第二章 机械加工及设备的基础理论

第二章机械加工及设备的基础理论目录第一节金属切削基本知识

第二节金属切削机床的基本知识

第三节金属切削过程第四节切削力、切削热与切削温度第五节刀具的磨损与刀具使用寿命第一节金属切削基本知识第一节金属切削知识

1、切削运动（1）主运动：使刀具和工件之间产生相对运动，以进行切削的最基本运动。主运动的速度最高、所消耗的功率最大。（2）进给运动：不断地把待切金属投入切削过程，从而加工出全部已加工表面的运动。（3）合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动。

一、切削运动和切削用量

由机床或人力提供的主要运动，能使刀具从工件上切除金属层使之变为切屑。

例如：车削时，车床主轴带动工件作的旋转运动；铣削时，铣床主轴带动铣刀作的旋转运动。主运动是一个矢量主运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时主运动方向。(1)主运动第一节金属切削知识(2)进给运动

进给运动：由机床或人力提供的附加运动，它能使把工件切削层不断地投入切削过程。进给运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时进给运动方向。第一节金属切削知识进给运动速度例：外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f来表述，单位：mm

/

r刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述，单位为mm

/

str。铣削时，进给运动速度常用每齿进给量f来表述，

单位：mm/z。进给速度vf、进给量f、每齿进给量fz和刀具齿数Z之间的关系如下：

vf=n

f

=n

z

fz

第一节金属切削知识(3)合成切削运动

切削过程中，由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。

合成切削运动方向：就是切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向。

合成切削速度ve：就是切削刃选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。第一节金属切削知识图2-6外圆车削时的加工表面、切削用量与切削层第一节金属切削知识车削时的切削运动

