1.1　切削加工基礎知識

1.1.1　任務1——機械制造過程的認知

任務描述

機械制造過程是一個復雜的系統(tǒng)概念，涉及的內容很多，包括機械制造理論及加工方法、加工設備等。本任務通過某制造企業(yè)生產(chǎn)如圖1-1所示減速器的生產(chǎn)流程的介紹，使學生能分析機械制造過程。

學習目標

①能夠說明機械制造過程所涉及的內容（生產(chǎn)流程、制造方法和質量控制等）。

②能夠說明機械制造過程涉及的設備。

③能夠準確判斷生產(chǎn)過程和工藝過程以及不同的生產(chǎn)類型。

相關知識

（1）生產(chǎn)過程

生產(chǎn)過程是一個很大的范疇，機械產(chǎn)品制造時，將原材料轉化為成品的所有勞動過程，稱為生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程可以指整臺機器的制造過程，也可以指某一部件或零件的制造過程。減速器在現(xiàn)代機械中應用極為廣泛，是在原動機和工作機或執(zhí)行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用。減速器的生產(chǎn)也不例外，其具體生產(chǎn)過程如圖1-2所示。

減速器由很多零件組成，主要由傳動零件（齒輪或蝸桿）、軸、軸承、箱體及其附件所組成。它的生產(chǎn)過程一般比較復雜，為了便于組織生產(chǎn)和提高勞動生產(chǎn)率，現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展趨勢是組織專業(yè)化生產(chǎn)，即機器的生產(chǎn)往往不是在一個工廠內單獨完成的，而是由許多工廠和車間聯(lián)合起來共同完成的，也可以采用外協(xié)的方式來加工完成。一個工廠將進廠的原材料制成該廠產(chǎn)品的過程即為該廠的生產(chǎn)過程，它可以分為若干個車間的生產(chǎn)過程。某一車間的成品可能是另一車間的原材料。

對于減速器的生產(chǎn)過程而言，其生產(chǎn)過程包括以下幾點。

①生產(chǎn)技術準備過程　這一過程完成產(chǎn)品投入生產(chǎn)前的各項生產(chǎn)計劃安排和技術圖樣準備。包括產(chǎn)品設計，工藝規(guī)程的編制和專用工裝設備的設計與制造，各種生產(chǎn)資料的準備和生產(chǎn)組織等方面的工作。產(chǎn)品設計是企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的核心，是一個創(chuàng)造性的綜合信息處理過程。產(chǎn)品設計是通過多種元素如線條、符號、數(shù)字、色彩等方式的組合把產(chǎn)品的形狀以一定的形式表達出來。是以某種目的或需要為主導，并轉換為一個具體的物理或工具的過程；是把一種設想通過具體的操作以理想的形式表達出來的過程。

工藝設計是指工藝規(guī)程和工藝裝備設計的總稱，是企業(yè)進行加工生產(chǎn)的重要組成部分。它含將工藝人員進行工藝規(guī)程編制、工藝裝備設計兩個主要部分，因此工藝設計在產(chǎn)品生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。工藝設計的基本任務是保證生產(chǎn)的產(chǎn)品能符合設計的要求，制定優(yōu)質、高產(chǎn)、低耗的產(chǎn)品制造工藝規(guī)程，制訂出產(chǎn)品的試制和正式生產(chǎn)所需要的全部工藝文件。包括：對產(chǎn)品圖紙的工藝分析和審核、擬定加工方案、編制工藝規(guī)程以及工藝裝備的設計和制造等。

②零件加工　零件加工包括坯料生產(chǎn)、機械加工、特種加工和熱處理等加工方法，使其成為合格零件的過程。根據(jù)加工過程中質量的變化，減速器相關零件的加工分為兩種類型。

a.材料成形加工。如鑄造、鍛造、擠壓、粉末冶金等。例如減速器的箱體就是鑄造而成的。減速器的毛坯采用鑄件，如圖1-3所示。鑄件容易成形，切削性能好，價格低廉，具有良好的耐磨性和減振性。

b.材料去除加工（切削加工）。是指利用切削刀具從工件上切除多余材料特種加工。常用的機械加工方法有：鉗工加工、車削加工、鉆削加工、刨削加工、銑削加工、鏜削加工、磨削加工、數(shù)控機床加工、拉削加工、研磨加工、珩磨加工等。減速器的軸類零件包括主動軸、中間軸和從動軸，如圖1-4所示的軸類零件首先就是利用車削加工從毛坯上去除多余材料，然后再利用磨削加工來提高加工質量和表面質量，從而達到使用要求。

除了上述兩種主要的加工方法外，有的零件需要特種加工，特種加工方法主要有：電火花成形加工、電火花線切割加工、電解加工、激光加工、超聲波加工等。只有根據(jù)零件的材料、結構、形狀、尺寸、使用性能等，選用適當?shù)募庸し椒?，才能保證產(chǎn)品的質量，生產(chǎn)出合格零件。

另外，一般零件加工的過程中，為了改變材料表面或內部的化學成分與組織，獲得所需性能，需要對金屬進行熱加工，即材料的熱處理。常用的熱處理方法有：正火、退火、回火、時效、調質、淬火等。

③檢驗　檢驗是采用測量器具對毛坯、零件、成品、原材料等進行尺寸精度、形狀精度、位置精度的檢測，以及通過目視檢驗、無損探傷、機械性能試驗及金相檢驗等方法對產(chǎn)品質量進行的鑒定。例如，減速器箱體毛坯的檢驗測量器具包括量具和量儀，如表1-1所示。常用的量具有鋼直尺、卷尺、游標卡尺、卡規(guī)、塞規(guī)、千分尺、角度尺、百分表等，用以檢測零件的長度、厚度、角度、外圓直徑、孔徑等。另外，螺紋的測量可用螺紋千分尺、三針量法、螺紋樣板、螺紋環(huán)規(guī)、螺紋塞規(guī)等。

