1金属切削机床与原理与刀具讲稿.docx
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1金属切削机床与原理与刀具讲稿
1金属切削的基本要素
课次
第1次，第2次
学时
4
课型
理论课
章节
1金属切削的基本要素1.1工件表面的形成方法和成形运动
教
学
目
的
1、了解金属切削加工基础（冷加工基础及主要方法：
车，铣，磨，钻，拉等）；
2、掌握工件的加工表面及其形成方法；
3、掌握表面成形运动；
4、掌握切削加工中的各种成形运动。
教学
重点
1、工件表面的形成方法，发生线的形成方法及所需运动，表面成形运动分析；
2、主运动、进给运动和合成切削运动。
教学
难点
发生线的形成方法及所需运动，表面成形运动分析
教学
方法
讲授法、问答法
教具
挂图
授课
班级
授课
日期
1金属切削的基本要素
1.1机械制造过程概述
机器是由零件、组件、部件等组成的，一台机器的制造过程包含了从零件、部件加工到整机装配的全过程，这一过程可以用图1所示的系统图来表示。
首先，从图中可以看出机器中的组成单元是一个个的零件，它们都是由毛坯经过相应的机械加工工艺过程变为合格零件的，在这一过程中要根据零件的设计信息制订每一个零件的适当加工方法，加工成在形状、尺寸、表面质量等各方面都符合加工使用要求的合格零件。
其次，要根据机器的结构和技术要求，把某些零件装配成部件，部件是由若干组件、套件和零件在一个基准零件上装配而成的，部件在整个机器中能完成一定的、完整的功能，这种把零件和组件、套件装配成部件的过程称为部装过程。
部装过程是依据部件装配工艺，应用相应的装配工具和技术完成的，部件装配的质量直接影响整个机器的性能和质量。
最后，在一个基准零部件上把各个部件、零件装配成一个完整的机器，我们把零件和部件装配成最终机械产品的过程称为总装过程，总装过程是依据总装工艺文件进行的，在产品总装后，还要经过检测、试车、喷漆、包装等一系列辅助过程最终形成合格的产品，如一辆汽车就是经过这样的机械制造过程而生产出来的。
图1机械制造过程的构成
1.2机械加工工艺系统
从机械制造的整个过程来看，机器的最基本组成单元为零件，也就是首先要制造出合格的零件，然后组装成部件，再由零、部件装配成机器，因此，制造出符合要求的各种零件是机械加工的主要目的，而机械加工中绝大部分材料是金属材料，故机械加工主要是对各种金属进行切削加工。
零件的表面通常是几种简单表面如平面、圆柱面、圆锥面、球面、成形表面等的组合，而零件的表面是通过各种切削加工方法得到的，其中在金属切削机床上利用工件和刀具彼此间协调的相对运动切除被加工零件多余的材料，获得在形状、尺寸和表面质量都符合要求的这种加工方法称为金属切削加工。
金属切削加工常作为零件的最终加工方法，它需要用金属切削刀具直接对零件进行加工，它们之间要有确定的相对运动和承受很大的切削力，通常需在金属切削机床上进行加工，零件和刀具需通过机床夹具和刀架与机床进行可靠的联接，带动它们做相对的运动，实现切削加工，这种由金属切削机床、刀具、夹具和工件构成的机械加工封闭系统称为机械加工工艺系统（如图2所示），其中金属切削机床是加工机械零件的工作机械，起支承和提供动力作用；刀具起直接对零件进行切削加工作用；机床夹具用来对零件定位和夹紧，使之有正确的加工位置。
本章就围绕机械加工工艺系统四个组成部分进行分析，阐述机械零件加工的整个过程。
图2机械加工工艺系统的构成
1.3主要切削加工工艺简介
方法：
工艺-设备：
机床-工具-冷却-装夹-定位-测定-检测。
1.4工件表面的形成方法和成形运动
机械零件的表面形状不外乎是是由若干个表面元素组成的，这些表面元素是：
平面、直线成形表面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、成形表面（螺旋面）等。
当精度和表面粗糙度要求较高时，需要在机床上用刀具经切削加工而形成。
工件在被切削加工过程中，通过机床的传动系统，使机床上的工件和刀具按一定规律作相对运动，从而切削出所需要的表面形状。
从几何观点来看，任何表面都可以看作是一条线沿另一条线运动的轨迹。
如一条直线沿着另一条直线运动形成了平面;一条直线沿着一个圆的运动则形成了圆柱面。
