機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第1章金屬切削基礎(chǔ)金屬切削加工是在機(jī)床上利用切削工具從工件上切除多余金屬材料，從而獲得具有一定形狀精度、尺寸精度、位置精度和表面質(zhì)量的機(jī)械零件，是機(jī)械加工的基本方法。本章主要講述金屬切削過程的基本知識，刀具的幾何參數(shù)、刀具材料及常用刀具，對切削過程中的切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及有關(guān)刀具的磨損與刀具壽命、卷屑與斷屑等現(xiàn)象進(jìn)行研究，揭示其內(nèi)在的機(jī)理，探索和掌握金屬切削過程的基本規(guī)律。1.1金屬切削刀具1.2常用刀具簡介1.3金屬切削過程及其物理現(xiàn)象1.4切削力、切削熱與切削溫度1.5刀具磨損與刀具耐用度1.6金屬切削條件的合理選擇1.7磨削原理1.1金屬切削刀具1.1.1切削運(yùn)動與切削用量1.切削運(yùn)動金屬切削加工時，刀具與工件之間的相對運(yùn)動稱為切削運(yùn)動，即表面成形運(yùn)動。切削運(yùn)動按其作用可分為主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。1）主運(yùn)動

使零件與刀具之間產(chǎn)生相對運(yùn)動以進(jìn)行切削的最基本運(yùn)動，稱為主運(yùn)動。在切削過程中，主運(yùn)動只有一個，且速度最高，所消耗的功率最大。例如，車床上工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，牛頭刨床上刨刀的直線往復(fù)運(yùn)動，如圖1.1的v。2）進(jìn)給運(yùn)動

多余材料不斷投入切削，從而逐漸切削出整個零件表面的運(yùn)動，稱為進(jìn)給運(yùn)動。進(jìn)給運(yùn)動一般速度較低，消耗的功率較少，可以有一個或多個。它可以是連續(xù)的，也可以是間斷的。例如：車外圓時車刀縱向連續(xù)的直線運(yùn)動，在牛頭刨床上刨平面時工件橫向間斷的直線移動，如圖1.1中的vf。

(a)車外圓(b)刨平面圖1.1切削運(yùn)動與切削表面

三個加工表面待加工表面：工件上即將被切除的表面，如圖1.1所示。已加工表面：工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的新表面。過渡表面（加工表面）：工件上由切削刃正在切削著的表面，位于待加工表面和已加工表面之間，也稱作加工表面或切削表面。需指出的是：在切削加工過程中，三個表面始終處于不斷的變動之中：前一次走刀的已加工表面，即為后一次走刀的待加工表面；過渡表面則隨進(jìn)給運(yùn)動的進(jìn)行不斷被刀具切除。

3.切削要素切削要素主要指切削過程的切削用量要素和在切削過程中由余量變成切屑的切削層參數(shù)。

1）切削用量在生產(chǎn)中，將切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量統(tǒng)稱為切削用量，又稱為切削用量三要素。車削外圓時的切削用量如圖1.2所示。圖1.2切削用量與切削層參數(shù)

（1）切削速度v在單位時間內(nèi)，刀具和工件在主運(yùn)動方向的相對位移，單位為m/s。由于切削刃上各點的切削速度可能是不同的，計算時常用最大切削速度代表刀具的切削速度。當(dāng)主運(yùn)動是回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，則其切削速度為：（1-2）若主運(yùn)動是往復(fù)直線運(yùn)動時，則常用其平均速度作為切削速度，即（1-3）

（2）進(jìn)給量f進(jìn)給量表示進(jìn)給運(yùn)動的速度。當(dāng)主運(yùn)動是回轉(zhuǎn)運(yùn)動（如車削、鏜削）時，單位為mm/r；當(dāng)主運(yùn)動是直線運(yùn)動（如刨削、磨削）時，單位為mm/行程；對于多齒的旋轉(zhuǎn)刀具（如銑刀、切齒刀），常用每齒進(jìn)給量，單位為mm/z，它與進(jìn)給量f的關(guān)系為

（1-4）在切削加工中，也有用進(jìn)給速度來表示進(jìn)給運(yùn)動的。所謂進(jìn)給速度是指切削刃上選定點相對于工件的進(jìn)給運(yùn)動速度，其單位為mm/min。

（1-5）銑削時進(jìn)給速度為（1-6）

（3）背吃刀量又稱為切削深度。對于外圓車削，背吃刀量為工件上待加工表面與已加工表面間的垂直距離，單位為mm。由圖1.2可知

（1-7）2）切削層參數(shù)切削層是指零件上正被切削刃切削的一層金屬，即兩個相鄰加工表面間的那層金屬。對于外圓車削，即零件轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，主切削刃移動一個進(jìn)給量f所切除的金屬層，如圖1.2所示。切削層參數(shù)包括切削層公稱厚度、切削層公稱寬度和切削層公稱橫截面積，切削層的大小反映了切削刃所受載荷的大小，直接影響到加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具的磨損等。圖1.2切削用量與切削層參數(shù)1.切削層公稱厚度在過渡表面法線方向測量的切削層尺寸，即相鄰兩過渡表面之間的距離。它反映了切削刃單位長度上的切削負(fù)荷。外圓車削時（1-8）2.切削層公稱寬度沿過渡表面測量的切削層尺寸，它反映了參加切削的切削刃長度。（1-9）3.切削層公稱橫截面積在切削層參數(shù)平面內(nèi)度量的橫截面面積，即切削層公稱厚度與切削層公稱寬度的乘積。

（1-10）2）切削層參數(shù)1.1.2刀具的角度刀具上承擔(dān)切削工作的部分稱為刀具的切削部分，金屬切削刀具的種類雖然很多，但它們在切削部分的幾何形狀與參數(shù)方面卻有著共性的內(nèi)容，不論刀具構(gòu)造如何復(fù)雜，它們的切削部分總是近似地以外圓車刀切削部分為基本形態(tài)的。1.刀具切削部分的組成外圓車刀是最基本、最典型的刀具，其切削部分（又稱刀頭）由六個基本結(jié)構(gòu)要素構(gòu)造而成：1）前刀面（又稱前面）刀具上與切屑接觸并相互作用的表面，即切屑流過的表面。2）主后刀面（又稱主后面或后面）與工件上過渡表面相對的刀具表面。3）副后刀面（又稱副后面）與工件上已加工表面相對的刀具表面。圖1.3車刀的的組成1.刀具切削部分的組成4）主切削刃前刀面與主后刀面的交線，它承擔(dān)主要切削工作。5）副切削刃前刀面與副后刀面的交線，它協(xié)同主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。6）刀尖連接主切削刃和副切削刃的一段切削刃，它可以是小的直線段或圓弧。圖1.3車刀的的組成2.刀具標(biāo)注角度的參考系刀具要從工件上切除材料，就必須具有一定的切削角度。切削角度決定了刀具切削部分各表面之間的相對位置。而要確定它們的空間位置，就應(yīng)當(dāng)建立假想的參考平面坐標(biāo)系，稱為刀具標(biāo)注角度的參考系，如圖1.4所示。該參考系是由三個互相垂直的平面組成。圖1.4刀具標(biāo)注角度的參考系2.刀具標(biāo)注角度的參考系（1）基面通過主切削刃上某一指定點，并與該點切削速度方向相垂直的平面。（2）切削平面通過主切削刃上某一指定點，與主切削刃相切并垂直于該點基面的平面。（3）正交平面（又稱主剖面）通過主切削刃上某一指定點，同時垂直于該點基面和切削平面的平面。圖1.4刀具標(biāo)注角度的參考系3.刀具的標(biāo)注角度1）前角在正交平面內(nèi)測量的前刀面和基面之間的夾角。前角表示前刀面的傾斜程度，有正、負(fù)和零值之分，前刀面在基面之下時前角為正值，前刀面在基面之上時前角為負(fù)值。2）后角在正交平面內(nèi)測量的主后刀面與切削平面之間的夾角。后角表示主后刀面的傾斜程度，一般為正值。3）主偏角在基面內(nèi)測量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角，。主偏角一般為正值。圖1.5車刀的標(biāo)注角度3.刀具的標(biāo)注角度4）副偏角在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動反方向的夾角，副偏角一般為正值。5）刃傾角在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面之間的夾角。在主切削刃上，刀尖為最高點時刃傾角為正值，刀尖為最低點時刃傾角為負(fù)值。主切削刃與基面平行時，刃傾角為零。圖1.5車刀的標(biāo)注角度4.刀具的工作角度在實際的切削加工中，由于刀具安裝位置和進(jìn)給運(yùn)動的影響，刀具的標(biāo)注角度會發(fā)生變化，其原因是切削平面、基面和正交平面位置會發(fā)生變化。以切削過程中實際的基面、切削平面和正交平面為參考平面所確定的刀具角度稱為刀具的工作角度，又稱實際角度。1）橫向進(jìn)給運(yùn)動對工作角度的影響工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀橫向移離f，切削刃選定點相對于工件的運(yùn)動軌跡為一阿基米德螺旋線。因此切削速度由變成合成切削速度，基面由水平位置變至工作基面，切削平面由鉛垂位置變至工作切削平面，從而引起刀具的前角和后角發(fā)生變化：圖1.6橫向進(jìn)給運(yùn)動對工作角度的影響2）縱向進(jìn)給運(yùn)動對工作角度的影響進(jìn)給平面內(nèi)（1-12）正交平面內(nèi)

