2013绪论及第一章.ppt

1、张银霞,金属切削原理 Metal Cutting Theory,2006年博士毕业于大连理工大学现代制造技术研究所 主要研究方向：精密超精密加工技术,抗疲劳制造技术 Email： M.Phone:机械制造业的技术变迁。 加工方法：塑性加工、热压成型加工、机械加工、高能加工、电及化学加工等方法。 其中机械加工应用最为广泛，机械制造中工作母机80-90%为金属切削机床，机加工总量中切削加工占30-40%。,绪论,一、 金属切削加工的特点及地位,金属切削加工是指用切削刀具从工件上切除多余的金属，从而获得在形状、尺寸精度及表面质量等方面都合乎预定要求的加工。 video金属切

2、削过程.mpg,1、切削加工 a)机械加工（机工）利用机械力对各种工件进行加工。 方法：车、铣、刨、钻、扩、铰、拉、镗、 插、锯等。 b)钳工加工（钳工）在钳台上以手工工具为主对工件进行加工的各种加工方法。 方法：划线、锯削、锉削、刮削、研磨等。,2、磨削 外圆磨、内圆磨、平面磨、齿轮磨、蜗杆砂轮磨、单线砂轮磨 多线砂轮磨 各种成形磨、抛光等； 3、特种加工 电加工、化学加工、超声加工. 其中切削加工和磨削加工应用最为广泛。 金属切削加工在整个国民经济中占有十分重要的地位。 金属切割.rmvb,金属切削加工的特点： 切削加工的精度和表面粗糙度范围广泛。 切削加工零件的材料、形状、尺寸和重量范围

3、较大。 切削加工的生产率较高。 切削加工存在切削力，刀具和工件均需具有一定刚度和强度，且刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度. 缺点：切除大量切屑，造成了材料的浪费。,公元前2000多年 青铜器时代 春秋中晚期 考工记金工知识 铁器 唐代 原始的车床 1668 畜力铣磨机 脚踏刃磨机 1915 第一台国产车床 1947 放电加工 1864年法国Joessel研究了刀具几何形状对切削力的影响 1870-1877年俄国的H.A.THMe研究了切屑的形成和切屑的种类 1906-1907年美国F.W.Taylor发表了“关于金属切削技术”及刀具耐用度与切削速度的关系式,二、 金属切削加工的的发展,直径

4、2丈（6.7米）， 加工天文仪器上 的铜环,或磨石,1860年以后，车、铣、刨、磨以及齿轮和螺纹加工的机床相继出现 刀具材料相继出现了碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、单晶金刚石刀具、各种涂层硬质合金刀具及陶瓷刀具和各种新型磨料（如立方氮化硼）,切削加工朝着高精度、高效率、自动化、柔性化和智能化方向发展，体现在以下三方面： （1) 加工设备朝着数控技术、精密和超精密、高速和超高速方向发展 （2) 刀具材料朝超硬材料方向发展 （3) 生产规模由小批量和单品种大批量向多品种变批量的方向发展。生产方式由手工操作、机械化、单机自动化、刚性流水线自动化向柔性自动化和智能自动化方向发展,二、 金属

5、切削加工的的发展,1. 金属切削原理课程的性质 是一门专业基础课，是机械加工专业人员的一门必修课 . 为机械制造专业的后续课程如金属切削刀具、金属切削机床、机械制造工艺学和其它专业选修课等以及专业课课程设计、毕业设计提供必要的基础知识。,三、 本课程的性质和任务,研究内容： 基本理论方面：切削变形，力，热，温度，刀具磨损、破损等基本理论、规律； 基本知识方面：刀具材料的种类、应用，工件材料加工性能、评定，加工质量，切削用量选用; 基本技能方面：会选刀具材料，刀具几何参数，切削用量，简单计算等。,2. 金属切削原理课程的内容,3. 金属切削原理课程的任务 基本任务:研究金属切削过程的基本规律，研

