金属切削过程的基础知识.

第一节基本概念一、切削运动与切削用量如图所示以外圆车削为例，要切除工件表面多余金属层，刀具与工件之间必须有相对运动。即工件必须作回转运动，刀具作直线运动。待加工表面—即将被切去金属层的表面。加工表面（过渡表面）—切削刃正在切削的表面。已加工表面—已经切去一部分金属层形成的新表面。第一章金属切削过程的基础知识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。依其作用不同，可把切削运动分为主运动与进给运动。（1）主运动主运动是切除多余金属层以形成工件要求的形状、尺寸精度及表面质量所必须的基本运动，是速度最高、消耗功率最大的运动。这种运动在切削过程中只能有一个。车削的主运动是工件的回转运动。第一节基本概念（2）进给运动进给运动是指使新的金属层不断投入切削过程，使切削工作在所需方向上得以继续下去的运动。进给运动可由一个或多个运动组成。一般情况下，进给运动的速度较低、消耗功率较小，是形成已加工表面的辅助运动。进给运动可以是连续的，也可以是间歇的。第一节基本概念刨、钻、铣削时的切削运动如下图所示：第一节基本概念其它切削加工的切削运动及工件表面第一节基本概念其它切削加工的切削运动及工件表面第一节基本概念其它切削加工的切削运动及工件表面第一节基本概念切削加工的切削运动车削成形车削拉削研磨钻扩铰镗拉挤切削加工的切削运动外圆磨成形磨（横磨）刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉（3）合成运动与合成切削速度切削主运动和进绘运动的合成称合成切削运动，亦即刀具切削刃上某一点相对工件的运动，其大小与方向用合成速度向量表示。evecfvvv第一节基本概念2.切削用量三要素（1）切削速度在单位时间内，工件和刀具沿着主运动方向相对移动的距离。回转体上外圆或内孔的切削速度是用工件外圆或内孔上某一点的线速度来表示的，计算公式如下：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）若主运动为往复直线运动，则以平均速度为切削速度。公式如下：1000cdnvπm/s或m/min22(/)或(/min)1000601000rrccLnLnvmsvmnr—主运动每分钟的往复次数L----往复运动行程长度第一节基本概念（2）进给速度、进给量、每齿进给量进给速度是单位时间内，刀具相对于工件在进给方向上的位移量，记作vf，单位为mm/s或mm／min。进给量是工件每回转一周，刀具相对于工件在进给方向上的位移量，记作f，单位为mm／r。对于铣刀、铰刀、拉刀和齿轮滚刀等多刃刀具，每个刀刃相对于工件在进给方向上的位移量称为每齿进给量，记为fZ，单位为mm/Z。vf、f、fZ之间的关系如下式：fZvfnfZnmm/s或mm/min第一节基本概念（3）背吃刀量背吃刀量旧称切削深度。是工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。当刀具不能一次吃刀就能切除工件上的金属层时，还需由操作者在一次进给后再沿半径方向完成吃刀运动，习惯上称每次吃刀的深度为背吃刀量，以ap表示，单位为mm。对于外圆表面加工，ap按下式计算：对于钻孔（不是扩孔）有：式中dm—已加工表面直径（mm）。dw—待加工表面直径（mm）。2wmpddamm2mpdamm第一节基本概念二、刀具切削部分的基本定义1.刀具切削部分的构造要素虽然用于切削加工的刀具种类繁多，但刀具切削部分的组成却有共同点。车刀的切削部分可看作是各种刀具切削部分最基本的形态。刀具切削部分的构造要素如下图所示。第一节基本概念（1）前刀面切屑流经的表面称为前刀面，记为Ar。（2）后刀面后刀面分为主后刀面和副后刀面。与工件上加工表面相对的表面称为主后刀面，记为Aa。与工件上已加工表面相对的表面称为副后刀面，记为Aa’。第一节基本概念（3）切削刃前刀面与主后刀面的交线，称为主切削刃，用以完成主要切除工作，记作S；前刀面与副后刀面的交线，称为副切削刃，辅助参与形成己加工表面，记作S’。（4）刀尖主切削刃与副切削刃之间的过渡切削刃，称为刀尖。