機械基礎(chǔ)第一章 金屬切削過程的基本知識

第一章金屬切削過程的根本學問本章主要介紹以下內(nèi)容：1、金屬切削過程的根本概念2、刀具材料課時支配：1，兩個學時，2，一個學時重點、難點：金屬切削過程的根本概念1.1金屬切削過程的根本概念一、切削外表及切削運動(見P4-5)〔一〕切削外表

切削加工過程是一個動態(tài)過程，在切削過程中，工件上通常存在著三個不斷變更的切削外表。即：待加工外表：工件上即將被切除的外表。已加工外表：工件上已切去切削層而形成的新外表。過渡外表(加工外表)：工件上正被刀具切削著的外表，介于已加工外表和待加工外表之間。以車削外圓為例，如下列圖?！捕城邢鬟\動刀具及工件間的相對運動稱為切削運動〔即外表成形運動〕。按作用來分，切削運動可分為主運動和進給運動。上圖給出了車刀進展一般外圓車削時的切削運動，圖中合成運動的切削速度Ve、主運動速度Vc和進給運動速度Vf之間的關(guān)系。

1、主運動主運動是刀具及工件之間的相對運動。它使刀具的前刀面可以接近工件，切除工件上的被切削層，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?，從而完成切屑加工。一般，主運動速度最高，消耗功率最大，機床通常只有一個主運動。例如，車削加工時，工件的回轉(zhuǎn)運動是主運動。2、進給運動進給運動是協(xié)作主運動實現(xiàn)依次連綿起伏地切除多余金屬層的刀具及工件之間的附加相對運動。進給運動及主運動協(xié)作即可完成所需的外表幾何形態(tài)的加工，依據(jù)工件外表形態(tài)成形的須要，進給運動可以是多個，也可以是一個；可以是連續(xù)的，也可以是間歇的。3、合成運動及合成切削速度當主運動和進給運動同時進展時，刀具切削刃上某一點相對于工件的運動稱為合成切削運動，其大小和方向用合成速度向量ve表示,見上圖。

Ve=Vc+Vf二、切削用量三要素及切削層參數(shù)

(一〕切削用量三要素1、切削速度vc切削速度vc是刀具切削刃上選定點相對于工件的主運動瞬時線速度。由于切削刃上各點的切削速度可能是不同，計算時常用最大切削速度代表刀具的切削速度。當主運動為回轉(zhuǎn)運動時：式中d—切削刃上選定點的回轉(zhuǎn)直徑，mm；n—主運動的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。2、進給速度vf、進給量f進給速度vf—切削刃上選定點相對于工件的進給運動瞬時速度，mm/s或mm/min.。進給量f—刀具在進給運動方向上相對于工件的位移量，用刀具或工件每轉(zhuǎn)或每行程的位移量來表述，mm/r或mm/行程。Vf=nf3、切削深度ap對于車削和刨削加工來說，切削深度ap〔背吃刀量〕是在及主運動和進給運動方向相垂直的方向上度量的已加工外表及待加工外表之間的間隔，單位mm。對于鉆孔加工來說，

切削用量三要素及切削層參數(shù)式中dw----工件待加工外表直徑，mm。dm----工件已加工外表直徑，mm。〔二〕切削層參數(shù)(見P13)

在切削過程中，刀具的切削刃在一次走刀中從工件待加工外表切下的金屬層，稱為切削層。切削層參數(shù)切削層公稱厚度hD

在過渡外表法線方向測量的切削層尺寸，即相鄰兩過渡外表之間的間隔。hD反映了切削刃單位長度上的切削負荷。由圖得：hD=fsinkr

其中：hD—切削層公稱厚度，(mm)；f—進給量，(mm/r〕；

kr—車刀主偏角，(。)。切削層公稱寬度bD

沿過渡外表測量的切削層尺寸。bD反映了切削刃參與切削的工作長度。由圖得：bD=ap/sinkr

其中：bD—切削層公稱寬度，(mm)。切削層公稱橫截面積AD

切削層公稱厚度及切削層公稱寬度的乘積。由圖得：

AD=hD*bD=fsinkr*ap/sinkr=f*ap

其中:AD—切削層公稱橫截面積，(mm2)。1.2刀具角度外圓車刀是最根本、最典型的切削刀具，其切削部分〔又稱刀頭〕由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所組成。其定義分別為：

