第01章 金屬切削的基本要素

1、2022-5-271 第01章 金屬切削的基本要素講述與切削有關(guān)的概念和定義講述與切削有關(guān)的概念和定義 本章概述工件表面的形成方法和成形運動加工表面和切削用量三要素刀具角度切削層參數(shù)刀具材料 1.1 工件表面的形成方法和成形方法金屬切削過程中的兩個基本要素：工件與刀具之間要有相對運動，即成形運動刀具必須有合理的幾何參數(shù)，即切削角度 1.1.1 工件的加工表面及其形成方法工件表面：平面、圓柱面、圓錐面、成形表面工件表面的形成方法：發(fā)生線：母線、導線工件表面均可以看作母線沿著導線運動的軌跡 1.1.2 表面成形運動簡單成形運動旋轉(zhuǎn)運動(用B表示) 、直線運動(用A表示) 以主軸旋轉(zhuǎn)、刀架或工作臺的

2、直線運動的形式出現(xiàn)復合成形運動舉例用普通車刀車削外圓用成形車刀車削成形回轉(zhuǎn)表面用螺紋車刀車削螺紋用齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪 例1-1 用普通車刀車削外圓圓柱面母線：圓 工件的旋轉(zhuǎn)運動B1導線：直線 車刀的直線運動A2 例1-2 用成形車刀車削成形回轉(zhuǎn)表面成形表面母線：曲線 不需要成形運動導線：圓 工件的旋轉(zhuǎn)運動B1 例1-3 用三角螺紋車刀車削螺紋螺紋面母線：螺紋輪廓線 不需要成形運動導線：螺旋線 工件的旋轉(zhuǎn)運動B11 車刀的直線運動A12 工件每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，刀具移動一個導程 例1-4 用齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪齒面母線：漸開線 滾刀的旋轉(zhuǎn)B11 工件的旋轉(zhuǎn)B12導線：直線 滾刀的上下進給運動A2

3、 2. 主運動、進給運動和合成切削運動主運動：使刀具切入工件材料，被切削部分變成切屑，從而形成工件的新表面；特點：速度高、消耗功率大、只有一個； 如：車削外圓時工件的旋轉(zhuǎn)運動 刨削時刀具直線往復運動 鉆孔時鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動 磨削加工時砂輪的旋轉(zhuǎn)運動 銑削加工時銑刀的旋轉(zhuǎn)運動方向：不考慮進給運動時，切削刃上選定點相對于工件的瞬時運動方向；切削速度切削速度vc：切削刃上選定點相對工件沿主運動方向的瞬時速度； min)/(1000msmdnvc或min)/(10002mLnvrc 進給運動進給運動：配合主運動依次或連續(xù)不斷地切除多余材料，同時形成一定要求的已加工表面；特點：一個或多個 間歇或連續(xù) 如：

4、外圓車削時車刀的連續(xù)縱向直線運動 刨削時工件的間歇直線運動方向：不考慮主運動時，切削刃選定點相對于工件的瞬時運動方向；進給量進給量f：刀具或工件每回轉(zhuǎn)一周或往返一個行程兩者沿進給運動方向的相對位移；(mm/r或mm/min)進給速度進給速度vf：切削刃上選定點相對于工件的進給運動瞬時速度；min)/(mmsmmnzfnfvzf或 合成切削運動方向：主運動與進給運動 的合成方向合成切削速度ve 1.2 加工表面和切削用量三要素1.2.1 切削過程中工件上的加工表面待加工表面：工件上有待切削的表面；已加工表面：工件上經(jīng)刀具切削后形成的表面過渡表面：工件上由切削刃正在切削的表面； 1.2 .2 切削

5、用量三要素切削速度vc 進給量f切削深度ap 工件已加工表面與待加工表面之間的垂直距離；（車削、刨削） dw 待加工表面直徑，mm dm 已加工表面直徑，mm2mwpdda 1.3 刀具角度1.3.1 刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素前刀面(Ar)：直接作用于被切削金屬層，是控制切屑沿其流出的表面。主后刀面(Aa) ： 與工件上過渡表面相對并相互作用的表面。副后刀面(Aa) ： 與已加工表面相對并相互作用的表面。主切削刃(S) ：前刀面與主后刀面的交線。它完成主要的切削工作。副切削刃(S) ：前刀面與主后刀面的交線。它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。過渡刃（刀尖）： 主、副切削刃連接處的