这两条线分别被称为母线与导线，统称为发生线。
母线和导线的运动轨迹形成了工件表面，因此分析工件加工表面的形成方法关键在于分析发生线的形成方法。
机械零件的任何表面都可看作是一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。
请看图3，平面可看作是是由一根直线（母线）沿着另一根直线（导线）运动而形成（图3a）；圆柱面和圆锥面可看作是由一根直线（母线）沿着一个圆（导线）运动而形成（图3b和c）；普通螺纹的螺旋面是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而形成（图3d）；直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面是由渐开线（母线）沿直线（导线）运动而形成（图3e）等等。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
图3 零件表面的成形
1-母线 2--导线
由图3可以看出，有些表面，其母线和导线可以互换，如：
平面、圆柱面和直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面等，称为可逆表面；而另一些表面，其母线和导线不可互换。
如：
圆锥面、螺旋面等，称为不可逆表面。
切削加工中发生线是由刀具的切削刃和工件的相对运动得到的，由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为以下四种：
（1）轨迹法 它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。
切削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线。
图4a中母线Al（直线）和导线A2，（曲线）均由刨刀的轨迹运动形成。
采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。
（2）成形法 它是利用成形刀具对工件进行加工的方法。
切削刃的形状和长度与所需形成的发生线（母线）完全重合。
图4b中，曲线形母线由成形刨刀的切削刃直接形成，直线形的导线则由轨迹法形成。
（3）相切法 它是利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。
见图4c中，采用铣刀、砂轮等旋转刀具加工时，在垂直于刀具旋转轴线的截面内，切削刃可看作是点，当切削点绕着刀具轴线作旋转运动B1，同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动A2时，切削点运动轨迹的包络线，便是所需的发生线。
为了用相切法得到发生线，需要二个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。
图4 形成发生线的方法
（4）展成法 它是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。
切削加工时，刀具与工件按确定的运动关系作相对运动（展成运动或称范成运动），切削刃与被加工表面相切（点接触），切削刃各瞬时位置的包络线，便是所需的发生线。
例如，图4d所示，用齿条形插齿刀加工圆柱齿轮，刀具沿箭头A1方向所作的直线运动，形成直线形母线（轨迹法），而工件的旋转运动B21和直线运动A22，使刀具能不断地对工件进行切削，其切削刃的一系列瞬时位置的包络线，便是所需要渐开线形导线（见图4e）。
用展成法形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。
1.5示例
1.用普通车刀车削外圆
母线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。
导线——直线，由轨迹法形成，需要一个成形运动A2。
表面成形运动的总数为两个，即B1和A2，都是简单的成形运动。
2.用成形车刀车削成形回转表面
母线——曲线，由成形法形成，不需要成形运动。
导线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。
