数控加工的切削基础

第一章数控车床加工工艺,复习1什么叫数字控制？数控系统？数控机床？2数控车床的组成？工作原理？3数控系统的功能？4数控车床加工的特点？5数控机床的分类？,第一节数控车床加工的切削基础,1.1切削运动与切削要素的概述1.2金属切削过程的基本规律1.3金属切削刀具1.4切削用量与切削液的选择1.5工件材料的切削加工性能习题一,第一节数控车床加工的切削基础,教学目标：1掌握切削运动的概念及运动形式，加工中形成的工件表面2掌握切削用量三要素及切削用量的选择原则3掌握切削层的概念及主要参数4了解切削液的相关知识重点：切削运动的概念及运动形式，切削用量三要素及切削用量的选择原则难点：切削用量三要素及切削用量的选择原则,1.1切削运动与切削要素的概述,1.1.1切削运动和工件表面成形1.切削运动切削加工就是用金属切削刀具把工件毛坯上余量（预留的金属材料）切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对运动，这种相对运动就称为切削运动。切削运动是由金属切削机床通过两种运动单元组合而成的，其是产生切削力的运动，其二是保证了切削工作连续进行的运动，按照它们在切削过程中所起的作用，通常分主运动和进给运动。1）主运动主运动是由机床提供的主要运动，它使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具接近工件并切除切削,下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,速度（vc）最高，消耗的机床功率也最大。如图1-1所示，主运动必须有一个，可以是旋转运动，如车削时工件的旋转运动，铣削时铣刀的旋转运动，磨削工件时砂轮的旋转运动，钻孔时钻头的旋转运动等；也可以是直线运动，如刨削时刀具或工件的往复直线运动。2）进给运动进给运动又称走刀运动，是由机床提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动即可不断地或连续地切除切削层，并得出具有所需几何特性的已加工表面。其特点是消耗的功率比主运动小得多。如图1-1所示，进给运动可以有一个、两个或多个，甚至没有（如拉削）。其形式可以是连续的运动，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动；钻孔时钻头沿轴向的直线运动等；也,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,可以是间断运动，如刨削平面时工件的横向移动；或是两者的组合，如磨削工件外圆时砂轮横向间断的直线运动和工件的旋转运动及轴向（纵向）往复直线运动。3）合成切削运动当主运动和进给运动同时进行时，由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动，又叫表面成形运动。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度，该速度方向与过渡表面相切，如图1-1所示。合成切削速度ve等于主运动速度vc和进给运动速度vf的矢量和，即：ve=vc+vf（1-1）,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,2辅助运动除主运动、进给运动以外，机床在数控加工过程中，还需一系列的其他运动，即辅助运动。辅助运动的种类很多，主要包括：刀具接近工件、切人、切出工件、快速返回原点的运动，机床对刀时的运动，多工位工作台和多工位刀架的分度运动等。另外，机床的启动、停车、变速、换向以及工件的夹紧、松开等操纵控制运动，也属于辅助运动。辅助运动在整个加工过程中是必不可少的。3加工中的工件表面在金属切削加工过程中，工件上多余的材料不断地被刀具切除而转变为切屑，与此同时，工件在切削过程中形成了三个不断变化着的表面（图1-1），分别如下：,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,1)待加工表面工件上有待切除切削层的表面称为待加工表面。2)过渡表面工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程（如刨削）、刀具或工件的下一转里（如单刃镗削或车削）将被切除，或者由下一切削刃（如铣削）切除的表面。3)已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面。图12切削用量的三要素,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,1.1.2切削要素切削要素包括切削用量和切削层的几何参数。如图1-2所示。切削用量三要素切削用量是用来表示切削运动、调整机床加工参数的参量，用来定量表述主运动和进给运动。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三个要素（如图1-2）。1）切削速度（vc）切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时线速度称为切削速度。单位：mmin。当主运动是回转运动时，线速度vc的计算公式如下：vcdn1000（1-2）需要注意的是：车削加工时，应计算待加工表面的切削速度。,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,当主运动是往复直线运动时，则常以往复运动的平均速度作为切削速度，线速度vc的计算公式如下：vc2Ln/1000(1-3)上两式中：d切削刃上选定点处所对应的工件或刀具的回转直径，单位为mm；n工件或刀具的转速，单位为rmin。L工件或刀具作往复运动的行程长度，单位为mm。2）进给量（）在主运动的一个循环内，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，称为进给量。