機(jī)械基礎(chǔ)第一章 金屬切削過程的基本知識(shí)

第一章金屬切削過程的根本學(xué)問本章主要介紹以下內(nèi)容：1、金屬切削過程的根本概念2、刀具材料課時(shí)支配：1，兩個(gè)學(xué)時(shí)，2，一個(gè)學(xué)時(shí)重點(diǎn)、難點(diǎn)：金屬切削過程的根本概念1.1金屬切削過程的根本概念一、切削外表及切削運(yùn)動(dòng)(見P4-5)〔一〕切削外表

切削加工過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在切削過程中，工件上通常存在著三個(gè)不斷變更的切削外表。即：待加工外表：工件上即將被切除的外表。已加工外表：工件上已切去切削層而形成的新外表。過渡外表(加工外表)：工件上正被刀具切削著的外表，介于已加工外表和待加工外表之間。以車削外圓為例，如下列圖。〔二〕切削運(yùn)動(dòng)刀具及工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)〔即外表成形運(yùn)動(dòng)〕。按作用來分，切削運(yùn)動(dòng)可分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。上圖給出了車刀進(jìn)展一般外圓車削時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)，圖中合成運(yùn)動(dòng)的切削速度Ve、主運(yùn)動(dòng)速度Vc和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度Vf之間的關(guān)系。

1、主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)是刀具及工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它使刀具的前刀面可以接近工件，切除工件上的被切削層，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?，從而完成切屑加工。一般，主運(yùn)動(dòng)速度最高，消耗功率最大，機(jī)床通常只有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)。例如，車削加工時(shí)，工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是協(xié)作主運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)依次連綿起伏地切除多余金屬層的刀具及工件之間的附加相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及主運(yùn)動(dòng)協(xié)作即可完成所需的外表幾何形態(tài)的加工，依據(jù)工件外表形態(tài)成形的須要，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以是多個(gè)，也可以是一個(gè)；可以是連續(xù)的，也可以是間歇的。3、合成運(yùn)動(dòng)及合成切削速度當(dāng)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)展時(shí)，刀具切削刃上某一點(diǎn)相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)稱為合成切削運(yùn)動(dòng)，其大小和方向用合成速度向量ve表示,見上圖。

Ve=Vc+Vf二、切削用量三要素及切削層參數(shù)

(一〕切削用量三要素1、切削速度vc切削速度vc是刀具切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)線速度。由于切削刃上各點(diǎn)的切削速度可能是不同，計(jì)算時(shí)常用最大切削速度代表刀具的切削速度。當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)：式中d—切削刃上選定點(diǎn)的回轉(zhuǎn)直徑，mm；n—主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，r/s或r/min。2、進(jìn)給速度vf、進(jìn)給量f進(jìn)給速度vf—切削刃上選定點(diǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度，mm/s或mm/min.。進(jìn)給量f—刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上相對(duì)于工件的位移量，用刀具或工件每轉(zhuǎn)或每行程的位移量來表述，mm/r或mm/行程。Vf=nf3、切削深度ap對(duì)于車削和刨削加工來說，切削深度ap〔背吃刀量〕是在及主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向相垂直的方向上度量的已加工外表及待加工外表之間的間隔，單位mm。對(duì)于鉆孔加工來說，

切削用量三要素及切削層參數(shù)式中dw----工件待加工外表直徑，mm。dm----工件已加工外表直徑，mm?！捕城邢鲗訁?shù)(見P13)

在切削過程中，刀具的切削刃在一次走刀中從工件待加工外表切下的金屬層，稱為切削層。切削層參數(shù)切削層公稱厚度hD

在過渡外表法線方向測(cè)量的切削層尺寸，即相鄰兩過渡外表之間的間隔。hD反映了切削刃單位長(zhǎng)度上的切削負(fù)荷。由圖得：hD=fsinkr

其中：hD—切削層公稱厚度，(mm)；f—進(jìn)給量，(mm/r〕；

kr—車刀主偏角，(。)。切削層公稱寬度bD

沿過渡外表測(cè)量的切削層尺寸。bD反映了切削刃參與切削的工作長(zhǎng)度。由圖得：bD=ap/sinkr

其中：bD—切削層公稱寬度，(mm)。切削層公稱橫截面積AD

切削層公稱厚度及切削層公稱寬度的乘積。由圖得：

AD=hD*bD=fsinkr*ap/sinkr=f*ap

其中:AD—切削層公稱橫截面積，(mm2)。1.2刀具角度外圓車刀是最根本、最典型的切削刀具，其切削部分〔又稱刀頭〕由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所組成。其定義分別為：

