1、第二章 6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
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 vc 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:(2-1)10/)(ndvwc式中 工件待加工表面直径(
3、mm) ;wd工件转速(r/s 或者 r/min) 。n2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 vf 是单位时间的进给量,单位为 mm/s 或 mm/min(2-2)nff对多点切削刀具,如钻头、铣刀还规定每一个刀齿的进给量 ,即后一个刀齿相对于zf前一个刀齿的进给量,单位为 mm/Z(毫米/ 齿)(2-3)Zfz式中 Z刀齿数。图 2-1 切削运动与工件表面第二章 73背吃刀量(切削深度) 工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离,单位pa为 mm,如图 2-2。车削外圆时:(2-4)2/)(mwpd式中 待加工表面直径
4、(mm) ;wd已加工表面直径(mm) 。m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 刀具上切屑流过的刀面。A2后刀面 与工件上过渡表面相对的刀面。3副后刀面 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 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
5、-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) 直线刃第二章 8(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
6、平面参考系由以下三个平面组成:(1)基面 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rP制造、刃磨及测量时适合于安装的平面或轴线。(2)切削平面 过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。s(3)正交平面 过切削刃上选定点并同时垂直于切削平面与基面的平面。o2法平面参考系如图 2-5 所示,法平面参考系由 、 、 三个平面组成。rPsn法平面 过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。nP3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 、 、 三个平面组成。rfpP(1)假定工作平面 过切削刃上选定点平行于进给方向并垂直于基面 的平面。f rP(2)背平面 过
7、切削刃上选定点同时垂直于基面 和假定工作平面 的平面。pPr f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第二章 9(三)刀具的标注角度1在正交平面内标注的角度(1)前角 在正交平面内度量的前刀面与基面之间的夹角。o(2)后角 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 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o(2-5)(90oo2在切削平面内标注的角度刃倾角 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)s3在基面内标注的角度(1)主偏角 主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。r(2)副偏角 副切削刃在基面上的投影与
8、进给方向的夹角。r(3)刀尖角 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r(2-6)(180rr上述角度中, 和 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or即可确定它的空间位置,即为 、 、 、 。ors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 - -rPs。在过副切削刃作的正交平oP面 内标出副前角 和副后角 o。如果车刀的主、副切削刃o在同一个公共前刀面上,则当主切削刃的四个基本角度 、o、 、 以及副偏角 确orsr定之后,副前角 和副刃倾角o随之而定,图纸上也不用标s注。这样,一把三个刀面两个 图 2-7 车刀的标注角度第
