哈工大版金属切削原理与刀具课件第1章

金属切削原理与刀具绪论•一、课程性质《金属切削原理与刀具》是机械设计制造与自动化专业的一门专业基础课，是其它后续专业课的基础。通过本课程的学习要掌握金属切削基本分析方法和基本规律，合理选择切削用量和刀具几何参数，为以后从事生产、研究和进一步的学习打下基础。我国金属切削方面的发展•公元前2000多年:青铜器时代•青铜刀，锯锉，磨石•春秋中晚期:《考工记》金工知识•唐代原始的车床•1668畜力铣磨机脚踏刃磨机•1915第一台国产车床•194720000多台碳素工具钢刀具V=10m/min或磨石直径2丈（6.7米），加工天文仪器上的铜环，•二、本课程的地位和作用《金属切削原理与刀具》是研究金属切削加工与生产的理论和应用的技术基础课程，应用非常广泛。作为技术基础课程，具有基础性，应用性和先进性。•基础性：指基本理论、基本知识和基本技能。•应用性：指本课程基本理论来源于实际生产和科学实验。同时又直接服务于生产。•先进性：在科学实验和刀具设计研究中采用了许多独特的先进的研究手段。•学习本课程是为后续专业课程打基础，是为毕业后从事有关机械加工和产品生产工作打基础，是研究和发展本专业的重要出发点。同时也培养了解决实际问题的能力。•三、学习要求与重点、难点(一)课程基本要求1.从理论上认识金属切削过程的一般现象及基本规律,能按具体加工条件选择合理的刀具材料、切削部分几何参数及切削用量、计算切削力及功率,并能运用所学知识分析及解决实际生产中的技术问题.2.初步掌握金属切削实验的基本方法和技能,学会使用有关的测量仪器、掌握实验数据的处理方法.3.初步掌握标准金属切削刀具的选用和常用非标准金属切削刀具的设计方法.4.对金属切削学科的发展成就和发展趋势有初步了解.5.掌握良好的学习方法,可运用对比或比较的学习方法,各要素和规律之间的共性和差异,以加深理解.6.学习要理论联系实际,重视科学实验和实际应用.•(二)课程的重点与难点课程的重点是刀具切削部分几何参数基本定义,金属切削过程的基本规律和非标准刀具设计.课程的难点是刀具切削部分几何参数基本定义及其表达.第一章基本定义1.1切削运动、工件表面与切削用量金属切削加工是机械制造工业中的一种基本加工方法。利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层（加工余量），以获得具有一定的表面精度（形状、尺寸和位置精度）和表面质量。切削加工必备三个条件：刀具与工件之间要有相对运动刀具具有适当的几何参数，即切削角度刀具材料具有一定的切削性能•机器零件的形状虽很多，但主要由外圆面、内圆面（孔）、平面和成形面等表面组成。因此，只要能对这几种表面进行加工，就基本上能完成所有机器零件的加工。•外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时所形成的表面。•平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。•成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。•对上述这些表面进行加工，刀具与工件必须有一定的相对运动，即切削运动。1.1.1外圆车削的切削运动、工件表面与切削用量1.切削运动刀具与工件间的相对运动，即表面成形运动。分为主运动和进给运动。1）主运动是刀具与工件之间最主要的相对运动，消耗功率最大，速度最高。有且仅有一个。运动形式：旋转运动（车削、镗削的主轴运动）直线运动（刨削、拉削的刀具运动）运动主体：工件（车削）；刀具（铣削）。•切削速度Vc：•指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。各点不同，取最大值。主运动为旋转运动时(如车、钻、铣、镗、磨等)，smdnvc/1000d：刀具或工件的最大回转直径，mm；n：主运动转速，r/s。方向即主运动的方向，切线方向。•2）进给运动•使新切削层不断投入切削，使切削工作得以继续下去的运动。进给运动的速度一般较低，功率也较少。其数量可以是一个，也可以是多个。可以是连续进行的，也可以是断续进行的。