第一章第一章 刀具几何角度及切削要素刀具几何角度及切削要素第一节第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削用量第二节第二节 刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义第四节第四节 刀具角度的一面二角分析法刀具角度的一面二角分析法第三节第三节 刀具标注角度的换算刀具标注角度的换算第五节第五节 刀具的工作角度刀具的工作角度第六节第六节 切削层参数与切削方式切削层参数与切削方式一、切削运动与切削层一、切削运动与切削层切削运动切削运动直接完成切除加工余量任务，形成所需零件表面的运动，称为切削运动。包括主运动和进给运动。1、主运动、主运动。直接切除工件上的多余材料，使之转变为切屑，从而形成工件新表面的运动。主运动主运动通常只有一个，且速度和消耗功率较大。例如，车床上工件的旋转运动；龙门刨床刨削时，工件的直线往复运动；牛头刨床刨刀的直线往复运动等。第一节第一节 切削运动与切削用量切削运动与切削用量2、进给运动、进给运动将工件上的多余材料不断投入切削区进行切削以逐渐切削出零件所需整个表面的运动。进给运动进给运动一般有一个，也可多于一个，且速度和消耗功率较小。例如：车外圆时车刀纵向连续的直线运动，在牛头刨床上刨平面时工件横向间断的直线移动等。切削加工过程中，随着切削层（加工余量）不断被刀具切除，工件上有3个处于变动中的表面。（1）待加工表面工件上行将被切除的表面。（2）已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。（3）过渡表面工件上由切削刃正在切削着的表面，位于待加工表面和已加工表面之间，也称作加工表面或切削表面。图1-1车削运动、切削层及形成表面1待加工表面2过渡表面3已加工表面无论是主运动主运动还是进给运动进给运动，其基本运动形式均是连续的或间歇的直线运动或回转运动，由两者通过不同形式的组合，则可构成多种符合需要的切削运动；主运动主运动和进给运动进给运动可由刀具和工件分别完成（如车削和刨削），也可由刀具单独完成（如钻孔），但很少由工件单独完成；主运动主运动和进给运动进给运动可以同时进行（如车削、钻削），也可以交替进行（如刨平面、插键槽）； 3.3.切削层切削层 切切削削时时，刀刀具具切切过过工工件件的的一一个个单单程程所所切切除除的的工工件材料层。件材料层。 1切削速度（ms或mmin）切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。切削用量切削用量是指切削速度切削速度、进给量进给量f（或进给速度）和背吃刀量背吃刀量。三者又称为切削用量三要素。二、切削用量、切削时间与材料切除率二、切削用量、切削时间与材料切除率 计计算算切切削削速速度度时时，应应选选取取刀刀刃刃上上速速度度最最高高的的点点进进行行计计算算。主主运运动动为为旋旋转转运运动动时时，切削速度由下式确定切削速度由下式确定式中：d-工件或刀具的最大直（mm）n-工件或刀具的转速(r/s或r/min) 工工件件或或刀刀具具转转一一周周（或或每每往往复复一一次次），两两者者在在进进给给运运动动方方向向上上的的相相对对位位移移量量称称为为进进给给量量，其其单位是单位是mmmmr r（或（或mmmm双行程）。双行程）。2进给量进给量f式中：为进给速度；为每齿进给量3背吃刀量背吃刀量（mm）式中：-工件上待加工表面直径（mm）-工件上已加工表面直径（mm）4.切削时间切削时间tm切削时间tm（机动时间）指切削时直接改变工件尺寸、形状等工艺过程所需的时间，单位为min。图1-2车外圆时切削时间计算图Q=1000apfvc5.材料切除率Q单位时间内所切除材料的体积，是衡量切削效率高低的另一个指标，单位为mm3/min。三、三、合成切削运动与合成切削速度合成切削运动与合成切削速度1、合成切削运动：主运动与进给运动合成的运动。2、合成切削速度ve：切削刃选定点相对工件合成切削运动的瞬时速度。合成切削运动示意图在主运动和进给运动同时进行的切削加工中，如车在主运动和进给运动同时进行的切削加工中，如车外圆、钻孔、铣平面等，外圆、钻孔、铣平面等，常在选定点将两者按矢量常在选定点将两者按矢量加法合成，称为合成切削运动。加法合成，称为合成切削运动。