hy2 金属切削加工的基础知识

1、第二章 金属切削原理 (Chapter 2 Metal-cutting principles),本章提要基本概念切削运动、切削用量、参考系（基面、切削平面、主剖面）、刀具标注角度、切削层参数等。 刀具材料刀具材料应具备的性能，常用的刀具材料工具钢（碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼。金属切削过程及优化控制磨削原理和砂轮结构,2.1 概述2.2 刀具几何角度与材料2.3 金属切削过程2.4 切削力、切削热和切削温度2.5 刀具磨损和刀具使用寿命2.6 材料的切削加工性2.7 切削条件的合理选择2.8 磨削与砂轮,2.1 概述(2.1 summary ),2.1.1 切削运动与切削加工表面2.1.2 切削用量2.1.3 切削层参数,2.1.1 切削运动与切削加工表面 (2.1.1 Cutting motion and workpiece surface),刀具与工件之间必须有一定的相对运动；刀具材料必须具有一定的切削性能；刀具必须有合理的几何参数，即切削角度。,金属切削加工：利用金属切削刀具切除工件上多余的金属，从而使工件的几何形状、尺寸精度及表面质量都符

2、合预定的要求，这样的加工称为金属切削加工。,必备的三个条件,1 金属切削概念与必备的三个条件,即将被切去金属层的表面,切削刃正在切削着的表面,已被切去一部分金属形成的新表面,2 加工表面,切削运动,直线运动A,旋转运动B,3 切削运动分析,按所起的作用分为:主运动和进给运动,（1）主运动：切下金属所必需的主要运动。特点：速度高、功耗大、只能有一个。,主运动速度（切削速度）：通常用vc表示.,主运动速度方向：在不考虑进给运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向。,进给运动方向：在不考虑主运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向。,（2） 进给运动：使新的金属不断地投入切削的运动。通常用vf、f或 fz表示。,特点：速度低、功耗小、可以是连续或断续运动、可以有多个。,（3）合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用ve表示。,切削速度：(vc),进给量：( f )（进给速度vf ）,背吃刀量：(ap)（切削深度）,“切削刃选定点相对与工件沿主运动方向的瞬时速度”。通常以最大线速度为准。主运动是旋转运动时：,“工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移”。f (

3、mm/r), vf (mm/s), fz (mm/z),2.1.2 切削用量(2.1.2 Cutting parameters),“工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离”。对于外圆车削：,“切削用量三要素”,2.1.3 切削层参数(Cutting layer parameters ),切削层：在切削过程中，刀具切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层。,1 切削层,切削层的大小和形状直接影响： (1)刀具切削部分承受的载荷大小； (2)决定了切屑的尺寸和形状。,切削层参数：切削层截面尺寸参数称切削层参数。通常在与主运动方向垂直的平面内观察和度量。,切削厚度：hD“垂直于过渡表面度量的切削层尺寸”hD=fsinr (mm),切削宽度：bD“沿着过渡表面度量的切削层尺寸”bD=ap/sinr (mm),切削面积：ADAD=hDbD (mm2)对于外圆车削：AD=fap (mm2),2 切削层的参数（切削层截面尺寸参数）,总结、作业,作业：P56：T2-1 T2-2,2.2 刀具几何角度与材料( Cutting Tool Geometric Angles and Material

4、),2.2.1 刀具几何角度(Geometric Angles of Cutting Tool)2.2.2 刀具材料(Cutting Tool Materials),2.2.1 刀具几何角度 (Geometric Angles of Cutting Tool),1 刀具切削部分的结构要素,切屑流过的表面,与工件加工表面相对的刀具表面,与工件已加工表面相对的刀具表面,“三面、两刃、一尖”,前刀面Ar,后刀面A,副后刀面A,交线,交线,主切削刃s,副切削刃s,刀尖,连接部分,刀具切削部分的结构要素归结起来,刀具标注角度参考系(2 Reference systems for tool angles),刀具角度,刀具工作角度：把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度。,刀具标注角度：在设计、绘图和制造刀具时所标注的角度。,(1) 假定运动条件：给出刀具假定主运动和假定进给运动方向，而不考虑进给运动； (2) 假定安装条件：车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直； 刀具的安装面与基面Pr平行。,1）确定刀具标注角度参考系时假设前提条件,2） 参考系中相关平面的定义,（1）基面Pr：

5、“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”,（2）切削平面Ps：“通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面”。,（3）正交平面（主剖面）Po：“通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面”。,（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”。,（5）假定工作平面（进给剖面）Pf：“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”,（6）背平面（切深剖面）Pp:“通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面”。,3）正交平面参考系,4）法平面参考系,5）假定工作平面、背平面参考系,3 刀具的标注角度,刀具的标注角度：在刀具标注角度参考系中确定切削刃与刀面的方位角度。 由于刀具标注角度参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具标注角度应指明是切削刃上某一指定点的标注角度。,在基面内测量的角度,主偏角：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,副偏角：“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,刀尖角：“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。r=180-(r+r),在基正交平面的标注角度,在正交平面（主剖面）内测量的角度,后

