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第1章 金属切削原理及刀具
一、本章知识要点及要求
1.1金属切削加工基本概念
1．了解金属切削加工的定义。
2．了解切削运动及在切削过程中工件上的表面。
3．掌握切削用量三要素的定义及其计算。
4．掌握刀具标注角度及其参考系的定义，并能在参考系中标注。
5．了解刀具工作角度的定义及其对实际切削加工的影响。
6．了解切削层参数的定义和应用，理解切削用量与切削层参数的关系。
7．了解常见的切削方式。
例1.1 用硬质合金外圆车刀和内孔车刀加工如例题1.1图所示工件的外圆和内孔，已知工件毛坯外径为60mm，孔径为27mm，试求：
（1）车外圆和内孔时的吃刀深度；
（2）若选定切削速度m/s，求车外圆时的工件转速n；
（3）若采用车床主轴转速r/min；此时，车外圆和车内孔时的切削速度；
（4）若选用的走刀量mm/r，主轴转速r/min，求进给速度。
例题1.1图
解：（1）车外圆时的吃刀深度
mm
车内孔时的吃刀深度
mm
注：是工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，是个正值。如果已加工表面的直径为，待加工表面的直径为，则车外圆时，车内孔时。所以求吃刀深度时，应根据吃刀深度的定义具体问题具体分析，不要产生吃刀深度为负值的错误。
（2）根据 ，则
r/min
注：当转速一定时，切削刃上各点的切削速度是不同的。考虑到切削速度对刀具磨损和已加工质量有影响，在计算时，应取最大的切削速度。所以在切削速度的计算公式中，d的取值应根据不同的加工情况确定。例如外圆车削时，d取待加工表面直径，内孔车削时，d取已加工表面的直径。
（3）根据，车削外圆时的切削速度
m/s
车削内孔时的切削速度
m/s
注：只有当切削加工进行时才会有切削速度存在。
（4）根据
则mm/s
注：要注意进给速度、进给量f和每齿进给量的区别以及它们之间的关系，计算时要注意它们各自的单位。
例1.2 用主偏角的车刀车外圆时，工件加工前的直径为mm，加工后的直径为mm，工件的转速为r/min，刀具沿工件的轴向进给速度是mm/min。
试求：f、ap、vc 。
解：
∵ ∴

例1.3 用外圆车刀纵车工件外圆，已知工件毛坯外径为50mm，车削后外径为44mm，车床主轴转速r/min，走刀量mm/r，车刀主偏角，求切削厚度，切削宽度，切削面积。
解：吃刀深度 mm
mm
mm
mm2
1.2金属切削过程的基本原理
1．掌握金属切削变形过程中三个变形区的变形特点。
2．掌握剪切滑移变形程度的度量方法。
3．了解切削过程中切屑与刀具前刀面之间的摩擦特点。
4．掌握积屑瘤的概念、成因及其对生产加工的影响。
5．了解切屑的分类及常见切屑的卷屑与断屑方式。
6．了解切削力的来源、测量方法、切削力经验公式的建立过程和方法，了解影响切削力影响因素。掌握切削力计算方法。
7．了解切削热产生和传出的途径，了解切削温度的测量方法。
8．了解刀具磨损形式、特点、磨损过程和磨损的原因。理解刀具耐用度的概念和刀具的磨钝标准。
例1.4 在例题1.4图中标出金属切削过程中的三个变形区，并说明每个变形区的变形特点。

例题1.4图
解：三个变形区如题1.4解答图所示。

题1.4解答图
Ⅰ：剪切滑移变形。
Ⅱ：挤压和摩擦，靠近前刀面处的金属纤维化。
Ⅲ：挤压与回弹，造成纤维化与加工硬化。
例1.5 一般切削条件下，在刀具前刀面与切屑底层的接触长度上存在哪两种类型的接触？在两种不同类型的接触状态下，摩擦系数如何计算？
答：进行切削加工时，由于法应力在前刀面上的分布不均匀，在刀具前刀面上靠近切削刃处的前区为紧密型接触，而在远离切削刃的后区为峰点型接触。
紧密型接触状态下，前区各点的摩擦系数
峰点型接触状态下，摩擦系数
其中，为冷焊结的抗剪强度；
为峰点材料的压缩屈服极限；
为前区某一点的法应力。
由此可见，在刀具前刀面和切屑的底层之间存在两种接触状态，其摩擦系数也有所不同，其中后区的摩擦系数是常数，后区的摩擦服从古典摩擦法则；而前区的摩擦系数不是常数，不服从古典摩擦法则，通常计算前区的平均摩擦系数

其中，为前区的平均法应力。
例1.6 当变形系数为1时，没有产生剪切滑移变形，这种说法是否正确？为什么？
答：这种说法是不正确的。
