機械製造及工藝教程－第二章 金屬切削原理

第二章   金 屬 切 削 原 理

   第一節   金屬切削加工基本知識

一、切削運動與切削要素

（一）切削運動

在切削加工時，按工件與刀具相對運動所起的作用來分，切削運動可分為主運動和進給運動。

1．主運動

刀具與工件之間最主要的相對運動，它消耗功率最多，速度最高。主運動只有且必須有一個。

主運動可以是旋轉運動（如車削、鏜削中主軸的運動），也可以是直線運動（如刨削、拉削中的刀具運動）。

2．進給運動

刀具與工件之間產生的附加相對運動，配合主運動，不斷將多餘的金屬投入切削以保持切削連續進行或反覆進行的運動。一般而言，進給運動速度較低，消耗功率較少。

進給運動可由刀具完成（如車削、鑽削），也可由工件完成（如銑削）；進給運

動不限於一個（如滾齒），個別情況也可以沒有進給運動（如拉削）。  

３．工件上的表面

切削時工件上形成三個不斷變化著的表面：

（１）已加工表面

（２）待加工表面  

（３）過渡表面

（二）切削用量

切削用量是切削加工過程中切削速度、進給量和背吃刀量（切削深度）的總稱。它是用於調整機床、計算切削力、切削功率、核算工序成本等所必需的參數。

1．切削速度

2．進給量

3．背吃刀量（切削深度）

 

二、刀具切削部分基本定義

金屬切削刀具的種類很多，結構、性能各不相同，但就其單個刀齒而言，可以看成是由外圓車刀的切削部分演變而來的，下面以外圓車刀為例，介紹刀具切削部分的基本定義。

（一）刀具切削部分的組成

刀具切削部分由刀面、切削刃構成。

1．前面（前刀面）A_γ　刀具上切屑流過的表面。  

2．後面（后刀面）A_α　與工件上過渡表面相對的表面。

3．副後面（副后刀面）A_α′　與已加工表面相對的表面。

4．主切削刃S　前刀面與后刀面的交線。它承擔主要切削任務。

5．副切削刃S　切削刃上除主切削刃以外刀刃，它承擔部分切削任務。

6．刀尖 主、副切削刃匯交的一小段切削刃。  

  

（二）刀具的標註角度參考系

標註角度參考系或靜止參考系：在刀具設計、製造、刃磨、測量時用於定義刀具幾何參數的參考系稱為。

在該參考系中定義的角度稱為刀具的標註角度。

建立刀具標註角度參考系時不考慮進給運動的影響，且假定車刀刀尖與工件中心等高，車刀刀桿中心線垂直於工件軸線。

刀具標註角度參考系由下列參考平面所構成：

1．基面p_r　過切削刃選定點垂直於該點切削速度方向的平面，車刀的基面可理解為平行刀具底面的平面。

2．切削平面p_s　過切削刃選定點與切削刃相切並垂直於基面的平面。

3．正交平面p_o　與正交平面參考系　過切削刃選定點同時垂直於切削平面與基面的平面稱為正交平面。

p_r、p_s、p_o組成一個正交的正交平面參考系。

4．法平面

5．假定工作平面p_f 、背平面p_p

　 二、刀具切削部分基本定義

（三）刀具的標註角度

在上述三種不同的刀具標註角度參考系內，均可定義相應的刀具角度，但一般以採用正交平面參考系兼用法平面參考系較多。

　

1、 正交平面參考系內的標註角度

（1）前角 γ_o　正交平面中測量的前面與基面間的夾角。

（2）后角 α_o　正交平面中測量的後面與切削平面間的夾角。

（3）主偏角κ_r　基面中測量的主切削平面與假定工作平面間夾角。

（4）刃傾角λ_s　切削平面中測量的切削刃與基面間的夾角。

上述四角就能確定車刀主切削刃及其前、後面的方位。

其中γ_o、λ_s兩角可確定前面的方位，α_o、κ_r兩角確定後面的方位，κ_r 、λ_s兩角可確定主切削刃的方位。

同時副切削刃及其相關的前、後面在空間的定向也需要4個角度，即副刃前角γ_ｏ^?、副后角α_o^?副偏角κ^′_r 、副刃傾角λ^′_s ，它們的定義與主切削刃四角類似。

常用的刀具派生角度有：前刀面與后刀面之間的夾角稱為楔角β_o；主、副切削刃在基面上投影的夾角稱為刀尖角ε_r。

刀具角度正負規定：
前面與基面平行時前角為零；前面與切削平面間夾角小於90°時，前角為正；大於90時，前角為負。後面與基面夾角小於90°時，后角為正；大於90°時后角為負。

