金屬切削原理與刀具-1

第2章金屬切削原理與刀具金屬切削原理與刀具切削原理

金屬切削的基本概念、過(guò)程切削刀具金屬切削刀具的幾何角度、材料重點(diǎn)掌握各種常用刀具的基本結(jié)構(gòu)和基本應(yīng)用,并按要求會(huì)選用。第一節(jié)金屬切削加工的基本概念教學(xué)內(nèi)容：以車(chē)削和車(chē)刀為代表闡述刀具切削部分幾何要素的基本定義和切削層參數(shù)的幾何特征。教學(xué)重點(diǎn)：刀具基本角度的掌握教學(xué)要求：本章難度較大,要求學(xué)生具備一定的畫(huà)圖、識(shí)圖能力

切削運(yùn)動(dòng)和切削用量一、切削運(yùn)動(dòng)思考：何為金屬切削加工

金屬切削加工是用金屬切削刀具切除工件上多余的或預(yù)留的金屬，使工件的形狀、尺寸及表面質(zhì)量都達(dá)到預(yù)定要求的加工。按作用分：切削運(yùn)動(dòng)可分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)刀具和工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的主要運(yùn)動(dòng)切削速度最高，消耗功率最大由刀具或工件完成主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)使新的金屬不斷的投入切削的運(yùn)動(dòng)間歇運(yùn)動(dòng)或連續(xù)運(yùn)動(dòng)消耗的功率較少進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是一個(gè)、兩個(gè)或兩個(gè)以上，也可沒(méi)有

合成切削運(yùn)動(dòng)如圖的外圓的車(chē)削運(yùn)動(dòng)。υc為切削刃某點(diǎn)切削速度，υf為同一點(diǎn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度，υe為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成速度。外圓車(chē)削的切削運(yùn)動(dòng)與加工表面二、工件上形成的表面1．待加工表面：工件上有待切除的表面。2．已加工表面：工件上經(jīng)刀具切削后形成的新表面。3．過(guò)渡表面：工件上由切削刃形成的那部分表面。

當(dāng)用單刃刀具切削時(shí)，它將在工件或刀具的下一轉(zhuǎn)或者下一次切削行程中被切除（如車(chē)削、刨削），而用多刃刀具切削時(shí)，它將被隨后的一個(gè)切削刃切除（如銑削）。三、切削用量

切削用量是表示主運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)大小的參數(shù)。它包括切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量的三要素。切削用量直接影響工件加工質(zhì)量、刀具壽命、機(jī)床的動(dòng)力消耗及生產(chǎn)率等，因此必須合理地選擇切削用量。1．切削速度切削速度指切削刃選定點(diǎn)相對(duì)于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，如圖所示。它是衡量主運(yùn)動(dòng)大小的參數(shù)。單位為m/min2．進(jìn)給量f、進(jìn)給速度vf

進(jìn)給量f(fz)是刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量，如圖所示?？捎玫毒呋蚬ぜ哭D(zhuǎn)（或每行程）的位移量來(lái)表示，單位為mm/r或mm/行程（mm/齒，mm/雙行程）。

進(jìn)給速度vf指切削刃選定點(diǎn)相對(duì)工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，單位mm/s。車(chē)削時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度

3．背吃刀量背吃刀量是垂直于進(jìn)給速度方向測(cè)量的切削層最大尺寸，單位mm。如圖

所示。車(chē)外圓時(shí)背吃刀量一般指工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離，反映了切削符合的大小。

—工件待加工表面直徑（mm）—工件已加工表面直徑（mm）四、切削層參數(shù)在切削過(guò)程中，刀具的切削刃在一次走刀中從待加工表面切下的金屬層，稱(chēng)為切削層1．車(chē)削切削層參數(shù)（1）切削層公稱(chēng)厚度hD

：在主切削刃選定點(diǎn)的基面內(nèi)，垂直于過(guò)渡表面的切削層尺寸。切削層截面的切削厚度為：hD

＝fsinκr

（2）切削層公稱(chēng)寬度bD切削層公稱(chēng)寬度bD

：在主切削刃選定點(diǎn)的基面內(nèi)，沿過(guò)渡層表面度量的切削層尺寸切削層截面的公稱(chēng)切削寬度為：

bD

＝ap/sinκr切削層公稱(chēng)橫截面積AD

：在主切削刃選定點(diǎn)的基面內(nèi)，切削層的截面面積。車(chē)削切削層公稱(chēng)橫截面為：

AD＝hDbD＝fap（3）切削層公稱(chēng)橫截面積AD

2．銑削切削層參數(shù)（1）切削層公稱(chēng)厚度hD

：在基面內(nèi)度量的相鄰刀齒主切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡間的距離切削層厚度為：

hD＝ab=acsinΦ＝fzsinΦ（2）切削層公稱(chēng)寬度bD：銑削的切削層公稱(chēng)寬度是指主切削刃與工件切削面的接觸長(zhǎng)度(近似值)。銑削的背吃刀量：平行于銑刀軸線(xiàn)方向度量的被切削層尺寸bD