可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表达或度量（图1-2），其单位用mm/r（如车削、镗削等）或mm行程（如刨削、磨削等）表示。数控编程时，也可以用进给速度vf表示刀具与工件的相对运动速度，单位是mmmin。车削时的进给速度vf为：vfn(1-4),上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,对于铰刀、铣刀等多齿刀具，通常规定每齿进给量z（单位：mm/z），其含义是刀具每转过一个齿，刀具相对于工件在进给运动方向上的位移量。即z/z(1-5)式中：z刀具齿数。3）背吃刀量（p）也叫切深，是已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量，其单位为mm。车削外圆时：p（dwdm）2(1-6)式中：dw待加工表面直径，单位为mm；dm已加工表面直径，单位为mm。,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,切削用量的选择原则粗车:ap(大)-f(大)-vc(小)精车：ap(小)-f(小)-vc(大),1.1切削运动与切削要素的概述,镗孔时式(1-6)中的dw与dm的位置互换一下，钻孔加工的背吃刀量为钻头的半径。2切削层参数在金属切削过程中，刀具或工件沿进给运动方向每移动一个（车削）或z（多齿刀具切削）所切除的金属层，称为切削层。图1-3所示为车削时的切削层，当工件旋转一转时，车刀主切削刃由过渡表面I的位置移动到过渡表面的位置，其间所切除的工件材料层即为车削时的切削层。切削层的尺寸称为切削层参数，切削层参数通常在基面内测量。图1-3外圆纵车切削层的参数1）切削厚度（hD）是指在垂直于切削刃方向度量的切削层截面的尺寸，单位为mm。当主切削刃为直线时，各点的切削厚度,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,相等（图1-3），并可近似按式（16）计算。在曲线切削刃上，各点的切削厚度是变化的（如图1-4）。图1-4曲线切削刃工作时的切削厚度与宽度hDsinr(1-7)2）切削宽度（bD）是指沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸，单位为mm。它大致反映了刀具主切削刃参与切削工作的长度(图1-3)。对于直线刃的切削宽度可按式（18）估算：bDpsinr(1-8)3）切削面积（AD）是指切削层的横截面积，单位为mm2。车削时切削面积可按式（1-9）计,上一页下一页返回,1.1切削运动与切削要素的概述,算：ADbDhD(1-9)在实际切削时，由于刀具副偏角的存在，刀具常常会在已加工表面上留下刀纹，这些刀纹的横截面积即为残留面积（AD）。残留面积将直接影响已加工表面的粗糙度，同时也减小了切削层的切削面积。,上一页返回,1.4切削用量与切削液的选择,1.4.2切削液的选择在金属切削过程中，合理选择切削液，可改善工件与刀具之间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，减轻刀具磨损，减小工件的热变形，从而达到提高刀具的耐用度、加工效率和加工质量的目的。1切削液的作用1）冷却作用切削液可迅速带走切削过程中产生的热量，降低切削区的温度。切削液的流动性越好，比热、导热系数和汽化热等参数越高，则其冷却性能越好。2）润滑作用切削液能在刀具的前、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜，可减少或避免刀具与工件或切屑间的直接接触，减轻摩擦和粘结程度，从而减轻刀具的磨损，提高工件表面的加工质量。,上一页下一页返回,1.4切削用量与切削液的选择,为保证润滑作用的实现，要求切削液能够迅速渗入刀具与工件或切屑的接触界面，形成润滑薄膜，并且在高温、高压及剧烈摩擦的条件下不被破坏。3）清洗作用使用切削液可以将切削过程中产生的大量切屑、金属碎片和粉末，从刀具（或砂轮）、工件上及时冲洗掉，避免切屑粘附刀具、堵塞排屑和划伤已加工表面。这一作用对于磨削、螺纹加工和深孔加工等工序尤为重要。为此，要求切削液有良好的流动性，并且在使用时有足够大的压力和流量。4）防锈作用为减轻工件、刀具和机床受周围介质（如空气、水分等）的腐蚀，要求切削液具有一定的防锈作用。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的品种和比例。,上一页下一页返回,1.4切削用量与切削液的选择,2切削液的种类常用的切削液可分为水溶液、乳化液和切削油三大类。1）水溶液水溶液是以水为主要成份的切削液。水的导热性能好，冷却效果好。但单纯的水容易使金属生锈，并且润滑性能差。因此，常在水中加入一定量的防锈添加剂、表面活性物质或油性添加剂等，使其既具有良好的防锈性能，又具有一定的润滑性能。在配制水溶液时，要特别注意水质情况，如果是硬水，必须先进行软化处理。2）乳化液乳化液是将乳化油用95一98的水稀释而成，呈乳白色或半透明状。乳化液具有良好的冷却作用，但润滑、防锈性能较差。常再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。,上一页下一页返回,1.4切削用量与切削液的选择,3）切削油切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油，纯矿物油不能在摩擦界面形成坚固的润滑膜，润滑效果较差。在实际使用中，常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂，以提高其润滑和防锈作用。3切削液的选用切削液的选用应根据不同的加工要求、刀具及工件材料等因素进行选择，下面主要根据粗、精加工及不同类型材料选择切削液。1）粗加工时切削液的选用粗加工时，因加工余量大，所用切削用量大，加工过程产生大量的切削热。