9、二章 10切削刃的外圆车刀标注角度只有六个,即 、 、 、 和 、 。如图 2-7 所示。orsor在法平面、假定工作平面参考系中,有法前角 、法后角 、侧前角 、侧后角nnf、背前角 、背后角 。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fpp法加以定义。在法平面参考系中,只需标注 、 、 和 四个角度即可确定主切削刃和前、后nrs刀面的方位。在假定工作平面参考系中,只需标注 、 、 、 四个角度便可确定ffp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
10、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 和工作切削平面 相对rePseP于 和 转动一个 角,从而引起刀具的前角和后角发生变化。其计算公式如下:rPs(2-7)oe(2-8)(2-9)dfarctg式中 、 工作前角和工作后角;oef 进给量(mm/r) ;d 工件切削点处表面直径(mm
11、) ; 正交平面内 和 之间的夹角,即主运动方向与合成运动方向的夹角。reP由式(2-9)可知,当进给量增大,则 值增大;当瞬时直径 d 减小, 值也增大。因此,车削至接近工件中心时, 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 和切削平面 就会在空间偏转一个 角,从rsP而使刀具的工作前角 增大,工作后角 减小。oeoe在假定工作平面内的工作角度为:图 2-8 横向进给运动时的工作角度第二章 11(2-10)fffe(2-11)fff(2-12)wfdtg式中 假定工作平
12、面工作前角;fe假定工作平面工作后角;f工件待加工表面直径(mm) ;wd主运动方向与合成运动方向的夹角。f图 2-9 外圆车刀的工作角度在正交平面内工作角度为:(2-13)oe(2-14)(2-15)wrdfsintg式中 正交平面内 和 之间的夹角。seP第二章 12(二)刀具安装对工作角度的影响如图 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:(2-16)ppe(2-17)(2-18)2)(tghdp式中 背平面内 与 的夹角;prPeh刀尖高于或低于工件中心的数值(mm) 。d工件切削
13、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,且时,切削层公称截面为平行四边形。o0s1切削层公称厚度 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Dh纵车时:(2-19)rDfhsin由式(2-19)可知,f 或 增大,则 变厚。r2切削层公称厚度 沿着过渡
14、表面度量的切削层尺寸称切削层公称厚度。外圆纵Db车时:图 2-10 刀尖安装高低对工作角度的影响 图 2-11 切削层参数第二章 13(2-20)rpDabsin/由式(2-20)可知, 减小或 增大,则 变短。par图 2-12 为 不同时, 与 的变化。图 2-13 为曲线刃时切削层各点的切削层公称rDh厚度。3切削层公称横截面积 切削层在基面内的面积,称为切削层公称横截面积。DA(2-21)pDafbh第二节 金属切削机床的基本知识金属切削机床(简称机床)是制造机器的机器,也称工具机或工作母机,是机械加工的主要设备。机床的基本功能是为被切削的工件和使用的刀具提供必要的运动、动力和相对位置
15、。一、机床的分类和型号编制方法在现代机械制造业中,对于不同的用途和目的,使用的机床品种和规格繁多,机床的名称往往又很长。为了便于区别、管理和使用,须对机床进行分类和编制型号。1994 年颁布的国家标准 GB/T153751994金属切削机床型号编制方法 ,对此进行了专门的规定。(一)机床的分类机床主要是按加工性质和所使用的刀具进行分类,目前我国将机床分为 11 大类:车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣床、刨插床、拉床、锯床和其他机床。在每一类机床中,又按工艺范围、布局形式和结构等分为若干组,每一组又分为若干个系(系列) 。除上述基本分类方法外,还有其他分类方法。按照万能性程
16、度,机床可分为:1 通用机床 这类机床可以加工多种零件的不同工序,加工范围广,但结构复杂。例如普通车床、万能升降台铣床、万能外圆磨床等均属于通用机床。2 专门化机床 它的加工范围较窄,专门用于加工某一类或几类零件的某一道活某几道特定工序。例如凸轮轴车床、丝杠车床、齿轮加工机床等均属于专门化机床。3 专用机床 加工范围窄,用于加工某一种零件的某一道特定工序。具有专用、高图 2-12 不同时 、 的变化rhb图 2-13 曲线刃时各点的 值Dh第二章 14效、自动化程度高和易于保证加工精度的特点,适用于大批大量生产。例如加工车床床身导轨的专用龙门磨床、各种类型的组合机床等均属于此类机床。按照自动化
