1.1　切削加工基础知识

1.1.1　任务1——机械制造过程的认知

任务描述

机械制造过程是一个复杂的系统概念，涉及的内容很多，包括机械制造理论及加工方法、加工设备等。本任务通过某制造企业生产如图1-1所示减速器的生产流程的介绍，使学生能分析机械制造过程。

学习目标

①能够说明机械制造过程所涉及的内容（生产流程、制造方法和质量控制等）。

②能够说明机械制造过程涉及的设备。

③能够准确判断生产过程和工艺过程以及不同的生产类型。

相关知识

（1）生产过程

生产过程是一个很大的范畴，机械产品制造时，将原材料转化为成品的所有劳动过程，称为生产过程。生产过程可以指整台机器的制造过程，也可以指某一部件或零件的制造过程。减速器在现代机械中应用极为广泛，是在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用。减速器的生产也不例外，其具体生产过程如图1-2所示。

减速器由很多零件组成，主要由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、箱体及其附件所组成。它的生产过程一般比较复杂，为了便于组织生产和提高劳动生产率，现代机械工业的发展趋势是组织专业化生产，即机器的生产往往不是在一个工厂内单独完成的，而是由许多工厂和车间联合起来共同完成的，也可以采用外协的方式来加工完成。一个工厂将进厂的原材料制成该厂产品的过程即为该厂的生产过程，它可以分为若干个车间的生产过程。某一车间的成品可能是另一车间的原材料。

对于减速器的生产过程而言，其生产过程包括以下几点。

①生产技术准备过程　这一过程完成产品投入生产前的各项生产计划安排和技术图样准备。包括产品设计，工艺规程的编制和专用工装设备的设计与制造，各种生产资料的准备和生产组织等方面的工作。产品设计是企业产品开发的核心，是一个创造性的综合信息处理过程。产品设计是通过多种元素如线条、符号、数字、色彩等方式的组合把产品的形状以一定的形式表达出来。是以某种目的或需要为主导，并转换为一个具体的物理或工具的过程；是把一种设想通过具体的操作以理想的形式表达出来的过程。

工艺设计是指工艺规程和工艺装备设计的总称，是企业进行加工生产的重要组成部分。它含将工艺人员进行工艺规程编制、工艺装备设计两个主要部分，因此工艺设计在产品生产中占有举足轻重的地位。工艺设计的基本任务是保证生产的产品能符合设计的要求，制定优质、高产、低耗的产品制造工艺规程，制订出产品的试制和正式生产所需要的全部工艺文件。包括：对产品图纸的工艺分析和审核、拟定加工方案、编制工艺规程以及工艺装备的设计和制造等。

②零件加工　零件加工包括坯料生产、机械加工、特种加工和热处理等加工方法，使其成为合格零件的过程。根据加工过程中质量的变化，减速器相关零件的加工分为两种类型。

a.材料成形加工。如铸造、锻造、挤压、粉末冶金等。例如减速器的箱体就是铸造而成的。减速器的毛坯采用铸件，如图1-3所示。铸件容易成形，切削性能好，价格低廉，具有良好的耐磨性和减振性。

b.材料去除加工（切削加工）。是指利用切削刀具从工件上切除多余材料特种加工。常用的机械加工方法有：钳工加工、车削加工、钻削加工、刨削加工、铣削加工、镗削加工、磨削加工、数控机床加工、拉削加工、研磨加工、珩磨加工等。减速器的轴类零件包括主动轴、中间轴和从动轴，如图1-4所示的轴类零件首先就是利用车削加工从毛坯上去除多余材料，然后再利用磨削加工来提高加工质量和表面质量，从而达到使用要求。

除了上述两种主要的加工方法外，有的零件需要特种加工，特种加工方法主要有：电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、激光加工、超声波加工等。只有根据零件的材料、结构、形状、尺寸、使用性能等，选用适当的加工方法，才能保证产品的质量，生产出合格零件。

另外，一般零件加工的过程中，为了改变材料表面或内部的化学成分与组织，获得所需性能，需要对金属进行热加工，即材料的热处理。常用的热处理方法有：正火、退火、回火、时效、调质、淬火等。

③检验　检验是采用测量器具对毛坯、零件、成品、原材料等进行尺寸精度、形状精度、位置精度的检测，以及通过目视检验、无损探伤、机械性能试验及金相检验等方法对产品质量进行的鉴定。例如，减速器箱体毛坯的检验测量器具包括量具和量仪，如表1-1所示。常用的量具有钢直尺、卷尺、游标卡尺、卡规、塞规、千分尺、角度尺、百分表等，用以检测零件的长度、厚度、角度、外圆直径、孔径等。另外，螺纹的测量可用螺纹千分尺、三针量法、螺纹样板、螺纹环规、螺纹塞规等。

