金属切削与原理.

职业教育机电类技能人才培养规划教材数控技术应用专业系列金属切削原理与刀具人民邮电出版社1.1切削运动及形成的表面1.1.1切削运动在金属切削加工过程中，工具与工件之间必须有相对运动，这种相对运动称为切削运动，如图1.1所示。1．主运动是形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。2．进给运动是使工件多余的材料不断被去除的工作运动。第一章刀具基本定义第一章刀具基本定义图1.1常见机械加工方法的切削运动第一章刀具基本定义3．合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动。1.1.2工件上的加工表面1．待加工表面工件上有待切除的表面。2．已加工表面工件上经刀具切削后形成的表面。3．过渡表面工件上被切削刃正在切削着的表面，它总是处在待加工表面与已加工表面之间，也称切削表面或加工表面。第一章刀具基本定义图1.2切削运动与加工表面第一章刀具基本定义1.2刀具切削部分的几何角度1.2.1刀具切削部分的组成普通外圆车刀的构造如图1.3所示。1．三面三面即前刀面、主后刀面和副后刀面。（1）前刀面Ar。是指刀具上切屑流过的表面。（2）主后刀面Aa。是指与工件上过渡表面相对的表面。（3）副后刀面。是指与工件上已加工表面相对的表面。2．二刃第一章刀具基本定义（1）主切削刃S。主切削刃是指前刀面与后刀面的交线，又称主刀刃。它完成主要的切削工作。（2）副切削刃S。副切削刃是指前刀面与副后刀面的交线，又称副刀刃。它配合主切削刃完成切削工作，最终形成工件的已加工表面。3．一尖一尖即刀尖，是指主、副切削刃的交点。在实际应用中，通常刀尖用短直线或圆弧取代，介于主、副切削刃之间，这段切削刃称为过渡刃。如图1.4所示，刀尖有3种不同的类型：锐刀尖、修圆刀尖和倒角刀尖。第一章刀具基本定义图1.3车刀的组成图1.4刀尖形状第一章刀具基本定义1.2.2刀具静止角度的参考系和刀具的标注角度1．刀具静止角度参考系要确定刀具切削部分各个表面和刀刃在空间的位置，就需要人为地建立平面参考系，用来定义刀具设计、制造、刃磨和测量的几何参数，由于这些参数都是在非切削状态下进行的，故其所在的平面参考系称为静止参考系，如图1.5所示。静止参考系由以下平面组成。（1）基面Pr。基面是指通过切削刃上的选定点并垂直于假定主运动方向的平面。第一章刀具基本定义（2）切削平面Ps切削平面是指通过切削刃上的选定点，与该切削刃相切并垂直于基面的平面。因刀具的切削刃有主切削刃和副切削刃之分，所以切削平面也分为主切削平面和副切削平面。（3）正交平面Po正交平面是指通过主切削刃上的选定点并同时垂直于基面和主切削平面的平面。此外，通过副切削刃上的选定点并同时垂直于基面和副切削平面的平面，称为副切削刃的正交平面，即副正交平面。第一章刀具基本定义图1.5刀具的静止参考系第一章刀具基本定义2．刀具的标注角度刀具的几何角度分为标注角度和工作角度。标注角度是指在刀具图样上标注的角度，是在刀具角度的参考系中确定的；工作角度是指按照切削工作的实际情况而确定的角度。普通车刀的6个主要标注角度是指前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角和副后角。它们是在正交平面参考系中的标注角度，如图1.6所示。正交平面参考系是由基面Pr、切削平面Ps、正交平面Po组成的空间直角坐标系第一章刀具基本定义在正交平面内测量的角度如下。（1）前角0。是指前刀面与基面之间的夹角，前角有正、负和零度之分：若基面在前刀面之上为正值，称为正前角；若基面在前刀面之下为负值，称为负前角；若基面与前刀面重合为零度前角。（2）后角0。是指主后刀面与切削平面之间的夹角。