金属切削原理与刀具.ppt

1、第一章 金属切削原理与刀具1.1 切削运动及切削要素1.2 切削用量的选用1.3 刀具的构造1.4 金属切削过程的基本规律1.5 常用刀具材料及其选用1.6 刀具几何角度的合理选择1.7 切削液习题1.1 切削运动和切削要素切削运动和切削要素一、切削运动一、切削运动1、切削加工：用金属切削刀具把工件毛坯上预留的金属材料切除，获得图样所要求的零件。2、切削运动：在切削过程中，刀具与工件间的相对运动。3、切削运动包括主运动和进给运动， 如图1-1所示。 图1-1各种加工方法的切削运动和工件上形成的三个表面 (a) 车削； (b)铣削； (c)刨削； (d)钻削； (e)磨削 (1) 主运动：使工件

2、与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。主运动的速度最高，消耗功率最大，主运动只有一个。 如：车削、镗削加工时工件的回转运动，铣削和钻削时刀具的 回转运动，刨削时刨刀的直线运动等都是主运动。 (2) 进给运动： 切削时将新的金属层投入切削，使切削能继续下去的运动。进给运动可多个或没有，可连续可间歇。 如：车削时车刀的直线运动， 铣削时工件的直线运动，钻削时钻头的轴向移动，磨削时工件的往复直线运动等都是进给运动。拉削没有进给运动，刨削时工件的直线移动是间歇的。二、加工中的工件表面二、加工中的工件表面 切削加工时，工件上同时存在着三个不断变化的表面：(1) 已加工表面：工件上经刀具切削后产生的新

3、表面。 (2) 待加工表面：工件上有待切除金属层的表面。 (3) 过渡表面：正由切削刃切削着的表面。三、切削要素三、切削要素切削三要素：切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap。 (1) 切削速度vc：在进行切削加工时，刀具切削刃的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，单位为m/min。 当主运动为旋转运动时， vc可按下式计算： D 工件待加工表面或刀具的最大直径（mm）； n 主运动的转速（rpm或r/min）。 1000cDnv (2)进给量f：主运动在一个循环内刀具与工件之间 沿进给方向相对移动的距离。 车削：工件每转一转刀具移动的距离，mm/r。 刨削：刀具每一往复工件移动的距

4、离，mm/str。 进给速度vf: 切削刃上选定点相对工件的进给运动 瞬时速度，mm/min。 连续进给的切削加工： vf=nf (3) 背吃刀量ap：又称切削深度，指工件已加工表 面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 外圆车削时： dw 工件待加工表面直径（mm）； dm 工件已加工表面直径（mm）。 2mwpddav例例:车削直径为车削直径为300mm的铸铁带轮外圆的铸铁带轮外圆,若切削速度为若切削速度为60m/min,试求车床主轴试求车床主轴转速转速.1.2 切削用量的选用切削用量的选用一一. 切削用量对机械加工的影响切削用量对机械加工的影响1、对加工质量的影响 (1)vc的影响：v

5、c影响切削温度，从而影响加工质量。 vc增加, 上升，工件的温升变形和刀具磨损加快,使误差加大；工件表面层的热应力、金相组织也发生变化，使工件表面质量下降。 （2）f的影响： f影响已加工表面的残留面积残留面积来影响表面粗糙度。在中等以上切削速度时，降低进给量可降低表面粗糙度值；但当低速切削（0.050.15 mm/r）时，由于存在塑性变形故可使表面粗糙度值增大。 （3）ap的影响： ap影响切削力切削力而影响加工质量。 ap增大，切削力增加，工艺系统发生变形、振动等，加工精度和表面粗糙度下降。 2、对刀具使用寿命的影响 vc、f 、ap增加，刀具磨损加剧，耐用度降低。其中影响最大的是vc，其

6、次是f，最小的是ap。3、对生产效率的影响 增大ap可减少走刀次数，明显提高生产率；粗加工时增大f可提高生产率。二、切削用量的选择原则二、切削用量的选择原则 1、粗加工：首先选取尽可能大的ap ；其次根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的f ；最后根据刀具耐用度确定最佳的vc 。 2、精加工：首先根据粗加工后的余量确定ap ；其次根据已加工表面的粗糙度要求选取较小的f ；最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选用较高的vc 。三、切削用量的选择方法三、切削用量的选择方法1、ap的选择主要根据加工余量加工余量和工艺系统的刚度工艺系统的刚度确定。 (1)粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后

