绪论及第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,张银霞,金属切削原理,Metal Cutting Theory,机械制造业的技术变迁,用以装配成机器的各种金属零件，可以通过多种加工方法取得，主要有塑性加工、热压成型加工、机械加工、高能加工、电及化学加工等方法。,其中机械加工应用最为广泛，机械制造中工作母机,8090%,为金属切削机床，机加工总量中切削加工占,3040%,。,绪论,一、,金属切削加工的特点及地位,绪论,金属切削加工是指用切削刀具从工件上切除多余的金属，从而获得在形状、尺寸精度及表面质量等方面都合乎预定要求的加工。,video,金属切削过程,.mpg,1,、切削加工的分类,a),机械加工（机工）,利用机械力对各种工件进行加工。,方法：车削、钻削、镗削、铣削、刨削、拉削、磨削、光整加工等。,b),钳工加工（钳工）,在钳台上以手工工具为主对工件进行加工的各种加工方法。方法：划线、锯削、锉削、刮削、研磨等。,其中切削加工和磨削加工应用最为广泛。,金属切削加工在整个国民经济中占有十分重要的地位。,2.,金属切削加工的特点,a),切削加工的精度和表面粗糙度范围广泛。,b),切削加工零件的材料、形状、尺寸和重量范围较大。,c),切削加工的生产率较高。,d),切削加工存在切削力，刀具和工件均需具有一定刚度和强度，且刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度,.,e),缺点：切除大量切屑，造成了材料的浪费。,一、,金属切削加工的特点及地位,公元前,2000,多年 青铜器时代,春秋中晚期,考工记,金工知识 铁器,唐代 原始的车床,1668,畜力铣磨机 脚踏刃磨机,1915,第一台国产车床,1947,放电加工,二、,金属切削加工的的发展,直径,2,丈（,6.7,米），,加工天文仪器上,的铜环,或磨石,1860,年以后，车、铣、刨、磨以及齿轮和螺纹加工的机床相继出现,刀具材料相继出现了碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、单晶金刚石刀具、各种涂层硬质合金刀具及陶瓷刀具和各种新型磨料（如立方氮化硼）。,二、,金属切削加工的的发展,随着科学技术和现代工业日新月异的飞速发展，切削加工也正朝着高精度、高效率、自动化、柔性化和智能化方向发展，体现在以下三方面：,a),加工设备朝着数控技术、精密和超精密、高速和超高速方向发展。,b),刀具材料朝超硬材料方向发展。,c),生产规模由小批量和单品种大批量向多品种变批量的方向发展。生产方式由手工操作、机械化、单机自动化、刚性流水线自动化向柔性自动化和智能自动化方向发展。,二、,金属切削加工的的发展,1.,金属切削原理课程的性质,金属切削原理是研究金属切削加工的一门技术科学。是,一门,专业基础课，,是机械加工专业人员的一门必修课,.,为机械制造专业的后续课程如金属切削刀具、金属切削机床、机械制造工艺学和其它专业选修课等以及专业课课程设计、毕业设计提供必要的基础知识。,三、,本课程的性质和任务,刀具切削部分几何参数；,刀具材料的性能选用；,切削过程现象与变化规律；,被切削材料的加工性；,提高加工表面质量与经济效益的方法；,钻削、铣削、磨削过程特点等。,2.,金属切削原理课程的内容,3.,金属切削原理课程的任务,基本任务,:,研究金属切削过程的基本规律，研究新型刀具材料的切削性能，研究如何提高切削效率，保证加工零件的表面质量。,主要内容,:,刀具角度和角度换算，金属切削的基本规律，应用部分，磨削等。,主要目标,:,通,过对金属切削过程一般现象的认识，掌握其内在的基本规律，能按具体条件合理地选择刀具材料、切削部分几何参数和切削用量，计算切削力和功率，了解金属切削实验的基本方法。并能用所学,金属切削的科学理论,知识对生产中的一些问题进行分析、解释和解决。,第一章 基本定义,一、切削运动,切削加工必备三个条件：,刀具与工件之间要有相对运动,刀具具有适当的几何参数，即切削角度,刀具材料具有一定的切削性能,切削运动,是切削加工中，工件与刀具之间必须完成一定的相对运动，一般是,主运动,和,进给运动,的合成。,1.1,切削运动和切削用量,1,、主运动 ：,使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动是切下金属所必须的基本运动。