《機械制造工藝與設(shè)備》圖文-第1章

1.1金屬切削基本知識1.2金屬切削過程1.3刀具磨損與刀具壽命1.4切削條件的合理選擇1.5金屬切削機床的基本知識目錄1.1.1切削運動與切削用量1.切削運動切削時，工件與刀具的相對運動稱為切削運動。各種切削加工的切削運動如圖所示。各種切削加工的切削運動Ⅰ—主運動；Ⅱ—進給運動1.1金屬切削基礎(chǔ)知識1.主運動主運動是進行切削的最基本運動，它的速度最快，消耗功率最大。在切削運動中，主運動只有一個，如車削時工件的旋轉(zhuǎn)運動、銑削時銑刀的旋轉(zhuǎn)運動。切削運動2.進給運動進給運動是使主運動能連續(xù)切除多余材料，從而加工出完整表面所需的運動。它所消耗的功率比主運動小。進給運動有一個或幾個，可以是間歇的，也可以是連續(xù)的，如車削時車刀的縱向或橫向直線運動、平面刨削時工件的間歇運動。工件加工表面2.工件加工表面

分為：已加工表面、待加工表面和切削表面已加工表面工件上已切除材料后形成的新表面稱為已加工表面。它隨切削的進行而逐漸擴大。待加工表面工件上即將被切除的表面稱為待加工表面。它隨切削的進行而逐漸減小，直至全部切除。切削表面工件上正在被切削的表面稱為切削表面（也稱為過渡表面）。它處于已加工表面和待加工表面之間，在切削中不斷變化。

3.切削用量切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量（切削深度）三個要素，如圖所示。車削時的切削用量

1）切削速度切削速度vc是切削刃上選定點相對于工件主運動的瞬時速度，單位為m/s。它是主運動的參數(shù)。若主運動是旋轉(zhuǎn)運動（如車削、銑削），則切削速度vc的計算公式為：式中，d為完成主運動的工件或刀具的最大直徑（mm）；n為工件或刀具每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）。若主運動是往復(fù)直線運動（如刨削），常用平均速度v作為切削速度，則式中，L為往復(fù)直線運動的行程長度（mm）；nr為主運動每分鐘的往復(fù)次數(shù)（次/分鐘）。

2）進給量進給量f是刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，可用刀具或工件每轉(zhuǎn)或每行程的位移量來描述。車削外圓時的進給量為工件每轉(zhuǎn)一周，刀具沿進給運動方向所移動的距離，單位為mm／r；刨削時的進給量為刀具每往復(fù)一次，工件沿進給運動方向所移動的距離，單位為毫米／次。進給速度vf是指在單位時間內(nèi)，刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，單位為mm/min。它與進給量的關(guān)系為

vf=fn

3）背吃刀量（切削深度）工件已加工表面和待加工表面之間的垂直距離，稱為背吃刀量，用ap表示，單位為mm。車外圓時背吃刀量ap為：式中，dw為工件上待加工表面的直徑（mm）；dm為工件上已加工表面的直徑（mm）。

1.1.2刀具角度1.車刀的組成車刀的組成車刀的組成前刀面切屑流出時所經(jīng)過的刀面稱為前刀面。刀尖主切削刃與副切削刃的交點稱為刀尖。多數(shù)刀具刀尖常磨成一小段圓弧刃或折線刃。后刀面與工件切削表面相對的刀面稱為后刀面。副后刀面與工件已加工表面相對的刀面稱為副后刀面。副切削刃前刀面與副后刀面的交線稱為副切削刃。主切削刃前刀面與后刀面的交線稱為主切削刃。

正交平面參考系刀具以靜止參考系定義的角度稱為刀具的靜止角度，即標(biāo)注角度。在我國應(yīng)用最廣泛的是正交平面參考系，它由相互垂直的基面Pr、切削平面Ps、正交平面Po三個坐標(biāo)平面構(gòu)成，如圖所示。2.刀具標(biāo)注角度參考系基面通過主切削刃上選定點，垂直于切削速度方向的平面稱為基面，用符號Pr表示。切削平面通過主切削刃上選定點與主切削刃相切，并垂直于基面的平面稱為切削平面，用符號Ps表示正交平面通過主切削刃上選定點并同時垂直于基面和切削平面的平面稱為正交平面，用符號Po表示。

