機械制造第2章

項目二金屬切削基礎知識項目學習要點切削運動和切削用量金屬切削刀具切削層參數(shù)和切削方式綜合實訓項目小結任務一切削運動和切削用量

一、切削運動和工件表面

1．切削運動

切削運動是指切削過程中刀具與工件之間存在的相對運動。根據(jù)運動作用的不同，切削運動分為主運動和進給運動。（1）主運動

主運動是指使工件與刀具產(chǎn)生相對運動以進行切削的最基本運動，如下圖所示。（2）進給運動

進給運動是指配合主運動使刀具能夠持續(xù)切除工件上多余的金屬，以便形成工件表面所需的運動，如下圖所示。

主運動

主運動

進給運動

進給運動

vc

vf

vc

vf

外圓車削的切削運動

刨削的切削運動2．工件的表面及其形成方法

（1）切削過程中工件的表面金屬切削過程是指在機床上通過刀具與工件的相對運動，利用刀具從工件上切下多余金屬層，形成切屑和已加工表面的過程。在切削過程中，由于工件表面的多余金屬不斷地被刀具切下，因此，被加工工件上有三個依次變化著的表面，即待加工表面、已加工表面和過渡表面。待加工表面過渡表面已加工表面

已加工表面：工件上已被切去多余金屬的表面。

過渡表面：是由待加工表面向已加工表面過渡的表面，也是切削過程中不斷變化的表面。待加工表面：工件上待切除的表面。如右圖所示：（2）工件表面的形成方法

（a）圓柱面

（b）圓錐面

（c）回轉雙曲面（d）平面

（e）螺旋面

（f）成形曲面工件的表面形狀千變?nèi)f化，但大都是由幾種常見的表面組合而成的。這些表面包括圓柱面、圓錐面、回轉雙曲面、平面、螺旋面和成形曲面等，如下圖所示。

如下圖所示表面都可以看成是由一母線沿著導線運動而形成的。

（a）

（b）

（c）（d）

（e）母線母線母線母線導線導線導線導線導線母線常用的工件表面的形成方法有軌跡法、成形法、展成法、相切法等，如下圖所示。二、切削用量

切削用量又稱為切削用量三要素，是指切削加工過程中切削速度、進給量和背吃刀量的總稱。1．切削速度vc切削速度是指切削刃上選定點相對于工件主運動的瞬時速度，單位是m/s或m/min。若主運動為旋轉運動，切削速度可按下式計算：

若主運動為直線運動（如刨削、插削等），則切削速度為刀具相對于工件的直線運動速度。2．進給速度vf、進給量f和每齒進給量fz進給速度：是指刀具上選定點相對于工件進給運動的瞬時速度，單位是mm/s或mm/min。進給量：當主運動是回轉運動時，進給量是指每回轉一周工件或刀具沿進給方向的相對位移量，單位是mm/r；當主運動是直線往復運動時，進給量是指每一往復行程工件和刀具沿進給方向的相對位移量，單位是mm/行程。

每齒進給量：是指多齒刀具（如銑刀、鉸刀、拉刀等）每轉過或移動一個齒相對工件在進給運動方向上的位移，單位是mm/z。三者的關系為：3．背吃刀量ap

背吃刀量是指在垂直于主運動和進給運動方向上測得的工件已加工表面和待加工表面間的距離，單位是mm。主運動是回轉運動時：鉆孔

主運動是直線運動時：

車外圓任務二金屬切削刀具

一、刀具的組成

車刀由刀柄和切削部分組成，如下圖所示。刀柄是指刀具的夾持部分；切削部分是指刀具上直接參加切削工作的部分。刀柄切削部分副切削刃副后刀面刀尖主后刀面前刀面主切削刃刀具切削部分包括“三面、二線、一點”。其中，“三面”包括前刀面、主后刀面和副后刀面；“二線”包括主切削刃和副切削刃；“一點”是指刀尖。二、刀具角度

