切削运动及其参数

第一章　车削加工的基本知识

第一节　切削运动及其参数

一、切削运动

金属切削加工是通过金属切削刀具与被加工零件之间的相对运动，从而在工件上切除多余材料的机械加工过程。车削加工是利用车床、刀具以及各种其他工艺装备对零件进行切削的机械加工手段。作为一名车工应对金属切削的基本知识有所了解。

刀具与工件之间的相对运动构成切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动。

1.主运动

直接切除毛坯上的被切削层，使之变为切屑的运动，称为主运动。主运动的特征是速度高，需消耗大部分机床功率。在车削加工中，工件由主轴带动的旋转运动（图1-1中的运动I）为主运动。

图1-1　车削圆柱表面的切削运动

2.进给运动

进给运动是保证将被切削层不断地或间断地投入切削，以逐渐加工出整个工件表面的运动。在图1-1中，车削外圆柱表面中的运动V为车刀的纵向进给运动。另外，如在车床上加工内圆柱孔时，钻头或铰刀的轴向运动也为进给运动。进给运动速度较低，消耗机床动力很少，如卧式车床的进给功率仅为主电动机功率的1/30～1/25。

二、切削加工中的工件表面

在切削加工中，随着工件表层金属被刀具切除，工件形状不断变化，同时也存在着三个不断变化的表面：

（1）待加工表面。工件上有待切除的表面。

（2）已加工表面。工件上经刀具切削后形成的新表面。

（3）过渡表面。刀具切削刃正在切除的金属表面，它是待加工表面与已加工表面之间的连接表面。如图1-2所示为车削外圆柱表面时的工件三表面。

图1-2　车削外圆柱时的三表面

三、切削用量

在进行切削时，为获得较为理想的加工质量、加工效率及加工成本，要合理地确定切削用量。切削用量包括：切削速度vc、进给量f及背吃刀量ap。

1.切削速度（vc）

切削速度是指刀具切削刃上指定点相对于工件主运动的线速度。切削刃上不同点的切削速度是不一样的，通常在计算切削速度时，应计算其最高速度，如在车外圆时，切削刃上与待加工表面相接触的点切削速度最高。车外圆时的切削速度可用下式计算：

式中　vc——切削速度（m/min）；

dw——工件待加工表面的直径（mm）；

n——工件的转速（r/min）。

2.进给量（f）

进给量指刀具在进给方向上相对于工件的位移量。车削加工中，进给量通常以车床主轴（工件）回转一周刀具的移动量来表示，单位为mm/r。

3.背吃刀量（ap）

在车削加工中，背吃刀量一般指工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。车外圆时，背吃刀量ap为：

式中　dw——待加工表面直径（mm）；

dm——已加工表面直径（mm）。

如图1-3所示为车外圆、车端面及切槽的切削用量。

图1-3　车削的切削用量

（a）车外圆　（b）车端面　（c）切槽

四、切削层参数

切削层是指在切削过程中，切削刃在一次进给中从工件上所切除的金属层。车外圆时的切削层为工件旋转一周，刀具移动一个进给量，由主切削刃所切除的一层金属层（图1-4）。切削层的截面尺寸即为切削层参数。切削层参数在切削加工中具有重要地位，它不仅决定了刀具所承受负荷的大小，还与刀具的磨损、工件表面质量以及生产率密切有关。

图1-4　车外圆时的切削层

切削层参数通常指切削层公称厚度、切削层公称宽度及切削层公称横截面积。

（1）切削层公称厚度（hD）。切削刃前进一个进给量，前后两相邻过渡表面间的距离。

（2）切削层公称宽度（bD）。该参数反映了切削刃参与切削的长度，可沿过渡表面测量而得。

（3）切削层公称横截面积（AD）。切削层横截面的面积，其大小为：

第二节　车刀主要结构及几何角度

一、车刀的组成

车刀主要由承担切削工作的切削部分及用于安装的刀杆部分组成。其中，车刀的切削部分（通常称为刀头）则由以下各部分组成（图1-5）。

图1-5　车刀的组成

（1）前刀面。切削时切屑经其流出的表面。

（2）后刀面。切削时与过渡表面相对的刀面。

（3）副后刀面。切削时与已加工表面相对的刀面。

（4）主切削刃。前刀面与主后刀面交线所构成的刀刃，它起主要切削作用。

（5）副切削刃。前刀面与副后刀面交线所构成的刀刃，它在加工中配合主切削刃进行加工，并最终形成已加工表面。

（6）刀尖。主切削刃与副切削刃的连接处的交点或连接部位。通常在车刀的刀尖处磨出一小段直线或圆弧形刀刃，以改善刀具的切削性能。

二、车刀的切削角度

1.确定切削角度的辅助基准面

为了规定及测量车刀切削角度，必须引入作参考的辅助基准面：基面、切削平面及正交平面（图1-6）。

图1-6　定义车刀切削角度的辅助面

（1）基面。通过切削刃上指定点与切削速度方向相垂直的平面。通常在车削时，可认为切削速度与水平面相垂直，所以车刀的基面平行于车刀刀杆的底面。

（2）切削平面。通过切削刃上指定点与主切削刃相切，并与该点基面相垂直的平面。

（3）正交平面。通过主切削刃上指定点与基面和切削平面相垂直的平面。

另外，为了规定与副切削刃有关的切削角度，可建立副基面、副切削平面及副正交面。这三个辅助基准面的定义与上述三个基准面相似，只不过各基准面均是通过副切削刃上指定点而形成的。

