切削金属使用说明浙江甬工工具厂.ppt

,金属切削,浙江甬工工具厂,（原台州金盛工量具有限公司）创立于1995年，是一家大型的专业金属圆盘锯片生产企业，拥有大量研发人员及专业技工。专业生产各种规格的高速钢锯片铣刀、切口铣刀、硬质合金锯片铣刀、切管圆锯片，三面刃铣刀、机用丝锥等及各种非标刀具。我厂拥有雄厚的技术力量、先进的生产设备、完善的质量管理体系，一直坚守坚持创新、不断完善的原则，使刀片内在质量更可靠、产品更耐磨、价格更实惠。我厂所有产品都经过严格检测，保证每一件产品都符合最高质量要求。目前，我工司的产品已经远销美国、欧洲、东南亚的十多个国家与地区。浙江甬工工具厂秉承“实惠的价格卓越的品质优良的服务”的经营宗旨，竭诚为客户提供高品质的产品和服务。根据客户需求，承接各类锯片的批发零售和定制，欢迎国内外新老朋友光临惠顾。,金属切削基础,金属切削加工是在机床上利用切削工具从工件上切除多余金属材料，从而获得具有一定形状精度、尺寸精度、位置精度和表面质量的机械零件，是机械加工的基本方法。本章主要讲述金属切削过程的基本知识，刀具的几何参数、刀具材料及常用刀具，对切削过程中的切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等现象进行研究，揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律。1.1金属切削刀具1.2常用刀具简介1.3金属切削过程及其物理现象1.4切削力、切削热与切削温度1.5刀具磨损与刀具耐用度1.6金属切削条件的合理选择1.7磨削原理,1.1金属切削刀具,1.1.1切削运动与切削用量1.切削运动金属切削加工时，刀具与工件之间的相对运动称为切削运动，即表面成形运动。切削运动按其作用可分为主运动和进给运动。1）主运动使零件与刀具之间产生相对运动以进行切削的最基本运动，称为主运动。在切削过程中，主运动只有一个，且速度最高，所消耗的功率最大。例如，车床上工件的旋转运动，牛头刨床上刨刀的直线往复运动，如图1.1的v。,2）进给运动多余材料不断投入切削，从而逐渐切削出整个零件表面的运动，称为进给运动。进给运动一般速度较低，消耗的功率较少，可以有一个或多个。它可以是连续的，也可以是间断的。例如：车外圆时车刀纵向连续的直线运动，在牛头刨床上刨平面时工件横向间断的直线移动，如图1.1中的vf。,(a)车外圆(b)刨平面图1.1切削运动与切削表面,(a)车外圆(b)刨平面图1.1切削运动与切削表面,三个加工表面,待加工表面：工件上即将被切除的表面，如图1.1所示。已加工表面：工件上经刀具切削后产生的新表面。过渡表面（加工表面）：工件上由切削刃正在切削着的表面，位于待加工表面和已加工表面之间，也称作加工表面或切削表面。,3.切削要素,切削要素主要指切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。1）切削用量在生产中，将切削速度、进给量和背吃刀量统称为切削用量，又称为切削用量三要素。车削外圆时的切削用量如图1.2所示。,图1.2切削用量与切削层参数,（3）背吃刀量,又称为切削深度。对于外圆车削，背吃刀量为工件上待加工表面与已加工表面间的垂直距离，单位为mm。由图1.2可知（1-7）,2）切削层参数,切削层是指零件上正被切削刃切削的一层金属，即两个相邻加工表面间的那层金属。对于外圆车削，即零件转一转，主切削刃移动一个进给量f所切除的金属层，如图1.2所示。切削层参数包括切削层公称厚度、切削层公称宽度和切削层公称横截面积，切削层的大小反映了切削刃所受载荷的大小，直接影响到加工质量、生产率和刀具的磨损等。,图1.2切削用量与切削层参数,1.切削层公称厚度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。它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。外圆车削时（1-8）2.切削层公称宽度沿过渡表面测量的切削层尺寸，它反映了参加切削的切削刃长度。（1-9）3.切削层公称横截面积在切削层参数平面内度量的横截面面积，即切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。（1-10）,2）切削层参数,1.1.2刀具的角度,刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分，金属切削刀具的种类虽然很多，但它们在切削部分的几何形状与参数方面却有着共性的内容，不论刀具构造如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀切削部分为基本形态的。,1.刀具切削部分的组成,外圆车刀是最基本、最典型的刀具，其切削部分（又称刀头）由六个基本结构要素构造而成：1）前刀面（又称前面）刀具上与切屑接触并相互作用的表面，即切屑流过的表面。2）主后刀面（又称主后面或后面）与工件上过渡表面相对的刀具表面。3）副后刀面（又称副后面）与工件上已加工表面相对的刀具表面。,图1.3车刀的的组成,1.刀具切削部分的组成,4）主切削刃前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作。5）副切削刃前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。6）刀尖连接主切削刃和副切削刃的一段切削刃，它可以是小的直线段或圆弧。,图1.3车刀的的组成,2.刀具标注角度的参考系,刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。而要确定它们的空间位置，就应当建立假想的参考平面坐标系，称为刀具标注角度的参考系，如图1.4所示。该参考系是由三个互相垂直的平面组成。,图1.4刀具标注角度的参考系,2.