可以是工件完成的，也可以是刀具完成的。•运动形式：•连续运动：如车削；间歇运动：如刨削。•一个运动，如钻削；•多个运动，如车削时的纵向与横向进给运动；•没有进给运动，如拉削。•运动主体：•工件，如铣削、磨削；刀具，如车削、钻削。•进给量f或进给速度Vf•f：刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。•单位：mm/r。•Vf：切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度。mm/s。•对于多刃刀具(如铣刀等，齿数为z)，常用每齿进给量fz（mm/z）表示。•则Vf、fz与f的关系为：Vf＝nf＝nzfz•3）合成切削速度ve按平行四边形法则求。•4）背吃刀量ap（切削深度）•是工件上已加工表面与待加工表面间的垂直距离。单位：mm。•在与主运动和进给运动方向所组成的平面的法线方向上度量。•车外圆时：ap=(dw－dm)/2•钻孔时：ap=dw/2•金属切除率Q＝1000·Vc·f·apmm3/min•即单位时间内切除金属的体积，衡量切削效率。•2.工件表面•切削过程中，工件上有三个不断变化的表面•待加工表面：工件上即将被切除的表面。•过渡表面：正被切削的表面。下一切削行程将被切除。•己加工表面：•切削后形成的新表面。••3.切削用量•Vc、f、ap车削运动和加工表面1-待加工表面2-过渡表面3-已加工表面1.1.2各种切削加工的切削运动与工件表面零件不同表面加工时的切削运动1.2刀具几何角度•刀具切削部分的组成•切削刀具种类很多，形状各异，但其切削部分都有共同的特征。刀具由刀头和刀体组成，可看作是外圆车刀的演变和组合。各种刀具切削部分形状•1.2.1车刀切削部分的组成•车刀由刀头和刀杆组成。•刀杆用于装夹，刀头用于切削。结构形式有：a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀车刀的结构刀具切削部分由一尖二刃三面组成。前刀面Aγ：切屑沿其流出的刀面。控制切屑流向主后面Aα：刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面，与工件过渡表面相对。副后面Aα’：刀具上同前面相交形成副切削刃的表面，与工件已加工表面相对。主切削刃S：前刀面与主后面的交线。承担主要切削工作。副切削刃S’：前刀面与副后面的交线。担负少量切削工作刀尖：主、副切削刃交汇处。一小段直线或圆弧。•1.2.2刀具角度的坐标平面与参考系•刀具切削部分的各个面、刃的空间位置常常用这些面、刃相对某些坐标平面的几何角度来表示，这样就必须将刀具置于空间坐标平面参考系内。该参考系包括参考坐标平面和测量坐标平面。切削平面Ps：过切削刃上选定点，与工件过渡表面相切，与基面垂直。基面Pr：过切削刃上选定点，以该点切削速度为法线。与刀具底面平行。基面Pr和切削平面Ps合称参考坐标平面•根据ISO规定，测量平面有正交平面、法平面、假定工作平面及背平面。•1.正交平面切削刃上选定点的正交平面是过该点并同时垂直于基面和切削平面的平面，记为Po；•2.法平面切削刃上选定点的法平面是过该点并与切削刃垂直的平面，记作Pn；•3.假定工作平面切削刃上选定点的假定工作平面是过该点、垂直于基面并与进给方向平行的平面，记作Pf；•4.背平面切削刃上选定点的背平面是过该点且垂直于基面和假定工作平面的平面，记为Pp。•上述参考平面（基面和切削平面）与测量平面组成了三个坐标平面参考系。刀具标注角度参考系a)正交正面参考系b）法平面参考系c）假定工作平面和背平面参考系由Pγ、PS、P0组成，两两垂直由Pγ、Pf、Pp组成，两两垂直由Pγ、Ps、Pn组成1.2.3刀具的标注角度•在刀具工作图中标出的几何角度，是刀具设计、制造、刃磨和测量的依据。•1.正交平面参考系中的刀具标注角度•(1)基面Pr内的角度•主偏角––––在基面Pr内测量的主切削平面PS与假定工作平面Pf间的夹角，记为;•副偏角––––在基面Pr内测量的副切削平面与假定工作平面Pf的夹角，记为。