刀具 第1章 基本定义(庞俊忠).ppt

1、第一章 基本定义,第一节 切削运动与切削用量,金属切削加工过程：刀具工件 金属切削加工是用金属切削刀具把工件毛坯上预留的金属材料(统称余量)切除，获得图样所要求的零件。 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。优质、高效、低成本。 因此，要形成所要求的已加工表面，必须具备三个条件：切削运动、刀具材料切削性能、切削角度。 本章主要讲述金属切削原理和刀具的基础知识，目的是掌握金属加工中的一般规律。,切削运动按其所起的作用可分为： 主运动 进给运动,切削加工时,为了获得各种形状的零件,刀具与工件必须具有一定的相对运动,我们将这种相对运动为切削运动。,常见的切削运动,使工件

2、与刀具产生相对运动 而进行切削的最主要的运动， 称为主运动。由机床提供的 刀具与工件间主要的相对运 动。主要特征：速度最高、 消耗功率大，通常只有一个。 形式：直线或旋转。 状态:连续或间歇,切削刃上的选定点相对于工件的瞬时运动方向。,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,使新的金属层不断投入切削，以便切完工件表面上全部余量的运动，称为进给运动。 刀具与工件之间附加的相对运动, 它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑, 从而形成具有所需几何特性的已加工表面。 主要特征：速度、消耗功率均比主运动小 进给运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动； 进给运动可以由工件完成(如铣削) ，

3、也可以由刀具完成(如车削) ； 主运动和进给运动可以同时进行（如车削） ，也可以间歇进行（如刨削） ； 主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。,切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。,切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,主运动和进给运动 合成的运动称为合 成切削运动。,各种切削加工的切削运动,当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示，如图所示。,切削刃相对于工件的运动过程, 就是表面形成过程。 在这个过程中, 切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。 有两个要素，一是切削刃, 二是切削

4、运动。 不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。,二、工件上的工件表面,车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。,工件上待切除的表面。,工件上经刀具切削后产生的新表面。,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,三、切削用量,切削用量是指切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称，是用来表示切削运动、调整机床加工参数的参量，可用它对主运动进行定量描述。 切削用量的选择，对加工效率、加工成本和加工质量都有重大的影响。切削用量的选择需要考虑机床、刀具、工件材料和工艺等多种因素。,它是对切削运动定量描述的重要指标之一，是指切

5、削刃选定点相对工件主运动的瞬时速度，单位为m/s或m/min。 刀刃上各点的切削速度可能是不同的，当主运动为旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度由下式确定： 式中： d完成主运动的刀具或工件的最大直径，单位为mm。 n主运动的转速，单位为r/s或r/min。,进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。 当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r； 当主运动是往复直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str（毫米/单行程）； 进给量又可用进给速度Vf表示:Vf指切削刃选定点相对工件

6、进给运动的瞬时速度，单位为mm/s。若进给运动为直线运动，则进给速度在刀刃上各点是相同的。,又叫切削深度，是指工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，用ap表示，其单位为mm。 在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削: ap(dw-dm)/2 式中： dw工件待加工表面直径，单位为mm 。 dm工件已加工表面直径，单位为mm 。,三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min，Qz=1000vcfap,切削用量 a)车外圆 b)车端面 c)切槽,第二节 刀具的几何参数,一、刀具的构成,刀具几何参数是确定刀具切削部分几何形状的重要参数，它的变化直接影响金属加工的质量。刀具的种

7、类繁多，如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。但其参加切削部分在几何特征上却具有共性。 外圆车刀的切削部分可以看作是各类刀具切削部分的基本形态，其它各类刀具（包括复杂刀具），根据它们的工作要求，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变出各自的特点，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。,1.刀 面,二、刀具切削部分的表面与刀刃,图1-4,图14 车 刀 的 构 成,前刀面Ar,主后面A,副后面A,主切削刃S,副切削刃S,刀尖,刀杆,刀头,2.刀刃,（1）主切削刃S 前刀面与主后刀面相交形成的边缘，用以形成工件的过渡表面，它完成主要的金属切除工作。,（2）副切削刃S 前刀面与副后刀面相交形成的刀刃，它协同主切削刃

