機械制造工程學(xué)(卓越)第一章-金屬切削的基本要素

機械制造工程學(xué)教師:季國順Thursday,October12,2023第一章金屬切削的基本要素1.1工件表面的形成方法和成形運動1.2加工表面和切削用量三要素1.3刀具角度1.4切削層參數(shù)1.5刀具材料1.1工件表面的形成方法和成形運動1.1.1工件的加工表面及其形成方法1.被加工表面的形狀零件的形狀是由各種基本表面圍成的，表面成形原理是切削加工方法設(shè)計的基礎(chǔ)。典型的基本表面有：平面、圓柱面、圓錐面、球面、圓環(huán)面及螺旋面等。如圖1-1所示。2.工件表面的形成方法一般的基本表面都是可以看作是一條母線沿著一條導(dǎo)線運動形成的，母線和導(dǎo)線統(tǒng)稱形成表面的發(fā)生線。如圖1-2所示，圖中1是母線，2是導(dǎo)線。注意：母線和導(dǎo)線相同的情況下，母線和導(dǎo)線之間的相對位置關(guān)系不同，生成的面也會不相同。3.發(fā)生線的形成方法及所需的運動刀具的切削刃與工件之間的相對運動得到發(fā)生線。形成發(fā)生線的方法可以歸納為四種：軌跡法刀具作一定規(guī)律的軌跡運動，對工件表面加工。成形法成形刀具對工件表面加工。相切法刀具邊旋轉(zhuǎn)邊作沿軌跡的運動切削加工工件表面。展成法刀具和工件相互之間作展成切削運動的加工方法。1.1.2表面的成形運動表面的成形運動是保證得到工件要求的表面形狀的運動。具體指母線和導(dǎo)線的成形運動是屬于1.1.1中介紹的四種運動中的哪一種方法。如圖1-5所示，車刀車削外圓時的成形運動，形成導(dǎo)線和母線的方法都是軌跡法。工件的旋轉(zhuǎn)運動B1產(chǎn)生母線，刀具的縱向直線運動A2產(chǎn)生導(dǎo)線，車削外圓共計有兩個成形運動。圖1-5車刀車削外圓時的成形運動1.成形運動的種類簡單成形運動：直線運動A，旋轉(zhuǎn)運動B復(fù)合成形運動：由簡單成形運動復(fù)合形成。注意：復(fù)合成形運動的各部分之間必須保持嚴(yán)格的相對運動關(guān)系，是互相依存的而不是獨立的。簡單運動之間是互相獨立的，沒有嚴(yán)格的相對運動關(guān)系。簡單運動是可以單獨運行，而不會相互影響的運動。注意判別簡單運動與復(fù)合運動。圖1-7齒條刀具加工齒輪成形運動圖1-6加工螺紋的成形運動圖1-6是加工螺紋的成形運動，由旋轉(zhuǎn)運動B11和直線運動A12組成。圖1-7是齒條刀具加工齒輪時的成形運動，由工件的旋轉(zhuǎn)運動B11和刀具的直線運動A12組成。注意：復(fù)合成形運動下標(biāo)第一個數(shù)字表示復(fù)合成形運動的序號，第二個數(shù)字表示在一個復(fù)合成形運動中的簡單運動的序號。例1-1普通車刀車削外圓的成形運動，如圖1-5所示。母線：圓，軌跡法形成，需要一個成形運動B1導(dǎo)線：直線，軌跡法形成，需要一個成形運動A2表面成形運動2個，簡單成形運動例1-2成形車刀車削回轉(zhuǎn)面，如圖1-8a所示。母線：曲線刀刃，不需要成形運動導(dǎo)線：圓，軌跡法形成，需要一個成形運動B1表面成形運動總數(shù)1，是簡單成形運動例1-3螺紋車刀車削外圓的成形運動，如圖1-8b所示。母線：車刀刀刃與螺紋軸向剖面輪廓一致，不需要成形運動導(dǎo)線：螺旋線，軌跡法形成，需要一個由工件回轉(zhuǎn)B11和刀具直線運動A12簡單成形運動，組成的復(fù)合成形運動。例1-4齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪齒面，如圖1-8c所示。