切削刃與基面（車刀底平面）平行時，刀傾角為零；刀尖相對車刀以底平面處於最高點時，刀傾角為正；處於最低點時，刀傾角為負。

主偏角、副偏角只有正值。派生角度只有正值。

2、其它參考坐標系內的標註角度

（四）刀具的工作角度

刀具標註角度都是在假定運動條件和假定安裝條件下定義的，如果考慮合成運動和實際安裝情況，則刀具的參考系將發生變化，刀具角度也發生了變化。

按照刀具工作中的實際情況，在刀具工作角度參考系中確定的角度稱為刀具工作角度。

多數情況下，不必進行工作角度的計算，只有在進給運動和刀具安裝對工作角度產生較大影響時，需考慮工作角度。

1．進給運動對工作角度的影響

2．刀具安裝高低對工作角度的影響

3．刀桿中心線與進給方向不垂直時對工作角度的影響

（五）切削層參數

切削層是由切削部分以一個單一動作所切除的工件材料層。

將通過切削刃基點並垂直於該點主運動方向的平面稱為切削層尺寸平面，此平面是切削層參數的測量平面。

1．   1．   切削層公稱橫截面積_D

2．   2．   切削層公稱寬_D

3．   3．   切削層公稱厚度

若車刀刀尖為主，副切削刃的實際交點，且λ_s=0°，κ^′_r =0°，則切削層公稱橫截面積為平行四邊形。

切削層各有關參數間的關係為

h_D=fsinκ_r     b_D=α_p／sinκ_r     A_D=h_Db_D=α_pf

　

三、刀具材料

刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。

它的性能是影響加工表面質量、切削效果、刀具壽命和加工成本的重要因素。

   （一）刀具應具備的性能

金屬切削過程中，刀具切削部分承受很大切削刀和劇烈摩擦，併產生很高的切削溫度；在斷續切削工作時，刀具將受到衝擊和產生振動，引起切削溫度的波動。為此，刀具材料應具各下列基本性能：

1．硬度和耐磨性

2．強度和韌性

  　3．熱硬性

4．工藝性與經濟性

   （二）常用刀具材料

常用刀具材料分為：工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼），硬質合金，超硬刀具材料（包括陶瓷，金剛石及立方氮化硼等）

1、  高速鋼

高速鋼特別適用於製造結構複雜的成形刀具，孔加工刀具例如各類銑刀、拉刀、齒輪刀具、螺紋刀具等；由於高速鋼硬度，耐磨性，耐熱性不及硬質合金，因此只適於製造中、低速切削的各種刀具。

高速鋼按其性能分成兩大類：普通高速鋼和高性能高速鋼。

2、   硬質合金

硬質合金大量應用在剛性好，刃形簡單的高速切削刀具上，隨著技術的進步，複雜刀具也在逐步擴大其應用。

常用硬質合金的牌號，成分及性能見表2—2。

鎢鈷類硬質合金是由WC和 Co燒結而成，代號為YG，一般適用於加工鑄鐵和有色金屬等脆性材料。

鎢鈦鈷類硬質合金是以WC為基體，添加TiC，用Co作粘結劑燒結而成，代號為YT，一般適用於高速加工鋼料。

添加鉭（鈮）類硬質合金是在以上兩種硬度合金中添加少量其它碳化物（如TaC 或NbC）而派生出的一類硬質合金，代號為YW，既適用加工脆性材料，又適用於加工塑性材料。常用牌號YW1、YW2。

3、塗層刀具材料

硬質合金或高速鋼刀具通過化學或物理方法在其上表面塗覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韌性。

對刀具表面塗覆的方法有兩種：

化學氣相沉積法（ＣＶＤ法），適用於硬質合金刀具；

物理氣相沉積法（ＰＶＤ法），適用於高速鋼刀具。

塗層材料可分為ＴiC塗層、TiN塗層、ＴiC與TiN塗層、Al₂O₃塗層等。

４、其它刀具材料

（1）陶瓷刀具：是以氧化鋁（Al₂O₃）或以氮化硅（Si₃N₄）為基體，再添加少量金屬，在高溫下燒結而成的一種刀具材料。

一般適用於高速下精細加工硬材料。

一些新型複合陶瓷刀也可用於半精加工或粗加工難加工的材料或間斷切削。陶瓷材料被認為是提高生產率的最有希望的刀具材料之一。

（2）人造金剛石：它是碳的同素異形體，是目前最硬的刀具材料，顯微硬度達10000HV。

它有極高的硬度和耐磨性，與金屬摩擦係數很小，切削刃極鋒利，能切下極薄切屑，有很好的導熱性，較低的熱膨脹係數，但它的耐熱溫度較低，在700～800℃時易脫碳，失去硬度，抗彎強度低，對振動敏感，與鐵有很強的化學親合力，不宜加工鋼材，主要用於有色金屬及非金屬的精加工，超精加工以及作磨具、磨料用。

（3）立方氮化硼：是由立方氮化硼（白石墨）在高溫高壓下轉化而成的，其硬度僅次於金剛石，耐熱溫度可達1400℃，有很高的化學穩定性，較好的可磨性，抗彎強度與韌性略低於硬質合金。一般用於高硬度，難加工材料的半精加工和精加工。

　

 

