金屬切削第一章刀具幾何角度及切削要素.ppt

1、第一章 刀具幾何角度及切削要素,第一節(jié) 切削運(yùn)動(dòng)與切削用量,第二節(jié) 刀具切削部分的基本定義,第四節(jié) 刀具角度的一面二角分析法,第三節(jié) 刀具標(biāo)注角度的換算,第五節(jié) 刀具的工作角度,第六節(jié) 切削層參數(shù)與切削方式,一、切削運(yùn)動(dòng)與切削層,切削運(yùn)動(dòng) 直接完成切除加工余量任務(wù)，形成所需零件表面的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為切削運(yùn)動(dòng)。包括主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 1、主運(yùn)動(dòng)。直接切除工件上的多余材料，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榍行迹瑥亩纬晒ぜ卤砻娴倪\(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)通常只有一個(gè)，且速度和消耗功率較大。 例如，車(chē)床上工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；龍門(mén)刨床刨削時(shí)，工件的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；牛頭刨床刨刀的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)等。,第一節(jié) 切削運(yùn)動(dòng)與切削用量,2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 將工件上的

2、多余材料不斷投入切削區(qū)進(jìn)行切削以逐漸切削出零件所需整個(gè)表面的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)一般有一個(gè)，也可多于一個(gè)，且速度和消耗功率較小。 例如：車(chē)外圓時(shí)車(chē)刀縱向連續(xù)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在牛頭刨床上刨平面時(shí)工件橫向間斷的直線(xiàn)移動(dòng)等。,切削加工過(guò)程中，隨著切削層（加工余量）不斷被刀具切除，工件上有3個(gè)處于變動(dòng)中的表面。,（1）待加工表面 工件上行將被切除的表面。 （2）已加工表面 工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的新表面。,（3）過(guò)渡表面 工件上由切削刃正在切削著的表面，位于待加工表面和已加工表面之間，也稱(chēng)作加工表面或切削表面。,圖1-1車(chē)削運(yùn)動(dòng)、切削層及形成表面 1待加工表面2過(guò)渡表面3已加工表面,無(wú)論是主運(yùn)動(dòng)還是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其

3、基本運(yùn)動(dòng)形式均是連續(xù)的或間歇的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由兩者通過(guò)不同形式的組合，則可構(gòu)成多種符合需要的切削運(yùn)動(dòng)； 主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可由刀具和工件分別完成（如車(chē)削和刨削），也可由刀具單獨(dú)完成（如鉆孔），但很少由工件單獨(dú)完成； 主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行（如車(chē)削、鉆削），也可以交替進(jìn)行（如刨平面、插鍵槽）；,3.切削層 切削時(shí)，刀具切過(guò)工件的一個(gè)單程所切除的工件材料層。,1切削速度 （ms或mmin） 切削刃相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)速度稱(chēng)為切削速度。,切削用量是指切削速度 、進(jìn)給量f（或進(jìn)給速度）和背吃刀量 。三者又稱(chēng)為切削用量三要素。,二、切削用量、切削時(shí)間與材料切除率,計(jì)算切削速度時(shí)，應(yīng)選取刀刃上速度

4、最高的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削速度由下式確定,式中： d - 工件或刀具的最大直（mm） n - 工件或刀具的轉(zhuǎn)速(r/s或r/min),工件或刀具轉(zhuǎn)一周（或每往復(fù)一次），兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移量稱(chēng)為進(jìn)給量，其單位是mmr（或mm雙行程）。,2進(jìn)給量f,式中： 為進(jìn)給速度； 為每齒進(jìn)給量,3背吃刀量 （mm）,式中： -工件上待加工表面直徑（mm） -工件上已加工表面直徑（mm）,4.切削時(shí)間 tm,切削時(shí)間tm（機(jī)動(dòng)時(shí)間）指切削時(shí)直接改變工件尺寸、形狀等工藝過(guò)程所需的時(shí)間，單位為min。,圖1-2車(chē)外圓時(shí)切削時(shí)間計(jì)算圖,Q=1000apfvc,5.材料切除率Q 單位時(shí)間內(nèi)

5、所切除材料的體積，是衡量切削效率高低的另一個(gè)指標(biāo)，單位為mm3/min。,三、合成切削運(yùn)動(dòng)與合成切削速度,1、合成切削運(yùn)動(dòng)：主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成的運(yùn)動(dòng)。 2、合成切削速度ve：切削刃選定點(diǎn)相對(duì)工件合成切削運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度。,合成切削運(yùn)動(dòng)示意圖,在主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行的切削加工中，如車(chē)外圓、鉆孔、銑平面等，常在選定點(diǎn)將兩者按矢量加法合成，稱(chēng)為合成切削運(yùn)動(dòng)。,第二節(jié) 刀具切削部分的基本定義,一、刀具的組成 車(chē)刀由切削部分（刀頭）和夾持部分（刀柄）兩大部分組成。 車(chē)刀切削部分的結(jié)構(gòu)要素：包括三個(gè)切削刀面、兩條切削刃和一個(gè)刀尖。,圖1-4車(chē)刀切削部分的構(gòu)成,1、刀面 （1）前面 ，又稱(chēng)前刀面，即切屑

