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(yùn)動(dòng)n1.切削運(yùn)動(dòng)的構(gòu)成n(1)主運(yùn)動(dòng)n 在車削加工時(shí)，刀具要將工件上多余的金屬切除掉，工件必須產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就稱為主運(yùn)動(dòng)。 n(2)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)n 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是刀具和工件之間產(chǎn)生的附加的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它是配合主運(yùn)動(dòng)將切削層連續(xù)不斷地或重復(fù)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(yùn)動(dòng) 圖2-1 外圓車削時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)2.1.1 切削運(yùn)動(dòng)n合成切削運(yùn)動(dòng)：在切削時(shí)，實(shí)際的切削運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成切削運(yùn)動(dòng)。 2.1.1 切削運(yùn)動(dòng)n2.工件上的加

2、工表面n在金屬切削過程中，工件上會(huì)形成三個(gè)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(jìn)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(diǎn)相對(duì)于工件沿主運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)速度，可按下式計(jì)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(jìn)給量 fn 指每轉(zhuǎn)或每次往復(fù)行程中，工件與刀具間沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移量。n 進(jìn)給速度vf 是指單位時(shí)間內(nèi)工件與刀具之間的相對(duì)位移量?？砂聪率接?jì)算： vf = f nn式中 vf 進(jìn)給速度，mm /s 或 mm /minn n 主軸轉(zhuǎn)速，r /s 或 r/minn f 進(jìn)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(diǎn)并垂直于該點(diǎn)主運(yùn)動(dòng)方向的切削層尺寸平面中，垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向測量的切削層尺寸，也稱作切削深度。車外圓時(shí)可用下式計(jì)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(gè)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(duì)的表面（也稱主后刀面）；n副后刀面（A）：與已加工表面相對(duì)的表面； 2.1.3 刀具角度n(2) 兩個(gè)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(dān)負(fù)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(dāng)少的一部分切削刃。它可以是一個(gè)點(diǎn)、一小段直線或圓弧。2.1.3 刀具角度n2.刀具角度標(biāo)柱坐標(biāo)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(diǎn)的平面，它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及測量時(shí)適合于 安裝或定位的一個(gè)平面或軸線，一般來說其方位要垂直于假定的主運(yùn)動(dòng)方向。n 車刀的基面都平行于它的底面；對(duì)于鉆頭、銑刀等旋轉(zhuǎn)刀具則為通過切削刃上某選定點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)并同時(shí)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(diǎn)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(shí)適合于安裝或定位的一個(gè)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(diǎn)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(biāo)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(biāo)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(jìn)給方向不垂直時(shí)對(duì)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(shí)， 對(duì)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(jìn)給方向 2.1.3 刀具角度n1)刀柄中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)對(duì)主偏角、副偏角

8、的影響n 在加工工件的過程中，當(dāng)車刀刀柄與進(jìn)給方向不垂直時(shí)，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(shí)主偏角將隨之變大（減?。?；而副偏角將隨之減?。ㄗ兇螅Ｆ渥兓臄?shù)值可用下式計(jì)算：n e = Gn e= Gn式中G 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(duì)、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(shí)，對(duì)前角、后角的影響n切削刃高于工件中心時(shí)，可用下式計(jì)算： e = e = n切削刃低于工件中心時(shí)，可用下式計(jì)算： e = e = 2.1.3 刀具角度n可由下式計(jì)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(huì)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(shí)，常常形成這類切屑。其切削過程比較平穩(wěn)，切削力的波動(dòng)小，加工表面質(zhì)量高，但必要時(shí)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(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度極限的結(jié)果。在加工塑性較低的材料、刀具前角較小且切削速度低時(shí)容易形成此類切屑。其切削過程不平穩(wěn)，切削力的波動(dòng)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(dāng)整個(gè)剪切面上的應(yīng)力都超過了材料的強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)形成一個(gè)個(gè)梯形狀的粒狀切屑。當(dāng)切削速度更

12、低、前角更小且增加切削厚度時(shí)，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(shí)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(dòng)，工件加工表面質(zhì)量較為粗糙。2.2.2 積屑瘤 當(dāng)切削塑性材料且切削速度不高時(shí)，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(gè)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(shí)際前角增大，這個(gè)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(dòng)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(shí)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(jié)在前刀面上，形成第一層積屑瘤。由于切屑還在不停的流動(dòng)，第一層積屑瘤會(huì)逐漸增大，直到該處的溫度和壓力不足以造成粘結(jié)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(dòng)的作用下，常發(fā)生局部的斷裂和脫落。由于積屑瘤時(shí)大時(shí)小，使切削力的大小也發(fā)生波動(dòng)，因此便造成了切削過程的不穩(wěn)定。對(duì)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(huì)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(shí)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(diǎn)磨損n 切削時(shí)，工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)（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(dāng)?shù)退偾邢鲿r(shí)，刀具磨損的主要原因是硬質(zhì)點(diǎn)磨損。n(2) 粘結(jié)磨損n 切削塑性材料時(shí)，切屑與前刀面、工件與后刀面在較大的壓力和適當(dāng)?shù)臏囟认掳l(fā)生粘結(jié)，刀具表面局部強(qiáng)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(jié)磨損與切削速度有關(guān)，也與材料之間的親和力有關(guān)。 2.2.3 刀具磨損和耐用度n2.刀具磨損的原因n （

16、3）擴(kuò)散磨損n 切削溫度很高時(shí)，刀具和工件中的合金元素相互擴(kuò)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(dāng)切削溫度超過刀具材料的相變溫度時(shí)，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(guān)概念n 刀具磨損限度（也稱磨鈍標(biāo)準(zhǔn)）：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(dá)到磨損限度所經(jīng)歷的時(shí)間，用T表示。n 刀具壽命：是指一把新刀具從使用到報(bào)廢為止的總切削時(shí)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(guān)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(duì)切削溫度的影響最大，因此對(duì)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(gè)：一是根據(jù)單件工序工時(shí)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(jì)耐用度。 n 我國目前通常采取經(jīng)濟(jì)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(gè)方面：n (1) 克服被加工材料對(duì)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(yùn)動(dòng)速度方向的分力。 n進(jìn)給力Ff：又稱軸向力，是指沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(jìn)給方向（工件軸線方向）垂直的分力。 F = 222+cfpFFF2.2.4 切削力n3.計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式n 計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)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