第1章 基本要素

第一章金属切削基本要素
进行金属切削时必须具备的基本条件：
①刀具—工件间要有相对运动：切削运动
②刀具必须具备适当的几何参数
③刀具材料必须具备一定的切削性能：硬度、强度、耐高温性等。

本章介绍基本条件
1切削运动和切削用量
1）切削运动：刀具、工件间的相对运动
车削时(图1-6，p4)：
①工件旋转使工件多余金属迎刀刃运动被切下变为切屑。

②刀具沿工件轴向运动使切削能连续进行，形成所需工件表面。

举例：削苹果
可见切削运动可分为二部分。

(一)主运动：使工件多余金属层迎向刀具以进行切削化最基本的运动。

特点：①速度高②消耗功率大③通常只有一个
(二)进给运动：使主运动能连续切除工件上多余的金属层，以形成所需的工件表面。

特点：①速度和功耗小于主运动②可能不止一个
2）加工表面
切削过程中，工件上通常存在三个表面(图1-12，p8)
①待加工表面：工件上即将被切去的表面
特点：逐渐减小
②已加工表面：切削后形成的新表面
特点：逐渐扩大，是加工后所需的表面。

③过渡表面（切削表面）：刀刃正在切削着的表面
特点：位置不断变化，，处在待加工表面和已加工表面之间。

3）切削用量
三个要素：切削速度，进给量，切削深度。

（1）切削速度v c ：刀刃上选定点相对于工件的主运动速度
主运动为旋转运动时，切削速度可由下式计算：
()min //1000m s m dn
v c 或π= 1-1
其中： d ： 选定点的旋转直径(mm)，不特指出选定点时，d 为待加工表面直径;
n ： 主运动转速(r/s 或r/min rpm )。

（2）进给量f ：主运动每一转时刀具在进给运动方向上的位移(mm/r) 直线往复进给时mm/双行程
多刃刀具：f z 每齿进给量（mm/齿），f=f z z ，z ：每转齿数；
进给速度v f ：进给运动的速度。

V f =fn=f z zn 1-2
（3）切削深度a p ：无通用定义，在多数现况下为已加工表面和待加工表面的垂直距离(车、刨、镗、扩、铰等)。

()mm d d a m
w p 2-= 1-3
d w ：待加工表面直径
d m：已加工表面直径
本节内容：二个运动、三个表面、三个要素
2 刀具几何角度
刀具的几何参数是进行金属切削的第二个基本条件，所以本节是重点，同时由于刀具几何参数较复杂，所以本节还是难点。

不同刀具的几何特征有很大差别，但其切削部分却有共性，本节以外圆车刀为例，讲解刀具共有的几何特征。

1）刀具切削部分的结构要素（图1-14，p10）
前刀面Aγ：切屑流过的表面
主后刀面Aα：与工件过渡表面相对的表面
副后刀面A’α：与工件已加工表面相对的表面
主切削刃S：Aγ和Aα的交线，完成主要的金属切除任务。

副切削刃S’：Aγ和A’α的交线，协同S完成金属切除任务，形成已加工表面。

刀尖、过渡刃：刀尖是S和S’的交点，对于实际的刀具不可能是无穷小的点，而是一小段刀刃，称为过渡刃，形状为直线、折线或圆弧（图1-16，p11）。

为了便于记忆，刀具切削部分的主要几何要素称为三面、二刃、一尖。

2）刀具标注角度参考系
要确定一个平面在三维空间中的位置，可以用该平面与参考平面的夹角来表示，刀具是由三个刀面构成，所以要表示刀具的几何参数，就需要：给出参考平面：刀具标注角度参考系；
给出夹角：刀具的角度。

参考平面：
（1）基面P r：通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度向量的平面（图1-17，p11）。

（2）切削平面P s：通过主切削刃S上选定点，与S相切，垂直于P r的平面，或由该点上刀刃的切线和切削速度向量确定的平面(二相交直线确定一个平面) （图1-18，p12）。

（3）副切削平面P’s：通过副切削刃S’上选定点，与S’相切，垂直于P r的平面
注意P s与切削表面的区别：平，不平；虚，实
测量平面：
前面提到可用同参考平面的夹角来表示一个平面的位置，这个平面与参考平面组成了一个二面角。

当一个二面角被第三个平面所截时，得二条截线，这二条截线间的夹角不仅与二面角的角度有关，还与第三个截面的位置有关(用书和三角板演示)，所以在定义刀具角度时不但要确定参考平面(P r或P s)，还要指明是在哪个平面上测量的。

常用测量平面有以下几个：（3）主剖面P o：过主切削刃上选定点，垂直于切削平面P s和基面P r的平面(思考：用P s和v c，或S在P r投影定义P o)。

主剖面参考系：P r-P s-P o组成的空间直角坐标系(图1-18，p12)。

（4）法剖面P n：过主切削刃上选定点，垂直于该点上主刀刃切线的平面(思考：用P s和A 定义P n)。

法剖面参考系：P r-P s-P n组成的坐标系(图1-18，p12)（非直角坐标）。

（5）副剖面P’o：过副切削刃S’上选定点，垂直于S’在P r投影的平面。

3）刀具标注角度（1.3.3）
刀具的标注角度是刀具工作图上需要标出的角度。

用途：用于刀具的设计、制造、刃磨、测量。

在不同的参考系中，标注角度也不同，本课程讲二组标注角度：
（1）主剖面参考系中的标注角度
主剖面P o内标注角度：(图1-20，p15)
前角γo：在主剖面内测量的P r与Aγ的夹角
后角αo：在主剖面内测量的P s与Aα的夹角
楔角βo：在主剖面内测量的前、后刀面夹角。

