機(jī)械基礎(chǔ)金屬切削過程的基本知識(shí)

1、第一章金屬切削過程的基本知識(shí)本章主要介紹以下內(nèi)容：1、金屬切削過程的基本概念2、刀具材料課時(shí)分配：1,兩個(gè)學(xué)時(shí)，2,一個(gè)學(xué)時(shí)重點(diǎn)、難點(diǎn)：金屬切削過程的基本概念金屬切削過程的基本概念一、切削表面與切削運(yùn)動(dòng)（見P4-5）（一）切削表面切削加工過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在切削過程中，工件上通常存在著三個(gè)不斷變化的切削表面。即：待加工表面：工件上即將被切除的表面。已加工表面：工件上已切去切削層而形成的新表面。過渡表面（加工表面）:工件上正被刀具切削著的表面，介于已加工表面和待加工表面之間。以車削外圓為例，如下圖。（二）切削運(yùn)動(dòng)刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)（即表面成形運(yùn)動(dòng)）。按作用來分，切削運(yùn)動(dòng)可分為主

2、運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。上圖給出了車刀進(jìn)行普通外圓車削時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)，圖中合成運(yùn)動(dòng)的切削速度V主運(yùn)動(dòng)速度Vc和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度Vf之間的關(guān)系。1、主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)是刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它使刀具的前刀面能夠接近工件，切除工件上的被切削層，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍行迹瑥亩瓿汕行技庸?。一般，主運(yùn)動(dòng)速度最高，消耗功率最大，機(jī)床通常只有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)。例如，車削加工時(shí)，工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是配合主運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)依次連續(xù)不斷地切除多余金屬層的刀具與工件之間的附加相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與主運(yùn)動(dòng)配合即可完成所需的表面幾何形狀的加工，根據(jù)工件表面形狀成形的需要，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是多個(gè)，也可以是一個(gè)；可以是連續(xù)的，也可以是間歇的

3、。3、合成運(yùn)動(dòng)與合成切削速度當(dāng)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，刀具切削刃上某一點(diǎn)相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)稱為合成切削運(yùn)動(dòng)，其大小和方向用合成速度向量Ve表示，見上圖。Ve=VC+Vf二、切削用量三要素與切削層參數(shù)（一）切削用量三要素1、切削速度Vc切削速度Vc是刀具切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)線速度。由于切削刃上各點(diǎn)的切削速度可能是不同，計(jì)算時(shí)常用最大切削速度代表刀具的切削速度。當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)：方贏 TOC o 1-5 h z 1000式中d一切削刃上選定點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑，mm/n主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。2、進(jìn)給速度vf、進(jìn)給量f/進(jìn)給速度Vf一切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速

4、度，mm/s或mm/min.。進(jìn)給量f一刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量，用刀具或工件每轉(zhuǎn)或每行程的位移量來表述，mm/r或mm行程。Vf=nf3、切削深度ap對(duì)于車削和刨削加工來說，切削深度ap（背吃刀量）是在與主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向相垂直的方向上度量的已加工表面與待加工表面之間的距離，單位mm（二）切削層參數(shù)（見P13）在切削過程中，刀具的切削刃在一次走刀中從工件待加工表面切下的金屬層，稱為切削層。切在過渡表面法線方向測(cè)量的切削層尺寸，即相鄰兩過渡表面之切削層公稱厚度間的距離。hD反映了切削刃單位長(zhǎng)度上的切削負(fù)荷。由圖得：hD=fsinkr削hD其中：hD切削層公稱厚度，（mm）;f進(jìn)

5、給量，（mm/r）;kr一車刀主層偏角，（。）。切削層公稱寬度沿過渡表面測(cè)量的切削層尺寸。bD反映了切削刃參加切削的工參bD作長(zhǎng)度。由圖得：bD=ap/sinkr其中：bD一切削層公稱寬度，（mm）。切削層公稱厚度與切削層公稱寬度的乘積。由圖得：數(shù)切削層公稱橫截AD=hD*bD=fsinkr*ap/sinkr=f*ap其中：Ad一切削層公稱橫截面積，面積Ad2(mm)。刀具角度外圓車刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又稱刀頭）由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所組成。其定義分別為：（1）前刀面刀具上與切屑接觸并相互作用的表面（即切屑流過的表面）。主刀后面刀具上與工件