〔1〕前刀面

刀具上及切屑接觸并互相作用的外表〔即切屑流過的外表〕。〔2〕主刀后面

刀具上及工件過渡外表相對(duì)并互相作用的外表。〔3〕副刀后面

刀具上及已加工外表相對(duì)并互相作用的外表。

〔4〕主切削刃

前刀面及主后刀面的交線。它完成主要的切削工作。〔5〕副切削刃

前刀面及主后刀面的交線。它協(xié)作主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工外表?！?〕刀尖

主切削刃和副切削刃連接處的一段刀刃。它可以是小的直線段或圓弧。詳細(xì)參見切削運(yùn)動(dòng)及切削外表圖和車刀的組成圖。其它各類刀具，如刨刀、鉆頭、銑刀等，都可以看作是車刀的演化和組合。〔一〕刀具標(biāo)注角度參考系(見P8)1、假定運(yùn)動(dòng)條件：用刀具主運(yùn)動(dòng)向量vc近似代替合成運(yùn)動(dòng)向量ve，然后再用平行或垂直于主運(yùn)動(dòng)方向的坐標(biāo)平面構(gòu)成參考系。2、假定安裝條件：假定刀具的安裝位置恰好使其底面或軸線及參考系的平面平行或垂直。3、刀具標(biāo)注角度參考系諸平面：〔見下列圖〕1)基面pr：通過切削刃某一點(diǎn)，垂直于假定主運(yùn)動(dòng)方向的平面。。2)切削平面ps：通過切削刃某一點(diǎn)，及工件加工外表〔或及主切削刃〕相切的平面。切削平面ps及基面pr垂直。3)主剖面P0：通過切削刃某一點(diǎn)，同時(shí)垂直于切削平面ps及基面pr的平面。。4)法剖面Pn：通過切削刃某一點(diǎn)，垂直于切削刃的平面。。5)進(jìn)給剖面Pf：通過切削刃某一點(diǎn)，平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面pr的平面。6)背平面Pp：通過切削刃某一點(diǎn)，同時(shí)垂直于進(jìn)給剖面Pf及基面pr的平面?！捕车毒吖ぷ鹘嵌葏⒖枷瞪鲜龅毒邩?biāo)注角度參考系，在定義基面時(shí)，都只考慮主運(yùn)動(dòng)，不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即在假定運(yùn)動(dòng)條件確定的參考系。但刀具在實(shí)際運(yùn)用過程中，這樣的參考系所確定的刀具角度，往往不能準(zhǔn)確反映切削加工的真實(shí)狀況。只有用合成切削方向ve來確定參考系，才符合切削加工的實(shí)際。P8的圖。另外，刀具實(shí)際安裝位置也影響工作角度的大小。只有承受刀具工作角度參考系，才能反映切削加工的實(shí)際。刀具工作角度參考系及刀具標(biāo)注角度參考系的唯一區(qū)分是：用合成切削方向ve取代主運(yùn)動(dòng)切削方向vc，用實(shí)際進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向取代假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向?！踩车毒叩臉?biāo)注角度(見P8)

刀具的標(biāo)注角度是制造和刃磨刀具所須要的，并在刀具設(shè)計(jì)圖上予以標(biāo)注的角度。刀具的標(biāo)注角度主要有五個(gè)，以車刀為例，表示了幾個(gè)角度的定義。前

角γo在主剖面P0內(nèi)測(cè)量的前刀面及基面之間的夾角。前角表示前刀面的傾斜程度，有正、負(fù)和零值之分，其符號(hào)規(guī)定如下圖。后

角αo在主剖面P0內(nèi)測(cè)量的主后刀面及切削平面之間的夾角。后角表示主后刀面的傾斜程度，一般為正值。主偏角κr在基面內(nèi)測(cè)量的主切削刃在基面上的投影及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角。主偏角一般為正值。副偏角κr'在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃在基面上的投影及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角。副偏角一般為正值。刃傾角λs在切削平面內(nèi)測(cè)量的主切削刃及基面之間的夾角。當(dāng)主切削刃呈程度常，λs=0；刀尖為主切削刃最低點(diǎn)時(shí)，λs〈0；刀尖為主切削刃上最高點(diǎn)是，λs〉0，如圖示。車刀的主要角度刃傾角的符號(hào)〔四〕刀具的工作角度(見P11-13)