④裝配調試　任何機械產(chǎn)品都是由若干個零件、組件和部件組成的。按照規(guī)定的技術要求，將若干個零件接合成部件或將若干個零件和部件接合成產(chǎn)品的勞動過程，稱為裝配。前者稱為部件裝配，后者稱為總裝配。它一般包括裝配、調整、檢驗和試驗、涂裝、包裝等工作。減速器的裝配也是如此，包括調整、試驗、檢驗、油漆和包裝等工作。常見的裝配工作內容包括：清洗、連接、校正與配作、平衡、驗收、試驗。

⑤入庫　為防止企業(yè)生產(chǎn)的成品、半成品及各種物料遺失或損壞，將之放入倉庫進行保管，稱為入庫。入庫時應進行入庫檢驗，填好檢驗記錄及有關原始記錄；對量具、儀器及各種工具做好保養(yǎng)、保管工作；對有關技術標準、圖紙、檔案等資料要妥善保管；保持工作地點及室內外應整潔，注意防火防濕，做好安全工作。

（2）工藝過程的組成

從上一節(jié)的減速器生產(chǎn)過程中可以看出，零件的加工是其核心部分，在生產(chǎn)過程中，凡屬直接改變生產(chǎn)對象的尺寸、形狀、物理化學性能以及相對位置關系的過程，統(tǒng)稱為零件的加工工藝過程；其他過程則稱為輔助過程。工藝過程又可分為鑄造、鍛造、沖壓、焊接、機械加工、熱處理、裝配等工藝過程。同一個零件，可以采用幾種不同的工藝過程來加工，把工藝過程的有關內容用文件的形式固定下來，用以指導生產(chǎn)，這個文件稱為工藝規(guī)程。

①工序　一個工人或一組工人，在一個工作地對同一工件或同時對幾個工件所連續(xù)完成的那一部分工藝過程，稱為工序。如圖1-5所示的階梯軸，其加工工序的劃分如表1-2所示。

機械零件的機械加工工藝過程由若干工序組成，毛坯依次通過這些工序，就被加工成合乎圖樣規(guī)定要求的零件。工序是工藝過程的基本組成部分，工序是制訂生產(chǎn)計劃和進行成本核算的基本單元。

②安裝　在同一工序中，工件在工作位置可能只裝夾一次，也可能要裝夾幾次。安裝是工件經(jīng)一次裝夾后所完成的那一部分工藝過程。例如，表1-2所列工藝過程的第2道工序，一般都要進行兩次裝夾，才能把工件上所有的外表面加工出來。從減小裝夾誤差及減少裝夾工件所花費的時間考慮，應盡量減少安裝數(shù)。

③工位　在同一工序中，有時為了減少由于多次裝夾而帶來的誤差及時間損失，往往采用轉位工作臺或轉位夾具。工位是在工件的一次安裝中，工件相對于機床（或刀具）每占據(jù)一個確切位置中所完成的那一部分工藝過程。

④工步　一個工序（或一次安裝或一個工位）中可能需要加工若干個表面；也可能只加工一個表面，但卻要用若干把不同的刀具輪流加工；或只用一把刀具但卻要在加工表面上切多次，而每次切削所選用的切削用量不全相同。工步是在加工表面、切削刀具和切削用量（僅指機床主軸轉速和進給量）都不變的情況下所完成的那一部分工藝過程。為了提高生產(chǎn)效率，機械加工中有時用幾把刀具同時加工幾個表面，這也被看作是一個工步，稱為復合工步。

⑤走刀　在一個工步中，如果要切掉的金屬層很厚，可分幾次切，每切削一次，就稱為一次走刀。

綜上分析可知，工藝過程的組成是很復雜的。工藝過程由許多工序組成，一個工序可能有幾個安裝，一個安裝可能有幾個工位，一個工位可能有幾個工步。

（3）生產(chǎn)類型及其工藝特征

①生產(chǎn)綱領　生產(chǎn)綱領是指企業(yè)在計劃期間應當生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進度計劃。計劃期通常情況下為一年，所以生產(chǎn)綱領常稱為年產(chǎn)量。零件的生產(chǎn)綱領應按式（1-1）計算：

N=Qn（1+a％）（1+b％）　?。?-1）

式中　N——零件的年產(chǎn)量，件/年；

Q——產(chǎn)品的年產(chǎn)量，臺/年；

n——每臺產(chǎn)品中該零件的數(shù)量，件/臺；

a％——該零件的備品率（備品百分率）；

b％——該零件的廢品率（廢品百分率）。

②生產(chǎn)類型　生產(chǎn)綱領的大小決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)類型，而各種生產(chǎn)類型下又具有不同的工藝特征，因此生產(chǎn)綱領是制定和修改工藝規(guī)程的重要依據(jù)。

根據(jù)加工零件的年產(chǎn)綱領和零件本身的特性（輕重、大小、結構復雜程度、精密程度等），將零件的生產(chǎn)類型劃分為單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)三種生產(chǎn)類型。

a.單件生產(chǎn)。產(chǎn)品種類很多，同一種產(chǎn)品的數(shù)量不多，生產(chǎn)很少重復，如新產(chǎn)品試制、專用設備制造等。

b.大量生產(chǎn)。產(chǎn)品的品種較少，數(shù)量很大，每臺設備經(jīng)常重復地進行某一工件的某一工序的生產(chǎn)，如汽車、手機、家電產(chǎn)品等。

c.成批生產(chǎn)。成批地制造相同零件的生產(chǎn)，稱為成批生產(chǎn)。每批制造的相同零件的數(shù)量，稱為批量。批量可根據(jù)零件的年產(chǎn)量及一年中的生產(chǎn)批數(shù)計算確定；一年中的生產(chǎn)批數(shù)，須根據(jù)零件的特征、流動資金的周轉速度、倉庫容量等具體情況確定。

生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)類型的關系隨產(chǎn)品的種類、大小和復雜程度不同而不同，表1-3所示為生產(chǎn)綱領和生產(chǎn)類型之間的關系。

不同的生產(chǎn)類型具有不同的工藝特征。在制定零件機械加工工藝規(guī)程時，必須首先確定生產(chǎn)類型，生產(chǎn)類型確定著工藝過程。不同生產(chǎn)類型的工藝特征如表1-4所示。