2.车刀的切削角度及其作用

基面、切削平面及正交平面组成了一个正交平面静止参考系，通过该参考系可规定和测量车刀的主要切削角度（图1-7）。

图1-7　车刀主要切削角度

（1）前角（γ0）。是在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前面在基面之下，前角为正值；前面在基面之上，则前角为负值。

（2）后角（αO）。是在正交平面内测量的后刀面与切削平面之间的夹角。后角通常为正值。

（3）主偏角（κr）。是在基面内测量的主切削刃在基面上投影与进给方向之间的夹角。主偏角一般为正值。主偏角的大小决定了切削刃参与切削的长度

（4）刃倾角（λs）。是在切削平面内测量的主切削刃与过刀尖所作基面之间的夹角。刀尖为主切削刃最高点，刃倾角为正值；刀尖为主切削刃最低点，刃倾角为负值；主切削刃与基面相重合，则刃倾角为零。

（5）副后角（α'O）。是在副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角。

（6）副偏角（κ'r）。是在基面上测量的副切削刃在基面上投影与进给方向之间的夹角。

（7）楔角（βo）。是在正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角。楔角的值为：βo=90°-（γ0+α0）。

（8）刀尖角（εr）。是在基面中测量的主、副切削刃之间的夹角。刀尖角的大小为：εr=180°-（kr+ k'r）。

3.车刀的工作角度

以上所介绍的车刀切削角度是车刀在静止状态时的切削角度，也就是一般刀具图纸上所标注的角度。车刀在进行切削加工时，由于受进给运动、刀具安装及工件形状的影响，其实际的切削角度与静止状态时的切削角度相比发生一定的变化。一般情况下，这种变化较小，可以忽略不计。但在某些加工情况下，则应加以考虑。车刀在切削状态下的切削角度称之为工作角度。

（1）车刀安装位置对车刀工作角度的影响。

1）车刀刀尖与工件中心相对位置对工作角度的影响。车刀车削外圆时，如果刀尖对准工件中心，刀具的工作角度与静止角度相同，否则会发生变化（图1-8）。

①当刀尖高于工件中心时，前角增大，后角减小（图1-8（a））。

图1-8　刀尖相对工件中心安装位置对刀具工作角度的影响

②当刀尖低于工件中心时，前角减小，后角增大（图1-8（b））。

应当注意的是，在车削内孔时，刀尖相对工件中心安装位置对工作角度的影响与车外圆时相反。

2）刀杆与进给方向不垂直对工作角度的影响。安装车刀时，如车刀刀杆的轴线与进给方向垂直，刀具的工作主偏角与副偏角与静止角度相比均不发生变化，否则会发生变化（图1-9）。

①当刀杆轴线向右倾斜时，主偏角增大，副偏角减小（图1-9a）。

②当刀杆轴线向左倾斜时，主偏角减小，副偏角增大（图1-9b）。

（2）进给运动对工作角度的影响。

1）纵向进给对工作角度的影响。车刀在作纵向进给时，刀刃上选定点相对于工件表面的运动轨迹为一螺旋线，基面和切削平面均发生偏转，从而使工作角度与静止角度相比发生变化。此时的工作前角较静止前角增大，后角较静止后角减小（图1-10）。一般车削时，由于进给量不足以使基面及切削平面偏转过大，故可不考虑工作角度的变化。但进给量大时，如车削大螺距螺纹或多头螺杆时，在刃磨刀具时就应当考虑工作角度的变化。

2）横向进给对工作角度的影响。车刀作横向进给时（如进行切断），刀尖的运动轨迹也为螺旋线，工作角度也发生变化，此时刀具的工作前角增大，工作后角减小（图1-11）。

图1-9　刀杆与进给方向不垂直对工作角度的影响

图1-10　纵向进给对工作角度的影响

图1-11　横向进给对工作角度的影响

三、车刀切削角度的作用与合理选择

1.前角的作用与选择

（1）前角的作用。增大前角可使车刀更为锋利，减小切屑变形，并能使切削力和切削热降低，使切削更加顺利。但前角过大会降低刀尖的强度，容易发生崩刃现象。

（2）前角可依据以下原则进行选择。

1）加工塑性材料时，切屑变形大，为减少切屑变形，改善切削状态，前角可选大些；加工脆性材料，如铸铁时，前角则应选小一些。

2）加工较软材料时，前角可选大些；加工较硬材料时，为了提高刀尖的强度，增加车刀的耐用度，前角应取小些。

3）车刀切削部分材料韧性较差时，为了避免在冲击力下发生崩刃，前角应选小些；切削部分材料韧性较好时，可选较大的前角。

4）粗加工时，切削力大，而且由于工件表面有硬皮，会对刀具产生冲击作用，故前角适当取小些；精加工时，表面质量要求高，为了改善切屑变形，减小切削力，降低表面粗糙度，前角应取大些。