母線：漸開線，展成法，1個復(fù)合成形運動，滾刀旋轉(zhuǎn)B11和工件旋轉(zhuǎn)B12導(dǎo)線：直線，相切法形成，滾刀的旋轉(zhuǎn)運動和滾刀沿工件軸的直線運動A2。兩個成形運動，一個復(fù)合成形運動B11B12，一個簡單成形運動A2例1-5螺旋槽銑刀銑削加工螺桿，如圖1-8d所示。母線：空間曲線，銑刀刀齒回轉(zhuǎn)面與螺旋槽面相切形成，分解為：刀盤的回轉(zhuǎn)運動B1和銑刀軸線沿螺桿軸線的螺旋復(fù)合運動B21A22導(dǎo)線：螺旋線，由螺旋復(fù)合運動B21A22形成，與母線形成運動的一部分重合。圖1-8形成所需表面的成形運動2.主運動、進(jìn)給運動和合成切削運動各種切削加工中的成形運動，按照它們在切削加工過程中所起的作用，可以分為主運動和進(jìn)給運動兩種，兩種運動的向量和為合成切削運動。所有切削運動的速度及方向都是相對于工件定義的。主運動：刀具與工件之間的主要相對運動，使刀具的切削部分切入工件材料，使被切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行迹纬晒ぜ卤砻?。進(jìn)給運動：使切削加工持續(xù)不斷地進(jìn)行。合成運動：主運動和進(jìn)給運動的合成。圖1-9車刀相對于工件的運動圖1-10平面銑削相對于工件的運動1.2加工表面和切削用量三要素1.2.1切削過程中工件的加工表面圖1-11外圓車削運動和加工表面1.2.2切削用量三要素切削速度、進(jìn)給量、和切削深度稱為切削用量三要素。1.切削速度主運動為回轉(zhuǎn)運動，切削速度計算公式為：m/s或m/min(1-1)式中d為工件或刀具上某一點的回轉(zhuǎn)直徑，mm；n為工件或刀具的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。2.進(jìn)給速度、進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量mm/s或mm/min(1-2)3.切削深度mm(1-3)外圓車削切削深度鉆削切削深度mm(1-4)1.3刀具角度1.3.1刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素前刀面加工時，切屑流經(jīng)的表面。后刀面與主切削刃毗鄰，且與工件過渡表面相對的刀具表面。副后刀面與副切削刃毗鄰，且與工件已加工表面相對的刀具表面。切削刃前刀面上直接進(jìn)行切削的邊鋒。有主切削刃和副切削刃。刀尖主、副切削刃相銜接處很短的一段切削刃，通常也稱為過渡刃。有點刀尖、圓弧刀尖和倒角刀尖三種。圖1-12車刀切削部分結(jié)構(gòu)要素1.3.2刀具角度的參考坐標(biāo)系刀具切削部分必須具有合理的幾何形狀，才能保證切削加工順利進(jìn)行和獲得預(yù)期的加工質(zhì)量。刀具切削部分的幾何形狀主要由一些刀面和刀刃的方位角度表示。為了確定刀具的這些角度，必須將刀具置于相應(yīng)的參考坐標(biāo)系中。參考坐標(biāo)系可分為刀具標(biāo)注角度參考坐標(biāo)系和刀具工作角度參考坐標(biāo)系，前者由主運動方向確定，后者則由合成切削運動方向確定。歸結(jié)起來：“三面兩刃一尖”前刀面Ar后刀面Aα副后刀面Aα’交線交線主切削刃s副切削刃s’刀尖連接部分一、刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素前提條件：

