金属切削加工的基础知识

机械制造基础第7章金属切削加工的基础知识金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。由此可见，理解零件加工质量的概念；掌握切削运动和金属切削刀具的基本知识；认识金属切削过程的基本规律是学习金属切削加工的基本内容。1、加工精度经机械加工后，零件的尺寸、形状、位置等参数的实际数值与设计理想值的符合程度称为机械加工精度，简称加工精度。实际值与理想值相符合的程度越高，即偏差（加工误差）越小，加工精度越高。加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。零件图上，对被加工件的加工精度要求常用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。一、加工质量为了保证机电产品的质量，设计时应对零件提出加工质量的要求，机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量两方面，它们的好坏将直接影响产品的使用性能、使用寿命、外观质量、生产率和经济性。（1）尺寸精度是指加工表面本身的尺寸(如圆柱面的直径)和表面间的尺寸(如孔间距离等)的精确程度。•尺寸精度的高低，用尺寸公差的大小来表示。•尺寸公差是尺寸允许的变动量，国家标准GB/T1800.3-1998《极限与配合》中规定，尺寸公差分20个等级，即IT01、IT0、IT1、IT2……IT18。IT后面的数字代表公差等级，数字愈大，公差等级越低，公差值越大，尺寸精度越低。•在零件图上，通常只规定尺寸公差，对要求较高的零件，除了规定尺寸公差外,还要规定形状和位置公差。（2）形状精度是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度。•常用的有直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度等。（3）位置精度是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理想位置接近的程度。•常用的有平行度、垂直度、同轴度、对称度等。•国家标准GB/T1182-1996《形状和位置公差》中规定，形状和位置公差共有14个项目，如下页附表所示。形状和位置公差特征项目的名称及符号机械加工精度愈高，加工费用也愈高。每种加工方法在正常条件下所能达到的加工精度范围称为经济精度。2、表面质量主要是指零件加工后的表面粗糙度以及表面层材质的变化。主要包括：•表面粗糙度•表面层材质的变化（1）表面粗糙度表面粗糙度是指在切削加工中，由于刀痕、塑性变形、振动和摩擦等原因，会使加工表面产生微小的峰谷，这些微小峰谷的高低程度和间距状况称为表面粗糙度。•表面粗糙度对零件的耐磨性、抗腐蚀性和配合性质等有很大影响。它直接影响机器的使用性能和寿命。•国家标准GB/T1031-1995规定了表面粗糙度的评定参数及其数值。常用的评定表面粗糙度的参数是轮廓算术平均偏差Ra值。•一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能越好，寿命也越长，但零件的制造成本也会相应增加。（2）表面层材质的变化是指零件加工后在表面层内出现不同于基体材料的力学、冶金、物理及化学性能的变质层。•具体表现为加工硬化、金相组织变化、残余应力产生、热损伤、疲劳强度变化及耐腐蚀性下降等。在满足零件使用性能要求和后续工序要求的前提下，尽可能选用较低的精度等级和较大的表面粗糙度值。在确定零件加工精度和表面粗糙度时，总的原则是：二、切削运动1、切削运动切削加工时,为了获得各种形状的零件,刀具与工件必须具有一定的相对运动,我们将这种相对运动为切削运动。切削运动按其所起的作用可分为：•主运动•进给运动常见的切削运动（1）主运动主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件实现切削的运动。主运动的特点速度最高，消耗的功率最大。（2）进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。•主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；•主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；•主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；•主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。（3）主运动和进给运动的合成当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示，如图所示。2、工件表面切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是：•待加工表面即将被切去金属层的表面；•切削表面切削刃正在切削而形成的表面,切削表面又称加工表面或过渡表面；•已加工表面已经切去多余金属层而形成的新表面。3、切削用量切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量包括：•切削速度•进给量•背吃刀量三个要素。（1）切削速度vc在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时,切削速度vc计算公式为:)/min/(1000smmndvc或式中d－工件直径（mm）n－工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min或r/s)主运动为往复运动时,平均切削速度为：)/min/(10002smmnLvrc或式中L一往复运动行程长度(mm)nr一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。（2）进给量f进给量是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或度量。•车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。•刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf计算公式为:铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是(mm/z)，vf、f、az三者之间的关系为：zanfnvff)/min/(smmmmfnvf或z为多齿刀具的齿数（3）背吃刀量（切削深度）ap背吃刀量ap是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,单位为mm。