1.1 金属切削刀具的结构

1.1.1 切削运动与切削要素

1．切削运动

为了切除工件上多余的金属，从而获得形状、尺寸精度和表面质量等符合要求的工件，除必须使用切削刀具外，刀具和工件之间还必须做相对运动——切削运动。根据在切削过程中所起的作用不同，切削运动可分为主运动和进给运动。图1-2列举了几种常见加工方法的切削运动。

（1）主运动

主运动是使工件与刀具之间产生相对运动以进行切削的最主要的运动，也是切削运动中速度最高、消耗功率最大的运动。在切削运动中，主运动可以是旋转运动，也可以是直线运动，如图1-2所示。一般切削运动中主运动只有一个。

（2）进给运动

进给运动是把被切削层间断或连续地投入切削的一种运动。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以是一个（如图1-2a所示），也可以是几个（如图1-2e所示）；可以是连续运动（如图1-2c所示），也可以是间歇运动（如图1-2b所示）。

（3）合成切削运动

当主运动和进给运动同时进行时（如车削、铣削等），刀具切削刃上选定点与工件间的相对切削运动，是主运动和进给运动的合成运动，称为合成切削运动。如图1-2a所示的外圆车削运动，v_c为切削刃上某点的切削速度，v_f为同一点的进给运动速度，v_e为两个运动的合成速度。

2．工件上的加工表面

在切削过程中，工件上形成了三个不断变化的表面（如图1-2a、b所示）。

1）待加工表面：工件上有待切除金属层的表面。

2）已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面。

3）过渡表面：主切削刃正在切削的表面。

3．切削要素

切削要素包括切削用量和切削层参数。

（1）切削用量三要素

切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素，各种常见切削加工的切削用量如图1-3所示。

1）切削速度v_c。切削速度v_c是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。当主运动为旋转运动时，切削速度的计算公式如下

式中 v_c——切削速度（m/min）；

d——工件加工表面或刀具的最大直径（mm）；

n——主运动的转速（r/min）。

2）进给量f。进给量f是工件或刀具在主运动每转一周或每一行程时，刀具与工件在进给方向上的相对位移量。进给量的大小也反映了进给速度的大小，两者关系为

式中 v_f——进给速度（mm/min）；

f——进给量（mm/r）；

n——主运动的转速（r/min）。

3）背吃刀量a_p。背吃刀量a_p是指已加工表面与待加工表面之间的垂直距离。当车外圆时，背吃刀量的计算公式为

式中 a_p——背吃刀量（mm）；

d_w——待加工表面直径（mm）；

d_m——已加工表面直径（mm）。

（2）切削层参数

在切削过程中，刀具切削刃在一次进给中从工件待加工表面上切下的金属层称为切削层。如图1-4所示，车刀从位置Ⅰ移到位置Ⅱ时所切下的Ⅰ、Ⅱ之间的金属层就是切削层。切削层参数共有三个，即切削层公称厚度、切削层公称宽度和切削层公称横截面积。通常在垂直于切削速度的平面内测量。

1）切削层公称厚度h_D。切削层公称厚度h_D是指垂直于过渡表面测量的切削层尺寸。h_D的大小反映了切削刃单位长度上的工作负荷。由图1-4可知

式中 h_D——切削层公称厚度（mm）；

f——进给量（mm/r）；

κ_r——主偏角（°）。

2）切削层公称宽度b_D。切削层公称宽度b_D是指沿着过渡表面测量的切削层尺寸。b_D的大小反映了参加切削的切削刃长度。由图1-4可知

式中 b_D——切削层公称宽度b_D（mm）；

a_p——背吃刀量（mm）；

κ_r——主偏角（°）。

3）切削层公称横截面积A_D。切削层公称横截面积A_D是指在切削层尺寸平面内测量的横截面积。由图1-4可知

1.1.2 刀具切削部分的结构

1．刀具切削部分的几何要素

金属切削刀具的种类繁多，形状各异，但就其切削部分而言，都可视为外圆车刀切削部分的演变。如图1-5所示为外圆车刀的结构，其组成包括刀杆部分和刀头部分。刀杆部分用于在刀架上装夹；刀头部分用于切削，又称切削部分。

刀具切削部分的组成要素如下：

1）前刀面A_γ：切削过程中切屑流过的表面。

2）主后刀面A_α：与工件上过渡表面相对应的刀面，也称为后刀面。

3）副后刀面：与工件上已加工表面相对应的刀面，也称为副后面。

4）主切削刃S：前刀面与后刀面的交线，它担负主要的切削工作。

5）副切削刃S′：前刀面与副后面的交线，它配合主切削刃完成切削工作。

6）刀尖：它是主、副切削刃的连接部位。刀尖可以是主、副切削刃的实际交点（如图1-6a所示），但为了提高刀尖强度并延长刀具使用寿命，实际中多将刀尖磨成圆弧（如图1-6b所示）或直线形过渡刃（如图1-6c所示），即圆弧刀尖和倒角刀尖。

2．刀具的标注角度

为了要确定刀具切削部分各几何要素的空间位置，就需要建立相应的参考系。为此目的建立的参考系一般有两大类：一是刀具静止角度参考系；二是刀具工作角度参考系。下面说明刀具静止角度参考系及其坐标平面。

