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1、金属切削原理与刀具主编陈锡渠彭晓南v21世纪全国应用性本科达机械系列实用规划教材v中国林业出版社北京大学出版社v第一章基本概念v第二章刀具材料v第三章金属切削过程及其变形规律v第四章切削条件的合理选择v第五章磨削v第六章车刀v第七章孔加工刀具v第八章铣刀v第九章拉刀v第十章螺纹刀具v第十一章齿轮刀具v第十二章自动化加工刀具第1章基本概念v1.1切削加工概述v1.2刀具几何结构v1.3刀具标注角度换算v1.4切削层参数和切削方式v1.1.1切削加工的基本条件v为了使切削加工过程能顺利进行，必须具备下述基本条件：v(1)刀具和工件间要有形成零件结构要素所需的相对运动。v(2)刀具材料的性能能够满足
2、切削加工的需要。例如足够的强度和刚度、高温下的耐磨性等。v(3)刀具必须具有一定的空间几何结构。1.1切削加工概述v1.1切削加工概述v切削加工中，随着切削层(加工余量)不断被刀具切除，工件上有3个处于变动中的表面。v(1)待加工表面。工件上行将被切除的表面。v(2)已加工表面。工件上经刀具切削后产生的新表面。v(3)过渡表面。工件上由切削刃正在切削着的表面，位于待加工表面和已加工表面之间，也称作加工表面或切削表面。v需注意：v在切削加工过程中，三个表面始终处于不断的变动之中。v1.1.2工件上的加工表面v1.1切削加工概述v1.1切削加工概述v1.1.3切削加工中的运动及构成v按作用的不同分
3、为下列两类：即切削运动和辅助运动。vl.切削运动直接完成切除加工余量任务，形成所需零件表面的运动，称为切削运动。包括主运动和进给运动。v(1)主运动。直接切除工件上的多余材料，使之转变为切屑，从而形成工件新表面的运动。主运动通常只有一个，且速度和消耗功率较大。v例如，车床上工件的旋转运动；龙门刨床刨削时，工件的直线往复运动；牛头刨床刨刀的直线往复运动等。v1.1切削加工概述v(2)进给运动。将工件上的多余材料不断投入切削区进行切削以逐渐切削出零件所需整个表面的运动。进给运动一般有一个，也可多于一个，且速度和消耗功率较小。v例如：车外圆时车刀纵向连续的直线运动，在牛头刨床上刨平面时工件横向间断的
4、直线移动等。v1.1切削加工概述v无论是主运动还是进给运动，其基本运动形式均是连续的或间歇的直线运动或回转运动，由两者通过不同形式的组合，则可构成多种符合需要的切削运动；v主运动和进给运动可由刀具和工件分别完成(如车削和刨削)，也可由刀具单独完成(如钻孔)，但很少由工件单独完成；v主运动和进给运动可以同时进行(如车削、钻削)，也可以交替进行(如刨平面、插键槽)；v1.1切削加工概述v在主运动和进给运动同时进行的切削加工中(如车外圆、钻孔、铣平面等)，常在选定点将两者按矢量加法合成，称为合成切削运动。v2.辅助运动v不直接参加切除多余材料，但却是完成零件表面加工全过程必不可少的运动。v例如，控制
5、切削刃切入工件表面深度的吃刀运动，重复走刀前的退刀运动，刨刀、插齿刀等回程时的让刀运动等。v1.1切削加工概述v1.1.4切削用量和材料切除率v切削用量：指切削速度、进给量和背吃刀量。切削用量用来定量描述主运动、进给运动和投入切削的加工余量厚度。切削用量的选择直接影响材料切除率，进而影响生产效率。v1.切削速度v切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度称为切削速度，单位为m/s或m/min。v1.1切削加工概述v当主运动为旋转运动时，可按下式计算vv式中：切削刃选定点处刀具或工件的直径(mm)；v主运动转速(r/min或r/s)。v切削刃上各点的切削速度有可能不同，考虑到刀具的磨损和工件的表
