第二章金属切削原理与刀具

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1、 第一节 刀具的结构 一、切削运动 1.1.切削运动切削运动 刀具与工件间的相对运动称为切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动 （即表面成形运动）（即表面成形运动） 主主 运运 动动：在机床上形成切削速度并消耗大部：在机床上形成切削速度并消耗大部 分切削力的运动分切削力的运动 进给运动：机床上维持切削加工过程连续不断：机床上维持切削加工过程连续不断 进行运动进行运动金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具2.2.切削要素切削要素 待加工表面待加工表面： 工件上即将被切除的表面工件上即将被切除的表面 已加工表面已加工表面： 工

2、件上已切去切削层而形工件上已切去切削层而形 成的新表面成的新表面 过渡表面过渡表面( (加工表面加工表面) )： 工件上正被刀具切削着的工件上正被刀具切削着的 表面，介于已加工表面和表面，介于已加工表面和 待加工表面之间待加工表面之间 切削过程中，工件上通常存在的切削过程中，工件上通常存在的3 3个不断变化的表个不断变化的表面面 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具切削要素包括切削用量和切削层的几何参数切削要素包括切削用量和切削层的几何参数 (1).(1).切削用量切削用量 包括切削速度、进给量、背吃刀量（切削深度）包括切削速度、进给量、背吃刀量（切削深度） 切削速度切削速度VcVc（m

3、/sm/s）：刀具切削刃上选定点相对于）：刀具切削刃上选定点相对于 工件主运动的速度工件主运动的速度 计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度 外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为 dwdw工件待加工表面的直径，工件待加工表面的直径，(mm)(mm) n n工件的转速，工件的转速，( (r/sr/s) ) 内孔车削时的切削速度计算公式为内孔车削时的切削速度计算公式为 d dm m工件已加工表面的直径，工件已加工表面的直径，(mm)(mm) n n工件的转速，工件的转速，( (r/sr/s) 黑龙江大学机电工程学院

4、金属切削原理与刀具 进给量进给量f f 在主运动每转一转或每一行程时，刀具与工件在主运动每转一转或每一行程时，刀具与工件 之间沿进给动方向的相对位移之间沿进给动方向的相对位移 单位是单位是 mm/r(mm/r(用于车削、镗削等用于车削、镗削等) ) mm/ mm/行程行程( (用于刨削、磨削等用于刨削、磨削等) ) 进给量表示进给运动的速度进给量表示进给运动的速度 进给速度进给速度VfVf（mm/s) mm/s) 每齿进给量每齿进给量fzfz( (多刃刀具，多刃刀具，mm/mm/齿齿) ) 其中：其中： n n主运动的转速，主运动的转速，( (r/sr/s) ) z z刀齿齿数刀齿齿数V Vf

5、 f= =n nf f= =n nz zf fz z 黑龙江大学机电工程学院 背吃刀量背吃刀量a ap p （切削深度）（切削深度） 待加工表面与已加工表面之间的垂直距离待加工表面与已加工表面之间的垂直距离(mm) (mm) 单位为单位为mm mm 对于外圆加工对于外圆加工 其中：其中：d dw w工件待加工表面的直径，工件待加工表面的直径，(mm)(mm) d dm m工件已加工表面的直径，工件已加工表面的直径，(mm) (mm) 对于钻孔工作对于钻孔工作金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 (2).(2).切削层参数切削层参数 在切削过程中，工件每转一转或刀具每转

6、一齿，刀在切削过程中，工件每转一转或刀具每转一齿，刀 具主切削刃相邻两位置间的一层金属，称为切削层具主切削刃相邻两位置间的一层金属，称为切削层切削层公称宽度切削层公称宽度a aw w： 沿过渡表面测量的切削层尺寸沿过渡表面测量的切削层尺寸 a aw w反映了切削刃参加切削的工作长度反映了切削刃参加切削的工作长度 a aw w= =a ap p/sink/sinkr r 切削层公称厚度切削层公称厚度a ac c： 在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两 过渡表面之间的距离过渡表面之间的距离 a ac c反映了切削刃单位长度上的切削负荷反映了切削刃

