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1、机械制造基础,第 一 篇,金属切削及金属切削机床基础 在机器上用金属切削刀具切除工件上多余的金属，从而使工件的形状、尺寸精度及表面质量都符合预定要求的加工，称为金属切削加工，也称为冷加工。金属切削加工过程中出现的各种现象和规律，都要根据刀具与工件之间的运动状态来观察和研究。 金属切削加工所用的机器称为金属切削机床，简称机床。它提供刀具与工件之间的相对运动，提供加工过程中所需的动力，是机械制造业的主要加工设备。,本篇将介绍金属切削的基本概念；金属切削刀具基本知识；金属切削过程中各种物理现象的成因、变化规律及其对切削加工的影响；金属切削机床的分类和型号编制方法；机床传动系统及其本体部件、操纵和控制
2、机构等内容。,第一章 金属切削基础知识,【要点和目的】 金属切削加工离不开金属切削刀具，且刀具与工件之间必须有相对运动和合理的运动参数。本章主要讲述切削运动、切削用量、切削层参数等基本概念；金属切削刀具的结构组成、几何参数和基本要求等。 通过本章学习，掌握切削运动、切削用量、切削层参数、刀具标注角度等基本概念，熟悉刀具切削部分的组成及其几何参数，了解刀具工作角度的概念及计算方法，掌握刀具材料应具备的基本性能、常用刀具材料的牌号、性能特点及其适用场合。,第一节 切削运动和切削用量,一、切削运动和切削形成表面 1.切削运动 在金属切削过程中，刀具和工件之间必须有一定的相对运动(即切削运动)，才能切
3、除 件上的多余金属。切削运动按其作用不同分为主运动和进给运动两种，如图1-1所示。图1-1，切削运动，图1-2，合成切削运动和切削表面。 (1)主运动 它是直接切除工件上的切削层，使之转变为切屑，以形成工件新表面的最基本、最主要的运动。主运动通常是切削运动中速度最高，消耗功率最多的运动。,(2)进给运动 它是指与主运动配合。 (3)合成切削运动 切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两种运动的合成，如图1-2所示。合成切削运动是主运动与进给运动的合成运动。合成切削速度ve、主运动速度vc、进给运动速度vf之间的矢量表达式为ve=vc+vf。,
4、2.切削中形成的表面 在切削过程中，工件上有三个不断变化着的表面，如图1-2所示。 (1)待加工表面 加工时即将被切除的工件表面。 (2)已加工表面 工件上经刀具切削后产生的新表面。 (3)过渡表面 工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面与已加工表面的连接表面。 二、切削用量 切削用量是切削过程中切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap的总称。 1.切削速度vc,切削速度是指切削刃上某选定点相对于工件在该点主运动方向上的瞬时速度，即主运动的线速度。当主运动为旋转运动时(如车削加工),切削速度为其最大的线速度。计算公式为,当主运动为往复直线运动时(如刨削加工)，其平均切削速度vc的计算公式为,进
5、给量f是工件或刀具每转一周时，刀具相对于工件在进给方向上的位移量，单位为mm/r。,3.背吃刀量ap(或切削深度) 背吃刀量是指工件上已加工表面与待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 车削外圆时，背吃刀量的计算公式为,第二节 金属切削刀具概述,一、刀具的类型 金属切削刀具是完成金属切削加工的重要工具。它直接参与切削过程，从工件上切除多余的金属层。它是切削加工过程中影响生产率、加工质量和生产成本的最活跃的因素。刀具的性能直接决定着机床性能的发挥。 根据用途和加工方法不同，刀具有很多分类方法。图1-3所示为常见的几种刀具类型,(1)切刀类 一般根据加工方式进行分类，如车刀、铣刀、刨刀、插刀、镗刀、
