第 1 章金属切削原理及刀具

第1章金属切削原理及刀具 1.1金属切削加工的基本概念 • 切削运动 • 切削用量 • 刀具切削部分的几何参数 • 切削层参数 • 切削方式

1.1.1切削运动 1. 切削运动 (1)主运动：在切削加工时，直接切除工件上多余金属层，形成工件新表面的运动。每种切削方法只有一个主运动。 (2)进给运动：不断将多余金属投入切削，以保证切削连续进行的运动。每种切削方法可以没有，也可以有一个或多个进给运动。 (3)合成运动：主运动和进给运动的矢量和。一般在分析刀具工作角度和切削层参数时应用。

2. 切削过程中工件上的表面 (1)待加工表面：加工时即将被切除的工件表面。 (2)已加工表面：已被切除多余材料而形成符合要求的工件新表面。 (3)过渡表面：加工时由切削刃在工件上正在形成并随着切削不断消失的表面。

待加工表面 过渡表面已加工表面主运动进给运动车外圆的运动及工件上的表面

刨削的运动及工件上的表面

铣削的运动及工件上的表面

1.1.2切削用量 （1）切削速度vc 切削刃的选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，单位为m/min（切削）或m/s （磨削）。一般计算最大的切削速度。回转主运动的计算公式如下：vc=πdn／1000 （2）进给量 f 工件或刀具每转一转时，刀具相对于工件沿进给方向的位移，单位为mm/r。对多刃切削刀具，规定每一个刀齿的进给量fz，单位为mm/z（毫米/齿）。 f = fz ·Z 进给速度则是单位时间的进给量，单位为mm/s或mm/min。 vf = f · n （3）切削深度ap 工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。

1.1.3 刀具切削部分的几何参数 1. 刀具切削部分结构要素夹持部分已经标准化，一般称刀柄或刀体。切削部分由刀面、刀刃和刀尖组成。 (1)前刀面：切屑流过的刀面。 (2)后刀面：与工件上新形成的过渡表面相对的刀面。 (3)副后刀面：与工件上已加工表面相对的刀面。 (4)主切削刃：前刀面和后刀面交线，主要切削，形成过渡表面。 (5)副切削刃：前刀面和副后刀面交线，参与部分切削。 (6)过渡刃：连接主、副切削刃之间的一小段切削刃，可以是直线或圆弧。 (7)刀尖：主、副切削刃连接处相当短的那部分切削刃，常用交点、圆弧和倒棱刀尖。

刀杆刀头前刀面副切削刃主切削刃副后面刀尖主后面车刀切削部分的结构要素

切削刃

刀尖形状

2.刀具角度的参考系 用来确定刀具上刀面和刀刃的位置及方位角度的参考系。（1）主剖面参考系Pr-Ps-Po； ① 基面Pr 通过切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面。 ② 切削平面Ps 通过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面Pr的平面，也就是切削刃与切削速度方向构成的平面。 ③ 主剖面Po 通过切削刃上选定点同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面，即主剖面垂直于主切削刃在基面上的投影。

假定主运动方向 基面Pr 主切削刃上选定点刀柄底面平面车刀的基面

假定主运动方向Vc 主剖面Po： ⊥ Ps ⊥ Pr 切削平面Ps: 与 S相切且 ⊥Pγ 主切削刃上选定点基面Pr： Pr⊥Vc ∥刀具安装面（车刀）主剖面参考系（Pr-Ps-Po)

（2）法剖面参考系Pr-Ps-Pn ； ① 基面Pr 通过切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面。 ② 切削平面Ps 通过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面Pr的平面，也就是切削刃与切削速度方向构成的平面。 ③ 法剖面Pn 通过切削刃选定点垂直于切削刃的平面。

假定主运动方向Vc 法剖面Pn：Pn⊥S 切削平面Ps: 与 S相切且 ⊥Pγ 90° 主切削刃上选定点基面Pr： Pr⊥Vc ∥刀具安装面（车刀）法剖面参考系（ Pr-Ps-Pn）

（3）切深进给剖面参考系Pr-Pf-Pp。 ① 基面Pr 通过切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面。 ②进给剖面Pf 通过切削刃上选定点，平行于进给方向，并垂直于基面Pr的平面。 ③切深剖面Pp 通过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和进给剖面Pf的平面。

假定主运动方向Vc 切深进给剖面参考系（ Pr-Pf-Pp ）切深平面Pp ： ⊥ Pr 、 ⊥ Pf 进给剖面Pf ： Pf ⊥ Pr、∥f 假定进给运动方向f 切削平面Ps: 与 S相切且 ⊥Pγ 主切削刃上选定点基面Pr： Pr⊥Vc ∥刀具安装面（车刀）

