模块二：切削过程及控制

1. 模块二：切削过程及控制 第三单元 金属切削过程及控制 五、刀具参数和切削用量选择 注：课件内部分图片、动画、视频为引用，来源不详。

2. 1 合理选择刀具材料和刀具几何参数 1.1 前角的选择 • 前角对切削加工的影响： • 优点：增大前角，刃口变锋利，前刀面对切屑金属的挤压和摩擦减少，切削变形和切削力减小，可抑制或消除积屑瘤，有利于消除振动，提高加工表面质量。 • 缺点：增大前角对断屑不利，且刀刃和刀头的强度被削弱，散热条件差，影响刀具耐用度。 • 选择前角的原则：保证刃口的锋利，并兼顾刃口的强度。 • 具体选择时要考虑刀具材料、工件材料和具体加工情况等。

3. 1.1 前角的选择 刀具材料对前角选择的影响： 高速钢的抗弯强度和冲击韧性好于硬质合金，故相同加工条件下，高速钢刀具可选较大前角，硬质合金应选较小前角，以保证刃口强度和抗冲击能力。但前角不宜过小，否则会使刀具锋利度过度削弱，使切削力增加。 工件材料对前角选择的影响： • 切削脆性材料，切屑呈崩碎状，切削力带有冲击性，并集中在刃口附近，为增加刃口强度，防止崩刃，一般选用较小前角； • 切削塑性材料，切屑沿前刀面流动，切削力作用中心远离刀刃，为使刀具锋利，减小切削力，一般选较大前角。 • 工件材料的强度、硬度越高，切削时产生的切削力越大，刀头应有足够的强度，前角应越小，反之应越高。

4. 1.1 前角的选择 加工要求对前角选择的影响： 粗加工时选择较小前角； 精加工时选择较大前角； 加工成形表面时，刀具前角应小些，以减小刃形误差。

5. 1.2 后角的选择 后角的主要作用：减小后刀面与加工表面之间的摩擦，并配合前角调整刀具的锋利程度和刃口的强度。 后角对切削加工的影响：增大后角，可减少后刀面与加工表面之间的摩擦，使刃口锋利。但后角过大，刃口强度和散热条件会变差，影响刀具耐用度。 后角的选择：后角一般在一个较小范围内优选。 • 粗加工时，刀具承受的切削力较大，并伴有冲击性负荷，为保证刃口强度，后角应小一些； • 精加工时，切削力较小，切削过程平稳，为减小摩擦，保证已加工表面质量，后角应大些。 • 加工弹性材料时，工件表面弹性恢复程度大，应取较大后角以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。

6. 1.2 后角的选择 例如：加工低碳钢时，粗车时取α0 =8°～10°，精车时取α0 =10°～12°。加工高强度、高硬度的材料如淬火钢时，常采用负前角以增加刃口强度，此时，应采用较大的后角α0 =12°～15°，使刀具刃口保持必要的锋利。 注：当刀具磨钝标准均为VB时，后角大的刀具由于径向磨损量NB大，刀具每次重磨后，径向尺寸明显减小，使加工尺寸变化量大，影响加工精度。所以铰刀、内孔拉刀等定尺寸精加工刀具，特别不适宜采用大的后角。

7. 1.３ 主偏角的选择 主偏角的作用： 主偏角大小影响刀尖部分的强度、散热条件、径向分力和轴向分力的比值等。加工台阶或倒角时，主偏角还决定着工件表面的形状。 主偏角对切削加工的影响： • 减小主偏角Κr时，刀刃参加切削的长度增加，刀刃单位长度上的切削负荷减小，散热条件改善，因此，在不产生振动的前提下，应选择较小的主偏角Κr。 • 　增大主偏角Κr时，进给力Fx增大，背向力Fy减小，因此，当工艺系统刚性较差时，应选用较大的主偏角。

8. 1.３ 主偏角的选择 例如：车削细长轴时，取Κr =75°～90°；车削高强度、高硬度的冷硬轧辊，取Κr≤15°，以提高刀尖强度，减小单位刀刃长度上的切削力；车削阶梯轴时，为同时车出台肩端面，取Κr =90°～93°；有时用一把车刀依次车削外圆、端面、内孔、倒角，此时取Κr =45°；镗盲孔时使Κr >90°。

