技能训练应知篇项目二、金属切削加工的基本知识

技能训练应知篇项目二、金属切削加工的基本知识技能训练应知篇项目二、金属切削加工的基本知识

一般情况下，通过铸造、锻压、焊接成型和型材轧制等手段获取的毛坯精度低、表面粗糙度值大，往往不能直接满足零件使用性能的要求，必须对其进行切削加工，使之成为符合使用要求的零件。一般情况下，通过铸造、锻压、焊接成型和型材轧制等手段获取的毛坯精度低、表面粗糙度值大，往往不能直接满足零件使用性能的要求，必须对其进行切削加工，使之成为符合使用要求的零件。切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、镗削、刨削、拉削、磨削、齿轮加工等。钳工操作也属于金属切削加工，是以手工切削工具在钳台上对工件进行加工操作为主的切削加工操作。其基本形式有：錾(zàn)削、锉削、锯削、刮削、以及钻孔、铰孔、攻(内)螺纹、套(外)螺纹等。

第一节 切削运动和加工表面一、切削运动为了切除工件上多余的金属，以获得形状、尺寸、位置精度和表面质量都符合要求的工件，除必须使用切削刀具外，机床还提供刀具与工件间必须作的相对运动—切削运动。根据切削过程中所起的作用，切削运动被分为主运动和进给运动。

车削铣削磨削钻削刨削 1－主运动　2－进给运动　3－待加工表面　4－过渡表面　5－已加工表面图2-1　切削运动和加工表面

1．主运动 主运动是指切除多余金属所需要的刀具与工件之间最主要、最基本的相对运动。切削过程中，必须有且只有一个主运动，它的速度最高，消耗的功率最大。主运动可以是直线运动，也可以是旋转运动。主运动的运动形式主要有：车削是工件的旋转；铣削和钻削是刀具的旋转；磨削是砂轮的旋转；刨削是刀具（指牛头刨床）或工件（指龙门刨床）的往复直线运动等。刀具切削刃上选取点相对于工件的主运动瞬时速度称为切削速度，用矢量vc表示。

图2-2切削运动及选定点 切削速度是指在切削刃上选取点相对于工件的主运动的瞬时速度。用矢量vc表示。切削刃上各点的主运动速度的大小和方向都不一定相同。为了分析运动，必须确定一个选定点。选定点是为了便于分析运动而在切削刃上选取的合适点。见右图所示。

2．进给运动 进给运动是指使新的切削层金属不断地投入切削，从而切出整个工件表面的运动。进给运动形式可以是连续的，也可以是间断的；可以是直线运动，也可以是旋转运动。进给运动的运动方式主要有：车削是刀具移动；铣削是工件移动；钻削是钻头沿其轴线方向移动；内、外圆磨削是工件旋转和移动等。进给运动可以是一个、多个或者没有。进给运动的速度较小，消耗的功率也较小。在切削刃上的选取点相对于工件的进给运动瞬时速度称为进给速度，用矢量vf表示。

3．合成切削运动 合成切削运动是指主运动和进给运动的合成运动。合成切削运动的瞬时速度用矢量ve 表示： ve =vc+vf 合成切削运动速度矢量位于由主运动速度vc和进给运动速度vf所构成的平面内，这个平面被称为工作平面，以 pfe表示。图2-2合成切削运动

合成切削速度ve以其模(大小)|ve|和合成切削速度角η表示。合成切削速度ve以其模(大小)|ve|和合成切削速度角η表示。（1）合成切削速度的大小为：（2）合成切削速度角η是指在工作平面内，同一瞬时主运动方向与合成切削运动方向之间的夹角：在大多数实际加工中，合成切削速度角η的数值很小，常可忽略不计。

