机械制造技术基础1章

金属切削的基本理论，第1章，金属切削的基本理论，1.1切削运动和切削要素，1.2金属切削刀具，1.3金属切削过程的基本规则，1.4切削参数和切削液的选择，1.5常用的工程材料，1.1切削运动和切削要素，金属切削加工是用具有一定几何形状的刀具在工件毛坯上切削掉一部分金属材料(统称为余量)以获得图纸所需的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对的切削运动。因此，掌握切削运动、刀具几何角度、切削参数和切削层参数的基本定义是学习本课程的基础。本章主要以外圆车削为例讨论这些问题，但其定义也适用于其他切削方法。1.1切削运动和切削元件1.1.1切削运动在金属切削过程中，刀具和工件之间的相对运动称为切削运动。切割运动可分为主运动和进给运动。以图1-1所示的车削外圆为例，研究切削运动。图1-1切削运动和工件表面，1.1切削运动和切削元件，1.1.1.1主运动主运动是切削过程中的主运动。主运动可以由刀具或工件完成。它的运动形式通常是旋转运动或线性运动，例如工件在车削过程中的旋转运动、铣刀在铣削过程中的旋转运动以及钻头在钻孔过程中的旋转运动。一般来说，主运动速度最快，消耗的功率最大。只有一个主要动议。1.1、切削运动和切削元件的1.1.1.2进给运动进给运动是连续切削待切削金属层以去除工件表面所有多余部分的运动。可能有一个或几个进给运动。进给运动由刀具或工件完成，例如当车削外圆时刀具平行于工件轴线的纵向运动。它的运动形式一般包括直线运动、旋转运动或两者的结合。它可以是连续的或不连续的，比主运动消耗的能量少得多。1.1.1.3在工件的表面切削过程中，工件上有三个不断变化的表面，如图1-1所示。(1)用刀具切削后的加工表面工件的表面。(2)待加工工件上待切割的切割层表面。(3)由过渡表面的主切削刃加工的表面称为过渡表面，它是待加工表面和已加工表面之间的连接表面。1.1切削运动和切削要素，1.1切削运动和切削要素，1.1.2切削要素1.1.2.1切削参数它包括切削速度、进给和切削深度三个要素。(1)切削速度切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主要运动速度。当主运动是旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度由以下公式确定，其中v切削速度()或()；完成主运动的刀具或工件的最大直径()；N主运动速度()或()。对于切削运动和切削元件，当主运动是往复直线运动(如刨削)时，往复直线运动的行程速度()在公式中；每秒或每分钟的主运动往复运动()或()。切削运动和切削元件(2)进给是工件或刀具的主运动的每转或每冲程刀具切削刃相对于工件在进给运动方向上的移动量。车削时的进给量是工件每次旋转时切削刃沿进给方向的移动量，单位为，进给速度为进给速度()或()。对于多齿刀具，如铣刀和铰刀，也规定了每齿的进给量，即多齿刀具每旋转一周或每冲程，每个齿相对于工件在进给运动方向上的相对位移，单位为。切削运动和切削元件，(3)切削深度切削深度是指待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。车削时，切削深度()；待加工工件表面的直径()；工件加工表面的直径()。切削运动和切削元素1.1.2.2时切削层参数在切割层尺寸平面中测量的切割层尺寸的几何参数称为切割层尺寸平面元素。现在将描述每个切割层参数的定义如下：1.1切割运动和切割元件，(1)切割层的标称横截面积是指在给定时刻切割层在切割层尺寸平面中的实际横截面积，用图1-2中AMCD包围的面积表示。图1-2切削层尺寸、1.1切削运动和车削过程中的切削元件，切削层的标称截面积可根据下式计算，称为剩余面积，构成加工表面理论表面粗糙度的几何基础。(2)切削层标称宽度是指给定时刻切削层尺寸平面内主切削刃横截面上两个极限点之间的距离。它大致反映了参与切削工作的主切削刃的长度，对于线性主切削刃有如下近似关系，(3)切削层的公称厚度是指切削层的截面积与其在同一时刻的公称切削层宽度之比。