1、1,第二章 金属切削及机床基本知识,内容提要：切削运动与切削用量金属切削刀具金属切削机床金属切削过程的基本规律切削参数与切削液的选择磨削,2,金属切削加工 定义：用具有一定几何形状的刀具把工件毛坯上的一部分金属材料（统称余量）切除，获得图样所要求的零件,2.1 概述,3,4,2.1.1 零件表面的组成和基本类型 从形体上分析，机械零件结构都是由一些基本表面和特形表面组成的。 基本表面：内外圆柱表面、圆锥表面和 平面等 特形表面：螺旋面、圆弧面、球面等。在机械制造中，通常按零件结构和工艺过程的相似性，各类零件大致分为：轴类、套类、箱体类、齿轮类和叉架类零件等。,5,1）轴类零件是机器中经常遇到的
2、典型零件之一。它主要用来支承传动零部件，传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，特点是其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。2）盘套类零件主要由孔、外圆与端面所组成。特点是轴向尺寸小于径向尺寸.除尺寸精度、表面粗糙度有要求外，其外圆对孔有径向圆跳动的要求，端面对孔有端面圆跳动的要求。,6,3）箱体类零件的内外形均较复杂，主要结构是由均匀的薄壁围成不同形状的空腔，空腔壁上还有多方向的孔，以达到容纳和支承的作用。另外，具有强肋、凸台、凹坑、铸造圆角、拔模斜度等常见结构。阀体以及减速器箱体、泵体
3、、阀座等属于这类零件，大多为铸件，一般起支承、容纳、定位和密封等作用，内外形状较为复杂。,7,4）叉架类零件主要起连接、拨动、支承等作用，它包括拨叉、连杆、支架、摇臂、杠杆等零件 。 叉架类零件的结构形状多样，差别较大，但都是由支承部分、工作部分和连接部分组成，多数为不对称零件，具有凸台、凹坑、铸（锻）造圆角、拔模斜度等常见结构。,8,5）齿轮类零件 据史料记载，远在公元前400200年的中国古代就巳开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今巳发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南针就是以齿轮机构为核心的机械装置。17世纪末，人们才开始研究，能正确传递运动的轮齿形状。18世纪，欧洲
4、工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛 齿轮还按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮 ；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。,9,2. 工件表面的形成表面构成：外圆柱表面、内圆柱表面、平面、锥面、球面及成形表面。任何特征表面都可看作是一条线（母线）沿着另一条线（导线）运动的轨迹：,10,2.1.2 切削运动和切削用量,内容提要(掌握)：切削运动切削用量,11,1、切削运动（以外圆车削为例）,定义：切削时刀具和工件之间产生的相对运动。（1）主运动：使刀具和工件之间产生相对运动
5、，以进行切削的最基本的运动。,图1：切削运动和工件表面,特点：速度最高；功耗最大；主运动只有一个。,（2）进给运动：不断地把待切金属投入切削过程，从而加工出全部已加工表面的运动。,a.外圆车削：b. 铣削： c.钻削：,特点：速度较低；功耗较小；可由一个或多个运动所组成；可间歇，可连续。,a.车削 b. 铣削： c.磨削 D 刨削,2.1.2 切削运动和切削用量,12,（3）合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动。a. 方向：刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向。 b. 合成切削速度：,图1：切削运动和工件表面,（）工件表面1.已加工表面2.待加工表面3.过渡表面,13,切削要素之
6、切削用量 (录象),（1）切削速度vc：切削刃上选定点相对于工件主运动的速度。a. 单位：m/s; m/min。 b. 大小：以最大切削速度为准。,（2）进给量f： （mm/s; mm/min),b. 大小：,图2：进给量和背吃刀量,（3）背吃刀量(切削深度)ap： （mm)ap=(dw-dm)/2,（4）材料切除率Q,它是单位时间内所切除材料的体积，是衡量切削效率高低的一个指标，单位mm3/min,Q=1000apfvc,14,2.1.3 刀具切削部分的几何参数与材料,内容提要：掌握: 1. 刀具切削部分的组成2. 刀具几何角度3. 刀具材料应具备的性能了解: 1. 常用刀具材料,15,一、
7、刀具的种类 按加工方式和具体用途分：车刀、铣刀、拉刀、孔加工刀具等等； 按所用材料分：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具等； 按结构分：整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等。,16,二、刀具的几何参数 外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具。刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合。,17,1. 车刀（切削部分）的组成（普通外圆车刀）,前刀面Ar 刀具上切屑流过的表面。 主后刀面Aa 指刀具上同前刀面相交形成的主切削刃的后面。也就是与工件加工表面相对的刀面； 副后刀面Aa 指刀具上同前刀面相交形成的副切削刃的后面，即切削过程中与工件已加工表面相对的刀面。,a刀具表面,图4 刀具切削部分
