22.切削原理

（2） 进给运动
刀具与工件之间附加 的相对运动, 它配合主运动 依次地或连续不断地切除 切屑, 从而形成具有所需几 何特性的已加工表面。 进给运动 (feed movement)可由刀 具完成(如车削)，也可由工 件完成(如铣削)，可以是间 歇的（如刨削）, 也可以是 连续的（如车削）。 进给运动可以是1个或多个
（3）合成切削运动
主运动和进给运动 合成的运动称为合 成切削运动。
7
各种切削加工的切削运动
8
二: 车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面
待加工表面 过渡表面 已加工表面
进给 运动
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三、切削用量三要素
切削用量是指： vc 、f、ap
(1)切削速度vc:指在单位时间内工件和刀具沿主 运动方向的位移
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(2)进给量 f: 指工件或刀具每回转一周时,两者
沿进给运动方向上的相对位移
单位: mm/r
v f = fn / 60 = nf z Z / 60 v f 进给速度(mm / s或mm/min); n 刀具每分钟转数（r/min)； Z 刀具的齿数； f z 每齿进给量（mm/z)
★ 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 ★ 切屑、工件与刀具间摩擦力
切削力分解
Fc Ff · p f 吃刀抗力 Fp
v
κr
Ff Fp Ff · p
F
Ff 进给抗力
Ff · p
Fc 主切削力 F 切削合力
图3-15 切削力的分解
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影响切削力因素
工件材料
强度高 加工硬化倾向大 切削力大
切削用量
◆切削深度与切削 力近似成正比； ◆进给量增加，切 削力增加，但不成 正比； ◆切削速度对切削 力影响复杂（图316）
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(一)切削运动
1.零件表面的形成
5
（1）主运动
由机床或人力提供的刀具与 工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的 刀具表面切入工件材料，使 被切削层转变为切屑, 从而 形成工件的新表面。 在切削运动中，主运动 (primary motion)速度最高、 耗功最大。 主运动只有一个。
6
机床
《金属切削机床》
刀具角度及合理角度的选择 刀具材料
金 属 切 削 加 工 工 艺 系 统
刀具磨损、破损与使用寿命 各种切削刀具 刀具 金属切削变形 《金属切削 原理与刀具》 工件 切削力 切削热和切削温度 切削液 工件材料的切削加工性 已加工表面质量 夹具 《机械制造工艺》 磨削
1
切削原理
金属切削的基本定义的认识
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(2)进给量
进给量是指单位时间内刀具和工件在 进给运动方向上相对位移。 当主运动是回转运动时，进给量 指工件或刀具每回转一周，两者沿进 给方向的相对位移量，单位为mm/r； 当主运动是直线运动时，进给量 指刀具或工件每往复直线运动一次， 两者沿进给方向的相对位移量，单位 为mm/str或mm/单行程； 对于多齿的旋转刀具(如铣 刀、切齿刀)，常用每齿进给量 fz， 单位为mm/z或mm/齿。它与进给量f的 关系为f=zfz 进给速度为 vf=fn=zfzn
加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大
切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑
加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小
切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳
工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低
影响
切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀
1）切削平面——切于主切削刃某一选定点并垂直于刀杆底平面的平面。
2）基面——过主切削刃的某一选定点并平行于刀杆底面的平面。 3）正交平面——垂直于切削平面又垂直于基面的平面。
可见这三个坐标平面相互垂直，构成一个空间直角坐标系。
17
三个坐标平面相互垂直，构成一个空间直角坐标系。
18
车刀的主要几何角度 1）前角(γ0 ) 前角是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角。前 角的正负方向按图示规定表示，即刀具前刀面在基面之下时为正前角，刀具 前刀面在基面之上时为负前角。前角一般在-5°～ 25°之间选取。
刀尖为主切刃上最高点，所以λS ＞0°
23
24
问题延伸——无论切削刀具如何变化，其原理都与车刀相同。
25
