金屬切削原理與刀具講義_圖文

1、金屬切削原理第一部分金屬切削過程是工件和刀具相互作用的過程。刀具要從工件上切去一部分金屬，除去刀具材料需具備必須的性能外，刀具切削部分還必須具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)和實現(xiàn)工件和刀具之間的相對運動（切削運動）。本部分主要闡明和切削運動和刀具幾何參數(shù)有關(guān)的基本概念和定義。 本課程約為十個課時1 車刀切削部分構(gòu)造現(xiàn)以外圓車削為例來分析工件與刀具間的切削運動。 前刀面 切屑沿其流出的刀具表面。 主后刀面 與工件上過渡表面相對的刀具表面。 副后刀面 與工件上已加工表面相對的刀具表面。 主切削刃 前刀面與主后刀面的交線，承擔(dān)主要切削工作，亦叫主刀刃。 副切削刃 前刀面與副后刀面的交線，協(xié)同主切削刃完成切削工作，

2、并最終形成已加工表面，亦稱為副刀刃 刀尖 連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，可以是一段小的圓弧，也可以是一段直線 1、切削運動 主運動 ：主運動是從工件上切除金屬所必須的運動。 只有一個、速度最高、消耗功率最大。 進給運動 ：進給運動是使金屬層不斷投入切削過程，獲得所需工件表面的運動。不止一個、速度較小、消耗功率較小。 合成運動 ：合成運動是上述主運動與進給運動的合成 。 2、工件上的加工表面 待加工表面 ：工件上即將被切去的表面，隨切削過程連續(xù)逐漸變小，直至全部切去。 已加工表面 ：工件上已經(jīng)切去了多余金屬而形成的新表面，隨切削繼續(xù)而擴大。 過渡表面，也叫切削表面 ：切削刃在切削中的表面，并

3、在切削中不斷改變，總是位于待加工表面和已加工表面之間 。 前角o ：在正交平面內(nèi)測量的前刀面和基面間的夾角。前刀面在基面之下時前角為正值，前刀面在基面之上時前角為負(fù)值。后角o ：在正交平面內(nèi)測量的主后刀面與切削平面的夾角，一般為正值。主偏角r ：在基面內(nèi)測量的主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角。副偏角r ：在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向的夾角。刃傾角s ：在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面之間的夾角。無論用于何種加工，刀具都有三個主要角度：前角、切入角和后角。其作用如下：前角：影響切削力、切削刃強度和切屑流動特性；切入角：控制切削力的方向，有效減薄切屑，保護切削刃最

4、薄弱的部位； 后角：確保刀具切削時不會與工件發(fā)生摩擦。通過對刀具的這三個角度進行綜合優(yōu)化，可以強化切削刃，同時使工件材料能從切削區(qū)自由流出，從而減小切削力，延長刀具壽命。 切削用量三要素 主運動速度 ，主運動速度表示主運動的速度大小和方向。其速度大小可表示為（單位：m/min或m/s）:式中：n 主運動的轉(zhuǎn)速（r/s或r/min）；D 完成主運動的工件或刀具某一點的回轉(zhuǎn)直徑（mm ）。 進給量，是工件或刀具的主運動每轉(zhuǎn)或每一行程時，工件和刀具在進給運動方向上的相對位移。每轉(zhuǎn)進給量f （mm/r），每齒進給量fz （mm/z）。 進給速度Vf (mm/min，刀刃上選定點相對于相對于工件的運動速

5、度。式中： z刀具齒數(shù)。 背吃刀量：背吃刀量是車削時已加工表面與待加工表面之間的垂直距離（單位：mm ）。式中：dw 工件待加工表面的直徑，dm 工件已加工表面的直徑。v c 內(nèi)容闡述：刀具系統(tǒng)一般有刀柄、刀體及切削部分構(gòu)成 刀柄是刀具與機床的接口部分 刀體用于刀具的支承和夾持 切削部分則參與工件的切削在高速切削條件下，刀具系統(tǒng)的微小不平衡都可能對加工精度、表面質(zhì)量等造成巨大影響。因此不僅刀具本身對工件的加工非常重要，對提高刀具系統(tǒng)與機床連接的動平衡精度，減小高速下的切削震動的高速切削刀具與機床的接口技術(shù)也非常重要 的錐孔和端面緊密貼合。錐體長度短有利于實現(xiàn)換刀輕型化和高速化、由于采用端面定位