6、面加工质量，在计算时应以切削刃上各点中的最大切削速度为准。v1.1切削加工概述v2.进给量v主运动的一个循环或单位时间内刀具和工件沿进给运动方向的相对位移量称为进给量。v用单齿刀具(如车刀、刨刀)进行加工时，常用刀具或工件每转或每行程刀具在进给运动方向上相对工件的位移量来度量，称为每转进给量(mm/r)或每行程进给量(mm/str)。v对于齿数为的多齿刀具(如钻头、铣刀)每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的位移量，称为每齿进给量，记作，单位为毫米齿。显然v1.1切削加工概述v用多齿刀具(如铣刀)加工时，也可用进给运动的瞬时速度即进给速度来表述。切削刃上选定点相对工件的进给运动的速度称
7、为进给速度，记作，单位为mm/s或mm/min。对于连续进给的切削加工，可按下式计算v对于主运动为往复直线运动的切削加工(如刨削、插削)，一般不规定进给速度，但规定每行程进给量。v1.1切削加工概述v过实际参加切削的切削刃上相距最远的两点，且与、所确定的平面平行的两平面间的距离称为背吃刀量(或在通过切削刃上选定点并垂直于该点主运动方向的切削层尺寸平面中，垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。单位为mm。v车削和刨削时，背吃刀量就是工件上已加工表面和待加工表面间的距离(图1.1(b)、(c)、(e)。v车削外圆、内孔等回转表面时v式中：工件待加工表面直径(mm)；v工件已加工表面直径(mm)。v3
8、.背吃刀量v1.1切削加工概述v4.材料切除率v在切削过程中，单位时间内切除材料的体积称为材料切除率，单位为mm3/s。由下式计算：v材料切除率是衡量切削效率的重要指标，切削用量的大小对其有直接影响。v1.1切削加工概述在生产中切削加工的方法很多，所采用的切削刀具种类繁多、形状各异，但仔细分析会发现其切削部分有许多共同之处。其中车刀的结构最简单，也最具代表性，其他的刀具均可看成是车刀的变形，故以车刀为例介绍刀具的一般术语，这些术语也适于其他金属切削刀具。1.2刀具几何结构1.2刀具几何结构1.2.1车刀结构v由夹持部分(刀柄)和切削部分(刀头)两大部分组成。v夹持部分:为矩形(外圆车削)或圆形
9、(镗孔)v切削部分根据需要制造成多种形状。v车刀切削部分的结构要素:包括三个切削刀面、两条切削刃和一个刀尖。1.2刀具几何结构v1.切削刀面v(1)前面，又称前刀面，即切屑流过的表面。v(2)后面，又称后刀面，即与工件上经切削产生的表面相对的表面。分为主后面和副后面。习惯上所说的后面是指主后面。v2.切削刃v(1)主切削刃S：前面与后面的交线，承担主要切削工作，它在工件上切出过渡表面。v(2)副切削刃：前面与副后面的交线，配合主切削刃切除余量并形成已加工表面。1.2刀具几何结构v3.刀尖v主副切削刃连接相当少的一部分切削刃，它可能是主切削刃和副切削刃的实际交点，但大部分刀尖处都有一小段圆弧刃(
10、半径为r)或直线刃(长度为b)。刀尖是刀具切削部分工作条件最恶劣的部位。v4.楔部v在刀具切削部分由前面和后面所包围的那部分实体成为楔部，任何切削刀具都是在这个楔部实体上演变出来的。1.2刀具几何结构1.2.2静止参考系和刀具的几何角度v这些坐标系分为两类：一类称为静态参考系(或称标注参考系)，它是刀具设计计算、绘图标注、制造刃磨及测量时用来确定切削刃、刀面空间几何角度的定位基准，用它定义的角度称为静态角度(或称为标注角度)；另一类称为动态参考系(或称为工作参考系)，它是确定刀具上切削刃、刀面相对于工件的几何位置的基准，用它定义的角度称为工作角度。区别：前者是在一定的假设条件下建立的，而后者是
