金属切削刀具.ppt

金属切削刀具2 3 1常用刀具的种类2 3 2刀具几何角度2 3 3刀具几何参数的合理选择2 3 4刀具的磨损和耐用度 2 3 1常用刀具种类 1 按加工方法分类 切刀 车刀 刨刀 插刀 镗刀 孔加工刀具 钻头 扩孔钻 铰刀 拉刀 圆孔拉刀 花键拉刀 平面拉刀 铣刀 圆柱形铣刀 面铣刀 立铣刀 槽铣刀 锯片铣刀 螺纹刀具 丝锥 板牙 螺纹切刀 齿轮刀具 滚齿刀 插齿刀 剃齿刀 磨具 砂轮 砂带 油石 2 按切削刃特点分类单刃刀具和多刃刀具 3 工艺特点分类 通用刀具 车刀 刨刀 铣刀等 定尺寸刀具 钻头 扩孔钻 铰刀 拉刀等 成形刀具 成形车刀 花键拉刀等 4 按装配结构分类整体式 装配式和复合式等 尽管各种刀具的结构和形状各不同 但有共同的组成部分 即是由工作部分和夹持部分组成的 工作部分俗称刀头 指担负切削加工部分 由刀面 切削刃组成 夹持部分俗称刀柄或刀体 横截面一般为矩形或圆形 指刀杆 刀柄和套装孔 是保证刀具有正确的安装工作位置 并传递切削运动和动力 a 机夹式车刀b 热管式车刀c 麻花钻d 扩孔钻e 铰刀f 圆孔拉刀 l 齿轮滚m 插齿n 剃齿o 平形砂轮 g 圆柱铣刀h 硬质合金面铣刀i 成形铣刀j 丝锥k 板牙 说明 车刀是最简单且最典型的刀具 其它刀具均可看作是车刀的演变和组合 故分析金属切削刀具时 通常都是以车刀作为分析和研究的对象 2 3 2刀具几何角度 1 刀具基本概念 刀具切削部分组成 前刀面a 切屑沿其流出的表面 主后刀面a 与过渡表面相对的面 副后刀面a 与已加工表面相对的面 主切削刃 前刀面与主后刀面相交形成的刀刃 副切削刃 前刀面与副后刀面相交形成的刀刃 车刀的切削部分 刀具与工件的三个表面 刀尖主切削刃与副切削刃的连接处的一小部分切削刃 它分为修圆刀尖和倒角刀尖两类 a 切削刃的实际交点b 修圆刀尖c 倒角刀尖 刀具的进给方向 刀尖 主后刀面 副后刀面 主切削刃 前刀面 副切削刃 一尖二刃三刀面 2 正交平面参考系时各参考面 右图 基面pr 过切削刃选定点垂直主运动方向的的平面 切削平面ps 过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面po 过切削刃选定点同时垂直于切削平面和基面的平面 正交平面参考系 3 刀具的标注角度 1 在正交平面 po 中测量的角度 前角 o 在主切削刃选定点的正交平面po内 前刀面与基面之间的夹角 当前刀面与切削平面夹角小于90 时 前角为正值 大于90 时 前角为负值 它对刀具切削性能有很大的影响 后角 o 在正交平面po内 主后刀面与切削平面之间的夹角 当后刀面与基面夹角小于90 时 后角为正值 大于90 时 后角为负值 楔角 o 派生角 前刀面与后刀面的夹角 o 90 o o 前角 0和后角 0示意图 主偏角 r 主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角 主偏角总为正值 副偏角 r 副切削平面与假定进给运动反方向间的夹角 刀尖角 r 派生角 主切削平面与副切削平面间的夹角 r 180 r r 车削刀具几何角度 2 在基面 pr 中测量的角度 2 副偏角 1 主偏角 主偏角 r副偏角 r 刃倾角 s 3 在切削平面 ps 中测量的角度刃倾角 s 主切削刃与基面间的夹角 当刀尖相对于车刀刀柄安装面处于最高点时 刃倾角为正值 当刀尖处于最低点时 刃倾角为负值 当切削刃平行于刀柄安装面时 刃倾角为0 5 刃倾角 要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置 还需标注副后角 副后角确定副后刀面的空间位置 5 刃倾角 课堂问题 1 请解释刀具基本概念 前刀面a 主后刀面a 副后刀面a 主切削刃 副切削刃 课堂问题 2 