8、完成金属切除工作，以最终形成工件的已加工表面。,3刀尖,刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。，是在一定的平面参考系中确定的。 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系; 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。,三、定义刀具角度的参考系,在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何 参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。如图1-3所示,1刀具静止参考系,图1-3 刀具静止参考系,刀具标注角度参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量角度的基准。为了使参考系中的坐标平面与刃磨、测量基准面一致，特别规

9、定了如下假设条件。 假设运动条件: 用主运动向量vc近似地代替相对运动合成速度向量ve(即vf=0)。 假设安装条件:规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与工件中心等高。,1Ps切削平面是通过刀刃上选定点，切于工件过渡表面的平面。在切削平面内包含有刀刃在该定点的切线，和由主运动与进给运动合成的切削运动向量(简称合成切削运动向量)。 2Pr基面是通过刀刃上选定点，垂直于该点合成切削运动方向的平面。显然，刀刃上同点的基面与切削平面是互相垂直的。 应该指出，上述切削平面和基面的定义是在刀具与工件的相对运动状态下给出的。根据上述定义分析刀具角度时，对于同一刀刃上不同点，可能有不同的切削平面和基面，因

10、而同一刀刃上各点切削角度的数值也就不一定相等。,刀具切削角度的参考平面,先按照刀具标注角度的参考平面系的定义，分析一下外圆车刀的切削平面和基面。前提: 1、在不考虑进给运动影响的情况下，并假定主刀刃选定点安装于工件中心高度上。 2、刀杆中心线垂直于进给方向。 这时过主刀刃上点的切削平面Ps与工件的过渡表面相切，并包含主刀刃(它是直线)和切削速度向量v。 基面P r垂直于切削速度向量v或切削平面，它与车刀底面平行。,（一）正交面参考系（Pr-Ps-Po) 1.基面Pr： PrVc 、 刀具安装面（车刀） 2.切削平面Ps: 与 S相切 且 Pr 3.主剖面Po： Ps Po,通过切削刃上选定点，

11、垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。,通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。,通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。,基面Pr,假定主运动方向,主切削刃上选定点,刀柄底面平面,主剖面Po： Ps Pr,基面Pr： PrVc 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps: 与 S相切 且 Pr,假定主运动方向Vc,正交参考系（Pr-Ps-Po),主切削刃上选定点,法平面Pn：PnS,（二）法平面参考系（ Pr-Ps-Pn ）,过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。,法剖面Pn：PnS,基面Pr： PrVc 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps: 与 S相切

12、且 Pr,假定主运动方向Vc,法平面参考系（ Pr-Ps-Pn ）,90,主切削刃上选定点,（三）背平面、假定工作平面参考系（ Pr-Ps-Pf-Pp ）,进给平面Pf ：Pf Pr 、f,过切削刃选定点平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面。,过切削刃选定点并和假定工作平面与基面都垂直的平面。,切深平面Pp ：Pp Pr 、aP,进给剖面Pf ： Pf Pr 、f,基面Pr： PrVc 刀具安装面（车刀）,切削平面Ps: 与 S相切 且 Pr,假定主运动方向Vc,假定进给运动方向f,切深平面Pp ： Pr 、 Pf,进给、切深剖面参考系（ Pr-Ps-Pf-Pp ）,主切削刃上选定点,刀具

13、的标注角度是指刀具工作图上需要标出的角度，是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。,2、刀具的标注角度,刀具标注角度的参考系的选用，与生产中实际采用的刀具角度刃磨方式和检测夹具的构造及调整方式有关。,我国过去经常采用正交平面参考系，近年来参照国际标准ISO的规定，逐渐兼用正交平面参考系和法平面参考系。背平面参考系与假定平面参考系多见于美、日文献中。如图所示为外圆车刀的刀具角度。,说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。,图17 车刀的主要角度,前角o、后角o、主偏角r