5）工艺系统（包括工件、车刀、夹具和机床等）的刚度较差，为减小切削力，前角可适当取大些。

（3）前刀面的常见型式。

1）正前角平面型（图1-12（a））。制造简单，切削刃口锋利，但强度低，散热差，主要用于精车。

2）正前角平面带倒棱型（图1-12（b））。为了提高刀刃强度和抗冲击能力，改善其散热条件，常在主切削刃的刃口处磨出一条很窄的棱，称之为倒棱。切削塑性材料时，倒棱宽度可按br1=（0.5～1.0）f（式中f为进给量），γo1= -5°～-15°选取。一般用硬质合金车刀切削塑性或韧性较大的金属材料及进行强力车削和断续车削时，可在刃口上磨出倒棱。

3）正前曲面带倒棱型（图1-12（c））。在上述正前角平面带倒棱型的基础上，在前刀面上磨出一定形状的曲面就形成了这种型式。这样不但可增大前角，而且在前刀面上形成了卷屑槽。卷屑槽的参数通常为：lBn=（6～8）f，rBn=（0.7～0.8）lBn。

4）负前角单面型（图1-12（d））。在车削高硬度或高强度材料和淬火钢材料时，刀具的切削刃要承受较大的压力，为了改善切削刃的强度，常使用这种前刀面型式。

5）负前角双面型（图1-12（e））。当磨损同时发生在前、后两刀面时，可将前刀面磨成负前角双面型。这样可增加刀刃的重磨次数。负前角的棱面应有足够宽度，以便于切屑沿该棱面流出。

2.后角的作用与选择

（1）后角的作用。主要是减少车刀主后面和工件已加工表面之间的摩擦，从而提高加工表面质量，减少刀具的磨损。另外，后角的大小也影响着刀具切削部分的强度和车刀的散热。有时，为了减小切削时的振动，也可采取减小后角的措施。

（2）后角主要依据以下原则进行选择。

1）工件材料硬度、强度大或塑性较差时，后角应取小些，反之则可取大些。

图1-12　常见前刀面型式

（a）正前角平面型　（b）正前角平面带倒棱型　（c）正前角曲面带倒棱型（d）负前角单面型　（e）负前角双面型

2）粗加工时，后角应取小些，这样可以提高刀尖的强度；精加工时，后角应取大些，以便保证表面加工质量。

3）工件或车刀刚度较差时，后角应取较小值，这样可增大车刀后面与工件之间的接触面积，有利于减少工件或车刀的振动。

3.主偏角的作用与选择

（1）主偏角的作用。主偏角的大小对切削分力的分布及刀具耐用度均有影响。增大主偏角会使切削力的背向分力Fy减小，进给分力Fx增大（图1-13）。减小主偏角可使主切削刃参加切削的长度增加，增大刀尖角，切屑变薄，改善散热条件，从而使刀具的耐用度得到提高。

图1-13　主偏角对切削分力的影响

（a）主偏角小　（b）主偏角大

（2）主偏角主要依据以下原则进行选择。

1）工艺系统刚度较差时，为了减小切削时的背向力，避免发生振动，应选较大的主偏角，反之则应选较小的主偏角。特别在加工一些刚性较差的细长件时，主偏角应取大些。

2）工件材料越硬，主偏角就应越小些，以减小单位切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，提高刀具耐用度。

3）主偏角的选择还与工件加工形状有关。加工台阶轴时，主偏角应取90°；中间切入工件时，主偏角应取60°。

4）单件小批生产，往往用一两把车刀来加工多个工件表面，应选取通用性较好的45°车刀或90°偏刀。

主偏角的常用值为45°、60°、75°和90°几种。

4.副偏角的作用与选择

（1）副偏角的作用。主要是减少车刀副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦。副偏角的大小明显影响工件已加工表面上的残留面积，从而影响工件的表面粗糙度（图1-14）。