车刀的主要几何角度的选择 1）前角(γ0 ) 选择的原则：前角的大小主要解 决刀头的坚固性与锋利性的矛盾。因此首先要根 据加工材料的硬度来选择前角。加工材料的硬度
高，前角取小值，反之取大值。其次要根据加工
进给方向
Kr
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车刀的主要几何角度 ４）副偏角( Kr’ ) 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运 动反方向的夹角。副偏角一般为正值。
进给方向
Kr
Kr’
22
K 向
车刀的主要几何角度
５）刃倾角(λS ) 在切削平面内测 K 向
λS 基面ຫໍສະໝຸດ Baidu
量的主切削刃与基面间的夹角。当主切 削刃呈水平时， λS =0°；刀尖为主切刃 上最高点时， λS ＞0°；刀尖为主切削 刃上最低点时， λS ＜0°。刃倾角一般 在-10°～5°之间选取。
3
切削加工 ： 使用切削工具 ( 包括刀具、磨具和磨 料 ) ，在工具和工件的相对运动中，把工件上多 余的材料层切除，使工件获得规定的几何参数 (尺寸、形状、位置)和表面质量的加工方法。 切削加工的重要性：切削加工能获得较高的精度 和表面质量，对被加工材料、工件几何形状及生 产批量具有广泛的适应性，在机械制造业中占有 十分重要的地位。
34
切屑类型与变形系数
切屑控制
为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果（图3-7）
断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置， 图3-8）
图3-7 切屑的卷曲
图3-8 断屑的产生
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切屑类型
带状切屑的特点
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切屑类型与变形系数
表3-1 切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑
简图
形态 变形 形成 条件
带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 剪切滑移尚未达 到断裂程度
节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状
粒状
不规则块状颗粒
未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料， 刀具前角较小
局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度
☆降低切削抗力，延长刀具寿命。
由操作者刃磨出排屑槽
排屑槽
γ0
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车刀的主要几何角度的选择 ２）后角(α0 ) 选择的原则：首先考虑 加工性质。精加工时，后角取大值，粗加 工时，后角取小值。其次考虑加工材料的 硬度，加工材料硬度高，主后角取小值， 以增强刀头的坚固性；反之，后角应取小 值。后角不能为零度或负值，一般在 6°～12°之间选取。
主切削力Fc（N）
981 784 588 5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
图3-16 切削速度对切削力的影响
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4.2.3 影响切削力因素
刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大，切削力减小（图3-17） ◆ 主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ κr ↑—— Fp↓，Ff↑，图3-18）
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(3)切削深度ap :指待加工表面与已加工表面
的垂直距离（单位mm）。
dw dm 车外圆时：a p = 2 dm 钻孔是：a p = 2
dm 已加工表面的直径（ mm) 。
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vc、f、a p — 称为切削用量三要素。
4.刀具的几何参数 (1)切削刀具结构
由工作部分和非工作部分构成。
车刀(turning tools)的工作部分比较简单， 只由切削部分构成，非工作部分就是车刀 的柄部(或刀杆)。
线称为主切削刃。
(5) 副切削刃 刀具的前刀面与副后刀面的交 线称为副切削刃。 (6) 刀尖 主切削刃与副切削刃的交点称为刀 尖。刀尖实际是一小段曲线或直线，称修圆 刀尖和倒角刀尖。
科普一下—— 刃磨车刀时绝对不要戴手套或裹
毛巾等，如果你不想残废的话！
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测量车刀切削角度的辅助平面
为了确定和测量车刀的几何角度，需要选取三个辅助平面作为基准， 这三个辅助平面是切削平面、基面和正交平面，如图所示。
