教学材料《机械制造》-第一章

第一节概述一、切削运动各种切削加工中的成型运动，按照它们在切削过程中所起的作用，可以分为主运动和进给运动两种，而这两个运动的向量和称为合成切削运动。所有切削运动的速度及方向都是相对于工件定义的。下面以车削为例来加以介绍。

1.主运动由机床或手动提供的刀具与工件之间主要的相对运动，它使刀具的切削部分切入工件材料，使被切金属层转变为切屑，从而形成工件新表面。下一页返回第一节概述如图1-1所示，在车削时，工件的回转运动是主运动;在钻削、铣削和磨削时，刀具或砂轮的回转运动是主运动;在刨削时，刀具或工作台的往复直线运动是主运动。主运动可能是简单的成型运动，也可能是复合的成型运动。上面所述各种切削中的主运动都是简单运动。

在表面成型运动中，必须有而且只能有一个主运动。一般地，主运动消耗的功率比较大，速度也比较快。由于切削刃上各点的运动情况不一定相同，所以在研究问题时，应选取切削刃上某一个合适的点作为研究对象，该点称为切削刃上选定点，如图1-1和1-2所示。

.主运动方向:切削刃上选定点相对工件的瞬时主运动方向;.切削速度v:切削刃上选定点相对工件的主运动的瞬时速度。上一页下一页返回第一节概述2.进给运动由机床或手动传给刀具或工件的运动，它配合主运动连续不断地切削工件，同时形成具有所需几何形状的已加工表面。进给运动可能是连续的(例如在车床上车削圆柱表面时，刀架带车刀的连续纵向运动)，也可能是间歇的(例如在牛头刨床上加工平面时，刨刀每往复一次，工作台带工件横向间歇移动一次)。进给运动可以是简单运动，也可以是复合运动。上述两个例子的进给运动都是简单运动。用成型铣刀铣削螺纹时，铣刀相对于工件的螺旋复合运动是进给运动，这时的主运动是铣刀的旋转，是一个简单运动，如图1-1和1-2所示。上一页下一页返回第一节概述.进给运动方向:切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给运动的方向;.进给速度v:切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。

3.合成切削运动由同时进行的主运动和进给运动合成的运动，如图1-1和1-2所示。

.合成切削运动方向:切削刃上选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向;·合成切削速度ve:切削刃上选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度;.合成切削速度角刀:主运动方向和合成切削运动方向之间的夹角。它在工作进给剖面Pfe内度量。上一页下一页返回第一节概述显然，在车削中，ve=vc/cosh。在大多数实际加工中刀值很小，所以可认为ve=vc

二、切削时的工件表面在切削过程中，工件上存在三个变化着的表面，如图1-3所示。

.待加工表面工件上多余金属即将被切除的表面，随着切削的进行，待加工表面逐渐减小，直至多余的金属被切完时消失;.已加工表面工件上多余金属被切除后形成的新表面;.过渡表面在工件上多余的金属被切除的过程中，待加工表面与已加工表面之间相连接的表面，或刀刃正在切削的表面。上一页下一页返回第一节概述三、切削用量在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其他加工要求来选定适宜的切削速度v、进给量f或进给速度vf值，还要选定适宜的背吃刀量a,值。切削速度、进给量和背吃刀量通常称为切削用量三要素。

(1)切削速度v它是刀刃上选定点相对于工件的主运动线速度。刀刃上各点的切削速度可能是不同的。当主运动是旋转运动时，切削速度由下式确定: (1-1)式中dw—工件最大直径(mm);nw—工件主运动的转速(r/min或s)。上一页下一页返回第一节概述(2)进给量f进给量f是工件或刀具的主运动每转一转或每一行程时，两者在进给运动方向上的相对位移量。如外圆车削时f的单位为mm/r;平面剑削时为mm/st。进给量分为每转进给量f(mm/r)、每行程进给量f(mm/st)和每齿进给量fz(mm/z)。进给速度:f是刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，单位为mm/s。

