第2章 零件切削刀具

1、第二章 零件切削刀具n2.1金屬切削的基本概念n2.2 金屬切削的基本規(guī)律n2.3 金屬切削加工參數(shù)的選擇2.1.1 切削運動n1.切削運動的構成n(1)主運動n 在車削加工時，刀具要將工件上多余的金屬切除掉，工件必須產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)運動，這個旋轉(zhuǎn)運動就稱為主運動。 n(2)進給運動n 進給運動是刀具和工件之間產(chǎn)生的附加的相對運動，它是配合主運動將切削層連續(xù)不斷地或重復地切成切屑，以便形成所需幾何特性的已加工表面。 2.1.1 切削運動 圖2-1 外圓車削時的切削運動2.1.1 切削運動n合成切削運動：在切削時，實際的切削運動是主運動和進給運動的合成切削運動。 2.1.1 切削運動n2.工件上的加

2、工表面n在金屬切削過程中，工件上會形成三個表面：n(1) 待加工表面：工件上將被切除金屬層的表面。n(2) 已加工表面：工件上經(jīng)刀具切削后的表面。n(3) 切削表面（過渡表面）：工件上由切削刃正在切削的那一部分表面，它屬于待加工表面和已加工表面之間的過渡表面。2.1.2 切削用量三要素n切削用量三要素 ：n1. 切削速度vcn2. 進給量 fn3. 背吃刀量ap2.1.2 切削用量三要素圖2-3 切削用量2.1.2 切削用量三要素n1. 切削速度vcn 指切削刃上選定點相對于工件沿主運動方向的瞬時速度，可按下式計算：n vc = n式中 vc 切削速度，m /s 或 m /minn dw 工件

3、待加工表面的直徑，mmn n 工件轉(zhuǎn)速，r /s 或 r /minw1000d n2.1.2 切削用量三要素n2. 進給量 fn 指每轉(zhuǎn)或每次往復行程中，工件與刀具間沿進給方向的相對位移量。n 進給速度vf 是指單位時間內(nèi)工件與刀具之間的相對位移量?？砂聪率接嬎悖?vf = f nn式中 vf 進給速度，mm /s 或 mm /minn n 主軸轉(zhuǎn)速，r /s 或 r/minn f 進給量，mm /r 2.1.2 切削用量三要素n3. 背吃刀量apn 指通過切削刃上選定點并垂直于該點主運動方向的切削層尺寸平面中，垂直于進給運動方向測量的切削層尺寸，也稱作切削深度。車外圓時可用下式計算：n ap

4、 = n式中 dw 工件待加工表面直徑， mm n dm 工件已加工表面直徑， mmwm2d d2.1.3 刀具角度1.刀具切削部分的組成要素 圖2-4 外圓車刀切削部分組成要素1刀柄 2主切削刃S 3后刀面A 4切削部分 5刀尖 6副后刀面A 7副切削刃S 8前刀面A 2.1.3 刀具角度n(1) 三個表面： 即前刀面、主后刀面和副后刀面n前刀面（A）：切下的切屑延其流出的表面；n后刀面（A）：與加工表面相對的表面（也稱主后刀面）；n副后刀面（A）：與已加工表面相對的表面； 2.1.3 刀具角度n(2) 兩個切削刃：即主切削刃和副切削刃n主切削刃（S）：前刀面與主后刀面的交線，它擔負著主要的

5、切削工作；n副切削刃（S）：前刀面和副后刀面的交線，它配合切削刃完成切削工作，并形成已加工表面；2.1.3 刀具角度n(3) 刀尖： 主、副切削刃連接處相當少的一部分切削刃。它可以是一個點、一小段直線或圓弧。2.1.3 刀具角度n2.刀具角度標柱坐標系2.1.3 刀具角度n(1)基面Prn 基面是過切削刃上某選定點的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及測量時適合于 安裝或定位的一個平面或軸線，一般來說其方位要垂直于假定的主運動方向。n 車刀的基面都平行于它的底面；對于鉆頭、銑刀等旋轉(zhuǎn)刀具則為通過切削刃上某選定點并包含刀具軸線的平面。 2.1.3 刀具角度n(2)主切削平面Psn 主切削平面是

