金属切削原理与刀具

1、第四章第四章 金属切削过程基本规律的应用金属切削过程基本规律的应用 为了保证零件的加工质量、降低生产成本，提高生产效率，应利用金属切削过程基本规律的理论，去控制切屑的流向，改善材料加工性能，合理选用切削液、刀具几何参数和切削用量。这就是本章我们主要学习的知识金属切削过程基本规律的应用。知识目标知识目标掌握控制切屑的方法掌握切屑液的合理选用方法掌握提高已加工表面质量的方法掌握刀具几何参数和切削用量的合理选择方法技能目标技能目标能根据加工要求合理选择刀具几何参数和切削用量参数4.1 切屑的种类及控制切屑的种类及控制 在切削过程中，切屑的失控将会严重影响操作者的安全及机床的正常工作，并导致刀具损坏和

2、划伤已加工表面。因此，切屑的控制是切削加工中一个十分重要的技术问题4.1.1 切屑的基本形态切屑的基本形态 工件上的切削层材料经过切削，被切离工件基体，形成切屑。 有四种不同形态的切屑带状切屑带状切屑挤裂切屑挤裂切屑单元切屑单元切屑崩碎切屑崩碎切屑4.1.2 切屑的流向与卷曲切屑的流向与卷曲1. 切屑的流向切屑的流向2. 切屑的卷曲切屑的卷曲4.1.3 断屑的原因和屑形断屑的原因和屑形1. 断屑的原因断屑的原因(1)切屑在流出过程中遇到障碍物收到弯曲力矩而折断图4.7 切屑与工件的过渡表面相碰(2) 切屑在流动过程中靠自身重量甩断图4.8 切屑未遇障碍形成长的带状切屑2. 切屑的屑形切屑的屑形

3、工件上的切削层材料经过切削，被切离工件基体，形成切屑。由于被加工工件的材料性质不同，所选的刀具几何角度参数和切削用量不同，因而切削过程中产生的变形程度也就不同，会出现不同的切屑形状，切屑的形状与名称分为8类4.1.4 控制切屑的方法控制切屑的方法 加工塑性金属时，易形成带状切屑，切屑连绵不断缠绕在工件或刀具上，使工件已加工表面拉伤，甚至危及操作者的安全；加工脆性金属时，易形成崩碎切屑，碎块四处飞溅，污染周围环境，也会危及操作者的安全。因此，在切削加工中，控制切屑的形状、流向、卷曲和折断，对于保证正常生产秩序和操作者的人身安全有着重要意义1. 磨制断屑槽磨制断屑槽(1) 断屑槽的形式。断屑槽的形

4、式有折线形、直线圆弧形和全圆弧形3种图 4-10 断屑槽形式 a）折线型 b）直线圆弧型 c）全圆弧型(2) 断屑槽的尺寸参数。断屑槽的主要尺寸参数有宽度lBn和反屑角Bn(3)卷屑槽斜角。卷屑槽斜角是卷屑槽侧边与主切削刃之间的夹角，影响着切屑的流向和屑形。如下图：2. 改变切削用量改变切削用量在切削用量参数中，对断屑影响最大的是进给量f，其次是背吃刀量ap，最小的为切削速度vc。进给量f增大，使切屑厚度hD增大，当受到碰撞后切屑容易折断。背吃刀量ap增大对断屑影响不明显，只有当同时增加进给量f时，才能有效地断屑。3. 改变刀具角度改变刀具角度主偏角kr是影响断屑的主要因素。主偏角kr增大，切

5、屑厚度hD增大，容易断屑。所以生产实际中要求车刀断屑性能好时，应选较大的主偏角，一般kr=6090.刃倾角s可控制切屑的流向，使切屑碰到加工表面或刀具后刀面上造成断屑。4. 附加断屑装置附加断屑装置为了使切屑流出时可靠地断屑，可采用在刀具前刀面上固定附加断屑挡块的方法，使流出的切屑碰撞挡块而折断。采用断屑挡块的主要缺点是占用较大的空间，切屑容易阻塞排屑空间。5. 间断进给断屑间断进给断屑在加工塑性高的材料或在自动线上加工时，可采用振动切削装置，实现间断切削，达到断屑目的。刀具震动方向应平行于进给方向。采用振动装置断屑可靠，但结构复杂。4.2 金属材料切削加工性的改善金属材料切削加工性的改善工件

6、材料的切削加工性是指在一定条件下，对某一种材料进行切削加工的难易程度。良好的切削加工性能一般是指在相同的切削条件下，刀具耐用度较高或在一定的耐用度下切削速度较高、切削力较小、切削温度较低、容易获得较好的工件表面质量、切屑形状容易控制或容易断屑。4.2.1 衡量金属材料切削加工性的衡量金属材料切削加工性的指标指标工件材料的切削加工性，与材料的成分、金相组织、力学性能、物理和化学性能以及加工条件等有关。衡量切削加工性的指标可用刀具耐用度、保证刀具耐用度允许的切削速度、切削力、已加工表面的表面质量、断屑难易程度等来表示。用下列某一项指标来反映切削加工性的某一侧面：1. 切削速度指标切削速度指标vt2