6、過渡表面相對(duì)并相互作用的表面。副刀后面刀具上與已加工表面相對(duì)并相互作用的表面。主切削刃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。（6）刀尖/主切削刃和副切削刃連接處的一段刀刃。它可以是小的直線段或圓弧。具體參見切削運(yùn)動(dòng)與切削表面圖和車刀的組成圖。 等，都可以看作是車刀的演變和組合。其它各類刀具，如刨刀、鉆頭、銃刀（一）刀具標(biāo)注角度參考系（見P8）1、假定運(yùn)動(dòng)條件：用刀具主運(yùn)動(dòng)向量 于主運(yùn)動(dòng)方向的坐標(biāo)平面構(gòu)成參考系。Vc近似代替合成運(yùn)動(dòng)向量 Ve,然后再用平行或垂直2、假定安裝條件：假定刀具的安裝位置恰好使其底

7、面或軸線與參考系的平面平行或垂直。3、刀具標(biāo)注角度參考系諸平面:（見下圖）基面Pr：通過切削刃某一點(diǎn)，垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。/見P7圖。2)切削平面ps：通過切削刃某一點(diǎn),與工件加工表面(或與主切削刃)相切的平面。切削平面主剖面P。：通過切削刃某一點(diǎn)、同時(shí)垂直于切削平面ps與基面pr的平面。見P8圖。法剖面R:通過切削刃某一點(diǎn)，垂直于切削刃的平面。見P8圖。進(jìn)給剖面Pf：通過切削刃某一點(diǎn)，平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面力的平面。背平面Pp：通過切削刃某一點(diǎn)，同時(shí)垂直于進(jìn)給剖面Pf與基面pr的平面。（二）刀具工作角度參考系上述刀具標(biāo)注角度參考系，在定義基面時(shí)，都只考慮主運(yùn)動(dòng)，不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

8、，即在假定運(yùn)動(dòng)條件確定的參考系。但刀具在實(shí)際使用過程中，這樣的參考系所確定的刀具角度，往往不能確切反映切削加工的真實(shí)情況。只有用合成切削方向Ve來確定參考系，才符合切削加工的實(shí)際。P8的圖。/另外，刀具實(shí)際安裝位置也影響工作角度的大小。只有采用刀具工作角度參考系，才能反映切削加工的實(shí)際。刀具工作角度參考系與刀具標(biāo)注角度參考系的唯一區(qū)別是：用合成切削方向Ve取代主運(yùn)動(dòng)切削方向Vc,用實(shí)際進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向取代假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向。（三）刀具的標(biāo)注角度（見P8）刀具的標(biāo)注角度是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具設(shè)計(jì)圖上予以標(biāo)注的角度。刀具的標(biāo)注角度主要有五個(gè)，以車刀為例，表示了幾個(gè)角度的定義。前角”在土首加P

9、0內(nèi)測(cè)量的前刀回與盤面之間的夾角。前角表7K前刀面的傾斜程度，有正、負(fù)和零值之分，其符號(hào)規(guī)定如圖所示。后角ao在土剖面P0內(nèi)測(cè)里的主后刀卸與切削1面之間的夾角。后角表小主后刀回的傾斜程度，一般為正值。主偏角Kr在基面內(nèi)測(cè)量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角。主偏角3為正值。_/副偏角Kr在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角。副偏角一為正值。/刃傾角入s在切削平面內(nèi)測(cè)量的主切削刃與基面之間的夾角。當(dāng)主切削刃呈水平時(shí)，入s=0；刀尖為主切削刃最低點(diǎn)時(shí)，入s0；刀尖為主切削刃上最高點(diǎn)是，入s0,如圖示。/車刀的主要角度（四）刀具的工作角度（見P11-13）在實(shí)際的切削

10、加工中，由于刀具安裝位置和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響，上述標(biāo)注角度會(huì)發(fā)生一定的變化。角度變化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改變。以切削過程中實(shí)際的切削平面Ps、基面Pr和主剖面P0為參考平面所確定的刀具角度稱為刀具的工作角度又稱實(shí)際角度。1、刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響以車刀車外圓為例，若不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，/當(dāng)?shù)都獍惭b得高于或低于工件軸線時(shí)，將引起工作前角丫oe和工作后角aoe的變化，如下圖示。（見P12）刀尖高于L件軸線尖低于儀軸線車刀安裝高度對(duì)工作角度的影響當(dāng)車刀刀桿的縱向軸線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)，將會(huì)引起工作主偏角Kre和工作副偏角Kre的變化，如下圖示。（見P13）沙-切削時(shí)刀杼縱向軸線的

