金屬切削原理與刀具設(shè)計(jì)第1章

1、金屬切削原理與刀具設(shè)計(jì)金屬切削原理與刀具設(shè)計(jì)（40學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 主講主講 尚曉峰尚曉峰一、本課性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課一、本課性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課二、本課主要任務(wù)（三點(diǎn)）二、本課主要任務(wù)（三點(diǎn)）1. 掌握金屬切削過(guò)程一般現(xiàn)象和基本規(guī)律；掌握金屬切削過(guò)程一般現(xiàn)象和基本規(guī)律；2. 初步掌握金屬切削實(shí)驗(yàn)研究的基本方法和技能；初步掌握金屬切削實(shí)驗(yàn)研究的基本方法和技能；3. 初步了解本學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)和成就。初步了解本學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)和成就。三、金屬切削在機(jī)械制造中的重要作用三、金屬切削在機(jī)械制造中的重要作用1. 機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展必然影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展；機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展必然影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展；2. 切削加工在切削加工在21

2、世紀(jì)仍將占機(jī)械加工量的世紀(jì)仍將占機(jī)械加工量的90%；3. 機(jī)械制造自動(dòng)化和精密加工發(fā)展。機(jī)械制造自動(dòng)化和精密加工發(fā)展。四、本課結(jié)構(gòu)四、本課結(jié)構(gòu)金屬切削加工工藝系統(tǒng)機(jī)床夾具刀具工件金屬切削原理與刀具機(jī)械制造工藝金屬切削機(jī)床刀具角度及合理角度的選擇刀具材料刀具磨損、破損與使用壽命金屬切削變形切削力切削熱和切削溫度切削液各種切削刀具工件材料的切削加工性已加工表面質(zhì)量磨削五、金屬切削發(fā)展簡(jiǎn)況五、金屬切削發(fā)展簡(jiǎn)況3萬(wàn)年前，原始人類發(fā)明萬(wàn)年前，原始人類發(fā)明了琢鉆和磨制技術(shù)了琢鉆和磨制技術(shù)1668年年 畜力銑磨機(jī)和腳踏刃磨機(jī)畜力銑磨機(jī)和腳踏刃磨機(jī)2200年前，秦始皇時(shí)代年前，秦始皇時(shí)代已經(jīng)有了磨削加工已經(jīng)有

3、了磨削加工1915年，國(guó)產(chǎn)第年，國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)車床一臺(tái)車床新中國(guó)成立，切削加新中國(guó)成立，切削加工技術(shù)飛速發(fā)展工技術(shù)飛速發(fā)展21世紀(jì)，切削加工技術(shù)逐世紀(jì)，切削加工技術(shù)逐步接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平步接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平第一章基本定義第一章基本定義概述概述金屬切削加工金屬切削加工: 是用切削刀具將坯料或工件是用切削刀具將坯料或工件 上的多余材料切除，以獲得所要求的尺上的多余材料切除，以獲得所要求的尺寸、形狀、位置精度和表面質(zhì)量的加工寸、形狀、位置精度和表面質(zhì)量的加工方法。方法。分為分為鉗工鉗工和和機(jī)械加工機(jī)械加工兩部分兩部分我們著重研究機(jī)械加工過(guò)程的現(xiàn)象和規(guī)律我們著重研究機(jī)械加工過(guò)程的現(xiàn)象和規(guī)律1-1 切削運(yùn)動(dòng)、加

4、工表面和切削用量三要素切削運(yùn)動(dòng)、加工表面和切削用量三要素金屬切削加工工藝系統(tǒng)金屬切削加工工藝系統(tǒng) 由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成由機(jī)床、夾具、刀具和工件組成一、車削運(yùn)動(dòng)時(shí)工件上的加工表面一、車削運(yùn)動(dòng)時(shí)工件上的加工表面切削過(guò)程中工件上常存在三個(gè)表面：切削過(guò)程中工件上常存在三個(gè)表面：u待加工表面：即將被切除的工件表面；待加工表面：即將被切除的工件表面；u已加工表面：已經(jīng)被切除的工件表面；已加工表面：已經(jīng)被切除的工件表面；u過(guò)渡表面（切削表面）：正在形成。過(guò)渡表面（切削表面）：正在形成。進(jìn)給進(jìn)給運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)待加工表面待加工表面過(guò)渡表面過(guò)渡表面已加工表面已加工表面車削外圓時(shí)的加工表面車削外圓時(shí)的