正交平面参考系各参考面的概念 基面pr 切削平面ps 正交平面po 课堂问题 3 车刀各刀具角度的概念 前角 o 后角 o 主偏角 r 副偏角 r 刃倾角 s并用图示表示 4 刀具的工作角度概念 刀具在工作状态下的切削角度称为刀具的工作角度它要考虑安装位置和进给运动对几何角度的影响 因而刀具的工作角度不等于标注角度 1 刀具安装位置对刀具工作角度影响 刀刃安装高低对工作前 后角的影响 图中 当切削点高于工件中心时 此时工作基面与工作切削面与正常位置相应的平面成 角 则 工作前角 工作后角 刀刃安装高低的影响 如果刀尖安装低于工件中心 则工作角度的变化情况恰好相反 内孔镗削时与加工外表面情况相反 结论 当刀尖高于中心高度 刀具工作前角比标注前角增大了 工作后角比标注后角减小了 反之 则工作角度的变化情况恰好相反 刀杆中心与进给方向不垂直对工作主 副偏角的影响 图中 刀杆中心与正常位置偏 角时 刀具标注工作角度的假定工作平面与现工作平面pfe成 角则 re r re r 刀杆中心偏斜的影响 2 进给运动对刀具工作角度的影响 正常切削外圆时 刀具切削平面ps与基面pr位置如图所示 当车螺纹时 工作切削平面pse与螺纹切削点相切 与刀具切削平面ps成 f角在正交平面内 刀具的工作角度为 oe o o oe o o结论 在一般的外圆车削中 因进给量小 常不考虑其对工作角度的影响 进给量的取值较大时 例如车螺纹 进给运动对工作角度的影响也不可忽视 进给运动对刀具角度影响 横向进给运动对工作角度的影响 结论 切削刃越接近工件中心 工件直径越小 对刀具的切削就越不利 2 3 3 刀具几何参数的合理选择 概念 刀具几何参数的合理选择 是指在保证加工质量的前提下 选择能提高切削效率 降低生产成本 获得最高刀具耐用度的刀具几何参数 刀具几何参数内容 刀具几何角度 如前角 后角 主偏角等 刀面形式 如平面前刀面 倒棱前刀面等 切削刃形状 直线形 圆弧形 选择刀具考虑的因素 工件材料 刀具材料 切削用量 工艺系统刚性等工艺条件以及机床功率等 1 前角的作用及其选择 1 前角的作用 影响刀刃的锋利程度和切削力的大小 0 刀刃锋利 排屑顺利 加工表面质量高 影响刀具耐用度和散热能力 0 刀刃强度降低 散热能力下降 2 前角的选择原则 在选择刀具前角时首先应保证刀刃锋利 同时也要兼顾刀刃的强度与耐用度 刀具前角的合理选择 主要由刀具材料和工件材料的种类与性质决定 刀具材料强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角 而脆性大的刀具甚至取负的前角 下图是不同刀具材料韧性的变化 工件材料加工钢件等塑性材料时 切屑沿前刀面流出时和前刀面接触长度长 压力与摩擦较大 为减小变形和摩擦 一般采用选择大的前角 加工脆性材料时 切屑为碎状 切屑与前刀面接触短 切削力主要集中在切削刃附近 受冲击时易产生崩刃 因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值 以提高刀刃的强度 加工条件粗加工 断续切削时 一般取较小的前角 精加工时 宜取较大的前角 以减小工件变形与表面粗糙度 当工艺系统刚性差和机床功率小时选较大前角 以减小切削力和振动 数控机床为了保证刀具稳定 不崩刃及破损 一般使用的刀具前角比较小 总之 前角选择的原则是在满足刀具耐用度的前提下 尽量选取较大前角 1 强度和韧性大的刀具材料选择大的还是小的前角 而脆性大的刀具又如何选择 2 加工塑性材料时 一般选择大的还是小的前角 3 加工脆性材料时 刀具前角相对塑性材料如何选择 4 粗加工和精加工时刀具的前角有何区别 问题 强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角 而脆性大的刀具甚至取负的前角 