用变形系数来度量剪切滑移变形的大小，方法比较简单，但很粗略。当变形系数不为1时，变形系数越大，则说明切削变形越大。而当变形系数为1时，切削变形依然存在。此时已经不能用变形系数来衡量变形程度的大小。用剪应变来度量剪切滑移变形程度的大小更精确一些。
例1.7 计算切削力和切削功率。已知条件如下：
工件材料：40Cr热轧棒料；HBS=212；
刀具材料及结构：YT15，机夹可转位车刀；
刀具几何参数：，，，mm，mm
机床型号：C630卧式车床；
切削用量：mm，mm/r，m/min（1.67m/s）
（经查表得：车削40Cr钢的单位切削力N/mm2；mm/r时的修正系数； m/min时的修正系数；时的修正系数；时的修正系数，，；时的修正系数；时的修正系数，；mm时的修正系数，，；考虑刀具磨损，取VB=0.6mm时的修正系数，，）
解：（1）计算主切削力
各个系数确定后，计算主切削力的方法有两种：
1）根据单位切削力计算主切削力
N
2）用指数公式计算主切削力
N
（2）计算切削功率
经查表得：单位切削功率kW/（mm3/s），则切削功率
kW
取机床传动效率，则机床消耗总功率为10.46/0.8=13.08kW。而C630车床的电动机功率为10kW，因此机床只可在短期超载下使用。
（3）计算径向力和轴向力
经查表得：加工钢料当时，取，
代入公式计算得
N
N
1.3金属切削条件合理选择
1．掌握工件材料切削加工性的定义、衡量指标和影响因素。
2．了解常见刀具材料的性能和应用，掌握刀具材料应具备的性能。
3．了解切削液的作用、类型及选用原则。
4．了解刀具合理几何参数的含义、基本内容和一般选用原则。
5．了解切削用量选择原则。
例1.8 为什么要进行刀具合理几何参数的选择？
答：为了保证加工质量，需要改变刀具材料及刀具形状或改变刀具几何参数，而改变刀具材料或刀具形状都不太现实，有时是不可能的，因此改变刀具几何参数则是比较现实的，且成本低、容易实现。
1.4金属切削刀具
1．了解车刀的种类、特点、标注及应用，了解成形车刀、刨刀和插刀的结构。
2．了解孔加工刀具的类型、特点、标注与结构。了解深孔加工的特点、深孔钻的结构及其工作原理。
3．了解常见铣刀类型。
4．了解拉刀的结构特点。
5．了解螺纹刀具的种类和用途。
1.5磨削与磨具
1．了解磨削加工的分类和磨削加工的特点。
2．了解磨料磨具的类型、性能、特点和应用，了解磨具标记中代号的含义，了解砂轮的钝化现象及砂轮常用的修整方法。
3．了解磨削运动、磨削用量和磨削过程的三阶段的特点。
4．了解磨削比的概念。
5．了解磨削液的作用、类型和磨削液的供给方法。
6．了解磨削工艺方法的类型、特点和应用。
例1.9 用纵磨法磨削外圆，试分析其磨削运动。
答：磨削过程中，磨削运动分主运动和进给运动。主运动的作用是直接磨除工件表面层材料，使之变为磨屑，形成工件新表面的运动。主运动的特点是速度高，功率消耗大，主运动有且只有一个；而进给运动是将工件表面层材料连续不断的投入磨削的运动，进给运动可能有一个或多个。
用纵磨法磨削外圆时，主运动是砂轮的旋转运动；进给运动包括工件的圆周进给运动、工件纵向往复进给运动和砂轮的横向进给运动（属于辅助运动，也称横向切入运动）。

二、习题与思考题提示
1.1 试分别说出在纵车外圆、车内孔和横车端面过程中有哪几种运动？工件上出现了哪些表面？
（提示：在切削过程中，根据切削运动在切削过程中所起的作用可分为主运动和进给运动。无论采用何种切削加工方法，主运动有且只有一个，而进给运动可能没有，可能有一个或多个。对切削过程中工件上的表面的分析要严格按照定义来判断。）
1.2 切削用量三要素指的是什么？它们是如何定义的？
（提示：切削用量三要素是指切削速度、进给量f和切削深度。切削速度：切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。进给量f：工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移。切削深度：工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。）
1.3什么是刀具的标注角度？确定刀具标注角度的主剖面参考系由哪几个参考平面组成？它们是如何定义的？
