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切削运动与切削用量1、 表面的成形方法任何一个表面都可看作是一条直（曲）线沿另一条直（曲）线运动的轨迹所形成，其中的一条发生线称母线，另一条发生线称导线。根据表面发生线的概念，切削刃与工件之间的相对运动所形成的工件表面有4种方法：轨迹（描述）法、成型（仿形）法、相切（旋切）法、范成（展成）法。2、 切削运动形成工件表面的基本条件就是刀具与工件间必须有相对运动，即成形运动，称作切削运动。它包括有：主运动、进给运动和其他辅助运动。成形运动切削用量1) 主运动。切削时它是切除多余金属层以满足工件要求最基本的运动，是速度最高、消耗功率最大的运动。在切削加工中主运动只能有一个。2) 进给运动。进给运动是指使新的金属层不断投入切削并使其在所需方向上继续下去的运动。3) 其他辅助运动。当刀具不能一次走刀就能达到工件尺寸要求时，还需由操作者沿工件的半径方向完成吃（进）刀运动，由于这种吃刀运动为间歇进行，故可不看成是运动。但当这种吃刀运动由机床的进刀机构自动完成时，就应看成是一种辅助运动了（如：外圆磨削、平面磨削、滚齿及插齿等）。3、 切削过程中工件上的表面在形成要求的工件表面的切削过程中，工件上有着三个变化的表面：待加工表面（工件上等待切削加工的表面）、已加工表面（工件上经刀具切削后形成的表面）、加工（过渡）表面（刀具正在切削的表面，或待加工与已加工表面之间的表面）。4、 切削用量切削用量含有三个要素（切削用量三要素）：切削速vc度、进给量f、背吃刀量ap。1) 切削速度vc：是指主运动的线速度，用符号vc表示。m/s式中n主轴转数（r/s或r/min）；d车削时，是指工件加工表面的最大直径；钻削或铣削时，是指刀具最大直径（mm）。2) 进给量f：用来表示进给运动的参数，有三种表示方法：进给速度vf（mm/min），即在单位时间内，刀具相对于工件在进给方向上的位移量；每转进给量f（mm/r），即工件每转一转，刀具相对于工件在进给方向上的位移量，车削常用。每齿进给量fz（mm/z），即工件每转一转，刀具上每个刀齿相对工件在进给方向上的位移量。多齿刀具铣刀多用每齿进给量。上述三种表示方法有如下关系式：3) 背吃刀量（切削深度）ap：是表示切削层尺寸的一种方法，指待加工表面与已加工表面间的垂直距离（mm）。车削时， mm式中待加工外圆直径；已加工外圆直径。钻削时，背吃刀量 mm；式中为钻头直径。铣削时，称作铣削深度ap，是沿铣刀轴线测得的切削层尺寸。铣削时的切削用量还有铣削宽度ae，是指垂直于铣刀轴线测得的切削层尺寸。1.1.1. 刀具的几何参数1、 刀具构成刀具切削部分的构成有：前刀面、（主）后刀面及副后刀面，主切削刃、副切削刃，刀尖。前刀面：切屑流经的表面，记作；（主）后刀面：与工件上加工（过渡）表面相对的表面，记作；副后刀面：与工件上已加工表面相对的表面，记作；切削刃：前刀面与（主）后刀面的交线，用以完成主要切除工作，记作；副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，辅助参与已加工表面的形成，记作；刀尖：主切削刃与副切削刃之间的过渡切削刃。2、 刀具角度的参考平面与参考系1) 参考平面切削刃上选定点的基面：是过该点且与该点切削速度方向垂直的平面，记作。切削刃上选定点的切削平面：过该点，是包含切削速度方向，且与加工（过渡）表面相切的平面，记作。基面和切削平面合称参考坐标平面，简称参考平面。切削刃上不同点的基面和切削平面不一定相同。2) 测量平面正交平面（主剖面）：切削刃上选定点的正交平面是过该点并垂直于切削平面与基面的平面，或过该点且垂直于切削刃在基面上投影的平面，记为。法平（剖）面：切削刃上选定点的法平面是过该点并与切削刃垂直的平面，记为。假定工作平面（进给剖面）：切削刃上选定点的假定工作平面是过该点、垂直于基面并与进给方向平行的平面，记为。背平面（切深剖面）：切削刃上选定点的背平面是过该点且垂直于基面与假定工作平面的平面，或垂直于进给方向的平面，记为。3) 参考系正交平面参考系：由、三个互相垂直的平面组成的参考系。法平面参考系：由、组成的参考系，与、无垂直关系。假定工作平面与背平面参考系：由、三个互相垂直平面组成的参考系。3、 刀具标注角度1) 正交参考系中的刀具标注角度主偏角：在基面内测量的、切削平面与假定工作平面间的夹角，或主切削刃在基面上的投影与进给方向间的夹角。副偏角：在基面内测量的、副切削平面与假定工作平面间的夹角，或副切削刃在基面上的投影与进给方向间的夹角。前角：在正交平面内测量的、前刀面与基面间的夹角。后角：在正交平面内测量的、后刀面与切削平面间的夹角。副刃后角：在副刃正交平面内测量的、副后刀面与副切削平面间的夹角。刃倾角：在切削平面内测量的,主切削刃与基面间的夹角。在正交参考系中有如下的派生角度刀尖角：在基面内测量的切削平面与副切削平面间的夹角，或主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角，。余偏角:在基面内测量的切削平面与背平面间的夹角，或主切削刃S在基面Pr上投影与吃刀方向间的夹角，。楔角: 在正交平面内测量的前刀面与后刀面间夹角，。