机械制造第二章

1、第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材料加工性切削用量的选择及工件材料加工性第一节第一节 刀具的结构刀具的结构主要内容：主要内容：一、切削运动与切削要素一、切削运动与切削要素二、刀具角度二、刀具角度三、刀具种类（常用刀具介绍）三、刀具种类（常用刀具介绍）一、切削运动与切削要素一、切削

2、运动与切削要素1、切削运动刀具与工件间的相对运动、切削运动刀具与工件间的相对运动图图2-1 切削运动与切削表面切削运动与切削表面主运动：速度最高、消耗功率最大，只有一个主运动：速度最高、消耗功率最大，只有一个 进给运动：消耗的功率小，有一个或几个进给运动：消耗的功率小，有一个或几个切削运动可分解为切削运动可分解为主运动主运动和和进给运动进给运动一、切削运动与切削要素一、切削运动与切削要素切削过程中，工件上通常有三个不断变化着的表面：切削过程中，工件上通常有三个不断变化着的表面：1、已加工表面、已加工表面刀具切削后在工件上形成的新表面，随着切刀具切削后在工件上形成的新表面，随着切削的进行而逐渐扩

3、大。削的进行而逐渐扩大。2、待加工表面、待加工表面工件上即将被切去的表面，随着切削的继续，工件上即将被切去的表面，随着切削的继续，待加工表面逐渐减小直至全部切去。待加工表面逐渐减小直至全部切去。3、过渡表面（加工表面）、过渡表面（加工表面）工件上正在被切削的表面，在加工过程中不工件上正在被切削的表面，在加工过程中不断变化，但总是处在待加工表面与已加工表断变化，但总是处在待加工表面与已加工表面之间。面之间。一、切削运动与切削要素一、切削运动与切削要素2、切削要素、切削要素切削用量与切削层参数切削用量与切削层参数（1）切削用量 1）切削速度 vc 2）进给量 f 3）背吃刀量（切削深度）ap（2）

4、切削层参数 1）切削宽度 aw( (国标为国标为b bD) ) 2）切削厚度 ac( (国标为国标为h hD) ) 3）切削面积 Ac= = aw ac ( (国标为国标为AAD) )图图2-2 切削用量与切削用量与切削层参数切削层参数二、刀具角度二、刀具角度1. 1. 刀具切削部分的组成刀具切削部分的组成（）前刀面（）主后刀面（）副后刀面（）主切削刃（）副切削刃（）刀尖图图2-3 车刀的组成车刀的组成图图2-4 其它各类刀具切削部分的形状其它各类刀具切削部分的形状二、刀具角度二、刀具角度（）切削平面（）基面（）正交平面图图2-5 确定车刀角度的参考平面确定车刀角度的参考平面二、刀具角度二、刀

5、具角度3.3. 刀具的标注角度刀具的标注角度（）前角（）后角（）主偏角（）副偏角（）刃倾角图图2-6 车刀的主要角度车刀的主要角度刀具角度标注例刀具角度标注例1设计要求：设计要求：75强力车刀，主要参数为：强力车刀，主要参数为：l前角前角6，l后角后角5 ，l副后角副后角4 ，l主偏角主偏角75 ，l副偏角副偏角15 ，l刃倾角刃倾角-5 。4 -5 75 15 6 5 HB二、刀具角度二、刀具角度4.4. 刀具的工作角度刀具的工作角度图图2-8 车刀安装高度对工作角度的影响车刀安装高度对工作角度的影响a） 刀尖高于工件轴线刀尖高于工件轴线b）刀尖低于工件轴线）刀尖低于工件轴线（1） 刀具安装

6、位置对工作角度的影响刀具安装位置对工作角度的影响二、刀具角度二、刀具角度4.4. 刀具的工作角度刀具的工作角度图图2-9 车刀安装偏斜对工作角度的影响车刀安装偏斜对工作角度的影响（1） 刀具安装位置对工作角度的影响刀具安装位置对工作角度的影响二、刀具角度二、刀具角度4.4. 刀具的工作角度刀具的工作角度（2） 进给运动对工作角度的影响进给运动对工作角度的影响图图2-10 纵向进给运动对纵向进给运动对工作角度的影响工作角度的影响图图2-11 横向进给运动对横向进给运动对工作角度的影响工作角度的影响三、刀具种类三、刀具种类1、刀具分类、刀具分类按加工方式和用途按加工方式和用途按所用材料按所用材料按