3.刀具標(biāo)注角度外圓車刀的標(biāo)注角度在基面內(nèi)測量的角度有主偏角

r、副偏角

r′和刀尖角

r。（1）主偏角

r。主切削刃與進給方向之間的夾角稱為主偏角。（2）副偏角

r′。副切削刃與進給方向的相反方向之間的夾角稱為副偏角。（3）刀尖角

r

。主切削刃與副切削刃之間的夾角稱為刀尖角。它與主偏角和副偏角的關(guān)系為

r=180°-

r-

r′2）切削平面內(nèi)測量的角度在切削平面內(nèi)測量的角度有刃傾角λs。刃傾角λs是指主切削刃與基面之間的夾角。當(dāng)?shù)都馕挥谥髑邢魅猩献罡唿c時，刃傾角為正；當(dāng)?shù)都馕挥谥髑邢魅猩献畹忘c時，刃傾角為負；當(dāng)主切削刃平行于基面時，刃傾角為零。3）正交平面內(nèi)測量的角度在正交平面內(nèi)測量的角度有前角γo、后角αo和楔角βo。（1）前角γo。前刀面與基面之間的夾角稱為前角。當(dāng)前刀面與基面平行時，前角為零；當(dāng)前刀面在基面之下時，前角為正；當(dāng)前刀面在基面之上時，前角為負。（2）后角αo。后刀面與切削平面之間的夾角稱為后角。后角也有正負之分，但是在切削過程中，后角一般取正值。（3）楔角βo。前刀面與后刀面之間的夾角稱為楔角。它與前角和后角的關(guān)系為βo=90°－(γo+αo)4）副正交平面內(nèi)測量的角度在副正交平面內(nèi)測量的角度有副后角αo′

。副后角αo′

是指副后刀面與副切削平面之間的夾角。上述標(biāo)注角度中，最常用的是主偏角、副偏角、前角、后角、刃傾角和副后角，它們被稱為刀具的基本角度。只需給出這六個基本角度，就可以確定刀具切削部分的刀面和切削刃的空間位置，從而反映出刀具的切削特點。足夠的強度和韌性高的硬度高的耐磨性高的耐熱性良好的工藝性123451.1.3刀具材料1.刀具材料應(yīng)具備的性能

表1-1常用刀具材料的性能、牌號及用途2.刀具材料的種類、性能及用途常用刀具材料的性能、牌號及用途見表1-1。1）碳素工具鋼和合金工具鋼碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼。其淬火后硬度較高，價廉，但耐熱性差，在超過200～250℃時，硬度明顯下降。2）高速鋼高速鋼是含有較多鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）等元素的高合金工具鋼。它的耐熱性較碳素工具鋼和一般合金工具鋼有顯著提高，允許的切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼高兩倍以上。高速鋼具有較高的耐磨性、強度和韌性，制造工藝簡單，鍛造、熱處理變形小，可用來制造各類刀具，尤其可用來制造鉆頭、拉刀、成形刀具、齒輪刀具等復(fù)雜刀具和能承受較大沖擊載荷的刀具。3）硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)和金屬黏結(jié)劑(Co、Ni、Mo等)在高溫條件下燒結(jié)而成的粉末冶金材料，具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性的特點。1.2.1切削變形1.切屑的形成過程切屑形成過程經(jīng)歷了以下三個階段：1.2金屬切削過程1切削層金屬受到刀具的擠壓開始產(chǎn)生彈性變形。2隨著刀具的推進，應(yīng)力、應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達到刀具材料屈服強度時產(chǎn)生塑性變形。3刀具再繼續(xù)切入，當(dāng)應(yīng)力達到刀具材料的抗拉強度時，金屬層被擠裂而形成切屑。2.切削過程的變形區(qū)金屬切削過程可大致劃分為三個變形區(qū)，即第Ⅰ變形區(qū)、第Ⅱ變形區(qū)和第Ⅲ變形區(qū)，如圖所示。金屬切削過程的三個變形區(qū)3.切屑的類型切屑的類型、特點及產(chǎn)生原因見教材表1-2。表1-2切屑的類型、特點及產(chǎn)生原因