5、加工表面車削外圓時(shí)的加工表面車削外圓時(shí)的加工表面車削內(nèi)孔時(shí)的加工表面車削內(nèi)孔時(shí)的加工表面二、主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和合成切削運(yùn)動(dòng)二、主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和合成切削運(yùn)動(dòng)工作運(yùn)動(dòng)工作運(yùn)動(dòng)： 機(jī)床為實(shí)現(xiàn)切削加工所必須具有的機(jī)床為實(shí)現(xiàn)切削加工所必須具有的加工工具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。加工工具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 包括：包括：主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)和和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng) ： 是指在切削加工中形成機(jī)床切削速度是指在切削加工中形成機(jī)床切削速度或消耗主要?jiǎng)恿Φ墓ぷ鬟\(yùn)動(dòng)。或消耗主要?jiǎng)恿Φ墓ぷ鬟\(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)： 在切削中，使工件的多余材料不斷被在切削中，使工件的多余材料不斷被切除的工作運(yùn)動(dòng)。切除的工作運(yùn)動(dòng)。合成切削運(yùn)動(dòng)

6、合成切削運(yùn)動(dòng)：主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)向量和。：主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)向量和。切削刃選定點(diǎn)切削刃選定點(diǎn)：切削刃各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況一不定相同，研：切削刃各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況一不定相同，研究問(wèn)題時(shí)選取切削刃上某一適宜點(diǎn)。究問(wèn)題時(shí)選取切削刃上某一適宜點(diǎn)。主運(yùn)動(dòng)方向主運(yùn)動(dòng)方向 ： 切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)主運(yùn)切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)主運(yùn)動(dòng)方向。動(dòng)方向。切削速度切削速度 vc： 切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)的切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。瞬時(shí)速度。進(jìn)給動(dòng)方向進(jìn)給動(dòng)方向 ： 切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)進(jìn)給切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的瞬時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向。運(yùn)動(dòng)方向。進(jìn)給速度進(jìn)給速度 vf： 切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給

7、運(yùn)動(dòng)切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。的瞬時(shí)速度。主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和合成切削運(yùn)動(dòng)示意圖主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和合成切削運(yùn)動(dòng)示意圖切削運(yùn)動(dòng)與切削表面示意圖切削運(yùn)動(dòng)與切削表面示意圖主運(yùn)動(dòng)；主運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)a) 車外圓面車外圓面b) 磨外圓面磨外圓面 各種切削加工的工作運(yùn)動(dòng)各種切削加工的工作運(yùn)動(dòng)c) 鉆孔鉆孔d) 車床上鏜孔車床上鏜孔e) 刨平面刨平面f ) 銑平面銑平面 g) 車成形面車成形面 h) 銑成形面銑成形面從上圖為各種切削加工的工作運(yùn)動(dòng)從上圖為各種切削加工的工作運(yùn)動(dòng)可以看出：可以看出：主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可有幾個(gè)。主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可有幾個(gè)。 工作運(yùn)動(dòng)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

8、也有直線運(yùn)動(dòng)工作運(yùn)動(dòng)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也有直線運(yùn)動(dòng); 有連續(xù)運(yùn)動(dòng)也有間歇運(yùn)動(dòng)。有連續(xù)運(yùn)動(dòng)也有間歇運(yùn)動(dòng)。 工作運(yùn)動(dòng)可由刀具或工件分別完成工作運(yùn)動(dòng)可由刀具或工件分別完成 或單獨(dú)完成。或單獨(dú)完成。三、切削用量三要素三、切削用量三要素 切削用量是指：切削用量是指： vc 、f、apmin)/(1000)/(601000mndvsmndvwcwcpp=或(1)切削速度切削速度vc:指在單位時(shí)間內(nèi)工件和刀具沿主指在單位時(shí)間內(nèi)工件和刀具沿主 運(yùn)動(dòng)方向的位移運(yùn)動(dòng)方向的位移 單位單位: m/s 或或 m/min 車削等回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：車削等回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：(2)進(jìn)給量進(jìn)給量 f: 指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時(shí)指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時(shí),