6、流過(guò)的表面。 （2） 后面 ，又稱(chēng)后刀面，即與工件上經(jīng)切削產(chǎn)生的表面相對(duì)的表面。 后刀面分為主后面 和副后面 。習(xí)慣上所說(shuō)的后面是指主后面。,2、切削刃 （1）主切削刃 S：前面與后面的交線(xiàn)，承擔(dān)主要切削工作，它在工件上切出過(guò)渡表面。 （2）副切削刃 ：前面與副后面的交線(xiàn)，配合主切削刃切除余量并形成已加工表面。,3、刀尖,（1）刀尖圓弧半徑r，它是在基面上測(cè)量的刀尖倒圓的公稱(chēng)半徑。（2）倒角刀尖長(zhǎng)度b。（3）刀尖倒角偏角。,圖1-5刀楔、刀尖形狀參數(shù)a)刀楔及刀楔斷面形狀 b)刀尖形狀,建立靜止參考系的條件,二、刀具角度參考系,1、正交平面參考系（靜止參考系） 構(gòu)成靜止參考系的參考坐標(biāo)平面有以

7、下幾種： （1）基面（ ）：為過(guò)切削刃選定點(diǎn)，而且和該點(diǎn)假定主運(yùn)動(dòng)方向垂直的平面。 （2）切削平面 （ ）：為過(guò)切削刃上選定點(diǎn)與切削刃相切并垂直于基面的平面。 （3）正交平面 （ ）：又稱(chēng)正交剖面或主剖面，過(guò)切削刃上選定點(diǎn)并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面（或過(guò)切削刃選定點(diǎn)并垂直于切削刃在基面上的投影的平面）。 選定點(diǎn)在主切削刃上者為主正交平面 ，選定點(diǎn)在副切削刃上者為副正交平面 。,圖1-6 正交平面參考系,（4）法平面 ：又稱(chēng)法剖面，過(guò)切削刃上選定點(diǎn)且垂直于切削刃（若切削刃為曲線(xiàn)，則垂直于切削刃在該點(diǎn)的切線(xiàn)）的平面。 （5）假定工作平面 ：又稱(chēng)橫向平（剖）面，它是過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面

8、且與假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向平行的平面。 （6）背平面 ：又稱(chēng)縱向剖面，它是過(guò)切削刃上選定點(diǎn)而同時(shí)垂直于基面和假定工作平面的平面。,2、法平面參考系,法平面參考系由Pr、Ps、Pn三個(gè)平面組成。其中，法平面（Pn)是過(guò)切削刃某選定點(diǎn)垂直于切削刃的平面。,圖1-7 法平面參考系及刀具角度,3、假定工作平面參考系,假定進(jìn)給平面Pf過(guò)切削刃選定點(diǎn)平行于假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面的平面。 假定切深平面（背平面）Pp過(guò)切削刃選定點(diǎn)既垂直假定工作平面又垂直于基面的平面。,圖1-8 假定進(jìn)給平面參考系及刀具角度,（a）正交平面與法平面參考系 （b）假定工作平面、背平面參考系,各參考坐標(biāo)平面的位置及相互關(guān)系,正交平

9、面、法平面、假定工作平面和背平面又統(tǒng)稱(chēng)為測(cè)量平面。 用不同的測(cè)量平面分別與基面、切削平面組合就形成不同的參考坐標(biāo)系，包括正交平面參考系、法平面參考系、假定工作平面和背平面參考系。,1.正交平面參考系（pr-ps-po）,圖1-9 正交平面系及其角度,2.法平面參考系（pr-ps-pn）,圖1-7 法平面系及其角度,3.假定工作（進(jìn)給）平面、背（切深）平面參考系（pr-（ps）-pf-pp）,圖1-8 假定工作(進(jìn)給)平面、背(切深)平面參考系及其角度,三、刀具角度,標(biāo)注角度必須指明切削刃上的選定點(diǎn)，凡未經(jīng)特殊注明的，均指切削刃上與刀尖毗連的那一點(diǎn)的角度。 刀具角度是指在刀具靜止參考系中度量標(biāo)注