将被切去金属层的表面已经切去一部分金属形成的新表面切削刃正在切削着的表面一、切削运动与切削用量第一节金属切削知识第一节节金金属属切削削知识识第一节金金属切削知识识2、切削用量量指切削过程中中切削速度、、进给量和背背吃刀量的总总称第一节金金属切削知识识（1）切削速速度：切削刃上选选定点相对于于工件的主运运动的瞬时速速度。单位为为m/s或m/min。。式中———工件待待加工表面直直径（mm））；——工件转速速（r/s或或者r/min）。第一节金金属切削知识识工件或刀具每每转一转或刀刀具往复一次次,刀具具相对工件在在进给运动方方向上的位移移量，用mm/r（行行程）表表示。进进给速度vf是单位时间的的进给量，单单位为mm/s或mm/min钻头、铣刀还还规定每一个个刀齿的进给给量Z——刀齿数数（2）进给量量第一节金金属切削知识识（3）背吃刀刀量ap指工件上已加加工表面和待待加工表面间间的垂直距离离,单位为mm。式中———待加工工表面直径（（mm）；——已加工表表面直径（mm）。第一节金金属切削知识识确定吃刀量有有三点要注意意：1）确定切削削刃的两个端端点；2）确定测量量的方向；3）确定两界界限平面。第一节金金属切削知识识(4)吃刀刀量在一般切削加加工中，常用用的吃刀量有有背吃刀量ap）和侧吃刀刀量ae）两个，其其单位为mm。例：车削背背吃刀量；；铣削背吃吃刀量、侧吃吃刀量第一节金金属切削知识识a)车外圆b)车端面c)切槽第一节金金属切削知识识第一节金金属切削知识识第一节金金属切削知识识第一节金金属切削知识识（一）、车刀刀的组成第一节金金属切削知识识（一）、车车刀的组成车刀切削部分分结构要素刀面前刀面后刀面副后刀面刀刃主切削刃副切削刃刀尖第一节金金属切削知识识刀尖的类型主切削刃与副副切削刃的连连接部分，它它可以是曲线线、直线或实实际交点。刀尖的类型第一节金金属切削知识识前刀面:切屑沿其流流出的刀面后刀面:刀具上同前前刀面相交形形成主切削刃刃的表面，它它对着加工表表面副后刀面:刀具上同前面面相交形成副副切削刃的表表面，它对着着已加工表面面主切削刃:前刀面与后刀刀面的交线。。它担负着主主要的切削工工作副切削刃:前刀面与副副后刀面的交交线。它担负负少量切削工工作刀尖:主、副切削刃刃连接处相当当少的一部分分切削刃。第一节金金属切削知识识（二）、刀具具角度的参考考系刀具标注角度度参考系由主运动方向向确定。刀具具设计时标注注、刃磨和测测量的基准，，用此定义的的刀具角度称称刀具标注角角度。刀具工作角度度参考系由合成切削运运动方向确定定。确定刀具具切削工作时时角度的基准准，用此定义义的刀具角度度称刀具工作作角度。第一节金金属切削知识识刀具的静态角角度确定刀具角度度的坐标参考考系：主运动方向静止参考系进进给运动方向向刀具安装位置置第一节金金属切削知识识刀具的静态角角度确定刀具角度度的坐标参考考系：实际合成切削削运动方向工作参考系进进给给运动方向刀具实际安装装位置第一节金金属切削知识识刀具的静态角角度确定刀具角度度的坐标参考考系：工作参考系工工作作角度静止参考系静静态态角度第一节金金属切削知识识刀具静止参考考系刀具静止参考考系是在下列列假定条件下下建立的：1）刀刃上的的选定点位于于假定工件的的轴平面内，，是刀具静止止参考系的原原点；2）过刀具切切削刃选定点点的假定的进进给运动方向向位于车刀刀刀体（轴线））的法平面内内并与车刀底底面相平行；；3）过刀具切切削刃选定点点的假定的主主运动方向垂垂直于车刀刀刀体的底面。。