量；f：工件每转一转时刀具的横向进给量；：工件每转一转时刀具的横向进给量；d：切削刃上选定点：切削刃上选定点A在横向进给切削过程中相对工件中心的直径，在横向进给切削过程中相对工件中心的直径，该直径是一个不断改变着的数值。该直径是一个不断改变着的数值。影响刀具工作角度的因素影响刀具工作角度的因素 除上述横车时，横向进给运动会影响刀具
25、工作除上述横车时，横向进给运动会影响刀具工作角度外，以下因素也会影响刀具相应的工作角度：角度外，以下因素也会影响刀具相应的工作角度：i.纵向进给运动影响刀具工作前、后角；纵向进给运动影响刀具工作前、后角；ii.刀具安装高低影响刀具工作前、后角；刀具安装高低影响刀具工作前、后角；iii.刀杆中心线与进给运动方向不垂直影响刀具工作刀杆中心线与进给运动方向不垂直影响刀具工作主、副偏角。主、副偏角。1）切削层参数）切削层参数各种切削工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明，各种切削工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明，如图如图2.14所示。所示。切削层：切削层：在各种切削加工中，单刃刀具或工件沿进
26、给运动方向在各种切削加工中，单刃刀具或工件沿进给运动方向每移动一个每移动一个 或或 后，由一个刀齿正在后，由一个刀齿正在切的金属层称为切削层。切的金属层称为切削层。每齿进给量每齿进给量 ：对于多齿刀具，当刀具每转过一个齿，工：对于多齿刀具，当刀具每转过一个齿，工件和刀具在进给出运动方向上的相对位置就称为每齿进给量，件和刀具在进给出运动方向上的相对位置就称为每齿进给量，用用 表示。表示。（4）切削层参数与切削方式）切削层参数与切削方式切切削削层层公公称称厚厚度度 ：在在主主切切削削刃刃选选定定点点的的基基面面内内，垂垂直直于于过过渡表面度量的切削层尺寸。渡表面度量的切削层尺寸。在外圆纵车时，若车
27、刀主切削刃为直线，则 切削层公称宽度 ：在主切削刃选定的基面内，沿过渡表面度量的切削层尺寸。当车刀主切削刃为直线时，外圆纵车的 为 切削层公称横截面积 ：在主切削刃选定点的基面内，切削层的横截面积。车削时切削层公称横截面积切削层公称横截面积 ：在主切削刃选定点的基面内，切削层的：在主切削刃选定点的基面内，切削层的横截面积称为切削层公称横戴面积。横截面积称为切削层公称横戴面积。车削时车削时 。切削方式切削方式自由切削：自由切削：刀具在切削过程中刀具在切削过程中,如果只有一条直线切削刃参加切如果只有一条直线切削刃参加切削工作削工作,这种情况称之为自由切削这种情况称之为自由切削.其主要特征是切削刃上
28、各点切屑流出方向大致相同，被切金其主要特征是切削刃上各点切屑流出方向大致相同，被切金属的变形基本上发生在二维平面内。图属的变形基本上发生在二维平面内。图2.16的宽刃刨刀，由于主的宽刃刨刀，由于主切削刃长度大于工件宽度，没有其他切削刃参加切削，所以它是切削刃长度大于工件宽度，没有其他切削刃参加切削，所以它是属于自由切削。属于自由切削。非自由切削：非自由切削：刀具在切削过程中刀具在切削过程中,若刀具上的切削刃为曲线，或有几条切若刀具上的切削刃为曲线，或有几条切削刃（包括副切削刃）都参加了切削，并且同时完成整个切削过程，则削刃（包括副切削刃）都参加了切削，并且同时完成整个切削过程，则称之为非自由切
29、削。称之为非自由切削。其主特征是各切削刃交接处切下的金属互相影响和干扰，金属变形更为其主特征是各切削刃交接处切下的金属互相影响和干扰，金属变形更为复杂，且发生在三维空间内。例如外圆车削时除主切削刃外，还有副切复杂，且发生在三维空间内。例如外圆车削时除主切削刃外，还有副切刃同时参加切削，所以，它是属于非自由切削方式。刃同时参加切削，所以，它是属于非自由切削方式。直角切削（正交切削）：直角切削（正交切削）：指刀具主切削刃的刃倾角的切削，此时，主切指刀具主切削刃的刃倾角的切削，此时，主切削刃与切削速度向量成直角。削刃与切削速度向量成直角。斜角切削：斜角切削：指刀具主切削刃的刃倾角的切削，此时主切削刃
