切削三要素对切削力的影响有何不同.doc

切削三要素对切削力的影响有何不同金属切削的原理研究金属切削加工过程中刀具与工件之间相互作用和各自的变化规律的一门学科。在设计机床和刀具、制订机器零件的切削工艺及其定额、合理地使用刀具和机床以及控制切削过程时，都要利用金属切削原理的研究成果，使机器零件的加工达到经济、优质和高效率的目的。金属切削原理与刀具主要有以下内容: 一刀具材料与切削加工基本知识1课题一刀具材料的选用1课题二切削运动和切削用量6课题三刀具的组成及其主要角度10课题四常用车刀的绘制及刃磨15课题五车刀的工作角度18二金属切削加工中的主要现象及规律23课题一切削中的变形23课题二切屑的种类及断屑26课题三积屑瘤30课题四加工硬化34课题五切削力与切削热37课题六刀具磨损与刀具耐用度41三金属切削加工质量及刀具几何参数的选择46课题一工件材料的切削加工性46课题二已加工表面质量50课题三刀具几何参数的合理选择54四车刀59课题一机械夹固式车刀及其使用60课题二径向成形车刀67五孔加工刀具73课题一标准麻花钻74课题二标准麻花钻的修磨与群钻77课题三深孔加工刀具与铰刀80六铣刀86课题一铣刀的种类和用途86课题二铣刀的几何参数和铣削用量90七螺纹刀具与砂轮96课题一螺纹刀具96课题二砂轮的合理选择101八数控机床用刀具107课题一数控车床用刀具107课题二数控铣床用刀具111课题三数控加工中心用刀具115机械制造基础金属切削加工原理金属切削加工是用刀具从工件上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件的加工过程。实现这一切削过程必须具备三个条件：工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；刀具材料必须具备一定的切削性能；刀具必须具有适当的几何参数，即切削角度等。金属的切削加工过程是通过机床或手持工具来进行切削加工的，其主要方法有车、铣、刨、磨、钻、镗、齿轮加工、划线、锯、锉、刮、研、铰孔、攻螺纹、套螺纹等。其形式虽然多种多样，但它们有很多方面都有着共同的现象和规律，这些现象和规律是学习各种切削加工方法的共同基础。1.1.1 切削运动及切削用量1.零件表面的形成各种切削加工的目的都是为了得到合乎要求的零件表面。因此，零件表面的形成问题是切削加工的基础问题。常见的零件表面有以下几种：(1)圆柱面 是以直线为母线，以和它相垂直的平面上的圆为轨迹，作旋转运动所形成的表面。 (2)圆锥面 是以直线为母线，以圆为轨迹，且母线与轨迹平面相交成一定角度作旋转运动所形成的表面。(3)平面 是以直线为母线，以另一直线为轨迹作平移运动所形成的表面，如图5.1(c)所示。(4)成形面 是以曲线为母线，以圆为轨迹作旋转运动或以直线为轨迹作平移运动所形成的表面,此外，其它较为复杂的表面可以用上述各表面组合而成。2.切削运动在金属切削加工中，为了切除多余的金属，刀具和工件间必须有相对运动切削运动。外圆车削加工中常见的加工方法，如图5.2所示：工件旋转，车刀作连续纵向直线进给运动，于是形成工件的外圆柱表面。在其它切削加工方法中，刀具和工件也同样必须完成一定的切削运动。通常，切削运动包括主运动和进给运动。(1)主运动 主运动是由机床或人力提供的主要运动，它促使刀具和工件之间产生相对运动，使刀具接近工件，产生切削。通常主运动的速度最高，消耗的功率最大。主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成，它是刀具与工件之间主要的相对运动。如图5.2所示，工件的回转运动是主运动。 (2)进给运动 进给运动是由机床或人力提供的运动，它使刀具和工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可连续地或间断地切除多余材料，获得已加工表面。进给运动的速度较低，消耗的功率较小。进给运动可以是步进的，也可以是连续进行的。车削时车刀的纵向移动和横向移动是进给运动。在这两个运动的合成作用下，工件表面的一层金属不断地被刀具切下来并转变为切屑，从而加工出所需要的工件新表面。在新表面的形成过程中，工件上有三个依次变化着的表面，即待加工表面、过渡表面和已加工表面。3.切削用量在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素。(1)切削速度（vc）切削速度指切削加工时，刀刃上选定点在工件的主运动方向上相对于工件的瞬时速度。大多数切削加工的主运动采用回转运动，车削时其切削速度为：vc=dn/1000(m/s或m/min) (5.1)式中 d工件或刀具上某一点的回转直径(mm)n工件或刀具的转速(r/s或r/min)由于切削刃上各点相对于工件的旋转半径不同，因而刀刃上各点的切削速度也不同，在计算时应取最大的切削速度。外圆车削时计算待加工表面上的速度，内孔车削时计算已加工表面上的速度，钻削时计算钻头外径处的速度。(2)进给量（f） 进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r。进给速度(vf)是单位时间内的进给量，单位是mm/s(mm/min)。进给量的大小反映了进给速度的大小。