機械工程現(xiàn)代設計理論

第2章金屬切削原理與刀具掌握各類加工刀具及刀具角度標注方法；掌握切削變形基礎知識，了解切削力、切削溫度、刀具磨損對切削過程的影響，并深入了解切削用量和刀具角度等參數(shù)對切削規(guī)律的影響及計算方法.本章重點：第一節(jié)刀具的結構一、運動與切削要素1、切削運動利用刀具切去工件毛坯上多余的金屬層（加工余量），以獲得具有一定的尺寸、形狀、位置精度和表面質量的機械加工方法。主運動：只有一個，速度最高，消耗功率最大。進給運動：使多余材料不斷被投入切削的運動，可以有一個或幾個。第一節(jié)刀具的結構一、運動與切削要素2、切削要素三個不斷變化的表面：已加工表面、待加工表面、加工表面（過渡表面）切削用量三要素：切削速度（指主運動速度）、進給量和背吃刀量（切削深度）一、運動與切削要素3、切削層幾何參數(shù)相鄰兩個加工表面之間的一層金屬。切削寬度aw：沿主切削刃方向度量。切削厚度ac：兩相鄰加工表面的垂直距離。切削面積Ac：切削層垂直于切削速度截面內的面積。二、刀具角度1、刀具切削部分的組成2、刀具角度的參考平面3、刀具的標注角度4、刀具的工作角度1、刀具切削部分的組成

1、刀具切削部分的組成

1、刀具切削部分的組成

刀具上與切屑接觸并相互作用的表面1、刀具切削部分的組成

刀具上與工件過渡表面接觸并相互作用的表面

1、刀具切削部分的組成

刀具上與工件已加工表面接觸并相互作用的表面

1、刀具切削部分的組成

前刀面與主后刀面的交線，完成主要切削工作1、刀具切削部分的組成

前刀面與副后刀面的交線，完成輔助切削工作

1、刀具切削部分的組成

連接主切削刃和副切削刃的一段切削刃，它可以是小的直線或圓弧2、刀具角度的參考平面

2、刀具角度的參考平面正交平面（或主剖面）參考系：

切削平面：通過主切削刃上某一點并與工件加工表面相切的平面。

基面：通過主切削刃上某一點并與該點切削速度方向相垂直的平面。

正交平面：通過主切削刃上某一點并與主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。其它還有法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。3、刀具的標注角度

正交平面基面切削平面基面副切刃的正交平面副切刃的切削平面基面3、刀具的標注角度（1）前角γ0

：在正交平面內測量的前面與基面之間的夾角。（2）后角a0

：在正交平面內測量的主后刀面與切削平面之間的夾角。（3）主偏角kr

：在基面內測量的主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角。（4）副偏角kr

：在基面內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），一般為正值。（5）刃傾角ks

：在切削平面內測量的主切削刃與基面之間的夾角。

標注角度的條件：刀尖與工件回轉軸線等高、刀桿縱向軸線垂直于進給方向、不考慮進給運動的影響。3、刀具的標注角度

4、刀具的工作角度(實際角度)

（1）刀具安裝位置對工作角度的影響

4、刀具的工作角度(實際角度)

（1）刀具安裝位置對工作角度的影響4、刀具的工作角度(實際角度)（2）進給運動對工作角度的影響三、刀具種類1、刀具分類。

（1）按加工方式和具體用途，可分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動線及數(shù)控機床刀具和磨具等。

（2）按所用材料性質，可分為高速鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金剛石刀具等。

（3）按結構形式，可分為整體刀具、鑲片刀具、機夾刀具和復合刀具。

（4）按是否標準化，可分為標準刀具和非標準刀具。2常用刀具(車刀)

2常用刀具(車刀)

2.常用刀具(車刀)

2.常用刀具(孔加工刀具)麻花鉆β螺旋角副后面橫刃斜角頂角鉆孔三難：切入難排屑難散熱難麻花鉆適用于30mm以下孔的粗加工2.常用刀具(孔加工刀具)群鉆2.常用刀具(孔加工刀具)

中心鉆2.常用刀具(孔加工刀具)深孔鉆長徑比≥5

2.常用刀具(孔加工刀具)擴孔鉆

齒數(shù)Z>32.常用刀具(孔加工刀具)鉸刀

2.常用刀具(孔加工刀具)鏜刀

2.常用刀具(銑刀)2.常用刀具(銑刀)2.常用刀具(拉刀)

2.常用刀具(拉刀)

2.常用刀具(螺紋刀具)

2.常用刀具(齒輪刀具)

