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1、Fundamentals of Manufacturing Technology,机械制造技术基础,第二章 金属切削过程,切削过程是指刀具和工件相互作用，刀具从工件表面上切去多余材料得到预期零件表面的过程。伴随着切削过程，会产生切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等一系列现象。 本章在讲授有关切削刀具基本知识的基础上，对切削过程中的上述各种现象进行研究，揭示它们的产生机理和相互之间的内在联系。,第一节 金属切削刀具基础,一、切削加工的基本概念 （一）切削运动与切削中的工件表面 用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。,主运动是使刀具和工件间产生
2、相对切削速度并消耗大部分切削动力的运动。刀具相对于工件的主运动速度称为切削速度，用vc表示。,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表面的运动。进给运动的速度称为进给速度，用vf表示。,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。,进给运动的速度较低，它可能是连续性的运动，也可能是间歇性的；它有时仅有一个，但有时也可能有几个。,图2-1 平面刨削的切削运动与加工表面,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具完成，也可以由工件完成，还可以由刀具和工件共同完成。 同时，主运动和进
3、给运动可以是直线运动，也可以是回转运动，还可以是二者的复合运动。,主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动。,（2-1）,外圆车削时，合成切削运动速度的大小和方向由下式确定,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,在切削过程中，工件上有以下三个不断变化着的表面，如图21所示。,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,待加工表面 工件上即将被切除的表面。,已加工表面 切去材料后形成的新的工件表面。 过渡表面 加工时主切削刃正在切削的表面，它处于前两种表面之间。,待加工 表面,已加工 表面,过渡 表面,图2-1 外圆车削的切削运动与加工表面,（二）切削用量 切削用量是指切削速度 vc、进给量
4、 f（或进给速度vf）和背吃刀量ap。 vc、f、ap三者又称为切削用量三要素。,图2-2 切削层参数,1. 切削速度 (m/s 或 m/min) 切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。计算切削速度时，应选取切削刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定,式中 d 工件（或刀具）的最大直径（mm）； n工件（或刀具）的转速（r/min）。,（2-2）,2. 进给量（ mm/r或mm/双行程） 工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量。 对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每齿进给量，单位是mm/z。进给速度vf 、进给量 f 和每
5、齿进给量 fz 之间的关系为 （2-3） 式中 z 刀齿数。,3. 背吃刀量 ap(mm) 背吃刀量为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。外圆车削的背吃刀量为（参见图2-2）,式中 dw 工件上待加工表面直径（mm）； dm 工件上已加工表面直径（mm）。,（2-4）,（三）切削层参数 切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。 切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。,图2-2 切削层参数,1. 切削层公称厚度 hD 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。 车外圆时如车刀主切削刃为直线，则 hD
6、反映了切削刃单位长度上的切削负荷。,（2-5）,2. 切削层公称宽度 bD 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。 如车刀主切削刃为直线，则 bD反映了切削刃参加切削的工作长度。,（2-6）,3. 切削层公称横截面积 AD 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。对于车削，切削面积即为切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。,（2-7）,二、刀具角度 切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。 外圆车刀是最基本、最典型的刀具，车刀的切削部分与其它各种刀具刀齿上的切削部分是基本相同的。下面以外圆车
7、刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。,（一）刀具切削部分的构造 刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。外圆车刀的切削部分由六个基本结构要素构造而成：,图2-3 外圆车刀的切削部分,前刀面 切屑沿其流出的刀具表面。 主后刀面 与工件上过渡表面相对的刀具表面。,图2-3 外圆车刀的切削部分,前刀面,主后刀面,副后刀面,副后刀面 与工件上已加工表面相对的刀具表面。,主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作，也称为主刀刃。,图2-3 外圆车刀的切削部分,主切削刃,副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也称为副刀刃。,图2-3 外圆车刀
8、的切削部分,主切削刃,副切削刃,图2-3 外圆车刀的切削部分,刀尖 连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线或圆弧。,主切削刃,副切削刃,刀尖,图2-3 外圆车刀的切削部分,自由切削 刀具只有一条直线主切削刃参与切削的切削过程。 非自由切削 刀具的曲线刃参与切削或刀具的主、副切削刃同时参与切削的切削过程。,附图 自由切削,图2-1 平面刨削的切削运动与加工表面,（二）刀具的标注角度 1刀具标注角度的参考系 刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。 为了确定和测量刀具的角度，此处引入一个由以下三个参考平面组成的空间坐标参考系。,
