切削原理与刀具1

1,金属切削原理与刀具MetalCuttingMethodAndTheDesignofCuttingTools（2007本科课程版）,机械设计制造及其自动化专业主干课程,2,欢迎大家学习金属切削原理与刀具课,3,一、本课程的性质金属切削原理与刀具在工科院校与机制有关的专业中占有重要的地位，因此一直列为考试课，在我院的数控、机制、机电等专业自然也是考试课。二、本课程的内容金属切学原理与刀具分为两部分，原理部分讨论的是金属切削加工过程中的主要物理现象的变化规律，以及对规律的控制及应用；刀具部分是要我们学习常用金属切削刀具的选择、使用以及常用非标准刀具的设计，如成形车刀、成形铣刀和拉刀等。三、本课程的特点（1）涉及知识面广（2）实验理论多（3）实践性强,金属切削原理与刀具课程简介,4,金属切削原理与刀具课程简介,了解金属切削原理与刀具领域的最新成就和发展趋势。,掌从理论上认识金属切削过程一般现象和基本规律，能按具体的加工条件选择合理的刀具材料、刀具切削部分的几何参数及切削用量，并能运用所学知识，分析和解决生产中出现的一些有关问题。,初步掌握金属切削课程实验、生产等实践环节训练，培养分析和解决机械制造工程问题的能力。,5,金属切削原理与刀具课程简介,金属切削原理部分,金属切削原理基本定义（6学时）刀具材料（12学时）,金属切削变形过程（10学时）金属切削过程切削力（12学时）切削热和切削温度（12学时）刀具磨损、破损和使用寿命（6学时）,6,切削用量的选择（12学时）磨削加工（6学时）,金属切削原理与刀具课程简介,金属切削原理部分,工件材料的切削加工性（6学时）已加工表面质量（12学时）刀具合理几何参数的选择（12学时）,7,金属切削原理与刀具课程简介,二，刀具部分,铣刀（12学时）拉刀（6学时）齿轮刀具（6学时）,车刀（12学时）成型车刀（10学时）,孔加工刀具（12学时）,8,课程简介,综合性注意联系和综合应用以往所学知识实践性注意理论联系生产实际，重视实践性环节灵活性掌握基本原理，活学活用,期末考查70作业及课堂纪律20，实验10,课堂讲授讲授重点、难点自学课程内容20自学，通过作业、答疑保证效果实践环节作业、练习、实验,9,主要参考教材与参考文献,1天津大学先进制造技术实验室，机械制造技术基础实验指导书，20042张冠伟等，机械制造技术基础习题集，20043张世昌主编，机械制造技术基础网络课程，高教音像出版社，20034MikellP.Groover.FundamentalsofModernManufacturing.JOHNWILEY&SONS,INC.2002,周泽华主编，金属切削原理，上海科学技术出版社.袁哲俊主编，金属切削刀具，上海科学技术出版社.第2版,10,刀具材料,金属切削变形过程,切削力,切削热和切削温度,工件材料的切削加工性,刀具磨损、破损和使用寿命,课程导航,金属切削原理基本定义,11,一、明代发展成与近代相类似的切削加工方法，如车、铣、刨、磨削等。二、建国以来，我国的机械制造业不断壮大，金属切削加工技术也得到了飞速发展。大力推广先进的切削方法；在金属切削变形、切削力、切削热、刀具磨损和刀具耐用度、以及加工质量等方面都取得了一定水平的科研成果；广泛推广应用了机夹重磨刀具和可转位刀具。三、80年代以后，我国金属切削技术达到较高的水平，计算机已在切削理论研究和刀具设计中应用，各种先进的测试仪器已应用于切削机理的分析和研究中，并取得一系列科研成果。,切削原理与刀具,12,学习本课程主要做到重视实践知识，善于抓住问题的本质，善于比较，要建立正确的空间概念。学习过程中，要求达到以下几点：1、基本掌握切削过程中的主要物理现象的变化规律和应用及控制方法，具有解决实际生产问题的能力。2、具有正确图示和选择刀具合理几何参数的能力。3、具有根据具体要求选择使用常用刀具，以及设计一般非标准刀具的能力。4、要求课上认真听讲，抓住重点，做好笔记，课下复习，辅导与自学相结合。,切削原理与刀具,13,切削原理与刀具,第1章机械制造过程基础知识FundamentalofMechanicalManufacturingProcess,1-1切削运动、加工表面和切削用量三要素MovementsofCutting,CuttingSurfacesAndThreeMainfactorsofCutting,14,切削原理与刀具,15,切削时形成的表面,进给运动,主运动,待加工表面,过渡表面,已加工表面,切削原理与刀具,16,切削原理与刀具,在这两个运动合成的切削运动作用下，工件表面的一层金属不断地被车刀切下来并转变为切屑，从而加工出所需要的工件新表面。在新表面形成过程中，工件上有三个依次变化着的表面：,（2）已加工表面；已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面。,（3）过渡表面（切削表面）：加工时由切削刃在工件上正在切削的那个表面，位于待加工表面和已加工表面之间的表面。,待加工表面,、过渡表面,和已加工表面,17,切削原理与刀具,18,2-2刀具切削部分的几何角度,一、外圆车刀切削部分的组成,前面,主后面,副后面,主切削刃,副切削刃,刀尖,刀杆,刀头,切削原理与刀具,19,1.1.1零件表面形成方法,轨迹法成形法相切法展成法,20,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T表示），也可以是回转运动（用R表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。,1.1.2切削加工的成形运动,21,1.1.3典型表面加工方法,22,1.1.4典型表面加工方法,23,1.1.5典型表面加工方法,24,1.1.6典型表面加工方法,25,1.1.7典型表面加工方法,26,1.1.8切削用量三要素,27,1.1.8切削用量与切削层截面参数,切削速度vc,若主运动为往复运动时，其平均速度为：,（2-2）,式中n主运动转速（r/s）；d刀具或工件的最大直径（mm）。