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1、金属切削原理及刀具,授课人：朱林 E-mail:,一、课程的性质与任务,本课程的性质,研究金属切削过程的基本规律及刀具的工作原理。 本课程主要包括：金属切削原理、金属切削刀具。,课程的任务,掌握切削过程的基本规律，并能运用这些规律分析和解决切削过程的有关技术问题。 掌握刀削材料的种类、特点及用途。 掌握刀具各剖面的功用及各参考系的特点和角度之间的换算方法及作用。 掌握专用刀具的设计原理及设计方法。 了解金属切削原理和金属切削刀具的研究动态和发展趋势。,请看刀具动态演示一,请看刀具动态演示二,请看刀具动态演示三,请看刀具动态演示四,请看刀具动态演示五,第一篇 切削原理,一、基本定义,基本内容 切
2、削运动 刀具切削部分的组成 刀具角度及换算 切削层要素,基本要求 熟悉刀具切削部分的组成要素 熟悉各坐标系及刀具角度的换算,重点及难点 刀具切削部分的组成 刀具的角度,金属切削运动过程,工件和刀具相互作用的过程。,切削运动所 需要的条件,相对运动,刀具材料必须具有一定的切削性能,刀具必须具有适当的几何参数,1、切削运动,在切削加工中，工件表面的形状、尺寸及相互位置关系是通过刀具相对于工件的运动形成的。按照在切削过程中所起的作用，切削运动可分三类：,主运动 直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度即切削
3、速度v。,进给运动 是指不断地把切削层投入切削的运动。它的速度较低。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几个。进给运动的速度用进给量f或进给速度vf表示。,进给量：对于外圆车削来说，进给量是指工件转一转，刀具沿工件轴向的移动距离。,定位和调整运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。,注意点： 切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动应是上述两运动的合成。 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成，还可以由刀具和工件共同来完成。 主运动和进给运动
4、可以是直线运动（平动），也可以是回转运动（转动），还可以是平动和转动的复合运动。,切削过程中工件上的表面变化状况：,在加工中，工件上出现三个不断变化着的表面：,待加工表面-即将被切除切削层的表面； 加工表面-切削刃正在切削着的表面； 已加工表面-已经切去切屑形成的新表面 。,请看工件表面变化的动态演示,刀具切削部分的组成要素,切削刀具的种类很多，形状各异，但它们切削部分的几何形状与几何参数具有共同的特征：切削部分的基本形状为楔形； 其它刀具可以视为由外圆车刀演变或组合而成； 车刀由刀体和刀柄两部分组成，刀体即为切削部分。,前刀面 刚形成的切屑沿其流出的刀面； 主后刀面 与工件加工表面相对的刀面
5、； 副后刀面 与工件已加工表面相对的刀面； 主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，它承担主要的切削工作； 副切削刃 前刀面与副后刀面的交线； 刀尖 主、副切削刃的实际交点，为了强化刀尖，一般都在刀尖处磨成折线或圆弧形过渡刃。,刀具的角度,刀具要从工件上切下金属，必须具有一定的角度，也正是由于切削角度才决定了刀具切削部分各表面的空间位置。要确定和测量刀具角度，必须引入一个空间坐标参考系。,建立刀具切削角度坐标系的方法：通过切削刃上某一选定点，做工件加工表面的切削平面和正交平面，以构成刀具角度的坐标系。,刀具坐标系有多种形式，经常使用的是刀具切削参数坐标系和刀具标注角度坐标系。,刀具切削角度坐标平面中
6、的几个概念,切削平面 ：通过切削刃某选定点，与工件加工表面相切的平面。 基面 ：通过切削刃某选定点，垂直于合成切削速度向量 Ve的平面。 主剖面：垂直于主切削刃在基面上的投影的平面。,刀具标注角度的坐标系,定义：在设计与制造刀具时， 在不知道合成切削速度的方向的情况下，为了确定刀具角度值的大小，在某些合理的假定条件下建立坐标系 。,假定条件： 主切削刃处在水平面上，刀尖恰在工件中心上； 刀柄中心线垂直于工件轴线（假定进给方向）； 主运动方向与刀具底面垂直（不考虑进给运动）； 工件已加工表面的形状为圆柱面。,刀具的标注角度,刀具的标注角度是制造和刃磨所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。,在
7、正交平面Po中测量的角度： 1）前角o - 前刀面与基面之间的夹角。通过选定点的基面若位于楔形刀体的实体之外，前角为正值；反之为负值。 2）后角o - 后刀面与切削平面之间的夹角。若通过选定点的切削平面位于楔形刀体的实体之外，后角为正值；反之为负值。 3）楔角o - 前刀面与主后刀面之间的夹角。显然有：o + o +o = 90。 ,在基面Pr中测量的角度： 1）主偏角kr - 主切削刃在基面上的投影与假定进给方向之间的夹角。 2）副偏角kr - 副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向之间的夹角。 3）刀尖角r - 主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角。显然有： kr+kr +r = 18
8、0 在切削平面Ps中测量的角度： 刃倾角s - 主切削刃与基面之间的夹角。当刀尖是主切削刃上最低点时，刃倾角定为负值；当刀尖是主切削刃上最高点时，则刃倾角为正值 ；否则其值为零。,当s = 0时，主切削刃与切削速度垂直，称之为直角切削或正切削。而s 0的切削称为斜角切削或斜切削。s的正或负会改变切屑流出的方向。,请看不同s下刀具加工的动态演示,注意点：,当 o、s 、kr 及kr 为已定值，且主、副切削刃处于共同的前刀面时，o 也已被确定了。 外圆车刀的标注角度只有六个是独立的：o 、o、kr、 kr、s与o ，它们的大小会直接影响切削过程。,加工过程中影响刀具角度的几个因素,进给运动的影响；
