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1、金属切削刀具 Cutting tools,第一节 概 述,金属切削加工定义、目的和条件,金属切削加工利用刀具切除被加工零件多余的材料，形成已加工表面 金属切削加工的目的 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求 两个基本条件 切削运动 刀具 是机械制造工业中最基本的加工方法，在国民经济中占有重要地位。,机械制造行业所经历的技术变迁,工业革命前：生产加工是低效的手工劳作方式 1785 瓦特 蒸汽机在纺织工厂使用，机器代替手工劳动的序幕，机械化生产的基础，机器生产机器 1797 发明第一台滑动刀架车床 1873 第一台凸轮控制的自动车床,1910-1920 福特汽车公司，
2、泰勒按节拍生产的理论，首先建立了流水线生产方式，创造了平均每分钟生产一辆T型车的记录。 1952 美国首先研制成功数控（Numerical Control NC）机床及自动编程，CAM的开端 1953 同一台机床上通过自动换刀实现铣、钻、镗、锪，铰、磨及攻丝等多种工艺的数控加工中心 （Machining Center）MIT美国麻省理工学院,1962 美国第一台工业机器人，（Industrial Robot） 1967 英、美FMS(Flexible Manufacturing system)柔性制造系统，解决十批量，离散形生产自动化。 60年代末CAPP（Computer-Aided Pro
3、cess Plann-ing）计算机进行加工工艺路线和工序内容的设计及机床切削用量、时间定额等的选择与制定 1954 美国通用电器公司（GE）首次用计算机计算职工工资,1961：物料需求计划：MRPI Material Requirements Planning 1979：制造资源计划：MRPII Manufacturing Resources planning 管理信息系统 MIS Management Information System 目前 PDM 生产数据管理系统,零件在车间中停留时间示意图,机床上（5%）,运送和等待时间95%,切削 30%,装卸、测量、等待 70%,由此看出机械制
4、造业的发展趋势,CIMS,Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统：以制造技术，计算机技术，柔性制造技术，自动化技术和现代管理科学为基础，将制造业，工厂经营活动所需的各种自动化系统，通过新的生产管理模式，工艺理论和计算机网络有机地集成，使任何复杂的产品从设计到加工以及管理的工作量减少到最低限量。,我国金属切削方面的发展：,公元前2000多年 青铜器时代 青铜刀，锯锉，磨石 春秋中晚期 考工记金工知识 唐代 原始的车床 1668 畜力铣磨机 脚踏刃磨机 1915 第一台国产车床 1947 20000多台 碳素工具钢刀具 V=10m/mi
5、n,直径2丈（6.7米）， 加工天文仪器上 的铜环 ，,或磨石,切削方式的发展离不开刀具材料，刀具结构的发展,刀具材料：高速钢硬质合金陶瓷超硬材料 刀具结构：整体式，焊接式，机类式，可转位式,特殊的金属切削加工方式：,超声波加工 振动切削,特种加工：电火花加工（电脉冲） 电解光加工 激光加工,本章内容与要求,金属切削原理与刀具是研究金属切削过程基本规律与刀具设计、使用的一门科学，是机械制造专业的重要课程。 其中切削原理又是本课及其它专业课的基础。,刀具材料的性能选用； 刀具切削部分几何参数； 切削过程现象与变化规律； 被切削材料的加工性； 提高加工表面质量与经济效益的方法 钻削、铣削、磨削过程
6、特点等。,（一）金属切削原理的主要内容,1、几何问题刀具几何角度、参数及其相互关系。,2、规律问题切削变形、切削力、切削温度、刀削温度、刀具磨损等规律。,这些内容又可以归纳为 两个方面的问题：,认识金属切削过程的一般现象及基本规律，能按具体加工条件选择合理的刀具材料、切削部分几何参数及切削用量，计算切削力和功率，并能运用所学知识分析及解决生产中的一些问题。,达到的要求：,金属切削刀具是切削加工中重要工具，影响生产率、加工质量与成本。 刀具变化灵活、改革简便、收效显著。 正确设计刀具，合理使用刀具，改进刀具,（二）金属切削刀具,学习要求：,了解一些常用的标准通用刀具、标准专用刀具的类型，结构特点
7、，工作原理，应用范围和如何正确的使用。 初步掌握一些常用刀专用刀具的设计计算方法 常用加工手段（方法）的特点,刀具种类繁多，例如有单刃刀具，多刃刀具，成形刀具； 有整体高速刀具，镶片硬质合金刀具、机夹、可转位式刀具等。 在各种类型的刀具中，又可分为如下两类,1）标准刀具,指专业工厂按国际或部标生产的刀具。 如可转位车刀、麻花钻、铰、铣刀、丝锥、板牙、插齿刀、齿轮滚刀等。 重点掌握结构，工作原理，选择与使用方法。 了解机夹、可转位车、铣刀结构分析，刀片槽型的选择，以及麻花钻的修磨与群钻，为使用面广的通用刀具打下初步基础。,2）非标准刀具,指需专门设计制造的刀具 如成形车刀与铣刀、拉刀、蜗轮滚刀等
8、。 主要了解其设计原理与计算方法,金属切削原理与刀具是与生产实践紧密联系的，涉及知识面较广 掌握基本理论 熟悉有关手册、样本，特别要重视生产实际，参加生产劳动与工作实践 理论联系实际，逐步提高解决实际问题的工作能力,一 切削运动与切削要素,（一）切削运动,1.主运动,刀具与工件之间主要的相对运动 使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料 使被切削层转变为切屑，从而形成工件的新表面。 切削运动中，主运动速度最高，消耗功率最大 主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向 切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度,2进给运动,刀具与工件之间附加的相对运动 配合主运动依次地或连
