金屬切削的基本要素

1、金屬切削的基本要素第一節(jié)工件表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)零件的形狀是由各種表面組成的，所以零件的切削加工歸根到底是表面成形問題。1.1.1工件的加工表面及其形成方法1被加工工件的表面形狀零件表面是由若干個(gè)表面元素組成的。這些表面元素是：(a)平面、(b)直線成形表面、(c)圓柱面、(d)圓錐面、(e)球面、(f)圓環(huán)面、(g)螺旋面等。如圖1-1所示：金屬切削的基本要素第一節(jié)工件表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)2工件表面的形成方法各種典型表面都可以看作是一條線(母線)沿著另一條線(導(dǎo)線)運(yùn)動(dòng)的軌跡。為得到平面(圖1-2)，可以使直線1(母線)沿著直線2(導(dǎo)線)移動(dòng)。母線和導(dǎo)線稱為形成表面的發(fā)生線。有些表面

2、的兩條發(fā)生線完全相同，只因母線的原始位置不同，也可形成不同的表面。如圖1-2中(a)與(b)。金屬切削的基本要素第一節(jié)工件表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)3發(fā)生線的形成方法及所需的運(yùn)動(dòng)發(fā)生線是由刀具的切削刃與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)得到的。根據(jù)使用的刀具切削刃形狀和采取的加工方法不同，形成發(fā)生線的方法可歸納為四種:（1）軌跡法：利用刀具作一定規(guī)律的軌跡運(yùn)動(dòng)來對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。需要一個(gè)成形運(yùn)動(dòng)。如圖1-3(a)。（2）成形法：利用成形刀具對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。如圖1-3(b)。（3）相切法：利用刀具邊旋轉(zhuǎn)邊作軌跡運(yùn)動(dòng)來對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。用相切法得到發(fā)生線，需要兩個(gè)成形運(yùn)動(dòng)，即刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和刀具中心按一

3、定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。如圖1-3(c)。（4）展成法：利用工件和刀具作展成切削運(yùn)動(dòng)的加工方法。如圖1-3(d)。用展成發(fā)形成發(fā)生線需要一個(gè)成形運(yùn)動(dòng)（展成運(yùn)動(dòng)）。典型例子是漸開線。金屬切削的基本要素第一節(jié)工件表面的形成方法和成形運(yùn)動(dòng)1.1.2表面成形運(yùn)動(dòng)機(jī)床加工零件時(shí)，為獲得所需的表面，工件與刀具之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，既要形成母線，又要形成導(dǎo)線，于是形成著兩條發(fā)生線所需的運(yùn)動(dòng)的總和，就是形成該表面所需的運(yùn)動(dòng)。機(jī)床上形成被加工表面所需的運(yùn)動(dòng)，稱為機(jī)床的工作運(yùn)動(dòng)，又稱為表面成形運(yùn)動(dòng)。工作運(yùn)動(dòng)是機(jī)床上最基本的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)、軌跡、速度、方向等要素的控制和調(diào)整方式，對(duì)機(jī)床的布局和結(jié)構(gòu)有重大的影響。1表面成

4、形運(yùn)動(dòng)分析表面成形運(yùn)動(dòng)（簡稱成形運(yùn)動(dòng)）是保證得到工件要求的表面形狀的運(yùn)動(dòng)。（1）成形運(yùn)動(dòng)的種類1，簡單成形運(yùn)動(dòng)：簡單成形運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)。一般用符號(hào)A表示直線運(yùn)動(dòng)，用符號(hào)B表示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2，復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)：如把螺旋運(yùn)動(dòng)分解成等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和等速直線運(yùn)動(dòng)。前者是復(fù)合運(yùn)動(dòng)的一部分，各個(gè)部分必須保持嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，是互相依存，而不是獨(dú)立的。簡單運(yùn)動(dòng)之間是互相獨(dú)立的，沒有嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。（2）零件表面成形所需的成形運(yùn)動(dòng)母線和導(dǎo)線是形成零件表面的兩條發(fā)生線。因此，形成表面所需要的成形運(yùn)動(dòng)，就是形成其母線及導(dǎo)線所需要的成形運(yùn)動(dòng)的總和。為了加工出所需的零件表面，機(jī)床就必須具備這些成形運(yùn)動(dòng)。用普通

