一、切削运动及切削要素

1.切削运动

利用刀具和工件之间的相对运动，切去工件（毛坯）上多余的金属层（加工余量），以获得具有一定的表面精度（尺寸、形状和位置精度）和表面质量的零件的机械加工方法叫作金属切削加工。

刀具与工件的相对运动，分主运动和进给运动。

主运动——直接切除工件上多余的金属层，使之转变为切屑的运动，称为主运动。

进给运动——使新的金属层不断投入切削的运动。

2.切削时工件上形成的表面

待加工表面——工件上即将被切除的表面。

已加工表面——工件上已切去切削层而形成的新表面。

过渡表面（加工表面）——工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。

3.切削用量

切削用量又称切削用量三要素。

切削速度——刀具主切削刃上的某一点，相对于工件待加工表面在主运动方向上的瞬时速度（即主运动的线速度），单位m/min。

进给量——主运动的一个循环内刀具或工件沿进给运动方向所移动的距离，单位mm/min，mm/r。

切削深度——待加工表面到已加工表面之间的垂直距离，单位mm。

二、车刀的基本知识

1.车刀的种类

车刀按不同的用途可分为外圆车刀、端面车刀、切断刀、内孔车刀、成形车刀和螺纹车刀等，如图8-3所示。

图8-3 常用车刀

车刀从结构上分为四种形式，即整体式、焊接式、机夹式、可转位式车刀，如图8-4所示，其结构特点及适用场合见表8-1。

图8-4 车刀的结构

表8-1 车刀结构类型特点及适用场合

2.45°和90°外圆车刀的简介

45°外圆车刀有两个刀尖，前端一个刀尖通常用于车削工件的外圆，另一个刀尖通常用来车削平面。主、副切削刃，在需要的时候可用来左右倒角。

90°车刀又称偏刀，按进给方向分右偏刀和左偏刀，下面主要介绍常用的右偏刀。右偏刀一般用来车削工件的外圆、端面和右向台阶，因为它的主偏角较大，车外圆时，用于工件的半径方向上的径向切削力较小，不易将工件顶弯。

右偏刀也可以用来车削平面，但因车削使用副切削刃切削，如果由工件外缘向工件中心进给，当切削深度较大时，切削力会使车刀扎入工件，形成凹面，为了防止产生凹面，可改由中心向外进给，用主切削刃切削，但切削深度较小。

3.硬质合金可转位车刀

硬质合金可转位车刀是用机械夹紧的方式将用硬质合金制成的各种形状的刀片固定在相应标准的刀杆上，组合成各种表面的车刀。当刀片上的一个切削刃磨钝后，只需将刀片转过适当角度，不需刃磨即可用新的切削刃继续切削。其刀片的装拆和转位都很方便、快捷，从而大大地节省了换刀和磨刀时间，并提高了刀杆的利用率。硬质合金可转位车刀如图8-5所示。

图8-5 硬质合金可转位车刀

1—刀杆 2—夹紧装置 3—刀片 4—刀垫

4.车刀材料

（1）刀具材料的基本要求

高的硬度。常温下车刀刀头的硬度大于60HRC。

高的耐磨性。耐磨性指车刀抵抗工件磨损的性能。硬度越高，耐磨性越好。

足够的强度和韧性。车刀切削时要承受较大的切削力、冲击力和振动，因此要有足够的强度和韧性。

耐热性好。车刀在高温下仍有良好的切削性能。

良好的工艺性能。车刀刀头材料要具备可焊接、锻造、热处理、磨削加工等工艺性能。

（2）刀具材料的种类

常用车刀材料有高速钢和硬质合金。

高速钢是含有钨、铬、钒、钼等合金元素较多的合金钢，高速钢车刀的特点是制造简单、刃磨锋利、韧性好并能承受较大的冲击力。但高速钢车刀的耐热性较差，不宜高速切削。

硬质合金的硬度很高，耐磨性好，红硬性高，在800℃～1000℃仍能保持良好的切削性能，切削速度可比高速钢高几倍甚至几十倍，适合高速车削的粉末冶金制品。但它的韧性差，不能承受较大的冲击力。

