华南理工大学机械制造技术基础第一章金属切割的基本知识

第一章金属切削过程的基础知识本章提要1.1基本定义1.2刀具材料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）。本章提要1.1基本定义1.1.2刀具切削部分的基本定义1.1.3刀具角度的换算1.1.5切削层参数与切削形式1.1.4刀具工作角度1.1.1切削运动与切削用量如外圆车削时，工件做旋转运动，刀具作纵向直线运动，形成了工件的外圆表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面（图1.1）：图1.1车削时的切削运动待加工表面：即将被切去金属层的表面;加工表面：切削刃正在切削着的表面;已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。1.1.1切削运动与切削用量1.1.1.1切削运动金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。但是，按切削时工件与刀具相对运动所起的作用来分，可分为主运动和进给运动。如图1.1所示。（1）主运动主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床功率最多。（2）进给运动使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可以是连续运动，也可以是间歇运动。当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动，其大小与方向用合成速度向量ve表示。如图1.3所示，合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和。即ve=vc+vf(1.1)（3）合成运动与合成切削速度图1.3切削时合成切削速度1.1.1.2切削用量三要素ve、f、ap称之为切削用量三要素。1000dn（1）切削速度大多数切削加工的主运动采用回转运动。回旋体（刀具或工件）上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下：vc=m/s或m/min(1.2)式中d－工件或刀具上某一点的回转直径（mm)n－工件或刀具的转速（r/s或r/min)进给速度vf是单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min)进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r（毫米/转）。对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/z(毫米/齿)。显而易见vf=f·n=fz·z·nmm/s或mm/min（1.3）（2）进给速度、进给量和每齿进给量（3）背吃刀量对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。外圆柱表面车削的深度可用下式计算：ap=（dw-dm）/2mm(1.4)对于钻孔工作ap=dm/2mm(1.5)上两式中dm——已加工表面直径（mm）dw——待加工表面直径（mm）1.1.2刀具切削部分的基本定义1.1.2.1刀具切削部分的构成要素图1.3典型外圆车刀切削部分的构成(1)前刀面(3)切削刃(2)后刀面(4)刀尖(1)前刀面前刀面Ar是切屑流过的表面。分为：与主切削刃毗邻的称为主前刀面；与副切削刃毗邻的称为副前刀面。（2）后刀面后刀面分为主后刀面与副后刀面。（3）切削刃切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋，有主切削刃和副切削刃之分。主切削刃指前刀面与主后刀面相交的锋边；副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边。（4）刀尖刀尖可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是主、副两条切削刃连接起来的一小段切削刃，它可以是圆弧，也可以是直线，通常都称为过渡刃。1.1.2.2刀具标注角度的参考系假定运动条件：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量vc近似代替合成速度向量ve；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线（如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等）。反之也可以说，假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。刀具标注角度的参考系由下列诸平面构成：（1）基面Pr通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通常，基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴。例如，图1.6所示为普通车刀、刨刀的基面Pr，它平行于刀具底面。图1.6普通车刀的基面Pr(2)切削平面Ps通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面。（3）主剖面P0和主剖面参考系（4）法剖面Pn和法剖面参考系主剖面P0是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和切削平面Ps的平面。图1.8表示由Pr－Ps－P0组成的一个正交的主剖面参考系。法剖面Pn是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。如图1.8所示，由Pr－Ps－Pn组成的一个法剖面参考系。图1.8主剖面与法剖面参考系(5)进给剖面Pf和背平面Pp及其组成的进给、背平面参考系进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。通常，它也平行或垂直与刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。由Pr－Pf－Pp组成一个进给、背平面参考系，如图1.9所示。背平面Pp是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。图1.9进给、背平面参考系Pr－Pf－Pp1.1.2.3刀具工作角度的参考系上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用合成切削运动方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。