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1、第二节第二节 切削刀具及其材料切削刀具及其材料一、一、 切削刀具结构切削刀具结构 由工作部分和非工作部分构成。由工作部分和非工作部分构成。 车刀车刀( (turning toolsturning tools) )的工作部分比较简单，的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部的柄部( (或刀杆或刀杆) )。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。数。（
2、1)1)前刀面前刀面 切屑流过的刀面。切屑流过的刀面。 1. 1.刀刀 面面（2)2)主后刀面主后刀面 与工件正在被切削加工的表面与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。（过渡表面）相对的刀面。 （3)3)副后刀面副后刀面 与工件已切削加工的表面相对与工件已切削加工的表面相对 的刀面。的刀面。（一）刀具切削部分的基本定义（一）刀具切削部分的基本定义 2. 2.刀刃刀刃（1 1）主切削刃）主切削刃 前刀面与主后刀面在空间的交线。前刀面与主后刀面在空间的交线。（2 2）副切削刃）副切削刃 前刀面与副后刀面在空间的交线。前刀面与副后刀面在空间的交线。 3 3刀尖刀尖 三个刀面在空间的交点
3、，也可理解为主、副切削刃三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。二条刀刃汇交的一小段切削刃。 在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。 （二）定义刀具角度的参考系（二）定义刀具角度的参考系刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。考系。1 1刀具静止参考系刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。在该参考
4、系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的是静止参考系中最常用的是正交平面参考系正交平面参考系。标注坐标系的假定条件 1、假定没有进给运动，只考虑主运动，并且限定主运动的方向垂直于水平面，方向向上。 2、二是假定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削速度方向(或平行少基面)，对车刀来说，规定其刀尖安装在工件的中心高度上，刀杆中心线垂直于工件的回转轴线。 2. 2.正交平面参考系正交平面参考系由以下三个在空间由以下三个在空间相互垂直的参考平相互垂直的参考平面构成。面构成。(1)(1)基面基面p pr r通过切削刃上选定通过切削刃上选定点，垂直于该点切点，垂直于该点切削速度方向的平面。削速度
5、方向的平面。通常平行于车刀的通常平行于车刀的安装面（底面）。安装面（底面）。(2)(2)切削平面切削平面p ps s 通过切削刃通过切削刃上选定点，垂直上选定点，垂直于基面并与主切于基面并与主切削刃相切的平面。削刃相切的平面。(3)(3)正交平面正交平面p po o 通过切削刃上选定点，通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂同时与基面和切削平面垂直的平面。直的平面。（三）刀具的标注角度（三）刀具的标注角度（1 1）基面中测量的刀具角度）基面中测量的刀具角度1 1）主偏角主偏角r r 主切削刃在基面上的投影与进给主切削刃在基面上的投影与进给运动速度运动速度v vf f 方向之间的夹角方向之间
6、的夹角。2 2）副偏角副偏角r r 副切削刃在基面上的投影与进给副切削刃在基面上的投影与进给运动速度运动速度v vf f反方向之间的夹角反方向之间的夹角。（2 2）切削平面中测量的刀具角度）切削平面中测量的刀具角度1 1）刃倾角刃倾角s s 主切削刃与基面之间的夹角主切削刃与基面之间的夹角。它在切削平面内标注或它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。测量，但有正负之分。当主切削刃与基面平行当主切削刃与基面平行时时s s=0=0；当刀尖点相对基面处于当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时主切削刃上的最高点时s s 00；反之反之s s 00。 （3 3）正交平面中测量的刀具角度）正交平面中测量
