第一节 金属切削基本知识

一、切削运动与切削用量

　　要使刀具从工件毛坯上切除多余的金属，使其成为具有一定形状和尺寸的零件，刀具和工件之间必须具有一定的相对运动，这种相对运动称为切削运动 。

　　1．切削速度vc切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，单位为m/s或m/min。计算时，应以最大的切削速度为准，车削外圆的计算公式如下：

　　式中 ——工件待加工表面直径（ mm ）；

　　——工件转速（ r/s 或者 r/min ）。

　　2．进给量f工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移，单位为mm/r，如图2-2 所示。进给速度 v f 是单位时间的进给量，单位为 mm/s 或 mm/min

　　对多点切削刀具，如钻头、铣刀还规定每一个刀齿的进给量 ，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位为 mm/Z（毫米/齿）

　　式中 Z——刀齿数。

　　3．背吃刀量（切削深度） 工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm ，如图2-2。车削外圆时：

　　式中 ——待加工表面直径（ mm ）；

　　——已加工表面直径（ mm ）。

二、刀具切削部分的基本定义

　　车刀由刀柄和刀头组成，如图2-3所示。刀柄是刀具上的夹持部位，刀头则用于切削。切削部分的结构及其定义如下：

1．前刀面 刀具上切屑流过的刀面。

　　2．后刀面 与工件上过渡表面相对的刀面。

　　3．副后刀面 与工件上的已加工表面相对的刀面。

　　4．主切削刃 S 前刀面与后刀面的交线。

　　5．副切削刃 前刀面与副后刀面的交线。

　　6．刀尖 主切削刃与副切削刃的连接部分，它可以是曲线、直线或实际交点（图2-4）。

（二）刀具角度的参考系

　　刀具标注角度参考系（又称刀具静止参考系）是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度。

　　刀具工作角度参考系 是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称刀具工作角度。

　　如图2-5所示，正交平面参考系由以下三个平面组成：

　　（1）基面 过切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面。它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装的平面或轴线。

　　（2）切削平面 过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。

　　（3）正交平面 过切削刃上选定点并同时垂直于切削平面与基面的平面。

　　如图2-5所示，法平面参考系由 、

法平面 过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。

3．假定工作平面参考系

　　如图2-6所示，假定工作平面参考系由 、

　　（1）假定工作平面 过切削刃上选定点平行于进给方向并垂直于基面 的平面。

　　（2）背平面 过切削刃上选定点同时垂直于基面 和假定工作平面 的平面。

图 2-5 正交平面与法平面参考系 　　　　　　图 2-6 假定工作平面参考系

1．在正交平面内标注的角度

　　（1）前角 在正交平面内度量的前刀面与基面之间的夹角。

　　（2）后角 在正交平面内度量的后刀面与切削平面之间的夹角。

　　（3）楔角 在正交平面内度量的前刀面与后刀面之间的夹角。由图2-7可知

2．在切削平面内标注的角度

　　刃倾角 在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。

3．在基面内标注的角度

　　（1）主偏角 主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。

　　（2）副偏角 副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。

　　（3）刀尖角 在基面内度量的主切削刃与副切削刃之间的夹角。由图2-7可知

是派生角度，由前、后刀面磨出的主切削刃只需四个基本角度即可确定它的空间位置，即为 、 、 、 。

　　对于副切削刃，可采用与上述相同的方法，在副切削刃的选定点上作参考系 - - 。在过副切削刃作的正交平面 内标出副前角 和副后角 。如果车刀的主、副切削刃在同一个公共前刀面上，则当主切削刃的四个基本角度 、 、 、 以及副偏角 确定之后，副前角 和副刃倾角 随之而定，图纸上也不用标注。这样，一把三个刀面两个切削刃的外圆车刀标注角度只有六个，即 、 、 、 和 、

　　在法平面、假定工作平面参考系中，有法前角 、法后角 、侧前角 、侧后角 、背前角 、背后角 。这些角度可以参照给正交平面参考系标注角度下定义的方法加以定义。

　　在法平面参考系中，只需标注 、 、 和 四个角度即可确定主切削刃和前、后刀面的方位。在假定工作平面参考系中，只需标注 、 、 、 四个角度便可确定车刀的主切削刃和前、后刀面的方位。

　　刀具的工作角度是刀具在工作时的实际切削角度。由于刀具标注角度是在进给量 f =0 条件下规定的角度，如果考虑合成运动和实际安装情况，则刀具的参考系将发生变化。在刀具工作角度参考系中所确定的角度称工作角度。

