刀具几何角度及切削要素

第一章刀具几何角度及切削要素 三高一专的先进刀具 高精度高效率高可靠性专业化 先进的专用可转位刀具 4 第一节切削运动与切削用量 一 切削运动与切削层 金属切削加工 利用刀具切除被加工零件多余的材料 形成已加工表面 金属切削加工的目的 使被加工零件的尺寸精度 形状和位置精度 表面质量达到设计与使用要求 切削加工必备三个条件 刀具材料具有一定的切削性能刀具与工件之间要有相对运动刀具具有适当的几何参数 即切削角度 1 待加工表面 工件上有待切除的表面 2 已加工表面 经刀具切削后产生的新表面 3 过渡表面 或称切削表面 加工面 切削刃正在切削的表面 它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面 各种切削加工的工件表面 切削加工过程中的工件表面 切削运动为了切除多余的金属 刀具和工件之间必须有相对运动 即切削运动 切削运动可分为主运动和进给运动 车削外圆三种运动 1 主运动 刀具与工件之间主要的相对运动 切削运动中 主运动速度最高 消耗功率最大 使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料使被切削层转变为切屑 从而形成工件的新表面 主运动方向 切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向 切削速度vc 切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度 有且只有一个 2 进给运动 刀具与工件之间附加的相对运动 不断把工件表面送入切削配合主运动依次地或连续不断地切除切屑 可由刀具完成 车削 工件完成 铣削可以是间歇的 刨削 连续的 车削进给运动方向 切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向 进给速度vf 切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度 3 切削层 切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属 切削层参数 基面中测量的切削层长度 宽度和面积 它们与切削用量f ap有关 切削层参数 1 切削层公称厚度hD 垂直于正在加工的表面 过渡表面 度量的切削层参数 它反映了切削刃单位长度上的切削负荷 2 切削层公称宽度bD 平行于正在加工的表面 过渡表面 度量的切削层参数 它反映了切削刃参加切削的工作长度 3 切削层公称横截面积AD 在切削层参数平面内度量的横截面积 各种切削加工的切削层参数 二 切削用量 切削时间与材料切除率 切削过程的切削用量和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数 衡量切削运动量的大小 包括三要素切削速度Vc进给量f 或进给速度Vf 背吃刀量ap 切削用量 m min指切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度指主运动的线速度 以车削为例 m min 1 切削速度VC n 工件或刀具的转速 n 为r mind 工件或刀具观察点的旋转直径 d 为mm一般取dw 2 进给量f 主运动是回转运动时 进给量指工件或刀具每回转一周 两者沿进给方向的相对位移量 单位为mm r当主运动是直线运动时 进给量指刀具或工件每往复直线运动一次 两者沿进给方向的相对位移量 单位为mm 双行程或mm 单行程对于多齿的旋转刀具 如铣刀 切齿刀 常用每齿进给量fz 单位为mm z或mm 齿 它与进给量f的关系为f zfz 指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 进给量f 进给量是进给运动的单位量 车削时进给量f是取工件每旋转一周的时间内 工件与刀具相对位移量单位为mm r mm min Vf 进给运动速度多齿刀具有每齿进给量 3 背吃刀量ap dw 待加工表面直径dm 已加工表面直径 工件待加工表面与加工表面之间的垂直距离在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的吃刀量一般称为切削深度 单位为mm 各种切削加工的切削用量 切削用量 4 切削时间tm 切削时间tm是指切削时直接改变工件尺寸 形状等工艺过程所需要的时间 单位min 在切削过程中 单位时间内切除材料的体积称为材料切除率 单位为mm3 min 由下式计算 Q 1000apfVc材料切除率是衡量切削效率的重要指标 切削用量的大小对其有直接影响 5 材料切除率Q 三 合成切削运动与合成切削速度 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动 各种切削加工的切削运动 合成切削速度 指切削刃上选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度 第二节刀具切削部分的基本定义 一 