7、的刀具角度1)1)前角前角O O 前面与基面之间的夹角。前面与基面之间的夹角。2)2)后角后角o o 后面与切削平面之间的夹角。后面与切削平面之间的夹角。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。进给运动的影响等条件下确定的。（四）刀具工作角度（四）刀具工作角度刀具在工作参考刀具在工作参考系中确定的角度系中确定的角度称为刀具工作角称为刀具工作角度。度。 研究刀研究刀具工作角度的变具工作角度的变化趋势，对刀具化趋势，对刀具的设计、改进、的设计
8、、改进、革新有重要的指革新有重要的指导意义。导意义。1 1刀具工作参考系的建立刀具工作参考系的建立 与与静静态态系系统统中中正正交交平平面面参参考考系系建建立立的的定定义义和和程程序序相相似似，不不同同点点就就在在于于它它以以合合成成切切削削运运动动e e或或刀刀具具安安装装位位置置条条件件来来确确定定工工作作参参考考系系的的基基面面p prere。 2 2刀具工作角度的分析刀具工作角度的分析 在在车车削削( (切切断断、车车螺螺纹纹、车车丝丝杠杠) )、镗镗孔孔、铣铣削削等等加加工工中中，通通常常因因刀刀具具工工作作角角度度的的变变化化，对对工工件件已已加加工工表表面面质量或切削性能造成不利
9、影响。质量或切削性能造成不利影响。（1 1）刀具安装位置对刀具工作角度的影响）刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响刀尖安装高低对工作前、后角的影响2 2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响3、金属切削过程的基本理论、金属切削过程的基本理论 1）、切削过程中的变形 金属切削过程实质是工件受到刀具的切割和推挤以后产生弹性和塑性变形，使切削层与工件分离的过程（1）、金属切削过程中的变形）、金属切削过程中的变形规律规律 第一变形区第一变形区：产生弹性变形，剪切应力达到材料的屈服极限，金属内部产生滑移，外部表现为塑性变形，塑性变形增
10、大，韧性降低，强度和脆性增加，一直到滑移第二变形区第二变形区：切削金属层通过剪切平面OM后形成切屑，沿刀具前刀面流出过程中，受到前刀面挤压使切屑层底部继续产生滑移变形的区域，又称摩擦区第三变形区第三变形区：工件过渡表面和已加工表面受切削刃钝圆部分和后刀面的挤压，摩擦产生微量塑性变形的区域。特点：特点：主要的变形区，产生大量的切削热特点：特点：摩擦引起刀和切屑界面的温度骤然升高特点：特点：工件出现加工硬化现象的根源摩擦区摩擦区Lf 摩擦区摩擦区Lf分为分为粘接区粘接区Lf1和和滑动区滑动区Lf2粘接区粘接区Lf1：切屑与前刀面压力很大，加上高温，材料塑性增加，底层的金属与前刀面发生粘接现象，形成
11、滞留层，发生内部二次剪切滑移，当内摩擦减小到零时，切屑横截面的流动速度趋于一致。2）、积屑瘤与鳞刺）、积屑瘤与鳞刺 切削塑性金属时，在刀具切削切削塑性金属时，在刀具切削刃口附近粘接着一块剖面呈三刃口附近粘接着一块剖面呈三角状或鼻状的金属块，包围着角状或鼻状的金属块，包围着切削刃且覆盖部分前刀面，这切削刃且覆盖部分前刀面，这种堆积物种堆积物叫积屑瘤叫积屑瘤有利方面有利方面保护刀具保护刀具增加工增加工作前角作前角积屑瘤硬积屑瘤硬度很高度很高可代替切削刃可代替切削刃进行切屑，减进行切屑，减少刀具的磨损少刀具的磨损积屑瘤的存在，积屑瘤的存在，使刀具的实际工使刀具的实际工作前角增大作前角增大可减小切削变
12、可减小切削变形和切削力，形和切削力，使切削轻快使切削轻快不利方面不利方面影响工件尺影响工件尺寸精度寸精度影响工件表影响工件表面粗造度面粗造度积屑瘤破裂后会划伤表面，加积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损快刀具磨损会形成硬点和毛刺，使工件表面粗会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大造度值增大时大时小，时有时无，使切削时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动力产生波动而引起振动积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化使实际的切削深度不断变化 3. 3. 积屑瘤的控制积屑瘤的控制积屑瘤的控制积屑瘤的控制影响积屑瘤影响积屑瘤的因素的因素工件材料工件材
