机械制造基础课件 项目四 机械加工基础

项目四学习金属切削加工基础

任务一认识切削运动

1切削运动切削加工时，为了获得各种形状的零件，刀具与工件之间要具有一定的相对运动，即切削运动，切削运动可以分为主运动和进给运动。

（1）

主运动是刀具和工件之间产生的主要相对运动。主运动是切下切屑所需要的最基本的运动，是切削加工中速度最高、消耗功率最多的运动，如车削时工件的旋转，牛头刨床刨削时刨刀的往复移动等，一台机床主运动一般只有一个。

（2）

进给运动由机床或人力提供的运动,它使刀具与工件之间产生附加的相对运动,加上主运动,即可不断地或连续地切除切屑,并获得具有所需几何特征的已加工表面。一台机床的进给运动可以是一个,也可以是多个。主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动。知识模块2．切削表面在切削过程中，工件上有以下三个变化着的表面：（1)待加工表面：工件上即将被切除的表面。(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：加工时主切削刃正在切削的表面，它处于已加工表面和待加工表面之间。知识模块3．切削用量

削用量是指切削速度、进给量（或进给速度）和背吃刀量。三者又称为切削用量三要素。(1)切削速度（m／s或m／min）切削刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定

当主运动复直线运动时，切削速度由下式确定：

式中L——为主运动往复行程（mm）

n——为主运动往复次数(2)进给量f

进给量是指工件或刀具每转一周（或每往复一次），刀具与工件之间在进给运动方向上的相对位移量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。对于铣刀、铰刀、拉刀，等多齿刀具，还规定每刀齿进给量，单位是mm／z。进给速度、进给量和每齿进给量之间的关系为

（3）切削深度（mm）刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量。外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。

知识模块4切削层参数切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。

（1）切削层厚度垂直于切削表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。车外圆时，如车刀主切削刀为直线，则（2）切削层宽度沿切削表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）如车刀主切削刃为直线，则

（3）切削层横截面积切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。可用下式计算

任务二了解金属切削刀具的几何角度

几种常用刀具

刀具的各组成部分统称为刀具的要素。刀具的种类很多，但以单个刀齿都可看作是由外圆车刀的切削部分演变而来的。知识模块1车刀的组成车刀的组成：切削部分夹持部分金属切削刀具（1）

刀具的结构1）刀具切削部分的组成三个刀面、两个刀刃、一个尖nf前刀面nf前刀面主后面（1）刀具切削部分的组成三个刀面、两个刀刃、一个尖nf前刀面主后面副后面（1）刀具切削部分的组成三个刀面、两个刀刃、一个尖nf前刀面主切削刃（1）刀具切削部分的组成三个刀面、两个刀刃、一个尖1）刀具切削部分的组成三个刀面、两个刀刃、一个尖nf前刀面主切削刃副切削刃（1）刀具切削部分的组成三个刀面、两个刀刃、一个尖nf前刀面主切削刃副切削刃刀尖外圆车刀的切削部分知识模块2刀具的标注角度

1．刀具标注角度的参考系刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，必须引人一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下：（l）基面：通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。（2）切削平面：通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。

知识模块2刀具的标注角度（3）正交平面：通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。正交平面参考系的建立是基于以下有几个假设条件

1假设运动条件用主运动向量近似代替相对合成速度向量，也就是用主运动代替了主运动和进给运动的合运动。

2假设刀具的安装条件规定刀杆中心线与进给运动方向垂直，刀尖与工件中心等高。除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。2．刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个其定义如下

车刀的几何角度标注

在基面内测量的角度（1）主偏角进给运动方向主切削刃在基面上投影的夹角。（2）副偏角副切削刃与进给运动反方向在基面上投影的夹角。（3）刃尖角主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角。在正交平面内测量的角度（1）前角前面与基面间的夹角。前角的正负方向按图示规定表示，即刀具前刀面在基面之下时为正前角，刀具前刀面在基面之上时为负前角。。（2）后角主后面与切削平面间的夹角。（3）楔角前面与主后面间的夹角