6、究新型刀具材料的切削性能，研究如何提高切削效率，保证加工零件的表面质量。 主要内容:刀具角度和角度换算，金属切削的基本规律，应用部分，磨削等。 主要目标:通过对金属切削过程一般现象的认识，掌握其内在的基本规律，能按具体条件合理地选择刀具材料、切削部分几何参数和切削用量，计算切削力和功率，了解金属切削实验的基本方法。并能用所学金属切削的科学理论知识对生产中的一些问题进行分析、解释和解决。,金属切削原理与切削刀具之间的联系,第一章 基本定义,一、切削运动 切削加工必备三个条件： 刀具与工件之间要有相对运动 刀具具有适当的几何参数，即切削角度 刀具材料具有一定的切削性能 切削运动 是切削加工中，工件

7、与刀具之间必须完成一定的相对运动，一般是主运动和进给运动的合成。,1.1 切削运动和切削用量,1、主运动：使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动是切下金属所必须的基本运动。 特点: 运动速度最高，消耗功率最大。一般只有一个。 如车削中工件的旋转或铣削中刀具的旋转等。 2、进给运动：在切削运动中不断把切削层投入，使切削工作得以继续下去的运动。 特点：运动速度低，消耗功率小。个数可能不止一个。 可以是连续运动，也可以是间歇运动。 主运动和进给运动可以由工件完成，也可以由刀具完成。,3. 主运动和进给运动的合成 主运动和进给运动同时进行，如车削时刀具上切削刃某一点相对于工件的合成运动称合成

8、切削运动，可用合成速度向量ve表示。它等于主运动速度vc与进给速度vf的向量和， 即,ve=vc+vf,沿切削刃各点的合成速度向量并不相等。,二、加工中的工件表面,(1) 待加工表面：即将被切去金属层的表面。 (2) 加工(过渡）表面：切削刃正在切削的表面。 (3) 已加工表面：切削后形成的新表面video6车削.swf,工件上的加工表面,工件上的加工表面的工程图表示,三、切削用量,1. 切削速度 vc（m/s或m/min ） 切削加工时，切削刃上选定点相对于工件主运动的速度。,旋转运动：,（m/s）,切削刃上各点的切削速度有可能不同，考虑到刀具的磨损和工件的表面加工质量，在计算时应以切削刃上

9、各点中的最大切削速度为准。,2. 进给量f （mm） 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量称为进给量。进给量是进给运动的单位量。可用刀具每转或每行程的位移量来表述。 (mm/r) 进给速度vf 切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，（ mm/s）,多齿刀具，如铣刀，钻头，每齿进给量,3. 背吃刀量ap 背吃刀量是垂直于进给运动方向测量的切削层横截面尺寸， 车外圆时： 式中:dw待加工表面直径(mm)； dm已加工表面直径(mm),刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的切削部分。 车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀的演变和组合。 刀具切削部分的组成 车刀：刀

10、杆和刀头两部分,1.2 刀具的几何参数,由夹持部分(刀柄)和切削部分(刀头)两大部分组成。 夹持部分:为矩形(外圆车削)或圆形(镗孔) 切削部分根据需要制造成多种形状。 车刀切削部分的结构要素:包括三个切削刀面、两条切削刃和一个刀尖。,一、刀具切削部分的表面与刀刃,前刀面A切屑沿其流出的刀面 主后刀面A与工件加工面相对 的刀面 副后刀面A 与工件已加工面相对 的刀面 主刀刃前刀面与主后刀面的交线，它完成主要切削工作 副刀刃前刀面与副后刀面的交线，它配合主刀刃最终形成已加工表面 刀尖（过渡刃）主刀刃与副刀刃的交点,刀尖形式 a) 实际交点 b) 曲线刃 c) 直线刃 各种复杂刀具或多齿刀具，拿出