选用切削液根据刀具材料的不同而有所区别，当采用高速钢刀具切削时，使用切削液的主要目的是降低切削温度，减少刀具磨损。硬质合金刀具耐热性好，一般可不用切削液，必要时可采用低浓度乳化液或水溶液。,上一页下一页返回,1.4切削用量与切削液的选择,2）精加工时切削液的选用精加工时，因工件表面粗糙度值要求较小，使用切削液的主要目的是提高切削的润滑性能，从而达到降低表面粗糙度的要求。所以一般应选用润滑性能较好的切削液，如高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油。3）根据工件材料的性质选用切削液切削塑性材料时需用切削液。切削铸铁、黄铜等脆性材料时，一般不用切削液，以免崩碎切屑粘附在机床的运动部件上。加工高强度钢、高温合金等难加工材料时，由于切削加工处于极压润滑摩擦状态，故应选用含极压添加剂的切削液。切削有色金属和铜、铝合金时，为了得到较高的表面质量和精度，可采用1020的乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合物。但不能用含硫的切削液，因为硫对有色金属有腐蚀作用。切削镁合金时，不能用水溶液，以免燃烧。,上一页返回,第一节数控车床加工的切削基础,复习1切削运动的概念及运动形式，加工中形成的工件表面2切削用量三要素及切削用量的选择原则3切削层的概念及主要参数4切削液的作用,第一节数控车床加工的切削基础,教学目标：1掌握刀具切削部分的组成2理解刀具静止参考系及其各参考平面。3掌握刀具切削部分的标注角度4了解刀具几何角度功用及其选择重点：刀具静止参考系及其各参考平面，刀具切削部分的几何角度难点：刀具切削部分的几何角度,1.3金属切削刀具,刀具切削部分的几何形状和角度1.刀具切削部分的组成刀具种类繁多，结构各异，但仔细观察它的切削部分，其剖面的基本形状都是刀楔形，切削部分的几何形状和参数都有共性。以外圆车刀为例（图1-15），其组成包括刀柄部分和切削部分。刀柄是车刀在车床上定位和夹持的部分。切削部分俗称刀头，由三个刀面组成主、副两切削刃及一个刀尖点，切削部分的组成要素如下：1）前刀面A刀具上切屑流过的表面。2）后刀面A刀具上与过渡表面相对的表面，也称为主后刀面。3）副后刀面A刀具上与已加工表面相对的表面。4）主切削刃S前刀面与后刀面的交线，担负主要切削工作。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,5）副切削刃S前刀面与副后刀面相交得到的刃边，配合主切削刃完成金属切除工作，负责最终形成工件已加工表面。6）刀尖主、副切削刃连接处的一小部分切削刃。根据刀具使用的场合不同，刀尖有修圆刀尖和倒角刀尖两种类型，如图1-16所示。2刀具切削部分的几何角度刀具几何参数的确定需要以一定的参考坐标系和参考平面为基准。为了确定刀具前面、后面及切削刃在空间的位置，首先应建立参考系，它是一组用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面。用刀具前面、后面和切削刃相对各基准坐标平面的夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就是刀具切削部分的几何角度。下面主要介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。,上一页下一页返回,图1-15车刀示意图,返回,1.3金属切削刀具,如图1-171）正交平面参考系基面Pr基面就是通过切削刃上一个选定点而垂直于主运动方向的平面。通常它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面或轴线。对于车刀，这个选定点就是刀尖，而基面就是过刀尖而与刀柄安装平面平行的平面。对钻头、铣刀等旋转刀具来说，即是过切削刃选定点并通过刀具轴线的平面。切削平面Ps切削平面就是通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。当切削刃为直线刃时，过切削刃选定点的切削平面，即是包含切削刃并垂直于基面的平面，对应于主切削刃和副切削刃的切削平面分别称为主切削平面Ps和副切削平面Ps。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,正交平面Po正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。也可看成是通过切削刃选定点并垂直于切削刃在基面上投影的平面。2）刀具的主要标注角度刀具的角度有一些是空间角，根据立体几何知识，空间角可以用其在坐标系内某一个平面内的投影来度量。因此，刀具所有的几何参数都可以在这个坐标系内的某一个平面内进行测量（图1-18）。在正交平面（Po）中测量的角度有：前角o是前刀面A与基准面Pr间的夹角，其大小对刀具的切削性能有很大影响。当前刀面与切削平面夹角小于90时，前角为正值；大于90时，前角为负值。,上一页下一页返回,图1-17正交平面参考系,返回,1.3金属切削刀具,后角o是后刀面A与切削平面Ps间的夹角，其主要作用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦和减少后刀面的磨损。当后刀面与基面夹角小于90时，后角为正值；大于90时，后角为负值。楔角o是前刀面A与后刀面A间的夹角，反映刀体强度和散热能力的大小。它是由前角和后角得到的派生角度，即：o90（o十o）（1-20）在基面（Pr）中测量的角度有：主偏角r是主切削平面Ps与假定进给运动方向间的夹角，r总为正值。主偏角的大小影响切削条件和刀具寿命。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,副偏角r是副切削平面Ps与假定进给运动反方向间的夹角。