華南理工大學(xué)機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第一章金屬切割的基本知識_圖文

1、第一章金屬切削過程的基礎(chǔ)知識本章提要1.1 基本定義1.2 刀具材料本章提要本章主要介紹金屬切削過程的基礎(chǔ)知識,分兩大部分:一、基本定義介紹金屬切削過程方面的一些基本概念,它包括切削運(yùn)動、切削用量、參考系(基面、切削平面、主剖面、刀具標(biāo)注角度、切削層參數(shù)等。二、刀具材料介紹刀具材料應(yīng)具備的性能(硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌性、耐熱性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性,兩種常用的刀具材料(高速鋼、硬質(zhì)合金和其它刀具材料(涂層、陶瓷、人造金剛石、立方氮化硼。1.1 基本定義如外圓車削時(shí),工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,刀具作縱向直線運(yùn)動,形成了工件的外圓表面。在新的表面的形成過程中,工件上有三個(gè)依次變化的表面(圖1.1:圖1.1車削時(shí)的

2、切削運(yùn)動待加工表面:即將被切去金屬層的表面;加工表面:切削刃正在切削著的表面;已加工表面:已經(jīng)切去一部分金屬形成的新表面。金屬切削機(jī)床的基本運(yùn)動有直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。但是,按切削時(shí)工件與刀具相對運(yùn)動所起的作用來分,可分為主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動。如圖1.1所示。(1主運(yùn)動主運(yùn)動是切下金屬所必須的最主要的運(yùn)動。通常它的速度最高,消耗機(jī)床功率最多。(2進(jìn)給運(yùn)動使新的金屬不斷投入切削的運(yùn)動。進(jìn)給運(yùn)動可以是連續(xù)運(yùn)動,也可以是間歇運(yùn)動。(3合成運(yùn)動與合成切削速度當(dāng)主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動同時(shí)進(jìn)行時(shí),刀具切削刃上某一點(diǎn)相對工件的運(yùn)動稱為合成切削運(yùn)動,其大小與方向用合成速度向量v e表示。如圖1.3所示,合成速度向量等于主

3、運(yùn)動速度與進(jìn)給運(yùn)動速度的向量和。即v e=v c+v f(1.1 圖1.3 切削時(shí)合成切削速度v e 、f 、a p 稱之為切削用量三要素。1000d n (1切削速度大多數(shù)切削加工的主運(yùn)動采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動?；匦w(刀具或工件上外圓或內(nèi)孔某一點(diǎn)的切削速度計(jì)算公式如下:v c= m/s 或m/min (1.2式中d -工件或刀具上某一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑(mmn -工件或刀具的轉(zhuǎn)速(r/s 或r/min(2進(jìn)給速度、進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量進(jìn)給速度v f是單位時(shí)間的進(jìn)給量,單位是mm/s(mm/min進(jìn)給量是工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時(shí)兩者沿進(jìn)給運(yùn)動方向的相對位移,單位是mm/r(毫米/轉(zhuǎn)。對于銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪滾

4、刀等多刃切削工具,在它們進(jìn)行工作時(shí),還應(yīng)規(guī)定每一個(gè)刀齒的進(jìn)給量f z,即后一個(gè)刀齒相對于前一個(gè)刀齒的進(jìn)給量,單位是mm/z(毫米/齒。顯而易見v f=f·n=f z·z·n mm/s或mm/min (1.3(3背吃刀量對于車削和刨削加工來說,背吃刀量a p為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離,單位為mm。外圓柱表面車削的深度可用下式計(jì)算:a p=(d w-d m/2 mm (1.4對于鉆孔工作a p=d m/2 mm (1.5上兩式中d m已加工表面直徑(mmd w待加工表面直徑(mm2.1刀具切削部分的構(gòu)成要素圖1.3 典型外圓車刀切削部分的構(gòu)成(1 前刀