④装配调试　任何机械产品都是由若干个零件、组件和部件组成的。按照规定的技术要求，将若干个零件接合成部件或将若干个零件和部件接合成产品的劳动过程，称为装配。前者称为部件装配，后者称为总装配。它一般包括装配、调整、检验和试验、涂装、包装等工作。减速器的装配也是如此，包括调整、试验、检验、油漆和包装等工作。常见的装配工作内容包括：清洗、连接、校正与配作、平衡、验收、试验。

⑤入库　为防止企业生产的成品、半成品及各种物料遗失或损坏，将之放入仓库进行保管，称为入库。入库时应进行入库检验，填好检验记录及有关原始记录；对量具、仪器及各种工具做好保养、保管工作；对有关技术标准、图纸、档案等资料要妥善保管；保持工作地点及室内外应整洁，注意防火防湿，做好安全工作。

（2）工艺过程的组成

从上一节的减速器生产过程中可以看出，零件的加工是其核心部分，在生产过程中，凡属直接改变生产对象的尺寸、形状、物理化学性能以及相对位置关系的过程，统称为零件的加工工艺过程；其他过程则称为辅助过程。工艺过程又可分为铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、装配等工艺过程。同一个零件，可以采用几种不同的工艺过程来加工，把工艺过程的有关内容用文件的形式固定下来，用以指导生产，这个文件称为工艺规程。

①工序　一个工人或一组工人，在一个工作地对同一工件或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程，称为工序。如图1-5所示的阶梯轴，其加工工序的划分如表1-2所示。

机械零件的机械加工工艺过程由若干工序组成，毛坯依次通过这些工序，就被加工成合乎图样规定要求的零件。工序是工艺过程的基本组成部分，工序是制订生产计划和进行成本核算的基本单元。

②安装　在同一工序中，工件在工作位置可能只装夹一次，也可能要装夹几次。安装是工件经一次装夹后所完成的那一部分工艺过程。例如，表1-2所列工艺过程的第2道工序，一般都要进行两次装夹，才能把工件上所有的外表面加工出来。从减小装夹误差及减少装夹工件所花费的时间考虑，应尽量减少安装数。

③工位　在同一工序中，有时为了减少由于多次装夹而带来的误差及时间损失，往往采用转位工作台或转位夹具。工位是在工件的一次安装中，工件相对于机床（或刀具）每占据一个确切位置中所完成的那一部分工艺过程。

④工步　一个工序（或一次安装或一个工位）中可能需要加工若干个表面；也可能只加工一个表面，但却要用若干把不同的刀具轮流加工；或只用一把刀具但却要在加工表面上切多次，而每次切削所选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（仅指机床主轴转速和进给量）都不变的情况下所完成的那一部分工艺过程。为了提高生产效率，机械加工中有时用几把刀具同时加工几个表面，这也被看作是一个工步，称为复合工步。

⑤走刀　在一个工步中，如果要切掉的金属层很厚，可分几次切，每切削一次，就称为一次走刀。

综上分析可知，工艺过程的组成是很复杂的。工艺过程由许多工序组成，一个工序可能有几个安装，一个安装可能有几个工位，一个工位可能有几个工步。

（3）生产类型及其工艺特征

①生产纲领　生产纲领是指企业在计划期间应当生产的产品产量和进度计划。计划期通常情况下为一年，所以生产纲领常称为年产量。零件的生产纲领应按式（1-1）计算：

N=Qn（1+a％）（1+b％）　　（1-1）

式中　N——零件的年产量，件/年；

Q——产品的年产量，台/年；

n——每台产品中该零件的数量，件/台；

a％——该零件的备品率（备品百分率）；

b％——该零件的废品率（废品百分率）。

②生产类型　生产纲领的大小决定了产品的生产类型，而各种生产类型下又具有不同的工艺特征，因此生产纲领是制定和修改工艺规程的重要依据。

根据加工零件的年产纲领和零件本身的特性（轻重、大小、结构复杂程度、精密程度等），将零件的生产类型划分为单件生产、成批生产和大量生产三种生产类型。

a.单件生产。产品种类很多，同一种产品的数量不多，生产很少重复，如新产品试制、专用设备制造等。

b.大量生产。产品的品种较少，数量很大，每台设备经常重复地进行某一工件的某一工序的生产，如汽车、手机、家电产品等。

c.成批生产。成批地制造相同零件的生产，称为成批生产。每批制造的相同零件的数量，称为批量。批量可根据零件的年产量及一年中的生产批数计算确定；一年中的生产批数，须根据零件的特征、流动资金的周转速度、仓库容量等具体情况确定。

生产纲领和生产类型的关系随产品的种类、大小和复杂程度不同而不同，表1-3所示为生产纲领和生产类型之间的关系。

不同的生产类型具有不同的工艺特征。在制定零件机械加工工艺规程时，必须首先确定生产类型，生产类型确定着工艺过程。不同生产类型的工艺特征如表1-4所示。

主题讨论

某机床厂年产CA6140卧式车床2000台，已知机床主轴的备品率为15％，机械加工废品率为5％。试计算主轴的年生产纲领，并说明属于何种生产类型，工艺过程有何特点？若一年工作日为280天，试计算每月（按22天计算）的生产批量。