刀尖可以是主副切削刃的实际交点，也可以是一段圆弧，或是一段直线。第一节基本概念2.刀具标注角度的参考系为了在设计、制造、刃磨和测量刀具的过程中，能够正确、统一地确定刀具的刀面和切削刃的空间位置，首先要建立起由辅助平面组成的坐标参考系，并以它为基准，用角度值来反映刀面和切削刃的空间位置。刀具角度分为工作角度和标注角度。把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度，称为刀具的工作角度，在设计、制造、刃磨和测量刀具时在刀具图纸上所标注的角度，称为刀具的标注角度。刀具标注角度的参考系是在假定运动条件和假定安装条件下确定的坐标系。第一节基本概念（1）确定刀具标注角度参考系的假定工作条件假定运动条件：给出假定的主运动方向和进给运动方向，同时假定进给速度很小，即可用主运动向量vc近似代替合成运动向量ve，用平行或垂直于主运动方向的平面构成参考系。假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直与刀具的安装定位平面或轴线。第一节基本概念（2）刀具标注角度参考系的诸平面基面Pr：通过切削刃上选定点且与该点切削速度方向垂直的平面。一般是平行或垂直于制造、刃磨和测量时适合于安装或定位的表面或轴线。第一节基本概念切削刃上选定点VcPr切削刃上选定点VcPrPs切削刃上选定点VcPrPsPo切削平面Ps：通过切削刃上选定点，与加工表面相切，且与基面垂直的平面。主剖面Po：通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。主剖面参考系：由Pr—Ps—Po组成的一个正交参考系，称为主剖面参考系。如图。法剖面Pn：通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。法剖面参考系：由Pr—Ps—Pn组成的参考系，称为法剖面参考系。如图。进给剖面Pf：通过切削刃上选定点，平行于进给方向且垂直于基面的平面。背平面Pp：通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和进给剖面的平面。进给、背平面参考系：由Pr—Pf—Pp组成的参考系，称为进给、背平面参考系。如图。第一节基本概念法剖面Pn：垂直于切削刃主剖面Po：垂直于基面PsPr第一节基本概念3.刀具工作角度的参考系实际上在刀具使用中，应考虑刀具切削刃上选定点的合成运动速度ve、刀尖安装不一定对准机床中心高度、背平面不一定平行于侧安装面等因素。这时的坐标平面参考系与标注角度参考系不再相同，而称工作角度参考系，在其内的刀具角度称刀具工作角度。刀具工作角度参考系与标注角度参考系的区别就是用合成运动ve来代替主运动vc，用实际进给运动方向代替假定的进给运动方向。第一节基本概念4.刀具的标注角度（1）在主剖面参考系中的刀具标注角度基面Pr内的角度：主偏角kr—在基面Pr内测量的主切削平面Ps与进给剖面Pf间的夹角。副偏角kr’——在基面Pr内测量的副切削平面Ps’与进给剖面Pf间的夹角。如图第一节基本概念切削平面Ps内的角度：刃倾角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，刀尖位于切削刃的最高点时定为正（“+”），反之为负（“-”），它影响切屑流向和刀尖强度。精加工时取λs＞0°，粗加工时取λs＜0°。如图如图第一节基本概念主剖面Po内的角度：前角γo—在主剖面Po内测量的前刀面Ar与基面Pr间的夹角。γo有正负之分，前刀面Ar与切削平面Ps之间夹角大于90°时γo＜0°，反之γo＞0°。后角αo—在主剖面Po内测量的后刀面Aa与切削平面Ps间的夹角。如图如图第一节基本概念prˊ回21回22回23第一节基本概念a.主切削刃成水平b.刀尖低，后部高c.刀尖高，后部低第一节基本概念以上五个角度Kr、λs、γo、αo、Kr’为车刀的基本标注角度。在此Kr、λs确定了主切削刃S的空间位置，Kr’、λs’确定了副切削刃S’的空间位置。γo、λs则确定了前刀面Ar的空间位置，Kr、αo确定了后刀面Aa的空间位置。