机械制造工程学(卓越)第一章-金属切削的基本要素

机械制造工程学教师:季国顺Thursday,October12,2023第一章金属切削的基本要素1.1工件表面的形成方法和成形运动1.2加工表面和切削用量三要素1.3刀具角度1.4切削层参数1.5刀具材料1.1工件表面的形成方法和成形运动1.1.1工件的加工表面及其形成方法1.被加工表面的形状零件的形状是由各种基本表面围成的，表面成形原理是切削加工方法设计的基础。典型的基本表面有：平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面及螺旋面等。如图1-1所示。2.工件表面的形成方法一般的基本表面都是可以看作是一条母线沿着一条导线运动形成的，母线和导线统称形成表面的发生线。如图1-2所示，图中1是母线，2是导线。注意：母线和导线相同的情况下，母线和导线之间的相对位置关系不同，生成的面也会不相同。3.发生线的形成方法及所需的运动刀具的切削刃与工件之间的相对运动得到发生线。形成发生线的方法可以归纳为四种：轨迹法刀具作一定规律的轨迹运动，对工件表面加工。成形法成形刀具对工件表面加工。相切法刀具边旋转边作沿轨迹的运动切削加工工件表面。展成法刀具和工件相互之间作展成切削运动的加工方法。1.1.2表面的成形运动表面的成形运动是保证得到工件要求的表面形状的运动。具体指母线和导线的成形运动是属于1.1.1中介绍的四种运动中的哪一种方法。如图1-5所示，车刀车削外圆时的成形运动，形成导线和母线的方法都是轨迹法。工件的旋转运动B1产生母线，刀具的纵向直线运动A2产生导线，车削外圆共计有两个成形运动。图1-5车刀车削外圆时的成形运动1.成形运动的种类简单成形运动：直线运动A，旋转运动B复合成形运动：由简单成形运动复合形成。注意：复合成形运动的各部分之间必须保持严格的相对运动关系，是互相依存的而不是独立的。简单运动之间是互相独立的，没有严格的相对运动关系。简单运动是可以单独运行，而不会相互影响的运动。注意判别简单运动与复合运动。图1-7齿条刀具加工齿轮成形运动图1-6加工螺纹的成形运动图1-6是加工螺纹的成形运动，由旋转运动B11和直线运动A12组成。图1-7是齿条刀具加工齿轮时的成形运动，由工件的旋转运动B11和刀具的直线运动A12组成。注意：复合成形运动下标第一个数字表示复合成形运动的序号，第二个数字表示在一个复合成形运动中的简单运动的序号。例1-1普通车刀车削外圆的成形运动，如图1-5所示。母线：圆，轨迹法形成，需要一个成形运动B1导线：直线，轨迹法形成，需要一个成形运动A2表面成形运动2个，简单成形运动例1-2成形车刀车削回转面，如图1-8a所示。母线：曲线刀刃，不需要成形运动导线：圆，轨迹法形成，需要一个成形运动B1表面成形运动总数1，是简单成形运动例1-3螺纹车刀车削外圆的成形运动，如图1-8b所示。母线：车刀刀刃与螺纹轴向剖面轮廓一致，不需要成形运动导线：螺旋线，轨迹法形成，需要一个由工件回转B11和刀具直线运动A12简单成形运动，组成的复合成形运动。例1-4齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面，如图1-8c所示。母线：渐开线，展成法，1个复合成形运动，滚刀旋转B11和工件旋转B12导线：直线，相切法形成，滚刀的旋转运动和滚刀沿工件轴的直线运动A2。两个成形运动，一个复合成形运动B11B12，一个简单成形运动A2例1-5螺旋槽铣刀铣削加工螺杆，如图1-8d所示。母线：空间曲线，铣刀刀齿回转面与螺旋槽面相切形成，分解为：刀盘的回转运动B1和铣刀轴线沿螺杆轴线的螺旋复合运动B21A22导线：螺旋线，由螺旋复合运动B21A22形成，与母线形成运动的一部分重合。图1-8形成所需表面的成形运动2.主运动、进给运动和合成切削运动各种切削加工中的成形运动，按照它们在切削加工过程中所起的作用，可以分为主运动和进给运动两种，两种运动的向量和为合成切削运动。所有切削运动的速度及方向都是相对于工件定义的。主运动：刀具与工件之间的主要相对运动，使刀具的切削部分切入工件材料，使被切削层转变为切屑，形成工件新表面。进给运动：使切削加工持续不断地进行。合成运动：主运动和进给运动的合成。图1-9车刀相对于工件的运动图1-10平面铣削相对于工件的运动1.2加工表面和切削用量三要素1.2.1切削过程中工件的加工表面图1-11外圆车削运动和加工表面1.2.2切削用量三要素切削速度、进给量、和切削深度称为切削用量三要素。1.切削速度主运动为回转运动，切削速度计算公式为：m/s或m/min(1-1)式中d为工件或刀具上某一点的回转直径，mm；n为工件或刀具的转速，r/s或r/min。2.进给速度、进给量和每齿进给量mm/s或mm/min(1-2)3.切削深度mm(1-3)外圆车削切削深度钻削切削深度mm(1-4)1.3刀具角度1.3.1刀具切削部分的结构要素前刀面加工时，切屑流经的表面。后刀面与主切削刃毗邻，且与工件过渡表面相对的刀具表面。副后刀面与副切削刃毗邻，且与工件已加工表面相对的刀具表面。切削刃前刀面上直接进行切削的边锋。有主切削刃和副切削刃。刀尖主、副切削刃相衔接处很短的一段切削刃，通常也称为过渡刃。有点刀尖、圆弧刀尖和倒角刀尖三种。图1-12车刀切削部分结构要素1.3.2刀具角度的参考坐标系刀具切削部分必须具有合理的几何形状，才能保证切削加工顺利进行和获得预期的加工质量。刀具切削部分的几何形状主要由一些刀面和刀刃的方位角度表示。为了确定刀具的这些角度，必须将刀具置于相应的参考坐标系中。参考坐标系可分为刀具标注角度参考坐标系和刀具工作角度参考坐标系，前者由主运动方向确定，后者则由合成切削运动方向确定。归结起来：“三面两刃一尖”前刀面Ar后刀面Aα副后刀面Aα’交线交线主切削刃s副切削刃s’刀尖连接部分一、刀具切削部分的结构要素前提条件：