6、指通過主切削刃選定點與主切削刃相切并垂直于基面的平面。n(3) 副切削平面Psn 副切削平面是指通過副切削刃選定點與副切削刃相切并垂直于基面的平面。n(4)主剖面Pon 正交平面是指通過切削刃選定點并同時垂直于基面和切削平面的平面。2.1.3 刀具角度n(5)假定工作平面Pf n 假定工作平面是指通過切削刃選定點并垂直基面的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及測量時適合于安裝或定位的一個平面或軸線。n(6)法平面Pn n 法平面是指通過切削刃選定點并垂直于切削刃的平面。 2.1.3 刀具角度n3.刀具的幾何角度n(1) 刀具的標柱角度n(2) 刀具的工作角度2.1.3 刀具角度2.1.3 刀

7、具角度n(1)刀具的標柱角度n1)主偏角：指主切削平面與假定工作平面 間的夾角。 n2)副偏角：指副切削平面與假定工作平面 間的夾角。n3)前角：指前刀面與基面間的夾角。 2.1.3 刀具角度n4)后角：指后刀面與切削平面間的夾角。n5)楔角：指前刀面與后刀面間的夾角。n6)刃傾角s：指主切削刃與基面間的夾角。 2.1.3 刀具角度n(2) 刀具的工作角度n1)刀柄中心線與進給方向不垂直時對主偏角、副偏角的影響n2)切削刃安裝高于或低于工件中心時， 對前角、后角的影響2.1.3 刀具角度圖2-7 刀柄中心線不垂直于進給方向 2.1.3 刀具角度n1)刀柄中心線與進給方向不垂直時對主偏角、副偏角

8、的影響n 在加工工件的過程中，當車刀刀柄與進給方向不垂直時，主偏角和副偏角將發(fā)生變化：如果車刀中心線向右（向左）偏斜，這時主偏角將隨之變大（減?。?；而副偏角將隨之減小（變大）。其變化的數(shù)值可用下式計算：n e = Gn e= Gn式中G 進給運動方向的垂線和刀柄中心線之間的夾角（即平面上的安裝角）2.1.3 刀具角度圖2-8 切斷刃安裝高度對、的影響2.1.3 刀具角度n2)切削刃安裝高于或低于工件中心時，對前角、后角的影響n切削刃高于工件中心時，可用下式計算： e = e = n切削刃低于工件中心時，可用下式計算： e = e = 2.1.3 刀具角度n可由下式計算求得： sin = n式中

9、h 刃口高于或低于工件中心的距離, mm dw 工件切削表面的直徑，mmw2 hd2.2.1 金屬切削過程中的變形n1. 切削層變形區(qū)2.2.1 金屬切削過程中的變形n1. 切削層變形區(qū)n 第變形區(qū)：是由靠近切削刃的OA線處開始發(fā)生塑性變形，到OM線處的剪切滑移基本完成，曲線OAMO所包圍的區(qū)域稱為第變形區(qū)。它是在切削過程中形成的主要變形區(qū)域，會消耗大部分功率且產(chǎn)生大量的切削熱。2.2.1 金屬切削過程中的變形n1. 切削層變形區(qū)n 第變形區(qū)：是指切屑在沿刀具前刀面流出的過程中，受到前刀面的擠壓和摩擦，使切屑底層的金屬繼續(xù)產(chǎn)生滑移變形的區(qū)域。 n 第變形區(qū)：是指已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后

10、刀面的擠壓、摩擦和回彈，產(chǎn)生晶粒纖維化和加工硬化的區(qū)域。2.2.1 金屬切削過程中的變形n2. 變形系數(shù)n 經(jīng)過滑移變形后形成的切屑，其外形尺寸有所變化，如下圖所示，切屑的變形程度用變形系數(shù)來表示： 刀 具2.2.1 金屬切削過程中的變形n2. 變形系數(shù)： = = n式中 lc 切削層的長度，mm lch 切屑的長度，mm ach 切屑的厚度，mm ac 切削層的厚度，mmcchllchcaa2.2.1 金屬切削過程中的變形n3切屑種類2.2.1 金屬切削過程中的變形n3切屑種類n帶狀切屑 這類切屑呈連續(xù)的帶狀，與刀具前刀面接觸的底面是光滑的，背面呈微小的鋸齒形。一般加工塑性較大的材料（如碳素

11、鋼、合金鋼、銅合鋁合金等）、刀具前角較大且切削速度較高時，常常形成這類切屑。其切削過程比較平穩(wěn)，切削力的波動小，加工表面質(zhì)量高，但必要時需采取斷屑措施。2.2.1 金屬切削過程中的變形n3切屑種類n節(jié)狀切屑（擠裂切屑） 這類切屑的外表面呈較大的鋸齒形，它是由于切削層局部所受的切應力達到材料強度極限的結果。在加工塑性較低的材料、刀具前角較小且切削速度低時容易形成此類切屑。其切削過程不平穩(wěn)，切削力的波動較大，加工表面質(zhì)量稍差。2.2.1 金屬切削過程中的變形n3切屑種類n粒狀切屑（單元切屑） 在切屑形成過程中，當整個剪切面上的應力都超過了材料的強度極限時，會形成一個個梯形狀的粒狀切屑。當切削速度更