二、工件上的表面 切削加工过程中，工件上形成三个不断变化着的表面，如下页图2-1所示，即待加工表面：工件有待切除金属层的表面；已加工表面：工件经刀具切除多余金属层后形成的新的加工表面；过渡表面：在切削过程中，介于待加工表面与已加工表面之间动态变化着的表面，是由主切削刃正在切削着的表面。三个变化的表面分别在下图以3、5、4表示。

车削铣削磨削钻削刨削 1－主运动　2－进给运动　3－待加工表面　4－过渡表面　5－已加工表面图2-1切削运动和加工表面

第二节　切削要素 切削要素包括切削用量和切削层横截面要素。一、切削用量切削用量是指切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量（也被称为切削深度）三个要素的总称。它表示主运动和进给运动以及切深的量，是用于调整机床的工艺参数。切削用量三要素是指：切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap。

1．切削速度vc 切削速度vc是指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时线速度，单位为 m/s或m/min。当主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：式中　d－完成主运动的刀具或工件的最大直　　　　　径，单位为mm； n－主运动的转速，单位为r/s或r/min。在生产中，磨削速度用m/s，在以其它加工方式切削时，机床的切削速度习惯用m/min单位。

2．进给量 进给量是指工件或刀具的主运动每转一周或每一行程刀具与工件两者之间在进给运动方向上的相对位移，单位是mm/r或mm/r(行程)，当主运动是往复运动时，为每往复一次的进给量。 3．背吃刀量ap 背吃量ap（也写作asp）是指工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，单位为mm。　外圆车削：　　　　钻孔：式中　dm－已加工表面直径，单位为mm； dw－待加工表面直径，单位为mm。

图2-3　纵车外圆时的切削层要素 二、切削层横截面要素切削层是指在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中所切除的工件材料层（即刀具与工件相对移动一个进给量后，相邻两个加工表面之间被切除的金属层）。切削层（沿工件）的轴向剖面称为切削层横截面，如图2-3所示。切削层的尺寸被称为切削参数。切削层横截面要素包括切削层公称宽度bD、公称厚度hD和公称横截面积AD三个要素。

1．切削层公称宽度bD切削层公称宽度bD是指刀具主切削刃与工件的接触长度，沿工件过渡表面度量，单位为mm。当λs=0°时，有1．切削层公称宽度bD切削层公称宽度bD是指刀具主切削刃与工件的接触长度，沿工件过渡表面度量，单位为mm。当λs=0°时，有 bD=ap/sinkr 2．切削层公称厚度hD　切削层公称厚度hD是指刀具或工件每移动一个进给量  时，刀具主切削刃相邻的两个位置之间的垂直距离，单位为mm。当λs=0°时，有 hD=fsinkr 3．切削层公称横截面积AD　切削层公称横截面积AD 即切削层横截面的面积，单位为mm2。 AD≈bDhD=apf

图2-4　车刀切削部分的结构要素 第三节　刀具几何参数一、刀具切削部分的结构要素金属切削刀具都是由切削部分和夹持部分组成，其切削部分几何形状总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。刀具切削部分必须具有合理的几何形状才能保证刀具从工件上切下金属层。

刀具切削部分的结构要素定义如图2-4所示： 1．前刀面Aγ切屑流经的刀具表面。如果前刀面是由几个相互倾斜的表面组成的，则可从切削刃开始，依次把它们称为第一前刀面（有时称为倒棱）、第二前刀面等。 2．后刀面Aα与工件在加工中正在形成的过渡表面相对的刀具表面。也可以分为第一后刀面（有时称刃带）、第二后刀面等。 3．副后刀面Aα与副切削刃毗邻，相对于工件已加工表面的刀具表面。同样，也可以分为第一副后刀面、第二副后刀面等。

图2-5　常见的三种刀尖形状 4．主切削刃S前刀面与后刀面相交而得到的切削边锋。主切削刃在切削过程中，承担主要的切削任务，完成金属切除工作。 5．副切削刃S 前刀面与副后刀面相交而得到的切削边锋。它协同主切削刃完成金属切除工作，以最终形成工件的已加工表面。 6．刀尖　主切削刃和副切削刃的连接处相当短的一部分切削刃。常见形式如右图。