5、面(3 切削刃(2 后刀面(4 刀尖(1 前刀面前刀面A r是切屑流過的表面。分為:與主切削刃毗鄰的稱為主前刀面;與副切削刃毗鄰的稱為副前刀面。(2后刀面后刀面分為主后刀面與副后刀面。(3切削刃切削刃是前刀面上直接進(jìn)行切削的邊鋒,有主切削刃和副切削刃之分。主切削刃指前刀面與主后刀面相交的鋒邊;副切削刃指前刀面與副后刀面相交的鋒邊。(4刀尖刀尖可以是主、副切削刃的實(shí)際交點(diǎn),也可以是主、副兩條切削刃連接起來的一小段切削刃,它可以是圓弧,也可以是直線,通常都稱為過渡刃。1.1.2.2 刀具標(biāo)注角度的參考系假定運(yùn)動條件:首先給出刀具的假定主運(yùn)動方向和假定進(jìn)給運(yùn)動方向;其次假定進(jìn)給速度值很小,可以用主運(yùn)

6、動向量v c近似代替合成速度向量v e;然后再用平行和垂直于主運(yùn)動方向的坐標(biāo)平面構(gòu)成參考系。假定安裝條件:假定標(biāo)注角度參考系的諸平面平行或垂直于刀具便于制造、刃磨和測量時(shí)定位與調(diào)整的平面或軸線(如車刀底面、車刀刀桿軸線、銑刀、鉆頭的軸線等。反之也可以說,假定刀具的安裝位置恰好使其底面或軸線與參考系的平面平行或垂直。刀具標(biāo)注角度的參考系由下列諸平面構(gòu)成:(1基面Pr通過切削刃選定點(diǎn),垂直于假定主運(yùn)動方向的平面。通常,基面應(yīng)平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和測量的某一安裝定位平面或軸。例如,圖1.6所示為普通車刀、刨刀的基面Pr,它平行于刀具底面。圖1.6普通車刀的基面Pr (2切削平面P s通過

7、切削刃選定點(diǎn),與主切削刃相切,并垂直于基面Pr的平面。也就是主切削刃與切削速度方向構(gòu)成的平面。(3主剖面P0和主剖面參考系(4法剖面P n 和法剖面參考系主剖面P 0是通過切削刃選定點(diǎn),同時(shí)垂直于P r 和切削平面P s 的平面。圖1.8表示由P r -P s -P 0組成的一個(gè)正交的主剖面參考系。法剖面P n 是通過切削刃選定點(diǎn),垂直于切削刃的平面。如圖1.8所示,由P r -P s -P n 組成的一個(gè)法剖面參考系。 圖1.8主剖面與法剖面參考系(5進(jìn)給剖面P f和背平面P p及其組成的進(jìn)給、背平面參考系進(jìn)給剖面P f是通過切削P r -P f-P p刃選定點(diǎn),平行于進(jìn)給運(yùn)動方向并垂直于基

8、面P r的平面。通常,它也平行或垂直與刀具上便于制造、刃磨和測量的某一安裝定位平面或軸線。由P r -P f-P p組成一個(gè)進(jìn)給、背平面參考系,如圖1.9 所示。背平面P p是通過切削刃選定點(diǎn),同時(shí)垂直于P r 和P f的平面。圖1.9 進(jìn)給、背平面參考系1.1.2.3 刀具工作角度的參考系上述刀具標(biāo)注角度參考系,在定義基面時(shí),都只考慮主運(yùn)動,不考慮進(jìn)給運(yùn)動,即在假定運(yùn)動條件下確定的參考系。但刀具在實(shí)際使用時(shí),這樣的參考系所確定的刀具角度,往往不能確切地反映切削加工的真實(shí)情形。只有用合成切削運(yùn)動方向v e來確定參考系,才符合切削加工的實(shí)際。例如,圖1.10所示三把刀具的標(biāo)注角度完全相同,但由于