9、组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下： （1）基面 Pr 通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。,图2-4 正交平面参考系,基面Pr,（2）切削平面Ps 通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。,图2-4 正交平面参考系,切削平面Ps,（3）正交平面Po 通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。,图2-4 正交平面参考系,正交平面Po,根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系，如图2-4所示。,图2-4 正交平面参考系,除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有
10、法平面参考系、背平面参考系和假定工作平面参考系。 2. 刀具的标注角度 在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。,在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有以下五个，其定义如下(见图2-5)：,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,（1）前角 在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。,Pr,Po,Pr,O-O,（2）后角 在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角，一般为正值。,Ps,楔角,（3）主偏角 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角
11、。,Pr,vf,（4）副偏角 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,主偏角与副偏角一般均为正值。,刀尖角,（5）刃倾角 在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。,Pr,S,S,Pr,在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。,附图 车刀在正交平面参考系中的刃倾角,以刃倾角为零的刀具进行切削时，主切削刃与切削速度方向垂直，称为直角切削。 以刃倾角不等于零的刀具进行切削时，主切削刃与切削速度方向不垂直，称为斜角切削。,附图 直角切削,附图 斜角切削,要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需要标注副后角
12、，副后角确定副后刀面的空间位置。,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,也可以用以下方法来判断前角、后角及刃倾角的正负：角度的顶点取在刀尖上，空心的角度为正，实心的角度为负。 上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。,3. 刀具的工作角度 如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。,（1）进给运动对工作角度的影响,1）横向进给对工作
13、角度的影响 当刀具对工件作切断或切槽工作时，刀具进给运动是沿横向进行的。,图2-6 横向进给运动对工作角度的影响,考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度的确定的工作基面和工作切削平面分别为Pre和 Pse。工作前角 和工作后角 为,当 f 增大时， 值增大；工件切削直径 d切越小， 值越大。过大的 值有可能使 变为负值，后刀面将与工件相碰，这是不允许的。因此，切断刀应选用较大的 ，f 的取值也不宜过大。,2）纵向进给对工作角度的影响 用螺纹车刀的左刃车削螺纹表面，刀具沿纵向进给且进给量较大时，进给运动对工作角度的影响也不可忽视。,图2-7 纵向进给运动对工
14、作角度的影响,考虑纵向进给的影响后，按合成速度 的方向确定的工作基面和工作切削平面为Pre和Pse。图中螺纹车刀左侧刀刃上A点在正交平面内的工作前角大于标注前角 ；而工作后角则小于标注后角 ，其中角为,（2）刀具安装位置对工作角度的影响,1）刀刃与工件中心不等高的影响 安装刀具时，如刀尖高于或低于工件中心，会引起刀具工作角度的变化。,图2-8 刀具安装高低对工作角度的影响,若不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装得高于工件中心，基面由Pr变为Pre，切削平面由Ps变为Pse，实际工作前角 将大于标注前角 ,工作后角 将小于标注后角 。即 如果刀尖安装低于工件中心：,2）刀杆中心线与进给运动
15、方向不垂直的影响,图2-9 刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响,当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，会引起,工作主偏角和工作副偏角的改变。,如图2-9所示。其计算公式为： 式中： 刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。当刀杆轴线逆时针转动时， 角前的正负号取其上。 在使用车刀时，要注意利用这些安装特点。如粗车时，刀尖可稍高于工件轴线以增大前角来减少切削力；车细长轴时，可转动刀架来增大主偏角，以减少工件弯曲和振动。,注意，在一般车削时，由于进给量比工件直径小很多，故螺旋升角很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大时，则应考虑螺旋升角的
16、影响。,三、刀具材料 刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。 （一）刀具材料的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求： （1）较高的硬度和耐磨性 （2）足够的强度和韧性 （3）较高的耐热性 （4）良好的导热性和耐热冲击性能 （5）良好的工艺性,（二）常用刀具材料 刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。 碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。,1. 高速钢 高速钢是加入了较多的钨、钼、铬