7、，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若余量过大不能一次切除， 也应按先多后少先多后少的不等余量法加工，第一刀的ap应尽可能大些。中等功率机床上ap可达810mm。(2)当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap ，使切削力减小。 (3) 精加工时， ap应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap的方法， 逐步提高加工精度和表面质量。 (4) 一般精加工时，取ap =0.10.4 mm；半精加工时， 取ap =0.52.0 mm。 2、f的选择 (1) 粗加工时，f根据刚度来选择：工艺系统刚度好时，可用大些的f；反之，适当降低f 。（2）精加工

8、、半精加工时，f应根据工件的Ra要求选择：Ra要求小的，取较小的f，但又不能过小，因为f过小，Ra反而增大，且刀具磨损加剧。 3、vc的选择 vc主要根据工件材料、刀具材料和机床功率来选择。 (1) 刀具材料好， vc可选得高些； (2)表面有硬皮或断续切削时， 应适当降低vc ； (3) Ra要求小时，避开积屑瘤、鳞刺产生的vc ； (4) 工艺系统刚性差时， vc应减小； (5)加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的vc 。1.3 刀具的构造刀具的构造一、车刀的组成一、车刀的组成 普通外圆车刀的构造如图所示： 车刀由切削部分切削部分(刀头)和夹持部分夹持部分（刀柄）两大部分组成。 刀头

9、承担切削工作，由各种刀具材料制作。刀柄用于将车刀夹持在车床刀架上，常用普通碳钢（45）、球墨铸铁制成。 车刀的切削部分由三个表面、 两条刀刃和一个刀尖组成。(1) 前刀面：切屑流过的表面，用Ar表示。 (2) 主后刀面：与工件上过渡表面相对的表面，用A表示。 (3) 副后刀面：与工件上已加工表面相对着的表面，用A表示。 (4) 主切削刃： 前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作， 用S表示。(5) 副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，用S表示。 其靠刀尖处起微量切削作用，具有修光性质。(6) 刀尖：主切削刃和副切削刃的交点，通常以圆弧或短直线形式出现，以提高刀具的使用寿命。 不同类型的刀具，其

10、刀面、切削刃的数量不完全相同， 如切断刀就有两个副后面、两个副切削刃和两个刀尖。 v课堂讨论：判断45车刀及麻花钻的各组成部分。 了解常见车刀及拉刀。二、刀具的几何二、刀具的几何 角度角度1. 刀具角度的参考系 要确定刀具的几何角度，须先确定一参考坐标平面作为基准。静止参考系中常用的正交平面参考系如右图所示：（1）基面: 过主切削刃上的一点，垂直于切削速度方向的平面，用Pr表示。 （2）切削平面: 过主切削刃上的一点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面, 用Ps表示。（3）正交平面: 垂直于主切削刃在基面上投影的平面， 又称主剖面，用Po表示。 切削平面、基面、正交平面在空间相互垂直。 2、车刀

11、的基本角度 车刀的基本角度如右图所示： 前角0 后角o 楔角 主偏角r 副偏角r 刀尖角r 刃倾角s （1）在正交平面（主剖面）中测量、标注的角度 1)前角（0 ）：前刀面与基面的夹角。 前刀面在基面之下， 0为正值；在基面之上， 0为负值；与基面重合0为零。 前角对刀具切削加工性能的影响：正前角值越大，切屑越易流出，切削力越小，但刃口强度减弱。负前角能加强刃口强度，提高刃口抗冲击能力，但会增大切削抗力。车刀前角一般取1525。 2）后角（o）：主后刀面与切削平面间的夹角。 后角的作用：减少刀具与工件间的摩擦。车刀后角一般取612。3）楔角（ ）：前刀面与后刀面间的夹角。 90（ 0 o ）。

12、（2）在基面中测量、标注的角度： 1）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。 增大主偏角，可以减小径向切削分力，减小工件变形。它总为正值，一般为3090。2）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。 副偏角的作用：减少副切削刃与已加工表面的摩擦。一般取515。3）刀尖角（r）：主切削刃和副切削刃在基面上的投影的夹角。（3）在切削平面内测量、标注的角度： 刃倾角（s）：主切削刃与基面之间的夹角。 刃倾角也有正负之分，如下页图所示 ：)(180rrr 当刀尖在切削刃最高点时，刃倾角为正；刀尖在最低点时，刃倾角为负； 当主切削刃与基面平行时，刃倾角为0。（4）

