金属切削原理

金属切削原理

第6章金属切削原理 6.1 基本定义 6.1.1切削运动金属切削加工时刀具和工件之间的相对运动，称为切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动。主运动—直接切除工件上的切削层，形成新表面的运动。（车床主轴的旋转、铣床铣刀转动……）进给运动—不断地把切削层投入切削，以逐渐切出整个工件表面的运动（车刀的纵向直线运动，铣床工作台的直线运动……）

6.1.2工件上的加工表面 （1）待加工表面，（2）已加工表面，（3）过渡表面。 6.1.3切削用量切削用量是切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称。 vf = nf = nz fz

(1) 切削速度vc：在进行切削加工时，刀具切削刃的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，也可理解为是主运动的线速度，单位为m/min。 　　当主运动为旋转运动时，vc可按下式计算：式中: D为工件待加工表面或刀具的最大直径（mm）；n为主运动的转速（rpm或r/min）。

(2) 进给量f：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，可用刀具或工件每转（主运动为旋转运动时）或每行程（主运动为直线运动时）的位移量来表述和度量，其单位为mm/r或mm/行程。车削的进给量f为每转一转（单位时间），刀具沿轴线进给所移动的距离（mm/r）；刨削时的进给量f为刨刀（或工件）每往复一次，工件（或刨刀）沿进给方向移动的距离（mm/str）。  　　对于铰刀、铣刀、拉刀等多齿刀具，每转或每行程相对于工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量，记作fz，单位为mm／齿。显然 式中: z为刀齿数。

　　切削刃上选定点相对工件的进给运动瞬时速度称为进给速度vf，其单位为mm/min。对于连续进给的切削加工（如车削）， vf可按下式计算: vf=nf (3) 背吃刀量ap：又称切削深度，一般指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。  　　车削外圆柱面的背吃刀量为该次切除余量的一半：式中: dw为工件待加工表面直径（mm）；dm为工件已加工表面直径（mm）。

镗孔时： 钻削时：　　切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap称为切削用量三要素，总称切削用量。

6.1.4刀具的几何参数 （1）刀具切削部分的结构要素。

1）基面Pr—通过切削刃上选定点，且与该点切削速度垂直的平面1）基面Pr—通过切削刃上选定点，且与该点切削速度垂直的平面 2）切削平面Ps—通过切削刃上选定点，且与切削刃相切并垂直于基面的平面 3）正交平面Po—通过切削刃上选定点，且与该点的基面和切削平面同时垂直的平面 4）法平面Pn—通过切削刃上选定点，且与切削刃垂直的平面 (2) 刀具标注角度参考系

5）假定工作平面Pf—通过切削刃上选定点，且垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面5）假定工作平面Pf—通过切削刃上选定点，且垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面 6）背平面Pp—通过切削刃上选定点，且垂直于基面和假定工作平面的平面

(3)刀具的标注角度 主偏角、副偏角、刃倾角、前角、后角、楔角、刀尖角

（3）刀具的标注角度 1）主偏角—在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。 2）副偏角—在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。 3）刃倾角—在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。

4）前角—在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。 4）前角—在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。 5）后角—在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。 6）楔角—在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角。 7）刀尖角—在基面内测量的主切削刃与副切削刃投影之间的夹角。

（3）刀具的标注角度 法前角、法后角、法楔角、侧前角、侧后角、侧楔角、背前角、背后角、背楔角

在切削过程中由于进给运动的影响，使原标注坐标系中的基面、切削平面向进给方向倾斜了一个角度，成为工作坐标系中的基面、切削平面，如图6-5、图6-6所示，从而影响了刀具的前角、后角。 (4) 刀具的工作角度 1）进给运动对刀具工作角度的影响 γoe＝γo＋μ和αoe＝αo－μ。

纵向进给。车削时，由于进给运动的影响，工件上的加工表面实际上是一螺旋面，因此实际切削平面相对于静止状态的位置偏离了一个螺旋升角η，这样实际工作前角增加了一个θ角，而实际工作后角则减少了一个η角。一般车削时，因为进给量比工件直径小得多，所以进给运动形成的螺旋升角θ很小，对车刀工作角度的影响常可忽略不计。也就是说，在正常安装条件下，刀具的工作角度近似等于静止角度。多数情况下不必进行工作角度的计算，但在车多头螺纹和大螺距螺纹时，因进给量很大，故必须考虑纵向进给对工作角度的影响。

（2）刀具安装位置对工作角度的影响 ① 刀具安装高度的影响。 ② 刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响

1) 安装位置对工作角度的影响 (1) 刀尖高低的影响。车外圆时，刀尖若安装高于工件中心，则切削平面变为Pse，基面变为Pre，刀具角度也随之变为工作前角γoe和工作后角αoe。在工作切深剖面内, 角度变化值τ为