(1-2)上一页下一页返回第一节概述(3)背吃刀量av对车削和剑削而言，背吃刀量a,是工件上待加工表面和已加工表面间的垂直距离。外圆车削的背吃刀量为: (1-3)式中dw—工件待加工表面的直径(mm);dm—工件已加工表面的直径(mm)。上一页返回第二节刀具角度一、刀具切削部分结构以车削为例，刀具切削部分的结构要素如图1-4所示，定义如下:

1.前刀面Aγ

前刀面Aγ是切屑流过的表面。

2.后刀面Aα

后刀面Aα是与主切削刃毗邻，且与工件过渡表面相对的刀具表面。与副切削刃毗邻且与工件上已加工表面相对的刀面称为副后刀面A‘α。

3.切削刃前刀面与主后刀面的交线切削刃是前刀面上直接进行切削的边锋。有主切削刃S和副切削刃S‘之分，如图1-5所示。副切削刃S'，前刀面与副后刀面的交线。下一页返回第二节刀具角度

4.刀尖刀尖是指主副切削刃衔接处很短的一段切削刃，通常也称为过渡刃。常用刀尖有三种型式，即交点刀尖、圆弧刀尖和倒棱刀尖，如图1-6所示。

二、刀具角度的参考系

1.确定刀具切削角度的参考平面刀具要从工件上切除金属，必须具有一定的切削角度，这些角度确定了刀具的几何形状。为了确定和测量刀具角度，必须引入参考平面。

(1)基面Pr通过主切削刃上选定点，垂直于主运动速度方向的平面。上一页下一页返回第二节刀具角度(2)切削平面Pr通过主切削刃S上选定点与S相切，并垂直于基面Pr的平面。

(3)副切削平面P'S通过副切削刃S‘上选定点与S‘相切，并垂直于基面Pr的平面。

(4)正交平面Po通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面PS的平面。

(5)法平面Pn通过主切削刃S上选定点，垂直于S的平面。

(6)背平面PD通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和进给运动方向的平面。

(7)假定工作平面Pf通过主切削刃上选定点，同时垂直于Pr和PD的平面。上一页下一页返回第二节刀具角度2.刀具标注角度参考系

(1)如图1-7(a)所示,Pr-Ps-Po组成一个正交平面参考系。这是目前生产中最常用的刀具标注角度参考系。

(2)如图1-7(b)所示,Pr-Ps-PD组成一个法平面参考系。

(3)如图1-7(c)所示,Pr-PD-Pf组成一个背平面、假定工作平面参考系。

刀具标注角度的三个参考系的组成如表1-1所示。各国采用的刀具标注角度参考系不同，我国主要采用正交平面参考系兼用法平面参考系。上一页下一页返回第二节刀具角度三、刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面的方位角度，称为刀具的标注角度。刀具标注角度是刀具工作图上所标注的角度，也是制造、刃磨和检查刀具所需要的角度。由于标注刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度均指明是切削刃选定点的角度。

1.正交平面参考系内的标注角度(如图1-8所示)(1)在正交平面Po内的标注角度①前角γo在正交平面Po内度量的基面Pr与前刀面Aγ的夹角②后角αo在正交平面Po内度量的主后刀面Aα与切削平面Ps的夹角。上一页下一页返回第二节刀具角度

③楔角βo在正交平面内度量的主后刀面Aα与前刀面Aγ的夹角。楔角βo为派生角度，β=90o-(αo+γo)。

(2)在切削平面Ps内的标注角度刃倾角λs在切削平面Ps内度量的主切削刃S与基面Pr的夹角。

(3)在基面Pr内的标注角度①主偏角Kr在基面Pr内度量的切削平面Ps与进给方向之间的夹角。②副偏角K’rKI.在基面Pr内度量的副切削平面Ps’与进给运动反方向之间的夹角。上一页下一页返回第二节刀具角度③刀尖角εr在基面内度量的切削平面Ps和副切削平面P‘s之间的夹角。也可以定义为主切削刃S和副切削刃S‘在基面PI.上投影的夹角。刀尖角εr为派生角度，εr=180o-(kr+k‘r)。前角γo后角αo和刃倾角λs是有正负号的。其正负号的判定如图1-8所示。

