第二章 机械加工及设备的基础理论2-1.ppt

第二章 机械加工及设备的基础理论,目录,第一节 金属切削基本知识 第二节 金属切削机床的基本知识 第三节 金属切削过程 第四节 切削力、切削热与切削温度 第五节 刀具的磨损与刀具使用寿命,第一节 金属切削基本知识,第一节 金属切削知识,1、切削运动（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。（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。（3）合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动。,一、切削运动和切削用量,由机床或人力提供的主要运动，能使刀具从工件上切除金属层使之变为切屑。例如：车削时，车床主轴带动工件作的旋转运动；铣削时，铣床主轴带动铣刀作的旋转运动。主运动是一个矢量主运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,(1)主运动,第一节 金属切削知识,(2)进给运动,进给运动：由机床或人力提供的附加运动，它能使把工件切削层不断地投入切削过程。进给运动方向：是指切削刃选定点相对于工件的瞬时进给运动方向。,第一节 金属切削知识,进给运动速度,例：外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f来表述，单位：mm/r 刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述，单位为mm/str。铣削时，进给运动速度常用每齿进给量f来表述，单位：mm/z。进给速度vf、进给量f、每齿进给量fz 和刀具齿数Z之间的关系如下：vf=nf=nzfz,第一节 金属切削知识,(3)合成切削运动,切削过程中，由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。合成切削运动方向：就是切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向。合成切削速度ve：就是切削刃选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。,第一节 金属切削知识,图2-6 外圆车削时的加工表面、切削用量与切削层,第一节 金属切削知识,车削时的切削运动,将被切去金属层的表面,已经切去一部分金属形成的新表面,切削刃正在切削着的表面,一、切削运动与切削用量,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,2、切削用量,指切削过程中切削速度、进给量和背吃刀量的总称,第一节 金属切削知识,（1）切削速度：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/s或m/min。式中 工件待加工表面直径（mm）；工件转速（r/s或者r/min）。,第一节 金属切削知识,工件或刀具每转一转或刀具往复一次,刀具相对工件在进给运动方向上的位移量，用 mm/r（行 程）表示。进给速度 vf 是单位时间的进给量，单位为mm/s 或mm/min 钻头、铣刀还规定每一个刀齿的进给量 Z刀齿数,（2）进给量,第一节 金属切削知识,（3）背吃刀量ap,指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离,单位为mm。式中 待加工表面直径（mm）；已加工表面直径（mm）。,第一节 金属切削知识,确定吃刀量有三点要注意：1）确定切削刃的两个端点；2）确定测量的方向；3）确定两界限平面。,第一节 金属切削知识,(4)吃刀量,在一般切削加工中，常用的吃刀量有背吃刀量ap）和侧吃刀量ae）两个，其单位为mm。例：车削 背吃刀量；铣削 背吃刀量、侧吃刀量,第一节 金属切削知识,a)车外圆 b)车端面 c)切槽,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,（一）、车刀的组成,第一节 金属切削知识,（一）、车刀的组成,车刀切削部分结构要素,刀面,前刀面后刀面副后刀面,刀刃,主切削刃副切削刃刀尖,第一节 金属切削知识,刀尖的类型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。