主題討論

某機床廠年產(chǎn)CA6140臥式車床2000臺，已知機床主軸的備品率為15％，機械加工廢品率為5％。試計算主軸的年生產(chǎn)綱領，并說明屬于何種生產(chǎn)類型，工藝過程有何特點？若一年工作日為280天，試計算每月（按22天計算）的生產(chǎn)批量。

自主學習

①“中國制造2025”規(guī)劃中，在從制造大國轉向制造強國的過程中，機械制造技術應該重視哪些領域的研究和拓展？

②3D打印技術是一種新型的制造技術，如何與傳統(tǒng)的機械制造技術融合？

③《工業(yè)“四基”人才長期匱乏：反思工科教育的不精不深》來源于光明日報，作者劉云系西南政法大學經(jīng)濟學院制度經(jīng)濟學研究所研究員，請查閱此文，從材料學、機械加工設備、人才培養(yǎng)和個人發(fā)展角度上對工業(yè)“四基”進行分析。

知識拓展

◆我國機械制造技術的發(fā)展趨勢

應對全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所需，各國相繼采取了很多措施來推進，中國政府在推進制造業(yè)的發(fā)展方面，也需要一個應對的藍圖。經(jīng)過60多年的快速發(fā)展，尤其是改革開放30多年的發(fā)展，中國的制造業(yè)已經(jīng)取得了巨大進步，在許多非常重要的領域已經(jīng)具有了全球的競爭力。

“中國制造2025”的關鍵，是要立足現(xiàn)實，突出重點，把規(guī)劃做細、做扎實。“所謂有所為、有所不為。只要在某些領域能完成突破，就能為未來打一個很好的基礎，讓中國制造‘十年磨一劍’，十年上一個新臺階！”

“中國制造2025”是應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的內容，將重點實施制造業(yè)創(chuàng)新中心建設、智能制造、工業(yè)強基、綠色發(fā)展、高端裝備創(chuàng)新五大工程，編制高端領域技術路線圖的綠皮書。中國制造業(yè)的總體發(fā)展思路是堅持走中國特色新型工業(yè)化道路，以促進制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質增效為中心，以加快新一代信息技術與制造業(yè)融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展和國防建設對重大技術裝備需求為目標，強化工業(yè)基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次人才體系，促進產(chǎn)業(yè)轉型升級，實現(xiàn)制造業(yè)由大變強的歷史跨越。

1.1.2　任務2——刀具切削部分的幾何角度的認知和分析

任務描述

刀具的幾何形狀除必要的尺寸外，主要使用的是刀具角度，機械加工所有刀具都可以外圓車刀基本結構演變而來。任務要求如下。

①明確外圓車刀的基本結構。

②能進行外圓車刀的刀具角度的測量。

學習目標

①能夠說明車刀切削部分的構成要素。

②能夠確定外圓車刀靜態(tài)角度的參考平面、參考系及車刀靜態(tài)角度。

相關知識

金屬切削過程就是工件和刀具相互作用的過程。刀具要從工件上切去一部分金屬，并在保證高生產(chǎn)率和低成本的前提下，使工件得到符合圖紙要求的形狀、尺寸精度和表面質量。金屬切削過程必須具備3個條件。

a.工件和刀具的相對運動為切削運動。

b.刀具材料必須有一定切削性能。

c.刀具必須有適合的幾何形狀、切削角度。

①切削運動　切削運動按照作用分為主運動和進給運動。

a.主運動。金屬切削過程中的主要運動，是從工件上切去切削層，使工件上形成新表面的運動。主運動的運動速度最好、消耗機床功率最多；主運動只有1個，由工件和刀具完成均可，如車削時工件的旋轉運動、鉆削時鉆頭的旋轉運動，分別如圖1-6（a）、（b）所示。

b.進給運動。使主運動能夠繼續(xù)切除工件上多余的金屬，以便形成工件表面所需的運動稱為進給運動。是多余材料不斷被投入切削，從而加工完整表面所需的運動，進給運動可以有一個或幾個，可連續(xù)，可間斷。如車削時車刀的縱向或橫向運動、鉆削時鉆頭的向下運動，分別如圖1-6（a）、（b）所示。進給運動速度小、消耗機床功率少。

c.切削過程工件表面。在金屬切削過程中，工件上不斷變化的3個表面，如圖1-7所示。

? 待加工表面。指工件上即將切除的表面。

? 已加工表面。指已切除金屬層形成的新表面。

? 過渡表面（加工表面）。指切削刃正在切削的表面。

②切削用量　切削用量是指切削速度、進給量和背吃刀量的總量，又稱為切削用量的三要素。

a.切削速度vc。是刀具切削刃上選定點相對于工件主運動的速度（主運動的線速度），也是用來衡量主運動大小的參數(shù)。計算時常用最大切削速度（最大表面的切削速度）代表刀具的切削速度。

? 外圓車刀車削外圓時的切削速度計算公式為：

式中　dw——工件待加工表面的直徑，mm；

n——工件的轉速，r/s或r/min。

? 內孔車削時的切削速度計算公式為：

式中　dm——工件已加工表面的直徑，mm；

n——工件的轉速，r/s或r/min。

b.進給量f。指在主運動每轉一轉或每一行程時，刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量。用來衡量進給運動的速度，單位是mm/r（用于車削、鏜削等）或mm/行程（用于刨削、磨削等）。

進給速度vf：單位時間刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，mm/s。

每齒進給量fz：多刃刀具，mm/齒。

vf=nf=nzfz　?。?-4）

式中　n——主運動的轉速，r/s；

z——刀具齒數(shù)。

c.背吃刀量（切削深度）ap。工件上已加工表面和待加工表面垂直距離。

? 外圓加工：

式中　dw——工件待加工表面的直徑，mm；

dm——工件已加工表面的直徑，mm。

? 鉆孔加工：

③切削層參數(shù)

a.切削層。從待加工表面切削下來的金屬。

b.切削層參數(shù)。垂直于合成切削金屬方向的平面內的參數(shù)，如圖1-8所示。其決定了刀具承受載荷的大小及其切削層的尺寸，還影響切削力和刀具磨損、表面質量和生產(chǎn)率。