车削时进给速度vf为： vf=nf(mm/min) (5.2)(3)背吃刀量（ap）背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm.外圆柱表面车削的背吃刀量为： ap=（dw-dm)/2(mm) (5.3)钻孔加工的背吃刀量为： ap=dm/2(mm) (5.4)式中dm已加工表面直径(mm); dw待加工表面直径(mm)。4.切削层参数切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。仍以外圆车削为例，切削层就是工件每转一周，切削刃所切下的一层材料。切削层参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度量，它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。(1)切削厚度垂直于加工表面度量的切削层尺寸，称为切削厚度，以hD表示。它是刀具或工件每移动一个进给量f，刀具主切削刃相邻两个位置间的垂直距离。在外圆纵车时：hD=fsinkr (5.5)式中kr车刀主切削刃与工件轴线之间的夹角。(2)切削宽度沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以bD表示。它是刀具主切削刃与工件实际接触的长度。在外圆纵车时：bD=ap/sinkr (5.6) (3)切削面积工件被切下的金属层在垂直于主运动方向上的截面面积，称为切削面积，以AD表示。对于车削来说，它是背吃刀量和进给量的乘积或是切削宽度和切削厚度的乘积： AD=apf= bDhD (5.7)1.1.2 刀具材料及刀具结构1.刀具材料在切削过程中，刀具直接完成切除余量和完成已加工表面的任务。刀具切削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。通常情况下，刀具材料的重要性居于首位，它对刀具耐用度、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。1）对刀具材料的基本要求(1)高硬度，常温硬度应在60HRC以上；(2)足够的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动；(3)高耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间；(4)较高的耐热性(又称为红硬性或热硬性)，即在高温下仍能保持较高硬度的性能；(5)较好的工艺性，以便于制造各种刀具。实际上在选择刀具材料时，很难找到上述几方面性能都是最佳的，因为材料性能之间往往相互矛盾。如硬度高，韧性就低；耐磨性好，则可磨削性就差等。2）常用的刀具材料目前常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢因耐热性较差，仅用于手工工具及切削速度较低的刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼等仅用于特殊场合。用得最多的材料是高速钢和硬质合金。 (1)高速钢 高速钢是在碳素工具钢中加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素所构成的高合金工具钢。其强度和冲击韧度较好，具有一定的硬度和耐磨性，刃磨后切削刃锋利，耐热性在600700。按照用途的不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。在工厂中，高速钢亦被称为“风钢”或“锋钢”，磨光的高速钢亦被称为“白钢”。我国最常用的高速钢牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V3等。(2)硬质合金 硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物的粉末和金属粘结剂在高压下成形后，在高温下烧结而成的粉末冶金材料。其硬度、耐磨性、耐热性都很高，许用的切削速度远远超过高速钢，加工效率高，能切削诸如淬火钢一类的硬材料，因而被广泛用做刀具材料。ISO标准将切削用硬质合金分为P、K、M三类。2.刀具结构1）刀具切削部分的结构要素金属切削刀具的种类很多，各种刀具的结构大不相同。不论刀具结构如何复杂，但它们切削部分的几何形状大致相同，都是以普通外圆车刀切削部分的几何形状为基本形状，如图5.4所示。刀具切削部分的结构要素定义如下：(1)前刀面 切削时直接作用于被切金属层且切屑沿其排出的刀面；(2)后刀面 同工件上的过渡表面相互作用和相对着的刀面。与过渡表面相对的刀面是主后刀面，与工件上已加工表面相对的刀面是副后刀面；(3)切削刃 切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋，有主切削刃和副切削刃之分；(4)刀尖 刀尖可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是主、副两条切削刃连接起来的一小段过渡刃，它可以是圆弧，也可以是直线。