2) 法平（剖）面参考系中的刀具标注角度前角、后角的测量平面有正交平面改成法平面就构成了法平面参考系中的标注角度：、。3) 假定工作平面与背平面参考系中的刀具标注角度将测量平面中的切削平面和正交平面替换成假定工作平面与背平面，标注角度有：、。4、 刀具工作角度考虑刀具切削刃上选定点的合成运动速度ve、刀尖安装不一定对准机床中心高度、背平面不一定平行于侧安装面等因素。重新构成的坐标平面参考系称工作坐标参考系，在其内的刀具角度称刀具工作角度。1) 车削时考虑横向进给运动的工作角度 ；式中 横向进给运动对工作角度的影响； f刀具相对于工件的横向进给量； dw切削刃上选定点A处的工件直径。2) 车削时考虑刀尖位置安装高于机床主轴中心线的工作角度在背平面中测量的工作前、后角计算：；在正交平面中测量的工作前、后角计算：；式中 刀尖位置变化引起前后角的变化值；刀尖高于机床中心的数值；工件直径。1.1.2. 切削层参数及切削方式1、 切削层参数及与切削用量间的关系切削层：刀具切削刃在一次进给（走刀）中，从工件待加工表面上切下来的金属层。切削层公称厚度：是在基面内测量的切削刃两瞬时位置加工面间的距离， mm。切削层公称宽度：在基面内沿过渡表面测量的切削层尺寸。 mm 切削层公称横截面积:简称切削面积，在基面内测量的切削层面积， 2、 切削方式直角切削与斜角切削：切削刃上选定点的切线垂直于该点切削速度的切削称直角切削或正交切削，否则称斜角切削或斜切削。自由切削与非自由切削：只有一条直线切削刃参加的切削称自由切削，反之，副切削刃也参加已加工表面形成过程的切削称非自由切削。1.2 典型范例和答题技巧【例1.1】 例图1-1为端面车刀切削工件端面。已知端面车刀的几何角度：。求：（1） 画图标出正交参考系中端面车刀的标注角度。（2） 画图标出切削层参数：【分析】1.判定刀具切削时的进给方向。端面车刀的进给方向与外圆车刀的进给方向不同。外圆车刀的进给方向平行于工件的轴线，而端面车刀的进给方向则垂直于工件轴线。刀具标注角度中的主偏角、副偏角的定义分别是主、副切削刃在基面中的投影与进给方向的夹角；所以只有正确地确定进给方向，才能正确地标出主、副偏角。2.端面切削时切削用量的概念如下：进给量：主轴转一转时，车刀相对工件径向移动的距离。背吃刀量：沿着工件轴线测量的待加工表面与已加工表面的距离。【答案】见例图1-2。【例1.2】 已知外圆车刀 。试画图标出主、副切削刃上的几何角度，并说明以上各角度的定义，当车削的工件时，刀尖装高后，工作前、后角是多少？【分析】：1.刃切角的正、负在外圆车刀标注角度时，易出现错误。标注时，S向视图中刀尖向下为正刃倾角，刀尖向上为负刃切角。2.在回答各角度的定义时，一定要严格。如前角：在主切刃选定点的正交平面内测量，前刀面与基面之间的夹角。由于基面的定义是基于“选定点”，所以前角的定义中也一定强调“过选定点”。正交面是的测量平面，不同的测量平面中所得是不同的，一般说的前角均是指正交平面内测量的前角，所以定义中一定要交待出测量平面。3.标注角度时，选定点不要变。作为参考平面的基面、切削平面均是基于切削刃上的选定点，所以标注主偏角时的选定点亦应和标注前、后角及刃倾角的选定点一致。4.图中相应符号要注全，包括进给方向、基面、切削平面、正交平面、O-O、O-O、S向。5.由于刀尖安装时，刀尖高出工件中心线h值，使实际切削速度方向发生变化，这样基面、切削平面的位置也就发生变化，从而使工作前、后角与标注前后角不再相同。【答案】1、角度标注见例图1-3；例图1-3标注角度2、角度定义主偏角：在基面中测量的、过切削刃上的选定点、主切削刃在基面中的投影与进给方向间的夹角。副偏角：在基面中测量的、副切削刃在基面中的投影进给方向间的夹角。前角：在正交平面中测量的、前刀面与基面间的夹角。后角：在正交平面中测量的、后刀面与切削平面间的夹角。刃倾角：在切削平面Ps内刀具的主切削刃与基面之间的夹角，刀尖高者为正，刀尖低者为负。副后角：在负刃正交平面中测量的、副后刀面与负切削面间的夹角。3、刀尖装高3mm后，在正交平面内的工作前、后角计算为：【例1.3】 已知：为加工阶梯轴外圆的车刀角度。画图标出该车刀的标注角度，并计算刀尖角、楔角。【分析】1.确定主偏角。该题没有给出主偏角的数值，学生在答题时往往一看是外圆车刀，就按普通外圆车刀的主偏角（90）绘图。而该题给出的加工对象为阶梯轴，就相当于给出90主偏角。2.注意副刃前角。在车刀标注角度图中不要求标出副刃前角，这是因为车刀的前刀面基本上都是平面，当前角和刃倾角确定后，负刃的前角也随之确定。即以前角和刃切角为加工参数，就完全可以加工出平面型的前刀面，所以不需标出负刃的前角。但在标副切削刃的后角时，体现前刀面位置的副刃前角0，画图时前刀面位置投影线应在基面以上。又如切断刀主切削刃在基面中的投影平行工件轴线，其进给方向垂直于工件的轴线，所以切断刀的主偏角=90，0。3.派生角度计算。车刀的刀尖角、楔角0均为派生角度，可通过公式计算得出。例图1-4 角度标注【答案】角度标注见例图1-4角度计算：（加工阶梯轴的主偏角=90）【例1.4】 画图说明麻花钻钻孔时切削用量的概念、切削层参数的概念以及二者之间的换算关系。【分析】1.区分每齿进给量和每转进给量的概念。对于麻花钻，转头转一转，沿其轴线移动的距离为每转进给量。