　　在一般条件下，刀具的工作角度与标注角度相差无几，两者差别不予考虑，只有在角度变化值较大时才需要计算工作角度。

（一）进给运动对工作角度的影响

　　如图2-8所示，为切断车刀加工时的情况。加工时，车刀作横向进给运动，切削刃相对工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线。此时，工作基面 和工作切削平面 相对于 和 转动一个 角，从而引起刀具的前角和后角发生变化。其计算公式如下：

　　式中 、 ——工作前角和工作后角；

　　f ——进给量（ mm/r ）；

　　d ——工件切削点处表面直径（ mm ）；

　　μ ——正交平面内 和 之间的夹角，即主运动方向与合成运动方向的夹角。

　　由式（ 2-9 ）可知，当进给量增大，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 值增长很快，工作后角将由正变负，导致工件被挤断。

　　如图 2-9 所示为纵车外圆车刀的工作角度。在考虑纵向进给运动时，切削刃相对于工件表面的运动轨迹为螺旋线。此时，基面 和切削平面 就会在空间偏转一个 角，从而使刀具的工作前角 增大，工作后角 减小。

　　在假定工作平面内的工作角度为：

　　式中——假定工作平面工作前角；

　　——假定工作平面工作后角；

　　——工件待加工表面直径（ mm

　　——主运动方向与合成运动方向的夹角。

　　在正交平面内工作角度为：

　　式中 μ ——正交平面内 和

（二）刀具安装对工作角度的影响

　　如图2-10所示，当刀尖安装高于或低于工件中心时，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。此时工作角度与标注角度的换算关系如下：

　　式中 ——背平面内

　　h ——刀尖高于或低于工件中心的数值（ mm ）。

　　d ——工件切削刃上选定点处直径（ mm ）。

　　切削层为切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。切削层形状、尺寸直接影响着刀具承受的负荷。为简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具基面中度量。切削层的尺寸称为切削层参数。

　　现以外圆车削为例来说明切削层参数的定义。外圆车削时，工件转一转，主切削刃移动一个进给量 f 所切除的金属层称为切削层。如图 2-11 所示，当主、副切削刃为直线，且 时，切削层公称截面为平行四边形。

1．切削层公称厚度 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称切削层公称厚度。外圆纵车时：

　　由式（ 2-19）可知， f 或 增大，则 变厚。

2．切削层公称厚度 沿着过渡表面度量的切削层尺寸称切削层公称厚度。外圆纵车时：

　　由式（ 2-20）可知， 减小 或

图 2-13 曲线刃时各点的 值

　　图2-12为 不同时， 与 的变化。图2-13为曲线刃时切削层各点的切削层公称厚度。

3．切削层公称横截面积 切削层在基面内的面积，称为切削层公称横截面积。

第二节 金属切削机床的基本知识

一、机床的分类和型号编制方法

　　1994年颁布的国家标准GB/T15375—1994《金属切削机床型号编制方法》。

　　目前我国将机床分为11大类：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床和其他机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局形式和结构等分为若干组，每一组又分为若干个系（系列）。

按照万能性程度，机床可分为 ：

　　按照自动化程度，可分为手动机床、机动机床、半自动机床和自动机床 。

　　按照机床的工作精度，可分为普通机床、精密机床和高精度机床。

　　按照重量和尺寸，可分为仪表机床、中型机床、大型机床、重型机床和超重型机床。

　　按照机床的主要工作部件数目，可分为单刀机床、多刀机床、单轴机床、多轴机床等。

　　按照数控功能，又可分为非数控机床、一般数控机床、加工中心、柔性制造单元等。

（二）金属切削机床型号编制方法

　　机床型号亦即机床的代号，用以表明机床的类型、通用和结构特性、主要技术参数等。GB/T15375—1994《金属切削机床型号编制方法》

1．通用机床型号 通用机床型号的表示方法为：

　　注：①有“( )”的代号或数字，当无内容时，则不表示。若有内容则不带括号；

　　②有“ 〇 ”符号者，为大写的汉语拼音字母；

　　③有“△”符号者，为阿拉伯数字；

”符号者，为大写的汉语拼音字母、或阿拉伯数字、或两者兼有之。

（1）机床类别代号机床的类别代号如表2-1所示。

表 2-1 通用机床类别代号

（2）机床的通用特性和结构特性代号

1）通用特性代号 对具有某种通用特性的机床，则在类代号后加上相应的特性代号，通用特性代号可多个同时使用。机床的通用特性代号如表2-2所示。

表 2-2 通用特性代号

2）结构特性代号 对于主参数相同而结构、性能不同的机床，在型号中加结构特性代号予以区分。例如， CA6140 型卧式车床型号中的“ A ”，可以理解为这种车床在结构上区别于 C6140 型机床。