6、一段切削刃。 1.3.2 刀具角度的參考系區(qū)分兩種刀具角度標注角度：是設(shè)計、制造、刃磨和測量刀具的基準； 假定運動狀態(tài)：不考慮進給運動 假定安裝狀態(tài)：假定刀尖與工件回轉(zhuǎn)軸線等高假定刀桿縱向軸線垂直于進給方向工作角度：是刀具在切削工作時角度的基準； 考慮包括進給運動在內(nèi)的合成切削運動 考慮刀具的實際安裝情況 參考平面1.刀具標注角度的參考平面：過主切削刃上選定點，垂直于該點假定主運動方向的平面；過主切削刃上選定點，與切削刃相切并垂直于基面的平面；2.刀具工作角度的參考平面：過主切削刃上選定點，垂直于該點合成切削運動方向的平面；過主切削刃上選定點，與切削刃相切并垂直于基面的平面； 1. 刀具標注角

7、度的參考系主剖面參考系：Pr、Ps、正交平面Po正交平面Po：過主切削刃上選定點垂直于切削平面和基面的平面；法剖面參考系： Pr、Ps、法平面Pn法平面Pn：過主切削刃上選定點并垂直于主切削刃或其切線的平面進給、切深剖面參考系： Pr、進給剖面Pf 、切深剖面Pp進給剖面Pf：過主切削刃上選定點平行于進給方向q且垂直于基面的平面切深剖面Pp：過主切削刃上選定點垂直于進給方向且垂直于基面的平面 1.3.3 刀具標注角度(以外圓車刀為例)1.主剖面參考系中的標注角度：主剖面Po 內(nèi)測量的角度 前角o 在主剖面內(nèi)測量的前刀面與基面之間的夾角； 后角o 在主剖面內(nèi)測量的后刀面與切削平面間的夾角； 楔角

8、o 在主剖面內(nèi)測量的前刀面與后刀面之間的夾角；o= 90-（ o + o）基面Pr內(nèi)測量的角度 主偏角r 主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角； 副偏角r副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向的夾角； 刀尖角 r 主切削刃與副切削刃在基面上投影的夾角； r = 180-（r + r ） 切削平面Ps內(nèi)測量的的角度 刃傾角s 在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面的夾角； 1.主剖面參考系中的標注角度與副切削刃有關(guān)的獨立角度 副偏角r、副前角o 、副后角o 、副刃傾角s 主偏角r 、副偏角r 、前角o 、后角o 、刃傾角s 楔角o 、刀尖角 r 45度彎頭刀車外圓的角度分析 切斷刀縱向切斷時的角

9、度分析 90度彎頭刀車外圓的角度分析 45度彎刀車端面角度分析 2. 其它參考系的標注角度在法剖面參考系的標注角度：r 、 r 、 s和 r相同；n 、 n 、 n 改在Pn內(nèi)測量即可進給、切深剖面參考系的標注角度：、 、 改在P內(nèi)測量即可p、 p、 p改在Pp內(nèi)測量即可車刀標注角度參考系 1.3.5 刀具工作角度刀具工作角度的參考平面：過主切削刃上選定點，垂直于該點合成切削運動方向的平面；過主切削刃上選定點，與切削刃相切并垂直于基面的平面；進給運動對刀具工作角度的影響橫向進給運動的影響縱向進給運動的影響刀具安裝位置對工作角度的影響安裝高低的影響刀桿中心線與進給方向不垂直的影響 1.4 切削層

10、參數(shù)刀具相對于工件沿進給方向每移動f 或 fz后，一個刀齒正在切削的金屬層稱為切削層。切削層參數(shù)切削厚度切削寬度切削層面積DDDbhApfarDfhsinrpDabsin 1.5 刀具材料刀具材料應(yīng)具備的基本性能高速鋼硬質(zhì)合金超硬刀具材料 1.5.1 刀具材料應(yīng)具備的基本性能硬度：刀具硬度應(yīng)高于工件材料耐磨性：刀具抵抗磨損的能力；強度和韌性：抵抗沖擊和振動，避免崩刃和折斷；耐熱性：即高溫下保持高的硬度、耐磨性、強度和韌度；化學穩(wěn)定性；減摩性：摩擦系數(shù)小，減小切削力和降低切削溫度；導熱性和熱膨脹系數(shù)：降低切削溫度、減小熱變形工藝性和經(jīng)濟性：鍛造性、熱處理性、可磨削性，以便于刀具的制造； 常用刀具