不考慮進(jìn)給運動；車刀刀尖與工件中心等高；刀桿中心線與進(jìn)給方向垂直；刀具的安裝面與基面平行；1.刀具標(biāo)注角度參考坐標(biāo)系構(gòu)成刀具標(biāo)注角度的參考坐標(biāo)系的參考平面有：基面、切削平面、主剖面、切削刃法剖面、進(jìn)給剖面和切深剖面基面

通過切削刃上選定點，垂直于主運動方向的平面。通?；鎽?yīng)平行于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線。切削平面通過切削刃上選定點，與切削刃相切并垂直于基面的平面。也就是切削刃與切削速度方向構(gòu)成的平面。主剖面通過切削刃上選定點，同時垂直于基面和切削平面的平面。由基面、切削平面和主剖面構(gòu)成正交主剖面參考坐標(biāo)系。這是生產(chǎn)中最常用的刀具標(biāo)注角度參考坐標(biāo)系。切削刃法剖面通過切削刃上選定點，垂直于切削刃的平面。由基面、切削平面和切削刃法剖面構(gòu)成法剖面參考坐標(biāo)系。進(jìn)給剖面通過切削刃上選定點，平行于進(jìn)給運動方向并垂直于基面的平面。通常進(jìn)給剖面也平行于或垂直于刀具上制造、刃磨和測量時的某一安裝定位平面或軸線?；?、進(jìn)給剖面和切深剖面構(gòu)成進(jìn)給-切深剖面參考坐標(biāo)系切深剖面通過切削刃上選定點，同時垂直于基面和進(jìn)給剖面的平面。1.刀具工作角度參考坐標(biāo)系在刀具標(biāo)注角度參考坐標(biāo)系里面，定義基面時，只考慮了主運動而沒有考慮進(jìn)給運動。刀具實際使用時，刀具標(biāo)注角度參考坐標(biāo)系往往不能反映切削加工的實際情況，只有使用合成切削速度來確定參考坐標(biāo)系才能夠符合實際情況。以合成速度方向確定基面而確定的參考坐標(biāo)系稱為刀具標(biāo)注角度參考坐標(biāo)系。注意：刀具工作角度參考系同標(biāo)注角度參考系的唯一區(qū)別是構(gòu)造參考系時，前者以合成切削方向為依據(jù)，后者以主運動方向為依據(jù)。參考坐標(biāo)系參考平面符號定義與說明工作主剖面參考坐標(biāo)系工作基面垂直于合成切削運動方向的平面工作切削平面與切削刃相切并垂直于工作基面工作主剖面同時垂直于工作基面和工作切削平面的平面工作法剖面參考坐標(biāo)系工作基面垂直于合成切削運動方向的平面工作切削平面與切削刃相切并垂直于工作基面切削刃法剖面垂直于切削刃的平面，同于工作坐標(biāo)系中切削刃法剖面工作進(jìn)給-切深剖面參考坐標(biāo)系工作基面垂直于合成切削運動方向的平面工作進(jìn)給剖面主運動方向與進(jìn)給運動方向確定的平面工作切深剖面同時垂直于工作基面與工作進(jìn)給剖面表1-1刀具工作角度參考坐標(biāo)系1.3.3刀具標(biāo)注角度在刀具標(biāo)注角度參考系中確定的切削刃與各刀面的方位角度，稱為刀具標(biāo)注角度。由于刀具角度的參考系沿切削刃各點可能是變化的，故所定義的刀具角度均應(yīng)指明是切削刃選定點處的角度；凡未特殊注明者，則指切削刃上與刀尖毗鄰的那一點的角度。在切削刃是曲線或者前、后刀面是曲面的情況下，定義刀具角度時，應(yīng)該用通過切削刃選定點的切線或切平面代替曲刃或曲面。①前角：在主剖面內(nèi)度量的基面與前刀面的夾角。②后角：在主剖面內(nèi)度量的后刀面與切削平面的夾角。③楔角：在主剖面內(nèi)度量的后刀面與前刀面的夾角。1.主剖面參考坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)注角度(1-5)在主剖面內(nèi)標(biāo)注角度刃傾角

:在切削平面內(nèi)度量的主切削刃與基面的夾角。主偏角在基面內(nèi)度量的切削平面

與進(jìn)給平面的夾角。它也是主切削刃在基面上投影與進(jìn)給運動方向的夾角。在切削平面內(nèi)標(biāo)注角度在基面內(nèi)標(biāo)注角度刀尖角在基面內(nèi)度量的切削平面和副切削平面的夾角。也可以定義為刀尖角是主切削刃和副切削刃在基面上投影的夾角。在主剖面參考系里，已經(jīng)定義了5個角度：、、、、和，其中是派生角度，前四個角度是獨立的。給定刃傾角和主偏角后，主切削刃在空間的方位就被唯一確定。再進(jìn)一步確定前角和后角