刃倾角主切削刃与基面的夹角在切削平面上的投影。当主切削刃呈水平时，λs=0；刀尖为主切削刃最低点时，λs〈0；刀尖为主切削刃上最高点是，λs〉0，如图7-7示3．刀具的工作角度上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。任务三认识刀具材料知识模块1刀具材料的性能要求（1）较高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较高的耐热性（4）良好的导热性（5）良好的工艺性知识模块2常用刀具材料刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。任务四了解切屑和切削力知识模块1切屑类型及控制1、切屑的类型由于工件材料不同，切削条件各异，切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种类型，如图所示a)带状切屑b)节状切屑c)粒状切屑d)崩碎切屑切屑的几种形态(1)带状切屑(2)节状切屑(挤裂切屑)(3)粒状切屑(单元切屑)(4)崩碎切屑2、切屑的控制可采取以下措施对切屑实施控制。（1）采用断屑槽（2）改变刀具角度（3）调整切削用量

断屑槽的几种形态

知识模块2切削力

（一）切削力、切削合力及分解、切削功率1.切削力的来源切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。切削力来源于以下两个方面：1）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力切削力的来源2切削合力及分解刀具切削零件时，必须克服材料的变形抗力，克服切屑与前刀面以及零件与后刀面之间的摩擦阻力，才能切下切屑。这些阻力的合力就是作用在刀具上的总切削力F。常把F分解成Fc、Fp、Ff互相垂直的3个分力式中：

Fc——切削力，它垂直于基面Pr，与切削速度vc方向一致，它消耗机床的主要功率，是计算切削功率、选取机床电动机功率和设计机床主传动机构的依据；Ff—-进给力，它作用于基面Pr内，与进给方向平行，是设计机床进给机构的依据；Fp——背向力，它作用于基面Pr内，与进给方向垂直，它能使工件产生变形，是校验机床主轴在水平面内刚度及相应零部件强度的依据切削合力与分力3．切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率。切削功率Pc是3个切削分力消耗功率的总和，但在车外圆时，吃刀抗力消耗的功率为零，走刀抗力消耗的功率很小，一般可忽略不计。因此，切削功率可用下式计算：

Pc=Fcvc10-3(kw)4．单位切削力的概念单位切削力是指单位面积上的切削力，用kc表示。如果单位切削力是已知的则可以利用下式计算出切削力Fc（二）、影响切削力的因素1．工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小2．切削用量的影响（1）切削深度ap和进给量fap和f增大，都会使切削力增大，但两者的影响程度不同。ap增大时，变形系数ξ不变，切削力成正比增大；f增大时，ξ有所下降故切削力不成正比增大。（2）切削速度vc

切削塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内，随着vc的增大，切削力减小.

3．刀具几何参数的影响（1）前角γo

当前角增大时ξ减小，切削力下降。切削塑性材料时，刀具前角的大小对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小，刀具前角对切削力的影响不大。（2）主偏角当主偏角增大时，切深抗力Fp减小，进给抗力Ff增大。（3）刃倾角刃倾角将影响切屑在前刀面上的流动方向，从而使切削合力的方向发生变化。当增大时，切深抗力Fp减小，进给抗力Ff增大。（4）负倒棱为了提高刀尖部位强度、改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角γ0的棱台，其宽度为。

负倒棱车刀4．刀具磨损刀具磨损越大，刀具变钝，切削力增大。5．切削液使用以冷却作用为主的切削液（如水溶液）对切削力影响不大，使用润滑作用强的切削液（如切削油）可使切削力减小。6．刀具材料不同的刀具材料与工件材料间的摩擦系数是不相同的，摩擦力的大小已不相同，导致切削力变化。在其他切削条件完全相同的条件下，用陶瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用高速钢刀具进行切削的切削力大于前两者任务五了解切削热和切削温度知识模块1切削热的产生与传递在切削加工过程中，切削功几乎全部转换为热能，将产生大量的热量。将这种产生于切削过程的热量称为切削热。其来源有以下3种。(1)切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源。(2)切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量。(3)零件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。知识模块2影响切削温度的主要因素1.切削用量对切削温度的影响切削用量中，切削速度vc对切削热的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。2．刀具几何参数对切削温度的影响前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，增大前角，可减少切屑变形，产生的切削热少，切削温度低。但当前角过大时，会使刀具的散热条件变差，反而不利于切削温度的降低。减小主偏角，主切削刃参加切削的长度增加，散热条件变好，可降低切削温度3．工件材料对切削温度的影响零件材料的强度和硬度越高，切削中消耗的功率越大，产生的切削热越多，切削温度也越高。4．刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损使切削刃变钝，切削时变形增大、摩擦加剧，切削温度上升。5．切削液对切削温度的影响使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切削温度，提高刀具寿命。任务六了解刀具磨损和刀具寿命知识模块1．刀具磨损的形态（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼（2)后刀面磨损由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面，这种磨损形式称作后刀面磨损。（3)边界磨损切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处（N区）和副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这种磨损称作边界磨损。知识模块2刀具磨损的原因（1）硬质点划痕（2）冷焊粘结（3）扩散磨损（4）化学磨损知识模块3刀具磨损过程及磨钝标准1．刀具磨损过程（1）初期磨损阶段新刃磨的刀具刚投入使用、后刀面与工件的实际接触面积很小，单位面积上承受的正压力较大，再加上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平，刀具磨损速度很快，此阶段称为刀具的初期磨损阶段.

