金屬切削原理與機(jī)床第七章-切削用量與刀具幾何參數(shù)的選擇

第七章切削用量和刀具幾何參數(shù)的選擇教學(xué)目的與要求：

通過本章的學(xué)習(xí)初步掌握刀具幾何參數(shù)的選擇和切削用量的選擇。

教學(xué)內(nèi)容摘要：

本章介紹切削用量的制訂原則、切削三用量的確定和刀具幾何參數(shù)的選擇。

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：

切削用量的確定和刀具幾何參數(shù)的選擇。

所謂合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和機(jī)床性能，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。第一節(jié)切削用量的制訂原則切削用量三要素對(duì)生產(chǎn)率的影響程度是不同的，下面以外圓縱車時(shí)，按切削工時(shí)tm計(jì)算的生產(chǎn)率P為:

切削用量三要素同生產(chǎn)率均保持線性關(guān)系，即提高切削速度、增大進(jìn)給量和背吃刀量，都能“同樣地”提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。（一）最大生產(chǎn)率耐用度

完成一個(gè)工序所需要的工時(shí)tw為:

求一階導(dǎo)數(shù)，得最大生產(chǎn)率耐用度（二)最低成本耐用度每個(gè)工件的工序成本為:刀具經(jīng)濟(jì)使用壽命（1）f保持不變，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐用度，則v必須降低15%，此時(shí)生產(chǎn)率P3ap≈2.6P，即生產(chǎn)率提高至2.6倍。（2）ap保持不變，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，則v必須降32%，此時(shí)生產(chǎn)率P3f≈2P，即生產(chǎn)率提高至2倍。由此可見，增大ap比增大f更有利于提高生產(chǎn)率。（3）切削速度高過一定的臨界值時(shí)，生產(chǎn)率反而會(huì)降低。ap增大至某一數(shù)值時(shí)，因受加工余量的限制而成為常值時(shí)，進(jìn)給量f不變，把切削速度v增至3v時(shí)，P3v≈0.13P,生產(chǎn)率大為降低。切削用量的選擇原則1.背吃刀量的選定

切削加工一般分為粗加工、半精加工和精加工。粗加工（Ra80～20μm）時(shí)，一次走刀應(yīng)盡可能切除全部余量，在中等功率機(jī)床上，背吃刀量可達(dá)8～10mm。半精加工（Ra10～5μm）時(shí)，背吃刀量取為0.5～2mm。精加工（Ra2.5～1.25μm）時(shí)，背吃刀量取為0.1～0.4mm。

①在留下精加工及半精加工的余量后，粗加工應(yīng)盡可能將剩下的余量一次切除，以減少走刀次數(shù)。

②如果工件余量過大，或機(jī)床動(dòng)力不足而不能將粗切余量一次切除，也應(yīng)將第一次走刀的切削深度盡可能取大些。

③當(dāng)沖擊負(fù)荷較大或工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小切削深度。

當(dāng)余量太大，除留給下道工序的余量外，其余盡可能一次切除。當(dāng)余量太大或工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，所有加工余量A應(yīng)分2次或多次切除，但應(yīng)把第一次進(jìn)給的背吃刀量選得大些，最后一次進(jìn)給的ap選得小一些。第一次進(jìn)給的背吃刀量ap1=（2/3—3/4）A

第二次進(jìn)給的背刀量：ap2=（1/3—1/4）A2.進(jìn)給量的選定進(jìn)給量f：通常限制進(jìn)給量的主要因素是切削力及加工表面粗糙度，選擇時(shí)應(yīng)考慮：

①粗切時(shí)，加工表面粗糙度要求不高，進(jìn)給量主要受力桿、刀片、工件及機(jī)床的強(qiáng)度和剛度所能承受的切削力的限制。

②半精切及精切時(shí)，進(jìn)給量主要受表面粗糙度要求的限制，刀具的副偏角愈小，刀尖圓弧半徑愈大，切削速度愈高，則進(jìn)給量可愈大。

生產(chǎn)實(shí)際中多采用查表法確定合理的進(jìn)給量。粗加工時(shí)，根據(jù)工件材料、車刀刀桿的尺寸、工件直徑及已確定的背吃刀量來選擇進(jìn)給量；在半精加工和精加工時(shí)，則按加工表面粗糙度要求，根據(jù)工件材料，刀尖圓弧半徑，切削速度來選擇進(jìn)給量（具體數(shù)值可查閱“機(jī)械加工工藝手冊(cè)”）。3.切削速度的選定在ap、f值選定后，根據(jù)合理的刀具耐用度計(jì)算或用查表來選定車削速度。在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則車削速度計(jì)算公式如下：在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則