第二節   金屬切削原理及其應用

金屬的切削過程是一個複雜的過程，在這一過程中形成切屑、產生切削力、切削熱與切削溫度，刀具磨損等許多現象，研究這些現象及變化規律，對於合理使用與設計刀具，夾具和機床，保證加工質量，減少能量消耗，提高生產率和促進生產技術發展都有很重要的意義。

一、切削變形

（一）切削變形特點和切屑的種類

如圖所示，金屬壓縮實驗，當金屬試件受擠壓時，在其內部產生主應力的同時，還將在與作用力大致成45°方向的斜截面產生最大切應力，在切應力達到屈服強度時將在此方向剪切滑移。

金屬刀具切削時相當於局部壓縮金屬的壓塊，使金屬沿一個最大剪應力方向產生滑移。

如圖所示當切屑層達到切削刃OA（OA代表始滑移面）處時，切應力達到材料屈服強度，產生剪切滑移，切削層移到OM面上，剪切滑移終止，並離開切削刃后形成了切屑，然後沿前面流出。

始滑移面OA與終滑移面OM之間的變形區稱為第一變形區，寬度很窄(約0.02～0.2mm)，故常用OM剪切面亦稱滑移面來表示，它與切削速度的夾角稱為剪切角φ。

當切屑沿前面流出時，由於受到前面擠壓和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底層金屬再次產生剪切變形。使切屑底層薄的一層金屬流動滯緩，流動滯緩的一層金屬稱為滯流層，這一區域又稱為第二變形區。

工件已加工表面受到鈍圓弧切削刃的擠壓和後面的摩擦，使已加工表面內產生嚴重變形，已加工表面與後面的接觸區稱為第三變形區。

這三個變形區不是獨立的，而是有著緊密的聯繫和相互影響。

根據被切的金屬剪切滑移后形成切屑的外形不同，可將切屑分成以下四種類型。

1．帶狀切屑

2．節狀切屑（擠裂切屑）

3．粒狀切屑（單元切屑）

4．崩碎切屑

切屑的形態隨切削條件的不同可互相轉化。

（二）切削變形程度的表示方法

（三）刀具前面上的摩擦與積屑瘤

切屑流經刀具前面時，在高壓力的作用下產生劇烈的摩擦併產生很高的溫度，刀屑接觸區可分成粘結區和滑動區兩部分。

粘結區的摩擦為內摩擦，切削時由於高壓和高溫作用，切屑底部流速要比切屑的上層緩慢，從而在切屑底部形成了一個滯流層，內摩擦就是滯流層與其上層金屬在切屑內部的摩擦，這部分的切向力等於被切材料的剪切屈服點，它不同於金屬接觸面滑動摩擦。

滑動區的摩擦為外摩擦，即滑動摩擦，摩擦力的大小與摩擦係數和法向正壓力有關，而與接觸面積大小無關。在粘結區內，切應力是常數，且等於材料的剪切屈服強度，在滑動區內則隨著距離切削刃越遠而逐漸減小，在整個接觸區內平均正應力亦隨著距切削刃越遠而減小。在刀屑間的兩種摩擦中,力的大小一般佔總摩擦力的85%左右，所以研究前面摩擦中應以內摩擦為主。

由於刀屑接觸面的粘結摩擦及滯流作用，在中速或較低的切削速度切削塑性金屬材料時，經常在刀具前面粘結一些工件材料，形成一個硬度很高的楔塊，這楔塊稱為積屑瘤。

從實驗得知，積屑瘤的金相組織與工件母材料相比未發生相變，它是受了強烈塑性變形的被切材料的堆積物，劇烈的加工硬化使之硬度大幅提高。它是逐漸形成的，經過一個生成、長大、脫落的周期性過程。

　

積屑瘤的存在可代替刀刃切削，並對切削刃有一定的保護作用；同時增大了實際工作前角，減小了切削變形。但由它堆積的鈍圓弧刃口造成擠壓和過切現象，使加工精度降低，積屑瘤脫落後粘附在已加工表面上惡化表面粗糙度，所以，在精加工時應避免積屑瘤產生。

影響積屑瘤的主要因素有工件材料，切削層、刀具前角及切削液等，工件材料塑性越大，刀屑間摩擦係數和接觸長度越大，容易生成積屑瘤。

切削速度對切屑瘤影響很大，切削速度很低時，由於摩擦係數較小，很少產生積屑瘤。在切削速度υ_c=20m/min左右，切削溫度約為300℃時，最易產生積屑瘤，且高度最大。切削速度是通過平均溫度和平均摩擦係數影響積屑瘤的。

減小進給量，增大刀具前角，提高刃磨質量，合理選用切削液，使摩擦和粘結減少，均可達到抑制積屑瘤的作用。

（四）已加工表面變形和加工硬化

任何刀具的切削刃都很難磨得絕對鋒利，當在鈍圓弧切削刃和其鄰近的狹小後面的切削擠壓摩擦下，切屑晶體向下滑動繞過刃口形成已加工表面。使已加工表面層的金屬晶粒發生扭曲擠緊，破碎等，構成了已加工表面上的變形區。