,特点,:,运动速度最高，消耗功率最大。一般只有一个。如车削中工件的旋转或铣削中刀具的旋转等。,2,、进给运动：,在切削运动中不断把切削层投入，使切削工作得以继续下去的运动。,特点：,运动速度低，消耗功率小。可以是一个，也可以是多个。可以是连续运动，也可以是间歇运动。,可以是工件完成的，也可以是刀具完成的。,3.,主运动和进给运动的合成,主运动和进给运动同时进行，如车削时刀具上切削刃某一点相对于工件的合成运动称合成切削运动，可用合成速度向量,v,e,表示。它等于主运动速,度,v,c,与进给速度,v,f,的向量和， 即,v,e,=,v,c,+,v,f,沿切削刃各点的合成速度向量并不相等。,二、加工中的工件表面,(1),待加工表面：,即将被切去金属层的表面。 ,(2),加工,(,过渡）表面：,切削刃正在切削的表面。 ,(3),已加工表面：,切削后形成的新表面,车,削,.,swf,图,1-2(a),、,图,2-2(b),和图,2-2,(c),所示， 分别表示了刨削、 钻削、铣削时的切削运动。,图,(a),、,(b),和,(c),分别为 刨、 钻、 铣削时的切削运动,三、切削用量,1.,切削速度,v,c,（,m/s,）,切削加工时，切削刃上选定点相对于工件主运动的速度。,旋转运动：,（,m/s,）,往复直线运动：,（,m/s,）,2.,进给量,f,（,mm,）,刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量称为进给量。进给量是进给运动的单位量。可用刀具每转或每行程的位移量来表述。,(mm/r),进给速度,v,f,切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的进给运动的速度，（,mm/s,）,3.,背吃刀量,ap,背吃刀量是垂直于进给运动方向测量的切削层横截面尺寸， 车外圆时：,式中,:,d,w,待加工表面直径,(mm),；,d,m,已加工表面直径,(mm),d,m,d,w,f,n,1,2,f,a,p,Kr,刀具种类繁多，形状复杂，但却有共同特征，都具有楔形的切削部分。,车刀是最简单的刀具，其它刀具则可认为是车刀的演变和组合。,刀具切削部分的组成,车刀：刀杆和刀头两部分,1.2,刀具的几何参数,一、刀具切削部分,的表面与刀刃,车刀的切削部分：,前刀面,A,切屑沿其流出的刀面,主后刀面,A,与工件加工面相对的刀面,副后刀面,A ,与工件已加工面相对的刀面,主刀刃,前刀面与主后刀面的交线，它完成主要切削工作,副刀刃,前刀面与副后刀面的交线，它配合主刀刃最终形成已加工表面,刀尖（过渡刃）,主刀刃与副刀刃的交点,夹持部分（刀体）,切削部分（刀头）,前刀面,主后刀面,副后刀面,主刀刃,副刀刃,刀尖,刀尖形式,a),实际交点,b),曲线刃,c),直线刃,各种复杂刀具或多齿刀具，拿出其中一个刀齿，其几何形状都相当于一把车刀的刀头,以普通外圆车刀为代表来确定切削部分的基本定义，也必然适用于其他刀具,二、确定刀具切削角度的参考平面、参考系,为了确定刀具切削部分的几何形状，可用一定的几何角度表示,参考平面：,基面和切削平面,测量平面：,正交平面、法平面、背平面和假定工作平面,参考系：,定义刀具几何角度的参照平面系，以确定刀面和刀刃的空间位置，有正交平面参考系、法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系,为便于刀具设计者在设计刀具时的标注，一般先合理地规定一些条件。在车削时，这些条件是：,(1),装刀时，刀尖恰在工件的中心线上。 ,(2),刀杆中心线垂直于工件轴线。 ,(3),没有进给运动。 ,(4),工件已加工表面的形状是圆柱表面。,d,w,d,m,n,f,1,、基面,Pr,过主切削刃选定点,，与该点切削速度方向相垂直的平面。,video,车刀基面,.,avi,2,、切削平面,Ps,过,主,切削刃选定点，与该点过渡表面相切，并垂直于基面的平面。,video,切削平面,Ps.avi,3,、正交平面（主剖面）,Po,过,主,切削刃选定点，并同时垂直与基面和切削平面的平面,video,正交平面,Po .,avi,切削平面,正交平面,横车的基面、 切削平面和主面,4,、,法平面,Pn,通过主切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。