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1、金属切削原理与刀具设计（40学时）,主讲 尚晓峰,一、本课性质：专业基础课二、本课主要任务（三点）掌握金属切削过程一般现象和基本规律；初步掌握金属切削实验研究的基本方法和技能；初步了解本学科的发展趋势和成就。三、金属切削在机械制造中的重要作用1.机械制造技术发展必然影响国民经济发展；2.切削加工在21世纪仍将占机械加工量的90%；3.机械制造自动化和精密加工发展。,四、本课结构,金属切削加工工艺系统,机床,夹具,刀具,工件,金属切削原理与刀具,机械制造工艺,金属切削机床,刀具角度及合理角度的选择,刀具材料,刀具磨损、破损与使用寿命,金属切削变形,切削力,切削热和切削温度,切削液,各种切削刀具,
2、工件材料的切削加工性,已加工表面质量,磨削,五、金属切削发展简况,3万年前，原始人类发明了琢钻和磨制技术,1668年 畜力铣磨机和脚踏刃磨机,2200年前，秦始皇时代已经有了磨削加工,1915年，国产第一台车床,新中国成立，切削加工技术飞速发展,21世纪，切削加工技术逐步接近发达国家水平,第一章基本定义概述,金属切削加工:是用切削刀具将坯料或工件 上的多余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置精度和表面质量的加工方法。分为钳工和机械加工两部分我们着重研究机械加工过程的现象和规律,1-1 切削运动、加工表面和切削用量三要素,金属切削加工工艺系统 由机床、夹具、刀具和工件组成,一、车削运动时工件
3、上的加工表面,切削过程中工件上常存在三个表面：,待加工表面：即将被切除的工件表面；,已加工表面：已经被切除的工件表面；,过渡表面（切削表面）：正在形成。,车削外圆时的加工表面,车削外圆时的加工表面,车削内孔时的加工表面,二、主运动、进给运动和合成切削运动,工作运动：机床为实现切削加工所必须具有的加工工具与工件间的相对运动。包括：主运动和进给运动,主运动：是指在切削加工中形成机床切削速度或消耗主要动力的工作运动。,进给运动：在切削中，使工件的多余材料不断被切除的工作运动。,合成切削运动：主运动和进给运动向量和。,切削刃选定点：切削刃各点运动情况一不定相同，研究问题时选取切削刃上某一适宜点。,主运
4、动方向：切削刃选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,切削速度 vc：切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,进给动方向：切削刃选定点相对于工件的瞬时进给运动方向。,进给速度 vf：切削刃选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,主运动、进给运动和合成切削运动示意图,切削运动与切削表面示意图,主运动；进给运动,a)车外圆面,b)磨外圆面,各种切削加工的工作运动,c)钻孔,d)车床上镗孔,e)刨平面,f)铣平面,g)车成形面,h)铣成形面,从上图为各种切削加工的工作运动可以看出：主运动只有一个，而进给运动可有几个。,工作运动有旋转运动也有直线运动;有连续运动也有间歇运动。,工作运动可由刀具或工件分
5、别完成 或单独完成。,三、切削用量三要素 切削用量是指：vc、f、ap,切削速度vc:指在单位时间内工件和刀具沿主 运动方向的位移 单位:m/s 或 m/min 车削等回转运动：,(2)进给量 f:指工件或刀具每回转一周时,两者 沿进给运动方向上的相对位移 单位:mm/r,(3)切削深度ap:指待加工表面与已加工表面 的垂直距离（单位mm）。,1-2刀具切削部分基本定义 虽然刀具种类繁多，形状各异，但其切削部分的结构要素和几何角度都有许多共同特征，如下图所示。各种形状复杂的刀具，就其中的一个刀齿而言，都可看作一把车刀。下面就以车刀为例，分析切削部分的构成和标注角度。,刀具的切削部分,分析车刀角
6、度，主要从以下三个方面入手：,车刀切削部分组成车刀的标注角度及其选择车刀的工作角度,1、车刀切削部分构成 车刀切削部分一般由三个刀面、两个切削刃和一个刀尖组成。,前面,主后面,副后面,主切削刃,副切削刃,刀尖,刀杆,刀头,外圆车刀切削部分的组成,过渡刃连接主、副切削刃的一小段圆弧,常用刀尖的三种形状,2、车刀标注角度及其选择、刀具标注角度参考系 为了确定车刀的空间位置，以便设计、制造、刃磨和测量，必须建立车刀标注角度参考系。假定：a）刀尖恰在工件中心线上;b）刀具轴线与工件轴线垂直;c）忽略进给运动f 的影响。,基平面 pr:通过切削刃选定点与主运动 方向垂直的平面。切削平面 ps:通过主切削