表面成形运动的总数为一个，即B1，是简单的成形运动。
图5
图6
3.用螺纹车刀车削螺纹
母线——螺纹轴向剖面轮廓（牙型），母线由成形法形成，不需要成形运动。
导线——螺旋线，由轨迹法形成，需要一个成形运动。
这是一个复合运动，把它分解为工件旋转B11和刀具直线移动A12。
表面成形运动的总数为一个——B11A12是复合的成形运动。
4.用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面
母线——渐开线，由展成法形成，需要一个成形运动，是复合运动，可分解为滚刀旋转B11和工件旋转B12两个部分，B11和B12，之间必须保持严格的相对运动关系。
导线——直线，由相切法形成，需要两个独立的成形运动，即滚刀的旋转运动和滚刀沿工件的轴向移动A2。
其中滚刀的旋转运动与复合展成运动的一部分B11重合。
因此，形成表面所需的成形运动的总数只有两个：
一个是复合的成形运动B11B12，另一个是简单的成形运动A2。
在车削圆锥螺纹时，刀具相对于工件的运动轨迹为圆锥螺旋线。
可分解为3部分：
工件的旋转运动B11刀具纵向直线移动A12和刀具横向直线移动A13。
为了保证一定的螺距，B11和A12之间必须保持严格的相对运动关系，为了保证一定的锥体，A12和A13之间也必须保持严格的相对运动关系。
1.6机床的运动
在机床上，为了要获得所需的工件表面形状，必须形成一定形状的发生线（母线和导线）。
除成形法外，发生线的形成都是靠刀具和工件作相对运动实现的。
这种运动称为表面成形运动。
此外，还有多种辅助运动。
成形运动按其组成情况不同，可分为简单的和复合的二种。
如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。
例如，用尖头车刀车削外圆柱面时（见图8a），工件的旋转运动B1和刀具直线运动A2就是两个简单运动；用砂轮磨削外圆柱面时（见图8b），砂轮和件的旋转运动B1、B2，以及工件的直线移动A3，也都是简单运动。
如果一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转运动或（和）直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。
例如，车削螺纹时（见图8c），形成螺旋形发生线所需的刀具和工件之间的相对螺旋轨迹运动，为简化机床结构和较易保证精度，通常将其分解为工件的等速旋转运动B11和刀具的等速直线移动A12。
B11和A12不能彼此独立，它们之间必须保持严格的运动关系，即工件每转1转时，刀具直线移动的距离应等于螺纹的导程，从而B11和Al2这两个单元运动组成一个复合运动。
用轨迹法车回转体成形面时（见图8d），尖头车刀的曲线轨迹运动，通常由相互垂直坐标方向上的、有严格速比关系的两个直线运动A21和A22来实现，A21和A22也组成一个复合运动。
上述复合运动组成部分符号中的下标，第一位数字表示成形的序号（第一个、第二个、……成形运动），第二位数字表示同一个复合运动中单元运动的序号。
图8 成形运动的组成
成形运动中各单元运动根据其在切削中所起的作用不同，又可分为主运动和进给运动，我们将在第四节中讨论。
机床在加工过程中还需要一系列辅助运动，以实现机床的各种辅助动作，为表面成形创造条件，它的种类很多，一般包括：
（1）切入运动刀具相对工件切人一定深度，以保证工件达到要求的尺寸。
（2）分度运动多工位工作台、刀架等的周期转位或移位，多头螺纹的车削等。
（3）调位运动加工开始前机床有关部件的移位，以调整刀具和工件之间的正确相对位置。
（4）各种空行程运动 切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动，开车、停车、变速、变向等控制运动，装卸、夹紧、松开工件的运动等。
1.6切削运动
1）切削运动指切削加工时，切削工具和工件之间的相对运动。
如图9所示，车削时工件的旋转运动是切除多余金属的基本运动，车刀平行于工件轴线的直线运动，是保证切削连续进行，由这两个运动组成的切削运动，完成工件外圆表面的加工。
一般按运动在切削加工中所起作用的不同，又分为主运动和进给运动两大类。