9. 1.４ 副偏角的选择 副偏角Κr´的作用： 减小副切削刃、副后刀面和已加工表面之间的摩擦，其大小会影响已加工表面粗糙度和刀尖部分的强度。 副偏角对切削加工的影响： 　　减小副偏角Κr´，使刀尖部分体积增大，刀尖强度提高，残留面积高度降低，但刀具与工件之间的摩擦增加。 副偏角的选择： 　　副偏角变化幅度不大。一般外圆车刀取Κr´=6°～15°，粗加工时可取大些，精加工时可取小些。加工高强度、高硬度材料或断续切削时，应取较小的副偏角，以提高刀尖强度。工艺系统刚性差时，为了减小径向力，以免发生振动，副偏角可取较大值，如Κr´=30°～45°。

10. 1.５ 刃倾角的选择 刃倾角对切削加工的影响：刃倾角λs的正负和大小，影响刀尖部分的强度、切屑流出的方向和切削分力之间的比值。 精加工应选用正的刃倾角，粗加工可以选负的刃倾角。 λs <0°，切屑流向已加工表面，有可能划伤已加工表面 λs=0°，切屑沿前刀面卷曲 λs>0°，切屑流向待加工表面

11. 1.５ 刃倾角的选择 刃倾角正负对刀尖强度的影响： 车削断续表面或具有冲击载荷时，一般采用较大负刃倾角λs=-5°～-15°，同时选用正前角，平衡“锋利与强固”之间的矛盾，以免背向力过大。 λs为负值时，刀刃首先接触工件，保护了刀尖，不容易打刀 λs为正值时，刀尖首先接触工件，受到冲击，容易打刀 表1-10给出了刃倾角λs选用值

12. 1.６ 前刀面形状的选择 正前角曲面带倒棱形：前刀面在刃口处作出负倒棱，以增加刃口的强度，改善散热条件。倒棱宽度br=（0.5～0.8）f，γ01= -5°～-25°，保证切屑沿前刀面流出，不沿负倒棱流出。有时为了断屑，在前刀面上磨出或压出曲线形的卷屑槽。这种前刀面既能保证刃口的强度，又能保证刀具的正前角，广泛用于车刀、钻头、拉刀、铣刀等刀具。 正前角平面形：形状简单、制造方便、刀刃锋利，但强度较低，常用于单刃、多刃精加工车刀和形状复杂刀具，如螺纹车刀、切齿刀具等。

13. 1.６ 前刀面形状的选择 负前角形：前刀面可做成单面形和双面形两种。 　　单面形适用于后刀面上磨损的车刀；双面形适用于前、后刀面同时磨损的车刀，可以减少刀具前刀面重磨面积，增加刀片的重磨次数。 　　负前角形的刀具切削刃强度高，散热好，加工高强度、高硬度材料的硬质合金刀片多采用这种形式。

14. 1.７ 刀尖与过渡刃 过渡刃：刀具主、副切削刃之间磨出一段过渡直线或圆弧刃，统称为过渡刃。 过渡刃的作用：增加刀尖强度，改善散热条件，降低表面粗糙度。但过渡刃增大了背向力Fy，容易引起系统振动，所以不宜过大。 过渡刃的两种形式 ： 直线形过渡刃（倒角刀尖）：特征参数为过渡刃长度bε和偏角Κrε，通常取bε=0.5～2mm，Κrε≈Κr/2。过渡刃偏角Κrε=0°，称为修光刃，在大进给量条件下切削时，采用这种刀刃切削可得到较小的表面粗糙度，但背向力很大，要求工艺系统刚性好。直线形过渡刃结构简单，容易刃磨，一般粗加工或强力切削用的车刀、切断刀、可转位面铣刀都采用直线形过渡刃。

15. 1.７ 刀尖与过渡刃 过渡刃的形式 ： 圆弧形过渡刃（修圆刀尖）：参数为刀尖圆弧半径rε。圆弧形过渡刃刃磨复杂，一般用于半精加工或精加工，在难加工材料切削时也常采用圆弧刀尖，以保证刀尖有足够的强度。