刀具标注角度的参考系,（1）基面通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。（2）切削平面通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。（3）正交平面（又称主剖面）通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。,图1.4刀具标注角度的参考系,3.刀具的标注角度,1）前角在正交平面内测量的前刀面和基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。2）后角在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。3）主偏角在基面内测量的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。,图1.5车刀的标注角度,3.刀具的标注角度,4）副偏角在基面内测量的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。5）刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。,图1.5车刀的标注角度,4.刀具的工作角度,在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，刀具的标注角度会发生变化，其原因是切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。以切削过程中实际的基面、切削平面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。,2）纵向进给运动对工作角度的影响,进给平面内（1-12）正交平面内（1-13）,3）刀尖安装高低对工作角度的影响,1.刀尖高于工件轴线2.刀尖高于工件轴线,图1.8刀尖安装高低对工作角度的影响,4）刀杆中心线安装偏斜对工作角度的影响,当刀杆中心线与进给方向不垂直时，工作主偏角和工作副偏角将发生变化。,图1.9刀杆中心线安装偏斜对工作角度的影响,1.1.3刀具材料,1.刀具材料应具备的性能1）高足够的硬度硬度是刀具材料应具备的基本性能。要从工件上切除多余的金属，刀具材料硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度一般须在60HRC以上。2）高的耐磨性耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，它是刀具材料力学性能、组织性能和化学性能的综合反映。一般来说，刀具材料硬度越高，则耐磨性越好；材料中碳化物和氮化物等硬质点的硬度越高，颗粒越小，数量越多且分布越均匀，则耐磨性越高。,1.刀具材料应具备的性能,3）足够的强度和韧性切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刃和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。材料的强度和韧性通常用抗弯强度和冲击值表示。4）高的耐热性耐热性是指刀具材料在高温下仍能保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。通常把材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性(亦称为高温硬度、红硬性)，它是刀具材料保持切削性能的必备条件。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度越高。5）良好的导热性和耐热冲击性能要求刀具的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,2.常用刀具材料,1）高速钢高速钢是富含钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2A1等。在工厂中常称为白钢或锋钢。耐热性很高，在切削温度高达500650时，仍能保持60HRC的高硬度正常切削，因此许用切削速度为30m/min50m/min，是碳素工具钢的13倍，提高刀具使用寿命1040倍甚至更多。同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性，抗弯强度为一般硬质合金的35倍，冲击韧性是硬质合金的610倍。高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多，因此到目前为止，高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。它能锻造，容易磨出锋利的刀刃，适宜制造各类切削刀具，尤其在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中，高速钢占有重要的地位。,表1-1常用高速钢的力学性能和应用范围,1）高速钢,按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢，按制造工艺方法不同，高速钢可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。（1）通用型高速钢通用型高速钢是切削硬度在250280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，应用最广泛。通用型高速钢的特点是工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于40m/min60m/min。