（ 3 ）机床的组别、系别代号 用两位阿拉伯数字表示，前一位表示组别，后一位表示系别。不同类机床组的划分如表 2-3 所示（系的划分可参阅有关文献）。

表 2-3 通用机床类、组划分表

（ 4 ）机床主参数、设计顺序号及第二主参数 机床主参数是表示机床规格大小的一种参数。在机床型号中，用阿拉伯数字给出主参数的折算值，折算系数一般是 1/10 或 1/100 ，也有少数是 1 。几种常用机床的主参数及折算系数见表 2-4 。

表 2-4 主要机床的主参数和折算系数

（ 5 ）机床的重大改进顺序号 当机床的性能和结构有重大改进，并按新产品重新设计、试制和鉴定时，在原机床型号尾部加重大改进顺序号，即汉语拼音字母 A 、 B 、 C …… 。

（ 6 ）其他特性代号 主要用以反映各类机床的特性，如对于数控机床，可以用来反映不同的数控系统；对于一般机床可以用来反映同一型号机床的变型等。其他特性代号用汉语拼音字母或阿拉伯字母或二者的组合表示。

（ 7 ）企业代号 生产单位为机床厂时，由机床厂所在城市名称的大写汉语拼音字母及该厂在该城市建立的先后顺序号或机床厂名称的大写汉语拼音字母表示。生产单位为机床研究所时，由该所名称的大写汉语拼音字母表示。

　　根据通用机床型号的编制方法，举例如下：

　　某机床厂生产的 MG1432A 型高精度万能外圆磨床。

2 ．专用机床型号 专用机床型号表示为：

　　设计单位代号同通用机床型号中的企业代号。专用机床的设计顺序号按各单位设计制造的专用机床的先后顺序排列。例如，北京第一机床厂设计制造的第15种专用机床为专用铣床，其型号为 B1 — 015 。

图 2-14 机器零件上常见的各种表面

　　机床在加工过程中，为了获得所需的工件表面形状，必须完成一定的运动，这种运动称为表面成形运动。此外， 还有各种辅助运动。

图 2-15 常见表面的加工方法及成形运动

2．辅助运动 机床上除表面成形运动外的所有运动都是辅助运动，其功用是实现机床加工过程中所必需的各种辅助动作。

　　为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须具备三个基本部分：执行件、动力源和传动装置。

　　图2-17是卧式车床的传动原理图。在车削螺纹时，车床有两条主要传动链。一条是外联系传动链，即从电动机—1—2—u v —3—4—主轴，亦称主运动传动链，该传动链把电动机的动力和运动传递给主轴，传动链中 u v 为主轴变速及换向机构。另一条由主轴—4—5—u f —6—7—丝杠—刀具，得到刀具和工件间的复合运动——螺旋运动，这是一条内联系传动链，调整 u f 即可得到不同的螺纹导程。在车削外圆或端面时，主轴和刀具之间无严格的比例关系，二者的运动是两个独立的简单成形运动，因此，除了从电动机到主轴的主传动链外， 另一条可视为由电动机—1—2—uv—3—5—u f—6—7—刀具（通过光杠），这时就是一条外传动链。

　　图2－18是某中型卧式车床的主传动系统的传动系统图。这是12级的分级变速传动系统，通过中间三组滑移齿轮机构使主轴得到12级转速。

表 2-5常用的传动元件符号

　　金属切削过程就是通过刀具把被切金属层变为切屑的过程。

一、切屑的形成过程及变形区的划分

　　切屑形成的过程实质是切削层受到前刀面的挤压后产生的以滑移为主的塑性变形过程。

　　在切削过程中，被切金属层在刀具的推挤下被压缩，因此切屑厚度 h ch 通常要大于切削层的厚度 h D ，而切屑长度 l ch 却小于切削长度 l c ，如图 2-20 所示。切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数 ξ h （切屑厚度压缩比 A h ）；切削长度与切屑长度之比称为长度变形系数 ξ l ，即：

　　厚度变形系数 (2-22)

　　长度变形系数 (2-23)