? 切削厚度h。切削層厚度，指切削層中相鄰兩個加工表面之間的垂直距離。

? 切削寬度b。切削層寬度，指切削層沿加工表面測量的切削層尺寸。

? 切削層面積A。指切削厚度與切削寬度的乘積。如車削加工，切削層面積A=hb=fap。

④刀具結構　切削刀具是機械制造中用于切削加工的工具。刀具分為機用刀具和手用刀具兩種。由于機械制造中使用的刀具基本上都用于切削金屬材料，所以“刀具”一詞一般就理解為金屬切削刀具。

金屬切削刀具的種類很多，形狀各異，但是，從切削性能角度上來分析，所有刀具都可以視為從如圖1-9所示的外圓車刀基本結構演變而來。以下就以外圓車刀為例，介紹金屬切削刀具的各部分定義。

如圖1-9所示，外圓車刀由刀體和刀頭兩部分組成。各部分的具體作用如下。

a.刀體。刀具的夾持部分，加工時通過刀體將刀具固定在刀座位置上。

b.刀頭。刀具的切削部分，加工時承擔切削任務，由“三面兩刃一尖”組成。

? 前刀面。指刀具上與切屑接觸并相互作用的表面（即切屑流過的表面）。

? 主后刀面。指刀具上與工件過渡表面相對并相互作用的表面。

? 副后刀面。指刀具上與已加工表面相對并相互作用的表面。

? 主切削刃。指前刀面與主后刀面的交線，它完成主要的切削工作。

? 副切削刃。指前刀面與主后刀面的交線，它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。

? 刀尖。指主切削刃和副切削刃連接處的一段刀刃，它可以是小的直線段或圓弧。

不同類型的刀具，其刀面和刀刃的具體形式和數(shù)量各有不同，但是刀具切削部分基本結構由前刀面、主后刀面和一條主切削刃組成。以此為基礎，任何刀具都可以按照這樣的基本結構形式進行分析。

⑤刀具角度坐標系　刀具切削部分主要有刀面和刀刃組成，刀面和刀刃之間的幾何關系可以用其之間的幾何角度來確定，該角度稱為刀具角度。刀具角度是刀具設計、制造、刃磨和測量時所使用的幾何參數(shù)，是確定切削部分幾何形狀的重要指標。但是，刀面和刀刃之間的幾何角度不能簡單地確定，必須把刀具和工件以及切削運動聯(lián)系起來確定刀具角度，該角度稱為刀具的工作角度。在設計、繪圖和制造刀具時，所標注的角度稱為標注角度。標注角度實際上是在靜止假設條件下的角度，也稱為靜止角度。

僅僅通過刀面和刀刃不能確定刀具標注角度，必須在假定條件的基礎上建立靜止參考坐標系。假定條件如下。

a.假定運動條件。給出刀具假定主運動和假定進給運動方向，不考慮進給運動大小。

b.假定安裝條件。刀具安裝基準面垂直于主運動方向，刀體中心線和進給運動方向垂直，刀具刀尖與工件中心軸線等高。

靜止參考系有正交平面參考系、法平面參考系和假定工作平面參考系，最常用的刀具標注角度參考系是正交平面參考系，如圖1-10所示。

正交平面參考系由以下三個在空間相互垂直的參考平面構成。由于大多數(shù)加工表面都是曲面，不便于直接建立坐標系平面，因此，需要在切削刃上選擇選定點作為坐標原點，確定正交平面參考系如下。

a.基面Pr。指通過切削刃上選定點，垂直于該點切削速度方向的平面。通常平行于車刀的安裝面（底面）。

b.切削平面Ps。指通過切削刃上選定點，垂直于基面并與主切削刃相切的平面。

c.正交平面Po。指通過切削刃上選定點，同時與基面和切削平面垂直的平面。

⑥刀具標注角度　如圖1-11所示，在正交平面參考系中，可以定義刀具標注角度如下。

a.前角γ0。是正交平面內前刀面與基面間的夾角。

b.后角α0。是正交平面內主后刀面與切削平面間的夾角。

c.主偏角κr。是主切削刃在基面上的投影與進給運動方向間的夾角。

d.副偏角。是副后刀面在基面上的投影與進給運動反方向間的夾角。

e.刃傾角λs。是切削平面內主切削刃與基面間的夾角。

在正交平面參考系中定義了5個角度：前角γ0、后角α0、主偏角κr、副偏角r、刃傾角λs。對于與副切削刃有關的角度：副前角、副后角、副刃傾角s，其定義參照前角γ0、后角α0、刃傾角λs。

刀具的前刀面、后刀面及主切削刃的方位，可以用前角γ0、后角α0、主偏角κr、刃傾角λs4個角度確定。其中，確定了前角γ0和刃傾角λs前刀面的方位，主偏角κr和后角α0確定了后刀面的方位，主偏角κr和刃傾角λs確定了主切削刃的方位。

關于刀具角度正負的問題，根據(jù)ISO規(guī)定，在正交平面內，如果前刀面在基面之上，前角γ0為負值；前刀面在基面之下，前角γ0為正值；前刀面和基面重合，前角γ0為零值。后角α0也有正負之分，但切削加工中后角α0一般為正值，無零值和負值。