7、结构形式按结构形式按是否标准化按是否标准化2、常用刀具简介、常用刀具简介车刀车刀图图2-12 常用的几种车刀常用的几种车刀2、常用刀具简介、常用刀具简介车刀车刀机夹式外圆车刀机夹式外圆车刀机夹可转位车刀机夹可转位车刀磨刀机磨刀机2、常用刀具简介、常用刀具简介孔加工刀具孔加工刀具按用途分为两类：按用途分为两类：（1）从实体材料上加工孔的刀具）从实体材料上加工孔的刀具（2）对已有的孔进行加工的刀具）对已有的孔进行加工的刀具麻花钻、深孔钻、中心钻等麻花钻、深孔钻、中心钻等扩孔钻、铰刀、镗刀等扩孔钻、铰刀、镗刀等麻花钻的结构麻花钻的结构主要几何参数：主要几何参数：螺旋角螺旋角，顶角，顶角2、横刃斜角、

8、横刃斜角、直径、横刃长度等、直径、横刃长度等钻头磨削钻头磨削中心钻和深孔钻中心钻和深孔钻扩孔钻扩孔钻铰刀铰刀镗刀镗刀单刃镗刀单刃镗刀锪钻锪钻加工各种沉头孔和锪平端面加工各种沉头孔和锪平端面2、常用刀具简介、常用刀具简介铣刀铣刀2、常用刀具简介、常用刀具简介铣刀铣刀2、常用刀具简介、常用刀具简介拉刀拉刀2、常用刀具简介、常用刀具简介拉刀拉刀2、常用刀具简介、常用刀具简介螺纹刀具螺纹刀具切削法工作的螺纹刀具切削法工作的螺纹刀具2、常用刀具简介、常用刀具简介螺纹刀具螺纹刀具滚压法工作的螺纹刀具滚压法工作的螺纹刀具滚丝轮滚丝轮 搓丝板搓丝板2、常用刀具简介、常用刀具简介齿轮刀具齿轮刀具成形齿轮刀具：铣

9、刀成形齿轮刀具：铣刀展成齿轮刀具：插、滚、剃刀展成齿轮刀具：插、滚、剃刀2、常用刀具简介、常用刀具简介齿轮刀具齿轮刀具滚齿刀滚齿刀第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材料加工性切削用量的选择及工件材料加工性刀具材料刀具材料一、刀具材料应具备的性能一、刀具材料应具备的性能1）高硬度）高

10、硬度2）高耐磨性）高耐磨性3）高耐热性）高耐热性4）足够的强度和冲击韧性）足够的强度和冲击韧性5）良好的工艺性）良好的工艺性6）良好的热物理性能和耐热冲击性能）良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料刀具材料二、常用的刀具材料二、常用的刀具材料1.碳素工具钢、碳素工具钢、 合金工具钢合金工具钢用于制造手工工具2.高速钢高速钢耐热性好（540600），强度高，主要用于制造形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具等。3.硬质合金硬质合金硬度高硬度高（7482HRC ）耐热）耐热8501000 ，切削速度高，切削速度高钨钴类钨钴类（YG 韧性好，耐磨性稍差，用于加工铸铁及有色金属）韧性好，耐磨性

11、稍差，用于加工铸铁及有色金属）钨钛钴类钨钛钴类（YT 硬度高，耐热性、耐磨性好，用于加工钢类）硬度高，耐热性、耐磨性好，用于加工钢类）刀具材料刀具材料三、新型刀具材料三、新型刀具材料1. 陶瓷刀具陶瓷刀具硬度高，化学性能高，耐氧化，耐磨性好，耐热性高于1200，但强度低，韧性差。能加工淬火钢。2. 立方氮化硼立方氮化硼硬度仅次于金刚石，不与铁族反应，可加工多种工件。3. 人造金刚石人造金刚石硬度、耐磨性高，但热稳定性差，不宜加工钢铁件。第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削

12、过程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材料加工性切削用量的选择及工件材料加工性第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象一、切屑形成过程一、切屑形成过程切屑形成过程即切削层金属的变形过程。用显微镜直接观察在低速直角自由切削时工件侧面切削层金属变形情况。变形区的划分变形区的划分1. 第一变形区第一变形区: 从开始发生塑性变形从开始发生塑性变形到晶粒的剪切滑到晶粒的剪切滑 移基本完成。这一区移基本完成。这一区域又称为域又称为基

13、本变形区基本变形区。2. 第二变形区第二变形区：切屑沿前刀面排出时切屑沿前刀面排出时进一步受前刀面的挤进一步受前刀面的挤 压和摩擦，使靠压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本上和前近前刀面的金属纤维化，基本上和前刀面相平行。又称刀面相平行。又称摩擦变形区摩擦变形区。3. 第三变形区第三变形区：已加工表面受到切削已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。又称硬化。又称加工表面变形区。加工表面变形区。第一变形区内金属的剪切变形第一变形区内金属的剪切变形本区域内变形的主要特征：本区域内变形

