第一章《刀具的幾何角度及切削要素》

1、機(jī)電工程系 機(jī)械工程教研室 陳海讓陳海讓金屬切削加工： 是指采用金屬切削刀具將另一金屬材料（或非金屬材料）上預(yù)留的金屬層材料（余量）切除，以獲得新的幾何輪廓尺寸和形狀，并符合零件圖樣上的各項(xiàng)技術(shù)要求的整個(gè)加工過程。切削后的幾何形狀切削余量毛坯件切屑切削刀具 在整切削過程中，以金切刀具擔(dān)當(dāng)切削工作并通過刀具接觸被加工工件毛坯，經(jīng)刀具與工件之間的相對運(yùn)動(dòng)后所獲得切削加工過程。 在切削過程中，關(guān)聯(lián)著加工過程及產(chǎn)品質(zhì)量的因素是多方面的，其中包括：2 2、1 1、3 3、一、切削運(yùn)動(dòng) 要想掌握金屬切削原理與刀具的合理應(yīng)用，則必須首先應(yīng)從了解、掌握切削運(yùn)動(dòng)、熟知刀具角度及各自的用途，同時(shí)了解把握好切削方式

2、，以便合理應(yīng)用切削原理，幫助我們提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 在金屬切削加工過程中，車削運(yùn)動(dòng)是在切削運(yùn)動(dòng)中最具有代表性。因此在講解和學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)先從車削原理入手，逐步深入整個(gè)了解和掌握金切加工的原理過程。車削運(yùn)動(dòng)： 以工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而切削刀具（車刀）沿軸線作直線運(yùn)動(dòng)，由此工件與刀具產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。n nS S切削主運(yùn)動(dòng)： 能迫使工件表面部分金屬分離的運(yùn)動(dòng)。也是整個(gè)運(yùn)動(dòng)中速度最高、消耗能量最大的運(yùn)動(dòng)。車削時(shí)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)：工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)銑削時(shí)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)：刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)刨削時(shí)的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)：刀具的直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：（刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)） 為實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性或使分離金屬的面積增大，實(shí)現(xiàn)整個(gè)余量被切除的目

3、的的運(yùn)動(dòng)。車削時(shí)的刀具直線移動(dòng)銑削時(shí)的工件直線移動(dòng)刨削時(shí)的工件直線移動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成運(yùn)動(dòng)： 當(dāng)主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，并且是相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，就必然發(fā)生刀具切除工件表面金屬層。 而在這個(gè)過程中，對被切物的表面所產(chǎn)生的變化自然形成了新的幾何輪廓表面。隨著不斷切削，新的表面也就不斷產(chǎn)生。二、工件上的加工表面已加工表面待加工表面過渡表面n nS Sn nS S已加工表面過渡表面待加工表面三、切削用量 用于表示整個(gè)切削過程中的三大切削參數(shù)量指標(biāo)。切削用量切削用量三要素 切削用量的合理選用是對分析加工質(zhì)量、刀具選用的合理性、切削機(jī)床性能等因素的一項(xiàng)重要依據(jù)。 是指

4、切削刃上選定點(diǎn)相對于工件主運(yùn)動(dòng)方向的瞬時(shí)速度。單位m/sm/s或m/minm/min計(jì)算方法為：式中 dd選定點(diǎn)對應(yīng)工件或刀具直徑 nn工件或刀具的實(shí)際轉(zhuǎn)速 指刀具在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向相對于工件的位移量。也可用工件每旋轉(zhuǎn)一周刀具的實(shí)際位移量來表示。單位：mm/rmm/rf fr r車削時(shí)的計(jì)算方法：單位：mm/smm/ss s 是指垂直于進(jìn)給速度方向的切削層最大尺寸。也就是指刀具切入工件的垂直直線距離尺寸。單位：mmmm計(jì)算方法：或中：dwdw待加工表面直徑 dmdm已加工表面直徑一、刀具的分類1 1、根據(jù)加工表面形式：車刀刨刀拉刀各種銑刀車刀刨刀內(nèi)孔切削刀具：鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、鏜刀等螺紋切削刀具