图1-14　副偏角对残留面积的影响

（2）副偏角的选择。副偏角一般取1°～10°，但加工中间切入的工件时，副偏角应取60°。用硬质合金车刀作大进给强力切削时，副偏角可取0°。

1）精加工时，为了减小表面粗糙度，副偏角应取小些。

2）工件材料较硬或进行断续切削，副偏角应取小些。

3）工艺系统刚度较差时，为了减小背向切削分力，副偏角应取大些。

4）对切断刀或切槽刀，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角，通常为1°～2°。

5.刃倾角的作用与选择

（1）刃倾角的作用。

1）影响切屑的流向。刃倾角对切屑流向的影响可从图1-15中看出，当刃倾角为0°时，切屑垂直于切削刃流出；当刃倾角为负值时，切屑流向已加工表面；刃倾角为正值时，切屑流向待加工表面。

图1-15　刃倾角对切屑流向的影响

（a）λs=0　（b）-λs　（c）+λs

2）控制切削刃切入工件时的受力状态。在切削断续表面工件时，若刃倾角为负值，则切削刃后部首先接触工件，避免刀尖受到冲击。反之，刀尖首先与工件相接触，受到冲击，容易引起崩刃或打刀。

3）影响切削分力的分配。采用正刃倾角时，切削分力中的背向分力减小，进给分力增大。

（2）刃倾角的选择。

1）粗加工时刃倾角一般取负值，通常为0°～-5°；精加工时则取正值，一般为0°～5°。

2）进行具有冲击载荷的断续切削时，刃倾角应取负值，一般为-10°～-15°，当工件余量不均匀时，刃倾角可取到-45°。

3）加工较软的材料，如铜和铝，刃倾角可取大些，一般为5°～10°。而加工较硬的材料，刃倾角就应小些，如车削淬硬钢时，可取-5°～-12°。

6.过渡刃的作用与选择

（1）过渡刃的作用。主要是提高刀尖强度，改善散热条件。过渡刃从形状来分有直线形和圆弧形两种（图1-16）。直线形过渡刃的偏角κrε一般取主偏角的一半；过渡刃的长度bε一般取0.5～2mm。圆弧形过渡刃不仅能提高刀尖强度，还能减少车削后的残留面积，改善工件表面粗糙度，但半径不宜太大，以免引起振动。

图1-16　车刀的过渡刃

（2）过渡刃的选择。

1）精车时，一般选取较小的过渡刃；粗车时，切削力及切屑变形大，切削热也多，应选取较大的过渡刃。

2）工件材料较硬或容易引起刀具磨损时，应选取较大的过渡刃，否则应取较小的过渡刃。

3）工艺系统刚度较好时，可选较大的过渡刃，反之则应取较小的过渡刃。

四、常见车刀结构型式

车刀的结构型式很多，但基本可分为整体式、焊接式、机夹式、可转位式以及成形车刀几种（图1-17）。整体式车刀（图1-17（a））通常只用于高速钢车刀上，通过在高速钢材料的刀体上磨出切削部分的几何要素而形成刀头。成形车刀（图1-17（e））通常也由高速钢制成，用以加工形状较为特殊的表面。

图1-17　车刀的结构型式

（a）整体车刀　（b）焊接车刀　（c）机夹车刀　（d）可转位车刀　（e）成形车刀

1.焊接式车刀

焊接式车刀通常由硬质合金刀片和普通结构钢刀杆通过焊接连接而成（图1-17（b））。这种车刀结构简单，制造方便，刀具刚性好，并可灵活地根据具体切削条件刃磨刀头的几何参数，应用较多。

（1）硬质合金刀片及其应用。表1-1列出了国家标准中部分常用刀片的型号。我国目前采用的硬质合金焊接刀片分A、B、C、D、E五类，刀片型号由一个字母和一或二位数字组成。字母表示刀片形状，数字则代表刀片的主要尺寸。

A型刀片主要用于直头外圆车刀和端面车刀；B型刀片主要用于左切刀；C型刀片主要用于主偏角小于90°的外圆车刀及宽刃光刀；D型刀片主要用于切断刀和车槽刀；E型刀片则用于精车刀和螺纹车刀。

刀片尺寸中的l主要根据背吃刀量和主偏角而定，外圆车刀一般应使参加工作的切削刃长度不超过刀片长度的60%～70%；对于切断刀和切槽刀用的t，应根据槽宽或切断刀宽来选取。切断刀宽与工件直径d的大小有关，可按t = 0.6d0.5估算；刀片厚度s要根据切削力的大小来确定，工件材料强度高，切削层横截面积大，刀片就应当选厚些。