2.常用刀具(齒輪刀具)

2.常用刀具(齒輪刀具)

2.常用刀具(齒輪刀具)

第二節(jié)刀具材料一、刀具材料應具備的性能二、常用的刀具材料三、新型刀具材料

一、刀具材料應具備的性能

1）高的硬度；

2）高的耐磨性；

3）高的耐熱性；

4）足夠的強度和韌性；

5）良好的工藝性；

6)良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能。二、常用的刀具材料

（1）碳素工具鋼與合金工具鋼（2）高速鋼（3）硬質合金鎢鈷類YG（由WC和Co組成）、鎢鈦鈷類YT（由WC、TiC和Co組成）.YG類適用于加工脆性材料，如鑄鐵、青銅.YT類適用于加工塑性材料，如鋼材.三、新型刀具材料

（1）陶瓷（2）立方氮化硼（3）人造金剛石精粗粗精Co質量分數(shù)%TiC質量分數(shù)%第三節(jié)金屬切削過程及其物理現(xiàn)象

1、切屑形成過程2、切屑的類型及其控制3、積屑瘤現(xiàn)象3.1切屑形成過程

切削方式可分為：1、自由切削與非自由切削只有一條直線刀刃參與切削工作2、正交切削與斜角切削

λ0=0，此時主切削刃與切削速度方向成直角,故又稱它為直角切削刃寬大于工件寬度且λ0=0的刨削就是直角自由切削切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角金屬切削過程的3個變形區(qū)金屬切削過程的3個變形區(qū)

第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。切削部位3個變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產生變形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應力的主要原因。3個變形區(qū)分析：

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產生積屑瘤的主要原因。擠壓、摩擦變形剪切滑移變形擠壓、摩擦變形3.2切屑的種類及卷屑、斷屑機理帶狀切屑（1）帶狀切屑:

切屑卷曲呈帶狀，內表面光滑，外表面呈毛茸狀。切削塑性材料，切削厚度較小，切削速度較高，前角較大。其切削過程較平穩(wěn)，切削力波動較小，表面粗糙度較小。

切屑的形態(tài)切屑的形態(tài)一般分為四種基本的類型（2）節(jié)狀切屑（擠裂切屑）:

切屑呈節(jié)狀，外表面局部開裂呈鋸齒狀，內表面有裂紋。切削塑性材料，切削厚度較大，切削速度較低，前角較小。其切削過程不平穩(wěn)，切削力有波動，表面粗糙度較大。單元切屑（3）粒狀切屑（單元切屑）當整個剪切面上剪應力超過了材料的強度極限，則整個單元被切離。切屑呈顆粒狀，形成單元切屑。切削塑性材料，切削厚度較大，切削速度很低，前角較小或負前角，或加工較硬的材料。其切削過程不平穩(wěn)，切削力波動較大，表面粗糙度較大。

擠裂切屑崩碎切屑（4）崩碎切屑

切屑呈碎塊狀。切削鑄鐵或脆性材料，由于材料塑性小，抗拉強度低，切削層在刀具前刀面的擠壓下，未經塑性變形就被擠裂或擠斷形成不規(guī)則的碎塊狀。工件材料越硬、越脆，前角越小，切削厚度越大，越易產生崩碎切屑。3.2切屑的種類及卷屑、斷屑機理（1）切屑的形狀與分類3.2切屑的種類及卷屑、斷屑機理（2）卷屑機理自然卷屑利用前刀面上形成的積屑瘤使切屑自然卷曲。卷屑槽卷屑強迫卷屑,在前刀面上磨出適當?shù)木硇疾刍虬惭b附加的卷屑臺,當切屑流經前刀面時,與卷屑槽或卷屑臺相碰而使它卷曲。3.2切屑的種類及卷屑、斷屑機理（3）斷屑機理

使卷曲后的切屑與工件相碰，使切屑根部的拉應力越來越大，最終導致切屑完全折斷。使卷曲后的切屑與后刀面相碰，使切屑根部的拉應力越來越大，最終導致切屑完全折斷。形成C形屑

