2013第3章6刀具合理几何参数选择

1、第3章 金属切削原理 -3.7刀具合理几何参数的选择机械制造及自动化系 王娜君工件材料切屑变形切削力切削温度刀具磨损加工质量强度、硬度高塑性高导热性差亲和性强变形小、 切削力大、 温度高、刀具易磨损 温度高、刀具易磨损积屑瘤 刀具易磨损积屑瘤、 切削力大、 刀具易磨损C0.5%合金元素0.3 % Mn、Mo、W、Cr Ni、V、Si、Al 物理力学性能总结常温硬度 高高温硬度 高 硬质点 多 加工硬化 严重 强度高 高温强度高韧性大塑性过大过小 化学元素 金相组织导热系数高线膨胀系数大弹性模量小铸铁合金元素： Mn、Mo、Cr、 Co、 P、S硬度高（马氏体）含量高形状维度少（针状）切削加工性

2、变差 1.调整材料的化学成分 钢中加硫、铅等元素；铸铁中增加石墨成分2.进行适当的热处理 低、中碳钢宜选正火处理，均匀组织，调整硬度塑性； 高碳钢宜用球化退火,降低硬度,均匀组织,改善加工性； 中碳以上的合金钢硬度较高，需退火以降低硬度； 不锈钢常要进行调质处理，降低塑性，以便加工； 铸铁需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力改善途径（二）改善切削加工条件（一）改变材料性能 改善途径（二）改善切削加工条件1.选择合适的刀具材料、刀具几何参数和切削用量 难加工材料，导热性差，选YG、YW合金或涂层刀片； 刀具合理几何参数，断屑槽、卷屑槽，控制排屑； 选择合理切削用量等。2.选用合适的设备和加工

3、方法 难加工材料加工，机床要有足够的功率和刚性； 选择合适的切削液，供给充足； 高硬度材料加工采用磨削加工更容易；3.选择切削加工性好的材料状态 低碳钢选冷拔状态；中碳钢选热轧状态?刀具的使用性能取决于工件材料刀具类型工件材料刀具类型生产类型刀具材料刀具结构刀具几何参数高速钢硬质合金陶瓷等整体式焊接式可转位式几何角度刃形刃截形面形圆形刃3.7.1 概述-刃形 各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。3.7.1 概述-面形工件材料切屑变形切削力切削温度刀具磨损加工质量强度、硬度高塑性高导热性差亲和性强变形小、 切削力大、 温度高、刀具易磨损 温度高、刀

4、具易磨损积屑瘤 刀具易磨损积屑瘤、 切削力大、 刀具易磨损刀具几何角度切屑变形切削力切削温度刀具磨损加工质量前角后角主副偏角刃倾角 0 变形程度F 刀刃和刀头强度散热面积容热体积断屑困难 在一定的条件下，前角存在一个最合理值3.7.2合理几何角度选择 如何选择？ 后角一定，前角影响：刀具的锋锐性；容热体积；刀尖强度（几何结构） 结果产生切削力的大小承受切削力的能力产生和传出切削热的多少断屑的难易程度O0 大0 小O3.7.2-合理前角选择 3.7.2-合理前角选择 前角选择原则刀具材料抗弯强度及冲击韧性高可选择大前角 -高速钢合理前角大于硬质合金 510 ！硬质合金的强度是高速钢的一半 不同刀

5、具材料加工钢时的前角 刀具材料b(GPa)高速钢硬质合金陶瓷0.78425o12o15o10o0.78420o10o5o 前角选择原则工件材料强度、硬度越低宜选用大前角；工件材料塑性、韧性越大，前角应选得越大；加工塑性材料比加工脆材料的前角选得要大；系统刚性差易振动、机床功率不足，选较大的前角；粗加工、断续切削宜选较小的前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；前刀面磨损突出增大前角， 后刀面磨损突出减小前角3.7.2-合理前角选择 前刀面形状及刃区剖面形式带倒棱的正前角平面型正前角锋刃平面型负前角平面型 曲面型 钝圆切削刃型3.7.2-合理前角选择 带倒棱的正前角平面型正前角锋刃平面型刃口较锋利，