7、单位长度上的切削负荷 a ac c= =f fsinksinkr r 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 切削层公称横截面积切削层公称横截面积AcAc： 切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积 Ac=Ac=a ac ca aw w= =f fsinksinkr ra ap p/sink/sinkr r= =f fa ap p 切削用量与切削层参数切削用量与切削层参数 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 二、刀具角度 1.1.刀具切削部分的组成刀具切削部分的组成三面两刃一尖三面两刃一尖 前前( (刀刀) )面面 主后主后( (刀刀) )面面 副后

8、副后( (刀刀) )面面 主切削刃主切削刃 副切削刃副切削刃 刀尖刀尖 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具其它各类刀具，都可以看作是车刀的演变和组合其它各类刀具，都可以看作是车刀的演变和组合 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具2.2.刀具角度的参考平面刀具角度的参考平面 正交平面参考系正交平面参考系 切削平面：通过主切削刃上切削平面：通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切某一点并与工件加工表面相切的平面。的平面。 基面：通过主切削基面：通过主切削刃上某一点并与该点切削速度刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。方向相垂直的平面。 正交平正交平面：通过主切削刃上某一点并面：

9、通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面垂直的平面法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 3.3.刀具的标注角度刀具的标注角度 在正交平面内测量的角度在正交平面内测量的角度 前角前角0 0： 前刀面与基面之间的夹角前刀面与基面之间的夹角 表示前刀面的倾斜程度表示前刀面的倾斜程度 正值、负值、零正值、负值、零 后角后角0 0： 主后刀面与切削平面之间主后刀面与切削平面之间 的夹角的夹角 表示后刀面的倾斜程度表示后刀面的倾斜程度 一般为正值一般为正值 黑龙江大学机电工程

10、学院 金属切削原理与刀具 在基面内测量的角度在基面内测量的角度 主偏角主偏角rr： 主切削刃在基面上主切削刃在基面上 的投影与进给运动方的投影与进给运动方 向的夹角向的夹角 一般为正值一般为正值 副偏角副偏角rr： 副切削刃在基面上副切削刃在基面上 的投影与进给运动反的投影与进给运动反 方向的夹角方向的夹角 一般为正值一般为正值 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 在切削平面内测量的角度在切削平面内测量的角度 刃倾角刃倾角ss：主切削刃与基面之间的夹角：主切削刃与基面之间的夹角 正值、负值、零正值、负值、零 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原

11、理与刀具 4.4.刀具的工作角度刀具的工作角度 根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变 刀具的工作角度（实际角度）：以切削过程中实际的切刀具的工作角度（实际角度）：以切削过程中实际的切 削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度 刀具安装位置对工作角度的影响刀具安装位置对工作角度的影响 车刀安装高度对工作角度的影响车刀安装高度对工作角度的影响 车刀安装偏斜对工作角度的影响车刀安装偏斜对工作角度的影响 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件不考虑

12、进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件 轴线时，将引起工作前角轴线时，将引起工作前角oeoe和工作后角和工作后角oeoe的变的变化 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 当车刀刀杆的纵当车刀刀杆的纵 向轴线与进给方向向轴线与进给方向 不垂直时，将会引不垂直时，将会引 起工作主偏角起工作主偏角rere和和 工作副偏角工作副偏角rere的的 变化变化 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 进给运动对工作角度的影响进给运动对工作角度的影响纵向进给运动对工作角度的影响纵向进给运动对工作角度的影响横向进给运动对工作角度的影响横向进给运动对工作角度的影响 车削时由于进给运动车削时由于进给运动的存

13、在，使车外圆及车的存在，使车外圆及车螺纹的加工表面实际上螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面是一个螺旋面 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 刀具切削部分的组成刀具切削部分的组成三面两刃一尖三面两刃一尖 前前( (刀刀) )面面 主后主后( (刀刀) )面面 副后副后( (刀刀) )面面 主切削刃主切削刃 副切削刃副切削刃 刀尖刀尖 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑

14、龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、刀具种类三、刀具种类1.1.刀具分类刀具分类 按加工方式和具体用途：车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、按加工方式和具体用途：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。螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具。 按所用材料：工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀按所用材料：工具钢、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（具、立方氮化硼（CBNCBN）刀具和金刚石刀具等。）刀具和金刚石刀具等。按结构：整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等。按结构：整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等。 按是否标准

