切削运动及切削用量

不同的方法，相似的规律

原始人打磨石器，鲁班制作木器，现代工业中制造航天器的零部件，虽然时代相差遥远、加工材料和对象不同、加工方法各异，但其中仍然存在一些共性，这个共性就是切削规律。

现代机械大都是由金属材料制成的，本章我们主要讨论金属材料的切削规律。

一般情况下，铸造、锻造、焊接件以及各种轧制的型材，其尺寸精度低、表面粗糙度大，不能满足零件的性能要求，只能作为生产零件的毛坯，需要进行切削加工才能成为零件。

金属切削加工是通过刀具和工件之间的相对运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的加工方法。由于金属切削加工时需要使用金属切削机床，故通常称为机械加工。切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、刨削等。从加工方面考虑，钳工使用手动切削工具对工件进行的加工也属于金属切削加工。金属切削加工担负着几乎所有零件的加工任务，在机械制造过程中处于十分重要的地位。

金属切削加工形式多种多样，所用刀具和机床各不相同，但在它们之间却存在许多共同的现象和基本规律，本章重点介绍这方面的基础知识。

3.1.1 切削运动

切削运动是指在刀具和工件相互作用的过程中，刀具相对于工件的运动。切削运动按作用划分可以分为主运动和进给运动，如图3－1所示。

图3－1 切削运动

1.主运动

使刀具和工件产生相对运动，并切除多余金属以形成已加工表面的基本运动称为主运动。如车削加工中的工件旋转运动，铣削和钻削时铣刀和钻头的旋转运动等都是主运动。通常主运动的速度最高，消耗功率最大，并且主运动只有一个。

2.进给运动

配合主运动保持切除多余金属的状态，以便形成全部已加工表面的运动称为进给运动。进给运动的特点是速度低、消耗功率少。切削加工中进给运动可以是一个、两个或多个。它可以是连续的运动，如车削加工时车刀平行于工件轴线的纵向连续直线运动；也可以是间断的运动，如刨削时工件或刀具的横向运动。

3.合成切削运动

切削加工中同时存在主运动和进给运动时，刀具切削刃上选定点（由于切削刃上各点运动情况不一定相同，在研究问题时，应选取切削刃上某一适合点，该点称为切削刃上选定点）相对于工件的运动，称为合成切削运动，其速度称为合成切削速度（见图3－1）。

3.1.2 切削用量

切削用量用来表示切削加工中主运动及进给运动参数的数量。切削用量是调整机床、计算切削力和切削功率、核算工时定额及工序成本的重要参数。它包括切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap三个要素，如图3－2所示。

图3－2 切削用量三要素

1.切削速度vc

切削刃上选定点相对于工件的主运动速度，称为切削速度。它表示在单位时间内工件和刀具沿运动方向相对移动的距离，单位是m／s或m／min。一般切削刃上各点的切削速度是不同的，考虑到刀具的磨损和已加工表面质量等因素，在计算时，应取最大切削速度。

当主运动是回转运动时（如外圆车削加工时），切削速度由下式确定：

vc＝πdwn／1 000 （3－1）

式中：dw——完成主运动的刀具或工件上某一点的最大回转直径，mm；

n——主运动的转速，r／min或r／s；

当主运动是往复直线运动时，以其平均速度为切削速度，即

vc＝2Lnr／1 000（m／s） （3－2）

式中：L——刀具或工件往复直线运动的行程长度，mm；

nr——主运动每分钟的往返次数。

2.进给量f

进给量f是刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，其单位是mm／r。

进给运动的度量往往以进给速度vf表示，定义为切削刃上选定点相对于工件进给运动的瞬时速度，单位为mm／s或mm／min。对于多齿刀具（如铣刀）常常还以每齿进给量fz（mm）表示。vf、f、fz之间的关系为

vf＝nf＝n z fz （3－3）

式中：n——刀具转速，r／s或r／min；

z——刀具的齿数。

习惯上常把进给运动称为走刀运动，进给量称为走刀量。

3.背吃刀量ap

在切削加工过程中，工件上始终有三个不断变化着的表面：待加工表面、过渡表面（也称为加工表面）和已加工表面，如图3－3所示。待加工表面是将被切去金属层的表面；过渡表面是切削刃正在切削着的表面；已加工表面是工件上经刀具切削后产生的表面。

图3－3 工件上的表面

背吃刀量ap一般指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位常用毫米。外圆车削加工时，背吃刀量可用下式计算：

ap＝（dw～dm）／2 （3－4）

式中：dw——待加工表面直径，mm；

dm——已加工表面的直径，mm。

3.1.3 切削层横截面

在一次进给运动中，刀具的切削刃从工件的待加工表面切下的金属层，称为切削层。如图3－4所示的外圆车削加工，工件每转一周，车刀沿工件轴线移动一个进给量。这时切削刃从刀具的位置Ⅰ移到位置Ⅱ。两位置间的金属层被切除，图3－4中所示的阴影部分即为切削层。其截面尺寸即为切削参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切削尺寸，还影响切削力和刀具磨损、工件表面质量和生产率。

图3－4 外圆车削时的切削层参数

切削层可由以下三个参数表示。

1.切削层公称宽度b D

沿过渡表面测量的切削层尺寸称为切削层公称宽度b D（mm）。车外圆时，有

b D＝ap／sinκr （3－5）

式中：κr——切削刃与工件轴线之间的夹角。

2.切削层公称厚度h D

垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度h D（mm）。车外圆时，有

h D＝fsinκr （3－6）

3.切削层公称横截面积AD

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AD。车外圆时，有

AD＝b Dh D＝fap（mm2） （3－7）