第二章 机械加工及设备的基础知识

第二章 机械加工及设备的基础知识第一节 金属切削基本知识一、切削运动与切削用量 （一）切削运动要使刀具从工件毛坯上切除多余的金属，使其成为具有一定形状和尺寸的零件，刀具和工件之间必须具有一定的相对运动，这种相对运动称为切削运动。

切削运动根据其功用不同，可分为主运动和进给运动。

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。

1．主运动 使刀具和工件之间产生相对运动，以进行切削的最基本运动。

主运动的速度最高、所消耗的功率最大。

在切削运动中，主运动只有一个。

如图2-1所示。

在外圆车削时，工件的旋转运动是主运动。

在铣削、磨削时，刀具或砂轮的旋转是主运动。

2．进给运动 不断地把待切金属投入切削过程，从而加工出全部已加工表面的运动。

在车削加工中，车刀的纵向或横向移动，即是进给运动。

进给运动一般速度较低，消耗的功率较少，可以由一个或多个运动组成。

它可以是间歇的，也可以是连续的。

3．合成切削运动 如图2-1所示，合成切削运动是由主运动和进给运动合成的运动。

刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称合成切削运动方向，其速度称合成切削速度。

（二）切削用量 1．切削速度 v c 切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，单位为m/s 或m/min 。

计算时，应以最大的切削速度为准，车削外圆的计算公式如下：1000/)(n d v w c π= (2-1)式中 w d ——工件待加工表面直径（mm ）；n ——工件转速（r/s 或者r/min ）。

2．进给量f 工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移，单位为mm/r ，如图2-2所示。

进给速度 v f 是单位时间的进给量，单位为mm/s 或mm/minn f v f ⋅= (2-2)对多点切削刀具，如钻头、铣刀还规定每一个刀齿的进给量z f ，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位为 mm/Z （毫米/齿）Z f f z ⋅= (2-3)式中 Z ——刀齿数。

图2-1 切削运动与工件表面3．背吃刀量（切削深度）p a 工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm ，如图2-2。

车削外圆时：2/)(m w p d d a -= (2-4)式中 w d ——待加工表面直径（mm ）；m d ——已加工表面直径（mm ）。

二、刀具切削部分的基本定义 金属刀具的种类很多，但它们切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具结构如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。

（一）车刀的组成车刀由刀柄和刀头组成，如图2-3所示。

刀柄是刀具上的夹持部位，刀头则用于切削。

切削部分的结构及其定义如下：1．前刀面γA 刀具上切屑流过的刀面。

2．后刀面αA 与工件上过渡表面相对的刀面。

3．副后刀面'αA 与工件上的已加工表面相对的刀面。

4．主切削刃 S 前刀面与后刀面的交线。

5．副切削刃'S 前刀面与副后刀面的交线。

6．刀尖 主切削刃与副切削刃的连接部分，它可以是曲线、直线或实际交点（图2-4）。

图2-2 进给量与切削深度2-3 车刀切削部分结构要素图2-4 刀尖形状a) 实际交点 b) 曲线刃 c) 直线刃（二）刀具角度的参考系为了确定刀具切削部分各表面和刀刃的空间位置，需要建立平面参考系。

按构成参考系时所依据的切削运动的差异，参考系分成：刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。

前者由主运动方向确定，后者由合成切削运动方向确定。

刀具标注角度参考系（又称刀具静止参考系）是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度。

刀具工作角度参考系是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称刀具工作角度。

1．正交平面参考系如图2-5所示，正交平面参考系由以下三个平面组成：（1）基面r P 过切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面。

它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装的平面或轴线。

（2）切削平面s P 过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。

（3）正交平面o P 过切削刃上选定点并同时垂直于切削平面与基面的平面。

2．法平面参考系如图2-5所示，法平面参考系由r P 、s P 、n P 三个平面组成。

法平面n P 过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。

3．假定工作平面参考系如图2-6所示，假定工作平面参考系由r P 、f P 、p P 三个平面组成。

（1）假定工作平面f P 过切削刃上选定点平行于进给方向并垂直于基面r P 的平面。

（2）背平面p P 过切削刃上选定点同时垂直于基面r P 和假定工作平面f P 的平面。

（三）刀具的标注角度图2-5 正交平面与法平面参考系图2-6 假定工作平面参考系1．在正交平面内标注的角度（1）前角o γ 在正交平面内度量的前刀面与基面之间的夹角。

（2）后角o α 在正交平面内度量的后刀面与切削平面之间的夹角。

（3）楔角o β 在正交平面内度量的前刀面与后刀面之间的夹角。

由图2-7可知)(900o o o αγβ+-= (2-5)2．在切削平面内标注的角度刃倾角s λ 在切削平面内度量的主切削刃与基面之间的夹角。

(刃倾角正负) 3．在基面内标注的角度（1）主偏角r κ 主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。

（2）副偏角'r κ 副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。

（3）刀尖角r ε 在基面内度量的主切削刃与副切削刃之间的夹角。

由图2-7可知)(180'0r r r κκε+-= (2-6)上述角度中，o β和r ε是派生角度，由前、后刀面磨出的主切削刃只需四个基本角度即可确定它的空间位置，即为o γ、o α、r κ、s λ。

