金属切削的基本要素

1、金属切削的基本要素第一节工件表面的形成方法和成形运动零件的形状是由各种表面组成的，所以零件的切削加工归根到底是表面成形问题。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状零件表面是由若干个表面元素组成的。这些表面元素是：(a)平面、(b)直线成形表面、(c)圆柱面、(d)圆锥面、(e)球面、(f)圆环面、(g)螺旋面等。如图1-1所示：金属切削的基本要素第一节工件表面的形成方法和成形运动2工件表面的形成方法各种典型表面都可以看作是一条线(母线)沿着另一条线(导线)运动的轨迹。为得到平面(图1-2)，可以使直线1(母线)沿着直线2(导线)移动。母线和导线称为形成表面的发生线。有些表面

2、的两条发生线完全相同，只因母线的原始位置不同，也可形成不同的表面。如图1-2中(a)与(b)。金属切削的基本要素第一节工件表面的形成方法和成形运动3发生线的形成方法及所需的运动发生线是由刀具的切削刃与工件间的相对运动得到的。根据使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为四种:（1）轨迹法：利用刀具作一定规律的轨迹运动来对工件进行加工的方法。需要一个成形运动。如图1-3(a)。（2）成形法：利用成形刀具对工件进行加工的方法。如图1-3(b)。（3）相切法：利用刀具边旋转边作轨迹运动来对工件进行加工的方法。用相切法得到发生线，需要两个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一

3、定规律的运动。如图1-3(c)。（4）展成法：利用工件和刀具作展成切削运动的加工方法。如图1-3(d)。用展成发形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。典型例子是渐开线。金属切削的基本要素第一节工件表面的形成方法和成形运动1.1.2表面成形运动机床加工零件时，为获得所需的表面，工件与刀具之间作相对运动，既要形成母线，又要形成导线，于是形成着两条发生线所需的运动的总和，就是形成该表面所需的运动。机床上形成被加工表面所需的运动，称为机床的工作运动，又称为表面成形运动。工作运动是机床上最基本的运动。每个运动的起点、终点、轨迹、速度、方向等要素的控制和调整方式，对机床的布局和结构有重大的影响。1表面成

4、形运动分析表面成形运动（简称成形运动）是保证得到工件要求的表面形状的运动。（1）成形运动的种类1，简单成形运动：简单成形运动是旋转运动或直线运动。一般用符号A表示直线运动，用符号B表示旋转运动。2，复合成形运动：如把螺旋运动分解成等速旋转运动和等速直线运动。前者是复合运动的一部分，各个部分必须保持严格的相对运动关系，是互相依存，而不是独立的。简单运动之间是互相独立的，没有严格的相对运动关系。（2）零件表面成形所需的成形运动母线和导线是形成零件表面的两条发生线。因此，形成表面所需要的成形运动，就是形成其母线及导线所需要的成形运动的总和。为了加工出所需的零件表面，机床就必须具备这些成形运动。用普通

5、车刀削外圆、用成形车刀削成形回转表面、用螺纹车刀削螺纹、用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面等。2主运动、进给运动和合成切削运动（1）主运动使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。在表面成形运动，必须有且只能有一个主运动。（2）进给运动维持切削加工得以继续的运动。（3）合成切削运动由同时进行的主运动和进给运动合成的运动。金属切削的基本要素第二节加工表面和切削用量三要素1.2.1切削过程中工件上的加工表面（1）待加工表面加工是即将被切除的表面（2）已加工表面已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面（3）过渡表面加工时由主切削刃正在切削的那个表面，他是待加工表面之间的表面1.swf金属切削的基

6、本要素第二节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）进给量f（3）切削深度p称之为切削用量三要素1切削速度主运动为回转运动时，切削速度的计算公式如下：c=dn/1000(m/s或m/min)式中d工件或刀具上某一点的回转直径，mm；n工件或刀具的转速，r/s或r/min。2进给速度f，进给量f和每齿进给量fz进给速度f是单位时间内的进给位移量，单位是mm/s(或mm/min)。进给量f是工件或刀具每回转一周时二者进给方向的相对位移，单位是mm/r(毫米/转)。每齿进给量fz，单位是mm/齿。三者有如下关系f=fn=fzzn(mm/s或mm/min)3切削深度p切削

7、深度p为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。外圆车削时切削深度可用下式计算：p=(dw-dm)/2(mm)对于钻削p=dm/2(mm)上两式中dm已加工表面直径，mm；dw待加工表面直径，mm。金属切削的基本要素第三节刀具角度1.3.1刀具切削部分的结构要素外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前面、主后面、副后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。刀具切削部分的结构要素如图1-5所示，其定义如下：前刀面切屑流过的表面，以A表示。主后刀面与工件上过渡表面相对的表面，以A表示。副后刀面与工件上已加工表面相对的表面，以A表示。主切削刃前刀面与主后刀面的交线，记