γo’、λs’、Kr’、αo’确定了Ar’、Aa’的空间位置。但是，γo’、λs’并非是独立角度，可通过计算得到。第一节基本概念此外，还有以下派生角度：刀尖角εr—在基面Pr内测量的主切削平面Ps与副切削平面Ps’间的夹角。楔角βo—在主剖面Po内测量的前刀面Ar与后刀面Aa间的夹角。0'180()rrrkkε090()oooβγα第一节基本概念三、刀具角度的换算1.主剖面与法剖面内的角度换算下图所示为刃倾角λs的车刀主切削刃在主剖面与法剖面内的角度。λs第一节基本概念法向前角γn与前角γo的换算公式如下：tantancosnsoγγλcotcotcosnosααλ法向后角αn与后角αo的换算公式如下：第一节基本概念2.主剖面与任意剖面内的角度换算任意剖面上给出的车刀角度如图所示。很明显，当θ=0°时，Pθ剖面与切削平面Ps重合；当θ=90°－Kr时，Pθ剖面与背平面Pp重合；当θ=180°－Kr时，Pθ剖面与进给平面Pf重合。pθp第一节基本概念任意剖面上的前角γθ求解公式如下：任意剖面上的后角αθ求解公式如下：最大前角γg求解公式如下：对应最大前角的夹角θmax为：tantansincosoθsγγθ+tanλθcotcotsintancososθααθλθ22tantantangosγγλmaxtantantanosγθλ第一节基本概念四、刀具工作角度1.进给运动对工作角度的影响（1）横车（切断时）当考虑进给运动后，切削刃上选定点的运动轨迹是一阿基米德螺旋线，这时的切削平面Pse是过选定点的阿氏螺线的切线，基面Pre是过选定点与Pse垂直的平面。相应地，刀具的工作前角γ0e和工作后角αoe都与其标注前角γo和标注后角αo不同，它们之间的关系见下式：vc第一节基本概念oeoooeγγη；ααηtanfcvfvdηπη称为合成切削速度角，是主运动方向与切削速度方向的夹角：vc第一节基本概念（2）纵车当考虑进给运动后，切削刃上选定点的运动轨迹是一螺旋线，这时的切削平面Pse是过选定点与螺旋面相切的平面，刀具工作角度的参考系（Pse、Pre）倾斜了一个角η，则工作进给剖面内的工作角度为：合成切削速度角η为：dW—工件待加工表面的直径。将上述角度转换到主剖面时为：fefγγηfefααηtanWfη=πdtantansinorkηηoeooγγη第一节基本概念应为ηo应为fo第一节基本概念2.刀具安装对工作角度的影响（1）刀尖安装高低对工作角度的影响刀尖安装高低的影响如图所示：第一节基本概念如图，当刀尖安装高于机床中心高时，背平面内的工作前角γPe增大，工作后角αPe减小，其变化值θP为：工作角度为：转换到主剖面为：22tan(/2)PWhdhθh—刀尖高度与机床中心高的差(mm）dW—工件直径（mm）PePPPPPeγγθ；ααθ22tancos(/2)orWoeoooohkdhoeθγγθ；ααθ刀尖低于机床中心高时，取相反符号。第一节基本概念（2）刀杆安装倾斜的影响如图所示：车刀刀杆与进给方向不垂直时，工作主偏角Kre和工作副偏角Kre’将发生变化：'rerrkkGkG're；k第一节基本概念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来的金屑层称切削层。外圆车削时，工件转一转，车刀从位置Ⅱ移动到位置I，前进了一个进给量f，图中阴影部分即为切削层。其截面尺寸的大小即为切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切削尺寸。还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产效率。切削层参数通常在基面内测量。五、切削层参数与切削方式第一节基本概念（1）切削层公称厚度hD（旧称切削厚度）切削层公称厚度是在基面内测量的切削刃两瞬时位置加工表面间的距离，有如下关系：（2）切削层公称宽度bD（旧称切削宽度）切削层公称宽度是在基面内沿加工表面测量的切削层尺寸。有如下关系：（3）切削层公称横截面面积AD（旧称切削面积）削层公称横截面面积在基面内测量，计算公式为：sin()Drhfkmm/sin()Dprbakmm2()DDDPAhbfamm