,刀尖的类型,第一节 金属切削知识,前刀面:切屑沿其流出的刀面 后刀面:刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面，它对着加工表面 副后刀面:刀具上同前面相交形成副切削刃的表面，它对着已加工表面 主切削刃:前刀面与后刀面的交线。它担负着主要的切削工作 副切削刃:前刀面与副后刀面的交线。它担负少量切削工作 刀尖:主、副切削刃连接处相当少的一部分切削刃。,第一节 金属切削知识,（二）、刀具角度的参考系,刀具标注角度参考系 由主运动方向确定。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 由合成切削运动方向确定。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。,第一节 金属切削知识,刀具的静态角度,确定刀具角度的坐标参考系：主运动方向 静止参考系 进给运动方向 刀具安装位置,第一节 金属切削知识,刀具的静态角度,确定刀具角度的坐标参考系：实际合成切削运动方向 工作参考系 进给运动方向 刀具实际安装位置,第一节 金属切削知识,刀具的静态角度,确定刀具角度的坐标参考系：工作参考系 工作角度 静止参考系 静态角度,第一节 金属切削知识,刀具静止参考系,刀具静止参考系是在下列假定条件下建立的：1）刀刃上的选定点位于假定工件的轴平面内，是刀具静止参考系的原点；2）过刀具切削刃选定点的假定的进给运动方向位于车刀刀体（轴线）的法平面内并与车刀底面相平行；3）过刀具切削刃选定点的假定的主运动方向垂直于车刀刀体的底面。,第一节 金属切削知识,1、正交平面参考系,（1）基面Pr 通过切削刃选定点 垂直于假定主运动方向的平面。基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴。如图所示为普通车刀、刨刀的基面Pr。车刀的基面平行于刀体底面。,第一节 金属切削知识,1、正交平面参考系,(2)切削平面Ps 通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面。（3）正交平面P0 通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和切削平面Ps的平面。,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,法平面参考系：Pr、Ps、Pn组成。法平面Pn是过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面。由基准平面PrPsPn组成的静止参考系称为刀具的法平面参考系。,2、法平面参考系,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,3.假定工作平面参考系,由基准平面PrPfPp组成的静止参考系称为刀具的假定工作平面背平面参考系。假定工作平面Pf。过切削刃上选定点平行于进给方向并垂直于基面Pr。背平面 切削刃上选定点的背平面是过该点且垂直于基面和假定工作平面的平面，记为Pp。,第一节 金属切削知识,第一节 金属切削知识,b）法,a)正交平面参考系 b）法平面参考系 c）假定工作平面和背平面参考系,第一节 金属切削知识,（三）刀具的标注角度,刀具的标注角度是刀具设计、制造、刃磨和测量的依据。,第一节 金属切削知识,（1）前角 在正交平面Po上测量的刀具前刀面Ag 与基面Pr之间的夹角。，记为o；有正负之分，前刀面A位于基面之前角，o 0。（2）后角 在正交平面Po内测量的后刀面A与切削平面PS间的夹角，记为o。（3）楔角 前刀面和后刀面的夹角。,1、正交平面Po内标注的角度,第一节 金属切削知识,刃倾角s 在切削平面Ps内测量的主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角，记为s；当刀尖位于主切削刃的最高点时，刃倾角为正值；反之为负值。切削刃的选定点、刃倾角和主偏角这三个参数，确定了主切削刃在参考系中的位置。,2、切削平面PS 内的角度,第一节 金属切削知识,主偏角 在基面Pr上测量的切削平面Ps与假定工作平面Pf之间的夹角。副偏角 是在基面Pr上测量的副切削平面Ps与假定工作平面Pf之间的夹角。副偏角一般为锐角。刀尖角 主切削刃和副切削刃的夹角。,3、基面Pr内的角度,第一节 金属切削知识,副后角ao：副后角ao是在副正交平面Po上测量的副后面Aa与副切削平面Ps之间的夹角。,第一节 金属切削知识,车刀的标注角度,第一节 金属切削知识,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。