钻头转过一个齿，沿轴线移动的距离为每齿进给量。钻头具有两条主切削刃，即有两个刀齿。所以每齿进给量和每转进给量呈2倍关系。2确定待加工表面位置。钻孔是在实体上加工孔，所以只能出现已加工表面。而背吃刀量的概念是已加工表面和待加工表面的垂直距离。为了能求得背吃刀量，可以先从扩孔加工来考虑。在扩孔加工时，待加工表面为加工前底孔表面，所以背吃刀量可由下式计算：例图1-5钻削用量与切削层参数式中：分别为加工前、后孔径。钻孔可视为、（钻头直径）的情况。所以3.掌握切削用量与切削层参数间的关系公式:、【答案】见例图1.5。1、钻削的切削速度系指钻头外缘处的线速度： m/s式中:钻头直径 mm；钻头转速，r/min。2、钻削的每转进给量:钻头或工件每转一转，相对于工件的轴向位移量，单位为mm/r；钻削的每齿进给量：每转一个刀齿，钻头与工件之间的相对轴向位移量，单位为mm/z；钻头有2个齿，所以有钻削的进给速度：在每秒钟内，钻头与工件之间的轴向位移量，有 mm/s3、 背吃刀量，单位为mm。4、 钻削切削层参数及与切削用量间的关系钻削切削层：刀具一个齿的进给量所切下来的金属层。钻削切削层公称厚度：是垂直于主切削刃在基面上投影方向测出的切削层断面尺寸，即 mm 。由于麻花钻主切削刃上各点的主偏角不等，因此各点的切削厚度也不相等。钻削切削层公称宽度：在基面内沿加工表面测量的切削层尺寸。 mm 对麻花钻来讲，切削层公称横截面积实际上系指每个刀齿的切削面积，有： 【例1.5】 何谓顺铣何谓逆铣？它们各有什么优缺点？【答案】工件的进给运动方向主运动方向相反是称作逆铣，相同时称作顺铣。它们的优缺点可以从以下两方面分析：1)切削厚度的变化逆铣时，每个刀齿的切削厚度由零增至最大。但切削刃并非绝对锋利，铣刀刃口处总有圆弧存在，刀齿不能立刻切入工件，而是在已加工表面上挤压滑行，使该表面的硬化现象严重，影响了表面质量，也使刀齿的磨损加剧；顺铣时刀齿的切削厚度是从最大到零，但刀齿切入工件时的冲击力较大，尤其工件待加工表面是毛坯或者有硬皮时。2)切削力方向的影响顺铣时作用于工件上的垂直切削分力始终压下工件 ，这对工件的夹紧有利；逆铣时向上，有将工件抬起的趋势，易引起振动，影响工件的夹紧。铣薄壁和刚度差工件时影响更大。【例1.6】 面铣法有几种铣削方式？各应用于何种场合？【答案】用端部刀齿工作的面铣刀铣削时，根据铣削宽度是否对称分布称作对称铣削与不对称铣削，不对称铣削又可分为不对称逆铣和不对称顺铣。不对称逆铣时，刀齿由最小的切削厚度切入工件，由较大的切削厚度切出，所以切入时振动小，工作平衡而且没有用圆柱铣刀进行逆铣时，由于切入时切削厚度为零而引起的滑擦现象，当加工碳钢及高强度低合金钢时，采用这样铣削方式较好。不对称顺铣时，刀齿由较大的切削厚度切入工件，而以较小的切削厚度切出。在加工不锈钢等变形系数较大，冷作硬化现象较严重的材料时，宜选用这种铣削方式。不对称顺铣时，刀齿切入工件时的振动要比不对称逆铣大，而且工作台进给丝杠与螺母间的间隙应予以消除，以免由于水平铣削分力（它与工作台的进给方向相同）过大，引起工作台窜动。 对称铣削的平均切削厚度较大，铣削淬硬钢及机床导轨时，宜采用这种铣削方式。对称铣削时的振动较大，要求机床及工艺刚性要强。铣削较窄的工作时，不宜采用。 刀具材料1.3 必备知识和考试要点刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具材料性能的优劣对切削加工过程、加工精度、表面质量及生产效率有着直接的影响。1. 刀具材料应具备的性能：高硬度、足够的强度和韧性、高耐磨性、高耐热性、良好的工艺性和经济性。2. 刀具材料的种类：根据刀具材料的发展历程，现有的刀具材料种类有：工具钢（包括碳素工具钢和合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料（包括金刚石和立方氮化硼）。其中高速钢与硬质合金是目前用得最为广泛的刀具材料。3. 刀具材料的选择：刀具材料的合理选用主要是根据工件材料的性质、加工条件和刀具形状等。1.4 典型范例和答题技巧【例2.1】 根据刀具的工作条件说明刀具材料应具备的性能。【答案】刀具在切削时，要承受很大的压力和很高的切削温度，有时还要承受冲击、振动。所以刀具材料应满足以下要求:(1) 高的硬度。硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度高。切削金属所用刀具的切削刃的硬度，应是工件材料硬度的1.31.5倍以上，一般都在60HRC以上。(2) 足够的抗弯强度和韧性。要使刀具在承受很大压力和在切削过程中通常出现的冲击和振动的条件下正常工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。刀具材料必须具备足够的抗弯强度和冲击韧性。(3) 高的耐磨性。耐磨性是材料抵抗磨损的能力，是刀具材料应具备的最基本性能。在切削过程中刀具要经受剧烈的摩擦，要保证刀具有足够的使用寿命，作为刀具材料必须具备良好的耐磨性。耐磨性不仅与硬度有关，往往还与强度、韧度和金相组织结构等因素有关。一般认为，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。(4) 高的耐热性（红硬性）。耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持或基本保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。一般在室温下，各种刀具材料的硬度相差不大，但由于耐热性不同，高温下的切削性能会有很大差异。工具钢刀具材料的磨损与金相组织相变有很大关系，故工具钢刀具常用红硬性（加热4h仍能保持58HRC时的温度即为红硬性）表示耐热性。如，高速钢的红硬性为550650，即在此温度下，高速钢仍能保持或基本保持常温时的切削性能；硬质合金刀具的磨损主要由粘结和扩散引起，故而用与钢发生粘结时的温度值来表示其耐热性。(5) 良好的热物理性能和耐热冲击性能。刀具材料的导热系数大，使切削热容易从切削区散走，导热性愈好，降低刀具表面的温度；热膨胀系数小，可减少热变形。在断续切削（如铣削）或使用切削液切削时，常常受到很大的热冲击（温度变化剧烈），使刀具内部产生裂纹而导致断裂，因而刀具材料应具备耐热冲击性。弹性模量大，可以降低因热变形而产生的交变应力幅度。(6) 良好的工艺性能。为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等等。(7) 经济性。经济性是刀具材料的重要指标之一，刀具材料的发展应结合本国资源。有的刀具（如超硬材料刀具）虽然单件成本很高，但因其使用寿命很长，分摊到每个零件的成本不一定很高。因此在选用时要考虑经济效果。【例2.2】 请回答W18Cr4V、YT15、YG8各属哪类刀具材料？适合加工何种工件材料？可在什么样的切削条件下加工？【分析】刀具材料的种类很多，但比较常用的刀具材料主要有：高速钢和硬质合金两类。高速钢中按不同的加工性能，可分为通用型高速钢和高性能高速钢。常用的硬质合金有两大类，国际标准的P类和K类，分别相当于国产牌号的YT类和YG类。根据刀具材料的性能可加工不同的工件材料。切削条件指的是连续切削还是断续切削，是精加工还是粗加工，这主要是由切削时刀具承受的冲击大小来选择韧性合适的刀具材料。【答案】W18Cr4V属于通用型高速钢。其含量分别是：C0.7%0.9%、W18%、Cr4%、V1%。适用于加工硬度在250280HBS以下的大部分结构钢和铸铁。切削普通钢料时，切削速度4060m/min；YT15属P类，属钨钴钛类（WCTiCCo）硬质合金。15表示合金中TiC含量15%，适合加工碳钢和合金钢，切削条件最宜在连续切削的半精加工和精加工中。YG8属K类，钨钴钛（WCCo）硬质合金。适于加工铸铁、有色金属及其合金，8表示含Co8%。切削条件可以是断续切削或粗加工。【例2.3】 如何根据不同的加工条件合理地选用刀具材料。【答案】加工条件包括工件材料，粗、精加工、是否连续切削、切削速度等，在选用时的基本原则是：（1） 冲击力大或断续加工时，应选用韧性好的高速钢或含钴量较多的YT15或YG8；（2） 高速切削时因切削温度高，应使用耐磨性好的硬质合金；（3） 加工铸铁因切屑呈崩碎状，切削力集中在刀刃附近，铸铁与YG类硬质合金亲和力差，所以应选用YG类硬质合金；（4） 粗、细加工时，高速钢材料都可以使用，对硬质合金却有差别，粗加工应先用韧性较好的YT5或YG8，而精加工则选用耐磨性好的YG3或YT30。【例2.4】 硬质合金刀具材料应如何选用？【答案】：YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及其合金、非金属材料。加工这类材料时，切屑呈崩碎块粒，对刀具冲击很大，切削力和切削热都集中在刀尖附近。YG类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性，可减少切削时的崩刃。同时，YG类合金的导热性能也较好，有利于从刀尖传出切削热，降低刀尖温度。在从低速到中速范围内切削时，YG类硬质合金刀具耐用度比YT类合金高。然而，由于YG类合金的耐热性较YT类合金差，切铸铁时如果切削速度太高，切削温度过高，其耐用度反不及YT类合金。此外，由于YT类合金的磨加工性较好，可以磨出较锐的切削刃，因此适于加工有色金属和纤维层压材料。YT类硬质合金适于加工钢料。加工钢料时，金属塑性变形很大，摩擦很剧烈，切削温度很高。YT类合金具有较高的硬度和耐磨性，尤其是有高的耐热性、抗粘结扩散能力和抗氧化能力，在加工钢时，刀具磨损较小，刀具耐用度较长。然而在低速切削钢料时，由于切削过程不太平稳，YT类合金的韧性较差，容易产生崩刃，这时其耐用度反不及YG类合金。因此，在不允许高速切削钢料的情况下，例如，在多轴自动机床上加工小直径棒料时，则可选用YG类合金。硬质合金中含钴量增多（WC、TiC含量减少）时，其抗弯强度和冲击韧性增高（硬度及耐热性降低），适合于粗加工；含钴量减少（WC、TiC含量增加）时，其硬度、耐磨性及耐热性增强（强度及韧性降低），宜用于精加工。在加工含钛的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和钛合金时，不宜采用YT类硬质合金。因为这类硬质合金中的钛元素和加工材料中的钛元素之间的亲和力产生严重的粘刀现象。这时切削温度高、摩擦系数也较大，因而会加剧刀具磨损。