也就是说，1.2金属切削刀具和1.2.1生产中使用的刀具种类很多，根据加工方法和具体用途分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹切削刀具、齿轮切削刀具、自动线和数控机床以及磨削刀具等主要类型；根据使用的材料，它们分为高速钢工具、硬质合金工具、陶瓷工具、立方氮化硼(CBN)工具和金刚石工具。根据结构，它分为整体刀具、镶块刀具、机夹刀具和复合刀具。根据是否标准化，可以分为标准工具和非标准工具。后续章节将介绍常用工具的具体结构、特点和用途。1.2金属切削刀具，1.2.2刀具的几何参数各种刀具的切削部分在切削中起着相同的作用，因此它们在结构上有许多共同的特点。其中，圆柱形车刀是最基本、最典型的刀具，其他种类的刀具可视为车刀的演变和组合，如图1-3所示。本文以普通圆柱车刀为例，说明了刀具切削部分的组成，并给出了切削部分几何角度的一般定义。图1-3刀具的切削部分、1.2金属切削刀具和刀具的1.2.2.1切削部分车削刀具由切削部分和刀柄组成。切削部分称为切削部分，夹紧部分称为刀柄。图1-4显示了普通圆柱形车刀的组成。图1-4车刀的部件和每个零件的名称，1-刀架2-主切削刃3-主背面4-切削零件5-刀尖6-辅助背面7-辅助切削刃8-正面，1.2金属切削刀具，切削零件由不同的刀具面和切削刃组成。它可以分为以下几个部分：(1)刀具表面，刀具上的切屑沿着该表面流出。与前刀面相交以形成主切削刃的主后刀面的表面也是切削过程中与过渡面相对的切削面。与前刀面相交以形成第二切削刃的第二侧面刀具的表面也是切削过程中与加工表面相对的刀具表面。1.2金属切削刀具(2)切削刃和刀尖主切削刃刀具的前刀面和主后刀面的交点。它承担主要的切割工作。辅助切削刃刀具的前刀面和辅助后刀面的交点。一小部分也参与切割，主要起抛光作用。刀尖是主切削刃和辅助切削刃的交点。事实上，刀尖是一个弧形过渡刀片。1.2金属切削刀具，刀具切削零件的1.2.2.2几何参数(1)测量刀具角度的参考系统确定刀具几何角度的参考系统主要有两种类型。一种类型是用于在设计、制造、锐化和测量刀具时定义刀具几何角度的参考系统，称为刀架参考系统，刀架参考系统中定义的刀具角度称为刀具的尺寸角度。另一个是指定工具几何参数的参考系统图1-5刀架参考系统的基准面a)正交平面和法平面参考系统b)假定的进给平面和后平面参考系统，1.2金属切削刀具，a)穿过主切削刃选择一点并垂直于该点切削速度平面的基准面。通过切削刃的选定点与切削刃相切并垂直于基面的切削平面的平面。对应于主切削刃和辅助切削刃的切削平面分别称为主切削平面和辅助切削平面。c)正交平面穿过主切削刃的选定点并垂直于基面和切削面的平面。d)法平面穿过主切削刃的选定点，并垂直于主切削刃的平面。e)假设工作平面垂直于通过主切削刃选定点的基面，并平行于假设进给方向的平面。f)后平面穿过主切削刃的选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。对于金属切削刀具，标有角度的车刀的主要角度有前角、后角、主偏角、副偏角和刀片倾角，如图1-6所示。图1-6车刀的主角度，1.2金属切削刀具，a)在正交平面上测量的前刀面和基面之间的角度。当前面与切削平面的夹角小于90时，前角为正；当它大于90时，倾角为负。它主要影响主切削刃的锋利度和刃强度。b)在正交平面中测量的主侧面和切削平面之间的夹角。当侧面和底面之间的夹角小于90时，侧面角度为正，大于90时，侧面角度为负。它主要影响刀具主齿侧面和工件表面之间的摩擦，并随着前角的变化而改变切削刃的锋利度和刃强度。c)主切割平面和假设工作平面之间的夹角，由基面中的主偏转角测量。它主要影响切削刃的工作长度和反作用力的大小。d)在基面上测量的辅助切割平面和假定工作平面之间的夹角。主要影响加工表面的粗糙度。在切削平面中测量的主切削刃和基面之间的角度。叶片倾角主要影响切屑流向和尖端强度。当刀头相对于车刀的刀柄安装面处于最高点时，刀片倾角为正；当刀尖在最低点时，刀片倾斜为负；当切削刃平行于刀柄的安装表面时，切削刃的倾斜角为零，并且切削刃在基面中。刀片倾斜对排屑的影响如图1-7所示。图1-7，刀片倾角及其对排屑方向的影响，1.2金属切削刀具，除了上述五个基本角度外，刀具还具有两个导出角度，即刀尖角度和楔角。