9、兩者兩者 沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移 單位單位: mm/rmm/z)r/min)mm/min);/(60/60/每齒進(jìn)給量（刀具的齒數(shù)；刀具每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（或進(jìn)給速度=zfzffZnsmmvZnffnv(3)切削深度切削深度ap :指待加工表面與已加工表面指待加工表面與已加工表面 的垂直距離（單位的垂直距離（單位mm）。）。2a2apmpmwddd=鉆孔是：車外圓時(shí)：。已加工表面的直徑（mm)md稱為切削用量三要素。、pcafv1-2刀具切削部分基本定義刀具切削部分基本定義 雖然刀具種類繁多，形狀各異，但其雖然刀具種類繁多，形狀各異，但其切削部分的結(jié)構(gòu)要素和幾何角度都有許

10、多切削部分的結(jié)構(gòu)要素和幾何角度都有許多共同特征，如下圖所示。各種形狀復(fù)雜的共同特征，如下圖所示。各種形狀復(fù)雜的刀具，就其中的一個(gè)刀齒而言，都可看作刀具，就其中的一個(gè)刀齒而言，都可看作一把車刀。一把車刀。 下面就以車刀為例，分析切削部分的下面就以車刀為例，分析切削部分的構(gòu)成和標(biāo)注角度。構(gòu)成和標(biāo)注角度。刀具的切削部分刀具的切削部分分析車刀角度，主要從以下三個(gè)方面入手：分析車刀角度，主要從以下三個(gè)方面入手：l車刀切削部分組成車刀切削部分組成l車刀的標(biāo)注角度及其選擇車刀的標(biāo)注角度及其選擇l車刀的工作角度車刀的工作角度1、車刀切削部分構(gòu)成、車刀切削部分構(gòu)成 車刀切削部分一般由三個(gè)刀面、兩個(gè)車刀切削部分一

11、般由三個(gè)刀面、兩個(gè)切削刃和一個(gè)刀尖組成。切削刃和一個(gè)刀尖組成。前面前面主后面主后面副后面副后面主切削主切削刃刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖刀桿刀桿刀頭刀頭外圓車刀切削部分的組成外圓車刀切削部分的組成過(guò)渡刃過(guò)渡刃連接主、副切削刃的一小段圓弧連接主、副切削刃的一小段圓弧常用刀尖的三種形狀常用刀尖的三種形狀2、車刀標(biāo)注角度及其選擇、車刀標(biāo)注角度及其選擇、刀具標(biāo)注角度參考系、刀具標(biāo)注角度參考系 為了確定車刀的空間位置，以便設(shè)計(jì)、為了確定車刀的空間位置，以便設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量，必須建立車刀標(biāo)注角制造、刃磨和測(cè)量，必須建立車刀標(biāo)注角度參考系。度參考系。假定：假定：a）刀尖恰在工件中心線上）刀尖恰在工件中心

12、線上; b）刀具軸線與工件軸線垂直）刀具軸線與工件軸線垂直; c）忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)f 的影響。的影響。 基平面基平面 pr : 通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與主運(yùn)動(dòng)通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與主運(yùn)動(dòng) 方向垂直的平面。方向垂直的平面。切削平面切削平面 ps :通過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，與通過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，與切削刃相切并垂直基面的平面。切削刃相切并垂直基面的平面。主剖面主剖面 po : 通過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)主切削刃上選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。垂直于基面和切削平面的平面。 pr- ps- po組成一個(gè)正交平面參考系組成一個(gè)正交平面參考系(是是目前最常用的刀具標(biāo)注角度參目前最常用的刀具標(biāo)注