后角也有正、负和零度之分：当后刀面与切削平面重合时为零度后角；当后刀面与基面之间的夹角小于90°时，后角为正值；当后刀面与基面之间的夹角大于90°时，后角为负值。在基面内测量的角度如下。第一章刀具基本定义（3）主偏角r。是指主切削刃在基面上的投影与假定进给方向之间的夹角。（4）副偏角r。是指副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向之间的夹角。在主切削平面内测量的角度如下。（5）刃倾角s。是指主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角有正、负和零度之分：当刀尖处于主切削刃上最高点时为正值；当刀尖处于主切削刃上最低点时为负值；当主切削刃与基面重合时为零度刃倾角。在副正交平面内测量的角度如下。（6）副后角。是指副后刀面与副切削平面之间的夹角。第一章刀具基本定义图1.6车刀的主要标注角度第一章刀具基本定义1.2.3刀具工作角度的参考系和刀具的工作角度1．刀具工作角度参考系平面刀具工作参考系与基准平面，是依据合成切削运动方向来确定的，如图1.7所示。（1）工作基面Pre。是指通过切削刃上的选定点并与合成切削速度方向相垂直的平面。（2）工作切削平面Pse。是指通过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。（3）工作正交平面Poe。是指通过切削刃上的选定点并同时与工作基面和工作切削平面相垂直的平面。第一章刀具基本定义图1.7刀具工作参考系平面第一章刀具基本定义2．进给运动对工作角度的影响以车外圆为例，如图1.8所示。车削时工件作旋转主运动，车刀作纵向进给运动，由这两个运动的合成运动所形成的加工表面实际上是阿基米德螺旋面。合成运动方向相对于主运动方向转动了一个螺旋升角，因此工作基面Pre和工作切削平面Pse都要倾斜一个螺旋升角，致使车刀工作时的工作前角0e增大了一个角，工作后角0e减小一个角。所以在车削大导程的丝杠或多头螺纹时，要将车刀的左侧刃后角磨大些，右侧刃后角磨小些（如车右旋螺纹时），使左、右侧刀刃获得相同的工作后角。第一章刀具基本定义图1.8进给运动对工作角度的影响第一章刀具基本定义3．刀具安装位置对工作角度的影响在安装车刀时，若刀尖与工件中心等高，则切削平面Ps与车刀底面垂直，基面与底面平行，刀具工作前、后角与标注前、后角相等；若将刀尖安装得高于工件中心，则工作基面和工作切削平面的位置相对于静止参考系发生倾斜，使刀具的工作前角增大、工作后角减小；若将刀尖安装得低于工件中心，则刀具的工作前角减小、工作后角增大，如图1.9所示。在实际生产中，粗车外圆时常将刀尖装高一个值，为dw×（1～50）/100；精车外圆时常将刀尖装低一个值，为dw×（1～50）/100。第一章刀具基本定义图1.9刀具安装高度对工作角度的影响第一章刀具基本定义1.2.4刀具标注角度的换算在制造和使用刀具时，常需要对不同平面系内的静止角度进行换算。1．正交平面、法平面间的角度换算正交平面系能较好地反映刀具的切削性能，是设计刀具时使用最多的一种平面系。法平面系能较好地反映螺旋切削刃、大刃倾角刀具的切削性能，因此，常需要知道主切削刃在法平面内的角度。图1.10所示为正交平面、法平面中的前角0和n及其几何关系，图中刃倾角s为正值。n0stantancos第一章刀具基本定义（1-2）图1.100与n角的关系第一章刀具基本定义当s=0°时，正交平面与法平面重合，0=n；当s≠0°时，0＞n。将式（1-2）中的0、n换成n和0的余角函数，即得到法后角与后角的关系：2．正交平面与假定工作平面和背平面之间的角度换算在刃磨刀具时，或加工刀槽调整计算时，常利用三向坐标旋转磨刀夹具进行工作，因此，需要知道P0与Pf、Pp之间的关系，如图1.11所示。