（1）粗車時(shí)，ap和f較大，故選擇較低的v；精車時(shí)，ap和f均較小，故選擇較高的v。（2）工件材料強(qiáng)度、硬度高或塑性太大或太小時(shí)，應(yīng)選較低的v；加工奧氏體不銹鋼、鈦合金和高溫合金等難加工材料時(shí)，只能取較低的v；刀具材料的耐熱性好，切削速度可高些。

（3）切削合金鋼比切削中碳鋼切削速度應(yīng)降低20%～30%；切削調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼比切削正火、退火狀態(tài)鋼要降低切削速度20%～30%；切削有色金屬時(shí)比切削中碳鋼的切削速度可提高100%～300%。（4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也選得愈高。如硬質(zhì)合金的切削速度比高速鋼刀具可高好幾倍，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具要高，陶瓷、金剛石和CBN刀具可采用更高的切削速度。

（5）精加工時(shí)，應(yīng)盡量避開積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的區(qū)域。

（6）斷續(xù)切削時(shí)，為減少?zèng)_擊和熱應(yīng)力，宜適當(dāng)降低切削速度。

（7）在易發(fā)生振動(dòng)的情況下，切削速度應(yīng)避開自激振動(dòng)的臨界速度。（8）加工大件、細(xì)長件和薄壁工件或加工帶外皮的工件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。（9）加工帶外皮的工件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。（10）工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，切削速度應(yīng)適當(dāng)減小。（11）要求得到較小的表面粗糙度時(shí)，切削速度應(yīng)避開積屑瘤的生成速度范圍。（12）對(duì)硬質(zhì)合金刀具，可取較高的切削速度；對(duì)高速鋼刀具，宜用低速切削。切削用量的選擇應(yīng)滿足下列要求：

1）保證工件的加工精度和表面粗糙度；

2）充分發(fā)揮刀具的切削性能，保證合理的耐用度；

3）充分發(fā)揮機(jī)床的性能（功率和轉(zhuǎn)矩）

4）高的生產(chǎn)效率和低的加工成本；

5）按切削深度、進(jìn)給量和切削速度的順序選擇切削用量，并盡可能取大值。第二節(jié)刀具幾何參數(shù)的選擇

在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠滿足刀具使用壽命長、生產(chǎn)效率高、加工成本低的刀具幾何參數(shù)，稱為刀具的合理幾何參數(shù)。

刀具幾何參數(shù)的基本內(nèi)容包括：①刃形②切削刃區(qū)的剖面型式③刀面型式④刀具角度。

1.刀具刃形

2.切削刃刃區(qū)的剖面型式及參數(shù)

3.前刀面的形式后刀面型式

(1)雙重后角

為了保證刃口強(qiáng)度，減小刃磨后刀面的工作量，常在車刀后刀面上磨出雙重后角。

(2)消振棱為了增加后刀面與工件加工表面之間的接觸面積，增加阻尼作用消除振動(dòng)，可在后刀面上刃磨出一條有負(fù)后角的棱面，稱為消振棱。

(3)刃帶

對(duì)一些定尺寸刀具，如拉刀、鉸刀等，為便于控制外徑尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速變化，常在后刀面上刃磨出后角為零度的小棱邊，稱為刃帶。刀具上的刃帶起著使刀具穩(wěn)定、導(dǎo)向和消振的作用。曲面形前刀面車刀的刀刃強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平面形前刀面車刀的刃強(qiáng)度。

7-6平面形前刀面計(jì)算示意圖

圖7-7曲面形前刀面計(jì)算示意圖

分別作圖7-6和圖7-7來分析變兩種形式的前γ0=200，離刀刃的水平距離為b=6mm處時(shí)的槽深。由圖7-6可計(jì)算出平面形前刀面的槽深：EF=btanγ0=2.18m；由圖7-7可計(jì)算出平面形前刀面的槽深：EF=1.06mm。選擇刀具合理幾何參數(shù)的一般性原則

1.要考慮工件的實(shí)際情況

2.要考慮刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)

3.要注意各個(gè)幾何參數(shù)之間的聯(lián)系

4.要考慮具體的加工條件

三、前角、后角和主、副偏角的功用及其選擇1.前角的功用

增大前角能減小切削變形和摩擦，降低切削力、切削溫度，減少刀具磨損，改善加工質(zhì)量，抑制積屑瘤等。但前角過大會(huì)削弱刀頭強(qiáng)度和散熱能力，容易造成崩刃。因而前角不能太小，也不能太大，應(yīng)有一個(gè)合理數(shù)值，

2.前角的選擇原則

（1）主要根據(jù)工件材料的性質(zhì)選擇（2）兼顧根據(jù)刀具材料的性質(zhì)和加工性質(zhì)表7-1是硬質(zhì)合金車刀合理前角的參考值。1.前角的功用及合理前角值的選擇