8、为S。它承担主要的切削工作。副切削刃前刀面与副后刀面的交线，记为S。它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，如图1-6所示。金属切削的基本要素第三节刀具角度刀尖主副切削刃衔接处很短的一段切削刃。也称为过度刃。它可以是小的直线段或圆弧。常用有交点刀尖、圆弧刀尖和倒棱刀尖金属切削的基本要素第三节刀具角度1.3.2刀具角度的参考系刀具切削部分的几何形状主要有一些刀面和刀刃的方位角度来表示。为了确定刀具的这些角度，必须将刀具置于相应的参考系中。参考系可分为刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系，前者由主运动方向确定，而后者有合成切削运动方向确定。2.swf金属切削的基本要素第三节刀具角度1刀

9、具标注角度参考系（见图1-7与图1-8）基面r通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。切削平面s通过主切削刃上选定点，与主切削刃相切，且垂直于该点基面的平面。主剖面Po通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。主剖面参考系Pr-Ps-Po组成一个正交的主剖面参考系。目前生产中最常用的刀具标注角度参考系切削刃法剖面Pn通过切削刃上选定点，垂直与切削刃的平面。进给剖面Pf通过切削刃上选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面的片面。切深剖面Pp通过切削刃上选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。进给、切深剖面参考系Pr-Pf-Pp组成3.swf金属切削的基本要素第三节刀具角度2刀具工

10、作角度参考系在刀具标注参考系里定义基面时，只考虑主运动，未考虑进给运动。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度往往不能反映切削加工的真实情形，只有用合成切削运动方向来确定参考系。其定义见表1-1。金属切削的基本要素第三节刀具角度1.3.3刀具标注角度在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面的方位角度，称为刀具标注角度。如图1-9所示。1主剖面参考系内的标注角度前角o在主剖面内度量的前刀面与基面的夹角。后角o在主剖面内度量的主后刀面与切削平面的夹角。后角一般为正值。刃倾角s在切削平面内度量的主切削刃与基面间的夹角。主偏角r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。主偏

11、角一般为正值。副偏角r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。副偏角一般为正值金属切削的基本要素第三节刀具角度2法剖面参考系内的标注角度法前角n在法剖面内度量的前刀面与基面的夹角。法后角n在法剖面内度量的切削平面与后刀面的夹角。法楔角n在法剖面内度量的前刀面与后刀面的夹角。3进给、切深剖面参考系内的标注角度进给、切深剖面参考系内的标注角度可以从图1-9所示的R向视图Pr、F-F（Pf）和P-P（Pp）剖面图中得到。1.3.4刀具角度换算1主剖面与法剖面内的角度换算金属切削的基本要素第三节刀具角度金属切削的基本要素第三节刀具角度2主剖面与其它剖面内的角度换算金属切削的基本要素

12、第三节刀具角度金属切削的基本要素第三节刀具角度1.3.5刀具工作角度1进给运动对刀具工作角度的影响（1）横车图1-12所示为切断车刀加工时的情况，此时切削速度Vc变至合成速度V，因而基面P由水平位置变至工作基面Pre，切削平面P由铅垂位置变至工作切削平面Pse，从而引起刀具的前角和后角发生变化：oe=o+oe=o-=arctgf/(d)式中，oe,oe工作前角和工作后角。由此可知，当进给量增大，则值增大；当瞬时直径减小，值也增大。因此，车削至接近工件中心时，值增长的很快，工作后角将由正变负，致使工件最后被挤断。金属切削的基本要素第三节刀具角度（2）纵车车削外圆时，假定车刀s，如不考虑进给运动，

13、则基面P平行于刀杆底面，切削平面P垂直于刀杆底面。若考虑进给运动，则过切削刃上选定点的相对速度是合成切削速度V而不是主运动V，故刀刃上选定点相对于工件表面的运动就是螺旋线。这时基面P和切削平面P就会在空间偏转一定的角度，从而使刀具的工作前角oe增大，工作后角减小（见图1-13）。oeooeotgfsinr/(dw)可知，进给量越大，工件直径越小，则工作角度值的变化就越大。一般车削时，由进给运动所引起的值不超过301o，故其影响常可忽略。但是在车削大螺距螺纹或蜗杆时，进给量很大，故值较大，此时就必须考虑它对刀具工作角度的影响。金属切削的基本要素第三节刀具角度2切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度