14、、刃倾角s四角中，前角与后角分别是确定前刀面与主后刀面方位的角度，而主偏角与刃倾角是确定主切削刃方位的角度。 和以上四个角度相对应，又可定义确定副后刀面和副切削刃的如下四角：副前角o 、副后角o 、副偏角r 、副倾角s 。,副偏角r,副后角o,在基面Pr内副切削刃的投影与进给方向的夹角。,在副切削刃上选定点的副正交平面内，副后刀面与副切削平面之间的夹角。副切削平面是过该选定点并包含切削速度向量的平面。,副切削刃上的副刃倾角s和副前角o可以根据下列公式换算：,前角o、后角o、主偏角r 、副偏角r 、刃倾角s、副后角o 。,六个基本角度,而楔角o、刀尖角r 、余偏角r 属于派生角度，可以根据实际要

15、求标出。,（1）基面中定义的刀具角度,主偏角、副偏角、刀尖角,（2）切削平面中定义的刀具角度,刃倾角,（3）正交平面中定义的刀具角度,前角、后角,3.其它刀具标注参考系,图 正交平面参考系与法平面参考系,外圆车刀法平面参考系标注角度,在法平面中测量的角度有法前角n 、法后角n和法楔角n ，如图所示。对于某些大刃倾角刀具，为表明其刀具强度，常要求标注法平面中的角度。当s 0时，法平面与正交平面重合。当s 0时，法平面与正交平面相夹角为s 。,外圆车刀假定工作平面和背平面参考系数注角度,为了机械刃磨刀具或分析讨论问题的需要，常常要利用在假定工作平面和背平面中测量的角度。在假定工作平面中测量的前角和

16、后角分别称侧前角f和侧后角f ，在背平面中测量的前角和后角分别称背前角p和背后角p ，如图所示。,以上均是以外圆车刀为例来说明其标注角度的，对于其它多刃刀具或非直线刃刀具，也可以各个刀刃的选定点上，参照前述有关定义的内容和分析方法，确定它们在不同参考系中的标注角度。,前刀面与基面平行时前角为零，前刀面与切削平面间夹角小于90时，前角为正，大于90时，前角为负。后刀面与基面间夹角小于90时，后角为正，大于90时，后角为负。,刃倾角是刀刃相对于基面在切削平面中的测量值，其正负的判断方法与前角类似。切削刃与基面平行时，刃倾角为零，刀尖相对车刀的底平面处于最高点时，刃倾角为正，处于最低点时，刃倾角为负

17、，如图所示。,四、刀具工作角度,刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。,1刀具工作参考系的建立,刀具工作参考系,通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。,通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。,通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,2刀具工作角度的分析,和标注角度类似，在其它参考系下也定义了相应的参考平面，如法平面参考系下的Pre 、 Pse 、 Pne ；背平面、假定工作平面参考系下的Pre 、 Pfe 、 Ppe 。同样也定义了与标注角度相对应的工作

18、角度oe 、oe 、re 、se 、fe 、fe 等。,（116）,（117）,式中f工件每转一周时刀具的横向进给量； d刀刃上选定点O在横向进给切削过程中相对于工件中心所处的直径，也就是O点在工件上切出的阿基米德螺线对应点的直径，它在切削过程中是一个不断变化着的数值。,（117）,由式(1-16)、(1-17)可知，刀刃愈接近工件中心，d值越小，值则愈大。因此在一定进给量下，当刀刃接近工件中心时， 值急剧增大，工作后角oe将变为负值。横向进给量f的大小对值也有很大影响， f值增大则值增大，也有可能使工作后角oe变为负值，因而对于横向切削的刀具，不宜选用过大的进给量，或者应适当加大标注（刃磨）