30、与切削速度指刀具主切削刃的刃倾角的切削，此时主切削刃与切削速度向量不成直角。向量不成直角。2.1.2 常用刀具材常用刀具材料和刀具种类料和刀具种类1.高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 常温下刀具硬度应在常温下刀具硬度应在HRC60以上。以上。2.足够的强度和韧性足够的强度和韧性 应能承受切削中的冲击和振动，避免崩刃和折断。应能承受切削中的冲击和振动，避免崩刃和折断。3.高的耐热性高的耐热性（又称热硬性、红硬性）即高温下保持硬度、耐磨性、强度（又称热硬性、红硬性）即高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。和韧性的性能。4.化学稳定性好化学稳定性好 在常温和高温下不易与周围介质及被加工材料发生化
31、学在常温和高温下不易与周围介质及被加工材料发生化学反应。反应。5.良好的工艺性和经济性良好的工艺性和经济性 便于加工制造，如良好的锻造性、热处理性、便于加工制造，如良好的锻造性、热处理性、可焊性、刃磨性等，还应尽可能满足资源丰富、价格低廉的要求。可焊性、刃磨性等，还应尽可能满足资源丰富、价格低廉的要求。（2）常用刀具材料的类型及选用）常用刀具材料的类型及选用 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 陶瓷材料陶瓷材料 人造金刚石人造金刚石 立方氮化硼立方氮化硼 根根据据工工件件材材料料特特性性和和加加工工要要求求，选选择择合合适适的的刀刀具具材材料料与与其其相相适适应应，做做到到既既充充分分发发挥挥刀刀
32、具具特特性性，又又能能较较经经济济地地满满足足加工要求。加工要求。（3）常用刀具种类）常用刀具种类 切刀切刀 孔加工刀具孔加工刀具 拉刀拉刀 螺纹刀具螺纹刀具 齿轮刀具齿轮刀具 磨具磨具 合理选择刀具材料的基本要求是：合理选择刀具材料的基本要求是：2.2 金属切削过程中的物理现象金属切削过程中的物理现象 (1)金属切削层的三个变形区金属切削层的三个变形区 第第一一变变形形区区 从从OA线线开开始始发发生生塑塑性性变变形形，到到OM线线晶晶粒粒的的剪剪切切滑滑移移基基本完成。这一区域称为第一变形区（本完成。这一区域称为第一变形区（）。）。第第二二变变形形区区 切切屑屑沿沿刀刀具具前前面面排排出出
33、时时，进进一一步步受受到到前前面面的的挤挤压压和和摩摩擦擦，使使靠靠近近前前面面处处的的金金属属纤纤维维化化，其其方方向向基基本本上上和和前前面面相相平平行行。这这部部分分叫叫做做第二变形区（第二变形区（）。）。第第三三变变形形区区 已已加加工工表表面面受受到到切切削削刃刃钝钝圆圆部部分分与与刀刀具具后后面面的的挤挤压压和和摩摩擦擦，产产生生变变形形与与回回弹弹，造造成成纤纤维维化化与与加加工工硬硬化化。这这一一部部分分称称为为第第三三变变形形区（区（）.2.2.1 切屑和积屑瘤切屑和积屑瘤（2）表示切屑变形程度的方法）表示切屑变形程度的方法1)剪剪 切切 角角 剪剪 切切 面面 和和 切切
34、削削 速速 度度 方方 向向 的的 夹夹 角角 叫叫 剪剪 切切 角角，用用 表表 示示。2)切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比:切切屑屑厚厚度度与与切切削削层层公公称称厚厚度度之之比比.3)切切屑屑长长度度压压缩缩比比:切切削削层层公公称称长长度度与与切切屑屑长长度度之之比比.=由于工件上切削层的宽度与切屑平均宽度的差异很小，切由于工件上切削层的宽度与切屑平均宽度的差异很小，切削前、后的体积可以看做不变，故削前、后的体积可以看做不变，故=是一个大于是一个大于1的数，值越大，表示切下的切屑厚度越大，的数，值越大，表示切下的切屑厚度越大，长度越短，其变形也就越大。由于切屑厚度压缩比直观地反映长度越短，