＝ap（3）切削層公稱(chēng)橫截面積AD：切削厚度與背吃刀量的積：AD

＝

hD

bD

第二節(jié)刀具的幾何角度與材料

金屬切削刀具的種類(lèi)雖然很多，但它們的切削部分的幾何形狀與參數(shù)都有共性，即無(wú)論刀具結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，它們的切削部分總是近似地以外圓車(chē)刀的切削部分為基本形態(tài)。以下以普通外圓車(chē)刀為代表來(lái)確定切削部分的基本定義。

本節(jié)內(nèi)容不僅是本章的重點(diǎn)，而且是一難點(diǎn)，要求學(xué)生掌握刀具的幾何角度，此內(nèi)容要求不僅要看懂圖，而且要會(huì)畫(huà)刀具的基本角度，為刀具的刃磨做好基礎(chǔ)。車(chē)刀切削部分的組成

如圖所示為常見(jiàn)的外圓車(chē)刀，它由刀頭（或刀片）和刀柄兩部分組成。刀頭承擔(dān)切削工作，又叫切削部分；刀柄用來(lái)裝夾車(chē)刀。

刀具切削部分由若干刀面和切削刃構(gòu)成。本章重點(diǎn)介紹刀具的切削部分。一、刀具切削部分的構(gòu)成圖2-1車(chē)刀切削部分的組成要素刀面前刀面后刀面副后刀面刀刃主切削刃副切削刃刀尖一、刀具切削部分的構(gòu)成圖3-2刀尖的類(lèi)型二、刀具的幾何角度確定刀具角度的坐標(biāo)參考系：實(shí)際合成切削運(yùn)動(dòng)方向工作參考系刀具實(shí)際安裝位置二、刀具的靜態(tài)角度確定刀具角度的坐標(biāo)參考系：主運(yùn)動(dòng)方向靜止參考系進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向刀具安裝位置二、刀具的靜態(tài)角度確定刀具角度的坐標(biāo)參考系：

工作參考系工作角度

靜止參考系靜態(tài)角度1.刀具靜止參考系刀具靜止參考系是在下列假定條件下建立的：1）假定運(yùn)動(dòng)條件：

各類(lèi)刀具的的標(biāo)注角度均不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的大小，即用主運(yùn)動(dòng)速度向量Vc代替合成運(yùn)動(dòng)速度向量Ve；2）假定安裝條件：

刀具的刃磨或安裝基準(zhǔn)面垂直與主運(yùn)動(dòng)方向，即垂直于切削平面或平行于基面，刀柄的中心線(xiàn)垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，刀具刀尖與工件中心線(xiàn)等高。圖3-3車(chē)刀的靜止參考系（圖中vc表示假定的主運(yùn)動(dòng)方向，vf表示假定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向）1.刀具靜止參考系構(gòu)成刀具靜止參考系的基準(zhǔn)平面：（1）

基面Pr

：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)，垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。

車(chē)刀的基面平行于刀體底面。圖3-3車(chē)刀的靜止參考系（圖中vc表示假定的主運(yùn)動(dòng)方向，vf表示假定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向）1.刀具靜止參考系

(2)

切削平面Ps

：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)，與切削刃相切，并垂直于基面的平面。1.刀具靜止參考系(3)

正交平面Po

：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。1.刀具靜止參考系(3)

正交平面Po

：

正交平面為垂直于切削刃在基面上的投影的平面。

由基準(zhǔn)平面Pr

—

Ps

—

Po組成的靜止參考系稱(chēng)為刀具的正交平面參考系。圖3-3車(chē)刀的靜止參考系（圖中vc表示假定的主運(yùn)動(dòng)方向，vf表示假定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向）1.刀具靜止參考系（4）法平面Pn