，前刀面和后刀面也唯一確定。對于一把只有一條切削刃的刀具，若給定這四個獨立的角度(亦稱為四個基本角度)，那么這把單刃刀具的切削部分的幾何形狀便被確定。對具有主切削刃

和副切削刃

的刀具，還得結(jié)定與副切削刃有關(guān)的四個獨立角度：副偏角、副刃傾角

、副前角。和副后角，這把車刀切削部分的幾何形狀才能確定。如果副切削刃和主削刃

共在一個已知的平面上，同時兩切削刃上的選定點同一高度(以刀具底面為測量基準(zhǔn))，在這樣的前提下，這兩個選定點的基面和，便重合為一。這時，只要給定，則副切削刃在空間的方位便被確定。2.法剖面參考坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)注角度法剖面參考坐標(biāo)系和主剖面的參考坐標(biāo)系的差別只在于剖面的不同。以法剖面

代替主剖面，主剖面參考系便變?yōu)榉ㄆ拭鎱⒖枷?。因此只有法剖面的?biāo)注角度和主劇面的標(biāo)注角度不相同，其余角度是對應(yīng)相同的。所以只要定義法剖面的標(biāo)注角度。法前角：在法剖面內(nèi)度量的前刀面與基面的夾角。法后角：在法剖面內(nèi)度量的切副平面與后刀面的夾角。法楔角

：在法剖面內(nèi)測量的前刀面與后刀面的夾角。3.進(jìn)給-切深剖面參考坐標(biāo)系內(nèi)標(biāo)注角度(1-6)進(jìn)給剖面內(nèi)的標(biāo)注角度有進(jìn)給前角、進(jìn)給后角和進(jìn)給楔角；切深剖面內(nèi)有切深前角、切深后角和切深楔角。1.3.4刀具角度換算在設(shè)計和制造刀具時，需要對不同的參考坐標(biāo)系內(nèi)的刀具角度進(jìn)行換算，也就是將主剖面、法剖面、切深剖面、進(jìn)給剖面之間的角度進(jìn)行換算。1.3.5刀具工作角度刀具標(biāo)注角度是在假定運動條件和假定安裝條件下得到的，如果考慮合成切削運動和實際安裝條件，則刀具角度的參考坐標(biāo)系將發(fā)生變化，因而刀具角度也將產(chǎn)生變化，即刀具的實際角度不等于標(biāo)注角度。按照實際工作情況，在刀具工作角度參考坐標(biāo)系中所確定的角度稱為刀具工作角度。通常，進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于主運動速度，所以在一般安裝條件下，刀具的工作角度近似等于標(biāo)注角度。只有在進(jìn)給運動引起刀具角度值變化較大時，如車螺紋、鏟背和鉆孔時才計算工作角度。1.進(jìn)給運動對刀具角度的影響2.切削刃上選定點安裝高度對刀具工作角度的影響。3.刀具中心線與進(jìn)給方向不垂直對刀具角度的影響。1.4切削層參數(shù)車刀正在切削著的這一層金屬叫做切削層，切削層的大小和形狀決定了車刀切削部分所承受的負(fù)荷大小及切屑的形狀和尺寸。不管切屑的形狀如何，其底邊尺寸總是，高總是，因此，切削用量的兩個要素和

又稱為切削層的工藝尺寸。不論何種切削加工，真正能夠說明切削機理的是切削層的真實厚度和寬度。圖1-16外圓縱車切削層參數(shù)切削厚度切削寬度切削面積金屬去除率1.切削層在各種切削加工中，刀具相對于工件沿進(jìn)給方向每移動或之后，一個刀齒正在切削的金屬層稱為切削層。一般在基面內(nèi)，度量切削層的剖面形狀和尺寸。2.切削厚度垂直于過渡表面度量的切削層尺寸，稱為切削厚度，在外圓縱車時，3.切削寬度沿過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削寬度，以，外圓縱車時4.切削面積切削層在基面內(nèi)的面積，稱為切削面積，以表示。對于車削來說，不論切削刃形狀如何，切削面積均為：4.金屬去除率刀具在單位時間內(nèi)，從工件材料切除的金屬的體積，是衡量金屬切削加工效率的指標(biāo)。1.5刀具材料刀具切削性能的優(yōu)劣，取決于構(gòu)成切削部分的材料、幾何形狀和刀具結(jié)構(gòu)，其中刀具材料是首要的，它對刀具使用壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本影響極大。1.5.1刀具材料應(yīng)具備的基本性能硬度