如选用YG类合金刀具加工，则切削温度较低、刀具磨损较小、加工表面粗糙度较小。在加工淬硬钢、高强度钢、奥氏体钢和高温合金时，由于切削力很大，切屑与前刀面接触长度很短，切削力集中在切削刃附近，易造成崩刃，因而，这时不宜采用强度较低、脆性较大的YT类合金，而宜采用韧性较好的YG合金。同时，由于这类加工材料的导热性差，热量易集中在刀尖处，而YG类合金的导热性较好，故有利于热量的传出和降低切削温度。YW类硬质合金主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。【例2.5】 按以下刀具材料、工件材料、加工条件进行刀具材料的合理选择刀具材料：YG3X、YG8、YT5、YT30、W18G4V。工件材料及切削条件：粗铣铸铁箱体平面、精镗铸铁箱体孔、齿轮加工的剃齿工序、45钢棒料的粗加工、精车40Cr工件外圆。【答案】1、YG8类合金可作为粗铣铸铁箱体平面的刀具材料，YG类硬质合金适合加工铸铁等脆性材料和有色金属；YG8为中晶粒合金，虽耐磨性比YG3X低，但韧性高于YG3X，具有很好的抗冲击性和抗振性。铣削为断续切削，冲击大，所以在YG类中选用YG8。2、精镗铸铁箱体孔的刀具材料选用YG3X，精镗属连续加工，切削力小，为保证工件的加工精度，刀具的耐磨性要好，故应选用细晶粒合金YG3X。3、齿轮加工剃齿工序所用的剃齿刀选用W18Cr4V为刀具材料。剃齿刀的形状比较复杂，剃齿工序又属精加工工序，所以为能制造出刃口比较锋利、形状复杂的刀具，应选用具有高强度和高韧性、良好的塑形和可磨性的高速钢作为刀具材料。所列刀具材料中，W18G4V为高速钢刀具材料。4、45钢棒料的粗加工选用YT5作为刀具的材料。加工45钢时，工件塑形变形大、摩擦剧烈、切削区温度高，所以，应选耐热性高的YT类硬质合金。YT类硬质合金的牌号数越小，其含TiC的量愈少，含Co量就愈高。含Co量高，其抗弯强度和冲击韧性就高，适合于粗加工。5、精车40Cr工件外圆选用YT30作为刀具材料。40Cr属合金钢，更具有切削温度高、刀具磨损快的切削加工性，所以，仍选用具有良好的耐热性和耐磨性的YT类硬质合金。精加工切削力小，可选用强度稍低的YT30。【例2.6】 如何根据刀具的复杂程度选择刀具材料【答案】：刀具材料不同，其性能也不同。高速钢刀具材料具有较硬质合金高的强度和韧性、良好的塑形和磨加工性，复杂刀具由于制造及刃磨较复杂，常选用高速钢材料；宜用于制造复杂刀具。而硬质合金则多以刀片形式被用作焊接刀具或机夹刀具。1.5 必备知识和考试要点1.5.3. 积屑瘤与切屑形状1、积屑瘤。当切削钢、球墨铸铁及铝合金等塑性材料时，在切削速度不高又能形成带状屑的情况下，常常会有一些从切屑和工件上下来的金属粘结(冷焊)聚积在刀具刃口及前刀面上，形成硬度很高的鼻形或楔形硬块，以代替刀具进行切削，这个硬块称为积屑瘤。2、切屑形状与特点带状屑：切削塑性材料、进给量较小、切削速度较高、刀具前角较大时，生成此类切屑。切屑底层表面光滑、顶层表面毛茸；此时的切削过程较平稳，已加工表面租糙度值较小。节状屑：切削塑性材料、切削速度较低、进给量(切削厚度)较大时产生节状屑。其特点是切屑底层表面有时有裂纹、顶层表面呈锯齿形。单元屑：切削塑性材料、前角较小(或为负前角)、切削速度较低、进给量较大时易产生单元屑。其特点是：剪切面上的剪切应力超过工件材料破裂强度时，则整个单元被切离成梯形单元。崩碎屑：切削脆性材料经常得到的切屑。其特点是：切屑呈不规则的碎块状；. 此时的已加工表面凸凹不平。1.5.4. 切削温度1、切削热与切削温度切削热和由它产生的切削温度是金属切削过程中又一重要物理现象。被切金属层在刀具的作用下，产生弹性和塑性变形而做功，同时前刀面与切屑，后刀面与加工表面之间的摩擦也要做功，这些功几乎都转换变成热。切削热可由切屑、工件、刀具和周围介质传导出去。2、切削温度及分布规律及其常用测量方法切削温度是指刀具与工件接触区域的平均温度。常用热电偶法测量。切削温度切削的分布特点：前刀面上温度最高处并不在切削刃口处，而是在距刃口有一定距离的位置。工件材料塑性越大，距离刃口处越远，反之越近。这是因为热量沿前刀面有个积累过程的缘故，这也是刀具磨损严重之处；切屑底层的温度梯度最大，说明摩擦热集中在切屑底层与前刀面的接触处。1.6 典型范例和答题技巧【例3.1】 画图表示切削塑形工件材料时，金属变形区是如何划分的？各变形区中的变形情况如何？【分析】1.变形区的划分。根据教科书中的“金属切削过程中的滑移线和流线示意图”大致画出例图3-1所示的三个区域。例图3-1三个变形区2.变形区的变形。由于第一变形区区域宽度很窄，故可看成一个面，被称之为剪切滑移面。显然第一变形区的变形，也就是在切削过程中，金属通过剪切滑移面时发生的剪切滑移变形。这一变形决定了切削的进行，使被切削工件的切削层转变成切削。第二变形区发生在切屑底层，相对于前刀面的位置。通过第一变形区变形后的金属在转变成切屑沿前刀面流出前发生的进一步变形。此时发生的变形是前刀面作用于切削的摩擦、挤压变形。第三变形区内的变形是受到刀刃的钝圆部分及后刀面的挤压、摩擦变形。在切削层经第一变形区剪切滑移变形后，若是理想切削刃（=0）的切削层，则全部转变成切屑。而实际当中，即刀尖钝圆的存在，使部分剪切滑移变形后的金属要挤压过刀尖钝圆处，而形成已加工表面。