数控工艺教案资料.doc

图1-1所示，采用刨削方法加工平面。 任务1.选择平面加工方法；2.选择刨刀几何参数。 本章知识（或技能）要点1.切削过程相关概念及其基本规律；2.金属切削刀具结构及材料；3.刀具几何参数的合理选择；4.常用切削加工方法 图1-1 刨削平面1.1.1 切削运动与切削要素 1.切削运动 为了切除工件上多余的金属，以获得形状、尺寸精度和表面质量符合要求的工件，除必须使用切削刀具外，且刀具和工件之间还必须作相对运动切削运动。图1-2列举了几种常见加工方法的切削运动。 （1）主运动 主运动是使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动，也是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动。在切削加工中，主运动可以是旋转运动，也可以是直线运动，如图1-2所示。一般切削加工中主运动只有一个。 （2）进给运动 进給运动是把切削层间断或连续投入切削的一种运动。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。 图1-2 常见加工方法的切削运动a)车外圆； b)刨平面； c)铣平面； d)钻孔； e)磨外圆 （3）合成切削运动 当主运动和进給运动同时进行时（如车削、铣削等），刀具切削刃上选定点与工件间的相对切削运动，是主运动和进給运动的合成运动，称为合成切削运动。图1-2 a）所示的外圆车削运动，c为切削刃上某点切削速度，f为同一点的进给运动速度，e为两个运动的合成速度。 2.工件上的加工表面 （1）待加工表面：工件上有待切除金属层的表面； （2）已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面； （3）过渡表面：主切削刃正在切削的表面。 3.切削要素 切削要素包括切削用量和切削层参数。 （1）切削用量三要素 切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素，各种常见切削加工的切削用量如图1-3所示。 1）切削速度c 切削速度c是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。当主运动为旋转运动时，切削速度计算公式如下：式中 c切削速度（m/min）； d 工件加工表面或刀具的最大直径（mm）； n 主运动的转速（r/min ）。 图1-3 各种常见切削加工的切削用量a) 车外圆；b)车端面；c)铣平面；d)钻孔；e)刨平面 2）进给量 f 进给量f是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具与工件在进給方向上的相对位移量。进给量的大小也反映了进给速度的大小，两者关系为 f= fn （1-2） 式中 f 进给速度（mm/min）； f 进給量（mm/r）； n 主运动的转速（r/min ）。 3）背吃刀量ap 背吃刀量ap是已加工表面与待加工表面之间的垂直距离。 车削外圆时 ap = （dwdm）/2 （1-3） 式中 ap 背吃刀量（mm）； dw 待加工表面直径（mm/r）； dm 已加工表面直径（r/min ）。 （2）切削层参数 切削过程中，刀具切削刃在一次进给（走刀）中，从工件待加工表面上切下的金属层，如图1-4所示，车刀从位置移到位置，所切下、之间的金属层称为切削层。 1）切削层公称厚度hD 切削层公称厚度hD是指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸。hD的大小反映了切削刃单位长度上的工作负荷。由图1-4可知 hD f sinr （1-4）式中 hD 切削层公称厚度（mm）； f 进給量（mm/r）； r 主偏角（）。图1-4 切削层参数2）切削层公称宽度bD 切削层公称宽度bD是指沿过渡表面度量的切削层尺寸。bD的大小反映了切削刃参加切削的长度。由图1-4可知 bD ap / sinr （1-5） 式中 bD 切削层公称宽度（mm）； ap 背吃刀量（mm）； r 主偏角（）。3）切削层公称横截面积AD 切削层公称横截面积AD是指在切削层尺寸平面内度量的横截面积。由图1-4可知ADhD bD ap f （1-6） 1.1.2 刀具切削部分的结构 1.刀具切削部分的几何要素 图1-5所示为外圆车刀的结构，其组成包括刀杆部分和刀头部分。刀杆部分用于在刀架上装夹；刀头部分用于切削，又称切削部分。刀具切削部分的组成要素如下： （1）前刀面A：切削过程中切屑流过的刀面。 （2）主后刀面A：与工件上过渡表面相对应的刀面，也称为后刀面。 （3）副后刀面 ：与工件上已加工表面相对应的刀面，也称为副后面。 （4）主切削刃S： 前刀面与后刀面的交线，它担负主要的切削工作。 （5）副切削刃 ：前刀面与副后面的交线，它配合主切削刃完成切削工作。 （6）刀尖：它是主、副切削刃的连接部位。 刀尖可以是主、副切削刃的实际交点（如图1-6 a）)；但为了提高刀尖强度并延长车刀使用寿命，实际中多将刀尖磨成圆弧（如图1-6 b）)或直线型过渡刃（如图1-6 c）)，即圆弧刀尖和倒角刀尖。图1-6 刀尖形式a)实际交点；b)圆弧型过渡刃；c) 直线型过渡刃 2.刀具的标注角度 （1）刀具静止角度参考系刀具静止角度参考系是指用于定义设计、制造、刃磨和测量刀具切削部分几何参数的参考系，又称为标注角度参考系，在此参考系中定义的角度称为刀具标注角度。刀具静止角度参考系是在假定条件下建立的参考系。1）假定运动条件 在建立参考系时，暂不考虑进给运动，即用主运动向量近似代替切削刃与工件之间相对运动的合成速度向量。 2）假定安装条件 假定刀具的刃磨和安装基准面垂直或平行于参考系的平面，同时假定刀杆中心线与进给运动方向垂直。例如对于车刀来说，规定刀尖安装在工件中心高度上，刀杆中心线垂直于进给运动方向等。 2.刀具的标注角度 （2）刀具静止参考系的坐标平面 作为一个空间参考系，它必须有确定的坐标平面。在静止参考系中，这样的坐标平面有三个：基面（ Pr ）、切削平面 (Ps) 和测量平面。 1）基面P r 基面Pr是通过切削刃上选定点，垂直于假定主运动方向的平面，如图1-7a）所示。 2）切削平面P s切削平面Ps是指通过切削刃上选定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面，如图1-7a）所示。无特殊情况，切削平面即指主切削平面。 图1-7 刀具静止角度参考系a)正交平面参考系和法平面参考系； b) 假定工作平面参考系和背平面参考系 3）测量平面 常用的测量平面有四个： 正交平面 Po （也称主剖面） 正交平面Po是通过切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面，如图1-7a）所示。 法平面 Pn （也称法剖面） 法平面Pn是通过切削刃上选定点垂直于切削刃的平面，如图1-7a）所示。 假定工作平面 Pf （也称进给剖面） 假定工作平面P f是通过切削刃上选定点平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面，如图1-7b）所示。 背平面 Pp （也称切深剖面） 背平面Pp是指通过切削刃上选定点，垂直于假定工作平面和基面的平面，如图1-7b）所示。以上测量平面可根据需要任选一个，然后与另两个基准平面（基面 P r和切削平面P s）共三个平面组成相应的参考系。如P rP s P o组成正交平面参考系（主剖面参考系）；P r P s P n组成法平面参考系（法剖面参考系）； P rP s P f组成假定工作平面参考系（进给剖面参考系）；P r P s P p组成背平面参考系（切深剖面参考系）。 对于副切削刃的静止参考系，也有同样的上述坐标平面。为区分起见，在相应符号可上方加“ ”。如 为副切削刃的正交平面，其余类同。如图1-8所示，正交平面参考系下车刀各标注角度如下： 前角o：在主切削刃选定点的正交平面P o内，前刀面与基面之间的夹角，正负规定如图1-8。 后角o：在正交平面P o内，主后刀面与切削平面之间的夹角，正负规定如图1-8。 主偏角r：主切削刃在基面上的投影与假定进给方向的夹角，它总是正值。 副偏角 ：副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角，它总是正值。 刃倾角s：在切削平面Ps内，主切削刃与基面的夹角，正负规定如图1-8。 副后角 ：在副切削刃选定点的副正交平面内，副后刀面与副切削平面之间的夹角，正负规定如图1-8。 同理，在法平面 P n有标注角度法前角n和法后角n；在假定工作平面 P f有标注角度侧前角f和侧后角f；在背平面 P n有标注角度背前角p和背后角p。图1-8 车刀标注角度3.刀具的工作角度 （1）刀具工作角度参考系 刀具工作角度参考系是在实际工作条件下建立的参考系，在此参考系中定义的角度称为刀具工作角度。工作角度参考系基准平面如下： 工作基面Pre：过切削刃选定点与合成切削速度 e垂直的平面。 工作切削平面Pse：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。 （2）影响刀具工作角度的因素 1）刀具安装位置对刀具工作角度影响刀刃安装高低对工作前、后角的影响 如图1-9所示，当切削点高于工件中心时，此时工作基面与工作切削平面与正常位置相应的平面成 角，由图可以看出，此时工作前角增大p 角，而工作后角减小p 角。