,第一节 金属切削知识,三、刀具的工作角度,例1 基面Pr与工作基面Pre的比较：基面Pr是通过切削刃上选定点且垂直于假定主运动方向的平面；而工作基面Pre是通过切削刃上选定点，垂直于合成切削运动方向的平面。二者的不同点在于前者的主运动方向是假定的，而后者的合成切削运动方向是实际存在的。,第一节 金属切削知识,例二 前角go与工作前角goe的比较：前角go是在正交平面Po上测量的前面Ag 与基面Pr之间的夹角；而工作前角goe 是在工作正交平面Poe中测量的前面Ag 与工作基面Pre之间的夹角。二者的差异在于定义刀具角度参考系的三个基准平面都不同，原因还在于静止参考系的基准轴线是假定的，而工作参考系的基准是实际存在的合成切削运动与进给运动。,第一节 金属切削知识,三、刀具的工作角度,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于基面和切削平面转动一个角，从而引起刀具的前角和后角发生变化。,第一节 金属切削知识,横向进给运动时的工作角度,（一）进给运动对工作角度的影响,第一节 金属切削知识,当进给量增大，则值增大；当瞬时直径d减小，值也增大。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。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：,第一节 金属切削知识,（二）刀具安装对工作角度的影响,第一节 金属切削知识,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,第一节 金属切削知识,（二）刀具安装对工作角度的影响,第一节 金属切削知识,四、切削层参数,第一节 金属切削知识,切削层：切削过程中，由刀具的一个 单一动作 所切除的工件材料层。切削层尺寸平面：通过切削刃基点并垂直于该 点主运动方向的平面。切削刃基点：切削刃等分中点。例：平行四边形BCDF即为切削层尺寸平面，它截切削层于BCDE四边形。,第一节 金属切削知识,（1）切削金属公称厚度hD 切削层公称厚度是在基面内测量的切削刃两瞬时位置过渡表面间的距离，单位为mm（2）切削层公称宽度bD 切削层公称宽度是在基面内沿过渡表面测量的切削层尺寸，单位为mm（3）.切削层公称横截面面积AD 切削层公称横截面面积在基面内测量，单位为mm2,第一节 金属切削知识,材料切除率Q：在特定瞬间，单位时间所切 除的材料体积。单位：mm3/s。Q=1000vcAD=1000vchDbD=1000vcapf,第一节 金属切削知识,第二节 金属切削机床基本知识,第二节 金属切削机床基本知识,1.机床的性能方面（1）工艺范围 是指机床适应不同加工要求的能力。1）通用机床 2）专用机床,一、对金属切削机床的基本要求,一、对金属切削机床的基本要求,1.机床的性能方面（2）加工精度 机床的加工精度是指该机床加工零件表面的实际几何参数与理想几何参数的符合程度，如：零件加工表面的尺寸、形状、位置及粗糙度（3）生产效率及自动化程度 生产效率即是单位时间内机床所能加工的工件数量。全自动机床 半自动机床 普通机床,第二节 金属切削机床基本知识,1.机床的性能方面（4）人机适应性 人机适应性的基本要求是可靠、安全和舒适。,第二节 金属切削机床基本知识,机床的经济性包括两方面：机床制造厂的经济效益 机床使用厂的经济效益,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床的经济性方面,产品定义、外观设计、结构设计、工艺设计、成本核算、质保措施、运输安装、合理使用、维修折旧，报废回收。机床品种系列化、零部件通用化和标准化是生产和使用机床的一项重要的技术经济措施。,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床的经济性方面,二、金属切削机床的分类,（1）按机床的加工性能分类 车床 C 钻床 Z 铣床 X 镗床 T 磨床 M 齿轮加工机床 Y 拉床 L 螺纹加工机床 S 锯床 G 刨插床 B 其他机床 Q,第二节 金属切削机床基本知识,二、金属切削机床的分类,（2）按机床的通用性分类 1）通用机床 2）专门化机床 3）专用机床,第二节 金属切削机床基本知识,二、金属切削机床的分类,（3）按机床的自动化程度分类 1）手动机床 2）机动机床 3）半自动机床 4）全自动机床,第二节 金属切削机床基本知识,二、金属切削机床的分类,（4）按机床的工作精度分类 1）普通精度机床 2）精密机床 3）高精度机床,第二节 金属切削机床基本知识,（5）按机床的主要工作部件数目精度分类 1）单刀机床 2）多刀机床 3）单轴机床 4）多轴机床,二、金属切削机床的分类,第二节 金属切削机床基本知识,（6）按机床的重量和尺寸分类 1）仪表机床 2）中型机床 3）大型机床 4）重型机床 5）超大型机床,二、金属切削机床的分类,第二节 金属切削机床基本知识,（7）按加工过程的控制方式分类 1）普通机床 2）数控机床 3）加工中心 4）柔性制造单元,二、金属切削机床的分类,第二节 金属切削机床基本知识,1.