金属切削的基本知识
第2章金属切削的基本知识
金属切削加工是指在机床上通过刀具与工件按一定的规律作相对运动，从工件上切除多余的金属，从而获得所需要的尺寸、外形及加工精度的一种加工方法。研究金属切削的基本理论，掌握切削过程中出现的切削力、切削变形、切削热与切削温度、刀具磨损等现象及其规律，有利于控制和改善金属的切削过程。
本章基础知识部分主要介绍切削运动、切削过程、切削变形区、切削力、切削热和积屑瘤等。在学习切削原理基本知识时，应该重点弄清楚它们对切削加工的影响以及如何减少其不利影响。
第一节切削运动和切削用量
一、切削运动和工件加工表面
1.切削运动
金属切削加工时刀具和工件之间的相对运动，称为切削运动。图2－1表示车削外圆时车刀与工件的相互运动过程，整个切削运动由工件的旋转运动和车刀的连续轴向直线进给运动组成。
图2－2切削用量
1－待加工表面2－过渡表面3－已加工表面
1.切削速度v
切削刃上选定点相对于工件主运动的速度。切削速度单位是m /min 。当主运动是旋转运动时：
v ＝πdn 1000
(2－1) 式中，d 为工件待加工表面的直径，mm ；n 为主运动的转速，r /min 。
2.进给量f
刀具在进给方向上相对于工件的移动量，mm /r 或mm /行程。进给运动的大小有时也可以用进给速度v f 来表示。进给速度是指切削刃上选定点相对工件的进给运动的瞬时速度，mm /min 。
v f ＝f ·n (2－2)
式中，v f 为进给速度，mm /min ；n 为主运动的速度，r /min 。
3.背吃刀量a p
背吃刀量指在垂直于进给运动方向所组成的切削平面上测量的刀具与工件的接触长度的投影，单位是mm 。对于切削外圆，背吃刀量是已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，即：
a p ＝d w －d m 2
(2－3) 式中，d w 为工件上待加工表面的直径，mm ；d m 为工件上已加工表面的直径，mm 。
第二节 刀具切削部分的几何参数
一、刀具切削部分的组成
刀具种类很多，但它们却有共同的特征，都具有楔形的切削部分。不论什么刀具构造如何复杂，它们的切削部分总近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。因此，以普通外圆车刀为代表来确定切削部分的基本定义，也同样适合其他刀具。
车刀由刀杆和刀头组成(图2－3)，其切削部分的构造要素的名称及其定义如下：
图2－3 典型外圆车刀切削部分的组成
前刀面——切屑流过的表面。用A r 表示。前刀面分为主前刀面和副前刀面。与主切削刃毗邻的称为主前刀面；与副切削刃毗邻的称为副前刀面。
后刀面——后刀面分主后刀面和副后刀面。主后刀面指与工件过渡表面相对的表面，用A a表示；副后刀面指与工件已加工表面相对的刀面，用A′a表示。
图2－4刀尖的类型
切削刃——前刀面上直接进行切削的边锋。切削刃分主切削刃和副切削刃。主切削刃指前刀面与主后刀面的交线；副切削刃指前刀面与副后刀面的交线。
刀尖——主刀刃与副刀刃的交点或主切削刃与副切削刃间的过渡弧，也称过渡刃。刀尖的类型主要有切削刃交点、圆弧刀尖、倒棱刀尖等，如图2－4所示。
二、参考系的确定
要确定刀面和刀刃的空间位置，可用刀具的几何角度来表示，而要定义这些参考则需参照平面，由这些平面组成的平面系称为参考系。用于确定刀具角度的参考坐标系分为静态参考系和动态参考系。静态参考系是定义刀具标注角度的参考系，而动态参考系是确定刀具在运动中角度的基准，是定义刀具工作角度的参考系。
参考系和刀具角度都是对刀刃上某一点而言的，刀刃上不同的点应建立各自的参考系，表示各自的角度。这里主要介绍车刀正交平面参考系，如图2－5所示。
图2－5车刀正交平面参考系
(1)基面P r。通过切削刃上某选定点，与主运动假定方向垂直的平面。基面是刀具制造、刃磨、测量时的定位基准。
(2)切削平面P s。通过切削刃上某选定点，与刀刃相切并垂直于基面P r的平面。
(3)主剖面P o。通过切削刃上某选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。由此可知，主剖面垂直于主切削刃在基面上的投影。
主剖面参考系是由P r、P s、P o三平面相互正交，又称为正交剖面系。
三、刀具标注角度
刀具标注角度是刀具的重要几何参数，直接关系到刀具的性能、强度和耐用度等。现以外圆车刀为例，说明主剖面参考系中各标注角度的含义，如图2－6所示。
(1)前角γo。前刀面与基面之间的夹角，在主剖面P o中测量。前刀面与切削平面之间的夹角小于90°时，前角为正；大于90°时，前角为负；前刀面与基面平行时，前角为0°。
(2)后角αo。后刀面与切削平面间的夹角，也在主剖面P o中测量。后刀面与基面的夹角小于90°时，后角为正；大于90°时，后角为负。实际切削中，后角必须大于0°。
(3)主偏角k r。主切削刃在基面上的投影与假定进给方向间的夹角，在基面P r中测量。
(4)副偏角k′r。副切削刃在基面上的投影与假定进给方向间的夹角，也在基面P r中测量。
(5)刃倾角λs。主切削刃与基面之间的夹角，在切削平面P s中测量。当刀尖是切削刃上
最高点时，刃倾角为正；当刀尖是切削刃上的最低点时，刃倾角为负。刀具前、后角及刃倾角的正、负判断法，如图2－7所示。
图2－6主剖面标注系统的刀具角度
楔角βo。前刀面与主后刀面之间的夹角，在主剖面P o中测量。即βo＝90°－(αo＋γo)。
(7)刀尖角εr。主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角，在主剖面P o中测量。即εr＝180°－(k r＋k r′)。
上述各角度中，前五个为刀具的基本角度，其余几个由这5个角度派生而来。