10、的角度。,（1）主偏角 。主切削平面 與假定工作平面間 的夾角（或是主切削刃在基面 內(nèi)的投影與假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角），在基面 中度量標(biāo)注。 （2）副偏角 。副切削平面 與假定工作平面 間的夾角（或是副切削刃在基面 內(nèi)的投影與假定進(jìn)給運(yùn)動(dòng)副方向的夾角），在基面 中度量標(biāo)注。,（3）刃傾角 。主切削刃 與基面 間的夾角，在主切削平面 中度量標(biāo)注。以過(guò)刀尖處的 為基準(zhǔn)，當(dāng) 位于 之上時(shí)(其時(shí)刀尖位置最低)，規(guī)定 0；當(dāng) 位于 之下時(shí)(其時(shí)刀尖位置最高)，規(guī)定 0；當(dāng) 位于 內(nèi)，則 =0。可簡(jiǎn)記為“抬頭為正，低頭為負(fù)”。 （4）前角 。前面 與基面 間的夾角，在正交平面 中度量標(biāo)注。在正交平面 中，

11、當(dāng) 在 之上時(shí)規(guī)定 0；當(dāng) 在 之下時(shí)規(guī)定 0；當(dāng) 和 重合時(shí)則 =0。,（5）后角 。后面 與切削平面 間的夾角，在正交平面 中度量標(biāo)注。副后面 與副切削平面 間的夾角稱(chēng)副后角，記作 ，在副正交平面 中度量標(biāo)注。以主(副)切削平面為界，當(dāng)主(副)后面位于 ( )和工的過(guò)渡表面(已加工表面)相對(duì)的一側(cè)時(shí)，規(guī)定后角(或副后角)為正，反之為負(fù)。后角均應(yīng)取正值，因副后角刀具無(wú)法工作。 （6）法前角 。前面 與基面 間的夾角，在法平面 中度量標(biāo)注。 的正、負(fù)規(guī)定與 相同。,（7）法后角 后面 與切削平面 之間的夾角，在法平面 中度量標(biāo)注。 的正、負(fù)規(guī)定與 相同。 （8）側(cè)前角 又稱(chēng)進(jìn)給前角，它是前面

12、與基面 間的夾角，在假定工作平面 中度量標(biāo)注，其正、負(fù)規(guī)定與 相同。 （9）側(cè)后角 又稱(chēng)進(jìn)給后角，它是后面 與切削平面間 的夾角，在假定工作平面 中度量標(biāo)注。 的正、負(fù)規(guī)定與 相同。 （10）背前角 又稱(chēng)切深前角，它是前面 與基面 間的夾角，在背平面 中度量標(biāo)注，其正、負(fù)規(guī)定與 相同。,（11）背后角 又稱(chēng)切深后角，它是后面 與切削平面 之間的夾角，在背平面 中度量。其正、負(fù)規(guī)定與 相同。 （12）楔角 是前、后面間的夾角，在正交平面 中度量標(biāo)注。由于 ，故有 。 （13）刀尖角 。主、副切削平面間的夾角，在 中度量標(biāo)注，顯然： 。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO3002-1）已對(duì)車(chē)刀的標(biāo)注作了規(guī)定。

13、,刀具基本角度標(biāo)注,第三節(jié) 刀具標(biāo)注角度換算,刀具的角度標(biāo)注通常采用正交平面參考系和法平面參考系，但在設(shè)計(jì)、制造、刃磨和檢測(cè)中，常需知道主切削刃在其他測(cè)量面中的角度。 在已知正交平面參考系的刃傾角、前角、后角、和主偏角、副偏角的情況下，計(jì)算其他參考坐標(biāo)平面中的角度。 由于切削刃上選定點(diǎn)確定后，在度量標(biāo)注角度的不同參考系中，都有同一的基面和切削平面，所以在不同的參考系中主偏角、副偏角和刃傾角的數(shù)值都不變。 因此，不同參考系間的刀具角度換算，就是確定同一選定點(diǎn)沿不同的測(cè)量面測(cè)量所得的前、后角數(shù)值之間的關(guān)系。,一、正交平面、法平面系前、后角換算,圖1-11 正交平面、法平面系前、后角換算,如圖1-1

14、1所示，刀具正交平面內(nèi)的前角為 ，法平面內(nèi)的前角為 ，刃傾角為 ，平面ABC切削平面 ，不難證明：BAC= 。 而 所以 (1-12) 從數(shù)學(xué)觀(guān)點(diǎn)看，前面和后面無(wú)本質(zhì)區(qū)別，都是空間上一平面。前角是該平面與基面的夾角，后角是該平面與切削平面的夾角，兩者互為余角，在式(1-12)中分別用(90 、(90 代替 和 ，可得,當(dāng) （正交平面與法平面重合）時(shí) 當(dāng) 時(shí) ， ,即 (1-13),正交平面與法平面角度關(guān)系,二、垂直于基面的任一斷面與正交平面的前、后角換算,圖1-12垂直于基面的任意斷面前角,所謂任意剖面是指通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)，垂直于基面并與切削平面夾角 的平面（用符號(hào) 表示） 。 如圖1-12