1．刀具的角度參考系

刀具的角度參考系分為刀具標注角度參考系（又稱為靜止參考系）和刀具工作參考系兩種。

刀具標注角度參考系：是指在假設運動條件和假定的刀具安裝條件下，刀具設計、制造、刃磨和測量時用于定義刀具幾何參數(shù)的參考系。

刀具工作參考系：是指刀具在切削狀態(tài)下的實際參考系，即按合成切削運動方向（主運動和進給運動的合成）和實際安裝情況來定義的刀具參考系。2．刀具的標注角度

刀具的標注角度又稱靜止角度，是指在刀具標注角度參考系內(nèi)確定的刀具幾何角度。（1）刀具標注角度的坐標平面與參考系①刀具標注角度的坐標平面

刀具標注角度的坐標平面由測量坐標平面和參考坐標平面組成。

測量坐標平面：主要包括正交平面、法平面、假定工作平面和背平面四種坐標平面。橫車縱車γoγoaoao假定主運動方向假定主運動方向切削平面切削平面基面基面假定進給運動方向（f≈0）

參考坐標平面：主要包括基面和切削平面兩種坐標平面，如下圖所示。②刀具標注角度參考系上述參考平面和測量平面可以組成正交平面參考系、法平面參考系、假定工作平面和背平面參考系三個坐標平面參考系，如下圖所示。

vfPoPsPrvfvfPsPrPnPrPfPp（a）正交平面參考系（b）法平面參考系（c）假定工作平面和背平面參考系（2）正交平面參考系中的標注角度在正交平面中測量的刀具角度有前角γo、后角αo和楔角βo三種。在切削平面內(nèi)測量的刀具角度只有刃傾角λs。如右圖所示：在基面中測量的刀具角度有副偏角和刀尖角εr三種。

主偏角、3．刀具的工作角度

刀具的工作角度是指在刀具工作參考系中定義和測量的刀具角度

。工作參考系中的坐標平面和刀具幾何角度的符號應在標注角度參考系中相應符號的基礎上加注下標“e”。（1）進給運動對刀具工作角度的影響①橫向進給運動的影響OPr如右圖所示，橫向進給時，在刀具工作角度參考系內(nèi)，刀具工作前角和工作后角分別為：

②縱向進給運動的影響αoe如左圖所示，縱向進給時，在假定工作平面內(nèi)測量的刀具工作前角、工作后角分別為：

在正交平面內(nèi)，刀具的工作角度為：

（2）刀具安裝對刀具工作角度的影響①刀具安裝高低的影響

PsPsePrPrevf如右圖所示，當?shù)都飧哂诠ぜ行木€時，車刀的工作前角、工作后角分別為：當?shù)都獾陀诠ぜ行臅r，上述角度的變化正好相反，即：②刀具安裝軸線位置變化的影響如右圖所示，外圓車刀軸線與進給方向不垂直，且與刀具軸線的傾斜角度為θ時，刀具主偏角和副偏角的變化分別為：三、刀具材料

1．對刀具材料的基本要求

（1）高的硬度和耐磨性（2）足夠的強度和韌性（3）良好的耐熱性和導熱性

（4）良好的工藝性與經(jīng)濟性2．常見刀具材料常用刀具材料的種類很多，包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。目前最常用的刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金。

（1）高速鋼高速鋼是指在合金工具鋼中加入鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。它具有較高的強度、韌性、耐熱性、耐磨性及工藝性，是目前應用最廣泛的刀具材料。高速鋼因刃磨時易獲得鋒利的刃口，所以又稱為“鋒鋼”。高速鋼按用途不同，可分為普通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。（2）硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由硬度和熔點都很高的金屬碳化物粉末（如WC、TiC等）和粘結劑（如Co、Mo、Ni等）燒結而成的粉末冶金制品。其常溫硬度可達71～82HRC，能耐850℃～1000℃的高溫，切削速度可比高速鋼高4～10倍。但其韌性與抗彎強度差，抗沖擊和振動性差，制造工藝性差。我國目前生產(chǎn)的硬質(zhì)合金主要分為K類（YG，即鎢鈷類硬質(zhì)合金）、P類（YT，即鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金）和M類（YW，即鎢鈷鈦鉭鈮類硬質(zhì)合金）三類。（3）其他刀具材料