6、但强度差，o不能太大，不易折屑。主要用于高速钢刀具，精加工铸铁、青铜等脆性材料。 切削刃强度及抗冲击能力强，同样条件下可以采用较大的前角，提高了刀具使用寿命。主要用于硬质合金刀具和陶瓷刀具，加工铸铁等脆性材料。 3.7.2-合理前角选择 负前角平面型 曲面型切削刃强度较好，但刀刃较钝，切削变形大。主要用于硬脆刀具材料。加工高强度高硬度材料，如淬火钢。负前角后部加有正前角，利于排屑。利于排屑、卷和断屑，且前角较大。钻头、铣刀、拉刀等刀具的前刀面。3.7.2-合理前角选择 钝圆切削刃型切削刃强度和抗冲击能力增加，具有一定的消振作用。适用于陶瓷等脆性材料。 3.7.2-合理前角选择 前角一定，后角影

7、响：刀具的锋锐性；容热体积；刀尖强度（几何结构） 结果产生摩擦力的大小承受切削力的能力产生和传出切削热的多少已加工表面质量的好坏O0 大0 小O0 3.7.2-合理后角选择 VB0 大0 小0 小NB达到相同的后刀面磨钝标准VB值，后角大磨损掉材料量大，降低磨损速度（提高使用寿命）；达到相同的前刀面磨钝标准NB值，后角小磨损掉材料量大，降低磨损速度（提高使用寿命）。3.7.2-合理后角选择 VB0 大0 小以后刀面VB为磨钝标准进行重磨时，后角大需磨去的材料量大，浪费刀具材料3.7.2-合理后角选择 VB0 大0 小NB如何选择？3.7.2-合理后角选择 后角选择原则：在不产生摩擦的条件下，应

8、适当减小后角工材塑性大取较大后角，脆性材料减小0 粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角, 已用大负前角应0 ；精加工取较大后角，保证表面质量；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；（消振棱）3.7.2-合理后角选择 主偏角增大影响切削层厚度，减小切削层宽度刀尖容热体积减少3.7.2-合理主（副）偏角选择 主偏角增大切削刃工作长度减小背向力减小3.7.2-合理主（副）偏角选择 3.7.2-合理主（副）偏角选择 1）理论粗糙度3.7.2-合理主（副）偏角选择 3.7.2-合理主（副）偏角选择 主偏角的选择对刀具使用寿命影响很大，减小主偏角能提高刀具使用寿命。主偏角的

9、减小使背向力Fp增大，从而使切削时产生的挠度增大，降低加工精度。系统刚性 刚性好，不易变形和振动，r取较小值 刚性差（细长轴），r取较大值（90）考虑工件形状 车台阶轴，取 90 镗盲孔90 切屑控制 r小切屑成长螺旋屑不易断； 减小冲击 较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角 Ra刀尖强度散热体积 副刃工作长度 摩擦Fp易振动Ra，T 选择原则，在不影响摩擦和振动的条件下，应选取较小的副偏角。 系统刚性好，取较小值； 系统刚性差，取较大值。3.7.2-3、4副偏角的选作用与选择原则影响实际切削刃口的锋锐性3.7.2-5-影响刀刃锋利性即刃工作长度

10、33斜角切削时的切削刃实际钝圆半径 影响切屑流向影响切入切除的平稳性36影响切入切除的平稳性对主切削力无影响刃倾角增大背向力减小进给力增加粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s取负值；精加工、系统刚性差（细长轴），s取正值；微量极薄切削，取大正刃倾角。应用练习VB0 0 =00 0NBNBNB依据切削厚度 当切削厚度hD（和进给量f）较小时，切削刃要求锋利，因而后角o应取大些。 高速钢立铣刀，每齿进给量很小，后角取到16。VB0 大0 小NBNB3.8切削用量的选择 制订切削用量，就是要在已经选择好刀具材料和几何角度的基础上，合理地确定被吃刀量、进给量和切削速度。 所谓合理的切削用量是指充

