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1、机械制造技术基础第二章 金属切削原理与刀具,2015-2016学年 秋季学期,刀具与工件之间主要的相对运动，它使工件材料由被切削层转变为切屑，形成工件的新表面。,1.1 切削运动,1）主运动,刀具的基本知识,使工件的被切削层不断投入切削，形成已加工表面。,2） 进给运动,（1）待加工表面 加工时即将被切除的表面。,1.2 加工表面,（2）己加工表面 已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面。,（3）过渡表面加工时由主切削刃正在切削的那个表面，它是待加工表面和已加工表面之间的表面。,刀具的基本知识,切削用量三要素,切削速度vc 进给量 切削深度ap,1.3 切削用量三要素,刀具是由切削部分和刀
2、柄部分构成。,前刀面A ：切屑流过的刀面。,1）刀面,主后面A：与被切削加工的表面(过渡表面)相对的刀面。,副后面A ：与已切削加工的表面相对的刀面。,刀具的结构要素,1.4 刀具的结构,2）刀刃/刀尖,1.4 主剖面参考系的构成,(a)基面 pr 通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。,(b)切削平面 ps 通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。,刀具角度的参考系,(c)主剖面（正交平面） po 通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,1.4 主剖面（正交平面）参考系的建立,(a) 确认刀具的主切削刃和副切削刃；,(b) 在切削刃上确定考查点；,(c
3、) 确定考查点处主切削运动速度方向；,(d) 建立正交平面参考系中的基面；,(e) 建立正交平面参考系中的切削平面；,(f) 建立正交平面参考系中的主剖面（正交平面）。,刀具角度的参考系,(a)正交平面Po中测量的刀具角度,前角0 前刀面与基面之间的夹角。,后角0 后刀面与切削平面之间的夹角。,1.5 刀具标注角度,刀具测量角度,（b）基面Pr中测量的刀具角度,主偏角 kr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。,副偏角 kr 副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。,刀具测量角度,(c)切削平面Ps中测量的刀具角度,刃倾角s主切削刃与基面之间的夹角,注意：刃
4、倾角s有正负之分：当主切削刃与基面平行时，s=0； 当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时，s0； 否则，s0。,刀具测量角度,主剖面内的标注角度,刀具安装位置对刀具工作角度的影响,刀具工作角度,1.5 刀具工作角度,进给运动对工作前、后角的影响,刀具工作角度,按是否标准化，可分为标准刀具和非标准刀具等。,按加工方式和具体用途，可分为车刀、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和磨具等几大类型。,按所用材料性质，可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼 （CBN） 刀具和金刚石刀具等；,按结构形式，可分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；,刀具的
5、分类,1.5 刀具的分类,麻花钻： 三条切削刃，前刀面（螺旋面）、后刀面等,孔加工刀具,刀具切削部分的材料是决定刀具切削性能优劣的关键因素之一。 材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,刀具材料,选用刀具材料的注意点,加工一般材料： 选用普通高速钢及硬质合金； 加工难加工材料： 选用新牌号硬质合金或高性能高速钢； 加工高硬度材料或精密加工： 选用超硬材料。,刀具材料,1-1 进给运动通常是机床中（ ）。切削运动中消耗功率最多的运动 切削运动中速度最高的运动不断地把切削层投入切削的运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动1-2 在外圆磨床上磨削工件外圆表面，其主运动是（ ）。砂轮的
6、回转运动 工件的回转运动砂轮的直线运动 工件的直线运动1-3 在立式钻床上钻孔，其主运动和进给运动（ ）。均由工件来完成 均由刀具来完成分别由工件和刀具来完成 分别由刀具和工件来完成,刀具材料,1-4 背吃刀量ap是指主刀刃与工件切削表面接触长度（ ）。在切削平面的法线方向上测量的值 正交平面的法线方向上测量的值在基面上的投影值 在主运动及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值1-5 在背吃刀量ap和进给量f一定的条件下，切削厚度与切削宽度的比值取决于（ ）。刀具前角 刀具后角 刀具主偏角 刀具副偏角1-6 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为（ ）。切削深度 切削长度 切削厚度 切削宽度
7、,1-7 切削用量和刀具角度,刀具材料,1-8 在正交平面内度量的基面与前刀面的夹角为（ ）。前角 后角 主偏角 刃倾角1-9 刃倾角是主切削刃与（ ）之间的夹角。切削平面 基面 主运动方向 进给方向1-10 车削加工时，车刀的工作前角（ ）车刀标注前角。大于 等于小于 有时大于、有时小于,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,切削的形成过程,金属切削过程中的变形,刀具和工件相互作用形成切屑的过程。基本条件：切削运动和刀具。现象：切削变形、切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损。,2.1 金属切削过程