刀具的组成 刀具的构成 金属切削刀具的种类很多 其形状 结构各不相同 但是它们的基本功用都是在切削过程中 用刀刃从工件毛坯上切下多余的金属 在结构上它们都具有共同的特征 尤其是它们的切削部分 由工作部分和非工作部分构成 车刀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的柄部 或刀杆 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而来 本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数 刀面 前刀面切屑流过的表面 以A 表示 主后刀面与工件上过渡表面相对的表面 以A 表示 副后刀面与工件上已加工表面相对的表面 以A 表示 刀具切削部分由三面二刃一尖组成 切削刃 主切削刃前刀面与主后刀面的交线 记为S 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 记为S 它协同主切削刃完成切削工作 并最终形成已加工表面 刀尖 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 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 前刀面A 切屑沿其流出的刀面 控制切屑流向 主后面A 刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面 与工件过渡表面相对 副后面A 刀具上同前面相交形成副切削刃的表面 与工件已加工表面相对 主切削刃S 前刀面与主后面的交线 承担主要切削工作 副切削刃S 前刀面与副后面的交线 担负少量切削工作 刀尖 主 副切削刃交汇处 一小段直线或圆弧 刀尖圆弧半径r 倒角刀尖长度b 刀尖倒角偏角Kr 修圆刀尖或倒角刀尖 车刀的刃磨视频 倒棱面A 1 A 1 其他各类刀具 如刨刀 钻头 铣刀等 都可以看成是车刀的演变和组合 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 二 刀具角度参考系 工作参考系 动态参考系 工作角度它是确定刀具切削运动中角度的基准 标注参考系 静态参考系 标注角度它是刀具设计计算 绘图标注 刃磨测量角度时基准 它是在假定条件下的工作角度 标注参考系 正交平面参考系法平面参考系假定工作平面参考系 1 假定运动条件 给出刀具假定主运动方向和假定进给方向 而不考虑进给运动的大小 2 假定安装条件 刀具安装基准面垂直于主运动方向 刀杆的中心线与进给运动方向垂直 刀具刀尖高与工件中心轴线等高 确定刀具标注角度参考系时做的二个假定 基面 r通过主切削刃上选定点 垂直于该点切削速度方向的平面 平行于刀具底面 切削平面 s通过主切削刃上选定点 与主切削刃相切 且垂直于该点基面的平面 正交平面 o 主剖面 通过主切削刃上选定点 垂直于基面和切削平面的平面 刀具标注角度的参考系平面 正交平面参考系Pr Ps Po最常用的刀具标注角度参考系 参考系平面及角度视频 法平面 n通过主切削刃上选定点 垂直于切削刃的平面 法平面参考系Pr Ps Pn 假定工作平面 f PpPf 通过主切削刃上选定点 平行于假定进给运动方向 并垂直于该点基面的平面 Pp 通过切削刃上选定点同时垂直于Pr和Pf的平面 假定工作平面参考系Pr Pf Pp Pr Ps坐标平面PO Pn Pf Pp测量平面 刀具标注角度 1 基面中测量的刀具角度 主偏角 r主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角主偏角一般为正值 副偏角 r副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角 副偏角一般为正值 在基面Pr内测量的主切削平面PS与假定工作平面Pf间的夹角 r小 参加切削的刃长增加 单位长度负荷小 刀尖强度大 散热面积大 刀具寿命长 但吃刀抗力增大 工件刚性弱时 易变形和振动 车刀常用主偏角有45 60 75 90 在基面Pr内测量的副切削平面与假定工作平面Pf的夹角 作用 减小副切削刃与工件已加工面间的摩擦及振动 副偏角大 刀尖强度弱 已加工表面残留面积大 粗糙度值大 主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状 用刀尖圆弧半径r 描述 当r 0时为尖角过渡 r 0时为圆角过渡 直线过渡时用 和b 参数描述 刀尖角 r主 副切削刃在基面上的投影之间的夹角 它是派生角度 r 180 r r r是标注角度是否正确的验证公式之一 刀具标注角度 2 切削平面中测量的刀具角度 刃倾角有正负之分 当主切削刃呈水平时 s 0 刀尖为主切刃上最高点时 s 0 刀尖为主切刃上最低点时 s 0 刃倾角 s主切削刃与基面间的夹角 刀具标注角度 3 正交平面中测量的刀具角度 前角 o在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角 