5.车刀切削部分的组成

车刀由刀头和刀杆两部分组成。刀头是车刀的切削部分，刀杆是车刀的夹持部分。刀头是车刀最重要的部分，由刀面、刀刃和刀尖组成，承担切削加工任务。车刀的组成基本相同，但刀面、刀刃的数量、形式、形状也不完全一样，如外圆车刀有三个刀面、两条刀刃和一个刀尖，而切断刀有四个刀面、三条刀刃和两个刀尖。刀刃可以是直线，也可以是曲线。车刀的组成如图8-6所示。

图8-6 车刀的组成

（1）刀面

前刀面：车刀上切屑流出时经过的刀面。

主后刀面：车刀上与工件过渡表面相对的刀面。

副后刀面：车刀上与工件已加工表面相对的刀面。

（2）刀刃

主切削刃：前刀面与主后刀面相交的部位，承担主要的切削工作。

副切削刃：前刀面与副后刀面相交的部位，靠近刀尖部分承担少量的切削工作。

（3）刀尖

主刀刃和副刀刃的联结部位，为了提高刀尖的强度，改善散热条件，很多车刀在刀尖处磨出圆形过渡刃，又称刀尖圆弧。一般硬质合金车刀的刀尖圆弧半径r=0.5～1mm。

（4）修光刃

副刀刃前段接近刀尖处一小段平直的刀刃叫修光刃，装刀时须使修光刃与进给方向平行，且修光刃长度必须大于工件的进给量时才能起到修光工件表面的作用。

三、车刀的几何角度及选择

1.确定车刀角度的辅助平面

为了便于确定和测量车刀的几何角度，需要假想以下三个辅助平面作基准，如图8-7所示。

图8-7 车刀角度的辅助平面

①基面（Pγ）：过车刀主刀刃上某一选定点，并与该点切削速度方向垂直的平面。

②切削平面（Ps）：过车刀主刀刃上某一选定点，并与工件的过渡表面相切的平面。

③截面有主截面和副截面之分。主截面（Po）：过主切削刃上的某一选定点，同时垂直于该点的切削平面和基面的平面。副截面（P′o）：过副切削刃上的某一选定点，同时垂直于该点的切削平面和基面的平面。

由于过主切削刃上的某一选定点的切削速度方向和过该点并与工件的过渡表面相切的平面的方向是一致的，所以基面与切削平面相互垂直。

需要指出的是：上述定义是假设切削时只有主运动，不考虑进给运动，刀柄的中心线垂直于进给方向，且规定刀尖对准工件中心，此时基面与刀柄底平面平行，切削平面与刀柄底平面垂直。这种假设状态称为刀具的“静止状态”。静止状态的辅助平面是车刀刃磨、测量和标注角度的基准。

2.车刀的几何角度

车刀切削部分的主要几何角度见图8-8。

图8-8 车刀切削部分的主要几何角度

（1）在主截面内测量的角度

前角γo：前刀面与基面之间的夹角。

后角αo：后刀面与切削平面之间的夹角。在主截面内测量的是主后角，在副截面内测量的是副后角。

楔角βo：在主截面前刀面与后刀面之间的夹角。

以上三个角之和为90°，即γo+αo+βo=90°。

（2）在基面内测量的角度

主偏角Kr：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。

副偏角K′r：副切削刃在基面上的投影与背离进给运动方向间的夹角。

刀尖角εr：主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。它影响刀尖的强度和散热性能。

以上三个角度之和为180°，即Kr+K′r+εr=180°。

（3）在切削平面内测量的角度

刃倾角λs：主切削刃与基面之间的夹角。

3.车刀几何角度的选择

（1）前角

①前角的作用

前角的作用是影响切削刃口锋利程度、切削力的大小与切屑变形的大小。增大前角可使车刀刃口锋利、减小切削力、降低切削温度，前角还会影响车刀强度、受力情况和散热条件。若增大前角，会使楔角减小，从而削弱了刀体强度。刃口强度降低，易崩刃。前角增大还会使刀刃的散热条件变差，导致切削区域温度升高。

