金属切削与机床第1章金属切削的基本概念.ppt

第1章金属切削的基本概念,1.1切削运动与切削用量1.2刀具切削部分的几何角度1.3切削层参数、金属切除率及切削方式,1.1切削运动与切削用量,1.1.1切削运动,1．主运动主运动是切下金属所必需的最主要运动。其特点是在几种切削运动中切削速度最高，消耗功率最大。如车削时工件的旋转运动，刨削时工件或刀具的往复移动，铣削时铣刀的旋转运动等都是主运动。在金属切削中必须有且只能有一个主运动。,图1-1切削运动,2．进给运动进给运动是使新的金属不断投入切削的运动。进给运动可以是连续的，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动；也可以是步进的，如刨削时工件或刀具的横向移动等。在金属切削中可以有一个或几个进给运动，也可以没有进给运动。,3．合成切削运动由主运动和进给运动合成的运动，称为合成切削运动。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为该点的合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度，如图1－1所示。,1.1.2加工表面切削加工时在工件上会形成依次变化的三个表面，如图1-2所示。1待加工表面工件上即将被切除的表面。2已加工表面工件上切削后所形成的表面。3过渡表面工件上由切削刃正在形成的表面。‘,图1-2工件上的加工表面,1.1.3切削用量切削用量是指切削速度、进给量、背吃刀量的总称，或称切削用量三要素。切削用量是调整刀具与工件间相对运动速度和相对位置所需的工艺参数。图1-3为切削用量示意图。,图1-3切削用量,1．切削速度vc切削速度是指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，即主运动的线速度，单位为m/s。车削时计算公式如下,（1-1）,式中vc切削速度m/s；dw工件待加工表面直径（mm）；n工件转速（r/s）。计算时应以最大的切削速度为准。如车削时应以待加工表面直径计算，因该直径上速度最高，刀具磨损最快。,2．进给量f进给量是指刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表示，单位为mm/r或mm/行程。进给速度vf是指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度。,vffn,（1-2）,式中vf进给速度（mm/s）；n主轴转速（r/s）；f进给量（mm/r）。,3．背吃刀量ap背吃刀量一般是指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。如纵向车外圆时，其背吃刀量可按下式计算,式中dw工件待加工表面直径（mm）；dm工件已加工表面直径（mm）。,（1－3）,,1.2刀具切削部分的几何角度,金属切削刀具的种类虽然很多，但其切削部分的几何形状与参数却有着共性的部分。不论刀具构造如何复杂，其切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。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，如图1-4所示。现代刀具引入“不重磨”概念后，刀具切削部分的统一性获得了新的发展，许多结构迥异的切削刀具，其切削部分不过是一个或几个“不重磨式刀片”，如图1-5所示。在确立刀具一般性的基本定义时，通常以普通外圆车刀为基础进行讨论和研究。,图1-4各种刀具切削部分的形状,图1-5不重磨刀具的切削部分,1.2.1刀具切削部分的组成车刀由切削部分和刀杆组成，如图1-6所示。刀杆是刀具的夹持部位；切削部分主要完成对金属的切削。切削部分的主要组成如下1前刀面Aγ刀具上切屑流出的表面。2主后刀面Aα与工件上过渡表面相对的刀面。