7、刃上选定点，与切削刃相切并垂直基面的平面。主剖面 po:通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。pr-ps-po组成一个正交平面参考系(是目前最常用的刀具标注角度参考系，此外还有法剖面参考系等）。,基面Pr,假定主运动方向,主切削刃上选定点,刀柄底面平面,基平面 pr的定义,主剖面Po：Ps P,基面P：PVc 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps:与 S相切 且 P,假定主运动方向Vc,1.主剖面参考系（Pr-Ps-Po),主切削刃上选定点,法剖面Pn：PnS,基面P：PVc 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps:与 S相切 且 P,假定主运动方向Vc,2.法剖面参考系（Pr-Ps-P
8、n）,90,主切削刃上选定点,进给剖面Pf：Pf Pr、f,基面P：PVc 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps:与 S相切 且 P,假定主运动方向Vc,假定进给运动方向f,切深平面Pp：Pr、Pf,3.进给、切深剖面参考系（Pr-Pf-Pp）,主切削刃上选定点,、刀具的标注角度（也称静止角度）定义：在刀具标注角度参考系内定义的切削刃与各刀面的方位角度，是制造和刃磨刀具的依据，其主要标注角度如下:在主剖面Po内测量的角度：前角o、后角o 和楔角o在基面Pr内测量的角度：主偏角r、副偏角r和刀尖角r在切削平面Ps内测量的角度：刃倾角s,车刀的标注角度,刀具角度正、负号判定如图中所示。,主剖面,基面,
9、K,K,副剖面,从上图可以看出，一把单刃刀具在主剖面参考系内共定义 了6个角度、和 四个角度是独立的。当给定刃倾角和主偏角，主切削刃在空间的方位便被确定；再进一步给定前角和后角，相交于主切削刃的前刀面和后刀面也随之确定。所以，对于一把有两条切削刃的普通车刀，只要给定六个独立的角度：这把车刀切削部分的几何形状便被确定了。,刀具角度的一面二角分析法 表示空间任意一个平面方位的定向角度只有两个，所以用一面二角分析法确定刀具切削部分需要标注的独立角度数量。即刀具需要标注的独立角度数量是刀面数量的二倍。例如，直头外圆车刀，3个刀面2=6个角度：,前刀面定向角后刀面定向角副后刀面定向角,45弯头车刀，4个
10、刀面2=8个角度：,主切削刃12前刀面定向角主切削刃12后刀面定向角副切削刃23后刀面定向角副切削刃14后刀面定向角,切断刀，两把端面车刀组合4个刀面2=8个角度：,前刀面定向角后刀面定向角左副后刀面定向角右副后刀面定向角,法剖面参考系标注角度只以Pn剖面代替Po剖面只需定义Pn面内的标注角度即可。,刀具标注角度换算 主剖面和法剖面内角度换算tgn=tgo coss n octg n=ctg o coss n o,车刀工作角度、刀具工作角度参考系 刀具安装位置、切削合成运动方向的变化，都会引起刀具工作角度的变化。因此研究切削过程中的刀具角度，必须以刀具与工件的相对位置、相对运动为基础建立参考系
11、，这种参考系称为工作参考系。用工作参考系定义的刀具角度称为工作角度。,工作基平面工作切削平面工作正交平面组成一个工作正交平面参考系：,刀具安装对工作角度的影响,刀柄偏斜影响工作主、副偏角,切削刃高低影响工作前、后角,进给运动方向不平行工件旋转轴线,1-3切削层几何参数切削层在各种切削加工中，刀具相对于工件沿进给运动方向每移动 f 后，由一个刀齿正在切削的金属层。切削层形状、尺寸直接影响着切削过程的变形、刀具承受的负荷以及刀具的磨损。切削层尺寸称为几何参数，通常在垂直切削速度的平面内观察和度量，即在基 面内度量。,切削层定义（a车外圆，b车端面),残留面积,切削面积和残留面积,2.正切屑与倒切屑,切削方式,1.自由切削与非自由切削,3.正切削与斜切削,2.当用主偏角r45、刃倾角s0的车刀车削外圆时，已知：工件加工前直径dw64mm，加工后直径dm56mm，车床主轴转速n4r/s，车刀进给速度vf1.6mm/s。试求：切削速度vc、进给量f、切削深度ap、切削厚度hD、切削宽度bD和切削面积AD，并且作图表示f、ap、hD和bD等4个参数。,1.标注圆车刀下列角度：前角o、后角o、主偏角r、副偏角r、刃倾角s和副后角o。,车刀的标注角度,做图表示4个参数,