6、完全消除了軸向定位誤差，適于高速、高精度加工 A 型和E 型的最大區(qū)別就在于：1. A型有傳動槽而E 型沒有。所以相對來說A 型傳遞扭矩較大，相對可進行一些重切削。而E 型傳遞的扭矩就比較小，只能進行一些輕切削。2. A型刀柄上除有傳動槽之外，還有手動固定孔、方向槽等，所以相對來說平衡性較差。而E 型沒有，所以E 型更適合于高速加工。E 型和F 型的機構(gòu)完全一致，它們的區(qū)別在于:同樣稱呼的E 型和F 型刀柄(比如E63和F63 ，F(xiàn) 型刀柄的錐部要小一號。也就是說E63和F63的法蘭直徑都是63，但F63的錐部尺寸只和E50的尺寸一樣。所以和E63相比， F63的轉(zhuǎn)速會更快(主軸軸承小 。 H

7、SK 刀柄結(jié)構(gòu)優(yōu)點：采用錐面、端面過定位的結(jié)合方式，有效提高結(jié)合剛度；錐度短和采用中空結(jié)構(gòu)后，質(zhì)量輕、自動換刀動作快；錐度短，楔形效果好，有強的抗扭轉(zhuǎn)能力；有較高的安裝精度；刀柄和主軸間由擴張爪鎖緊，轉(zhuǎn)速越高，擴張爪的離心力（鎖緊力）越大，高速 鎖緊能力好。HSK 刀柄結(jié)構(gòu)缺點：由于過定位安裝，須嚴(yán)格控制錐面基準(zhǔn)線與法蘭端面的軸向位置精度，與之相對的主軸也須控制這一軸向精度，使制造工藝難度大，成本高。刀柄為中空狀態(tài)，裝夾刀具的結(jié)構(gòu)必須設(shè)置在外部，增加整個刀具的懸伸長度，影響刀具剛性。 BT 接口相對的一些優(yōu)點：因不自鎖，可實現(xiàn)快速裝卸刀具；刀柄的錐體在拉桿軸向拉力的作用下，緊緊地與主軸的內(nèi)錐面

8、接觸，實心的錐體直接在主軸內(nèi)錐孔內(nèi)支承刀具，可以減小刀具的懸伸量；這種聯(lián)結(jié)只有一個尺寸即錐角需加工到很高的精度，所以成本較低而且可靠，多年來應(yīng)用非常廣泛。BT 接口相對的一些缺點：單獨錐面定位。連接錐度大，錐柄較長，錐體表面同時要起兩個重要作用，即刀具相對于主軸的精確定位及實現(xiàn)刀具夾緊并提供足夠的連接剛度。由于他不能實現(xiàn)與主軸端面和內(nèi)錐孔的同時定位，在主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙。高速旋轉(zhuǎn)時，主軸端部錐孔的擴張量大于錐柄的擴張量，存在重復(fù)定位精度不穩(wěn)定的問題。由于刀柄錐部較長，不利于快速換刀和減小主軸尺寸。 熱裝夾頭通常用加熱裝置，使刀柄的夾持部分在短時間內(nèi)加熱，刀柄內(nèi)徑隨之?dāng)U張，立即將

9、刀具裝入刀柄內(nèi)，刀柄冷卻收縮，產(chǎn)生刀具夾持面均勻的壓力，與傳統(tǒng)液壓夾頭相比，夾緊力大，可傳遞更大的轉(zhuǎn)矩，且結(jié)構(gòu)對稱，適于高速切削。刀柄加熱有火焰加熱、熱氣體加熱和感應(yīng)加熱幾種形式，相對來說感應(yīng)加熱較好。刀柄加熱采用具有高能場的感應(yīng)加熱線圈，在電磁場作用下，在較短時間內(nèi)加熱刀柄，進行刀具更換。感應(yīng)加熱為局部加熱，熱量很少傳到刀具柄部或其它部位，與其他兩種加熱方式相比冷卻速度快，經(jīng)濟性好。為縮短冷卻時間，可采用冷卻襯套直接與被加熱的外圓接觸，將熱量盡快傳到冷卻棱上進行強制冷卻，實現(xiàn)刀具的快速裝卸。熱裝夾頭的特點： 同心度較好； 相對小的本體直徑；離心力低； 均勻的材質(zhì)； 夾緊力大； 動平衡度很高；

