机械制造工艺学―工艺规程设计基础

金属切削的基本理论第一章下一页金属切削的基本理论1.1切削运动与切削要素1.2金属切削刀具1.3金属切削过程的基本规律1.4切削参数及切削液的选择1.5常用工程材料上一页下一页1.1切削运动与切削要素金属切削加工就是用具有一定几何形状的刀具把工件毛坯上的一部分金属材料（统称余量）切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对的切削运动，因此，掌握切削运动、刀具几何角度、切削用量和切削层参数等的基本定义，是学习本课程的基础。本章主要以外圆车削为例来讨论这些问题，但其定义也适于其它切削加工方法。上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素1.1.1切削运动金属切削加工时，刀具与工件之间的相对运动，称为切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动。以图1-1所示车削外圆为例来研究切削运动。图1-1切削运动和工件表面上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素1.1.1.1主运动主运动是切削时的主要运动。主运动可以由刀具完成,也可以由工件完成，其运动形式通常为旋转运动或直线运动,如车削时工件的旋转运动，铣削时铣刀的旋转运动，钻削时钻头的旋转运动。一般地讲，主运动的速度最高，消耗的功率也最大，主运动只有一个。上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素1.1.1.2进给运动进给运动是将被切削金属层不断地投入切削，以切除工件表面上全部余量的运动。进给运动可以有一个或几个。进给运动由刀具或工件完成，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动。其运动形式一般有直线、旋转或两者的合成运动，它可以是连续的或断续的，消耗的功率也比主运动要小得多。上一页目录下一页1.1.1.3工件表面切削加工过程中，工件上有三个不断变化着的表面，如图1-1所示。（1）已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。（2）待加工表面工件上有待切除切削层的表面。（3）过渡表面主切削刃正在加工的表面称为过渡表面，它是待加工表面与已加工表面的连接表面。1.1切削运动与切削要素上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素1.1.2切削要素1.1.2.1切削用量它包括切削速度、进给量和切削深度三个要素。（1）切削速度切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。当主运动为旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度，由下式确定式中v——切削速度（）或（）；d——完成主运动的刀具或工件的最大直径（）；n——主运动的转速（）或（）。1000dnvminmmsmmminrrs上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素当主运动为往复直线运动（如刨削），则式中——往复直线运动的行程速度（）；——主运动每秒或每分钟的往复次数（）或（）。21000rLnvLrnmmminststs上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素（2）进给量进给量是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对工件在进给运动方向上的移动量。车削时的进给量是工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量，单位为，其进给速度为式中——进给速度（）或（）。对于铣刀、铰刀等多齿刀具，还规定每齿进给量，即多齿刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的相对位移，单位为。ffmmrfvfvnffvminmmmmszf/mmz上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素（3）切削深度切削深度是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。车削时式中——切削深度（）；——工件待加工表面直径（）；——工件已加工表面直径（）。pa2wmpddapawdmdmmmmmm上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素1.1.2.2切削层参数切削时，沿进给运动方向移动一个进给量所切除的金属层称为金属切削层。通过切削刃基点（通常指主切削刃工作长度的中点）并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。在切削层尺寸平面内测定的切削层尺寸几何参数则称为切削层尺寸平面要素。现将各切削层参数的定义说明如下：上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素（1）切削层公称横截面积它是指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，用表示，即图1-2中AMCD所包围的面积。DADA图1-2车削时的切削层尺寸上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素切削层公称横截面积可按下式计算其中，称为残留面积，它构成了已加工表面理论表面粗糙度的几何基形。DADPABMPDDAafAafbhABMA上一页目录下一页1.1切削运动与切削要素（2）切削层公称宽度它是指在给定瞬间，在切削层尺寸平面内，主切削刃截面上两个极限点间的距离。它大致反映了主切削刃参加切削工作的长度，对于直线主切削刃有以下近似关系DbsinPDrab（3）切削层公称厚度它是指在同一瞬间的切削层横截面积与其公称切削层宽度之比。即DhDDDAhb上一页目录下一页1.2金属切削刀具1.2.1刀具的种类生产中所使用的刀具种类很多，按加工方式和具体用途分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型；按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等；按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。常用刀具具体的结构、特点及使用等将后续章节中介绍。上一页目录下一页1.2金属切削刀具1.2.2刀具的几何参数各种刀具的切削部分在切削中所起的作用都是相同的，因此在结构上它们有着许多共同的特征。其中外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其它各种刀具都可看成是车刀的演变和组合，如图1-3所示。