自主学习

①“中国制造2025”规划中，在从制造大国转向制造强国的过程中，机械制造技术应该重视哪些领域的研究和拓展？

②3D打印技术是一种新型的制造技术，如何与传统的机械制造技术融合？

③《工业“四基”人才长期匮乏：反思工科教育的不精不深》来源于光明日报，作者刘云系西南政法大学经济学院制度经济学研究所研究员，请查阅此文，从材料学、机械加工设备、人才培养和个人发展角度上对工业“四基”进行分析。

知识拓展

◆我国机械制造技术的发展趋势

应对全球新一轮科技革命和产业变革所需，各国相继采取了很多措施来推进，中国政府在推进制造业的发展方面，也需要一个应对的蓝图。经过60多年的快速发展，尤其是改革开放30多年的发展，中国的制造业已经取得了巨大进步，在许多非常重要的领域已经具有了全球的竞争力。

“中国制造2025”的关键，是要立足现实，突出重点，把规划做细、做扎实。“所谓有所为、有所不为。只要在某些领域能完成突破，就能为未来打一个很好的基础，让中国制造‘十年磨一剑’，十年上一个新台阶！”

“中国制造2025”是应对新一轮科技革命和产业变革的内容，将重点实施制造业创新中心建设、智能制造、工业强基、绿色发展、高端装备创新五大工程，编制高端领域技术路线图的绿皮书。中国制造业的总体发展思路是坚持走中国特色新型工业化道路，以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次人才体系，促进产业转型升级，实现制造业由大变强的历史跨越。

1.1.2　任务2——刀具切削部分的几何角度的认知和分析

任务描述

刀具的几何形状除必要的尺寸外，主要使用的是刀具角度，机械加工所有刀具都可以外圆车刀基本结构演变而来。任务要求如下。

①明确外圆车刀的基本结构。

②能进行外圆车刀的刀具角度的测量。

学习目标

①能够说明车刀切削部分的构成要素。

②能够确定外圆车刀静态角度的参考平面、参考系及车刀静态角度。

相关知识

金属切削过程就是工件和刀具相互作用的过程。刀具要从工件上切去一部分金属，并在保证高生产率和低成本的前提下，使工件得到符合图纸要求的形状、尺寸精度和表面质量。金属切削过程必须具备3个条件。

a.工件和刀具的相对运动为切削运动。

b.刀具材料必须有一定切削性能。

c.刀具必须有适合的几何形状、切削角度。

①切削运动　切削运动按照作用分为主运动和进给运动。

a.主运动。金属切削过程中的主要运动，是从工件上切去切削层，使工件上形成新表面的运动。主运动的运动速度最好、消耗机床功率最多；主运动只有1个，由工件和刀具完成均可，如车削时工件的旋转运动、钻削时钻头的旋转运动，分别如图1-6（a）、（b）所示。

b.进给运动。使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动称为进给运动。是多余材料不断被投入切削，从而加工完整表面所需的运动，进给运动可以有一个或几个，可连续，可间断。如车削时车刀的纵向或横向运动、钻削时钻头的向下运动，分别如图1-6（a）、（b）所示。进给运动速度小、消耗机床功率少。

c.切削过程工件表面。在金属切削过程中，工件上不断变化的3个表面，如图1-7所示。

• 待加工表面。指工件上即将切除的表面。

• 已加工表面。指已切除金属层形成的新表面。

• 过渡表面（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、进给量和背吃刀量的总量，又称为切削用量的三要素。

a.切削速度vc。是刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度（主运动的线速度），也是用来衡量主运动大小的参数。计算时常用最大切削速度（最大表面的切削速度）代表刀具的切削速度。

• 外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为：

式中　dw——工件待加工表面的直径，mm；

n——工件的转速，r/s或r/min。

• 内孔车削时的切削速度计算公式为：

式中　dm——工件已加工表面的直径，mm；

n——工件的转速，r/s或r/min。

b.进给量f。指在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量。用来衡量进给运动的速度，单位是mm/r（用于车削、镗削等）或mm/行程（用于刨削、磨削等）。

进给速度vf：单位时间刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，mm/s。

每齿进给量fz：多刃刀具，mm/齿。

vf=nf=nzfz　　（1-4）

式中　n——主运动的转速，r/s；

z——刀具齿数。

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离。

• 外圆加工：

式中　dw——工件待加工表面的直径，mm；

dm——工件已加工表面的直径，mm。

• 钻孔加工：

③切削层参数

a.切削层。从待加工表面切削下来的金属。

b.切削层参数。垂直于合成切削金属方向的平面内的参数，如图1-8所示。其决定了刀具承受载荷的大小及其切削层的尺寸，还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产率。

