1.1　金属的切削运动分析

金属切削加工是利用金属切削刀具，在工件上切除多余金属的一种机械加工方法。与其他的金属加工方法相比，金属切削加工具有以下特点：

（1）可获得较复杂的工件形状；

（2）可获得较小的表面粗糙度值；

（3）可获得较高的尺寸精度、表面几何形状精度和位置精度。

因此，金属切削加工常作为零件的最终加工方法。

1.切削运动

在金属切削加工过程中，用刀具切除工件材料时，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，这种相对运动称为切削运动。例如，外圆车削时，工件做旋转运动，刀具做连续纵向直线进给运动，形成了工件的外圆柱表面，如图1-1所示。

依其作用的不同，切削运动可分为主运动与进给运动。

1）主运动

主运动是切除多余材料使之成为切屑所需要的最基本运动。通常主运动速度最高，消耗功率最多。机床的主运动一般只有一个，可以由刀具完成，也可以由工件完成，其形式有旋转运动和直线往复运动两种，如图1-2所示。

2）进给运动

进给运动是使刀具连续切下金属层所需要的运动，通常它的速度较低，消耗功率较少，可有一个或多个进给运动。根据刀具相对于工件被加工表面运动方向的不同，可分为纵向进给运动、横向进给运动、径向进给运动、切向进给运动、轴向进给运动和圆周进给运动等。其形式有旋转运动和直线运动两种，既可以连续运动，又可以断续运动，如图1-2所示。

3）主运动和进给运动的合成切削运动

当主运动和进给运动同时进行，如车削时，刀具上切削刃某一点相对于工件的合成运动称为合成切削运动，可用合成速度向量vc表示（见图1-3）。它等于主运动速度vc与进给速度vf的向量和，即

vc=vc+vf　　（1-1）

显然，沿切削刃各点的合成速度向量并不相等。

4）切削表面

在整个切削过程中，工件上有三个表面（见图1-4）：

（1）待加工表面：即将被切去金属层的表面。

（2）过渡表面：切削刃正在切削的表面。

（3）已加工表面：切削后形成的新表面。

这些定义也适用于图1-2所示的其他切削运动。

为完成工件的加工，还需要一些辅助运动，如刀具的切入、退出运动，工件的夹紧与松开，开车、停车、变速和换向动作。

2.切削用量

在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其他技术经济要求来选定适宜的切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap。切削速度、进给量和背吃刀量通常称为切削用量三要素。

1）切削速度vc

切削速度vc是主运动的线速度，主运动为旋转运动时，切削刃上选定点相对于工件的瞬时线速度即为切削速度，单位为m/min。车削时切削速度

式中　d——工件或刀具直径（mm）；

n——工件或刀具转速（r/min）。

若主运动为直线运动，则切削速度为刀具相对工件的直线运动速度。

2）进给速度vf、进给量f和每齿进给量fz

进给速度vf是切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度，单位为m/min。进给量是进给运动的单位量，即进给运动的大小可用进给量f表示。进给量f是指在主运动的一个循环内，刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述和度量。例如主运动为旋转运动时，进给量f为工件或刀具旋转一周，两者沿进给方向移动的相对距离（mm/r）；主运动为直线往复旋转运动时，进给量f为每一往复行程，刀具相对工件沿进给方向移动的距离（mm/行程）；对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，在每转或每往复行程中每个刀齿相对于工件在进给运动方向上的移动距离，称为每齿进给量fz，单位为mm/z。进给速度、进给量、每齿进给量三者关系

vf=fn=nzfz　　（1-3）

3）背吃刀量ap

背吃刀量ap是垂直于进给运动方向测量的切削层横截面尺寸，即工件上待加工表面和已加工表面之间的垂直距离，单位为mm。

主运动为旋转运动时

主运动为直线运动时

ap=Hw-Hm　　（1-5）

在实体材料上钻孔时

式中：dw——工件待加工表面直径（mm）；

dm——工件已加工表面直径（mm）；

Hw——工件待加工表面厚度（mm）；

Hm——工件已加工表面厚度（mm）。

各种切削加工的切削用量如图1-5所示。

4）合成运动速度ve

合成运动速度ve是指在主运动与进给运动同时进行的情况下，切削刃上任一点的实际切削速度，其运算公式如式（1-1）所示。

3.切削层参数

切削过程中，刀具切削刃在一次进给（走刀）中，从工件待加工表面上切下的金属层称为切削层。图1-6所示为外圆车削时，工件旋转一周，车刀从位置Ⅰ移到位置Ⅱ，所切下Ⅰ与Ⅱ之间的金属层为切削层。切削层参数共有三个，通常在垂直于切削速度的平面内测量。

1）切削厚度hD

切削厚度是指过切削刃上选定点，在与该点主运动方向垂直的平面内，垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，单位为mm。由图1-6所示参数可以看出，切削层公称厚度为刀具或工件每移动一个进给量f以后，主切削刃相邻两位置间的垂直距离。hD的大小反映了切削刃单位长度上的工作负荷

hD=fsinkr　　（1-7）

2）切削宽度bD

切削宽度bD是指过切削刃上选定点，在与该点主运动方向垂直的平面内，平行于过渡表面度量的切削层尺寸，单位为mm。同样由图1-6所示参数可以看出，切削层公称宽度为沿刀具主切削刃量得的待加工表面至已加工表面之间的距离，即主切削刃与工件的接触长度

切削宽度bD的大小反映了切削刃参与切削的长度，ap越大，bD越宽。

3）切削面积AD

切削面积AD是指在切削层尺寸平面里度量的横截面积，单位为mm2。可按式（1-9）计算

AD≈apf≈bDhD　　（1-9）

由上述公式和图1-6所示参数可知，切削厚度、切削宽度与刀具的主偏角、刀具刀尖圆弧半径有关。在切削加工中，切削参数的选择对工件的加工质量、生产率和切削过程有着重要的影响。

4.切削方式

由前面分析可知，工件表面形状是由母线沿轨迹线运动而形成的，在机械加工中，可通过刀具和工件做相对运动来获得，由于所用刀具刀刃形状和采取的加工方法不同，可将其归纳为如下四种方法：

1）轨迹法

轨迹法是利用刀具与工件的相对运动轨迹来加工的方法。使用该方法加工时，刀刃与被加工表面为点接触。当该点按给定的规律运动时，便形成了所需的发生线，如图1-7（a）所示。采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。成形运动的精度决定工件的形状精度。

2）成形法

成形法是利用成形刀具加工工件的方法。使用该方法加工时，刀刃与工件表面之间为线接触，刀刃的形状与形成工件表面的一条发生线完全相同，另一条发生线则由刀具与工件的相对运动来实现，如图1-7（b）所示。此时工件的形状精度取决于刀刃的形状精度和成形运动精度。

3）展成法

展成法是利用刀具与工件做展成运动所形成的包络面进行加工的方法。主要用于齿轮的加工，使用该方法加工时，刀刃与工件表面之间为线接触，但刀刃形状不同于齿形表面形状，如图1-7（c）所示。

4）相切法

相切法是利用刀具边旋转边做轨迹运动对工件进行加工的方法。刀具的各个刀刃的运动轨迹共同形成了曲面的发生线，如图1-7（d）所示。