通用型高速钢又分为钨钢和钨钼钢两类，常用牌号分别如W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。,（2）高性能高速钢高性能高速钢是在通用型高速钢成分中再添加一些C、V、Co、Al等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的耐用度为普通高速钢的1.53倍，适用于加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。（3）粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，或压制成钢坯然后经轧制(或锻造)成材的一种刀具材料。粉末冶金高速钢具有很多优点：有良好的力学性能和可磨削性；淬火变形只有熔炼钢的1/31/2；耐磨性可提高2030；质量稳定可靠。它适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具，特别适于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具，如滚刀、插齿刀等。,1）高速钢,2）硬质合金,硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）和金属粘结剂（Co、Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达8993HRA，能耐8001000的高温，因此耐磨、耐热性好，许用切削速度是高速钢的6倍，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/81/30，因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。此外，由于硬质合金的常温硬度很高，除磨削外，很难采用切削加工方法制造出复杂的形状结构，故可加工性差。硬质合金由于切削性能优良，因此被广泛用作刀具材料。多大多数的车刀和端铣刀都采用硬质合金制造，深孔钻、铰刀等刀具也广泛采用的硬质合金，就连一些复杂负责刀具如拉刀、齿轮滚刀（特别是整体小模数硬质合金滚刀和加工淬硬齿面的滚刀）也都采用了硬质合金。硬质合金常用于制造形状简单的高速切削刀片，精焊接或机械夹固在车刀、刨刀、面铣刀、钻头等刀体上使用。ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。表1-2列出了几种常用的硬质合金的牌号、性能及其使用范围。,2）硬质合金,P类（相当于我国YT类）硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。这类合金主要用于加工钢料。常用牌号有YT5（TiC的质量分数为5）、YTl5（TiC的质量分数为15）等，随着TiC质量分数的提高，钴质量分数相应减少，硬度及耐磨性增高，抗弯强度下降。此类硬质合金不宜加工不锈钢和钛合金。K类（相当于我国YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。这类合金主要用来加工铸铁、有色金属及其合金。常用牌号有YG6（钴的质量分数为6）、YG8（钴的质量分数为8）等，随着钴质量分数增多，硬度和耐磨性下降，抗弯强度和韧性增高。M类（相当于我国YW类）硬质合金是在WC、TiC、Co的基础上再加入TaC（或NbC）而成。加入TaC（或NbC）后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。常用牌号有YWl和YW2等。,1.2.1车刀,车刀结构简单，是金属切削加工中应用最为广泛的一种刀具。按用途不同，车刀可分为外圆车刀、端面车刀、内孔车刀及切断刀等。,图1.10车刀的类型与用途,1.车刀的结构,车刀在结构上可分为整体式、焊接式和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又分为机夹车刀和可转位车刀。,图1.11车刀的结构a）整体式b）焊接式c）机夹式d）可转位车刀,机夹可转位车刀,与普通机夹车刀的不同点在于刀片为多边形，每一边都可作切削刃，当一个刀刃用钝后，只需将刀片转位、重新夹固，即可使新的刀刃投入工作，当所有刀刃都用钝后，即可更换新刀片。,硬质合金可转位刀片,图1.13硬质合金可转位刀片a）三角形b）偏8三角形c）凸三角形d）正方形e）五角形f）圆形,1.2.2孔加工刀具,1.麻花钻麻花钻是应用最广泛的孔加工刀具，特别适合于30以下的孔的粗加工，有时也可用于扩孔。麻花钻直径规格为0.180mm。用高速钢麻花钻加工的孔精度可达IT11IT13，表面粗糙度Ra可达256.3m；用硬质合金钻头加工时则分别可达IT10IT11和Ra12.53.2m。,1）麻花钻的结构,柄部是钻头的夹持部分，并用来传递扭矩颈部供制造时磨削柄部退砂轮用，也是钻头打标记的地方工作部分包括切削部分和导向部分，切削部分担负着主要切削工作，钻头有两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃。,图1.14标准麻花钻的结构,2.扩孔钻,扩孔钻是对工件已有孔进行再加工，以扩大孔径和提高加工质量的加工工具。扩孔钻的刀齿一般有34个，故导向性好，切削平稳；由于扩孔余量较小，容屑槽较浅，刀体强度和刚性较好；扩孔钻没有横刃，改善了切削条件。因此，大大提高了切削效率和加工质量。一般加工精度可达IT10IT11，表面粗糙度Ra可达6.33.2m。,扩孔钻的主要类型有高速钢整体式（图1.16a）、和镶齿套式（图1.16b）及硬质合金可转位式（图1.16c）等。整体式扩孔钻的扩孔范围为1032mm；套式扩孔钻的扩孔范围为中2580mm。,图1.16扩孔钻,3.锪钻,锪钻用于在孔的端面上加工各种沉头孔或凸台表面，如图1.17所示。锪钻上的定位导柱，是用来保证被锪孔或端面与原来孔的同轴度或垂直度。