已加工表面經過嚴重塑性變形而使表面原硬度增高，這種現象稱為加工硬化（冷硬）。

金屬材料經硬化后在表面上會出現細微裂紋和殘餘應力，從而降低了加工質量和材料的疲勞強度，增加下道工序加工困難，加速刀具磨損，所以在切削時應設法避免或減輕加工硬化現象。

（五）影響切削變形的因素

切削變形的程度主要決定於剪切角和摩擦係數大小。

影響切削變形的主要因素有工件材料，前角，切削用量。

工件材料的強度、硬度越高，刀屑間正壓力則增大，平均正應力會增加，因此，摩擦係數下降，剪切角增大，切削變形減小。而切削塑性較高的材料，則變形較大。

刀具前角越大，切削刃越鋒利，使剪切角增大，變形係數減小，因此，切削變形減小。

切削速度對切削變形的影響，切削速度是通過切削溫度和積屑瘤影響切屑變形的。切削速度在3～20m/min範圍內提高，積屑瘤高度隨著增加，刀具實際前角增大，故變形係數減小。當20m/min 左右時，積屑瘤高度最高，ξ值最小。在20～40m/minn範圍內提高，積屑瘤逐漸消失，刀具實際剪切角減小，ξ增大。當＞40m/min 時，由於切削溫度逐漸升高，變形係數ξ減小。切削鑄鐵等脆性金屬時，一般不產生積屑瘤，隨著切削速度的增大，變形係數則緩慢地減小。

進給量增大，使切削厚度增加，正壓力增大，平均正應力增大，因此，μ下降，剪切角φ增大，使ξ減小。同時，由於各切削層的變形和應力分佈不均勻，近前發麵處的金屬變形和應力大，離前刀面越遠的金屬層變形和應力越小。切削厚度增加，近前刀面處發生劇烈變形層增加不多，切削平均變形減小，使變形係數變小。

二、切削力

（一）切削力的來源和分解

切削過程中，刀具施加於工件使工件材料產生變形，並使多餘材料變為切屑所需的力稱為切削力

而工件低抗變形施加於刀具稱為切削抗力，在分析切削力以及切削機理時，切削力與切削抗力意義相同。

刀具切削工件時，由於切屑與工件內部產生彈性，塑性變形抗力，切屑與工件對刀具產生摩擦阻力，形成刀具對工件作用一個合力F，由於其大小，方向不易確定。

　

因此，為了便於測量、計算及研究，通常將合力F分解成三個分力。

（二）工作功率

（三）計算切削力的經驗公式

（四）單位切削力和單位切削功率

（五）影響切削力的主要因素

1．工件材料的影響，工件材料的硬度和強度越高，雖然切削變形會減小，但由於剪切屈服強度增高，產生的切削力會越大；工件材料強度相同時，塑性和韌性越高，切削變形越大，切削與刀具間摩擦增加，切削力會越大。切削鑄鐵時變形小，摩擦小，故產生的切削力小。

2．切削用量的影響 進給量、背吃刀量增大，二者都會使切削力增大，而實際上背吃刀量對切削力的影響要比進給量大。其主要原因在於，α_p增大一倍時，切削厚度h_D 不變，而切削寬度b_D 則增大一倍，切削刃上的切削負荷也隨之增大一倍，即變形力和摩擦成倍增加，最終導致了切削力以成倍增加；f增大一倍時，切削寬度b_D不變，只是切削厚度h_D增大一倍，平均變形減小，故切削力增加不到一倍。

切削速度對切削力的影響：切削塑性金屬時，在40m/min時，由於積屑瘤的產生與消失，使刀具前角增大或減小，引起變形係數的變化，導致了切削力的變化；當>40m/min，切削溫度升高，使平均摩擦係數下降，切削力也隨之下降。切削灰鑄鐵等脆性材料時，塑性變形很小，且刀屑間的摩擦也很小，因此，υ_c對影響不大。

3.刀具幾何參數的影響 前角對F_c影響較大。前角增大，切削變形減小，故切削力減小。主偏角對進給力F_f和背向力F_p影響較大，當к_r增大時F_f增大而F_p 則減小。刃傾角對背切削力F_P影響較大，因為λ_s由正值向負值變化時，會使頂向工件軸線的背向力增大。

此外刀尖圓弧半徑，刀具磨損程度等因素對切削力也有一定的影響。

三、切削溫度與切削液

由它引起的切削溫度的升高會影響刀具磨損和耐用度，同時抑制了切削速度的提高，還將導致工件、機床，刀具和夾具的熱變形，降低零件的加工精度和表面質量。

（一）切削熱的產生和傳散

提高切削速度，由摩擦生成的熱量增多，但切屑帶走的熱量也增加，在刀具中熱量減少，在工件中熱量更少，所以高速切削時，切屑溫度很高，在工件和刀具中溫度較低，這有利於加工順利進行。