　　式中:h为刀尖高于工件中心线的数值（mm）；dw为工件直径（mm）。则工作角度为　　式中:h为刀尖高于工件中心线的数值（mm）；dw为工件直径（mm）。则工作角度为　　刀尖若低于工件中心，上述角度的变化正好相反。  　　同样，当车内孔时，刀尖若高于工件中心，其工作前角会减小，工作后角会增大；刀尖若低于工件中心，工作前角会增大，工作后角会减小。

图1-9　车刀刀尖安装高低对工作角度的影响

(2) 刀杆位置的影响。由于κr和κr′的标注角度是在刀杆垂直于进给方向测定的，因而刀杆偏斜也会引起κr和κr′的变化。 (3) 刀杆伸出长短的影响。刀杆伸出过长，会增加弹性变形，造成κr和κ r′的变化。

6.1.5切削层参数 切削层是指刀具切削部分沿进给运动方向移动一个进给量由一个刀齿所切除的工件材料层。一般用垂直于切削速度平面内的切削层参数来表示它的形状和尺寸。（1）切削层公称厚度hD。 hD＝fsinκr （2）切削层公称宽度bD。 bD＝ap /sinκr （3）切削层公称横截面积AD。 AD＝hD·bD＝fap

6.2 金属切削过程的物理现象 6.2.1切削层的变形切削塑性材料时，切削过程一般分为挤压、滑移、挤裂和切离四个阶段。根据切削过程中整个切削区域金属材料的变形特点，可将切削层划分为三个变形区。 1.第一变形—滑移变形区； 2.第二变形区—前刀面摩擦变形区 3.第三变形区—后刀面与加工表面挤压摩擦变形区

积屑瘤 　　在用中等或较低的切削速度切削一般钢料或其它塑性金属材料时，常在前刀面接近刀刃处黏结有一硬度很高（约为工件材料硬度的2～3.5倍）的楔形金属块，这种楔形金属块称为积屑瘤。

1) 积屑瘤的形成 　　切削过程中，由于切屑底面与前刀面间产生挤压和剧烈摩擦，因而切屑底层的金属流动速度低于上层流动速度，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时，滞流层一部分金属在温度和压力适当时就黏结在刀刃附近而形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断增大，达到一定高度后受外力作用和振动而破裂脱落，被切屑或已加工表面带走，故极不稳定。积屑瘤的形成、增大、脱落的过程在切削过程中周期性地不断出现。

2) 积屑瘤对切削加工的影响 (1) 增大前角。积屑瘤粘附在前刀面上，增大了刀具的实际前角。当积屑瘤最高时，刀具有30°左右的前角，还会减少切削变形，降低切削力。  (2) 增大切削厚度。积屑瘤前端伸出于切削刃外，伸出量为Δ，使切削厚度增大了Δ，影响了加工精度。

(3) 增大已加工表面粗糙度。 积屑瘤粘附在切削刃上，使实际切削刃运动呈一不规则的曲线，导致在已加工表面上沿着主运动方向刻划出一些深浅和宽窄不同的纵向沟纹。积屑瘤的形成、增大和脱落是一个具有一定周期的动态过程（每秒钟几十至几百次），使切削厚度不断变化，由此可能引起振动。积屑瘤脱落后，其中一部分粘附于切屑底部排出，一部分留在已加工表面上形成鳞片状毛刺。

(4) 影响刀具耐用度。积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，可以代替刀刃切削，起着保护刀刃、减小前刀面磨损的作用。但在积屑瘤不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂可能使硬质合金刀具颗粒剥落，使刀具磨损加剧。

3) 影响积屑瘤的主要因素及控制措施 (1) 工件材料的塑性。影响积屑瘤形成的主要因素是工件材料的塑性。工件材料的塑性大，很容易生成积屑瘤，因此对于塑性好的碳素钢工件，可先进行正火或调质处理，以提高硬度，降低塑性。

(2) 切削速度。切削条件中对积屑瘤影响最大的是切削速度vc。实验表明，一般钢材在vc等于5～50 m/min、切削温度为300℃～380℃左右时最易形成积屑瘤，而在低速（vc＜5 m/min)和高速（vc＞100 m/min）条件下均不易形成积屑瘤，如图所示。在形成积屑瘤的速度范围内，当速度较低时，积屑瘤高度随vc的增大而增大，至最大高度；进入较高速度后，积屑瘤高度又随vc的增大而减小。

切削速度对积屑瘤的影响

(3) 进给量。进给量增大，则切削厚度增大。切削厚度越大，刀与屑之间的接触长度越长，就越容易形成积屑瘤。若适当降低进给量，使切削厚度hD变薄，以减小切屑与前刀面的接触与摩擦，则可减小积屑瘤的形成。 (4) 刀具前角。若增大前角，切屑变形减小，则不仅使前刀面的摩擦减小，同时减少了正压力，这就减小了积屑瘤的生成基础。实践证明，前角为35°时一般不易产生积屑瘤。