13、料切削用量切削用量刀具角度刀具角度切削液等切削液等控制措施控制措施要避免在中温、中速加工塑性材料要避免在中温、中速加工塑性材料增大前角可减小切削变形，降低切削增大前角可减小切削变形，降低切削温度，减小积屑瘤的高度温度，减小积屑瘤的高度采用润滑性能优良的切削液可减少采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤甚至消除积屑瘤（2）、鳞刺）、鳞刺 鳞刺：鳞刺：在已加工表面上产生与在已加工表面上产生与切削速度方向垂直的横向裂纹切削速度方向垂直的横向裂纹和呈鳞片状的毛刺和呈鳞片状的毛刺鳞刺的产生是由于少量金属材鳞刺的产生是由于少量金属材料的粘接层积接，料的粘接层积接，剪切应力的剪切应力的大小和方向不断变
14、化，大小和方向不断变化，当应力当应力的大小达到材料的强度极限，的大小达到材料的强度极限，导致切屑与母体发生撕裂。导致切屑与母体发生撕裂。切屑的形成过程及切屑种类切屑的形成过程及切屑种类1. 切屑形成过程切屑形成过程切削层切削层的金属的金属弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形挤裂挤裂切离切离切切屑屑切削层的金属切削层的金属受到刀具前刀受到刀具前刀面的推挤后产面的推挤后产生弹性变形生弹性变形随着切应力、切应变随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性服强度时，产生塑性变形而滑移变形而滑移刀具继续切入时，材刀具继续切入时，材料内部的应力、应变料内部的应力、应变继续增大，当切
15、应力继续增大，当切应力达到其断裂强度时，达到其断裂强度时，金属材料被挤裂金属材料被挤裂沿刀沿刀具前具前刀面刀面流出流出 2. 2. 切屑的种类切屑的种类切屑的种类切屑的种类切屑切屑带状切屑带状切屑挤裂切屑挤裂切屑单元切屑单元切屑崩碎切屑崩碎切屑呈连绵不断的带状或螺旋呈连绵不断的带状或螺旋状状,与刀具接触的底层光滑，与刀具接触的底层光滑，背面呈毛绒在状背面呈毛绒在状带状带状切屑切屑一般加工塑性材料（钢、一般加工塑性材料（钢、铝）、采用大的前角，铝）、采用大的前角，小的切削厚度，最高切小的切削厚度，最高切削速度，会形成此类切削速度，会形成此类切屑。切削过程平稳，切屑。切削过程平稳，切削力变化小，工
16、件表面削力变化小，工件表面光洁光洁; 必须采取断屑措施必须采取断屑措施挤裂挤裂切屑切屑切屑背面呈较大的锯齿状，切屑背面呈较大的锯齿状，底面有不贯穿的裂纹底面有不贯穿的裂纹一般加工中等硬度一般加工中等硬度钢材时，切削速度钢材时，切削速度较低，切削深度和较低，切削深度和进给量较大时产生进给量较大时产生单元单元切屑切屑在节状切屑的整个剪切面在节状切屑的整个剪切面上，切应力超过了材料的上，切应力超过了材料的破裂强度时，整个单元被破裂强度时，整个单元被切离形成粒状切屑切离形成粒状切屑在加工塑性较差在加工塑性较差的材料时，采用的材料时，采用较小的前角或负较小的前角或负前角的刀具并以前角的刀具并以极低的切削
17、速度、极低的切削速度、大的切削深度和大的切削深度和进给量进行切削进给量进行切削时形成的时形成的崩碎崩碎切屑切屑切削层金属发生弹性变形切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩裂而形成形状不就突然崩裂而形成形状不规则的崩碎切屑规则的崩碎切屑工件材料脆性越大，工件材料脆性越大，刀具前角越小，切削刀具前角越小，切削深度和进给量越大，深度和进给量越大，越易产生此类切削越易产生此类切削(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变切屑的形态可随切削条件不同而改变(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量质量增大前角增大前角提高切提高切削速度削速度减小进给量减小进给量有利于有利于使粒状切屑、使粒状切屑、节状切屑向带节状切屑向带状切屑转化状切屑转化使切削过使切削过程平稳程平稳降低加工表面降低加工表面粗造度数值粗造度数值作业作业1谓何前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角？2何谓积屑瘤？它对切削加工有何影响？如何控制？