Sinp 2h/d （1-7）图1-9 刀刃安装高低的影响刀杆中心与进给方向不垂直对工作主、副偏角的影响 如图1-10所示，当刀杆中心线与正常位置偏A角时，将引起工作主偏角re增大（或减小），工作副偏角减小（或增大），角度变化值为A角。 2）进给运动对刀具工作角度的影响 进给运动方向对工作主、副偏角的影响 如图1-11所示，当实际进给运动方向与假定进给运动方向偏A角时，将引起工作主偏角re增大（或减小），工作副偏角减小（或增大），角度变化值为A角。图1-10 刀杆中心偏斜的影响 图1-11 进给运动方向的影响 横向进给运动对工作角度的影响 如图1-12所示，车端面或切断时，主运动方向与合成切削运动方向的夹角为，这时工作基面Pre和工作切削平面Pse相对于静止参考系都要偏转一个附加的角度，导致工作前角增大角，而工作后角减小角。tanf /c f/d （1-8）纵向进给运动对工作角度的影响 如图1-13所示，车外圆或螺纹时，主运动方向与合成切削运动方向的夹角为f，这时工作基面Pre和工作切削平面Pse相对于静止参考系都要偏转一个附加的角度，导致工作前角增大角，而工作后角减小角。tantanfsinr f sinr /d （1-9） 式中 f 纵向进給量或螺纹的导程（mm/r）； d 工件选定点的直径（mm）； f 螺旋升角（）。图1-12 横向进给运动对工作角度的影响 图1-13 纵向进给运动对工作角度的影响1.2.1 刀具材料 1.刀具材料的基本要求 （1）高硬度和高耐磨性 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。 （2）足够的强度与冲击韧度 （3）高耐热性 刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。 （4）优良导热性 （5）良好的工艺性与经济性2.常用刀具材料 目前常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。 （1）高速钢 高速钢（又称锋钢，白钢）是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，具有较高的强度、韧性和耐热性，使用较广泛。高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢。 1）普通高速钢 普通高速钢具有一定的硬度（6267 HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性，切削钢料时切削速度一般不高于4060m/min，不适合高速切削和硬材料的切削。 2）高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢中增加碳、钒的含量或加入钴、铝等其它合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种，使用寿命为普通高速钢的13倍。表1-1 常用高速钢的牌号及其主要性能.类型高速钢牌号常温硬度/HRC抗弯强度/ MPa冲击韧性/(kJ/mm2)600下的硬度/ HRC 中国牌号习惯名称普通高速钢W18Cr4VT16265343029050.5W6Mo5Cr4V2M26366350040003004004748高性能高速钢W6Mo5Cr4V3M36567320025051.7W7Mo4Cr4V2Co5M4166682500-300023035054W6Mo5Cr4V2Al501钢6669300041002303505556110W1.5Mo9.5Cr4VCo8M4267692650373023029055.2W10Mo4Cr4VAl5F6钢6869301020054.2（2）硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达7882 HRC，能耐8501000的高温，切削速度可比高速钢高410倍。但其冲击韧度与抗弯强度远比高速钢差，因此较少做成整体式刀具。 1）硬质合金分类 切削刀具用硬质合金根据国际标准ISO分类，把所有牌号分成用颜色标志的三大类，分别用P、M、K表示。 K类 红色（包括K10K40），系单纯WC的硬质合金牌号，主要成分为WC+Co，适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料。国家标准为YG，牌号是由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成。例如，YG8，表示平均W（Co）8，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。