经推导，计算公式如下第一章刀具基本定义n0scotcotcosf0rsrtantansintancosp0rsrtantancostansin将侧前角f和背前角p换成侧后角f和背后角p的余角函数，即得f、p的计算公式：第一章刀具基本定义s0rrsrrtantansin()tancos()00rrrrtantancos()tansin()sf0rsrcotcotsintancosp0rsrcotcotcostansin第一章刀具基本定义图1.11正交平面与假定工作平面、背平面的角度换算3．车刀几何角度的刃磨（1）刃磨后面①将车刀装在平口虎钳中，原始位置如图1.12（b）所示②绕y轴转动r角，使车刀Ps面与砂轮工作面相平行；③绕x轴转动s角，使主切削刃平行于夹具z轴；④绕z轴转动n角（tann=tan0/coss），使后面与砂轮工作面平行；⑤沿x轴方向吃刀，沿z轴方向进给，进行刃磨。此调整原理同样适用于刃磨副后面。第一章刀具基本定义第一章刀具基本定义1—平口虎钳2—90°弯角3—底座图1.12车刀刃磨夹具及刃磨后面时的调整（2）刃磨前面。①将车刀按图1.13所示位置装在平口虎钳中，使车刀的f方向垂直向上，此时的y轴坐标平行于车刀的假定工作平面pf，x轴则平行于车刀的背平面pp；②绕y轴转动p角；③绕x轴转动f角；④吃刀、进给，进行刃磨。图1.13车刀刃磨前面时夹具的调整第一章刀具基本定义1.3切削要素与切削方式1.3.1切削用量1．切削速度vc切削速度是指主运动的线速度。2．进给量f进给量是指主运动每转一转，刀具沿进给运动方向相对于工件的位移量。钻削、铣削时还可用每齿进给量fz表示。进给运动有时还用进给速度f来表示，它们的关系是：第一章刀具基本定义cπ100060dnvfzvfnfzn3．背吃刀量ap背吃刀量是指工件上已加工表面至待加工表面间的垂直距离。对于外圆车削，如图1.14所示，背吃刀量可按下式计算:第一章刀具基本定义wmp2dda1.3.2切削层参数与金属切除率1．切削层参数切削层是指切削时，切削刃在一次进给中从工件的待加工表面上切除的那一层金属。（1）切削层公称厚度hD。是指在切削层横截面内，垂直于过渡表面度量的切削层尺寸。（2）切削层公称宽度bD。是指在切削层横截面内，平行于过渡表面度量的切削层尺寸。第一章刀具基本定义DrsinhfDpr/sinba（3）切削层公称横截面积AD。切削层公称横截面积是指切削层横截面的实际面积。2．金属切除率金属切除率是指单位时间里刀具所切除的工件材料的体积，其单位为mm3/min，用符号ZW表示。其计算公式如下：第一章刀具基本定义DDDpAhbfaWP1000Zvaf1.3.3切削方式1．自由切削和非自由切削刀具在切削过程中，如果只有一条切削刃参加切削，这种切削称为自由切削。它的主要特征是刀刃上各点切屑流出方向大致相同，被切金属的变形基本发生在二维平面内。如图1.15所示为自由切削的例子。若刀具上的切削刃为曲线或折线，或有几条切削刃同时参加切削，并同时完成整个切削过程，这种切削称为非自由切削。主要特征是各切削刃汇交处切下的金属互相影响和干涉，金属变形更为复杂，且发生在三维空间内。第一章刀具基本定义图1.15自由切削第一章刀具基本定义2．直角切削和斜角切削直角切削是指刀具主切削刃的刃倾角s=0时的切削，此时主切削刃与切削速度方向成直角，故又称为正交切削。图1.16（a）所示为直角刨削简图。斜角切削是指刀具主切削刃刃倾角s≠0的切削，此时，主切削刃与切削速度不成直角。如图1.16（b）所示为斜角刨削，切屑流出方向与直角切削不同，将偏离切削刃法向流出。由于多数刀具的刃倾角不为零，所以在实际切削加工中多数属于斜角切削方式。第一章刀具基本定义图1.16直角切削与斜角切削第一章刀具基本定义