（1-13）3）刀尖安裝高低對工作角度的影響1.刀尖高于工件軸線2.刀尖高于工件軸線圖1.8刀尖安裝高低對工作角度的影響4）刀桿中心線安裝偏斜對工作角度的影響當(dāng)?shù)稐U中心線與進(jìn)給方向不垂直時，工作主偏角和工作副偏角將發(fā)生變化。圖1.9刀桿中心線安裝偏斜對工作角度的影響1.1.3刀具材料1.刀具材料應(yīng)具備的性能1）高足夠的硬度

硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本性能。要從工件上切除多余的金屬，刀具材料硬度必須高于工件材料的硬度，常溫硬度一般須在60HRC以上。2）高的耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨損的能力，它是刀具材料力學(xué)性能、組織性能和化學(xué)性能的綜合反映。一般來說，刀具材料硬度越高，則耐磨性越好；材料中碳化物和氮化物等硬質(zhì)點的硬度越高，顆粒越小，數(shù)量越多且分布越均勻，則耐磨性越高。1.刀具材料應(yīng)具備的性能3）足夠的強(qiáng)度和韌性

切削時刀具要承受較大的切削力、沖擊和振動，為避免崩刃和折斷，刀具材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。材料的強(qiáng)度和韌性通常用抗彎強(qiáng)度和沖擊值表示。4）高的耐熱性

耐熱性是指刀具材料在高溫下仍能保持其硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的能力。通常把材料在高溫下仍保持高硬度的能力稱為熱硬性(亦稱為高溫硬度、紅硬性)，它是刀具材料保持切削性能的必備條件。刀具材料的高溫硬度越高，耐熱性越好，允許的切削速度越高。5）良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能要求刀具的導(dǎo)熱性要好，不會因受到大的熱沖擊，產(chǎn)生刀具內(nèi)部裂紋而導(dǎo)致刀具斷裂。2.常用刀具材料1）高速鋼高速鋼是富含鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2A1等。在工廠中常稱為白鋼或鋒鋼。耐熱性很高，在切削溫度高達(dá)500℃～650℃時，仍能保持60HRC的高硬度正常切削，因此許用切削速度為30m/min～50m/min，是碳素工具鋼的1~3倍，提高刀具使用壽命10～40倍甚至更多。同時，高速鋼還具有較高的耐磨性以及較高的強(qiáng)度和韌性，抗彎強(qiáng)度為一般硬質(zhì)合金的3～5倍，沖擊韌性是硬質(zhì)合金的6～10倍。高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質(zhì)合金好得多，因此到目前為止，高速鋼仍是世界各國制造復(fù)雜、精密和成形刀具的基本材料，是應(yīng)用最廣泛的刀具材料之一。它能鍛造，容易磨出鋒利的刀刃，適宜制造各類切削刀具，尤其在復(fù)雜刀具（鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等）的制造中，高速鋼占有重要的地位。表1-1常用高速鋼的力學(xué)性能和應(yīng)用范圍種類牌號常溫硬度HRC抗彎強(qiáng)度/GPa沖擊韌度/（MJ.m-2）高溫硬度HRC（600℃）主要性能和應(yīng)用范圍普通型高速鋼W18Cr4v（w18）63～663.0～3.40.18～0.3248.5綜合性能和可可磨性好,適于制造精加工刀具和復(fù)雜刀具,如鉆頭、成形車刀、拉刀、齒輪刀具等W6Mo5Cr4V2（M2）63～663.5～4.00.30～0.4047～48強(qiáng)度和韌性高于W18，可磨性稍差，熱塑性好，適于制造熱成形刀具及承受沖擊的刀具高性能高速鋼W2Mo9Cr4VCo8（M42）67～692.7～3.80.23～0.3055硬度高，可磨性好，用于切削高強(qiáng)度鋼、高溫合金等難加工材料，適于制造復(fù)雜刀具等，但價格較貴W6Mo5Cr4V2Al（501）67～692.9～3.90.23～0.3055切削性能相當(dāng)M42，可磨性稍差，用于切削難加工材料，適于制造復(fù)雜刀具等1）高速鋼按用途不同，高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼，按制造工藝方法不同，高速鋼可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。（1）通用型高速鋼通用型高速鋼是切削硬度在250～280HBS以下的大部分結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵的基本刀具材料，應(yīng)用最廣泛。通用型高速鋼的特點是工藝性能好，具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性?？捎糜谥圃旄鞣N刃形復(fù)雜的刀具。切削普通鋼料時的切削速度通常不高于40m/min～60m/min。通用型高速鋼又分為鎢鋼和鎢鉬鋼兩類，常用牌號分別如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。（2）高性能高速鋼高性能高速鋼是在通用型高速鋼成分中再添加一些C、V、Co、Al等合金元素，進(jìn)一步提高耐熱性能和耐磨性。這類高速鋼刀具的耐用度為普通高速鋼的1.5～3倍，適用于加工不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。（3）粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼是將熔煉的高速鋼液用高壓惰性氣體霧化成細(xì)小粉末，將粉末在高溫高壓下制成刀坯，或壓制成鋼坯然后經(jīng)軋制(或鍛造)成材的一種刀具材料。粉末冶金高速鋼具有很多優(yōu)點：有良好的力學(xué)性能和可磨削性；淬火變形只有熔煉鋼的1/3～1/2；耐磨性可提高20％～30％；質(zhì)量穩(wěn)定可靠。它適于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具，特別適于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具，如滾刀、插齒刀等。1）高速鋼2）硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物（WC、TiC等）和金屬粘結(jié)劑（Co、Ni等）在高溫條件下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的常溫硬度達(dá)89～93HRA，能耐800～1000℃的高溫，因此耐磨、耐熱性好，許用切削速度是高速鋼的6倍，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，可加工包括淬硬鋼在內(nèi)的多種材料。但硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性比高速鋼差，常溫下的沖擊韌性僅為高速鋼的1/8～1/30，因此，硬質(zhì)合金承受切削振動和沖擊的能力較差。此外，由于硬質(zhì)合金的常溫硬度很高，除磨削外，很難采用切削加工方法制造出復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，故可加工性差。硬質(zhì)合金由于切削性能優(yōu)良，因此被廣泛用作刀具材料。多大多數(shù)的車刀和端銑刀都采用硬質(zhì)合金制造，深孔鉆、鉸刀等刀具也廣泛采用的硬質(zhì)合金，就連一些復(fù)雜負(fù)責(zé)刀具如拉刀、齒輪滾刀（特別是整體小模數(shù)硬質(zhì)合金滾刀和加工淬硬齒面的滾刀）也都采用了硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金常用于制造形狀簡單的高速切削刀片，精焊接或機(jī)械夾固在車刀、刨刀、面銑刀、鉆頭等刀體上使用。ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）把切削用硬質(zhì)合金分為三類：P類、K類和M類。表1-2列出了幾種常用的硬質(zhì)合金的牌號、性能及其使用范圍。2）硬質(zhì)合金P類（相當(dāng)于我國YT類）硬質(zhì)合金由WC、TiC和Co組成，也稱鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。這類合金主要用于加工鋼料。常用牌號有YT5（TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％）、YTl5（TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％）等，隨著TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)減少，硬度及耐磨性增高，抗彎強(qiáng)度下降。此類硬質(zhì)合金不宜加工不銹鋼和鈦合金。K類（相當(dāng)于我國YG類）硬質(zhì)合金由WC和Co組成，也稱鎢鈷類硬質(zhì)合金。這類合金主要用來加工鑄鐵、有色金屬及其合金。常用牌號有YG6（鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％）、YG8（鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％）等，隨著鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，硬度和耐磨性下降，抗彎強(qiáng)度和韌性增高。M類（相當(dāng)于我國YW類）硬質(zhì)合金是在WC、TiC、Co的基礎(chǔ)上再加入TaC（或NbC）而成。加入TaC（或NbC）后，改善了硬質(zhì)合金的綜合性能。這類硬質(zhì)合金既可以加工鑄鐵和有色金屬，又可以加工鋼料，還可以加工高溫合金和不銹鋼等難加工材料，有通用硬質(zhì)合金之稱。常用牌號有YWl和YW2等。表1-2幾種常用的硬質(zhì)合金的牌號、性能及其使用范圍類型牌號物理力學(xué)性能使用性能使用范圍相當(dāng)ISO牌號硬度（HRA）抗彎強(qiáng)度/GPa耐磨耐沖擊耐熱材料加工性質(zhì)K類YG3911.08↑↓↑鑄鐵，有色金屬連續(xù)切削時精、半精加工K05YG6X911.37鑄鐵，耐熱合金精加工、半精加工K10YG689.51.42鑄鐵，有色金屬連續(xù)切削粗加工，間斷切削半精加工K20YG8891.47鑄鐵，有色金屬間斷切削粗加工K30P類YT589.51.37↓↑↓鋼粗加工P30YT1490.51.25鋼間斷切削半精加工P20YT15911.13鋼連續(xù)切削粗加工，間斷切削半精加工P10M類YW1921.28較好較好難加工鋼材精加工、半精加工M10YW2911.47好難加工鋼材半精加工、粗加工M203）新型刀具材料（1）陶瓷材料陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成的。刀具常用的陶瓷有純Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷兩種。它硬度可達(dá)到91～95HBA，耐磨性好，耐熱溫度可達(dá)1200℃（此時硬度為80HRA），它的化學(xué)穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，但它的抗彎強(qiáng)度很低，僅有0.7～0.9GPa。故陶瓷刀具一般用于高硬度材料的精加工。（2）人造金剛石它是碳的同素異形體，是通過合金觸媒的作用在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成。人造金剛石的硬度很高，其顯微硬度可達(dá)10000HV，是除天然金剛石之外最硬的物資，它的耐磨性極好，與金屬的摩擦系數(shù)很??；但它的耐熱溫度較低，在700～8000℃時易脫碳，失去其硬度；它與鐵族金屬親合作用大，故人造金剛石多用于對有色金屬及非金屬材料的超精加工以及作磨具磨料用。3）新型刀具材料（3）立方氮化硼(CBN)