在實(shí)際的切削加工中，由于刀具安裝位置和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響，上述標(biāo)注角度會(huì)發(fā)生確定的變更。角度變更的根本緣由是切削平面、基面和正交平面位置的變更。以切削過程中實(shí)際的切削平面Ps、基面Pr和主剖面P0為參考平面所確定的刀具角度稱為刀具的工作角度，又稱實(shí)際角度。1、刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響以車刀車外圓為例，假設(shè)不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)都獍惭b得高于或低于工件軸線時(shí)，將引起工作前角γoe和工作后角αoe的變更，如下列圖示。(見P12)車刀安裝高度對(duì)工作角度的影響當(dāng)車刀刀桿的縱向軸線及進(jìn)給方向不垂直時(shí)，將會(huì)引起工作主偏角κre和工作副偏角κre'的變更，如下列圖示。(見P13)2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響車削時(shí)由于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的存在，使車外圓及車螺紋的加工外表事實(shí)上是一個(gè)螺旋面，如下列圖示。(見P12圖1.16)車端面或切斷時(shí)，加工外表是阿基米德螺旋面，如下列圖示。因此，實(shí)際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個(gè)附加的螺旋升角μ，使車刀的工作前角γoe增大，工作后角αoe減小。一般車削時(shí)，進(jìn)給量比工作直徑小許多，故螺旋升角μ很小，它對(duì)車刀工作角度影響不大，可無視不計(jì)。但在車端面、切斷和車外圓進(jìn)給量〔或加工螺紋的導(dǎo)程〕較大，則應(yīng)考慮螺旋升角的影響。(見P11圖1.15)橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響1.3刀具的種類、材料及選用一、刀具種類〔一〕刀具分類由于機(jī)械零件的材質(zhì)、形態(tài)、技術(shù)要求和加工工藝的多樣性，客觀上要求進(jìn)展加工的刀具具有不同的構(gòu)造和切削性能。因此，消費(fèi)中所運(yùn)用的刀具的種類許多。刀具常按加工方式和詳細(xì)用處，分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動(dòng)線及數(shù)控機(jī)床刀具和磨具等幾大類型。刀具還可以按其它方式進(jìn)展分類，如按所用材料分為高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼〔CBN〕刀具和金剛石刀具等；按構(gòu)造分為整體刀具、鑲片刀具、機(jī)夾刀具和復(fù)合刀具等；按是否標(biāo)準(zhǔn)化分為標(biāo)準(zhǔn)刀具和非標(biāo)準(zhǔn)刀具等。

〔二〕常用刀具簡(jiǎn)介

1.車刀

車刀是金屬切削加工中應(yīng)用最廣的一種刀具。它可以在車床上加工外圓、端平面、螺紋、內(nèi)孔，也可用于切槽和切斷等。車刀在構(gòu)造上可分為整體車刀、焊接裝配式車刀和機(jī)械夾固刀片的車刀。機(jī)械夾固刀片的車刀又可分為機(jī)床車刀和可轉(zhuǎn)位車刀。機(jī)械夾固車刀的切削性能穩(wěn)定，工人不必磨刀，所以在現(xiàn)代消費(fèi)中應(yīng)用越來越多。

孔加工刀具一般可分為兩大類：一類是從實(shí)體材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花鉆、中心鉆和深孔鉆等；另一類是對(duì)工件上已有孔進(jìn)展再加工的刀具，常用的有擴(kuò)孔鉆、鉸刀及鏜刀等。例如，下列圖示標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆的構(gòu)造。工作部分〔刀體〕的前端為切削部分，擔(dān)當(dāng)主要的切削工作，后端為導(dǎo)向部分，起引導(dǎo)鉆頭的作用，也是切削部分的后備部分。

3.銑刀

銑刀是一種應(yīng)用廣泛的多刃回轉(zhuǎn)刀具，其種類許多。按用處分有：1〕加工平面用的，如圓柱平面銑刀、端銑刀等；2〕加工溝槽用的，如立銑刀、T形刀和角度銑刀等；3〕加工成形外表用的，如凸半圓和凹半圓銑刀和加工其它困難成形外表用的銑刀。銑削的消費(fèi)率一般較高，加工外表粗糙度值較大。

拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具，廣泛應(yīng)用于大批量消費(fèi)中，可加工各種內(nèi)、外外表。拉刀按所加工工件外表的不同，可分為各種內(nèi)拉刀和外拉刀兩類。運(yùn)用拉刀加工時(shí)，除了要依據(jù)工件材料選擇刀齒的前角、后角，依據(jù)工件加工外表的尺寸〔如圓孔直徑〕確定拉刀尺寸外，還須要確定兩個(gè)參數(shù)：〔1〕齒升角af[即前后兩刀齒〔或齒組〕的半徑或高度之差]；〔2〕齒距p[即相鄰兩刀齒之間的軸向間隔]。5.螺紋刀具