对于副切削刃，可采用与上述相同的方法，在副切削刃的选定点上作参考系'r P -'s P -'o P 。

在过副切削刃作的正交平面'o P 内标出副前角'o γ和副后角'o α。

如果车刀的主、副切削刃在同一个公共前刀面上，则当主切削刃的四个基本角度o γ、o α、r κ、s λ以及副偏角'r κ确定之后，副前角'o γ和副刃倾角's λ随之而定，图纸上也不用标注。

这样，一把三个刀面两个切削刃的外圆车刀标注角度只有六个，即o γ、o α、r κ、s λ和'o α、'rκ。

图2-7 车刀的标注角度如图2-7所示。

在法平面、假定工作平面参考系中，有法前角n γ、法后角n α、侧前角f γ、侧后角f α、背前角p γ、背后角p α。

这些角度可以参照给正交平面参考系标注角度下定义的方法加以定义。

在法平面参考系中，只需标注n γ、n α、r κ和s λ四个角度即可确定主切削刃和前、后刀面的方位。

在假定工作平面参考系中，只需标注f γ、f α、p γ、p α四个角度便可确定车刀的主切削刃和前、后刀面的方位。

三、刀具的工作角度刀具的工作角度是刀具在工作时的实际切削角度。

由于刀具标注角度是在进给量f =0条件下规定的角度，如果考虑合成运动和实际安装情况，则刀具的参考系将发生变化。

在刀具工作角度参考系中所确定的角度称工作角度。

在一般条件下，刀具的工作角度与标注角度相差无几，两者差别不予考虑，只有在角度变化值较大时才需要计算工作角度。

（一）进给运动对工作角度的影响如图2-8所示，为切断车刀加工时的情况。

加工时，车刀作横向进给运动，切削刃相对工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线。

此时，工作基面re P 和工作切削平面se P 相对于r P 和s P 转动一个μ角，从而引起刀具的前角和后角发生变化。

其计算公式如下：μγγ+=o oe (2-7)μαα-=o oe (2-8)dfπμarctg= (2-9) 式中 oe γ、oe α——工作前角和工作后角； f ——进给量（mm/r ）；d ——工件切削点处表面直径（mm ）；μ ——正交平面内re P 和r P 之间的夹角，即主运动方向与合成运动方向的夹角。

由式（2-9）可知，当进给量增大，则μ值增大；当瞬时直径d 减小，μ值也增大。

因此，车削至接近工件中心时，μ值增长很快，工作后角将由正变负，导致工件被挤断。

如图2-9所示为纵车外圆车刀的工作角度。

在考虑纵向进给运动时，切削刃相对于工件表面的运动轨迹为螺旋线。

此时，基面r P 和切削平面s P 就会在空间偏转一个μ角，从而使刀具的工作前角oe γ增大，工作后角oe α减小。

在假定工作平面内的工作角度为：f f fe μγγ+=(2-10)图2-8 横向进给运动时的工作角度f f fe μαα-= (2-11)wf d fπμ=tg (2-12) 式中 fe γ——假定工作平面工作前角；fe α——假定工作平面工作后角；w d ——工件待加工表面直径（mm ）；f μ——主运动方向与合成运动方向的夹角。

在正交平面内工作角度为：μγγ+=o oe (2-13)μαα-=o oe (2-14)wrd f πκμsin tg =(2-15)式中 μ ——正交平面内se P 和s P 之间的夹角。

（二）刀具安装对工作角度的影响图2-9 外圆车刀的工作角度如图2-10所示，当刀尖安装高于或低于工件中心时，则此时的切削速度方向发生变化，引起基面和切削平面的位置改变。

此时工作角度与标注角度的换算关系如下：p p pe θγγ±= (2-16) p p pe θαα = (2-17)22)2(tg h dh p -=θ (2-18)式中p θ——背平面内r P 与re P 的夹角；h ——刀尖高于或低于工件中心的数值（mm ）。

d ——工件切削刃上选定点处直径（mm ）。

四、切削层参数切削层为切削部分切过工件的一个单程所切除的工件材料层。

切削层形状、尺寸直接影响着刀具承受的负荷。

为简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具基面中度量。

切削层的尺寸称为切削层参数。

现以外圆车削为例来说明切削层参数的定义。

外圆车削时，工件转一转，主切削刃移动一个进给量f 所切除的金属层称为切削层。

如图2-11所示，当主、副切削刃为直线，且o 0=s λ时，切削层公称截面为平行四边形。

1．切削层公称厚度D h 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称切削层公称厚度。

外圆纵车时：r D f h κsin = (2-19)由式（2-19）可知，f 或r κ增大，则D h 变厚。

2．切削层公称厚度D b 沿着过渡表面度量的切削层尺寸称切削层公称厚度。

外圆纵车时：图2-10 刀尖安装高低对工作角度的影响图2-11 切削层参数r p D a b κsin /= (2-20)由式（2-20）可知，p a 减小或r κ增大，则D b 变短。