19、后角o。,一般外圆车削时，由于纵向进给量较小，它对车刀工作角度的影响通常忽略不计，但在车削螺纹，尤其是车多头螺纹时，就会有较大的影响，此时的刀具工作角度与刀具的标注角度就会有较大的差别。,车削螺纹,正常切削外圆时，刀具切削平面Ps与基面Pr位置如图1-15所示，当考虑进给运动之后，刀具在上述假定工作平面内的工作角度将为：,（118）,式中 f纵向进给量，或被切螺纹的导程，对于单头螺纹， f为螺距； dw工件直径，或螺纹外径。,在正交平面内，刀具的工作角度为：,(1-19),由式(1-19)可看出，o与f是和进给量f及工件直径dw有关的， f越大或dw越小，刀具角度的变化值也越大。另外，图所示的

20、是车右螺纹时的车刀左侧刀刃，此时右侧刀刃的o与f值的符号是相反的，因此对车刀右侧刃工作角度的影响也正好相反。这说明车削右螺纹时，车刀左侧刀刃应注意适当加大刃磨后角，而右侧刀刃应注意设法加大刃磨前角。,同时，可知当进给量f较小时，纵向进给对刀具工作角度的影响可忽略，因此在一般的外圆车削中，因进给量小，常不考虑其对工作角度的影响。,刀具正确安装时,用刃倾角s=0的车刀车削外圆时，当车刀的刀尖高于工件中心时，其基面和切削平面的位置发生变化。,图112,主切削刃上选定点的切削平面将变为Pse ，它切于工件过渡表面；基面Pre保持与Pse垂直；因而在背平面Pp内，刀具工作前角pe增大，工作后角pe减小；

21、两者角度的变化值均为p ，如图所示。根据分析，有：,（18）,（19）,（110）,在式(1-10)中， h刀尖高于工件中心线的数值； dw工件直径。,在正交平面内，刀具工作前角oe 和工作后角oe的变化情况类似，即：,式中o正交平面内工作角度的变化值。,（111）,（112）,（113）,若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。 加工内表面时，情况与加工外表面相反。,当刀杆中心线与进给运动方向垂直时，工作主偏角与工作副偏角都等于车刀标注主偏角与副偏角。,如图所示，当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且与正常位置偏角时，刀具标注工作角度的假定工作平面Pfe与现工作平面成角，因而工作主偏

22、角re增大（或减小），工作副偏角re减小（或增大），角度变化值为角，有：,刀杆中心面（线）不垂直于进给运动方向的影响,图113车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响,（114）,（115）,式中“”或“”号由刀杆偏斜方向决定，为刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。,由于设计和制造的要求 ，刀具在正交平面、法平面、背平面和假定工作平面参考系中的标注角度，相互之间需要进行必要的换算。,第三节 刀具标注角度的换算,1 .法平面与正交平面内前、后角的关系,2 .任意剖面与正交平面内前、后角的关系,2 .任意剖面与正交平面内前、后角的关系,3 .背平面与假定工作平面内的角度,4、最大前角max和最小后角m

23、in的确定,利用式(1-22)和式(1-23)，对它们进行微分求极限，可得出车刀主切削刃上的最大前角max和最小后角min,（132）,（133）,上一页,下一页,返回,退出,其中最大前角max和最小后角min所在的剖面与主切削刃在基面上的投影，即与切削平面Ps间的夹角max和min （参见图1-17）分别为：,（134）,（135）,上一页,下一页,返回,退出,5、副切削刃上副前角o和副刃倾角s的确定,如图1-17所示，当i=r-90时，设主、副切削刃在同一个平面型的前刀面上，利用式(1-22)，则Pi剖面成为和副切削刃垂直的剖面，得出：,（136）,当i=r时，则Pi剖面成为副切削刃得切削

24、平面， 故有：,（137）,第四节、切削要素和切削方式,切削要素,进给量,切削速度,切削深度,切削厚度,切削宽度,切削层横截面积,切削方式,自由切削：只有一条直线切削刃参与切削,非自由切削：曲线切削刃或主、副切削刃同时参与切削,直角切削：切削速度方向与主切削刃相垂直的切削,斜角切削：切削速度方向与主切削刃不垂直的切削,一、切削方式,1自由切削与非自由切削,刀具在切削过程中，如果只有一条直线刃参加切削工作，这种情况称之为自由切削。如图所示即为一种自由切削情况。,这种切削方式的主要特征是刀刃上各点切屑流出方向大致相同，被切金属的变形基本上发生在二维平面内，即切削时切削变形过程比较简单，因此它是进行