它是由六方氮化硼經(jīng)高溫高壓轉(zhuǎn)變而成。其硬度僅次于人造金剛石達(dá)到8000～9000HV，它的耐熱溫度可達(dá)1400C°，化學(xué)穩(wěn)定性很好，可磨削性能也較好，但它的焊接性能差些，抗彎強(qiáng)度略低于硬質(zhì)合金。立方氮化硼作為一種新型超硬磨料和刀具材料，用于加工加工高溫合金、淬火鋼和冷硬鑄鐵等難加工材料。（4）涂層刀具為提高高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具的耐磨性和使用壽命，近年來研究開發(fā)一種稱之為涂層刀具的技術(shù)。涂層刀具是在高速鋼或硬質(zhì)合金基體上，采用CVD法（化學(xué)氣相沉積法）或PVD法（物理氣相沉積法）等方法，涂覆一層難熔金屬化合物，如TiC、TiN、Al2O3等。涂層刀具表面硬度高、耐磨性好，其基體又有良好的抗彎強(qiáng)度和韌性。涂層硬質(zhì)合金刀片的壽命可提高1～3倍以上，涂層高速鋼刀具的壽命可提高1.5～10倍以上。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，涂層刀具的應(yīng)用會越來越廣泛。1.2常用刀具簡介刀具按加工方式和具體用途可分為以下幾種類型：1）車刀類包括車刀、刨刀、插刀、鏜刀、成形車刀、自動機(jī)床和半自動機(jī)床用的切刀以及一些專用切刀。2）銑刀類用于在銑床上加工各種平面、側(cè)面、臺階面、成形表面以及用于切斷、切槽等。3）孔加工刀具包括從實體材料上加工孔以及對已有孔進(jìn)行再加工所用的刀具。如各種鉆頭、擴(kuò)孔鉆、锪鉆、鉸刀、復(fù)合孔加工刀具等。4）拉刀類用于加工各種形狀的通孔、貫通平面及成形表面等，是高生產(chǎn)率的多齒刀具，一般用于大批量生產(chǎn)。5）螺紋刀具用于加工各種內(nèi)外螺紋，如螺紋車刀、螺紋梳刀、絲錐、板牙、螺紋銑刀、螺紋切頭、滾絲輪、搓絲板等。6）齒輪刀具用于加工各種漸開線齒輪和其他非漸開線齒形的工件，如齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、蝸輪滾刀、花鍵滾刀等。1.2.1車刀車刀結(jié)構(gòu)簡單，是金屬切削加工中應(yīng)用最為廣泛的一種刀具。按用途不同，車刀可分為外圓車刀、端面車刀、內(nèi)孔車刀及切斷刀等。圖1.10車刀的類型與用途1.車刀的結(jié)構(gòu)車刀在結(jié)構(gòu)上可分為整體式、焊接式和機(jī)械夾固刀片的車刀。機(jī)械夾固刀片的車刀又分為機(jī)夾車刀和可轉(zhuǎn)位車刀。圖1.11車刀的結(jié)構(gòu)

a）整體式b）焊接式c）機(jī)夾式d）可轉(zhuǎn)位車刀

機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀與普通機(jī)夾車刀的不同點在于刀片為多邊形，每一邊都可作切削刃，當(dāng)一個刀刃用鈍后，只需將刀片轉(zhuǎn)位、重新夾固，即可使新的刀刃投入工作，當(dāng)所有刀刃都用鈍后，即可更換新刀片。

硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片圖1.13硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片a）三角形b）偏8°三角形c）凸三角形d）正方形e）五角形f）圓形1.2.2孔加工刀具1.麻花鉆麻花鉆是應(yīng)用最廣泛的孔加工刀具，特別適合于Ф30㎜以下的孔的粗加工，有時也可用于擴(kuò)孔。麻花鉆直徑規(guī)格為Ф0.1～80mm。用高速鋼麻花鉆加工的孔精度可達(dá)IT11~IT13，表面粗糙度Ra可達(dá)25~6.3μm；用硬質(zhì)合金鉆頭加工時則分別可達(dá)IT10~IT11和Ra12.5~3.2μm。

1）麻花鉆的結(jié)構(gòu)柄部——是鉆頭的夾持部分，并用來傳遞扭矩頸部——供制造時磨削柄部退砂輪用，也是鉆頭打標(biāo)記的地方工作部分——包括切削部分和導(dǎo)向部分，切削部分擔(dān)負(fù)著主要切削工作，鉆頭有兩條主切削刃、兩條副切削刃和一條橫刃。圖1.14標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的結(jié)構(gòu)

2）麻花鉆的主要幾何參數(shù)螺旋角β——鉆頭的外緣表面與螺旋槽的交線為螺旋線，該外緣螺旋線展開成直線后與鉆頭軸線的夾角為鉆頭的螺旋角，用β表示鉆頭。由于螺旋槽上各點的導(dǎo)程相同，因而麻花鉆主切削刃上不同半徑處的螺旋角不同，即從外緣到鉆心逐漸減小。頂角2φ與主偏角kr——鉆頭的頂角為兩主切削刃在與其平行的平面上的投影之間的夾角，標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆的頂角2φ一般為118°主偏角kr

——是主切削刃在基面內(nèi)的投影與進(jìn)給方向之間的夾角。橫刃斜角——橫刃是兩個主后刀面的交線，如圖1.14所示，在端面投影上，橫刃與主切削刃之間的夾角為橫刃斜角，它是刃磨后刀面時形成的。標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆的橫刃斜角。2.擴(kuò)孔鉆擴(kuò)孔鉆是對工件已有孔進(jìn)行再加工，以擴(kuò)大孔徑和提高加工質(zhì)量的加工工具。擴(kuò)孔鉆的刀齒一般有3～4個，故導(dǎo)向性好，切削平穩(wěn)；由于擴(kuò)孔余量較小，容屑槽較淺，刀體強(qiáng)度和剛性較好；擴(kuò)孔鉆沒有橫刃，改善了切削條件。因此，大大提高了切削效率和加工質(zhì)量。一般加工精度可達(dá)IT10~IT11，表面粗糙度Ra可達(dá)6.3~3.2μm。