5、：絲錐、板牙、螺紋車刀、螺紋銑刀等齒輪切削刀具：滾齒刀、插齒刀、剃齒刀、刨齒刀等切斷切槽刀具：鑲齒圓鋸片、帶鋸、弓鋸、切斷切槽車刀、鋸片銑刀等2 2、根據(jù)切削運(yùn)動(dòng)方式和相應(yīng)的刀刃形狀：通用刀具車刀、刨刀、銑刀鏜刀、鉆頭、鉸刀鋸條等成形刀具成形車刀、成形刨刀成形銑刀、成形鏜刀拉刀、圓錐鉸刀、螺紋刀具等展成刀具滾刀、插齒刀、刨齒刀剃齒刀、復(fù)合刀具、成組刀具、涂層刀具等 以上各種金屬切削刀具的基本組成均分為兩大部分； 即：刀片支承安裝部分（刀柄）刀具工作切削部分（刀頭）3 3、根據(jù)使用情況分類：標(biāo)準(zhǔn)通用刀具： 是指按金屬切削刀具國家標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)計(jì)制造的車、銑、刨、鉆、擴(kuò)、锪、鉸、螺紋等刀具。標(biāo)準(zhǔn)專用刀具

6、： 是指按加工類形并按國家標(biāo)準(zhǔn)輪廓所設(shè)計(jì)制造的齒輪銑刀、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、傘齒輪銑刀等。專用刀具： 是指企業(yè)根據(jù)某一零件所需的輪廓而自行設(shè)計(jì)并制造的刀具。 如： 成形車刀、成形銑刀、拉刀、蝸輪滾刀、花鍵滾刀等。 在眾多切削刀具中又分為單刃和多刃，復(fù)雜與多齒刀具。將各類刀具的主要工作部分進(jìn)行對比，其刀頭幾何形狀均類似于外圓車刀刀頭結(jié)構(gòu)。二、刀具的構(gòu)成 對于任何一把金切刀具而言，其結(jié)構(gòu)均是由刀柄（刀體、支承部分）和刀頭（切削部分）兩大結(jié)構(gòu)所組成。 根據(jù)各類刀具的制造方式，可分為整體結(jié)構(gòu)、硬釬焊接和機(jī)械夾固叁種形式。整體式結(jié)構(gòu)焊接式結(jié)構(gòu)機(jī)夾式結(jié)構(gòu)三、刀具切削部分的組成 金切刀具是由刀柄與刀頭

7、所組成。而擔(dān)負(fù)主要切削工作的部分則由刀頭來完成。 因此研究刀具的切削性能，應(yīng)主要從刀頭的結(jié)構(gòu)入手。常規(guī)的外圓車刀刀頭應(yīng)是由：所組成一幾何實(shí)體結(jié)構(gòu)刀 柄刀頭外圓車刀刀頭結(jié)構(gòu)圖刀尖進(jìn)給方向前刀面“ArAr”（簡稱前面） 是指通過刀具切割工件表面金屬層后，切屑流過的表面。同時(shí)也是產(chǎn)生最大切削力的表面。主后刀面“AA”（后面） 是指在切削過程中，刀具與工件上被切削層過渡表面相對應(yīng)的表面。 是指在切削過程中，刀具與工件上已加工表面相對應(yīng)的表面。 前刀面與主后刀面、副后刀面之間所包含的刀具實(shí)體部分為： （楔角影響著切削刀具刀尖上的強(qiáng)度及切屑的變形）主切削刃“S S” 是指金切刀具上前刀面與主后刀面相交所形