11、根据生产中的实际状况建立的。1.2刀具几何结构v1.建立静止参考系的条件(1)假定的运动条件。(2)假定的安装条件。v2.静止参考系构成静止参考系的参考坐标平面有以下几种：(1)基面（）：为过切削刃选定点而和该点假定主运动方向垂直的平面。(2)切削平面()：为过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。选定点在主切削刃上者为主切削平面，选定点在副切削刃上者为副切削平面。未特别说明，切削平面是指主切削平面。1.2刀具几何结构v(3)正交平面()：又称正交剖面或主剖面，过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面(或过切削刃选定点并垂直于切削刃在基面上的投影的平面)。选定点在主切削刃上者为
12、主正交平面，选定点在副切削刃上者为副正交平面。v(4)法平面：又称法剖面，过切削刃上选定点且垂直于切削刃(若切削刃为曲线，则垂直于切削刃在该点的切线)的平面。v(5)假定工作平面：又称横向平(剖)面，它是过切削刃上选定点，垂直于基面且与假定进给运动方向平行的平面。v(6)背平面：又称纵向剖面，它是过切削刃上选定点而同时垂直于基面和假定工作平面的平面。1.2刀具几何结构v正交平面、法平面、假定工作平面和背平面又统称为测量平面，用不同的测量平面分别与基面、切削平面组合就形成不同的参考坐标系，包括正交平面参考系、法平面参考系、假定工作平面和背平面参考系。各参考坐标平面的位置及相互关系如下页图所示。1
13、.2刀具几何结构(a)正交平面与法平面参考系(b)假定工作平面、背平面参考系刀具静止参考系1.2刀具几何结构表1-1刀具静止参考系的关系坐标体系正交平面系法平面系假定工作平面及背平面系基本组成基面切削平面（）正交平面（）法平面假定工作平面、背平面相互关系(1)(2)在面内(3)与主切削刃在选定点处相切(4)（5），（6）垂直于主切削刃在基面内的投影(5)(6)时，和 重合为同一平面（5）、组成空间直角坐标系(6)时，与 重合为同一平面1.2刀具几何结构3.刀具几何角度与标注标注角度必须指明切削刃上的选定点，凡未经特殊注明的，均指切削刃上与刀尖毗连的那一点的角度。刀具角度是指在刀具静止参考系中度
14、量标注的角度。v(1)主偏角。主切削平面与假定工作平面间的夹角(或是主切削刃在基面内的投影与假定进给运动方向的夹角)，在基面中度量标注。v(2)副偏角。副切削平面与假定工作平面间的夹角(或是副切削刃在基面内的投影与假定进给运动副方向的夹角)，在基面中度量标注。1.2刀具几何结构v(3)刃倾角。主切削刃与基面间的夹角，在主切削平面中度量标注。以过刀尖处的为基准，当位于之上时(其时刀尖位置最低)，规定0；当位于之下时(其时刀尖位置最高)，规定0；当位于内，则=0。可简记为“抬头为正，低头为负”。v(4)前角。前面与基面间的夹角，在正交平面中度量标注。在正交平面中，当在之上时规定0；当在之下时规定0
15、；当和重合时则=0。1.2刀具几何结构v(5)后角。后面与切削平面间的夹角，在正交平面中度量标注。副后面与副切削平面间的夹角称副后角，记作，在副正交平面中度量标注。以主(副)切削平面为界，当主(副)后面位于()和工的过渡表面(已加工表面)相对的一侧时，规定后角(或副后角)为正，反之为负。后角均应取正值，因副后角刀具无法工作。v(6)法前角。前面与基面间的夹角，在法平面中度量标注。的正、负规定与相同。1.2刀具几何结构v(7)法后角。后面与切削平面之间的夹角，在法平面中度量标注。的正、负规定与相同。v(8)侧前角。又称进给前角，它是前面与基面间的夹角，在假定工作平面中度量标注，其正、负规定与相同