二、刀具角度的参考系 为了确定和测量刀具各表面和各刀刃在空间的相对位置，必须建立用以度量各刀刃、各刀面空间位置的参考系。建立参考系必须与切削运动相联系，应反映刀具角度对切削过程的影响。参考系平面与刀具安装平面应平行或垂直，以便于测量。用来确定刀具几何角度的参考系有两类：一类称为刀具标注角度参考系，另一类称为刀具工作角度参考系。

（1）刀具标注角度参考系，即静止参考系，在刀具设计图上所标注的角度，刀具在制造、测量和刃磨时均以此参考系为基准。（1）刀具标注角度参考系，即静止参考系，在刀具设计图上所标注的角度，刀具在制造、测量和刃磨时均以此参考系为基准。（2）刀具工作角度参考系，它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的参考系。两类角度参考系的区别在于：刀具标注角度参考系由主运动方向确定，而刀具工作角度参考系则由合成切削运动方向确定。由于通常进给速度远小于主运动速度，所以刀具工作角度近似等于刀具标注角度。为了方便理解，以刨刀为例建立静止参考系。

宽刃刨刀垂直自由切削刀具标注角度参考系 通过对上图的分析发现，宽刃刨削具有以下特点：刀刃为直线、刀刃长度大于工件宽度、前面和后面均为平面、无进给运动(只有主运动)。

1．宽刃刨刀静止参考系的建立 选取三个相互垂直的参考平面构建宽刃刨刀的静止参考系，即正交平面参考系。取过主切削刃上选定点，平行于主运动方向并切于工件过渡表面的平面为切削平面（ps）。取过主切削刃上选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面为基面（pr）。取过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面为po-po截面（又称为正交平面）。由以上三个相互垂直的平面pr-po-ps便组成了测量宽刃刨刀角度的刀具标注角度参考系，即静止参考系，它是一个正交平面参考系。

图2-6　车刀静止参考系（正交平面参考系）与车刀角度图2-6　车刀静止参考系（正交平面参考系）与车刀角度 2．车刀静止参考系的建立

为方便进一步理解，建立车刀静止参考系。 • （1）车削的特点　切削部分比刨刀复杂、车削有进给运动、主切削刃不一定水平、主切削刃各点切削速度不等。 • （2）建立车刀静止参考系的假设　不考虑进给运动的影响、车刀安装绝对正确、刀刃选定点的切削速度方向与刀刃各处的平行。 • （3）选定三个相互垂直的平面　即切削平面(ps)、基面(pr)和正交平面(po-po)，建立起正交平面参考系，也即车刀静止参考系。

（4）车刀正交平面参考系平面的定义： 1）切削平面ps（也称主切削平面）过切削刃上选定点，包含该点假定主运动方向和刀刃的平面，即切于工件过渡表面的平面。 2）基面pr过切削刃上选定点，垂直该点假定主运动方向的平面。它平行于安装底面。 3）po-po截面（又称正交平面）　过切削刃上选定点，同时垂直于切削平面和基面的平面。以上三个平面两两相互垂直；且对应于主切削刃和副切削刃各有一个切削平面和基面。这是目前最常用的刀具标注角度参考系。

三、刀具的标注角度 刀具在设计、制造、刃磨和测量时，都是用刀具静止参考系中的几何角度来标明切削刃和刀面的空间位置的，这些角度也称为刀具的标注角度（由于只考虑了主运动方向，未考虑进给运动的影响，也被称为静态角度）。由于刀具角度的参考系沿切削刃上各点可能是变化的，因此所定义的角度均应指切削刃上选定点处的角度，凡未指明者，一般是指切削刃上与刀尖毗邻的那一点角度。