（2）常用的刀槽形状（图1-18）。

1）开口式。制造简单，但焊接面积小，适用于C型刀片，D型刀片有时也采用这种刀槽。

2）半封闭式。这种刀槽焊接后刀片牢固，但制造较困难，常用于A、B型刀片。

3）封闭式。能增大焊接面积，但制造困难，适用于E型刀片。

4）切口式。刀片焊接牢固，但制造复杂，适用于D型刀片。

2.硬质合金机械夹固式车刀

硬质合金机械夹固式车刀可分为机夹重磨式和机夹转位刀片式（不重磨）两种。

图1-18　刀槽型式

（a）开口式　（b）半封闭式　（c）封闭式　（d）切口式

图1-19　机夹可转位车刀的组成

1—刀杆　2—刀垫　3—刀片　4、5—夹紧元件

（1）机夹重磨式车刀（图1-17（c））。是将普通硬质合金刀片采用机械方式夹固在刀杆上，切削刃磨损后，将刀片卸下重新刃磨后再装到刀杆上即可继续使用。这种车刀的优点是刀具不需经高温焊接，避免了刀片的硬度下降和产生裂纹，提高了刀具的使用寿命。刀片可以多次重磨，刀杆可以重复使用，降低了成本。

（2）机夹转位刀片式车刀（图1-17（d））。是将可转位使用的硬质合金刀片夹固在刀杆上（图1-19）。可转位刀片的型号及基本参数均已标准化，由专门厂家制造。刀片具有三个以上供转位切削用的切削刃，并具有切削所需的各种几何要素。使用时，当一个刀刃变钝后，可松开夹紧装置，将刀片转位再加以紧固，就可利用新的切削刃进行加工。表1-2为部分可转位刀片的型号及基本参数。

可转位车刀除了有机夹重磨式车刀的优点外，还具有不需重磨，更换切削刃简捷，切削刃几何参数稳定等优点。另外，可转位刀片经过涂层处理后，刀具更加耐磨，使用寿命更长。

可转位刀片的刀杆夹固型式很多，如图1-20中所示仅为几种夹固型式。如图1-20（a）所示的转位刀片采用杠杆式夹紧机构，这种型式夹紧牢固，调整范围大，定位精度高，但结构稍显复杂。图1-20（b）采用偏心夹紧机构，这种型式结构简单、紧凑，制造容易，但在较大冲击力下有松开的可能。图1-20（c）为上压式结构，利用压板将刀片夹紧，这种结构较简单，夹紧力大，刀片转位方便，定位精度高，常用于夹固不带孔、带后角的刀片及内孔车刀。图1-20（d）为压孔式结构，这种型式结构简单、紧凑，零件少，制造方便，另外，还具有定位精度高，容屑空间大的优点，但刀片转位较麻烦，需将螺钉取下。

图1-20　可转位刀片的夹固型式

（a）杠杆式　（b）偏心式　（c）上压式　（d）压孔式

五、控制切屑的车刀结构

工件切削层金属在刀具的挤压作用下，产生弹性变形和塑性变形，使切削层金属从工件上分离出来，从而形成切屑。切屑的流向及切屑的形状对车削加工质量、刀具磨损以及操作安全都有密切的关系。切屑的流向如前所述，主要受刃倾角的影响，这里主要介绍对切屑形状的控制。

1.切屑的卷曲与断裂

切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到刀具前刀面上磨出的断屑槽、凸台、附加挡块以及碰到其他障碍物后形成的。切屑的断裂可因以下两种情况发生。

（1）切屑流淌受阻，在弯曲力矩作用下而折断。切屑在流出过程中，与卷屑台阶或与工件待加工表面等障碍物相碰，受到弯曲力矩，当作用力足够大时，切屑就会断裂。

（2）靠自身重量甩断。如切屑在流出过程中，未遇到障碍物，达到一定长度后，也会因本身重量而断裂。

切屑断裂难易还与刀具几何角度、切削用量及工件材料的机械性能有关。

2.使切屑卷曲、断裂的措施

（1）利用刀具几何角度卷屑、断屑。增大主偏角可使切削厚度变大，切屑在卷曲变形时的弯曲应力就越大，越容易折断。通常主偏角达到75°～90°能取得较好的断屑效果。另外，选用较小的正前角再加上负倒棱以及较小的负刃倾角都能增加切屑的塑性变形和硬脆化，从而促使切屑卷曲和折断。

（2）采用合适的切削用量。增大进给量可使切屑厚度增大，切屑变形加大，使切屑容易折断；减小切削速度也能增大切屑变形，有利切屑的折断。

（3）利用断屑槽。采用改变刀具几何角度和切削用量的方法，虽能在一定程度上达到断屑的目的，但受到切削效率和加工质量的限制，有一定的局限性。在前刀面上刃磨出卷屑槽可达到较好的断屑效果。可转位硬质合金刀片及机夹式硬质合金刀片在制造时，已在刀片上预制出断屑槽；对焊接式车刀，通常需手工刃磨断屑槽。

常用的断屑槽断面形状有折线型、直线圆弧型和全圆弧型三种（图1-21）。

图1-21　断屑槽断面形状

（a）折线型　（b）直线圆弧型　（c）圆弧型　（d）反屑角δB对Rab的影响

折线型和直线圆弧型适用于切削硬度和强度较大的金属材料；全圆弧型适用于切削较软的材料。

根据断屑槽与主切削刃的相对位置可分为三种。

1）与主切削刃平行（图1-22（a））。切屑通常在主切削刃前端与主后面相交处折断，或在断屑槽内盘旋成发条形排出。这种断屑槽刃磨方便，但可能发生“扎刃”现象而损坏刀刃，为避免这种情况，可将刃倾角磨成较小的负角，使切屑的折断位置偏后。