P类 蓝色（包括P01P50),系高合金化的硬质合金牌号，主要成分为WC+TiC+Co，适于加工长切屑的黑色金属。国家标准为YT，其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成。例如，YT15，表示平均W（TiC） 15，其余为碳化钨和钴含量的钨钛钴类硬质合金。 M类 黄色（包括M10M40），系中合化的硬质合金牌号，主要成分为WC+TiC+TaC（NbC）+Co，适于加工长切屑或短切屑的黑色金属及有色金属。国家标准为YW，其牌号由“YW”（“硬”、“万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成，如 YW1。 在国际标准（ISO）中通常又分别在K、P、M三种代号之后附加01、05、10、20、30、 40、50等数字进行更进一步的细分。一般来讲，数字越小者，硬度越高、韧性越低；而数字越大，韧性越高、硬度越低。表1-2列出了国内常用各类合金的牌号和性能。牌 号牌号密 度/(g/cm2)硬 度/HRA抗弯强度/MPa使用性能或推荐用途YG3K0515.2015.4091.5140铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工，要求无冲击YG3XK0515.20-15.4092.0130细晶粒，铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工YG6K2014.85-15.0590.5186铸铁、有色金属及其合金的半精加工、粗加工YG6XK1014.85-15.0591.7180细晶粒，铸铁、有色金属及其合金的半精加工、粗加工YG8K3014.60-14.8590.0206铸铁、有色金属及其合金粗加工，可用于断续切削YT5P3011.50-13.2090.0175碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削YT14P2011.20-11.8091.0155碳素钢、合金钢的半精加工、粗加工，可用于断续切削时的精加工YT15P1011.10-11.6091.5150碳素钢、合金钢的半精加工、粗加工，可用于断续切削时的精加工YT30P019.30-9.7092.5127碳素钢、合金钢的精加工YW1M1012.85-13.4092.0138高温合金、不锈钢等难加工材料的精加工、半精加工YW2M2012.65-13.3591.0168高温合金、不锈钢等难加工材料的半精加工、粗加工（2）涂层硬质合金 涂层硬质合金刀片是在韧性较好的工具表面涂上一层耐磨损、耐溶着、耐反应的物质，使刀具在切削中同时具有既硬而又不易破损的性能。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。涂层的方法分为两大类，一类为物理涂层(PVD)；另一类为化学涂层(CVD)。 （3）陶瓷(Ceramics) 陶瓷刀具材料主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。 陶瓷刀具优点是具有很高的硬度和耐磨性，硬度达9195HRA，耐磨性是硬质合金的5倍；刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性。陶瓷刀具缺点是强度和韧性差，热导率低。此类刀具一般用于高速精细加工硬材料。 金属陶瓷(Cermet)又称为钛基硬质合金(亦有人称其为“瓷金”、“陶金”等)，既具有陶瓷材料的高硬度，又具有金属材料的强韧性，而且价格相对较为低廉。（4）立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼是以六方氮化硼为原料在高温高压下合成。CBN刀具的主要优点是硬度高（HV80009000），硬度仅次于金刚石，耐热性好（耐热温度可达14001500），较高的导热性和较小的摩擦系数。缺点是强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/51/2。 CBN刀具适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。 （5）聚晶金刚石(PCD) 聚晶金刚石(PCD)刀具具有如下优点：极高的硬度和耐磨性；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。金刚石刀具缺点是耐热性差，在700800 以上硬度下降很大，无法切削；与铁原子有很强的化学亲和作用，一般不易加工铁族金属；强度低，脆性大，对振动很敏感。 