：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)并垂直于切削刃的平面。

1.刀具靜止參考系（4）法平面Pn

：通過(guò)切削刃選定點(diǎn)并垂直于切削刃的平面。由基準(zhǔn)平面Pr

—

Ps

—

Pn組成的靜止參考系稱(chēng)為刀具的法平面參考系。

圖3-3車(chē)刀的靜止參考系（圖中vc表示假定的主運(yùn)動(dòng)方向，vf表示假定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向）1.刀具靜止參考系（5）假定工作平面Pf

：通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面，且平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的平面。

1.刀具靜止參考系（6）背平面Pp：通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和假定工作平面的平面。

1.刀具靜止參考系（6）背平面Pp：通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和假定工作平面的平面。

由基準(zhǔn)平面Pr

—

Pf

—

Pp組成的靜止參考系稱(chēng)為刀具的假定工作平面—背平面參考系。

圖3-3車(chē)刀的靜止參考系（圖中vc表示假定的主運(yùn)動(dòng)方向，vf表示假定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向）2.刀具的靜態(tài)角度刀具在正交平面參考系中定義的靜態(tài)角度有：（1）前角

go：在正交平面Po上測(cè)量的刀具前面Ar

與基面Pr之間的夾角。圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（2）后角ao：在正交平面Po上測(cè)量的刀具后面Ar

與切削平面Ps之間的夾角。圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（3）主偏角kr：在基面Pr上測(cè)量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角，一般為正。圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（4）刃傾角ls：在切削平面Ps上測(cè)量的刀具主切削刃與基面Pr間的夾角。

刃傾角總為銳角，其正、負(fù)值的確定原則為：當(dāng)?shù)都馕挥谥髑邢魅械淖罡唿c(diǎn)時(shí)，刃傾角為正值；反之為負(fù)值。切削刃的選定點(diǎn)、刃傾角和主偏角這三個(gè)參數(shù)，確定了主切削刃在參考系中的位置。

圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（5）副偏角

kr’

：副偏角

kr’是在基面Pr上測(cè)量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相反方向之間的夾角。

副偏角

kr’一般為銳角。圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（6）副后角ao’

：副后角ao’

是在副正交平面Po’上測(cè)量的副后面Aa’與副切削平面Ps’

之間的夾角。

圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度上述六個(gè)角度（go、ao、kr、ls、kr’、ao’）是在正交平面參考系中，確定車(chē)刀三個(gè)刀面（前面Ag、后面Aa、副后面Aa’）、兩個(gè)刀刃（主切削刃S、副切削刃S’）的位置所必需的六個(gè)獨(dú)立的刀具角度。

圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（7）楔角bο：楔角bο是在正交平面Po上測(cè)量的前面Ag與后面Aa之間的夾角。bο=

90°--（go

+ao

）

圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（8）刀尖角er

：刀尖角er是在基面Pr上的測(cè)量切削平面Ps與副切削平面之間的夾角。

er

=

180°--（

kr

+kr’）圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度（9）余偏角

λ：余偏角

λ是在基面Pr上測(cè)量的切削平面Ps與背平面Pp之間的夾角。

λ=

90°--

kr圖3-4車(chē)刀的靜態(tài)角度2.刀具的靜態(tài)角度刀具在法平面參考系中定義的靜態(tài)角度也有六個(gè)：即：法前角gn法后角an主偏角kr刃傾角ls副偏角kr’

副法后角an’其中主偏角kr、刃傾角ls、副偏角kr’

同正交平面參考系中的角度完全相同，其余三個(gè)角度，即法前角gn、法后角an、副法后角an’的定義不一樣。2.刀具的靜態(tài)角度正交平面參考系與法平面參考系之間的角度換算公式：

2.刀具的靜態(tài)角度刀具在假定工作平面

—

背平面參考系中定義的刀具角度也有六個(gè)：即：側(cè)前角gf

側(cè)后角af

背前角gp

背后角ap副側(cè)后角af’副背后角ap’2.

刀具的靜態(tài)角度正交平面參考系與假定工作平面、背平面參考系之間的角度換算公式：

三、刀具的工作角度[例1]基面Pr與工作基面Pre的比較：基面Pr是通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)且垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面；而工作基面Pre是通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)方向的平面。二者的不同點(diǎn)在于前者的主運(yùn)動(dòng)方向是假定的，而后者的合成切削運(yùn)動(dòng)方向是實(shí)際存在的。三、刀具的工作角度[例二]前角go與工作前角goe的比較：前角go是在正交平面Po上測(cè)量的前刀面Ag

