四川理工学院 机械制造技术基础第1章 金属切削加工基础知识

第一章金属切削加工的基础知识1）本课程教学目的《机械制造技术基础》是机械设计制造及自动化专业的必修专业基础课程，是该专业的主干课程，通过学习《机械制造技术基础》，可以使学生对制造活动有一个总体的、全貌的了解与把握，掌握金属切削加工的基本规律，机械加工的基本知识，具备机械加工和装配工艺规程设计的能力，掌握机械加工中精度及表面质量的概念及其控制方法，初步具备分析解决现场工艺问题的能力，了解当今先进制造技术和先进制造模式的发展概况和制造技术发展的前沿与趋势，初步具备对制造系统、制造模式选择决策的能力。第一章金属切削加工的基础知识本课程教学目的和任务2）本课程教学主要任务介绍机械产品的生产过程及生产活动的组织、机械加工过程及其系统，包括：第一章金属切削加工的基础知识本课程教学目的和任务（1）金属切削过程及其基本规律；（2）机床、夹具、刀具的基本知识；（3）机械加工和装配工艺规程的设计；（4）机械加工中精度及表面质量的概念及其控制方法；（5）制造技术与现代生产管理模式；（6）制造技术发展的前沿与趋势。1.金属切削加工的定义第一章金属切削加工的基础知识概述金属切削刀具和工件按一定规律作相对运动，通过刀具上的切削刃切除工件上多余的（或预留的）金属，从而使工件的形状、尺寸精度及表面质量都符合预定要求，这样的加工称为金属切削加工。2.在金属切削加工过程中有两个基本要素：一个是成形运动，另一个是刀具。3.金属切削加工的种类车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削、拉削等。车削铣削刨削磨削钻削镗削拉削金属切削刀具和工件按一定规律作相对运动，通过刀具上的切削刃切除工件上多余的（或预留的）金属，从而使工件的形状、尺寸精度及表面质量都合乎预定要求，这样的加工称为金属切削加工。任何零件的表面形状都是由一些基本表面组合而成的，所以零件的切削加工过程就是表面成形过程。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成1.零件的表面形状平面、直线成形表面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、螺旋面。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成2.工件表面的形成方法各种典型表面都可以看作是一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成螺旋线螺纹牙形渐开线①有些表面的发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，也可以形成不同的表面。②母线和导线有时候可以互换；有时候不可以互换。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成3发生线的形成方法及所需的运动在实际的切削加工中，发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的。由于生产中使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为四种。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成①轨迹法——②成形法——是利用刀具作一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。利用成形刀具对工件进行加工的方法，刀具的切削刃与所需形成的母线完全吻合。③相切法——1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成④展成法（亦称共轭法或包络法）——是利用刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工的方法。是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成成形法母线导线导线母线表面成形运动是保证得到工件要求的表面形状的运动。例如用车刀车削外圆柱面，形成母线和导线的方法，都属于轨迹法。工件的旋转运动B1，产生母线（圆）；刀具的纵向直线运动A2产生导线（直线）。运动B1和A2就是形成外圆表面两两个成形运动。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成（1）成形运动的种类•简单成形运动由单独的旋转运动或直线运动构成；•复合成形运动由两个或两个以上旋转运动或（和）直线运动，按照某些确定的运动关系组合而成。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成（2）零件表面成形所需的成形运动形成表面所需要的成形运动，就是形成母线及导线所需要的成形运动的总和。为了加工出所需的零件表面，机床就必须具备这些成形运动。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成例1-1用普通车刀车削外圆•母线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。•导线——直线，由轨迹法形成，需要一个成形运动A2。•表面成形运动的总数为两个，即Bl和A2，都是简单的成形运动。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成例1-2用成形车刀车削成形回转表面•母线——曲线，由成形法形成，不需要成形运动。•导线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。•表面成形运动的总数为一个Bl，是简单的成形运动。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成例1-3用螺纹车刀车削螺纹•母线——车刀的刀刃形状与螺纹轴向剖面轮廓的形状一致，故母线由成形法形成，不需要成形运动。•导线——螺旋线，由轨迹法形成，需要一个成形运动。这是一个复合运动。B11，A12。1.1工件表面的成形方法及所需的成形运动加工表面的形成例1-4用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面•母线——渐开线，由展成法形成，需要一个成形运动，是复合运动，可分解为滚刀旋转B11和工件旋转B12两个部分，B11和B12之间必须保持严格的相对运动关系。•导线——直线，由相切法形成，需要两个独立的成形运动，即滚刀的旋转运动B11和滚刀沿工件的轴向移动A2。1.2切削运动与切削用量切削运动要进行切削加工，金属切削机床必须为形成工件表面提供两种最主要的相对运动，即主运动和进给运动。（1）主运动及切削速度①主运动是刀具和工件之间产生的最主要的相对运动，它是刀具切削刃及其毗邻的刀面切入工件材料，使切削层金属转变成切屑，从而形成新鲜表面的运动。②在表面成形运动中，必须有而且只能有一个主运动。主运动消耗的功率比较大，速度也比较高。