35、其变形也就越大。由于切屑厚度压缩比直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量，故一般常用它来度量切屑了切屑的变形程度，并且容易测量，故一般常用它来度量切屑的变形。的变形。（3）几个主要因素对切屑变形的影响）几个主要因素对切屑变形的影响 1）工件材料对切屑变形的影响）工件材料对切屑变形的影响工件材料的强度硬度愈高，切屑变形愈小。工件材料的强度硬度愈高，切屑变形愈小。2）刀具前角对切屑变形影响 刀具前角愈大，切屑变形愈切削速度对切屑变形的影响在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度愈大，则切屑变形愈小。原因是：切削速度较高时，切削变形不充分，导致切屑变形减小；随着切削速度的提高，切削温度也升高，使刀一屑
36、接触面的摩擦减小，从而也使切屑变形减小。（4）切屑类型及控制）切屑类型及控制 1)带状切屑带状切屑 图图2.23 a）所示，带状切屑的外形呈带状，他的内表面）所示，带状切屑的外形呈带状，他的内表面是光滑的，外表面是毛茸的，加工塑性金属材料如碳钢、是光滑的，外表面是毛茸的，加工塑性金属材料如碳钢、合金钢时，当时切削层公称厚度较小，切削速度较高，刀合金钢时，当时切削层公称厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时，一般常得到这种切屑。具前角较大时，一般常得到这种切屑。切削层公称厚度对切屑变形的影响切削层公称厚度对切屑变形的影响 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度愈大，则在无积屑瘤的切削速度范围
37、内，切削层公称厚度愈大，则切屑变形愈小。切屑变形愈小。2)节状切屑节状切屑 如图如图2.23b）所示，这类切屑的外形是切屑的外表面呈锯齿形，内表）所示，这类切屑的外形是切屑的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，这种切屑大都是在切削速度较低，切削层公称厚度较大、面有时有裂纹，这种切屑大都是在切削速度较低，切削层公称厚度较大、刀具前角较小时产生。刀具前角较小时产生。3)粒状切屑粒状切屑 当切屑形成时，如果整个剪切面上应力超过了材料的破裂强度，则当切屑形成时，如果整个剪切面上应力超过了材料的破裂强度，则整个单元被切离，成为梯形的粒状切屑，如图整个单元被切离，成为梯形的粒状切屑，如图2.23c）所示。由
38、于各粒形）所示。由于各粒形状相似，所以又叫单元切屑。状相似，所以又叫单元切屑。4)崩碎切屑崩碎切屑 如图如图2.23d）所示，在切削脆性金属如铸铁、黄铜等时，切削层几）所示，在切削脆性金属如铸铁、黄铜等时，切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，从而使切屑呈不规则的颗粒状。乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，从而使切屑呈不规则的颗粒状。（5）积屑瘤）积屑瘤积积屑屑瘤瘤：切切削削过过程程中中有有一一部部分分被被切切工工件件材材料料堆堆积积于于刀刀具具刃刃口口附附近近的的前前刀刀面面上上，如如图图2.24所所示示。这这层层堆堆积积物物大大体体呈呈三三角角形形，质质地地十十分分坚坚硬硬，其其硬硬度度可可
39、为为工工件件材材料料的的2倍倍3倍倍，处处于于稳稳定定状状态态时时可可代代替替刀刀尖尖进进行行切切削削。该该堆堆积积物物称称为为积积屑屑瘤瘤，俗俗称称刀刀瘤。瘤。产生积屑瘤的原因：产生积屑瘤的原因：由于切屑在刀具前面上粘结造成的。切由于切屑在刀具前面上粘结造成的。切屑沿着刀具前面流动，由于受前刀面的摩擦作用，使得切屑屑沿着刀具前面流动，由于受前刀面的摩擦作用，使得切屑底层流动速度变得很慢而产生滞流。在一定的温度及压力下，底层流动速度变得很慢而产生滞流。在一定的温度及压力下，切屑底层的金属会粘结于刀尖上，层层粘结，层层堆积，高切屑底层的金属会粘结于刀尖上，层层粘结，层层堆积，高度渐长，最终形成了