12、低、前角更小且增加切削厚度時，容易生成此類切屑。 2.2.1 金屬切削過程中的變形n3切屑種類n崩碎切屑 這類切屑在加工脆性材料（如黃銅、鑄鐵等）時容易形成，它是由于切削層金屬塑性小，刀具切入后，未發(fā)生塑性變形就突然崩斷成不規(guī)則的碎塊狀。其切削過程容易產(chǎn)生振動，工件加工表面質(zhì)量較為粗糙。2.2.2 積屑瘤 當切削塑性材料且切削速度不高時，常有一些從工件和切屑上帶來的金屬粘附在刀具前刀面上，在靠近切削刃處形成一個硬度很高的楔塊（硬度約為工件硬度的23.5倍），并使刀具的實際前角增大，這個楔塊就是積屑瘤， 圖2-2 積屑瘤2.2.2 積屑瘤n1. 積屑瘤的形成原因n 在切削過程中，切屑與前刀面之間

13、產(chǎn)生劇烈的摩擦和巨大的壓力，使切屑在流動過程中，其底層與前刀面接觸處的流速較上層緩慢很多，出現(xiàn)“滯流”現(xiàn)象；同時在高溫高壓下，由于分子間的親和力，切屑底層金屬與前刀面緊密接觸而發(fā)生“冷焊”現(xiàn)象并粘結在前刀面上，形成第一層積屑瘤。由于切屑還在不停的流動，第一層積屑瘤會逐漸增大，直到該處的溫度和壓力不足以造成粘結為止。此后，切屑就沿著積屑瘤的表面流出。2.2.2 積屑瘤n2. 積屑瘤的影響 n 積屑瘤在切削過程中是不穩(wěn)定的，在外力和振動的作用下，常發(fā)生局部的斷裂和脫落。由于積屑瘤時大時小，使切削力的大小也發(fā)生波動，因此便造成了切削過程的不穩(wěn)定。對刀具來說，積屑瘤的產(chǎn)生使切削刃的幾何形狀發(fā)生畸變，直

14、接影響加工精度。破碎的積屑瘤有一部分會粘附在已加工表面上，使其高低不平，非常粗糙，硬度不均勻。2.2.2 積屑瘤n3. 影響積屑瘤的因素n(1)工件材料n(2)切削速度n(3)刀具前角n(4)切削液 2.2.3 刀具磨損和耐用度刀具磨損示意圖：a)c)b)a) 刀具磨損 b) 后刀面磨損 c) 前刀面磨損 2.2.3 刀具磨損和耐用度n1.刀具磨損的形式n(1) 正常磨損的形式n 1) 前刀面磨損n 2) 后刀面磨損 n 3) 前、后刀面同時磨損2.2.3 刀具磨損和耐用度n1.刀具磨損的形式n（2） 非正常磨損的形式n 1) 破損n 破損是指在切削刃或刀面上產(chǎn)生裂紋、崩刃或破碎（打刀）的現(xiàn)象

15、。n 2) 卷刃n 卷刃是指在切削過程中，切削刃或刀面上產(chǎn)生隆起或塌陷的塑性變形現(xiàn)象，這是由于切削溫度過高產(chǎn)生的。2.2.3 刀具磨損和耐用度n2.刀具磨損的原因n(1) 硬質(zhì)點磨損n 切削時，工件材料中的硬質(zhì)點（雜質(zhì)、積屑瘤碎片等硬粒）在刀具表面上刻劃出深淺不一的溝痕，使刀具磨損。當?shù)退偾邢鲿r，刀具磨損的主要原因是硬質(zhì)點磨損。n(2) 粘結磨損n 切削塑性材料時，切屑與前刀面、工件與后刀面在較大的壓力和適當?shù)臏囟认掳l(fā)生粘結，刀具表面局部強度較低的微粒被切屑或工件帶走，從而發(fā)生刀具的磨損。粘結磨損與切削速度有關，也與材料之間的親和力有關。 2.2.3 刀具磨損和耐用度n2.刀具磨損的原因n （