加工钢件等塑性材料时 一般采用选择大的前角 加工脆性材料时 因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值 以提高刀刃的强度 粗加工时 一般取较小的前角 精加工时 宜取较大的前角 以减小工件变形与表面粗糙度 解答 2 后角的作用及选择 1 后角的作用 影响后刀面与过渡表面之间的摩擦 0 摩擦减小 反之可使主后刀面与工件表面间的摩擦加剧 刀具磨损加大 工件冷硬程度增加 加工表面质量变差 影响刀刃的锋利程度和强度 0 刀刃锋利 但刀刃强度降低 散热能力下降 2 后角的选择原则 刀具材料高速钢刀具比硬质合金刀具的后角要大 陶瓷刀具的后角应更小一些 工件材料工件材料强度或硬度较高时 为加强切削刃 一般采用较小后角 对于塑性较大材料 已加工表面易产生加工硬化时 后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时 一般取较大后角 如加工高温合金时 o 10o 15o 加工条件当切削厚度hd 和进给量f 较小时 切削刃要求锋利 因而后角 o应取大些 如高速钢立铣刀 每齿进给量很小 后角取到16o 车刀后角的变化范围比前角小 粗车时 切削厚度hd较大 为保证切削刃强度 取较小后角 o 4o 8o 精车时 为保证加工表面质量 刀具的磨损主要发生在刀具后刀面 应选用较大的后角 o 8o 12o 车刀合理后角在f 0 25 r时 可选 o 10o 12o 在f 0 25 r时 o 5o 8o 当工艺系统刚性差 易出现振动时选较小的后角 总之 选择后角的原则 在不产生摩擦的条件下 应适当减小后角 1 主偏角的作用 影响刀具强度和散热条件主偏角较小 则刀头强度高 散热条件好 在背吃刀量ap与进给量f不变时 主偏角 r减小将使切削厚度hd减小 切削宽度bd增加 参加切削的切削刃长度也相应增加 切削刃单位长度上的受力减小 散热条件也得到改善 主偏角 r减小时 刀尖角增大 刀尖强度提高 刀尖散热体积增大 所以 主偏角 r减小 能提高刀具耐用度 3 主偏角 副偏角的作用及选择 影响切削力的径向和轴向比例分配根据切削力分析可以得知 主偏角 r减小 将使背向力fp增大 从而使切削时产生的挠度增大 降低加工精度 同时背向力的增大将引起振动 因此主偏角的减小对刀具耐用度和加工精度产生不利影响 f fz fz 轴向力 fz fp 径向力 fp f f 抗力 kr 90 kr kr 2 主偏角的选择原则 工件材料加工很硬的材料如淬硬钢和冷硬铸铁时 为减少单位长度切削刃上的负荷 改善刀刃散热条件 增加刀尖的强度 提高刀具耐用度 应取较小的主偏角 工件的刚性较好时 应取较小的主偏角 反之应取较大的主偏角 以减小径向抗力 减小振动 当车阶梯轴时 r 90o 同一把刀具加工外圆 端面和倒角时 r 45o 刀具材料使用硬质合金刀具进行精加工时 应选用较大的主偏角 硬质合金刀具车刀的主偏角多为60o 75o 工艺系统刚性较好时 工件长径比lw dw 6 主偏角 r可以取小值 如当在刚度好的机床上加工冷硬铸铁等高硬度高强度材料时 为减轻刀刃负荷 增加刀尖强度 提高刀具耐用度 一般取比较小的值 r 10o 30o 工艺系统刚性较差时 工件长径比lw dw 6 12 或带有冲击性的切削 主偏角 r可以取大值 一般 r 60o 75o 甚至主偏角 r可以大于90o 以避免加工时振动 3 副偏角的作用副偏角 r 的大小对刀具耐用度和加工表面粗糙度的影响 副偏角的减小 将可降低残留物面积的高度 提高理论表面粗糙度值 副偏角减小 刀尖强度增大 散热面积增大 提高刀具耐用度 副偏角太小 会使刀具副后刀面与工件的摩擦 使刀具耐用度降低 另外引起加工中振动 ap ap kr h h 副偏角的选择原则 工件材料加工高强度 高硬度材料时应取较小的副偏角 r 