,video,法平面,Pn.avi,5,、背平面,Pp,通过主切削刃上选定点平行于刀杆轴线并垂直于基面的平面，它与进给方向是垂直的，,video,背平面,pp.avi,6,、,假定工作平面,Pf,通过主切削刃上选定点，同时垂直于刀杆轴线及基面的平面，它与进给方向平行。,video,假定工作平面,Pf.avi,正交平面参考系,（,Pr,、,Ps,、,Po,）,法平面参考系,（,Pr,、,Ps,、,Pn,）,背平面和假定工作平面参考系（,Pr,、,Pp,、,Pf ),1,、前角（,0,）,前刀面和基面之间的夹角。有正负之分，小于,90,度为正，大于,90,度为负。,在主剖面,P,o,内度量,2,、后角（,0,）,主后刀面和切削平面之间的夹角。在正交平面内度量。,d,w,d,m,n,f,切削平面,正交平面,0,0,kr,Kr,三、刀具的标注角度,刀具切削部分几何形状所必须的参数，是刀具图上必须标注的，是制造、刃磨必须控制的参数。,正交平面参考系,（,Pr,、,Ps,、,Po,）,3,、主偏角（,k,r,）,在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。它总为正值。,4,、副偏角（,k,r,）,在基面上，主切削刃的投影与进给方向的夹角。它总为正值。,5,、刃倾角,s,：,主切削刃与基面之间的夹角。在切削平面,s,内,根据,ISO,规定，当刀尖是主切削刃上最低点时，,s,为负值,(,如图,(b),所示,),；当刀尖是主切削刃上最高点时，,s,为正值,(,如图,(c),所示,),。,6,、副前角,o,：,在副切削刃的主剖面中前刀面与基面之间的夹角。在副切削刃主剖面,Po,（垂直于副切削刃在基面上的投影）内当,o,、,s,、,r,、,r,为已定值，,o,即被惟一确定。 ,7,、副后角,o,：,副后刀面与切削平面之间的夹角。, ,此外， 根据分析刀具的需要，还需给定几个派生角度， 其名称和定义如下：,8,、楔角,o,：,前刀面与后刀面之间的夹角。当,o,、,o,已知，,o,可按下式求得,9,、刀尖角,r,：,在基面,Pr,内，主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。,r,=180,-(,r,+,r,),车刀的标注角度,前面介绍的是在规定条件下刀具的切削角度，在实际切削中，随着切削条件的改变，刀具的实际切削角度值将不同于标注角度值。 ,1,、进给运动对刀具工作角度的影响,横向进给：,如切断刀，工作时切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋面，引起了实际切削时前、后角数值的改变。,四、刀具的工作角度,值随切削刃趋近工件中心而增大。进一步靠近中心，,值急剧增大， 实际工作后角变为负值。切断工件时，往往切至直径为,1mm,时工件就被挤断，就是这个道理。,切断刀的工作角度,纵向进给,车右（左）螺纹时的车刀左（右）侧刀刃，,应适当增大刃磨后角（前角）,2,刀具安装位置对工作角度的影响,刀尖不过中心线,刀尖通过工件中心线时，所得的前、后角为,o,、,o,；,当刀尖不在工件中心线时，由于基面、切削平面已变动为,P,re,、,P,se,，,此时的实际工作前、后角将改变为,oe,、,oe,。,刀杆中心线不垂直于进给方向,如图所示，当中心线、轴线互不垂直时，将引起主偏角,r,、,副偏角,r,数值的改变。,的正、负由刀杆偏斜方向确定，右偏为正，左偏为负。,一、正交平面与法平面之间角度的换算,有些切削刀具，往往需要知道或标注法剖面的角度。 ,法剖面,P,n,：,通过切削刃某选定点，垂直于主切削刃或其切线的平面。 ,法剖面上的前角,n,与主剖面上的前角,o,的关系可用解析法求得,tan,n,=tan,o,cos,s,1.3,刀具标注角度的换算,cot,n,=cot,o,cos,s,二、任意剖面与正交平面内前、后角的关系,任意剖面是指通过车刀主切削刃上任意一点,O,所作的垂直于基面的剖面,Pi,。,Pi,与切削平面,Ps,的夹角为,有,三、背平面与假定工作平面内的角度,假定工作平面,f,：,通过切削刃某选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面的平面。