8、成棱邊。在切削過程中由該棱邊產(chǎn)生切削過渡面，并擔(dān)負(fù)著主要的切割工作。 為了增強(qiáng)切削刀具主切削刃的強(qiáng)度（選用硬質(zhì)合金刀具材料）通常在主切削刃上修磨出棱角，簡稱倒棱。 在主切削刃上倒棱，其棱邊的大小及角度，應(yīng)根據(jù)選用的刀具材料、切削用量、被加工材料和實(shí)際切削性質(zhì)來確定。棱角可分為： 正值倒棱 零值倒棱 負(fù)值倒棱正值倒棱零值倒棱負(fù)值倒棱副切削刃“S S” 是指金切刀具上的前刀面與副后刀面相交所形成的棱邊。 在切削過程中，配合主切削刃共同完成切削工作。同時(shí)參與修正已加工表面粗糙度作用，在此與主切削刃相交后形成刀尖。進(jìn)給方向 為改善刀尖的強(qiáng)度及增大刀尖的散熱面積，同時(shí)增大切屑的變形，往往需要對刀尖進(jìn)行必

9、要的處理（修磨），即在刀尖處形成過渡刃和修光刃，以提高已加工表面質(zhì)量。刀尖 是指金切刀具上主切削刃與副切削刃的相交點(diǎn)構(gòu)成刀尖。直線型過渡刀尖 便于修磨，但修光刃長度不易控制掌握，切屑排出時(shí)變形相對較小。圓弧型過渡刀尖 修磨弧線不易得到控制，切屑排出時(shí)變形較大，修光刃的長度是隨圓弧半徑所得。四、刀具切削部分的幾何形狀和角度 為確定切削刀具幾何形狀和角度、必須設(shè)立在三維空間中刀具參考坐標(biāo)系。即：正交平面坐標(biāo)參考系法平面參考系假定工作平面參考系 要想獲取刀具刀頭的幾何角度，則必須要滿足一定的特定條件。1 1、假設(shè)條件 安裝刀具時(shí)，刀尖應(yīng)保持在工件的軸線位置。 而刀具的軸線必須垂直于被加工工件軸線。

10、無進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而只考慮主運(yùn)動(dòng)，并且限定主運(yùn)動(dòng)是在垂直水平面方向上。工件已加工表面是圓柱形表面。2 2、刀具靜止參考系 為了便于測量刀具切削部分的幾何角度，需假設(shè)一些必要的輔助空間平面，幫助確定刀具切削刃上的幾何角度。 假定運(yùn)動(dòng)條件和假定安裝條件下建立的固定理想?yún)⒖枷?在靜止參考系中，對切削刀具設(shè)計(jì)及標(biāo)注方面，常采用：正交平面參考系法平面參考系假定工作平面參考系3 3、正交平面參考系 正交平面是由三個(gè)相互垂直的假想坐標(biāo)平面組成。即： 是指垂直于主運(yùn)動(dòng)方向，并通過主切削刃上選定點(diǎn)的平面。指通過主切削刃上選定點(diǎn)，并與主切削刃相切，同時(shí)垂直于基面的平面。指通過主切削刃上選定點(diǎn)，并同時(shí)垂直于切削平面和基面

11、的平面。刀具靜止角度的標(biāo)注在刀具主截面上所反映的角度 是指基面與前刀面之間的夾角。 前角又分為正值、負(fù)值和零。 在切削中主要體現(xiàn)刀刃的鋒利程度、刀刃強(qiáng)度的大小及切屑變形狀態(tài)。 是指主后刀面與切削平面之間的夾角。 后角也分為正值、負(fù)值和零。（負(fù)后角不能參加切削工作） 在切削中配合前刀面構(gòu)成刀具主切削刃并形成刀刃上的楔角。 在切削中楔角主構(gòu)成切削刃的強(qiáng)度及抗沖擊能力，同時(shí)對切削分力在刀具上的承受方向。由基面向底平面投影所顯示的角度進(jìn)給方向 指主切削刃與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向在基面上的投影所產(chǎn)生的夾角。 主偏角角度通常是根據(jù)被加工對象的表面輪廓形狀、刀尖散熱面積的大小及刀尖強(qiáng)度要求進(jìn)行選取角度值的大小。 指負(fù)