3副后刀面A′α与工件上已加工表面相对的刀面。4主切削刃S前刀面与主后刀面汇交的边锋。5副切削刃S′前刀面与副后刀面汇交的边锋。6刀尖主切削刃和副切削刃的汇交处。,图1-6外圆车刀的组成,1.2.2刀具静止角度1．刀具静止角度参考系在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系，由此定义的角度称为刀具标注角度。为方便讨论，在建立静止参考系时不考虑进给运动的大小，同时也假定车刀的安装基准面垂直于主运动方向。,1）正交平面参考系（Pr－Ps－Po）正交平面参考系由基面Pr、切削平面Ps和正交平面Po组成，如图1-7a所示。1基面Pr通过切削刃上选定点，垂直于主运动方向的平面。2切削平面Ps通过切削刃上选定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面。3正交平面Po通过切削刃上选定点，垂直于主切削刃在基面上投影的平面。,2）法平面参考系（Pr－Ps-Pn）法平面参考系由基面Pr、切削平面Ps和法平面Pn组成，如图1-7a所示。法平面Pn通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。,3）假定工作平面、背平面参考系（Pr-Pf-Pp）假定工作平面、背平面参考系由基面Pr、假定工作平面Pf、背平面Pp组成，如图1-7b所示。1假定工作平面Pf通过切削刃上选定点，平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面。2背平面Pp通过切削刃上选定点，垂直于假定工作平面和基面的平面。,图1-7刀具静止角度参考系a正交平面、法平面参考系；b假定工作平面、背平面参考系,2．刀具静止角度的标注刀具静止角度标注的基本方法为“一刃四角法”，即每一条切削刃及其刀面，只需四个基本角度，就能唯一地确定其空间位置。一把刀具可能有多条切削刃，应首先找出主切削刃，对主切削刃标注四个角度，然后再分析其它切削刃。1）正交平面参考系的角度标注图1-8为外圆车刀在正交平面参考系中角度的标注。,图1-8正交平面参考系及角度标注a）正交平面参考系;b）正交平面参考系的角度标注,根据切削平面定义知，主切削刃在切削平面内，其位置分别由主偏角和刃倾角确定。（1）主偏角κr在基面内度量的切削平面Ps与假定工作平面Pf之间的夹角。（2）刃倾角λs在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。当刀尖相对车刀底平面在主切削刃上为最高点时，刃倾角λs为正值；为最低点时，刃倾角λs为负值；当主切削刃在基面内时，刃倾角λs为零，如图1－9b所示。主切削刃位置确定之后，形成主切削刃前、后刀面的位置，可在正交平面内确定。其对应的角度为前角γo和后角αo。,（3）前角γo在正交平面内度量的前刀面Aγ与基面Pr之间的夹角。在正交平面内，前刀面在基面之下时前角为正，在基面之上时前角为负，与基面重合时前角为零，如图1-9a所示。（4）后角αo在正交平面内度量的后刀面Aα与切削平面Ps之间的夹角。后角也有正负之分，但在实际切削中一般后角只有正值。综上所述，对于一条切削刃应标注的四个角度应为主偏角κr、刃倾角λs、前角γo和后角αo。,图1-9刀具角度正负的规定a）前、后角;b）刃倾角,（5）副偏角κr′在副切削刃上选定点的基面Pr′内度量的副切削平面与假定工作平面之间的夹角。（6）副后角αo′在副切削刃上选定点的正交平面内度量的副后刀面与副切削平面之间的夹角。在图1-8中还标出了两个派生角度楔角βo和刀尖角εr。这两个角度在刀具工作图中不必标出，可以用下式计算,2）法平面参考系的角度标注在法平面参考系中，刀具几何角度的标注仍遵循“一刃四角法”的原则。它与正交平面不同的只是采用了法平面来反映刀具的前、后角。在法平面内度量的前角称为法前角γn，后角称为法后角αn。而主偏角κr和刃倾角λs仍分别在基面和切削平面内标注。