〔1〕前刀面

刀具上及切屑接觸并互相作用的外表〔即切屑流過的外表〕?！?〕主刀后面

刀具上及工件過渡外表相對并互相作用的外表?！?〕副刀后面

刀具上及已加工外表相對并互相作用的外表。

〔4〕主切削刃

前刀面及主后刀面的交線。它完成主要的切削工作?！?〕副切削刃

前刀面及主后刀面的交線。它協(xié)作主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工外表?！?〕刀尖

主切削刃和副切削刃連接處的一段刀刃。它可以是小的直線段或圓弧。詳細參見切削運動及切削外表圖和車刀的組成圖。其它各類刀具，如刨刀、鉆頭、銑刀等，都可以看作是車刀的演化和組合?！惨弧车毒邩俗⒔嵌葏⒖枷?見P8)1、假定運動條件：用刀具主運動向量vc近似代替合成運動向量ve，然后再用平行或垂直于主運動方向的坐標平面構(gòu)成參考系。2、假定安裝條件：假定刀具的安裝位置恰好使其底面或軸線及參考系的平面平行或垂直。3、刀具標注角度參考系諸平面：〔見下列圖〕1)基面pr：通過切削刃某一點，垂直于假定主運動方向的平面。。2)切削平面ps：通過切削刃某一點，及工件加工外表〔或及主切削刃〕相切的平面。切削平面ps及基面pr垂直。3)主剖面P0：通過切削刃某一點，同時垂直于切削平面ps及基面pr的平面。。4)法剖面Pn：通過切削刃某一點，垂直于切削刃的平面。。5)進給剖面Pf：通過切削刃某一點，平行于進給運動方向并垂直于基面pr的平面。6)背平面Pp：通過切削刃某一點，同時垂直于進給剖面Pf及基面pr的平面。〔二〕刀具工作角度參考系上述刀具標注角度參考系，在定義基面時，都只考慮主運動，不考慮進給運動，即在假定運動條件確定的參考系。但刀具在實際運用過程中，這樣的參考系所確定的刀具角度，往往不能準確反映切削加工的真實狀況。只有用合成切削方向ve來確定參考系，才符合切削加工的實際。P8的圖。另外，刀具實際安裝位置也影響工作角度的大小。只有承受刀具工作角度參考系，才能反映切削加工的實際。刀具工作角度參考系及刀具標注角度參考系的唯一區(qū)分是：用合成切削方向ve取代主運動切削方向vc，用實際進給運動方向取代假定進給運動方向。〔三〕刀具的標注角度(見P8)

刀具的標注角度是制造和刃磨刀具所須要的，并在刀具設計圖上予以標注的角度。刀具的標注角度主要有五個，以車刀為例，表示了幾個角度的定義。前

角γo在主剖面P0內(nèi)測量的前刀面及基面之間的夾角。前角表示前刀面的傾斜程度，有正、負和零值之分，其符號規(guī)定如下圖。后

角αo在主剖面P0內(nèi)測量的主后刀面及切削平面之間的夾角。后角表示主后刀面的傾斜程度，一般為正值。主偏角κr在基面內(nèi)測量的主切削刃在基面上的投影及進給運動方向的夾角。主偏角一般為正值。副偏角κr'在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影及進給運動反方向的夾角。副偏角一般為正值。刃傾角λs在切削平面內(nèi)測量的主切削刃及基面之間的夾角。當主切削刃呈程度常，λs=0；刀尖為主切削刃最低點時，λs〈0；刀尖為主切削刃上最高點是，λs〉0，如圖示。車刀的主要角度刃傾角的符號〔四〕刀具的工作角度(見P11-13)