图2-6　车刀的标注角度 下图所示以普通外圆车刀为例给出了各标注角度定义，下面对这些定义加以说明，这些定义具有普遍性，同样也适用于其它类型的刀具。

1．在基面中测量的标注角度 （1）主偏角κr：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角。（2）副偏角κr ：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向之间的夹角。（3）刀尖角εr：主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。 • 在基面内以上三个角度的总和为180°， • 即　　　κr+κr +εr=180°

2．在正交平面(po-po截面)中测量的标注角度 （1）前角γo：基面与前刀面之间的夹角。规定：当前刀面低于基面时，γo > 0°；　　　　当前刀面高于基面时，γo< 0°。（2）主后角αo：后刀面与切削平面之间的夹角。在加工过程中，一般不允许αo < 0°。（3）楔角βo：后刀面与前刀面之间的夹角。在正交平面内以上三个角度的总和为90°，即　　　　　βo= 90°- (αo+γo)

3．在切削平面中测量的标注角度 刃倾角λs：主切削刃与基面之间的夹角。规定：刀尖为最高点时，λs>0°；刀尖为最低点时，λs<0°；切削刃与基面平行时，λs=0°。 4．在副正交（po-po）截面中测量的标注角度（1）副前角γo：副前刀面与副基面间的夹角。（2）副后角αo ：副后刀面与副切削平面间的夹角。该角度影响已加工表面粗糙度，并与切削振动有关。加工时，一般不允许αo <0°。 5．在副切削平面中测量的标注角度副刃倾角λs ：副切削刃与副基面之间的夹角。

四、刀具工作角度 按照刀具工作中的实际情况，在刀具工作参考系中确定的角度，称为刀具工作角度。 1．工作参考系与静止参考系的区别（1）以合成切削运动方向代替假定主运动方向。（2）实际进给运动方向代替假定进给运动方向。（3）以实际安装条件代替假定安装条件。 2．刀具的工作角度刀具的工作角度，只需用工作坐标平面取代静止坐标平面即可。由于刀具的工作角度近似地等于标注角度，一般情况下不必考虑工作角度。

图2-7　横向进给对工作角度的影响 3．进给运动对工作角度的影响（1）横向进给对工作角度的影响　在图2-7中，切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，工作切削平面Pse 为过切削刃而切于螺旋线的平面，工作基面Pre又始终与之垂直，因而切削时实际的前角、后角等都在发生着变化。

　横向进给时工作前角γoe和工作后角αoe为： • γoe=γo+η • αoe=αo-η • 随着切削过程进行，刀具越靠近工件中心，η越大，甚至可能形成αoe<0°，使刀具后刀面挤压工件，严重的会造成刀具或工件的损毁。（2）纵向进给对工作角度的影响　纵向车削时工作中基面和切削平面发生了变化，形成了一个合成切削速度角η，引起了工作角度变化。

图2-8　纵向进给对工作 角度的影响纵向进给时工作前角γfe和工作后角αfe为： γfe=γf+η • αfe=αf -η 车外圆时，η值很小，可忽略；车螺纹，尤其是车多头大螺距螺纹时，η值很大，则不可以忽略不计。

图2-9　刀具安装高低对 工作角度的影响 4．刀具安装情况对工作角度的影响（1）刀具安装高度对工作角度的影响　当外圆车削刀尖高于工件中心线时，切削平面变为 pse，基面变为pre，刀具角度随之变为工作前角γoe和工作后角αoe，有 γoe =γo +θo αoe=αo –θo tgθo=tgθp·cosκr 前、后角度变化值θp： sinθp=2h/dw

刀柄中心线不垂直于进给方向 注意：(i)当刀尖低于工件中心线时，上述计算公式θp 符号相反；(ii)镗内孔时与车外圆的计算公式θp 符号正好相反。（2）刀柄中心线与进给方向不垂直时对工作角度的影响　此时，刀具工作主偏角和工作副偏角将发生变化，角度变化增量为G。则有式中　G为进给运动方向垂线与刀柄中心线间的夹角。

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