陶瓷刀具：是指以氧化鋁（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）為基體，再添加少量金屬，在高溫下燒結而成的一種刀具材料。它主要用于鋼、鑄鐵、高硬度材料及高精度零件的精加工。

金剛石：分天然和人造兩種，是碳的同素異形體，是目前最硬的刀具材料，其顯微硬度達10000HV。它主要用于有色金屬及非金屬的精加工、超精加工以及作磨具、磨料用。立方氮化硼：是由六方氮化硼在高溫高壓下轉化而成的，硬度高，耐磨性好。它主要用于加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金和一些難加工材料。四、刀具種類

由于機械零件的材質(zhì)、形狀、技術要求和加工工藝的多樣性，客觀上要求進行加工的刀具具有不同的結構和切削性能。因此，生產(chǎn)中所使用的刀具的種類很多。按用途和加工方法，刀具可分為切刀類、孔加工刀具、拉刀類、銑刀類、螺紋刀具、齒輪刀具、磨具類、自動線刀具和數(shù)控機床刀具等。一、切削層參數(shù)

切削層是指在切削過程中，刀具或工件沿進給方向移動一個進給量時，刀具的刀刃從工件待加工表面切下的金屬層。切削層參數(shù)是指在垂直于選定點主運動方向的平面中度量的切削層截面尺寸。切削層參數(shù)包括切削層公稱厚度hD、切削層公稱寬度bD和切削層公稱橫截面積AD。任務三切削層參數(shù)和切削方式切削層公稱厚度hD：是指過切削刃上的選定點，在基面內(nèi)測量的垂直于過渡表面的切削層尺寸，單位為mm。

切削層公稱寬度bD：是指過切削刃上的選定點，在基面內(nèi)測量的平行于過渡表面的切削層尺寸，單位為mm。

切削層公稱橫截面積AD：是指過切削刃上的選定點，在基面內(nèi)測量的切削層橫截面積，單位為mm2。二、切削方式

1．直角切削和斜角切削

切屑沿刀刃法向流出

切屑流出方向

λs

切削刃法線

直角切削斜角切削

直角切削：是指刀刃垂直于合成切削運動方向的切削方式。

斜角切削：是指刀刃不垂直于合成切削運動方向的切削方式。如右圖所示：2．自由切削和非自由切削

自由切削是指在切削過程中，只有一條直線刀刃參加切削工作的切削方式。當切削方式既屬于自由切削，又屬于直角切削時，這種切削方式稱為直角自由切削。非自由切削是指曲線刀刃或兩條以上的刀刃參加切削的切削方式。實際生產(chǎn)中，切削方式多屬于斜角、非自由切削方式，而在理論和實驗研究工作中，為了簡化條件常采用直角自由切削方式。綜合實訓

一、切削用量及切削層參數(shù)的計算

用主偏角為75°的車刀車外圓，工件加工前直徑為75mm，加工后直徑為66mm，工件轉速n為220r/min，刀具每秒沿工件軸向移動1.6mm，試求切削用量三要素（切削速度、進給量和背吃刀量）及切削層參數(shù)（切削厚度、切削寬度和切削面積）的大小。1．實訓過程

（1）切削用量切削速度（m/min）進給量（mm/r）背吃刀量（mm）（2）切削層參數(shù)切削厚度

（mm）切削寬度

（mm）切削面積（mm2）2．實訓總結通過計算切削用量和切削層參數(shù)，掌握切削用量及切削層參數(shù)的概念和計算。二、標注刀具角度

在正交平面參考系中，標注如下圖（a）所示切斷刀的角度。其中，下圖（b）所示為切斷刀的主視圖，下圖（c）所示為切斷刀的俯視圖，下圖（d）所示為切斷刀的左視圖。

vc（a）（b）（d）（c）vf通過各角度的定義標注角度如右圖所示：1．實訓過程

2．實訓總結通過對切斷刀角度的標注，掌握刀具標注角度的坐標平面的確定及刀具標注角度的概念。

項目小結1．切削運動和切削用量（1）切削運動包括主運動和進給運動。在切削運動中，主運動只有一個，進給運動可由一個或多個