教科书级课程——金属切削过程基本原理！

第一节 金属切削过程基本原理

1F基本定义

金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，使工件获得规定的加工精度和表面质量。以车削加工为例（见图1-1），切削加工必须具备三个条件：

（1）刀具和工件之间有相对运动。

（2）刀具有适当的几何参数——几何角度。

（3）刀具材料具有一定的切削性能。

工件上的加工表面

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 经过加工已被切除多余金属的工件表面。

3. 过渡表面（又称加工表面） 切削刃正在切除的待加工与已加工表面间的表面。

2F切削运动

切削加工时，为了获得所需的零件形状，刀具与工件必须具有一定的相对运动，即切削运动，切削运动按其所起的作用可分为主运动和进给运动，如图1-2所示。

1. 主运动 由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。主运动的特点是速度最高，消耗功率最大。

2. 进给运动 由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出所需的已加工表面。进给运动的特点是速度低、功率小。

3. 合成运动 主运动和进给运动的合成。

3F切削用量

切削用量是表示主运动及进给运动参数的数量，是切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap三者的总称，它是调整机床，计算切削力、切削功率和工时定额的重要参数，如图1-3所示。

1. 切削速度vc 切削刃相对于工件的主运动的瞬时速度，单位为m/min。当主运动为旋转运动时，其计算公式为

式中，d——切削刃上选定点所对应的工件或刀具的直径，单位为mm；n——主运动的转速，单位为r/s或r/min。

在当前生产中，磨削速度单位用m/s，其他加工的切削速度单位习惯用m/min。

当转速n一定时，选定点不同，切削速度也不同。即使转速n一定，由于切削刃上各点的工作直径不同，切削速度也就不相同。考虑到切削速度和已加工质量的影响，在计算时，应取最大的切削速度。

2. 进给量f 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，可用刀具或工件每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位为mm/r或mm/行程。

单位时间的进给量称为进给速度

单位为mm/min。

它们之间的关系为

在铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具进行切削时，还应规定每一个刀齿的进给量

即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位为mm/z。

3. 背吃刀量ap 已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，单位为mm。

外圆车削时的背吃刀量的计算式为

对于钻削

式中，

——待加工表面直径，单位为mm；

——已加工表面直径，单位为mm。

4F刀具切削部分的结构

刀具切削部分由前刀面、后刀面、切削刃以及刀尖等组成，如图1-4所示。

1. 前刀面Aγ 切屑从刀具上流出时所经过的表面。

2. 后刀面Aα 刀具上与工件的过渡表面相对的表面。

3. 副后刀面Aα′ 刀具上与工件的已加工表面相对的表面。

4. 主切削刃S 刀具上前刀面Aγ与后刀面Aα的交线，担任主要的切削工作。

5. 副切削刃S′ 刀具上前刀面Aγ与副后刀面Aα′的交线，担任次要的切削工作。

6. 刀尖 刀具上主切削刃S与副切削刃S′的汇交点。

5F刀具几何角度

刀具几何角度如图1-5所示。

1. 主偏角κΥ 主切削刃与进给运动方向之间的夹角。

2. 副偏角κΥ′ 副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。

3. 刀尖角εr 主切削平面与副切削平面间的夹角。刀尖角的大小会影响刀具切削部分的强度和传热性能。它与主偏角和副偏角的关系为:

4. 前角γ o 前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。

5. 后角αo 后刀面与切削平面间的夹角。

6. 楔角βo 前刀面与后刀面间的夹角。楔角的大小将影响切削部分截面的大小，决定着切削部分的强度，它与前角γo和后角αo的关系为：

7. 刃倾角λ s 主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图1-6所示。

刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。

λ s=0的切削称为直角切削，此时主切削刃与切削速度方向垂直，切屑沿切削刃法向流出。

λs≠0的切削称为斜角切削，此时主切削刃与切削速度方向不垂直，切屑的流向与切削刃法向倾斜了一个角度，如图1-7所示。

8. 副后角αo′ 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。

上述的几何角度中，最常用的是前角γo、后角αo、主偏角

、刃倾角λs、副偏角

和副后角αo′，通常称之为基本角度，在刀具切削部分的几何角度中，上述基本角度能够完整地表达出车刀切削部分的几何形状，反映出刀具的切削特点。εr、βo为派生角度。

6F切削层参数

切削刃在一次进给中，从工件待加工表面上切下来的金属层称为切削层。如图1-8所示，外 圆车削时，工件转一转，车刀从位置I移动到位置II，前进了一个进给量f，图中阴影部分即为切削层。其截面尺寸的大小即为切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切屑的厚薄，还将影响切削力、刀具磨损、表面质量和生产效率。

1. 切削层公称厚度hD（简称切削厚度） 切削厚度是垂直于切削层表面测量的切削层尺寸， 与进给量f的关系式为：

可见，

随f、κr的增大而增大。当切削刃为直线时，切削刃上各点处的hD相等；切削刃为曲线时，切削刃上各点的hD是变化的。

2. 切削层公称宽度bD（简称切削宽度） 切削宽度是沿过渡表面测量的切削层尺寸，与背吃 刀量ap的关系式为：

可见，ap越大，bD越宽。

3. 切削层公称横截面积AD（简称切削面积） 切削面积是在切削层尺寸平面内的横截面积， 其计算公式为：

4. 金属去除率Q 单位时间里被刀具切除的工件材料体积。相当于切削层公称横截面积以vc 值沿切削速度方向运动一个单位时间所包含的空间体积，它是反映切削效率高低的一个指标，其计算公式为：