在刀尖是主切削刃上最高點時，刃傾角λs為正值；在刀尖是主切削刃上最低點時，刃傾角λs為負值；切削刃與基面重合時，刃傾角λs為零值。

主題討論

根據(jù)相關知識，討論并分析以下問題。

①圖1-12（a）所示為90°外圓車刀，在圖中確定其標注角度。

②圖1-12（b）所示為切斷車刀，在圖中確定其標注角度。

自主學習

①根據(jù)相關知識，對刀具角度進行測量，并完成表1-5所示內容。

②查閱相關資料，解釋副刃傾角。

知識拓展

刀具角度是在靜止角度參考系（即假定參考系）中反映的角度，稱為刀具靜止角度（刀具標注角度）。刀具靜止角度是在忽略進給運動的影響并假定刀桿軸線與縱向進給運動方向垂直以及切削刃選定點與工件等高的條件下確定的，而刀具在切削工作時，由于進給運動及刀具安裝方式的影響，使刀具工作時反映的角度并不是靜止角度。刀具實際切削時反映的角度稱為刀具工作角度，它應該考慮包括進給運動在內的合成運動和刀具的實際安裝狀況。

（1）進給運動對刀具工作角度的影響

①橫向進給運動　如圖1-13所示為刀具切斷工件時的情況，若不考慮刀具的進給運動，按照切削速度vc方向確定的基面和切削平面分別為Pr與Ps，即工作前角γ0e和工作后角α0e與刀具的前后角相等，刀具的切削平面和基面不發(fā)生變化。但在鏟背加工中，由于橫向進給量大，所以對車刀工作角度有明顯的影響，刀尖的運動軌跡為阿基米德螺旋線，這時切削平面為通過切削刃選定點并切于螺旋面的平面Pse，基面則為螺旋面的法向平面Pre，當?shù)毒咴诼菪矫鎯惹邢鲿r，從圖1-13中可以看出其工作角度的變化情況：工作前角γ0e增大，而工作后角α0e減小。

具體工作角度的計算式為：

γ0e=γ0+η　?。?-7）

α0e=α0-η　?。?-8）

η為合成切削速度角：

②縱向進給運動　刀具在車削方牙螺紋時，方牙螺紋兩側均為螺旋升角的阿基米德螺旋線。如果不考慮進給運動，則基面平行于刀桿底面，切削平面垂直于刀桿底面。如果考慮進給運動，左、右兩側工作切削平面中的合成速度切于阿基米德螺旋面，工作切削平面切于阿基米德螺旋面，從而使刀具工作角度發(fā)生變化，如圖1-14所示。刀具工作角度坐標系Pse-Pre傾斜了一個角度η，導致刀具的前角γ0e和后角后角α0e發(fā)生一定的變化（計算略去）。

（2）刀具安裝位置對刀具工作角度的影響

①刀桿中心線與進給方向不垂直對刀具工作角度的影響　當?shù)稐U的中心線和進給方向不垂直時，刀具的主偏角κr和副偏角將發(fā)生變化。如果刀桿如圖1-15所示向右側傾斜，將使工作主偏角κre增大，工作副偏角減??；如果刀具向左側傾斜，則使得工作主偏角κre減小，工作副偏角增大。

②刀具安裝高低對刀具工作角度的影響　車削外圓時，一般情況下，刀具的刀尖是和工件軸心等高的。如果刀尖高于或者低于工件軸線，則會引起基面和切削平面位置的變化，從而使刀具工作切削角度發(fā)生變化，如圖1-16所示。當?shù)都飧哂诠ぜS線時，工件切削平面為Pse，工作基面為Pre，則工作前角γ0e增大，工作后角α0e減??；當?shù)都飧哂诠ぜS線時，工件切削平面為Pse，工作基面為Pre，則工作前角γ0e減小，工作后角α0e增大。

1.1.3　任務3——刀具切削部分的幾何角度測量訓練

任務描述

使用車刀量角臺測量外圓車刀的角度。

學習目標

①能夠敘述車刀量角臺測量外圓車刀的原理。

②能夠敘述車刀量角臺測量外圓車刀角度的步驟。

③能夠使用車刀量角臺，測量車刀的前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角。

④能夠繪制車刀靜態(tài)角度圖，并標注出測量得到的各角度數(shù)值。

⑤能夠對測量的角度數(shù)據(jù)進行處理。

實施條件

①車刀量角臺測量。

②外圓車刀。

測量原理

（1）車刀量角臺結構

切削刀具是機械車刀的靜態(tài)角度，可以用車刀量角臺進行測量，其測量的方法是按照車刀靜態(tài)角度的定義，在刀刃選定點上，用量角臺的指針平面與構成被測角度的面或線緊密貼合，把要測量的角度測量出來。

車刀量角臺的結構如圖1-17所示。它主要由底座、立柱、測量臺、定位塊、大小刻度盤、大小指度片、螺母等組成。其中底座和立柱是支承整個結構的主體。

（2）車刀量角臺測量方法

將刀具放在測量臺上并靠緊定位塊，刀具可隨測量臺一起按順時針或逆時針方向旋轉，并能在測量臺上沿定位塊左右移動。

旋轉大螺母可使滑體上下移動，通過旋轉測量臺或大指度片的前面或底面或側面與刀具被測量要素緊密貼合，底座或刻度盤上讀出角度數(shù)值就是測量值。

測量外圓車刀幾何角度的步驟如下。

①調整原始位置　將量角臺的大小指度片及測量臺全部調至零位，將刀具放在測量臺上，使車刀貼緊定位塊、刀尖貼緊大指度片的大面，如圖1-18所示。

②測量主偏角κr和副偏角順時針旋轉測量臺，使主切削刃與大指度片的大面貼緊，如圖1-19所示，根據(jù)主偏角的定義，指度片旋轉讀數(shù)就是主偏角κr。同理，逆時針旋轉測量臺，使副切削刃與大指度片的大面貼緊，指度片旋轉讀數(shù)就是副偏角。

③測量刃傾角λs旋轉測量臺，使主切削刃與大指度片的大面貼緊，此時，大指度片與車刀主切削刃的切削平面重合。再根據(jù)刃傾角的定義，使大指度片底面與主切削刃貼合，如圖1-20所示，大刻度板的讀數(shù)就是刃傾角λs的數(shù)值。

