金属切削加工基础知识课件

教学要求:金属切削过程就是刀具从工件上切除多余的金属，使工件获得规定的加工精度与表面质量。因此，要进行优质、高效与低成本的生产，必须重视金属切削过程的研究。教学重点:基本定义——介绍金属切削过程方面的一些基本概念，它包括切削运动、切削用量、参考系（主剖面参考系、法剖面参考系、进给背平面参考系）、刀具标注角度、切削层参数等。刀具材料——介绍刀具材料应具备的性能(硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性、经济性)；两种常用的刀具材料(高速钢、硬质合金)和其它刀具材料(涂层、陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼)。内容提要1.1基本定义金属切削过程金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具从工件上切除多余的（或预留的）金属，并在高生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技术要求的形状、位置、尺寸精度和表面质量。切削运动为实现切削过程，工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动，它由金属切削机床来完成。工艺系统机床、夹具、刀具和工件，构成一个机械加工工艺系统，切削过程的各种现象和规律都在这个系统的运动状态中去研究。基本定义1.1.1切削运动与切削用量在金属切削过程中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具与工件之间必须完成一定的切削运动。如外圆车削时，工件作旋转运动，刀具作连续的纵向直线运动，形成了工件的外圆柱表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面：基本定义待加工表面：即将被切去金属层的表面；加工表面：切削刃正在切削着的表面；已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。这些定义也适用于其它切削。图中分别表示了车削、刨削、钻削、铣镗削时的切削运动。切削运动与切削用量1.1.1.1切削运动金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。按切削时工件与刀具相对运动所起的作用可分为主运动和进给运动。如图所示。（1）主运动：切下金属所必须的最主要的运动。特点：通常它的速度最高，消耗机床功率最多。机床的主运动只有一个。例如，车削、镗削的主运动是工件与刀具的相对旋转运动，而刨削是的主运动是刀具相对于工件的直线运动。（2）进给运动：使新的金属不断投入切削的运动。它保证切削工作连续或反复进行，从而切除切削层形成已加工表面。特点：机床的进给运动可有一个、两个或多个组成，通常消耗功率较小，进给运动可以是连续运动也可以是间歇运动。切削运动与切削用量（3）合成运动与合成切削速度vｅ主运动vｃ和进给运动vｆ可以由刀具或工件分别完成，或由刀具单独完成。主运动和进给运动可以同时进行（车削、铣削等），也可交替进行（刨削等）。当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动。合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和：vｅ=vｃ+vｆ切削运动1.1.1.2切削用量三要素在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其它技术经济要求来选定适宜的切削速度vc、进给量f(或进给速度值vf),还要选定适宜的背吃刀量值ap。vc、f、ap称之为切削用量三要素。（1）切削速度大多数切削加工的主运动采用回转运动。回转体(刀具或工件)上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下：式中d——工件或刀具上某一点的回转直径(mm)；n——工件或刀具的转速（r/s或r/min）。min//1000msmdnvc或切削运动与切削用量在生产中，磨削速度单位用米/秒(m/s)，其它加工的切削速度单位习惯用米/分（m/min）。在转速n值一定时，切削刃上各点的切削速度不同。考虑到刀具的磨损和已加工表面质量等因素，计算时，应取最大的切削速度。如：外圆车削时计算待加工表面上的速度(用dw代入公式），内孔车削时计算已加工表面上的速度(用dm代入公式)，钻削时计算钻头外径处的速度。（2）进给速度、进给量和每齿进给量进给速度是单位时间的进给量,单位是m/s(mm/min)。进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移(对于车削、钻削、铰削),单位是mm/r。切削用量三要素对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定进给速度，却需要规定间歇进给的进给量，其单位为mm/d.st(毫米/双行程）。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，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/Z(毫米/齿)。显然mm／s或mm／min（3）背吃刀量对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位是mm。。nZfnfZf切削用量三要素外圆柱表面车削的背吃刀量可用下式计算：对于钻孔其中dm——已加工表面直径(mm)；dw—待加工表面直径(mm)。1.1.2刀具切削部分的基本定义1.1.2.1刀具切削部分的构造要素金属切削刀具的切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具构造如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。)(2mmddamwp)(2mmdamp切削用量三要素国际标准化组织(ISO)在确定金属切削刀具的工作部分几何形状的一般术语时，就是以车刀切削部分为基础的。刀具切削部分的构造要素(图1、2)及其定义和说明如下：(1)前刀面直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。根据前刀面与主、副切削刃相毗邻的情况分为：主前刀面：与主切削刃毗邻的称为主前刀面；副前刀面：与副切削刃毗邻的称为副前刀面。(2)后刀面后刀面分为主后刀面与副后刀面。主后刀面：是指与工件上加工表面相互作用和相对着的刀面；副后刀面：是与工件上已加工表面相互作用和相对着的刀面。刀具切削部分的构造要素(3)切削刃:切削刃是前刀面上直接进行切削的锋边，有主切削刃和副切削刃之分。主切削刃：指前刀面与主后刀面相交的锋边，它完成主要的切除或表面成形工作；副切削刃：指前刀面与副后刀面相交的锋边，它配合主切削刃完成切除工作，并最终形成以加工表面。(4)刀尖刀尖是主、副切削刃的连接部位。为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。刀具切削部分的构造要素1.1.2.2刀具标注角度的参考系为了确定刀具前刀面、后刀面及切削刃在空间的位置，首先应建立参考系。