1）前角的主要功用(1)影響切削力

(2)影響切削刃與刀頭的強(qiáng)度、受力性質(zhì)和散熱條件：增大刀具前角，會(huì)使切削刃與刀頭的強(qiáng)度降低，刀頭的導(dǎo)熱面積和容熱體積減??；過份加大前角，有可能導(dǎo)致切削刃處出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，造成崩刃。這些都是增大前角的不利方。

(3)影響切屑形態(tài)和斷屑效果：若減小前角，可以增大切屑的變形，使之易于脆化斷裂。

(4)影響已加工表面質(zhì)量：前角與表面質(zhì)量的關(guān)系。值得注意的是，前角大小同切削過程中的振動(dòng)現(xiàn)象有關(guān)，減小前角或者采用負(fù)前角時(shí)，振幅急劇增大。

合理前角的概念

合理前角的選擇原則

(1)工件材料的強(qiáng)度、硬度低，可以取較大的甚至很大的前角；工件材料強(qiáng)度、硬度高，應(yīng)取較小的前角；加工特別硬的工件(如淬硬鋼)時(shí)，前角很小甚至取負(fù)值。

(2)加工塑性材料時(shí)，尤其是冷加工硬化嚴(yán)重的材料，應(yīng)取較大的前角；加工脆性材料時(shí)，可取較小的前角。加工硬度高、機(jī)械強(qiáng)度大及脆性材料時(shí)，應(yīng)取較小的前角；加工硬度低、機(jī)械強(qiáng)度小及塑性材料時(shí)，應(yīng)取較大的前角

(3)粗加工，特別是斷續(xù)切削，承受沖擊性載荷，或?qū)τ杏财さ蔫T鍛件粗切時(shí)，為保證刀具有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)減小前角；但在采取某些強(qiáng)化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的數(shù)值。加工毛坯不規(guī)則的工件時(shí)，前角應(yīng)取小些，原因是要求刀具要有足夠的刀刃強(qiáng)度來抵擋不規(guī)則的毛坯所產(chǎn)生的沖擊力。精加工應(yīng)取較大的前角。

(4)成形刀具，為防止刃形畸變，常取較小的前角，甚至取γ。＝0，但這些刀具的切削條件不好，應(yīng)在保證切削刃成形精度的前提下，設(shè)法增大前角，例如有增大前角的螺紋車刀和齒輪滾刀等。

(5)刀具材料的抗彎強(qiáng)度較大、韌性較好時(shí)，應(yīng)選用較大的前角，如高速鋼刀具比硬質(zhì)合金刀具，允許選用較大的前角(約可增大5～10o)。

(6)工藝系統(tǒng)剛性差和機(jī)床功率不足時(shí)，應(yīng)選取較大的前角。

(7)數(shù)控機(jī)床和自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)線用刀具，應(yīng)考慮保障刀具尺寸公差范圍的使用壽命及工作的穩(wěn)定性，而選用較小的前角。（8）高速切削時(shí)，前角對(duì)切屑變形及切削力的影響較小，可取較小前角.。（9）加工強(qiáng)度高、硬度高的材料時(shí)前角應(yīng)磨得小些。加工特硬材料，如淬火鋼、前角應(yīng)磨成負(fù)前角，其主要原因是切削這些材料時(shí)，切削力大，切削溫度高，為了使刀具有足夠的強(qiáng)度和散熱條件來抵御這些大的切削力和高的切削溫度，所以前角應(yīng)磨小些。后角的功用及合理后角值的選擇

1）后角的功用

(1)后角的主要功用是減小后刀面與過渡表面之間的摩擦。由于切屑形成過程中的彈性、塑性變形和切削刃鈍圓半徑rn的作用，在過渡表面上有一個(gè)彈性恢復(fù)層。后角越小，彈性恢復(fù)層同后刀面的摩擦接觸長度越大，它是導(dǎo)致切削刃及后刀面磨損的直接原因之一。從這個(gè)意義上來看，增大后角能減小摩擦，可以提高已加工表面質(zhì)量和刀具使用壽命。

(2)后角越大，切削刃鈍圓半徑rn值越小，切削刃越鋒利。

(3)在同樣的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB下，后角大的刀具由新用到磨鈍，所磨去的金屬體積較大，這也是增大后角可以延長刀具使用壽命的原因之一。但它帶來的問題是刀具①減少刀具后面與工件切削表面和已加工表面間的摩擦；②當(dāng)前角確定之后，后角愈大，刃口愈鋒利，但相應(yīng)減小楔角影響刀具強(qiáng)度和散熱面積。后角選擇的一般原則

①加工硬度高、機(jī)械強(qiáng)度大及脆性材料時(shí)，應(yīng)取較小的后角；加工硬度低、機(jī)械強(qiáng)度小及塑性材料時(shí)，應(yīng)取較大的后角

②粗加工切削