第1章　金属切削基本知识

1.1　金属切削基本知识

1.1.1　工件表面

切削加工是利用切削刀具从工件上切除多余材料的加工方法。为了获得符合要求的表面，刀具与工件之间必须相互作用和相对运动（即切削运动），从工件上切除多余材料。在切削过程中，工件表面上的一层材料不断地被刀具切除形成新的表面，在工件上有三个不断变化着的表面，分别是：待加工表面、过渡表面和已加工表面，如图1.1所示。其定义如下。

待加工表面：工件上有待切除的表面。

已加工表面表：工件上经刀具切削后形成的表面。

过渡表面：工件上由刀具切削刃形成的那部分表面，它在下一行程，刀具或工件的下一转里被切除，或者由下一切削刃切除。

1.1.2　刀具要素

（1）刀具的组成要素（参考GB/T 12204—2010）

金属切削刀具由切削部分和夹持部分组成。车刀的结构要素如图1.2所示；麻花钻头的结构要素如图1.3所示；套式立铣刀的结构要素如图1.4所示。

切削部分是刀具各部分中起切削作用的部分，它的每个部分都由切削刃、刀尖、前面（前刀面）、后面（后刀面）以及产生切屑的各要素所组成。刀体是刀具上夹持刀条或刀片的部分，或由它形成切削刃的部分。 刀楔是切削部分夹于前面和后面之间的部分，它与主切削刃或与副切削刃相连，见图1.2（b）。

夹持部分是安装、紧固刀具的部分，常用刀柄或刀孔的结构形式。刀柄是刀具上的夹持部分。刀孔是刀具上用以安装或固紧于主轴、心杆或心轴上的内孔。

安装面是刀柄或刀孔上的一个表面（或刀具轴线），它平行或垂直于刀具的基面，供刀具在制造、刃磨及测量时安装或定位用。

（2）刀具表面

如图1.2所示，刀具表面由前面和后面组成，其定义如下。

前面（又称前刀面）用符号A_r表示，是刀具上切屑流过的表面。

第一前面，又称倒棱，用符号A_r1表示，当刀具前面由若干个彼此相交的面所组成时，离切削刃最近的面称为第一前面。

第二前面，用符号A_r2表示，当刀具前面由若干个彼此相交的面所组成时，从切削刃处数起的第二个面称为第二前面。

后面，又称后刀面，用符号A_α表示，与工件上切削中产生的表面相对的表面。

主后面，用符号A_α表示，刀具上同前面相交形成主切削刃的后面，与工件上的过度表面相对。

副后面，用符号A_α'表示，刀具上同前面相交形成副切削刃的后面，与工件上的已加工表面相对。

第一后面，又称刃带，用符号A_α1表示，当刀具的后面由若干个彼此相交的面所组成时，离主切削刃最近的面称为第一后面。

第二后面，用符号A_α2表示，当刀具的后面由若干个彼此相交的面所组成时，从主切削刃处数起第二个面称为第二后面。

（3）切削刃

切削刃是刀具前面上拟作切削用的刃，是刀具前面与后面相交所形成的刃，相交处一般用圆弧过渡，称钝圆切削刃，切削刃在基面上的视图如图1.5所示，切削刃有关术语的定义如下。

主切削刃，又称工作主切削刃，用符号S表示，拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃。

副切削刃，又称工作副切削刃，用符号S'表示，切削刃上除主切削刃以外的刃，起始于主偏角为零的点，背离主切削刃的方向延伸。

作用切削刃是在特定瞬间，工作切削刃上实际参与切削，并在工件上产生过渡表面和已加工表面的那段刃。

作用主切削刃是作用切削刃上的一段刃，当沿切削刃测量其长度时，它起始于工作切削刃与工件表面的交点，止于工作切削刃上工作主偏角被认为是0°的点。

作用副切削刃是作用切削刃上的一段刃，当沿切削刃测量其长度时，它起始于工作切削刃上工作主偏角被认为是0°的点，止于工作副切削刃与已加工表面的交点。

间断切削刃是呈不连续间断状的切削刃，其间断量的大小足以防止在间断处有切屑形成的现象发生，其结构如图1.6所示。

（4）刀尖

刀尖指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。如图1.7所示，常用刀尖的形状有交点刀尖、修圆刀尖和倒角刀尖。