14、的主要特征： 沿滑移线的剪切变形，并产生加工硬化沿滑移线的剪切变形，并产生加工硬化晶粒滑移示意图晶粒滑移示意图金属切削过程示意图金属切削过程示意图滑移与晶粒的伸长滑移与晶粒的伸长角与剪切面面积的关系角与剪切面面积的关系变形系数变形系数求法求法厚度变形系数：厚度变形系数：a a= = a achch/ /a ac c长度变形系数：长度变形系数：L L= = l lc c/ /l lchcha a=L L= =二、切屑的类型及其控制二、切屑的类型及其控制1、带状切屑、带状切屑（塑性，切速高、切厚小、前角大）（塑性，切速高、切厚小、前角大）2、挤裂切屑、挤裂切屑（塑性，切速低、切厚大、前角小）（塑性

15、，切速低、切厚大、前角小）3、单元切屑、单元切屑（塑性，挤裂切屑的进一步发展）（塑性，挤裂切屑的进一步发展）4、崩碎切屑、崩碎切屑（脆性）（脆性）切屑控制切屑控制实际控制措施：前刀面上磨出断屑槽、使用压块式断屑器实际控制措施：前刀面上磨出断屑槽、使用压块式断屑器三、积屑瘤现象三、积屑瘤现象对切削过程的影响对切削过程的影响 1、实际前角增大、实际前角增大 2、增大切削厚度、增大切削厚度 3、使加工表面粗糙度增大、使加工表面粗糙度增大 4、对刀具寿命的影响（两方面）、对刀具寿命的影响（两方面）积屑瘤高度与切削速度关系示意图积屑瘤前角b和伸出量ac积屑瘤高度积屑瘤高度防止积屑瘤的主要办法防止积屑瘤的

16、主要办法1、降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生、降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生2、采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度、采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度3、采用润滑性能好的切削液，减小摩擦、采用润滑性能好的切削液，减小摩擦4、增加刀具前角，减少刀、屑接触区的压力、增加刀具前角，减少刀、屑接触区的压力5、提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向、提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向切削速度切削速度第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过

17、程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材料加工性切削用量的选择及工件材料加工性第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率、研究切削力的意义、研究切削力的意义一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率w 克服被加工材料对弹性变形的抗力克服被加工材料对弹性变形的抗力w 克服被加工材料对塑性克服被加工材料对塑性 变形的抗力变形的抗力w 克服切屑对前刀面的摩克服切屑对前刀面的摩 擦力擦力F Ff f 和

18、刀具后刀面对过和刀具后刀面对过 渡表面与已加工表面之间渡表面与已加工表面之间 的摩擦力的摩擦力F FfafaFfaap切削力的来源切削合力及其分解切削合力及其分解w Fc主切削力或切向力主切削力或切向力w Ff进给力、轴向力或走刀力进给力、轴向力或走刀力w Fp背向力或切深抗力背向力或切深抗力222cfpFFFF切削功率切削功率切削功率切削功率 消耗在切削过程中的功率，消耗在切削过程中的功率， Pc3fwcc10 kW1000F n fPFv3cc10 kWPFvEPPc二、切削力的测量二、切削力的测量1、测定机床功率，计算切削力、测定机床功率，计算切削力 Pc=PE2、用测力仪测量切削力、用

19、测力仪测量切削力3、计算机辅助测试、计算机辅助测试测力测力传感器传感器测力仪测力仪A/DPC或或工控机工控机打印机打印机绘图仪绘图仪工件工件车刀车刀三、切削力的经验公式和切削力估算三、切削力的经验公式和切削力估算1、计算切削力的指数公式、计算切削力的指数公式2、按单位切削力计算切削力和切削功率、按单位切削力计算切削力和切削功率1、计算切削力的指数公式、计算切削力的指数公式ppppppFFFynxFpFFCafvKccccccFFFxynFpFFC afvKffffffFFFynxFpFFC afvK实际加工条件与求得经验公式时的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积 背吃刀量、进给量和切削

20、速度的指数 系数，由被加工的材料性质和切削条件所决定1、计算切削力的指数公式、计算切削力的指数公式要求：要求： 根据特定的刀具几何参数、不同的加工材料、根据特定的刀具几何参数、不同的加工材料、刀具材料和加工形式，从手册中查找相应的系刀具材料和加工形式，从手册中查找相应的系数和指数，估算该加工条件下的切削力和切削数和指数，估算该加工条件下的切削力和切削功率。功率。ppppppFFFynxFpFFCafvKccccccFFFxynFpFFC afvKffffffFFFynxFpFFC afvK2、按单位切削力计算切削力和切削功率、按单位切削力计算切削力和切削功率单位切削力单位切削力ccccDpD

21、DFFFKAa fh bK Kc单位切削力(N/mm2)；AAD切削面积(mm2) ；a ap背吃刀量(mm)；f f 进给量(mm/r)；h hD切削厚度(mm);b bD切削宽度(mm) 。 2、按单位切削力计算切削力和切削功率、按单位切削力计算切削力和切削功率单位切削功率单位切削功率cszPPQQ Qz单位时间内的材料切除量(mm3/s): Q Qz1000vavapf f PPc切削功率(kW) PPc=FFcv v10-3=K Kca apfv fv10-33c6c10101000pspK va fPKva f第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构