此类刀具主要用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。金属切削过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 1.切削变形 （1）切削变形的本质 实验研究表明，金属切削过程是一个类似于金属材料受挤压的变形过程。其本质是切削层在受到刀具前刀面的挤压而产生剪切滑移的塑性变形过程。 图1-14a）是普通挤压的示意图；图1-14b）是切削过程示意图，与挤压试验比较，差别在于工件仅切削层受挤压，DB以下有工件母体的阻碍，所以金属只沿DA方向滑移，这就是切削过程中的剪切面。a) b)图1-14 挤压与切削的比较a)挤压；b) 切削（2）三个变形区 1）第一变形区 切削层金属在刀具的挤压下首先将产生弹性变形，当最大剪切应力超过材料的屈服极限时，发生塑性变形，如图1-15所示，OA与OM之间的区域就是第一变形区。由于塑性变形的特点是晶格间的剪切滑移，所以这一变形区也称剪切区。 2）第二变形区 经第一变形区剪切滑移而形成的切屑沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区，如图1-15所示变形区。 3）第三变形区 从图1-15可以看出，在已加工表面处也形成了显著的变形层，这是工件已加工表面受到切削刃钝圆半径和后面的挤压和摩擦而产生塑性变形引起的，这一部分称为第三变形区。图1-15 三个变形区 （3）积屑瘤1）现象 在一定的条件下，切屑底层中的一部分金属停滞和堆积在切削刃口附近，形成硬块(如图1-16所示)，能代替切削刃进行切削，这个硬块称为积屑瘤。 2）形成 当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤。 3）影响 保护刀具 增大刀具前角 增大切削厚度 增大已加工表面粗糙度值 图1-16 积屑瘤 4）控制 切屑底层与前刀面发生粘结和加工硬化是积屑瘤产生的必要条件。一般说来，温度与压力太低，不会发生粘结；而温度太高，也不会产生积屑瘤。因此，切削温度是积屑瘤产生的决定因素。 控制切削速度，使切削温度避开积屑瘤产生的温度范围（一般为300400），就可减少积屑瘤的产生。用低速切削，使切削温度低，粘结现象不易发生；或用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度。 调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。 适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。 采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。（4）切屑的类型 根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同，通常将切屑分为以下四类(图1-17)。 （1）带状切屑（图1-17a） 切削塑性金属材料时，若切屑在滑移后尚未达到破裂程度，则形成连绵不断、底面光滑的带状切屑。 （2）挤裂切屑（图1-17b） 若切屑的滑移变形比较充分，以至达到破裂程度，产生一节节裂纹，但裂纹上下尚未贯穿，仅背面裂开，底面仍较光滑，称之挤裂切屑。 （3）单元切屑（图1-17c） 发生的裂纹上下贯穿时则称单元切屑。 （4）崩碎切屑（图1-17d） 切削脆性金属材料时，被切层在发生弹性变形后，即突然崩裂，形成崩碎切屑。图1-17 切屑的类型a) 带状切屑； b) 挤裂切屑； c) 单元切屑； d) 崩碎切屑 2.切削力 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。 （1）切削力的来源、合力、分解 切削时作用在刀具上的力，由以下两方面组成： 三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力； 切屑、工件与刀具间的摩擦力。 这些力的总和形成作用在刀具上的合力Fr （图1-18）。车外圆时，Fr又可分解为相互垂直的Fc、Fp、Ff三个分力(图1-19)。图1-18 作用在刀具上的力 图1-19 车外圆时的切削分力与合力 （1）切削力的来源、合力、分解1）Fc主切削力(或称切向力) 主切削力Fc是合力Fr在主运动方向上的分力，垂直于基面，是计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的依据。 2）Fp背向力 (或称径向力、切深抗力) 背向力Fp是合力Fr在垂直于进给运动方向上的分力，是验算工艺系统刚度得主要依据。