刀尖角r是主切削平面Ps与副切削平面Ps间的夹角，它是由主偏角r和副偏角（r）得到的派生角度，即：r=180一（rr）（1-21）在切削平面（Ps）中测量的角度有：在切削平面中测量的角度有刃倾角s，它是主切削刃与基面Pr间的夹角。当刀尖相对于车刀刀柄安装面处于最高点时，刃倾角为正值；当刀尖处于最低点时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为0，这时切削刃在基面内。,上一页下一页返回,（2）刀具标注角度（正交平面参考系）,独立角度：主偏角r刃倾角s前角o后角o副偏角r副后角o,派生角度：楔角o刀尖角r副刃前角o副刃刃倾角s,刀具静止参考系及标注角度,外圆车刀在正交平面参考系中的标注角度,独立角度：主偏角r刃倾角s前角o后角o副偏角r副后角o,派生角度：楔角o刀尖角r副刃前角o副刃刃倾角s,1.3金属切削刀具,在上述角度中，前角o和刃倾角s确定前刀面的方位。主偏角r和后角o确定主后刀面的方位。根据主偏角r和刃倾角s，即可确定主切削刃的方位。由此可见，主切削刃及其前刀面和主后刀面在空间的方位只用四个基本角度o、o、r和s就能完全确定。同理，只用副前角o、副后角o、副偏角r和副刃倾角s，则副切削刃及其对应的前刀面和副后刀面在空间的方位也就完全确定。当主切削刃和副切削刃共处在一个平面中时，因前刀面的方位只要o和s两个角度就能完全确定，这时，副前角o便是由前刀面方位确定之后而随之确定的派生角度。同理，若副偏角r确定后，副刃倾角s也是随之确定的派生角度。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,在假定工作平面和背平面参考系中测量的角度为了机械刃磨刀具或分析讨论问题的需要，常常要利用在假定工作平面和背平面中测量的角度。在假定工作平面中测量的前角和后角分别称侧前角f和侧后角f；在背平面中测量的前角和后角分别称背前角p和背后角p。3.典型车刀的刀具角度标注90外圆车刀该车刀刀具角度标注如图1-19所示。其特点在于主偏角r90，过主切削刃选定点的正交平面和假定工作平面重合，侧向视图就是切削平面投影视图。由于刀具的主、副切削刃共处在同一平面上，o和s为派生角度，不必标注。45端面车刀它和45外圆车刀的画法基本相同，区别在于假定进给方向不同，主切削刃和副切削刃的位置不同，如图1-20所示。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,切断刀切断刀有一条公共的主切削刃、两条副切削刃和左右两个刀尖，可以看成是两把端面车刀的组合，同时车削左右两个端面（图1-21）。切断刀共有四个刀具表面，因主切削刃和副切削刃同处在一个前刀面上，副前角o和副刃倾角s为派生角度。当主偏角r90时，侧视图和正交平面剖视图重合；当主偏角r90时，左、右刀尖主偏角的关系为rL180-rR；当刃倾角s0时，左、右刀尖刃倾角的关系为SL=-sR。切断刀的主切削刃较窄，为使排屑畅通，主切削刃大多平行于工件轴线（r90，s0），为保持刀尖强度，应选择较小的副偏角和副后角（12）。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,镗孔刀图1-22所示为镗孔刀车通孔时刀具角度，其切削部分的几何形状基本与外圆车刀相似。车盲孔或台阶孔时，切削部分的几何形状基本与偏刀相似，取主偏角等于或大于90。4工作角度以上讨论的刀具角度是刀具在静止参考系中定义的角度，其功用是在设计和制造时用以确定刀具切削部分的几何形状以及切削刃和刀面相对于刀具安装基准的空间位置，故又称为刀具的标注角度。刀具的使用性能不仅与标注角度有关，还与刀具在机床上的安装位置和合成切削速度有关。当刀具相对于工件或机床的安装位置发生变化时，或受进给运动的影响，刀具实际切削的角度常常会发生变化，这种在实际切削过程中起作用的刀具角度称之为工作角度。工作角度是在刀具工作参考系中定义的刀具角度。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,刀具工作参考系及工作角度刀具工作参考系a.工作基面Pre过切削刃上选定点并与合成切削速度垂直的平面称为工作基面。b.工作切削平面Pse过切削刃上选定点,与切削刃相切并垂直于工作基面的平面称为工作切削平面。c.工作正交平面Poe过切削刃上选定点并同时与工作基面和工作切削平面相垂直的平面叫做工作正交平面。d.工作平面Pfe过切削刃上选定点且同时包含主运动速度和进给运动速度方向的平面叫做工作平面。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,刀具工作角度a.工作前角oe在工作正交平面Poe内度量的工作基面Pre与前刀面A间的夹角。b.工作后角oe在工作正交平面Poe内度量的工作切削平面Pse与后刀面A间的夹角。c.工作侧前角fe在工作平面Pfe内度量的工作基面Pre与前面A间的夹角。图1-23横向进给对工作角度的影响d.工作侧后角fe在工作平面Pfe内度量的工作切削平面Pse与后刀面A间的夹角。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,1.3.3刀具几何参数及其选择1刀具前角的选择1）前角的功用刀具的前角主要影响切屑变形和切削力的大小及刀具耐用度和加工表面质量的高低。增大前角使切削变形和摩擦减小，故切削力小、切削热少，从而提高刀具寿命和已加工表面质量。但前角过大，刀具强度降低，散热体积减小，从而降低刀具的耐用度。减小前角，可提高刀具强度，增大切屑变形，易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，降低刀具的耐用度。2）合理前角的选择原则在一定切削条件下，用某刀具加工某材料工件时，总有一个使刀具获得最高寿命的前角值，这个前角就称为合理前角。在选择合理前角时，首先应保证,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,切削刃锋利，同时又要兼顾足够的切削刃强度。