图9车削运动和切削表面
（1）主运动
主运动是由机床或人力提供的主要运动，是使切削工具和工件之间产生相对运动，从而切下切削所必需的最基本的运动。
也是切削加工中速度最高、消耗功率最多的运动。
如图10所示，车削时工件的旋转运动、钻削时钻头的旋转运动、刨削时刨刀的往复直线运动、铣削时铣刀的旋转运动以及磨削时砂轮的旋转运动等都是主运动。
a）车削b）钻削c）刨削
d）铣削e）磨削
图10各种切削运动
（2）进给运动
进给运动是由机床或人力提供的运动，它使切削工具和工件之间产生附加的相对运动，连续切下切屑，得到所需的已加工表面。
一般情况下进给运动是切削加工中速度较低、消耗功率较少的运动。
如图3所示，车削时车刀的直线运动、钻削时钻头的轴向直线运动、刨削时工件的间歇直线运动、铣削时工件的直线运动、纵磨时砂轮的间歇横向直线运动及工件的旋转运动、纵向往复直线运动都是进给运动。
各种切削加工都具有特定的切削运动。
切削运动的形式很多，有旋转的、直线的、连续的、间歇的等等。
一般主运动只有一个，进给运动可以有一个或几个。
主运动和进给运动可由刀具和工件分别完成，也可由刀具单独完成（如钻头）。
在切削加工中，工件上产生三个不断变化的表面。
待加工表面：
加工时即将切除的工件表面。
已加工表面：
已被切除多余金属而形成的工件新表面。
小结：
1金属切削的基本要素
课次
第3次
学时
2
章节
1金属切削的基本要素1.2加工表面和切削用量三要素
教
学
目
的
1、了解金属切削加工（冷加工的主要方法）0本课程的发展变化情况
2、了解本课程的任务和内容；
3、掌握本课程的学习方法；
4、了解金属切削及机床的国内外发展简史。
教学
重点
课程特点、学习方法及机械制造技术新发展。
教学
难点
课程学习方法
教学
方法
讲授法、问答法
教具
授课
班级
授课
日期
1.2加工表面和切削用量三要素
1.2.1切削过程中工件上的加工表面
金属切削加工时刀具和工件之间的相对运动，称为切削运动。
图1表示车削外圆时车刀与工件的相互运动过程，整个切削运动由工件的旋转运动和车刀的连续轴向直线进给运动组成。
图1
（a）车削用量（b）周铣切削用量（C）端铣切削用量
图2切削用量示意图
1.2.2切削用量三要素
切削速度v
如图2（a）（b）（c）,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，单位为m／min。
当主运动为旋转运动时，其计算公式为
=
式中:
d——切削刃上选定点所对应的工件或刀具的直径，单位为mm。
n——主运动的转速，单位为r／min。
选择切削速度时，不可忽视以下几点：
①刀具材料硬度高，耐磨、耐热性好时，可取较高的切削速度。
②工件材料的切削加工性差时，如强度、硬度高、塑性太大或太小，切削速度应取低些。
③工艺系统（机床、夹具、工件、刀具）刚度较差时，应适当降低切削速度以防止振动。
④切削速度的选用应与切深、进给量的选择相适应，当切深、进给量增大时，刀刃负荷增加，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高；当切深、进给量均小时，可选择较高的切削速度。
⑤在机床功率较小的机床上，限制切削速度的因素也可能是机床功率。
在一般情况下，可以先按刀具耐用度来求出切削速度，然后再校验机床功率是否超载。
进给量f
（1）车削时的进给量
如图2（a）,车削刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，可用刀具或工件每转（主运动为旋转运动时）的位移量来表达和测量，单位为mm／r
（2）铣削时的进给量
如图2（b）（c）,铣削加工的进给量f（㎜/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；对于多齿刀具（如钻头、铣刀），每转中每齿相对于工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量fZ。
，单位为mm／z。
显然：
fZ=
（式中，z为刀齿数）
进给速度F（㎜/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。