11、偏轉(zhuǎn)箱2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響車削時(shí)由于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的存在，使車外圓及車螺紋的加工表面實(shí)際上是一個(gè)螺旋面，如下圖示。（見P12圖車端面或切斷時(shí)，加工表面是阿基米德螺旋面，如下圖示。因此，實(shí)際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個(gè)附加的螺旋升角（1,使車刀的工作前角丫oe增大，工作后角aoe減小。一般車削時(shí)，進(jìn)給量比工作直徑小很多，故螺旋升角W很小，它對(duì)車刀工作角度影響不大，可忽略不計(jì)。但在車端面、切斷和車外圓進(jìn)給量（或加工螺紋的導(dǎo)程）較大，則應(yīng)考慮螺旋升角的影響。（見P11圖橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響刀具的種類、材料與選用一、刀具種類（一）刀具分類由于機(jī)械零件的材質(zhì)、形狀、技術(shù)要求和加工工藝的多樣性,

12、、客觀上要求進(jìn)行加工的刀具具有不同的結(jié)構(gòu)和切削性能。因此，生產(chǎn)中所使用的刀具的種類很多。刀具常按加工方式和具體用途，分為車刀、孔加工刀具、銃刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動(dòng)線及數(shù)控機(jī)床刀具和磨具等幾大類型。刀具還可以按其它方式進(jìn)行分類，如按所用材料分為高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN刀具和金剛石刀具等；按結(jié)構(gòu)分為整體刀具、鑲片刀具、機(jī)夾刀具和復(fù)合刀具等；按是否標(biāo)準(zhǔn)化分為標(biāo)準(zhǔn)刀具和非標(biāo)準(zhǔn)刀具等。（二）常用刀具簡(jiǎn)介.車刀車刀是金屬切削加工中應(yīng)用最廣的一種刀具。它可以在車床上加工外圓、端平面、螺紋、內(nèi)孔，也可用于切槽和切斷等。車刀在結(jié)構(gòu)上可分為整體車刀、焊接裝配式車刀和機(jī)械夾

13、固刀片的車刀。機(jī)械夾固刀片的車刀又可分為機(jī)床車刀和可轉(zhuǎn)位車刀。機(jī)械夾固車刀的切削性能穩(wěn)定，工人不必磨刀，所以在現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用越來越多。.孔加工刀具孔加工刀具一般可分為兩大類：一類是從實(shí)體材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花鉆、中心鉆和深孔鉆等；另一類是對(duì)工件上已有孔進(jìn)行再加工的刀具，常用的有擴(kuò)孔鉆、錢刀及鑲刀等。例如，下圖示標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆的結(jié)構(gòu)。工作部分（刀體）的前端為切削部分，承擔(dān)主要的切削工作，后端為導(dǎo)向部分，起引導(dǎo)鉆頭的作用，也是切削部分的后備部分。.銃刀銃刀是一種應(yīng)用廣泛的多刃回轉(zhuǎn)刀具，其種類很多。按用途分有：1）加工平面用的，如圓柱平面銃刀、端銃刀等；2）加工溝槽用的，如立銃刀、T形

14、刀和角度銃刀等；/3）加工成形表面用的，如凸半圓和凹半圓銃刀和加工其它復(fù)雜成形表面用的銃刀。銃削的生產(chǎn)率一般較高，加工表面粗糙度值較大。.拉刀/拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具，廣泛應(yīng)用于大批量生產(chǎn)中，可加工各種內(nèi)、外表面。拉刀按所加工工件表面的不同，可分為各種內(nèi)拉刀和外拉刀兩類。使用拉刀加工時(shí)，除了要根據(jù)工件材料選擇刀齒的前角、后角，根據(jù)工件加工表面的尺寸（如圓孔直徑）確定拉刀尺寸外，還需要確定兩個(gè)參數(shù):（1）齒升角af即前后兩刀齒（或齒組）的半徑或高度之差;（2）齒距p即相鄰兩刀齒之間的軸向距離。 TOC o 1-5 h z .螺紋刀具/螺紋可用切削法和滾壓法進(jìn)行加工。.齒輪