（二）切削區溫度分佈和切削溫度的測量

切削區溫度一般是指切屑，工件和刀具按觸表面上的平均溫度，在正交平面內刀具、工件和切屑中溫度分佈規律如圖2—19所示。

刀具與切屑接觸面摩擦大，不易散熱，產生的溫度值最高；切屑帶走熱量最多，它的平均溫度高於刀具、工件上的平均溫度。

切削溫度測量方法很多，目前以利用物體的熱電效應來進行溫度測量的熱電偶法應用較多，其測量簡單方便。

（三）影響切削溫度的因素

切削溫度的高低決定於產生熱量多少和傳散熱量快慢兩方面因素。切削時影響產生熱量和傳散熱量的因素有：切削用量、工件材料的性能，刀具幾何參數和冷卻條件等。

切削用量對切削溫度的影響，當υ_c、α_p和f增加時，由於切削變形功和摩擦功增大，所以切削溫度升高。其中切削速度影響最大，當υ_c增加一倍時,由於摩擦生熱增多，切削溫度約增加32%，進給量f的影響次之，當f增加一倍，切削溫度約增加18%，因為f增加切削變形增加較少，並且改善了散熱條件，故熱量增加不多。背吃刀量α_p影響最小，α_p增加一倍時，切削溫度約增加7%，這是因為α_p增加使切削寬度增加,增大了熱量的傳散面積。

　

工件材料主要是通過硬度、強度和導熱係數影響切削溫度。

刀具幾何參數中影響切削溫度最明顯的因素是前角γ_o和主偏角κ_r，其次是刀尖圓弧半徑r_ε。前角γ_o增大，切削變形和摩擦產生的熱較少，故切削溫度下降，但 γ_o 過大散熱變差，使切削溫度升高。主偏角κ_r減少，切削變形摩擦增加，但κ_r減小切削寬度增大，改善了散熱條件，由於散熱起主要作用，故切削溫度下降。增大刀尖圓弧半徑能增大散熱面積，降低切削溫度。

刀具磨損后，刀具後面與已加工表面摩擦加大，切削刃變鈍，使刃區前方對切屑的擠壓作用增大，切屑變形增大，會使切削溫度升高。在加工時，使用切削液也是降低切削溫度的重要措施。

（四）切削液的選用

在切削過程中，合理使用切削液能有效減少切削刃，降低切削溫度，從而能延長刀具壽命，改善已加工表面質量和精度。

1．切削液的作用

冷卻作用、潤滑作用、清洗作用、防鏽作用等。

2．切削液的種類及選用

（1）水溶液  一般常用於粗加工和普通磨削加工中。

（2）乳化液  一般材料的粗加工常用乳化液，難加工材料的切削，常使用極壓乳化液。

（3）切削油  一般材料的精加工常使用切削油，如普通精車、螺紋精加工等。

四、刀具磨損與耐用度

（一）刀具磨損的形成

切削過程中，刀具在高溫和高壓條件下，受到工件、切屑的劇烈摩擦，，刀具在前、後面接觸區域內產生磨損。這種現象稱為刀具磨損。隨切削時間增加磨損逐漸擴大。主要磨損形式有：前面磨損、後面磨損。

在高速和較大的切削厚度切削塑性金屬時，易產生月牙窪磨損。在低速和較切削厚度切削塑性金屬及切削脆性金屬時，后刀面上的磨損明顯痕迹。在中等切削用量切削塑性金屬的情況下，易產生前面和後面的同時磨損。

（二）刀具磨損的原因

磨粒磨損（機械磨損、硬質點磨損）、相變磨損、粘結磨損、擴散磨損、氧化磨損。

不同的刀具材料在不同的使用條件造成磨損的主要原因不同。

（三）刀具磨損過程和刀具磨鈍標準

刀具磨損過程的三個階段：初期磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。

（四）刀具耐用度定義

刀具耐用度系指刀具刃磨后開始切削，至磨損量達到磨鈍標準的總切削時間。

刀具的耐用度高，說明切削性能好。

（五）影響刀具耐用度的因素

1．切削用量的影響  切削用量增加時，刀具磨損加劇，刀具耐用度降低。

切削速度對耐磨度的影響最大，進給量次之，背吃刀量影響最小。這與三者對切削溫度的影響規律是相同的，實質上切削用量對刀具磨損和刀具耐磨度的影響是通過切削溫度起作用的。

2．工件材料的影響  工件材料的強度、硬度、塑性等指標數值越高，導熱性越低，則加工時切削溫度越高，刀具耐用度就會越低。

3．刀具材料的影響  刀具材料是影響刀具壽命的重要因素，合理選擇刀具材料，採用塗層刀具材料和使用新型刀具材料是提高刀具壽命的有效途徑。

4．刀具幾何參數  對刀具耐用度影響較大的是前角和主偏角。增大前角，切削溫度降低刀具耐用度提高，但前角太小，刀具強度則弱散熱不好，導致刀具耐磨度降低。必須選擇與最高刀具耐用度對應的前角角度。減小主偏角、副偏角和增大刀尖圓弧半徑，可改善散熱條件，提高刀具強度和降低切削溫度，從而提高刀具的耐用度。