在保证加工质量的前提下，一般以达到最高的刀具寿命为目的。切削刃强度是否足够，与被加工材料和刀具材料的力学物理性能以及加工性质有着密切关系。前角的合理数值主要根据以下原则选取。加工材料加工塑性材料时，为减小切屑变形和刀具磨损，应选取较大前角；加工脆性材料时，为保证切削刃有足够的强度，应选取较小前角。当工件材料的强度和硬度低时，因切削力较小，可选取较大前角，以使切削刃保持锋利；当工件材料的强度和硬度高时，可取较小前角。加工淬火钢等特硬材料时，应选取很小的前角，甚至负前角。刀具材料当刀具材料的抗弯强度和冲击韧性较低时，取较小,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,前角；高速钢刀具的合理前角比硬质合金刀具的合理前角大，陶瓷刀具的合理前角比硬质合金刀具小。加工性质粗加工时，特别是断续切削，切削力大，切削热多，且承受冲击载荷，为保证刀具强度和散热面积，应选取较小前角；精加工时，为保证刀具锋利，并获得较高的表面质量，应选取较大的刀具前角。另外，工艺系统刚性差和机床功率小时，宜选较大前角，以减小切削力和振动。数控机床为保证刀具工作的稳定性（不发生崩刃及破损），一般选用较小的前角。硬质合金车刀合理前角的参考值见表1-1。2刀具后角及后刀面形状的选择1）后角的功用后角的主要功用是减小刀具后刀面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦；后角减小，后面与工件表面间的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,面质量差；后角增大，摩擦减小，但刀刃强度和散热情况变差。所以，在一定切削条件下，后角也有一个对应于最高刀具寿命的合理数值。后角还影响楔角0的大小，可以配合前角调整切削刃的锋利程度和强度。2）合理后角的选择原则粗加工时，因切削厚度大，切削力大，切削温度也高，为保证刀具强度，改善散热条件，所以应选择较小的刀具后角；精加工时，为保证工件表面质量，应取较大的刀具后角，减小刃口钝圆半径，使刃口锋利，便于切下薄切屑。工件材料的强度、硬度较高时，应取较小的刀具后角，以保证切削刃的强度；工件材料硬度低、塑性较大及易产生加工硬化,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,主后刀面的摩擦对已加工表面质量和刀具磨损影响较大，此时应取较大的刀具后角；加工脆性材料时，切削力主要集中在切削刃附近，为强化切削刃，宜选取较小的后角。对于尺寸精度要求较高的精加工刀具（如铰刀等），为减少重磨后刀具尺寸的变化，保证刀具的耐用度，应选取较小的刀具后角。工艺系统刚性差，容易产生振动时，为增强刀具对振动的阻尼作用，应取较小的刀具后角。表1-2为硬质合金车刀合理后角的参考值。副后角可减少副后刀面与已加工表面间的摩擦。一般车刀、刨刀等的副后角与主后角相等；而切断刀、切槽刀及锯片铣刀等的副后角因受刀头强度限制，只能取得较小，通常0=12。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,3刀具主偏角及副偏角的选择1）主偏角的功用及其选择原则主偏角的功用主偏角主要影响刀具耐用度、已加工表面粗糙度及切削力的大小。主偏角r较小，则刀头强度高，散热条件好，已加工表面残留面积高度小，主切削刃的工作长度长，单位长度上的切削负荷小；其负面效应为背向力大，切削厚度小，断屑效果差。主偏角较大时，所产生的影响与上述情况正好相反。合理主偏角的选择原则粗加工和半精加工时，硬质合金车刀应选择较大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具耐用度和断屑。例如在生产中，效果显著的强力切削车刀的r就取为75。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,加工很硬的材料，如淬硬钢和冷硬铸铁时，为减少单位长度切削刃上的负荷，改善刀刃散热条件，提高刀具耐用度，应取r1030。工艺系统刚性高时，取较小主偏角；工艺系统刚性低（如车细长轴、薄壁筒）时，应取较大主偏角，甚至取r90，以减小背向力，降低工艺系统的弹性变形和振动。单件小批量生产时，希望用一两把车刀加工出工件上所有表面，则应选用通用性较好的r为45或90的车刀。需要从工件中间切人的车刀，以及仿形加工的车刀，应适当增大主偏角和副偏角；有时主偏角的大小取决于工件形状，例如车阶梯轴时，则需用r90的刀具。2）副偏角的功用及其选择原则,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,合理副偏角的选择原则一般在不引起振动的情况下，可选取较小的副偏角，如车刀、刨刀等均可取r510。精加工刀具的副偏角应取得更小一些，以减小残留面积，从而减小表面粗糙度。加工高强度、高硬度材料或断续切削时，应选取较小的副偏角（r46），以提高刀尖强度，改善散热条件。为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度不发生较大变化，切断刀、锯片刀和槽铣刀等刀具，只能选取很小的副偏角，一般取r=12。表1-3为硬质合金车刀合理主偏角、副偏角的参考值。,上一页下一页返回,1.3金属切削刀具,4刃倾角的功用及其选择1）刃倾角的功用刃倾角主要影响切屑的流向和刀尖的强度。如图1-27所示，刃倾角为正时，刀尖先接触工件，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面。刃倾角为负时，刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤，但可避免刀尖受冲击，起保护刀尖的作用，并可改善散热条件。2）合理刃倾角的选择原则粗加工时，s取负值，以使刀具具有较高的强度和散热条件，并使切入工件时，刀尖免受冲击；精加工时，s取正值，使切屑流向待加工表面，以提高工件表面质量。