副切削刃的标注仍如前所述。图1-10为外圆车刀在法平面参考系中的角度标注。,图1-10法平面参考系及角度标注a）法平面参考系;b）法平面参考系的角度标注,3）假定工作平面、背平面参考系的角度标注假定工作平面、背平面参考系与正交平面参考系的不同也只是采用不同的刃剖面反映刀具的前、后角。在假定工作平面内标注的前、后角称为侧前角γf、侧后角αf；在背平面内标注的前、后角称为背前角γp、背后角αp。而主偏角κr和刃倾角λs仍分别在基面和切削平面内标注。图1-11为车刀在假定工作平面、背平面参考系中的角度标注。,图1-11假定工作平面、背平面参考系的角度标注a）假定工作平面、背平面参考系;b）假定工作平面、背平面参考系的角度标注,4）刀具静止参考系间几何角度的换算在制造和刃磨刀具时，常需要对不同参考系内的角度进行换算。各参考系中角度的换算，其实是不同刃剖面内前、后角的换算。（1）正交平面参考系和法平面参考系间角度的换算。正交平面参考系能较好地反映刀具的切削性能，是使用较多的一种参考系。但法平面参考系又能较好地反映螺旋切削刃、大刃倾角刀具的切削性能，因此有时需在两种参考系之间进行角度的换算。,图1-12为正交平面参考系与法平面参考系中γo与γn间的几何关系。图中刃倾角为正值，经推导其计算公式如下,tanγntanγocosλs,1-6,式中γn法前角；γo主前角；λs刃倾角。当λs0时，正交平面与法平面重合，γoγn；当λs≠0时，γo＞γn。将式（1-6）中的γo、γn换成αn、αo的余角函数，即得法后角αn和后角αo的换算关系,cotαncotαocosλs,1-7,图1-12正交平面参考系与法平面参考系的角度换算a立体图；b投影图,（2）正交平面参考系与假定工作平面、背平面参考系间角度的换算。在刃磨刀具或加工刀槽的调整计算时，常需要知道Po、Pf和Pp之间刀具角度的关系。图1-13为正交平面、假定工作平面、背平面之间刀具角度的换算关系，经推导其换算公式如下,tanγftanγosinκr-tanλscosκr1-8tanγptanγocosκrtanλssinκr,1-9,式中γf侧前角；γp背前角。,将侧前角γf和背前角γp换成侧后角αf和背后角αp的余角函数，得αf、αp的换算公式,cotαfcotαosinκr-tanλscosκr1-10cotαpcotαocosκrtanλssinκr,1-11,式中αf侧后角；αp背后角。,图1-13正交平面参考系与假定工作平面、背平面参考系的角度换算,5）副前角γo′和副刃倾角λs′的计算用“一刃四角法”原理标注刀具几何角度时，当副切削刃与主切削刃在同一前刀面上时，副前角和副刃倾角为派生角度，可以通过计算得到，一般不在刀具图中标出，其计算公式如下,1-12,1-13,式中λs′副刃倾角；γo′副前角；κr′副偏角。,1.2.3刀具工作角度1．刀具工作角度参考系刀具工作角度参考系的坐标平面应根据合成切削速度方向来确定，其坐标平面和几何角度的符号应加注下标“e”。刀具工作角度参考系各坐标平面的符号及定义见表1－1。,表1-1刀具工作角度参考系坐标平面的定义（通过切削刃选定点）,2．刀具的工作角度1）进给量对工作角度的影响图1-14所示为横向进给时刀具工作角度的变化情况。,图1-14横向进给时刀具的工作角度,设切断刀主偏角κr90，前角γo＞0，后角αo＞0，左、右副偏角相等（κrL′κrR′），左、右副后角相等αoL＝αoR，刃倾角λs0，安装时刀刃与工件中心等高。当不考虑进给运动时，刀具主切削刃上选定点相对于工件运动轨迹为一圆周，主运动方向为过该点的圆周切线方向。此时，基面Pr过选定点垂直于vc方向且平行于刀具底面；切削平面Ps过选定点切于圆周与vc重合；γf、αf为刀具的静止前、后角。,当考虑横向进给运动后，主切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，如图1-14所示。其合成运动方向ve是过该点阿基米德螺旋线的切线方向。