r'r在基面Pr内测量的主切削平面PS与假定工作平面Pf间的夹角κr小，参加切削的刃长增加，单位长度负荷小，刀尖强度大，散热面积大，刀具寿命长。但吃刀抗力增大，工件刚性弱时，易变形和振动。车刀常用主偏角有45、60、75、90°在基面Pr内测量的副切削平面与假定工作平面Pf的夹角。作用：减小副切削刃与工件已加工面间的摩擦及振动。副偏角大，刀尖强度弱，已加工表面残留面积大，粗糙度值大。•(2)切削平面PS内的角度•λs：在切削平面PS内测量的主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角；•λs有正负之分，刀尖位于切割刃的最高点时定为（“+”）、反之为负（“-”），它影响切屑流向和刀尖强度；粗加工时，取负值，增大刀尖强度；精加工时，取正值或零，避免切屑划伤已加工表面。a）b）c）刃倾角对排屑方向的影响•（3）正交平面Po内的角度•前角––––在正交平面Po内测量的前刀面Ar与基面Pr间的夹角，记为γo；有正负之分，前刀面Aγ位于基面之前角，γo0°，反之γo0°。•后角––––在正交平面Po内测量的后刀面Aα与切削平面PS间的夹角，记为αo。•（4）副刃正交平面Po‘内的角度•副后角––––在副刃正交平面Po‘内测量的副后刀面Aα’与副切削平面PS‘间的夹角，记为αo’。实体减小时为正。作用：减小主后刀面与工件加工表面间的摩擦、主后刀面的磨损。过大，刀刃强度下降，导热体积减小，主后刀面磨损加快。粗加工和承受冲击载荷时，选小值4°～6°，保证强度；精加工时，选大值8°～12°，保证表面质量。副后角实体减小时为正。前角增大，刀具锋利，切削轻快。但过大，刀具强度下降，导热体积减小，刀具寿命短。•派生角度：•刀尖角––––在基面Pr内测量的主切削平面与副切削平面间的夹角，记为εr，•εr=180°-（＋）；•余偏角––––在基面Pr内测量的主切削平面PS与背平面PP间的夹角，记为ψr，•ψr=90°-；•楔角––––在正交平面Po内测量的前刀面Aγ与后刀面间的夹角，记为βo，•βo=90°-（γo＋аo）。r'rr刀尖角余偏角楔角•2.法平面参考系中的刀具标注角度•按照刀具角度定义，同理可标注出法平面参考系中的五个基本角度：Кr、λs、γn、αn和Кr‘。也有派生角度：εr、ψr、βn和计算角度γ'n、λ's、α'n。•3.假定工作平面参考系中的刀具标注角度•这个参考系中的刀具标注角度Кr、γp、γf、αp、αf、Кr‘同理可标出，也可求出派生角度：εr、ψr、βp、βf'r1.2.4刀具工作角度•1．进给运动的影响（横切）•切断刀切断工件时，若不考虑进给运动，切削刃上选定A的运动轨迹是一圆，因此该点的基面是过A点的工作径向平面Pγ，切削平面为过A点与Pγ垂直的切平面Ps，其前后角γo、αo。当考虑进给运动后，切削刃上A点的运动轨迹已是一阿基米德螺旋线，这时的切削平面Pse已是过A点的阿氏螺线的切线，基面Pre已是A点的与Pse垂直的平面，在这个测量坐标平面内的前角γoe、后角也不是原来的标注角度γo、αo，此时：•μ––––横向进给运动对工作角度的影响；•f––––刀具相对工件的横向进给量，mm/r；•dω––––切削刃上选定点A处的工作直径，mm。0000eetanWfD切削刃越接近工作中心，dω值越小，μ值较大，γoe越大，而αoe越小，甚至变为零或负值，对刀具的切削就越不利。•2．进给运动的影响（纵切）•安装刀具时，刀尖不一定在机床中心高度上。如刀尖高于机床中心高度，此时选定点A的基面和切削平面已变为过A点的径向平面Pγe和与之垂直的切削平面Pse，其工作前角和后角分别为γPe、αPe。刀具工作前角γpe比标注前角γP增大了，工作后角αPe比标注后角αP减小了，可写成：•γpe=γp+θp•αpe=αp-θp•θp——刀尖位置变化引起前后角的变化值（弧度）。•h——刀尖高于机床中心的数值，mm。•dw——工件直径，mm。222arctanhdwhp1.3切削层参数与切削方式•1.3.1切削层参数•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切削层。•1．切削金属公称厚度hD•切削层公称厚度是在基面内测量的切削刃两瞬时