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,1.2.1金属切削过程中的变形区概述研究证明：金属的切削过程实质上是被切削金属层在刀具挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形直到剪切断裂的过程。在这个过程中切削力、切削热、加工硬化和刀具磨损等都对加工质量和生产率有很大的关系。为了研究方便，通常把切削过程中的塑性变形区域划分为三个变形区（如图1-5）：1第一变形区被切削金属层在刀具前面的挤压力作用下，首先产生弹性变形，当最大切应力达到材料的屈服极限时，即沿图1-6中的OA-OM曲线发生剪切滑移，并依次由位置1移至位置2，2-2之间的距离就是它的滑移量。随着刀具前刀面的逐渐趋近，塑性变形也逐渐增大，滑移依次为3-3、4-4，直至OM曲线，滑移终止，被切削金属层与母体脱离成为切屑沿刀具前面流出。曲线OAMO所包围的区域,下一页返回,1.2金属切削的基本规律,就是剪切滑移区，又称第一变形区，也是金属切削过程中的主要变形区，其宽度很窄，约为0.020.2mm，且切削速度越高，宽度越窄。第一变形区消耗大部分功率并产生大量的切削热。为使问题简化，设想用一个平面OM代替剪切滑移区，则平面OM就称为剪切平面。剪切平面与切削速度之间的夹角称为剪切角，以表示（如图15所示）。-第一变形区-第二变形区-第三变形区图1-6第一变形区的剪切滑移2第二变形区经第一变形区剪切滑移而形成的切屑，在沿刀具前刀面流出时，又受到前刀面的挤压而产生摩擦，靠近前刀面处的金属再次产生剪切变形，使切屑底层薄薄的一,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,层金属流动滞缓，这一层滞缓流动的金属层称为滞流层。滞流层的变形程度比切屑上层大几倍到几十倍。3第三变形区第三变形区是刀具后刀面和工件的接触区，是指工件过渡表面和已加工表面金属层受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹而产生塑性变形的区域。第三变形区的金属变形，造成已加工表层金属的纤维化和加工硬化，并产生一定的残余应力。将影响到工件的表面质量和使用性能。以上分别讨论了三个变形区的特征，三个变形区是相互联系而又相互影响的。金属切削过程中的许多物理现象都和三个变形区的变形密切相关，研究切削过程中的变形，是掌握金属切削加工技术的基础。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,切削变形的大小，主要取决于第一变形区及第二变形区的挤压和摩擦情况，其主要影响因素及规律如下：1)工件材料实验证明，工件材料强度和硬度越高，变形系数越小；而塑性大的金属材料变形大，塑性小的金属材料变形小。2)刀具前角刀具前角越大，变形系数越小。这是因为增大刀具前角，可使剪切角增大，从而使切削变形减小。3)切削速度切削速度vc与切削变形系数的实验曲线如图1-7所示，当中低速切削30钢时，首先，切削变形系数随切削速度的增加而减小，它对应于积屑瘤的成长阶段，由于实际前角的增大而使减小。而后，随着速度的提高，又逐渐增大，它对应于积屑瘤减小和消失的阶段。最后，在,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,高速范围内，又随着切削速度的继续增高而减小。这是因为切削温度随vc的增大而升高，使切削底层金属被软化，剪切强度下降，降低了刀具和切屑之间的摩擦系数，从而使变形系数减小。此外，当切削速度vc很高时，切削层有可能末充分滑移变形就成为切屑流出，这也是变形系数减小的原因之一。4)切削厚度由图1-7可知，当进给量增加（切削厚度增加）时，切削变形系数减小。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,1.2.2切屑的形成及种类1切屑的形成金属的切削过程是被切削金属层在刀具切削刃和前面的挤压作用下而产生剪切，滑移变形的过程。切削金属时：切削层金属受到刀具的挤压开始产生弹性变形；随着刀具的推进，应力、应变逐渐加大，当应力达到材料的屈服强度时产生塑性变形；当刀具继续切入，当应力达到材料的抗拉强度时，金属层被挤裂而形成切屑。实际上，由于加工材料性能与切削条件等不同，上述过程的三个阶段不一定能完全显示出来。2切削的种类如前所述，金属切削层变形的过程即为切屑的形成过程。由于工件材料不同，切削加工条件不同，所以金属切削过程中的变形程度也就不同，从而形成不同的切屑。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,根据切削过程中变形程度的不同，切屑可分为四种不同的形态，如图1-8所示。(a).带状切屑(b).节状切屑(c).粒状切屑(d).崩碎切屑图1-8切屑的种类1）带状切屑（图1-8(a)）这种切屑的底层（与前刀面接触的面）光滑，外表面呈毛茸状，无明显裂纹。在加工塑性金属材料（如软钢、铜、铝等），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，容易产生这种切屑。形成带状切屑时，切削过程较平稳，切削力波动较小，己加工表面质量较高。但切削连续不断，会缠绕在工件或刀具上，影响工件质量且不安全。生产中通常使用在车刀上磨断屑槽等方法断屑。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,2）节状切屑（图1-8(b)）又称挤裂切屑。这种切屑的底面有时出现裂纹，上表面呈明显的锯齿状。在加工塑性较低的金属材料（如黄铜），当切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时，容易产生节状切屑；特别当工艺系统刚性不足、加工碳素钢材料时，也容易得到这种切屑。产生节状切屑时，切削过程不太稳定，切削力波动也较大，已加工表面质量较低。