13、在副正交平面中测量、标注的角度 ： 在负切削刃上定义一副正交平面（副剖面）Po，副后角副后角o是副后面与副切削平面间的夹角。 三、刀具的工作角度三、刀具的工作角度1、安装位置对工作角度的影响 （1）刀尖高低的影响（见右图）： 车外圆时，刀尖若安装高于工件中心，则刀具工作前角增大，变为oe，工作后角减小为oe。 若刀尖安装低于工件中心，则工作前角减小而工作后角增大。 当车内孔时，刀尖若高于工件中心，其工作前角会减小，工作后角会增大；刀尖若低于工件中心，工作前角增大，工作后角减小。 （2）刀杆位置的影响（见下图）： 由于r和r的标注角度是在刀杆垂直于进给方向测定的，因而刀杆偏斜也会引起r和r的变化

14、。 (3) 刀杆伸出长短的影响。刀杆伸出过长，会增加弹性变形，造成r和 r的变化。 2、进给运动对工作角度的影响(1) 横向进给（见下页图）：在横向进给切削时，刀具的工作前角增大一个值，工作后角减小一个值。 横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 (2) 纵向进给：车削时，由于进给运动的影响，工件上的加工表面实际上是一螺旋面，因此实际切削平面相对于静止状态的位置偏离了一个螺旋升角。一般车削时，因为进给量比工件直径小得多，所以进给运动形成的螺旋升角很小，对车刀工作角度的影响常可忽略不计。但在车多头螺纹和大螺距螺纹时，因进给量很大，故必须考虑纵向进给对工作角度的影响。 1.4 金

15、属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律一、切屑的形成及种类一、切屑的形成及种类1、切屑的形成过程（如下页图所示）：三个变形区：第I变形区（剪切滑移区）、 第II变形区（摩擦变形区）、 第III变形区（挤压摩擦区）。切屑的形成：被切削的金属受到刀具的剪切和挤压，产生剪切滑移，使切削层与本体金属分离。 切削过程的三个变形区 2. 切屑的种类 切削中因工件材料不同、切削条件不同，其变形程度也就不同，因此会产生不同的切屑，如下图所示：切削的种类(a） 带状切屑； (b） 节状切屑； (c） 单元切屑； (d） 崩碎切屑（a）带状切屑：连续条带状，底层光滑，背面呈毛茸状。 大前角、小切削厚度、高切削

16、速度加工塑性材料时。（b）挤裂切屑（节状切屑）：背面呈锯齿形，内背面时有裂纹。 小前角、大切削厚度、低切削速度加工塑性材料时。（c）单元切屑：小前角或负前角、极低切削速度、大切削厚度切削塑性金属时。（d）崩碎切屑：切削层弹性变形后未经未经塑性变形，突然崩碎成不规则的碎裂状。 切削脆性材料时。 产生带状切屑时切削过程稳定，产生挤裂和单元切屑时切削过程波动较大，尤其是产生单元切屑时。二、积屑瘤二、积屑瘤 用中等或较低的切削速度切削一般钢料或其它塑性金属材料时，常在前刀面接近刀刃处黏结有一硬度很高（约为工件材料硬度的23.5倍）的楔形金属块即为积屑瘤（如右图所示）。积屑瘤1、积屑瘤的形成 切屑底层与

17、与刀具前刀面发生剧烈摩擦而产生冷焊。2、积屑瘤的作用（1）保护刀具；（2）增大前角；（3）影响工件尺寸精度；（4）增大已加工表面粗糙度。 积屑瘤对粗加工有利对精加工不利。3、积屑瘤的抑制（1）控制切削速度使切削温度避开300500；（2）增大前角；（3）降低进给量从而减小切削厚度；（4）提高材料的硬度，降低延展性；（5）采用润滑性好的切削液。三、加工硬化三、加工硬化1、定义：已加工表面经过切削加工后，表面层硬度提高的现象。2、影响：（1）提高已加工表面硬度和耐磨性：硬化层硬度比工件高1.22倍；（2）使下道工序刀具易被磨损；（3）增大表面粗糙度，降低材料疲劳强度。四、切削力四、切削力1、切削力