40、积屑瘤。度渐长，最终形成了积屑瘤。积积屑屑瘤瘤对对工工件件加加工工质质量量的的影影响响：因因它它能能代代替替刀刀刃刃进进行行切切削削，故故会会引引起起工工件件加加工工尺尺寸寸的的改改变变，影影响响加加工工精精度度。此此外外，也也会会使使加加工表面粗糙度恶化。工表面粗糙度恶化。2.2.2 切切 削削 力力切切 削削 力：在切削过程中作用在刀具与工件上的力。力：在切削过程中作用在刀具与工件上的力。（1）切削合力的分解及切削功率）切削合力的分解及切削功率以车削外圆时的切削力为例。为了便于测量和应用，可以将合力以车削外圆时的切削力为例。为了便于测量和应用，可以将合力F分解为三分解为三个互相垂直的分力：
41、个互相垂直的分力：切削力或切向力切削力或切向力 ：是总切削力在主运动方向上的投影，其方向与基面垂：是总切削力在主运动方向上的投影，其方向与基面垂直。直。是计算车刀强度、设计机床零件、确定机床功率所必需的。是计算车刀强度、设计机床零件、确定机床功率所必需的。进给力或轴向力进给力或轴向力 ：他是处于基面内并与工件轴线平行的：他是处于基面内并与工件轴线平行的 力力 。是设计机床走刀强度、设计机床走刀机构强度、计算车刀是设计机床走刀强度、设计机床走刀机构强度、计算车刀进给功率的必需的。进给功率的必需的。背向力背向力 （或径向力）：他是处于基面内并与工件轴线垂（或径向力）：他是处于基面内并与工件轴线垂直
42、的直的 力。力。用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件强度，它也是使工件在切削过程中产生振动的力。床零件强度，它也是使工件在切削过程中产生振动的力。（1）切削合力的分解及切削功率）切削合力的分解及切削功率 切削功率切削功率 ：消耗在切削过程中的切削功率。：消耗在切削过程中的切削功率。在切削力中，因在切削力中，因 方向没有位移，所以不消耗功率，切削方向没有位移，所以不消耗功率，切削功率为力功率为力 、所消耗的功率之和。于是切削功率为：所消耗的功率之和。于是切削功率为：（2）切削刀的指数经验公式及切削力的计算）切削刀的指数经验公式及切削力的计
43、算 实实际际采采用用的的计计算算公公式式都都是是通通过过大大量量的的试试验验和和数数据据处处理理而而得得到到的的经经验验公公式式。其其中中应应用用比比较较广广泛泛的的是是指指数数形形式式的的切切削削力力经经验验公式，他的形式如下：公式，他的形式如下：上上式式中中等等号号右右侧侧的的第第二二项项目目是是消消耗耗在在进进给给运运动动中中的的功功率率，他与他与Fc所消耗的功率相比，一般很小，故可略去不计，于是所消耗的功率相比，一般很小，故可略去不计，于是 求求出出之之后后，如如果果计计算算机机床床电电机机功功率率PE，还还应应将将PC除除以以机机床传动效率，即床传动效率，即2）切削用量对切削力的影响
44、）切削用量对切削力的影响 (1)背吃刀量背吃刀量 和进给量和进给量 f 背吃刀量和进给量背吃刀量和进给量f增大，都会使切削面积增大，都会使切削面积AD增大，从而使变形力增大，从而使变形力增大，磨擦力增大，因之切削力也随之增大。但和增大，磨擦力增大，因之切削力也随之增大。但和f两者对切削力的影响两者对切削力的影响大小不同。大小不同。背吃刀量背吃刀量 增大一倍，切削力增大一倍，切削力FC也增大一倍，即切削力也增大一倍，即切削力FC的经的经验公式中，的指数近似等于验公式中，的指数近似等于1。进给量进给量 f 增大，切削面积增大、切削力增大；但增大，切削面积增大、切削力增大；但 f 增大，又使切屑增大
45、，又使切屑厚度压缩比厚度压缩比Ah减小，磨擦力减小，使切削力减小。这正反两方面作用结减小，磨擦力减小，使切削力减小。这正反两方面作用结果，使切削力的增大与果，使切削力的增大与 f 不成正比，反映在切削力不成正比，反映在切削力FC的经验公式中，的经验公式中，f的的指数指数yFc，一般都小于，一般都小于 1。(2)切削速度切削速度VC 在无积屑瘤的切削速度范围内，随着切削速度在无积屑瘤的切削速度范围内，随着切削速度VC的增大，切削力减小。这是因为的增大，切削力减小。这是因为VC增大后，磨擦减小，剪切增大后，磨擦减小，剪切角角增大，切屑厚度压缩比增大，切屑厚度压缩比Ah减小，切削力减小。另一方面，减