切屑流出過程中靠自身重量而摔斷3.2切屑的種類及卷屑、斷屑機理1.積屑瘤現(xiàn)象及其產生條件

當切削塑性材料，切削速度在中低速，易形成帶狀切屑的情況下產生積屑瘤。

2.積屑瘤的成因

滯流不流成刀瘤。刀-屑之間為緊密型接觸的摩擦形式。

◆一定溫度、壓力作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生粘接

◆粘接金屬嚴重塑性變形，產生加工硬化，是工件硬度的2.5-3倍?！舴e屑瘤的生長過程：滯留—粘接—長大產生、增長、脫落、再產生、再增長、再脫落、……。

3.3積屑瘤的形成及對切削過程的影響

3.3積屑瘤的形成及對切削過程的影響3.3.積屑瘤的形成及對切削過程的影響3積屑瘤對切削過程的影響1）

積屑瘤包圍著切削刃，可代替切削刃進行切削，從而保護了刀刃，減少了刀具的磨損。2）

積屑瘤使刀具的實際工作前角增大，積屑瘤越高，實際工作前角越大，刀具越鋒利。3）積屑瘤前端伸出切削刃外，直接影響加工尺寸精度，增大切削厚度。4）積屑瘤直接影響工件加工表面的形狀精度和表面粗糙度。5）加劇刀具磨損。3.3積屑瘤的形成及對切削過程的影響4.抑制積屑瘤的措施1）采用低速或高速切削.2）減小進給量,增大刀具前角,提高刀具刃磨質量和合理選用切削液,使摩擦和粘結減少.3）合理調整個切削參數(shù)值,以防止形成中溫區(qū)域.第四節(jié)切削力與切削功率一、切削力的來源、切削合力及其分解、切削功率二、切削力的測量三、切削力的經驗公式和切削力估算一、切削力的來源、切削合力及其分解、切削功率

切削力：金屬切削時，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力。切削力來源于三個方面：1、克服被加工材料對彈性變形的抗力；2、克服被加工材料對塑性變形的抗力；3、克服切屑對前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。一、切削力的來源、切削合力及其分解、切削功率Fz

—主切削力或切向力。它的方向與過渡表面相切并與基面垂直。Fx

—進給力、軸向力。它是處于基面內并與工件軸線平行與進給方向相反的力。Fy

—切深抗力或背向力、徑向力、吃刀力。它是處于基面內并與工件軸線垂直的力。Fy=(0.15-0.7)Fz;Fx=(0.1-0.6)FzPc

—切削功率。消耗在切削過程中的功率。 切削功率為力Fz和Fx所消耗的功率之和，F(xiàn)y方向沒有位移，不消耗功率。 主運動電動機的功率PE，

（傳動效率η=0.75~0.85）二、切削力的測量

目前采用的切削力測量手段主要有：

1、測定機床功率，計算切削力

2、用測力儀測量切削力

三、切削力的經驗公式

計算切削力的指數(shù)公式

各項系數(shù)和指數(shù)參看切削用量手冊。

第五節(jié)切削熱與切削溫度一、切削熱的產生和傳導三個發(fā)熱區(qū)對應三個變形區(qū)。切削熱的來源：切屑變形功和前、后面的摩擦功。切削區(qū)域的熱量被切屑、工件、刀具和周圍介質傳出。切削用量三要素對切削熱的影響：切削深度影響ap最大，切削速度v次之，進給量f影響最?。ü剑?。工件、刀具材料的熱導率，切屑與工件的接觸時間均影響切削區(qū)熱量的傳導。第五節(jié)切削熱與切削溫度二、切削溫度的測量

大致可分為：

1)熱電偶法(接觸式測量) 2)輻射溫度計法以及其他測量方法(非接觸式測量)

溫度信號轉換成熱電勢信號

刀具和工件分別作為自然熱電偶的兩極

第五節(jié)切削熱與切削溫度三、影響切削溫度的主要因素(1)切削用量的影響切削用量ap、f和vc增大，切削溫度增加，影響程度為：vc

＞f＞ap

（與切削熱不同）(2)工件材料的影響

與工件材料的強度、硬度及導熱性有關。

(3)刀具角度的影響

①前角 ②主偏角(4)刀具磨損的影響(5)切削液的影響工件材料對切削溫度的影響與材料的強度、硬度、熱導率有關。第五節(jié)切削熱與切削溫度四、切削液（1）水溶液：主要成分是水，添加一定量的防銹劑，常用于磨削加工。（2）乳化液，乳化油+乳化劑，適用于粗加工及磨削。（3）切削油，常用于精加工工序。冷卻、潤滑、防銹、清洗粗加工-主要要求冷卻，選低濃度的乳化液。精加工-主要要求潤滑，以提高工件表面質量和減少刀具磨損，選高濃度乳化液或切削油。第五節(jié)切削熱與切削溫度五、切削溫度對工件、刀具和切削過程的影響