②前角正、负的确定

在主截面中，当前刀面与切削平面之间的夹角小于90°时，前角为正。大于90°时前角为负，如图8-9所示。

图8-9 前、后角正、负的规定

③前角的选择

前角选择的原则是在刀具强度允许的情况下，尽量选取较大的前角。

切削塑性材料时，一般取较大的前角；切脆性材料时，一般取较小的前角。前角的大小与刀具材料、切削工作条件及被切材料有关。当切削有冲击时，前角应取小值，甚至取负角。硬质合金车刀的前角一般比高速钢车刀的前角要小。加工材料由硬到软，对于高速钢车刀，前角可取5°～30°；对于硬质合金车刀，前角一般取15°～30°。

粗加工时应选较小的前角，精加工时应选较大的前角。

车刀材料的强度、韧性较差，前角应取小值；反之，取大值。

（2）后角

①后角的作用如下。

减小后刀面与工件过渡表面之间的摩擦，提高工件的表面质量，延长刀具的使用寿命。

增大后角可使车刀刃口变锋利。但后角过大，又会使楔角变小，不仅会削弱车刀的强度，而且还会使散热条件变差。

②后角正、负的确定如下。

当后刀面与基面的夹角小于90°时后角为正，大于90°时后角为负，如图8-9所示。

③后角的选择如下。

粗车时，切削深，进给快，要求车刀有足够的强度，应选择较小的后角。精车时，为减小后刀面与工件过渡表面的摩擦，保持刃口的锋利，应选较大的后角。切削力较大时，应选取较小的后角。

加工塑性材料时后角取大一些，加工脆性材料时后角取小些。高速钢车刀的后角一般可6°～12°，硬质合金车刀可取2°～12°。粗车时，后角一般取3°～6°；精车时，后角一般取6°～12°。

（3）主偏角

①主偏角的作用如下。

主偏角主要影响车刀的散热条件、切削分力的大小和方向的变化及影响切屑厚薄的变化。

②主偏角的选择如下。

当工件刚性较差时，应选择较大的主偏角；车细长轴时，为减小径向力应选较大的主偏角；工件硬度高选较小主偏角。主偏角通常取45°～90°。

（4）副偏角

①副偏角的作用如下。

主要是减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，影响工件的表面粗糙度及车刀的强度。副偏角一般可取10°～15°。

②副偏角的选择如下。

粗车时副偏角选稍小些，精车时副偏角选稍大些。

（5）刃倾角

①刃倾角的作用如下。

刃倾角的作用主要是控制排屑方向，如图8-10（a）至图8-10（c）所示。当刃倾角为负值时，可增加刀头的强度，并在车刀受冲击时保护刀尖，如图8-10（d）所示。刃倾角还会影响前角及刀刃的锋利程度。增大刃倾角能使切削刃锋利，并可切下很薄的金属层。

图8-10 刃倾角及其作用

②刃倾角有正、负和零度之分，分别如下所述。

当主切削刃和基面平行时，刃倾角为零度（λs=0°），切削时，切屑基本上朝垂直于主切削刃方向排出，如图8-10（a）所示。

当刀尖位于主切削刃最高点时，刃倾角为正值。切削时，切屑朝工件待加工面方向排出，如图8-10（b）所示，但刀尖强度较差。尤其是车削有较大冲击力的工件表面时，由于冲击力较大，刀尖易损坏。

当刀尖位于主切削刃最低点时，刃倾角为负值。切削时，切屑朝工件已加工面方向排出，如图8-10（c）所示。工件表面粗糙度较高，但刀尖强度较好。尤其是车削不连续的工件时，最先承受冲击的着力点，在远离刀尖的切削刃处，从而保护了刀尖。

③刃倾角的选择如下。

选择刃倾角时通常主要考虑工件材料、刀具材料和加工性质。粗加工和断续切削时，所受冲击力较大，为了提高刀尖强度，应选负值刃倾角；车削一般工件则取零度刃倾角；精车时，为了避免切屑将已加工表面拉毛，刃倾角应取正值。微量进给精车外圆或内孔时可取较大刃倾角。