擴(kuò)孔鉆的主要類型有高速鋼整體式（圖1.16a）、和鑲齒套式（圖1.16b）及硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位式（圖1.16c）等。整體式擴(kuò)孔鉆的擴(kuò)孔范圍為Φ10～Φ32mm；套式擴(kuò)孔鉆的擴(kuò)孔范圍為中Φ25～80mm。圖1.16擴(kuò)孔鉆3.锪鉆锪鉆用于在孔的端面上加工各種沉頭孔或凸臺表面，如圖1.17所示。锪鉆上的定位導(dǎo)柱，是用來保證被锪孔或端面與原來孔的同軸度或垂直度。（a）帶導(dǎo)柱平底锪鉆（b）錐面锪鉆（c）端面锪鉆圖1.17锪鉆的類型4.鉸刀鉸刀是孔的精加工刀具，也可用于高精度孔的半精加工。由于加工余量小，齒數(shù)多，加工精度可達(dá)IT6~IT8，表面粗糙度Ra可達(dá)1.6~0.2μm。根據(jù)使用方式，鉸刀一般分為手用鉸刀及機(jī)用鉸刀兩種，圖1.18是幾種常見的鉸刀。機(jī)用鉸刀可分為帶柄的和套式的，一般加工直徑為Φ1～20mm用直柄，加工直徑為Φ10～32mm用錐柄。手用鉸刀柄部為直柄，工作部分較長，導(dǎo)向作用較好。手用鉸刀的加工直徑范圍一般為Φ1～50mm。鉸刀形式有直槽式和螺旋槽式兩種。根據(jù)加工類型鉸刀可分為圓形鉸刀和錐度鉸刀。

圖1.18鉸刀

鉸刀的類型

鉸刀的結(jié)構(gòu)鉸刀的結(jié)構(gòu)由工作部分、頸部及柄部組成，如圖1.19所示。工作部分包括切削部分與校準(zhǔn)（修光）部分，切削部分呈錐形，擔(dān)負(fù)主要的切削工作，修光部分用于校準(zhǔn)孔徑、修光孔壁和導(dǎo)向。圖1.19鉸刀的結(jié)構(gòu)5.鏜刀鏜刀是一種很常見的擴(kuò)孔用刀具，在許多機(jī)床上都可以用鏜刀鏜孔，如車床、銑床、鏜床以及組合機(jī)床等。鏜孔的加工精度可達(dá)IT6~IT8，表面粗糙度Ra可達(dá)6.3~0.8μm。常用于較大直徑的孔的粗加工、半精加工和精加工，特別是對于大直徑的孔，鏜刀幾乎是唯一的刀具。鏜刀的種類很多，一般可分為單刃鏜刀與多刃鏜刀兩大類。

1）單刃鏜刀單刃鏜刀如圖1.20所示，只有一個主切削刃，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，通用性好，但剛性差。單刃鏜刀一般均有尺寸調(diào)節(jié)裝置。在精鏜機(jī)床上常采用微調(diào)鏜刀以提高調(diào)整精度，如圖1.21所示。圖1.20單刃鏜刀圖1.21微調(diào)鏜刀

1—刀片2—鏜桿3—導(dǎo)向鍵

4—緊固螺釘5—精調(diào)螺母6—刀塊

2）雙刃鏜刀雙刃鏜刀兩邊都有切削刃，工作時可以消除徑向力對鏜桿的影響，工件的孔徑尺寸與精度由鏜刀徑向尺寸保證。鏜刀上的兩個刀片徑向可以調(diào)整，因此，可以加工一定尺寸范圍的孔。雙刃鏜刀多采用浮動連接結(jié)構(gòu)，鏜刀片插在鏜桿的槽中，依靠作用在兩個切削刃上的徑向力自動平衡其位置，刀片不緊固在刀桿上，可以浮動并自動定心，可消除因鏜刀安裝誤差或鏜桿偏擺引起的加工誤差。但雙刃鏜刀不能校正孔的直線度誤差和孔的位置偏差。雙刃浮動鏜應(yīng)在單刃鏜之后進(jìn)行。

2）雙刃鏜刀圖1.22雙刃鏜刀

1.2.3銑刀

銑刀是一種應(yīng)用廣泛的多齒旋轉(zhuǎn)刀具。銑刀種類很多，按其用途可分為加工平面用銑刀（如圓柱銑刀、面銑刀）、加工溝槽用銑刀（如立銑刀、兩面刃或三面刃銑刀、鋸片銑刀、鍵槽銑刀等）、加工成形面用銑刀（如成形銑刀、指狀銑刀、模具銑刀等）等三大類。1.圓柱銑刀主要用于臥式銑床上加工寬度小于銑刀長度的狹長平面。它一般都是用高速鋼制成整體的，螺旋形切削刃分布在圓柱表面上，沒有副切削刃，螺旋形的刀齒切削時是逐漸切入和脫離工件的，所以切削過程較平穩(wěn)。銑刀外徑較大時，常制成鑲齒的。圖1.22圓柱銑刀a）整體式b）鑲齒式2.面銑刀又稱端銑刀，主切削刃分布在圓柱或圓錐表面上，端面切削刃為副切削刃，銑刀的軸線垂直于被加工表面。主要用在立式銑床或臥式銑床上加工臺階面和平面，特別適合較大平面的加工。加工表面粗糙度值小，因此可以用較大的切削用量，生產(chǎn)率較高，應(yīng)用廣泛。圖1.23面銑刀a）整體式刀片b）鑲焊接式硬質(zhì)合金刀片c）機(jī)械夾固式可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片1—不重磨可轉(zhuǎn)位夾具2—定位座3—定位座夾具4—刀片夾具3.立銑刀立銑刀如圖1.24所示，一般由3～4個刀齒組成，圓柱面上的切削刃是主切削刃，端面上分布著副切削刃，工作時不宜能沿銑刀軸線方向作進(jìn)給運(yùn)動。它主要用于加工平面、凹槽，臺階面。

圖1.24立銑刀

4.鍵槽銑刀

鍵槽銑刀如圖1.25所示。它的外形與立銑刀和鉆頭相似，在圓周上有兩個螺旋刀齒，其端面刀齒的刀刃延伸至中心，因此可以用軸向進(jìn)給對毛坯鉆孔，然后沿鍵槽方向運(yùn)動銑出鍵槽全長。

圖1.25鍵槽銑刀5.盤銑刀又稱三面刃銑刀，如圖1.26所示，可分為直齒三面刃和錯齒三面刃。它主要用在臥式銑床上加工臺階面和一端或兩端貫穿的淺溝槽。三面刃銑刀除圓周具有主切削刃外，兩側(cè)面也有副切削刃對加工側(cè)面起修光作用，從而改善了切削條件，提高了切削效率，減小了表面粗糙度值。圖1.26三面刃銑刀a）直齒b）交錯齒c）鑲齒6.成形銑刀

成形銑刀是在銑床上用于加工成形表面的刀具，其刀齒廓形要根據(jù)被加工工件的廓形來確定。如圖1.27（a)所示，用成形銑刀可在通用的銑床上加工復(fù)雜形狀的表面，并獲得較高的精度和表面質(zhì)量，生產(chǎn)率也較高。7.鋸片銑刀如圖1.27（e）所示，鋸片銑刀用于切削狹槽或切斷，它與切斷車刀類似，對刀具幾何參數(shù)的合理性要求較高。8.其它銑刀除了上面介紹的銑刀外，還有T形槽銑刀、燕尾槽銑刀、模具銑刀、仿形銑用的指形銑刀、角度銑刀等，如圖1.27所示。其他銑刀圖1.27其它銑刀a）鋸片銑刀b）模具銑刀c）角度銑刀d）成形銑刀e）T形銑刀f）燕尾槽銑刀g）指狀銑刀1.2.4拉刀拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具。加工精度可達(dá)IT7~IT9，表面粗糙度Ra可達(dá)3.2~0.8μm。拉削時，拉刀做等速直線運(yùn)動，由于后一個（或一組）刀齒高出前一個（或一組）刀齒，從而能夠一層層地從工件上切去金屬，以獲得所要求的工件表面，拉削過程如圖1.28所示。拉刀可以用來加工各種截面形狀的通孔、直線或曲線的外表面。拉刀構(gòu)造比較復(fù)雜，制造成本高，因此一般多用于大批大量生產(chǎn)。圖1.28拉削過程拉刀的結(jié)構(gòu)①前柄部——拉刀的夾持部分，用以傳遞動力。②頸部——拉刀前柄部和過渡錐的連接部分，拉刀的規(guī)格等標(biāo)記一般都打在頸部上。③過渡錐——引導(dǎo)拉刀前導(dǎo)部進(jìn)人工件預(yù)加工孔的錐度部分，起對準(zhǔn)中心的作用。④前導(dǎo)部——引導(dǎo)拉刀切削齒正確地進(jìn)入工件待加工表面的部分。并可檢查拉前孔徑是否太小，以免拉刀第一個刀齒負(fù)荷太重而損壞。⑤切削部——擔(dān)負(fù)切削工作，切除工件上的全部加工余量，它是由粗切齒、過渡齒和精切齒組成，各齒直徑依次遞增。⑥校準(zhǔn)部——具有幾個尺寸形狀相同的齒，起校準(zhǔn)作用，可以提高工件加工精度和表面質(zhì)量，也作為精切齒的儲備齒。⑦后導(dǎo)部——是保證拉刀最后刀齒正確地離開工件的導(dǎo)向部分，以防止拉刀在即將離開工件時，工件下垂而損壞已加工表面和拉刀刀齒。⑧后柄部——當(dāng)拉刀長而重時，拉床的托架或夾頭支撐在后柄部上，防止拉刀下垂而影響加工質(zhì)量，并減輕了裝卸拉刀的勞動強(qiáng)度。圖1.29圓孔拉刀的組成①—前柄部②—頸部③—過渡錐④—前導(dǎo)部