4.切屑與刀具前刀面的摩擦與積屑瘤在高溫和高壓的作用下，滯流層會嵌入凹凸不平的刀具前刀面中，形成全面積接觸，使阻力增大，滯流層底層的流動速度趨于零，此時產(chǎn)生黏結(jié)現(xiàn)象。滯流層的一部分金屬就會黏結(jié)在切削刃附近，經(jīng)過不斷地沉積便形成一小塊硬度很高的金屬硬塊，這個硬塊稱為積屑瘤。1）積屑瘤對加工過程的影響（1）保護刀具（2）增大刀具前角（3）影響工件尺寸精度和表面質(zhì)量積屑瘤對加工過程的影響模具加工方法控制積屑瘤的措施1.適當(dāng)提高工件材料的硬度，降低工件材料的塑性。2.選用低速或高速切削，避免在中速切削加工。3.選用潤滑性好的切削液。4.適當(dāng)增大刀具前角，提高刀具的刃磨質(zhì)量，減小刀具前刀面的表面粗糙度。

1.2.2切削力與切削功率1.切削力的分力車外圓時切削力的分解1）切削力計算的經(jīng)驗公式切削力與各分力之間的關(guān)系為2.切削力和切削功率的計算2）切削功率工件材料工件材料的強度、硬度越高，塑性、韌性越好，越難切削，切削力越大。切削用量當(dāng)背吃刀量和進給量增大時，切屑粗壯，切下金屬增多，使切屑變形抗力和摩擦力增大，故切削力增大。刀具角度刀具前角對切削力的影響最大，刀具前角越大，切屑越易于從前刀面流出，使得排屑越順暢，被切材料所受擠壓變形和摩擦減小，切削力減小。主偏角對切削力的影響較小，對進給力和背向力的影響較大。其他因素使用切削液可降低刀具與切屑和工件表面間的摩擦，因而可降低切削力；刀具磨損可使切削力增大。刀具材料不同時，刀具與切屑間的摩擦狀態(tài)不同，也會影響切削力的大小。1.切削熱的產(chǎn)生和傳散切削過程中所消耗的能量有98%左右都轉(zhuǎn)化為熱能。切削熱分別產(chǎn)生于三個切削變形區(qū)，即剪切、滑移所產(chǎn)生的熱，切屑與刀具前刀面間擠壓和摩擦所產(chǎn)生的熱，刀具后刀面與工件已加工表面間摩擦產(chǎn)生的熱。2.切削溫度對切削加工的影響切削過程中，雖然傳入刀具的切削熱只占很小一部分，但由于刀具切削部分體積很小，溫度容易升高，致使刀具材料軟化，切削性能降低，加速刀具的磨損，進而影響加工質(zhì)量，縮短刀具壽命。同時，傳入工件的切削熱會導(dǎo)致工件受熱伸長和膨脹，影響加工精度。過高的切削溫度還會使工件表層金相組織發(fā)生變化，造成退火燒傷現(xiàn)象。對于細長軸、薄壁套和精密零件的加工，由切削熱引起的熱變形尤為嚴重。3.減少切削熱和降低切削溫度的工藝措施減少切削熱和降低切削溫度的工藝措施如下：1在保證切削刃強度的前提下，適當(dāng)增大刀具前角，這樣可以減少切削層金屬的切削變形，使切屑易于從刀具前刀面流出，使被切層材料所受擠壓變形和摩擦減小，以減少切削熱的產(chǎn)生。2降低切削速度，增大進給量和背吃刀量，使切削溫度降低。因為切削速度對切削溫度的影響最大，進給量的影響次之，背吃刀量的影響最小。3采用冷卻效果好的切削液，以便帶走更多的熱量，使切削溫度降低。1.3.1刀具磨損的形式及原因刀具磨損形式分為正常磨損和非正常磨損兩種。1.正常磨損可分為前刀面磨損、后刀面磨損及邊界磨損三種形式。2.非正常磨損非正常磨損也稱為破壞，如崩刃、裂紋、碎裂、卷刃等。刀具的正常磨損后刀面的磨損帶1.3刀具磨損與刀具壽命1.3.2刀具的磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.刀具的磨損過程刀具的磨損過程一般分為三個階段，即初期磨損階段（OA段）、正常磨損階段（AB段）和急劇磨損階段（BC段）。