• 切削厚度h。切削层厚度，指切削层中相邻两个加工表面之间的垂直距离。

• 切削宽度b。切削层宽度，指切削层沿加工表面测量的切削层尺寸。

• 切削层面积A。指切削厚度与切削宽度的乘积。如车削加工，切削层面积A=hb=fap。

④刀具结构　切削刀具是机械制造中用于切削加工的工具。刀具分为机用刀具和手用刀具两种。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。

金属切削刀具的种类很多，形状各异，但是，从切削性能角度上来分析，所有刀具都可以视为从如图1-9所示的外圆车刀基本结构演变而来。以下就以外圆车刀为例，介绍金属切削刀具的各部分定义。

如图1-9所示，外圆车刀由刀体和刀头两部分组成。各部分的具体作用如下。

a.刀体。刀具的夹持部分，加工时通过刀体将刀具固定在刀座位置上。

b.刀头。刀具的切削部分，加工时承担切削任务，由“三面两刃一尖”组成。

• 前刀面。指刀具上与切屑接触并相互作用的表面（即切屑流过的表面）。

• 主后刀面。指刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。

• 副后刀面。指刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。

• 主切削刃。指前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作。

• 副切削刃。指前刀面与主后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。

• 刀尖。指主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧。

不同类型的刀具，其刀面和刀刃的具体形式和数量各有不同，但是刀具切削部分基本结构由前刀面、主后刀面和一条主切削刃组成。以此为基础，任何刀具都可以按照这样的基本结构形式进行分析。

⑤刀具角度坐标系　刀具切削部分主要有刀面和刀刃组成，刀面和刀刃之间的几何关系可以用其之间的几何角度来确定，该角度称为刀具角度。刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，是确定切削部分几何形状的重要指标。但是，刀面和刀刃之间的几何角度不能简单地确定，必须把刀具和工件以及切削运动联系起来确定刀具角度，该角度称为刀具的工作角度。在设计、绘图和制造刀具时，所标注的角度称为标注角度。标注角度实际上是在静止假设条件下的角度，也称为静止角度。

仅仅通过刀面和刀刃不能确定刀具标注角度，必须在假定条件的基础上建立静止参考坐标系。假定条件如下。

a.假定运动条件。给出刀具假定主运动和假定进给运动方向，不考虑进给运动大小。

b.假定安装条件。刀具安装基准面垂直于主运动方向，刀体中心线和进给运动方向垂直，刀具刀尖与工件中心轴线等高。

静止参考系有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系，最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系，如图1-10所示。

正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。由于大多数加工表面都是曲面，不便于直接建立坐标系平面，因此，需要在切削刃上选择选定点作为坐标原点，确定正交平面参考系如下。

a.基面Pr。指通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。

b.切削平面Ps。指通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。

c.正交平面Po。指通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。

⑥刀具标注角度　如图1-11所示，在正交平面参考系中，可以定义刀具标注角度如下。

a.前角γ0。是正交平面内前刀面与基面间的夹角。

b.后角α0。是正交平面内主后刀面与切削平面间的夹角。

c.主偏角κr。是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。

d.副偏角。是副后刀面在基面上的投影与进给运动反方向间的夹角。

e.刃倾角λs。是切削平面内主切削刃与基面间的夹角。

在正交平面参考系中定义了5个角度：前角γ0、后角α0、主偏角κr、副偏角r、刃倾角λs。对于与副切削刃有关的角度：副前角、副后角、副刃倾角s，其定义参照前角γ0、后角α0、刃倾角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、刃倾角λs4个角度确定。其中，确定了前角γ0和刃倾角λs前刀面的方位，主偏角κr和后角α0确定了后刀面的方位，主偏角κr和刃倾角λs确定了主切削刃的方位。

关于刀具角度正负的问题，根据ISO规定，在正交平面内，如果前刀面在基面之上，前角γ0为负值；前刀面在基面之下，前角γ0为正值；前刀面和基面重合，前角γ0为零值。后角α0也有正负之分，但切削加工中后角α0一般为正值，无零值和负值。

在刀尖是主切削刃上最高点时，刃倾角λs为正值；在刀尖是主切削刃上最低点时，刃倾角λs为负值；切削刃与基面重合时，刃倾角λs为零值。

主题讨论

根据相关知识，讨论并分析以下问题。

①图1-12（a）所示为90°外圆车刀，在图中确定其标注角度。

②图1-12（b）所示为切断车刀，在图中确定其标注角度。

自主学习

①根据相关知识，对刀具角度进行测量，并完成表1-5所示内容。

②查阅相关资料，解释副刃倾角。

知识拓展

刀具角度是在静止角度参考系（即假定参考系）中反映的角度，称为刀具静止角度（刀具标注角度）。刀具静止角度是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃选定点与工件等高的条件下确定的，而刀具在切削工作时，由于进给运动及刀具安装方式的影响，使刀具工作时反映的角度并不是静止角度。刀具实际切削时反映的角度称为刀具工作角度，它应该考虑包括进给运动在内的合成运动和刀具的实际安装状况。