根据前刀面和基面的相对位置不同分别规定正前角 零度前角和负前角 后角 o在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角 后角一般为正值 刀具标注角度 实体减小时为正 作用 减小主后刀面与工件加工表面间的摩擦 主后刀面的磨损 过大 刀刃强度下降 导热体积减小 主后刀面磨损加快 粗加工和承受冲击载荷时 选小值4 6 保证强度 精加工时 选大值8 12 保证表面质量 副后角 实体减小时为正 前角增大 刀具锋利 切削轻快 但过大 刀具强度下降 导热体积减小 刀具寿命短 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 以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的 楔角 o前面与后面之间的夹角 它是个派生角 o 90 O o o也是判断标注是否正确的验证式之一 刀具标注角度 参考系平面及角度视频 P11图1 9b 直头外圆车刀 车刀切削部分的六个基本角度 1 主偏角2 副偏角3 前角4 后角5 刃倾角6 副后角 刀具标注角度 车刀切削部分的四个派生角度 1 刀尖角 r2 楔角 o3 副前角 o 4 副刃倾角 s 法平面 n通过主切削刃上选定点 垂直于切削刃的平面 法平面参考系Pr Ps Pn 假定工作平面 f PpPf 通过主切削刃上选定点 平行于假定进给运动方向 并垂直于该点基面的平面 Pp 通过切削刃上选定点同时垂直于Pr和Pf的平面 假定工作平面参考系Pr Pf Pp Pr Ps坐标平面PO Pn Pf Pp测量平面 法平面参考系刀具标注角度 法平面参考系刀具标注角度 在基面Pr和切削平面Ps内表示的角度 r r r和 s与正交平面参考系是相同的 将 O o o改为在法平面Pn内的法向前角 n 法向后角 n 和法向楔角 n 假定工作平面参考系刀具标注角度 假定工作平面参考系刀具标注角度 只有在基面Pr内表示的角度 r r r与正交平面参考系是相同的 Pf中标注 侧 进给 前角 f 侧 进给 后角 f 进给楔角 f Pp中标注 背 切深前角 p 背 切深后角 p 切深楔角 p 在设计和制造刀具时 需要对不同参考系的标注角度进行换算 也就是正交平面 法平面 假定工作平面之间的角度换算 例如 在刀具设计 制造 刃磨和检验中 常常需要知道主刀刃在法平面内的角度 许多斜角切削刀具 特别是大刃倾角刀具 必须标注法平面角度 第三节刀具角度的换算 法向前角 法向后角 图1 11 一 法向前角 n 法向后角 n的计算 2 垂直于基面任意剖面P 内前角 后角 的计算 求极值得最大前角 最大前角所在剖面同主切削刃在基面上投影之间的夹角 求极值得最小后角 同理求出任意剖面P 内的后角 当主副切削刃在同一平面型公共前刀面上时 副前角和副切削刃刃倾角 刀具一面需要标注两个角度 第四节刀具角度的一面两角分析法 直头外圆车刀 45 弯头车刀 切断刀 刀具工作角度的参考系平面 与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似 不同点就在于它以合成切削运动 e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre 由于工作基面的变化 将带来切削平面pse的变化 从而导致工作前角 oe 工作后角 oe的变化 第五节刀具的工作角度 工作基面 re通过主切削刃上选定点 垂直于该点合成切削速度方向的平面 工作切削平面 se通过主切削刃上选定点 与主切削刃相切 且垂直于该点工作基面的平面 工作正交平面 oe通过主切削刃上选定点 垂直于工作基面和工作切削平面的平面 为保证刀具有合理的切削条件 这时应根据刀具的工作角度来换算出刀具的标注角度 1 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 2 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 引起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前角增大 后角减小 进给量 越大 工件直径 越小 则工作角度值的变化就越大 在车削大螺距螺纹或蜗杆时 进给量 很大 故 0值较大 此时就必须考虑它对刀具工作角度的影响 3 轴向进给运动对工作角度的影响 4 进给运动方向不平行工件轴线对主 副偏角的影响 第六节切削层与切削方式 切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属 切削层参数 基面中测量的切削层长度 宽度和面积 它们与切削用量f ap有关 ADE是残留面积 影响表面粗糙度 一 切削层参数 1 切削层公称厚度hD 垂直于正在加工的表面 过渡表面 度量的切削层参数 它反映了切削刃单位长度上的切削负荷 2 切削层公称宽度bD 平行于正在加工的表面 过渡表面 度量的切削层参数 它反映了切削刃参加切削的工作长度 3 切削层公称横截面积AD 在切削层参数平面内度量的横截面积 