第七節(jié) 刀具幾何參數(shù)和切削用量的合理選擇
學習了金屬切削過程基本規(guī)律的應用以后，就要學會運用規(guī)律，用于指導生產(chǎn)實踐。本節(jié)主要從控制切屑、改善材料的切削加工性、合理選擇切削液、合理選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量等五個方面問題，來達到保證加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的目的。

一、工件材料的切削加工性

工件材料的切削加工性：是指工件材料被切削成合格零件的難易程度。其研究的目的是為了尋找改善材料切削加工性的途徑。

1、評定工件材料的切削加工性的主要指標

1）刀具耐用度指標：
切削普通金屬材料：用刀具耐用度達到60min時允許的切削速度V60的高低來評定材料的加工性。
切削難加工金屬材料：用刀具耐用度達到20min時允許的切削速度V20的高低來評定材料的加工性。
同樣條件下，V60或V20大，加工性越好。
相對加工性：KV=V60/V060 ,(以45鋼的V60為基準，記為V060）

2）加工表面粗糙度指標：
粗糙度值越小，加工性越好。

另外，還用切屑形狀是否容易控制、切削溫度高低和切削力大小（或消耗功率多少）來評定材料加工性的好壞。
其中，粗加工時用刀具耐用度指標、切削力指標，精加工時用加工表面粗糙度指標，自動生產(chǎn)線時常用切屑形狀指標。

此外，材料加工的難易程度主要決定于材料的物理、力學和機械性能，其中包括材料的硬度HB、抗拉強度σb、延伸率δ、沖擊值αk和導熱系數(shù)k，故通常還可按它們數(shù)值的大小來劃分加工性等級，見表2.9。

2、改善材料切削加工性的措施

1）調(diào)整化學成分
如在不影響工件材料性能的條件下，適當調(diào)整化學成分，以改善其加工性。如在鋼中加入少量的硫、硒、鉛、鎖、磷等，雖略降低鋼的強度，但也同時降低鋼的塑性，對加工性有利。
2）材料加工前進行合適的熱處理
低碳鋼通過正火處理后，細化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于減小刀具的粘結磨損，減小積屑瘤，改善工件表面粗糙度；
高碳鋼球化退火后，硬度下降，可減小刀具磨損；
不銹鋼以調(diào)質(zhì)到HRC28為宜，硬度過低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高則刀具易磨損；
白口鑄鐵可在950～1000 °C范圍內(nèi)長時間退火而成可鍛鑄鐵，切削就較容易。
3）選加工性好的材料狀態(tài)
低碳鋼經(jīng)冷拉后，塑性大為下降，加工性好；
鍛造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改為熱軋后加工性得以改善。
4）其它
采用合適的刀具材料，選擇合理的刀具幾何參數(shù)，合理地制訂切削用量與選用切削液等。

二、切削液

1、切削液的作用
冷卻作用：使切削熱傳導、對流和汽化，從而降低切削區(qū)溫度。
潤滑作用（邊界潤滑原理）：切削液滲透到刀具與切屑、工件表面之間形成潤滑膜，它具有物理吸附和化學吸附作用。
洗滌和防銹作用：沖走細屑或磨粒；在切削液中添加防銹劑，起防銹作用。

2、常用切削液及其選用)

1） 水溶液：水溶液就是以水為主要成分并加入防銹添加劑的切削液。主要起冷卻作用。常用的有電解水溶液和表面活性水溶液。

電解水溶液：在水中加入各種電解質(zhì)（如Na2CO3、亞硝酸鈉），能滲透到表面油膜內(nèi)部起冷卻作用。主要用于磨削、鉆孔和粗車等。
表面活性水溶液:在水中加入皂類、硫化蓖麻油等表面活性物質(zhì)，用以提高水溶液的潤滑作用。常用于精車、精銑和鉸孔等。

2）切削油:主要起潤滑作用。

10號、20號機油：用于普通車削、攻絲
輕柴油：用于自動機上。
煤油：用于精加工有色金屬、普通孔或深孔精加工。
豆油、菜油、蓖麻油等：用于螺紋加工。

2） 乳化液：由水和油混合而成的液體。生產(chǎn)中的乳化液是由乳化劑（蓖麻油、油酸或松脂）加水配置而成。

濃度低的乳化液含水多，主要起冷卻作用，適于粗加工和磨削；濃度高的乳化液含水少，主要起潤滑作用，適于精加工。

4）極壓切削油和極壓乳化液：在切削液中添加了硫、氯、磷極壓添加劑后，能在高溫下顯著提高冷卻和潤滑效果。

三、刀具幾何參數(shù)的合理選擇

刀具幾何參數(shù)主要包括：刀具角度、刀刃的刃形、刃口形狀、前刀面與后刀面型式等。
1、 前角、前刀面的功用與選擇

前刀面：有平面型、曲面型和帶倒棱型三種。

平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。

曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于斷屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金屬刀具和孔加工刀具。如絲錐、鉆頭。

帶倒棱型前刀面：是提高刀具強度和刀具耐用度的有效措施。

前角的功用：前角影響切削過程中的變形和摩擦，同時又影響刀具的強度。
前角γo對切削的難易程度有很大影響。增大前角能使刀刃變得鋒利，使切削更為輕快，并減小切削力和切削熱。
但前角過大，刀刃和刀尖的強度下降，刀具導熱體積減少，影響刀具使用壽命。
前角的大小對表面粗糙度、排屑和斷屑等也有一定影響。

