機械制造基礎課件 項目四 機械加工基礎

項目四學習金屬切削加工基礎

任務一認識切削運動

1切削運動切削加工時，為了獲得各種形狀的零件，刀具與工件之間要具有一定的相對運動，即切削運動，切削運動可以分為主運動和進給運動。

（1）

主運動是刀具和工件之間產生的主要相對運動。主運動是切下切屑所需要的最基本的運動，是切削加工中速度最高、消耗功率最多的運動，如車削時工件的旋轉，牛頭刨床刨削時刨刀的往復移動等，一臺機床主運動一般只有一個。

（2）

進給運動由機床或人力提供的運動,它使刀具與工件之間產生附加的相對運動,加上主運動,即可不斷地或連續(xù)地切除切屑,并獲得具有所需幾何特征的已加工表面。一臺機床的進給運動可以是一個,也可以是多個。主運動和進給運動合成后的運動，稱為合成切削運動。知識模塊2．切削表面在切削過程中，工件上有以下三個變化著的表面：（1)待加工表面：工件上即將被切除的表面。(2)已加工表面：切去材料后形成的新的工件表面。(3)切削表面：加工時主切削刃正在切削的表面，它處于已加工表面和待加工表面之間。知識模塊3．切削用量

削用量是指切削速度、進給量（或進給速度）和背吃刀量。三者又稱為切削用量三要素。(1)切削速度（m／s或m／min）切削刃上選定點相對于工件的主運動速度稱為切削速度。計算切削速度時，應選取刀刃上速度最高的點進行計算。主運動為旋轉運動時，切削速度由下式確定

當主運動復直線運動時，切削速度由下式確定：

式中L——為主運動往復行程（mm）

n——為主運動往復次數(2)進給量f

進給量是指工件或刀具每轉一周（或每往復一次），刀具與工件之間在進給運動方向上的相對位移量，其單位是mm／r（或mm／雙行程）。對于銑刀、鉸刀、拉刀，等多齒刀具，還規(guī)定每刀齒進給量，單位是mm／z。進給速度、進給量和每齒進給量之間的關系為

（3）切削深度（mm）刀具切削刃與工件的接觸長度在同時垂直于主運動和進給運動的方向上的投影值稱為背吃刀量。外圓車削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離。

知識模塊4切削層參數切削刃在一次走刀中從工件上切下的一層材料稱為切削層。切削層的截面尺寸參數稱為切削層參數。切削層參數通常在與主運動方向相垂直的平面內觀察和度量。

（1）切削層厚度垂直于切削表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱厚度（以下簡稱為切削厚度）。車外圓時，如車刀主切削刀為直線，則（2）切削層寬度沿切削表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱寬度（以下簡稱為切削寬度）如車刀主切削刃為直線，則

（3）切削層橫截面積切削層在切削層尺寸度量平面內的橫截面積稱為切削層公稱橫截面積（以下簡稱為切削面積）?？捎孟率接嬎?/p>

任務二了解金屬切削刀具的幾何角度

幾種常用刀具

刀具的各組成部分統(tǒng)稱為刀具的要素。刀具的種類很多，但以單個刀齒都可看作是由外圓車刀的切削部分演變而來的。知識模塊1車刀的組成車刀的組成：切削部分夾持部分金屬切削刀具（1）

刀具的結構1）刀具切削部分的組成三個刀面、兩個刀刃、一個尖nf前刀面nf前刀面主后面（1）刀具切削部分的組成三個刀面、兩個刀刃、一個尖nf前刀面主后面副后面（1）刀具切削部分的組成三個刀面、兩個刀刃、一個尖nf前刀面主切削刃（1）刀具切削部分的組成三個刀面、兩個刀刃、一個尖1）刀具切削部分的組成三個刀面、兩個刀刃、一個尖nf前刀面主切削刃副切削刃（1）刀具切削部分的組成三個刀面、兩個刀刃、一個尖nf前刀面主切削刃副切削刃刀尖外圓車刀的切削部分知識模塊2刀具的標注角度

1．刀具標注角度的參考系刀具要從工件上切除材料，就必須具有一定的切削角度。切削角度決定了刀具切削部分各表面之間的相對位置。為了確定和測量刀具的角度，必須引人一個由三個參考平面組成的空間坐標參考系。組成刀具標注角度參考系的各參考平面定義如下：（l）基面：通過主切削刃上某一指定點，并與該點切削速度方向相垂直的平面。（2）切削平面：通過主切削刃上某一指定點，與主切削刃相切并垂直于該點基面的平面。

