机械制造技术基础-第4章-0515

-1-第4章金属切削与磨削原理.........................................................................................................-44-4.1金属切削与刀具概述················································································-44-4.2刀具材料·······························································································-49-4.3金属切削过程·························································································-56-4.4切削力··································································································-63-4.5切削热和切削温度···················································································-67-4.6刀具磨损与刀具使用寿命··········································································-70-4.7材料的切削加工性···················································································-75-4.8切削液及其应用······················································································-79-4.9刀具几何参数的选择················································································-81-4.10切削用量的选择······················································································-84-4.11砂轮与磨削原理······················································································-85--44-第4章金属切削与磨削原理金属材料的切削加工是用硬度高于工件材料的刀具，在工件表层切去多余的金属，使工件达到尺寸精度、几何精度、表面质量等设计要求。研究和掌握切削过程的基本规律，对合理使用和设计工艺装备特别是刀具，提高加工质量和生产效率，降低生产成本等方面有着重要的意义。为了实现金属切削过程，必须满足以下三个条件：(1)工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；(2)刀具材料必须有—定的切削性能；(3)刀具必须具有适当的几何参数。4.1金属切削与刀具概述4.1.1基本概念1.切削运动与切削中的工件表面用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。主运动是由机床或人力提供的，促使刀具能够对工件产生切削过程的相对运动，是切削中速度最高、消耗功率最大的运动。主运动方向是将工件视为静止，刀具相对于工件产生切削运动的方向。一般情况下，切削中只能有一个主运动。进给运动是由机床或人力提供的，促使刀具连续或周期性地对工件产生切削过程的附加相对运动。进给运动方向也是将工件视为静止，刀具相对于工件使切削能得以继续的运动方向。主运动和进给运动都可以由工件或刀具的运动产生。切削过程中，工件上有三个变化着的表面：待加工表面是工件上有待切除的表面；已加工表面是工件上经刀具切削后形成的表面；过渡表面是工件上由切削刃形成的那部分表面，处于已加工表面和待加工表面之间，将在下一切削行程、刀具或工件下一转里或由下一切削刃切除。图4-1给出了切削运动与工件表面示意图。a)外圆车削b)平面刨削图4-1切削运动与工件表面示意图在图4-1a)所示外圆车削中，主运动由工件的旋转运动产生；刀具沿工件轴线方向的直线运动为进给运动。在工件旋转的同时，刀具将沿轴向连续进给。在图4-1b)所示平面刨削中，刀具相对于工件向前的直线运动为主运动；当刀具完成一次切削并返回起点后，刀具相对于工件向左的直线运动为间歇进给运动。切削中，主运动的速度称为切削速度，用vc表示；进给运动的速度称为进给速度，用vf表示。主运动和进给运动合成后的运动称为合成切削运动。在图4-1a)所示外圆车削中，合成切削运动速度ve的大小和方向由下式确定：-45-ecfvvv(4-1)2．切削用量切削加工中，根据加工方法、加工精度、加工效率和加工成本等要求选用适宜的切削速度vc，进给量f(或进给速度vf)和背吃刀量ap，三者合称为切削用量，或切削用量三要素。(1)切削速度vc(m/min或m/s)主运动为直线运动时，切削速度是刀具与工件之间的相对直线运动速度。主运动为旋转运动时，一般情况，切削速度是参加实际切削的切削刃上最大相对运动速度，计算公式为：1000cdnv(4-2)式中d——工件或刀具的最大相对运动直径(mm)；n——工件(或刀具)的转速(r/min或r/s)。(2)进给量f(mm/r或mm/z)工件或刀具转—周(或每往复一次)，两者在进给运动方向的相对位移量称为进给量。其单位是mm/r(或mm/双行程)：对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每刀齿进结量fz，单位是mm/z。进给速度vf、进给量f和每齿进给量fz之间的关系为：fzvnfnzf(4-3)式中z——齿数。(3)背吃刀量ap(mm)背吃刀量是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。