11、材料的種類與特性工具鋼碳素工具鋼（T10A、T12A等）、合金工具鋼（9SiCr、CrWMn等） 耐熱性較差，用于手工工具及切削速度較低的刀具高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷、金剛石、立方氮化硼等性質(zhì)脆、工藝性差、價格昂貴用于特殊場合*最常用 1.5.2 高速鋼定義：在碳素工具鋼中加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素所構(gòu)成的高合金工具鋼；特點：具有一定的硬度和耐磨性；有較高的耐熱性（600-700）；強度和沖擊韌性較好；工藝性好且價格便宜，易磨成鋒利的切削刃，可鍛造；應(yīng)用：用于加工復雜刀具和小型刀具，如鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具 高速鋼分類及改善途徑普通高速鋼：含碳量為0.7-0.9%鎢系W18Cr4V

12、：具有一定的硬度和強度，可磨性好，主要制造復雜刀具； W14Cr4MnRE(鎢)鉬系W6Mo5Cr4V2：韌性、強度、高溫塑性均較前者好，可磨性稍差，主要用于熱軋刀具； W9Mo3Cr4V改善高速鋼切削性能的途徑(1)改變高速鋼合金成分：調(diào)整基本化學成分（增加含碳量、含釩量 ）或添加合金元素（鈷、鋁等）以提高機械性能和切削性能 較好的高溫硬度，耐用度高，適合加工難加工材料9W18Cr4V 、W6Mo5Cr4V3、 W6Mo5Cr4V2Co8、 W6Mo5Cr4V2Al 高速鋼分類及改善途徑(2)采用粉末冶金技術(shù) 用高壓氬氣或氮氣霧化熔融的高速鋼水，急冷得到細小的高速鋼粉末，高溫高壓下制成致密的

13、鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形狀。 完全消除偏析：抗彎強度、韌性提高；(高溫)硬度提高；可磨削性能好；熱處理變形小。 適合于各種精密刀具和復雜刀具（如滾刀、插齒刀）(3)采用表面化學滲入法 滲碳：表面硬度、耐磨性提高，脆性增加 滲入多種元素：減小脆性(4)采用表面涂覆硬質(zhì)薄膜技術(shù) 真空下涂覆TiC、TiN材料，提高耐磨性、耐高溫、抗粘結(jié) 用于制造形狀復雜的刀具，如鉆頭、絲錐、銑刀和齒輪刀具等 1.5.3 硬質(zhì)合金定義：用高硬度、高熔點的金屬碳化物粉末和金屬粘結(jié)劑在高壓下成形后經(jīng)高溫燒結(jié)而成的粉末冶金材料；1. 高溫碳化物碳化物的種類 TiC、WC、NbC、TaC 碳化物含量越高，硬度越高，抗彎強度

14、越低碳化物的粒度 碳化物的粒度越細，硬度和耐磨性越高，抗彎強度越低TiC、WC、NbC、TaCCo、Ni 2. 硬質(zhì)合金的種類和牌號分類WC-Co (YG)類：由WC、Co組成硬度HRA89-91.5 耐熱度800-900度 抗彎強度1.1-1.5MPa；加工脆性金屬和有色金屬如鑄鐵、青銅等；WC-TiC -Co (YT)類：添加5-30%的TiC硬度和耐磨性較高，強度和沖擊韌性差，耐熱度900-1000度；適合加工塑性大的材料，不適合加工含鈦金屬材料；WC-TaC(NbC) -Co (YA)類WC-TiC -TaC(NbC) -Co (YW)類：添加TaC、NbC加入TaC（NbC）可提高抗