前角的選用原則：在刀具強度許可條件下，盡可能選用大的前角。

工件材料的強度、硬度低，前角應選得大些，反之小些（如有色金屬加工時，選前角較大）；
刀具材料韌性好（如高速鋼），前角可選得大些，反之應選得小些（如硬質(zhì)合金）；
精加工時，前角可選得大些。粗加工時應選得小些。

2、后角、后刀面的功用與選擇）

后角的功用：后角αo的主要功用是減小后刀面與工件間的摩擦和后刀面的磨損，其大小對刀具耐用度和加工表面質(zhì)量都有很大影響。后角同時又影響刀具的強度。

后角的選用原則：粗加工以確保刀具強度為主，可在4o-6o范圍內(nèi)選取； 精加工以加工表面質(zhì)量為主，可在αo=8o-12o
一般，切削厚度越大，刀具后角越??；
工件材料越軟，塑性越大，后角越大。
工藝系統(tǒng)剛性較差時，應適當減小后角（切削時起支承作用，增加系統(tǒng)剛性并起消振作用）；
尺寸精度要求較高的刀具，后角宜取小值。

3、主偏角、副偏角的功用與選擇

主偏角κr：的大小影響切削條件（切削寬度和切削厚度的比例）和刀具壽命。
在工藝系統(tǒng)剛性很好時，減小主偏角可提高刀具耐用度、減小已加工表面粗糙度，所以κr宜取小值；
在工件剛性較差時，為避免工件的變形和振動，應選用較大的主偏角。
副偏角κr'：影響加工表面粗糙度和刀具強度。其作用是可減小副切削刃和副后刀面與工件已加工表面之間的摩擦，防止切削振動。κr'的大小主要根據(jù)表面粗糙度的要求選取。通常在不產(chǎn)生摩擦和振動條件下，應選較小的κr'。

4、刃傾角的功用與選擇）

刃傾角λs主要影響刀頭的強度和切屑流動的方向。
刃傾角λs選用原則：主要根據(jù)刀具強度、流屑方向和加工條件而定。
粗加工時，為提高刀具強度，λs取負值；精加工時，為不使切屑劃傷已加工表面，λs常取正值或0。

切削用量不僅是在機床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和機床動力性能（功率、扭矩），在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。

切削用量選擇原則：能達到零件的質(zhì)量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工藝系統(tǒng)強度和剛性允許下及充分利用機床功率和發(fā)揮刀具切削性能的前提下選取一組最大的切削用量。

四、制訂切削用量時考慮的因素

1、切削加工生產(chǎn)率

在切削加工中，金屬切除率與切削用量三要素ap、f、v均保持線性關系，即其中任一參數(shù)增大一倍，都可使生產(chǎn)率提高一倍。然而由于刀具壽命的制約，當任一參數(shù)增大時，其它二參數(shù)必須減小。因此，在制訂切削用量時，三要素獲得最佳組合，此時的高生產(chǎn)率才是合理的。一般情況下盡量優(yōu)先增大ap ，以求一次進刀全部切除加工余量。

2、機床功率
背吃刀量ap和切削速度Vc增大時，均使對切削功率成正比增加。進給量f對切削功率影響較小。所以，粗加工時，應盡量增大進給量。

3、刀具壽命（刀具的耐用度T）

切削用量三要素對刀具壽命影響的大小，按順序為Vc、f、ap。因此，從保證合理的刀具壽命出發(fā)，在確定切削用量時，首先應采用盡可能大的背吃刀量ap；然后再選用大的進給量f；最后求出切削速度Vc。

4、加工表面粗糙度

精加工時，增大進給量將增大加工表面粗糙度值(見第四章)。因此，它是精加工時抑制生產(chǎn)率提高的主要因素。在較理想的情況下，提高切削速度Vc，能降低表面粗糙度值；背吃刀量ap對表面粗糙度的影響較小。
綜上所述，合理選擇切削用量，應該首先選擇一個盡量大的背吃刀量ap，其次選擇一個大的進給量f。最后根據(jù)已確定的ap和f，并在刀具耐用度和機床功率允許條件下選揮一個合理的切削速度Vc。

五、切削用量制定的步驟

粗加工的切削用量，一般以提高生產(chǎn)效率為主，但也應考慮經(jīng)濟性和加工成本；半精加工和精加工的切削用量，應以保證加工質(zhì)量為前提，并兼顧切削效率、經(jīng)濟性和加工成本。

1、背吃刀量ap的選擇 ：根據(jù)加工余量多少而定。

除留給下道工序的余量外，其余的粗車余量盡可能一次切除，以使走刀次數(shù)最小；
當粗車余量太大或加工的工藝系統(tǒng)剛性較差時，則加工余量分兩次或數(shù)次走刀后切除。

2.進給量f的選擇： 可利用計算的方法或查手冊資料來確定進給量f的值。
3.切削速度Vc的確定 ：按刀具的耐用度T所允許的切削速度VT來計算。除了用計算方法外，生產(chǎn)中經(jīng)常按實踐經(jīng)驗和有關手冊資料選取切削速度。

4.校驗機床功率:
Vc≤PE*η/（1000Fz） m/s

六、提高切削用量的途徑

1.采用切削性能更好的新型刀具材料；
2.在保證工件機械性能的前提下，改善工件材料加工性；
3.改善冷卻潤滑條件；
4.改進刀具結構，提高刀具制造質(zhì)量。