5、車刀削外圓、用成形車刀削成形回轉(zhuǎn)表面、用螺紋車刀削螺紋、用齒輪滾刀加工直齒圓柱齒輪齒面等。2主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和合成切削運(yùn)動(dòng)（1）主運(yùn)動(dòng)使工件與刀具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行切削的最基本運(yùn)動(dòng)。在表面成形運(yùn)動(dòng)，必須有且只能有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)。（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)維持切削加工得以繼續(xù)的運(yùn)動(dòng)。（3）合成切削運(yùn)動(dòng)由同時(shí)進(jìn)行的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成的運(yùn)動(dòng)。金屬切削的基本要素第二節(jié)加工表面和切削用量三要素1.2.1切削過程中工件上的加工表面（1）待加工表面加工是即將被切除的表面（2）已加工表面已被切去多余金屬而形成符合要求的工件新表面（3）過渡表面加工時(shí)由主切削刃正在切削的那個(gè)表面，他是待加工表面之間的表面1.swf金屬切削的基

6、本要素第二節(jié)加工表面和切削用量三要素1.2.2切削用量三要素（1）切削速度c（2）進(jìn)給量f（3）切削深度p稱之為切削用量三要素1切削速度主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削速度的計(jì)算公式如下：c=dn/1000(m/s或m/min)式中d工件或刀具上某一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑，mm；n工件或刀具的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。2進(jìn)給速度f，進(jìn)給量f和每齒進(jìn)給量fz進(jìn)給速度f是單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)給位移量，單位是mm/s(或mm/min)。進(jìn)給量f是工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周時(shí)二者進(jìn)給方向的相對(duì)位移，單位是mm/r(毫米/轉(zhuǎn))。每齒進(jìn)給量fz，單位是mm/齒。三者有如下關(guān)系f=fn=fzzn(mm/s或mm/min)3切削深度p切削

7、深度p為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，單位為mm。外圓車削時(shí)切削深度可用下式計(jì)算：p=(dw-dm)/2(mm)對(duì)于鉆削p=dm/2(mm)上兩式中dm已加工表面直徑，mm；dw待加工表面直徑，mm。金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度1.3.1刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素外圓車刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又稱刀頭）由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所組成。刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素如圖1-5所示，其定義如下：前刀面切屑流過的表面，以A表示。主后刀面與工件上過渡表面相對(duì)的表面，以A表示。副后刀面與工件上已加工表面相對(duì)的表面，以A表示。主切削刃前刀面與主后刀面的交線，記

8、為S。它承擔(dān)主要的切削工作。副切削刃前刀面與副后刀面的交線，記為S。它協(xié)同主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面，如圖1-6所示。金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度刀尖主副切削刃銜接處很短的一段切削刃。也稱為過度刃。它可以是小的直線段或圓弧。常用有交點(diǎn)刀尖、圓弧刀尖和倒棱刀尖金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度1.3.2刀具角度的參考系刀具切削部分的幾何形狀主要有一些刀面和刀刃的方位角度來表示。為了確定刀具的這些角度，必須將刀具置于相應(yīng)的參考系中。參考系可分為刀具標(biāo)注角度參考系和刀具工作角度參考系，前者由主運(yùn)動(dòng)方向確定，而后者有合成切削運(yùn)動(dòng)方向確定。2.swf金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度1刀

9、具標(biāo)注角度參考系（見圖1-7與圖1-8）基面r通過主切削刃上選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)切削速度方向的平面。切削平面s通過主切削刃上選定點(diǎn)，與主切削刃相切，且垂直于該點(diǎn)基面的平面。主剖面Po通過切削刃上選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。主剖面參考系Pr-Ps-Po組成一個(gè)正交的主剖面參考系。目前生產(chǎn)中最常用的刀具標(biāo)注角度參考系切削刃法剖面Pn通過切削刃上選定點(diǎn)，垂直與切削刃的平面。進(jìn)給剖面Pf通過切削刃上選定點(diǎn)，平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面的片面。切深剖面Pp通過切削刃上選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于Pr和Pf的平面。進(jìn)給、切深剖面參考系Pr-Pf-Pp組成3.swf金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度2刀具工

10、作角度參考系在刀具標(biāo)注參考系里定義基面時(shí)，只考慮主運(yùn)動(dòng)，未考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。但刀具在實(shí)際使用時(shí)，這樣的參考系所確定的刀具角度往往不能反映切削加工的真實(shí)情形，只有用合成切削運(yùn)動(dòng)方向來確定參考系。其定義見表1-1。金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度1.3.3刀具標(biāo)注角度在刀具標(biāo)注角度參考系中確定的切削刃與各刀面的方位角度，稱為刀具標(biāo)注角度。如圖1-9所示。1主剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度前角o在主剖面內(nèi)度量的前刀面與基面的夾角。后角o在主剖面內(nèi)度量的主后刀面與切削平面的夾角。后角一般為正值。刃傾角s在切削平面內(nèi)度量的主切削刃與基面間的夾角。主偏角r在基面內(nèi)測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。主偏