（提示：在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面的方位角度，称为刀具标注角度。确定刀具标注角度的主剖面参考系由基面、主剖面、切削平面组成。这些参考平面的定义如下：基面：通过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。切削平面：通过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面。主剖面：通过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。）
1.4 什么是合成运动？什么是合成运动速度？
（提示：由同时进行的主运动和进给运动合成的运动。合成运动速度：切削刃上选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。）
1.5 在刀具的标注角度中，前角、后角和刃倾角是有正负之分的，请问它们各自的正负号判定依据是什么？
（提示：前角正负号的判定：在主剖面里，若前刀面在基面的内侧，取正号；反之，前刀面在基面的外侧，取负号。后角正负号的判定：在主剖面里，若后刀面在切削平面的里侧，取正号；反之，后刀面在切削平面的外侧，取负号。刃倾角正负号的判定：当刀具底面处于水平位置，如果刀尖处在切削刃最高位置，则取正号；反之，如果刀尖处在切削刃最低位置，取负号。）
1.6 在题1.6图中标出刀具的前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角以及三个参考平面基面、主剖面、切削平面 。

题1.6图
（提示：对于一把只有一个主刀刃和一个副刀刃，且两刃在一个平面上的普通外圆车刀，前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角是它的六个独立角度。在标注这些角度时，首先要明确各个角度是在哪个参考平面中度量的，然后在该参考平面中找出构成某一个标注角度的刀面或参考平面。而参考平面的确定要严格按照定义来判断。）
1.7 什么是刀具的工作角度？确定刀具工作角度的参考系中工作基面与工作切削平面是如何定义的？它们与刀具标注角度参考系中的基面和切削平面的定义有什么不同？
（提示：刀具的工作角度：在刀具工作角度的参考系中所确定的角度。工作基面：过切削刃上选定点，垂直于合成切削运动方向的平面。工作切削平面：过切削刃上选定点，与切削刃S相切并垂直于工作基面的平面。）
1.8 试以外圆车削为例，分析刀刃上选定点安装高低对工作角度的影响。
（提示：刀刃上选定点安装高低最直接影响到工作切深前角和工作切深后角的变化，可根据刀刃上选定点高于或低于工件中心线的数值求得和，欲求出工作主剖面中工作前角和工作后角，需根据主剖面与切深剖面内的角度换算公式，具体计算请参阅其他文献资料。）
1.9 研究刀具的标注角度和研究刀具工作角度的意义有什么不同？
（提示：刀具的标注角度是在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面的方位角度，主要用于刀具的制造、刃磨和测量；而刀具的工作角度则是在切削过程中实际起作用的角度，当考虑合成运动和实际的安装情形时，刀具的工作角度要发生变化，对于一些进给速度较大或刀具安装误差较大等场合必须进行工作角度的计算。二者的意义是互相不能替代的。）
1.10 什么是切削层？什么是切削层参数？
（提示：切削层：由一个刀齿正在切削着的金属层。切削层参数：切削层的截面尺寸称为切削层参数，通常在垂直于主运动方向的基面内测量。）
1.11．什么是直角自由切削？
（提示：只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工作，而且切削刃垂直于合成切削运动方向的切削方式称为直角自由切削。）
1.12 研究金属切削过程有什么意义？
（提示：在进行金属切削加工时要产生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损及材料变形等，这些物理现象都直接或间接与切削变形过程有关，而这些物理现象都直接影响着加工质量。可见，研究金属切削变形过程是研究如何保证加工质量、降低成本、提高生产率的基础。）