　　由于切削层变为切屑后，宽度变化很小，根据体积不变原理，有

在切削加工中，由于工件材料不同，通常产生四种类型的切屑。如图 2-22 所示。

　　在切削塑性金属材料时，经常在前刀面上靠刃口处沾结一小块很硬的金属楔块（如图 3-6 ），这个金属楔块称积屑瘤。

（二）积屑瘤对切削过程的影响

　　图2-24为实验测出的切削区域各部分的硬度。

　　积屑瘤使切屑与前刀面的接触摩擦位置后移，前刀面的磨损发生在离切削刃较远处，并且使工件与后刀面不接触，减轻甚至避免了后刀面的摩擦。有保护切削刃、减轻前刀面及后刀面磨损的作用。当积屑瘤破裂脱落时，切屑底部和工件表面带走的积屑瘤碎片，分别对前刀面和后刀面有机械擦伤作用；当积屑瘤从根部完全破裂时，将对刀具表面产生粘结磨损。由此可见，积屑瘤对刀具磨损有正、反两方面的影响。

　　积屑瘤生成后，刀具的前角增大，因而减少了切屑的变形，降低了切削力。

　　积屑瘤伸出切削刃之外，使切削层公称厚度发生变化。

（三）控制积屑瘤产生的措施

　　在生产实践中常采用以下措施来抑制或消除积屑瘤：

　　1.避开容易产生积屑瘤的切削速度范围。

　　2.降低材料塑性。

　　3.合理使用切削液。

　　4.增大刀具前角、提高刀具刃磨质量。

一、切削力的来源、合力及其分力

　　切削力的来源有两个方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。如图 2-26 所示。

　　以车削外圆为例（如图2-27所示）。为了便于测量和应用，将合力F 分解为三个互相垂直的分力。

　　主切削力Fc——切削合力在主运动方向上的分力，又称切向力。其垂直于基面，与切削速度方向一致，是计算机床主运动机构强度与刀杆、刀片强度以及设计机床、选择切削用量等的主要依据。

　　背向力Fp——切削合力在垂直于工作平面上的分力，又称径向力。作用在基面内，与进给方向垂直，其与主切削力的合力会使工件发生弯曲变形或引起振动，进而影响工件的加工精度和表面粗糙度。因此，在工艺系统不足时，应设法减小Fp。

进给力Ff——切削合力在进给方向上的分力，又称轴向力。其作用在进给机构上，是校验进给机构强度的主要依据。

　　合力与分力之间的关系：

　　一般情况下， Fc最大， Fp次之，Ff最小。随着切削条件的不同，Fp与Ff对Fc的比值在一定范围内变动：

　　切削功率应是各切削分力功率之和。由于Fp方向的运动速度为零，所以不做功。Ff消耗的功率所占比例很小， 约为总功率的1%~5%，通常忽略不计。故切削功率 Pc（单位kw）为：

　　式中 Fc——主切削力（N）；

　　vc——切削速度（m/s）。

　　机床电机所需功率 PE应满足：

　　式中 ηm——机床传动效率，一般取 ηm =0.75~0.85 。

　　单位切削力是指单位面积上的主切削力，用 KC表示（单位N/mm2 ）。

　　式中 AD——切削层公称横截面积（mm 2） AD=ap? .f；

　　Fc——主切削力（N）。

四。切削力测量与经验公式

（一）切削力的经验公式

　　利用测力仪测出切削力，再将实验数据加以适当处理，得出计算切削力的经验公式，形式如下：

　　式中 ——与工件材料及切削条件有关的系数；

　　——指数（表 2-6 ）

　　——实际切削条件与所求得实验公式条件不符合时，各种因素对切削力的修正系数之积（表 2-7~ 表 2-15 ）。

表 2-6 主切削力经验公式中的系数、指数值（车外圆）

　　工件材料的强度、硬度越高，虽然切削变形减小，但由于剪切屈服强度 τ s 越高，产生的变形抗力越大，切削力也就越大；对于强度和硬度相近而塑性和韧性大的材料，切削时产生的塑性变形大，切屑与刀具间的摩擦增加，故切削力越大。

　　切削脆性材料时，为崩碎切屑，塑性变形及前刀面的摩擦都很小，故产生的切削力小。例如：与 45 钢比较，加工 35 钢的切削力减少了 13% ；加工调质钢和淬火钢产生的切削力要高于正火钢的切削力。不锈钢 1Cr18Ni9Ti 的延伸率是 45 钢的 4 倍，加工时产生的切削力较 45 钢增大 25% 。灰铸铁 HT200 与 45 钢的硬度较接近，但切削产生的切削力减少