交点刀尖是主切削刃与副切削刃连接的实际交点；修圆刀尖具有曲线状切削刃的刀尖；倒角刀尖具有直线切削刃的刀尖。

切削刃选定点是在切削刃任一部分上选定的点，用以定义该点的刀具角度或工作角度。

（5）刀具尺寸

修圆刀尖圆弧半径γ_ε是修圆刀尖的公称半径，在刀具基面中测量，见图1.7。

倒角刀尖长度b_ε是倒角刀尖的公称长度，在刀具基面中测量，见图1.7。

倒棱宽b_r1是第一前面的宽度简称为倒棱宽，见图1.2（b）。

刃带宽b_α1是第一后面的宽度简称为刃带宽，见图1.2（b）。

1.1.3　刀具和工件的运动

刀具和工件的运动按其在切削过程中的作用分为：主运动和进给运动。在切削过程中，运动速度较高、切削功率较大、起主要切削作用的运动为主运动，一种切削加工方法只有一个主运动。进给运动是配合主运动依次或连续不断地将多余金属层投入切削，以保证切削连续进行的运动，其特点是运动速度较低、功率较小。不同的切削方法，可以有一个（如车削和钻削）或多个（如磨削）进给运动，也可以没有进给运动（如拉削）。主运动与进给运动的向量和称为合成运动。刀具和工件的运动的特点、运动方向、运动速度、符号和单位的定义如表1.1所示。

外圆车刀车外圆时，车刀和工件的运动如图1.8所示。圆柱铣刀周边铣削时，铣刀和工件的运动如图1.9所示。钻孔时麻花钻头和工件的运动如图1.10所示。

同一瞬间进给运动方向和主运动方向的夹角称为进给运动角，用字母φ表示，在工作平面中测量；同一瞬间主运动方向与合成切削方向之间的夹角称为合成切削速度角，用字母η表示，在工作平面中测量。

如图1.11所示，直柄单角立铣刀切削刃的三个选定点的主运动方向与合成切削方向之间的夹角称为特殊角度。

车削时工件的回转运动为主运动，钻削、铣削、磨削时刀具或砂轮的回转运动为主运动，刨削或插削时工件或刀具的直线往复运动为主运动。常用加工方法的加工表面与切削运动如图1.12所示。

1.1.4　参考系的术语及其定义

（1）刀具静止参考系

刀具静止参考系用于定义刀具在设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系。在该参考系中的平面如图1.13所示，平面的定义如下。

基面p_r：过切削刃选定点的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般说来，其方位要垂直于假定的主运动方向。

假定工作平面p_f：通过切削刃选定点并垂直于基面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线，一般说来，其方位要平行于假定的进给运动方向，即主运动和进给运动方向确定的平面。

背平面p_p：通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。

注：在旧标准中，该三个平面组成的参考系称为进给与切深参考系。

切削平面p_s：通过主切削刃选定点与主切削刃相切并垂直于基面的平面。

副切削平面p'_s：通过副切削刃选定点与副切削刃相切并垂直于基面的平面。

正交平面（过去称主剖面）p_o：通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。

注：在旧标准中，基面、切削平面和主剖面组成的参考系称主剖面参考系。

法平面（过去称法剖面）p_n：通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。

注：在旧标准中，基面、切削平面和法剖面组成的参考系称法剖面参考系。

（2）刀具的工作参考系

刀具工作参考系是规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系。在刀具工作参考系中的平面如图1.14所示，其定义如表1.2所示。在某些切削情况下，刀具的进给速度较大时（如车螺纹、车端面，而刀具静止参考系忽略了进给运动速度的影响，因为进给运动速度远小于主运动速度），就需要考虑刀具进给运动的影响。有时刀具的实际安装位置与假定的安装位置不一致，也会影响刀具的角度，为此，必须建立刀具工作参考系来确定刀具的工作角度。

1.1.5　刀具角度和工作角度的术语及其定义

刀具角度、工作角度用来确定切削刃在工作参考系中的方向和位置。

（1）刀具角度

刀具角度过去称刀具的标注角度，用来确定刀面和切削刃在静止参考系中的方向和位置，主要几个角度的定义如表1.3所示。

外圆车刀角度如图1.15所示。

在制造、刃磨刀具时，有时还用“几何前角”及其方位角来表示刀具前刀面的位置，如表1.2中的γ_s及δ_r，几何前角γ_s是指用垂直于基面与前刀面交线的平面剖切前刀面所得的前角。如图1.16所示，假定ABC是车刀过A点的前刀面，P_r是基面，是前刀面与基面的交线，剖面。ADE是过A点垂直于BC的平面，则即为几何前角γ_s。为前刀面正交平面方位角δ_r，剖面ADE用P_g表示。当刀具的切削刃是曲线或刀具的前刀面、后刀面是曲面的情况下，在定义刀具角度时，要用通过切削刃选定点的切线或切平面。

（2）刀具的工作角度

由于刀具工作角度参考系的工作基面与标注角度参考系的基面位置不同，与其线垂直的工作平面位置也不同，其他坐标平面也随之发生了变化，因而所定义的角度也发生了变化。图1.17所示为车刀工作角度。