11、分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 不同的加工性质，对切削加工的要求是不一样的。因此，在选择切削用量时，考虑的侧重点也应有所区别。413.8.1选择的基本原则 为了保证加工质量和提高生产率,零件加工应分阶段,中等精度的零件,以车削为例，一般按粗车-精车的方案进行。 粗加工时目的是尽快地从毛坯上切去大部分的加工余量,使工件接近要求的形状和尺寸. 应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以 尽可能提高生产率和降低成本为目的。42根据刀具使用寿 命与切削用量的关系式，切削用量， T ，其中速度 v 对T 影响最大，进给量f 次之，背吃刀量ap

12、影响最小。粗加工切削用量选用原则为： 首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f ，最后根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速 度v 。这样使v、f 、ap 的乘积最大，以获得最大的生产率43精加工的目的是保证零件尺寸精度和表面粗糙度的要求,生产率应在此前提下尽可能提高.一般精车的精度为IT8IT7,表面粗糙度值Ra=3.20.8m,所以精车是以提高工件的加工质量为主.选用较小的背吃刀量ap和进给量f,可减小残留面积,使Ra值减小.精加工切削用量选择原则:应选用较小的背吃刀量ap=0.10.3mm和较小的进给量f=0.050.2mm/r,切削速度可取大些

13、.443.8.2合理切削用量的选择方法（1）背吃刀量ap的选择根据工件的加工余量来确定根据加工精度 粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀应尽可能切除全部余量。半精加工和精加工的加工余量一般较小时，可一次切除，但有时为了保证工件的加工精度和表面质量，也可采用二次走刀。半精加工时， ap可取0.52 mm。精加工时， ap取为0.10.4 mm。切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损.453.8.2合理切削用量的选择方法在加工余量过大,系统刚性不足，机床功率不足，刀具强度不够或断续切削的冲击振动较大时。粗加工可分几次走刀。若分两次

14、走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部余量的2/33/4，而第二次走刀的ap取小些，以使精加工工序具有较高的刀具寿命和加工质量。 在中等功率的机床上粗加工时的背吃刀量可达810mm，半精加工（表面粗糙度为Ra6.33.2m）时，背吃刀量取为0.52mm，精加工（表面粗糙度为Ra1.60.8m）时，背吃刀量取为0.10.4mm。46（2）进给量f 的选择 粗加工时，由于作用在工艺系统上的切削力较大，进给量的选取受到下列因素限制:生产实际中常根据经验或查表法确定f 。粗加工时根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量在有关手册中来选择 。47机床刀具夹具-工件系统的刚度机床进给机构的强

15、度，机床有效功率与转矩，断续切削时刀片的强度。3.8.2合理切削用量的选择方法半精加工精加工时，f 的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。在半精加工和精加工时， 则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度按有关手册选择 。483.8.2合理切削用量的选择方法（3）切削速度的确定 根据已经选定的背吃刀量ap 、进给量f，在保证刀具合理使用寿命T的条件下，用计算的方法或用查表法确定切削速度c的值。计算公式: 式中各系数和指数可查阅切削用量手册。在有关手册中查表确定切削速度值v = Cv T m apxv f yv Kv493.8.2合理切削用量的选择方法在具体确定切削速度值时，

16、一般应遵循下述原则： 1）粗车时，背吃刀量和进给量均较大，故选择较低的切削速度；精车时，则选择较高的切削速度。 2）工件材料的加工性较差时，应选较低的切削速度。故加工灰铸铁的切削速度应较加工中碳钢低，而加工铝合金和铜合金的切削速度则较加工钢高得多。 3）刀具材料的切削性能越好时，切削速度也可选得越高。因此，超硬刀具材料陶瓷硬质合金高速钢此外，在确定精加工、半精加工的切削速度时，应注意避开积屑瘤和鳞刺产生的区域；在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激震动的临界速度，在加工带硬皮的铸锻件时，加工大件、细长件和薄壁件时，以及断续切削时，应选用较低的切削速度。 503.8.2合理切削用量的选择方法3