④測量前角γ0和后角α0將測量臺從原始位置逆時針旋轉90°-κr，此時大指度片所在的平面即為車刀主切削刃上的主剖面。根據(jù)前角的定義，調節(jié)大螺母，使大指度片底面與前刀面貼合，如圖1-21所示。大刻度的讀數(shù)就是前角γ0的數(shù)值。測量后角時，量角臺處于上述同一位置，根據(jù)后角的定義，調節(jié)大螺母，使大指度片側面與后刀面貼合，如圖1-22所示，大刻度的讀數(shù)就是后角α0的數(shù)值。

任務實施

①分組：兩人一組。

②回答下列問題，確定測量方案，對車刀的主要角度進行測量，完成表1-6。

? 主切削刃如何確定？

? 基面如何確定？

? 刀具角度測量的順序是什么？

? 如何保證測量數(shù)據(jù)的精確度？

? 車刀靜態(tài)角度圖需要標注哪些內容？

任務評價

①編制小組匯報測量的方案，展示測量數(shù)據(jù)。

②說明測量的經(jīng)驗和教訓。

1.1.4　任務4——金屬切削過程及控制

任務描述

金屬切削的機械加工方式是當今主流的制造技術和方法，因此有必要分析金屬切削過程的瞬態(tài)切削狀況。圖1-23所示為車削加工的實際加工情況和溫度場有限元分析仿真模型，從圖中可知，為保證機械加工質量、提高生產(chǎn)效率和降低成本，需要重點分析以下幾個因素。

①刀具和工件之間的作用力。

②切削部分產(chǎn)生的切削熱和切削溫度。

③切屑的流向和控制方法。

④刀具的磨損和壽命。

學習目標

①能夠確定切屑的類型及其形成條件。

②能夠分析切削力、切削熱和溫度等因素的形成。

③能夠描述控制積屑瘤的方法。

相關知識

（1）切削過程

金屬切削過程是指在刀具和切削力的作用下，將工件上多余的金屬層通過切削加工形成切屑的過程，在這一過程中，始終存在著刀具切削工件和工件材料的相互作用，產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、積屑瘤、刀具磨損和加工硬化等。

實驗證明，對塑性金屬進行切削時，切屑的形成過程就是切削層金屬的變形過程，如圖1-24所示。當工件受到刀具的擠壓以后，切削層金屬在始滑移面OA以左發(fā)生彈性變形。在OA面上，應力達到材料的屈服強度，則發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。隨著刀具的連續(xù)移動，原來處于始滑移面上的金屬不斷向刀具靠攏，應力和變形也逐漸加大。在終滑移面上，應力和變形達到最大值。越過該面，切削層金屬將脫離工件基體，沿著前刀面流出而形成切屑。金屬的變形過程大致可以分為3個變形區(qū)。

①第一變形區(qū)Ⅰ　指從OA線到OM線內的區(qū)域，伴隨沿滑移線的剪切變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。

②第二變形區(qū)Ⅱ　指切屑與前刀面摩擦的區(qū)域，切削底層靠近前刀面處纖維化，流動速度減緩，切削彎曲，切削與刀具接觸溫度升高。

③第三變形區(qū)Ⅲ　指工件已加工表面與后刀面接觸的區(qū)域，存在纖維化與加工硬化，變形較密集。

（2）切屑

由于工件材料不同，切削條件各異，切削過程中生成的切屑形狀是多種多樣的。切屑的形狀主要分為帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎四種類型，如圖1-25所示。

①帶狀切屑　其內表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬時，在切削厚度較小、切速較高、刀具前角較大的工況條件下常形成此類切屑。

②節(jié)狀切屑　又稱擠裂切屑。它的外表面呈鋸齒形，內表面有時有裂紋。在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時常產(chǎn)生此類切屑。

③粒狀切屑　又稱單元切屑。在切屑形成過程中，如剪切面上的剪切應力超過了材料的斷裂強度，切屑單元從被切材料上脫落，形成粒狀切屑。

④崩碎切屑　加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類切屑。

前三種切屑加工塑性金屬時常見，形成帶狀切屑時，切削過程最平穩(wěn)，切削力波動小，已加工表面粗糙度較小；形成粒狀切屑時切削過程中的切削力波動最大。

影響切屑的主要因素如下。

①工件材料　工件材料的合金元素、硬度、熱處理狀態(tài)等影響切屑厚度及切屑卷曲。軟鋼比硬鋼形成切屑厚度大；硬鋼比軟鋼不易卷曲；不易卷曲切屑的厚度??；但當軟鋼切屑厚度太大時，也不易卷曲。

②刀具切削區(qū)幾何參數(shù)　前角與切屑厚度成反比，對于不同被加工材料有最佳值；主偏角直接影響切屑厚度與寬度，主偏角大易斷屑；刀尖圓弧半徑關系到切屑厚度與寬度以及流屑方向，精加工適宜用小的圓弧半徑，粗加工適宜用大的半徑。

③切削用量限定斷屑范圍　對斷屑影響較大的是進給量、背吃刀量，而切削速度在常規(guī)切削速度內對斷屑影響最小。進給量與切屑厚度成正比；背吃刀量與切屑寬度成正比；切屑速度與切屑厚度成反比，提高切削速度，有效斷屑范圍變窄。

④冷卻潤滑狀態(tài)　增加切削液，有效斷屑范圍變寬，特別是小進給斷屑易卷曲。利用切削液的高壓來斷屑、排屑是某些加工方法中的有效辦法，例如，在深孔加工中，高壓切削液可將切屑排出切削區(qū)。

⑤斷屑槽　寬度與進給量成比例選擇，進給量小選窄的，進給量大的選寬的；斷屑槽深度選擇與進給量成反比，小進給量選深的，大進給量選淺的。

為了保證生產(chǎn)效率，對斷屑控制的可靠性要求越來越高，特別是在數(shù)控車削方面。在加工那些高延展性材質的工件時，如果斷屑狀況不好，那么連續(xù)的切屑就會纏繞在工件和刀具上，如圖1-26所示。使刀具卷刃和更換次數(shù)過多，浪費生產(chǎn)時間，降低機床生產(chǎn)能力。