3）粒状切屑（图1-8(c)）又称单元切屑。当采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属（延伸率较低的结构钢）时，会产生这种切屑。产生粒状切屑时，切削过程不平稳，切削力波动较大，已加工表面质量较差。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,4）崩碎切屑（图1-8(d）在切削脆性金属（铸铁、青铜等）时，由于材料的塑性很小，抗拉强度很低，在切削时切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就被挤裂，形成不规则状的碎块切屑，这就是崩碎切屑。当工件材料越硬脆、刀具前角越小、切削厚度越大时，越容易产生崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削力波动大，加工表面凹凸不平，刀屑接触长度较短，切削力和切削热量集中作用在刀刃处，刀刃容易损坏。从加工过程的平稳性、保证加工精度和加工表面质量考虑，带状切屑是较好的切屑类型。需要说明的是，切屑的形态是可以随切削条件的改变而相互转化的。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,1.2.3积屑瘤与鳞刺1)积屑瘤及其特征在切削塑性金属材料时，常在切削刃口附近粘结一硬度很高（通常为工件材料硬度的23.5倍）的楔状金属块，它包围着切削刃且覆盖部分前刀面，这种楔状金属块称为积屑瘤，如图1-9所示。由于积屑瘤覆盖在刀具的前刀面上，因此，积屑瘤便代替刀具切削刃担负实际切削工作，使刀具切削刃和前刀面得到保护，从而可减轻刀具磨损。同时积屑瘤使刀具实际前角增大（最大可达35），刀和切屑的接触面积减小，而使切屑变形减小，降低切削力。另一方面，由于积屑瘤不断发生着长大和破裂脱离的过程，积屑瘤顶部和被切削金属界限不清，脱落的碎片会损伤刀具表面，或嵌入已加工工件表面而造成刀具磨损和已加工表面的表面粗糙度值增大。积屑瘤的不稳定性常会引起切削过程的不稳定（切削力变动），同时,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,积屑瘤还会形成“切削刃”的不规则和不光滑，使已加工表面粗糙度增大、尺寸精度降低，因此精加工时必须设法抑制积屑瘤的形成。2)积屑瘤的形成及抑制措施在切削过程中，由于刀与屑的摩擦而导致的冷焊是积屑瘤的成因。切削时切屑和前刀面之间存在着很大的压力，当切屑从前刀面滑出时，便发生强烈的滑动摩擦，切削温度升高，加速了刀具与切屑之间相互的元素扩散，在刀与屑之间形成一层很薄的（厚度约为0.6m）新合金层，随后新的合金层在此基础上逐层粘结和堆积，最后长成积屑瘤。影响积屑瘤的因素很多，主要有工件材料、切削速度、切削液、刀具表面质量和前角以及刀具材料等。在工件材料塑性高、强度低时，切屑与刀具前面摩擦大，切屑变形大，容易粘刀而产生积屑瘤，而且积屑瘤尺寸也较大。在切削脆性金属材料时，切屑呈崩碎状，刀和屑接触长度较短，摩擦较小，切削温度较低，一般不易产生积屑瘤。实际生产中、可采取下列措施抑制积屑瘤的生成。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,控制切削速度实践证明，切削速度是通过切削温度对前刀面的最大摩擦系数和工件材料性质的影响而影响积屑瘤的，控制切削速度使切削温度控制在300以下或380以上，就可以减少积屑瘤的生成，所以实际加工中采用低速或高速切削是抑制积屑瘤的基本措施。降低进给量进给量增大，则切削厚度增大。切削厚度越大，刀屑的接触长度越长，从而形成积屑瘤的生成基础。若适当降低进给量，则可削弱积屑瘤的生成基础。增大刀具前角若增大刀具前角，则切屑变形减小，切削力减小，从而使前刀面上的摩擦减小，积屑瘤的生成基础就小。实践证明，当刀具前角增大到35时，一般不产生积屑瘤。使用切削液采用润滑性能较好的切削液可以减少或消除积屑瘤的产生。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,前刀面的粗糙度前刀面粗糙，摩擦较大，这给积屑瘤的形成创造了条件。若前刀面光滑，则积屑瘤也就不易形成。工件材料的塑性影响积屑瘤形成的主要因素是工件材料的塑性。2.鳞刺鳞刺是在已加工表面上出现的鳞片状反刺，如图1-10（a）所示。它是用较低的速度切削塑性金属材料时常出现的一种现象，使工件已加工表面质量恶化，表面粗糙度值增大。鳞刺生成的原因是由于部分金属材料的黏结层积，而导致即将切离的切屑根部发生断裂，在已加工表面层留下金属被撕裂的痕迹（图1-10（b）。与积屑瘤相比，鳞刺产生的频率较高。避免产生鳞刺的措施与积屑瘤类似。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,1.2.4切削力1.切削力的产生及分解切削力来源于三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力，以及切屑、工件与刀具间的摩擦力。如图111所示，作用在前刀面上的变形抗力Fn和摩擦力Ff；作用在后刀面上的变形抗力Fn和摩擦力Ff。它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处，其反作用力Fr作用在工件上。为便于计算切削力的大小，分析切削力的作用和测量，通常将切削力分解成如图1-12所示的三个互相垂直的分力。图1-12外圆车削时的切削分力与合力1）主切削力Fc是总切削力Fr在主运动方向上的分力，垂直于基面，与切削速度方向一致。是计算刀具强度、机床切削功率的主要依据。其特征是在切削过程中消耗的功率最大（占机床功率的90）。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,2）背向力Fp又称为径向力，是总切削力Fr在切深方向（x方向）的分力，是验算工艺系统刚度的主要依据。