8、,金属切削过程中的变形, 第一变形区 第二变形区 第三变形区,OA始滑移线:塑性变形开始； OM终滑移线：金属晶粒的剪切滑移基本完成，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,2.2 金属切削变形,切屑根部金相照片,金属切削过程中的变形,切屑的类型及控制,2.3 切屑类型及控制,4）崩碎切屑,切削力的幅度小，但波动大，切削过程不平稳，易损坏刀具，已加工表面粗糙。,切屑的类型及控制,减小切削厚度，使切屑成针状或片状，同时提高切削速度，以增加工件材料的塑性。,切削加工中采用适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，形成“可接受”的良好切屑。,1 ）采用断屑槽,对流动中的切屑施加一定的约束力
9、，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。,切屑的类型及控制,增大刀具主偏角 切削厚度变大，有利于断屑。,2）改变刀具角度,减小刀具前角 可使切屑变形加大，切屑易于折断。,3）调整切削用量,速度不高、切削塑性金属、形成带状切屑，刀具和切屑间的压力和摩擦，使得切屑冷焊并层积在前刀面上，形成硬度很高的一块剖面呈三角状的硬块，其硬度是工件材料硬度的23倍，能够代替刀刃进行切削，并以一定的频率生长和脱落。这硬块称为积屑瘤。,积屑瘤的形成及其影响,2.4 积屑瘤及控制,（1）增大刀具前角,（2）增大切削厚度,（3）增大已加工表面粗糙度,（4）对刀具寿命的影响,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面
10、。在粗加工时，可充分利用积屑瘤；精加工时，必须防止积屑瘤的产生；,（2）使用润滑性能好的切削液；,（1）合理选用切削速度；,（3）增大刀具前角；,（4）降低工材塑性；,（5）减小进给量；,积屑瘤的形成及其影响,抑制,切削变形过程,2-1在一般速度范围内，第变形区的宽度仅为0.020.2mm。切削速度愈高，宽度愈小。 2-2切削时出现的积屑瘤、前刀面磨损等现象，都是第变形区的变形所造成的。 2-3第变形区的变形是造成已加工表面硬化和残余应力的主要原因。2-4由于大部分塑性变形集中于第变形区，因而切削变形的大小，主要由第变形区来衡量。,T,F,T,T,切削变形过程,2-5在形成挤裂切屑的条件下，若
11、减小刀具前角，减低切削速度，加大切削厚度，就可能得到崩碎切屑。 2-6在形成挤裂切屑的条件下，若加大刀具前角，提高切削速度，减小切削厚度，就可能得到带状切屑。 2-7切屑形态的变化反映了切削变形程度的不同，如带状切屑是切削层沿剪切面滑移变形尚未达到断裂程度而形成的。 2-8经过塑性变形后形成的切屑，其厚度hch通常都要小于工件上切削层的厚度hD，而切屑长度Lch通常大 于切削层长度Lc。,F,T,T,F,切削变形过程,2-9 积屑瘤是在中等切速加工塑性材料条件下的一个重要物理现象。 2-10在精加工时，积屑瘤对切削过程是有利的，应设法利用这一点提高已加工表面质量。 2-11 积屑瘤的形成与摩擦
12、条件有关，而影响摩擦条件的主要因素是接触面压力。,T,F,F,l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形的抗力；2）克服塑性变形的抗力；,切削力来源于以下三个方面：,2.5 切削力,3）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力；,切削力,切削力,切削功率,式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。,机床电机功率,式中 机床传动效率，通常= 0.750.85,只有前者1%2%,切削力,单位切削力,用kc（Nmm2）表示：,切削力,单位切削功率,Qz单位时间内金属切除量（mm3/s）,切削热的来源1)切削层金属发生弹性变形和塑性变形所消耗的能量（三个区）；2)切屑与前刀面、
13、工件与后刀面间产生的摩擦热。,切削热和切削温度,切削热是切削过程中的重要物理现象。切削所消耗的能量=形成新表面和以晶格扭曲等形式的潜藏能（1-2%）+热能（98-99%）,2.6 切削热和切削温度,单位时间产生的切削热： Q= Fcvc = CFz ap xFz f yFz v（nFZ+1） KFz,切削热和切削温度,切削用量ap 基本成正比例影响，切削速度v 或 进给量f等因素对切削热影响=对切削力影响,不同的加工方法其切削热由切屑、工件、刀具和介质传出的比例不同。导热率高，热量容易传出，切削温度随之降低，刀具不易磨损，有利于提高刀具寿命。,2.7 刀具磨损形态和磨损机制,刀具磨损和刀具寿命
14、,对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散磨损和化学磨损强度较高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；磨料磨损则在不同切削温度下都存在。,硬质点划痕 冷焊粘结 扩散磨损 化学磨损,刀具磨损和刀具寿命,磨钝标准 概念：允许的最大磨损的限度。度量： 后刀面处的磨损宽度VB；径向尺寸磨损量NB（精加工）；,刀具磨损和刀具寿命,刀具寿命（最高生产率/最低生产成本）刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间；两次刃磨之间所经历的切削时间T。,刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。,切削变形过程,2-12主切削力Fc是计算机床功率及设计夹具、刀具的
15、主要依据。 2-13 吃刀抗力可能引起工件的弯曲与振动，影响加工质量。 2-14 进给抗力Ff是设计和校验机床进给机构强度的重要依据。 2-15 由于切削变形复杂，在实际生产中常用理论公式计算切削力的大小。 2-16 切削功率主要是主运动和主切削力所消耗的功率。 2-17 影响切削力的因素很多，其中最主要的是刀具材料、刀具磨损、冷却润滑液。,T,T,T,F,T,F,切削变形过程,2-18切削温度是切削过程的一个重要物理量，主要影响刀具磨损和积屑瘤的产生，但对表面质量没有影响。2-19切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（如空气、切削液）传散出去。不同的加工方法其切削热传散的比例是相同。2-20 切削温度的高低不仅取决于热源区产生热量的多少，而且还取决于散热条件的好坏。 2-21凡影响切削变形、切削抗力及功率消耗的因素，都对生热有影响。 2-22 切削用量增加，功率消耗加大，切削热的生成加多，切削温度升高。,
