第二章 金属切削原理与刀具.ppt

黑龙江大学机电工程学院,第一节刀具的结构一、切削运动1.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）主运动：在机床上形成切削速度并消耗大部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.切削要素待加工表面：工件上即将被切除的表面已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间,切削过程中，工件上通常存在的3个不断变化的表面,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(1).切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量（切削深度）切削速度Vc（m/s）：刀具切削刃上选定点相对于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外圆车刀车削外圆时的切削速度计算公式为,dw工件待加工表面的直径，(mm)n工件的转速，(r/s),内孔车削时的切削速度计算公式为,dm工件已加工表面的直径，(mm)n工件的转速，(r/s),黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,进给量f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单位是mm/r(用于车削、镗削等)mm/行程(用于刨削、磨削等)进给量表示进给运动的速度进给速度Vf（mm/s)每齿进给量fz(多刃刀具，mm/齿)其中：n主运动的转速，(r/s)z刀齿齿数,Vf=nf=nzfz,黑龙江大学机电工程学院,背吃刀量ap（切削深度）待加工表面与已加工表面之间的垂直距离(mm)单位为mm对于外圆加工,其中：dw工件待加工表面的直径，(mm)dm工件已加工表面的直径，(mm)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).切削层参数在切削过程中，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,切削层公称宽度aw：沿过渡表面测量的切削层尺寸aw反映了切削刃参加切削的工作长度aw=ap/sinkr,切削层公称厚度ac：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ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷ac=fsinkr,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Ac：切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积Ac=acaw=fsinkrap/sinkr=fap,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.刀具切削部分的组成,三面两刃一尖前(刀)面主后(刀)面副后(刀)面主切削刃副切削刃刀尖,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,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,2.刀具角度的参考平面正交平面参考系切削平面：通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面。基面：通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。正交平面：通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面,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.刀具的标注角度在正交平面内测量的角度前角0：前刀面与基面之间的夹角表示前刀面的倾斜程度正值、负值、零后角0：主后刀面与切削平面之间的夹角表示后刀面的倾斜程度一般为正值,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,在基面内测量的角度主偏角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刃倾角s：主切削刃与基面之间的夹角正值、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,金属切削原理与刀具,4.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轴线时，将引起工作前角oe和工作后角oe的变化,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角re和工作副偏角re的变化,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,车削时由于进给运动的存在，使车外圆及车螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面,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,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,三面两刃一尖前(刀)面主后(刀)面副后(刀)面主切削刃副切削刃刀尖,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,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,三、刀具种类1.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、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、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）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.常用刀具简介(1)车刀在结构上分为：整体车刀焊接车刀焊接装配式车刀机械夹固刀片车刀机夹车刀可转位车刀,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1-刀片2-镗杆3-导向键4-紧固螺钉5-精调螺母6-刀块,黑龙江大学机电工程学院,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)拉刀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加工各种内、外表面按加工表面的不同分为：内拉刀外拉刀推刀拉刀的结构组成拉刀参数的确定,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,圆孔拉刀的组成部分1头部2颈部3过渡锥部4前导部5校准部6后导部7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,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院,金属切削原理与刀具,(6)齿轮刀具,展成齿轮刀具,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常温HRC6062以上高耐磨性高耐热性（热稳定性）足够的强度和韧性(抗弯强度、冲击值）良好的工艺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碳素工具钢：T10AT12A合金工具钢：9SiCrCrWMn高速钢（HSS）钨系：W18Cr4V钨钼系：W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2碳化物的均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，耐磨性比W18Cr4V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钨钴(YG)：YG3YG6YG8钨钴钛(YT)：YT5YT15YT30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。刀具耐用度较高速钢高几倍到几十倍。,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,三、新型刀具材料陶瓷陶瓷的主要成分是氧铝化（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）。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，一般用于高硬度材料的半精加工和精加工。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。,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,三、新型刀具材料人造金刚石金刚石是目前已知的最硬材料，其硬度为HV10000，精车有色金属时，加工精度可达IT5，刀具耐用度通常为硬质合金的10-100倍。金刚石的耐热性较差，一般低于800，在高温条件下，与铁原子反应，不适于加工钢铁材料。金刚石粉制成的砂轮磨削硬质合金。,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,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1.切屑形成过程切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。