16、。v(9)侧后角。又称进给后角，它是后面与切削平面间的夹角，在假定工作平面中度量标注。的正、负规定与相同。v(10)背前角。又称切深前角，它是前面与基面间的夹角，在背平面中度量标注，其正、负规定与相同。1.2刀具几何结构v(11)背后角。又称切深后角，它是后面与切削平面之间的夹角，在背平面中度量。其正、负规定与相同。v(12)楔角。是前、后面间的夹角，在正交平面中度量标注。由于，故有。v(13)刀尖角。主、副切削平面间的夹角，在中度量标注，显然：。v国际标准化组织(ISO3002-1)已对车刀的标注作了规定，如下页图所示：1.2刀具几何结构v图2-刀具基本角度标注1.2刀具几何结构1.2.3工
17、作角度v如前所述，刀具的标注角度是在忽略进给速度的影响，且刀具安装在理想工作位置的情况下确定的。当刀具进入工作状态后，选定点的实际切削速度的方向以及刀具的实际安装位置相对于假定的理想状态发生了变化，由此而建立的工作参考系(动态参考系)相对于标注参考系(静态参考系)在空间位置上也相应改变，因此刀具的实际切削角度(即刀具的工作角度)和标注角度不一样。1.2刀具几何结构1.进给运动的影响v(1)纵向进给的影响。如下页图示，纵向走刀车外圆时，主切削刃上选定点A的合成切削速度。在假定工作平面(进给平面)Pf内，相对于偏转角度，因此，选定点A处的工作侧前角和工作侧后角分别为v(1.7)(1.8)1.2刀具
18、几何结构v由切削运动的合成知，刀具相对于工件的运动轨迹为圆柱螺旋线，其螺旋升角即为。图1.5纵向进给运动对工作角度的影响1.2刀具几何结构vA点处的工作前角和工作后角分别为：vA点假定工作平面内前、后角的变化，可换算至正交平面内，其变化量为：(1.11)1.2刀具几何结构v结论:v纵向车削时，主切削刃的工作前角比标注前角增大，工作后角比标注后角减小(副切削刃情况刚好相反)。v在纵车外圆时，由于工件进给量相对于直径很小，故因纵向进给运动而引起的刀具角度变化也很小，可忽略不计；v在车螺纹(尤其是车多头螺纹)时，由于工件直径相对于进给量较大，纵向进给运动对刀具角度的影响就不容忽视，应该适当加大主切削
19、刃后角和副切削刃前角，或者采用斜刀垫使刀具后面偏离工件过渡表面。1.2刀具几何结构v(2)横向进给的影响。如图1.6所示，横向走刀车槽或切断时，切削刃上选定点A的实际切削速度。在假定工作平面(进给平面)内，相对于偏转角度；A点的运动轨迹为阿基米德螺旋线，其螺旋倾角(见式1.8）。v由于方向的偏转，故其工作前、后角分别为：(1.13)1.2刀具几何结构v结论：v在横进给车削中，当进给量一定时，随着切削刃不断趋近工件中心(即不断减小)，其工作前角不断增大，工作后角不断减小。当刀尖接近工件中心时，工作后角迅速减小，最容易因后面和工件过渡表面剧烈摩擦而崩刃，应当引起充分重视。以横进给为主工作的刀具(如
20、切断刀、车槽刀和径向成形车刀等)，应当适当加大标注后角。1.2刀具几何结构2.安装位置的影响v当刀具的安装位置与假定的理想位置不符时，刀具的工作角度也将发生变化。v(1)刀尖高低的影响。当安装位置高于(或低于)工件中心(如图l.7所示为安装位置偏高的情况，0)时，即使不考虑进给运动的影响，该点主运动速度方向也将在背平面内相对于工件中心高处偏转角度，从而导致工作参考系相对于静参考系在内相应偏转角度，而1.2刀具几何结构图1.7刀具安装偏高对工作角度的影响1.2刀具几何结构则选定点的工作背前角和工作背后角为：注：当安装位置偏高时，用上边符号；当安装位置偏低时，用下边符号。选定点背平面内的前、后角变
21、化量转换到起正交平面内时，前、后角变化量为v(1.15)式中：H刀杆高度(mm)。1.2刀具几何结构则选定点的工作前角和工作后角为(1.16)注：当安装位置偏高时，用上边符号；当安装位置偏低时，用下边符号。在车、镗内孔时，切削刃上选定点安装位置高低引起的工作角度变化和车外圆刚好相反，即安装位置偏高时采用式(1.14)和式(1.16)中下边的符号，安装位置偏低时采用式(1.14)和式(1.16)中上边的符号。1.2刀具几何结构v(2)刀杆位置的影响。如图1.8所示，则直接引起车刀的工作主偏角和工作副偏角变化，即图1.8刀杆安装位置对工作角度的影响1.2刀具几何结构1.3刀具标注角度换算v刀具的角