4o 6o 以提高刀尖强度 改善散热条件 工件表面质量和刀具强度在不引起震动的情况下 一般刀具应尽量选用较小的副偏角 如车刀 刨刀均可取 r 5o 10o 加工性质粗加工时副偏角可稍大些 精加工时副偏角应小一些 r 5o 10o 以减小残留面积 减小表面粗糙度 当工艺系统刚度较差或从工件中间切入时 可取副偏角 r 30o 45o 切断刀和槽铣刀等 为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小 只能取很小的副偏角 r 1o 2o 问题 1 工件材料强度或硬度较高时 一般采用较小还是较大的后角 2 对于塑性较大材料 一般取较小还是较大的后角 3 工艺系统刚性较好时 主偏角 r如何选择 4 当车阶梯轴时 r 同一把刀具加工外圆 端面和倒角时 r 5 副偏角 r 的大小对表面粗糙度如何影响 1 工件材料强度或硬度较高时 为加强切削刃 一般采用较小后角 2 对于塑性较大材料 已加工表面易产生加工硬化时 后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时 一般取较大后角 3 工艺系统刚性较好时 工件长径比lw dw 6 主偏角 r可以取小值 4 当车阶梯轴时 r 90o 同一把刀具加工外圆 端面和倒角时 r 45o 5 副偏角的减小 将可降低残留物面积的高度 提高理论表面粗糙度值 5 刃倾角的作用及选择 1 刃倾角的作用 影响切屑流向 当 s为负值时 切屑将流向已加工表面 并形成长螺卷屑 容易损害加工表面 但切屑流向机床尾座 不会对操作者产生大的影响 如图 a 所示 粗车时采用负值的 s 当 s为正值 切屑将流向机床床头箱 影响操作者工作 并容易缠绕机床的转动部件 影响机床的正常运行 如图 b 所示 精车时采用正值的 s 刃倾角对切屑流向的影响 刃倾角影响刀尖的强度 刃倾角 s的变化能影响刀尖的强度和抗冲击性能 当 s取负值时 刀尖在切削刃最低点 切削刃切入工件时 切入点在切削刃或前刀面 保护刀尖免受冲击 增强刀尖强度 一般大前角刀具通常选用负的刃倾角 既可以增强刀尖强度 又避免刀尖切入时产生的冲击 刃倾角对刀尖强度的影响 车削刃倾角主要根据刀尖强度和流屑方向来选择 其合理数值如下表 2 刃倾角的选择原则依据工件材料加工高强度钢 淬硬钢时 应取较大的负刃倾角 以使刀具有足够的强度 依据加工性质粗加工时取 s 5 0 精车时取 s 0 5 断续切削 工件表面不规则 有冲击负荷时取 s 15 5 强力切削时 为提高刀头强度可取 s 30 10 微量切削时 为增加切削刃的锋利程度和切薄能力 可取 s 45 75 当工件刚度较差时 应取 s 0 以减小背向力 避免切削中的振动 以上各种刀具参数的选择原则只是单独针对该参数而言 必须注意的是 刀具各个几何角度之间是互相联系互相影响的 在生产过程中 应根据加工条件和加工要求 综合考虑各种因素 合理选择刀具几何参数 在加工硬度较高的工件材料时 为增加切削刃强度 一般取较小后角 加工淬硬钢等特硬材料时 常常采用负前角 但楔角较大 如适当增加后角 则既有利于切削刃切入工件 又提高刀具耐用度 综合考虑各种因素 合理选择刀具几何参数 2 3 4刀具磨损与耐用度 刀具失效 刀具在使用过程中丧失切削能力的现象称为刀具失效 主要的失效形式包括刀具的破损和磨损两种 1 刀具磨损刀具的磨损属于正常失效形式 可以通过重磨修复 主要表现为刀具的前面磨损 后面磨损及边界磨损三种形式 刀具的磨损形式 1 前刀面磨损特点 在前刀面上离切削刃小段距离有一月牙洼 随着磨损的加剧 主要是月牙洼逐渐加深 洼宽变化并不是很大 磨损程度用洼深kt表示 2 后刀面磨损 特点 在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带 c b