3. 刀具的标注角度 (1)在基面Pr内的标注角度主偏角Kr：在基面内度量的切削平面与进给平面间的夹角。副偏角K’r：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向之间的夹角。刀尖角εr：在基面内度量的主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角满足Kr+ εr + K’r =180o或εr= 180o - (Kr+ K’r ) (2)在主剖面Po内的标注角度前角γo：在主剖面内度量的基面和前刀面的夹角。有正负之分后角αo ：在主剖面内度量的后刀面和切削平面间的夹角。有正负之分　楔角βo：在主剖面内度量的前刀面和后刀面之间的夹角。　满足ro + ao + βo =90o或βo= 90o - ( ro + ao) (3)在切削平面Ps内的标注角度刃倾角λs：切削平面内度量的主切削刃与基面的夹角。有正负之分 (4)在副主剖面Po’内的标注角度副后角αo ‘：在副主剖面内度量的副后刀面和副切削平面间的夹角。有正负之分。

车刀的标注角度

4. 刀具的工作角度 (1)进给运动速度对工作角度的影响横向进给对工作角度的影响

纵向进给对工作角度的影响

(2)刀具安装对工作角度的影响 刀具安装高低对工作角度的影响

刀柄中心线不垂直于进给方向对工作角度的影响刀柄中心线不垂直于进给方向对工作角度的影响

1.1.4 切削层参数 （1）切削层在切削加工中，刀具相对于工件沿进给方向每移动 f 或 fz 之后，正在切削的金属层称为切削层。（2）切削层参数切削层的截面尺寸。（3）切削厚度hD 垂直于过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车时 hD = f sinkr （4）切削宽度bD 沿过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。在外圆纵车时 bD = ap/sinkr

外圆纵车时的切削层参数

（5）切削面积AD 切削层在基面内的截面面积，称为切削面积，以AD表示。 AD = hDbD 车削时 AD = hDbD = f ap 以上为名义切削面积，实际切削面积需要减去残留面积（图中ABE区域） ADe =AD – △AD 切削面积和残留面积

1.1.5切削方式 （1）正切屑和倒切屑切削厚度 <切削宽度切削厚度 = 切削宽度切削厚度 > 切削宽度正切屑和倒切屑

（2）直角切削和斜角切削 切削刃垂直于切削速度，为正或直角切削；否则为斜或斜角切削。直角切削与斜角切削（3）自由切削与非自由切削直线形主切削刃参与，副切削刃不参与，为自由切削；否则非自由切削。（4）直角自由切削直线形主切削刃垂直于切削速度的自由切削。一般用这种特殊方式研究切削过程。

1.2 金属切削过程的基本原理 • 金属切削变形 • 切屑的类型与控制 • 切削力 • 切削热 • 刀具磨损

切屑 M 终滑移线 A 刀具始滑移线：τ=τs O 1.2.1 金属切削变形工件材料：Q235A vc=0.01m/min，ap=0.15mm，γo=30° 金属切削层变形图

Ⅱ Ⅰ Ⅲ • 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。 1.变形区划分 • 第Ⅰ变形区：即剪切滑移变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。切削部位三个变形区 • 第 III 变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。

2.第一变形区内金属切削层的剪切滑移变形过程2.第一变形区内金属切削层的剪切滑移变形过程 OA到OM的宽度约0.02～0.2 mm 第一变形区金属切削层的剪切滑移变形

（1）剪切滑移理论依据 材料压缩剪切断裂原理（宏观上与实验结果相似）。金相学中的“晶粒沿晶格的晶面滑移”（微观）。晶粒滑移示意图

剪切与晶粒伸长方向

（2）剪切滑移变形的度量 一般采用剪切角φ、变形系数∧h和剪应变ε三个参数来衡量。金属切削层滑移过程示意图

变形系数定义为切屑厚度hch与切削层厚度hD之比，或用切削层长度lc与切屑长度lch之比。变形系数定义为切屑厚度hch与切削层厚度hD之比，或用切削层长度lc与切屑长度lch之比。变形系数Λh的计算参数

剪应变也称相对滑移，ε=NP/MK。 剪应变计算模型示意图

3.第二变形区内前刀面与切屑的摩擦状态 （1）峰点型接触峰点型接触示意图

（2）紧密型接触 紧密型接触示意图

（3）刀具前刀面与切屑的摩擦状态 前刀面上的应力分布和摩擦特性

（4）积屑瘤 积屑瘤的金相磨片图片积屑瘤的前角和切削深度的变化

4.第三变形区内后刀面与工件已加工表面的挤压摩擦4.第三变形区内后刀面与工件已加工表面的挤压摩擦

1.2.2 切屑的类型与控制 1. 切屑的分类

2.切屑成形原理及其流向 自然卷屑的机理卷屑槽的卷屑机理

卷屑槽的截面结构 卷屑槽方向

刃倾角对排屑方向的影响

C形屑折断形式

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