当给定刃倾角λs和主偏角kr后，可确定主切削刃S在空间的方位。再进一步给定前角γo和后角αo后，可确定前刀面Aγ和主后刀面Aα对于单刃刀具，若给定这4个独立角度，就可确定它的切削部分的几何形状。对于同时具有主切削刃S和副切削刃S‘的刀具，还必须给出与副切削刃S'有关的2个独立角度:副偏角K'r和副后角α'o该刀具切削部分的几何形状才能确定。上一页下一页返回第二节刀具角度2.法平面参考系内的标注角度法平面参考系中在基面和切削平面内的标注角度与在正交平面参考系中相同，所以只需定义法平面Pn内的标注角度即可(如图1-9所示)。.法前角γn在法平面内度量的前刀面Aγ与基面Pr的夹角;.法后角αn在法平面内度量的切削平面Ps与主后刀面Aα的夹角;.法楔角βn在法平面内度量的前刀面Aγ与主后刀面Aα的夹角。法楔角βn为派生角度，βn=90o-γn-αn

。上一页返回第三节切削层参数与切削方式一、切削层参数在切削过程中，刀具或工件沿进给方向移动一个f或fZ时，刀具的切削刃从工件待加工表面切下的金属层称为切削层。切削层参数是指切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的负荷和切屑的尺寸大小。现以外圆车削为例来说明切削层参数。如图1-10所示，车削外圆时，工件每转一转，车刀沿工件轴线移动一个进给量f的距离，主切削刃及其对应的工件切削表面也连续由位置II移至I、I、II之间的一层金属被切下。这一切削层的参数，通常都在过刀刃选定点的基面内观察和度量。下一页返回第三节切削层参数与切削方式(1)切削厚度ac垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削厚度。外圆纵车λs=0o时有: ac=fsinkr由此可见，当f或kr增大时，则伙变厚。(2)切削宽度aw沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削宽度。刀具为直线刃时有: aw=aD/sinkr当刀刃为曲线刃时(如图1-11所示)，各点kr不相同，切削厚度不相同。(3)切削面积Ac即切削层在基面内的截面面积称为切削层面积。上一页下一页返回第三节切削层参数与切削方式二、切削方式

1.直角切削和斜角切削直角切削是指刀刃垂直于合成切削运动方向的切削方式，刀刃刃倾角λs=0(如图1-12(a)所示)。斜角切削时刀刃不垂直于合成切削运动方向，即λs≠0(如图1-12(b)所示)。直角切削方式，其切屑流出方向在刀刃法平面内;而斜角切削方式，切屑流出方向不在法平面内。上一页下一页返回第三节切削层参数与切削方式2.自由切削与非自由切削自由切削是指只有一条直线刀刃参与切削。其特点是刀刃上各点切屑流出方向一致，且金属变形在二维平面内。图1-12(a)既是直角切削方式，又是自由切削方式，故称为直角自由切削方式。曲线刀刃或两条以上刀刃参与切削的切削方式称为非自由切削方式。在实际生产中，切削多属于非自由切削方式。在研究金属变形时为了简化条件常采用直角自由切削方式。上一页返回第四节刀具材料一、刀具材料应具备的性能刀具在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动，因此刀具材料必须具备以下性能:1.高的硬度和耐磨性刀具应具备高的硬度和耐磨性。一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。刀具材料常温硬度一般要求大于60HRC。