n三个区c区是刀尖区 由于散热差 强度低 磨损严重 最大值vc b区处于磨损带中间 磨损均匀 最大磨损量vbmax n区处于切削刃与待加工表面的相交处 磨损严重 磨损量以vn表示 此区域的磨损也叫边界磨损 加工铸件 锻件等外皮粗糙的工件时 n区区域容易磨损 前面磨损和边界磨损常见于塑性材料加工中 前面磨损出现在常说的 月牙洼 边界磨损主要出现在主切削刃靠近工件外皮处和副切削刃靠近刀尖处 后面磨损常见于脆性材料加工中 因脆性材料加工时 易形成崩碎切屑 切屑与刀具前面摩擦不大 主要是刀具后面与已加工表面的摩擦 3 刀具的磨损原因 硬质点磨损 粘结磨损 扩散磨损 氧化磨损 相变磨损 硬质点磨损因为工件材料中含有一些碳化物 氮化物 积屑瘤残留物等硬质点杂质 在金属加工过程中 会将刀具表面划伤 造成机械磨损 低速刀具磨损的主要原因是硬质点磨损 粘结磨损加工过程中 切屑与刀具接触面在一定的温度与压力下 产生塑性变形而发生冷焊现象后 刀具表面粘结点被切屑带走而发生的磨损 一般 具有较大的抗剪和抗拉强度的刀具抗粘结磨损能力强 如高速钢刀具具有较强的抗粘结磨损能力 扩散磨损由于切削时高温作用 刀具与工件材料中的合金元素相互扩散 而造成刀具磨损 硬质合金刀具和金刚石刀具切削钢件温度较高时 常发生扩散磨损 金刚石刀具不宜加工钢铁材料 一般在刀具表层涂覆tic tin al2o3等 能有效提高抗扩散磨损能力 氧化磨损硬质合金刀具切削温度达到700o 800o时 刀具中一些c co tic等被空气氧化 在刀具表层形成一层硬度较低的氧化膜 当氧化膜磨损掉后在刀具表面形成氧化磨损 相变磨损 在切削的高温下 刀具金相组织发生改变 引起硬度降低造成的磨损 总的来说 刀具磨损可能是其中的一种或几种 对一定的刀具和工件材料 起主导作用的是切削温度 在低温区 一般以硬质点磨损为主 在高温区以粘结磨损 扩散磨损 氧化磨损等为主 2 刀具破损 刀具突然出现崩刃 卷刃或刀片碎裂的现象 是由于刀具选择 使用不当及操作失误而造成的刀具损坏称为刀具的破损 俗称打刀 刀具破损比例较高 硬质合金刀具有50 60 是破损 特别是用脆性大的刀具连续切削或加工高硬度材料时 破损较严重 1 刀具破损形式 崩刃特点是在切削刃产生小的缺口 尺寸与进给量相当 硬质合金刀具连续切削时容易产生 剥落特点是前后刀面上平行于切削刃剥落一层碎片 常与切削刃一起剥落 陶瓷刀具端铣常发生剥落 另外硬质合金刀具连续切削也发生 裂纹特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂纹 由于长时间连续切削 刀具疲劳而引起 塑性破损特点是刀刃发生塌陷 是由于切削时高温高压作用引起的 2 刀具破损原因 在断续切削条件下 由于强烈的机械与热冲击 超过刀具材料强度 引起刀具破损断续切削时 在交变机械载荷作用下 降低了刀具材料的疲劳强度 容易引起机械裂纹而破损 由于切削与空切的变化 刀具表面温度发生周期性变化 容易产生热裂纹 又在机械力的混和作用下 发生破损 3 刀具磨损过程 刀具磨损的典型曲线 初期磨损阶段 oa 此阶段磨损较快 这是因为新磨好的刀具表面存在微观粗糙度 且刀刃比较锋利 刀具后面较粗糙 刀具与工件实际接触面积较小 压应力较大 使后刀面很快出现磨损带 磨损量的大小与刀具刃磨质量及磨损速度有关 此阶段又称作快速磨损阶段 正常磨损阶段 ab 此阶段磨损速度减慢 磨损量随时间的增加均匀增加 切削稳定 是刀具的有效工作阶段 急剧磨损阶段 bc 刀具经过正常磨损阶段后已经变钝 如继续切削 温度将剧增 切削力增大 刀具磨损急剧增加 一般应在此阶段之前及时换刀 否则刀具可能完全丧失切削能力 4 刀具的磨钝标准刀具磨损到一定程度后 切削力 切削温度显著增加 加工表面变得粗糙 工件尺寸可能会超出公差范围 切屑颜色 形状发生明显变化 甚至产