此力的反力使工件发生弯曲变形，影响工件的加工精度，并在切削过程中产生振动。3）Ff进给抗力(或称轴向力、进给力) 进给抗力Ff是合力Fr在进给运动方向上的分力，是设计机床进给机构、计算刀具进给功率的依据。 由图1-19有： （1-10） 式中 Fpf 合力在基面上的投影，是Fp与Ff的合力（N）。 据实验，当r=45、s=0、o=15时，Fc、Fp、Ff之间有以下近似关系：Fp = (0.40.5) Fc （1-11）Ff = (0.30.4) Fc （1-12） 随着刀具几何参数、切削用量、工件材料和刀具磨损等情况的不同，Fc、Fp、Ff之间的比例也不同。（2）切削功率 切削过程中所消耗的功率称为切削功率Pc。 Pc （Fcc Ff nf /1000）/（601000） （1-13） 式中 Pc 切削功率（kW）； Fc 主切削力（N）； Ff 进给抗力（N）； c 切削速度（m/min）； n 工件转速（r/ min）； f 进给量（/ r）。 由于Ff消耗功率一般小于12，可以忽略不计，则 Pc Fcc/（601000） （1-14） 在设计机床选择电机功率PE时，应按下式计算PEPc / （1-15） 式中 PE机床电机功率（kW）； 机床传动效率，一般取0.750.85。（3）影响切削力的因素1）工件材料 一般材料的强度愈高，硬度越大，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大；强度、硬度相近的材料，塑性、韧性越大，所需的切削力也越大。 2）切削用量背吃刀量ap与进给量f 虽然背吃刀量与进给量对切削力的影响都成正比关系，但由于进给量的增大会减小切削层的变形，所以背吃刀量ap对切削力的影响比进给量f大。在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施。 切削速度c 切削速度对切削力的影响如图1-20。图1-20 切削速度对切削力影响 3）刀具几何参数刀具前角 在刀具几何参数中，前角o对切削力影响最大。切削力随着前角的增大而减小。这是因为前角的增大，切削变形与摩擦力减小，切削力相应减小。刀具主偏角r和刀尖圆弧半径r 主偏角对切削力Fc的影响不大，r60 o75o 时，Fc最小，因此，主偏角r75o 的车刀在生产中应用较多；主偏角r的变化对背向力Fp与进给力Ff影响较大，背向力随主偏角的增大而减小，进给力随主偏角的增大而增大，如图1-21所示。 刀尖圆弧半径增大，曲线上各点的平均r减小，切削变形增大，切削力也增大。所以r增大相当于r减小对切削力影响。刀具刃倾角s 试验表明，刃倾角s的变化对切削力Fc影响不大，但对背向力FP影响较大，如图1-22所示。图1-21 主偏角r对切削力的影响 图1-22 刃倾角s对切削力的影响 4）刀具材料与切削液 刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条件，陶瓷刀具切削力最小，硬质合金刀具次之，高速钢刀具切削力最大。切削液的正确应用，可以可减小摩擦，减小切削力。3.切削热与切削温度 （1）切削热的产生和传出 切削中所消耗的能量几乎全部转换为热量。三个变形区就是三个发热区(图1-23)，即切削热来自工件材料的弹、塑性变形和前、后刀面的摩擦。切削热主要通过切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）传出，如不考虑切削液，则各种介质的比例参考如下： 车削加工 切屑，5086；刀具，1040；工件，39；空气，1。切削速度越高，切削厚度越大，切屑传出的热量越多。 钻削加工 切屑，28；刀具，14.5；工件，52.5；空气5。图1-23 切削热的产生和传出 （2）切削温度及影响因素 切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度。 1）工件材料 工件材料主要通过本身的强度、硬度、导热系数等对切削温度产生影响。 2）切削用量 根据实验得到车削时切削用量三要素c、ap、f和切削温度之间关系的经验公式： 高速钢刀具(加工材料45钢)： （140170）afc （1-16） 硬质合金刀具(加工材料45钢)： 320afc （1-17） 上式表明，切削用量三要素c、ap、f 中，切削速度c对温度的影响最显著；其次是进给量f ；背吃刀量ap影响最小。3）刀具几何参数 影响切削温度的主要几何参数为前角o与主偏角r。前角o增大，切削温度降低。因前角增大时，切削力下降，切削热减少。主偏角r减小，切削宽度bD增大，切削厚度hD减小，刀具散热条件得到改善，因此切削温度也下降。 4）其它 刀具磨损量增大，切削温度增高；切削液可显著降低切削温度。4.