9、合成切削運(yùn)動方向v e不同,后刀面與加工表面之間的接觸和摩擦的實(shí)際情形有很大的不同。同樣,刀具實(shí)際安裝位置也影響工作角度的大小。刀具工作角度參考系同標(biāo)注角度參考系的唯一區(qū)別是用v e取代v c,用實(shí)際進(jìn)給運(yùn)動方向取代假定進(jìn)給運(yùn)動方向。圖(a刀具后刀面同工件之間有適宜的間隙,切削情況正常; (a圖1.10 刀具工作角度示意圖圖(b該兩個(gè)表面全面接觸,摩擦嚴(yán)重; (b圖1.10 刀具工作角度示意圖刀具工作角度示意圖圖(c 刀具的背棱頂在已加工表面上,切削刃無法切入,切削條件被破壞。可見,在這種場合下,只考慮主運(yùn)動的假定條件是不合適的,還必須考慮進(jìn)給運(yùn)動速度的影響,也就是必須考慮合成切削運(yùn)動方向來確

10、定刀具工作角度的參考系。圖1.10 刀具工作角度示意圖1.1.2.4 刀具的標(biāo)注角度在刀具的標(biāo)注角度參考系中確定的切削刃與刀面的方位角度,稱為刀具標(biāo)注角度。在切削刃是曲線或前、后刀面是曲面的情況下,定義刀具的角度時(shí),應(yīng)該用通過切削刃選定點(diǎn)的切線或切平面代替曲刃或曲面。主剖面參考系里的標(biāo)注角度的名稱、符號與定義如圖1.11:前角0后角0主偏角r刃傾角s同理,副切削刃及其相關(guān)的前刀面、后刀面在空間的定位也需要四個(gè)角度:即副偏角r ,副刃傾角s,副前角0,副后角0。它們的定義與主切削刃上的四種角度類似。前角0:前刀面與基面間的夾角(在主剖面中測量。圖1.11(a 主剖面系標(biāo)注的刀具角度后角0:后刀面

11、與切削平面間的夾角(在主剖面中測量。圖1.11(b 主剖面系標(biāo)注的刀具角度k r 主偏角r :基面中測量的主切削刃與進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角。圖1.11(c 主剖面系標(biāo)注的刀具角度刃傾角s:切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角。圖1.11(d 主剖面系標(biāo)注的刀具角度由于圖1.11所示車刀副切削刃與主切削刃共處在同一前刀面上,因此,當(dāng)0、s兩者確定后,前刀面的方位已經(jīng)確定,0、s兩個(gè)角度可由0、s、r、r 等角度換算出來,稱為派生角度。由上分析可知,圖1.11中外圓車刀有三個(gè)刀面,兩個(gè)切削刃,所需標(biāo)注的獨(dú)立角度只有六個(gè)。此外,根據(jù)分析刀具的需要還要給定幾個(gè)派生角度,它們的名稱與定義如下:楔角0 :主

12、剖面中測量的前、后刀面間夾角。0=90°-(0+0(1.6刀尖角r :基面中測量的主、副切削刃間夾角。r=180 °-(r+r (1.7前角、后角、刃傾角正負(fù)的規(guī)定如圖1.12所示:在主剖面中,前刀面與基面平行時(shí)前角為零,前刀面與切削平面間夾角小于90 °時(shí)前角為正、大于90 °時(shí)后角為正,大于90 °時(shí)后角為負(fù),刃傾角的正負(fù)如圖1.12 所示。(as=0(b-s(c+ s 圖1.12 刃傾角s的符號在刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨和檢驗(yàn)中,常常需要知道主切削刃在法剖面內(nèi)的角度。許多斜角切削刀具,特別是大刃傾角刀具,必須標(biāo)注法剖面角度。它們的計(jì)算公式如下

13、:tann=tan0.cosscotn=cot0.cossMa ac n =tan Maabo =tan s o n abac ab Ma Ma ac cos tan tan =so n cos tan tan =tan 得tan=tan0.sin+tans .cos (1.10ABBC =AB DC BD +=AB DC EF +=AB sDC AE tan tan 0+=s ABDF AB AE tan .tan .0+=當(dāng)=0時(shí): tan=tans ,=s當(dāng)=90°-k r 時(shí),可得切深前角p :tanp =tan 0.cos k r +tan s .sin k r(1.11當(dāng)