进给速度与进给量的关系为：
。
（n为铣刀转速，单位r/min）
（3）进给量的选用
进给量的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。
工件材料强度和硬度越高，切削力越大，每齿进给量宜选得小些；刀具强度、韧性越高，可承受的切削力越大，每齿进给量可选得大一些；工件表面粗糙度要求越高，每齿进给量选小些；工艺系统刚性差，每齿进给量应取较小值。
背吃刀量ap
（1）车削时的背吃刀量
背吃刀量是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上测量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位为mm。
如图2（a），外圆车削时，其背吃刀量（ap）可由下式计算：
式中：
dww——工件待加工表面直径，单位为mm；
dm——工件已加工表面直径，单位为mm。
（2）铣削吃刀量
如图2（b）（c）,铣削加工的背吃刀量（ap）为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。
端铣时，背吃刀量为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。
侧吃刀量（ae）为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为㎜。
端铣时，ae为被加工表面宽度；而圆周铣削时，侧吃刀量为切削层深度。
（3）切削深度的选用
切削深度的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定：
余量不大，力求粗加工一次进给完成，但是在余量较大，或工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可多次分层切削完成。
当工件表面粗糙度值要求不高时，粗加工，或分粗、半精加工两步加工；当工件表面粗糙度值要求较高，宜分粗、半精、精加工三步进行。
1.2.3学会切削用量选用一般方法
合理的切削用量应满足以下要求：
在保证安全生产，不发生人身、设备事故，保证工件加工质量的前提下，能充分地发挥机床的潜力和刀具的切削性能，在不超过机床的有效功率和工艺系统刚性所允许的额定负荷的情况下，尽量选用较大的切削用量。
一般情况下我们对切削用量选择时应考虑到下列问题：
●保证加工质量：
主要是保证加工表面的精度和表面粗糙度达到工件图样的要求。
●保证切削用量的选择在工艺系统的能力范围内：
要保证切削用量的选择在工艺系统的能力范围内，不应超过机床允许的动力和转矩的范围，不应超过工艺系统（铣床、刀具、工件）的刚度和强度范围，同时又能充分发挥它们的潜力。
●保证刀具有合理的使用寿命：
在追求较高的生产效率的同时，保证刀具有合理的使用寿命，并考虑较低的制造成本。
以上三条，要根据具体情况有所侧重。
一般在粗加工时，应尽可能地发挥刀具、机床的潜力和保证合理的刀具使用寿命。
精加工时，则应首先要保证切削加工精度和表面粗糙度，同时兼顾合理的刀具的使用寿命。
在工件材料、刀具材料、刀具几何参数以及其他切削条件已确定的条件下，切削时切削用量选择得正确与否，将直接关系到工件的加工质量、生产效率和加工成本。
合理的切削用量应该是在充分发挥机床效能、刀具切削性能和保证加工质量的前提下，能够获得高的生产率和低的加工成本。
借助经验表格的刀具切削参数选择
数控加工的多样性、复杂性以及日益丰富的数控刀具，决定了选择刀具时不能再主要依靠经验。
借助经验表格对刀具切削参数进行选择是实践中常用的、有效的简便方法。
有关刀具切削参数选择的经验表格，其格式、内容多种多样。
有的是刀具制造厂在开发每一种刀具时，通过做了大量的试验，在向用户提供刀具的同时，提供了详细的刀具的使用说明和经验表格，针对性较强；有的经验表格则属于通用的技术资料，针对性一般。
编程者应对自己常用牌号的刀具，能够熟练地使用刀具厂商提供的技术手册，或通用的技术资料，通过经验表格选择合适的刀具，并根据手册提供的参数合理选择刀具的切削参数。
但不管多么详细的经验表格，它不可能完全吻合于具体的切削加工情况。
经验表格是选择刀具的切削参数的重要的依据，但不是完全的依据。