知识点 切削运动 切削形成的加工表面 切削用量 刀具的几何角度 切削力与热等
认识切削运动、加工表面、切削用量等相关概念
认识刀具的几何角度
2
金属切削加工就是在机床上利用切削工具 从工件上切除多余金属，使之成为具有一定几 何形状、尺寸精度和表面质量的加工方法。在 切削加工过程中，除了要有一定切削性能的切 削刀具外，还要有机床提供工件与切削刀具间 所必需的相对运动，而且这种相对运动还要与 工件各种表面的形成规律和几何特征相适应。 本课题主要学习切削运动和切削用量、刀具的 组成及其几何参数、车刀的工作角度等内容。
进给方向
Kr’
30
5. 切屑的形成
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切屑类型与变形系数
切屑类型
带状切屑
Real
挤裂切屑
Real
节状切屑
Real
崩碎切屑
Real
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图3-6 切屑形态照片
金属切削过程的变形
三个变形区分析
第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图3-5 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。
性质来考虑前角的大小，粗加工时前角要取小值， 基面 精加工时前角应取大值。前角一般在-5°～ 25° γ0
之间选取。
26
通常，制作车刀时并没有预先制出前角（γ0） ，而是靠在车刀上刃磨
出排屑槽来获得前角的。排屑槽也叫断屑槽，它的作用大了去了—— ☆折断切屑，不产生缠绕；
☆控制切屑的流出方向，保持已加工表面的精度；
A—A
α0
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车刀的主要几何角度的选择 3）主偏角( Kr ) 的选用原则：首先考虑车床、夹具和刀具组成的车削 工艺系统的刚性，如系统刚性好，主偏角应取小值，这样有利于提高车刀 使用寿命、改善散热条件及表面粗造度。其次要考虑加工工件的几何形状，
当加工台阶时，主偏角应取90°，加工中间切入的工件，主偏角一般取60
不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部 分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变 而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参 数。
15
车刀切削部分的组成
（三面二刃一刀尖 ） 车刀切削部分由前刀面、主后刀面、副
后刀面、主切削刃、副切削刃和刀尖组成。
(1) 前刀面 刀具上切屑流过的表面。 (2) 主后刀面 刀具上与工件上的加工表面相 对着并且相互作用的表面，称为主后刀面。 (3) 副后刀面 刀具上与工件上的已加工表面 相对着并且相互作用的表面，称为副后刀面。 (4) 主切削刃 刀具的前刀面与主后刀面的交
基面
γ0
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车刀的主要几何角度 ２）后角(α0 ) 在正交平面内测量的主后刀面 与切削平面间的夹角。后角不能为零度或负值， 一般在6°～12°之间选取。
A—A
γ0
α0
20
车刀的主要几何角度 3）主偏角( Kr ) 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动 方向的夹角。主偏角一般在30°～ 90°之间。
单位: m/s 或 m/min
车削等回转运动：v = c
d w np (m / s) × 1000 60 d w np (m / min) 或vc = 1000
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切削用量
(1)切削速度
切削用量三要素 切削速度Vc 进给量Vf 背吃刀量ap。
切削速度 是单位时间内 刀具和工件在主运动方向 上的相对位移。 主运动为旋转运动（车削、 铣削）， VC为最大线速 度，VC =πdwn/1000 主运动为往复直线运动 （刨削、插削）， VC为 平均速度，VC =2Lnr/ 1000
优点: 表示切削力平稳,对刀具与工件变形破坏小 缺点:太长不利于排屑也不利于安全,又破坏已加工表面 质量,影响粗糙度等
解决方法
刀具磨断屑槽或 使用压块式断屑器
36
机械制造技术基础
第3章 切削原理 Cutting Theory
3.2 切削力
Cutting Force
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切削力的来源与分解
切削力来源
°。主偏角一般在30°～ 90°之间，最常用的是45 °、75 °、90 °。
进给方向
Kr
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车刀的主要几何角度的选择 4）副偏角( Kr’ )的选择原则：首先考虑车刀、工件和夹具有足够的刚性， 才能减小副偏角；反之，应取大值；其次，考虑加工性质，精加工时，副偏 角可取10°～15°，粗加工时，副偏角可取5°左右。