與基面Pr之間的夾角；而工作前角goe

是在工作正交平面Poe中測(cè)量的前面Ag

與工作基面Pre之間的夾角。二者的差異在于定義刀具角度參考系的三個(gè)基準(zhǔn)平面都不同，原因還在于靜止參考系的基準(zhǔn)軸線(xiàn)是假定的，而工作參考系的基準(zhǔn)是實(shí)際存在的合成切削運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

三、刀具的工作角度1.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響圖3-5橫向進(jìn)給對(duì)工作角度的影響三、刀具的工作角度進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響

橫向進(jìn)給的影響圖3-5橫向進(jìn)給對(duì)工作角度的影響goe

==go

+η

aoe

==

ao

—η

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響

縱進(jìn)給的影響

三、刀具的工作角度2.刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響

1)刀具安裝高低對(duì)工作角度的影響

gpe

==g

p+qp

ape

==a

p

―

qp

三、刀具的工作角度2.刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響

2)刀桿軸線(xiàn)與進(jìn)給方向不垂直的影響

kre==

kre±

Gr

kre’==

kre’-（±

Gr）

小結(jié)：

三面、兩刃、一尖1、前刀面：刀具上切屑流過(guò)的表面

2．后刀面：切削過(guò)程中與過(guò)渡表面相對(duì)的刀具表面。6．刀尖：是主切削刃與副切削刃交匯處相當(dāng)少的一部分切削刃，它可以是一小段直線(xiàn)或圓弧。5．副切削刃：配合主切削刃完成少量切削任務(wù)的切削刃，它是前刀面與副后刀面相交的部位。4．主切削刃（S）：承擔(dān)主要切削任務(wù)的切削刃，它是前刀面與后刀面相交的部位。3．副后刀面：切削過(guò)程中與工件上已加工表面相對(duì)著的刀具表面。刀具角度的參考系

為了確定刀具切削部分的幾何形狀，即確定刀具前刀面、后刀面及切削刃在空間的相對(duì)位置，需要用一定的幾何角度表示。刀具角度需要設(shè)定在一定的參考系中。

用來(lái)定義刀具角度的參考系有兩大類(lèi)：一類(lèi)是靜止參考系，是用于定義刀具在設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量時(shí)刀具幾何參數(shù)的參考系，它由主運(yùn)動(dòng)方向確定。

另一類(lèi)是刀具工作參考系，用來(lái)規(guī)定刀具實(shí)際切削加工時(shí)幾何角度的參考系，該參考系考慮了切削運(yùn)動(dòng)和實(shí)際安裝情況對(duì)刀具幾何參數(shù)的影響，它由合成切削運(yùn)動(dòng)確定。

假定條件

在建立刀具靜止參考系時(shí)，需要規(guī)定刀具的假定主運(yùn)動(dòng)方向及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向。（1）假定主運(yùn)動(dòng)方向

假定刀具切削刃上選定點(diǎn)位于工件中心高處，此時(shí)切削刃上選定點(diǎn)的主運(yùn)動(dòng)方向即為假定主運(yùn)動(dòng)方向。車(chē)刀假定主運(yùn)動(dòng)方向垂直于車(chē)刀刀柄的安裝面。（2）假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向

假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)垂直（外圓車(chē)刀）或平行于（內(nèi)孔車(chē)刀、切斷刀等）刀柄軸線(xiàn)，此時(shí)切削刃選定點(diǎn)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向稱(chēng)為假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向。1．正交平面參考系

基面：過(guò)切削刃選定點(diǎn)垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。車(chē)刀的基面平行于刀柄的安裝面。正交平面參考系

正交平面：過(guò)切削刃選定點(diǎn)同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。

主切削平面：過(guò)主切削刃選定點(diǎn)與主切削刃相切并垂直于基面的平面，也就是主切削刃與切削速度方向構(gòu)成的平面。對(duì)應(yīng)于副切削刃的切削平面稱(chēng)為副切削平面。2．法平面參考系

法平面參考系由基面、切削平面、法平面三個(gè)平面組成。

法平面：過(guò)切削刃選定點(diǎn)并垂直于切削刃的平面3．假定工作平面參考系

假定工作平面：過(guò)切削刃選定點(diǎn)平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面的平面。三、刀具角度的基本定義

刀具在設(shè)計(jì)、制造、刀磨和測(cè)量時(shí)，用刀具靜止參考系中的角度來(lái)標(biāo)明切削刃和刀面在空間的位置，這樣的角度稱(chēng)為刀具的靜態(tài)角度或標(biāo)注角度。

由于刀具的參考系在切削刃上各點(diǎn)是變化