γo +αo +βo =90︒
切削平面P s内标注角度：(图1-20，p15)
刃倾角λs：主切削刃与基面的夹角。

方向：刀尖为主切削刃最高点时λs为正，刀尖为主切削刃最低点时λs为负。

基面P r内标注角度：(图1-20，p15)
主偏角κr：主切削刃S在基面上的投影与进给方向的夹角(图1-20，p15)(思考：利用切削平面P s和进给方向表示κr)，
副偏角κ’r：副切削刃S’在基面上的投影与进给方向的夹角(图1-20，p15) (思考：利用副切削平面P’s和进给方向表示κ’r),
刀尖角εr：主、副切削刃在基面内投影的夹角。

κr +κ’r +εr =180︒
副剖面P ’o 内标注角度：(图1-22)p16
副后角α’o ：在副剖面P ’o 内测量的副切削平面P ’s 与副后刀面A ’α的夹角。

前角γo 、后角αo 、刃倾角λs 、主偏角κr 、副偏角κ’r 、副后角α’o 六个角度是制造外圆车刀时必须标注的基本角度，少标一个刀具就无法制造。

六个角度中只有γo 和λs 可正可负，其余角度只能在一个方向。

由以上6个基本角度可以得出下面的三个派生角度
（2）法剖面参考系中的标注角度
法剖面P n 内标注角度：(图1-20，p15)
法前角γn ：在法剖面内测量的P r 与A γ的夹角
法后角αn ：在法剖面内测量的P s 与A α的夹角
法楔角βn ：在法剖面内测量的前、后刀面夹角。

γn +αn +βn =90︒
基面、切削平面与主剖面参考系相同，所测角度也相同。

4） 刀具角度换算（1.3.4）
上一节讲的二个参考系的角度并不是相互独立的，只要确定了一个参考系的角度，另一个参考系的角度随之确定。

换言之，二个参考系中的角度之间有一定关系，本节中将推导这一关系。

(1) γo 和γn 的关系：
当刀刃上的选定点为M 时，取前刀面上一小块三角形Mbc ，使Mb 为主剖面与前刀面交线，Mc 为法剖面与前刀面交线，图1-21。

主剖面与法剖面交线为Ma ，根据定义，Ma 在过M 点的基面上。

s o n λγγcos tan tan = （1-8）
(2) αo 和αn 的关系：
三角形Mbc 实际是一个几何平面，在求前角关系时把它看作前刀面，刀具材料在这一平面以下。

若假设刀具材料在这一平面以上时三角形Mbc 成为后刀面。

此时求N bMa 和N cMa 的余角，即得αo 和αn 的关系：
s o n λααcos cot cot = （1-9）
3切削层参数
切削层：切削表面上即将被切掉的金属层
切削层参数：在P r 内度量的切削层截面尺寸(图1-28，p21)
（1）切削厚度h D ：垂直于过渡表面度量的切削层尺寸
在切削原理的研究中，h D 对切削过程的各种状态影响很大，是一个重要的参数。

对于直线刃，切削厚度与进给量和主偏角有关，沿切削刃不变(图1-29，p22)：
r D f h κsin = （1-28）
对于曲线刃，h D 沿切削刃是变化的(图1-30，p22)
（2）切削宽度b D ：沿过渡表面度量的切削层尺寸
对于直线刃，切削宽度与切削深度和主偏角有关，沿切削刃不变(图1-29，p22)：
r p
D a b κsin = （1-29）
对于曲线刃：b D 为刀具工件接触区的弧长(图1-30，p22)。

（3）切削面积A D ：在P r 内度量的切削层截面积
p D D D fa b h A ==
（4）金属切除率Z w ：单位时间切除的金属体积。

fv a Z p w 1000
4 刀具材料
刀具材料在金工实习课中已有初步认识，本节采用指导性阅读的方法复习旧知识、学习新知识。

阅读教材1.5节（p23~32）内容，回答以下问题。

1) 对刀具材料有哪些要求？（硬度耐磨性、强度韧性、耐热性、热物理性
能、抗热冲击性、工艺性、经济性）
2) 影响刀具材料耐磨性的因素有哪些？（硬度、硬质点的大小数量分布、
化学稳定性）
3) 什么是耐热性？
4) 总结刀具材料的硬度、耐磨性与强度、韧性之间有什么规律。

5) HSS 有什么特点？适于制造什么刀具？
6) 了解两种普通HSS 和两种高性能HSS 。

7) 硬质合金的主要成分
8) 硬质合金与HSS 相比的优缺点。

9) 根据表1-5总结Co 和TiC 含量对硬质合金性能的影响。

10) 从表1-5和1-6总结：硬质合金的ISO 牌号分为几大类？每一类适于加
工什么材料？每一类牌号中后两位数字与刀具成份、性能、切削条件之间有什么对应规律？（数字增大：Co 含量增加、TiC 含量减小；强度韧性增大、硬度耐磨性减小；切削速度降低、进给量增大）
11) 涂层刀具的性能特点。

12) 陶瓷刀具的类别及性能特点。

13)金刚石和立方氮化硼的相同点和不同点。

14)根据对刀具材料的要求对HSS、硬合、涂层、陶瓷、超硬刀具逐项打分(满
分5分)。

附：不同刀具材料的价格比。