8、的组成,18,1. 车刀（切削部分）的组成,主切削刃S前刀面与主后刀面的交线，承担主要的切削工作; 副切削刃S前刀面与副后刀面的交线；在加工过程中担任少量的切削工作。 刀尖 主、副切削刃的实际交点。为了强化刀尖，一般都在刀尖处磨成折线或圆弧形过渡刃。,图5 刀尖形状,b切削刃及刀尖,图4 刀具切削部分的组成,19,20,1. 车刀（切削部分）的组成,图6 不同类型的车刀,注意：不同类型的车刀，其切削部分的组成要素可能不相同。,21,、刀具切削部分的几何参数定义刀具切削部分的几何角度需人为地建立参考系。a. 刀具静止参考系； b. 刀具工作参考系,1）. 刀具静止参考系 刀具静止参考系用于定义刀
9、具设计、制造、刃磨和测量时刀具几何参数的参考系，又称为刀具静止坐标系。在此参考系中所确定的刀具角度称为刀具标注角度。,规定假设条件：,（1）主切削刃处在水平面上，刀尖恰在工件中心高度上； （2）进给运动垂直或平行于刀柄中心线； （3）主运动方向与刀具底面垂直（不考虑进给运动）； （4）工件已加工表面的形状为圆柱面。,22,1基面（Pr）通过切削刃上选定点垂直于假定主运动方向的平面。车刀的基面平行于刀柄安装面。2切削平面（Ps）通过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。或者说由切削刃的切线与假定主运动方向所组成的平面。分为主切削平面和副切削平面。3正交平面（Po）通过切削刃上选定点并同时
10、垂直于基面和切削平面的平面。,图7 刀具正交平面参考系,23,2. 正交平面参考系(pr-ps-po),基面P： PVc 、 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps: 与 S相切 且 P,正交平面Po: PoPPs,Pr，Ps，Po构成了一个相互垂直的空间直角坐标系，称之为正交平面参考系。它是在刀具的设计、制造、刃磨和测量中应用得最广的刀具参考系。 b. 刀具的标注角度大多是在正交平面参考坐标系中标注的。,24,1-1、进给运动通常是机床中（ ）。 切削运动中消耗功率最多的运动 切削运动中速度最高的运动 不断地把切削层投入切削的运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动1-2、背吃刀量是指主刀刃与工件
11、切削表面接触长度（ ）。 在切削平面的法线方向上测量的值 正交平面的法线方向上测量的值 在基面上的投影值 在主运动及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值1-3、垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为（ ）。 切削深度 切削长度 切削厚度 切削宽度1-4、通过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面称为（ ）。 切削平面 进给平面 基面 主剖面1-5 在外圆磨床上磨削工件外圆表面，其主运动是（ ）。 砂轮的回转运动 工件的回转运动 砂轮的直线运动 工件的直线运动1-6 在立式钻床上钻孔，其主运动和进给运动（ ）。均由工件来完成 均由刀具来完成 分别由工件和刀具来完成 分别由刀具和工件来完成,25
12、,2-1、 实现切削加工的基本运动是（ ）。 主运动 进给运动 调整运动 分度运动2-2、 主运动和进给运动可以（ ）来完成。 单独由工件 单独由刀具 分别由工件和刀具 分别由刀具和工件2-3、 在切削加工中主运动可以是（ ）。 工件的转动 工件的平动 刀具的转动 刀具的平动2-4、切削用量包括（ ）。 切削速度 进给量 切削深度 切削厚度,26,2）. 刀具工作参考系,刀具工作参考系又称刀具切削参数坐标系，它是在刀具实际工作状态下建立的坐标系。因而与切削时的合成切削速度相联系。三个坐标平面：,（1）工作切削平面Pse通过切削刃某选定点，与工件加工表面相切的平面。 （2）工作基面Pre 通过切
13、削刃某选定点，垂直于合成切削速度向量的平面 （3）工作正交平面Poe 通过切削刃选定点并同时垂直工作切削平面和工作基面的平面。,图8 刀具工作参考系,27,说明：,合成切削速度被包含在切削平面之中，切削平面与基面相互垂直。 工作基面并非是一个水平面，而是切削运动轨迹面的法平面。 工作切削平面也不是一个垂直面，而是切削运动轨迹面的切平面. 在基面、切削平面和正交平面的前面均加入了“工作”两字， 说明它们是在刀具切削工作时的刀具坐标系，以便与刀具标注(静态)角度坐标系有所区别。,28,刀具的标注角度就是刀具在静止参考系中的一套角度。 这些角度在刀具的设计、制造、刃磨和测量时都是必须的。 在建立了刀
14、具静止参考系(正交平面参考系)后，也就可以定义刀具的标注角度：,a.刀具标注角度； b.刀具工作角度,1）. 刀具标注(静态)角度：,29,后角o 后刀面与切削平面之间的夹角。楔角o 前刀面与主后刀面之间的夹角。,（1） 在正交平面Po中测量的角度：,图9 刀具标注角度,主偏角r 主切削刃在基面上的投影与假定进给方向之间的夹角。副偏角r 副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向之间的夹角。,前角o 前刀面与基面(平行于刀柄的安装面)之间的夹角。,（2）. 在基面Pr中测量的角度：,30,刀尖角r 主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角。,刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。主要影响切屑流向及刀