刀具的磨損過程2.刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度就不能再繼續(xù)使用，這個磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)定，以1/2背吃刀量處的后刀面上測定的磨損量VB作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。加工條件不同，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所變化。對于粗加工，為了充分利用正常磨損階段的磨損量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，減少換刀次數(shù)，使刀具的切削時間達到最大，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取較大值；對于精加工，為了保證零件的加工精度及其表面質(zhì)量，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取較小值。

1.3.3刀具壽命刀具壽命也稱為刀具耐用度，是指刃磨后的刀具自開始切削到磨損量達到刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)過的切削時間，用符號T表示，單位為s（或min）。刀具壽命T與切削用量三要素之間的關(guān)系可由下面的經(jīng)驗公式確定，即

1.4.1工件材料1.衡量工件材料切削加工性的指標(biāo)目前，一般以切削正火狀態(tài)的45鋼作為基準(zhǔn)，其他工件材料與其比較，用相對切削加工指標(biāo)表示，即若>1，則該工件材料比45鋼容易切削。值越大，切削加工性越好。若<1，則該工件材料比45鋼難切削。常用工件材料的相對切削加工性見教材表1-3。1.4切削條件的合理選擇

2.改善工件材料切削加工性的基本方法1）選擇合理的熱處理工序2）選切削加工性好的工件材料3）調(diào)整化學(xué)成分4）其他方法1.4.2刀具幾何參數(shù)1.前角的選擇1）前角的功用增大前角，可使切削刃鋒利，減少切削變形和摩擦，從而減少切削力，提高刀具壽命，還可以抑制積屑瘤的產(chǎn)生，改善加工質(zhì)量。但前角過大，會削弱切削刃的強度和散熱情況，甚至造成崩刃。1當(dāng)工件材料的強度、硬度大時，為增加切削刃刃口強度，應(yīng)選擇較小的前角；當(dāng)工件材料的塑性大時，為減小變形，應(yīng)選擇較大的前角；當(dāng)工件材料的脆性大時，工件變形小，切削力集中，應(yīng)選擇較小的前角。2當(dāng)?shù)毒卟牧系膹姸?、韌性較高時，可選擇較大的前角。3粗加工時，為增加切削刃的強度，宜選擇較小的前角；精加工時，為增加切削刃的鋒利性，宜選擇較大的前角。2）前角的選擇原則2.后角的選擇1）后角的功用增大后角能減小刀具后刀面與工件切削表面之間的摩擦，還可使切削刃刃口鋒利。但后角過大，使得楔角減小，切削刃刃口強度減小，散熱體積減小。2）后角的選擇原則（1）當(dāng)需要提高刀具刃口強度時，應(yīng)適當(dāng)減小后角。（2）粗加工、強力切削及承受沖擊載荷的刀具，為增加刀具強度，后角應(yīng)取小些；精加工時，因切削深度及進給量較小，增大后角可提高刀具壽命和已加工表面的質(zhì)量。1當(dāng)機械加工工藝系統(tǒng)剛性好，不易產(chǎn)生變形和振動時，主偏角可取小值；當(dāng)機械加工工藝系統(tǒng)剛性差，主偏角宜取大值。2粗加工時，為減小振動，一般選擇較大的主偏角。3加工很硬的工件材料，為提高刀具壽命，應(yīng)選擇較小的主偏角。副偏角的主要作用是減少副切削刃與已加工表面的摩擦，減少切削振動。3.主偏角、副偏角的選擇1）主偏角的功用主偏角主要影響切削層截面的形狀，影響背向力和刀具壽命。2）主偏角的選擇原則