1.2切削运动与切削用量切削运动③主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；可以是旋转运动，也可以是直线运动。④主运动的方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。⑤主运动的速度vc：切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，一般称为切削速度。1.2切削运动与切削用量切削运动（2）进给运动和进给速度①由机床或人力提供的，使主运动能够继续切除工件上多余金属以形成工件表面所需的运动称为进给运动。②进给运动可以用进给速度vf或进给量f、fz、af来表示。③进给运动的特点：速度低；消耗的机床功率少；各种切削加工方法可以有一个或多个进给运动，一般不唯一。1.2切削运动与切削用量切削运动④进给运动可能是连续的（例如在车床上车削圆柱表面时，刀架带动车刀作连续纵向运动），也可能是间歇的（例如牛头刨床上加工平面时，刨刀作往复运动，进给运动为工作台带动工件作的横向间歇移动）。进给运动可以由刀具完成，也可以由工件完成；可以是直线运动，也可以是旋转运动。1.2切削运动与切削用量切削运动⑤进给运动的方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给运动的方向。⑥进给速度vf：切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。1.2切削运动与切削用量切削运动•主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T表示），也可以是回转运动（用R表示）。•正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。1.2切削运动与切削用量切削运动进给运动RRRRRRRRRR1.2切削运动与切削用量主运动进给运动平面加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTT刨插周铣端铣周磨端磨车拉T1.2切削运动与切削用量车螺纹板牙主运动进给运动螺纹加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRRTTR滚压丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR1.2切削运动与切削用量主运动进给运动齿形加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿1.2切削运动与切削用量1.2切削运动与切削用量切削运动（3）合成切削运动•由同时进行的主运动和进给运动合成的运动，称为合成切削运动。•切削刃上任一点相对工件的合成切削运动的瞬时速度称为合成切削速度，用ve表示。它是同一选定点的主运动速度vc与进给运动速度vf的矢量和，即：•ve＝vc+vf1.2切削运动与切削用量切削运动（3）合成切削运动•合成切削运动方向与主运动方向的夹角称为合成切削速度角，用η表示。•在一些间歇进给的机床（如刨床）上，主运动就是合成切削运动。但在大多数情况下vf与vc相比是很小的，可略去不计，则在大小上近似认为：•ve≈vc（vfvc）1.2切削运动与切削用量切削运动3切削过程中工件上的加工表面•如外圆车削时，工件做旋转运动，刀具作纵向直线运动，形成了工件的外圆表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面。•①待加工表面即将被切除金属层的表面。1.2切削运动与切削用量切削运动3切削过程中工件上的加工表面•②过渡表面(或称切削表面)加工时由主切削刃在工件上正在形成的那个表面。是待加工表面和已加工表面之间的表面。•③已加工表面已被切除多余金属而形成符合要求的工件新表面。1.2切削运动与切削用量切削运动4切削用量三要素•所谓切削用量是指切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）和背吃刀量asp，也常称为切削用量三要素。•（1）切削速度•切削速度即主运动的速度。•①主运动为旋转运动•大多数主运动属于回转运动，切削速度为刀具或工件最大直径处的线速度：••d——完成主运动的刀具或者工件的最大直径(mm)；•n——主运动的转速(rad/S或r/min)。(//min)601000cdnvmsm或者1.2切削运动与切削用量切削运动②主运动为直线往复运动•（牛头刨床刨刀的直线往复运动为主运动），切削速度计算公式：•n——工件或刀具的转速或往复次数（r/min或d·str/min）str是Stroke“行程”的缩写；•L——工件或刀具往复单行程（mm）。)/(6010002smLnvc1.2切削运动与切削用量切削运动（2）进给速度vf，进给量f和每齿进给量fz①进给运动速度vf切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给运动速度，即单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min)②进给量f、af刀具或工件的主运动每转一转，或一个双行程，工件和刀具在进给运动方向上的相对位移量，以mm/r（毫米/转）或mm/d·str(毫米/双行程)表示。1.2切削运动与切削用量切削运动③每齿进给量fz对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿在进给运动方向上的相对位移量，单位是mm/z(毫米/齿)。存在以下关系：）或（mm/minmm/snzfnfvzf1.2切削运动与切削用量切削运动（3）背吃刀量•背吃刀量指已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，以asp表示，单位为mm。•对于车削和刨削加工来说，背吃刀量asp为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。•外圆柱表面车削的深度可用下式计算：•asp=（dw－dm）/21.2切削运动与切削用量切削运动•对于钻孔•asp=dm/2•上两式中dm——已加工表面直径（mm）dw——待加工表面直径（mm）待加工表面已加工表面1.3刀具材料及刀具角度刀具种类由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使用的刀具的种类很多。①刀具常按加工方式和具体用途分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。②刀具还可以按其它方式进行分类ⅰ.如按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等；ⅱ.按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；ⅲ.按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。1.3刀具材料