第二章金属切削原理与刀具详解课件

第二章金属切削原理与刀具

金属切削过程与金属切削刀具中有许多基本概念，熟练掌握这些基本概念是讨论相关技术问题的基础。

第一节金属切削与刀具的基本概念待加工表面：工件上即将被切除的表面.已加工表面：工件上切削后新形成的表面。加工表面（过渡表面）：工件上正在被切削的表面。

一、基本概念

1、加工表面1）主运动：刀具相对工件最主要的运动。特点：速度最快、消耗功率最大。

具有唯一性。

2、切削运动2）进给运动：使切削过程能不

断进行下去的切削运动。特点：有连续和间断的两种情况。

不具有唯一性。

2、切削运动3）合成运动：刀具相对工件实际的运动。(连续）特点：∵一般情况下Vc>>Vf∴≈。

2、切削运动

切削速度vc:切削刃上选定点相

对工件主运动的瞬时速度，

单位为m/s（m/mim）。

Vc=πdn/1000

3、切削用量进给速度Vf：切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度，单位为mm/s（mm/mim）。进给量f：工件每转一圈，刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，单位为mm/r。每齿进给量fz：刀具转过一齿在进给运动方向上相对工件的位移量，单位为mm/z。Vf=f*n=fz*z*n

3、切削用量背吃刀量（切削深度）ap：垂直于进给速度方向测量的切削层最大尺寸。ap=

(dw-dm)/2

3、切削用量

4、切削层参数1）切削宽度bD：平行于过渡表面的切削层尺寸。车外圆时：

bD=ap/sinκr2）切削厚度hD：垂直于过渡表面的切削层尺寸。车外圆时：

hD=fsinκr3）切削面积AD：在基面中切削层面积。车外圆时：

AD=hDbD=apf

4、切削层参数一尖两刃三面。

二、刀具角度

1、刀具切削部分的组成2、刀具角度的参考平面刀具角度有两种：刀具工作角度（动态）真实反映切削性能。添加两个假定条件：忽略进给运动，以主运动代替合成运动；忽略安装误差。形成刀具标注角度（静态）。2、刀具角度的参考平面（静态）1）基面Pr:过刀刃选定点⊥的平面。2）切削平面Ps:包含并与刀刃在选定点

相切的平面。3）正交平面Po:过刀刃选定点⊥Pr，⊥Ps

的平面。2、刀具角度的参考平面（静态）3、刀具的标注角度1）主偏角κr：主刀刃在基面上投影与走

刀方向的夹角。2）刃倾角λs:主刀刃与基面在切削平面上

的夹角。3、刀具的标注角度3）前角γo：前面与基面在正交平面上的夹角。4）后角αo：后面与切削平面在正交平面

上的夹角。5）副偏角：副刀刃在基面上的投影

与走刀反方向的夹角。3、刀具的标注角度3、刀具的标注角度刀尖高正刃倾角；刀尖低负正刃倾角。刀刃高正前角；刀刃低负前角。3、刀具的工作角度1）安装误差对工作角度的影响：γoe=γo+θαoe=αo-θsinθ=h/2d3、刀具的工作角度1）安装误差对工作角度的影响：3、刀具的工作角度2）进给运动对工作角度的影响：γoe=γo+μαoe=αo-μtnμ=vf/vc=fn/πdn=f/πd3、刀具的工作角度2）进给运动对工作角度的影响：3、刀具的工作角度2）进给运动对工作角度的影响：第二节刀具材料刀具三要素：1)刀具切削部分材料；2)刀具切削部分几何形状；3)刀具结构。刀具切削部分的工作状态刀具切削部分在工作时,受到切削力的作用和冲击,有时会碎裂或折断。刀具切削部分在工作时,受到工件和切屑的强烈挤压、摩擦,会产生大量的切削热,使刀具切削部分处于高温状态,影响刀具材料的切削性能，在切除金属材料时,本身也会被磨损。一、刀具材料应具备的性能1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）良好的热物理性能和耐热冲击性能4）良好的工艺性5）经济性一、刀具材料应具备的性能

刀具材料一般硬度越高则韧性较差;而硬度越低则韧性较好。二、常用刀具材料常用刀具材料主要有：高速钢硬质合金1、高速钢高速钢刀具一般为整体式或焊接式,热处理后硬度一般为63～66HRC，耐热性为500～650℃，制造工艺性好，在制造中、低速切削刀具、形状复杂及成形刀具中高速钢应用广泛。1、高速钢普通高速钢