同时，没有发生剪切滑移变形的弹性变形金属在经过钝圆处后，恢复其弹性变形，使部分金属靠紧刀尖处的刀具后刀面。当切削进行时，该表层部分金属与后刀面发生摩擦、挤压变形。【答案】变形区的划分如例图3-1所示。第一变形区的变形为发生在剪切滑移面内的剪切滑移变形；第二变形区的变形为发生在切屑底层的挤压、摩擦变形；第三变形区的变形为发生在靠近切削刃钝圆及后刀面处的挤压、摩擦变形。【例3.2】 剪切角的概念是什么？通过李和谢夫公式可以定性说明哪些问题？【分析】剪切面的位置是表现切削变形程度的，剪切面的位置与很多因素有关，剪切面与切削速度方向的夹角叫剪切角。李和谢弗根据直线滑移线场理论推导出的近似剪切角公式。通过该公式可定性分析刀具前角、摩擦角与剪切角的关系。【答案】剪切角一般情况下第一变形区的宽度仅约0.020.2mm，所以可用一剪切面来表示。剪切面和切削速度的夹角叫做剪切角，用来表示。李和谢弗公式： 由该公式可知：1）当前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。2） 当摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形变大。所以提高刀具的刃磨质量，施加切削液减小前刀面上的摩擦对切削是有利的。【例3.3】 衡量切削层变形程度的方法能否真实反映出切削过程的全部变形实质？【答案】衡量切削变形的程度可以分别用变形系数、相对滑移和剪切角三个指标来衡量。变形系数切削厚度与切削层厚度之比，或切削层长度与切屑长度之比，愈大，变形就愈大。相对滑移单位长度上的相对滑移量，即剪切角剪切面与切削速度方向之间的夹角。角增大，变形减小。剪切角、相对滑移和变形系数是通常用以表示切屑变形程度的三种方法。它们是根据纯剪切的观点提出的。但切削过程是复杂的，它既有剪切，又有前刀面对切屑的挤压和摩擦作用（第二变形区），用这些简单的方式不能反映变形的实质。例如=1时，似乎表示切屑没有变形，但实际上有相对滑移存在。【例3.4】 推到出相对滑移和变形系数它们与剪切角的关系式【答案】1.相对滑移是单位长度上沿剪切面滑移的距离，表示为：例图3-2相对滑移与剪切角的关系求解相对滑移与剪切角的关系，如例图3-2所示：剪切面NH滑移到PG的位置时。，2.变形系数是切屑厚度与切削层厚度之比或而切削层长度与切屑长度之比，如例图3-3所示：，则有变形系数与剪切角的关系： 或例图3-3变形系数与剪切角的关系【例3.5】 什么是积屑瘤？什么是积屑瘤形成的条件？如何抑制积屑瘤？【分析】积屑瘤是切削过程中产生的一种物理现象，但是要有一定的条件才能生成。可以通过分析其生成的条件来提出控制积屑瘤的措施。注意准确回答积屑瘤的概念。【答案】1、在切削速度不高而又能形成连续带状切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，刀具前角很小或为负值时，工件、切屑的一部分金属冷焊在刀具的刀尖和前刀面上代替刀具进行切削的硬块称积屑瘤。2、积屑瘤的形成与切削速度、工件材料及产生粘结现象的条件有关。3、控制积屑瘤的生长可以采用如下措施：（1）降低切削速度，使切削温度降低，粘结现象不易发生。（2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤存在的相应温度。（3）采用润滑性能好的切削液，可减少摩擦，控制粘结。（4）增加刀具前角，以减小刀屑接触区的压力。（5）提高工件材料硬度，可减少加工硬化倾向。【例3.6】 为什么有时利用积屑瘤。而有时又必须控制积屑瘤？【答案】积屑瘤对切削过程的影响有利有弊，分析如下：1.会使实际前角增大。积屑瘤沾附在前刀面上比较典型的情况如例图3-4所示。它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起到积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。基于这一点可以利用积屑瘤改善切削过程；例图3-4积屑瘤前角和伸出量2.会使切削厚度增大。如例图3-4所示，积屑瘤使切削厚度增加了。由于积屑瘤的产生、成长与脱落是一个周期性的动态过程（例如每秒钟几十至几百次），值是变化的，因而易引起震动。这一点对切削过程不利。3. 会使加工表面粗糙度增大。积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排除，一部分留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。4.会影响刀具使用寿命。积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高刀具耐用度的作用。但在作用积屑瘤较不稳定的的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能是硬质合金刀具颗粒剥落，反而加大刀具的磨损。【例3.7】 切屑形成时为什么在长度方向上会产生收缩现象和卷曲现象？【答案】当切削层通过剪切面转变成切屑的瞬间，垂直于剪切面流出的切屑，始终受到的法向力的压缩作用以及前刀面的摩擦作用，因而使切屑的长度缩短、厚度膨胀。