§3.1 金属切削刀具基础.ppt

1、第三章 切削过程及其控制,金属切削加工是机械制造工业中的一种基本加工方法。加工时工件和刀具都安装在机床上并完成一定的相对运动，使刀具在工件毛坯上切去部分多余的材料，将毛坯加工成具有一定尺寸、形状、精度和表面质量的零件。切削加工必须具备三个条件：刀具与工件之间要有相对运动；刀具具有适当的几何参数，即切削角度；刀具材料具有一定的切削性能。,3.1 金属切削基础,一、切削加工的基本概念 (一) 切削运动及切削中的工件表面 1.切削运动 要进行切削加工，金属切削机床必须为形成工件表面提供两种最主要的相对运动，即主运动和进给运动。 (1)主运动 主运动是刀具和工件之间产生的最主要的相对运动以进行切削的运

2、动。它是刀具切削刃及其毗邻的刀面切入工件材料，使切削层金属转变成切屑，从而形成新鲜表面的运动。 在表面成形运动中，必须有一个主运动。一般地，主运动消耗的功率比较大，速度也比较高。 主运动可以是旋转运动，如车削、铣削、钻削、磨削等；也可以是直线运动，如刨削、插削、拉削等。主运动可由工件完成，如车创、龙门刨床上刨削；也可以由刀具完成，如铣削、牛头刨床上刨削、磨削、钻削等。,(2)进给运动 它是一种在切削运动中不断地把切削层投入，使切削工作得以持续下去的运动。 一般，进给运动的速度较低，功率消耗也较少。 其数量可以是一个，如钻削钻头轴向进给)；也可以是多个，如外圆磨削。 可以是连续进行的，如钻孔、车

3、外圆、铣平面等；也可以是断续进行的，如刨平面、车外圆时的横向进给等。 进给运动可以是工件完成的，如铣削、磨削等；也可以是刀具完成的，如车削、钻削等。,(3)合成切削运动 工件加工新表面的形成是靠刀具与工件之间的切削运动实现的。当进给运动连续进行时，主运动和进给运动的合成运动是实际切削运动。 由于进给速度常常比主运动速度小得多，故常将主运动看成是切削运动。,2工件切削中的表面,以车削为例，工件在车削过程中有面: 待加工表面即将被切除金属层的表面； 已加工表面已经切 去一部分金属面形成的 新表面； 过渡表面切削刃正 在切削的表面，也就是 待加工表回和已加工表 面间的表面。,(二).切削用量 切削用

4、量是指切削速度，进给量 (或进给速度)和背吃刀量，三者又称为切削用量三要素。 1.切削速度 (m/s或m/min) 切削刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。 计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。 主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定：,2.进给量 工件或刀具转周(或每往复一次)，两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mmr(或mm双行程)。 对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每齿进给量fz,单位是mmz。 进给速度Vf 、进给量f和每齿进给量fz之间的关系为: Vf = f n = fz z n （mm/s或mm/min）,3.背吃刀量p(mm) 刀

5、具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量。 外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面问的垂直距离。,（三）切削层参数 切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。 切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。 切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量；,1.切削层公称厚度hD 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度 (以下简称为切削厚度)。hD反映了切削刃单位长度上 的切削负荷。,2.切削层公称宽度bD 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度。(以下简称为切削宽度)。 如车刀主切削刃为直线,3.切削层公称横截面积AD

6、切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积 (以下简称为切削面积)； 对于车削,二、刀具角度,切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，车刀的切削部分与其他各种刀具刀齿上的切削部分是基本相同的。,（一）刀具切削部分的结构要素 尽管金属切削刀具的种类繁多，但其切削部分的几何形状与参数都有共性，即不论刀具结构如何复杂，其切削部分的形状总是近似地以外圆车刀切削部分的形状为基本形态。 刀具切削部分的结构为： 一尖：刀尖 二刃：主刀刃和副刀刃 三刀面：前刀面、主后刀面和副后刀面。,(1)前刀面 切屑沿其流出的刀具表面。 (2)

7、主后刀由 与工件上过渡表面相对的刀具表。 (3)副后刀向 与工件已加工表面相对的刀具表面。 (4)主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作，也称为主刀刃。 (5)副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成加工表面，也称为副刀刃。 (6)刀尖 连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是一段小的厕弧，也可以是段直线。,（二）刀具的标注角度 1.刀具标注角度的参考系 刀具要从工件上切除材料就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。 为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系。,(1)基面Pr 通过

8、主切削刃上某一指定点并与该点切削速度方向相垂直的平面。 (2)切削平面Ps 通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。 （3）正交平面Po 通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。 根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。,(1)基面 Pr 基面是通过切削刃上选定点，垂直于主运动方向的平面。通常基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。 例如，普通车刀、刨刀的基面Pr，平行于刀具底面。钻头和铣刀等旋转类刀具，其基面Pr就是通过该点并包含刀具旋转轴线的平面，即刀具的轴向