46、小，切削力减小。另一方面，切削速度切削速度VC增大，切削温度增高，使被加工金属的强度、硬增大，切削温度增高，使被加工金属的强度、硬度降低，也会导致切削力减小。度降低，也会导致切削力减小。(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响 在刀具几何参数中，前角对切削力影响最大。加工塑性材料时，前在刀具几何参数中，前角对切削力影响最大。加工塑性材料时，前角增大，切削力降低；加工脆性材料时，由于切屑变形很小，所以前角角增大，切削力降低；加工脆性材料时，由于切屑变形很小，所以前角对切削力的影响不显著。主偏角对切削力对切削力的影响不显著。主偏角对切削力FC的影响较小，但他对背向力的影响较小，但
47、他对背向力Fp和进给力和进给力Ff的影响较大。的影响较大。随随 的增大而减小，随的的增大而减小，随的 增大而增大而增大。刃倾角增大。刃倾角 在很大范围内（在很大范围内（-400+400）变化时对切削力）变化时对切削力Fc没有什么没有什么影响，但对影响，但对Fp和和Ff的影响较大，随着刃倾角的影响较大，随着刃倾角 的增大，的增大，Fp减小，而减小，而Ff增大。增大。(4)刀具材料对切削力的影响刀具材料对切削力的影响 刀具材料与被加工材料间的磨擦系数，影响到摩擦力的刀具材料与被加工材料间的磨擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。变化，直接影响着切削力的变化。(5)切削液对切削力的影响
48、切削液对切削力的影响 切削液具有润滑作用，使切削力降低。切削液具有润滑作用，使切削力降低。(6)刀具后面的磨损对切削力的影响刀具后面的磨损对切削力的影响 后面的磨损增加，磨擦加剧，切削力增加。后面的磨损增加，磨擦加剧，切削力增加。2.2.3 切削热及切削温度切削热及切削温度 切削热是切削过程中重要的物理现象之一。大量的切削热使得切切削热是切削过程中重要的物理现象之一。大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响刀具前面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和削温度升高，这将直接影响刀具前面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨损以及工件材料的性能、工件加工精度和已加工表面消退、刀具的磨损以及工件材料的性
49、能、工件加工精度和已加工表面质量等。质量等。2.2.4 切削热的产生与传出切削热的产生与传出 切削过程中所消耗的能量几乎全部转变为热量。三个变形区就是三个切削过程中所消耗的能量几乎全部转变为热量。三个变形区就是三个发热区（图发热区（图2.28），所以，切削热的来源就是切悄变形功和刀具前、后），所以，切削热的来源就是切悄变形功和刀具前、后面的磨擦功。面的磨擦功。根据热力学平衡原理，产生的热量和散出的热量应相等，根据热力学平衡原理，产生的热量和散出的热量应相等，Qs+Qr=Qc+Qt+Qw+Qm 、增增大大，切切削削温温度度升升高高，但但切切削削用用量量三三要要素素对对切切削削温温度度的的影影响响
50、程程度度不不一一，以以 的的影影响响最最大大，次次之之，最最小小。因因此此，为为了了有有效效地地控控制制切切削削温温度度以以提提高高刀刀具具使使用用寿寿命命，在在机机床床允允许许的的条条件件下下，选用较大背吃刀量和进给量，比选用大的切削速度更为有利。选用较大背吃刀量和进给量，比选用大的切削速度更为有利。影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素切削温度：是指刀具前面上刀切削温度：是指刀具前面上刀-屑接触区的平均温度。屑接触区的平均温度。刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响前角增大，使切屑变形程度减小，产生的切削热减小，因而切削温度下降。但前角增大，使切屑变形程度减小，产生的切削热减小，因而切