,(,进给剖面） ,背平面,Pp,：,通过切削刃某选定点，同时垂直于进给运动方向和基面的平面。（切深剖面） ,假定工作平面,和,背平面,为互相垂直的平面。在背平面中可得切深前角,p,、,切深后角,p,；,在,假定工作平面,中可得进给前角,f,、,进给后角,f,。,tan,p,=tan,o,cos,r,+tan,s,sin,r,tan,f,=,tan,o,sin,r,-tan,s,cos,r,cot,p,=cot,o,cos,r,+tan,s,sin,r, ,cot,f,=cot,o,sin,r,-tan,s,cos,r,四、最大前角、最小后角的确定,刀具前角过大，会削弱切削刃和刀头的强度，降低散热能力。后角过小，则后面与过渡表面间的磨擦加剧。因此，在刀具设计时要算出刀具的最大前角和最小后角及其在切削刃上相应点的位置。最大前角 与最小后角 所在剖面与切削平面的夹角分别为 和,切削层：,在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属。,切削层参数：,切削层的截面尺寸。,它,直,接决定了切削刃切削部分所承受的负荷大小及切下切屑的形状的,尺寸。,1,、切削厚度,a,c,：,即切削层厚度，也就是相邻两个加工表面之间在基面上测量的垂直距离，垂直于过渡表面度量。,2,、切削宽度,a,w,：,即切削层宽度，它是沿加工表面在基面上测量的切削层尺寸，沿过渡表面度量。,3,、切削面积,A,c,：,即切削层在基面内的面积。,1.4,切削层参数与切削方式,一、切削层参数,切削层要素,当,s,=0,时，,a,c,、,a,w,与,f,、,a,p,的关系为,可见，,f,、,a,p,一定时，,r,增大，,a,c,增大，,a,w,减小,对于曲线的切削刃， 切削层各点的切削厚度是互不相等的（上图）。,不同,r,时,a,c,、,a,w,的变化,4,、 残留面积及其高度,按式,计算的切削面积,A,c,是近似的，称名义切削面积。 由于切削运动和刀具几何形状的关系,(,如图,2-18,所示,),，使加工后仍有一部分金属未被切除，而残留在已加工表面上，构成已加工表面的横向不平度,(,粗糙度,),，即,所谓残留面积。,当刀尖圆弧半径,r,=0,时，残留面积高,R,max,为,当刀尖圆弧半径,r,0,时，残留面积高,R,max,为,减小,f,、,Kr,和,Kr,，增大刀尖圆弧半径,r,，,R,max,会减小，表面粗糙度降低,残留面积及其高度,(a),r,=0;,(b),r,0,1,、自由切削和非自由切削,自由切削,是指只有一个直线切削刃参加切削。 包括直角自由切削和斜角自由切削。,特点：,切削变形简单，切削刃上各点切屑流出的方向大致相同。如宽刃刨削,非自由切削,是指切削刃为曲线形，或主切削刃和副切削刃同时参加切削。,特点：,刃口上各点切屑流动方向不一致， 互相干涉， 切屑变形比较复杂。 如车外圆、车螺纹,二、切削方式,s,0,的切削称直角切削或正交切削。 这时主切削刃与切削速度方向相垂直,(,如下图,(a),所示,),； ,s0,的切削称斜角切削。这时主切削刃与切削速度方向不垂直,(,如,下图,(b),所示,),。 主切削刃上的切削流偏离其法向。,2,、直角切削与斜角切削,1,、切削运动、主运动、进给运动的概念，切削用量三要素；,2,、车刀切削部分的几何形状（,1,尖、,2,刃、,3,面、,4,角），了解定义有清晰的空间概念，能标注各个平面的角度；,3,、前角、后角在不同平面内的标注与换算；,4,、标注角度与工作角度的区别；,5,、切削层参数与,f,、,a,p,及,k,r,之间的关系；,6,、直角切削和斜角切削及自由切削和非自由切削的概念。,本章小结,课堂作业,1.,车外圆时工件加工前直径为,62mm,，加工后直径为,56mm,，工件转速为,4r/s,，刀具每秒钟沿工件轴向移动,2mm,，工件加工长度为,110mm,，切入长度为,3mm,。,求,v,、,f,、,a,p,和切削工时,t,。,2,、,分析麻花钻在钻床上钻孔时的主运动、进给运动、工件上的加工表面，切削厚度、切削宽度及其与进给量、背吃刀量的关系。,适当补充视图，标出图中（,a,）,45,弯头车刀车端面及（,b,）内圆镗刀车内孔时零件的待加工表面、已加工表面，刀的主切削刃、副切削刃、切削平面、基面、正交平面及几何角度,o,、,o,、,r,、,r,，切削用量,f,、,a,p,及切削层参数,a,c,、,a,w,。,课外作业,