例如，图1.10所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向ve不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同。同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是用ve取代vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。图（a）刀具后刀面同工件之间有适宜的间隙，切削情况正常；(a)图1.10刀具工作角度示意图图（b）该两个表面全面接触，摩擦严重；(b)图1.10刀具工作角度示意图刀具工作角度示意图图（c）刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不合适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运动方向来确定刀具工作角度的参考系。图1.10刀具工作角度示意图1.1.2.4刀具的标注角度在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面。主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如图1.11：同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间的定位也需要四个角度：即副偏角κ’r，副刃倾角λ’s，副前角γ’0，副后角α’0。它们的定义与主切削刃上的四种角度类似。前角γ0后角α0主偏角κr刃倾角λs前角γ0：前刀面与基面间的夹角（在主剖面中测量）。图1.11(a)主剖面系标注的刀具角度后角α0：后刀面与切削平面间的夹角（在主剖面中测量）。图1.11(b)主剖面系标注的刀具角度图1.11(c)主剖面系标注的刀具角度kr主偏角κr：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。刃倾角λs：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。图1.11(d)主剖面系标注的刀具角度由于图1.11所示车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，因此，当γ0、λs两者确定后，前刀面的方位已经确定，γ’0、λ’s两个角度可由γ0、λs、κr、κ’r等角度换算出来，称为派生角度。由上分析可知，图1.11中外圆车刀有三个刀面，两个切削刃，所需标注的独立角度只有六个。此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们的名称与定义如下：楔角β0：主剖面中测量的前、后刀面间夹角。β0＝90°－（γ0＋α0）（1.6）刀尖角εr：基面中测量的主、副切削刃间夹角。εr＝180°－（κr＋κ’r）（1.7）前角、后角、刃倾角正负的规定如图1.12所示：在主剖面中，前刀面与基面平行时前角为零，前刀面与切削平面间夹角小于90°时前角为正、大于90°时后角为正，大于90°时后角为负，刃倾角的正负如图1.12所示。(a)λs＝0(b)－λs(c)+λs图1.12刃倾角λs的符号1.1.3刀具角度的换算1.1.3.1主剖面与法剖面内的角度换算在刀具设计、制造、刃磨和检验中，常常需要知道主切削刃在法剖面内的角度。许多斜角切削刀具，特别是大刃倾角刀具，必须标注法剖面角度。它们的计算公式如下：在设计和和制造刀具时，需要对不同参考系内的标注角度进行换算，也就是主剖面、法剖面、背平面、进给剖面之间角度换算。tanγn=tanγ0.cosλscotαn=cotα0.cosλs1.1.3.1主剖面与法剖面内的角度换算以前角计算公式为例，公式推导如下：MaacntanMaabotansonabacabMaMaaccostantansoncostantan1.1.3.2主剖面与任意剖面的角度换算求解任意剖面Pθ内的前角γθ：tanγθ得tanγθ＝tanγ0.sinθ+tanλs.cosθ（1.10）ABBCABDCBDABDCEFABsDCAEtantan0sABDFABAEtan.tan.0当θ＝0时:tanγθ=tanλs，γθ＝λs当θ＝90°－kr时，可得切深前角γp:tanγp=tanγ0.coskr＋tanλs.sinkr（1.11）当θ＝180°－kr时，可得切深前角γf:tanγf=tanγ0.sinkr＋tanλs.coskr（1.12）对式1.10利用微商求极值，可得最大前角γgtanγg＝（1.13）或tanγg＝（1.14）s202tantanpf22tantan1.1.3.2主剖面与任意剖面的角度换算最大前角所在剖面同主切削刃在基面上投影之间夹角θmax为：tanθmax＝（1.15）同理，可求出任意剖面内的后角αθ：当θ＝90°－kr时：当θ＝180°－kr时:stantan0rsrpkksin.tancos.cotcot0(1.17)rsrfkkcos.tansin.cotcot0(1.18)1.1.3.2主剖面与任意剖面的角度换算1.1.4刀具工作角度(1)横车如(图1.15)：以切断车刀为例，在不考虑进给运动时，车刀主切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一圆周，切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面，基面Pr的平面，γ0、α0为标注前角和后角。当考虑横向进给运动之后，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线，切削平面变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse，基面也相应倾斜为Pre，角度变化值为η。工作主剖面P0e仍为平面。此时在工作参考系（Pre、Pse、P0e）内的工作角度γ0e和α0e为：γ0e＝γ0+η;α0e=α0－η。1.1.1.4进给运动对工作角度的影响η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η角定义可知：tanη＝=(1.19)cfvvdf(1)横车式中d为随着车刀进给而不断变化着的切削刃选定点处工件的旋转直径，η值是随着切削刃趋近工件中心而增大的；在常用进给量下当切削刃距离工件中心1mm时，η＝1°40′；再靠近中心，η值急剧增大，工作后角变为负值。（2）纵车同理，也是由于工作中基面和切削平面发生了变化，形成了一个合成切削速度角η，引起了工作角度的变化。如图1.16所示，假定车刀λs＝0，在不考虑进给运动时，切削平面Ps垂直于刀杆底面，基面Pr平行于刀杆底面