各种切削加工的切削层参数 二 切削方式 1 自由切削与非自由切削自由切削 只有一条切削刃参加切削 非自由切削 主 副切削刃同时参加切削 2 直角 正交 切削与斜角 非正交 切削直角切削 s 0 切削刃与切削速度垂直斜角切削 s 0 切削刃与切削速度不垂直 a 直角切削 b 斜角切削图宽刃刨刀刨削工件 小结 任何一种切削加工都必须满足一定的条件 即 刀具和工件间要有形成零件结构要素所需的相对运动 刀具必须具有一定的空间几何结构 刀具材料的性能能够满足切削加工的需要 1 在切削加工中的运动包括切削运动和辅助运动两类 切削运动包括主运动和进给运动 主运动和进给运动可分别用切削速度 进给量 背吃刀量 称为切削用量三要素 来定量描述 2 车刀是结构最简单 车刀由刀杆和切削部分组成 车刀的主要几何要素可归纳为 三面 两刃 一尖 六角 一尖 指刀尖 两刃 指主 副切削刃 三面 指前面和主 副后面 六角 指前角 后角 主偏角 副偏角 刃倾角 副后角 要准确掌握这些几何要素的概念 并能够熟练地标注 3 描述和标注刀具切削部分各级和要素在空间上位置的参考坐标系有两类 即静态参考系 或称标注参考系 和动态参考系 或称为工作参考系 两者的区别在于前者是在一定的假设条件下建立的 而后者是根据生产中的实际状况建立的 4 进给运动将导致纵向车削和横向车削时刀具的前角增大 后角减小 尤其是在加工多头螺纹 切断工件时 影响更大 刀具安装位置偏高 或低 将导致外表面车削时刀具的工作前角加大 后角减小 或前角减小 后角加大 刀具安装位置对内表面车削时的工作角度的影响与外表面车削时刚好相反 刀具安装基面与主运动方向不垂直或刀杆中心线与假定进给运动方向不垂直等将引起车刀的多个角度发生变化 5 切削层公称宽度 切削层公称厚度和切削层公称横截面积是描述切削层的基本参数 与进给量 背吃刀量 主偏角有关系 6 了解自由切削和非自由切削 直角切削和斜角切削概念 作业 P201 1车 80至 601 51 61 91 10作图表示直头外圆车刀 45 车刀 90 车刀 切断刀的六个基本角度 车刀是金属切削加工中应用最广泛的一种刀具 是研究其他刀具的基础 车刀可用于各种车床上 可用来加工外圆 内孔 端面 螺纹及各种内 外回转体成形表面 也可用于切断和切槽等 因此车刀类型很多 形状 结构 尺寸也各异 见图所示 车刀的结构形式有整体式 焊接式 机夹重磨式和机夹可转位式等 三 车刀 焊接式车刀就是在碳钢 一般用45钢 刀杆上按刀具几何角度的要求开出刀槽 用焊料将硬质合金刀片焊接在刀槽内 并按所选定的几何角度刃磨后使用的车刀 焊接式车刀结构简单 刚性好 适应性强 可以根据具体的加工条件和要求刃磨出合理的几何角度 1 硬质合金焊接式车刀 缺点 1 切削性能主要取决于工人刃磨的技术水平 2 经过高温焊接 硬质合金刀片易产生热应力 严重时会出现裂纹 使硬质合金的切削性能下降 对提高生产率不利 3 刀杆不能重复使用 当刀片用完或崩坏后刀杆也随之报废 造成很大浪费 优点 结构简单 刚性好 适应性强 可以根据具体的加工条件和要求刃磨出合理的几何角度 选用 1 硬质合金刀片型号 表示形状和尺寸 已经标准化 可根据需要选用 2 刀杆的截面形状有正方形 矩形和圆形 一般是根据机床的中心高和切削力的大小来选择其截面尺寸和长度 2 硬质合金机夹重磨式车刀 用机械的方法将硬质合金刀片夹固在刀杆上的车刀 刀片磨损后 可卸下重磨 然后再安装使用 可避免焊接引起的缺陷 刀杆可多次重复使用 结构较复杂 刀片重磨时仍有可能产生应力和裂纹 3 机夹可转位式车刀 将预先加工好的有一定几何角度的多角硬质合金刀片 用机械的方法装夹在特制的刀杆上的车刀 由于刀具的几何角度是由刀片形状及其在刀杆槽中的安装位置来确定的 故不需要刃磨 当一个切削刃磨钝后 只要松开刀片夹紧元件 将刀片转位 改用另一新切削刃 重新夹紧后即可继续切削 待全部刀刃都磨钝后 再装上新刀片又可继续使用 1 车刀几何参数完全由刀片和刀槽保证 不受工人技术水平的影响 因此其切削性能稳定 适于大批大量生产 2 由于刀片上制有各种类型的断屑槽 而且几何形状尺寸一致性好 只要合理选择刀片的型号就可达到稳定卷屑和断屑的目的 不致因断屑不稳定而停机 3 大大减少了刀杆的制造量 节省了刀具制造和管理费用 也缩短了工人装刀 卸刀及刃磨等所需的辅助时间 4 刀杆可以多次使用 大大降低了刀杆材料的消耗量 5 新型刀具材料 新型硬质合金 涂层硬质合金 新型陶瓷等 的耐用度较高 适宜制成可转位刀片 6 可转位刀片的刀片 刀杆标准化程度高 可简化工具的管理工作 优点 硬质合金可转位刀片已国家标准化 刀片的常用形状为 硬质合金可转位刀片 可转位刀片的选用 选择刀片的形状时 主要是考虑加工工序的性质 工件的形状 刀具的寿命和刀片的利用率等因素 选择刀片的尺寸时 主要是考虑切削刃工作长度 刀片的强度 加工表面质量及工艺系统剐性等因素 定位准确 刀片转位或更换刀片后 刀尖位置的变化应在工件精度允许的范围内 操作方便 刀片转位或更换刀片时 操作应简便迅速 动作可靠 夹紧元件的动作幅度应保证在刀片和刀槽公差范围内将刀片夹紧 结构合理 夹紧元件不应防碍切屑