刀具磨损与刀具使用寿命 （1）刀具正常磨损形式 刀具正常磨损形式主要有三种，如图1-24a）所示。 1）前刀面磨损 切削塑性材料，hD 0.5mm时，切屑与前刀面在高温、高压下相互接触，产生剧烈摩擦，以形成月牙洼磨损为主，其值以最大深度KT表示(图1-24b)。 2）后刀面磨损 切削脆性材料或hD 0.1mm的塑性材料时，切屑与前刀面的接触长度较短，其上的压力与摩擦均不大，而相对的刀刃钝圆使后刀面与工件表面的接触压力却较大，磨损主要发生在后刀面。其值以磨损带宽度VB表示(图1-24c)。 3）前、后刀面磨损，或边界磨损 切削塑性材料，hD0.10.5mm时，兼有前两种磨损的形式；加工铸、锻件，主切削刃靠近外皮处及副切削刃靠近刀尖处，因为hD减小、切削刃打滑，所以磨出较深的沟纹(图1-24)。图1-24 刀具正常磨损形式a) 磨损形式； b)前刀面磨损； c)后刀面磨损 （2）刀具正常磨损的原因 1）磨粒磨损 在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。 2）粘结磨损 刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。 3）扩散磨损 由于切削时高温作用，刀具与工件材料中的合金元素相互扩散，而造成刀具磨损。硬质合金刀具和金刚石刀具切削钢件温度较高时，常发生扩散磨损。 4）相变磨损 指工具钢在切削温度超过相变温度时，刀具材料中的金相组织发生变化，硬度显著下降而引起的磨损。5）氧化磨损 在高温下(700800)，空气中的氧易与硬质合全中的Co、WC发生氧化作用，产生脆弱的氧化物，被切屑和工件带走，使刀具磨损。 6）热电磨损 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。 在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。 在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。（3）刀具磨损过程及磨钝标准 1）磨损过程 图1-25是通过切削实验得到的刀具磨损过程。分三个阶段： 初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段图1-25 刀具磨损过程 图1-26 刀具磨钝标准 2）刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称磨钝标准。ISO统一规定，以1/2背吃刀量ap处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准(图1-26)。 自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为衡量刀具的磨钝标准，称刀具径向磨损量NB（图1-26）。 （4）刀具使用寿命 1）刀具使用寿命的概念 刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具使用寿命，以T表示。 刀具总使用寿命指刀具从开始使用到报废为止的总切削时间。2）影响刀具使用寿命的主要因素 切削用量对刀具使用寿命影响 通过实验，得出切削速度与刀具使用寿命之间（c-T）有如下数学关系：cTm = Co (1-18) 固定其它切削条件，只改变f、ap，分别得到与c-T类似的关系，再把式（1-18）综合在一起得 (1-19) 用YT15硬质合金车刀,以f0.70mm/r，切削b=0.637（GPa）的碳钢时，切削用量与T的关系为 (1-20) 由此看出，c对T的影响最大，f次之，ap最小。与三者对温度的影响顺序完全一致，反映了切削温度对刀具使用寿命有着重要的影响。刀具几何参数 增大前角，切削力减小，切削温度降低，刀具使用寿命提高。不过前角太大，刀具强度变低，散热变差，刀具使用寿命反而下降。 减小主偏角r与增大刀尖圆弧半径r，能增加刀具强度，降低切削温度，从而提高刀具刀具使用寿命。工件材料 工件材料的硬度、强度和韧性越高，刀具在切削过程中的产生的温度也越高，刀具使用寿命也越低。刀具材料 一般情况下，刀具材料红硬性越高，则刀具使用寿命就越高。刀具几何参数包括刀具几何角度、刀面形式、切削刃形状等。所谓合理几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具使用寿命，从而达到提高切削效率，降低生产成本的目的。 1.前角和前刀面形状的选择 （1）前角的作用 刀具前角是一个重要的刀具几何参数，其主要作用有： 影响切削区域的变形程度； 影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件； 影响切屑形态和断屑效果； 影响已加工表面质量。