12、切削刃與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相反的方向，在基面上的投影所產(chǎn)生的夾角。進(jìn)給方向 副偏角與主偏角組成了刀具的刀尖，因主偏角的大小受工件輪廓及切削性能的影響，而副偏角則因主偏角，其影響到刀尖的大小及強(qiáng)度。 是指當(dāng)?shù)毒咭研纬芍鞲鼻邢魅兄?，其刀具在基面上的投影所自然形成的夾角。 刀尖角在刀具切削中主要影響到刀尖的強(qiáng)度及刀尖的散熱面積大小，因此，在選用主副偏角的同時(shí)應(yīng)考慮刀尖角對切削性能及刀尖的影響。在切削平面中測量的刀具角度 是指主切削刃與基面之間所產(chǎn)生的角度。 刃傾角可根據(jù)切削所需，可選取正值、負(fù)值和零。 刃傾角在切削過程中主要起到控制刀刃受力方向及排除切屑方向。F FF FF F 是指副后面與副切削平面之間的

13、夾角。 副后角與刃傾角決定了刀具另一派生角度“切削角”，同時(shí)對主切削刃的強(qiáng)度有一定的影響。 因此副后一般選擇不與工件已加工表面發(fā)生摩擦為宜。（約4 46 6）對刀具角度的標(biāo)注以7575外圓車刀為例：工件車刀車刀工作圖樣7575外圓車刀的角度標(biāo)注 總之；對于一把外圓車刀具而言，其刀頭切削部分，應(yīng)由三個(gè)基本平面、二條切削刃及六個(gè)基本角度加上三個(gè)派生角度組成切削部分的幾何形狀。主切削刃、副切削刃前刀面、主后刀面、副后刀面前角、主后角、副后角、主偏角、副偏角、刃傾角 刀具靜止參考系適用于設(shè)計(jì)刀具時(shí)對刀具的幾何角度進(jìn)行假設(shè)條件下的定義角度。 當(dāng)?shù)毒呦鄬τ诠ぜ驒C(jī)床的安裝位置時(shí)，因各種因素會給刀具在靜止角

14、度帶來變化。經(jīng)過安裝、切削運(yùn)動(dòng)刀具變化后的角度稱為刀具的工作角度。一、刀具的工作參考系工作參考系：用于描述刀具工作角度的參考系以切斷刀作橫向切削為例：n nf f合成切削速度方向工作基面工作基面工作切削平面工作主截面 過切削刃上選定點(diǎn)與切削刃相切，并垂直于工作基面的平面。 過切削刃上選定點(diǎn)并同時(shí)與工作基面及工作切削表面相垂直的平面。 過切削刃上選定點(diǎn)且同時(shí)包含主運(yùn)動(dòng)速度和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度方向的平面。合成切削速度方向工作平面 由于工作平面是隨主運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起，要真正得到切斷時(shí)的工作平面，需在一個(gè)假定的條件下方能獲取。二、刀具的工作角度 是指刀具在切削過程中，因受主運(yùn)動(dòng)方向和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度的影

15、響而改變原有刀具設(shè)計(jì)的角度。 指在工作基面與前刀面之間的夾角。 指在工作切削平面與后刀面之間的夾角。n nf f三、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對刀具角度的影響切斷（切槽）刀的基本結(jié)構(gòu)整體高速鋼切斷刀 切斷刀刀頭是由“” 所組成。其進(jìn)給切削運(yùn)動(dòng)方向是以橫向運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹鳌?當(dāng)切斷刀作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過主切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，是主運(yùn)動(dòng)和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)軌跡，按運(yùn)動(dòng)軌跡在工件截面所形成線路應(yīng)為。 當(dāng)?shù)毒吖ぷ骰媾c合成運(yùn)動(dòng)方向呈垂直狀態(tài)，也由此產(chǎn)生了工作基面和工作切削平面與基面和切削平面形成一個(gè)f f角度。 此結(jié)果現(xiàn)象導(dǎo)致刀具的工作前角增大，而工作后角減小。工件截面刀具截面四、刀尖安裝高度對工作角度