W18Cr4V(T1)W6Mo5Cr4V2(M2)高性能高速钢

W2Mo9Cr4VCo8(M42)W10Mo4Cr4V3Al(5F6)2、硬质合金

硬质合金刀具一般为机夹式或焊接式,硬度为89～93HRA，耐热性可达800～1000℃，抗弯强度1～1.75Gpa，冲击韧性0.4MJ／㎡左右。硬质合金抗弯强度、韧性比高速钢低，工艺性比高速钢稍差，但硬度、耐热性比高速钢高，广泛用在切削速度较高的各种刀具，甚至复杂刀具中。2、硬质合金硬质合金:

金属碳化物+粘结剂→粉末冶金制品

WC,TiC,TaCCo

硬度↑耐磨性↑强度↑韧性↑粗加工切削用量大,切削力大,震动冲击大,加工精度表面质量要求较低,所以对刀具材料强度,韧性要求高,而硬度,耐磨性要求一般。2、硬质合金普通硬质合金分类：（以WC为基体）K类：成分WC＋Co牌号YG3,6,8YG3XYG8CP类：成分WC＋TiC＋Co牌号YT5,14,15,30M类：成分WC＋TiC＋TaC＋Co牌号YW1,22、硬质合金优化硬质合金性能：细化合金晶粒：超细晶粒的硬质合金，硬度可达90～93HRA,抗弯强度可达2.0GP。涂层刀具

TiC硬度高，耐磨性好，加工表面粗糙度小。TiC涂层与基体之间粘着性较高，但基体与涂层之间易产生脆性脱碳层，切削时容易崩刃。涂层刀具TiN涂层与基体的粘着性能及硬度低于TiC，但涂层与基体之间不产生脆性相，导热性较高，热膨胀系数与基体材料相近，对热冲击的敏感性小。三、其他刀具材料其他刀具材料有:陶瓷刀具立方氮化硼刀具金刚石刀具陶瓷刀具

硬度可达91～95HRA；有很高的耐热性，在1200℃时硬度仍有80HRA，而且强度、韧性降低较少；有很好的化学稳定性，陶瓷与金属的亲和力小，抗粘结和抗扩散能力好；摩擦因数小，切屑不易粘结，加工表面质量好，刀具寿命长。陶瓷刀具材料的最大缺点是强度、韧性低，脆性大，强度只有硬质合金的1/2；导热能力低，只有硬质合金的1/2～1/5；线膨胀系数大，比硬质合金高10％～30％，在力、热冲击下易破裂。立方氮化硼刀具硬度可达8000～9000HV，其耐热温度高达1400～1500℃，与铁族元素在1200～1300℃时也不易起化学作用。其耐磨性好且不易粘刀，导热性良好且摩擦因数较低，故多用于切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基高温合金，切削速度接近用硬质合金加工普通碳钢和铸铁的切削速度，加工精度可以达到IT5，表面粗糙度可以达到Ra0.8～0.2μm。可代替磨削而使加工效率大大提高。金刚石刀具金刚石硬度可达l0000HV，它摩擦因数小，导热系数高，所以切削温度低，不易产生积屑瘤，因此，被加工工件的表面粗糙度小，加工质量极高。它有极高的耐磨性，能长期保持锋利的切削刃，因而在精密切削加工中都采用金刚石刀具。金刚石刀具用于切削很多耐磨非铁材料不但寿命长，效率也很高，因此应用越来越广。但金刚石比较脆，热稳定性低，切削温度在700～800℃时，其表面就会碳化，而且亲和力强，故金刚石刀具不适合加工钢铁材料。第三节金属切削变形过程金属切削过程的实质:

金属切削层受到刀具前面的偏挤压，产生剪切滑移变形，分离面上的晶格受到刀刃的切割作用发生分离，形成切屑。1、切屑的形成过程三个变形区其他刀具材料有:陶瓷刀具立方氮化硼刀具金刚石刀具切削区位置变形性质Ⅰ切削层与切屑之间剪切滑移Ⅱ与前面接触的切屑底层挤压摩擦Ⅲ与后面接触的已加工表面层挤压摩擦三个变形区其他刀具材料有:陶瓷刀具立方氮化硼刀具金刚石刀具切削区影响Ⅰ主要影响切削变形大小，对已加工表面质量有一定影响。Ⅱ通过改变第一变形区变形大小，间接影响切削变形大小。Ⅲ影响已加工表面质量。2、切屑类型及其控制2、切屑类型及其控制3、积屑瘤在合适的切削条件下，工件、切屑材料粘接在刀刃附近刀面上形成积屑瘤，硬度是工件材料的2～3倍，代替刀刃切削。3、积屑瘤积屑瘤在切削过程中的影响：