第一节金金属切削知识识1、正交平面面参考系（1）基面Pr通过切削刃选选定点垂直于假定主主运动方向的的平面。基面应平行或或垂直于刀具具上便于制造造、刃磨和测测量的某一安安装定位平面面或轴。如图图所所示示为为普普通通车车刀刀、、刨刨刀刀的的基基面面Pr。。车刀刀的的基基面面平平行行于于刀刀体体底底面面。。第一一节节金金属属切切削削知知识识1、、正正交交平平面面参参考考系系(2)切切削削平平面面Ps通过过切切削削刃刃选选定定点点，，与与主主切切削削刃刃相相切切，，并并垂垂直直于于基基面面Pr的的平平面面。。也也就就是是主主切切削削刃刃与与切切削削速速度度方方向向构构成成的的平平面面。。（3））正正交交平平面面P0通过过切切削削刃刃选选定定点点，，同同时时垂垂直直于于Pr和和切切削削平平面面Ps的的平平面面。。第一一节节金金属属切切削削知知识识第一一节节金金属属切切削削知知识识法平平面面参参考考系系：：Pr、、Ps、、Pn组成成。。法平平面面Pn是过过切切削削刃刃上上选选定定点点并并垂垂直直于于切切削削刃刃的的平平面面。。由基基准准平平面面Pr——Ps——Pn组组成成的的静静止止参参考考系系称称为为刀刀具具的的法法平平面面参参考考系系。。2、、法法平平面面参参考考系系第一一节节金金属属切切削削知知识识第一一节节金金属属切切削削知知识识3.假假定定工作作平面面参考考系由基准准平面面Pr—Pf—Pp组成的的静止止参考考系称称为刀刀具的的假定定工作作平面面—背背平面面参考考系。。假定工工作平平面Pf。。过切削削刃上上选定定点平平行于于进给给方向向并垂垂直于于基面面Pr。。背平面面切削刃刃上选选定点点的背背平面面是过过该点点且垂垂直于于基面面和假假定工工作平平面的的平面面，记记为Pp。第一节节金金属属切削削知识识第一节节金金属属切削削知识识b）法法a)正正交平平面参参考系系b）法法平面面参考考系c））假定定工作作平面面和背背平面面参考考系第一节节金金属属切削削知识识（三））刀具具的标标注角角度刀具的的标注注角度度是刀刀具设设计、、制造造、刃刃磨和和测量量的依依据。。第一节节金金属属切削削知识识（1））前角角––––––在在正交交平面面Po上测测量的的刀具具前刀刀面Ag与与基基面Pr之间的的夹角角。，记为为γo；有正正负之之分，，前刀刀面Aγ位于基基面之之前角角，γo<0°°，反之之γo>0°°。（2））后角角–––––––在正正交平平面Po内测量量的后后刀面面Aα与切削削平面面PS间的夹夹角，，记为为αo。（3））楔角角–––––––前刀刀面和和后刀刀面的的夹角角。1、正正交平平面Po内内标注注的角角度第一节节金金属属切削削知识识刃倾角角λs在切削削平面面Ps内测量量的主主切削削刃S与基面面Pr间的夹夹角称称刃倾倾角，，记为为λs；当刀尖尖位于于主切切削刃刃的最最高点点时，，刃倾倾角为为正值值；反反之为为负值值。切削刃刃的选选定点点、刃刃倾角角和主主偏角角这三三个参参数，，确定定了主主切削削刃在在参考考系中中的位位置。。2、切切削平平面PS内内的的角度度第一节节金金属属切削削知识识主偏角角––––––在基面面Pr上测量量的切切削平平面Ps与假定定工作作平面面Pf之间的的夹角角。副偏角角––––––是在基基面Pr上测量量的副副切削削平面面Ps’’与假定定工作作平面面Pf之间的的夹角角。副副偏角角一般般为锐锐角。。刀尖角角–––––––主切削削刃和和副切切削刃刃的夹夹角。。