15、刀具/齒輪刀具是用于加工齒輪齒形的刀具。按刀具的工作原理，齒輪分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具。常用的成形齒輪刀具有盤形齒輪銃刀和指形齒輪刀具等。常用的展成齒輪刀具有插齒刀、齒輪滾刀和剃齒刀等。選用齒輪滾刀和插齒刀時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）刀具基本參數(shù)（模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)等）應(yīng)與被加工齒輪相同。（2）刀具精度等級(jí)應(yīng)與被加工齒輪要求的精度等級(jí)相當(dāng)。（3）刀具旋向應(yīng)盡可能與被加工齒輪的旋向相同。滾切直齒輪時(shí)，一般用左旋齒刀。7.自動(dòng)線與數(shù)控機(jī)床刀具這類刀具的切削部分總的來說與一般刀具沒有多大區(qū)別不同情況，只是為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)線加工的特點(diǎn)，對(duì)它們提出了更高的要求。二、刀具材料刀具切削性能的

16、好壞，取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、幾何形狀和刀具結(jié)構(gòu)。刀具材料對(duì)刀具使用壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本等都有很大影響，因此要重視刀具材料的正確選擇與和合理使用。（一）刀具材料應(yīng)具備的性能（見P14）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HRC6”上；耐磨性表示抵抗磨損的能力,它取決于組織中硬質(zhì)點(diǎn)的硬度、數(shù)量和分布。2、足夠的強(qiáng)度和韌性為了承受切削中的壓力沖擊和韌性，避免崩刀和折斷，刀具材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。3、高耐熱性刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性得能力。4、良好的工藝性/為了便于制造，要求刀具材料有較好的可加工性。如，切削加工性、鑄造性、鍛造性和

17、熱處理性等。5、良好的經(jīng)濟(jì)性（二）常用的刀具材料目前，生產(chǎn)中所用的刀具材料以高速鋼和硬質(zhì)合金居多。碳素工具鋼（如T10A、T12A）、工具鋼（如9SiCr、CrWMn因耐熱性差，僅用于一些手工或切削速度較低的刀具。高速鋼定義：是一種加入較多的鴇、銘、鈕等合金元素的高合金工具鋼。性能：有較高的熱穩(wěn)定性；有較高的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性；制造工藝簡(jiǎn)單，容易磨成鋒利的切削刃，可鍛造。是制造鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等的主要材料。分類：按用途分：通用型高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝分：熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。1）通用型高速鋼鴇鋼：典型牌號(hào)為W18Cr4V,有良好的綜合性能，可以制造各種復(fù)雜刀

18、具。鴇鋁鋼：典型牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2,可做尺寸較小、承受沖擊力較大的刀具；熱塑性特別好，更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性好，目前各國(guó)廣泛應(yīng)用。2）高性能高速鋼典型牌號(hào)為高碳高速鋼9W18Cr4V、高銳高速鋼W6MoCr4V3、鉆高速鋼W6MoCr4V2Co8和超硬高速鋼W2Mo9Cr4Co8等。適合于加工高溫合金、鈦合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。3）粉末冶金高速鋼用高壓僦氣或氮?dú)忪F化熔融的高速鋼水，直接得到細(xì)小的高速鋼粉末，高溫下壓制成致密的鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形狀。適合于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀、插齒刀）、精密刀具、磨加工量大的復(fù)雜刀具、高動(dòng)載荷下使用的刀具等。

19、2、硬質(zhì)合金/由難熔金屬化合物（如WCTiC）和金屬粘結(jié)劑（Co）經(jīng)粉末冶金法制成。/硬質(zhì)合金以其切削性能優(yōu)良被廣泛用作刀具材料（約占50%。如大多數(shù)的車刀、端銃刀以至深孔鉆、錢刀、拉刀、齒輪刀具等。具有高耐磨性和高耐熱性，但抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差，很少用于制造整體刀具。它還可用于高速鋼刀具不能切削的淬硬鋼等硬材料。ISO將切削用的硬質(zhì)合金分為三類：（各種牌號(hào)的應(yīng)用范圍見p16表）YG（K）類，即WC-C讀硬質(zhì)合金YT（P）類，即WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金YW（M/，即WC-TiC-TaC-Co類硬質(zhì)合金（三）其它刀具材料涂層刀具陶瓷：硬度高、耐用度高，還可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工，切削效率顯著提高。金剛石立方氮化硼/三、刀具選用.刀具種類的選擇/刀具種類主要根據(jù)被加工表面的形狀、尺寸、