6、拉刀、滚齿刀、插齿刀以及相应的一些专用切刀(如成形刀具、组合刀具)等。 (2)孔加工刀具 它主要是指在实体材料上加工孔或对原有孔进行再加工所用的刀具，如麻花钻、扩孔钻、锪钻、深孔钻、铰刀、镗刀、丝锥等。 (3)螺纹刀具 它主要是指加工内、外螺纹表面用的刀具。常用的螺纹刀具有丝锥、板牙、螺纹滚压工具及螺纹车刀、螺纹梳刀等。 (4)齿轮刀具 它是指用于加工齿轮、链轮、花键等齿形一类的刀具，如齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。,(5)磨具类 它是指用于表面精加工和超精加工的刀具，如砂轮、砂带、抛光轮等。 二、刀具切削部分的基本定义 金属切削刀具的种类繁多，形状各异，但其切削部分的几何形 状和参数
7、都有着共性，无论刀具结构如何复杂，其基本形态都近 似于外圆车刀的切削部分。国际标准化组织(ISO)在确定金属切削 刀具切削部分几何形状的一般术语时，都是以车刀为基础的。车 刀是最常用、最典型、最简单的刀具之一，其他刀具均可认为是 由其演变和组合而成。,下面以外圆车刀为例介绍刀具切削部分的组成及其基本定义。 车刀是由刀柄和刀头两部分组成，如图1-4所示。刀柄用于夹持刀具，又称夹持部分；刀头是刀具的切削部分，起切削工件的作用。刀具切削部分一般由三个刀面、两个切削刃和一个刀尖组成。,(1)前面 刀具上切屑流过的表面称为刀具的前面，以Ar来表示。 (2)主后面 刀具上与过渡表面相对的表面称为刀具的主后
8、面，简称后面，以Aa表示。 (3)副后面 刀具上与已加工表面相对的表面称为刀具的副后面，以Aa表示。 (4)主切削刃 前面与主后面的相交部分为主切削刃，以S表示。它担负主要的切削工作。 (5)副切削刃 前面与副后面的相交部分称为副切削刃，以S表示。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。 (6)刀尖 主切削刃和副切削刃连接处很短的一部分切削刃称为刀尖。为了提高刀尖的强度和耐磨性，常将刀尖磨成圆弧形或直线形过渡刃。,三、刀具的标注角度与刀具的工作角度 为了定量地表示刀具切削部分的几何形状，用一组确定的几何参数表达刀具表面和切削刃在空间的位置。刀具角度是确定刀具几何形状和影响刀具切削性能
9、的重要参数。要确定刀具角度，首先要人为地建立参考平面即参考坐标系。度量刀具几何参数的参考坐标系分为两种，一种是刀具静止参考系，另一种是刀具工作参考系。 1.刀具的静止参考系与标注角度 刀具的静止参考系，是用于刀具的设计、制造、刃磨及测量时几何参数的参考系。,它不受刀具工作条件变化的影响，即只考虑主运动和进给运动的方向，并以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动方向为假定主运动方向，不考虑进给运动的大小，刀具的安装定位基准与主运动方向平行或垂直，刀尖与工件中心等高。 (1)刀具静止参考系 由坐标平面和测量平面两部分组成。坐标平面包括基面和切削平面，最常用的测量平面为正交平面。我们把由相互垂直的基面
10、、切削平面和正交平面所构成的直角坐标系称为正交平面参考系，如图1-5所示。 1)基面通 过切削刃某选定点，垂直于该点主运动方向的平面，以pr表示。 2)切削平面 通过切削刃某选定点，切于切削刃并垂直于该点基面的平面，以ps表示。 3)正交平面 通过切削刃某选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面，以po表示。,(2)刀具标注角度 它是指在静止参考系中所确定的刀具几何角度，如图1-6所示。外圆车刀在正交平面参考系中具有以下几个标注角度。,4)前角o 前面与基面在正交平面内的投影之间夹角。它反映了前面的倾斜程度。前角有正、负和零值之分。若前面在基面之下，前角为正；前面在基面之上，前角为负；前面与基面
11、重合，前角为零度。 5)后角o 主后面与切削平面在正交平面的投影之间夹角。它反映了主后面的倾斜程度，刀具的后角一般为正值。 6)楔角o 前面与主后面在正交平面内的投影之间夹角，且o=90-(o+o) 7)刃倾角s 在切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。刃倾角有正、负和零值之分。当刀尖为切削刃最高点时，s为正；当刀尖为切削刃最低点时，s为负；当主切削刃与基面平行时，s为零，如图1-7所示。,上述角度中，r、r、o、o、s为车刀独立的基本角度，r、o为派生角度。 2.工作参考系及工作角度 刀具在工作状态时的实际角度称为工作角度，分别用re、re、oe、oe、se表示，它们是切削过程中真正起作用