机床的技术参数及其结构尺寸系列 机床的技术参数是表示机床尺寸大小及加工能力的各种数据。,三、金属切削机床型号的编制,第二节 金属切削机床基本知识,机床的技术参数包括：主参数 机床主参数是表示机床规格大小的一种参数，它直接反应出机床的加工能力的大小。第二主参数 主要工作部件的结构尺寸（如工作台面）主要工作部件的移动行程范围 各种运动的速度范围和级数 电机功率 机床轮廓尺寸,第二节 金属切削机床基本知识,机床型号是用来表明机床的类型、通用特性、结构特性、主要技术参数等。,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,（）（）（）（）（）其它特性代号 重大改进顺序 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,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,C A 6 1 4 0 主参数（最大加工直径320mm）系代号（1）组代号（卧式车床）通用特性（重大改进序号）类代号（车床）,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,X 6 2 主参数（主轴直径20mm）组：卧式升降台铣床 铣床,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,Y 3 1 50 E 重大改进序号 主参数（最大工件直径500mm）系代号（1）组：滚齿机 齿轮加工机床,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,Z 5 25 主参数（最大钻孔直径25mm）组：立式钻床 钻床,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,第二节 金属切削机床基本知识,2.机床型号,第二节 金属切削机床基本知识,第二节 金属切削机床基本知识,？,第二节 金属切削机床基本知识,二、机床运动,机器零件上每一个表面都可看作是一条线（母线）沿着另条线（导线）运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线（生成线、成形线）,第二节 金属切削机床基本知识,第二节 金属切削机床基本知识,二、机床运动,第二节 金属切削机床基本知识,二、机床运动,三 机床的传动,机床上任何运动的实现，均须具备以下三个基本部分：执行件 机床运动的具体执行部件，如主轴、刀架、工作台等。其任务是安装刀具或工件，并直接带动其完成一定形式的运动并保持其准确的运动轨迹。动力源 给机床运动提供动力和运动的装置，是执行件的运动动力来源。传动装置 传递运动和动力的装置。,第二节 金属切削机床基本知识,外联系传动链 联系动力源和机床执行件的传动链，它使执行件得到预定速度的运动，并传递一定的动力。外联系传动链中往往还包括变速机构和改变运动方向的换向机构等。外联系传动链传动比的变化，只影响生产率或表面粗糙度，不影响加工表面的形状。内联系传动链 联系两个执行件，以形成复合成形运动的传动链。,第二节 金属切削机床基本知识,（一）机床传动链,（二）机床的传动原理图,定比机构固定传动比的机构，简称“定比机构”，如定比齿轮副、丝杠螺母副、蜗杆蜗轮副等。可变换传动比结构简称“换置机构”，如变速箱、挂轮架和数控机床中的数控系统等。,第二节 金属切削机床基本知识,传动原理图,A）电动机 b）主轴 c）车刀 d）滚刀E）合成机构 f）换置机构 g）传动比不变的机械系统,第二节 金属切削机床基本知识,第二节 金属切削机床基本知识,（三）传动系统图,机床传动系统图是表示机床全部运动关系的示意图。它比传动原理图更准确、更清楚、更全面地表示出机床的传动关系。机床的传动系统图画在一个能反映机床外形和各主要部件相互位置的投影面上，并尽可能绘制在机床外形轮廓线内。图中的各传动元件是按照运动传递的先后顺序，以展开图的形式画出来的。传动轴的编号，通常从动力源开始，按运动传递顺序，依次用罗马数字来表示。,第二节 金属切削机床基本知识,第二节 金属切削机床基本知识,