2）相对主切削刃内斜（图1-22（b））。切屑通常在偏向主切削刃后端的主后面上折断，断屑效果较好，但刃磨较难。

3）相对主切削刃外斜（图1-22（c））。切屑通常在偏向主切削刃前端的主后面上折断，容易与已加工表面相碰，主要适用于粗车，特别是强力车削。

图1-22　断屑槽与主切削刃相对位置对断屑的影响

（a）与主切削刃平行　（b）相对主切削刃内斜　（c）相对主切削刃外斜

六、车刀的磨损与刃磨

1.刀具的磨损形式及过程

刀具在进行切削加工时，由于其切削部分与工件或切屑在高温、高压下相接触，刀具材料的微粒被切屑或工件带走，使刀具产生磨损。这种磨损是不可避免的，称之为正常磨损。另外，刀具由于受到冲击、振动或热效应等原因导致刀具崩刃、碎裂而损坏，称为非正常磨损。根据刀具切削部分主要磨损的发生部位可分为：

（1）前刀面磨损（图1-23（a））。切削塑性材料时，若切削速度较高，切削厚度较大，在前刀面上、主切削刃后会出现月牙洼形的磨损部分。随着磨损的加剧，月牙洼逐渐加深加宽，当接近刃口时，会使刃口突然崩裂。前刀面磨损量的大小用月牙洼的宽度KB和深度KT表示。

（2）后刀面磨损（图1-23（b））。切削脆性材料或用较低的切削速度和较薄的切削厚度切削塑性材料时，前刀面摩擦较小，温度较低，磨损主要发生在后刀面上。后刀面磨损后形成后角等于零度的小棱面。后刀面磨损主要发生在刀尖附近，磨损量以VB表示。

（3）前、后刀面同时磨损（图1-23（c））。当切削塑性金属时，如果切削厚度适中（0.1～0.5mm），刀具磨损常同时发生在前、后刀面上。

图1-23　刀具的磨损形式

（a）前刀面磨损　（b）后刀面磨损　（c）前、后刀面同时磨损

2.刀具的耐用度

（1）刀具的磨损过程及磨损限度。正常磨损情况下，刀具切削部分的磨损量随着刀具切削时间的增加而增大。磨损过程大致可分为：初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。当刀具磨损量达到一定数值后，磨损急剧加速，导致刀具损坏。加工中应在刀具产生急剧磨损前重磨或更换刀具。

刀具磨损限度是指对刀具规定一个允许磨损量的最大值，或称刀具磨钝标准。由于加工时后刀面通常都会受到磨损，对加工质量影响较大，并且测量后刀面的磨损量VB比较方便，因此，刀具磨损限度（磨钝标准）一般以在后刀面上测出的VB为准（见表1-3）。

表1-3　车刀的磨损限度

（2）车刀的耐用度。在实际生产中，为提高刀具的使用寿命，采用与刀具磨钝标准相对应的切削时间，即刀具的耐用度来表示刀具需重磨的时间。刀具耐用度是一把新刃磨的刀具从开始切削到磨损达到磨损限度，需要重磨所经过的时间，单位为min。常用车刀的耐用度如表1-4所示。

表1-4　常用车刀耐用度 /min

3.车刀的刃磨

车刀刃磨有机械刃磨和手工刃磨两种，以下介绍手工刃磨。

（1）砂轮的选择。刃磨车刀通常使用磨料为白刚玉WA和绿碳化硅GC的砂轮。白刚玉砂轮砂粒较为锋利，韧性好，硬度稍低，适用于磨削高速钢车刀（粒度选用46#～60#），也可用来磨削硬质合金车刀的刀杆（选用46#）。绿碳化硅的硬度高，切削性能好，但韧性差，常用来刃磨硬质合金车刀（选用46#～60#）。

（2）刃磨步骤。

1）去焊渣，磨后隙角。先用白刚玉砂轮将车刀在焊接时留下的焊渣磨去，并将刀杆底面磨平。随后在车刀主后面和副后刀面部位的刀杆部分磨出比后角大2°～3°的后隙角（图1-24）。这样做的目的是为了使后刀面容易刃磨。

图1-24　磨后隙角

（a）磨主后面的后隙角　（b）磨副后面的后隙角

2）粗磨前刀面、后刀面和副后刀面（图1-25）。将后隙面靠在砂轮外圆上，以此为起始位置缓慢转动车刀，使刃磨位置靠向刀刃处，磨出后角。粗磨后的主后角和副后角应比要求的角度大2°左右。