刀具材料必須具有高于工件材料的硬度，常溫硬度須在HRC62以上，并要求保持較高的高溫硬度。耐磨性表示刀具抵抗磨損的能力，它是刀具材料機械性能（力學(xué)性能)、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能的綜合反映。組織中硬質(zhì)點的硬度、數(shù)量、大小和分布對抗磨料磨損的能力有很大影響，而抗冷焊磨損(冷焊磨損即過去有些書上所稱的粘結(jié)磨損、抗擴散磨損和抗氧化磨損的能力還與刀具材料的化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)。強度和韌性

一般，強度用抗彎強度表示，韌性用沖擊值表示。刀具材料中強度高者，韌性也較好，但硬度和耐磨性常因此而下降，這兩個方面的性能是互相矛盾的。耐熱性

刀具材料應(yīng)在高溫下保持較高的硬度、耐磨性、強度和韌性，并有良好的抗擴散、抗氧化的能力。導(dǎo)熱性和膨脹系數(shù)刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)越大，則由刀具傳出的熱量越多，有利于降低切削溫度和提高刀具使用壽命。線膨脹系數(shù)小，則可減少刀具的熱變形。工藝性要求刀具材料有較好的可加工性，包括鍛、軋、焊接、切削加工和可磨削性、熱處理特性等。材料的高溫塑性對熱軋刀具十分重要。刀具材料種類很多，常用的有工具鋼(包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼)、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石(天然和人造)和立方氮化硼等。碳素工具鋼(如T10A、T12A)和合金工具鋼(如9CrSi、CrWMn)，因其耐熱性很差，僅用于手工工具。陶瓷、金剛石和立方氮化硼則由于性質(zhì)脆、工藝性差及價格昂貴等原因，目前尚只在較小的范圍內(nèi)使用。當(dāng)今，用得最多的刀具材料為高速鋼和硬質(zhì)合金。

1.5.2高速鋼高速鋼是加入了鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素的高合金工具鋼。1.鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素是強烈的碳化物形成元素，在熔煉與熱處理過程中與碳形成了高硬度的碳化物，從而提高了鋼的耐磨性。高速鋼性能優(yōu)于一般工具鋼的原因2.高速銅采用了接近熔點的淬火溫度，得到細(xì)晶粒的合金化的馬氏體組織，它在低溫回火(約560℃)時又使合金碳化物析出，從而進(jìn)一步提高了硬度與耐磨性。高速鋼特點1高速鋼600度以上時，其硬度下降而失去切削性能。2高速鋼最大優(yōu)點是強度、韌性和工藝性好。3價格便宜4廣泛用于制造復(fù)雜刀具和小型刀具制造。目前，高速鋼占刀具材料總使用量的60％以上。高速鋼分類化學(xué)成分分：鎢系、鎢鉬系和鉬鎢系按切削性能分，則有普通高速鋼和高性能高速鋼按制造方法分，則有熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼常用普通高速鋼1.W18Cr4V

屬鎢系高速鋼。它的歷史悠久，至今尚在普遍使用。其綜合機械（力學(xué)）性能和可磨削性好，可用以制造包括復(fù)雜刀具在內(nèi)的各類刀具2.W6Mo5Cr4V2

屬鎢鋁系高速鋼；其碳化物分布的均勻性、韌性和高溫塑性均超過W18Cr4V，但是，可磨性比W18Cr4V略差，切削性能則大致相同。國外由于資源關(guān)系，已淘汰所謂傳謂傳統(tǒng)高速鋼W18Cr4V而以W6Mo5Cr4V2代替。這一鋼種目前我國主要用于熱軋刀具（如麻花鉆），也可用于制作大尺寸刀具。3.W14Cr4VMn-RE

這種高速鋼有較大的塑性，可作熱軋刀具用。此鋼種中含鎢量較W18Cr4V少，而含有少量的錳及稀土元素RE，其切削性能相當(dāng)于W18Cr4V。4.W9Mo3Cr