4.刃傾角的選擇刃傾角主要影響切屑的流向和刀具的強度。

刃傾角對切屑流向的影響粗加工時，以提高生產(chǎn)效率為主，應(yīng)保證較高的金屬切除率和必要的刀具壽命，一般優(yōu)先選擇大的背吃刀量，其次選擇較大的進給量，最后根據(jù)刀具壽命，確定合適的切削速度。生產(chǎn)效率刀具壽命表面粗糙度好的導(dǎo)熱性和小的膨脹系數(shù)1.4.3切削用量1.切削用量對切削加工的影響切削速度的合理選擇粗加工時，切削速度vc選的較小；精加工時，切削速度vc選的較大。工件材料強度、硬度較高時，應(yīng)選較小的切削速度vc

；在斷續(xù)切削和加工大件、細長件、薄壁件時，應(yīng)選用較低的切削速度vc

。進給量的合理選擇粗加工時，進給量f的選擇主要受切削力的限制。半精加工和精加工時，進給量f對工件的已加工表面粗糙度的影響較大，因此，其一般取得較小。背吃刀量的合理選擇背吃刀量根據(jù)加工余量確定。2.切削用量的確定冷卻作用切削液澆注在切削區(qū)后，能從切削區(qū)帶走大量的切削熱，使切削溫度降低。潤滑作用切削液滲入刀具、切屑和工件之間，形成潤滑膜，可以減小刀具與切屑、刀具與工件切削表面之間的摩擦。清洗、排屑澆注切削液能沖走在切削過程中留下的細屑或磨粒，從而起到清洗、防止刮傷加工表面的作用。防銹作用如果在切削液中加入防銹添加劑，可使金屬表面生成保護膜，防止機床和工件受空氣、水分、酸等的腐蝕。1.4.4切削液1.切削液的作用工件材料切削鋼等塑性材料需用切削液；切削鑄鐵、青銅等脆性材料可不用切削液；切削高強度鋼、高溫合金等難切削材料時，應(yīng)選用極壓切削油或極壓乳化液切削銅、鋁及其合金時，不能使用含硫的切削液。刀具高速鋼刀具耐熱性差，一般應(yīng)采用切削液；硬質(zhì)合金刀具耐熱性好，一般不用切削液，若要使用，必須連續(xù)充分地供應(yīng)，否則將導(dǎo)致刀片產(chǎn)生裂紋。加工方法當(dāng)進行鉆孔、鉸孔、攻螺紋、拉削等加工時，宜采用乳化液、極壓切削油、極壓乳化液，并充分澆注；成形刀具、齒輪刀具等價格昂貴，刃磨困難，宜采用極壓切削油、硫化切削油等；對于磨削加工，因其加工時溫度很高，且會產(chǎn)生大量的細屑及脫落的磨粒，容易堵塞砂輪和使工件燒傷，所以要選用冷卻作用好、清洗能力強的切削液，常采用低濃度乳化液。3.切削液的選用1.5.1機床的分類及型號編制1.機床的分類1）按加工性質(zhì)和使用刀具分共可分為12大類，即車床、鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工機床、銑床、刨插床、拉床、特種加工機床、鋸床、其他機床。1.5金屬切削機床的基本知識2）按萬能程度分機床按萬能程度可分為通用機床、專門化機床和專用機床。3）按加工精度分機床按加工精度可分為普通機床、精密機床和高精度機床。4）按自動化程度分機床按自動化程度可分為手動機床、機動機床、半自動機床和自動機床。5）按質(zhì)量和尺寸分機床按質(zhì)量和尺寸可分為儀表機床、中型機床、大型機床（重10t以上）、重型機床（重30t以上）和超重型機床（重100t以上）。6）按主軸或刀具數(shù)目分機床按主軸或刀具數(shù)目可分為單軸機床、多軸機床和多刀機床等。2.機床型號的編制方法機床型號是機床產(chǎn)品的代號，是用來表明機床的類型、通用特性、結(jié)構(gòu)特性及主要技術(shù)參數(shù)等的。

3.機床型號實例

1）MG1432AM——磨床類，G——高精度，1——外圓磨床組，4——萬能外圓磨床系，32——最大磨削直徑為320

mm，A——第一次重大改進。

2）CA6140×1000C——車床類，A——結(jié)構(gòu)特性代號，6——落地及臥式車床組，1—