斷屑就是迫使延展性材質彎曲折斷的機械方法。利用刀具斷屑槽進行合理斷屑是斷屑過程中非常有效的一種斷屑手段。斷屑槽斷屑是利用材料的加工硬化和受沖擊、受擠壓而達到破壞強度的原理來斷屑的。刀片斷屑槽能使切屑按預先設定的方式進行卷曲、流動和折斷，使其形成“可接受”的良好屑形，從而實現(xiàn)對切屑的有效控制。如圖1-27示的凹脊、波紋、正弦曲線斷屑設計被熱壓進可轉位刀片，為車削提供了不同類型的斷屑控制選擇。

（3）切削力

金屬切削時，刀具使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需要的力稱為切削力，如圖1-28所示，切削力主要來源于3個方面：①克服加工材料對彈性變形的抗力；②克服加工材料對塑性變形的抗力；③克服切屑對前刀面摩擦力，后刀面對加工表面和已加工表面之間的摩擦力。

上述力的綜合就形成了切削力F，以外圓車削為例，為了便于測量和應用，將F分解為三個相互垂直的分力，如圖1-29所示。

?Fc：主切削力或切向力。與加工表面和基面垂直，消耗功率最大，是計算機床功率和設計機床等重要依據(jù)。

?Ff：進給力或軸向力。在基面上與工件軸線平行且與進給方向相反的力，是設計機床進給結構以及校核其強度必需的條件。

?Fp：切深抗力、吃刀力以及徑向力。處于基面上并與軸線垂直的力，用來確定與加工精度有關的工件撓度、計算機床零件和刀具強度。它與工件在切削過程中產(chǎn)生的振動有關。

影響切削力的因素很多，主要有以下幾個：工件材料、切削用量、刀具幾何角度、刀具材料、刀具磨損狀態(tài)和切削液等。

（4）切削熱和切削溫度

切削熱是金屬切削過程中的重要現(xiàn)象之一。切屑熱所消耗的能量，主要轉化為熱能。大量的切屑熱使得切削溫度升高，直接影響刀具的磨損和使用壽命，最終影響工件的加工精度和表面質量。

①切削熱的來源

a.切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形所消耗的能量，這是切削熱的重要來源。

b.切屑與前刀面、工件與后刀面間產(chǎn)生的摩擦熱。

因此，切削過程中產(chǎn)生了3個發(fā)熱區(qū)域：剪切區(qū)、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與加工表面接觸區(qū)，如圖1-30所示，3個發(fā)熱區(qū)域和3個變形區(qū)相對應。

②切削熱的傳導　切削熱由切屑、工件、刀具及周圍的介質（空氣、切削液）向外傳導。影響散熱的主要因素有以下幾個。

a.工件材料的熱導率。工件材料的熱導率高，由切屑和工件傳導出去的熱量就多，切削區(qū)溫度低。反之，切削區(qū)溫度高，刀具磨損快。

b.刀具材料的熱導率。刀具材料的熱導率高，切削區(qū)的熱量向刀具內部傳導快，可以降低切削區(qū)的溫度。

c.周圍介質。采用冷卻性能好的切削液能有效地降低切削區(qū)的溫度。

③切削溫度及其分布　切削溫度指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。前刀面的平均溫度可近似地認為是剪切面的平均溫度和前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度之和。影響切削溫度有很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損和切削液等。

金屬切削過程中，刀具、切屑和工件上的切削溫度的分布情況如圖1-31所示。

a.剪切面各點溫度近似相同。

b.前刀面和后刀面最高溫度不在刀尖上，而是在距離刀尖一定距離處。

c.在剪切區(qū)域內，由于切削速度增大，熱量來不及傳導，使得垂直剪切面方向上的溫度梯度大。

d.由于前刀面上的摩擦生熱主要集中在切屑底層，故在切屑靠近前刀面底層上的溫度梯度大。

e.后刀面的接觸長度小，溫度升降是在極短時間內完成的。

f.工件材料的塑性越大，則前刀面上的接觸長度越大，切削溫度分布越均勻；反之，脆性越大，則最高溫度距離刀刃越近。

g.工件材料熱導率越低，則刀具前、后刀面溫度越高。

（5）刀具磨損和刀具使用壽命

在金屬切削過程中，刀具在切削工件的同時，自身也會被磨損。刀具磨損之后，機械加工精度降低，表面粗糙度增大，并導致切削力增大、切削溫度升高，甚至會產(chǎn)生不良振動，導致切削不能正常進行。因此，刀具磨損是金屬切削過程必須關注的重點問題之一。

刀具失效的形式有磨損和破損兩類。刀具磨損是指刀具在正常的切削過程中，由于物理或者化學的作用，使刀具產(chǎn)生一定的磨損。

①刀具磨損形式　在金屬切削過程中，前、后刀面不斷和切屑、工件接觸，在接觸區(qū)存在著強烈摩擦，同時在接觸區(qū)存在著較高的溫度和壓力，隨著切削進行，前、后刀面產(chǎn)生磨損現(xiàn)象。刀具磨損主要形式有3種，如圖1-32所示。

a.前刀面磨損。切削塑性材料時，由于切削速度和切削厚度大，切屑和前刀面之間產(chǎn)生摩擦，在前刀面上磨出一個月牙洼，月牙洼磨損量以最大深度KT來表示，如圖1-33所示。

b.后刀面磨損。切削鑄鐵或切削速度v和背吃刀量ac較小的塑性材料時，主要發(fā)生這種磨損。后刀面磨損是指后刀面和加工表面之間產(chǎn)生摩擦，后刀面靠近切削刃部位被磨成小棱面，如圖1-34所示。后刀面磨損帶不均勻，刀尖部分磨損嚴重，最大值為VC；中間部位磨損較均勻，平均磨損寬度以VB表示；邊界處磨損嚴重，以VN表示。

c.邊界磨損。切削鋼料時，主刃、副刃與工件待加工表面或已加工表面接觸處磨出溝紋，稱為邊界磨損。邊界處的加工硬化層、硬質點由較大的應力梯度和溫度梯度所造成。在主切削刃靠近工件外皮處和副切削刃靠近刀尖處的后刀面上磨出深溝。