楔角(0)前刀面和主前刀面之间的角度， 0=90-( 0)。刀尖角度(r)主切削平面和辅助切削平面之间的角度。1.2、金属切削刀具、1.2.2.3刀具工作参考系和刀具工作角度为了更合理地表达在切削过程中起作用的刀具角度，刀具的参考系和角度应根据组合切削运动方向来定义和确定，即刀具工作参考系和工作角度。1.2金属切削刀具，(1)刀具工作参考系统(1)工作基面是指通过切削刃上选定点并垂直于复合切削速度的平面。(2)工作切削平面是指穿过切削刃上选定点的平面，与切削刃相切并垂直于工作基面。(3)工作正交平面是指通过切削刃上的选定点，同时垂直于工作基面和工作切削面的平面。(4)工作平面是指通过切削刃上选定点的平面，包含主运动速度和进给运动速度方向。它垂直于工作基面。(5)定义仅在某些特殊情况下(如车削螺纹或丝杠、铲削和加工等)。)可以计算工作角度。因此，工具工作参考系统和工作角度的其他内容将不再详细描述，使用时可参考相关数据。1.2金属切削刀具，1.2.2.4刀具安装位置对几何角度的影响为便于解释，以下讨论在刀尖背面进行。图1-8刀尖位置对圆柱形车刀背面工作角度的影响a)刀尖高于工件中心b)刀尖低于工件中心1.2金属切削刀具，当车削圆柱形车刀时，如图1-8(a)所示，当刀尖安装位置高于工件中心时，通过刀尖m点的工作基面应垂直于m点的切削速度方向，而不是平行于刀柄安装平面。穿过刀尖m点的工作切削平面应与m点的切削速度方向一致，即与穿过m点的圆周表面相切，而不是垂直于刀柄安装平面。它们已经相对于刀具的固定参考系统中的基面和切削面旋转了一个角度，从而将工作后倾角增大了一个大于后倾角的角度，并将工作后倾角减小了一个小于后倾角的角度。当刀头的安装位置低于工作中心时，情况正好相反。增加角度和减少角度，如图1-8(b)所示。对于金属切削刀具和内孔，当刀尖安装在高于工件中心的位置时(图1-9(a)，工作后倾角小于后倾角，工作后倾角大于后倾角。当刀头安装在工件中心下方时(图1-9(b)，工件的后前角和后工作角的变化与上述情况相反。图1-9刀尖安装高度对车刀孔背面工作角度的影响a)刀尖高于工件中心b)刀尖低于工件中心1.2金属切削刀具。此外，当工具手柄的中心线不垂直于进给方向时，工作主偏角和辅助偏角也会与主偏角和辅助偏角相比发生变化，如图1-10所示。图1-10工具安装偏差对主偏角和辅助偏角的影响。1.2金属刀具和1.2.3刀具材料的切削性能直接影响生产效率、工件加工精度、加工表面质量和加工成本。因此，刀具材料的正确选择是刀具设计和选择的重要内容之一。1.2.3.1刀具材料的特性在金属切削过程中，刀具的切削部分与工件和切屑直接接触，承受很大的切削压力和冲击，并被工件和切屑严重摩擦，导致切削温度高。也就是说，刀具的切削部分在高温、高压和严重摩擦的恶劣条件下工作。因此，刀具的切削材料应具有以下基本特性。1.2金属切削刀具，(1)高硬度刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度。一般来说，工具材料的常温硬度必须是HRC62或以上。(2)足够的强度和韧性刀具切削部分的材料在切削过程中承受很大的切削力和冲击力，因此刀具材料必须具有足够的强度和韧性。(3)耐磨性和耐热性好刀具在切削过程中会受到严重的摩擦，因此刀具材料应具有很强的耐磨性。切削工具材料的耐磨性和耐热性密切相关，它们的耐热性通常通过它们在高温下保持较高硬度(热硬度)的能力来测量。耐热性越好，允许的切割速度越高。1.2金属切削工具，(4)具有良好导热性的工具材料的导热性以单位表示。导热系数大意味着导热系数好，切削过程中产生的热量容易散失，从而降低切削零件的温度，减少刀具磨损。(5)良好可制造性和经济性不仅要求良好的可加工性、耐磨性、热处理常用刀具材料的主要性能和用途见表1-1、表1-1常用刀具材料的主要性能和用途、表1.2金属刀具、表1-1常用刀具材料的主要性能和用途、表1.2金属刀具、表1-1常用刀具材料的主要性能和用途、表1.2金属刀具、(1)高速钢是一种高合金工具钢，含有钨(W)、钼(MO)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素。由于合金元素和碳原子之间的