22、度标注通常采用正交平面参考系和法平面参考系，但在设计、制造、刃磨和检测中，常需知道主切削刃在其他测量面中的角度。即在已知正交平面参考系的刃倾角、前角、后角、和主偏角、副偏角的情况下，如何计算其他参考坐标平面中的角度。由于切削刃上选定点确定后，在度量标注角度的不同参考系中，都有同一的基面和切削平面，所以在不同的参考系中主偏角、副偏角和刃倾角的数值都不变。因此，不同参考系间的刀具角度换算，就是确定同一选定点沿不同的测量面测量所得的前、后角数值之间的关系。1.3刀具标注角度换算1.3.1正交平面和法平面间的前、后角换算v如图1.9所示，刀具正交平面内的前角为，法平面内的前角为，刃倾角为，平面ABC切
23、削平面，不难证明：BAC=。而所以(1.18)v从数学观点看，前面和后面无本质区别，都是空间上一平面。前角是该平面与基面的夹角，后角是该平面与切削平面的夹角，两者互为余角，在式(1.18)中分别用(90、(90代替和，可得1.3刀具标注角度换算当(正交平面与法平面重合)时，；当时，。即(1.19)图1.9正交平面与法平面角度关系1.3刀具标注角度换算v所谓任意剖面是指通过切削刃上选定点，垂直于基面并与切削平面夹角的平面(用符号表示)。v如图1.10所示，MGBE为通过切削刃上选定点M的基面，MEF为正交平面，MBC为任意剖面，MHCF为前刀面。平面BCFE切削平面，EF基面，BC基面。由图1.
24、10几何关系不难证明：(1.20)同理，从数学观点看，前面和后面无本质区别。在式(1.20)中分别用(90、(90代替和，可得(1.21)1.3.2任意剖面和正交平面间前、后角换算1.3刀具标注角度换算v有关式(1.20)和式(1.21)的几点说明：式(1.20)和式(1.21)中的取不同特定的值时，可以得到一些特殊测量参考面内的前角、后角与正交平面内前角、后角的角度关系。v(1)当，任意剖面与背平面重合，所以v(1.22)v(1.23)v(2)当，任意剖面与假定工作平面重合，所以v(1.24)v(1.25)v(3)当，任意剖面与副正交平面重合，所以v(1.26)v(1.27)1.3刀具标注角
25、度换算v(4)当，任意剖面与副切削平面重合，所以v(1.28)v(5)当,任意剖面与切削平面或正交平面重合，这时v或(1.29)v因此，可以说切削平面、副切削平面或正交平面是任意剖面的一种特殊位置。1.3刀具标注角度换算1.4切削层参数和切削方式v切削层:在各种切削加工中，刀具相对工件沿进给运动方向每移动一个进给量或移动一个每齿进给量，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层，也就是相邻两个过渡表面之间所夹着的一层金属。v切削层的形状和尺寸直接决定了刀具切削部分所承受的载荷大小及切屑的形状和尺寸，所以必须研究切削层界面的形状和参数。1.4.1切削层参数1.4.1切削层参数和切削方式1.4.1切削层参
26、数和切削方式以车外圆为例，切削层的基本定义和主要参数如上页图所示。v1.作用切削刃在特定瞬间，刀具切削刃实际参与切削并在工件上产生过渡表面和已加工表面的那段刃称为作用切削刃，它由作用主切削刃(AB)和作用副切削刃(BC)两段组成。v2.切削刃基点D作用主切削刃上的特定参考点称为切削刃基点D，用以确定作用切削刃截形和切削层尺寸等基本几何参数，通常把它定在等分作用切削刃的点上(图中点D)。1.4.1切削层参数和切削方式v3.切削层尺寸平面通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向的平面称为切削层尺寸平面。v4.切削层公称宽度bD简称切削层宽度，它是给定瞬间作用主切削刃在切削层尺寸平面上的投影(即作用主切