⑤—切削部⑥—校準(zhǔn)部⑦—后導(dǎo)部⑧—后柄部拉刀的結(jié)構(gòu)1.2.5螺紋刀具螺紋的應(yīng)用很廣，加工各種螺紋用的螺紋刀具種類也很多。按加工方法可分為外螺紋刀具和內(nèi)螺紋刀具，前者有螺紋車刀、螺紋梳刀、圓板牙、螺紋銑刀、螺紋切頭等；后者有內(nèi)螺紋車刀、絲錐、螺紋滾壓工具等。形成螺紋的方法有切削法和滾壓法。1．螺紋車刀螺紋車刀是一種廓形簡單的成形車刀?？捎糜诟鞣N內(nèi)、外螺紋。螺紋車刀結(jié)構(gòu)簡單，成本低，加工精度較高，可用于切削精密絲桿等。它的加工尺寸范圍較廣，加工大尺寸螺紋幾乎不受什么限制，通用性好。但它工作時需多次走刀才能切出完整的螺紋廓形，故生產(chǎn)率較低，常應(yīng)用于中、小批量及單件螺紋的加工。2．絲錐絲錐是加工各種內(nèi)螺紋的標(biāo)準(zhǔn)刀具之一，它本質(zhì)上是一帶有縱向容屑槽的螺栓，工作部分由切削錐與校準(zhǔn)部分組成，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，在中、小尺寸的螺紋加工中，應(yīng)用極為廣泛，生產(chǎn)率較高。絲錐的種類很多，按不同用途和結(jié)構(gòu)可分為手用絲錐、機(jī)用絲錐、螺母絲錐、錐形螺紋絲錐、梯形螺紋絲錐等，如圖1.30所示,工作部分由切削錐與校準(zhǔn)部分組成。手用絲錐用手操作，常用于單件小批生產(chǎn)和修配工作。機(jī)用絲錐因其切削速度較高，一般用于成批大量生產(chǎn)中。絲錐的種類

圖1.30常用的幾種絲錐l1——切削部分；l0——校準(zhǔn)部分；l——工作部分3．板牙板牙實質(zhì)上是具有切削角度的螺母，是加工與修整外螺紋的標(biāo)準(zhǔn)刀具，沿軸向鉆有3~8個排屑孔以形成切削刃，并在兩端做有切削錐部。圖1.31圓板牙1.2.6齒輪加工刀具齒輪刀具是用來加工齒輪齒形的刀具。為滿足各種齒輪加工需要，齒輪刀具種類很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其生產(chǎn)批量、質(zhì)量要求和加工方法各不相同，所以齒輪刀具加工方法各不相同，所以種類很多。按照齒輪齒形的形成原理，齒輪刀具可分為成形法齒輪刀具和展成法齒輪刀具兩大類。1.成形齒輪刀具成形法齒輪刀具的齒形與被加工齒輪的齒槽形狀相同。常用的成形齒輪刀具主要有指形齒輪銑刀和盤形齒輪銑刀。指形齒輪銑刀，如圖1.32（a）所示，它是成形立銑刀。切齒過程中工件沿齒向作進(jìn)給運(yùn)動，銑完一個齒后，用分度頭分度銑第二個齒。這種銑刀適合加工人字齒輪及加工大模數(shù)的直齒、斜齒輪。盤形齒輪銑刀，如圖1.32（b）所示，可用于加工直齒或斜齒輪。切齒過程中刀具旋轉(zhuǎn)，沿齒槽方向進(jìn)給，銑完一個齒槽后需分度。由于這種方法的加工精度和生產(chǎn)率都很低，故盤形齒輪銑刀多用于機(jī)修工作中低精度配件的加工或單件小批量生產(chǎn)。成形齒輪銑刀圖1.32成形齒輪銑刀2.展成法齒輪刀具展成法齒輪刀具利用齒輪的嚙合原理來加工齒輪。切齒時，刀具就相當(dāng)于一個齒輪，它與被加工齒輪作無側(cè)隙嚙合，工件齒形是由刀具齒形運(yùn)動軌跡包絡(luò)而成的。被加工齒輪的精度和生產(chǎn)率較高，刀具通用性好，同一把刀具可加工模數(shù)、壓力角相同而齒數(shù)不同的齒輪。加工精度和生產(chǎn)率都較高，廣泛地應(yīng)用于成批和大量生產(chǎn)中。常用的展成齒輪刀具有齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀等。1）滾刀可加工外嚙合的直齒、斜齒圓柱齒輪，生產(chǎn)率較高，應(yīng)用最廣泛，加工范圍大，從模數(shù)大于0.1到小于40的齒輪，精度一般為IT7~IT9，同一把滾刀可以加工模數(shù)相同齒數(shù)不同的齒輪。圖1.33整體式齒輪滾刀圖

2）插齒刀可加工直齒輪、內(nèi)齒輪、多聯(lián)齒輪、人字齒輪和齒條等。標(biāo)準(zhǔn)直齒插齒刀按其結(jié)構(gòu)特點，可分為盤形、碗形和帶錐柄形三種類型，如圖1.34所示。盤形插齒刀主要用于加工直齒外齒輪及大模數(shù)的內(nèi)齒輪；碗形插齒刀主要用于加工多聯(lián)齒輪和帶凸肩的齒輪；錐柄插齒刀主要用于加工內(nèi)齒輪。

圖1.34插齒刀3）剃齒刀剃齒刀用于未淬硬的直齒、斜齒圓柱齒輪的精加工。剃削齒輪前，需用專用的剃前滾刀或剃前插齒刀來加工齒形并留有剃削余量。剃齒刀生產(chǎn)率高，壽命長，但價格貴，在成批大量生產(chǎn)中使用較多。

圖1.35剃齒刀1.3金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程就是刀具與工件相互作用形成切屑的過程。在這個過程中將產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、刀具磨損、積屑瘤等。因此，有必要對金屬切削過程和物理現(xiàn)象加以研究，以探索和掌握其基本規(guī)律，這對合理設(shè)計和使用刀具，提高加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及降低生產(chǎn)成本等方面有著重要的意義。1.3.1切屑的形成過程及變形區(qū)的劃分大量的實驗和理論分析證明，塑性金屬切削過程是切削層金屬在刀具前刀面的擠壓下發(fā)生一剪切滑移為主的塑性變形而形成切屑的過程。這非常類似于材料力學(xué)實驗中試件被壓縮破壞的情況。圖1.36是用顯微鏡直接觀察低速直角自由切削工件側(cè)面得到的切削層的金屬變形情況。圖1.36金屬切削層變形圖像

三個變形區(qū)1)第一變形區(qū)從OA線開始發(fā)生塑性變形，到OM線晶粒的剪切滑移基本完成。這一區(qū)域稱為第一變形區(qū)（I）。2)第二變形區(qū)切屑沿前刀面排出時進(jìn)一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面處金屬纖維化，基本上和前刀面相平行。這部分稱為第二變形區(qū)（II）。3)第三變形區(qū)已加工表面受到切削刃鈍圓部分與后刀面的擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化和加工硬化。這一部分的變形也是比較密集的，稱為第三變形區(qū)（III）。圖1.37金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖剪切角剪切角的大小和切削力的大小有直接關(guān)系。對于同一工件材料，用同樣的刀具，切削同樣大小的切削層，當(dāng)切削速度高時，角較大，剪切面積變小（見圖1.49），切削比較省力，說明剪切角的大小可以作為衡量切削過程情況的一個標(biāo)志。我們可以用剪切角來衡量切削過程變形的參數(shù)。圖1.49φ角與剪切面面積的關(guān)系1.3.2切削變形程度1．變形系數(shù)切屑厚度與切削層厚度之比稱為厚度變形系數(shù)；而切削層長度與切屑長度之比稱為長度變形系數(shù)。厚度變形系數(shù)（1-14）長度變形系數(shù)圖1.41變形系數(shù)Ah的計算2．相對滑移既然切削過程中金屬變形的主要形式是剪切滑移，當(dāng)然就可以用相對滑移（剪應(yīng)變）來衡量切削過程的變形程度。圖1.42中，平行四邊形OHNM發(fā)生剪切變形后，變?yōu)槠叫兴倪呅蜲GPM，其相對滑移