9、续不断地切除切屑 可由刀具完成车削、工件完成铣削 可以是间歇的刨削、连续的车削 进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。 进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度,刨削：主运动刨刀的直线运动 进给运动工件移动 钻削：主运动钻头旋转 进给运动钻头轴向移动 插齿：主运动插齿刀上下运动 进给运动工件分度运动等 车外圆：主运动工件高速旋转 进给运动车刀轴向运动,磨外圆：主运动砂轮旋转 进给运动工件转动，砂轮轴向移动 铣平面：主运动铣刀旋转 进给运动工件移动 镗孔：主运动刀具旋转（绕工件轴线） 进给运动刀具径向移动,3 合成切削运动 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动
10、。,（二）、切削加工过程中的工件表面,车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法 以它为例，车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。,(1)待加工表面工件上有待切除的表面 (2)已加工表面经刀具切削后产生的新表面 (3)过渡表面(或称切削表面) 切削刃正在切削的表面 它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面,（三）、切削要素,切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。,切削层,切削三要素,1.切削用量要素 切削速度 进给量 背吃刀量,(1).切削速度 VC,m/min 指主运动的线速度，以车削为例： n工件或刀具的转速，n为rmin d工件或刀具观察点的旋转直径，d为
11、mm 一般取dw,（m/min),(2).进给量 f,指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mmr 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm双行程或mm单行程 对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mmz或mm齿，它与进给量f的关系为 f=zfz,进给量是进给运动的单位量。车削时进给量f是取工件每旋转一周的时间内，工件与刀具相对位移量,（mm/min),vf进给运动速度 多齿刀具有每齿进给量,(3).背吃刀量ap,工件待加工表
12、面与加工表面之间的垂直距离 在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测 量的吃刀量 一般称为切削深度，单位为mm； dw待加工表面直径 dm已加工表面直径,提高切削用量ap、f、Vf中任何一个要素，都可缩短切削时间，提高生产效率。,(4).金属切除率QZ,在金属切削过程中，切削用量三要素选配的大小，将影响切削效率的高低，通常用三要素的乘积作为衡量指标，称为材料切除率 每分钟切下工件材料的体积 是衡量切削效率高低的另一种指标,（mm3/min）,2切削层参数,切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属 切削层参数基面中测量的切削层长度、宽度和面积。 它们与切削用量f、ap 有关,(1)切削层公
13、称厚度hD垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。 (2)切削层公称宽度bD平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。 (3)切削层公称横截面积A D在切削层参数平面内度量的横截面积。,二、刀具切削部分的几何参数,(一)刀具的组成 部分,刀面 刀头-切削部分 刀刃 刀尖 刀杆-用于装夹,1.刀 面,前刀面Ar 切屑流出时经过的刀面 后刀面Aa 与加工表面相对的刀面 副后刀面Aa 与已加工表面相对的刀面,2.切削刃,主切削刃S Ar与Aa的交线 副切削刃S Ar与Aa的交线,3 .刀尖,主、副切削刃汇交的一小段切削刃称刀尖,（二）、刀具角度,标注坐标系-静态参考系-刀具角度 它
14、是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。 工作坐标系-动态参考系-工作角度 它是确定刀具切削运动中角度的基准。,1.主剖面标注系坐标平面,刀具标注系坐标平面是以刀具结构为基础，以刀具的安装定位面及假定的切削运动方向建立起来的坐标平面。,(1).基面Pr刃磨测量的定位基准 通过切削刃某选定点，平行于车刀底面的平面。或 为通过 切削刃某选定点，包含刀具轴线的平面。 (2).切削平面Ps 通过切削刃某选定点，与切削刃相切，且垂直于基面的 平面。 (3).主剖面PO 主剖面是通过切削刃某选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。,四个基本角度,主偏角: 基面(Pr)中测量的主切削刃(S)与进给运动
15、方向(f)间夹角。 刃倾角: 切削平面(Ps)中测量的切削刃与基面(Pr)间夹角。 前角: 主剖面Po中测量的前刀面(Ar)与切削平面(Ps)间的夹角。 后角: 主剖面Po中测量的后刀面(Aa)与切削平面(Ps)间的夹角。,（三）刀具角度定义,三个刀面、两条刀刃、六个独立角度,副偏角 、副刃后角,派生角度：由以上角度推算 副刃倾角 ，副刃前角 楔角 刀尖角,（四）前角、后角、刃倾角正负的规定,三 金属切削基本理论,金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等,本节主要讲解
16、各种现象的成因、作用和变化规律。 掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量、减少能量消耗、提高生产率和生产技术发展等方面起着重要作用,基本规律： 切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损,（一）切削变形,金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：塑性金属受压缩时，随着外力增加，金属先后产生弹性变形、塑性变性，并使金属晶格产生滑移，而后断裂。（实质） 以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后产生了塑性变性。,第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区； 第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形