17、.9 磨削原理51 用砂轮或砂带作为工具，利用砂轮上的磨粒将工件上的多余金属层切除掉的机械加工方法就是磨削磨削加工在当前工业生产中已获得迅速的发展和广泛的应用。 磨削不仅用于精加工，而且用于粗加工毛坯去皮加工，能获得较高的生产率和良好的经济性。513.9.1 砂轮特性1磨料常用的磨料有氧化物系:三氧化二铝碳化物系:碳化硅、碳化硼高硬磨料系:人造金刚石、和立方氮化硼显微硬度：HV19002400颜色：白、黄、棕、褐显微硬度：HV28005400颜色：绿、灰、黑显微硬度：HV800010000颜色：金刚石无色透明或微黄，CBN黑或白523.9.1 砂轮特性1磨料选择氧化物系:碳钢及其合金、可锻铸铁

18、、硬青 铜、不锈钢、高温合金、钛合金碳化物系:铸铁、有色金属、硬质合金、宝石等高硬磨料系:人造金刚石硬脆材料、非金属难加工材料立方氮化硼难加工材料533.9.1 砂轮特性2粒度例如，60号粒度表示磨粒能通过每英寸（25.4mm）长度上有60个孔眼的筛网。微粉的粒度以该颗粒最大尺寸的微米数表示。如尺寸为20m的微粉，其粒度号为W20。543.9.1 砂轮特性2粒度选择粗磨使用颗粒较粗的磨粒精磨使用颗粒较细的磨粒工件材料硬、塑性小使用颗粒较细的磨粒工件材料软，塑性大采用较粗的磨粒磨削接触面积大时采用较粗的磨粒砂轮转速高采用较粗的磨粒553.9.1 砂轮特性3结合剂结合剂作用是将磨粒粘合在一起，使砂

19、轮具有一定：强度气孔硬度抗腐蚀抗潮湿等性能。 563.9.1 砂轮特性3结合剂陶瓷结合剂（代号V） 树脂结合剂（代号B） 橡胶结合剂（代号R）金属结合剂（代号M） 5720093.9.1 砂轮特性3结合剂陶瓷结合剂（代号V）组成由粘土、长石、滑石、硼玻璃和硅石等材料配制而成特点化学性质稳定，耐水、耐酸、耐热、成本 低、性脆，韧性及弹性较差，用途大多数砂轮均采用陶瓷结合剂，不能承受侧面弯扭力，不宜于制造切断砂轮。砂轮线速度一般为35m/s 5820093.9.1 砂轮特性3结合剂树脂结合剂（代号B）组成其成分主要为酚醛树脂，少数也有采用环氧树脂的。砂轮线速度可达45m/s左右，多用于高速磨削、切

20、断和开槽等工序。特点及使用强度高，弹性好， 耐热性差，当磨削温度达到200300时，其结合力大大下降。利用它强度的下降时磨粒易于脱落而自励的特点，可在一些对磨削烧伤和磨削裂纹特别敏感的工序（如磨薄壁件、超精磨或刃磨硬质合金等）中采用。气孔率小，易堵塞。磨损快，易失去廓形。耐腐蚀性差，不宜和碱性切削液一起使用。5920093.9.1 砂轮特性3结合剂橡胶结合剂（代号R）组成多数采用人造橡胶。特点及使用橡胶结合剂比树脂结合剂弹性更好，使砂轮具有良好的抛光作用。多用于制造无心磨床的导轮和切断、开槽及抛光砂轮。但耐热性差，气孔小，砂轮组织较紧密，磨削生产率低，不宜用于粗加工。 6020093.9.1