18、的产生与分解（如下图所示）：切削力(a） 切削力的产生； (b） 车外圆时切削力的合力与分力 切削力产生的直接原因是切削过程中的变形切削过程中的变形和摩擦和摩擦。 切削力可分解为：主切削力Fc、背向力Fp、进给力Ff。2、影响切削力的因素（1）工件材料 材料的硬度、强度愈高，切削力越大；材料的塑性、韧性越大，切削力越大。（2）切削用量 背吃刀量和进给量增大，切削力增大；切削速度对切削力的影响呈波浪形，如下页图所示： 切削速度对切削力的影响（3）刀具几何角度 前角增大，切削力减小（教材图2-19）；主偏角对Fc影响不大，主偏角增大，Ff增大， Fp减小（图2-20）；刃倾角s对Fc的影响很小,

19、s减小时，Fp增大，Ff减小（图2-21）。 （4）其他因素 与工件材料摩擦系数小的刀具材料，切削力减小；刀具磨损大；切削力增大；切削液降低切削力。五、切削热与切削温度五、切削热与切削温度 1、切削热的产生与传散（1）产生 切削热主要来自工件材料在切削过程中的变变形形（弹性变形、 塑性变形）和摩擦摩擦（前刀面与切屑、后刀面与工件）。（2）传散 切削热主要通过切屑、工件、刀具及周围介质传散。车削时，带走热量多少依次为：切屑、车刀、工件、周围空气。 2、切削温度及其影响因素（1）切削温度指的是切削区域（即切屑、工件、刀具接触处）的平均温度。（2）影响因素 a、工件材料 材料强度、硬度高，切削温度高

20、；塑性、韧性好，切削温度高；导热性能好，切削温度低。 b、切削用量 切削速度增大，切削温度显著升高；进给量增大，切削温度升高；背吃刀量增大，切削温度略有升高。 c、刀具几何形状 前角增大、主偏角减小、刀尖圆弧半径增大，切削温度降低。 d、切削液使切削温度降低。六、刀具磨损与刀具耐用度六、刀具磨损与刀具耐用度 1、刀具磨损形式：正常磨损、破损（非正常磨损）（1）正常磨损：刀具前刀面和后刀面的刀具材料在切削过程中逐渐损耗的现象。（2）破损：由于冲击振动、热效应等原因致使刀具崩刃、碎裂而损坏。（3）刀具正常磨损形式（如下页图所示）： a、前刀面磨损：前刀面刃口后方 月牙洼型 b、后刀面磨损：磨损发生

21、在刀具主后刀面刀具的磨损形式 c、前、后刀面同时磨损：前刀面月牙洼磨损与主后刀面磨损兼有2、刀具磨损过程与磨损限度（1）刀具磨损分三个阶段（如下页图所示）： a、初期磨损阶段：磨损较快，由于新刃磨刀具表面凹凸不平，接触应力大。 b、正常磨损阶段：较初期磨损慢，刀具有效工作阶段。 c、急剧磨损阶段：磨损带宽度增大到一定限度后，刀具磨损速率急剧增大。刀具的磨损过程（2）刀具磨损限度：对刀具规定一个允许磨损量的最大值。 3、刀具耐用度（1）刀具耐用度：一把新刃磨的刀具，从开始切削至达到允许磨损量的最大值所经过的切削时间。即两次刃磨之间的纯切削时间。 刀具寿命：一把新刀具从开始使用到报废为止的切削时间

22、。刀具耐用度与刃磨次数的乘积。（2）影响刀具耐用度的因素 a、切削用量 切削速度、进给量、背吃刀量增大，刀具耐用度降低 ； b、刀具几何参数 前角增大或主偏角减小，刀具耐用度提高。 c、刀具材料 刀具材料高温强度高，耐磨性好，刀具耐用度高；韧性好，抗弯强度高，刀具耐用度高。 d、工件材料 工件材料的强度、硬度高，或塑性、韧性高，刀具耐用度低。 机械摩擦机械摩擦和切削温度切削温度是影响刀具耐用度的主要原因。1.5 常用刀具材料及其选用常用刀具材料及其选用一、对刀具材料的基本要求对刀具材料的基本要求(1) 高硬度和耐磨性；通常硬度在HRC60以上 (2) 足够的强度和韧性； (3) 良好的耐热性和

23、导热性；(4) 良好的工艺性； (5) 经济性。二、常用刀具材料的种类二、常用刀具材料的种类 1、高速钢 高速钢是含有较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。具有较高的强度、韧性和耐热性，是目前应用最广泛的刀具材料。因刃磨时易获得锋利的刃口，故高速钢又称“锋钢锋钢”。 高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢。（1）普通高速钢 有一定的硬度（6366HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性，切削钢料时切削速度一般不高于5060 m/min，不适合高不适合高速和硬材料的切削速和硬材料的切削。 常用的普通高速钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。 W18Cr4V可用于制造各种复杂刀具；