17、程度,可分为手动机床、机动机床、半自动机床和自动机床。按照机床的工作精度,可分为普通机床、精密机床和高精度机床。按照重量和尺寸,可分为仪表机床、中型机床、大型机床、重型机床和超重型机床。按照机床的主要工作部件数目,可分为单刀机床、多刀机床、单轴机床、多轴机床等。按照数控功能,又可分为非数控机床、一般数控机床、加工中心、柔性制造单元等。(二)金属切削机床型号编制方法机床型号亦即机床的代号,用以表明机床的类型、通用和结构特性、主要技术参数等。GB/T153751994金属切削机床型号编制方法规定,我国的机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定规律组合而成。1通用机床型号 通用机床型号的表示方法为:
18、() () () () / ( )( )企业代号其他特性代号重大改进顺序号主轴数或第二主参数主参数或设计顺序号系代号组代号通用特性、结构特性代号类代号分类代号注:有“( )”的代号或数字,当无内容时,则不表示。若有内容则不带括号;有“”符号者,为大写的汉语拼音字母;有“”符号者,为阿拉伯数字;有“ ”符号者,为大写的汉语拼音字母、或阿拉伯数字、或两者兼有之。(1)机床类别代号 用该类机床名称汉语拼音的第一个字母(大写)表示。例如,“车床”用“C”来表示。当需要时,每类又可分为若干分类。分类代号用阿拉伯数字表示,放在类别代号之前,但第一分类不予表示。例如,磨床类分为 M、2M、3M 三个分类。机
19、床的类别代号如表 2-1 所示。表 2-1 通用机床类别代号类别 车床 钻床 镗床 磨 床 齿轮加工机床 螺纹加工机床 铣床 刨插床 拉床 锯床 其他机床代号 C Z T M 2M 3M Y S X B L G Q(2)机床的通用特性和结构特性代号第二章 151)通用特性代号 对具有某种通用特性的机床,则在类代号后加上相应的特性代号,通用特性代号可多个同时使用。例如, “XK”表示数控铣床、 “MBG”表示半自动高精度磨床;如某类型机床仅有某种通用特性,而无普通型时,则通用特性不必表示。机床的通用特性代号如表 2-2 所示。表 2-2 通用特性代号通用特性 高精度 精密 自动 半自动 数控 加
20、工中心(自动换刀) 仿形 轻型 加重型 简式或经济型 柔性加工单元 数显 高速代号 G M Z B K H F Q C J R X S2)结构特性代号 对于主参数相同而结构、性能不同的机床,在型号中加结构特性代号予以区分。结构特性代号用大写的汉语拼音表示。与通用特性代号不同,结构特性代号在型号中没有统一的含义,只在同类机床中起区分机床结构、性能不同的作用。当机床有通用特性代号时,结构特性代号应排在通用特性代号之后。为避免混淆,通用特性代号已用的字母及“L” 、 “O”都不能作为结构特性代号。例如,CA6140 型卧式车床型号中的“A”,可以理解为这种车床在结构上区别于 C6140 型机床。(3
21、)机床的组别、系别代号 用两位阿拉伯数字表示,前一位表示组别,后一位表示系别。每类机床按其结构性能及使用范围划分为 10 个组,用 09 表示。每一组又分为若干个系。系的划分原则是:主参数相同,并按一定公比排列,工件和刀具本身的和相对的运动特点基本相同,且主要结构及布局形式相同的机床划分为一个系。不同类机床组的划分如表 2-3 所示(系的划分可参阅有关文献) 。表 2-3 通用机床类、组划分表组别类别0 1 2 3 4 5 6 7 8 9车床 C 仪表车床单轴自动、半自动车床多轴自动、半自动车床回轮、转塔车床曲轴及凸轮轴车床 立式车床落地及卧式车床仿形及多刀车床轮、轴、辊、锭、及铲齿车床其他车
22、床钻床 Z 坐标镗钻床 深孔钻床 摇臂钻床 台式钻床 立式钻床 卧式钻床 钻铣床 中心孔钻床镗床 T 深孔镗床 坐标镗床 立式镗床 卧式铣镗床 精镗床汽车、拖拉机修理用镗床M 仪表磨床 外圆磨床 内圆磨床 砂轮机 坐标磨床 导轨磨床 刀具刃磨床 平面及端面磨床曲轴、凸轮轴、花键轴及轧辊磨床工具磨床2M 超精机 内圆珩磨机 外圆及其他珩磨机 抛光机沙带抛光及磨削机床刀具刃磨及研磨机床可转位刀片磨削机床研磨机 其他磨床磨床3M 球轴承套圈沟磨床滚子轴承套圈滚道磨床轴承套圈超精机叶片磨削机床滚子加工机床钢球加工机床气门、活塞及活塞环磨削机床汽车、拖拉机修磨机床齿轮加工机床 Y仪表齿轮加工机床锥齿轮加工机床滚齿及铣齿机剃齿及珩齿机 插齿机花键轴铣床齿轮磨齿机其他齿轮加工机床齿轮倒角及检查机螺纹加工机床 S 套丝机 攻丝机 螺纹铣床 螺纹磨床 螺纹车床铣床 X 仪表铣床 悬臂及滑枕铣床 龙门铣床 平面铣床 仿形铣床 立式升降台铣床 卧式升降台铣床 床身铣床 工具铣床 其他铣床