即：2mwpdda式中dw－待加工表面直径dm－已加工表面直径三、刀具切削部分的几何角度切削刀具种类很多,如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。它们几何形状各异,复杂程度不等，但它们切削部分的结构和几何角度都具有许多共同的特征，其中车刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性。其他刀具都可以看作是车刀的组合或变形。如图所示。1、车刀的组成车刀由切削部分、刀柄两部分组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用以装夹在机床刀架上。切削部分是由一些面、切削刃组成。我们常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃、三个刀面组成的。如图所示。（1）刀面•前刀面Aγ刀具上切屑流过的表面；•后刀面Aα与工件上切削表面相对的刀面；•副后刀面Aαˊ与已加工表面相对的刀面。（2）切削刃•主切削刃S前刀面与后刀面的交线，承担主要的切削工作；•副切削刃Sˊ前刀面与副后刀面的交线，承担少量的切削工作。•刀尖是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成，微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径,用rε表示,如图所示。2、刀具几何角度参考系为了便于确定车刀上的几何角度，常选择某一参考系作为基准，通过测量刀面或切削刃相对于参考系坐标平面的角度值来反映它们的空间方位。刀具几何角度参考系有两类：•刀具标注角度参考系•刀具工作角度参考系。（1）刀具标注角度参考系刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量角度的基准。为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规定了如下假设条件。•假设运动条件:用主运动向量vc近似地代替相对运动合成速度向量ve(即vf=0)。•假设安装条件:规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等高。1）刀具标注角度参考系种类根据ISO3002/1-1997标准推荐，刀具标注角度参考系有：•正交平面参考系•法平面参考系•假定工作平面参考系三种。2）正交平面参考系正交平面参考系由以下三个平面组成：•基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。•切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。•主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。主切削刃主后刀面前刀面主剖面PoA切削平面Ps基面Pr3）法平面参考系如图所示，法平面参考系由pr、ps和法平面pn组成。其中法平面pn是过切削刃某选定点垂直于切削刃的平面。4）假定工作平面参考系如图所示，假定工作平面参考系由pr、pf和pp组成。假定工作平面pf是过切削刃某选定点平行于假定进给运动并垂直于基面的平面。背平面pp是过切削刃某选定点既垂直于假定进给运动又垂直于基面的平面。刀具设计时标注、刃磨、测量角度最常用的是正交平面参考系。（2）刀具工作角度参考系刀具工作角度参考系是刀具切削工作时角度的基准（不考虑假设条件），在此基准下定义的刀具角度称刀具工作角度。它同样有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。3、刀具标注角度定义（1）在基面内测量的角度•主偏角r主切削刃与进给运动方向之间的夹角。•副偏角r’副切削刃与进给运动反方向之间的夹角。•刀尖角r主切削平面与副切削平面间的夹角。)(180'rrr刀尖角与主偏角和副偏角的关系：（2）在主切削刃正交平面内(O-O)测量的角度•前角o前刀面与基面间的夹角。当前刀面与基面平行时，前角为零。基面在前刀面以内，前角为负。基面在前刀面以外，前角为正。•后角o后刀面与切削平面间的夹角。•楔角o前刀面与后刀面间的夹角。楔角与前角o和后角o的关系如下：)(90ooo（3）在切削平面内(S向)测量的角度•刃倾角s主切削刃与基面间的夹角。刃倾角正负的规定如图所示。刀尖处于最高点时，刃倾角为正；刀尖处于最低点时，刃倾角为负；切削刃平行于底面时，刃倾角为零。（4）在副切削刃正交平面内（O´-O´）测量的角度•副后角o’：副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。4、刀具工作角度切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具于工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这些角度为工作角度。现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下。（1）刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响当车刀刀柄与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角将发生变化，如图所示。GrreGrre''（2）切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响切削刃安装高于或低于工件中心时，按辅助平面定义，通过切削刃作出的切削平面、基面将发生变化，所以使刀具角度也随着发生变化，如图所示。切削刃安装高于工件中心时：切削刃安装低于工件中心时：NooeNooeNooeNooe5、切削层参数切削层是刀具切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。为了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。通常在基面Pr内度量。如所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且s=0，切削层就是车刀由位置Ⅰ移动到位置Ⅱ即一个f距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层的形状是平行四边形。hDfapbDr•切削层公称厚度hD简称切削厚度，是垂直于切削表面度量的切削层尺寸。hD＝f×sinκr•切削层公称宽度bD简称切削宽度，是沿切削表面度量的切削层尺寸。bD＝ap/sinκr•切削层公称横截面积ADDDpDbhafA（1）刀具材料应当具备的性能刀具切削部分的材料应具备以下基本条件：•高硬度：常温硬度应在HRC60以上。•耐磨性：耐磨性是硬度、组织及化学性能等的综合反映。•强度和韧性：为了承受切削力、冲击和振动，刀具材