其特征是在切削过程中不消耗功率，但会使工件弯曲变形和振动，影响工件加工质量。3）进给抗力Ff是总切削力Fr在进给方向（Z方向）的分力，是机床进给机构强度和刚度设计、校验的主要依据。其只消耗机床很少的功率（约13）。各分力Fc、Fp、Ff与合力Fr的关系为：(1-10)FpFpfcosr(1-11)FfFpfsinr(1-12),上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,在生产中，切削力可根据公式计算，Fp和Ff可根据Fc进行估算，一般刀具几何参数、磨损情况、切削用量的不同，Fp和Ff相对于Fc的比值在很大范围内变化，当r=45、s=0、o=15时，有以下近似关系：Fp（0.40.5）Fc(1-13)Ff（0.30.4）Fc(1-14)切削力Fc可通过切削用量手册查出单位切削力p，再根据下列公式进行计算：Fc=ppKfpKvcFcKFc(1-15)式中：Kfp进给量对单位切削力的修正系数；KvcFc切削速度改变时对主切削力的修正系数；,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,KFc刀具几何角度不同时对主切削力的修正系数。式中系数可在切削用量手册中查中。切削力Fc还可通过计算切削力的指数公式进行计算。2.切削功率在切削过程中，三个分力消耗的功率之和，通常用主切削力Fc消耗的功率Pc（单位：kw）来表示。PcFcvc10-360（1-16）机床电动机消耗功率PE（单位为：kw）按下式计算：PEPC/（1-17）式中：机床传动效率，一般取0.750.85。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,3.影响切削力的主要因素1）工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切屈服强度越高，切削力就越大。强度、硬度相近的材料，塑性、韧性越大，则切削力越大。2）切削用量的影响背吃刀量和进给量背吃刀量p或进给量加大，则切削力增大。当p加大一倍，切削力增大一倍；加大一倍，切削力增大6886。根据这一规律可知，在切削面积不变的情况下，采用较大的进给量和较小的背吃刀量，可使切削力较小。切削速度切削速度vc对切削力的影响如图1-13所示。切削塑性金属时，在形成积屑瘤范围内，vc较低时，随着vc的增加，积屑瘤增高，o增大，切削力减小；vc,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,较高时，随着vc的增加，积屑瘤逐渐消失，o减小，切削力又逐渐增大；在积屑瘤消失后，vc再增大，使切削温度升高，切削层金属的强度和硬度降低，切削变形减小，因此切削力减小。vc达到一定值后再增大时，切削力变化减缓，渐趋稳定。切削脆性金属材料（如铸铁、黄铜）时，切屑和前刀面的摩擦小，vc对切削力无显著影响。vc/mmin-13)刀具几何角度的影响前角o前角o增大，切屑变形减小，切削力减小。切削各种材料时，增大o能减小切削力，对于塑性材料，加大前角o，切削力的减小则更为明显。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,主偏角r主偏角r对主切削力Fc的影响不大。r6075时，Fc最小；r75时，Fc随r的增大而增大，不过Fc增大或减小的幅度均在10以内。主偏角r主要影响Fp和Ff的比值。r增大时，背向力Fp减小，进给抗力Ff增大。因此，当切削细长轴时应采用较大r(90)。刃倾角s刃倾角s对主切削力Fc的影响很小，但对背向力Fp、进给抗力Ff的影响显著。s减小时，Fp增大，Ff减小。4)刀具磨损的影响刀具磨损后，刀刃变钝会使刀面与加工表面间的挤压和摩擦加剧，使切削力增大。刀具磨损达到一定程度后，切削力会急剧增加。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,5)切削液和刀具材料以冷却作用为主的水溶液对切削力的影响很小。以润滑作用为主的切削液能显著地降低切削力，因为润滑作用减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面的摩擦。刀具材料对切削力也有一定的影响，选择与工件材料摩擦系数小的刀具材料，切削力会不同程度地减小。实验结果表明，用YT类硬质合金刀具切钢时的切削力比用高速钢刀具约降低510。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,1.2.5切削热与切削温度1.切削热的产生与传散1）切削热的产生切削层发生的弹、塑性变形和刀具与切屑、工件之间的摩擦所消耗的功，均可转变为切削热。切削热的来源与传散如图1-14所示。切削过程中产生的总切削热Q为：QQP十Qf十Qf（1-18）式中：QP剪切区金属变形功转变的热；Qf切屑与前刀面的摩擦功转变的热；Qf已加工表面与后刀面的摩擦功转变的热。,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,2）切削热的传散通过切屑、工件、刀具和周围介质传出的热量分别用Qch、Qw、Qc和Qf表示。切削热的产生与传出的关系为：QP十Qf十QfQch十Qw十Qc十QfQ（119）切削热传出的大致比例如下：车削加工时Qch（5086）、Qc（4010）、Qw（93）、Qf（1%）钻削加工时Qch（28）、Qc（14.5）、Qw（52.5）、Of（5）。影响切削热传散的主要因素是工件和刀具材料的热导率及周围介质的状况。2.切削温度的分布,上一页下一页返回,1.2金属切削的基本规律,1)刀屑界面温度比切屑的平均温度高得多，一般约为22.5倍，且最高温度不在切削刃上，而在前刀面上离刀刃一定距离的地方；2)沿剪切平面各点温度几乎相同，由此可知，剪切平面上各点的应力应变规律基本相同；3)切屑沿前刀面流出时，在垂直前刀面方向上温度变化较大，说