即在前刀面的推挤、摩擦作用下，使变形金属内部发生剪切滑移的过程。,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绘出金属变形过程中的滑移线和流线示意图,黑龙江大学机电工程学院,第二变形区（纤维化）,第一变形区（剪切滑移）,金属切削原理与刀具,第三变形区（纤维化与加工硬化）,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.切屑的类型及其控制,切屑类型a带状切屑b挤裂(节状)切屑c单元（粒状）切屑d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）带状切屑特点：内表面比较光滑，其他自由变形的表面显得粗糙。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）挤裂切屑,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。这种切屑大多在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。,(3)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。,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,(4)崩碎切屑,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,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.积屑瘤现象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三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。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：1)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。2)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。3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。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。,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,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，刀具切入工件,使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力克服被加工材料对弹性变形的抗力克服被加工材料对塑性变形的抗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已加工表面之间的摩擦力,切削力的来源,黑龙江大学机电工程学院,切削力的分解,r,Fc,F,Fp,Ffp,Ff,Ffp,Ffp,f,v,F,切削合力,Fc,主切削力,Fp,背向力,Fp背向力,Ff进给力、轴向力,Fc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,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Pc：消耗在切削过程中的功率,Fc和Ff所消耗的功率之和。因Fp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Ff所消耗的功率来说（1%2%）计算机床电动机的功率PE,:机床的传动效率，0.750.85,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.测定机床功率，计算切削力2.用测力仪测量切削力,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：计算切削力的指数公式,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：按单位切削力计算切削力,黑龙江大学机电工程学院,计算举例用YT5硬质合金车刀外圆纵车b=630MPa的热轧45钢，车刀几何参数为go=10、kr=75、ls=0，切削用量为ap=4mm、f=0.4mm/r、vc=1.7m/s。试计算切削力Fc、Fp、Ff及切削功率Pc。,金属切削原理与刀具,黑龙江大学机电工程学院,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=561xFf=1.0yFf=0.5nFf=-0.4KFf=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=0.6nFp=-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，绝大部分（98%99%）转化为热能切削热是切削温度上升的根源切削热被切屑、工件、刀具和周围的介质传出车、铣、刨加工中，切削热大部分传递给切屑钻、磨加工中，切削热大部分传递给工件,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QA=QD+QFF+QFR,式中，QD,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量。,切削热传出,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去。,金属切削原理与刀具,黑龙江大学机电工程学院,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自然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.切削用量的影响,切削用量三要素对切削温度的影响：vc最大，其次是f，ap的影响最小,刀具前面接触区的平均温度（）切削温度系数；切削速度（m/min）；进给量（mm/r）；背吃刀量（mm）；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.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，切削温度也就愈高。材料的导热性好，可以使切削温度降低。例子：合金结构钢的强度高于45钢，导热率多低于45钢，所以切削合金结构钢的切削温度一般均高于切削45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.刀具角度的影响前角,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,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,4.刀具磨损的影响在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。5.切削液的影响切削液对降低切削温度有明显的效果。,四、切削液1.水溶液2.乳化液3.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.对工件材料强度和切削力的影响2.对刀具材料的影响3.对工件尺寸精度的影响4.利用切削温度自动控制切削速度或进给量5.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,黑龙江大学机电工程学院,金属切削原理与刀具,（1）刀具的磨损形式1）前面磨损前面上形成月牙洼磨损2）后面磨损后面的磨损形式是磨成后角等于零的磨损棱带。3）前后面同时磨损或边界磨损,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,黑龙江大学机电工程学院,（2）刀具磨损的原因1）硬质点磨损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。,2）粘结磨损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，从而形成刀具的粘结磨损。,黑龙江大学机电工程学院,3）扩散磨损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方去，使两者的化学成分发生变化，从而削弱了刀具材料的性能，加速了刀具的磨损。4）化学磨损在一定温度下，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,初期磨损阶段刀具磨损较快初期磨损量为0.05-0.1mm,正常磨损阶段磨损比较缓慢均匀，后(刀)面的磨损量随切削时间的增长而近似成比例增加刀具的有效工作阶段,急剧磨损阶段刀具磨损速度也急剧加快以致失去切削能力,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。,因此国际标准ISO统一规定以l2背吃刀量处后(刀)面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB。,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: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刀具总寿命:刀具从第一次投入使用直至完全报废时所经历的实际切削时间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（2）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令则,金属切削原理与刀具,黑龙江大学机电工程学院,用YT5硬质合金