1.13 绘图示出金属切削过程中三个变形区的位置，指出各变形区内变形的性质、特点。
（提示：参见例1.4。）
1.14 在金属切削加工中，切屑厚度通常大于工件上切削层的厚度，而切屑长度却小于切削层长度，试从金属晶体结构的角度解释这一现象产生的原因。
（提示：从金属晶体结构的角度看，剪切滑移变形就是晶粒沿晶格中的晶面滑移。假设工件材料的晶粒为圆形，当它受到剪切应力时，晶格内的晶面发生位移，而使晶粒呈椭圆形。由于椭圆形晶粒的长轴比圆形晶粒的直径长，所以当切削层变成切屑后，切屑厚度就会大于切削层厚度。由于切削层变成切屑后，其总体积没有发生变化，所以当切屑厚度增大后，其长度就会小于切削层的长度。）
1.15 什么是剪切角？
（提示：剪切面和切削速度方向的夹角称为剪切角，通常用φ表示。）
1.16 什么是积屑瘤？积屑瘤是怎样形成的？
（提示：以中等偏低的切削速度切削塑性金属材料时，往往在刀具前刀面靠近刃口处粘结一小块很硬的金属楔块称为积屑瘤。积屑瘤的形成原因是比较复杂的，目前比较一致的看法认为积屑瘤的形成是由于刀、屑因摩擦而导致的冷焊并且层积所致。）
1.17 简要分析精加工中，积屑瘤会使已加工表面质量降低的原因，精加工中为避免积屑瘤的产生，可采取哪些措施？
（提示：精加工中，如果存在积屑瘤，一方面积屑瘤增大了切削厚度，影响工件的加工尺寸；另一方面，积屑瘤自身的尺寸随着切削的进行要发生变化，这样便增大了工件的表面粗糙度。另外，当积屑瘤碰到硬的质点时容易从刀具前刀面上脱落，粘结在已加工表面上，降低了表面加工质量。精加工中为避免积屑瘤的产生可以采取的措施包括：采用低速或高速切削；适当增大刀具前角；合理使用切削液，以减少接触面间的摩擦与粘结；提高工件材料的硬度，降低塑性等。）
1.18 粗加工中积屑瘤可起到哪些有益的作用？
（提示：从总体上看，积屑瘤的存在对粗加工是有利的。首先积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，它可以代替切削刃和前刀面进行切削，切削刃和前、后刀面都受到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损；另外，积屑瘤存在时，可以增大工作前角，减少了切削变形，降低了切削力和切削功率。）
1.19什么是切削力？切削力是怎样产生的？
（提示：切削力是指刀具切削工件而产生的相互作用力。切削力来源于两个方面：一方面是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；另一方面是刀具与切屑、刀具与工件表面间的摩擦阻力。）
1.20 简述用自然热电偶法和用人工热电偶法测量切削温度的优缺点。
（提示：自然热电偶法是利用工件和刀具材料化学成分的不同而组成热电偶的两极，主要用来测量平均温度。这种方法的缺点是每换一种刀具材料或工件材料要重新标定，得到新的标定曲线后，才能根据毫伏表或电位差计的读数查出相应的切削温度值；另外，用自然热电偶法无法测得切削区指定点的温度。人工热电偶法是将两种预先标定的金属丝组成热电偶的两极，主要用来测量某一点的温度。这种方法的缺点是结点有一定的体积和质量，对变化着的温度的响应有滞后的现象，对变化过快的温度尤其难以响应，因而只能测量比较稳定的温度；另外，用人工热电偶法只能测出离前刀面一定距离处某点的温度，而不能直接测出前刀面上的温度。）
1.21 影响切削温度的主要因素有哪些？
（提示：影响切削温度的主要因素有工件的材料、切削用量、刀具角度和润滑条件等。）
1.22 为什么刀具前角过大或过小都会引起切削温度的升高？
（提示：切削温度取决于单位时间内切削热产生和传出的综合效果。即引起切削温度升高的直接原因有两方面，一是产生切削热的多少；二是切削热传散的快慢。当刀具前角过小时，切削过程中的变形大，摩擦也大，产生的切削热多，会引起切削温度的升高。前角在一定范围内增大，可以降低变形程度，减小摩擦，使切削温度降低。当进一步加大时，刀具的散热条件变差，也会引起切削温度的升高。）
1.23 切削用量中对切削温度影响最大的是哪一个？
（提示：切削用量中对切削温度影响最大的是切削速度vc。因为增大切削速度，单位时间内的金属切除率、消耗的功率和产生的热量增加。另外，通过实验分别得出切削温度与切削速度、进给量和吃刀深度的关系，从关系式中也可以得出同样的结论。）