（2）前角的选择原则 在选择刀具前角时，首先应保证刀刃锋利，同时也要兼顾刀刃的强度。但两者又是相互矛盾的，需要根据生产现场的条件，考虑各种因素，选择一个合理值opt，以达到一平衡点。这里所说的opt是指保证最大使用寿命的o，在某些情况下未必是最适宜的。如出现振动时，为减振或消振，有时仍需增大o；在精加工时，考虑到加工精度和粗糙度，也可能重新选择适宜的o。图1-27 刀具磨损过程a)不同刀具材料； b)不同工件材料 刀具材料 刀具材料的不同，其强度和韧性也不同，强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。图1-27a）所示为刀具材料不同时，o的合理值opt。 工件材料 加工钢件等塑性材料时，切屑沿前刀面流出时和前刀面接触长度长，压力与摩擦较大，为减小变形和摩擦，一般选择大的前角。 加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接触短，切削力主要集中在切削刃附近，受冲击时易产生崩刃，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。 图1-28 b）所示为工件材料不同时，o的合理值opt。（3）前刀面形状 前刀面形状的合理选择，对防止刀具崩刃、提高刀具使用寿命和切削效率、降低生产成本都有重要意义。正前角锋刃平面型（图1-28a)） 特点是刃口较锋利，但强度差，o不能太大，不易折屑。 带倒棱的正前角平面型（图1-28b)） 特点是切削刃强度及抗冲击能力强，同样条件下可以采用较大的前角，提高了刀具使用寿命。 负前角平面型（图1-28c)） 特点是切削刃强度较好，但刀刃较钝，切削变形大。 曲面型（图1-28d)） 特点是有利于排屑、卷屑和断屑，而且前角较大，切削变形小，所受切削力也较小。 钝圆切削刃型（图1-28e)） 特点是切削刃强度和抗冲击能力增加，具有一定的消振作用。图1-28 前刀面形状a) 正前角锋刃平面型； b) 带倒棱的正前角平面型；c) 负前角平面型； d) 曲面型； e) 钝圆切削刃型 2.后角和后刀面形状的选择（1）后角的作用刀具后角也是一个重要的刀具几何参数，其主要作用有：影响后刀面与加工表面之间的摩擦；影响加工工件的表面质量；影响刀具使用寿命和刃口的强度。（2）后角的选择原则后角的选择主要考虑因素是切削厚度和切削条件。切削厚度 试验表明，合理的后角值与切削厚度有密切关系。当切削厚度hD（和进给量f）较小时，切削刃要求锋利，因而后角o应取大些。工件材料 工件材料强度或硬度较高时，一般采用较小后角。对于塑性较大材料，宜取较大的后角。脆性材料，可取小的后角。 选择后角的原则是，在不产生摩擦的条件下，应适当减小后角。（3）后刀面形状 双重后刀面 为减少刃磨后面的工作量，提高刃磨质量，在硬质合金刀具和陶瓷刀具上通常把后面做成双重后面，如图1-29a)所示。 带消振棱的后刀面 当工艺系统刚度较差，容易出现振动时，可以在车刀后面磨出ba10.10.3，o-5-10的消振棱，如图1-29b)。 带刃带的后刀面 对一些定尺寸刀具（如钻头、铰刀等），为便于控制刀具尺寸，避免重磨后尺寸精度的变化，常在后刀面上刃磨出后角为0的小棱边，称为刃带，如图1-29c)所示。 （4）副后角的选择 一般刀具的副后角通常等于后角o；但切断刀、切槽刀、锯片等的，因受其结构强度限制，只允许取小的，如l2。a) 图1-29 后刀面形状a) 双重后刀面； b) 带消振棱的后刀面；c) 带刃带的后刀面3.主、副偏角及刀尖形状的选择 （1）主偏角的选择 1）主偏角的作用 影响已加工表面残留面积的高度； 影响各切削分力的比例； 影响刀尖的强度和刀具使用寿命； 影响断屑。 2）主偏角的选择原则 根据工艺系统刚度 工艺系统刚度较好时（工件长径比lw/dw 6），主偏角r可以取小值。工艺系统刚度较差时（工件长径比lw/dw612），或带有冲击性的切削，主偏角r可以取大值。 根据工件加工要求 当车阶梯轴时，r90o；同一把刀具加工外圆、端面和倒角时，r45o。（2）副偏角的选择 副偏角的大小将对刀具使用寿命和加工表面粗糙度产生影响。副偏角的减小，将可降低残留物面积的高度，减小表面粗糙度值，同时刀尖强度增大，散热面积增大，提高刀具使用寿命。但副偏角太小又会使刀具副后刀面与工件的摩擦，使刀具使用寿命降低，另外引起加工中振动。 副偏角的选择原则是，在不影响摩擦和振动的条件下，应选取较小的副偏角，一般选择在515之间。切断刀、切槽刀等，因受其结构强度限制，只允许取小的，如l2。 （3）刀尖形状的选择 主切削刃与副切削刃连接的地方称为刀尖，该处是刀具强度和散热条件都很差的地方。为了增加刀尖强度，提高刀具使用寿命