刀具磨损曲线（2）正常磨损阶段经过初期磨损后刀具后刀面与工件的接触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平，因此磨损速度变慢，此阶段称为刀具的正常磨损阶段，它是刀具的有效工作阶段。（3）急剧磨损阶段当刀具磨损量增加到一定限度时，切削力、切削温度将急剧增高，刀具磨损速度加快，直至丧失切削能力，此阶段称为急剧磨损阶段2．刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用了，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。因为一般刀具的后刀面都会发生磨损，而且测量也较方便，因此国际标准ISO统一规定以1／2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准刀具的径向尺寸磨损量NB知识模块4刀具寿命的定义1刀具寿命的定义刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间，称为刀具寿命，用T表示

知识模块5刀具的破损在切削加工中，刀具有时没有经过正常磨损阶段，而在很短时间内突然损坏，这种情况称为刀具破损。任务七熟悉加工质量知识模块1加工精度是指零件在加工之后，其尺寸、形状等几何参数的实际数值同它们理想几何参数的符合程度。其差值称为加工误差。加工误差愈小，加工精度愈高。零件的加工精度包括零件的尺寸精度、形状精度和位置精度，在零件图上分别用尺寸公差、形状公差和位置公差来表示。知识模块2表面质量机械零件的表面质量，主要指零件加工后的表面粗糙度以及表面材质的变化。

图7-30表面粗糙度与波度2、已加工表面的加工硬化和残余应力1）加工硬化切削塑性材料时，经切削变形后，往往发现零件已加工表面的强度和硬度，比零件材料原来的强度和硬度有显著提高，这种现象称为加工硬化。零件表面层的硬化，可以提高零件的耐磨性，但同时也增大了表面层的脆性，降低了零件抗冲击的能力。2）残余应力指在外力消失以后仍存在于零件内部的应力叫残余应力。残余应力分为拉应力和压应力，各部分的残余应力分布不均匀，会使零件发生变形，影响尺寸和形位精度。

任务八了解材料的切削加工性

知识模块1材料的切削加工性概念和衡量指标切削加工性是指材料被切削加工成合格零件的难易程度。零件材料的切削加工性对刀具耐用度和切削速度的影响很大，对生产率和加工成本的影响也很大。材料的切削加工性越好，切削力和切削温度越低，允许的切削速度越高，被加工表面的粗糙度越小，也易于断屑。材料切削加工的好坏往往是相对于另一种材料来说的。具体的加工条件和要求不同，加工的难易程度也有很大的差异。1．料切削加工性能的指标(1)一定刀具耐用度下的切削速度

Kv=v60/(v60)j(2)已加工表面质量凡较容易获得好的表面质量的材料，其加工性较好；反之则较差。(3)切屑控制或断屑的难度凡切屑较容易控制或易于断屑的材料，其切削加工性较好；反之较差。(4)切削力在相同的切削条件下，凡切削力较小的材料，其切削加工性较好。知识模块2.改善材料切削加工性的主要途径提高难切削材料切削加工性的途径有：

选择合适的刀具材料。②对工件材料进行相应的热处理，尽可能在最适宜的组织状态下进行切削。③提高机床—夹具—刀具—工件这一工艺系统的刚性，提高机床的功