15、化：标准刀具和非标准刀具等。按是否标准化：标准刀具和非标准刀具等。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 2.2.常用刀具简介常用刀具简介 (1)(1)车刀车刀 在结构上分为：在结构上分为： 整体车刀整体车刀 焊接车刀焊接车刀 焊接装配式车刀焊接装配式车刀 机械夹固刀片车刀机械夹固刀片车刀 机夹车刀机夹车刀 可转位车刀可转位车刀 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 将硬质合金刀 片用机械夹固的方 法安装在刀杆上， 又称“机夹重磨式” 车刀 黑龙江大学机电工程学院 刀片为多边形，每一边都可做切削刃，用钝 后只需将刀片转位，即以新的切削刃投入工作。 又称“机夹不重磨式”车刀金属切削原

16、理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 (2)孔加工刀具 从实体材料上加工出孔的刀具: 麻花钻切削部分：承担主要的切削工作 导向部分：引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分 柄部：钻头的夹持部分，用来传递扭矩（直柄、锥柄） 颈部：磨柄部时的砂轮越程槽，也是钻头打标记的地方 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 中心钻加工轴类零件的中心孔 钻孔时先打中心孔，防止钻偏 深孔钻（孔深与孔径之比大于5的孔） 内排屑深孔钻 外排屑深孔钻 喷吸钻 套料钻 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 对工件上已有孔进行加工的刀具: 扩孔钻 扩孔

17、钻专门用来扩大已有孔。它比麻花钻的齿数多(Z3)，容屑槽较浅，无横刃，强度和刚度均较高，导向性能、切削性能较好，加工质量和生产效率比麻花钻高 (a)高速钢整体式 （b）镶齿套式 (c)镶硬质合金可转位式 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 铰刀 用于孔的精加工，加工余量小，齿数多，又有较长的修光刃，加工精度和表面质量都很高 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 镗刀： 多用于箱体孔的粗、精加工，可分为单刃和多刃镗刀 微调镗刀微调镗刀 1-1-刀片刀片 2-2-镗杆镗杆 3-3-导向键导向键 4-4-紧固螺钉紧固螺钉 5-5-精调螺母精调螺母 6-6-刀块刀块 黑龙江大学机电工程学

18、院 金属切削原理与刀具 (3).铣刀 按用途分 圆柱铣刀 端铣刀 盘形铣刀 立铣刀 键槽铣刀 角度铣刀 成形铣刀 盘形齿轮铣刀 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 (4)(4)拉刀拉刀 是一种加工精度和加工效率都比较高的多齿是一种加工精度和加工效率都比较高的多齿 刀具，广泛用于大批大量生产刀具，广泛用于大批大量生产 加工各种内、外表面加工各种内、外表面 按加工表面的不同分为：内拉刀按加工表面的不同分为：内拉刀 外拉刀外拉刀 推刀推刀 拉刀的结构组成拉刀的结构组成 拉刀参数的确定拉刀参数的确定 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 圆孔拉

19、刀的组成部分圆孔拉刀的组成部分1 1头部头部 2 2颈部颈部 3 3过渡锥部过渡锥部 4 4前导部前导部 5 5校准部校准部 6 6后导部后导部 7 7尾部尾部 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 拉削各种内外表面举例拉削各种内外表面举例 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具(5)螺纹刀具 切削法切削法螺纹车刀：是一种具有螺纹廓形的成形车刀 螺纹梳刀：相当于一排多齿的螺纹车刀 丝锥：加工中小尺寸内螺纹的标准刀具 板牙：加工中小尺寸外螺纹的标准刀具 螺纹铣刀：用铣削方法加工螺纹的刀具 滚压法滚压法滚丝轮 搓丝板 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具板 牙 黑龙江大学机电工程学