14、=180°-k r 時(shí),可得切深前角f :tanf =tan 0.sin k r +tan s .cosk rtan g =(1.13或tan g =(1.14s202tan tan +p最大前角所在剖面同主切削刃在基面上投影之間夾角max 為:tan max =(1.15同理,可求出任意剖面內(nèi)的后角:當(dāng)=90°-k r 時(shí):當(dāng)=180°-k r 時(shí):stan tan 0r s r p k k sin .tan cos .cot cot 0+=(1.17r s r f k k cos .tan sin .cot cot 0+=(1.18(1橫車如(圖1.15:以切

15、斷車刀為例,在不考慮進(jìn)給運(yùn)動時(shí),車刀主切削刃選定點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動軌跡為一圓周,切削平面P s 為通過切削刃上該點(diǎn)切于圓周的平面,基面P r 的平面,0、0為標(biāo)注前角和后角。當(dāng)考慮橫向進(jìn)給運(yùn)動之后,切削刃選定點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動軌跡為一平面阿基米德螺旋線,切削平面變?yōu)橥ㄟ^切削刃切于螺旋面的平面P se ,基面也相應(yīng)傾斜為P re ,角度變化值為。工作主剖面P 0e 仍為平面。此時(shí)在工作參考系(P re 、P se 、P 0e 內(nèi)的工作角度0 e 和0e 為:0e =0+; 0e =0-。角稱為合成切削速度角,它是主運(yùn)動方向與合成運(yùn)動切削速度方向之間的夾角。由角定義可知:tan= (1.19c f

16、v v df (1橫車式中d 為隨著車刀進(jìn)給而不斷變化著的切削刃選定點(diǎn)處工件的旋轉(zhuǎn)直徑,值是隨著切削刃趨近工件中心而增大的;在常用進(jìn)給量下當(dāng)切削刃距離工件中心1mm 時(shí),=1°40;再靠近中心,值急劇增大,工作后角變?yōu)樨?fù)值。(2縱車同理,也是由于工作中基面和切削平面發(fā)生了變化,形成了一個(gè)合成切削速度角,引起了工作角度的變化。如圖1.16所示,假定車刀s=0,在不考慮進(jìn)給運(yùn)動時(shí),切削平面Ps垂直于刀桿底面,基面Pr平行于刀桿底面,標(biāo)注角度為0、0;考慮進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)給運(yùn)動后,工作切削平面Pse為切于螺旋面的平面,刀具工作角度的參考系(Pse 、Pre傾斜一個(gè)角,則工作進(jìn)給剖面(仍為原進(jìn)給剖

17、面內(nèi)的工作角度為:fe =f+;fe=f- 由合成切削速度角的定義可知:tan= 式中f -進(jìn)給量d w -切削刃選定在A 點(diǎn)時(shí)的工件待加工表面直徑。上述角度變化可以換算至主剖面內(nèi):tan0=tan.sink r ;0e =0+0(1.20由上式可知:值不僅與進(jìn)給量f 有關(guān),也同工件直徑d w 有關(guān);d w 越小,角度變化值越大。wd f (2縱車(1刀尖安裝對工作角度的影響當(dāng)?shù)都獍惭b得高于工件中心線時(shí),工作切削平面將變?yōu)镻 se ,工作基面變?yōu)镻 re ,工作角度pe 增大,pe 減小。在背平面(P -P 仍為標(biāo)注背平面內(nèi)角度變化值為p :tanp =(1.21式中h -刀尖高于工件中心線的