,（a）带导柱平底锪钻（b）锥面锪钻（c）端面锪钻图1.17锪钻的类型,4.铰刀,铰刀是孔的精加工刀具，也可用于高精度孔的半精加工。由于加工余量小，齿数多，加工精度可达IT6IT8，表面粗糙度Ra可达1.60.2m。根据使用方式，铰刀一般分为手用铰刀及机用铰刀两种，图1.18是几种常见的铰刀。机用铰刀可分为带柄的和套式的，一般加工直径为120mm用直柄，加工直径为1032mm用锥柄。手用铰刀柄部为直柄，工作部分较长，导向作用较好。手用铰刀的加工直径范围一般为150mm。铰刀形式有直槽式和螺旋槽式两种。根据加工类型铰刀可分为圆形铰刀和锥度铰刀。,铰刀的结构,铰刀的结构由工作部分、颈部及柄部组成，如图1.19所示。工作部分包括切削部分与校准（修光）部分，切削部分呈锥形，担负主要的切削工作，修光部分用于校准孔径、修光孔壁和导向。,图1.19铰刀的结构,5.镗刀,镗刀是一种很常见的扩孔用刀具，在许多机床上都可以用镗刀镗孔，如车床、铣床、镗床以及组合机床等。镗孔的加工精度可达IT6IT8，表面粗糙度Ra可达6.30.8m。常用于较大直径的孔的粗加工、半精加工和精加工，特别是对于大直径的孔，镗刀几乎是唯一的刀具。镗刀的种类很多，一般可分为单刃镗刀与多刃镗刀两大类。,2）双刃镗刀,双刃镗刀两边都有切削刃，工作时可以消除径向力对镗杆的影响，工件的孔径尺寸与精度由镗刀径向尺寸保证。镗刀上的两个刀片径向可以调整，因此，可以加工一定尺寸范围的孔。双刃镗刀多采用浮动连接结构，镗刀片插在镗杆的槽中，依靠作用在两个切削刃上的径向力自动平衡其位置，刀片不紧固在刀杆上，可以浮动并自动定心，可消除因镗刀安装误差或镗杆偏摆引起的加工误差。但双刃镗刀不能校正孔的直线度误差和孔的位置偏差。双刃浮动镗应在单刃镗之后进行。,2）双刃镗刀,图1.22双刃镗刀,1.2.3铣刀,铣刀是一种应用广泛的多齿旋转刀具。铣刀种类很多，按其用途可分为加工平面用铣刀（如圆柱铣刀、面铣刀）、加工沟槽用铣刀（如立铣刀、两面刃或三面刃铣刀、锯片铣刀、键槽铣刀等）、加工成形面用铣刀（如成形铣刀、指状铣刀、模具铣刀等）等三大类。,1.圆柱铣刀,主要用于卧式铣床上加工宽度小于铣刀长度的狭长平面。它一般都是用高速钢制成整体的，螺旋形切削刃分布在圆柱表面上，没有副切削刃，螺旋形的刀齿切削时是逐渐切入和脱离工件的，所以切削过程较平稳。铣刀外径较大时，常制成镶齿的。,图1.22圆柱铣刀a）整体式b）镶齿式,2.面铣刀,又称端铣刀，主切削刃分布在圆柱或圆锥表面上，端面切削刃为副切削刃，铣刀的轴线垂直于被加工表面。主要用在立式铣床或卧式铣床上加工台阶面和平面，特别适合较大平面的加工。加工表面粗糙度值小，因此可以用较大的切削用量，生产率较高，应用广泛。,图1.23面铣刀a）整体式刀片b）镶焊接式硬质合金刀片c）机械夹固式可转位硬质合金刀片1不重磨可转位夹具2定位座3定位座夹具4刀片夹具,3.立铣刀,立铣刀如图1.24所示，一般由34个刀齿组成，圆柱面上的切削刃是主切削刃，端面上分布着副切削刃，工作时不宜能沿铣刀轴线方向作进给运动。它主要用于加工平面、凹槽，台阶面。,图1.24立铣刀,4.键槽铣刀,键槽铣刀如图1.25所示。它的外形与立铣刀和钻头相似，在圆周上有两个螺旋刀齿，其端面刀齿的刀刃延伸至中心，因此可以用轴向进给对毛坯钻孔，然后沿键槽方向运动铣出键槽全长。,图1.25键槽铣刀,5.盘铣刀,又称三面刃铣刀，如图1.26所示，可分为直齿三面刃和错齿三面刃。它主要用在卧式铣床上加工台阶面和一端或两端贯穿的浅沟槽。三面刃铣刀除圆周具有主切削刃外，两侧面也有副切削刃对加工侧面起修光作用，从而改善了切削条件，提高了切削效率，减小了表面粗糙度值。,图1.26三面刃铣刀a）直齿b）交错齿c）镶齿,6.成形铣刀成形铣刀是在铣床上用于加工成形表面的刀具，其刀齿廓形要根据被加工工件的廓形来确定。如图1.27（a)所示，用成形铣刀可在通用的铣床上加工复杂形状的表面，并获得较高的精度和表面质量，生产率也较高。7.锯片铣刀如图1.27（e）所示，锯片铣刀用于切削狭槽或切断，它与切断车刀类似，对刀具几何参数的合理性要求较高。8.其它铣刀除了上面介绍的铣刀外，还有T形槽铣刀、燕尾槽铣刀、模具铣刀、仿形铣用的指形铣刀、角度铣刀等，如图1.27所示。,其他铣刀,图1.27其它铣刀a）锯片铣刀b）模具铣刀c）角度铣刀d）成形铣刀e）T形铣刀f）燕尾槽铣刀g）指状铣刀,1.2.4拉刀,拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具。加工精度可达IT7IT9，表面粗糙度Ra可达3.20.8m。拉削时，拉刀做等速直线运动，由于后一个（或一组）刀齿高出前一个（或一组）刀齿，从而能够一层层地从工件上切去金属，以获得所要求的工件表面，拉削过程如图1.28所示。拉刀可以用来加工各种截面形状的通孔、直线或曲线的外表面。拉刀构造比较复杂，制造成本高，因此一般多用于大批大量生产。,图1.28拉削过程,拉刀的结构,前柄部拉刀的夹持部分，用以传递动力。颈部拉刀前柄部和过渡锥的连接部分，拉刀的规格等标记一般都打在颈部上。过渡锥引导拉刀前导部进人工件预加工孔的锥度部分，起对准中心的作用。前导部引导拉刀切削齿正确地进入工件待加工表面的部分。并可检查拉前孔径是否太小，以免拉刀第一个刀齿负荷太重而损坏。切削部担负切削工作，切除工件上的全部加工余量，它是由粗切齿、过渡齿和精切齿组成，各齿直径依次递增。校准部具有几个尺寸形状相同的齿，起校准作用，可以提高工件加工精度和表面质量，也作为精切齿的储备齿。后导部是保证拉刀最后刀齿正确地离开工件的导向部分，以防止拉刀在即将离开工件时，工件下垂而损坏已加工表面和拉刀刀齿。后柄部当拉刀长而重时，拉床的托架或夹头支撑在后柄部上，防止拉刀下垂而影响加工质量，并减轻了装卸拉刀的劳动强度。,图1.29圆孔拉刀的组成前柄部颈部过渡锥前导部切削部校准部后导部后柄部,拉刀的结构,1.2.5螺纹刀具,螺纹的应用很广，加工各种螺纹用的螺纹刀具种类也很多。