14、的影响车削外圆时，车刀的刀尖一般与工件轴心是等高的。如果刀尖高于或低于工件轴线，则此时的切削速度方向发生变化，引起基面和切削平面的位置改变，从而使车刀的实际切削角度发生变化。如图1-14所示：刀尖高于工件轴线时，工作切削平面变为Pse，工作基面变为Pre，则工作前角oe增大，工作后角oe减小；刀尖低于工件轴线时，工作角度的变化正好相反：oeooeo+tghcosr/(dw/2)2h2式中，刀尖高于或低于工件轴线的距离（金属切削的基本要素第三节刀具角度3刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响当车刀刀杆的中心线与进给方向不垂直时，车刀的主偏角和副偏角将发生变化。刀杆右斜（见图1-15），将

15、使工作主偏角re增大，工作副偏角re减小；如果刀杆左斜，则re减小，re增大：re=jre=+j式中，j进给方向的垂线与刀杆中心线的夹角金属切削的基本要素第四节切削层参数与切削方式1.4.1切削层参数各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如图：1.切削层在各种切削加工中，刀具相对于工件沿进给方向每移动f(mm/r)或fz(mm/齿)之后，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层。切削层的尺寸称为切削层参数。切削层的剖面形状和尺寸通常在基面内观察和度量。2切削厚度垂直于过渡表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。在外圆纵车（s=0）hD=fsinr3切削宽度沿过渡表面来度量的切

16、削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。在外圆纵车（s=0）bD=p/sinr金属切削的基本要素第四节切削层参数与切削方式4切削面积切削层在基面内的面积，称为切削面积，以AD表示。其计算公式为：AD=hDbD5金属切除率金属切除率是指刀具在单位时间内从工件上切除的金属的体积，它是衡量金属切削加工效率的指标。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运动的切削方式称为正切削或直角切削。如切削刃不垂直于切削运动方向则称为斜切削或斜角切削。2自由切削与非自由切削自由切削是只有直线形切削刃参加切削工作者。非自由切削是曲线形主切削刃或主副切削刃均参加切削者。根据切削变形是二维变形还是三维变形进行

17、区分的。金属切削的基本要素第五节第五节 刀具材料刀具材料1.5.1刀具材料应具备的基本性能（1）高的硬度刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料的常温硬度，一般要求在HRC60以上。（2）高的耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。（3）足够的强度和韧性以便承受切削力，冲击和振动，而不致于产生崩刃和折断。（4）高的耐热性（热稳定性）耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度，耐磨性，强度和韧性的能力。（5）良好的热物理性能和耐热冲击性能即刀具材料的导热性能要好，不会因受到大的热冲击产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。（6）良好的工艺性能即刀具材料应具有良好的锻造性能，

18、热处理性能，焊接性能，磨削加工性能等。1.5.2高速钢高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达HRC6267）和耐热性（切削温度可达550600o）。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度13倍（因此而得名），提高刀具耐用度1040倍，甚至更多。它可以加工从有色金属到高温合金在内的范围广泛的材料。高速钢刀具制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中，高速钢占有重要地位。高速钢按用途不同，可分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。表

19、1-2列出了常用高速钢的力学性能和适用范围。金属切削的基本要素第五节第五节 刀具材料刀具材料金属切削的基本要素第五节第五节 刀具材料刀具材料1.5.3硬质合金硬质合金是高硬度、难熔金属碳化物（主要是WC，TiC等，又称高温碳化物）微米级的粉末，用钴或镍作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。允许切削温度高达800-1000C，切削中碳钢时，切削速度可达100-200m/min.1高温碳化物硬质合金的性能主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量。（1）碳化物的种类和性能在硬质合金中碳化物所占比例越大，则硬度越高；反之，碳化物减少，则硬度低，但抗弯强度提高。（2）碳化物的粒度碳化物的粒度

20、越细，则越有利于提高硬质合金的硬度和耐磨性，但当粘结剂含量一定时，如碳化物粒度减小，则碳化物颗粒的总表面积加大，使粘结层厚度减薄，从而降低了合金的抗弯强度。反之，则合金的抗弯强度提高，而硬度降低。碳化物粒度的均匀性也影响硬质合金的性能，粒度均匀的碳化物可形成均匀的粘结层，可防止产生裂纹。在硬质合金中添加TaC能使碳化物粒度均匀和细化。2硬质合金的种类和牌号目前大部分硬质合金是以WC为基体，并分为WC-Co(YG类),WC-TiC-Co(YT类),WC-TaC(NbC)-Co(YA类)以及WC-TiC-TaC(NbC)-Co(YW类)四类。表1-3列出了常用硬质合金的牌号、性能和使用范围。金属切削的基本要素第五节第五节 刀具材料刀具材料金属切削的基本要素第五节第五节 刀具材料刀具材料3硬质合金的性能（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之间。硬质合金的硬度随着温度的升高而降低。合金的高温硬度主要