不考虑进给运动；车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面平行；1.刀具标注角度参考坐标系构成刀具标注角度的参考坐标系的参考平面有：基面、切削平面、主剖面、切削刃法剖面、进给剖面和切深剖面基面

通过切削刃上选定点，垂直于主运动方向的平面。通常基面应平行于或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。切削平面通过切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面。也就是切削刃与切削速度方向构成的平面。主剖面通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。由基面、切削平面和主剖面构成正交主剖面参考坐标系。这是生产中最常用的刀具标注角度参考坐标系。切削刃法剖面通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。由基面、切削平面和切削刃法剖面构成法剖面参考坐标系。进给剖面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平面。通常进给剖面也平行于或垂直于刀具上制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。基面、进给剖面和切深剖面构成进给-切深剖面参考坐标系切深剖面通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和进给剖面的平面。1.刀具工作角度参考坐标系在刀具标注角度参考坐标系里面，定义基面时，只考虑了主运动而没有考虑进给运动。刀具实际使用时，刀具标注角度参考坐标系往往不能反映切削加工的实际情况，只有使用合成切削速度来确定参考坐标系才能够符合实际情况。以合成速度方向确定基面而确定的参考坐标系称为刀具标注角度参考坐标系。注意：刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是构造参考系时，前者以合成切削方向为依据，后者以主运动方向为依据。参考坐标系参考平面符号定义与说明工作主剖面参考坐标系工作基面垂直于合成切削运动方向的平面工作切削平面与切削刃相切并垂直于工作基面工作主剖面同时垂直于工作基面和工作切削平面的平面工作法剖面参考坐标系工作基面垂直于合成切削运动方向的平面工作切削平面与切削刃相切并垂直于工作基面切削刃法剖面垂直于切削刃的平面，同于工作坐标系中切削刃法剖面工作进给-切深剖面参考坐标系工作基面垂直于合成切削运动方向的平面工作进给剖面主运动方向与进给运动方向确定的平面工作切深剖面同时垂直于工作基面与工作进给剖面表1-1刀具工作角度参考坐标系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。由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度均应指明是切削刃选定点处的角度；凡未特殊注明者，则指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。在切削刃是曲线或者前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面。①前角：在主剖面内度量的基面与前刀面的夹角。②后角：在主剖面内度量的后刀面与切削平面的夹角。③楔角：在主剖面内度量的后刀面与前刀面的夹角。1.主剖面参考坐标系内标注角度(1-5)在主剖面内标注角度刃倾角

