機(jī)械制造第2章

項(xiàng)目二金屬切削基礎(chǔ)知識(shí)項(xiàng)目學(xué)習(xí)要點(diǎn)切削運(yùn)動(dòng)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(shí)訓(xùn)項(xiàng)目小結(jié)任務(wù)一切削運(yùn)動(dòng)和切削用量

一、切削運(yùn)動(dòng)和工件表面

1．切削運(yùn)動(dòng)

切削運(yùn)動(dòng)是指切削過程中刀具與工件之間存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)作用的不同，切削運(yùn)動(dòng)分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。（1）主運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)是指使工件與刀具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行切削的最基本運(yùn)動(dòng)，如下圖所示。（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是指配合主運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，如下圖所示。

主運(yùn)動(dòng)

主運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

vc

vf

vc

vf

外圓車削的切削運(yùn)動(dòng)

刨削的切削運(yùn)動(dòng)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(jī)床上通過刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)線運(yùn)動(dòng)而形成的。

（a）

（b）

（c）（d）

（e）母線母線母線母線導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)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(jìn)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(diǎn)相對(duì)于工件主運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，單位是m/s或m/min。若主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切削速度可按下式計(jì)算：

若主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)（如刨削、插削等），則切削速度為刀具相對(duì)于工件的直線運(yùn)動(dòng)速度。2．進(jìn)給速度vf、進(jìn)給量f和每齒進(jìn)給量fz進(jìn)給速度：是指刀具上選定點(diǎn)相對(duì)于工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度，單位是mm/s或mm/min。進(jìn)給量：當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)給量是指每回轉(zhuǎn)一周工件或刀具沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移量，單位是mm/r；當(dāng)主運(yùn)動(dòng)是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)給量是指每一往復(fù)行程工件和刀具沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移量，單位是mm/行程。

每齒進(jìn)給量：是指多齒刀具（如銑刀、鉸刀、拉刀等）每轉(zhuǎn)過或移動(dòng)一個(gè)齒相對(duì)工件在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的位移，單位是mm/z。三者的關(guān)系為：3．背吃刀量ap

背吃刀量是指在垂直于主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上測(cè)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(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)：鉆孔

主運(yùn)動(dòng)是直線運(yùn)動(dòng)時(shí)：

車外圓任務(wù)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(diǎn)”。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(diǎn)”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(biāo)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(biāo)注角度參考系：是指在假設(shè)運(yùn)動(dòng)條件和假定的刀具安裝條件下，刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量時(shí)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(shí)際參考系，即按合成切削運(yùn)動(dòng)方向（主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成）和實(shí)際安裝情況來定義的刀具參考系。2．刀具的標(biāo)注角度

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

刀具標(biāo)注角度的坐標(biāo)平面由測(cè)量坐標(biāo)平面和參考坐標(biāo)平面組成。

測(cè)量坐標(biāo)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(biāo)平面。橫車縱車γoγoaoao假定主運(yùn)動(dòng)方向假定主運(yùn)動(dòng)方向切削平面切削平面基面基面假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向（f≈0）

參考坐標(biāo)平面：主要包括基面和切削平面兩種坐標(biāo)平面，如下圖所示。②刀具標(biāo)注角度參考系上述參考平面和測(cè)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(gè)坐標(biāo)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(biāo)注角度在正交平面中測(cè)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(cè)量的刀具角度只有刃傾角λs。如右圖所示：在基面中測(cè)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(cè)量的刀具角度

。工作參考系中的坐標(biāo)平面和刀具幾何角度的符號(hào)應(yīng)在標(biāo)注角度參考系中相應(yīng)符號(hào)的基礎(chǔ)上加注下標(biāo)“e”。（1）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)刀具工作角度的影響①橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響OPr如右圖所示，橫向進(jìn)給時(shí)，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(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響αoe如左圖所示，縱向進(jìn)給時(shí)，在假定工作平面內(nèi)測(cè)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(duì)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(dāng)?shù)都飧哂诠ぜ行木€時(shí)，車刀的工作前角、工作后角分別為：當(dāng)?shù)都獾陀诠ぜ行臅r(shí)，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(jìn)給方向不垂直，且與刀具軸線的傾斜角度為θ時(shí)，刀具主偏角和副偏角的變化分別為：三、刀具材料

1．對(duì)刀具材料的基本要求

（1）高的硬度和耐磨性（2）足夠的強(qiáng)度和韌性（3）良好的耐熱性和導(dǎo)熱性

（4）良好的工藝性與經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度、韌性、耐熱性、耐磨性及工藝性，是目前應(yīng)用最廣泛的刀具材料。高速鋼因刃磨時(shí)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(diǎn)都很高的金屬碳化物粉末（如WC、TiC等）和粘結(jié)劑（如Co、Mo、Ni等）燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其常溫硬度可達(dá)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(qiáng)度差，抗沖擊和振動(dòng)性差，制造工藝性差。我國(guó)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(jié)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(dá)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(zhuǎn)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(jī)械零件的材質(zhì)、形狀、技術(shù)要求和加工工藝的多樣性，客觀上要求進(jìn)行加工的刀具具有不同的結(jié)構(gòu)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(dòng)線刀具和數(shù)控機(jī)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(jìn)給方向移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量時(shí)，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(diǎn)主運(yùn)動(dòng)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(wù)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(diǎn)，在基面內(nèi)測(cè)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(diǎn)，在基面內(nèi)測(cè)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(diǎn)，在基面內(nèi)測(cè)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(yùn)動(dòng)方向的切削方式。

斜角切削：是指刀刃不垂直于合成切削運(yùn)動(dòng)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(dāng)切削方式既屬于自由切削，又屬于直角切削時(shí)，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(shí)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(shí)驗(yàn)研究工作中，為了簡(jiǎn)化條件常采用直角自由切削方式。綜合實(shí)訓(xùn)

一、切削用量及切削層參數(shù)的計(jì)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(zhuǎn)速n為220r/min，刀具每秒沿工件軸向移動(dòng)1.6mm，試求切削用量三要素（切削速度、進(jìn)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(shí)訓(xùn)過程

（1）切削用量切削速度（m/min）進(jìn)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(shí)訓(xùn)總結(jié)通過計(jì)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(jì)算。二、標(biāo)注刀具角度

在正交平面參考系中，標(biāo)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(biāo)注角度如右圖所示：1．實(shí)訓(xùn)過程

2．實(shí)訓(xùn)總結(jié)通過對(duì)切斷刀角度的標(biāo)注，掌握刀具標(biāo)注角度的坐標(biāo)平面的確定及刀具標(biāo)注角度的概念。

項(xiàng)目小結(jié)1．切削運(yùn)動(dòng)和切削用量（1）切削運(yùn)動(dòng)包括主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在切削運(yùn)動(dòng)中，主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可由一個(gè)或多個(gè)