27、削刃截形)的两个极限点间的距离，单位为mm。当主切削刃为直线且刀尖圆弧半径很小时，由图可见v(1.31)1.4.1切削层参数和切削方式v5.切削层公称厚度hD简称切削层厚度，它是两相邻过渡表面间的距离，单位为mm。若切削刃为曲线时，切削层厚度随作用在切削刃上的选定点的位置变化而变化,越接近刀尖切削厚度越小；当作用切削刃为直线时，由图1.11可见v(l.32)v1.4.1切削层参数和切削方式v6.切削层公称横截面积AD简称切削层面积，它是给定瞬间切削层在切削层尺寸平面内的实际横截面积，单位为。当主切削刃为直线且刀尖圆弧半径很小时v结论：v影响切削宽度的因素有背吃刀量和主偏角；v影响切削厚度的因素
28、有进给量和主偏角。v当进给量和背吃刀量一定时，主偏角越大，切削厚度越大，但切削宽度越小。1.4.1切削层参数和切削方式v1.自由切削和非自由切削v自由切削：只有一个切削刃参加切削的情况称为自由切削。宽刃刨刀刨削工件的情况就属于自由切削。v非自由切削：由非直线切削刃或多条直线切削刃同时参加切削的情况称为非自由切削非自由切削。车外圆、铣键槽等属于非自由切削。v特点：自由切削时，切削刃上各点的切屑流向大致相同，切屑变形简单；非自由切削时，切削刃上各点切屑流向互相干扰，切屑变形复杂。1.4.2切削方式1.4.1切削层参数和切削方式(a)直角切削(b)斜角切削图1.12宽刃刨刀刨削工件1.4.1切削层参
29、数和切削方式v2.直角切削和斜角切削v直角切削：是指主切削刃与切削速度方向垂直的切削，这时主切削刃包含在基面内(刃倾角0)，切屑流向与切削刃的法线方向相同。v斜角切削：是指主切削刃与切削速度方向不垂直的切削，这时主切削刃不包含在基面内(刃倾角0)，切屑流向偏离切削刃的法线方向。生产中的切削方式大都属于斜角切削，因为各种切削性质的刀具，绝大部分是采用刃倾角，如有刃倾角的外圆车刀、刨刀、镗刀、带螺旋角的圆柱平面铣刀、麻花钻、有螺旋槽的丝锥和铰刀等均属于这种形式。1.4.1切削层参数和切削方式小小 结结v任何一种切削加工都必须满足一定的条件，即：刀具和工件间要有形成零件结构要素所需的相对运动；刀具必
30、须具有一定的空间几何结构；刀具材料的性能能够满足切削加工的需要。v1.在切削加工中的运动包括切削运动和辅助运动两类。切削运动包括主运动和进给运动。主运动和进给运动可分别用切削速度、进给量、背吃刀量（称为切削用量三要素）来定量描述。v2.车刀是结构最简单，车刀由刀杆和切削部分组成，车刀的主要几何要素可归纳为：“一尖、两刃、三面、六角”。“一尖”指刀尖，“两刃“指主、副切削刃，“三面”指前面和主、副后面，“六角”指前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角。要准确掌握这些几何要素的概念，并能够熟练地标注。v3.描述和标注刀具切削部分各级和要素在空间上位置的参考坐标系有两类，即静态参考系（或称标注参
31、考系）和动态参考系（或称为工作参考系），两者的区别在于前者是在一定的假设条件下建立的，而后者是根据生产中的实际状况建立的。v4.进给运动将导致纵向车削和横向车削时刀具的前角增大、后角减小，尤其是在加工多头螺纹、切断工件时，影响更大。刀具安装位置偏高（或低）将导致外表面车削时刀具的工作前角加大，后角减小（或前角减小，后角加大）；刀具安装位置对内表面车削时的工作角度的影响与外表面车削时刚好相反。刀具安装基面与主运动方向不垂直或刀杆中心线与假定进给运动方向不垂直等将引起车刀的多个角度发生变化。v5.切削层公称宽度、切削层公称厚度和切削层公称横截面积是描述切削层的基本参数，与进给量、背吃刀量、主偏角有关系。v6.了解自由切削和非自由切削、直角切削和斜角切削概念。