7、. 相对加工性指标相对加工性指标Kr常用材料的相对加工性Kr分为8级，当Kr1时，该材料比45钢容易切削，切削加工性好；当Kr1时，该材料比45钢难切削，切削加工性差。4.2.2 影响金属材料切削加工性的影响金属材料切削加工性的因素因素1. 材料的硬度和强度材料的硬度和强度2. 材料的塑性和韧性材料的塑性和韧性3. 材料的导热性材料的导热性4. 材料金相组织的影响材料金相组织的影响5. 材料的化学成分材料的化学成分4.2.3 改善金属材料切削加工性改善金属材料切削加工性的措施的措施1. 对材料进行适当的热处理对材料进行适当的热处理2. 调整金属材料的化学成分调整金属材料的化学成分3. 采用新的

8、切削加工技术采用新的切削加工技术4.3 切削液的合理选用切削液的合理选用4.3.1 切削液的作用1. 冷却作用冷却作用切削液浇注在切削区域内，可以减少切削区的切屑、刀具、工件间的摩擦，减少热量的产生，同时利用热传导、对流和汽化等方式将切削区产生的热量带走，从而降低切削温度2. 润滑作用润滑作用切削液的润滑作用，主要靠切削液渗透到刀具、切屑与工件的接触面之间，其中带油脂的极性分子吸附在刀具的前、后刀面形成油膜，当形成液体摩擦时，才能得到比较好的效果。3. 排屑和清洗作用排屑和清洗作用切削液的清洗作用是利用浇注或高压喷射切削液的方法，清除粘附在机床、刀具、夹具上的细碎切屑和磨料细粉，以防止划伤已加

9、工表面、导轨和减小刀具磨损。4. 防锈作用防锈作用在切削液中加入防锈添加剂后，能与金属表面起化学反应生成保护膜，使机床、刀具和工件不受周围介质的腐蚀，起到防锈作用。4.3.2 切削液的种类切削液的种类金属切削加工中，常用的切削液分为3大类：水溶液、乳化液和切削油1. 水溶液水溶液水溶液是指以水为主要成分的切削液，冷却性能最好，但其润滑性能差，又易使金属材料生锈。2. 乳化液乳化液乳化液是指用乳化油加95%98%的水稀释而成的一种切削液，乳化油由矿物油、乳化剂配制而成。其外观呈乳白色或半透明状，具有良好的冷却性能。3. 切削油切削油切削油的主要成分是矿物油。在低速切削有色金属及磨削中，加入油性添

10、加剂；在重切削及难加工材料的切削加工中，加入极压添加剂。4.3.3 切削液的选用切削液的选用1. 粗加工时切削液的选择粗加工时切削液的选择应选用以冷却为主的切削液。2. 精加工时切削液的选择精加工时切削液的选择应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。应选用极压切削油或极压乳化液。3. 切削难加工材料时切削液的选择切削难加工材料时切削液的选择4. 切削铜和铜合金时切削液的选择切削铜和铜合金时切削液的选择因硫会腐蚀铜，所以切削铜和铜合金时一般不用含硫的切削液。5. 切削铝和铝合金时切削液的选择切削铝和铝合金时切削液的选择采用煤油。6. 切削镁合金时切削液的选择切削镁合金时切削液的选择严禁

11、用水溶液和乳化液，一般可用矿物油。4.4 提高已加工表面质量的措施提高已加工表面质量的措施已加工表面质量一般是通过表面粗糙度、表面层硬化程度、表层残余应力、表层微观裂纹和表层金相组织状态来评定，这些指标对制成机器零件后的使用性能有很大影响。表面粗糙度是评定已加工表面质量的重要指标。4.4.1 表面粗糙度的形成表面粗糙度的形成1. 由刀具几何形状形成的表面粗糙度由刀具几何形状形成的表面粗糙度2. 积屑瘤的影响积屑瘤的影响在切削时掉落在已加工表面上积屑瘤残片均明显地影响表面粗糙度。3. 鳞刺的影鳞刺的影响响鳞刺是在已加工表面的速度方向上残留着突出的鳞片状毛刺，它是经常产生在对塑性草料的车、拉、攻丝

12、和滚齿等加工中。4. 刀具磨损的影响刀具磨损的影响刀具的后角过小或后面出现严重磨损，使刀具后面与加工表面间产生挤压和摩擦，形成了理论粗糙度的高度被挤平和划伤。5. 刀具刃磨质量的影响刀具刃磨质量的影响因刀具刃磨或切削刃使用不当，使刀尖和切削刃上产生微小崩刃和缺口等，切削时这些细微缺陷会复映在已加工表面上形成明显的划痕。6. 振动的影振动的影响响切削振动不仅明显增加表面粗糙度值、降低了加工表面质量，严重时会影响机床精度和损坏刀具。4.4.2 影响表面粗糙度的因素影响表面粗糙度的因素1. 切削速度切削速度vc切削速度是影响表面粗糙度的重要因素。图 4-13 切削速度对表面粗糙度Ra的影响 a） 切