②刀具磨損過程　刀具磨損過程如圖1-35所示。

a.初期磨損階段。后刀面和工件接觸面小，故單位承受壓力較大；另外，刃磨后后刀面微觀凹凸不平，因此磨損較快。

b.正常磨損階段。后刀面和工件接觸面增大，故單位承受壓力減少；另外，刃磨后后刀面已磨平，因此磨損較慢，此階段為刀具有效工作階段。

c.急劇磨損階段。當磨損到一定程度，切削速度和切削力加劇增高，磨損速度加劇，直到喪失切割能力。在此階段必須換刀。

（6）刀具磨鈍標準

刀具磨損到一定程度不能使用，這個磨損程度稱為磨鈍標準。

①刀具耐用度。刃磨后的刀具從開始切削到磨損量達到磨鈍標準所經(jīng)歷的時間。

②切削用量對刀具耐用度的影響。

a.切削速度對其的影響。

b.進給量、背吃刀量與刀具耐用度的關系。

③刀具耐用度的選擇原則：高生產(chǎn)率和低成本。

a.刀具形狀復雜及制造成本高的耐用度要高。

b.可轉位刀具耐用度低一些。

c.多刀機床、組合機床的刀具耐用度高一些，保證刀具可靠性。

d.生產(chǎn)率限制車間生產(chǎn)率，可選用耐用度低一些的刀具，經(jīng)濟性不好的耐用度低一些。

e.對于大件精加工，為保證至少一次走刀，可考慮零件精度和粗糙度來決定耐用度。

主題討論

在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工一般鋼料或其他塑性材料時，常常在前刀面處粘一塊剖面呈三角狀的硬塊。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤或刀瘤，其形狀如圖1-36圓圈部分所示。

①積屑瘤產(chǎn)生的原因有很多，包括工件和刀具材料、溫度、壓力等，查閱相關資料，分析表1-7中的諸多因素對積屑瘤有何具體影響？

②積屑瘤會影響到金屬切削過程，分析積屑瘤對表1-8所示的諸多方面（刀具角度、切削厚度、工件表面質量和刀具壽命）有何影響？

③通過上述分析，說明積屑瘤在金屬切削過程中是有利還是有弊？如果有利，如何應用？如果有弊，如何控制？

自主學習

①怎樣對切屑狀態(tài)進行控制？

②硬質合金作為一種重要的刀具材料，有哪些種類？主要應用在哪些方面？

知識拓展

◆刀具材料

（1）刀具材料性能要求

從刀具使用角度來分析，對刀具材料性能的要求主要是耐磨性、強韌性、高溫、紅硬性等。而不同制造工藝有不同的刀具類型，不同刀具類型和不同加工條件對刀具的性能要求又有所不同?？傮w上來講，切削加工刀具材料應具備以下基本性能。

①足夠的硬度　刀具是從工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必須要高于工件材料的硬度，以在高溫、高壓下，保證刀具正確的幾何形狀。一般情況下，碳素工具鋼的硬度為62HRC；高速鋼的硬度為63～70HRC；硬質合金的硬度為89～93HRA。刀具材料的硬度大小順序為：金剛石>立方氮化硼>陶瓷>金屬陶瓷>硬質合金>高速鋼>工具鋼。

②足夠的強度和韌性　刀具切削部分的材料在切削時要承受很大的切削力、沖擊力和熱振動等，容易產(chǎn)生脆性斷裂和崩刃現(xiàn)象，因此必須要有足夠的強度和韌性。

③足夠的耐磨性　刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。一般來說，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。刀具金相組織中硬質點越多，顆粒越小，分布越均勻，則刀具耐磨性越好。

④足夠的耐熱性　刀具材料的耐熱性是指所能承受的高溫性能，刀具材料高溫硬度越高，耐熱性越好，在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強。

⑤工藝性能好　為了便于制造，刀具不僅具有良好的切削性能，還要求刀具材料應具備較好的可加工性。

⑥經(jīng)濟性好　性價比是評價新型刀具材料的重要指標之一，也是正確選用刀具材料、降低加工成本的重要依據(jù)之一。選擇刀具時，要考慮經(jīng)濟效果，以降低生產(chǎn)成本。

（2）常見刀具材料

刀具材料種類很多，主要有工具鋼（碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼）、硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。常見刀具材料是高速鋼、硬質合金。

①碳素工具鋼和合金工具鋼　如圖1-37所示的銼刀是用碳素工具鋼T12或T13經(jīng)熱處理后，再將工作部分淬火制成的。在碳素工具鋼中加入Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等合金，形成合金工具鋼（如9SiCr、CrWMn）。碳素工具鋼和合金工具鋼因耐熱性差，僅用于手工或者切削速度較低的刀具。

②高速鋼　高速鋼是含有較多含量的鎢、鉬、鉻、釩等元素的高合金工具鋼，其具有較高的硬度（62～67HRC）、韌性和耐熱性（切削溫度可達550～600℃），與碳素工具鋼和合金工具鋼相比較，高速鋼切削速度提高1～3倍，刀具壽命提高10～40倍，是目前應用最廣泛的刀具材料，適用于制造結構復雜的成形刀具、孔加工刀具等，如圖1-38所示。

③硬質合金　硬質合金是由難熔金屬的硬質金屬碳化物（WC和TiC等）和金屬黏結劑（Co和Ni）通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，其常溫硬度可達到89～92HRA，硬度和耐磨性在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度，切削速度是高速鋼的4～10倍。但是，其沖擊韌度和抗彎強度比高速鋼低，因此很少做成整體式刀具，實際應用中，常常將硬質合金作為刀片焊接或者機械夾固在刀體上來使用。

④涂層刀具材料　硬質合金或高速鋼刀具通過化學或物理方法在其上表面涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。

⑤其他刀具材料

a.陶瓷刀具。是以氧化鋁（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）為基體，再添加少量金屬，在高溫下燒結而成的一種刀具材料。

b.人造金剛石。它是碳的同素異形體，是目前最硬的刀具材料，顯微硬度達10000HV。