按加工方法可分为外螺纹刀具和内螺纹刀具，前者有螺纹车刀、螺纹梳刀、圆板牙、螺纹铣刀、螺纹切头等；后者有内螺纹车刀、丝锥、螺纹滚压工具等。形成螺纹的方法有切削法和滚压法。1螺纹车刀螺纹车刀是一种廓形简单的成形车刀。可用于各种内、外螺纹。螺纹车刀结构简单，成本低，加工精度较高，可用于切削精密丝杆等。它的加工尺寸范围较广，加工大尺寸螺纹几乎不受什么限制，通用性好。但它工作时需多次走刀才能切出完整的螺纹廓形，故生产率较低，常应用于中、小批量及单件螺纹的加工。,2丝锥,丝锥是加工各种内螺纹的标准刀具之一，它本质上是一带有纵向容屑槽的螺栓，工作部分由切削锥与校准部分组成，其结构简单，使用方便，在中、小尺寸的螺纹加工中，应用极为广泛，生产率较高。丝锥的种类很多，按不同用途和结构可分为手用丝锥、机用丝锥、螺母丝锥、锥形螺纹丝锥、梯形螺纹丝锥等，如图1.30所示,工作部分由切削锥与校准部分组成。手用丝锥用手操作，常用于单件小批生产和修配工作。机用丝锥因其切削速度较高，一般用于成批大量生产中。,丝锥的种类,图1.30常用的几种丝锥l1切削部分；l0校准部分；l工作部分,3板牙,板牙实质上是具有切削角度的螺母，是加工与修整外螺纹的标准刀具，沿轴向钻有38个排屑孔以形成切削刃，并在两端做有切削锥部。,图1.31圆板牙,1.2.6齿轮加工刀具,齿轮刀具是用来加工齿轮齿形的刀具。为满足各种齿轮加工需要，齿轮刀具种类很多，结构复杂，其生产批量、质量要求和加工方法各不相同，所以齿轮刀具加工方法各不相同，所以种类很多。按照齿轮齿形的形成原理，齿轮刀具可分为成形法齿轮刀具和展成法齿轮刀具两大类。,1.成形齿轮刀具,成形法齿轮刀具的齿形与被加工齿轮的齿槽形状相同。常用的成形齿轮刀具主要有指形齿轮铣刀和盘形齿轮铣刀。指形齿轮铣刀，如图1.32（a）所示，它是成形立铣刀。切齿过程中工件沿齿向作进给运动，铣完一个齿后，用分度头分度铣第二个齿。这种铣刀适合加工人字齿轮及加工大模数的直齿、斜齿轮。盘形齿轮铣刀，如图1.32（b）所示，可用于加工直齿或斜齿轮。切齿过程中刀具旋转，沿齿槽方向进给，铣完一个齿槽后需分度。由于这种方法的加工精度和生产率都很低，故盘形齿轮铣刀多用于机修工作中低精度配件的加工或单件小批量生产。,成形齿轮铣刀,图1.32成形齿轮铣刀,2.展成法齿轮刀具,展成法齿轮刀具利用齿轮的啮合原理来加工齿轮。切齿时，刀具就相当于一个齿轮，它与被加工齿轮作无侧隙啮合，工件齿形是由刀具齿形运动轨迹包络而成的。被加工齿轮的精度和生产率较高，刀具通用性好，同一把刀具可加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮。加工精度和生产率都较高，广泛地应用于成批和大量生产中。常用的展成齿轮刀具有齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀等。,1）滚刀,可加工外啮合的直齿、斜齿圆柱齿轮，生产率较高，应用最广泛，加工范围大，从模数大于0.1到小于40的齿轮，精度一般为IT7IT9，同一把滚刀可以加工模数相同齿数不同的齿轮。,图1.33整体式齿轮滚刀图,2）插齿刀,可加工直齿轮、内齿轮、多联齿轮、人字齿轮和齿条等。标准直齿插齿刀按其结构特点，可分为盘形、碗形和带锥柄形三种类型，如图1.34所示。盘形插齿刀主要用于加工直齿外齿轮及大模数的内齿轮；碗形插齿刀主要用于加工多联齿轮和带凸肩的齿轮；锥柄插齿刀主要用于加工内齿轮。,图1.34插齿刀,3）剃齿刀,剃齿刀用于未淬硬的直齿、斜齿圆柱齿轮的精加工。剃削齿轮前，需用专用的剃前滚刀或剃前插齿刀来加工齿形并留有剃削余量。剃齿刀生产率高，寿命长，但价格贵，在成批大量生产中使用较多。,图1.35剃齿刀,1.3金属切削过程及其物理现象,金属切削过程就是刀具与工件相互作用形成切屑的过程。在这个过程中将产生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损、积屑瘤等。因此，有必要对金属切削过程和物理现象加以研究，以探索和掌握其基本规律，这对合理设计和使用刀具，提高加工质量、生产效率以及降低生产成本等方面有着重要的意义。,1.3.1切屑的形成过程及变形区的划分,大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程是切削层金属在刀具前刀面的挤压下发生一剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。这非常类似于材料力学实验中试件被压缩破坏的情况。图1.36是用显微镜直接观察低速直角自由切削工件侧面得到的切削层的金属变形情况。,图1.36金属切削层变形图像,三个变形区,1)第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域称为第一变形区（I）。2)第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，基本上和前刀面相平行。这部分称为第二变形区（II）。3)第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。这一部分的变形也是比较密集的，称为第三变形区（III）。,图1.37金属切削过程中的滑移线和流线示意图,剪切角,剪切角的大小和切削力的大小有直接关系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，角较大，剪切面积变小（见图1.49），切削比较省力，说明剪切角的大小可以作为衡量切削过程情况的一个标志。我们可以用剪切角来衡量切削过程变形的参数。,图1.49角与剪切面面积的关系,1.3.2切削变形程度,1变形系数切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。