(5) 前刀面的粗糙度。前刀面粗糙，摩擦较大，这给积屑瘤的形成创造了条件。若前刀面光滑，则积屑瘤也就不易形成。 (6) 切削液。合理使用切削液，可以减小摩擦，也能避免或减少积屑瘤的产生。 　　精加工中，为降低已加工表面的表面粗糙度，应尽量避免积屑瘤的产生。

4. 切屑的种类 切削过程中切削层的变形程度不同，会产生不同形态的切屑。按切屑形态可分为以下四种基本类型。 a)带状切屑 b)挤裂切屑 c)粒状切屑 d)蹦碎切屑

(1) 带状切屑。这种切屑连绵不断，没有裂纹，底面光滑，另一面成毛茸状，无明显裂纹。一般当加工塑性材料（如软钢、铜、铝等）时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的情况下，往往会形成这种切屑。  (2) 节状切屑。节状切屑又称挤裂切屑。这种切屑的底面光滑，有时出现裂纹，而外表面呈明显的锯齿状。节状切屑大多在加工塑性较低的金属材料（如黄铜）且切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。特别当工艺系统刚性不足、加工碳素钢材料时，也比较容易产生这种切屑。产生节状切屑时，切削过程不太稳定，切削力波动较大，已加工表面质量较低。

(3) 单元切屑。单元切屑又称粒状切屑。当采用小前角或负前角、以较低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属时，会产生这种切屑。产生单元切屑时，切削过程不平稳，切削力波动较大，已加工表面质量较差。  　　上述三种切屑，一般在切削塑性材料时形成。当工件材料一定时，可通过改变切削条件使切屑种类改变，以利于进行切削加工。或者说，同一种材料的切屑，随着切削条件的变化，会由一种形态向另一种形态变化。

(4) 崩碎切屑。切削脆性金属（铸铁、铸造黄铜等）时，由于材料的塑性很小，抗拉强度很低，因而切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就被挤裂，形成不规则形状的碎粒或碎片切屑。工件材料越脆硬、刀具前角越小、切削厚度越大，则越容易产生崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削力波动大，加工质量较差，表面凸凹不平，刀具容易损坏。

6.2.2 切削力 切削金属时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需要的力称为切削力。切削力来源于被加工材料的弹、塑性变形抗力和工件、切屑与前、后刀面之间的摩擦力。 1.切削力的分析:总切削力F分解为如图所示的三个互相垂直的切削分力Fc、Ff和Fp。

(1) 主切削力Fc: 在主运动方向上的切削分力，也叫切向力。它是最大的分力，消耗功率最多（占机床功率的90%），是计算机床动力、机床和刀具的强度和刚度、夹具夹紧力的主要依据。 (2) 吃刀抗力Fp:在吃刀方向上的分力，又称径向力。它使工件弯曲变形和引起振动，对加工精度和表面粗糙度影响较大。因切削时沿工件直径方向的运动速度为零，所以径向力不做功。

　　 (3) 进给抗力Ff: 在走刀方向上的分力，又叫轴向力。它与进给方向相反。进给抗力只消耗机床很少的功率（约1%～3%），是计算（或验算）机床走刀机构强度的依据。 　　三个分力与合力的关系如下：

2.切削力的计算 切削力一般有以下近似关系：主切削力Fc可用以下公式估算：车45钢 Fc≈2ap·f（kN）车中等硬度铸铁 Fc≈1.2ap·f（kN）切削功率Pm可用以下公式估算： Pm=Fc·vc×10-3 (kW)

3. 影响切削力的主要因素 1) 工件材料的影响 　　工件材料的成分、组织、性能是影响切削力的主要因素。材料的硬度、强度愈高，变形抗力越大，则切削力越大。在材料硬度、强度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则切削力越大。如当切削脆性材料时，切屑呈崩碎状态，塑性变形与摩擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬度与正火45钢大致相等，但由于其塑性、韧性大，因而其单位切削力比45钢大25%。

2) 刀具角度的影响 (1) 主偏角κr的影响。主偏角κr对主切削力Fc的影响不大。κr =60°～75°时，Fc最小；κr＜60°时， Fc随κr的增大而减小; κr＞75°时，Fc随κr的增大而增大，不过Fc增大或减小的幅度均在10%以内。  　　主偏角κr主要影响Fp和Ff的比值。κr增大时，背向力Fp减小，进给抗力Ff增大。因此，当切削细长轴时应采用较大的κr（90°）。

(2) 刃倾角λs的影响。 刃倾角λs对主切削力Fc的影响很小,但对背向力Fp、进给抗力Ff的影响显著。λs减小时，Fp增大，Ff减小。

3) 切削用量的影响 (1) 进给量f和切削深度ap。 ap和f增大时，切削面积AD增大，故切削力增大。ap和f对切削力的影响程度不同。ap增大时，切削力Fc成比例地增大；而f增大时， Fc的增大却不成比例，其影响程度比ap小。根据这一规律可知，在切削面积不变的条件下，采用较大的进给量和较小的切削深度，可使切削力较小。

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