13、削速度对粗糙度影响 加工条件：工件材料易切钢、刀具高速钢：ap=1.2mmb)不同切削速度时的粗糙度波形加工条件：工件材料45钢、刀具P10（YT15）0=15、r=45、f=0.1mm/r、ap=0.5mm2. 进给量进给量f、主偏角、主偏角Kr、副偏角、副偏角Kr和刀尖圆弧和刀尖圆弧半径半径r图 4-14 副偏角r和刀尖圆弧半径r对表面粗糙度Ra影响 a）r影响 b）r影响3. 刀具材料刀具材料 刀具材料对表面粗糙度的影响是由：材料的耐磨性、刃磨易否达到平整、光洁和锋利等要求、刀具与工件材料间的摩擦因数和亲合程度等因素引起的。此外，合理选用切削液也是减小加工表面粗糙度的有效措施。4. 前角

14、前角0 图4-15 前角0对表面粗糙度Ra的影响4.5 刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择合理选择刀具几何参数，是切削原理课程中重要的应用性课题。车刀几何参数选择原则及方法，也适用于其它刀具。刀具几何参数的选择是在已确定加工机床和工艺装备具体条件下，根据零件的材料及其性能，加工质量及生产率要求，并力求达到高效、低成本和高刀具寿命原则下进行。4.5.1 前角的选择前角的选择1. 前角的功用前角的功用 1)1)前角前角O O 功用功用选择选择取决于：工件材料、刀具材料取决于：工件材料、刀具材料及加工要求及加工要求。工件材料塑性大、强度和硬度低或刀具材料工件材料塑性大、强度和硬度低或刀具材

15、料韧性好（高速钢）或精加工时，应取较大前韧性好（高速钢）或精加工时，应取较大前角，角，反之，加工脆性材料或刀具材料韧性差（硬反之，加工脆性材料或刀具材料韧性差（硬质合金）或粗加工时应取较小的前角。质合金）或粗加工时应取较小的前角。2. 前刀面的选择前刀面的选择 硬质合金车刀前角合理的参考值4.5.2 后角后角o功用功用选择选择取决于：加工要求、工件材取决于：加工要求、工件材料及工艺系统刚度。料及工艺系统刚度。粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工艺系统刚度较差时，适当减小后角；工艺系统刚度较

16、差时，适当减小后角； 4.5.3 主偏角主偏角r 和副偏角和副偏角r功用功用选择选择工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。之取较大值。副偏角大小取决于表面粗糙度（副偏角大小取决于表面粗糙度（5 51515) )，粗加工时取大值，精加工取小值。粗加工时取大值，精加工取小值。4.5.4 刃倾角刃倾角s功用功用选择选择影响刀头的强度、切削分力和影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。切屑的流动方向。加工一般钢料和铸铁，无冲击时：加工一般钢料和铸铁，无冲击时： 粗车粗车s s 0 05 5，精车，精车s s 0 0+5+5； 有冲击时：有冲击时：s

17、s 5 51515； 特别大时：特别大时：s s 30304545。切削加工高强度钢、冷硬钢时：切削加工高强度钢、冷硬钢时： s s 30304545。4.5.5 副后角副后角0的选择的选择一般刀具上的副后角的选择原则与主后角的相同，在面铣刀上为便于制造，选取0=0。.对于切槽刀、三面刃铣刀等为加强刀齿强度常选用很小副后角0=12。4.5.6 刀尖修磨形状及参数刀尖修磨形状及参数在主、副切削刃之间的刀尖修磨有三种形状：图 4-17 刀尖修磨 a）修圆刀尖 b）倒角刀尖 c）倒角带修光刃刀尖修磨的作用是，提高刀尖处强度，有利热量传散，减小残留面积，提高进给量。如下图，倒角刀尖磨制在切断刀、面铣刀、钻头和切槽刀上，一般取Kr=Kr/2，b=0.52mm。图 4-18 刀尖修磨刀具 a）倒角刀尖（切槽刀、钻头） b）倒角刀尖带修光刃（可转位面铣刀）4.5.7 刃口修磨形状及参数刃口修磨形状及参数主切削刃的刃口有五种修磨形状，如下图：图 4-19 刃口修磨 a）锋刃 b）修圆刃口 c）负倒棱刃口 d）平棱刃口 e）后面倒棱刃口4.6 切削用量选择切削用量选择在已确定了刀具几何参数后，再选定切削用量，才能进行正常切削工作。切削用量选择主要是指，确定背吃刀量、进给量和切削速度，必要时还需进行机床功率的检验。选择切削