9、平面。,(2)切削平面 Ps 切削平面是通过切削刃上选定点与切削刃S相切，并垂直于基面Pr的平面。也就是切削刃S与切削速度方向构成的平面。 基面和切削平面十分重要。这两个平面加上以下所述的任一剖面，便构成不同的刀具角度参考系。,2.刀具的标注角度 在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个 。,(1)在主剖面(正交面）Po内的标注角度 1)前角o ：在主剖面内度量的基面Pr与前刀 面A的夹角。 2)后角o ：在主剖面内度量的后刀面A与切 削平面Ps的夹角。 3)楔角o ：在主剖面内度

10、量的后刀面A与前 刀面A的夹角。 显然有如下关系： o =90 （o +o ）,(2)在切削平面Ps内的标注角度 刃倾角s ：在切削平面内度量的主切削刃S与基面Pr的夹角。,S向,(3)在基面Pr内的标注角度 1)主偏角kr：在基面Pr内度量的切削平面Ps与进给平面Pf的夹角。它也是主切削刃S在基面内的投影与进给运动方向之间的夹角。,(1)前角ro 在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。 (2)后角o 在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角，一般为正值。 (3)主偏角kr 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角

11、。 (4)副偏角kr 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。 (5)刃倾角s 在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。,3.刀具的工作角度 上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。 如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。 在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的

12、实际工作状态。 由于通常进给速度远小于主运动速度，所以在一般安装条件下，刀具的工作角度近似地等于标注角度，如普通车削、镗削、端铣等。只有在进给运动引起刀具角度值变化较大时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时)才计算工作角度。,1.进给运动对刀具工作角度的影响 (1)横车,图1-8 横向进给运动对工作角度的影响,工作前角和工作后角分别为: oe = o + oe = o 从上式可知，进给量 f 越大，也越大，说明对于大进给量的切削，不能忽略进给运动对刀具角度的影响，如铲背加工时，值很大，不能忽略。另外 d 随着刀具横向进给不断减小，因此值随着切削刃趋近工件中心而增大。靠近中心时，值急剧增大，工作后角o

13、e将变为负值。,(2)纵车,fe =f十 fe =f 上述角度变换可以换算到主剖面内： tano=tansinkr oe =o十o oe =o o 由上式可知值与进给量 f 和工件直径 dw 有关。一般外圆车削的值不超过3040，因此可以忽略不计。但在车螺纹，特别是车大螺旋升角的多头螺纹时，的值很大，必须进行工作角度的计算。,2.刀具安装位置对工作角度的影响 （1）切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度的影响 当切削刃上选定点安装得比工件中心高时，工作切削平面将变为Pse，工作基面变为Pre，在切深剖面PP(仍为标注切深剖面)内的工作前角pe 增大，工作后角pe减小。 则刀具工作角度为： pe=

14、p+p； pe=p p,当切削刃上选定点安装得低于工件中心时，上述计算公式符号相反；镗孔时计算公式符号与外圆车削计算公式符号相反。,(2)刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响 当车刀刀柄与进给方向不垂直时，其工作主、副偏角将发生变化： kre=kr G； kre=kr + G 式中 G进给剖面 Pf 与工作进给剖面 Pfe 之间的夹角，在基面Pr内测量。,三、刀具材料 1. 刀具材料应具备的切削性能 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求： (1)较高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须比工件材料高，并具有良好的耐磨性，刀具材料的常温硬度要求

15、在60HRc以上。 (2)足够的强度和韧性 刀具材料要能够承受冲击和振动的作用，不产生崩刃和断裂。 (3)较高的耐热性 刀具材料在高温作用下应具有足够的硬度、耐磨性、强度和韧性。 (4)良好的导热性和耐热冲击性能 刀具材料的导热性要好有利于散热；耐热冲击性能要好，材料内部不得因承受热冲击的作用而产牛裂纹o (5)良好的工艺性 刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、JJ磨性能等，便于刀具制造。,2. 刀具材料的种类及其性能特点 常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、金刚石、陶瓷、立方氮化硼等。 碳素工具钢(如T10A，T12A)、合金工具钢(如9SiCr，CrWMn)，耐

16、热性较差，仅用于一般手工工具及切削速度较低的刀具。陶瓷、金刚石、和立方化硼等超硬材料，仅用于某些难加工材料的切削。目前用得最多的刀具材料是高速钢和硬质合金。,（1）高速钢 高速钢是一种在合金工具钢基础上加入较多的合金元素钨、钼、铬、钒等所形成的刀具材料。 高速钢具有较高的硬度(6267HRC)和耐热性，在切削温度高达500650C时仍能进行切削； 高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的23倍，陶瓷的56倍)、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用； 它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。 高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉

17、刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。 高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢，按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,a.普通型高速钢 普通高速钢是切削硬度在250280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于4060m/min。通用型高速钢可分为钨钢和钨钼钢两类： 1)钨钢 这种钢的典型牌号是W18Cr4V(简称W18)，它含W18， Cr4，V1，具有较好的综合性能，在600时的高温硬度为HRC48.5，可用以制造各种复杂刀具。 W18钢的优点是：淬火过热倾向小；由于含钒量较少，故磨加工性好；由于碳化物含量高，因而塑性变形抗力较

18、大。,2)钨钼钢 钨钼钢是将钨钢中的一部分钨用钼代替所得到的一种高速钢。 钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2(简称M2)，这种钢的碳化物分布细小均匀，具有良好的机械性能。它的抗弯强度比W18钢高1015，韧性高5060，而且大截面的工具也具有这种优点，因而可作尺寸较大，承受冲击力较大的刀具。,b.高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中再加入一些含碳量、含钒量及添加钴等合金元素的新钢种，其特点有： 耐热性好 在630650C时仍能保持接近60HRC的硬度,适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。 硬度高 高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Cr4VCo8(M42

19、)和W6Mo5Cr4V2Al(501)；M42的综合性能好，常温硬度接近70HRC，600oC时其硬度为55HRC，刃磨件能也好；但M42含钻多，成本较贵。,c.粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体(氨气或氮气)把钢水雾化成粉末后，再经过热压、锻轧成材。这种钢有效地解决了熔炼高速钢的碳化物共晶偏析问题，结晶组织细小均匀。用粉末冶金法制造的高速钢有以下优点： (1) 细小均匀的结晶组织。 (2)这种钢的磨加工性很好。 (3)由于粉冶钢物理机械性能具有高度的各向同性，因此可减小淬火时的变形。 (4)由于碳化物颗粒均匀分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故粉冶钢的耐磨性可提高2030

20、。 粉冶钢适用于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具(如滚刀、插齿刀)，也适于制造精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。对于高压动载荷下使用的刀具(如断续切削刀具)，以及小截面、薄刃刀具和成形刀具，粉冶钢刀具的耐用度比熔炼钢高23倍。,(2)硬质合金 1.硬质合金的特点: 硬质合金是由难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(如Co、 Ni等)经粉末冶金方法制成的。其性能特点有： (1) 硬度、耐磨性、耐热性都很高； (2) 不能承受大的切削振动和冲击负荷； (3)硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；粘结剂含量较高时，则抗弯强度较高，但硬度却较低； (4)由于

21、硬质合金的优良切削性能，被广泛用作各种刀具。,2常用硬质合金的分类及其特性 ISO将硬质合金刀具材料分为三类： P类(YT类)，用于加工长切屑的黑色金属（钢材） ； K类(YG类)，用于加工短切屑的黑色金属（铸铁），有色金属和非金属材料； M类(YW类)，用于加工长的或短切屑的黑色金属和有色金属。 在现代被加工材料中，9095可用P和K类硬质合金加工，其余510可用M类硬质合金加工。,(3)涂层刀具 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢基体上，涂复一层薄的耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。 常用的涂层材料有TiC、TiN、AL203等。 涂层可采用单涂层，双涂层或多涂层，如TiC(

22、或TiN)、TiCA1203、TiCA1203 TiN等。,涂层刀具的特点： （1）涂层刀具的硬度比基体硬度高得多 （2）涂层刀具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。 （3）涂层刀具有低的摩擦系数，可降低切削力和切削温度，可大大提高刀具耐用度。 此外，涂层硬质合金刀具的通用性广，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片的使用，因而大大简化刀具的管理。,(4)陶瓷 常用的陶瓷刀具有几种：纯A1203陶瓷和A1203TiC混合陶瓷。陶瓷刀具的特点有： （1）硬度和耐磨性很高。 （2）耐热性很高。 （3）化学稳定性很高。 （4）摩擦系数较低，切屑与刀具不易产生粘结，加工表面粗糙

23、度较小。 （5）陶瓷的最大缺点是抗弯强度很低，冲击韧性很差。,(5)金刚石 金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石，整体人造聚晶金刚石刀具及金刚石复合刀具。其性能特点如下： (1)有极高的硬度和耐磨性。 (2)金刚石的切削刃非常锋利。 (3)金钢石的摩擦系数低。 (4)金刚石的热稳定性较低。 (5)金刚石刀具不适于加工钢铁材料。 目前金刚石主要用于磨具及磨料。,(6)立方氮化硼 立方氮化硼是由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的。立方氮化硼刀具有两种：整体聚晶立方氮化硼刀具及立方氮化硼复合刀片。后者是在硬质合金基体上烧结一层厚度约为0.5mm的立方氮化硼而成。 立方氮化硼的性能特点： 1)有很高的硬度