（1）进给运动对刀具工作角度的影响

①横向进给运动　如图1-13所示为刀具切断工件时的情况，若不考虑刀具的进给运动，按照切削速度vc方向确定的基面和切削平面分别为Pr与Ps，即工作前角γ0e和工作后角α0e与刀具的前后角相等，刀具的切削平面和基面不发生变化。但在铲背加工中，由于横向进给量大，所以对车刀工作角度有明显的影响，刀尖的运动轨迹为阿基米德螺旋线，这时切削平面为通过切削刃选定点并切于螺旋面的平面Pse，基面则为螺旋面的法向平面Pre，当刀具在螺旋平面内切削时，从图1-13中可以看出其工作角度的变化情况：工作前角γ0e增大，而工作后角α0e减小。

具体工作角度的计算式为：

γ0e=γ0+η　　（1-7）

α0e=α0-η　　（1-8）

η为合成切削速度角：

②纵向进给运动　刀具在车削方牙螺纹时，方牙螺纹两侧均为螺旋升角的阿基米德螺旋线。如果不考虑进给运动，则基面平行于刀杆底面，切削平面垂直于刀杆底面。如果考虑进给运动，左、右两侧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，从而使刀具工作角度发生变化，如图1-14所示。刀具工作角度坐标系Pse-Pre倾斜了一个角度η，导致刀具的前角γ0e和后角后角α0e发生一定的变化（计算略去）。

（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响

①刀杆中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响　当刀杆的中心线和进给方向不垂直时，刀具的主偏角κr和副偏角将发生变化。如果刀杆如图1-15所示向右侧倾斜，将使工作主偏角κre增大，工作副偏角减小；如果刀具向左侧倾斜，则使得工作主偏角κre减小，工作副偏角增大。

②刀具安装高低对刀具工作角度的影响　车削外圆时，一般情况下，刀具的刀尖是和工件轴心等高的。如果刀尖高于或者低于工件轴线，则会引起基面和切削平面位置的变化，从而使刀具工作切削角度发生变化，如图1-16所示。当刀尖高于工件轴线时，工件切削平面为Pse，工作基面为Pre，则工作前角γ0e增大，工作后角α0e减小；当刀尖高于工件轴线时，工件切削平面为Pse，工作基面为Pre，则工作前角γ0e减小，工作后角α0e增大。

1.1.3　任务3——刀具切削部分的几何角度测量训练

任务描述

使用车刀量角台测量外圆车刀的角度。

学习目标

①能够叙述车刀量角台测量外圆车刀的原理。

②能够叙述车刀量角台测量外圆车刀角度的步骤。

③能够使用车刀量角台，测量车刀的前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角。

④能够绘制车刀静态角度图，并标注出测量得到的各角度数值。

⑤能够对测量的角度数据进行处理。

实施条件

①车刀量角台测量。

②外圆车刀。

测量原理

（1）车刀量角台结构

切削刀具是机械车刀的静态角度，可以用车刀量角台进行测量，其测量的方法是按照车刀静态角度的定义，在刀刃选定点上，用量角台的指针平面与构成被测角度的面或线紧密贴合，把要测量的角度测量出来。

车刀量角台的结构如图1-17所示。它主要由底座、立柱、测量台、定位块、大小刻度盘、大小指度片、螺母等组成。其中底座和立柱是支承整个结构的主体。

（2）车刀量角台测量方法

将刀具放在测量台上并靠紧定位块，刀具可随测量台一起按顺时针或逆时针方向旋转，并能在测量台上沿定位块左右移动。

旋转大螺母可使滑体上下移动，通过旋转测量台或大指度片的前面或底面或侧面与刀具被测量要素紧密贴合，底座或刻度盘上读出角度数值就是测量值。

测量外圆车刀几何角度的步骤如下。

①调整原始位置　将量角台的大小指度片及测量台全部调至零位，将刀具放在测量台上，使车刀贴紧定位块、刀尖贴紧大指度片的大面，如图1-18所示。

②测量主偏角κr和副偏角顺时针旋转测量台，使主切削刃与大指度片的大面贴紧，如图1-19所示，根据主偏角的定义，指度片旋转读数就是主偏角κr。同理，逆时针旋转测量台，使副切削刃与大指度片的大面贴紧，指度片旋转读数就是副偏角。

③测量刃倾角λs旋转测量台，使主切削刃与大指度片的大面贴紧，此时，大指度片与车刀主切削刃的切削平面重合。再根据刃倾角的定义，使大指度片底面与主切削刃贴合，如图1-20所示，大刻度板的读数就是刃倾角λs的数值。