11、其中一个刀齿，其几何形状都相当于一把车刀的刀头 以普通外圆车刀为代表来确定切削部分的基本定义，也必然适用于其他刀具,二、确定刀具切削角度的参考平面、参考系,为了确定刀具切削部分的几何形状，可用一定的几何角度表示 参考平面：基面和切削平面 测量平面：正交平面、法平面、背平面和假定工作平面 参考系： 定义刀具几何角度的参照平面系，以确定刀面和刀刃的空间位置，有正交平面参考系、法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系,为便于刀具设计者在设计刀具时的标注，一般先合理地规定一些条件。在车削时，这些条件是： (1) 装刀时，刀尖恰在工件的中心线上。 (2) 刀杆中心线垂直于工件轴线。 (3) 没有进给运动

12、。 (4) 工件已加工表面的形状是圆柱表面。,1、基面Pr 过主切削刃选定点，与该点切削速度方向相垂直的平面。video车刀基面.avi 2、切削平面Ps 过主切削刃选定点，与该点过渡表面相切，并垂直于基面的平面。video切削平面Ps.avi 3、正交平面（主剖面） Po 过主切削刃选定点，并同时垂直与基面和切削平面的平面video正交平面Po .avi,切削平面,正交平面,横车的基面、 切削平面和主面,4、法平面Pn 通过主切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。video法平面Pn.avi 5、背平面Pp 通过主切削刃上选定点平行于刀杆轴线并垂直于基面的平面，它与进给方向是垂直的，video

13、背平面pp.avi 6、假定工作平面Pf 通过主切削刃上选定点，同时垂直于刀杆轴线及基面的平面，它与进给方向平行。video假定工作平面Pf.avi,刀具的常用标注参考系组成 注意： 1、主、副刀刃上不同点都可能有不同的 Pr 、Ps 及不同的参考系，副刀刃点上不同相应符号右上角加“ ”。 2、参考系的意义：仅标注刀具几何角度用，实际刀具中并没有，是想象出来的。,正交平面参考系（ Pr、 Ps 、Po ） 法平面参考系（ Pr、 Ps 、Pn ） 背平面和假定工作平面参考系（Pr、 Pp 、Pf ),正交平面参考系（pr-ps-po）,正交平面系及其角度,法平面参考系（pr-ps-pn）,法平

14、面系及其角度,假定工作（进给）平面、背（切深）平面参考系（pr-（ps）-pf-pp）,假定工作(进给)平面、背(切深)平面参考系及其角度,车刀标注角 度参考系的 各平面位置 （工程图表示法）,1、前角（0）前刀面和基面之间的夹角。有正负之分，小于90度为正，大于90度为负。 在主剖面Po内度量 2、后角（0）主后刀面和切削平面之间的夹角。在主剖面Po内度量。,三、刀具的标注角度,3、主偏角（kr）在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。 它总为正值。 4、副偏角（kr）在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。它总为正值。,5、刃倾角s： 在切削平面s内，主切削刃与基面之间的夹角。 根据I

15、SO规定，当刀尖是主切削刃上最低点时，s为负值(如图 (b)所示)；当刀尖是主切削刃上最高点时，s为正值(如图 (c)所示)。,6、副前角o：在副切削刃的主剖面中前刀面与基面之间的夹角。在副切削刃主剖面Po（垂直于副切削刃在基面上的投影）内当o、s、r、r为已定值，o即被惟一确定。 7、副后角o：副后刀面与切削平面之间的夹角。 此外， 根据分析刀具的需要，还需给定几个派生角度， 其名称和定义如下： 8、楔角o：前刀面与后刀面之间的夹角。当o、o已知， o可按下式求得,9、刀尖角r：在基面Pr内，主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。,r=180-(r+r ),车刀的标注角度,刀具基本角度