:在切削平面内度量的主切削刃与基面的夹角。主偏角在基面内度量的切削平面

与进给平面的夹角。它也是主切削刃在基面上投影与进给运动方向的夹角。在切削平面内标注角度在基面内标注角度刀尖角在基面内度量的切削平面和副切削平面的夹角。也可以定义为刀尖角是主切削刃和副切削刃在基面上投影的夹角。在主剖面参考系里，已经定义了5个角度：、、、、和，其中是派生角度，前四个角度是独立的。给定刃倾角和主偏角后，主切削刃在空间的方位就被唯一确定。再进一步确定前角和后角

，前刀面和后刀面也唯一确定。对于一把只有一条切削刃的刀具，若给定这四个独立的角度(亦称为四个基本角度)，那么这把单刃刀具的切削部分的几何形状便被确定。对具有主切削刃

和副切削刃

的刀具，还得结定与副切削刃有关的四个独立角度：副偏角、副刃倾角

、副前角。和副后角，这把车刀切削部分的几何形状才能确定。如果副切削刃和主削刃

共在一个已知的平面上，同时两切削刃上的选定点同一高度(以刀具底面为测量基准)，在这样的前提下，这两个选定点的基面和，便重合为一。这时，只要给定，则副切削刃在空间的方位便被确定。2.法剖面参考坐标系内标注角度法剖面参考坐标系和主剖面的参考坐标系的差别只在于剖面的不同。以法剖面

代替主剖面，主剖面参考系便变为法剖面参考系。因此只有法剖面的标注角度和主剧面的标注角度不相同，其余角度是对应相同的。所以只要定义法剖面的标注角度。法前角：在法剖面内度量的前刀面与基面的夹角。法后角：在法剖面内度量的切副平面与后刀面的夹角。法楔角

：在法剖面内测量的前刀面与后刀面的夹角。3.进给-切深剖面参考坐标系内标注角度(1-6)进给剖面内的标注角度有进给前角、进给后角和进给楔角；切深剖面内有切深前角、切深后角和切深楔角。1.3.4刀具角度换算在设计和制造刀具时，需要对不同的参考坐标系内的刀具角度进行换算，也就是将主剖面、法剖面、切深剖面、进给剖面之间的角度进行换算。1.3.5刀具工作角度刀具标注角度是在假定运动条件和假定安装条件下得到的，如果考虑合成切削运动和实际安装条件，则刀具角度的参考坐标系将发生变化，因而刀具角度也将产生变化，即刀具的实际角度不等于标注角度。按照实际工作情况，在刀具工作角度参考坐标系中所确定的角度称为刀具工作角度。通常，进给速度远小于主运动速度，所以在一般安装条件下，刀具的工作角度近似等于标注角度。只有在进给运动引起刀具角度值变化较大时，如车螺纹、铲背和钻孔时才计算工作角度。1.进给运动对刀具角度的影响2.切削刃上选定点安装高度对刀具工作角度的影响。3.刀具中心线与进给方向不垂直对刀具角度的影响。1.4切削层参数车刀正在切削着的这一层金属叫做切削层，切削层的大小和形状决定了车刀切削部分所承受的负荷大小及切屑的形状和尺寸。不管切屑的形状如何，其底边尺寸总是，高总是，因此，切削用量的两个要素和