第二节第二节刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义一、刀具的组成一、刀具的组成车刀车刀由切削部分（由切削部分（刀头刀头）和夹）和夹持部分（持部分（刀柄刀柄）两大部分组成。）两大部分组成。车刀切削部分的结构要素：包车刀切削部分的结构要素：包括三个切削刀面、两条切削刃括三个切削刀面、两条切削刃和一个刀尖。和一个刀尖。 图1-4车刀切削部分的构成1、刀面、刀面（1）前面，又称前刀面，即切屑流过的表面。（2）后面，又称后刀面，即与工件上经切削产生的表面相对的表面。后刀面分为主后面和副后面。习惯上所说的后面是指主后面。2、切削刃、切削刃（1）主切削刃主切削刃S：前面与后面的交线，承担主要切削工作，它在工件上切出过渡表面。（2）副切削刃副切削刃：前面与副后面的交线，配合主切削刃切除余量并形成已加工表面。3、刀尖、刀尖（1）刀尖圆弧半径r，它是在基面上测量的刀尖倒圆的公称半径。（2）倒角刀尖长度b。（3）刀尖倒角偏角。图1-5刀楔、刀尖形状参数a)刀楔及刀楔断面形状 b)刀尖形状建立静止参考系的条件建立静止参考系的条件二、刀具角度参考系二、刀具角度参考系1、正交平面参考系（静止参考系）正交平面参考系（静止参考系）构成静止参考系的参考坐标平面有以下几种：（1）基面基面（）：为过切削刃选定点，而且和该点假定主运动方向垂直的平面。（2）切削平面切削平面（）：为过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。（3）正交平面正交平面（）：又称正交剖面或主剖面，过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面（或过切削刃选定点并垂直于切削刃在基面上的投影的平面）。选定点在主切削刃上者为主正交平面，选定点在副切削刃上者为副正交平面。图1-6正交平面参考系（4）法平面法平面：又称法剖面，过切削刃上选定点且垂直于切削刃（若切削刃为曲线，则垂直于切削刃在该点的切线）的平面。（5）假定工作平面假定工作平面：又称横向平（剖）面，它是过切削刃上选定点，垂直于基面且与假定进给运动方向平行的平面。（6）背平面背平面：又称纵向剖面，它是过切削刃上选定点而同时垂直于基面和假定工作平面的平面。2 2、法平面参考系、法平面参考系法平面参考系由Pr、Ps、Pn三个平面组成。其中，法平面（Pn)是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。 图1-7 法平面参考系及刀具角度3 3、假定工作平面参考系、假定工作平面参考系假定进给平面假定进给平面Pf过切削刃选定点平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面。 假定切深平面假定切深平面（背平面）Pp过切削刃选定点既垂直假定工作平面又垂直于基面的平面。 图1-8 假定进给平面参考系及刀具角度（a）正交平面与法平面参考系（b）假定工作平面、背平面参考系各参考坐标平面的位置及相互关系各参考坐标平面的位置及相互关系正交平面、法平面、假定工作平面和背平面正交平面、法平面、假定工作平面和背平面又统称为测量平面。测量平面。用不同的测量平面分别与基面、切削平面组合就形成不同的参考坐标系，包括正交平面参考系、法平面参考系、假定工作平面和背平面参考系。1.正交平面参考系正交平面参考系（pr-ps-po）图图1-9 正交平面系及其角度正交平面系及其角度 2.法平面参考系法平面参考系（pr-ps-pn）图图1-7 法平面系及其角度法平面系及其角度 3.假定工作（进给）平面、背（切深）平面假定工作（进给）平面、背（切深）平面参考系参考系（pr-（ps）-pf-pp）图图1-8 1-8 假定工作假定工作( (进给进给) )平面、背平面、背( (切深切深) )平面参考系及其角度平面参考系及其角度 三、刀具角度三、刀具角度标注角度必须指明切削刃上的选定点，凡未经特殊注明的，均指切削刃上与刀尖毗连的那一点的角度。刀具角度是指在刀具静止参考系中度量标注的角度。（1）主偏角。主切削平面与假定工作平面间的夹角（或是主切削刃在基面内的投影与假定进给运动方向的夹角），在基面中度量标注。（2）副偏角。副切削平面与假定工作平面间的夹角（或是副切削刃在基面内的投影与假定进给运动副方向的夹角），在基面中度量标注。（3）刃倾角刃倾角。主切削刃与基面间的夹角，在主切削平面中度量标注。以过刀尖处的为基准，当位于之上时(其时刀尖位置最低)，规定0；当位于之下时(其时刀尖位置最高)，规定0；当位于内，则=0。