20、院 金属切削原理与刀具 (6)齿轮刀具 展成齿轮刀具展成齿轮刀具 成形齿轮刀具成形齿轮刀具 插齿刀 齿轮滚刀 剃齿刀 盘形齿轮铣刀 指形齿轮铣刀 插齿刀 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 第二节 刀具材料 一、刀具材料应具备的性能 高硬度高硬度 常温常温HRC60HRC606262以上以上 高耐磨性高耐磨性 高耐热性（热稳定性）高耐热性（热稳定性） 足够的强度和韧性足够的强度和韧性( (抗弯强度、冲击值）抗弯强度、冲击值） 良好的工艺性能良好的工艺性能 良好的热物理性能和耐热冲击性能良好的热物理性能和耐热冲击性能 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 二、常用的刀具材料 工具钢

21、工具钢 碳素工具钢：碳素工具钢：T10A T12A T10A T12A 合金工具钢：合金工具钢：9SiCr 9SiCr CrWMnCrWMn 高速钢高速钢 （HSSHSS） 钨系：钨系：W18Cr4VW18Cr4V 钨钼系：钨钼系：W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2碳化物的均匀性、韧性和高温塑性均超过碳化物的均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4VW18Cr4V，耐磨性比，耐磨性比W18Cr4VW18Cr4V略差。略差。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 二、常用的刀具材料 硬质合金硬质合金 钨钴钨钴(YG)(YG)： YG3 YG6

22、YG8YG3 YG6 YG8 钨钴钛钨钴钛(YT)(YT)：YT5 YT15 YT30YT5 YT15 YT30 硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物微米级的粉末，硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。刀具用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。刀具耐用度较高速钢高几倍到几十倍。耐用度较高速钢高几倍到几十倍。 碳素碳素钢合金合金钢YTYT5不不连续粗加工粗加工YG8铸铁有色有色金属金属YGYT15连续粗加工，粗加工，不不连续精加工精加工YG6YT30连续精加工精加工YG3 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、新型刀具材料

23、陶瓷陶瓷 陶瓷的主要成分是氧铝化（陶瓷的主要成分是氧铝化（ AlAl2 2O O3 3 ）或氮化硅（）或氮化硅（ SiSi3 3N N4 4 ）。硬度、耐磨性和热硬性均比硬质合金好。陶瓷）。硬度、耐磨性和热硬性均比硬质合金好。陶瓷刀片性脆，抗变强度与冲击韧性低，一般用于高硬度材刀片性脆，抗变强度与冲击韧性低，一般用于高硬度材料的半精加工和精加工。料的半精加工和精加工。 立方氮化硼立方氮化硼 立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体，硬度仅次于立方氮化硼是六方氮化硼的同素异形体，硬度仅次于金刚石，立方氮化硼的热稳定性和化学惰性大大优于金金刚石，立方氮化硼的热稳定性和化学惰性大大优于金刚石。刚石。 黑龙

24、江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、新型刀具材料 人造金刚石人造金刚石 金刚石是目前已知的最硬材料，其硬度为金刚石是目前已知的最硬材料，其硬度为HV10000HV10000，精车有色金属时，加工精度可达精车有色金属时，加工精度可达IT5IT5，刀具耐用度通常，刀具耐用度通常为硬质合金的为硬质合金的10-10010-100倍。倍。 金刚石的耐热性较差，一般低于金刚石的耐热性较差，一般低于800800，在高温条件，在高温条件下，与铁原子反应，不适于加工钢铁材料。金刚石粉制下，与铁原子反应，不适于加工钢铁材料。金刚石粉制成的砂轮磨削硬质合金。成的砂轮磨削硬质合金。 黑龙江大学机电工程学院 金

25、属切削原理与刀具 第三节 金属切削过程及其物理现象 一、切削过程及切屑种类一、切削过程及切屑种类 1.1.切屑形成过程切屑形成过程 切屑的形成过程就是切削层金切屑的形成过程就是切削层金 属的变形过程。即在前刀面的推属的变形过程。即在前刀面的推 挤、挤、摩擦作用下，使变形金属内部发生摩擦作用下，使变形金属内部发生剪切滑移的过程。剪切滑移的过程。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 切屑根部的金相显微照片切屑根部的金相显微照片 绘出金属变形过程中的滑移线和流线示意图绘出金属变形过程中的滑移线和流线示意图 M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角 黑龙江大学机电工程学院 第二变形区第二变形