又称为切削层的工艺尺寸。不论何种切削加工，真正能够说明切削机理的是切削层的真实厚度和宽度。图1-16外圆纵车切削层参数切削厚度切削宽度切削面积金属去除率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或之后，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层。一般在基面内，度量切削层的剖面形状和尺寸。2.切削厚度垂直于过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削厚度，在外圆纵车时，3.切削宽度沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削宽度，以，外圆纵车时4.切削面积切削层在基面内的面积，称为切削面积，以表示。对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为：4.金属去除率刀具在单位时间内，从工件材料切除的金属的体积，是衡量金属切削加工效率的指标。1.5刀具材料刀具切削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构，其中刀具材料是首要的，它对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。1.5.1刀具材料应具备的基本性能硬度

刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度须在HRC62以上，并要求保持较高的高温硬度。耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，它是刀具材料机械性能（力学性能)、组织结构和化学性能的综合反映。组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布对抗磨料磨损的能力有很大影响，而抗冷焊磨损(冷焊磨损即过去有些书上所称的粘结磨损、抗扩散磨损和抗氧化磨损的能力还与刀具材料的化学稳定性有关。强度和韧性

一般，强度用抗弯强度表示，韧性用冲击值表示。刀具材料中强度高者，韧性也较好，但硬度和耐磨性常因此而下降，这两个方面的性能是互相矛盾的。耐热性

刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。导热性和膨胀系数刀具材料的导热系数(热导率)越大，则由刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具使用寿命。线膨胀系数小，则可减少刀具的热变形。工艺性要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工和可磨削性、热处理特性等。材料的高温塑性对热轧刀具十分重要。刀具材料种类很多，常用的有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢)、硬质合金、陶瓷、金刚石(天然和人造)和立方氮化硼等。碳素工具钢(如T10A、T12A)和合金工具钢(如9CrSi、CrWMn)，因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前尚只在较小的范围内使用。当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。

1.5.2高速钢高速钢是加入了钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢。1.钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素是强烈的碳化物形成元素，在熔炼与热处理过程中与碳形成了高硬度的碳化物，从而提高了钢的耐磨性。高速钢性能优于一般工具钢的原因2.高速铜采用了接近熔点的淬火温度，得到细晶粒的合金化的马氏体组织，它在低温回火(约560℃)时又使合金碳化物析出，从而进一步提高了硬度与耐磨性。高速钢特点1高速钢600度以上时，其硬度下降而失去切削性能。2高速钢最大优点是强度、韧性和工艺性好。3价格便宜4广泛用于制造复杂刀具和小型刀具制造。目前，高速钢占刀具材料总使用量的60％以上。高速钢分类化学成分分：钨系、钨钼系和钼钨系按切削性能分，则有普通高速钢和高性能高速钢按制造方法分，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢常用普通高速钢1.W18Cr4V

属钨系高速钢。它的历史悠久，至今尚在普遍使用。其综合机械（力学）性能和可磨削性好，可用以制造包括复杂刀具在内的各类刀具2.W6Mo5Cr4V2

属钨铝系高速钢；其碳化物分布的均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但是，可磨性比W18Cr4V略差，切削性能则大致相同。国外由于资源关系，已淘汰所谓传谓传统高速钢W18Cr4V而以W6Mo5Cr4V2代替。这一钢种目前我国主要用于热轧刀具（如麻花钻），也可用于制作大尺寸刀具。3.W14Cr4VMn-RE

这种高速钢有较大的塑性，可作热轧刀具用。此钢种中含钨量较W18Cr4V少，而含有少量的锰及稀土元素RE，其切削性能相当于W18Cr4V。4.W9Mo3Cr