图1-25　粗磨后角、副后角

（a）粗磨后角　（b）粗磨副后角

3）精磨前面及断屑槽。刃磨断屑槽前，应先修整砂轮。如断屑槽为直线型，砂轮的外圆与端面交接处应修整得较为尖锐；如断屑槽为圆弧型，砂轮的外圆与端面交接处应修整成相应的圆弧。刃磨时刀尖可向上或向下磨削（图1-26），粗磨后还要精磨一次。断屑槽的形状会对前角的大小产生影响，因此在磨削时不仅要注意断屑槽本身的形状及与主切削刃之间的相对位置，还应注意前角的大小。

4）磨负倒棱。磨硬质合金刀片时可采用杯形绿色碳化硅砂轮（粒度100#～200#）。刃磨时，车刀刀杆底面在垂直方向上与砂轮侧面成一个等于刃倾角值的夹角，在水平方向上与砂轮侧面所夹角度应等于负倒棱倾斜角（图1-27）。

图1-26　磨断屑槽

（a）在砂轮左角上刃磨　（b）在砂轮右角上刃磨

图1-27　磨负倒棱

（a）在垂直方向上刃磨　（b）在水平方向上刃磨

5）精磨主后面和副后面。刃磨时，将车刀底平面靠在调整好角度的台板上，使切削刃轻靠住砂轮端面进行刃磨（图1-28）。磨削时，车刀应沿主切削刃方向作左右缓慢移动。

图1-28　精磨后角、副后角

（a）精磨主后刀面　（b）精磨副后刀面

6）磨过渡刃。采用的砂轮与磨负倒棱时相同；其刃磨方法基本与精磨后刀面时相同。磨直线形过渡刃的方法见图1-29（a）；磨圆弧形过渡刃的方法见图1-29（b）。

图1-29　磨过渡刃

（a）磨直线形过渡刃　（b）磨圆弧形过渡刃

为进一步提高车刀的刃磨质量，使刀刃更为平滑光洁，在刃磨后应在油石上对刀刃进行研磨。

第三节　车刀切削部分材料

一、切削部分材料应满足的要求

在车刀进行切削时，切削部分承受高压、高温和剧烈摩擦，有时还要承受强烈的冲击，因此切削部分材料必须满足下列要求。

（1）具有高的硬度。材料硬度至少不应低于HRC60。

（2）具有较高的耐热性。切削材料应在高温下保持常温下所具有的硬度。刀具材料耐热性越好，加工时切削速度就可选得越高。

（3）具有高的耐磨性。切削时，刀具切削部分与工件之间会产生强烈的摩擦，因此需要切削部分材料具有高耐磨性，以提高刀具的耐用度。

（4）具有足够的强度和韧性。切削时，刀具要承受各种力和冲击。为了防止切削部分变形影响加工质量，要求材料具有足够的强度和韧性。

（5）良好的工艺性。刀具切削部分材料应具有良好的工艺性能，以便于制造。

二、切削部分常用的材料

1.高速钢

高速钢是在合金工具钢中加入了较多的W、Mo、Cr、V、Co等合金元素的高合金工具钢。高速钢抗弯强度较高，韧性较好，容易磨出较锋利的刀刃和所需的刀刃形状。高速钢在车削加工中常用作精加工刀具和成形车刀。表1-5列出了常用于车刀的高速钢的钢号、力学性能及适用范围。

表1-5　常用高速钢的钢号、力学性能及适用范围

2.硬质合金

硬质合金是将硬度和熔点很高的金属碳化物（WC、TiC等）微粉和金属粘结剂（Co、Ni、Mo等）在高压下成形，并在1500℃左右高温下烧结而成。目前的车削刀具大都采用硬质合金。