可简记为“抬头为正，低头为负”。（4）前角前角。前面与基面间的夹角，在正交平面中度量标注。在正交平面中，当在之上时规定0；当在之下时规定0；当和重合时则=0。（5）后角后角。后面与切削平面间的夹角，在正交平面中度量标注。副后面与副切削平面间的夹角称副后角，记作，在副正交平面中度量标注。以主(副)切削平面为界，当主(副)后面位于()和工的过渡表面(已加工表面)相对的一侧时，规定后角(或副后角)为正，反之为负。后角均应取正值，因副后角刀具无法工作。（6）法前角法前角。前面与基面间的夹角，在法平面中度量标注。的正、负规定与相同。（7）法后角法后角后面与切削平面之间的夹角，在法平面中度量标注。的正、负规定与相同。（8）侧前角侧前角又称进给前角，它是前面与基面间的夹角，在假定工作平面中度量标注，其正、负规定与相同。（9）侧后角侧后角又称进给后角，它是后面与切削平面间的夹角，在假定工作平面中度量标注。的正、负规定与相同。（10）背前角背前角又称切深前角，它是前面与基面间的夹角，在背平面中度量标注，其正、负规定与相同。（11）背后角背后角又称切深后角，它是后面与切削平面之间的夹角，在背平面中度量。其正、负规定与相同。（12）楔角楔角是前、后面间的夹角，在正交平面中度量标注。由于，故有。（13）刀尖角刀尖角。主、副切削平面间的夹角，在中度量标注，显然：。国际标准化组织（国际标准化组织（ISO3002-1）已对车刀的标注作了规定。）已对车刀的标注作了规定。刀具基本角度标注第三节第三节刀具标注角度换算刀具标注角度换算刀具的角度标注通常采用正交平面参考系和法平面参考系，但在设计、制造、刃磨和检测中，常需知道主切削刃在其他测量面中的角度。在已知正交平面参考系的刃倾角、前角、后角、和主偏角、副偏角的情况下，计算其他参考坐标平面中的角度。由于切削刃上选定点确定后，在度量标注角度的不同参考系中，都有同一的基面和切削平面，所以在不同的参考系中主偏角、副偏角和刃倾角的数值都不变。因此，不同参考系间的刀具角度换算，就是确定同一选定点沿不同的测量面测量所得的前、后角数值之间的关系。一、正交平面、法平面系前、后角换算 图1-11 正交平面、法平面系前、后角换算如图1-11所示，刀具正交平面内的前角为，法平面内的前角为，刃倾角为，平面ABC切削平面，不难证明：BAC=。而所以(1-12)从数学观点看，前面和后面无本质区别，都是空间上一平面。前角是该平面与基面的夹角，后角是该平面与切削平面的夹角，两者互为余角，在式(1-12)中分别用(90、(90代替和，可得当（正交平面与法平面重合）时当时，即(1-13)正交平面与法平面角度关系二、垂直于基面的任一断面与正交平面的前、后角换算图1-12垂直于基面的任意断面前角所谓任意剖面是指通过切削刃上选定点，垂直于基面并与切削平面夹角的平面（用符号表示）。如图1-12所示，MGBE为通过切削刃上选定点M的基面，MEF为正交平面，MBC为任意剖面，MHCF为前刀面。平面BCFE切削平面，EF基面，BC基面。由图1-12几何关系不难证明：(1-14)同理，从数学观点看，前面和后面无本质区别。在式（1-14）中分别用(90、(90代替和，可得(1-15)当取不同特定的值时，可以得到一些特殊测量参考面内的前角、后角与正交平面内前角、后角的角度关系。（1）当，任意剖面与背平面重合，所以（2）当，任意剖面与假定工作平面重合，所以（3）当，任意剖面与副正交平面重合，所以（4）当，任意剖面与副切削平面重合，所以（5）当,任意剖面与切削平面或正交平面重合，这时或因此，可以说切削平面、副切削平面或正交平面是任意剖面的一种特殊位置。第四节刀具角度的一面二角分析法 确定任意一个平面的方位只需两个定向角度即确定任意一个平面的方位只需两个定向角度即可。所以，判断刀具切削部分需要标注的独立角度可。所以，判断刀具切削部分需要标注的独立角度的数量，可用一面二角分析法确定。的数量，可用一面二角分析法确定。1.直头外圆车刀需要标注6个独立角度2. 45弯头车刀需要标注8个独立角度。图1-1345弯头车刀a)车外圆b)车端面c)镗孔d)倒角3.切断刀需要标注8个独立角度。图1-14切断刀几何角度4.倒角刀尖、倒棱的参数图1-15倒角刀尖与倒棱前面的定向角第五节第五节 刀具的工作角度刀具的工作角度刀具的标注角度是在忽略进给速度的影响，且刀具安装在理想工作位置的情况下确定的。