16、3）擴散磨損n 切削溫度很高時，刀具和工件中的合金元素相互擴散，降低刀具的切削性能，從而加劇刀具的磨損。n （4）相變磨損n 當切削溫度超過刀具材料的相變溫度時，刀具表面的金相組織發(fā)生變化，使刀具的硬度急劇降低而造成的磨損。2.2.3 刀具磨損和耐用度n2.刀具磨損的原因n（5）氧化磨損n 在高溫下（700800），空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的WC、Co、TiC等發(fā)生氧化作用而生成較軟的氧化物，它易被工件和切屑帶走，從而降低刀具的切削性能而造成的磨損。2.2.3 刀具磨損和耐用度n3.刀具耐用度n(1) 刀具耐用度及相關概念n 刀具磨損限度（也稱磨鈍標準）：是指規(guī)定的刀具磨損量的最大值，通常用刀具

17、后刀面上的平均磨損量VB表示。n 刀具耐用度：是指一把新刃磨的刀具，它從開始切削至達到磨損限度所經(jīng)歷的時間，用T表示。n 刀具壽命：是指一把新刀具從使用到報廢為止的總切削時間，用H表示。 2.2.3 刀具磨損和耐用度n3.刀具耐用度n(2) 刀具耐用度的影響因素n 從刀具耐用度和刀具磨損的關系可知，凡是影響刀具磨損的因素，也都同樣影響著刀具的耐用度。刀具磨損的主要影響因素是切削溫度，而切削速度對切削溫度的影響最大，因此對刀具耐用度的最大影響因素是切削速度。2.2.3 刀具磨損和耐用度n3.刀具耐用度n(3) 刀具的合理耐用度n 合理耐用度的確定原則有兩個：一是根據(jù)單件工序工時最短確定的最大生產(chǎn)

18、率耐用度；一是根據(jù)單件工序成本最低確定的經(jīng)濟耐用度。 n 我國目前通常采取經(jīng)濟耐用度，即最低成本耐用度。 2.2.4 切削力n1. 切削力的來源n 金屬切削過程中，刀具切入工件，使正在被切削的一層金屬發(fā)生變形而成為切屑，這種刀具作用于工件上的力稱為切削力。n 切削力來源于以下兩個方面：n (1) 克服被加工材料對彈性變形、塑性變形的抗力n (2) 刀具與切屑、工件之間的摩擦阻力2.2.4 切削力n2. 切削合力與分力，如下圖所示：2.2.4 切削力n2. 切削合力F與分力n主切削力Fc：又稱切向力，是指沿主運動速度方向的分力。 n進給力Ff：又稱軸向力，是指沿進給運動方向的分力。 n背向力Fp

19、：又稱徑向力，是指在基面內(nèi)與進給方向（工件軸線方向）垂直的分力。 F = 222+cfpFFF2.2.4 切削力n3.計算切削力的經(jīng)驗公式n 計算切削力的經(jīng)驗公式有兩種： （1）一種是指數(shù)公式 （2）一種是按單位切削力計算2.2.4 切削力n4. 切削力的影響因素n(1)工件材料n(2) 切削用量n(3)刀具幾何參數(shù)n(4)其他因素2.2.5 切削熱、切削溫度、切削液n1.切削熱和切削溫度n(1) 切削熱的來源與傳出n 切削熱來源于兩個方面：一方面是被切削金屬在刀具的作用下產(chǎn)生的彈性和塑性變形功，另一方面是切屑與前刀面、工件與后刀面之間產(chǎn)生的摩擦功。n 切削熱產(chǎn)生以后，分別通過切屑、工件、刀具

20、和周圍介質(zhì)傳出。通常情況下切屑帶走的熱量最多，其次為工件、再次為刀具和周圍介質(zhì)。 2.2.5 切削熱、切削溫度、切削液n1.切削熱和切削溫度n(2) 切削溫度n 切削溫度通常指切削區(qū)域的平均溫度。實驗證明，切削溫度在工件、刀具、切屑上的分布是不均勻的，工件材料塑性大，切削溫度的分布就相對較均勻；工件材料脆性大，則分布不均勻，溫度梯度大。工件和刀具的最高溫度都在刀尖附近，切屑中的最高溫度在積屑瘤附近。2.2.5 切削熱、切削溫度、切削液n1.切削熱和切削溫度n(3) 切削溫度的影響因素n 1)切削用量n 2)工件材料n 3)刀具幾何角度n 4)其它因素2.2.5 切削熱、切削溫度、切削液n2.切削液n(1) 切削液的作用n 1)冷卻作用n 2) 潤滑作用n 3) 清洗作用n 4) 防銹作用2.2.5 切削熱、切削溫度、切削液n2.切削液n(2)切削液的