知識模塊2刀具的標注角度（3）正交平面：通過主切削刃上某一指定點，同時垂直于該點基面和切削平面的平面。根據定義可知，上述三個參考平面是互相垂直的，由它們組成的刀具標注角度參考系稱為正交平面參考系。正交平面參考系的建立是基于以下有幾個假設條件

1假設運動條件用主運動向量近似代替相對合成速度向量，也就是用主運動代替了主運動和進給運動的合運動。

2假設刀具的安裝條件規(guī)定刀桿中心線與進給運動方向垂直，刀尖與工件中心等高。除正交平面參考系外，常用的標注刀具角度的參考系還有法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。2．刀具的標注角度在刀具標注角度參考系中測得的角度稱為刀具的標注角度。標注角度應標注在刀具的設計圖中，用于刀具制造、刃磨和測量。在正交平面參考系中，刀具的主要標注角度有五個其定義如下

車刀的幾何角度標注

在基面內測量的角度（1）主偏角進給運動方向主切削刃在基面上投影的夾角。（2）副偏角副切削刃與進給運動反方向在基面上投影的夾角。（3）刃尖角主切削刃與副切削刃在基面上投影的夾角。在正交平面內測量的角度（1）前角前面與基面間的夾角。前角的正負方向按圖示規(guī)定表示，即刀具前刀面在基面之下時為正前角，刀具前刀面在基面之上時為負前角。。（2）后角主后面與切削平面間的夾角。（3）楔角前面與主后面間的夾角

刃傾角主切削刃與基面的夾角在切削平面上的投影。當主切削刃呈水平時，λs=0；刀尖為主切削刃最低點時，λs〈0；刀尖為主切削刃上最高點是，λs〉0，如圖7-7示3．刀具的工作角度上面討論的外圓車刀的標注角度，是在忽略進給運動的影響并假定刀桿軸線與縱向進給運動方向垂直以及切削刃上選定點與工件中心等高的條件下確定的。如果考慮進給運動和刀具實際安裝情況的影響，參考平面的位置應按合成切削運動方向來確定，這時的參考系稱為刀具工作角度參考系。在工作角度參考系中確定的刀具角度稱為刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的實際工作狀態(tài)。任務三認識刀具材料知識模塊1刀具材料的性能要求（1）較高的硬度和耐磨性（2）足夠的強度和韌性（3）較高的耐熱性（4）良好的導熱性（5）良好的工藝性知識模塊2常用刀具材料刀具材料有高速鋼、硬質合金、工具鋼、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。目前，在生產中所用的刀具材料主要是高速鋼和硬質合金兩類。碳素工具鋼、合金工具鋼因耐熱性差，僅用于手工或切削速度較低的刀具。任務四了解切屑和切削力知識模塊1切屑類型及控制1、切屑的類型由于工件材料不同，切削條件各異，切削過程中生成的切屑形狀是多種多樣的。切屑的形狀主要分為帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎四種類型，如圖所示a)帶狀切屑b)節(jié)狀切屑c)粒狀切屑d)崩碎切屑切屑的幾種形態(tài)(1)帶狀切屑(2)節(jié)狀切屑(擠裂切屑)(3)粒狀切屑(單元切屑)(4)崩碎切屑2、切屑的控制可采取以下措施對切屑實施控制。（1）采用斷屑槽（2）改變刀具角度（3）調整切削用量

斷屑槽的幾種形態(tài)

知識模塊2切削力

（一）切削力、切削合力及分解、切削功率1.切削力的來源切削時，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力稱為切削力。切削力來源于以下兩個方面：1）克服切削層材料和工件表面層材料對彈性變形塑性變形的抗力。2）克服刀具與切屑、刀具與工件表面間摩擦阻力所需的力切削力的來源2切削合力及分解刀具切削零件時，必須克服材料的變形抗力，克服切屑與前刀面以及零件與后刀面之間的摩擦阻力，才能切下切屑。這些阻力的合力就是作用在刀具上的總切削力F。常把F分解成Fc、Fp、Ff互相垂直的3個分力式中：