(1-15)圖1.42剪切變形示意圖3.剪切角剪切角與切削變形有密切關(guān)系，也可以用剪切角來衡量切削變形的程度。根據(jù)材料力學(xué)平面應(yīng)力狀態(tài)理論，主應(yīng)力方向與最大剪應(yīng)力方向的夾角應(yīng)為，即與F的夾角應(yīng)為，故有則（1-16）分析上式可知：1）前角增大時，剪切角隨之增大，變形減小。這表明增大刀具前角可減少切削變形，對改善切削過程有利。2）摩擦角增大時，剪切角隨之減小，變形增大。提高刀具刃磨質(zhì)量、采用潤滑性能好的切削液可以減小前刀面和切屑之間的摩擦系數(shù)，有利于改善切削過程。1.3.3積屑瘤的形成及其對切削過程的影響1．積屑瘤的形成及原因在切削速度不高而又能形成連續(xù)性切屑的情況下，加工一般鋼料等塑性材料時，常在前刀面靠近刀尖處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊，這塊粘附在前刀面上的金屬硬塊稱為積屑瘤。它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2~3倍，在處于穩(wěn)定狀態(tài)時，可以代替切削刃進(jìn)行切削。積屑瘤的大小常用積屑瘤的高度Hb表示。切削時，切屑底層金屬與前刀面接觸處發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，當(dāng)接觸面達(dá)到一定溫度，同時又存在較高壓力時，被切材料會粘結(jié)（冷焊）在前刀面上。連續(xù)流動的切屑從粘在前刀面上的底層金屬上流過時，如果溫度與壓力適當(dāng)，切屑底部材料也會被阻滯在已經(jīng)“冷焊”在前刀面上的金屬層上，粘成一體，使黏結(jié)層逐步長大，形成積屑瘤。圖1.43積屑瘤前角b和伸出量hD積屑瘤高度與切削速度的關(guān)系對碳鋼來說，切削區(qū)溫度處于300~350℃時積屑瘤的高度最大，切削區(qū)溫度超過500℃積屑瘤便自行消失。在背吃刀量和進(jìn)給量f保持一定時，積屑瘤高度與切削速度有密切關(guān)系，因為切削過程中產(chǎn)生的熱是隨切削速度的提高而增加的。圖1.53中，I區(qū)為低速區(qū)，不產(chǎn)生積屑瘤；Ⅱ區(qū)為積屑瘤高度隨的增大而增高；III區(qū)積屑瘤高度隨的增大而減小；IV區(qū)不產(chǎn)生積屑瘤。圖1.44積屑瘤高度與切削速度的關(guān)系2．積屑瘤對切削過程的影響及其控制（1）使刀具前角變大阻滯在前刀面上的積屑瘤有使刀具實際前角增大的作用.（2）使切削厚度變化積屑瘤前端超過了切削刃，使切削厚度增大。一旦積屑瘤從前刀面上脫落或斷裂，值就將迅速減小。由于積屑瘤的產(chǎn)生、成長與脫落是一個周期性過程，切削厚度變化必然導(dǎo)致切削力產(chǎn)生波動。（3）使加工表面粗糙度增大積屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平，形狀也不規(guī)則，會使加工表面粗糙度增大；破裂脫落的積屑瘤也有可能嵌入加工表面使加工表面質(zhì)量下降。（4）對刀具壽命的影響粘在前刀面上的積屑瘤，可以替代刀刃切削，有減小刀具磨損，提高刀具壽命的作用；但如果積屑瘤從刀具前刀面上頻繁脫落，可能會把前刀面上刀具材料顆粒拽去（這種現(xiàn)象易發(fā)生在硬質(zhì)合金刀具上），反而使刀具壽命下降。3．防止積屑瘤產(chǎn)生的措施積屑瘤對切削過程的影響有積極的一面，也有消極的一面。粗加工時，對精度和表面粗糙度要求不高，積屑瘤可代替刀具進(jìn)行切削。但精加工時，為了保證加工精度和表面質(zhì)量，必須防止積屑瘤的產(chǎn)生，可采取的控制措施有：（1）正確選擇切削速度，使切削速度避開產(chǎn)生積屑瘤的中速區(qū)域。（2）使用潤滑性能好的切削液，目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦。（3）增大刀具前角，減小刀具前刀面與切屑之間的壓力。（4）適當(dāng)提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。1.3.4切屑的類型及控制1．切屑的類型及其分類1）帶狀切屑它的內(nèi)表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬材料，當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時，一般常得這類切屑。2）擠裂切屑這類切屑外表面呈鋸齒狀，內(nèi)表面有時有裂紋。擠裂切屑大多在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時產(chǎn)生。3）單元切屑如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴(kuò)展到整個面上，則整個單元被切離，變?yōu)樘菪蔚膯卧行?。圖1.45切屑類型a）帶狀切屑b）擠裂切屑c）單元切屑d）崩碎切屑4）崩碎切屑切削脆性材料時被切金屬層在前刀面的推擠下未經(jīng)塑性變形就在拉應(yīng)力作用下脆斷，形成崩碎切屑。這種切屑的形狀是不規(guī)則的，加工表面是凹凸不平的，如圖1.45（d）所示。加工脆性材料，如高硅鑄鐵、白口鐵等，切削厚度越大越易得到這種切屑。由于它的切削過程很不平穩(wěn)，容易破壞刀具，也有損于機(jī)床，已加工表面又粗糙，因此在加工中應(yīng)力求避免。其方法是減小切削厚度，使切屑成針狀或片狀；同時提高切削速度，以增加工件材料的塑性。2.切屑的控制從切屑控制的角度出發(fā)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了切屑分類標(biāo)準(zhǔn)，如圖1.55所示。測量切屑可控性的主要標(biāo)準(zhǔn)是：不妨礙正常的加工（即不纏繞在工件、刀具上，不飛濺到機(jī)床運(yùn)動部件中）；不影響操作者的安全；易于清理、存放和搬運(yùn)。2.切屑的控制（1）采用斷屑槽通過設(shè)置斷屑槽對流動中的切屑施加一定的約束力，使切屑應(yīng)變增大，切屑卷曲半徑減小。斷屑槽的尺寸參數(shù)應(yīng)與切削用量的大小相適應(yīng)，否則會影響斷屑效果。常用的斷屑槽截面形狀有折線形、直線圓弧形和全圓弧形，如圖1.48。圖1.48斷屑槽截面形狀a）折線形b）直線圓弧形c）全圓弧形2.切屑的控制（2）改變刀具角度增大刀具主偏角，切削厚度變大，有利于斷屑。減小刀具前角可使切屑變形加大，切屑易于折斷。刃傾角可以控制切屑的流向，為正值時，切屑常卷曲后碰到后刀面折斷形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；為負(fù)值時，切屑常卷曲后碰到已加工表面折斷成C形屑或6字形屑。（3）調(diào)整切削用量提高進(jìn)給量使切削厚度增大，對斷屑有利；但增大會增大加工表面粗糙度。適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣仁骨邢髯冃卧龃?，也有利于斷屑，但這會降低材料切除效率。須根據(jù)實際條件適當(dāng)選擇切削用量。1.4切削力、切削熱與切削溫度1.切削力的來源、合力及分解、切削功率1.4.1切削力（1）切削層金屬、切屑和工件表面金屬的彈性變形所產(chǎn)生的抗力；（2）切削層金屬、切屑和工件表面金屬的塑性變形所產(chǎn)生的抗力；（3）刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。圖1.49切削力的來源1.4切削力、切削熱與切削溫度1.切削力的來源、合力及分解、切削功率1）切削力的來源1.4.1切削力2）切削力合力及分解將合力F分解成三個互相垂直的分力。

——主切削力、切削力或切向力。它切于過渡表面且與基面垂直，并與切削速度v的方向一致。在切削過程中消耗的功率最大，是確定機(jī)床的電機(jī)功率、計算車刀強(qiáng)度、設(shè)計機(jī)床零件所必需的。圖1.50切削合力與分力Fy——切深抗力，或背向力、徑向力、吃刀力。它處于基面內(nèi)并與進(jìn)給方向垂直。Fy用來確定與工件加工精度有關(guān)的工件撓度、計算機(jī)床零件和車刀強(qiáng)度。Fy雖不做功，但能使工件變形或振動，對加工精度和已加工表面質(zhì)量影響較大。Fx——進(jìn)給力或軸向力。它處于基面內(nèi)并與工件軸線方向相平行，它是與進(jìn)給方向相反的力。該力是檢驗進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，計算車刀進(jìn)給功率所必需的。圖1.50切削合力與分力切削合力與各分力之間的關(guān)系為：