它是一组用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面。这样就可以用刀具前刀面、后刀面和切削刃相对于各基准平面的夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就是刀具切削部分的几何角度。工作角度：把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度，即刀具在使用状态下(inuse)的角度。刀具标注角度参考系：任何一把刀具，在使用之前，总可以知道它将要安装在什么机床上，将有怎样的切削运动，因此也可以预先给出假定的工作条件，并以此确定刀具标注角度参考系（所谓的“静止参考系”）。刀具标注角度的参考系确定刀具标注角度参考系的方法：假定运动条件：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量近似代替合成速度向量；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线(如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等)。也可以说，假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。注：“静止系”本质上不是静止的，它仍然是把刀具同工件和运动联系起来的一种特定的参考系。刀具标注角度的参考系在刀具标注角度参考系中的刀具角度称为标注角度。刀具标注角度的参考系的形成如右图动画所示，由基面、切削平面、主剖面等平面构成了主剖面参考系。刀具标注角度的参考系(1)基面Pr通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通常，基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。例如，图示为普通车刀或刨刀的基面，它平行于刀具底面。钻头、铣刀和丝锥等旋转类刀具，其切削刃各点的旋转运动(即主运动)方向，都垂直于通过该点并包含刀具旋转轴线的平面，故其基面Pr就是刀具的轴向剖面。刀具标注角度的参考系(2)切削平面Ps通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面。基面和切削平面十分重要。这两个平面加上以下所述的任一剖面，便构成各种不同的刀具标注角度参考系。可以说，不懂得基面和切削平面就不懂得刀具。(3)主剖面Po和主剖面参考系主剖面是通过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。由此可知，主剖面垂直于主切削刃在基面上的投影。Pr-Ps-Po组成正交的主剖面参考系。(4)法剖面Pn和法剖面参考系法剖面是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。Pr-Ps-Pn组成法剖面参考系。刀具标注角度的参考系右图表示由Po-Pr-Ps组成的一个正交的主剖面参考系，这是目前生产中最常用的刀具标注角度参考系。图中同时也表示了一个由Pn-Pr-Ps组成的法剖面参考系。在实际使用时一般是分别使用某一个参考系。刀具标注角度的参考系(5)进给剖面Pf和背平面Pp及其组成的进给、背平面参考系进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。通常，它也平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。背平面Pp是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。如:普通车刀和刨刀的Pf垂直于刀杆轴线；钻头、拉刀、端面车刀、切断刀等的Pf平行于刀具轴线；铣刀的Pf则垂直于铣刀轴线。由Pr-Pf-Pp组成一个进给、背平面参考系，如右图所示。刀具标注角度的参考系1.1.2.3刀具工作角度的参考系前述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用合成切削运动方向来确定参考系，才符合切削加工的实际。下图所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同：刀具切削部分的基本定义(b)(a)(c)图(a)，刀具后刀面同工件已加工表面之间有适宜的间隙，切削情况正常；图(b)，刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不合适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运动方向来确定刀具工作角度的参考系；图(c)，刀具后刀面与已加工表面全面接触，摩擦严重。同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有采用刀具工作角度的参考系，才能反映切削加工的实际。刀具工作角度的参考系刀具工作角度参考系：用于定义刀具进行切削加工时几何参数的参考系。该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对几何参数的影响。刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是：用ve取代vc，即用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。1.1.2.4刀具的标注角度刀具标注角度：在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。注意：由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度应指明是切削刃选定点处的角度；凡未特殊注明者，则指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。在切削刃是曲线或者前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲线刃或曲面。刀具的标注角度主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如下图所示：刀具的标注角度前角γo：前刀面与基面间的夹角(在主剖面中测量)；后角αo：后刀面与切削平面间的夹角(在主剖面中测量)；主偏角κr：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角；刃倾角λs：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。上述四个角度就可以确定车刀主切削刃及其前后刀面的方位：γo、λs确定前刀面的方位,κr、αo确定后刀面的方位，κr、λs确定主切削刃的方位。同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间的定位也需用四个角度：即副偏角κr’、副刃倾角λs’、副前角γo’、副后角αo’。车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，当γo、λs两者确定后,前刀面的方位已经确定