在實際的切削加工中，由于刀具安裝位置和進給運動的影響，上述標注角度會發(fā)生確定的變更。角度變更的根本緣由是切削平面、基面和正交平面位置的變更。以切削過程中實際的切削平面Ps、基面Pr和主剖面P0為參考平面所確定的刀具角度稱為刀具的工作角度，又稱實際角度。1、刀具安裝位置對工作角度的影響以車刀車外圓為例，假設不考慮進給運動，當?shù)都獍惭b得高于或低于工件軸線時，將引起工作前角γoe和工作后角αoe的變更，如下列圖示。(見P12)車刀安裝高度對工作角度的影響當車刀刀桿的縱向軸線及進給方向不垂直時，將會引起工作主偏角κre和工作副偏角κre'的變更，如下列圖示。(見P13)2、進給運動對工作角度的影響車削時由于進給運動的存在，使車外圓及車螺紋的加工外表事實上是一個螺旋面，如下列圖示。(見P12圖1.16)車端面或切斷時，加工外表是阿基米德螺旋面，如下列圖示。因此，實際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個附加的螺旋升角μ，使車刀的工作前角γoe增大，工作后角αoe減小。一般車削時，進給量比工作直徑小許多，故螺旋升角μ很小，它對車刀工作角度影響不大，可無視不計。但在車端面、切斷和車外圓進給量〔或加工螺紋的導程〕較大，則應考慮螺旋升角的影響。(見P11圖1.15)橫向進給運動對工作角度的影響1.3刀具的種類、材料及選用一、刀具種類〔一〕刀具分類由于機械零件的材質(zhì)、形態(tài)、技術(shù)要求和加工工藝的多樣性，客觀上要求進展加工的刀具具有不同的構(gòu)造和切削性能。因此，消費中所運用的刀具的種類許多。刀具常按加工方式和詳細用處，分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動線及數(shù)控機床刀具和磨具等幾大類型。刀具還可以按其它方式進展分類，如按所用材料分為高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼〔CBN〕刀具和金剛石刀具等；按構(gòu)造分為整體刀具、鑲片刀具、機夾刀具和復合刀具等；按是否標準化分為標準刀具和非標準刀具等。

〔二〕常用刀具簡介

1.車刀

車刀是金屬切削加工中應用最廣的一種刀具。它可以在車床上加工外圓、端平面、螺紋、內(nèi)孔，也可用于切槽和切斷等。車刀在構(gòu)造上可分為整體車刀、焊接裝配式車刀和機械夾固刀片的車刀。機械夾固刀片的車刀又可分為機床車刀和可轉(zhuǎn)位車刀。機械夾固車刀的切削性能穩(wěn)定，工人不必磨刀，所以在現(xiàn)代消費中應用越來越多。

孔加工刀具一般可分為兩大類：一類是從實體材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花鉆、中心鉆和深孔鉆等；另一類是對工件上已有孔進展再加工的刀具，常用的有擴孔鉆、鉸刀及鏜刀等。例如，下列圖示標準高速鋼麻花鉆的構(gòu)造。工作部分〔刀體〕的前端為切削部分，擔當主要的切削工作，后端為導向部分，起引導鉆頭的作用，也是切削部分的后備部分。

3.銑刀

銑刀是一種應用廣泛的多刃回轉(zhuǎn)刀具，其種類許多。按用處分有：1〕加工平面用的，如圓柱平面銑刀、端銑刀等；2〕加工溝槽用的，如立銑刀、T形刀和角度銑刀等；3〕加工成形外表用的，如凸半圓和凹半圓銑刀和加工其它困難成形外表用的銑刀。銑削的消費率一般較高，加工外表粗糙度值較大。

拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具，廣泛應用于大批量消費中，可加工各種內(nèi)、外外表。拉刀按所加工工件外表的不同，可分為各種內(nèi)拉刀和外拉刀兩類。運用拉刀加工時，除了要依據(jù)工件材料選擇刀齒的前角、后角，依據(jù)工件加工外表的尺寸〔如圓孔直徑〕確定拉刀尺寸外，還須要確定兩個參數(shù)：〔1〕齒升角af[即前后兩刀齒〔或齒組〕的半徑或高度之差]；〔2〕齒距p[即相鄰兩刀齒之間的軸向間隔]。5.螺紋刀具

螺紋可用切削法和滾壓法進展加工。齒輪刀具是用于加工齒輪齒形的刀具。按刀具的工作原理，齒輪分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具。常用的成形齒輪刀具有盤形齒輪銑刀和指形齒輪刀具等。常用的展成齒輪刀具有插齒刀、齒輪滾刀和剃齒刀等。選用齒輪滾刀和插齒刀時，應留意以下幾點：〔1〕刀具根本參數(shù)〔模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)等〕應及被加工齒輪一樣。