在常见的几种情况下，车刀工作角度相对于其标注角度的计算关系如表1.4所示。

（3）刀具角度的作用及其选择（表1.5）

1.1.6　切削中的几何参量和运动参量

（1）切削速度

切削速度是指刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。大多数切削加工的主运动采用回转运动。切削刃选定点的切削速度v_c（m/min或磨削为m/s）的计算公式为

式中　d——选定点（工件或刀具上）的回转直径，mm；

n——工件或刀具的转速，r/min（或磨削，r/s）。

在转速n一定时，刀具切削刃上各点的切削速度不同，考虑到切削用量将影响刀具的磨损和已加工表面质量等，确定切削用量时一般取最大的切削速度，如外圆车削时取待加工表面的切削速度，圆柱铣刀周边铣削时取圆柱铣刀最大直径处的切削速度。

刨、插削的主运动为往复直线运动，切削速度用v_c（m/min）或每分钟往复次数。

（2）进给量

进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。

主运动为回转运动时，如车削的进给量用工件每转的刀具位移量来度量，符号用f，单位mm/r。

刨、插削的主运动为往复直线运动，进给量用刀具每往复行程一次的位移量来度量，符号用f，单位为mm/dst（毫米/双行程）。

对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还应规定每齿进给量，即多齿刀具每转过或每行程中每齿相对工件在进给运动方向上的位移量，符号为f_z，单位mm/齿。

进给速度是指切削刃上的选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，符号用v_f，单位mm/min。v_f与f和f_z之间的关系为

v_f=fn=f_zzn

（3）吃刀量

吃刀量是两平面间的距离，该两平面都垂直于所选定的测量方向，并分别通过作用切削刃上两个使上述两平面间的距离为最大的点。

如图1.18所示，切削刃基点D是作用主切削刃上的特定参考点，用以确定如作用切削刃截形和切削层尺寸等基本几何参数，通常把它定在将作用切削刃分成两相等长度的点上。

背吃刀量的标准定义为：在通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。可理解为：在通过切削刃基点并垂直于主运动方向的平面上，测量方向是垂直于工作平面的方向，选定作用切削刃的两点，如图1.18中的A、B，过A、B两点的两平面（两平面平行于工作平面或垂直于测量方向）之间的距离。通常为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，符号为a_p，单位为mm。它表示切削刃切入工件的最大深度，也称切削深度或吃刀深度，垂直于工作平面的方向。

进给吃刀量a_f在切削刃基点的进给运动方向上测量的吃刀量。可理解为：在通过切削刃基点并垂直于主运动方向的平面上，测量方向是进给运动方向，选定作用切削刃的两点，如图1.18中的A、C，过A、C两点的两平面（两平面垂直于测量方向）之间的距离。

如图1.19所示，外圆车削时的进给量和背吃刀量为

式中　d_w——工件待加工表面的直径，mm；

d_m——工件已加工表面的直径，mm。

如图1.20所示，钻孔加工的背吃刀量为

式中　d₀——钻孔的直径，mm。

进给吃刀量为a_f。

如图1.21所示，磨外圆的运动参量是：磨削速度v_c；工件的周向进给速度v_w（m/min）或转速n_w（r/min）；工件的轴向进给量是工件沿砂轮轴向方向的进给速度，用f_a表示，单位为mm/s；背吃刀量用a_p表示（也称径向进给量是工作台每双或单行程内工件相对于砂轮径向移动的距离，用f_r表示，双向行程单位为mm/dst或单向行程的单位为mm/st）。

（4）切削层及尺寸

切削层是由切削部分的一个单一动作或切过工件的一个单程或产生一圈过渡表面的动作所切除的工件材料层。通俗地说，切削层是指刀具相对于工件沿进给运动方向每移动一个进给量（每转或每齿）后由一个刀齿所切除的一层工件材料。

切削层尺寸平面p_D是通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向的平面（与基面平行）。

切削层的切削厚度、切削宽度和切削面积统称为切削层参数即几何参量。

①切削层公称横截面积简称切削面积，用符号A_D表示，在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，见图1.18。

②切削层公称宽度简称切削宽度，用符号b_D表示，在给定瞬间，作用主切削刃截形上两个极限点间的距离，在切削层尺寸平面测量，见图1.18、图1.19。

③切削层公称厚度简称切削厚度，用符号h_D表示，在同一瞬间的切削层公称横截面积与其切削层公称宽度之比，见图1.19，一般在切削层尺寸平面测量，与作用主切削刃垂直。

常用切削加工方法的切削层参数计算方法如表1.6所示。