21、砂轮特性3结合剂金属结合剂（代号M） 组成青铜、铸铁主要用于制作金刚石砂轮。其特点形面成型性好、抗张强度高、有一定韧性、自励性较差。使用主要用于粗磨，精磨硬质合金以及磨削与切断光学玻璃，陶瓷，半导体等。 6120093.9.1 砂轮特性4硬度概念等级硬度反映磨粒与结合剂的粘结强度，在磨削力的作用下自砂轮表面脱落的难易程度。砂轮硬，磨粒不易脱落；砂轮软，磨粒易于脱落。与磨料的硬度不是一个感念机械加工中，最常使用的砂轮硬度等级是软2（H）至中2（N）。6220093.9.1 砂轮特性4硬度选择砂轮硬度选择原则：工件硬度 2. 加工接触面 3. 砂轮粒度 4. 精磨和成形磨 。6320093.9.1

22、 砂轮特性5组织砂轮组织：表示磨粒、结合剂、气孔三者之间的比例关系。磨粒在砂轮总体积中所占比例越大，砂轮组织越紧密，气孔越小。643.9.1 砂轮特性5组织选择1）紧密组织砂轮适于重压下的磨削。2）中等组织砂轮适于一般磨削。3）疏松组织砂轮不易堵塞，适于平面磨、内圆磨等磨削接触面大的工序，以及磨削热敏性强的材料或薄壁工件。6520093.9.1 砂轮特性砂轮标注WA 60 K V 6 P 3003075组织号形状尺寸662009磨料的种类结合剂硬度粒度3.9.2磨削加工类型与磨削运动2009673.9.2磨削加工类型与磨削运动2009683.9.3磨削过程 200969磨削过程大致分为三个阶段

23、：3.9.3磨削过程-切屑形成机理1.滑擦阶段（弹性变形阶段） 2.刻划阶段（塑性变形阶段） 3.切削阶段（形成磨屑阶段）2009703.9 .3磨削加工特点磨削力（1）磨削力的分解磨削力F可分解为相互垂直的三个分力，沿砂轮径向的法向磨削力Fp，沿砂轮切向的切向磨削力Fc沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力Fa，轴向分力Fa较小，可不计。7120093.9 .3磨削加工特点磨削力基本特征1）单位磨削力值很大2）三项分力中背向力最大3）磨削力随不同的磨削阶段而变化4）磨削力的构成 在磨削力的构成中，材料剪切所占比重较小，而摩擦所占比重较大，可达70%80%。7220093.9 .3磨削加工特点-磨削温

24、度特征（1）工件平均温度 指磨削热传入工件而引起的工件温升，它影响工件的形状和尺寸精度。在精密磨削时，为获得高的尺寸精度，要尽可能降低工件的平均温度并防止局部温度不均。（2）磨粒磨削点温度 指磨粒切削刃与切屑接触部分的温度，是磨削中温度最高的部位，其值可达1000左右，是研究磨削刃的热损伤、砂轮的磨损、破碎和粘附等现象的重要因素。（3）磨削区温度 是砂轮与工件接触区的平均温度，一般约有500800，它与磨削烧伤和磨削裂纹的产生有密切关系。732009高效磨削方法3.9.4几种高效磨削74高速磨削强力磨削砂带磨削普通磨削砂轮线速度为3035m/s。高速磨削砂轮线速度高于45或50 m/进给速度低

25、磨削深度大砂带是在带基（聚碳酸脂薄膜）上粘接细微砂粒（“植砂”）而构成。2009高速磨削特点与普通磨削相比，高速磨削在单位时间内，通过磨削区的磨粒数增加。若采用与普通磨削相同的进给量，则高速磨削时每颗磨粒的切削厚度变薄，负荷减小，有利于减小磨削表面粗糙度，并可提高砂轮使用寿命。若保持与普通磨削相同的切削厚度，则可相应提高进给量，因而生产效率可比普通磨削高3040%。高速磨削要注意砂轮的安全与防护，还应避免产生振动。由于高速磨削过程中，磨削温度较高，为避免磨削烧伤和裂纹，宜采用极压切削液，以减小磨粒与工件间的摩擦，从而减小磨削热的产生。 3.9 .4先进磨削方法简介752009强力磨削特点（1）材料去除率高 由于砂轮与工件接触弧长比普通磨削大几