10、 本體經(jīng)熱處理； 有加熱系統(tǒng)。 彈簧夾頭是利用帶彈性的元件，先裝入刀具，在利用壓緊套把彈簧夾和刀具壓入刀柄，在壓入過程中彈簧夾收縮夾緊刀具。 不同的彈簧夾用在不同的切削場合： 鉆夾頭 DA 夾頭, 提供高的夾緊力使鉆頭的進給量和速度大大提高. ¡°Double Angle”使定位精度提高. 最大夾持間隔0.5mm夾持范圍+0.1 -0.4mm 鉆-銑-攻牙夾頭 TG 夾頭, 提供高的夾緊力和同心度. 最大夾持間隔0.5mm 夾持范圍+0.1mm -0.4mm 鉆-銑-攻牙夾頭ER-DIN 6499夾頭，靈活性強.最大夾持間隔1.0mm 夾持范圍-1.0mm 液壓夾頭是通過擰

11、緊加壓螺釘，使液壓油的壓力增大，進而使膨脹壁收縮夾緊刀具。液壓刀柄的特點： 裝卸方便 定位準(zhǔn)確 精度高，同心度好 本體直徑小 易于清洗是 價格比較昂貴 車刀從結(jié)構(gòu)上可分為整體車刀、焊接車刀、焊接裝配式車刀和機械夾固刀片車刀。整體車刀主要是高速鋼車刀；焊接車刀是在普通碳鋼刀桿上鑲焊（釬焊）硬質(zhì)合金刀片，經(jīng)過刃磨而成；機夾車刀是將硬質(zhì)合金刀片用機械夾固的方法安裝再刀桿上的車刀；可轉(zhuǎn)位車刀也是機夾車刀的一類，與普通機夾車刀的不同點在于刀片為多邊形，每一邊都可作切削刃，用鈍后只需將刀片轉(zhuǎn)位，即可使新的切削刃投入工作 銑削是一種常用的基本加工方法，銑削是用旋轉(zhuǎn)的刀具去除工件毛坯面得到所要表面的加工方法。

12、刀具作旋轉(zhuǎn)運動，工進作進給運動，而且刀具旋轉(zhuǎn)軸通常垂直于工件進給方向。銑削過程往往是斷續(xù)接觸工件，有變化的切削厚度和變化的切削力銑刀按用途分有圓柱銑刀、端銑刀、盤形銑刀、鋸片銑刀、立銑刀、鍵槽銑刀、角度銑刀、成型銑刀等。 立銑刀用于加工平面、臺階、槽和相互垂直的平面，圓柱表面上的切削刃是主切削刃，端刃是副切削刃，銑槽時槽寬有擴張，故應(yīng)取直徑比槽寬略小的銑刀 盤形銑刀分槽銑刀、兩面刃銑刀、三面刃銑刀及錯齒三面刃銑刀 槽銑刀僅在圓柱表面上有刀齒，但兩側(cè)端面也參加一部分切削，相當(dāng)于副切削刃，為了減少兩側(cè)端面與槽壁摩擦，兩側(cè)有30的副偏角，一般用于加工淺槽 兩面刃銑刀除圓柱表面有刀齒外，在一側(cè)端面上也

13、有刀齒，用于加工臺階面 三面刃銑刀在兩側(cè)端面上都有切削刃，一般為了改善銑刀端部切削刃的工作條件，可采用錯齒結(jié)構(gòu)，一般用于切槽和臺階面 鋸片銑刀用于切削窄槽或切斷材料，對刀具幾何參數(shù)的合理性要求較高。 鍵槽銑刀僅有兩個刃瓣，既象立銑刀又象鉆頭，可用軸向進給向毛坯鉆孔，然后沿鍵槽方向運動銑出鍵槽的全長，刃磨時只磨端刃。 角度銑刀用于銑削溝槽和斜面 在機械加工中，孔加工刀具應(yīng)用也十分廣泛，種類也較多，一般可分為兩大類：一類是從實體材料上加工出孔的刀具，如階梯鉆、麻花鉆、中心鉆及深孔鉆等；另一類是對工件上已有孔進行再加工用的刀具，如擴孔鉆、锪鉆、鉸刀及鏜刀等通常把加工深度與直徑之比不小于10倍的孔所用