　

（六）刀具耐用度合理確定

刀具耐用度對切削加工的生產率和成本都有直接的影響，不能定的太高或太低，如果定的太高，勢必要選擇較小的切削用量，從而增加切削加工的時間，導致生產率的下降。如果定的太低，雖然可以採取較大的切削用量，但會使換刀、磨刀或調整機床所用時間增加過多，生產率也會下降。

通常確定刀具耐用度的方法有兩種。一是最高生產耐用度；二是最低生產成本耐用度。

確定各種刀具耐用度時，可以按下列準則考慮：

（1）   簡單刀具的製造成本低，故它的耐用度較複雜刀具的低。

（2）   可轉位刀具切削刃轉位迅速，更換簡單，刀具耐用度可選低一些。

（3）   精加工刀具切削負荷小耐用度選的可高一些。

（4）   自動加工數控刀具應選較高耐用度。

 

五、刀具幾何參數與切削用量的合理選擇

（一）刀具幾何參數的合理選擇

刀具的幾何參數包括刀具角度、刀面結構和形狀、切削刃的形式等。

1．前角的選擇

前角是刀具上最重要的角度之一，增大前角，切削刃鋒利，切削變形小，切削力小，切削輕快，切削溫度低，刀具磨損小和加工表面質量高，但過大前角刀頭強度降低，切削溫度高，刀具磨損加劇，刀具耐用度低。

從正反兩方面考慮，前角有一個最佳數值。

選擇前角的原則是保證加工質量和足夠的刀具耐磨度的前提，應盡量選取大的前角，具體選擇時要考慮的因素有：

（1）根據工件材料選擇：加工塑性金屬材料前角較大；加工脆性材料時前角較小。材料的強度、硬度越高，前角越小；材料的塑性越大，前角越大。

（2）根據刀具材料選擇，高速鋼刀具抗彎強度好，抗衝擊韌性高，可選較大前角；硬度合金材料抗彎強度較高速鋼低，故前角較小。陶瓷刀具材料前角應更小。

（3）根據加工要求選擇。粗加工時選擇較小前角，精加工時前角應大些，加工成型表面的刀具，前角應小些以減少刀具的刃形誤差。

2．前刀面的選擇

生產中常用的幾種前刀面形狀有：

（1）正前角平面型

（2）正前角平面帶倒棱形型

   （3）曲面型

（4）負前角型

3．后角的選擇

增大后角，可減少後面與切削表面間摩擦，減小切削刃鈍圓弧半徑，可提高表面質量。但同時使刀具強度降低，散熱條件變差。

選擇后角的原則是在不產生較大摩擦的條件下，應適當減小后角。

（1）根據加工精度選擇   精加工時為保證加工質量，后角取較大8～12°，粗加工時，要提高刀具強度，后角應取較小6～8°。

（2）根據加工材料   加工塑性材料，已加工表面的彈性恢復大，后角應取大值。加工脆性材料后角取小值。

4．主、副偏角的選擇

減小主、副偏角，刀頭強度增高，散熱條件好，加工表面粗糙度小，但背向力增大，易使工件或刀桿發生變形，引起工藝系統振動。減小主偏角使得切削厚度和切屑厚度減小而導致斷屑效果差。

因此，在加工工藝系統剛性滿足的條件下，應選較小主偏角；加工高強度、高硬度材料時為提高刀具強度壽命，應選較小主偏角，在出現帶狀切屑時，應考慮加大主偏角。

　

副偏角大小主要影響已加工表面粗糙度，選擇的原則是，在不影響摩擦和振動的條件下應選擇較小副偏角。

5．刃傾角的選擇

刃傾角可控制切屑流向：當＞0°時，切屑流向待加工表面；＜0°時切屑流向已加工表面；=0°切屑沿主剖面方向流出。

增大可增加實際工作前角和刃口鋒利程度，可提高加工質量。選用負刃傾角，可提高刀具強度，改變刀刃受力方向，提高刀刃抗衝擊能力，但過大負刃傾角會使背向力增大。

一般鋼、鑄鐵精加工時選擇0～+5°，粗加工時0～－5°。在加工高硬質、高強度金屬，加工斷續表面或有衝擊載荷時取負刃傾角－5°～－15°。

（二）切削用量的合理選擇

在確定了刀具幾何參數后，還需選定切削用量參數才能進行切削加工。

目前許多工廠是通過切削用量手冊，實踐總結或工藝實驗來選擇切削用量。制定切削用量時應考慮加工余量，刀具耐用度、機床功率、表面粗糙度、刀具刀片的剛度和強度等因素。

１．粗車切削用量的選擇

對於粗加工，在保證刀具一定耐用度前提下，要儘可能提高在單位時間內的金屬切除量，提高切削用量都能提高金屬切削量，但是考慮到切削用量對刀具耐用度的影響程度，所以，在選擇粗加工切削用量時，應優先選用大的背吃刀，其次選較大的進給量，最後根據刀具耐用度選定一個合理的切削速度，這樣選擇可減少切削時間，提高生產率。背吃刀量應根據加工余量和加工系統的剛性確定。