这里以普通外圆车刀为例说明刀具切削部分的组成，并给出切削部分几何角度的一般性定义。图1-3刀具的切削部分上一页目录下一页1.2金属切削刀具1.2.2.1刀具切削部分的组成车刀由切削部分和刀柄组成。其中起切削作用的部分称切削部分，夹持部分称刀柄。图1-4表示了普通外圆车刀的组成情况。图1-4车刀的组成部分及各部分名称1-刀柄2-主切削刃3-主后刀面4-切削部分5-刀尖6-副后刀面7-副切削刃8-前刀面SAASrA上一页目录下一页1.2金属切削刀具切削部分由不同刀面和切削刃构成。现分述如下：（1）刀具表面前刀面刀具上切屑沿其流出的表面。主后刀面刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面，也是切削过程中与过渡表面相对的刀具表面。副后刀面刀具上同前刀面相交形成副切削刃的表面，也是切削过程中与已加工表面相对的刀具表面。rAAA上一页目录下一页1.2金属切削刀具（2）切削刃及刀尖主切削刃刀具前刀面与主后刀面的交线。它承担着主要的切削工作。副切削刃刀具前刀面与副后刀面的交线。它的一小部分也参与切削，主要起修光作用。刀尖是主切削刃与副切削刃的交点。实际上刀尖是一段圆弧过渡刃。SA上一页目录下一页1.2金属切削刀具1.2.2.2刀具切削部分的几何参数（1）测量刀具角度的参考系用于确定刀具几何角度的参考系主要有两大类，一类是用于定义刀具在设计、制造、刃磨和测量时刀具几何角度的参考系，称为刀具静止参考系，在刀具静止参考系中定义的刀具角度称为刀具的标注角度；另一类是规定刀具在进行切削加工时几何参数的参考系，称为刀具工作参考系，该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对刀具几何角度的影响，在该参考系中定义和测量的刀具角度称为刀具的工作角度。上一页目录下一页1.2金属切削刀具（2）刀具静止参考系及刀具标注角度①刀具静止参考系刀具静止参考系主要由以下基准坐标平面组成，如图1-5所示。图1-5刀具静止参考系的基准平面a）正交平面与法平面参考系b）假定进给平面与背平面参考系1.2金属切削刀具a）基面通过主切削刃选定点并垂直于该点切削速度的平面。b）切削平面通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。对应于主切削刃和副切削刃的切削平面分别称为主切削平面和副切削平面。c）正交平面通过主切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。d）法平面通过主切削刃选定点并垂直于主切削刃的平面。e）假定工作平面通过主切削刃选定点与基面垂直，且与假定进给方向平行的平面。f）背平面通过主切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。rPSPSPOPnPfPpP上一页目录下一页1.2金属切削刀具②刀具标注角度车刀的主要角度有前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角等，如图1-6所示。图1-6车刀的主要角度1.2金属切削刀具a）前角在正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90°时，前角为正，大于90°时，前角为负。主要影响主切削刃的锋利程度和刃口强度。b）后角在正交平面中测量的主后刀面与切削平面间的夹角。当后刀面与基面间的夹角小于90°时，后角为正值，大于90°时，后角为负值。主要影响刀具主后刀面与工件表面之间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利程度与刃口强度。c）主偏角在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。主要影响切削刃工作长度和背向力的大小。d）副偏角在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角。主要影响已加工表面的粗糙度。OOrr上一页目录下一页1.2金属切削刀具f）刃倾角在切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角主要影响切屑流向及刀尖强度。当刀尖相对车刀刀柄安装面处于最高点时，刃倾角为正值；刀尖处于最低点时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为零度，此时切削刃在基面内。刃倾角对排屑的影响如图1-7所示。S图1-7刃倾角及其对排屑方向的影响1.2金属切削刀具除了以上五个基本角度外，刀具还有刀尖角、楔角两个派生角度。楔角（β0）前刀面与主后刀面间的夹角，β0=90º－（γ0+0）。刀尖角（εr）主切削平面与副切削平面间的夹角。上一页目录下一页1.2金属切削刀具1.2.2.3刀具工作参考系及刀具工作角度为了较合理地表达在切削过程中起作用的刀具角度，应按合成切削运动方向来定义和确定刀具的参考系及其角度，即刀具工作参考系和工作角度。上一页目录下一页1.2金属切削刀具（1）刀具工作参考系①工作基面指过切削刃上选定点并与合成切削速度垂直的平面。②工作切削平面指过切削刃上选定点与切削刃相切、并垂直于工作基面的平面。③工作正交平面指过切削刃上选定点并同时与工作基面和工作切削平面相垂直的平面。④工作平面指过切削刃上选定点且同时包含主运动速度和进给运动速度方向的平面。它垂直于工作基面。⑤工作法平面与法平面定义相同。rePevsePoePfePnePnP1.2金属切削刀具（2）刀具工作角度①工作前角在工作正交平面内测量的工作基面与前刀面间的夹角。②工作后角在工作正交平面内测量的工作切削平面与后刀面间的夹角。③工作侧前角在工作平面内测量的工作基面与刀具前刀面间的夹角。④工作侧后角在工作平面内测量的工作切削平面与刀具后刀面间的夹角。oeoePoePoefefePfePfe1.2金属切削刀具在一般安装条件下，多数情况（如普通车削、镗孔、端铣等）一般不计算工作角度，也不考虑其影响。只有在一些特殊情况（如车螺纹或丝杠、铲削加工等角度变化值较大时）下，才需要计算工作角度。所以刀具工作参考系和工作角度的其它内容就不详述了，用到时可查阅有关资料。上一页目录下一页1.2金属切削刀具1.2.2.4刀具安装位置对几何角度的影响为了说明问题方便，以下讨论在过刀尖的背平面内进行。图1-8外圆车刀背平面中刀尖位置对工作角度的影响a）刀尖高于工件中心b）刀尖低于工件中心1.2金属切削刀具车外圆时，如图1-8（a）所示，当刀尖安装位置高于工件中心时，过刀尖M点的工作基面应和M点的切削速度方向垂直，而不再平行于刀柄安装平面。过刀尖M点的工作切削平面应和M点的切削速度方向一致，即和过M点的圆周面相切，而不再垂直于刀柄安装平面。它们相对于刀具静止参考系中的基面和切削平面转过了角，从而使工作背前角比背前角增大角，工作背后角比背后角【减小角。当刀尖安装位置低于工作中心时，则情况相反，【增大角，减小角，如图1-8（b）所示。rPsPPpepPpepPpePpeP上一页目录下一页1.2金属切削刀具车内孔时，当