,式中nr主运动每秒钟往复次数（str/s）；l往复运动行程长度（mm）。,（2-3）,进给量：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。背吃刀量：主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。,28,2.3.4切削用量与切削层截面参数,切削厚度,（2-4）,切削宽度,（2-5）,29,切削原理与刀具,1-2刀具切削部分的基本定义FundamentalConceptsofTheCuttingpartsofTheCuttingTools,2.6刀具切削部分的结构要素TheStructurefactorsofTheCuttingpartsofTheCuttingTool,30,2.6.1刀具结构,外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成。,31,2.6.1刀具结构,32,2.6.2刀具几何角度,1）基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。,图2-49车刀主剖面坐标系,2）切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。,3）主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。,33,基面Pr,假定主运动方向,主切削刃上选定点,刀柄底面平面,2.6.2刀具几何角度,34,主剖面Po：PsP,基面P：PVc刀具安装面（车刀）,切削平面Ps:与S相切且P,假定主运动方向Vc,主剖面参考系（Pr-Ps-Po),主切削刃上选定点,2.6.2刀具几何角度,35,1）前角o在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时o定为正值；位于刀头实体之内时o定为负值。,o影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。,2.6.2刀具几何角度,用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5-10。,36,2）后角o后角o在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。,2.6.2刀具几何角度,粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。,37,主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。,3）主偏角r在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,r的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。r的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,2.6.2刀具几何角度,38,4）副偏角rr在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。,2.6.2刀具几何角度,在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。,39,2.6.2刀具几何角度,5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。,s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。,40,法剖面Pn：PnS,基面P：PVc刀具安装面（车刀）,切削平面Ps:与S相切且P,假定主运动方向Vc,法剖面参考系（Pr-Ps-Pn）,90,主切削刃上选定点,2.6.2刀具几何角度,41,刀具安装对工作角度的影响,图2-52车刀安装高度对工作角度的影响,2.6.2刀具几何角度,42,刀具安装高低时,43,刀杆中心面（线）不垂直于进给运动方向的影响,2.6.2刀具几何角度,44,式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,进给运动对工作角度的影响,（2-8）,2.6.2刀具几何角度,（2-8a）,45,在进给剖面，有：,将其换算到主剖面内得到：,在主剖面内：,（2-9）,2.6.2刀具几何角度,46,1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性,2.6.3刀具材料,47,2.6.3刀具材料,48,2.6.3刀具材料,49,刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。,高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,2.6.3刀具材料,50,2.6.3刀具材料,51,硬质合金,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,2.6.3刀具材料,52,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,2.6.3刀具材料,53,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或