表1-6列出了常用硬质合金的牌号、性能及在车削中的用途。牌号中：

Y——表示硬质合金；

G——钴，其后数字代表含钴量；

X——表示材料为细颗粒合金；

A——含TaC（NbC）的钨钴类合金；列在牌号后表示加钽元素；

T——碳化钛，其后数字表示其含量；

W——通用合金；

N——不含钴的以镍、钼作粘结剂的合金；列在牌号后表示加铌元素。

表1-6　常用硬质合金牌号、性能及用途

续表

表1-7列出了一些国产新牌号硬质合金的性能及适用范围。

表1-7　一些国产新牌号硬质合金的性能及适用范围

续表

续表

3.陶　瓷

陶瓷刀具材料是以人造化合物为原料，在高压下成形，在高温下烧结而形成的，其主要特点为：

（1）硬度高，耐磨性好。陶瓷刀具材料的硬度和耐磨性均比硬质合金更为优越，其硬度达到91～95HRA，使用寿命比硬质合金高几倍到几十倍；

（2）良好的高温性能。陶瓷材料的耐热性高达1200℃，在此温度下的硬度与硬质合金在200～600℃时的硬度相当；

（3）化学稳定性好。即使在接近熔化的温度下也不会与钢起化学作用，抗氧化能力也相当好；

（4）良好的抗粘接性能。陶瓷材料与金属亲和力小，不易与被切削金属发生粘结；

（5）摩擦系数低。其摩擦系数低于硬质合金，对减小切削力有利。

常用的陶瓷材料有Al2O3、Al2O3-碳化物-金属、Si3N4、Al2O3- TiC等。

4.超硬刀具材料

（1）金刚石。金刚石是自然界中至今为止所发现的最硬的材料。金刚石分为天然金刚石（代号JT）和人造金刚石（代号JR）两种。由于天然金刚石价格昂贵，在工业上主要使用人造金刚石。人造金刚石是由石墨作原料，在高温、高压条件下烧结转化而成，硬度可达10000HV。

金刚石刀的最大特点是具有极高的硬度和耐磨性，加工对象越硬，这种特性越突出。由金刚石制作的刀具，刀刃十分锋利，刀面表面粗糙度很小，能进行精密加工。另外，这种刀具材料的导热性好，热膨胀系数小。

金刚石刀具材料的最大缺点是耐热性差，切削温度不宜超过700～800℃。另外，金刚石刀具强度低，韧性差，对振动敏感，只宜进行微量切削。

金刚石刀具主要用于对有色金属及其合金、陶瓷等高硬度、高耐磨材料的切削，而不适合于加工铁族材料，因为在高温下（达到800℃），金刚石中的碳原子会迅速扩散到铁中，使刀具急剧磨损。

（2）立方氮化硼。立方氮化硼是由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。这种材料的硬度可达8000～9000HV，耐热温度可达1400℃。主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行精加工和半精加工。以前立方氮化硼主要用以制作磨具，但近年来，这种材料也开始用于车刀中。

表1-8可供常用车刀牌号选择作参考。

表1-8　常用车刀牌号的选择

第四节　切削液

在金属切削过程中，合理使用切削液能减少刀具与工件、切屑之间的摩擦，降低切削力和切削温度。这样不仅可以改善工件的表面加工质量，也可提高刀具的使用寿命。

一、切削液的作用

1.冷却作用

切削液能通过热传导、对流、汽化带走大量在切削过程中产生的热量，从而降低切削温度，提高刀具的耐用度，减少工件和刀具的热变形，提高工件加工精度。

2.润滑作用

切削液渗透到刀具与工件、切屑之间，形成一层润滑性能良好的油膜，减少了摩擦，还能减轻粘结现象和抑制积屑瘤，从而不仅起到润滑作用，还能减小工件表面粗糙度值和提高刀具寿命。

3.清洗作用

切削液一方面减少细微切屑及粉末，以利于清洗，另外还有冲刷在切削过程中产生的细微切屑的作用，从而防止划伤已加工表面，并减少刀具的磨损。切削液的清洗作用的好坏与渗透性、流动性、粘度和使用压力等因素有关。

4.防锈作用

油性切削液本身就具有防锈作用，其他种类的切削液在添加防锈添加剂后也能起到防锈的作用，使工件、机床和刀具不受到周围介质的腐蚀。

二、车削中常用的切削液

车削中常用的切削液有乳化液、煤油及其他矿物油，表1-9列出了车削中常用切削油及其选用。

三、切削液使用方法

1.刀具与切屑接触部位即切削变形区是发热的核心区，切削液应浇注在此处，以得到良好的冷却、润滑效果。

2.硬质合金刀具耐热性高，一般不需使用切削液，如使用则必须连续、充分地供给，否则会因骤冷骤热，产生较大的热应力而使刀片产生裂纹，甚至碎裂。

3.油库领出的乳化液呈膏状，应在使用前加15～20倍水稀释。

本章小结

本章为车削加工的基本知识，主要内容为：切削运动及其参数、车刀主要结构及几何角度、车刀切削部分材料以及切削液等。

本章的重点内容为车刀切削角度的作用及选择、车刀的结构形式及各种车刀切削部分材料的特点及应用。车刀是车削加工中最主要和最重要的切削工具。“工欲善其事，必先利其器”，能否高效率、高质量地完成车削加工，除了应具备一定的加工技能外，首先还必须具有得心应手的，即具有合理材料、几何角度及结构的车刀。事实上，生产一线中那些车削能手均在刀具的使用上具有丰富的实践经验和心得。本书在其他章节中对于各种表面车削加工时所常用的车刀切削材料、结构及几何要素选择等还有较为具体的介绍。

刀具的理论及实践知识极为丰富，不可能在这样一本小册子中作详尽的介绍。希望从事车削加工的读者，能通过阅读本章内容，对切削运动的一些基本知识，特别是对车刀的结构、几何要素及切削材料等方面有一较为完整的认识，并对今后实践中不断提高对车刀的选择、应用技能有所帮助。