2.足够的强度和韧性为承受切削负荷、振动和冲击，刀具材料必须具备足够的强度和韧性。下一页返回第四节刀具材料3.高的热稳定性刀具在高温下工作，要求刀具材料具备高的热稳定性，也称高的耐热性。即刀具材料在高温下硬度、耐磨性、强度和韧性变化很小，仍能保持正常切削。

4.良好的物理特性刀具材料应具备良好的导热性、大的热容量以及优良的热冲击性能。

5.良好的工艺性刀具材料应具备良好的锻造性、机械加工性和热处理性。

上一页下一页返回第四节刀具材料二、常用刀具材料常用刀具材料分为:工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)，硬质合金，超硬刀具材料(包括陶瓷，金刚石及立方氮化硼等)。

1.高速钢高速钢特别适用于制造结构复杂的成型刀具，孔加工刀具例如各类铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等;由于高速钢硬度、耐磨性、耐热性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。高速钢按其性能分成两大类:普通高速钢和高性能高速钢。上一页下一页返回第四节刀具材料2.硬质合金硬质合金大量应用在刚性好、刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。钨钻类硬质合金是由WC和Go烧结而成，代号为YG，一般适用于加工铸铁和有色金属等脆性材料。钨钦钻类硬质合金是以WC为基体，添加TiC，用Go作瓤结剂烧结而成，代号为YT,一般适用于高速加工钢料。添加担(妮)类硬质合金是在以上两种硬度合金中添加少量其他碳化物(如TaC或NbC)而派生出的一类硬质合金，代号为YW，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。常用牌号YW1、YW2。上一页下一页返回第四节刀具材料

3.涂层刀具材料硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。对刀具表面涂覆的方法有两种:.化学气相沉积法(CVD法)，适用于硬质合金刀具;·物理气相沉积法(PVD法)，适用于高速钢刀具。涂层材料可分为TiC涂层、TiN涂层、TiC与TiN涂层、Al2O3涂层等。上一页下一页返回第四节刀具材料4.其他刀具材料

(1)陶瓷刀具是以氧化铝(Al2O3)或以氮化硅(Si3N4)为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。一般适用于高速下精细加工硬材料。一些新型复合陶瓷刀也可用于半精加工或粗加工难加工的材料或间断切削。陶瓷材料被认为是提高生产率的最有希望的刀具材料之一。

(2)人造金刚石它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。上一页下一页返回第四节刀具材料它有极高的硬度和耐磨性，与金属摩擦系数很小，切削刃极锋利，能切下极薄切屑，有很好的导热性，较低的热膨胀系数，但它的耐热温度较低，在700℃~800℃时易脱碳，失去硬度，抗弯强度低，对振动敏感，与铁有很强的化学亲和力，不宜加工钢材，主要用于有色金属及非金属的精加工、超精加工以及作磨具、磨料用。

(3)立方氮化硼是由立方氮化硼(自石墨)在高温高压下转化而成的，其硬度仅次于金刚石，耐热温度可达1400oC，有很高的化学稳定性，较好的可磨性，抗弯强度与韧性略低于硬质合金。一般用于高硬度、难加工材料的半精加工和精加工。上一页返回第五节常用工程材料一、金属材料的主要力学性能机械工程材料包括金属材料、非金属材料和复合材料等。金属材料的力学性能是指金属材料抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。材料的力学性能是设计零件及选择材料的重要依据。常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度和冲击韧度等。

1.强度金属材料在外力作用下都会发生一定的变形，甚至引起破坏。金属材料抵抗永久变形和断裂破坏的能力称为强度，通常用单位面积所承受的载荷(应力)表示，符号为σ，单位为MPa。强度是零件设计时的主要依据和评定金属材料的重要指标。下一页返回第五节常用工程材料2.塑性塑性是指金属材料在静载荷的作用下产生塑性变形而不破坏的能力。工程中常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ。良好的塑性是材料进行成型加工的必要条件，也是保证零件工作安全、不发生突然脆断的必要条件。