9、 刀具安装位置的影响； 工具形状的影响；,进给运动的影响,横向进给运动的影响,Pr、Ps分别是刀具加工工件前的基面与切削平面；Pre、Pse分别是加工工件时的基面与切削平面。 u是工作前后前角、后角的变化的差值。 o、o加工工件前的前角、后角；oe 、oe加工工件时的前角、后角。,在切削加工过程中发生变化的量为：,基面P、切削平面P 的位置发生变化；,切削速度Vc变至合成速度V,刀具的前角和后角发生变化：,oe =o + ,oe=o - ,=arctgf/(d),结论,当进给量增大，则值增大；当瞬时直径减小，值也增大。因此，车削至接近工件中心时，值增长的很快，工作后角将由正变负，致使工件最后被
10、挤断。,=arctgf/(d),oe =o + ,oe=o - ,轴向进给运动的影响,Pr、Ps分别是刀具加工工件前的基面与切削平面；Pre、Pse分别是加工工件时的基面与切削平面。 u是工作前后前角、后角的变化的差值。 o、o加工工件前的前角、后角；oe 、 oe加工工件时的前角、后角。,在切削加工过程中发生变化的量为：,切削速度Vc变至合成速度V,基面P、切削平面P的位置发生变化；,刀具的前角和后角发生变化：,oeo,oeo,tgfsinr/(dw),进给量越大，工件直径越小，则工作角度值的变化就越大。 一般车削时，由进给运动所引起的值不超过301，故其影响常可忽略。 在车削大螺距螺纹或蜗
11、杆时，进给量很大，故值较大，此时就必须考虑它对刀具工作角度的影响。,刀具安装高低对工作角度的影响,车削外圆时，车刀的刀尖一般与工件轴心是等高的。如果刀尖高于或低于工件轴线，则此时的切削速度方向发生变化，引使基面和切削平面的位置改变，从而使车刀的实际切削角度发生变化。,刀尖高于工件轴线时,工作切削平面变为Pse，工作基面变为Pre，则工作前角oe增大，工作后角oe减小。,刀尖低于工件轴线时,工作切削平面变为Pse，工作基面变为Pre，则工作前角oe减小，工作后角oe增大。,oeo,oeo （+）,刀杆中心线偏斜对工作角度的影响,当车刀刀杆的中心线与进给方向不垂直时，车刀的主偏角和副偏角将发生变化
12、。,刀杆右斜 工作主偏角re增大，工作副偏角re减小；,刀杆左斜 工作主偏角re减小，工作副偏角re增大；,4、切削层要素,切削层的概念,对于单刃刀具，是指切削刃沿进给方向移动一个进给量后所切下的金属体积在基面上所截得的金属层； 对于多刃刀具，是指两个相邻刀齿沿进给方向移动一个每齿进给量后所切下的金属体积在基面上所截得的金属层；,切削用量的概念,切削深度的概念,在基面上垂直于进给方向测得的切削层尺寸。,注意 粗车往往一次切削即成； 精车或半精车则往往要分成几次切削即成。,切削用量 是指切削速度Vc，进给量f(或进给速度Vf)和切削深度ap三者的总称。,切削层的几个参数,切削层厚度hD 垂直于过
13、渡表面测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。 切削层宽度bD 沿过渡表面测量的切削层尺寸。它反映了切削刃参加切削的工作长度。 切削层公称横截面积AD 切削层在切削层尺寸平面内的实际横截面积。,【切削加工基础视频】,第二章 刀具的材料,基本内容,刀具材料应具备的性能 刀具材料的种类、性能及适用范围,基本要求,掌握常用刀具材料的性能及选用原则 了解其它刀具材料的性能及特点,重点难点,常用刀具材料的性能及选用原则,刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状、结构尺寸和刀具系统。,刀具材料应具备的性能,请看刀具加工过程一,请看刀具加工过程二,
14、请看刀具加工过程三,请看刀具加工过程四,结论一：,在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和强烈的摩擦； 刀具切削区产生很高的温度，受到很大的应力； 在加工余量不均匀的工件或断续加工时，刀具受到强烈的冲击和振动。,结论二：,高的硬度； 高的耐磨性； 足够的强度和韧性； 高的耐热性（热稳定性）； 良好的热物理性能和耐热冲击性能； 良好的工艺性能；,常用的刀具材料,常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等； 碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,主要介绍高速钢、硬质合金、陶瓷及其它超
15、硬刀具材料。,高速钢,高速钢是含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢。 高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达HRC6267）和耐热性（切削温度可达550600）。 与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度13倍（因此而得名），提高刀具耐用度1040倍，甚至更多。 它可以加工从有色金属到高温合金在内的范围广泛的材料 。,结论,常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等） 。,硬质合金,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。 硬质合金中的金
16、属碳化物熔点高、硬度高、化学稳定性与热稳定性好 。 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，加工效率高且能切削诸如淬火钢等硬材料。 硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,结论,在我国，绝大多数车刀、端铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造 。 目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,陶瓷和超硬刀具材料,陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（9195HRA）和耐热性，在1200的温度下仍能切削 ； 耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小 ； 抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低 ,陶瓷材料,超硬刀具材料包括