14、鉆頭成為深孔鉆擴孔鉆通常用作鉸前的預(yù)加工及毛坯孔的擴大，與麻花鉆相比，由于沒有橫刃，加工余量小，刀體強度及剛性都比較好，齒數(shù)多，切削平穩(wěn)在已鉆出的孔上加工圓柱形沉頭孔、錐形沉頭孔及端面凸臺等表面時，一般都采用锪鉆鉸刀用于孔的精加工與半精加工，是目前常用的精加工孔刀具，由于加工余量小，齒數(shù)多，又有較長的修光刃等原因，故加工精度及表面質(zhì)量都很高鏜刀常用來加工箱體孔，能夠修正上道工序所造成的軸線歪曲、偏斜等缺陷孔加工復(fù)合刀具，是由兩把或兩把以上單個孔加工刀具組合起來使用的刀具 螺紋刀具的種類也比較多，以形成螺紋的加工方法來分，有切削法加工螺紋刀具及滾壓法加工的螺紋刀具兩大類。（1）按切削法加工的螺紋

15、刀具，主要有螺紋車刀、絲錐、螺紋銑刀、螺紋梳刀、板牙、螺紋切頭；（2）按滾壓法加工的螺紋刀具，主要有擠壓絲錐、滾絲輪及搓絲板； 1、刀具的磨損形式 前刀面磨損：切塑性材料、切削速度、切削厚度較大；出現(xiàn)積屑瘤時。 后刀面磨損：切脆性材料；低速、小切削厚度切塑性材料時。 前后刀面磨損：切塑性金屬、切削速度、切削厚度適中時。2、刀具磨損的原因： 硬質(zhì)點磨損：硬質(zhì)點的機械擦傷 粘結(jié)磨損：切屑粘走刀具材料 擴散磨損：刀具材料中的元素擴散到切屑中變 化學(xué)磨損：刀具材料中的元素與空氣氧化反應(yīng)使刀具材料成分改變 相變磨損：刀具金相組織改變其中，硬質(zhì)點磨損和粘結(jié)磨損屬于高速鋼、硬質(zhì)合金的正常磨損。擴散磨損和化學(xué)

16、磨損屬于硬質(zhì)合金的劇烈磨損。相變磨損屬于高速鋼的劇烈磨損。 切削速度、進給速度太高以及工件材料中硬質(zhì)點的作用，刀具材料太軟和切削刃溫度很高等現(xiàn)象是產(chǎn)生塑性變形的主要原因可以采取降低切削速度和進給速度，選擇耐磨性高和導(dǎo)熱系數(shù)高的刀具材料等對策，以減少塑性變形磨損的產(chǎn)生。 （1）產(chǎn)生原因：切塑性材料；適當(dāng)?shù)牡臏囟群蛪毫?；切屑上的部分金屬冷焊在刀尖上。?）生長過程：生成長大脫落生成 （3）影響： 保護刀尖延長刀具壽命 使實際前角增大切削過程容易進行 增大實際 hD和aP 工件尺寸精度 形狀不規(guī)則且脫落后易嵌入已加工面工件表面留下硬質(zhì)點，Ra 粗加工可用，精加工絕對不能產(chǎn)生積屑瘤（4）避免措施： 適

17、當(dāng)提高工件硬度 避開中速切削（vc =2030m/min 適當(dāng)減小進給量 適當(dāng)加大前角 減小前刀面的粗糙度 選用潤滑性好的切削液 刃口剝落：主要由于斷續(xù)切削，切屑排除不流暢造成。應(yīng)該在開始加工時降低進給速度的刀具材料和切削刃強度高的刀片，就可以避免刃口剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生。崩刀：主要原因是刃口的過度磨損和較高的應(yīng)力，也可能由于刀具材料過硬，切削刃強度不夠及進給量太大造成。應(yīng)選擇韌性好的合金材料，加工時減小進給量和切削深度，另外選用高強度或刀尖圓角較大的刀片。熱裂紋：熱裂紋可降低工件表面質(zhì)量并導(dǎo)致刃口剝落應(yīng)選擇韌性好的合金材料和切削深度，并進行干式冷卻或在濕式切削時有充足的冷卻液。4.2合理后角的選擇