26、区（纤维化）（纤维化）第一变形区第一变形区（剪切滑移）（剪切滑移） 金属切削原理与刀具 第三变形区（纤维第三变形区（纤维化与加工硬化）化与加工硬化）金属切削过程中的滑移线和流线金属切削过程中的滑移线和流线 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 2.2.切屑的类型及其控制切屑的类型及其控制切屑类型切屑类型a a带状切屑带状切屑 b b挤裂挤裂( (节状节状) )切屑切屑 c c单元（粒状）切屑单元（粒状）切屑 d d崩碎切屑崩碎切屑 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具（1 1）带状切屑）带状切屑 特点：内表面比较光滑，其他自由变形的表面显得特点：内表面比较光滑，其他自由变形的表面显

27、得粗糙。粗糙。 加工塑性金属材料，当切削深度较小、切削速度较加工塑性金属材料，当切削深度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。切削过高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 （2 2）挤裂切屑）挤裂切屑特点：表面上有裂纹，甚至断裂成一个个屑，但切屑特点：表面上有裂纹，甚至断裂成一个个屑，但切屑内部还是互相连接着。内部还是互相连接着。 这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产

28、生。前角较小时产生。(3)(3)单元切屑单元切屑特点：形状类似，互相分离的屑块，切削力的波动较大。特点：形状类似，互相分离的屑块，切削力的波动较大。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 (4)(4)崩碎切屑崩碎切屑特点：形状各不相同的屑块。特点：形状各不相同的屑块。它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面粗糙。床，已加工表面粗糙。 黑龙江大学机电工程学院 切屑类型及形成条件切屑类型及形成条件金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具切屑形状的分类 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 3.3.积

29、屑瘤现象积屑瘤现象 在切削速度不高而又能形成连在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的通常是工件材料的2 23 3倍，在倍，在处于比较稳定的状态时，能够处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。或刀瘤。 黑龙江大学机电工程学院 积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响：1)1)积屑瘤

30、包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。2)2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。实际工作前角越大，刀具越锋利。3)3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。4)4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切

31、削原理与刀具 第四节 切削力与切削功率 一、切削力的来源、切削合力及其分解 金属切削时，刀具切入工金属切削时，刀具切入工件件,使被加工材料发生变形并成使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力为切屑所需的力，称为切削力克服被加工材料对弹性变形克服被加工材料对弹性变形的抗力的抗力克服被加工材料对塑性变形克服被加工材料对塑性变形的抗力的抗力克服切屑对前刀面的摩擦力克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力已加工表面之间的摩擦力切削力的来源切削力的来源 黑龙江大学机电工程学院 切削力的分解切削力的分解rFcFFpFf pFfFf pFf p

32、fvF切削合力Fc主切削力Fp背向力Ff进给力F Fp p背向力背向力F Ff f进给力、轴向力进给力、轴向力F Fc c主切削力或切向力主切削力或切向力金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 总切削力的分解总切削力的分解金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 切削功率切削功率P Pc c： 消耗在切削过程中的功率消耗在切削过程中的功率, , Fc和和Ff所消耗的功率之和。所消耗的功率之和。 因因Fp方向没有位移，所以不消耗功率。方向没有位移，所以不消耗功率。 Pc=(Fcv+Ffnwf/1000)10-3 第二项是消耗在进给运动中的功率，相对于第二项是消耗在进给运

33、动中的功率，相对于Ff所消耗的所消耗的 功率来说（功率来说（1%1%2%2%） 计算机床电动机的功率计算机床电动机的功率P PE E : :机床的传动效率，机床的传动效率，0.750.750.850.85 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 二、切削力的测量及切削力的计算机辅助测试 1.1.测定机床功率，计算切削力测定机床功率，计算切削力 2.2.用测力仪测量切削力用测力仪测量切削力 车削力测量系统框图车削力测量系统框图 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、切削力的经验公式和切削力估算 常用的经验公式约可分为两类：常用的经验公式约可分为两类： 计算切削力的指数公式计算切削力