15、彎強度、疲勞強度、沖擊韌性、高溫硬度、強度和抗氧能力、耐磨性等；既可以加工有色金屬也可加工鋼的通用型硬質(zhì)合金； 3. 硬質(zhì)合金的性能硬度硬度高HRA89-93、耐磨性高；耐熱性高，取決于碳化物(如TiC)的硬度；抗彎強度和韌性抗彎強度低0.9-1.5MPa ，沖擊韌性差，不能承受大的振動和沖擊負荷；隨TiC含量的增加而下降；導熱系數(shù)：隨TiC含量的增加而下降；線膨脹系數(shù)小于高速鋼的線膨脹系數(shù)，隨TiC含量的增加而增加；抗冷焊性：抗冷焊溫度高于高速鋼； 4. 硬質(zhì)合金的選用應(yīng)用：絕大多數(shù)車刀、端銑刀、深孔鉆、鉸刀等部分拉刀、齒輪刀具等復雜刀具切削淬硬鋼等硬材料的刀具各種硬質(zhì)合金應(yīng)用范圍參照表1-

16、6 5. 新型硬質(zhì)合金添加TaC和NbC的硬質(zhì)合金 硬度、高溫硬度、耐磨性提高，但抗彎強度略有降低涂層硬質(zhì)合金在韌性、強度好的硬質(zhì)合金表面涂覆TiC、TiN 或Al2O3，使得刀具既有高硬度和耐磨性的表面，又有強韌的基體。提高切削速度而不降低刀具耐用度細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金添加Cr2O3使晶粒細化，改善耐磨性，提高刀具使用壽命 5. 新型硬質(zhì)合金TiC基和 Ti基硬質(zhì)合金：以TiC為主要成分的TiC-Ni-Mo合金硬度、抗冷焊磨損能力、熱硬性好，但韌性和抗塑性變形能力差主要用于碳素鋼和合金鋼的半精加工和精加工添加稀土元素的硬質(zhì)合金提高合金的韌性、抗彎強度和耐磨性高速鋼基硬質(zhì)合金以TiC和WC

17、作硬質(zhì)相，以高速鋼作粘結(jié)劑，粉末冶金工藝制成性能介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間，具有良好的耐磨性和韌性，大大改善了工藝性，適合制造復雜刀具 1.5.4 超硬刀具材料陶瓷很高的硬度、耐磨性和耐熱性；切削速度比硬質(zhì)合金高25倍；化學穩(wěn)定性高、與金屬的親合力小，抗粘結(jié)和抗擴散的能力好；脆性大、抗彎強度低、沖擊韌性差，易崩刀;金剛石硬度高，耐磨性好，用于加工高硬度、高耐磨的材料；熱穩(wěn)定性差；強度低、脆性大、對振動敏感，宜微量切削；立方氮化硼硬度、熱穩(wěn)定性及耐磨性高，導熱性好，摩擦系數(shù)低，化學惰性大，用于加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等; 本 章 結(jié) 束 哈工大98年研究生入學試題以外圓車刀為例，試述刀具切削

18、刃上選定點的切削平面、基面、正交平面、前角、后角、刃傾角、主偏角的定義及符號畫圖表示o=15、o=6、r =75、r = 15、s = -6的外圓車刀。畫圖說明外圓車刀刀尖高于機床中心，其工作角度oe和后角oe是否發(fā)生變化？如何變化？ 哈工大99年研究生入學試題什么叫材料可加工性？解釋k=V60/(V60)j含義什么是積屑瘤？分析其產(chǎn)生的原因？什么是刀具耐用度？與切削用量的關(guān)系？在保證刀具耐用度的條件下，如何選擇切削用量能最大限度地提高生產(chǎn)率？為什么？制造刃形復雜刀具常用何種刀具材料？為什么？ 形成發(fā)生線的方法發(fā)生線的形成方法成形法：刀具的切削刃與所需要形成的發(fā)生線完全重合 展成法：利用工件和刀具作展成切削運動進行加工軌跡法：利用刀具作一定規(guī)律的軌跡運動對工件加工相切法：利用刀具邊旋轉(zhuǎn) 邊作軌跡運動對 工件進行加工 主運動 進給運動 外圓車刀切削部分組成要素 三個平面參考系 車刀標注角度的參考系(Pp )(Pr )(Ps )(Po )(Pn )(Pf )Pr OOO O O -O 向O-O向正交平面視圖基面視圖切削平面視圖副正交平面視圖外圓車刀正交平面參考系的標注角度PrPrPsPrPs 外圓車刀法平