当刀具进入工作状态后，选定点的实际切削速度的方向以及刀具的实际安装位置相对于假定的理想状态发生了变化；而建立的工作参考系工作参考系（动态参考系）相对于标注相对于标注参考系参考系（静态参考系）在空间位置上也相应改变位置上也相应改变；因此，刀具的实际切削角度（即刀具的工作角度）和标因此，刀具的实际切削角度（即刀具的工作角度）和标注角度不一样。注角度不一样。一、刀具工作参考系及工作角度图1-16刀具工作参考系（1）工作）工作基面基面pre通过切削刃选定点垂直于合成切通过切削刃选定点垂直于合成切削速度方向的平面削速度方向的平面。（2）工作）工作切削平面切削平面pse通过切削刃选定点与切削刃通过切削刃选定点与切削刃相切，且垂直于工作基面的平面相切，且垂直于工作基面的平面。（3）工作）工作正交平面正交平面poe通过切削刃选定点，同时通过切削刃选定点，同时垂直于工作切削平面与工作基面的平面。垂直于工作切削平面与工作基面的平面。二、刀具安装对工作角度的影响1.刀柄偏斜对工作主、副偏角的影响图1-17刀柄偏斜对工作主、副偏角影响2.切削刃安装高低对工作前、后角的影响图1-18切断时切削刃高于工件中心对工作前、后角的影响刀具安装偏高对工作角度的影响车外圆：Ve方向变化Pre变若刀尖高于工件中心,如上图则：工作角度oe增大，oe减小即：oeooooo三、进给运动对工作角度的影响1.进给运动方向不平行工件旋转轴线时对工作主、副偏角的影响图1-19进给运动方向对工作主、副偏角的影响2.纵向进给运动对工作前、后角的影响图1-20纵车外圆时的工作前、后角图1-21梯形螺纹车刀工作前、后角a)工作角度分析 b)可转动刀架示意图图1.20纵向进给运动对工作角度的影响横向进给影响圆周切线方向阿基米德螺旋线的切线方向第六节第六节 切削层和切削方式切削层和切削方式 切削层：在各种切削加工中，刀具相对工件沿进给运动方向每移动一个进给量或移动一个每齿进给量，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层，也就是相邻两个过渡表面之间所夹着的一层金属。切削层的形状和尺寸直接决定了刀具切削部分所承受的载荷大小及切屑的形状和尺寸，所以必须研究切削层界面的形状和参数。一、切削层参数一、切削层参数图1-22切削层参数a)车外圆 b)车端面（1）切削层公称厚公称厚度度垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。（2）切切削削层公称宽度宽度切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。（3）切削切削层公称横截面积面积1. 1. 自由切削和非自由切削自由切削和非自由切削自由切削：自由切削：只有一个切削刃参加切削的情况称为自由只有一个切削刃参加切削的情况称为自由切削。宽刃刨刀刨削工件的情况就属于自由切削。切削。宽刃刨刀刨削工件的情况就属于自由切削。非自由切削非自由切削：由非直线切削刃或多条直线切削刃同时：由非直线切削刃或多条直线切削刃同时参加切削的情况称为非自由切削非自由切削。车外圆、参加切削的情况称为非自由切削非自由切削。车外圆、铣键槽等属于非自由切削。铣键槽等属于非自由切削。特点：特点：自由切削时，切削刃上各点的切屑流向大致相自由切削时，切削刃上各点的切屑流向大致相同，切屑变形简单；非自由切削时，切削刃上各点切同，切屑变形简单；非自由切削时，切削刃上各点切屑流向互相干扰，切屑变形复杂。屑流向互相干扰，切屑变形复杂。二、切削二、切削方式方式 (a)直角切削(b)斜角切削宽刃刨刀刨削工件2. 2. 直角切削和斜角切削直角切削和斜角切削直角切削直角切削：是指主切削刃与切削速度方向垂直的切削，：是指主切削刃与切削速度方向垂直的切削，这时主切削刃包含在基面内（刃倾角这时主切削刃包含在基面内（刃倾角 0 0），切屑），切屑流向与切削刃的法线方向相同。流向与切削刃的法线方向相同。斜角切削：斜角切削：是指主切削刃与切削速度方向不垂直的切是指主切削刃与切削速度方向不垂直的切削，这时主切削刃不包含在基面内削，这时主切削刃不包含在基面内( (刃倾角刃倾角 0 0) )，切屑流向偏离切削刃的法线方向。切屑流向偏离切削刃的法线方向。 生产中的切削方式大都属于斜角切削。如有刃倾生产中的切削方式大都属于斜角切削。如有刃倾角的外圆车刀、刨刀、镗刀、带螺旋角的圆柱平面铣角的外圆车刀、刨刀、镗刀、带螺旋角的圆柱平面铣刀、麻花钻、有螺旋槽的丝锥和铰刀等。刀、麻花钻、有螺旋槽的丝锥和铰刀等。图1-23斜角切削与实际前角