16、标注,1、进给运动对刀具工作角度的影响 横向进给：如切断刀，工作时切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋面，引起了实际切削时前、后角数值的改变。,四、刀具的工作角度,值随切削刃趋近工件中心而增大。进一步靠近中心，值急剧增大， 实际工作后角变为负值。切断工件时，往往切至直径为1mm时工件就被挤断，就是这个道理。,切断刀的工作角度,纵向进给,车右（左）螺纹时的车刀左（右）侧刀刃， 应适当增大刃磨后角（前角）,纵向进给运动对工作角度的影响,2 刀具安装位置对工作角度的影响 刀尖不过中心线 刀尖通过工件中心线时，所得的前、后角为o、o；当刀尖不在工件中心线时，由于基面、切削平面已变动为Pre、Pse

17、，此时的实际工作前、后角将改变为oe、oe。,刀具安装偏高对工作角度的影响,刀杆中心线不垂直于进给方向 如图所示，当中心线、轴线互不垂直时，将引起主偏角r、副偏角r数值的改变。,G的正、负由刀杆偏斜方向确定，右偏为正，左偏为负。,一、正交平面与法平面之间角度的换算 有些切削刀具，往往需要知道或标注法剖面的角度。 法剖面Pn：通过切削刃某选定点，垂直于主切削刃或其切线的平面。 法剖面上的前角n与主剖面上的前角o的关系可用解析法求得,tann=tano coss,1.3 刀具标注角度的换算,cotn=coto coss,二、任意剖面与正交平面内前、后角的关系 任意剖面是指通过车刀主切削刃上任意一点

18、O所作的垂直于基面的剖面Pi。Pi与切削平面Ps的夹角为 有,三、背平面与假定工作平面内的角度 假定工作平面f：通过切削刃某选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面的平面。(进给剖面） 背平面Pp：通过切削刃某选定点，同时垂直于进给运动方向和基面的平面。（切深剖面） 假定工作平面和背平面为互相垂直的平面。在背平面中可得切深前角p、 切深后角p；在假定工作平面中可得进给前角f、进给后角f。,tanp=tano cosr+tans sinr tanf=tanosinr-tans cosr cotp=coto cosr+tans sinr cotf=coto sinr-tans cosr,四、最大前角

19、、最小后角的确定 刀具前角过大，会削弱切削刃和刀头的强度，降低散热能力。后角过小，则后面与过渡表面间的磨擦加剧。因此，在刀具设计时要算出刀具的最大前角和最小后角及其在切削刃上相应点的位置。最大前角 与最小后角 所在剖面与切削平面的夹角分别为 和,切削层：在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属。 切削层参数：切削层的截面尺寸。它直接决定了切削刃切削部分所承受的负荷大小及切下切屑的形状的尺寸。 1、切削厚度ac：即切削层厚度，也就是相邻两个加工表面之间在基面上测量的垂直距离，垂直于过渡表面度量。 2、切削宽度aw：即切削层宽度，它是沿加工表面在基面上测量的切削层尺寸，沿过渡

20、表面度量。 3、切削面积Ac： 即切削层在基面内的面积。,1.4 切削层参数与切削方式,一、切削层参数,切削层要素,当s=0时，ac、aw与f、ap的关系为,可见，f、ap一定时，r增大，ac增大，aw减小 对于曲线的切削刃， 切削层各点的切削厚度是互不相等的（上图）。,不同r时 ac、aw的变化,4、 残留面积及其高度 按式 计算的切削面积Ac是近似的，称名义切削面积。 由于切削运动和刀具几何形状的关系(如图2-18 所示)，使加工后仍有一部分金属未被切除，而残留在已加工表面上，构成已加工表面的横向不平度(粗糙度)，即所谓残留面积。 当刀尖圆弧半径r=0时，残留面积高Rmax为,当刀尖圆弧半径r0时，残留面积高Rmax为,减小f、Kr和Kr，增大刀尖圆弧半径r，Rmax会减小，表面粗糙度降低,残留面积及其高度 (a) r=0; (b) r0,1、自由切削和非自由切削 自由切削是指只有一个直线切削刃参加切削。 包括直角自由切削和