11、角一般為正值。副偏角r在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角。副偏角一般為正值金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度2法剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度法前角n在法剖面內(nèi)度量的前刀面與基面的夾角。法后角n在法剖面內(nèi)度量的切削平面與后刀面的夾角。法楔角n在法剖面內(nèi)度量的前刀面與后刀面的夾角。3進(jìn)給、切深剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度進(jìn)給、切深剖面參考系內(nèi)的標(biāo)注角度可以從圖1-9所示的R向視圖Pr、F-F（Pf）和P-P（Pp）剖面圖中得到。1.3.4刀具角度換算1主剖面與法剖面內(nèi)的角度換算金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度2主剖面與其它剖面內(nèi)的角度換算金屬切削的基本要素

12、第三節(jié)刀具角度金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度1.3.5刀具工作角度1進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響（1）橫車圖1-12所示為切斷車刀加工時(shí)的情況，此時(shí)切削速度Vc變至合成速度V，因而基面P由水平位置變至工作基面Pre，切削平面P由鉛垂位置變至工作切削平面Pse，從而引起刀具的前角和后角發(fā)生變化：oe=o+oe=o-=arctgf/(d)式中，oe,oe工作前角和工作后角。由此可知，當(dāng)進(jìn)給量增大，則值增大；當(dāng)瞬時(shí)直徑減小，值也增大。因此，車削至接近工件中心時(shí)，值增長的很快，工作后角將由正變負(fù)，致使工件最后被擠斷。金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度（2）縱車車削外圓時(shí)，假定車刀s，如不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，

13、則基面P平行于刀桿底面，切削平面P垂直于刀桿底面。若考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，則過切削刃上選定點(diǎn)的相對(duì)速度是合成切削速度V而不是主運(yùn)動(dòng)V，故刀刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件表面的運(yùn)動(dòng)就是螺旋線。這時(shí)基面P和切削平面P就會(huì)在空間偏轉(zhuǎn)一定的角度，從而使刀具的工作前角oe增大，工作后角減?。ㄒ妶D1-13）。oeooeotgfsinr/(dw)可知，進(jìn)給量越大，工件直徑越小，則工作角度值的變化就越大。一般車削時(shí)，由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)所引起的值不超過301o，故其影響?？珊雎?。但是在車削大螺距螺紋或蝸桿時(shí)，進(jìn)給量很大，故值較大，此時(shí)就必須考慮它對(duì)刀具工作角度的影響。金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度2切削刃上選定點(diǎn)安裝高低對(duì)刀具工作角度

14、的影響車削外圓時(shí)，車刀的刀尖一般與工件軸心是等高的。如果刀尖高于或低于工件軸線，則此時(shí)的切削速度方向發(fā)生變化，引起基面和切削平面的位置改變，從而使車刀的實(shí)際切削角度發(fā)生變化。如圖1-14所示：刀尖高于工件軸線時(shí)，工作切削平面變?yōu)镻se，工作基面變?yōu)镻re，則工作前角oe增大，工作后角oe減??；刀尖低于工件軸線時(shí)，工作角度的變化正好相反：oeooeo+tghcosr/(dw/2)2h2式中，刀尖高于或低于工件軸線的距離（金屬切削的基本要素第三節(jié)刀具角度3刀柄中心線與進(jìn)給方向不垂直對(duì)刀具工作角度的影響當(dāng)車刀刀桿的中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)，車刀的主偏角和副偏角將發(fā)生變化。刀桿右斜（見圖1-15），將

15、使工作主偏角re增大，工作副偏角re減??；如果刀桿左斜，則re減小，re增大：re=jre=+j式中，j進(jìn)給方向的垂線與刀桿中心線的夾角金屬切削的基本要素第四節(jié)切削層參數(shù)與切削方式1.4.1切削層參數(shù)各種切削加工的切削層參數(shù)，可用典型的外圓縱車來說明。如圖：1.切削層在各種切削加工中，刀具相對(duì)于工件沿進(jìn)給方向每移動(dòng)f(mm/r)或fz(mm/齒)之后，一個(gè)刀齒正在切削的金屬層稱為切削層。切削層的尺寸稱為切削層參數(shù)。切削層的剖面形狀和尺寸通常在基面內(nèi)觀察和度量。2切削厚度垂直于過渡表面來度量的切削層尺寸，稱為切削厚度，以hD表示。在外圓縱車（s=0）hD=fsinr3切削寬度沿過渡表面來度量的切