Fc——切削力，它垂直于基面Pr，與切削速度vc方向一致，它消耗機床的主要功率，是計算切削功率、選取機床電動機功率和設計機床主傳動機構的依據；Ff—-進給力，它作用于基面Pr內，與進給方向平行，是設計機床進給機構的依據；Fp——背向力，它作用于基面Pr內，與進給方向垂直，它能使工件產生變形，是校驗機床主軸在水平面內剛度及相應零部件強度的依據切削合力與分力3．切削功率消耗在切削過程中的功率稱為切削功率。切削功率Pc是3個切削分力消耗功率的總和，但在車外圓時，吃刀抗力消耗的功率為零，走刀抗力消耗的功率很小，一般可忽略不計。因此，切削功率可用下式計算：

Pc=Fcvc10-3(kw)4．單位切削力的概念單位切削力是指單位面積上的切削力，用kc表示。如果單位切削力是已知的則可以利用下式計算出切削力Fc（二）、影響切削力的因素1．工件材料的影響工件材料的強度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料時，被切材料的塑性變形及它與前刀面的摩擦都比較小，故其切削力相對較小2．切削用量的影響（1）切削深度ap和進給量fap和f增大，都會使切削力增大，但兩者的影響程度不同。ap增大時，變形系數ξ不變，切削力成正比增大；f增大時，ξ有所下降故切削力不成正比增大。（2）切削速度vc

切削塑性材料時，在無積屑瘤產生的切削速度范圍內，隨著vc的增大，切削力減小.

3．刀具幾何參數的影響（1）前角γo

當前角增大時ξ減小，切削力下降。切削塑性材料時，刀具前角的大小對切削力的影響較大；切削脆性材料時，由于切削變形很小，刀具前角對切削力的影響不大。（2）主偏角當主偏角增大時，切深抗力Fp減小，進給抗力Ff增大。（3）刃傾角刃傾角將影響切屑在前刀面上的流動方向，從而使切削合力的方向發(fā)生變化。當增大時，切深抗力Fp減小，進給抗力Ff增大。（4）負倒棱為了提高刀尖部位強度、改善散熱條件，常在主切削刃上磨出一個帶有負前角γ0的棱臺，其寬度為。

負倒棱車刀4．刀具磨損刀具磨損越大，刀具變鈍，切削力增大。5．切削液使用以冷卻作用為主的切削液（如水溶液）對切削力影響不大，使用潤滑作用強的切削液（如切削油）可使切削力減小。6．刀具材料不同的刀具材料與工件材料間的摩擦系數是不相同的，摩擦力的大小已不相同，導致切削力變化。在其他切削條件完全相同的條件下，用陶瓷刀切削比用硬質合金刀具切削的切削力小，用高速鋼刀具進行切削的切削力大于前兩者任務五了解切削熱和切削溫度知識模塊1切削熱的產生與傳遞在切削加工過程中，切削功幾乎全部轉換為熱能，將產生大量的熱量。將這種產生于切削過程的熱量稱為切削熱。其來源有以下3種。(1)切屑變形所產生的熱量，是切削熱的主要來源。(2)切屑與刀具前刀面之間的摩擦所產生的熱量。(3)零件與刀具后刀面之間的摩擦所產生的熱量。知識模塊2影響切削溫度的主要因素1.切削用量對切削溫度的影響切削用量中，切削速度vc對切削熱的影響最大，進給量f次之，背吃刀量ap最小。2．刀具幾何參數對切削溫度的影響前角的大小直接影響切削過程中的變形和摩擦，增大前角，可減少切屑變形，產生的切削熱少，切削溫度低。但當前角過大時，會使刀具的散熱條件變差，反而不利于切削溫度的降低。減小主偏角，主切削刃參加切削的長度增加，散熱條件變好，可降低切削溫度3．工件材料對切削溫度的影響零件材料的強度和硬度越高，切削中消耗的功率越大，產生的切削熱越多，切削溫度也越高。4．刀具磨損對切削溫度的影響刀具磨損使切削刃變鈍，切削時變形增大、摩擦加劇，切削溫度上升。5．切削液對切削溫度的影響使用切削液可以從切削區(qū)帶走大量熱量，可以明顯降低切削溫度，提高刀具壽命。任務六了解刀具磨損和刀具壽命知識模塊1．刀具磨損的形態(tài)（1）前刀面磨損（月牙洼磨損）切削塑性材料時，如果切削速度和切削厚度較大，切屑在前刀面上經常會磨出一個月牙洼（2)后刀面磨損由于后刀面和加工表面間的強烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位會逐漸地被磨成后角為零的小棱面，這種磨損形式稱作后刀面磨損。（3)邊界磨損切削鋼料時，常在主切削刃靠近工件外皮處（N區(qū)）和副切削刃靠近刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋，這種磨損稱作邊界磨損。知識模塊2刀具磨損的原因（1）硬質點劃痕（2）冷焊粘結（3）擴散磨損（4）化學磨損知識模塊3刀具磨損過程及磨鈍標準1．刀具磨損過程（1）初期磨損階段新刃磨的刀具剛投入使用、后刀面與工件的實際接觸面積很小，單位面積上承受的正壓力較大，再加上剛刃磨后的后刀面微觀凸凹不平，刀具磨損速度很快，此階段稱為刀具的初期磨損階段.

