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1、第二章,金属切削原理与刀具,第一节 金属切削加工的基本概念,一、金属切削加工的基本概念 1、切削运动与切削表面 金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。 按切削时工件与刀具相对运动所起的作用来分 （1）主运动 vc 主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床功率最多。 （2）进给运动 vf 使新的金属不断投入切削的运动。可以是连续运动，也可以是间歇运动。 （3）合成运动与合成切削速度 刀具切削刃上某一点相对工件的运动 ve=vc+vf,合成运动,切削表面,待加工表面 已加工表面 过渡表面(加工表面),2、切削用量与切削层参数,vc、f、ap称之为切削用量三要素 （1）
2、切削速度 式中 d工件或刀具上某一点的回转直径（mm） n工件或刀具的转速（r/s或r/min）,（2）进给速度vf,单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min) 进给量f: 工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r（毫米/转）。 每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/z(毫米/齿)。 vf=fn= fzzn mm/s或mm/min,（3）背吃刀量,车削、刨削加工：背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 外圆柱表面车削的深度可用下式计算： ap =(dw dm）/2 mm 对于钻孔工作 ap = d
3、m /2 (mm) 上两式中 dm已加工表面直径（mm） dw 待加工表面直径（mm）,（4）切削层参数,a、 切削层公称厚度 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸称为切削厚度ac=fsinkr ac切削层公称厚度(mm) f进给量(mm/r) kr车刀主偏角(0) b、 切削层公称宽度 沿过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以aw表示，aw=ap/sinkr c、切削层公称横截面积 Ac=acaw=fap,第二节 刀具,一、刀具角度,1、 刀具切削部分的组成 (1) 前刀面Ar：切屑流过的表面。 (2) 后刀面：分为主后刀面与副后刀面 (3) 切削刃：前刀面上直接进行切削的边锋 主切削刃指前
4、刀面与主后刀面相交的锋边 副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边 (4) 刀尖：刀尖可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是主、副两条切削刃连接起来的一小段切削刃，它可以是圆弧，也可以是直线，通常都称为过渡刃。,2、确定刀具角度的参考平面,（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。 （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。 （3）正交面：通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直平面,切削平面+基面+正交面 正交平面参考系,3、刀具的标注角度,在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。 在切削刃是曲线
5、或前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面。,前角,后角,主偏角,刃倾角,副偏角,在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,刀具的工作角度,切削时切削平面、基面和正交平面发生变化,(1)刀具安装对工作角度的影响 当刀尖安装得高于工件中心线时，工作切削平面将变为Pse，工作基面变为Pre， 工作前角pe增大，后角pe减小。,进给运动对工作角度的影响,车刀的工作前角增大，后角减小。,二、刀具种类,1、刀具分类 按加工方式和具体用途分类 车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具、磨具 按材料分类
6、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、金刚石刀具 目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。 按结构分类 整体刀具、焊接刀具、镶片刀具、机夹刀具 按标准化分 标准刀具、非标准刀具,2、常用刀具介绍,车刀 孔加工刀具 铣刀 拉刀 螺纹刀具 齿轮刀具 自动线与数控机床刀具,（1）车刀,1-端面车刀；2-仿形车刀；3-车槽刀；4-外圆车刀；5-螺纹车刀,车刀按结构分类,整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀 焊接车刀 优点是：结构简单、紧凑；刀具刚度
7、好、抗振性能强； 制造方便，使用方便。 缺点是：切削性能较低、刀杆不能重复使用、辅助时间长。 机夹车刀和可转位车刀 优点：刀具使用寿命长、生产效率高、有利于推广新技术、新工艺 有利于降低刀具成本。,可转位刀具,将预先加工好并带有若干个切削刃的多边形刀片，用机械夹固的方法夹紧在刀体上的一种刀具。当在使用过程中一个切削刃磨钝了后，只要将刀片的夹紧松开，转位或更换刀片，使新的切削刃进入工作位置，再经夹紧就可以继续使用。,（2）孔加工刀具,孔加工刀具按其用途可分为两大类。 一类式从实体材料中加工出孔的刀具，如麻花钻、扁钻、中心钻和深孔钻等； 另一类是对工件上的已有的孔进行再加工，如扩孔钻、锪钻、铰刀及
8、镗刀等,钻头,麻花钻由三部分组成 工作部分：切削部分、导向部分 柄部：钻头的夹持部分 颈部：位于工作部分与柄部之间,中心钻,深孔钻,深孔钻：加工长径比5的深孔。 外排屑深孔钻、内排屑深孔钻、喷吸钻、套料钻,扩孔钻,锪钻,铰刀,精加工刀具 手用铰刀、机用铰刀、2把一套的锥度铰刀,镗刀,用于箱体孔的粗、精加工，分单刃镗刀和多刃镗刀,双刃镗刀,（3）铣刀,（4）拉刀,加工精度和切削效率高的多齿刀具,拉刀设计,确定拉刀参数：前角、后角、直径、齿升量，齿距p 粗切齿af=0.020.2mm；精切齿af=0.0050.015mm 齿距：,（5）螺纹刀具,切削法和滚压法加工 螺纹梳刀、板牙P26图2-26,