2）刀具的结构形式刀具的结构形式对刀具的切削性能、切削加工的生产率和经济效益有着重要的影响。切削刀具的种类很多，形状多种多样，但其结构有共性。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成，如图5.4所示。车刀常用的结构形式有焊接式、整体式、机械夹固式。 3）刀具角度刀具的角度可分为标注角度和工作角度两类。(1)刀具的标注角度 在设计和制造刀具时，图样上标注的角度、刃磨刀具时测量的角度统称为刀具的标注角度。这里我们仅以外圆车刀的标注角度为例作一下介绍。为了确定上述刀面和切削刃的空间位置，首先要建立起由三个辅助平面组成的坐标参考系，如图5.5(a)所示。并以它为基准，用角度值来反映刀面和切削刃的空间位置。辅助平面包括基面、切削平面和正交平面。基面 通过主切削刃上某一点，垂直于假定主运动方向的平面；切削平面 通过主切削刃上某一点，也与该点所在的过渡表面相切并垂直于基面的平面；正交平面 通过主切削刃上某一点，同时垂直于基面和切削平面的平面。这三个辅助平面互相垂直。标注角度 如图5.5(b)所示。前角0 在正交平面中，前刀面与基面之夹角；后角0 在正交平面中，主后刀面与切削平面之夹角；主偏角r 在基面上，主切削刃的投影与进给方向之夹角；副偏角r 在基面上，副切削刃的投影与进给反方向之夹角；刃倾角s 在切削平面中，主切削刃与基面之夹角。(2)刀具的工作角度 在实际切削加工时，由于车刀装夹位置和进给运动的影响，确定刀具角度坐标平面的位置将发生变化，使得刀具实际切削时的角度值与其标注角度值不同。这里我们就不再详细介绍了。1.1.3 金属切削过程金属切削过程就是刀具从工件表面上切除多余金属，从切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。要提高切削加工生产率，保证零件的加工质量，降低生产成本，必须研究金属切削过程的物理本质及金属变形规律。通过实验发现，切削过程中的各种物理现象都以切屑形成过程为基础，都与金属变形规律有关，所以切屑形成过程及其变化规律是研究金属切削过程的基础。1.切屑形成过程及种类1）切屑的形成切屑的形成过程如图5.6所示。当刀具和被切金属开始接触的最初瞬间，切削刃在与被切金属的接触线下挤压被切金属，使之产生弹性变形。随着切削运动的继续，刀具对被切金属的挤压作用加强，使被切金属的弹性变形及其应力逐渐增大，当应力达到被切金属材料的屈服强度s时，被切金属在前刀面和切削刃的挤压作用下开始发生塑性变形，这种塑性变形也称为剪切滑移。随着切削运动的继续，被切金属的应力不断增大，当应力达到其强度极限时，被切金属(平行四边形CDEF)与基体分开成为一个切屑单元(平行四边形CDEF)。随着切削运动的继续，前刀面又挤压另一部分金属(BCFG)，使这部分金属重复上述过程成为一个切屑单元(BCFG)。若切削运动继续下去，被切金属就变成由若干个金属单元组成的一条完整的切屑了。2）切屑的种类由于切削条件不同，切屑的变形程度也不同，从而切屑形状也不同。归纳起来，可分为以下四种类型(图5.7)。(1)带状切屑 它的内表面是光滑的，外表面是毛糙的，若在显微镜下观察其侧表面，可以看到许多剪切面的条纹，其内部应力还没有达到材料的强度极限，所以切屑延续很长呈带状。一般在加工塑性金属、切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，易得到这种刀屑。形成带状切屑时，切削过程平稳，切削力波动很小，工件已加工表面粗糙度值小。(2)节状切屑 这类切屑的外形与带状切屑的不同之处在于外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。一般在加工塑性金属、切削厚度较大、切削速度较低、刀具前角较小时，易得到这种切屑。形成挤裂切屑时，由于切屑局部断裂，切削力波动较大，切削过程欠平稳，工件已加工表面粗糙度值也较大。(3)单元切屑 如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被分离，于是形成了大致为梯形的单元切屑。一般在切削塑性金属、切削厚度大、切削速度低、刀具前角小时，易得到这种切屑。形成单元切屑时，切削力波动很大，切削过程不平稳，工件已加工表面粗糙度值大。在生产中应避免出现此种切屑。以上三种切屑中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状刀屑，有时得到挤裂切屑。(4)崩碎切屑 切削脆性材料时，由于材料的塑性很差且抗拉强度低，切削时，切削刃前方金属在塑性变形很小时就被挤裂或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑，它与工件母体分离的表面很不规则，已加工表面粗糙度值很大，切削力变化很大。工件材料越是硬脆，刀具前角越小，切削厚度越大时，越容易产生这种切屑。2.积屑瘤现象在一定的切削速度下切削诸如钢、球墨铸铁、铝合金等塑性金属时，常发现在刀具的前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这就是切削过程所产生的积屑瘤，或称刀瘤，如图5.8所示。