２．精加工切削用量的選擇

選擇精加工或半精工切削用量的原則是在保證加工質量的前提下，兼顧必要的生產率。進給量根據工件表面粗糙度的要求來確定。精加工時切削速度的切削速度應避開積屑瘤區，一般硬質合車刀採用高速切削。

第三章   金屬切削常用刀具

第三節  銑 刀

銑刀是多刃刀具,它的每一個刀齒相當於一把車刀,它的切削基本規律與車削相似,但銑削是斷續切削,切削厚度和切削麵積隨時在變化,因此,銑削具有一些特殊性。銑刀在旋轉表面上或端面上具有刀齒，銑削時，銑刀的旋轉運動是主運動，工件的直線運動是進給運動。

一、銑刀的類型和用途

銑刀的類型很多，按銑刀齒背形狀可分為尖齒銑刀和鏟齒銑刀。

常用的有圓柱銑刀、端銑刀、三面刃銑刀、立銑刀、鍵槽銑刀、半圓鍵槽銑刀、鋸片、角度銑刀和球頭銑刀等：

（一）圓柱銑刀

（二）立銑刀

（三）硬質合金面銑刀

（四）鍵槽銑刀

（五）三面刃銑刀

（六）鋸片銑刀

（七）角度銑刀

（八）球頭銑刀

二、銑刀的幾何參數

（一）圓柱銑刀的幾何角度   （二）面銑刀的幾何角度

三、銑削特點

（一）銑削用量要素

（二）銑削用量選擇

（三）順銑與逆銑

用銑刀圓周上的切削刃來銑削工件的平面，叫做周銑法。

它有兩種銑削方式：

   (1) 逆銑法：銑刀的旋轉切入方向和工件的進給方向相反(逆向)。

　

   (2) 順銑法：銑刀的旋轉切入方向和工件的進給方向相同(順向)。

順銑法切入時的切削厚度最大，然後逐漸減小到零 ，因而避免了在已加工表面的冷硬層上滑走過程。實踐表明，順銑法可以提高銑刀耐用度2～3倍，工件的表面粗糙度值可以降低些，尤其在銑削難加工材料時，效果更為顯著。

逆銑時，每齒所產生的水平分力均與進給方向相反，使銑刀工作台的絲杠與螺母在左側始終接觸。而順銑時，水平分力與進給方向相同，銑削過程中切削麵積也是變化的，因此，水平分力也是忽大忽小的，由於進給絲桿和螺母之間不可避免地有一定間隙，故當水平分力超過銑床工作台摩擦力時，使工作台帶動絲桿向左竄動，絲桿與螺母傳動右側出現間隙，造成工作台顫動和進給不均勻，嚴重時會使銑刀崩刃。

此外，在進行順銑時，遇到加工表面有硬皮，也會加速刀齒磨損。在逆銑時工作台不會發生竄動現象，銑削較平穩，但在逆銑時，刀齒在加工表面上擠壓、滑行，切不下切屑，使已加工表面產生嚴重冷硬層。

一般情況下，尤其是粗加工或是加工有硬皮的毛坯時，多採用逆銑。精加工時，加工余量小，銑削力小，不易引起工作台竄動，可採用順銑。

第四節 其它刀具

一、螺紋刀具

在各種傳動機構、緊固件和測量工具等很多方面，都廣泛應用螺紋。根據螺紋的形狀、表面粗糙度、公差等級和生產批量的不同，其加工方法及所採用的刀具也各不相同。

按加工螺紋的方法，螺紋刀具可分為以下幾類。

（一）螺紋車刀

它的結構簡單，通用性好，可以用來加工各種尺寸、形狀的內、外螺紋。螺紋車刀生產效率低，加工質量主要決定於工人技術水平、機床精度和刀具本身的製造精度，適用於單件小批生產。

（二）螺紋梳刀

用這種刀具加工多頭螺紋時，一次走刀便能成形，生產率高，但製造較為困難。螺紋梳刀實質上是多齒的螺紋車刀，一般有6～8個齒，分為切削與校準兩部分。  

（三）絲錐和板牙

絲錐和板牙主要用於加工直徑1～52mm的圓柱形及圓錐形內、外螺紋，可以手工操作或在車床和鑽床上使用。絲錐用於加工內螺紋，板牙只能用來加工低精度的外螺紋。因結構簡單、製造使用方便，故中小批生產中應用甚廣。