25、切削试验研究常用的方法。,若刀具上的刀刃为曲线，或有几条刀刃（包括主切削刃和副切削刃）都参加了切削，并且同时完成整个切削过程，则称之为非自由切削。如图所示即为一种非自由切削情况。,其特征是各刀刃交接处切下的金属互相影响和干扰，金属变形更为复杂，且发生在三维空间内。,一般，多刃刀具切削时通常都是非自由切削。例如外圆车削时除主切削刃外，还有副切削刃同时参加切削，因此属于非自由切削方式。,2直角切削与斜角切削,直角切削又称为正交切削，是指刀具主切削刃的刃倾角s =0时的切削，其主切削刃与切削速度方向成直角。,如图所示为一种自由切削状态下的直角切削，其切屑流出方向是沿刀刃的法向。非自由切削的直角切削是

26、同时有几条刀刃参加切削，其主切削刃的刃倾角也为0。,斜角切削是指主切削刃与切削速度方向不垂直，刀具主切削刃的刃倾角s 0时的切削。,如图所示为一种自由切削状态下的斜角切削。一般斜角切削方式下，主切削刃上的切屑流出方向都将偏离其法向，不论是自由切削或是非自由切削状态。 ,斜角切削具有刃口锋利，排屑轻快等许多特点，实际切削加工中多属于斜角切削方式，而直角切削方式多用于理论和实验研究工作中。,切削层:在各种切削加工中，刀具相对工件沿进给运动方向每移动一个进给量或移动一个每齿进给量，一个刀齿正在切削的金属层称为切削层，也就是相邻两个过渡表面之间所夹着的一层金属。 切削层的形状和尺寸直接决定了刀具切削部

27、分所承受的载荷大小及切屑的形状和尺寸，所以必须研究切削层界面的形状和参数。,以车外圆为例，切削层的基本定义和主要参数如上页图所示。 1. 作用切削刃 在特定瞬间，刀具切削刃实际参与切削并在工件上产生过渡表面和已加工表面的那段刃称为作用切削刃，它由作用主切削刃(AB)和作用副切削刃(BC)两段组成。,2. 切削刃基点D 作用主切削刃上的特定参考点称为切削刃基点D，用以确定作用切削刃截形和切削层尺寸等基本几何参数，通常把它定在等分作用切削刃的点上(图中点D)。,3. 切削层尺寸平面 通过切削刃基点并垂直于该点主运动方向的平面称为切削层尺寸平面。,（1）切削层公称厚度,在主切削刃选定点的基面内，垂直

28、于过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削层公称厚度（切削厚度ac）。,车外圆时，如车刀主切削刃为直线，见图1-19a，切削层截面的切削厚度为：,（138）,式中 r 刀具主偏角，即刀具主切削刃与进给方向的夹角。,若车刀主切削刃为圆弧或任意曲线，如图1-19b所示，则对应于主切削刃上各点的切削层公称厚度是不相等的。,（2）切削层公称宽度 bD,在主切削刃选定点的基面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸，称为切削层公称宽度（切削宽度aW)。当车刀主切削刃为直线时，外圆车削的切削层截面的公称切削宽度为：,（139）,由式(1-39)可以看出，当背吃刀量ap增大或者主偏角r减小时，切削层公称宽度bD增大。,（3）切削层公称横截面积AD,在主切削刃选定点的基面内，切削层的截面面积，称为切削层公称横截面积（切削面积Ac）。车削切削层公称横截面为：,（140）,上述公式中可看出 hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。,图13 车削时的切削层尺寸,小 结,任何一种切削加工都必须满足一定的条件，即：刀具和工件间要有形成零件结构要素所需的相对运动；刀具必须具有一定的空间几何