34、的指数公式 式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、切削力的经验公式和切削力估算 常用的经验公式约可分为两类：常用的经验公式约可分为两类： 按单位切削力计算切削力按单位切削力计算切削力 黑龙江大学机电工程学院 计算举例计算举例用用YT5YT5硬质合金车刀外圆纵车硬质合金车刀外圆纵车b=630MPa的热

35、轧的热轧4545钢，车刀几何参数为钢，车刀几何参数为 o o =10 =10、k kr r = =7575、 l ls s = =0 0，切切削用量为削用量为ap p= =4mm4mm、f= =0.4mm/r0.4mm/r、vc= =1.71.7m m/ /s s。 试计算切削力试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率及切削功率P Pc c 。金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 解解：查表2-2得：CFc=1433, xFc =1.0, yFc =0.75, nFc =-0.15, KFc=1 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 查表2-2得：CFf=561 xFf =1.0

36、yFf =0.5 nFf=-0.4 KFf=1 金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 查表2-2得：CFp=572, xFp=0.9, yFp =0.6 nFp=-0.3, KFp=1 金属切削原理与刀具切削功率： 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 第五节 切削热与切削温度 一、切削热的产生和传导切削时所消耗的能量，绝切削时所消耗的能量，绝 大部分（大部分（98%98% 99%99%）转化）转化为热能为热能 切削热是切削温度上升的切削热是切削温度上升的根源根源 切削热被切屑、工件、刀切削热被切屑、工件、刀具和周围的介质传出具和周围的介质传出 车、铣、刨加工中，切削车、铣、刨加工

37、中，切削热大部分传递给切屑热大部分传递给切屑 钻、磨加工中，切削热大钻、磨加工中，切削热大部分传递给工件部分传递给工件 黑龙江大学机电工程学院 切削热来源切削热来源 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热。切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热。 主要来源主要来源 QA=QD+QFF+QFR 式式中中，QD , QFF , QFR分分别别为为切切削削层层变变形形、前前刀刀面面摩摩擦擦、后刀面摩擦产生的热量。后刀面摩擦产生的热量。切削热传出切削热传出切切削削热热由由切切屑屑、工工件件、刀刀具具和和周周围围介介质质（切切削削液液、空空气气) )等传散出去。等传散出去。金属切削原

38、理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 750刀具二维切削中的温度分布二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具： o=30 ， o=7 ； 切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削， 预热611C金属切削原理与刀具二、切削温度的测量 热电偶法热电偶法 自然热电偶法自然热电偶法 人工热电偶法人工热电偶法 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、影响切削温度的主要因素 1.1.切削用量的影响切削用量的影响切削用量三要素对切削温度的影响：切削用量三要素对切削温度的影响： vc c最大，其次是最大，其次是f， ap p的影响最小的影响最小刀具前面接触区的平均温度（

39、刀具前面接触区的平均温度（）切削温度系数；切削温度系数；切削速度（切削速度（m/minm/min）；）；进给量（进给量（mm/rmm/r）；）；背吃刀量（背吃刀量（mmmm）；）；相应的指数。相应的指数。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具2.2.工件材料的影响工件材料的影响 材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功愈多，材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功愈多，切削温度也就愈高。材料的导热性好，可以使切削切削温度也就愈高。材料的导热性好，可以使切削温度降低。温度降低。 例子：合金结构钢的强度高于例子：合金结构钢的强度高于4545钢，导热率多低钢，导热率多低于于4545钢，所以切削合金结构

40、钢的切削温度一般均高钢，所以切削合金结构钢的切削温度一般均高于切削于切削4545钢的切削温度。钢的切削温度。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 3.3.刀具角度的影响刀具角度的影响 前角前角前角加大，变形和摩擦减小，切削热减少前角加大，变形和摩擦减小，切削热减少 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 主偏角主偏角主偏角减小将使切削刃工作长度增加，散热主偏角减小将使切削刃工作长度增加，散热条件改善，使切削温度降低条件改善，使切削温度降低 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 4.4.刀具磨损的影响刀具磨损的影响 在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温在后刀面的磨损值达到一