厚度变形系数（1-14）长度变形系数,图1.41变形系数Ah的计算,2相对滑移,既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）来衡量切削过程的变形程度。图1.42中，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移(1-15),图1.42剪切变形示意图,3.剪切角,剪切角与切削变形有密切关系，也可以用剪切角来衡量切削变形的程度。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为，即与F的夹角应为，故有则（1-16）分析上式可知：1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。,1.3.3积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1积屑瘤的形成及原因在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料等塑性材料时，常在前刀面靠近刀尖处粘着一块剖面呈三角状的硬块，这块粘附在前刀面上的金属硬块称为积屑瘤。它的硬度很高，通常是工件材料硬度的23倍，在处于稳定状态时，可以代替切削刃进行切削。积屑瘤的大小常用积屑瘤的高度Hb表示。切削时，切屑底层金属与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会粘结（冷焊）在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上，粘成一体，使黏结层逐步长大，形成积屑瘤。,图1.43积屑瘤前角b和伸出量hD,积屑瘤高度与切削速度的关系,对碳钢来说，切削区温度处于300350时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过500积屑瘤便自行消失。在背吃刀量和进给量f保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。图1.53中，I区为低速区，不产生积屑瘤；区为积屑瘤高度随的增大而增高；III区积屑瘤高度随的增大而减小；IV区不产生积屑瘤。,图1.44积屑瘤高度与切削速度的关系,2积屑瘤对切削过程的影响及其控制,（1）使刀具前角变大阻滞在前刀面上的积屑瘤有使刀具实际前角增大的作用.（2）使切削厚度变化积屑瘤前端超过了切削刃，使切削厚度增大。一旦积屑瘤从前刀面上脱落或断裂，值就将迅速减小。由于积屑瘤的产生、成长与脱落是一个周期性过程，切削厚度变化必然导致切削力产生波动。（3）使加工表面粗糙度增大积屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平，形状也不规则，会使加工表面粗糙度增大；破裂脱落的积屑瘤也有可能嵌入加工表面使加工表面质量下降。（4）对刀具寿命的影响粘在前刀面上的积屑瘤，可以替代刀刃切削，有减小刀具磨损，提高刀具寿命的作用；但如果积屑瘤从刀具前刀面上频繁脱落，可能会把前刀面上刀具材料颗粒拽去（这种现象易发生在硬质合金刀具上），反而使刀具寿命下降。,3防止积屑瘤产生的措施,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。粗加工时，对精度和表面粗糙度要求不高，积屑瘤可代替刀具进行切削。但精加工时，为了保证加工精度和表面质量，必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：（1）正确选择切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的中速区域。（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。（4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,1.3.4切屑的类型及控制,1切屑的类型及其分类1）带状切屑它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得这类切屑。2）挤裂切屑这类切屑外表面呈锯齿状，内表面有时有裂纹。挤裂切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。3）单元切屑如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，变为梯形的单元切屑。,图1.45切屑类型a）带状切屑b）挤裂切屑c）单元切屑d）崩碎切屑,4）崩碎切屑,切削脆性材料时被切金属层在前刀面的推挤下未经塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成崩碎切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凹凸不平的，如图1.45（d）所示。加工脆性材料，如高硅铸铁、白口铁等，切削厚度越大越易得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在加工中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时提高切削速度，以增加工件材料的塑性。,2.切屑的控制,从切屑控制的角度出发，国际标准化组织（ISO）制定了切屑分类标准，如图1.55所示。测量切屑可控性的主要标准是：不妨碍正常的加工（即不缠绕在工件、刀具上，不飞溅到机床运动部件中）；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运。,2.切屑的控制,（1）采用断屑槽通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆弧形和全圆弧形，如图1.48。