15、所示，MGBE為通過(guò)切削刃上選定點(diǎn)M的基面，MEF為正交平面，MBC為任意剖面 ，MHCF為前刀面。平面BCFE切削平面，EF基面，BC基面。 由圖1-12幾何關(guān)系不難證明： (1-14) 同理，從數(shù)學(xué)觀(guān)點(diǎn)看，前面和后面無(wú)本質(zhì)區(qū)別。在式（1-14）中分別用(90 、(90 代替 和 ，可得 (1-15),當(dāng) 取不同特定的值時(shí)，可以得到一些特殊測(cè)量參考面內(nèi)的前角、后角與正交平面內(nèi)前角、后角的角度關(guān)系。 （1）當(dāng) ，任意剖面與背平面重合，所以 （2）當(dāng) ，任意剖面與假定工作平面重合，所以 （3）當(dāng) ，任意剖面與副正交平面重合，所以,（4）當(dāng) ，任意剖面與副切削平面重合，所以 （5）當(dāng) ,任意剖面與

16、切削平面或正交平面重合，這時(shí) 或 因此，可以說(shuō)切削平面、副切削平面或正交平面是任意剖面的一種特殊位置。,第四節(jié)刀具角度的一面二角分析法,確定任意一個(gè)平面的方位只需兩個(gè)定向角度即可。所以，判斷刀具切削部分需要標(biāo)注的獨(dú)立角度的數(shù)量，可用一面二角分析法確定。,1.直頭外圓車(chē)刀,需要標(biāo)注6個(gè)獨(dú)立角度,2. 45彎頭車(chē)刀,需要標(biāo)注8個(gè)獨(dú)立角度。,圖1-1345彎頭車(chē)刀a)車(chē)外圓b)車(chē)端面c)鏜孔d)倒角,3.切斷刀,需要標(biāo)注8個(gè)獨(dú)立角度。,圖1-14切斷刀幾何角度,4.倒角刀尖、倒棱的參數(shù),圖1-15倒角刀尖與倒棱前面的定向角,第五節(jié) 刀具的工作角度,刀具的標(biāo)注角度是在忽略進(jìn)給速度的影響，且刀具安裝在理

17、想工作位置的情況下確定的。 當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入工作狀態(tài)后，選定點(diǎn)的實(shí)際切削速度的方向以及刀具的實(shí)際安裝位置相對(duì)于假定的理想狀態(tài)發(fā)生了變化；而建立的工作參考系（動(dòng)態(tài)參考系）相對(duì)于標(biāo)注參考系（靜態(tài)參考系）在空間位置上也相應(yīng)改變； 因此，刀具的實(shí)際切削角度（即刀具的工作角度）和標(biāo)注角度不一樣。,一、刀具工作參考系及工作角度,圖1-16刀具工作參考系,（1）工作基面pre通過(guò)切削刃選定點(diǎn)垂直于合成切削速度方向的平面。 （2）工作切削平面pse通過(guò)切削刃選定點(diǎn)與切削刃相切，且垂直于工作基面的平面。 （3）工作正交平面poe通過(guò)切削刃選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于工作切削平面與工作基面的平面。,二、刀具安裝對(duì)工作角度的影響,

18、1.刀柄偏斜對(duì)工作主、副偏角的影響,圖1-17刀柄偏斜對(duì)工作主、副偏角影響,2.切削刃安裝高低對(duì)工作前、后角的影響,圖1-18切斷時(shí)切削刃高于工件中心對(duì)工作前、后角的影響,刀具安裝偏高對(duì)工作角度的影響,車(chē)外圓：Ve方向變化Pre變?nèi)舻都飧哂诠ぜ行? 如上圖,則：工作角度oe增大，oe減小 即：oeoo ooo,三、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響,1.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不平行工件旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)時(shí)對(duì)工作主、副偏角的影響,圖1-19進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向?qū)ぷ髦?、副偏角的影?2.縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作前、后角的影響,圖1-20縱車(chē)外圓時(shí)的工作前、后角,圖1-21梯形螺紋車(chē)刀工作前、后角a)工作角度分析 b)可轉(zhuǎn)動(dòng)刀架示意圖,圖1.20 縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響,橫向進(jìn)給影響,圓周切線(xiàn)方向,阿基米德螺旋線(xiàn)的切線(xiàn)方向,第六節(jié) 切削層和切削方式,切削層：在各種切削加工中，刀具相對(duì)工件沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向每移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量或移動(dòng)一個(gè)每齒進(jìn)給量，一個(gè)刀齒正在切削的金屬層稱(chēng)為切削層，也就是相鄰兩個(gè)過(guò)渡表面之間所夾著的一層金屬。 切削層的形狀和尺寸直接決定了刀具切削部分所承受的載荷大小及切屑的形狀和尺寸，所以必須研究切削