18、原則 合理后角的選擇原則 粗加工時應(yīng)選擇較小的后角；精加工時， 粗加工時應(yīng)選擇較小的后角；精加工時，應(yīng) 選擇較大的后角 工件材料的硬度、強度高時， 工件材料的硬度、強度高時，取較小的后角 加工塑性材料時選擇較小的后角 精加工刀具， 精加工刀具，應(yīng)選擇較小的后角 工藝系統(tǒng)剛性差時應(yīng)取較小的后角 1、粗加工時為保證刀具強度，應(yīng)選擇較小的后角；精加工時，為保證表面 質(zhì)量，應(yīng)選擇較大的后角 2、工件材料的硬度、強度高時，宜取較小的后角；工件材料硬度低、塑性 較大時，應(yīng)選擇較大的后角；加工塑性材料時為強化切削刃，宜選擇較小的后角 3、對于尺寸精度要求較高的精加工刀具，為減少重磨后刀具尺寸的變化， 應(yīng)選擇

19、較小的后角 4、工藝系統(tǒng)剛性差，容易產(chǎn)生振動時應(yīng)取較小的后角以增強刀具對振動阻 尼的作用 5.2 常用的刀具材料 高 耐磨性 PCD、CBN 陶瓷 金屬陶瓷 涂層硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金 高速鋼 低 韌性 高 高速鋼是一種加入了較多的 W、Mo、Cr、V 等合金元素的高合金 工具鋼，在強度、韌性及工藝等方面具有優(yōu)良的綜合性能，尤其是制造孔 加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀及切齒刀具等一些刃形復(fù)雜刀具方面仍 占有很高地位。 硬質(zhì)合金刀具是由硬度和熔點很高的碳化物和金屬粘結(jié)劑經(jīng)粉 末冶金方法而制成的硬度為 8993HRA，熱膨脹系數(shù)比高速鋼小的多，與 鋼發(fā)生冷焊的溫度高于高速鋼。碳化鎢劑硬質(zhì)合金有鎢鈷類（

20、YG） 、鎢鈷 鈦類（YT）及添加稀有碳化物類（YW）硬質(zhì)合金；碳（氮）化鈦基硬質(zhì)合 金是以 TiC 代替 WC 為硬質(zhì)相，以 Ni、Mo 等作粘結(jié)相制成的硬質(zhì)合金，其 中 WC 含量較少， 其耐磨性由于 WC 基硬質(zhì)合金， 介于陶瓷和硬質(zhì)合金之間， 也稱為金屬陶瓷?？捎糜诟邚姸?、高硬度鑄鐵（鋼）合金、鍛鋼合金、淬 火鋼合金、 耐熱合金等零件加工生產(chǎn)線， 以滿足高速、 高效、 硬質(zhì)、 （濕） 干 式精細(xì)切削加工技術(shù)要求。 陶瓷刀具具有硬度高 （高于硬質(zhì)合金） 和耐磨性好、 耐熱和高溫、 化學(xué)穩(wěn)定性好、 摩擦系數(shù)低及原料豐富 （陶瓷刀具的原材料主要是 AL2O3、 SiO2、碳化物等）等特點，廣泛用于鋼、鑄鐵及其合金和難加工材料的切 削加工，可以用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削。 CBN 和 PCBN 刀具具有較高的硬度和耐磨性、高的熱穩(wěn)定性（CBN 耐熱性可達(dá) 14001500，而金剛石的為 700800） 、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定 性、較好的熱導(dǎo)性（僅次于金剛石）及較低的摩擦系數(shù)（與不同材料的摩 擦系數(shù)約為 0.10.3） ，已用于車刀、鏜刀、銑刀、鉸刀、復(fù)合孔加工等， 主要用于高速加工鑄鐵、淬硬鋼和高硬鑄鐵以及某些難加工材料 5.3