13、角度參考系，此外還有法剖面參考系考系，此外還有法剖面參考系等）。等）?；婊鍼r假定主運(yùn)動(dòng)方向假定主運(yùn)動(dòng)方向主切削主切削刃上選刃上選定點(diǎn)定點(diǎn)刀柄底面平面刀柄底面平面基平面基平面 pr的定義的定義主剖面主剖面Po： Ps P基面基面P： PVc 刀具安裝面（車刀）刀具安裝面（車刀）切削平面切削平面 Ps: 與與 S相切相切 且且 P假定主運(yùn)動(dòng)方向假定主運(yùn)動(dòng)方向Vc1.主剖面參考系（主剖面參考系（Pr-Ps-Po)主切削主切削刃上選刃上選定點(diǎn)定點(diǎn)法剖面法剖面Pn：PnS基面基面P： PVc 刀具安裝面（車刀）刀具安裝面（車刀）切削平面切削平面 Ps: 與與 S相切相切 且且 P假定主運(yùn)動(dòng)方向假定

14、主運(yùn)動(dòng)方向Vc2.法剖面參考系（法剖面參考系（ Pr-Ps-Pn ）90主切削主切削刃上選刃上選定點(diǎn)定點(diǎn)進(jìn)給剖面進(jìn)給剖面Pf ： Pf Pr 、f基面基面P： PVc 刀具安裝面（車刀）刀具安裝面（車刀）切削平面切削平面 Ps: 與與 S相切相切 且且 P假定主運(yùn)動(dòng)方向假定主運(yùn)動(dòng)方向Vc假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向f切深平面切深平面Pp ： Pr 、 Pf 3.進(jìn)給、切深剖面參考系進(jìn)給、切深剖面參考系（ Pr-Pf-Pp ）主切削主切削刃上選刃上選定點(diǎn)定點(diǎn)、刀具的標(biāo)注角度（也稱靜止角度）、刀具的標(biāo)注角度（也稱靜止角度） 定義：在刀具標(biāo)注角度參考系內(nèi)定義的切削定義：在刀具標(biāo)注角度參考系內(nèi)定義

15、的切削刃與各刀面的方位角度，是制造和刃刃與各刀面的方位角度，是制造和刃磨刀具的依據(jù)，其主要標(biāo)注角度如下磨刀具的依據(jù)，其主要標(biāo)注角度如下:在主剖面在主剖面Po內(nèi)測(cè)量的角度：內(nèi)測(cè)量的角度： 前角前角o o 、后角、后角o 和楔角和楔角o在基面在基面Pr內(nèi)測(cè)量的角度：內(nèi)測(cè)量的角度： 主偏角主偏角r、副偏角、副偏角r和刀尖角和刀尖角r在切削平面在切削平面Ps內(nèi)測(cè)量的角度：刃傾角內(nèi)測(cè)量的角度：刃傾角srooorrsoosprp車刀的標(biāo)注角度車刀的標(biāo)注角度刀具角度正、負(fù)號(hào)判定如圖中所示。刀具角度正、負(fù)號(hào)判定如圖中所示。主剖面主剖面基面基面KK副剖面副剖面 從上圖可以看出，一把單刃刀具在主剖面從上圖可以看出

16、，一把單刃刀具在主剖面參考系內(nèi)共定義參考系內(nèi)共定義 了了6個(gè)角度個(gè)角度 、 、 、 、 和和 四個(gè)角度是獨(dú)立的。當(dāng)給定刃傾角和主偏四個(gè)角度是獨(dú)立的。當(dāng)給定刃傾角和主偏角，主切削刃在空間的方位便被確定；再進(jìn)一角，主切削刃在空間的方位便被確定；再進(jìn)一步給定前角和后角，相交于主切削刃的前刀面步給定前角和后角，相交于主切削刃的前刀面和后刀面也隨之確定。和后刀面也隨之確定。所以，對(duì)于一把有兩條切削刃的普通車刀，只所以，對(duì)于一把有兩條切削刃的普通車刀，只要給定六個(gè)獨(dú)立的角度：要給定六個(gè)獨(dú)立的角度：這把車刀切削部分的幾何形狀便被確定了。這把車刀切削部分的幾何形狀便被確定了。oosrooosrror 刀具角度