12、的角度。,3.影响刀具工作角度的因素 (1)刀具安装位置对工作角度的影响 如图1-8所示车削外圆，当刀具切削刃高于工件中心高h时，基面pr和切削平面ps分别变为工作基面pre和工作切削平面pse，使工作前角oe增大一个角度，工作后角oe减小一个角度。,(2)刀柄轴线与进给方向不垂直时对工作角度的影响 如图1-9所示，车刀刀柄轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角re和工作副偏角re将发生变化。其中，图a主偏角增大，副偏角减小；图c主偏角减小，副偏角增大；图b为安装正确时的情况。,(3)进给运动对工作角度的影响 如图1-10所示横向进给切断工件加工，当不考虑进给运动时，刀具的基面为pr，切削平面为p
13、s，对应标注角度为o和o；而切断时由于进给量较大，切削刃选定点相对于工件的主运动轨迹为一平面的阿基米德螺旋线，合成切削速度ve切于阿基米德螺旋线，工作基面pre和工作切削平面pse相对于基面pr和切削平面ps转过了一个角，这时，工作前角增大一个角度，工作后角减小一个角度。,式中 切削刃选定点处工件的旋转半径，随刀具进给逐渐减小，单位为mm。 由式(1-5)可知，值与f、有关。越小，越大，oe就越小。当切削刃接近中心时，oe会变为负值，工件会被后刀面挤断。所以工件切断时，在端面上会留下一直径为12mm的小圆柱。实际上，一般车削外圆=3040 ，可忽略不计。,四、切削层参数 切削层是指在工件上正被
14、刀具切削刃切削的一层多余的金属材料。如图1-11所示外圆车削，工件转一周，车刀主切削刃移动一个进给量f(即从位置到位置)，车刀切下与之间的金属层即为切削层。切削层在垂直于主运动方向上的断面称为切削层截面，其截面尺寸的大小即为切削层参数，它决定了刀具所承受负荷的大小及切削层尺寸，还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产率。切削层的参数规定在其横截面(即基面pr)中测量，包括公称厚度、公称宽度及公称横截面面积三项。,1.切削层公称厚度 在切削层横截面内，垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削层公称厚度，用hD表示。它的大小反映刀具切削刃单位长度上工作负荷的大小。计算公式为 hD=fsinr(1-6
15、),2.切削层公称宽度 在切削层横截面内，平行于过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削层公称宽度，用bD表示。它的大小影响刀具的散热情况。计算公式为,apsinr(1-7),3.切削层公称横截面面积 切削层在基面内的面积，即切削层横截面的面积称为切削层公称横截面面积，用AD表示。它的大小反映了切削刃所受载荷的大小，并影响加工质量、生产率及刀具寿命。此面积近似等于背吃刀量与进给量的乘积或切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。计算公式为,第三节 刀具材料的性能及分类,刀具材料指的是刀具切削部分的材料。 一、 刀具材料应具备的性能 在切削加工过程中，刀具切削部分直接与切屑、工件相互接触，工作表面上承受很
16、大的压力和强烈的摩擦，刀具切削区产生很高的温度受到很大的应力。在加工余量不均匀的工件或断续加工时，刀具还受到强烈的冲击和振动，因此，刀具材料必须具备以下性能。 1.高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，必须具有高的抵抗磨粒磨损的能力。一般刀具材料硬度应为60HRC以上。硬度是刀具材料应具备的最基本的特征，通常材料硬度越高，耐磨性越好。,2.足够的强度和韧性 在切削过程中，刀具承受很大的切削抗力、冲击和振动，为防止刀具崩刃和碎裂，刀具材料必须具有足够的强度和韧性。 3.高耐热性 耐热性是指刀具材料在高温下保持高硬度、耐磨性、强度和韧性的能力，也包括刀具材料在高温下抗氧化、粘接、扩散的性能。 4.良好的工艺性 刀具材料应便于刀具的制造和刃磨。其工艺性包括切削加工性、可磨削性、热处理性能、焊接工艺性、锻造性能及高温塑性变形