15、尖强度.,（3). 在切削平面Ps中测量的角度：,31,2） 刀具角度正负的规定,后角o若通过选定点的切削平面位于楔形刀体的实体之外，后角为正值；反之为负值。 刃倾角s当刀尖是主切削刃上最低点时，刃倾角定为负值；当刀尖是主切削刃上最高点时，则刃倾角为正值，如图10所示。 当s = 0时，主切削刃与切削速度垂直，称之为直角切削或正切削。而s 0的切削称为斜角切削或斜切削。s的正或负会改变切屑流出的方向。,前角o通过选定点的基面若位于楔形刀体的实体之外，前角为正值；（若基面与刀具的前刀面重合，前角为0）反之为负值 。,图10 刀具角度正负的规定,32,33,前角o = A与 Pr ：A在Pr之上负
16、，A在Pr之下正,前角o立体图示,前角o正负图示,34,后角o立体图示,后角o正负图示,35,(2) 在基面内测量,主偏角r =“S 在基面上的投影”与Vf 副偏角r =“S在基面上的投影”与“Vf 的反向”,主偏角r和副偏角r立体图示,36,(3) 在切削平面上测量,刃倾角s = S与P ：刀尖最高正，刀尖最低负,刃倾角s立体图示,刃倾角s正负图示,37,3） 刀具工作角度,刀具在静止参考系中的标注角度，它们是在假定运动条件和安装条件下定义的刀具角度。这些合理的假定条件包括：,刀具处于理想的安装位置，如切削刃和工件中心线等高，车刀刀杆垂直于工件轴线安装。用刀刃上选定点的切削速度代替了该点相对
17、于工件的合成切削速度。定义刀具角度时没有考虑进给速度的影响。刀具在实际切削过程中，由于位置的变化，进给运动的存在，均会引起刀具工作角度的相应变化。因此，需定义刀具切削加工时的几何角度，这种在刀具工作参考系中定义的角度称之为刀具工作角度。,38,3）. 刀具工作角度,图11 刀具工作角度,（1）在工作正交平面Poe内的角度：,刀具的工作角度同样包含以下内容：（在工作正交平面参考系Pre、Pse和Poe内有如下一些角度：）,工作前角oe前刀面与工作基面间的夹角。在工作正交平面中测量。 工作后角oe后刀面与工作主切削平面间的夹角。在工作正交平面中测量。 工作楔角oe前刀面与后刀面间的夹角。在工作正交
18、平面中测量。,39,图11 刀具工作角度,工作刃倾角se 切削刃与工作基面之间的夹角。,（2）在工作切削平面Pse内的角度：,（3）在工作基面Pre内的角度：,工作主偏角re它是工作主切削平面与工作平面间的夹角。在工作基面中测量。工作副偏角re它是工作副切削平面与工作平面间的夹角。,40,2. 1.4 切削要素之切削层参数（自学）要求了解： 公称横截面积AD； 公称宽度bD， 公称厚度hD,41,三、刀具材料,1）高的硬度和耐磨性 2）足够的强度和韧性 3）较好的热稳定性 4）良好的工艺性 5）经济性,2.刀具材料的发展,1.对刀具切削部分材料的要求,42,43,44,3.常用刀具材料,刀具材
19、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。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,45, 高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度63HRc以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,46,47, 硬质合金,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结
20、剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度（89HRA93） 、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,48,49, 陶瓷刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（91HRA9195）和耐热性，在1200的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数
21、小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。,50, 超硬刀具材料,天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度（约10000Hv）比天然金刚石略低,价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为7300HV 7400，耐热性达1200，化学惰性很好，在100
22、0的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。,51,52,1-1、在正交平面内度量的基面与前刀面的夹角为（ ）。 前角 后角 主偏角 刃倾角1-2、刃倾角是主切削刃与（ ）之间的夹角。 切削平面 基面 主运动方向 进给方向1-3、在背吃刀量和进给量f一定的条件下，切削厚度与切削宽度的比值取决于（ ）。 刀具前角 刀具后角 刀具主偏角 刀具副偏角1-4、垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为（ ）。 切削深度 切削长度 切削厚度 切削宽度1-5 在正交平面Po中测量的角度有（ ）。 前角 后角 主偏角 副偏角1-6 用硬质合金刀具对碳素钢工件进行精加工时，应选择刀具材料的牌号为（ ）。 YT30 YT5 YG3 YG8,