当切屑沿前刀面流出时，从力学观点来看，前刀面对切屑层金属所作用的压力对切屑产生一个弯曲力矩，从而使切屑产生卷曲。近期研究指出，前刀面上的切削合力与剪切面上的抵抗合力并不共线，从而使切屑产生卷曲。【例3.8】 影响切屑卷曲、折断的因素有哪些？【答案】在切削过程中金属材料会变形，如变形超过了材料的断裂应变，则切屑将自行折断。影响切屑卷曲折断的因素是：（1）被切削材料的屈服极限数值愈小，则弹性恢复少，愈容易折断。（2）被切削材料的弹性模量数值愈大时，愈容易折断。（3）被切削材料塑形愈低，愈容易折断。（4）切削厚度愈大，则应变增大，容易断屑，而薄切屑则难断。（5）背吃刀量增加，则断屑困难增大。（6）切削速度提高时，断屑效果降低。（7）刀具前角愈小，切屑变形愈大，容易折断。【例3.9】 加工塑性材料工件时，切屑变形受哪些因素的影响？【分析】在切削原理中，研究切削过程的现象的目的是要控制这些现象，提高工件表面加工质量、提高加工效率、提高刀具的耐用度，以降低工件的加工成本。哪些是影响切削力、切削温度、表面质量的因素，应着眼于切削过程的相关因素，如刀具材料及几何参数、工件材料的性能及可加工性、切削用量等。【答案】对于加工塑性材料，影响切屑变形的因素有：（1） 工件材料强度愈高，切屑变形愈小。这是因为工件材料强度愈高，摩擦系数愈小。由公式和可知，减小时（减小，），剪切角将增大，变形系数将减小。（2） 刀具前角愈大，切屑变形愈小。前角影响切屑流向，也影响切削合力的方向，也就是影响与切削速度的夹角，即。当前角增大时，作用角减小。由公式可知，前角增大，剪切角增大；剪切角增大，变形系数减小，所以切屑变形减小。（简答：变形）例图3.5切塑性材料是切削速度对变形的影响（3） 切削速度对切削变形的影响呈驼峰曲线，如例图3-5所示。在有积屑瘤的切削速度范围内，切削速度的影响主要是通过积屑瘤所形成的实际前角来影响切屑变形。在积屑瘤增长阶段中，积屑瘤随的增加而增大，积屑瘤愈大，其实际前角愈大，因而增加时减小。在积屑瘤消退阶段中，积屑瘤随的增加而减小，积屑瘤愈小，实际前角也愈小，变形随之增大，所以愈大，则愈大。积屑瘤消失时达最高值。积屑瘤最大时达最小值。例图3-6切削速度对剪切角的影响在无积屑瘤的切削速度范围内，愈大，则变形系数愈小。其原因是：因为塑性变形的传播速度较弹性变形的慢。即当切削速度低时，金属初始剪切面为OA，但当切削速度增高时，金属流动速度大于塑性变形速度，亦即在OA线尚未显著变形就已流到OA线上，使第一变形区后移，剪切角增大（见例图3-6）；因为对摩擦系数有影响，除低速情况外，愈大，则摩擦系数愈小，因此变形系数减小。例图3-7进给量与变形系数的关系（4）切削厚度及进给量。如例图3-7所示：在无积屑瘤时，愈大（）,则愈小，此时进给量是通过切削厚度影响切削变形。切削厚度增加时，正应力增加，由公式可知，正应力增加，前刀面上的摩擦系数减小，使与减小，因而增大，变形系数减小。【例3.10】 切削合力被分为三个互相垂直的分力，以车削为例解释各分力的概念与方向，并说明各分力的作用。【分析】作用在切削刃上的切削力是沿空间的某一方向，根据切削运动，可以将合力分解成沿各运动方向的分力。车削时的切削运动：主运动（切削速度）、进给运动（进给量），切深运动（背吃刀量）的三个运动方向互相垂直，切削力就是按照这三个方向进行分解的。车床完成上述三个方向运动的各运动机构的设计、计算可直接以各分力为依据参数。而钻削加工是把切削力分解成轴向力和扭矩，同样也是为了便于设计、计算机床功率、运动机构强度等问题。例图3-8切削力的分解【答案】切削合力方向为空间的某一方向，与切削运动中的三个运动方向均不重合。车削时的主运动（切削速度）方向、进给运动（进给量）方向、切深运动（背吃刀量）方向是相互垂直。车削时，将切削力沿车削时的三个运动方向分解成三个力（见例图3-8）。各分力的名称、定义及作用为：主切削力。它切于加工表面并与基面垂直。是计算车刀强度、设计机床零件、确定机床功率所必需的基本参数。进给力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行，与走到方向相反的力。是设计计算走刀进给机构所必需的参数。切深力或背向力、径向力、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。用来确定于工件加工精度有关的工件挠度，是计算机床零件盒车刀确定所必需的参数，也是导致工件在切削过程中振动的力。【例3.11】 结合切屑的形成分析切削力的来源。【分析】切屑是被切削的切削层经过剪切滑移面流经刀具的前刀面而成的。在这一过程中，金属切削层的变形可分为三个变形区，切削力的产生便是在这三个变形区内产生的金属变形抗力及摩擦抗力。所以分析切削力的来源，就是分析切削层转变成切屑时的变形。（书上原例图4-2）例图3-9【答案】在金属切削层转变为切屑这一过程中，金属切削层存在三个变形区。在第一变形区中产生剪切滑移变形；在第二变形区中产生挤压、摩擦变形；在第三变形区中产生挤压、摩擦变形。所以切削力是由克服作用在前、后刀面上的弹、塑性变形力和切屑底层作用在前刀面上的摩擦力以及已加工表面作用在后刀面上的摩擦力构成。见例图3-9【例3.12】 试分析在加工塑性工件材料时，切削用量是如何影响切削力的？