1.24 常见的刀具磨损形式有哪几种？
（提示：常见的刀具磨损形式有：前刀面磨损、后刀面磨损和前后刀面同时磨损。）
1.25 什么是工件材料的切削加工性？衡量切削加工性的指标有哪些？
（提示：工件材料的切削加工性是指工件材料被切削加工成合格零件的难易程度。衡量切削加工性的指标包括：刀具寿命T或一定寿命下的切削速度vT、切削力或切削温度、已加工表面质量、切屑控制或断屑难易程度。）
1.26 若某种材料允许的切削速度为m/min，其含义是什么？
（提示：当定刀具使用寿命T=15min时，该种材料所允许的切削速度为150m/min。）
1.27 何谓难加工材料？
（提示：所谓难加工材料是指强度、硬度、塑性、韧性很高，使切削加工困难的材料。）
1.28 在切削加工中，切削液的作用有哪些？
（提示：切削加工中，切削液的作用是冷却、润滑、清洗和防锈。）
1.29 切削液常用的使用方法有哪些？
（提示：切削液常用的使用方法有浇注法、高压冷却法和喷雾冷却法等。）
1.30 什么是刀具合理几何参数？刀具几何参数的基本内容有哪些？
（提示：在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数称为刀具合理几何参数。刀具几何参数的基本内容包括：刀具角度、刃区型式、刀面型式和刃形。）
1.31 按结构不同划分，车刀可分为哪几类？
（提示：按结构不同划分，车刀可分为整体式、焊接式、机夹重磨式和机械可转位车刀等。）
1.32 按成形车刀的结构划分，成形车刀可分为哪几种？
（提示：按成形车刀的结构划分，成形车刀可分为平体、棱体和圆体三类。）
1.33 何谓深孔加工？深孔加工有哪些特点？
（提示：孔深与直径之比大于5～10的孔的加工称为深孔加工。深孔加工中，由于刀具的直径与长度比小，刀具的强度较低；由于刀具轴向进给的行程长，钻削过程中刀具容易钻偏；由于孔的深度与直径比大，切屑不容易排出，且易划伤已加工表面；钻削过程中产生的切削热不容易散出，切削液的注入困难等等。深孔加工具有上述特点使得深孔加工比普通的孔加工的难度要大，所以在进行深孔加工时一方面要采用专用的深孔钻，另一方面还用采用特殊的钻削工艺。）
1.34 用成形法加工齿轮时，如何根据被加工齿轮的齿数选择齿轮铣刀的刀号？
（提示：用成形法加工齿轮采用的是成形齿轮刀具。成形齿轮刀具的切削刃的轮廓形状与被切齿的齿形相同或近似相同。从加工原理上分析，对于同一模数的齿轮，只要齿数不同，齿廓形状就不同，加工不同齿数的齿轮就需采用不同的成形齿轮刀具。在实际生产中，不可能每种齿数都备有一把刀具，为了减少刀具数量，每种模数通常只配八把或十五把，各自适应一定的齿数范围，每把刀的切削刃的轮廓形状通常与齿数最少的齿轮的齿形相同。因此，用成形法加工齿轮时，通常按照被加工齿轮所在的齿数范围，然后选择对应的铣刀的刀号。除了齿数最少的齿轮外，其余齿数的齿轮加工出来的齿形是近似的。）
1.35 简述影响磨削温度的主要因素。
（提示：影响磨削温度的主要因素有：磨削深度、工件速度和砂轮速度。）
1.36 简述磨削液的作用。
（提示：磨削液的作用为：冷却、润滑、清洗和防锈。）
1.37 简述磨削液的类型及选用原则。
（提示：磨削液通常分为油基和水基磨削液两大类。油基液中有非活性油性液和活性油性液，水基液又分为乳化液和合成液。磨削液的具体选用原则可参阅教材或其他文献资料。）
1.38 磨削液的常用供给方法有哪些？
（提示：在生产实际中常用的磨削液供给方法有：普通浇注法、喷射供液法、穿流供液法、喷雾供液法和渗渍砂轮法。）
1.39 砂轮的常用修整方法有哪些？
（提示：普通磨料砂轮的修整方法有：车削法、滚轧法和磨削法三种）
1.40 简述普通磨料磨具的选用原则。
（提示：首先根据被加工工件的材料、表面形状和加工尺寸，选择合适的磨料及磨削方法，确定采用的磨床和磨具的形状尺寸，根据加工表面的精度和粗糙度的要求，选择磨料的粒度，再根据其他的磨削条件，选择磨具结合剂、硬度、组织等。）
1.41超硬磨料磨具应具备哪些特点？
（提示：超硬磨料磨具应具备的特点包括：硬度极高；耐磨损性能好；形状和尺寸的保持性好；能长时间保持磨粒微刃的锋锐性；磨削温度低等。）

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