机械制造与工艺全书－2 金属切削原理

第二章        金 属 切 削 原 理

    第一节   金属切削加工基本知识

一、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）

 

　　 二、刀具切削部分基本定义

金属切削刀具的种类很多，结构、性能各不相同，但就其单个刀齿而言，可以看成是由外圆车刀的切削部分演变而来的，下面以外圆车刀为例，介绍刀具切削部分的基本定义。

　　（一）刀具切削部分的组成

刀具切削部分由刀面、切削刃构成。

1．前面（前刀面）A_γ　刀具上切屑流过的表面。    

2．后面（后刀面）A_α　与工件上过渡表面相对的表面。

3．副后面（副后刀面）A_α′　与已加工表面相对的表面。

4．主切削刃S　前刀面与后刀面的交线。它承担主要切削任务。

5．副切削刃S　切削刃上除主切削刃以外刀刃，它承担部分切削任务。

6．刀尖 主、副切削刃汇交的一小段切削刃。   

  

（二）刀具的标注角度参考系

标注角度参考系或静止参考系：在刀具设计、制造、刃磨、测量时用于定义刀具几何参数的参考系称为。

在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。

建立刀具标注角度参考系时不考虑进给运动的影响，且假定车刀刀尖与工件中心等高，车刀刀杆中心线垂直于工件轴线。

刀具标注角度参考系由下列参考平面所构成：

1．基面p_r　过切削刃选定点垂直于该点切削速度方向的平面，车刀的基面可理解为平行刀具底面的平面。

2．切削平面p_s　过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。

3．正交平面p_o　与正交平面参考系　过切削刃选定点同时垂直于切削平面与基面的平面称为正交平面。

p_r、p_s、p_o组成一个正交的正交平面参考系。

4．法平面

5．假定工作平面p_f 、背平面p_p

　 二、刀具切削部分基本定义

（三）刀具的标注角度

在上述三种不同的刀具标注角度参考系内，均可定义相应的刀具角度，但一般以采用正交平面参考系兼用法平面参考系较多。

　　1、 正交平面参考系内的标注角度

　　（1）前角 γ_o　正交平面中测量的前面与基面间的夹角。

　　（2）后角 α_o　正交平面中测量的后面与切削平面间的夹角。

　　（3）主偏角κ_r　基面中测量的主切削平面与假定工作平面间夹角。

　　（4）刃倾角λ_s　切削平面中测量的切削刃与基面间的夹角。

上述四角就能确定车刀主切削刃及其前、后面的方位。

其中γ_o、λ_s两角可确定前面的方位，α_o、κ_r两角确定后面的方位，κ_r 、λ_s两角可确定主切削刃的方位。

　　同时副切削刃及其相关的前、后面在空间的定向也需要4个角度，即副刃前角γ_ｏ^ˊ、副后角α_o^ˊ副偏角κ^′_r 、副刃倾角λ^′_s ，它们的定义与主切削刃四角类似。

　　常用的刀具派生角度有：前刀面与后刀面之间的夹角称为楔角β_o；主、副切削刃在基面上投影的夹角称为刀尖角ε_r。

刀具角度正负规定：　　前面与基面平行时前角为零；前面与切削平面间夹角小于90°时，前角为正；大于90时，前角为负。后面与基面夹角小于90°时，后角为正；大于90°时后角为负。

切削刃与基面（车刀底平面）平行时，刀倾角为零；刀尖相对车刀以底平面处于最高点时，刀倾角为正；处于最低点时，刀倾角为负。

　　主偏角、副偏角只有正值。派生角度只有正值。

2、其它参考坐标系内的标注角度

　　（四）刀具的工作角度

刀具标注角度都是在假定运动条件和假定安装条件下定义的，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，刀具角度也发生了变化。

按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作角度参考系中确定的角度称为刀具工作角度。

多数情况下，不必进行工作角度的计算，只有在进给运动和刀具安装对工作角度产生较大影响时，需考虑工作角度。

　　1．进给运动对工作角度的影响

2．刀具安装高低对工作角度的影响

3．刀杆中心线与进给方向不垂直时对工作角度的影响

（五）切削层参数

切削层是由切削部分以一个单一动作所切除的工件材料层。

将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，此平面是切削层参数的测量平面。

1．            1．        切削层公称横截面积_D

2．            2．        切削层公称宽_D

3．            3．        切削层公称厚度

若车刀刀尖为主，副切削刃的实际交点，且λ_s=0°，κ^′_r =0°，则切削层公称横截面积为平行四边形。

切削层各有关参数间的关系为

h_D=fsinκ_r        b_D=α_p／sinκ_r           A_D=h_Db_D=α_pf

三、刀具材料

刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。

它的性能是影响加工表面质量、切削效果、刀具寿命和加工成本的重要因素。

    （一）刀具应具备的性能

金属切削过程中，刀具切削部分承受很大切削刀和剧烈摩擦，并产生很高的切削温度；在断续切削工作时，刀具将受到冲击和产生振动，引起切削温度的波动。为此，刀具材料应具各下列基本性能：

　　1．硬度和耐磨性

　　2．强度和韧性

  　3．热硬性

　　4．工艺性与经济性

    （二）常用刀具材料

　　常用刀具材料分为：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢），硬质合金，超硬刀具材料（包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等）

1、  高速钢

高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具，孔加工刀具例如各类铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等；由于高速钢硬度，耐磨性，耐热性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。

　　高速钢按其性能分成两大类：普通高速钢和高性能高速钢。

2、    硬质合金

硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。

常用硬质合金的牌号，成分及性能见表2—2。

钨钴类硬质合金是由WC和 Co烧结而成，代号为YG，一般适用于加工铸铁和有色金属等脆性材料。

钨钛钴类硬质合金是以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成，代号为YT，一般适用于高速加工钢料。

添加钽（铌）类硬质合金是在以上两种硬度合金中添加少量其它碳化物（如TaC 或NbC）而派生出的一类硬质合金，代号为YW，既适用加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。常用牌号YW1、YW2。

3、涂层刀具材料

硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。

对刀具表面涂覆的方法有两种：

化学气相沉积法（ＣＶＤ法），适用于硬质合金刀具；

物理气相沉积法（ＰＶＤ法），适用于高速钢刀具。

涂层材料可分为ＴiC涂层、TiN涂层、ＴiC与TiN涂层、Al₂O₃涂层等。

　　４、其它刀具材料

　　（1）陶瓷刀具：是以氧化铝（Al₂O₃）或以氮化硅（Si₃N₄）为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。

一般适用于高速下精细加工硬材料。

一些新型复合陶瓷刀也可用于半精加工或粗加工难加工的材料或间断切削。陶瓷材料被认为是提高生产率的最有希望的刀具材料之一。

（2）人造金刚石：它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。

它有极高的硬度和耐磨性，与金属摩擦系数很小，切削刃极锋利，能切下极薄切屑，有很好的导热性，较低的热膨胀系数，但它的耐热温度较低，在700～800℃时易脱碳，失去硬度，抗弯强度低，对振动敏感，与铁有很强的化学亲合力，不宜加工钢材，主要用于有色金属及非金属的精加工，超精加工以及作磨具、磨料用。

　　（3）立方氮化硼：是由立方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的，其硬度仅次于金刚石，耐热温度可达1400℃，有很高的化学稳定性，较好的可磨性，抗弯强度与韧性略低于硬质合金。一般用于高硬度，难加工材料的半精加工和精加工。