17、的一面二角分析法刀具角度的一面二角分析法 表示空間任意一個(gè)平面方位的定向角度只有表示空間任意一個(gè)平面方位的定向角度只有兩個(gè)，所以用一面二角分析法確定刀具切削部?jī)蓚€(gè)，所以用一面二角分析法確定刀具切削部分需要標(biāo)注的獨(dú)立角度數(shù)量。即刀具需要標(biāo)注分需要標(biāo)注的獨(dú)立角度數(shù)量。即刀具需要標(biāo)注的獨(dú)立角度數(shù)量是刀面數(shù)量的二倍。例如，直的獨(dú)立角度數(shù)量是刀面數(shù)量的二倍。例如，直頭外圓車刀頭外圓車刀，3個(gè)刀面?zhèn)€刀面2=6個(gè)角度：個(gè)角度：oosrro前刀面定向角前刀面定向角后刀面定向角后刀面定向角副后刀面定向角副后刀面定向角45彎頭車刀，彎頭車刀，4個(gè)刀面?zhèn)€刀面2=8個(gè)角度：個(gè)角度：oosrro主切削刃主切削刃12前刀

18、面定向角前刀面定向角主切削刃主切削刃12后刀面定向角后刀面定向角副切削刃副切削刃23后刀面定向角后刀面定向角副切削刃副切削刃14后刀面定向角后刀面定向角ro切斷刀，兩把端面車刀組合切斷刀，兩把端面車刀組合4個(gè)刀面?zhèn)€刀面2=8個(gè)角度：個(gè)角度：oosLrLrLoL前刀面定向角前刀面定向角后刀面定向角后刀面定向角左副后刀面定向角左副后刀面定向角右副后刀面定向角右副后刀面定向角rRoR法剖面參考系標(biāo)注角度法剖面參考系標(biāo)注角度只以只以Pn剖面代替剖面代替Po剖面剖面只需定義只需定義Pn面內(nèi)的標(biāo)注角度即可。面內(nèi)的標(biāo)注角度即可。 刀具標(biāo)注角度換算刀具標(biāo)注角度換算 主剖面和法剖面內(nèi)角度換算主剖面和法剖面內(nèi)角度

19、換算tgn=tgo coss n octg n=ctg o coss n o 車刀工作角度車刀工作角度、刀具工作角度參考系、刀具工作角度參考系 刀具安裝位置、切削合成運(yùn)動(dòng)方向的刀具安裝位置、切削合成運(yùn)動(dòng)方向的變化，都會(huì)引起刀具工作角度的變化。因變化，都會(huì)引起刀具工作角度的變化。因此研究切削過(guò)程中的刀具角度，必須以刀此研究切削過(guò)程中的刀具角度，必須以刀具與工件的相對(duì)位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)建具與工件的相對(duì)位置、相對(duì)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)建立參考系，這種參考系稱為工作參考系。立參考系，這種參考系稱為工作參考系。用工作參考系定義的刀具角度稱為工作角用工作參考系定義的刀具角度稱為工作角度。度。工作基平面工作基平面工作

20、切削平面工作切削平面工作正交平面工作正交平面組成一個(gè)工作正交組成一個(gè)工作正交平面參考系：平面參考系：repsepoeserepppoep刀具安裝對(duì)工作角度的影響刀具安裝對(duì)工作角度的影響 刀柄偏斜影響工刀柄偏斜影響工作主、副偏角作主、副偏角 切削刃高低影響切削刃高低影響工作前、后角工作前、后角進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不平行工件旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不平行工件旋轉(zhuǎn)軸線 1-3切削層幾何參數(shù)切削層幾何參數(shù)切削層切削層在各種切削加工中，刀具相對(duì)在各種切削加工中，刀具相對(duì)于工件沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向每移動(dòng)于工件沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向每移動(dòng) f 后，由一個(gè)刀后，由一個(gè)刀齒正在切削的金屬層。齒正在切削的金屬層。切削層形狀、尺寸直接影響著切削過(guò)程的切削層形狀、尺寸直接影響著切削過(guò)程的變形、刀具承受的負(fù)荷以及刀具的磨損。變形、刀具承受的負(fù)荷以及刀具的磨損。切削層尺寸稱為幾何參數(shù)，切削層尺寸稱為幾何參數(shù)，通常在垂直切削速度的平面內(nèi)觀察和度量，通常在垂直切削速度的平面內(nèi)觀察和度量，即