【分析】切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量。分析时要分别以每个因素的影响来分析。这是因为各因素对切削力的影响规律是不同的。切削速度对切削力的影响可从两方面来分析：一部分为积屑瘤生成阶段，通过实际前角来分析；一部分为无积屑瘤阶段，通过摩擦系数来分析。背吃刀量、进给量对切削力的影响：一是、通过切削面积()对切削力的影响；二是、通过对变形系数对切削力的影响。【答案】切削用量包括三要素：、。对切削力的影响分析如下：（1）对切削力的影响呈驼峰曲线，如例图3-10所示。书上原例图4-3符号要修改例图3-10切削速度对切削的影响当较低时，I区内随着的增加，将减小，作用是因为此区生长积屑瘤，积屑瘤由小到最大，使前角由小到最大，由知，_，由知，又可从中，；区为积屑瘤由最大到消失区，即，随的增加而变小，故；区为无瘤区，或工件来不及变形，即，所以此区。（2）对切削力的影响。一方面根据公式得：，因为，所以有另一方面根据公式和公式，得：，有。综合结果为，但不成正比。从公式可看出，=0.70.8（3）对的影响且成正比，在指数公式中=1.0。【例3.13】 从机床功率的角度考虑是选择大的进给量好，还是选择大的背吃刀量好，为什么？【答案】从机床功率的角度考虑，应在保证切削效率的情况下尽量减少机床消耗的功率。由机床功率公式可知：在切削速度一定的情况下，机床的切削功率主要取决于切削时产生的切削力，根据切削力公式知进给量和背吃刀量两参数中，（=1.0，=0.70.8）知：背吃刀量对切削力影响比进给量对切削力的影响大，所以为提高生产效率，选用较大进给量优于选用较大的背吃刀量。【例3.14】 分析刀具前角、主偏角对切削力的影响【分析】刀具前刀面是切屑流经的表面。切屑在流经前刀面时要产生摩擦、挤压变形。切屑的变形影响切削力的大小。根据可定性分析刀具前角对切削力的影响。主偏角对切削合力的影响很小，主要从对两个分力、的影响进行分析（，）。【答案】1、前角对切削力的影响。在刀具的几何参数中，前角对切削力的影响最大。当加工钢时，切削力随前角的增大而减小。这是因为当前角增大时，剪切角增大，金属塑性变形减小，变形系数减小，从而使切削力减小。前角对切削力的影响程度随切削速度的增大而减小。当切削速度较高时，随着前角的减小，虽然切削力也要增大，但比低速时增大的程度小。这是因为高速时的切削温度增高，使摩擦、加工硬化程度和塑性变形都减小。当加工脆性金属（如铸铁、青铜）时，由于切屑变形和加工硬化很小，所以前角对切削力的影响不显著。例图3-11主偏角对主切削力的影响2、主偏角对主切削力的影响变化不大：是随着主偏角的增加，先减小后增加（见例图3-11）。其原因是：当切削面积不变时，主偏角增大，切削厚度也随之增大，切屑变厚，切削层的变形减小，因而主切削力也随主偏角的增大而减小。但当主偏角过大时，由于刀尖圆弧半径随着主偏角的增大，刀刃曲线部分的长度也随之增大，刀刃的不自由切削段是变化的，且都比直线切削刃的切削厚度小，所以变形力增加。同时，主偏角增大，副刃前角则随之减小的长度加大。而刀刃曲线部分各点的切削厚度小，也增大了副刃上的切削力，使增加书上原例图4-5符号要修改例图3-12 FD力的分解3、主偏角对背向力的影响是随着主偏角的增大而减小；对进给力的影响是随着主偏角的增大而增大，可从例图3-12得：，因为基面内的不变，所以、随着的变化而变化。【例3.15】 为什么要研究切削热的产生和传出？仅从切削热的产生多少能否说明切削区的温度？【答案】切削热的产生和传出决定切削区的切削温度，而切削温度又影响切削过程，影响刀具磨损、影响工件的加工精度和表面质量。产生切削热的多少取决于切削功功耗的多少。切削区的切削温度的高低不仅与产生的切削热多少有关，还与由刀具、切屑、工件及周围介质传出的热量多少有关。如果产生的热量多于传出的热量，切削温度就升高，反之，切削温度就降低。所以，仅以切削热产生的多少不能决定切削区的温度。【例3.16】 哪些因素影响切削温度？【分析】切削温度决定于产生的热量和传出的热量，所以要分析影响切削温度的因素要从产生热量而传出热量这两面来分析。有些因素的改变一方面使产生热量下降，同时又使传出的热量下降，所以对切削温度的影响最终是升还是降，要看综合的效果。【答案】1、切削热的来源与传出切削时切削层金属发生塑性变形以热的形势释放出来，切屑与前刀面之间、工件与后刀面之间强烈的摩擦也产生大量的热。所以，切削时的三个变形区是产生切削热的三个热源。切削热是由刀具、切屑、工件及周围介质传出的，由它们将切削热带着或从切削区传导出去。2、影响切削热产生的因素，切削热是力作功转变而来。那么影响切削力的因素也就是影响产生切削热的因素，包括工件材料、刀具材料刀具几何角度、和切削用量。3、影响切削热传出的因素有：切削热是由刀具、切屑、工件及周围介质传出的，所以工件材料、刀具材料、刀具的几何形状以及介质性能都影响到切削热的传出。【例3.17】 背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响是否一样？为什么？如何运用这一规律指导生产实践？【答案】1、背吃刀量对切削力和切削温度的影响不一样。背吃刀量增大1倍，主切削力就增大一倍，产生的热量也成倍增加，但对切削温度