,图1.48断屑槽截面形状a）折线形b）直线圆弧形c）全圆弧形,2.切屑的控制,（2）改变刀具角度增大刀具主偏角，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可以控制切屑的流向，为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑；为负值时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。（3）调整切削用量提高进给量使切削厚度增大，对断屑有利；但增大会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,1.4切削力、切削热与切削温度,1.切削力的来源、合力及分解、切削功率,1.4.1切削力,（1）切削层金属、切屑和工件表面金属的弹性变形所产生的抗力；（2）切削层金属、切屑和工件表面金属的塑性变形所产生的抗力；（3）刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。,图1.49切削力的来源,1.4切削力、切削热与切削温度,1.切削力的来源、合力及分解、切削功率1）切削力的来源,1.4.1切削力,2）切削力合力及分解,将合力F分解成三个互相垂直的分力。主切削力、切削力或切向力。它切于过渡表面且与基面垂直，并与切削速度v的方向一致。在切削过程中消耗的功率最大，是确定机床的电机功率、计算车刀强度、设计机床零件所必需的。,图1.50切削合力与分力,Fy切深抗力，或背向力、径向力、吃刀力。它处于基面内并与进给方向垂直。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度、计算机床零件和车刀强度。Fy虽不做功，但能使工件变形或振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。,Fx进给力或轴向力。它处于基面内并与工件轴线方向相平行，它是与进给方向相反的力。该力是检验进给机构强度，计算车刀进给功率所必需的。,图1.50切削合力与分力,切削合力与各分力之间的关系为：（1-17）根据实验，当、时，三者之间有如下近似关系：,3）切削功率,消耗在切削过程中的功率称为切削功率。切削加工中，因为Fy分力方向没有位移，故不消耗功率，因此总切削功率为Fz和Fx所消耗功率之和。（1-18）其中，Fz所消耗功率占总切削功率的95%左右，Fx所消耗功率占总切削功率的5%左右，由于消耗在进给运动中的功率所占比例很小，通常可略而不计。故（1-19）,计算出切削功率后，可以进一步计算出机床电动机的功率PE，以便选择机床电动机，此时还应考虑到机床的传动效率。机床电机功率PE应满足：PEPm/m（1-21）m机床的传动效率，一般取为0.750.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。,2.切削力的测量与计算,1.切削力的测量在生产实际中，切削力的大小一般采用由实验结果建立起来的经验公式进行计算。但是在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量。按测力仪的工作原理可以分为机械式测力仪、油压式测力仪和电测力仪。电测力仪又有：电阻应变式、电感式、电容式及压电式等，目前常用的是电阻应变片式测力仪和压电测力仪。除此之外，还可通过测定机床功率来计算切削力。根据上面分析，用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后则可计算出切削功率，当切削速度v为已知时，即可求出主切削力。但这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确。随着计算机的广泛应用，也可以利用计算机对切削力进行辅助测试。,2)切削力的计算及经验公式,(1）计算切削力的指数公式（1-22）,(2）用单位切削力计算主切削力,单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p（N/mm2）表示：p=（N/mm2）（1-23）,3.影响切削力的因素,影响切削力的因素很多，其中最主要的是工件材料、切削用量和刀具几何参数。此外，刀具材料、刀具磨损、冷却润滑液等对切削力也有一定的影响。1)工件材料的影响影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性（伸长率）、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。切削脆性材料时，切削层塑性变形很小，形成的崩碎切屑与前刀面的摩擦力也很小，因此脆性材料的切削力一般小于塑性材料。切削力的大小不单纯受材料的原始强度和硬度影响，它还受到材料加工硬化能力大小的影响。例如，奥氏体不锈钢的强度、硬度都较低，但是加工硬化能力大，较小的变形就会引起硬度较大的提高，导致切削力增大。另外，同一材料在不同的热处理状态下的金相组织不同也会影响切削力的大小。如45钢，其正火、调质、淬火状态下的硬度不同，切削力的大小也不同。在含硫(S)、铅(Pb)元素的钢中如果引起结构成分间的应力集中，则容易形成挤裂切屑，其切削力将比正常钢减小20%30%，故此种钢也被称为易切钢。,2)切削用量的影响,(1）背吃刀量和进给量的影响切削力随着背吃刀量ap和进给量f的增大而增大。在车削力的经验公式中，多数加工情况下，ap的指数xFz=1.0，即当ap加大一倍时，Fz也增大一倍；而f的指数yFz=0.75，即当f加大一倍时，Fz只增大68%左右。由此可见，背吃刀量或进给量对切削力的影响程度不同。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。