金属切削加工及刀具的基本定义

第一章金属切削加工及刀具的基本定义本章主要介绍金属切削过程的基础知识，分两大部分：一、基本定义——介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等二、刀具材料——介绍刀具材料应具备的性能（硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性），两种常用的刀具材料（高速钢、硬质合金）和其它刀具材料（涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。一、金属切削加工基本概念1.切削运动图2-1切削运动（1）主运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动,它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑,从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大，是切下切屑所必须的基本运动。①主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。②切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。刀具与工件之间附加的相对运动,它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑,从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完成(如车削)，也可由工件完成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）,也可以是连续的（如车削）。（2）进给运动①进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。②进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。（3）合成切削运动图2-2各种切削加工的切削运动切削刃相对于工件的运动过程,就是表面形成过程。在这个过程中,切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。有两个要素，一是切削刃,二是切削运动。不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。2、切削加工过程中的工件表面车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面（图2-1）。（1）待加工表面工件上待切除的表面。（2）已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。（3）过渡表面工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。3、切削要素切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。（1）切削用量要素①切削速度对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为vc=πdwn/1000②进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r；当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mm/z或mm/齿。它与进给量f的关系为f=zfz车削时进给速度vf可由下式计算vf=fn铣削时进给速度为vf=fn=zfzn合成切削速度ve可表达为ve=vc+vf图2-3切削时合成切削速度③背吃刀量ap对于车削和刨削加工来说，切削深度ap（背吃刀量）是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位mm。外圆车削:ap＝(dw-dm)/2vc、f、ap构成了普通外圆车削的切削用量三要素。材料切除率，用Qz表示三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min，Qz=1000vcfap切削用量和切削层参数（2）切削层参数切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层（图2－3）。①切削层公称厚度hD垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。hD＝fsinKr②切削层公称宽度bD平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。bD＝ap／sinKr图2－3车削时的切削层尺寸③切削层公称横截面积AD在切削层参数平面内度量的横截面积。AD＝hDbD=apf上述公式中可看出hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。二、刀具角度（一）刀具的构成由工作部分和非工作部分构成。车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。（1)前刀面Aγ切屑流过的刀面。1.刀面（2)主后刀面Aα与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。（3)副后刀面Aα‘与工件已切削加工的表面相对的刀面。刀具切削部分的基本定义图2－4图2－4车刀的构成2.刀刃（1）主切削刃S前面与主后面在空间的交线。（2）副切削刃S'前面与副后面在空间的交线。3．刀尖三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。副后刀面主切削刃副切削刃主后刀面前刀面刀尖一尖两刃三面刀具结构(以车刀为例)图2-5外圆车刀和车孔刀的组成•刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。•用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系;•参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。（三）定义刀具角度的参考系在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。1．刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等。2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。图2－6(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。(2)切削平面ps通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(3)正交平面po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。图2-6正交平面参考系（三）刀具的标注角度（1）基面中测量的刀具角度1）主偏角κr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。2）副偏角κr′副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。3）刀尖角εr主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。εr=180°-(κr＋κr′)εr是标注角度是否正确的验证公式之一。4）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径rε描述，当rε=0时为尖角过渡，rε＞0时为圆角过渡，直线过渡时用κε和bε参数描述。（2）切削平面中测量的刀具角度1）刃倾角λs主切削刃与基面之间的夹角。•它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。•当主切削刃与基面平行时λs=0°；•当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs＞0°；反之λs≤0°。前角和刃倾角的符号（3）正交平面中测量的刀具角度1)前角γO前面与基面之间的夹角。2)后角αo后面与切削平面之间的夹角。3)楔角βo前面与后面之间的夹角，它是个派生角。它与前角、后角有如下的关系：βo＝90°－(γO＋αo)βo也是判断标注是否正确的验证式之一。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。图2－7车刀的主要角度3.其它刀具标注参考系（1）法平面pn与法平面参考系1)法平面通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面2)法平面参考系pr、ps、pn组成的参考系。（图2-8）刀具角度标注见图2-8。（2）假定工作平面pf、及其参考系1)假定工作平面通过切削刃上选定点并垂直于该点基面以及其方位平行于假定进给运动方向的平面。2)假定工作平面参考系pr、pf、pp组成的参考系。图2-8假定工作平面和法平面参考系Pr－Pf－Pp（四）刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。1．刀具工作参考系的建立与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动υe或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角γoe、工作后角αoe的变化。刀具工作参考系(1)工作基面pre通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。(2)工作切削平面pse通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。(3)工作正交平面poe通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。2．刀具工作角度的分析在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(γoe、αoe、κre、κ’re、α’oe、λse)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。横向进给运动对工作前、后角的影响（1）进给运动对工作前、后角的影响γoe=γo＋μαoe=αo－μtanμ＝f/πd当进给量f一定时，随d值↓—μ值↑，接近中心αoe为负值。μ角称为合成切削速度角，它是主运动方向与合成运动切削速度方向之间的夹角。由μ角定义可知：tanμ＝=(1.19)cfvvdf用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置发生变化，工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。加工内表面时，情况与加工外表面相反。如图2-11所示。（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响图2－11图2－11刀尖安装高低对工作角度的影响假定车刀λs＝0,刀尖高于工件中心γpe=γp＋θpαpe=αp－θptanθp＝h/22w)2(hdγpe=γp＋θpαpe=αp－θptanθp＝h/22w)2(hdγoe=γo－θαoe=αo＋θtanθ＝tanθpcosκr当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。如图2-12所示。2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响图2－12车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响三、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。1.刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。2.常用刀具材料工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。陶瓷超硬刀具材料推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。高速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2-1、2(p15)。1．高速钢•它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。•热处理后硬度可达62～66HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500～650°C时仍能进行切削。•由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形