（1-17）根據(jù)實驗，當(dāng)、、時，三者之間有如下近似關(guān)系：3）切削功率消耗在切削過程中的功率稱為切削功率。切削加工中，因為Fy分力方向沒有位移，故不消耗功率，因此總切削功率為Fz和Fx所消耗功率之和。（1-18）其中，F(xiàn)z所消耗功率占總切削功率的95%左右，F(xiàn)x所消耗功率占總切削功率的5%左右，由于消耗在進(jìn)給運(yùn)動中的功率所占比例很小，通?？陕远挥?。故（1-19）計算出切削功率后，可以進(jìn)一步計算出機(jī)床電動機(jī)的功率PE，以便選擇機(jī)床電動機(jī)，此時還應(yīng)考慮到機(jī)床的傳動效率。機(jī)床電機(jī)功率PE應(yīng)滿足：

PE≥Pm/ηm

（1-21）ηm—機(jī)床的傳動效率，一般取為0.75～0.85，大值適用于新機(jī)床，小值適用于舊機(jī)床。2.切削力的測量與計算1.切削力的測量在生產(chǎn)實際中，切削力的大小一般采用由實驗結(jié)果建立起來的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。但是在需要較為準(zhǔn)確地知道某種切削條件下的切削力時，還需進(jìn)行實際測量。按測力儀的工作原理可以分為機(jī)械式測力儀、油壓式測力儀和電測力儀。電測力儀又有：電阻應(yīng)變式、電感式、電容式及壓電式等，目前常用的是電阻應(yīng)變片式測力儀和壓電測力儀。除此之外，還可通過測定機(jī)床功率來計算切削力。根據(jù)上面分析，用功率表測出機(jī)床電機(jī)在切削過程中所消耗的功率PE后則可計算出切削功率，當(dāng)切削速度v為已知時，即可求出主切削力。但這種方法只能粗略估算切削力的大小，不夠精確。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，也可以利用計算機(jī)對切削力進(jìn)行輔助測試。2)切削力的計算及經(jīng)驗公式(1）計算切削力的指數(shù)公式

（1-22）(2）用單位切削力計算主切削力單位切削力指的是單位切削面積上的主切削力，用p（N/mm2）表示：

p===（N/mm2）（1-23）3.影響切削力的因素影響切削力的因素很多，其中最主要的是工件材料、切削用量和刀具幾何參數(shù)。此外，刀具材料、刀具磨損、冷卻潤滑液等對切削力也有一定的影響。1)工件材料的影響影響較大的因素主要是工件材料的強(qiáng)度、硬度和塑性。材料的強(qiáng)度、硬度越高，則屈服強(qiáng)度越高，切削力越大。在強(qiáng)度、硬度相近的情況下，材料的塑性（伸長率）、韌性越大，則刀具前面上的平均摩擦系數(shù)越大，切削力也就越大。切削脆性材料時，切削層塑性變形很小，形成的崩碎切屑與前刀面的摩擦力也很小，因此脆性材料的切削力一般小于塑性材料。切削力的大小不單純受材料的原始強(qiáng)度和硬度影響，它還受到材料加工硬化能力大小的影響。例如，奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度、硬度都較低，但是加工硬化能力大，較小的變形就會引起硬度較大的提高，導(dǎo)致切削力增大。另外，同一材料在不同的熱處理狀態(tài)下的金相組織不同也會影響切削力的大小。如45鋼，其正火、調(diào)質(zhì)、淬火狀態(tài)下的硬度不同，切削力的大小也不同。在含硫(S)、鉛(Pb)元素的鋼中如果引起結(jié)構(gòu)成分間的應(yīng)力集中，則容易形成擠裂切屑，其切削力將比正常鋼減小20%～30%，故此種鋼也被稱為易切鋼。2)切削用量的影響(1）背吃刀量和進(jìn)給量的影響切削力隨著背吃刀量ap和進(jìn)給量f的增大而增大。在車削力的經(jīng)驗公式中，多數(shù)加工情況下，ap的指數(shù)xFz=1.0，即當(dāng)ap加大一倍時，F(xiàn)z也增大一倍；而f的指數(shù)yFz=0.75，即當(dāng)f加大一倍時，F(xiàn)z只增大68%左右。由此可見，背吃刀量或進(jìn)給量ｆ對切削力的影響程度不同。因此，切削加工中，如從切削力和切削功率角度考慮，加大進(jìn)給量比加大背吃刀量有利。生產(chǎn)中可在不減小切削層面積（金屬切削量不變）的條件下，減小ap增大f，從而減小切削力。如強(qiáng)力切削、輪切式拉削、階梯鉸削、銑削等。(2）切削速度的影響切削速度對切削力的影響因材料不同而異。加工塑性金屬時，切削速度對切削力的影響規(guī)律是受積屑瘤和摩擦作用而制約。

圖1.51切削塑性材料時切削速度對切削力的影響3)刀具幾何參數(shù)的影響(1）前角的影響刀具幾何參數(shù)中，前角對切削力的影響最大。前角加大，能使刀刃變得鋒利，切屑變形減小，有利于切屑的順利排出，前刀面與切屑之間的摩擦力和正應(yīng)力也有所下降，使切削更為輕快，切削力減小。加工脆性材料，由于切屑變形和加工硬化很小，故前角的變化對切削力影響不顯著。(2）主偏角的影響徑向分力隨著主偏角的增大而減小，軸向分力隨著主偏角的增大而增大。由于徑向分力容易頂彎零件，使加工時產(chǎn)生振動，影響加工精度與表面粗糙度，因此當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較差時，應(yīng)盡可能使用大的主偏角刀具進(jìn)行切削。(3）負(fù)倒棱的影響負(fù)倒棱可以提高切削刃的強(qiáng)度和散熱能力，增加刀具的耐用度。但金屬變形增大，使切削力有所增加。進(jìn)給量不變時，負(fù)倒棱寬度越大，切削力也越大。(4）刃傾角的影響刃傾角對切削力Fy、FX的影響很大。FY隨著刃傾角減小而增大；FX隨著刃傾角減小而減小。刃傾角對Fz的影響不大。（5）刀尖圓弧半徑通常，刀尖圓弧半徑對Fx、Fy的影響較大，對Fz的影響較小。刀尖圓弧半徑增大，則參加切削的圓弧刃長度增加，使圓弧刃部分的平均主偏角減小，因此不宜采用太大的刀尖圓弧半徑。4)刀具磨損的影響在加工過程中，隨著刀具的磨損，切削力增大。刀具后刀面磨損形成后角為零有一定寬度的小棱面，使后刀面與加工表面的接觸面積增大，從而使后刀面的正壓力和摩擦力都增大，使切削力增大。5)切削液的影響切削液的使用，可以明顯降低切削力的大小。特別是潤滑作用強(qiáng)的切削液，其潤滑作用可以減小切屑與刀具前刀面及其工件表面與后刀面之間的摩擦，從而使切削力減小。由以上的分析可知，切削過程中產(chǎn)生切削力的大小是由許多因素綜合影響的結(jié)果。因此，要減小切削力，應(yīng)在分析各因素的影響的基礎(chǔ)上，找出主要影響因素，兼顧一些次要因素，合理調(diào)整加工條件，以達(dá)到減小切削力的目的。1.4.2切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)切削熱和由它所引起的切削加工區(qū)溫度的升高是切削過程中的又一個重要物理現(xiàn)象，它直接影響刀具的磨損和耐用度，限制切削速度的提高，影響工件加工精度和表面質(zhì)量。因此研究切削熱和切削溫度對生產(chǎn)實踐有著重要的指導(dǎo)意義。1.切削熱的產(chǎn)生切削時共有三個發(fā)熱區(qū)域，即剪切面區(qū)、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū)，如圖1.62所示。這三個發(fā)熱區(qū)域與三個變形區(qū)相對應(yīng)，即剪切區(qū)的變形功轉(zhuǎn)變的熱Qp；切屑與前刀面接觸區(qū)的摩擦功轉(zhuǎn)變的熱Qγf；已加工表面與后刀面接觸區(qū)的摩擦功轉(zhuǎn)變的熱Qαf。產(chǎn)生的總熱量Q為

Q=Qp+Qγf+Qαf

（1-25）圖1.52切削熱的來源和傳導(dǎo)2．切削熱的傳導(dǎo)切削區(qū)域的熱量由切屑、工件、刀具及周圍的介質(zhì)傳散出去。大部分的切削熱被切屑傳走，其次為工件和刀具。以下是影響切削熱傳導(dǎo)的一些主要因素：1）工件、刀具材料的導(dǎo)熱性能2）加工方式