3.硬度硬度是指材料表面抵抗更硬物体压入的能力，用来衡量材料的软硬程度。这里只介绍一种测试硬度的方法—洛氏硬度试验法。上一页下一页返回第五节常用工程材料洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120o的金刚石圆锥体(如图1-13所示)或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头，在规定载荷作用下压入被测试金属表面，压入深度为h,;再加上主载荷使压入深度为h2;经保持规定时间后，卸除主载荷、保留初载荷，由于材料弹性恢复，压入深度减少为h3，以△h=h3-h1作为洛氏硬度值的计算深度，并直接在硬度指示盘上读出硬度值。常用的洛氏硬度指标有HRA,HRB,HRC三种。洛氏硬度试验法在专用的洛氏硬度试验机(如图1-14所示)上进行，试验的操作步骤如下:根据材料的硬度选择合适的载荷和压头;将待侧试样表面的氧化皮去除、磨平，放在平台上;上一页下一页返回第五节常用工程材料顺时针方向慢慢转动手轮使平台升起，试样与压头接触后，继续转动手轮使刻度盘上的小指针指示3(代表3圈)，大指针垂直上指标记为B与C处或在B-C线附近，但其偏移不得超过士5分度格，否则应另选一点(此时已预加载荷98N);.转动指示器的调整盘，使标记B-C线正好对准大指针;.拉动加载手柄施加主载荷;.待却载手柄停止运动后将却载手柄推回到自锁位置，却除主载荷;.读出硬度值。侧HRB读红字，侧HRA或HRC读黑字;.逆时针方向转动手轮使平台下降，取下试样，侧试完毕。洛氏硬度符号前的数值为硬度值，也允许有一定的波动范围，如“HRC40~45”。上一页下一页返回第五节常用工程材料

4.冲击韧度许多零件和工具在工作过程中，常常受到冲击载荷的作用，如锻锤的锻杆、锻模、内燃机的连杆、火车挂钩等。冲击韧度指金属材料在冲击载荷的作用下抵抗断裂破坏的能力，用αx表示。二、常用机械工程材料1.钢工业上根据钢成分的不同分为碳素钢和合金钢两大类。

(1)碳素钢指化学成分中以含铁和碳为主，含碳量小于2.11%的铁碳合金。碳素钢主要用来制造各种零件和工具。如铆钉、螺栓、齿轮、小轴、小锤子等。上一页下一页返回第五节常用工程材料(2)合金钢在冶炼碳素钢时有目的地加入一些合金元素，这种合金化的钢称为合金钢。合金钢在制造力学性能要求高、形状复杂的大截面机器零件、工具、模具及特殊性能工件方面，得到了广泛的应用。常用钢材的名称、牌号、用途如表1-2所示。2.铸铁铸铁是含碳量大于2.11%，主要组成元素为铁、碳的铁碳合金。

铸铁中最常用的是断面颜色为暗灰色的灰铸铁。灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性较低，但抗压强度、硬度、耐磨性较好，并具有铸铁的其他优良哇能，因此，广泛用于机床床身、手轮、箱体、底座等。上一页下一页返回第五节常用工程材料3.有色金属

(1)铝合金铝和铝合金由于其质量轻、比强度(强度/密度)高、导电导热性好等特点，在航空、航天、电力及日常用品中得到了广泛应用。

(2)铜合金铜合金中以黄铜和青铜应用最为广泛。黄铜具有良好的耐蚀性及加工工艺性，常用于制造弹壳、热交换器、船用螺旋桨等。青铜可用于制造弹簧、钟表零件、波纹管、轴承、轴套等。上一页下一页返回第五节常用工程材料4.硬质合金与高温合金

(1)硬质合金硬质合金是由难熔金属的碳化物，如WC,TiC,TaC,NbC等，以钻或镍等做瓤结剂，用粉末冶金的方