增大前角，保护刀刃；降低加工精度，增大表面粗糙度。粗加工时利大于弊；精加工时弊大于利。3、积屑瘤精加工需要控制积屑瘤。措施：控制切削温度（速度）；

添加润滑剂等。第四节切削力与切削功率1、切削力来源变形抗力摩擦阻力2、切削合力、分力Fp=(0.15～0.7)FcFf=(0.1～0.6)Fc3、切削功率切削功率:Pc=FcVc+FfVf≈FcVcPE≥Pc/η4、切削力的测量Fp=(0.15～0.7)FcFf=(0.1～0.6)Fc5、切削力经验公式指数公式:单位切削力公式：kc=Fc/ADFc=kcAD=kcapf第五节切削热和切削温度一、切削热的产生和传导1、热源：三个变形区Q=Pc=FcVc2、热传导途径：切屑、刀具、工件、介质二、切削温度的测量自然热电偶法：测得切削区平均温度，

需反复标定。二、切削温度的测量人工热电偶法：测得切削区附近点温度，

不需标定。三、影响切削温度的因素切削温度受切削热和传导条件的综合影响。1、切削用量的影响

Vc>f>ap2、工件材料的影响材料强度、硬度大，切削温度高；材料韧性好，切削温度高；合金材料比普通材料切削温度高。3、刀具角度的影响前角增大，切削温度一般下降；但前角增大到一定程度，切削温度不变甚至上升。主偏角增大，切削温度下降。4、刀具磨损、切削液的影响刀具磨损，切削温度升高；使用切削液，切削温度降低。四、切削液作用：冷却、清洗、润滑、防锈。分类：水溶液

乳化液切削油五、切削温度对工件、刀具和

切削过程的影响1、切削温度对工件材料强度和切削力的影响

切削温度对工件材料强度影响不大，工件材料预热至500～800℃进行加工，切削力下降很多；切削温度800～900℃切削力下降不多。2、切削温度对刀具材料的影响适当提高切削温度，对提高硬质合金韧性有利。

各种刀具材料在切削不同的工件材料时，都有一个最佳的切削温度。3、切削温度对工件尺寸精度的影响切削温度会使工件、刀具、机床发生热变形，影响工件尺寸精度。

尤其是在精密和超精密加工时，热变形对加工精度的影响更突出。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

第六节刀具磨损和刀具寿命一、刀具磨损形态1、破损（非正常）脆性：崩刃碎断剥落塑性：卷刃处理方式：预报一、刀具磨损形态2、磨损前面磨损、后面磨损、边界磨损一、刀具磨损形式前面磨损：大进给量切削塑性材料后面磨损：小进给量切削塑性材料或切削脆性材料前面与后面共同磨损：中等进给量切削塑性材料刀具磨损原因1、机械性质磨粒磨损、粘接磨损2、化学性质扩散磨损、氧化磨损二、刀具磨损过程及磨钝标准1、刀具磨损过程2、刀具磨钝标准刀具磨钝标准：刀具在将要发生急剧磨损时的磨损限度。一般刀具以后面中间部分平均磨损量允许达到的最大值VB来衡量。对于定尺寸的刀具以径向磨损量NB来衡量。三、刀具寿命的经验公式刀具寿命：一把新磨的刀，从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间。刀具总的寿命：一把新的刀，从开始使用直至达到报废所经历的实际切削时间。刀具总的寿命=刀具寿命×（重磨次数+1）三、刀具寿命的经验公式

vTm=C泰勒公式

fTn=C1aPTp=C2

T=CT/v1/mf1/naP1/p

其中：1/m>1/n>1/p切削用量三要素的影响

对

Fc：aP>f>Vc

对

θ：Vc>f>aP

对

T：Vc>f>aP第七节切削用量的选择及工件材料加工性一、切削用量的选择选择原则：保证加工质量，提高生产效率，延长刀具寿命，降低生产成本。切削用量的影响1、对加工质量的影响：ap、f增大则切削力增大，加工质量下降；f增大，Ra增大；Vc增大，加工质量提高。2、对生产效率的影响：tm=π