9、石油管螺纹梳刀,（6）齿轮刀具,成形法：用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削齿轮。,展成齿轮刀具,插齿刀、齿轮滚刀、剃齿刀 包络法（展成法）是利用齿轮的啮合原理进行的，即把齿轮的啮合副中的一个转化为刀具，另一个转化为工件，并强制刀具与工件严格地按照运动关系啮合，则刀具切削刃在各瞬时位置的包络线就形成了工件的齿廓线。采用范成原理加工齿轮的机床有滚齿机、插齿机、磨齿机等等,自动线与数控机床刀具,可靠性、断屑、精度、快换、刀具尺寸控制调整和补偿、在线监控、标准化、系列化、通用化,三、刀具材料,1、 刀具材料应具备的性能 （1）高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上
10、。 耐磨性取决于组织中硬质颗粒的数量、大小和分布。 （2）足够的强度和韧性 承受切削中的压力冲击和振动 一般强度用抗弯强度来表示，韧性用冲击值表示。 （3）高的耐热性 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。 （4）良好的工艺性 切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。 （5）良好的经济性,2、常用刀具材料,高速钢是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢按用途分为通用型高
11、速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。,硬质合金,由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。 含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。 硬度可达HRA8993，在8001000还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高410倍。抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。 广泛用作刀具材料（约占50）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。,国产硬质合金一般分为两大类：
12、一类是WC和和Co组成的钨钴类（YG）； 另一类是WC,TiC和Co组成的钨钴钛类（YT） YG类硬质合金的韧性较好，但切削韧性材料时耐磨性差，适合加工铸铁、青铜等脆性材料。 YT类硬质合金比YG类硬度高，耐热性好，切削韧性材料耐磨性较好，但韧性较差，适合加钢件。,陶瓷刀具,有纯纯Al2O3陶瓷及Al2O3TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。 陶瓷刀具有很高的硬度（HRA9195）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高25倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。 可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。但其脆性大、抗弯
13、强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。 但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。,金刚石刀具,硬度高达HV10000,耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。 切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其热稳定性差，切削温度不宜超过700800；强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削；与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。 目前主要用于磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔；加工铝合金、铜合
14、金时，切削速度可达8003800m/min。,立方氮化硼,由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。 有很高的硬度（HV80009000）及耐磨性；比金刚石高得多的热稳定性（1400），可用来加工高温合金；化学惰性大，与铁族金属直至1300时也不易起化学反应，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。 它目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰。 两种类型：整体聚晶立方氮化硼，能像硬质合金一样焊接，并可多次重磨；立方氮化硼复合片，即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。,四、刀具选用,1、 刀具种类的选择 刀具种类主要根据被加工表面的形状、尺寸、精
15、度、加工方法、所用机床及要求的生产率等进行选样。如平面的加工，单件小批量生产可采用刨床刨削。所用刀具为刨刀；在大批大量生产中，多采用铣床铣削，或拉床拉削(精度较高时)，所用刀具为铣刀和拉刀。 2、 刀具材料的选择 根据工件材料、刀具形状和类型及加工要求等进行选择。 对于切削刃形状复杂的刀具，例如成形车刀、拉刀、丝锥、板牙、齿轮刀具、以及容屑槽是螺旋形的刀具，例如麻花钻、扩孔钻、铰刀、立铣刀、圆柱铣刀。目前大多用高速钢(HSS)制造。,3、刀具角度的选择,（1）前角 增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。 前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具使用寿
16、命。 前角的大小对表面粗糙度、排屑及断屑等也有一定影响。 生产中，前角大小常根据工件材料、刀具材料、加工要求等进行选择。 工件材料的强度、硬度低：前角应选得大一些，反之应选得小些； 刀具材料韧性好(如高速调)：前角可选得大些，反之应选得小些(如硬质合金)； 精加工时前角可选得大些，粗加工时应选得小些。 通常硬质合金车刀的前角0在-50+200他围内选取，高速钢刀具的前角可比同类硬质合金刀具大50+200,（2）后角,后角0的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响 切削厚度越大，刀具后角应越小； 工件材料越软，塑性越大，后角应越大。 工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。 车削一般钢和铸铁时、车刀后角常选用4060。,（3） 主偏角,主偏角kr的大小影响切削条件和刀具寿命。 在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用