（四）螺紋銑刀

用於加工圓柱形及圓錐形內、外螺紋，生產率高，特別適合於加工直徑較大的螺紋。常見的螺紋銑刀有盤形銑刀和梳形銑刀。多用於螺紋的粗加工，有較高的生產率。

（五）螺紋砂輪

用砂輪磨削螺紋，公差等級達IT5～IT6，表面粗糙度達6.3～R_a0.8。

（六）螺紋滾壓工具

這是利用金屬塑性變形的方法來加工螺紋的。滾壓螺紋的生產率極高，公差等級達IT5～IT6，1.6～R_a0.25。

二、拉刀

拉刀是一種高生產率、高精度度多刃刀具，拉削時，拉刀作等直線運動，由於拉刀的后一個刀齒高出前一個刀齒（簡稱：齒升量），因此能夠依次從工件表面上切下很薄的金屬層，經一次行程后，切除全部余量，並能達到IT8～IT７公差等級，粗糙度可達0.5～0.8μm。

　

拉刀的使用壽命長，但結構複雜，製造成本高。

主要在成批、大量生產中用它對各種形狀的通孔、通槽和外表面加工。

（一）拉刀的類型

1．按加工表面不同，可分為內拉刀和外拉刀。前者用於加工如圓孔、方孔、花鍵孔等內表面，後者用於加工平面、成形面等外表面。

2．按拉刀工作時受力方向的不同，可分為拉刀和推刀。

3．按拉刀的結構可分為整體式和組合式。整體式主要用於中、小型尺寸的高速鋼拉刀；組合式主要用於大尺寸拉刀和硬質合金組合拉刀。

（二）拉刀的結構

各種拉刀的外形和構造雖然有所不同，但其組成部分和基本結構是相似的。

   （三）刀齒幾何參數

 

 

三、齒輪刀具

（一）齒輪刀具類型

齒輪刀具是用於切削齒輪齒形的刀具，此類刀具結構複雜，種類繁多。按其工作原理，可分為成形法刀具和展成法刀具兩大類。

１．成形法齒輪刀具

成形法齒輪刀具的切削刃的輪廓與被加工齒輪槽廓形相同或相似，通常適用於加工直齒圓柱齒輪、斜齒齒條等。常用的成形齒輪刀具有：盤形齒輪銑刀、指狀齒輪銑刀等。這類銑刀結構簡單，製造容易，可在普通銑床上使用。但是加工精度和效率較低，主要用於單件、小批量生產和修配。

２．展成法齒輪刀具

這類刀具是利用齒輪的嚙合原理來加工齒輪的。加工時，刀具本身就相當於一個齒輪，它與被切齒輪作無側隙嚙合，工件齒形由刀具切削刃在展成過程中逐漸切削包絡而成。因此，刀具的齒形不同於被加工齒輪的齒槽形狀。常用的展成法齒輪刀具有：滾齒刀、插齒刀、剃齒刀等。

（二）插齒刀     

插齒刀可以加工直齒輪、斜齒輪、內齒輪、塔形齒輪、人字齒輪和齒條等，是一種應用很廣泛的齒輪刀具。

（三）齒輪滾刀

齒輪滾刀是加工直齒和螺旋圓柱齒輪常用的一種刀具。它的加工範圍很廣，規模從0.1-40mm的齒輪，均可使用滾刀加工。同一把齒輪滾刀可以加工模數、壓力角相同而齒數不同的齒輪。

齒輪滾刀是利用螺旋齒輪嚙合原理來加工齒輪的。在加工過程中，滾刀相當於一個螺旋角很大的斜齒圓柱齒輪，與被加工齒件作空間嚙合，滾刀的刀齒就將齒輪齒形逐漸包絡出來。

四、砂輪及其用途

磨削是目前半精加工和精加工的主要加工方法之一，砂輪則是磨削加工中重要刀具，砂輪一般安裝在平面磨床、外圓磨床和內圓磨床上使用，也可安裝在砂輪機上刃磨刀具。

根據不同的用途、磨削方式和磨床類型，砂輪被製成各種形狀和尺寸，常用的砂輪有平形砂輪、筒形砂輪、雙斜邊砂輪、杯形砂輪、碗形砂輪、碟形砂輪等。

（一）砂輪的構造

砂輪是由結合劑將磨料顆粒粘結而成的多孔體。

1.磨料

2.粒度

3.結合劑

4.硬度

5.組織號

（二）砂輪要素的選擇

（1）磨削硬材料，應選擇軟的、粒度號大的砂輪。磨削軟材料，應選擇硬的、粒度號小的、組織號大的砂輪。這樣砂輪損耗小，也不易堵塞。?

　

（2）粗磨時為了提高生產率要選擇粒度號小，軟的砂輪。精度時為了提高工件表面質量要選擇粒度號大、硬的砂輪。

（3）大面積磨削或薄壁件磨削時應選擇粒度號小、組織號大、軟的砂輪。這樣砂輪不易堵塞，工件表面不易燒傷，工件也不易變形。

（4）成形磨削選擇粒度號大、組織號小、硬的砂輪，以保持砂輪的廓形。

　

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