外圆车削中的背吃刀量为：2-mwpdda(4-4)式中dw——待加工表面的直径(mm)；dm——已加工表面的直径(mm)。3．切削层参数切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和测量。(1)切削层公称厚度hD垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度hD，简称为切削厚度。如图4-2所示，若车削中主切削刃为直线刃，切削厚度为：rDsinfh(4-5)式中кr——主偏角(°)。图4-2切削层参数(2)切削层公称宽度bD沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度bD，简称为切削宽度。车削中主切削刃为直线，切削宽度为：-46-rpDsinab(4-6)(3)切削层公称横截面积AD切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积AD，简称为切削面积。对于车削，切削面积为：pDDDafbhA(4-7)4．切削方式(1)自由切削与非自由切削只有—条切削刃参加切削工作的切削称为自由切削，宽刃刨刀刨削就属于自由切削，如图4-3所示，此时切削刃上各点切屑流出方向大致相同。切削层金属变形基本在二维平面内，即为平面变形。反之，像外圆车削、切槽(切断)、车螺纹等。副切削刃也参加已加工表面形成的切削称为非自由切削。(2)直角切削与斜角切削切削刃上选定点的切线垂直于该点切削速度的切削称为直角切削，或正切削，如图4-4(a)，否则称为斜角切削，或斜切削，生产中大多属斜角切削，如图4-4(b)所示。直角切削时切屑是沿切削刃的法向流出的。只将工件斜置，vc方向不变的切削仍属直角切削。刀具工件切屑vcO-O平面视图图4-3宽刃刨削图4-4直角切削与斜角切削4.1.2刀具构造及刀具角度金属切削刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分，刀具的种类繁多，结构各异，但切削部分具有相同或相近的特征。外圆车刀是最基本、最典型的形态。1．刀具切削部分的构造外圆车刀由刀柄和切削部分(也称刀头)组成，如图4-5所示。刀柄是用于夹持刀具的部分，一般为长方体或圆柱体。切削部分是刀具上起切削作用的部分，其结构和定义为：(1)前面Aγ刀具上切屑流过的表面，也称前刀面。(2)主后面Aα刀具上与过度表面相对的表面，也称主后刀面。(3)副后面A′α刀具上与已加工表面相对的表面，也称副后刀面。当刀具切削部分没有副后刀面时，主后刀面可直接称为后面或后刀面。(4)主切削刃S刀具上前刀面与主后刀面的交线。(5)副切削刃S′刀具上前刀面与副后刀面的交线。(6)刀尖连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，可以是一段小的圆弧，也可以是一段直线，在一定条件下可简化为一交点。2．刀具的标注角度(1)刀具静止参考系刀具要从工件上切下金属材料，就必须具有一定的切削角度，这些角度能决定刀具切削部分各表面的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，需要建立一个-47-空间坐标参考系，这个参考系由三个参考平面组成，定义如下：1)基面Pr通过主切削刃上的某选定点，与该点假定主方向相垂直的平面。2)切削平面Ps通过主切削刃上某选定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。3)正交平面Po通过主切削刃上某选定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。可见，这三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系，如图4-6所示。除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。图4-5外圆车刀的构造图4-6正交平面参考系(2)刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。如图4-7所示，在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有以下6个，其定义如下：γo0基面Pr前刀面切削平面Ps主后刀面αofSαo´κr´κrO´O´OOλsS向O´-O´O-O图4-7车刀在正交平面参考系中的标注角度1)前角γo在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。2)后角αo在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角，一般为正值。3)主偏角κr在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向间的夹角。4)副偏角κ′r在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向间的夹角。5)刃倾角λs在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。在主切削刃上，刀尖为-48-最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零，此时主切削刃与切削速度方向垂直，即直角切削。6)副后角α′o要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需标注副后角α′o，副后角α′o确定副后刀面的空间位置。(3)刀具的工作角度上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。1)进给运动对工作角度的影响当刀具对工件作切断或切槽工作时，刀具进给运动是沿横向进行的，如图4-8所示，当不考虑进给运动的影响时，按切削速度υc的方向确定的基面和切削平面分别为Pr和Ps。考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度υe的方向确定的工作基面和工作切削平面分别为Pre和Pse。工作前角γoe和工作后角αoe为：oeo+oeo-(4-8)式中fc=arctan=arctanvfvd切。分析上式可