螺紋可用切削法和滾壓法進(jìn)展加工。齒輪刀具是用于加工齒輪齒形的刀具。按刀具的工作原理，齒輪分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具。常用的成形齒輪刀具有盤形齒輪銑刀和指形齒輪刀具等。常用的展成齒輪刀具有插齒刀、齒輪滾刀和剃齒刀等。選用齒輪滾刀和插齒刀時(shí)，應(yīng)留意以下幾點(diǎn)：〔1〕刀具根本參數(shù)〔模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)等〕應(yīng)及被加工齒輪一樣。

〔2〕刀具精度等級(jí)應(yīng)及被加工齒輪要求的精度等級(jí)相當(dāng)。

〔3〕刀具旋向應(yīng)盡可能及被加工齒輪的旋向一樣。滾切直齒輪時(shí)，一般用左旋齒刀。

這類刀具的切削部分總的來說及一般刀具沒有多大區(qū)分不同狀況，只是為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)線加工的特點(diǎn)，對(duì)它們提出了更高的要求。車刀拉刀螺紋刀具

〔梳刀〕齒輪刀具

〔盤形銑刀〕孔加工刀具

〔麻花鉆〕銑刀二、刀具材料

刀具切削性能的好壞，取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料、幾何形態(tài)和刀具構(gòu)造。刀具材料對(duì)刀具運(yùn)用壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工本錢等都有很大影響，因此要重視刀具材料的正確選擇及和合理運(yùn)用?！惨弧车毒卟牧蠎?yīng)具備的性能(見P14)

1、高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常溫硬度在HRC62以上；耐磨性表示抗拒磨損的實(shí)力，它取決于組織中硬質(zhì)點(diǎn)的硬度、數(shù)量和分布。2、足夠的強(qiáng)度和韌性為了承受切削中的壓力沖擊和韌性，防止崩刀和折斷，刀具材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。3、高耐熱性刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性得實(shí)力。4、良好的工藝性為了便于制造，要求刀具材料有較好的可加工性。如，切削加工性、鑄造性、鍛造性和熱處理性等。5、良好的經(jīng)濟(jì)性〔二〕常用的刀具材料目前，消費(fèi)中所用的刀具材料以高速鋼和硬質(zhì)合金居多。碳素工具鋼〔如T10A、T12A〕、工具鋼〔如9SiCr、CrWMn〕因耐熱性差，僅用于一些手工或切削速度較低的刀具。高速鋼定義：是一種參與較多的鎢、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。性能：有較高的熱穩(wěn)定性；有較高的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性；制造工藝簡(jiǎn)潔，簡(jiǎn)潔磨成銳利的切削刃，可鍛造。是制造鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等的主要材料。分類：按用處分：通用型高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝分：熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。1〕通用型高速鋼鎢鋼：典型牌號(hào)為W18Cr4V，有良好的綜合性能，可以制造各種困難刀具。鎢鉬鋼：典型牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2，可做尺寸較小、承受沖擊力較大的刀具；熱塑性特殊好，更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性好，目前各國(guó)廣泛應(yīng)用。2〕高性能高速鋼典型牌號(hào)為高碳高速鋼9W18Cr4V、高釩高速鋼W6MoCr4V3、鈷高速鋼W6MoCr4V2Co8和超硬高速鋼W2Mo9Cr4Co8等。相宜于加工高溫合金、鈦合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。3〕粉末冶金高速鋼用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融的高速鋼水，干脆得到細(xì)小的高速鋼粉末，高溫下壓制成致密的鋼坯，而后鍛壓成材或刀具形態(tài)。相宜于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具〔如滾刀、插齒刀〕、精細(xì)刀具、磨加工量大的困難刀具、高動(dòng)載荷下運(yùn)用的刀具等。2、硬質(zhì)合金由難熔金屬化合物〔如WC、TiC〕和金屬粘結(jié)劑〔Co〕經(jīng)粉末冶金法制成。硬質(zhì)合金以其切削性能優(yōu)良被廣泛用作刀具材料〔約占50%〕。如大多數(shù)的車刀、端銑刀以致深孔鉆、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等。

具有高耐磨性和高耐熱性，但抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差，很少用于制造整體刀具。它還可用于高速鋼刀具不能切削的淬硬鋼等硬材料。ISO將切削用的硬質(zhì)合金分為三類：〔各種牌號(hào)的應(yīng)用范圍見p16表1.1〕1〕YG(K)類，即WC-Co類硬質(zhì)合金2〕YT(P)類，即WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金3〕YW(M)類，即WC-TiC-TaC-Co類硬質(zhì)合金〔三〕其它刀具材料1、涂層刀具2、陶瓷：硬度高、耐用度高，還可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工，切削效率顯著進(jìn)步。3、金剛石4、立方氮化硼三、刀具選用刀具種類主要依據(jù)被加