22、刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材料加工性切削用量的选择及工件材料加工性第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度一、切削热的产生和传导一、切削热的产生和传导切削时机械能转变为热。切削时机械能转变为热。切削热使切削温度升高，影响切削热使切削温度升高，影响刀具前刀面上的摩擦因数、积刀具前刀面上的摩擦因数、积屑瘤的形成和消退、刀具的磨屑瘤的形成和消退、

23、刀具的磨损、工件加工精度和已加工表损、工件加工精度和已加工表面质量等。面质量等。切削热的来源：切屑变形功，前后刀面的摩擦功切削热的来源：切屑变形功，前后刀面的摩擦功例：车削加工：例：车削加工： 切屑、刀具传热为主；切屑、刀具传热为主； 钻削加工：钻削加工： 工件、切屑传热为主；工件、切屑传热为主； 二、切削温度的测量二、切削温度的测量 热电偶法：热电偶法： 自然热电偶；人工热电偶。自然热电偶；人工热电偶。 辐射温度计法辐射温度计法 其它方法其它方法 三、影响切削温度的主要因素三、影响切削温度的主要因素 切削用量、刀具几何参数、工件材料、切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液刀具磨损

24、和切削液1、切削用量的影响、切削用量的影响pzyxC v fa 实验测出的前刀面接触区平均温度()； C切削温度系数； v v切削速度(m/min); f 进给量(mm/r)； ap背吃刀量(mm) ；z、y、x相应的指数 。 三、影响切削温度的主要因素三、影响切削温度的主要因素3、刀具角度的影响、刀具角度的影响材料的材料的强度强度、硬度硬度和和导热性导热性2、工件材料的影响、工件材料的影响前角前角增大，切削温度降低增大，切削温度降低主偏角主偏角减小，切削温度降低减小，切削温度降低5、切削液的影响、切削液的影响4、刀具磨损的影响、刀具磨损的影响 四、切削液四、切削液1 1、水溶液、水溶液2 2

25、、乳化液、乳化液3 3、切削油、切削油应根据加工性质、应根据加工性质、工件材料和刀具材工件材料和刀具材料等来选择料等来选择 五、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响五、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对工件材料强度和切削力的影响2对刀具材料的影响对刀具材料的影响3对工件尺寸精度的影响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利用切削温度与切削力控制刀具磨损 第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节

26、第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材料加工性切削用量的选择及工件材料加工性第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命一、刀具磨损的形态及其原因一、刀具磨损的形态及其原因1 1前刀面磨损前刀面磨损2 2后刀面磨损后刀面磨损3 3边界磨损边界磨损一、刀具磨损的形态及其原因一、刀具磨损的形态及其原因1 1前刀面磨损前刀面磨损一、刀具磨损的形态及其原因一、刀具磨损的形态及其原因2 2后刀面磨损后刀面

27、磨损MM向一、刀具磨损的形态及其原因一、刀具磨损的形态及其原因3 3边界磨损边界磨损边界磨损边界磨损发生的地方发生的地方刀具磨损的原因刀具磨损的原因机械磨损机械磨损热磨损热磨损化学磨损化学磨损硬质点的刻划硬质点的刻划粘结、扩散、腐蚀等粘结、扩散、腐蚀等二、刀具磨损过程及磨钝标准二、刀具磨损过程及磨钝标准1初期磨损阶段初期磨损阶段2正常磨损阶段正常磨损阶段3急剧磨损阶段急剧磨损阶段磨钝标准磨钝标准NB刀具前刀面刀具前刀面后刀面后刀面（o=0）oVB车刀的磨损量车刀的磨损量（1）直观判断法）直观判断法生产实际中，可根据切削中发生的一些现象（如火花、振动、啸音，或加工表面粗糙度恶化等）来判断。（2）

28、ISO标准标准ISO标准统一规定以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。（3）自动化作业标准）自动化作业标准自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准，称为径向磨损量径向磨损量NB。三、刀具寿命的经验公式三、刀具寿命的经验公式刀具寿命刀具寿命 与与 刀具总寿命刀具总寿命刀具寿命方程式刀具寿命方程式v vTm=C刀具破损刀具破损破损形式：破损形式： 1 1崩刃崩刃 2 2碎断碎断 3 3剥落剥落 4 4裂纹破损裂纹破损特点：突发性特点：突发性防止措施防止措施第二章第二章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构第二节第二节 刀具材料刀具材料第三节第三节 金属切削过程及其物理现象金属切削过程及其物理现象第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度第六节第六节 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命第七节第七节 切削用量的选择及工件材