3、基基面Pr内内的角角度第一节节金金属属切削削知识识副后角角ao’’：副后后角ao’’是在副副正交交平面面Po’’上测量量的副副后面面Aa’’与副切切削平平面Ps’’之间的的夹角角。第一节节金金属属切削削知识识车刀的的标注注角度度第一节节金金属属切削削知识识三、刀刀具的的工作作角度度刀具的的工作作角度度是刀刀具在在工作作时的的实际际切削削角度度。由由于于刀具具标注注角度度是在在进给给量f=0条件件下规规定的的角度度，如如果考考虑合合成运运动和和实际际安装装情况况，则则刀具具的参参考系系将发发生变变化。。在刀具工工作角度度参考系系中所确确定的角角度称工工作角度度。第一节金金属属切削知知识三、刀具具的工作作角度[例1]基面Pr与工作基基面Pre的比较：：基面Pr是通过切切削刃上上选定点点且垂直直于假定定主运动动方向的的平面；；而工作作基面Pre是通过切切削刃上上选定点点，垂直直于合成成切削运运动方向向的平面面。二者者的不同同点在于于前者的的主运动动方向是是假定的的，而后后者的合合成切削削运动方方向是实实际存在在的。第一节金金属属切削知知识[例二]前角go与工作前角goe的比较：前角go是在正交平面面Po上测量的前面面Ag与基面Pr之间的夹角；；而工作前角角goe是在工作正交交平面Poe中测量的前面面Ag与工作基面Pre之间的夹角。。二者的差异异在于定义刀刀具角度参考考系的三个基基准平面都不不同，原因还还在于静止参参考系的基准准轴线是假定定的，而工作作参考系的基基准是实际存存在的合成切切削运动与进进给运动。第一节金金属切削知识识三、刀具的工工作角度加工时，车刀刀作横向进给给运动，切削削刃相对工件件的运动轨迹迹为一平面阿阿基米德螺旋旋线。此时，，工作基面和和工作切削平平面相对于基基面和切削平平面转动一个个角，从而引引起刀具的前前角和后角发发生变化。第一节金金属切削知识识横向进给运动动时的工作角角度（一）进给运运动对工作角角度的影响第一节金金属切削知识识当进给量增大大，则μ值增大；当瞬时直径d减小，μ值也增大。车削至接近工工件中心时，，μ值增长很快，，工作后角将将由正变负，，导致工件被被挤断。当刀尖安装高高于或低于工工件中心时，，则此时的切切削速度方向向发生变化，，引起基面和和切削平面的的位置改变。。此时工作角度度与标注角度度的换算关系系如下：第一节金金属切削知识识（二）刀具安安装对工作角角度的影响第一节金金属切削知识识当刀尖安装高高于或低于工工件中心时，，则此时的切切削速度方向向发生变化，，引起基面和和切削平面的的位置改变第一节金金属切削知识识（二）刀具安安装对工作角角度的影响第一节金金属切削知识识四、切削层参参数第一节金金属切削知识识切削层：切削削过程中，由由刀具的一个个单一动作作所切除的工件件材料层。切削层尺寸平平面：通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向向的平面。切削刃基点：：切削刃等分分中点。例：平行四边边形BCDF即为切削层层尺寸平面，，它截切削层层于BCDE四边形。第一节金金属切削知识识（1）．．切削金属公公称厚度hD切削层公称厚厚度是在基面面内测量的切切削刃两瞬时时位置过渡表表面间的距离离，单位为mm（2）．．切削层公称称宽度bD切削层公称宽宽度是在基面面内沿过渡表表面测量的切切削层尺寸，，单位为mm（3）.切削层公称称横截面面积积AD切削层公称横横截面面积在在基面内测量量，单位为mm2第一节金金属切削知识识材料切除率Q：在特定瞬间，，单位时间所所切除的材料体积积。单位：mm3/