41、定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。5.5.切削液的影响切削液的影响 切削液对降低切削温度有明显的效果。切削液对降低切削温度有明显的效果。四、切削液 1.1.水溶液水溶液 2.2.乳化液乳化液 3.3.切削油切削油 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 五、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 1.1.对工件材料强度和切削力的影响对工件材料强度和切削力的影响 2.2.对刀具材料的影响对刀具材料的影响 3.3.对工件尺寸精度的影响对工件尺寸精度的影响 4.4.利用切削温度自动控制切削速度或进给量利用切削温度自动控制切削速度或

42、进给量 5.5.利用切削温度与切削力控制刀具磨损利用切削温度与切削力控制刀具磨损 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 一、刀具磨损的形态及其原因 刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类磨损：是连续的逐渐磨损磨损：是连续的逐渐磨损破损：包括脆性破损和塑性破损两种破损：包括脆性破损和塑性破损两种刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。动，不能继续正常切削。 第六节 刀具磨损与刀具寿命 黑龙江大学机电工

43、程学院 金属切削原理与刀具 （1）刀具的磨损形式）刀具的磨损形式1）前面磨损）前面磨损前面上形成月牙洼前面上形成月牙洼磨损磨损2）后面磨损）后面磨损后面的磨损形式是后面的磨损形式是磨成后角等于零的磨损磨成后角等于零的磨损棱带。棱带。3）前后面同时磨）前后面同时磨损或边界磨损损或边界磨损 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具车刀典型磨损形式示意图车刀典型磨损形式示意图 黑龙江大学机电工程学院 （2）刀具磨损的原因）刀具磨损的原因1）硬质点磨损）硬质点磨损工件材料中的杂质在刀具表面上擦伤，工件材料中的杂质在刀具表面上擦伤，划出一条条的沟纹造成的机械磨损。划出一条条的沟纹造成的机械磨损。2）粘

44、结磨损）粘结磨损在一定的压力和温度作用下，磨擦面上在一定的压力和温度作用下，磨擦面上产生塑性变形，形成粘结点，这些粘结点又因产生塑性变形，形成粘结点，这些粘结点又因相对运动而破裂，粘结点的破裂也常常发生在相对运动而破裂，粘结点的破裂也常常发生在刀具一方面被工件材料带走，从而形成刀具的刀具一方面被工件材料带走，从而形成刀具的粘结磨损。粘结磨损。 黑龙江大学机电工程学院 3）扩散磨损）扩散磨损刀具表面与工件由于高温与高压的作用，刀具表面与工件由于高温与高压的作用，两摩擦表面上的化学元素有可能互相扩散到对两摩擦表面上的化学元素有可能互相扩散到对方去，使两者的化学成分发生变化，从而削弱方去，使两者的化

45、学成分发生变化，从而削弱了刀具材料的性能，加速了刀具的磨损。了刀具材料的性能，加速了刀具的磨损。4）化学磨损）化学磨损在一定温度下，刀具材料与某些周围介质在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，而被切屑带走，加速了刀具的磨损。化合物，而被切屑带走，加速了刀具的磨损。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 二、刀具磨损过程及磨钝标准 初期磨损阶段初期磨损阶段 刀具磨损较快刀具磨损较快 初期磨损量为初期磨损量为0.05-0.1mm0.05-0.1mm正常磨损阶段正常磨损阶段 磨损比较缓慢均匀，后磨损比较缓慢均

46、匀，后( (刀刀) ) 面的磨损量随切削时间的增长面的磨损量随切削时间的增长 而近似成比例增加而近似成比例增加 刀具的有效工作阶段刀具的有效工作阶段急剧磨损阶段急剧磨损阶段刀具磨损速度也急剧加快刀具磨损速度也急剧加快以致失去切削能力以致失去切削能力典型的磨损曲线典型的磨损曲线 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 磨钝标准磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个 磨损限度称为磨钝标准。磨损限度称为磨钝标准。 因此国际标准因此国际标准ISOISO统一规定统一规定以以l l2 2背吃刀量处后背吃刀量处后( (刀刀) )面上面上测定的磨损带宽度测定

47、的磨损带宽度VBVB作为刀具作为刀具的磨钝标准。的磨钝标准。 自动化生产中用的精加工刀自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为衡量刀具的磨钝标损尺寸作为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量准，称为刀具径向磨损量NBNB。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 三、刀具寿命的经验公式 刀具寿命刀具寿命: :一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始使用一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间 刀具总寿命刀具总寿命: :刀具从第一次投入使用直至完全报废时所经刀具从第一次投入使用直