（1）刀具静止角度参考系

刀具静止角度参考系是指用于定义设计、制造、刃磨和测量刀具切削部分几何要素的参考系，又称为标注角度参考系，在此参考系中定义的角度称为刀具标注角度。刀具静止角度参考系是在假定条件下建立的参考系，假定条件是指假定运动条件和假定安装条件。

1）假定运动条件。在建立参考系时，暂不考虑进给运动，即用主运动向量近似代替切削刃与工件之间相对运动的合成速度向量。

2）假定安装条件。假定刀具的刃磨和安装基准面垂直或平行于参考系的平面，同时假定刀杆中心线与进给运动方向垂直。例如：对于车刀来说，规定刀尖安装在工件中心高度上，刀杆中心线垂直于进给运动方向等。

（2）刀具静止角度参考系的坐标平面

作为一个空间参考系，就必须有确定的坐标平面。在静止角度参考系中，这样的坐标平面有三个：基面（P_r）、切削平面（P_s）和测量平面。

1）基面P_r。基面是指通过切削刃上选定点，垂直于假定主运动方向的平面，如图1-7a所示。

2）切削平面P_s。切削平面是指通过切削刃上选定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面，如图1-7a所示。无特殊情况，切削平面即指主切削平面。

3）测量平面。常用的测量平面有四个：

① 正交平面P_o（也称主剖面）。正交平面是指通过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，如图1-7a所示。

② 法平面P_n（也称法剖面）。法平面是指通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面，如图1-7a所示。

③ 假定工作平面P_f（也称进给剖面）。假定工作平面是指通过切削刃上选定点平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面，如图1-7b所示。

④ 背平面P_p（也称切深剖面）。背平面是指通过切削刃上选定点并垂直于假定工作平面和基面的平面，如图1-7b所示。

以上测量平面可根据需要任选一个，然后与另两个坐标平面（基面P_r和切削平面P_s）共三个平面组成相应的参考系。如P_r—P_s—P_o组成正交平面参考系（主剖面参考系）；P_r—P_s—P_n组成法平面参考系（法剖面参考系）；P_r—P_s—P_f组成假定工作平面参考系（进给剖面参考系）；P_r—P_s—P_p组成背平面参考系（切深剖面参考系）。

对于副切削刃的静止角度参考系，也有同样的上述坐标平面。为区分起见，可在相应符号上方加“′”，如为副切削刃的正交平面，其余类同。

（3）正交平面参考系下的刀具标注角度

如图1-8所示，正交平面参考系下车刀各标注角度如下：

前角γ_o：在主切削刃选定点的正交平面P_o内，前刀面与基面之间的夹角，正负规定如图1-8所示。

后角α_o：在正交平面P_o内，主后刀面与切削平面之间的夹角，正负规定如图1-8所示。

主偏角κ_r：主切削刃在基面上的投影与假定进给运动方向的夹角，它总是正值。

副偏角：副切削刃在基面上的投影与假定进给运动反方向的夹角，它总是正值。

刃倾角λ_s：在切削平面P_s内，主切削刃与基面的夹角，正负规定如图1-8所示。

副后角：在副切削刃选定点的副正交平面内，副后刀面与副切削平面之间的夹角，正负规定如图1-8所示。

同理，在法平面P_n内有标注角度法前角γ_n和法后角α_n；在假定工作平面P_f内有标注角度侧前角γ_f和侧后角α_f；在背平面P_n内有标注角度背前角γ_p和背后角α_p。

3．刀具的工作角度

（1）刀具的工作角度参考系

刀具的工作角度参考系是在实际工作条件下建立的参考系，在此参考系中定义的角度称为刀具的工作角度。工作角度参考系基准平面如下：

工作基面P_re：过切削刃选定点与合成切削速度v_e垂直的平面。

工作切削平面P_se：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。

（2）影响刀具工作角度的因素

1）刀具安装位置对刀具工作角度的影响

① 刀刃安装高低对工作前、后角的影响。如图1-9所示，当切削点高于工件中心时，此时工作基面与工作切削平面与正常位置相应的平面成θ角，由图可以看出，此时工作前角增大θ_p角，而工作后角减小θ_p角，θ_p角满足如下关系式

② 刀杆中心与进给方向不垂直对工作主、副偏角的影响。如图1-10所示，当刀杆中心线比正常位置偏θ_A角时，将引起工作主偏角κ_re增大（或减小），工作副偏角减小（或增大），角度变化值为θ_A角。

2）进给运动对刀具工作角度的影响

① 进给运动方向对工作主、副偏角的影响。如图1-11所示，当实际进给运动方向与假定进给运动方向偏θ_A角时，将引起工作主偏角κ_re增大（或减小），工作副偏角减小（或增大），角度变化值为θ_A角。

② 横向进给运动对刀具工作角度的影响。如图1-12所示，车端面或切断时，主运动方向与合成切削运动方向的夹角为μ，这时工作基面P_re和工作切削平面P_se相对于静止角度参考系都要偏转一个附加的角度μ，导致工作前角增大μ角，而工作后角减小μ角。

③ 纵向进给运动对刀具工作角度的影响。如图1-13所示，车外圆或螺纹时，主运动方向与合成切削运动方向的夹角为μ_f，这时工作基面P_re和工作切削平面P_se相对于静止角度参考系都要偏转一个附加的角度μ_f，导致工作前角增大μ_f角，而工作后角减小μ_f角。

式中 f——纵向进给量或螺纹的导程（mm/r）；

d——工件选定点的直径（mm）；

μ_f——螺旋升角（°）。