6、角：o“后刀面与切削平面的夹角”,前角：o“前刀面与基面之间的夹角”。,楔角：（o ）“前后刀面之间的夹角”o=90-（ o+o）,在切削平面内测量的角度,刃倾角：S“主切削刃与基面之间的夹角”,余偏角：r“主切削刃与基面之间的夹角”,（5）副偏角r （6）副后角o,派生角度：楔角o、刀尖角r余偏角r,r,（1）主偏角r,（4）后角o,（2）刃倾角s,（3）前角o,主剖面（正交平面）参考系的标注角度,当主、副切削刃共面时，所需标注的独立角度只有6个。,（1）主偏角r（2）刃倾角s（3）法前角n（4）法后角n,（5）副偏角r （6）副后角o,法剖面参考系的标注角度,（1）主偏角r（2）进给前角f（3）进给后角f（4）背前角p（5）背后角p,（6）副偏角r （7）副后角o,假定工作平面-背平面参考系的标注角度,s,s0,s,+ s,4 切削形式,（1）正切削（直角切削）与斜切削 切削刃垂直于合成切削方向称为正切削或直角切削。如果切削刃不垂直于合成切削方向则称为斜切削或斜角切削。下图为刨削时的正切削和斜切削。,（2）自由切削与非自由切削只有直线形主切削刃参加切削工作，而副切削刃不参加切削工作

7、，称为自由切削。曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削者，称为非自由切削。 这是根据切削变形是二维问题或三维问题进行区分的。为了简化研究工作，通常采用自由切削变形区来观察和研究。,2.2.2 刀具材料 2.2.2 Cutting Tool Materials,(1)高的硬度,必须高于工件硬度，通常应60HRC以上;(2)高的耐磨性;(3)足够的强度和韧性；(4)高的耐热性（热稳定性)；(5)良好的导热性和耐冲击性；(6)良好的工艺性；(7)良好的经济性。,1 刀具材料应具备的基本性能,2 常用刀具材料,(1) 高速钢（高合金工具钢，1900年首次使用）,基本性能： 硬度：6265HRC 耐热性：500600 切削速度：V 30 m/min （与工具钢相比，提高了13倍） 工艺性好，适用于制造复杂刀具。,常用牌号： W18Cr4V W6MO5Cr4V2 W6MO5Cr4V2Al,工具钢（碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石(天然的、人造的）、立方氮化硼、涂层刀具。,各类高速钢刀具,用高硬度、难熔的金属碳化物（主要是WC、TiC等，又称高温碳化物)和金属粘接剂在高温条件下

8、烧结而成的粉末冶金制品。,基本性能： 硬度：7482HRC 耐热性：8001000 切削速度：V=100 300 m/min 工艺性差，不适用于制造整体结构的复杂刀具。,典型牌号： 钨钴类YG （K类） 钨钴钛类YT （P类） 通用类YW （M类）,成分：WC+Co多用于加工短切屑的金属或非金属，如：铸铁、青铜等。常用牌号：YG3(K01)、YG6(K20)、YG8(K40)等 精加工 粗加工,成分：WC+TiC+Co多用于加工长切屑的黑色金属，如：钢材等。常用牌号：YT5(P30)、YT15(P20)、YT30(P10)等 粗加工 精加工,成分：WC+TiC+TaC(NbC)+Co 既可用于加工短切屑的铸铁，也可用于加工长切屑的钢材。常用牌号：YW1(M10)、YW2(M20)、YW3(M30)等 精加工 粗加工,(2) 硬质合金,各类硬质合金钢刀具,(3) 超硬刀具材料,陶瓷 金刚石 立方氮化硼（CBN）,“Al2O3或Si3N4添加不同的金属元素(Ni、Co、Mo、W)或金属炭化物(TiC、WC)，采用热压和烧结的方法获得”。特点：硬度高、耐磨性好。9195HRA 耐热性高。12

9、00 切削速度高达100400 m/min 抗弯强度、冲击韧性较差。主要用于冷硬铸铁、高硬钢等精加工和半精加工。,“高温下借助合金触媒的作用，由石墨转化而成”。特点：硬度高、耐磨性极好。5000HV以上。耐热性：700800 ，不能在高温下切削冲击韧性、抗弯强度低。只有硬质合金的1/4。与Fe的亲和力强，不能加工铁族材料。适用于硬质合金、玻璃等高硬材料的精加工,分天然和人造两种。与金刚石相比：硬度：80009000HV。耐热性：13001500 与Fe的亲和力小，能加工铁族材料。主要适用于淬硬钢、耐磨铸铁、高温合金等高硬铁族材料的精加工或半精加工。,(4) 涂层刀具,在韧性性较好的高速钢或硬质合金基体上，涂抹一层耐磨性高的难熔金属化合物（TiC 、TiN、AlO3)而获得的。,具有较高的抗氧化性能，因而具有较高的耐磨性能力；低的摩擦系数，可降低切削力和切削温度，提高刀具耐用度。但存在锋利性、韧性、抗崩刃性、抗剥落性低、成本高的弊端。,总结、作业,作业：1、画图表示用外圆车刀车削外圆柱表面时车刀的 和ap ,f, h ,b。 2、画图表示用端面车刀车削轴端面情况下车刀的 和ap ,f, h ,b 。,

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