48、至完全报废时所经历的实际切削时间历的实际切削时间 切削速度与刀具寿命的关系切削速度与刀具寿命的关系: : 黑龙江大学机电工程学院 （1）切削速度与刀具耐用度的关系）切削速度与刀具耐用度的关系（2）进给量和背吃刀量与刀具耐用度的关系）进给量和背吃刀量与刀具耐用度的关系金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 （3）刀具耐用度的经验公式）刀具耐用度的经验公式令令则则金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 用用YT5硬质合金车刀硬质合金车刀=0.637GPa的碳钢时的碳钢时切削速度切削速度对刀具耐用度影响最大，对刀具耐用度影响最大，进给量次之，背吃刀量进给量次之，背吃刀量最小。最小。 黑龙江大

49、学机电工程学院 金属切削原理与刀具 第七节 切削用量的选择及工件材料加工性 一、切削用量的选择 1.对加工质量的影响对加工质量的影响2.对基本工艺时间的影响对基本工艺时间的影响3.对刀具寿命和辅助时间的影响对刀具寿命和辅助时间的影响选择顺序：选择顺序：首先选尽可能大的背吃刀量首先选尽可能大的背吃刀量其次选尽可能大的进给量其次选尽可能大的进给量最后选尽可能大的切削速度最后选尽可能大的切削速度 黑龙江大学机电工程学院 1.确定切削深度确定切削深度ap尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分2次走刀，第次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的一次走刀的切削深度取单

50、边余量的2/33/4。切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等冷硬较严重的材切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等冷硬较严重的材料时，背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度。料时，背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度。在半精加工时，在半精加工时，0.52mm。在精加工时，在精加工时，0.10.4mm。2.确定进给量确定进给量f粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 3.确定切削速度确定切削速度v根据规定的刀具耐用度确定切削速

51、度根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）计算或查表）4.校验机床功率校验机床功率(仅对粗加工) 式中 P 机床电机功率（KW）； 机床传动效率； Fc 主切削力（N）。由：，可导出：金属切削原理与刀具 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 二、工件材料的切削加工性 1.切削加工性的概念和衡量指标切削加工性的概念和衡量指标切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。标准一标准一用刀具寿命来衡量用刀具寿命来衡量在相同的切削条件下，使用同一型号（最好是同在相同的切削条件下，使用同一型号（最好是同一把）刀具，在同一磨钝标准（例如一把）刀具，在

52、同一磨钝标准（例如VB=0.3mm）下，切削两种不同的工件材料，刀具寿命高的比寿命下，切削两种不同的工件材料，刀具寿命高的比寿命低的切削加工性好。低的切削加工性好。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具 标准二标准二用切削速度来衡量用切削速度来衡量在刀具寿命相同的条件下，允许切削速度高的工件材料，在刀具寿命相同的条件下，允许切削速度高的工件材料，其切削加工性能好。其切削加工性能好。为统一标准起见，取正火状态下的为统一标准起见，取正火状态下的45钢作基准材料，刀具钢作基准材料，刀具寿命为寿命为60min，这时的切削速度为基准（写作这时的切削速度为基准（写作(v60)j），），而将其它材料的

53、而将其它材料的(v60)与其相比，这个比值与其相比，这个比值Kr称为相对加工性称为相对加工性标准三标准三用已加工表面的表面质量来衡量用已加工表面的表面质量来衡量精加工时，常以已加工表面质量作为衡量切削加工性的指精加工时，常以已加工表面质量作为衡量切削加工性的指标，容易获得良好已加工表面质量的，其加工性就好，反之标，容易获得良好已加工表面质量的，其加工性就好，反之就差。就差。 黑龙江大学机电工程学院 金属切削原理与刀具二、工件材料的切削加工性 2.改善工件材料的切削加工性的途径改善工件材料的切削加工性的途径调整材料的化学成分调整材料的化学成分采用热处理改善材料的切削加工性采用热处理改善材料的切削加工性 黑龙江大学机电工程学院