1、切削溫度對工件材料強度和切削力的影響

2、切削溫度對刀具材料的影響

3、切削溫度對工件尺寸精度的影響

4、利用切削溫度自動控制切削速度或進給量

5、利用切削溫度與切削力控制刀具磨損

第六節(jié)刀具磨損與刀具壽命刀具損壞形式刀具磨損造成的影響：磨損破損脆性破損塑性破損切削力增大；切削溫度升高；振動；工件加工精度降低；表面粗糙度增大一、刀具磨損的形態(tài)及其原因（1）前面磨損ppP—P前刀面磨損（月牙洼磨損）一、刀具磨損的形態(tài)及其原因(2)后面磨損（圖a)(3)邊界磨損（圖b)后刀面磨損二、刀具磨損的機理刀具磨損經常是機械的、熱的、化學的三種作用的綜合結果。1.磨粒磨損（磨料磨損、耕犁磨損、擦傷磨損）

主要是由于工件材料中的微小硬質點（碳化物、氮化物、氧化物）以及積屑瘤的碎片在切削過程中，不斷對刀具的前后刀面擦傷并刻劃出溝紋，產生磨粒磨損。工件材料中的硬質點越多，材質越不均勻，刀具與工件的硬度比越低，刀具刀面的粗糙度越差，這種磨損就越嚴重。磨粒磨損是中低速切削時刀具磨損的主要原因。如拉刀、鉸刀和絲錐等。2.冷焊磨損（粘結磨損）

切削塑性材料時，在高溫和高壓的條件下，刀具與工件材料粘結（冷焊）在一起，由于摩擦副的相對運動導致冷焊結破碎，使刀具材料受剪切而被工件（切屑）帶走，從而產生冷焊磨損。影響冷焊磨損的主要因素有：刀具與工件材料之間的親合力大小，刀具與工件接觸面之間的溫度和壓力的高低

3.擴散磨損

切削金屬材料時，工件與刀具材料在接觸過程中，在高溫的作用下，使摩擦表面雙方的化學元素在固態(tài)下相互擴散，從而改變了各自材料的化學成分和結構，使刀具表面材料變脆而加劇了刀具的磨損。

二、刀具磨損的機理二、刀具磨損的機理4.氧化磨損（化學磨損）當切削溫度達到700～800℃時，空氣中的氧在切屑形成的高溫區(qū)內與刀具材料中的某些成分（Co、WC、TiC）發(fā)生氧化作用，產生較軟的氧化物（Co3O4、CoO、WO3、TiO2），這些氧化物被切屑或工件擦傷而形成氧化磨損。使造成刀具邊界磨損的作用原因之一。5.熱電磨損

由于工件和刀具的材料不同，切削時在切削區(qū)內將一定的熱電勢。這種熱電勢有促進工件和刀具表面材料元素擴散的作用，從而加劇了刀具的磨損。這種在熱電勢作用下產生的擴散磨損稱為熱電磨損。6.相變磨損

當切削溫度達到或超過刀具材料金相組織變化臨界點時，使刀具表層材料產生金相組織變化，導致刀具表面的硬度和耐磨性降低，造成刀具的磨損。合金工具鋼、高速工具鋼在高速切削時易出現(xiàn)此類磨損。三、刀具磨損過程及磨鈍標準

三、刀具磨損過程及磨鈍標準國際標準ISO統(tǒng)一規(guī)定以1/2背吃刀量處后面上測定的磨損帶寬度VB作為刀具磨鈍標準。自動化生產中用的精加工刀具，常以沿工件徑向的刀具磨損尺寸作為衡量刀具的磨鈍標準，稱為刀具徑向磨損量NB。四、刀具壽命的經驗公式 一把新刀（或重新刃磨過的刀具）從開始使用直至達到磨鈍標準所經歷的實際切削時間，稱為刀具壽命（或稱為耐用度）。四、刀具壽命的經驗公式切削用量對刀具壽命的影響:

切削時，增加進給量f和背吃刀量ap，刀具壽命也減小，切削速度v對刀具壽命影響最大，進給量f次之，背吃刀量ap最小。這與三者對切削溫度的影響順序完全一致。第七節(jié)切削用量的選擇及工件材料加工性一、切削用量的選擇二、工件材料的切削加工性一、切削用量的選擇切削用量對切削加工的影響：（1）對加工質量的影響（2）對基本時間的影響

一、切削用量的選擇切削用量對切削加工的影響：（3）對刀具壽命和輔助時間的影響

例如用硬質合金車刀車削中碳鋼時 （f>0.75mm/r）綜合切削用量三要素對刀具壽命、生產率和加工質量的影響，選擇切削用量的順序應為： 首先選盡可能大的背吃刀量，