此时，工作基面Pre过选定点垂直于ve方向，工作切削平面Pse过选定点切于阿基米德螺旋线与ve重合。于是，Pre和Pse相对Pr和Ps转动一个μf角，结果使工作前角γfe增加，工作后角αfe减小。其计算公式如下,2）刀具安装高低对工作角度的影响如图1-15为切断刀安装高低对刀具工作角度的影响。图a是刀尖与工件中心等高安装，此时基面与车刀底面平行，切削平面与车刀底面垂直，刀具静止角度与工作角度相等；图b是刀尖安装高于工件中心，则工作基面Pre和工作切削平面Pse与静止参考系中的基面Pr和切削平面Ps发生倾斜，使工作前角γfe增大，工作后角αfe减小；图c是刀尖安装低于工件中心，则工作前角γfe减小，工作后角αfe增大。工作角度与静止角度换算关系如下,γfeγfθf,1-17,1-18,图1-15刀杆安装高低对刀具,由图1-14可知,1-19,式中h刀尖高于或低于工件中心线的灵敏值（mm）；dw工件待加工表面直径（mm）。,3）刀杆轴线偏装后对刀具工作角度的影响如图1-16所示，刀杆轴线与进给方向不垂直，工作主偏角κre和工作副偏角κre′将发生变化,式中,G为假定工作平面Pf与工作平面Pfe间的夹角。在生产实际中，根据工作需要在安装时可以调整主偏角和副偏角的大小。,图1-16刀杆轴线不垂直进给方向的工作角度a车外圆；b车锥体,,1.3切削层参数、金属切除率及切削方式,1.3.1切削层参数切削层是指刀具切削刃沿进给运动方向移动一个进给量所切除的金属层。切削层参数是切削层公称横截面积、切削层公称宽度、切削层公称厚度等的总称。为简化计算，切削层参数规定在刀具基面（尺寸平面）内度量。图1-17是切削层在尺寸平面上的视图。,图1-17切削层尺寸平面视图,1.切削层横截面积AD切削层横截面积指在给定瞬间，切削层在基面内的实际横截平面，如图1-17中的ABCE所包围的面积。2．切削层公称宽度bD切削层公称宽度指在给定瞬间，作用于主切削刃截形上两个极限点间的距离。它反映了主切削刃参加切削的长度，如图1-17所示。,3．切削层公称厚度hD切削层公称厚度指在同一给定瞬间，切削层横截面积与其切削层公称宽度之比，即,图1-18为切削层参数，设图中刀具λs0、γo0，则,通过对上述公式的分析可知，切削层公称厚度与切削层公称宽度随主偏角的变化而变化。当κr90时，hDhDmaxf，bDbDminap，切削层公称横截面积只由进给量f和背吃刀量ap决定，不受主偏角变化的影响。但切削层横截面形状与主偏角、刀尖圆弧半径大小有关。如图1-18所示，两块面积相等的切削层横截面，由于刀尖圆弧半径和主偏角不同，引起公称切削厚度和公称切削宽度有较大变化，从而对切削过程产生影响。,图1-18切削层参数,1.3.2金属切除率单位时间切下的金属体积，称为金属切除率，用Zw表示。它是衡量切削效率高低的一个指标。Zw可用下式计算,ZwADvcfapvc,1-22,如Zw的单位为mm3/s,而vc的单位为m/s，则,Zw1000fapvc,1-23,1.3.3切削方式1．自由切削和非自由切削刀具在切削过程中，如果只有一条切削刃参加切削，这种切削称为自由切削。其主要特征是刀刃上各点切屑流出方向大致相同，被切金属的变形基本发生在二维平面内，如图1－19所示。一般情况下，自由切削时主切削刃长度大于工件被切削层的宽度，没有其它切削刃参加切削，且切屑流出的方向基本上沿着切削刃的法向。,图1-19自由切削a车端面；b铣平面,2．直角切削和斜角切削直角切削是指刀具主切削刃的刃倾角λs0时的切削。由于主切削刃与切削速度方向成直角，故又称为正交切削。图1-20a为直角切削简图，属于自由切削状态下的直角切削，其切屑流出方向沿切削刃的法向。斜角切削是指刀具主切削刃刃倾角λs≠0的切削。图1-20b为斜角切削简图，切屑流出方向与直角切削不同，偏离切削刃法向流出。由于多数刀具的刃倾角不为零，故实际切削加工中多数属于斜角切削方式。,图1-20直角切削与斜角切削a直角切削；b斜角切削,,