④测量前角γ0和后角α0将测量台从原始位置逆时针旋转90°-κr，此时大指度片所在的平面即为车刀主切削刃上的主剖面。根据前角的定义，调节大螺母，使大指度片底面与前刀面贴合，如图1-21所示。大刻度的读数就是前角γ0的数值。测量后角时，量角台处于上述同一位置，根据后角的定义，调节大螺母，使大指度片侧面与后刀面贴合，如图1-22所示，大刻度的读数就是后角α0的数值。

任务实施

①分组：两人一组。

②回答下列问题，确定测量方案，对车刀的主要角度进行测量，完成表1-6。

• 主切削刃如何确定？

• 基面如何确定？

• 刀具角度测量的顺序是什么？

• 如何保证测量数据的精确度？

• 车刀静态角度图需要标注哪些内容？

任务评价

①编制小组汇报测量的方案，展示测量数据。

②说明测量的经验和教训。

1.1.4　任务4——金属切削过程及控制

任务描述

金属切削的机械加工方式是当今主流的制造技术和方法，因此有必要分析金属切削过程的瞬态切削状况。图1-23所示为车削加工的实际加工情况和温度场有限元分析仿真模型，从图中可知，为保证机械加工质量、提高生产效率和降低成本，需要重点分析以下几个因素。

①刀具和工件之间的作用力。

②切削部分产生的切削热和切削温度。

③切屑的流向和控制方法。

④刀具的磨损和寿命。

学习目标

①能够确定切屑的类型及其形成条件。

②能够分析切削力、切削热和温度等因素的形成。

③能够描述控制积屑瘤的方法。

相关知识

（1）切削过程

金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下，将工件上多余的金属层通过切削加工形成切屑的过程，在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料的相互作用，产生许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等。

实验证明，对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程，如图1-24所示。当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形。在OA面上，应力达到材料的屈服强度，则发生塑性变形，产生滑移现象。随着刀具的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和变形也逐渐加大。在终滑移面上，应力和变形达到最大值。越过该面，切削层金属将脱离工件基体，沿着前刀面流出而形成切屑。金属的变形过程大致可以分为3个变形区。

①第一变形区Ⅰ　指从OA线到OM线内的区域，伴随沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。

②第二变形区Ⅱ　指切屑与前刀面摩擦的区域，切削底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，切削弯曲，切削与刀具接触温度升高。

③第三变形区Ⅲ　指工件已加工表面与后刀面接触的区域，存在纤维化与加工硬化，变形较密集。

（2）切屑

由于工件材料不同，切削条件各异，切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种类型，如图1-25所示。

①带状切屑　其内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切速较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。

②节状切屑　又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。

③粒状切屑　又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。

④崩碎切屑　加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。

前三种切屑加工塑性金属时常见，形成带状切屑时，切削过程最平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小；形成粒状切屑时切削过程中的切削力波动最大。

影响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、热处理状态等影响切屑厚度及切屑卷曲。软钢比硬钢形成切屑厚度大；硬钢比软钢不易卷曲；不易卷曲切屑的厚度薄；但当软钢切屑厚度太大时，也不易卷曲。

②刀具切削区几何参数　前角与切屑厚度成反比，对于不同被加工材料有最佳值；主偏角直接影响切屑厚度与宽度，主偏角大易断屑；刀尖圆弧半径关系到切屑厚度与宽度以及流屑方向，精加工适宜用小的圆弧半径，粗加工适宜用大的半径。

③切削用量限定断屑范围　对断屑影响较大的是进给量、背吃刀量，而切削速度在常规切削速度内对断屑影响最小。进给量与切屑厚度成正比；背吃刀量与切屑宽度成正比；切屑速度与切屑厚度成反比，提高切削速度，有效断屑范围变窄。

④冷却润滑状态　增加切削液，有效断屑范围变宽，特别是小进给断屑易卷曲。利用切削液的高压来断屑、排屑是某些加工方法中的有效办法，例如，在深孔加工中，高压切削液可将切屑排出切削区。

⑤断屑槽　宽度与进给量成比例选择，进给量小选窄的，进给量大的选宽的；断屑槽深度选择与进给量成反比，小进给量选深的，大进给量选浅的。

为了保证生产效率，对断屑控制的可靠性要求越来越高，特别是在数控车削方面。在加工那些高延展性材质的工件时，如果断屑状况不好，那么连续的切屑就会缠绕在工件和刀具上，如图1-26所示。使刀具卷刃和更换次数过多，浪费生产时间，降低机床生产能力。