16、的影響刀尖與工件軸線等高基面切削平面 當(dāng)?shù)都獍惭b高度與工件軸線等高，其刀具的工作角度應(yīng)與靜止角度相等。h h刀尖高于工件軸線 當(dāng)?shù)都飧哂诠ぜS線，則增大刀具工作前角，而減小工作后角。工作基面工作切削平面刀尖低于軸線h h工作基面工作切削平面 當(dāng)?shù)都獾陀诠ぜS線，則減小刀具工作前角，而增大工作后角。 根據(jù)上述分析，得出實(shí)際裝刀時(shí)刀具中心高度應(yīng)等于工件中心軸線高度，才能保證刀具的工作角度與靜止角度相等。 但要做到這一點(diǎn)，很難。但從刀具切削時(shí)受力方向（主切削力）分析，其刀具切削時(shí)的受力與切削平面平行并垂直向下。 所以通常在安裝刀具時(shí)，允許刀尖高于工件軸線0.5mm0.5mm，原則上不允許低于軸線中心

17、。五、切削層參數(shù)與切削方式切削層； 即： 切削刃沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量后所切除的金屬體積在基面上所截得金屬層。切削層參數(shù) 切削層的橫截面形狀、尺寸規(guī)定必須在基面中測量。 切削層的大小和形狀直接由切削刃及切削部分所能承受的負(fù)荷大小來決定。1 1、車削切削層參數(shù) 指在給定的瞬間，切削層參數(shù)平面度量的實(shí)際橫截面積。A AD DC CM MB BAMCDAMCD橫截面積ABMABM殘留兩種計(jì)算方法： 指在給定瞬間，作用于主切削刃截形上兩個(gè)極限點(diǎn)間的距離。計(jì)算方法： 指在同一瞬間切削層橫截面積與切削層寬度之比。計(jì)算方法： 由以上分析得知，切削層的厚度與切削層寬度均與刀具主偏角有關(guān)密切的關(guān)系。 而切

18、削層橫截面積則與進(jìn)給量和切削深度有關(guān)。同時(shí)又因刀尖圓弧半徑值的大小及刀具主偏角的大小，也會引起切削層厚度和切削層寬度的變化。2 2、銑削切削層參數(shù) 指在基面內(nèi)度量的相鄰刀齒主切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡間的距離。n n1 1cb前刀齒切削痕跡 當(dāng)?shù)洱X轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí)，刀齒在加工軌跡上至點(diǎn)位置，而前刀齒在同樣角度位置時(shí)其加工軌跡c c點(diǎn)，由此到c c形成一個(gè)進(jìn)給量f fz z。 由此推理得知，在銑削切削過程中，當(dāng)銑刀每轉(zhuǎn)動(dòng)一齒，工件相對于銑刀在進(jìn)給方向上移動(dòng)一個(gè)齒距，而一個(gè)進(jìn)給量則是指整個(gè)銑旋轉(zhuǎn)一周后的移動(dòng)量。因此；在銑削時(shí)的切削厚度應(yīng)與選用的進(jìn)給量與銑刀刀刃齒數(shù)有關(guān)。即： 銑削時(shí)的切削層寬度是指主切削刃與工件切削面的接觸長度。如： 直齒圓柱銑刀螺旋齒圓柱銑刀 同樣是指切削厚度與背吃刀量的乘積關(guān)系量。 由于銑削層厚度是隨進(jìn)給量和刀齒數(shù)及切削方式是在變化過程中完成，因此其切削層橫截面也隨之發(fā)生變化。正切削與倒切削正切削： 在實(shí)踐工作中，是以正切削為主要切削方式。倒切削： 此情況在實(shí)踐中常出現(xiàn)于精加工或?qū)捜械毒咦鬏S向切削方式。切削方式