刀具磨損曲線（2）正常磨損階段經過初期磨損后刀具后刀面與工件的接觸面積增大，單位面積上承受的壓力逐漸減小，刀具后刀面的微觀粗糙表面已經磨平，因此磨損速度變慢，此階段稱為刀具的正常磨損階段，它是刀具的有效工作階段。（3）急劇磨損階段當刀具磨損量增加到一定限度時，切削力、切削溫度將急劇增高，刀具磨損速度加快，直至喪失切削能力，此階段稱為急劇磨損階段2．刀具的磨鈍標準刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用了，這個磨損限度稱為刀具的磨鈍標準。因為一般刀具的后刀面都會發(fā)生磨損，而且測量也較方便，因此國際標準ISO統(tǒng)一規(guī)定以1／2背吃刀量處后刀面上測量的磨損帶寬度VB作為刀具的磨鈍標準刀具的徑向尺寸磨損量NB知識模塊4刀具壽命的定義1刀具壽命的定義刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止所經歷的總切削時間，稱為刀具壽命，用T表示

知識模塊5刀具的破損在切削加工中，刀具有時沒有經過正常磨損階段，而在很短時間內突然損壞，這種情況稱為刀具破損。任務七熟悉加工質量知識模塊1加工精度是指零件在加工之后，其尺寸、形狀等幾何參數的實際數值同它們理想幾何參數的符合程度。其差值稱為加工誤差。加工誤差愈小，加工精度愈高。零件的加工精度包括零件的尺寸精度、形狀精度和位置精度，在零件圖上分別用尺寸公差、形狀公差和位置公差來表示。知識模塊2表面質量機械零件的表面質量，主要指零件加工后的表面粗糙度以及表面材質的變化。

圖7-30表面粗糙度與波度2、已加工表面的加工硬化和殘余應力1）加工硬化切削塑性材料時，經切削變形后，往往發(fā)現零件已加工表面的強度和硬度，比零件材料原來的強度和硬度有顯著提高，這種現象稱為加工硬化。零件表面層的硬化，可以提高零件的耐磨性，但同時也增大了表面層的脆性，降低了零件抗沖擊的能力。2）殘余應力指在外力消失以后仍存在于零件內部的應力叫殘余應力。殘余應力分為拉應力和壓應力，各部分的殘余應力分布不均勻，會使零件發(fā)生變形，影響尺寸和形位精度。

任務八了解材料的切削加工性

知識模塊1材料的切削加工性概念和衡量指標切削加工性是指材料被切削加工成合格零件的難易程度。零件材料的切削加工性對刀具耐用度和切削速度的影響很大，對生產率和加工成本的影響也很大。材料的切削加工性越好，切削力和切削溫度越低，允許的切削速度越高，被加工表面的粗糙度越小，也易于斷屑。材料切削加工的好壞往往是相對于另一種材料來說的。具體的加工條件和要求不同，加工的難易程度也有很大的差異。1．料切削加工性能的指標(1)一定刀具耐用度下的切削速度

Kv=v60/(v60)j(2)已加工表面質量凡較容易獲得好的表面質量的材料，其加工性較好；反之則較差。(3)切屑控制或斷屑的難度凡切屑較容易控制或易于斷屑的材料，其切削加工性較好；反之較差。(4)切削力在相同的切削條件下，凡切削力較小的材料，其切削加工性較好。知識模塊2.改善材料切削加工性的主要途徑提高難切削材料切削加工性的途徑有：

選擇合適的刀具材料。②對工件材料進行相應的熱處理，盡可能在最適宜的組織狀態(tài)下進行切削。③提高機床—夾具—刀具—工件這一工藝系統(tǒng)的剛性，提高機床的功