断屑就是迫使延展性材质弯曲折断的机械方法。利用刀具断屑槽进行合理断屑是断屑过程中非常有效的一种断屑手段。断屑槽断屑是利用材料的加工硬化和受冲击、受挤压而达到破坏强度的原理来断屑的。刀片断屑槽能使切屑按预先设定的方式进行卷曲、流动和折断，使其形成“可接受”的良好屑形，从而实现对切屑的有效控制。如图1-27示的凹脊、波纹、正弦曲线断屑设计被热压进可转位刀片，为车削提供了不同类型的断屑控制选择。

（3）切削力

金属切削时，刀具使被加工材料发生变形并成为切屑所需要的力称为切削力，如图1-28所示，切削力主要来源于3个方面：①克服加工材料对弹性变形的抗力；②克服加工材料对塑性变形的抗力；③克服切屑对前刀面摩擦力，后刀面对加工表面和已加工表面之间的摩擦力。

上述力的综合就形成了切削力F，以外圆车削为例，为了便于测量和应用，将F分解为三个相互垂直的分力，如图1-29所示。

•Fc：主切削力或切向力。与加工表面和基面垂直，消耗功率最大，是计算机床功率和设计机床等重要依据。

•Ff：进给力或轴向力。在基面上与工件轴线平行且与进给方向相反的力，是设计机床进给结构以及校核其强度必需的条件。

•Fp：切深抗力、吃刀力以及径向力。处于基面上并与轴线垂直的力，用来确定与加工精度有关的工件挠度、计算机床零件和刀具强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。

影响切削力的因素很多，主要有以下几个：工件材料、切削用量、刀具几何角度、刀具材料、刀具磨损状态和切削液等。

（4）切削热和切削温度

切削热是金属切削过程中的重要现象之一。切屑热所消耗的能量，主要转化为热能。大量的切屑热使得切削温度升高，直接影响刀具的磨损和使用寿命，最终影响工件的加工精度和表面质量。

①切削热的来源

a.切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量，这是切削热的重要来源。

b.切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。

因此，切削过程中产生了3个发热区域：剪切区、切屑与前刀面接触区、后刀面与加工表面接触区，如图1-30所示，3个发热区域和3个变形区相对应。

②切削热的传导　切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质（空气、切削液）向外传导。影响散热的主要因素有以下几个。

a.工件材料的热导率。工件材料的热导率高，由切屑和工件传导出去的热量就多，切削区温度低。反之，切削区温度高，刀具磨损快。

b.刀具材料的热导率。刀具材料的热导率高，切削区的热量向刀具内部传导快，可以降低切削区的温度。

c.周围介质。采用冷却性能好的切削液能有效地降低切削区的温度。

③切削温度及其分布　切削温度指前刀面与切屑接触区域的平均温度。前刀面的平均温度可近似地认为是剪切面的平均温度和前刀面与切屑接触区域的平均温度之和。影响切削温度有很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具磨损和切削液等。

金属切削过程中，刀具、切屑和工件上的切削温度的分布情况如图1-31所示。

a.剪切面各点温度近似相同。

b.前刀面和后刀面最高温度不在刀尖上，而是在距离刀尖一定距离处。

c.在剪切区域内，由于切削速度增大，热量来不及传导，使得垂直剪切面方向上的温度梯度大。

d.由于前刀面上的摩擦生热主要集中在切屑底层，故在切屑靠近前刀面底层上的温度梯度大。

e.后刀面的接触长度小，温度升降是在极短时间内完成的。

f.工件材料的塑性越大，则前刀面上的接触长度越大，切削温度分布越均匀；反之，脆性越大，则最高温度距离刀刃越近。

g.工件材料热导率越低，则刀具前、后刀面温度越高。

（5）刀具磨损和刀具使用寿命

在金属切削过程中，刀具在切削工件的同时，自身也会被磨损。刀具磨损之后，机械加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力增大、切削温度升高，甚至会产生不良振动，导致切削不能正常进行。因此，刀具磨损是金属切削过程必须关注的重点问题之一。

刀具失效的形式有磨损和破损两类。刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理或者化学的作用，使刀具产生一定的磨损。

①刀具磨损形式　在金属切削过程中，前、后刀面不断和切屑、工件接触，在接触区存在着强烈摩擦，同时在接触区存在着较高的温度和压力，随着切削进行，前、后刀面产生磨损现象。刀具磨损主要形式有3种，如图1-32所示。

a.前刀面磨损。切削塑性材料时，由于切削速度和切削厚度大，切屑和前刀面之间产生摩擦，在前刀面上磨出一个月牙洼，月牙洼磨损量以最大深度KT来表示，如图1-33所示。

b.后刀面磨损。切削铸铁或切削速度v和背吃刀量ac较小的塑性材料时，主要发生这种磨损。后刀面磨损是指后刀面和加工表面之间产生摩擦，后刀面靠近切削刃部位被磨成小棱面，如图1-34所示。后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处磨损严重，以VN表示。

c.边界磨损。切削钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬质点由较大的应力梯度和温度梯度所造成。在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处的后刀面上磨出深沟。