s

。Q=

1000vcAD=

1000vchDbD=

1000vcapf第一节金金属切削知识识第二节金属属切削机床基基本知识第二节金属属切削机床基基本知识1.机床的的性能方面（1）工艺范范围是指机床适应应不同加工要要求的能力。。1）通用机床床2）专用机床床一、对金属切切削机床的基基本要求一、对金属切切削机床的基基本要求1.机床的的性能方面（2）加工精精度机床的加工精精度是指该机机床加工零件件表面的实际际几何参数与与理想几何参参数的符合程程度，如：零零件加工表面面的尺寸、形形状、位置及及粗糙度（3）生产效效率及自动化化程度生产效率即是是单位时间内内机床所能加加工的工件数数量。全自动机床半自动机床普通机床第二节金属属切削机床基基本知识1.机床的的性能方面（4）人机适应应性人机适应性的的基本要求是是可靠、安全全和舒适。第二节金属属切削机床基基本知识机床的经济性性包括两方面面：机床制造厂的的经济效益机床使用厂的的经济效益第二节金属属切削机床基基本知识2.机床的的经济性方面面产品定义、外外观设计、结构设计、工工艺设计、成本核算、质质保措施、运输安装、合合理使用、维修折旧，报报废回收。机床品种系列列化、零部件件通用化和标标准化是生产产和使用机床床的一项重要要的技术经济济措施。第二节金属属切削机床基基本知识2.机床的的经济性方面面二、金属切削削机床的分类类（1）按机床床的加工性能能分类车床C钻钻床床Z铣床X镗镗床床T磨床M齿齿轮轮加工机床Y拉床L螺螺纹纹加工机床S锯床G刨刨插插床B其他机床Q第二节金属属切削机床基基本知识二、金属切削削机床的分类类（2）按机床床的通用性分分类1）通用机床床2）专门化机机床3）专用机床床第二节金属属切削机床基基本知识二、金属切削削机床的分类类（3）按机床床的自动化程程度分类1）手动机床床2）机动机床床3）半自动机机床4）全自动机机床第二节金属属切削机床基基本知识二、金属切削削机床的分类类（4）按机床床的工作精度度分类1）普通精度度机床2）精密机床床3）高精度机机床第二节金属属切削机床基基本知识（5）按机床床的主要工作作部件数目精精度分类1）单刀机床床2）多刀机床床3）单轴机床床4）多轴机床床二、金属切削削机床的分类类第二节金属属切削机床基基本知识（6）按机床床的重量和尺尺寸分类1）仪表机床床2）中型机床床3）大型机床床4）重型机床床5）超大型机机床二、金属切削削机床的分类类第二节金属属切削机床基基本知识（7）按加工工过程的控制制方式分类1）普通机床床2）数控机床床3）加工中心心4）柔性制造造单元二、金属切削削机床的分类类第二节金金属切切削机床床基本知知识1.机机床的技技术参数数及其结结构尺寸寸系列机床的技技术参数数是表示示机床尺尺寸大小小及加工工能力的的各种数数据。三、金属属切削机机床型号号的编制制第二节金金属切切削机床床基本知知识机床的技技术参数数包括：：主参数机床主参参数是表表示机床床规格大大小的一一种参数数，它直直接反应应出机床床的加工工能力的的大小。。第二主参参数主要工作作部件的的结构尺尺寸（如如工作台台面）主要工作作部件的的移动行行程范围围各种运动动的速度度范围和和级数电机功率率机床轮廓廓尺寸第二节金金属切切削机床床基本知知识机床型号号是用来来表明机机床的类类型、通通用特性性、结构构特性、、主要技技术参数数等。第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号（△）○（○）△△△（Ⅹ△））（○））（））其它特性性代号重大改进进顺序主轴数或或第二主主参数主参数或或设计顺顺序号系代号组代号通用特性性、结构构特性代代号类代号分类代号号第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号CA6140主参数（（最大加工工直径320mm）系代号（1）组代号（（卧式车车床）通用特性性（重大大改进序序号）））类代号（（车床））第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号X62主参数（（主轴直直径20mm））组：卧式式升降台台铣床铣床第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号Y3150E重大改进进序号主参数（（最大工工件直径径500mm））系代号（1）组：滚齿齿机齿轮加工工机床第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号Z525主参数（（最大钻钻孔直径径25mm）组：立式式钻床钻床第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号第二节金金属切切削机床床基本知知识2.机机床型号号第二节金金属切切削机床床基本知知识第二节金金属切切削机床床基本知知识？第二节金金属切切削机床床基本知知识二、机床床运动机器零件件上每一一个表面面都可看看作是一一条线（（母线））沿着另另条线（（导线））运动的的轨迹。。母线和导导线统称称为形成成表面的的发生线线（生成成线、成成形线））第二节金金属切切削机床床基本知知识第二节金金属切切削机床床基本知知识二、机床床运动第二节金金属切切削机床床基本知知识二、机床床运动三机床床的传动动机床上任任何运动动的实现现，均须须具备以以下三个个基本部部分：执行件机床运动动的具体体执行部部件，如如主轴、、刀架、、工作台台等。其其任务是是安装刀刀具或工工件，并并直接带带动其完完成一定定形式的的运动并并保持其其准确的的运动轨轨迹。动力源给机床运运动提供供动力和和运动的的装置，，是执行行件的运运动动力力来源。。传动装置置传递运动动和动力力的装置置。第二节金金属切切削机床床基本知知识外联系传传动链联系动力力源和机机床执行行件的传传动链，，它使执执行件得得到预定定速度的的运动，，并传递递一定的的动力。。外联系传传动链中中往往还还包括变变速机构构和改变变运动方方向的换换向机构构等。外联系传传动链传传动比的的变化，，只影响响生产率率或表面面粗糙度度，不影影响加工工表面的的形状。。内联系传传动链联系两个个执行件件，以形形成复合合成形运运动的传传动链。。第二节金金属切切削机床床基本知知识（一）机机床传动动链（二二））机机床床的的传传动动原原理理图图定比比机机构构固定定传传动动比比的的机机构构，，简简称称““定定比比机机构构””，，如如定定比比齿齿轮轮副副、、丝丝杠杠螺螺母母副副、、蜗蜗杆杆蜗蜗轮轮副副等等。。可变变换换传传动动比比结结构构简称称““换换置置机机构构””，，如如变变速速箱箱、、挂挂轮轮架架和和数数控控机机床床中中的的数数控控系系统统等