16. 1.８车刀几何参数选择的综合分析实例 例：图1-40所示是一把用于粗车大、中型铸钢件或锻件用的大切深强力车刀，这种车刀采用P30硬质合金刀片，试分析这把车刀几何参数的选用特点。

17. 分析：粗加工时重点考虑的问题是提高效率，在机床功率允许的范围内，尽量加大ap和f，这就要求车刀刃口尽可能锋利；同时考虑毛坯形状不规则，余量大且不均，切削时会有冲击，要求车刀刃口要有足够的强度。针对这把车刀既要锋利，又要强固的要求，其几何参数作了如下选择：分析：粗加工时重点考虑的问题是提高效率，在机床功率允许的范围内，尽量加大ap和f，这就要求车刀刃口尽可能锋利；同时考虑毛坯形状不规则，余量大且不均，切削时会有冲击，要求车刀刃口要有足够的强度。针对这把车刀既要锋利，又要强固的要求，其几何参数作了如下选择： 1）保证锋利 　　取大前角γ0=18°～20°，刀具锋利，减小了切削力。同时为了减小背向力，防止系统发生振动，采用了大主偏角Κr=75°。 2）兼顾强固 　　（1）强化刃口。由于前角较大，粗加工负荷大，必须采取措施对刃口强度进行补偿。措施有三：一是磨出“负倒棱”，宽0.8～1，前角γ01=-10°；二是减小后角，刀片后角α0=4°，刀杆后角6°；三是采用负刃倾角λs= -4°～-6° 　　（2）强化刀尖。由于主偏角较大，刀尖强度受到影响，采取的补偿措施包括：磨出直线过渡刃（长2～4mm，偏角45°）；采用较大的刃口圆弧半径，rε=1.5～2mm。 3）断屑措施 　　为了使切削过程顺利，切屑清理运送方便，前刀面上磨出前宽后窄的圆弧形卷屑槽（与主切削刃夹角为10°），以保证可靠断屑。

18. 2 合理确定切削用量 合理确定切削用量是为了提高切削效率、保证加工质量和刀具耐用度。切削用量三要素中切削速度对刀具耐用度影响最大，背吃刀量影响最小。综合考虑切削用量对刀具耐用度、生产率和加工质量的影响，选择时一般遵循以下原则： • 首先选择背吃刀量ap， • 其次确定进给量f， • 最后确定切削速度v。

19. 2.1 背吃刀量ap的确定 • 粗加工时ap确定原则： • 尽可能一次走刀切除全部加工余量，使走刀次数最少。 • 当加工余量太大或工艺系统刚性不足或余量很不均匀时，分两次或多次走刀。 第一次走刀，ap1 =（2/3～3/4）Z 第二次走刀，ap2 =（1/3～1/4）Z Z为加工余量，加工回转体时应为单边余量。 精加工时ap确定原则： 一般采用逐渐减小ap的方法来保证加工精度，终加工则根据加工表面的技术要求和加工方法确定。

20. 2.2 进给量f的确定 粗加工时，进给量的确定主要受切削力的限制，在刀杆和工件刚度以及机床进给机构强度允许的情况下，同时考虑工件材料和断屑等问题，应尽量选择较大值。 精加工时，一般切削力不大，进给量主要受表面粗糙粗限制，一般根据表面粗糙度的要求来选取，具体数值参见切削用量手册。

21. 2.3 切削速度v的确定 粗加工时，切削速度v主要受刀具耐用度的限制，由于ap、f的值比较大，需核算机床电机的功率是否足够。 当切削速度由刀具耐用度确定时，可按下式计算： 当切削速度受机床功率限制或校验机床功率时，可按下式计算： m/min 精加工时，ap、f的值都比较小，切削力较小，一般机床电机功率足够，所以切削速度主要由刀具耐用度决定。

22. 2.4 切削用量确定的具体方法和实例 例 在车床CA6140上按下图所示方式加工外圆，毛坯直径为φ57，材料为调质45钢，外圆车削后的尺寸φ50×200mm，表面粗糙度Ra为3μm，试确定粗车和精车时的切削用量。