24、W6Mo5Cr4V2常用于制造麻花钻。 （2）高性能高速钢 在普通高速钢中增加碳、钒碳、钒或加入一些其它合金元素（如钴、铝等）而得到耐热性、耐磨性更高的高性能高速钢。能在630650时仍保持60 HRC的硬度。 常用的高性能高速钢牌号有9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3、W6Mo5Cr4V2Co8及W6Mo5Cr4V2Al等。 适用于加工奥氏体不锈钢、高强度钢、高温合金、钛合金等难加工的材料。 2、硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物（WC、TiC、 TaC、NbC等），用Co、Mo、Ni作黏结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达7882HRC，能耐8

25、001000的高温， 切削速度比高速钢高切削速度比高速钢高410倍倍，但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。 常用的硬质合金有三大类： （1）K类（YG）： 即钨钴类硬质合金，由碳化钨和钴组成。 这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差。 适用于加工铸铁、青铜等脆性材料脆性材料。 常用的K类硬质合金牌号有YG8、 YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。（其中的数字表示Co含量的百分数，如YG6即含Co6%。 含Co越多，则韧性越好。） (2)P类（YT）： 即钨钴钛类硬质合金，由碳化钨、碳化钛和钴组成。 这类硬质合

26、金的耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差。 适用于加工钢料等塑性材料塑性材料。 常用的P类硬质合金牌号有YT5、YT15、YT30等，其中的数字表示碳化钛含量的百分数。 碳化钛的含量越高，则耐磨性较好，韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工 。 (3)M类（YW）： 即钨钛钽（铌）类硬质合金，在钨钴钛类硬质合金中加入少量的碳化坦（TaC）或碳化铌（NbC）组成。 它具有前两类硬质合金的优点，既能加工脆脆性材料性材料，又能加工塑性材料塑性材料，同时还能加工高温合金、 耐热合金及合金铸铁等难加工的难加工的材料材料。 常用的M类硬质合金牌号有YW1、 YW2。 3

27、、其他刀具材料 （1）涂层硬质合金 在硬质合金或高速钢基体上，涂覆一薄层硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。 （2）陶瓷 主要成分是Al2O3，刀片硬度可达78HRC以上，能耐12001450的高温，故能承受较高的切削速度。 但抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃。主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工精度零件的精加工。 （3）金刚石 刀具材料大多是人造金刚石，硬度极高，耐磨性是硬质合金的80120倍，但韧性差。主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、胶、石墨、 陶瓷、陶瓷、 有色金属等材料的高速有色金属等材料的高

28、速精加工。精加工。 （4）立方氮化硼（CNB） 人工合成的超硬刀具材料，硬度仅次于金刚石，可耐13001500高温，但强度低，焊接性差。主要用于加工淬火钢、冷硬铸用于加工淬火钢、冷硬铸铁、铁、 高温合金和一些难加工的材料。高温合金和一些难加工的材料。 1.6 刀具几何角度的合理选择刀具几何角度的合理选择 一、前角的选择一、前角的选择 1、前角的作用 影响切屑变形和切削力的大小、刀具耐影响切屑变形和切削力的大小、刀具耐用度和加工表面的质量。用度和加工表面的质量。 增大前角，加工表面质量高，但过大会降低刀刃强度，使刀具耐用度下降。 2、前角的选择原则 a、根据工件材料选择前角：加工塑性材料选用较大

29、前角；工件材料强度、硬度低时选用较大前角； b、根据刀具材料选择前角：刀具材料的抗弯强度和冲击韧性低时选较小前角。高速钢刀具比硬质合金刀具的合理前角约大510。陶瓷刀具的合理前角应选得比硬质合金刀具更小一些。 c、根据加工性质选择前角：粗加工用较小前角；工艺系统刚性差、机床功率小时选用较大前角。 二、后角的选择二、后角的选择 1、后角的作用 减小主后刀面与过渡表面的弹性恢复层减小主后刀面与过渡表面的弹性恢复层之间的摩擦，减轻刀具磨损。之间的摩擦，减轻刀具磨损。 后角小，使主后刀面与工件表面的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差。 2、后角的选择原则 a、根据切削厚度选择后角：切削厚度越大，后角应越小；粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具应取较小后角；精加工取较大后角。 b、考虑被加工材料的力学性能：工件材料硬度、 强度高