〔2〕刀具精度等級應及被加工齒輪要求的精度等級相當。

〔3〕刀具旋向應盡可能及被加工齒輪的旋向一樣。滾切直齒輪時，一般用左旋齒刀。

這類刀具的切削部分總的來說及一般刀具沒有多大區(qū)分不同狀況，只是為了適應數(shù)控機床和自動線加工的特點，對它們提出了更高的要求。車刀拉刀螺紋刀具

〔梳刀〕齒輪刀具

〔盤形銑刀〕孔加工刀具

〔麻花鉆〕銑刀二、刀具材料

刀具切削性能的好壞，取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、幾何形態(tài)和刀具構(gòu)造。刀具材料對刀具運用壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工本錢等都有很大影響，因此要重視刀具材料的正確選擇及和合理運用。〔一〕刀具材料應具備的性能(見P14)

1、高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常溫硬度在HRC62以上；耐磨性表示抗拒磨損的實力，它取決于組織中硬質(zhì)點的硬度、數(shù)量和分布。2、足夠的強度和韌性為了承受切削中的壓力沖擊和韌性，防止崩刀和折斷，刀具材料應具有足夠的強度和韌性。3、高耐熱性刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度和韌性得實力。4、良好的工藝性為了便于制造，要求刀具材料有較好的可加工性。如，切削加工性、鑄造性、鍛造性和熱處理性等。5、良好的經(jīng)濟性〔二〕常用的刀具材料目前，消費中所用的刀具材料以高速鋼和硬質(zhì)合金居多。碳素工具鋼〔如T10A、T12A〕、工具鋼〔如9SiCr、CrWMn〕因耐熱性差，僅用于一些手工或切削速度較低的刀具。高速鋼定義：是一種參與較多的鎢、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。性能：有較高的熱穩(wěn)定性；有較高的強度、韌性、硬度和耐磨性；制造工藝簡潔，簡潔磨成銳利的切削刃，可鍛造。是制造鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等的主要材料。分類：按用處分：通用型高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝分：熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。1〕通用型高速鋼鎢鋼：典型牌號為W18Cr4V，有良好的綜合性能，可以制造各種困難刀具。鎢鉬鋼：典型牌號為W6Mo5Cr4V2，可做尺寸較小、承受沖擊力較大的刀具；熱塑性特殊好，更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性好，目前各國廣泛應用。2〕高性能高速鋼典型牌號為高碳高速鋼9W18Cr4V、高釩高速鋼W6MoCr4V3、鈷高速鋼W6MoCr4V2Co8和超硬高速鋼W2Mo9Cr4Co8等。相宜于加工高溫合金、鈦合金和超高強度鋼等難加工材料。3〕粉末冶金高速鋼用高壓氬氣或氮氣霧化熔融的高速鋼水，干脆得到細小的高速鋼粉末，高溫下壓制成致密的鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形態(tài)。相宜于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具〔如滾刀、插齒刀〕、精細刀具、磨加工量大的困難刀具、高動載荷下運用的刀具等。2、硬質(zhì)合金由難熔金屬化合物〔如WC、TiC〕和金屬粘結(jié)劑〔Co〕經(jīng)粉末冶金法制成。硬質(zhì)合金以其切削性能優(yōu)良被廣泛用作刀具材料〔約占50%〕。如大多數(shù)的車刀、端銑刀以致深孔鉆、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等。

具有高耐磨性和高耐熱性，但抗彎強度低、沖擊韌性差，很少用于制造整體刀具。它還可用于高速鋼刀具不能切削的淬硬鋼等硬材料。ISO將切削用的硬質(zhì)合金分為三類：〔各種牌號的應用范圍見p16表1.1〕1〕YG(K)類，即WC-Co類硬質(zhì)合金2〕YT(P)類，即WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金3〕YW(M)類，即WC-TiC-TaC-Co類硬質(zhì)合金〔三〕其它刀具材料1、涂層刀具2、陶瓷：硬度高、耐用度高，還可用于沖擊負荷下的粗加工，切削效率顯著進步。3、金剛石4、立方氮化硼三、刀具選用刀具種類主要依據(jù)被加