16、削層尺寸，稱為切削寬度，以bD表示。在外圓縱車（s=0）bD=p/sinr金屬切削的基本要素第四節(jié)切削層參數(shù)與切削方式4切削面積切削層在基面內(nèi)的面積，稱為切削面積，以AD表示。其計(jì)算公式為：AD=hDbD5金屬切除率金屬切除率是指刀具在單位時(shí)間內(nèi)從工件上切除的金屬的體積，它是衡量金屬切削加工效率的指標(biāo)。1.4.2切削方式1正切削和斜切削切削刃垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)的切削方式稱為正切削或直角切削。如切削刃不垂直于切削運(yùn)動(dòng)方向則稱為斜切削或斜角切削。2自由切削與非自由切削自由切削是只有直線形切削刃參加切削工作者。非自由切削是曲線形主切削刃或主副切削刃均參加切削者。根據(jù)切削變形是二維變形還是三維變形進(jìn)行

17、區(qū)分的。金屬切削的基本要素第五節(jié)第五節(jié) 刀具材料刀具材料1.5.1刀具材料應(yīng)具備的基本性能（1）高的硬度刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料的常溫硬度，一般要求在HRC60以上。（2）高的耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨損的能力。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。（3）足夠的強(qiáng)度和韌性以便承受切削力，沖擊和振動(dòng)，而不致于產(chǎn)生崩刃和折斷。（4）高的耐熱性（熱穩(wěn)定性）耐熱性是指刀具材料在高溫下保持硬度，耐磨性，強(qiáng)度和韌性的能力。（5）良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能即刀具材料的導(dǎo)熱性能要好，不會(huì)因受到大的熱沖擊產(chǎn)生刀具內(nèi)部裂紋而導(dǎo)致刀具斷裂。（6）良好的工藝性能即刀具材料應(yīng)具有良好的鍛造性能，

18、熱處理性能，焊接性能，磨削加工性能等。1.5.2高速鋼高速鋼是含有較多鎢、鉬、鉻、釩等元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的硬度（熱處理硬度可達(dá)HRC6267）和耐熱性（切削溫度可達(dá)550600o）。與碳素工具鋼和合金工具鋼相比，高速鋼能提高切削速度13倍（因此而得名），提高刀具耐用度1040倍，甚至更多。它可以加工從有色金屬到高溫合金在內(nèi)的范圍廣泛的材料。高速鋼刀具制造工藝簡單，能鍛造，容易磨出鋒利的刀刃，因此在復(fù)雜刀具（鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等）的制造中，高速鋼占有重要地位。高速鋼按用途不同，可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝不同，可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。表

19、1-2列出了常用高速鋼的力學(xué)性能和適用范圍。金屬切削的基本要素第五節(jié)第五節(jié) 刀具材料刀具材料金屬切削的基本要素第五節(jié)第五節(jié) 刀具材料刀具材料1.5.3硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是高硬度、難熔金屬碳化物（主要是WC，TiC等，又稱高溫碳化物）微米級(jí)的粉末，用鈷或鎳作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品。允許切削溫度高達(dá)800-1000C，切削中碳鋼時(shí)，切削速度可達(dá)100-200m/min.1高溫碳化物硬質(zhì)合金的性能主要取決于金屬碳化物的種類、性能、數(shù)量、粒度和粘結(jié)劑的份量。（1）碳化物的種類和性能在硬質(zhì)合金中碳化物所占比例越大，則硬度越高；反之，碳化物減少，則硬度低，但抗彎強(qiáng)度提高。（2）碳化物的粒度碳化物的粒度

20、越細(xì)，則越有利于提高硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性，但當(dāng)粘結(jié)劑含量一定時(shí)，如碳化物粒度減小，則碳化物顆粒的總表面積加大，使粘結(jié)層厚度減薄，從而降低了合金的抗彎強(qiáng)度。反之，則合金的抗彎強(qiáng)度提高，而硬度降低。碳化物粒度的均勻性也影響硬質(zhì)合金的性能，粒度均勻的碳化物可形成均勻的粘結(jié)層，可防止產(chǎn)生裂紋。在硬質(zhì)合金中添加TaC能使碳化物粒度均勻和細(xì)化。2硬質(zhì)合金的種類和牌號(hào)目前大部分硬質(zhì)合金是以WC為基體，并分為WC-Co(YG類),WC-TiC-Co(YT類),WC-TaC(NbC)-Co(YA類)以及WC-TiC-TaC(NbC)-Co(YW類)四類。表1-3列出了常用硬質(zhì)合金的牌號(hào)、性能和使用范圍。金屬切削的基本要素第五節(jié)第五節(jié) 刀具材料刀具材料金屬切削的基本要素第五節(jié)第五節(jié) 刀具材料刀具材料3硬質(zhì)合金的性能（1）硬度由于WC,TiC等的硬度很高，所以合金的硬度也很高，一般在HRA89-93之間。硬質(zhì)合金的硬度隨著溫度的升高而降低。合金的高溫硬度主要