应知道：
与切削用量的选用的相关因素是多种多样的，每一个相关因素都可能对切削用量的选用的合理性产生影响，因此在选择刀具的切削参数时，把经验表格为重要的依据，并具体分析切削加工的条件、要求、各种限制因素，全面考量，并在实践中验证、修改调整，才是得到具体应用的、合理的刀具切削参数的有效的途径。
1.3刀具切削部分几何角度
课次
第4、5、6次
学时
6
课型
理论课
章节
1金属切削的基本要素1.3车刀的刀具角度
教
学
目
的
1、掌握车刀的切削部分的结构要素；
2、掌握刀具角度的参考系；
3、掌握刀具标注角度。
教学
重点
车刀的结构、刀具的标注角度和刀具的工作角度。
教学
难点
刀具的标注角度
教学
方法
讲授法、问答法
教具
挂图
授课
班级
授课
日期
同学们想一想，为什么要以外圆车刀为例？
切削刀具的种类繁多，形状各异。
但从切削部分的几何特征上看，却具有共性。
外圆车刀切削部分的基本形态可作为其他各类刀具的切削部分的基本形态。
因此外圆车刀可以看是其他各类刀具的演变，都是在这个基本形态上演变出各自的特点，所以本节以外车刀切削部分为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。
一、外圆车刀切削部分的组成
车刀由刀杆和刀头组成，也就是导体和切削部分。
刀体用于安装切削部分用于进行金属切削加工。
切削部分的组成：
1、前刀面Ar:
切屑流经的刀面。
2、后刀面Aα：
与加工表面相对的刀面。
3、副后刀面Aαˊ:
与已加工表面相对的刀面。
4、主切削刃S：
前后刀面的交线。
负担主要的切削工作。
也称主刀刃。
5、副切削刃Sˊ:
前面与副后刀面的交线。
只参加少量的切削，形成已加工表面。
也称副刀刃。
6、刀尖：
主副刀刃的交点。
它可以是一个点、直线或圆弧。
由此可看出：
外圆车刀切削部分的特点是“321”；即3面2刃1尖。
而切断刀切削部分的特点是“432”。
即4面3刃2尖。
二、刀具标注角度坐标系
刀具要从工件上切下金属，就必须是它具备一定的切削角度，也正是由于这些角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置。
为了确定切削部分各刀面在空间的位置，要人为的建立基准坐标系。
要建立坐标系，首先应建立坐标平面。
以这些坐标平面为基准，建立坐标系，平面称为基准坐标平面。
基准坐标平面基面Pr二者以切削速度Vc为依据
切削平面Ps
※※在建立基准坐标平面以前，首先要做两点假设：
（1）假设主运动方向垂直于车刀刀杆底面；
（2）假定进给运动方向平行于车刀刀杆底面。
有了这两点假设，我们就好定义基准坐标平面了。
（1）基面Pr：
过切削刃上的选定点，垂直于切削速度方向的平面。
特点：
Vc相切于外圆，则Pr∥刀杆底面。
进给方向在Pr内。
（2）切削平面Ps：
过切削刃上的选定点，包括切削刃或切于切削刃（曲面刃）且垂直于基面Pr的平面。
特点：
Ps⊥刀杆底面，Vc方向在Ps内。
Ps⊥Pr。
Vf不垂直于Ps。
▼▼考虑问题：
分析切断刀的基面Pr和切削平面Ps。
为了能清楚的表达切削部分的空间几何角度，人为的建立起空间坐标系。
主剖面系最常用
空间坐标系法剖面系较常用
进给、切深剖面系较常用
最大前角、最小后角剖面系少用
下面先学习主剖面参考系
（一）主剖面参考系（Pr-Ps-Po）
主剖面参考系包括基面Pr、切削平面Ps：
基准坐标平面
主剖面Po：
测量平面
Pr和Ps的概念已讲过，这里主要讲主剖面Po：
（1）概念：
过切削刃上选定点，同时垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面，或者说垂直于切削刃在基面Pr上的投影。
（2）特点：
Po⊥Ps⊥PrPo包含切削速度Vc的方向。
通过以上分析我们知道，用坐标平面和测量平面与刀具各刀面间形成相应的角度，从而可以确定各刀面在空间的位置。
例：
前刀面Ar的位置是由前刀面Ar和基面Pr在主剖面Po内形成的角度确定；后刀面Aα由后刀面Aα与切削平面在主剖面Po内形成的角度确定。
（
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