18、數(shù)值(mm ;d w -工件直徑222h d hw - 則工作角度為:pe =p +p 或pe =p -p (1.22上述都是在刀具的背平面(P p -P p 內(nèi)的角度變化,還需要換算到工作主剖面內(nèi):tan0=(1.23或;(1.24r w k h d hcos 222- 000±=e 000±=a a e (1刀尖安裝對工作角度的影響(2刀桿安裝傾斜對工作角度的影響車刀刀桿與進(jìn)給方向不垂直時(shí),工作主偏角k re 和工作副偏角kre 將發(fā)生變化:;(1.25式中G 假定進(jìn)給剖面與工作進(jìn)給剖面之間的夾角,在基面內(nèi)測量。也就是進(jìn)給運(yùn)動方向的垂線和刀桿中心線間的夾角。G k k

19、r e ±=0G k k r re ±='' 各種切削加工的切削層參數(shù),可用典型的外圓縱車來說明。如(圖1.19所示,車刀主切削刃上任意一點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動就軌跡是一條空間螺旋線。它們的各義及說明如下:工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),車刀沿工件軸線移動一段距離,即進(jìn)給量(f ,mm/r 。由車刀正在切削著的這一層金屬,就叫切削層。在特殊情況下(kr=90°為矩形。在外圓縱車時(shí),當(dāng)kr =0、s =0時(shí),切削層的表面形狀為一平行四邊形。為了簡化計(jì)算工作,切削層的表面形狀和尺寸,通常都在垂直于切削速度v c的基面P r內(nèi)觀察和量度。切削層參數(shù)為:(1切削厚度垂直于加工表

20、面來度量的切削層尺寸(圖1.19,稱為切削厚度,以h D 表示。在外圓縱車(s=0時(shí):h D=f.sink r (1.26(2切削寬度沿加工表面度量的切削層尺寸,稱為切削寬度,以b D表示。外圓縱車(當(dāng)s=0 時(shí)b D=a p/sink r (1.27可見,在f與a p一定的條件下,主偏角k r越大,切削厚度h D也就越大,但切削寬度b D越小;k r越小時(shí),h D越小,b D越大;當(dāng)k r=90時(shí),h D=f。曲線形主切削刃、切削層各點(diǎn)的切削厚度互不相等。(3切削面積切削層在基面P r的面積,稱為切削面積,以A D表示。其計(jì)算公式為:A D=h D.b D(1.28對于車削來說,不論切削刃形

21、狀如何,切削面積均為:A D=h D.b D=f.a p(1.29上面所計(jì)算的均為名義切削面積。實(shí)際切削面積等于名義切削面積減去殘留面積。殘留面積是指刀具副偏角kr0時(shí),刀具經(jīng)過切削后,殘留在已加工表面上的不平部分(ABE的剖面面積。(1正切削與斜切削切削刃垂直于合成切削方式稱為正切削或直角切削。如果切削刃不垂直于切削方向則稱為斜切削或斜角切削。圖1.23所示為刨削時(shí)的正切削和斜切削。 (a(b圖1.23 正切削與斜切削(2自由切削與非自由切削只有直線形主切削刃參加切削工作,而副切削刃不參加切削工作,稱為自由切削。曲線主切削刃或主、副切削刃都參加切削者,稱為非自由切削。這是根據(jù)切削變形是二維問

22、題或三維問題進(jìn)行區(qū)分的。為了簡化研究工作,通常采用自由切削變形區(qū)和觀察和研究。1.2 刀具材料在切削過程中,刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面,刀具材料對金屬切削的生產(chǎn)率、成本、質(zhì)量有很大的影響,因此要重視刀具材料的正確選擇與合理使用。作為刀具材料應(yīng)滿足以下基本要求:(1高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高,常溫硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨損的能力,它取決于組織中硬質(zhì)、數(shù)量、大小和分布。(2足夠的強(qiáng)度和韌性為了承受切削中的壓力沖擊和振動,避免崩刃和折斷,刀具材料應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和韌性。一般強(qiáng)度用抗彎強(qiáng)度來表示,韌性用沖擊值表示。(3高的耐熱性刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的能力。(4良好的工藝性為了便于制造,要求刀具材