　　1．背吃刀量和进给量 背吃刀量 a p 或进给量 f 加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。 a p 增大时，变形系数基本保持不变，切削力成正比增大；加大进给量 f 时，变形系数有所下降，所以切削力不成正比增大。当 a p 增大 1 倍时，切削力 F C 也相应增加一倍左右，但 f 增大 1 倍时，切削力 F C 只增加 68%~86% 。因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切深有利。

　　2.切削速度 加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着 v c 的增大而减小。这主要是因为 v c 增大，使切削温度提高， μ 下降，从而使变形系数减小。如图 2-30所示，在低速范围内，由于存在着积屑瘤，所以切削速度对切削力的影响有着特殊的规律。

（三）刀具几何参数的影响

　　1．前角 前角 γ 0 加大，使切屑变形减小，因此切削力下降。

　　2。负倒棱 在锋利的切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃区的强度，从而提高刀具使用寿命，但使切削变形加大，切削力增加。

　　3.主偏角 主偏角 对主切削力影响较小，主要影响切削力的作用方向，即影响 F p 与 F f 的比值。

　　4．刃倾角 刃倾角对主切削力 F c 的影响甚微；对 F p 的影响较大。

　　5。刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径 r ε 对 F p 、 F f 的影响较大，对 F c 的影响较小。

　　刀具后刀面磨损后形成后角等于零的棱面，棱面越大摩擦越大，使切削力增大。

　　以冷却作用为主的水溶液对切削力的影响较小，而润滑作用强的切削油能够显著地降低切削力。这是由于它可以减小摩擦力，甚至还能减小金属的塑性变形。

　　刀具材料不是影响切削力的主要因素。但由于不同的刀具材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一定的影响。

六。切削热的产生与传出

　　切削热来源于切削层金属产生的弹性变形和塑性变形所作的功；同时，刀具前、后刀面与切屑和工件加工表面间消耗的摩擦功，也转化为热能。因此，三个变形区也是三个热源，其中变形热主要来源于第 Ⅰ变形区，摩擦热主要来源于第Ⅱ、Ⅲ变形区（图2-31）。略去进给运动所消耗的功，假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热可由下式算出：

　　式中Q—— 每秒钟内产生的切削热（ J/s ）；

　　Fc—— 主切削力（ N ）；

　　vc—— 切削速度（m/s ）。

　　切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去，热平衡式可写为：

　　式中Qe——单位时间内传给切屑的热量（ J/s ）；

　　Qt——单位时间内传给刀具的热量（ J/s ）；

　　Qw ——单位时间内传给工件的热量（ J/s ）；

　　Qm ——单位时间内传给周围介质的热量（ J/s ）。

　　切削热对切削加工十分不利，它传入工件，使工件温度升高，产生热变形，影响加工精度；传入刀具，使刀具温度升高，加剧刀具磨损。

七。影响切削温度的主要因素

　（一）工件材料对切削温度的影响

　　工件材料的硬度和强度越高，切削时消耗的功越多，产生的切削热多，切削温度越高。

　　工件材料的塑性越大，切削温度越高。脆性金属的抗拉强度和延伸率小，切削过程中变形小，切屑呈崩碎状与前刀面摩擦也小，故切削温度一般比切钢时低。

（二）切削用量对切削温度的影响

　　在切削用量中切削速度 vc对切削温度影响最大。其原因为：随 vc的增大，变形热与摩擦热增多。热传导需要一定的时间，在一个很短的时间内，切屑底层的切削热来不及向切屑和刀具内部传导，而积聚在切屑底层，从而使切削温度显著升高。

　　进给量 f对切削温度的影响次于 vc对切削温度的影响。随 f 的增加，一方面金属切除率增多，切削温度升高；另一方面单位切削力和单位切削功率减小，切除单位体积金属所产生的热量减少。此外，当 f 增大后，切屑变厚，由切屑带走的热量增多。故切削温度上升不显著。

　　背吃刀量 ap对切削温度的影响很小。因为 ap增大后，产生热量虽成比例增多，但因切削刃参加工作的长度也成正比例增长，改善了散热条件，所以切削温度升高的不明显。

　　除上述影响因素外，还有刀具前角、主偏角及刀具磨损等影响切削热的产生与传散，即影响切削温度的高低。 适当增大前角 γ0可减小金属的变形和前刀面上的摩擦，致使切削温度下降；但前角不宜过大，以免由于刀头容热体积的减小，使切削温度升高。　　减小主偏角 ，可使主切削刃与工件的接触长度增加，刀头的散热条件得到改善，切削温度下降。刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的变形增加；同时，磨损后的刀具与工件的摩擦增大，两者均使切削热增多，切削温度升高。