②刀具磨损过程　刀具磨损过程如图1-35所示。

a.初期磨损阶段。后刀面和工件接触面小，故单位承受压力较大；另外，刃磨后后刀面微观凹凸不平，因此磨损较快。

b.正常磨损阶段。后刀面和工件接触面增大，故单位承受压力减少；另外，刃磨后后刀面已磨平，因此磨损较慢，此阶段为刀具有效工作阶段。

c.急剧磨损阶段。当磨损到一定程度，切削速度和切削力加剧增高，磨损速度加剧，直到丧失切割能力。在此阶段必须换刀。

（6）刀具磨钝标准

刀具磨损到一定程度不能使用，这个磨损程度称为磨钝标准。

①刀具耐用度。刃磨后的刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准所经历的时间。

②切削用量对刀具耐用度的影响。

a.切削速度对其的影响。

b.进给量、背吃刀量与刀具耐用度的关系。

③刀具耐用度的选择原则：高生产率和低成本。

a.刀具形状复杂及制造成本高的耐用度要高。

b.可转位刀具耐用度低一些。

c.多刀机床、组合机床的刀具耐用度高一些，保证刀具可靠性。

d.生产率限制车间生产率，可选用耐用度低一些的刀具，经济性不好的耐用度低一些。

e.对于大件精加工，为保证至少一次走刀，可考虑零件精度和粗糙度来决定耐用度。

主题讨论

在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在前刀面处粘一块剖面呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤，其形状如图1-36圆圈部分所示。

①积屑瘤产生的原因有很多，包括工件和刀具材料、温度、压力等，查阅相关资料，分析表1-7中的诸多因素对积屑瘤有何具体影响？

②积屑瘤会影响到金属切削过程，分析积屑瘤对表1-8所示的诸多方面（刀具角度、切削厚度、工件表面质量和刀具寿命）有何影响？

③通过上述分析，说明积屑瘤在金属切削过程中是有利还是有弊？如果有利，如何应用？如果有弊，如何控制？

自主学习

①怎样对切屑状态进行控制？

②硬质合金作为一种重要的刀具材料，有哪些种类？主要应用在哪些方面？

知识拓展

◆刀具材料

（1）刀具材料性能要求

从刀具使用角度来分析，对刀具材料性能的要求主要是耐磨性、强韧性、高温、红硬性等。而不同制造工艺有不同的刀具类型，不同刀具类型和不同加工条件对刀具的性能要求又有所不同。总体上来讲，切削加工刀具材料应具备以下基本性能。

①足够的硬度　刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须要高于工件材料的硬度，以在高温、高压下，保证刀具正确的几何形状。一般情况下，碳素工具钢的硬度为62HRC；高速钢的硬度为63～70HRC；硬质合金的硬度为89～93HRA。刀具材料的硬度大小顺序为：金刚石>立方氮化硼>陶瓷>金属陶瓷>硬质合金>高速钢>工具钢。

②足够的强度和韧性　刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力、冲击力和热振动等，容易产生脆性断裂和崩刃现象，因此必须要有足够的强度和韧性。

③足够的耐磨性　刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。

④足够的耐热性　刀具材料的耐热性是指所能承受的高温性能，刀具材料高温硬度越高，耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。

⑤工艺性能好　为了便于制造，刀具不仅具有良好的切削性能，还要求刀具材料应具备较好的可加工性。

⑥经济性好　性价比是评价新型刀具材料的重要指标之一，也是正确选用刀具材料、降低加工成本的重要依据之一。选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。

（2）常见刀具材料

刀具材料种类很多，主要有工具钢（碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。常见刀具材料是高速钢、硬质合金。

①碳素工具钢和合金工具钢　如图1-37所示的锉刀是用碳素工具钢T12或T13经热处理后，再将工作部分淬火制成的。在碳素工具钢中加入Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等合金，形成合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）。碳素工具钢和合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或者切削速度较低的刀具。

②高速钢　高速钢是含有较多含量的钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢，其具有较高的硬度（62～67HRC）、韧性和耐热性（切削温度可达550～600℃），与碳素工具钢和合金工具钢相比较，高速钢切削速度提高1～3倍，刀具寿命提高10～40倍，是目前应用最广泛的刀具材料，适用于制造结构复杂的成形刀具、孔加工刀具等，如图1-38所示。

③硬质合金　硬质合金是由难熔金属的硬质金属碳化物（WC和TiC等）和金属黏结剂（Co和Ni）通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，其常温硬度可达到89～92HRA，硬度和耐磨性在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度，切削速度是高速钢的4～10倍。但是，其冲击韧度和抗弯强度比高速钢低，因此很少做成整体式刀具，实际应用中，常常将硬质合金作为刀片焊接或者机械夹固在刀体上来使用。

④涂层刀具材料　硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。

⑤其他刀具材料

a.陶瓷刀具。是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。

b.人造金刚石。它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。