生产中可在不减小切削层面积（金属切削量不变）的条件下，减小ap增大f，从而减小切削力。如强力切削、轮切式拉削、阶梯铰削、铣削等。,(2）切削速度的影响,切削速度对切削力的影响因材料不同而异。加工塑性金属时，切削速度对切削力的影响规律是受积屑瘤和摩擦作用而制约。,图1.51切削塑性材料时切削速度对切削力的影响,3)刀具几何参数的影响,(1）前角的影响刀具几何参数中，前角对切削力的影响最大。前角加大，能使刀刃变得锋利，切屑变形减小，有利于切屑的顺利排出，前刀面与切屑之间的摩擦力和正应力也有所下降，使切削更为轻快，切削力减小。加工脆性材料，由于切屑变形和加工硬化很小，故前角的变化对切削力影响不显著。(2）主偏角的影响径向分力随着主偏角的增大而减小，轴向分力随着主偏角的增大而增大。由于径向分力容易顶弯零件，使加工时产生振动，影响加工精度与表面粗糙度，因此当工艺系统刚性较差时，应尽可能使用大的主偏角刀具进行切削。(3）负倒棱的影响负倒棱可以提高切削刃的强度和散热能力，增加刀具的耐用度。但金属变形增大，使切削力有所增加。进给量不变时，负倒棱宽度越大，切削力也越大。(4）刃倾角的影响刃倾角对切削力Fy、FX的影响很大。FY随着刃倾角减小而增大；FX随着刃倾角减小而减小。刃倾角对Fz的影响不大。（5）刀尖圆弧半径通常，刀尖圆弧半径对Fx、Fy的影响较大，对Fz的影响较小。刀尖圆弧半径增大，则参加切削的圆弧刃长度增加，使圆弧刃部分的平均主偏角减小，因此不宜采用太大的刀尖圆弧半径。,4)刀具磨损的影响,在加工过程中，随着刀具的磨损，切削力增大。刀具后刀面磨损形成后角为零有一定宽度的小棱面，使后刀面与加工表面的接触面积增大，从而使后刀面的正压力和摩擦力都增大，使切削力增大。,5)切削液的影响,切削液的使用，可以明显降低切削力的大小。特别是润滑作用强的切削液，其润滑作用可以减小切屑与刀具前刀面及其工件表面与后刀面之间的摩擦，从而使切削力减小。由以上的分析可知，切削过程中产生切削力的大小是由许多因素综合影响的结果。因此，要减小切削力，应在分析各因素的影响的基础上，找出主要影响因素，兼顾一些次要因素，合理调整加工条件，以达到减小切削力的目的。,1.4.2切削热的产生与传导,切削热和由它所引起的切削加工区温度的升高是切削过程中的又一个重要物理现象，它直接影响刀具的磨损和耐用度，限制切削速度的提高，影响工件加工精度和表面质量。因此研究切削热和切削温度对生产实践有着重要的指导意义。,1.切削热的产生,切削时共有三个发热区域，即剪切面区、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区，如图1.62所示。这三个发热区域与三个变形区相对应，即剪切区的变形功转变的热Qp；切屑与前刀面接触区的摩擦功转变的热Qf；已加工表面与后刀面接触区的摩擦功转变的热Qf。产生的总热量Q为Q=Qp+Qf+Qf（1-25）,图1.52切削热的来源和传导,2切削热的传导,切削区域的热量由切屑、工件、刀具及周围的介质传散出去。大部分的切削热被切屑传走，其次为工件和刀具。以下是影响切削热传导的一些主要因素：1）工件、刀具材料的导热性能2）加工方式3）周围介质的状况,2切削热的传导,车削加工时切削热由切屑、刀具、工件和周围介质传出的比例大致如下：50%86%由切屑带走，40%10%由车刀传出，9%3%传入工件，1%传入介质（空气）。切削速度越高或切削厚度越大，则切屑带走的热量越多。而钻削或其他半封闭式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，切屑与刀具的接触时间长，切屑的热传导给刀具多。钻削加工时切削热由切屑、刀具、工件和周围介质传出的比例大致如下：28%由切屑带走，14.5%传给刀具，52.5%传入工件，5%传给周围介质。可见，钻削与车削相比，由切屑带走的热量所占比例减少了很多，而刀具、工件传出的热量所占比例增大，对加工带来影响。,1.4.3切削温度,1.切削温度的分布工件、刀具和切屑上各点的温度是变化的，即形成了一个温度场。图1.63是切削钢料时，所测出的主剖面内的温度场。,，,图1.53二维切削中的温度分布,车削不同材料时的温度分布,图1.54是车削不同的工件材料时，正交平面内前、后刀面上温度分布情况。,图1.54切削不同材料的温度分布,145钢-YT152GCr-YT143钛合金BT2-YG84BT2-YT15切削用量：v=30m/min，f=0.2mm/r,温度分布的规律,(1)剪切面上各点的温度基本一致，由此可以推断剪切面上各点的应力应变规律基本上变化不大。(2)前刀面和后刀面上的最高温度都处在离切削刃有一定距离的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。温度最高点出现在前刀面上。(3)在剪切区域内，垂直剪切方向上温度梯度较大，这是由于剪切滑移的速度很快，热量来不及传导出来，从而形成较大的温度梯度。(4)垂直前刀面的切屑底层温度梯度大，距离前刀面0.1mm0.2mm，温度就可能下降一半。这说明前刀面上的摩擦是集中在切屑的底层，因此切削温度对前刀面的摩擦系数有较大影响。(5)后刀面的接触长度很小，因此温度的升降是在极短时间内完成的，导致已加工表面受到一次热冲击。(6)工件材料塑性越大，前刀面上的接触长度越大，切削温度的分布就均匀些。工件材料脆性越大，最高温度所在的点离切削刃就越近。(7)工件材料导热系数越低，刀具的前、后刀面的温度就越高。这是一些高温合金和钛合金切削加工性低的主要原因之一。,2.切削温度的测量,切削温度是指切削过程中，切削区温度升高到一定程度后，生热速度与散热速度基本上达到相等，温度不再变化时的温度，也就是切削处于热平衡时的温度。切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。切削温度的测量方法很多，目前常用的测量方法是热电偶