3）周圍介質(zhì)的狀況2．切削熱的傳導(dǎo)車削加工時切削熱由切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)傳出的比例大致如下：50%~86%由切屑帶走，40%~10%由車刀傳出，9%~3%傳入工件，1%傳入介質(zhì)（空氣）。切削速度越高或切削厚度越大，則切屑帶走的熱量越多。而鉆削或其他半封閉式容屑的加工，切屑形成后仍與刀具相接觸，切屑與刀具的接觸時間長，切屑的熱傳導(dǎo)給刀具多。鉆削加工時切削熱由切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)傳出的比例大致如下：28%由切屑帶走，14.5%傳給刀具，52.5%傳入工件，5%傳給周圍介質(zhì)?？梢?，鉆削與車削相比，由切屑帶走的熱量所占比例減少了很多，而刀具、工件傳出的熱量所占比例增大，對加工帶來影響。1.4.3切削溫度1.切削溫度的分布工件、刀具和切屑上各點的溫度是變化的，即形成了一個溫度場。圖1.63是切削鋼料時，所測出的主剖面內(nèi)的溫度場。，圖1.53二維切削中的溫度分布車削不同材料時的溫度分布圖1.54是車削不同的工件材料時，正交平面內(nèi)前、后刀面上溫度分布情況。

圖1.54切削不同材料的溫度分布1－45鋼-YT152－GCr-YT143－鈦合金B(yǎng)T2-YG84－BT2-YT15

切削用量：v=30m/min，f=0.2mm/r溫度分布的規(guī)律(1)剪切面上各點的溫度基本一致，由此可以推斷剪切面上各點的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律基本上變化不大。(2)前刀面和后刀面上的最高溫度都處在離切削刃有一定距離的地方，這是摩擦熱沿刀面不斷增加的緣故。溫度最高點出現(xiàn)在前刀面上。(3)在剪切區(qū)域內(nèi)，垂直剪切方向上溫度梯度較大，這是由于剪切滑移的速度很快，熱量來不及傳導(dǎo)出來，從而形成較大的溫度梯度。(4)垂直前刀面的切屑底層溫度梯度大，距離前刀面0.1mm～0.2mm，溫度就可能下降一半。這說明前刀面上的摩擦是集中在切屑的底層，因此切削溫度對前刀面的摩擦系數(shù)有較大影響。(5)后刀面的接觸長度很小，因此溫度的升降是在極短時間內(nèi)完成的，導(dǎo)致已加工表面受到一次熱沖擊。(6)工件材料塑性越大，前刀面上的接觸長度越大，切削溫度的分布就均勻些。工件材料脆性越大，最高溫度所在的點離切削刃就越近。(7)工件材料導(dǎo)熱系數(shù)越低，刀具的前、后刀面的溫度就越高。這是一些高溫合金和鈦合金切削加工性低的主要原因之一。2.切削溫度的測量切削溫度是指切削過程中，切削區(qū)溫度升高到一定程度后，生熱速度與散熱速度基本上達(dá)到相等，溫度不再變化時的溫度，也就是切削處于熱平衡時的溫度。切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度的測量方法很多，目前常用的測量方法是熱電偶法其結(jié)構(gòu)簡單，測量方便，是目前較成熟也較常用的切削溫度測量方法，其中應(yīng)用較廣而且簡單可靠的方法有自然熱電偶法和人工熱電偶法。自然熱電偶法自然熱電偶法主要用于測定切削區(qū)域的平均溫度。采用自然熱電偶法測量切削溫度簡便可靠，可方便地研究切削條件（如切削速度、進(jìn)給量等）對切削溫度的影響。

圖1.65自然熱電偶測溫裝置人工熱電偶法人工熱電偶法（也稱熱電偶插入法）可用于測量刀具、切屑和工件上指定點的溫度，并可測得溫度分布場和最高溫度的位置。優(yōu)點是：對于特定的人工熱電偶材料只需標(biāo)定一次。

1.66人工熱電偶法3.影響切屑溫度的主要因素1）切削用量的影響切削溫度經(jīng)驗公式為：

（1-25）zθ>yθ>xθ，即v的指數(shù)最大、f的指數(shù)其次、ap的指數(shù)最小，這說明切削速度對切削溫度的影響最大，進(jìn)給量的影響次之，切削深度的影響最小。綜上所述，為了有效的控制切削溫度，在機(jī)床允許的情況下，在選擇切削用量時，為使切削溫度較低，選用較大的背吃刀量或進(jìn)給量，比選用大的切削速度有利。2）工件材料影響工件材料是通過材料強(qiáng)度、硬度和導(dǎo)熱系數(shù)等性能的不同對切削溫度產(chǎn)生影響的。工件材料的硬度和強(qiáng)度越高，切削力大，切削時所消耗的功多，產(chǎn)生的熱量多，切削溫度就越高。工件材料導(dǎo)熱系數(shù)大，熱量容易傳出，則切削溫度低。切削灰鑄鐵等脆性材料時，金屬塑性變形小，形成崩碎切屑，與前刀面摩擦小，產(chǎn)生切削熱少，故切削溫度一般都低于切削鋼料時的溫度。3）刀具幾何參數(shù)的影響前角增大時，變形和摩擦減少，產(chǎn)生的熱量少，切削溫度低。隨著主偏角的減大，切削溫度升高。這是因為主偏角kr加大后，使切削寬度減小，切削刃工作長度縮短，切削熱相對的集中，同時刀尖角減小，散熱條件變差，切削溫度將升高。4）刀具磨損對切削溫度的影響刀具磨損后切削刃變鈍，刀具后刀面磨損處后角等于零，與工件的摩擦擠壓加劇，使切削溫度上升。5）切削液對切削溫度的影響采用冷卻性能良好的切削液，能吸收大量的熱量，對降低切削溫度有明顯的效果。1.5刀具磨損與刀具耐用度在刀具將多余的金屬從毛坯上切除，使毛坯變成零件的過程中，刀具也不可避免地遭到損耗。當(dāng)?shù)毒叩膿p耗積累到一定的程度后，會使工件的加工精度降低，表面粗糙度增大，并導(dǎo)致切削力和切削溫度增加，甚至產(chǎn)生振動，甚至有時會突然損壞，不能繼續(xù)正常切削，即刀具失效，必須及時進(jìn)行重磨或更換新刀。刀具的失效形式可分為磨損和破損兩類，前者表現(xiàn)為連續(xù)地、逐漸地發(fā)生，后者表現(xiàn)為突然發(fā)生或過早產(chǎn)生的損壞現(xiàn)象，如崩刃、碎斷、剝落和卷刃等。1.5.1刀具磨損形態(tài)及其原因1．刀具磨損形態(tài)磨損發(fā)生在刀具的前刀面和后刀面上，前刀面磨損形成月牙洼，后刀面磨損形成磨損帶，通常前、后刀面的磨損是同時發(fā)生，相互影響的。刀具正常磨損時，按其發(fā)生的部位不同，可分為前刀面磨損、后刀面磨損及邊界磨損三種形式，如圖1.57所示。

1.57刀具的磨損形態(tài)1）前刀面磨損所謂前刀面磨損是指切屑沿前刀面流出時，在刀具前刀面上經(jīng)常會磨出一個月牙洼。前刀面磨損量的大小，用月牙洼的寬度KB和深度KT來表示。圖1.58前刀面磨損2）后刀面磨損后刀面的磨損往往不均勻。刀尖部分（C區(qū)）強(qiáng)度較低，散熱條件又差，磨損比較嚴(yán)重，其最大值為VC。主切削刃靠近工件外表面處的后刀面上（N區(qū)），由于加工硬化層或毛坯表面硬層等影響，往往被磨成比較嚴(yán)重的深溝，以VN表示。在后刀面磨損帶中間部位上（B區(qū)），磨損比較均勻，平均磨損帶寬度以VB表示，而最大磨損帶寬度以VBmax表示。當(dāng)加工塑性金屬，采用中等切削速度及其中等切削厚度時，會經(jīng)常出現(xiàn)前、后刀面同時磨損的形式。1-593）邊界磨損切削鋼料時，常在主切削刃靠近待加工表面處以及副切削刃靠近刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋發(fā)生這種邊界磨損的主要原因有以下兩點：1)切削時，在主切削刃附近的前后刀面上，壓應(yīng)力和切應(yīng)力很大，但在工件外表面處的切削刃上應(yīng)力突然下降，形成很高的應(yīng)力梯度，引起很大的切應(yīng)力。同時，前刀面上切削溫度最高，而與工件外表面接觸點由于受空氣或切削液冷卻，造成很高的溫度梯度，也引起很大的切應(yīng)力。因而在主切削