金属切削刀具ppt课件.ppt

第四章 金属切削刀具Cutting tools,第一节 概 述,本节内容,一 切削运动与切削要素二 刀具切削部分的几何参数三 金属切削基本理论四 刀具分类五 刀具材料六 刀具发展,金属切削加工利用刀具切除被加工零件多余的材料，形成已加工表面金属切削加工的目的 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求两个基本条件 切削运动 刀具是机械制造工业中最基本的加工方法，在国民经济中占有重要地位。,机械制造行业所经历的技术变迁,工业革命前：生产加工是低效的手工劳作方式1785 瓦特 蒸汽机在纺织工厂使用，机器代替手工劳动的序幕，机械化生产的基础，机器生产机器1797 发明第一台滑动刀架车床1873 第一台凸轮控制的自动车床,1910-1920 福特汽车公司，泰勒按节拍生产的理论，首先建立了流水线生产方式，创造了平均每分钟生产一辆T型车的记录。1952 美国首先研制成功数控（Numerical Control NC）机床及自动编程，CAM的开端1953 同一台机床上通过自动换刀实现铣、钻、镗、锪，铰、磨及攻丝等多种工艺的数控加工中心（Machining Center）MIT美国麻省理工学院,1962 美国第一台工业机器人，（Industrial Robot）1967 英、美FMS(Flexible Manufacturing system)柔性制造系统，解决十批量，离散形生产自动化。60年代末CAPP（Computer-Aided Process Plann-ing）计算机进行加工工艺路线和工序内容的设计及机床切削用量、时间定额等的选择与制定1954 美国通用电器公司（GE）首次用计算机计算职工工资,1961：物料需求计划：MRPI Material Requirements Planning 1979：制造资源计划：MRPII Manufacturing Resources planning 管理信息系统 MIS Management Information System目前 PDM 生产数据管理系统,零件在车间中停留时间示意图,机床上（5%）,运送和等待时间95%,切削 30%,装卸、测量、等待 70%,由此看出机械制造业的发展趋势,CIMS,Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统：以制造技术，计算机技术，柔性制造技术，自动化技术和现代管理科学为基础，将制造业，工厂经营活动所需的各种自动化系统，通过新的生产管理模式，工艺理论和计算机网络有机地集成，使任何复杂的产品从设计到加工以及管理的工作量减少到最低限量。,我国金属切削方面的发展：,公元前2000多年 青铜器时代 青铜刀，锯锉，磨石 春秋中晚期 考工记金工知识唐代 原始的车床1668 畜力铣磨机 脚踏刃磨机1915 第一台国产车床1947 20000多台 碳素工具钢刀具 V=10m/min,直径2丈（6.7米），加工天文仪器上的铜环 ，,或磨石,切削方式的发展离不开刀具材料，刀具结构的发展,刀具材料：高速钢硬质合金陶瓷超硬材料刀具结构：整体式，焊接式，机类式，可转位式,特殊的金属切削加工方式：,超声波加工振动切削,特种加工：电火花加工（电脉冲） 电解光加工 激光加工,本章内容与要求,金属切削原理与刀具是研究金属切削过程基本规律与刀具设计、使用的一门科学，是机械制造专业的重要课程。其中切削原理又是本课及其它专业课的基础。,刀具材料的性能选用；刀具切削部分几何参数；切削过程现象与变化规律；被切削材料的加工性；提高加工表面质量与经济效益的方法钻削、铣削、磨削过程特点等。,（一）金属切削原理研究的主要内容,1、几何问题刀具几何角度、参数及其相互关系。,2、规律问题切削变形、切削力、切削温度、刀削温度、刀具磨损等规律。,这些内容又可以归纳为两个方面的问题：,认识金属切削过程的一般现象及基本规律，能按具体加工条件选择合理的刀具材料、切削部分几何参数及切削用量，计算切削力和功率，并能运用所学知识分析及解决生产中的一些问题。,达到的要求：,金属切削刀具是切削加工中重要工具，影响生产率、加工质量与成本。刀具变化灵活、改革简便、收效显著。正确设计刀具，合理使用刀具，改进刀具,（二）金属切削刀具,学习要求：,了解一些常用的标准通用刀具、标准专用刀具的类型，结构特点，工作原理，应用范围和如何正确的使用。初步掌握一些常用刀专用刀具的设计计算方法常用加工手段（方法）的特点,刀具种类繁多，例如有单刃刀具，多刃刀具，成形刀具；有整体高速刀具，镶片硬质合金刀具、机夹、可转位式刀具等。在各种类型的刀具中，又可分为如下两类，对它们的教学方法也有所不同。,1）标准刀具,指专业工厂按国际或部标生产的刀具。如可转位车刀、麻花钻、铰、铣刀、丝锥、板牙、插齿刀、齿轮滚刀等。重点掌握结构，工作原理，选择与使用方法。了解机夹、可转位车、铣刀结构分析，刀片槽型的选择，以及麻花钻的修磨与群钻，为使用面广的通用刀具打下初步基础。,2）非标准刀具,指需专门设计制造的刀具如成形车刀与铣刀、拉刀、蜗轮滚刀等。主要了解其设计原理与计算方法,金属切削原理与刀具是与生产实践紧密联系的，涉及知识面较广掌握基本理论 熟悉有关手册、样本，特别要重视生产实际，参加生产劳动与工作实践理论联系实际，逐步提高解决实际问题的工作能力,一 切削运动与切削要素,（一）切削运动,1.主运动,刀具与工件之间主要的相对运动使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料使被切削层转变为切屑，从而形成工件的新表面。切削运动中，主运动速度最高，消耗功率最大主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度,2进给运动,刀具与工件之间附加的相对运动配合主运动依次地或连续不断地切除切屑可由刀具完成车削、工件完成铣削可以是间歇的刨削、连续的车削进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度,刨削：主运动刨刀的直线运动 进给运动工件移动钻削：主运动钻头旋转 进给运动钻头轴向移动插齿：主运动插齿刀上下运动 进给运动工件分度运动等车外圆：主运动工件高速旋转 进给运动车刀轴向运动,磨外圆：主运动砂轮旋转 进给运动工件转动，砂轮轴向移动铣平面：主运动铣刀旋转 进给运动工件移动镗孔：主运动刀具旋转（绕工件轴线） 进给运动刀具径向移动,3合成切削运动 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。,（二）、切削加工过程中的工件表面,车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法以它为例，车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。,(1)待加工表面工件上有待切除的表面(2)已加工表面经刀具切削后产生的新表面 (3)过渡表面(或称切削表面) 切削刃正在切削的表面它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面,（三）、切削要素,切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。,切削层,1.切削用量要素切削速度进给量背吃刀量,(1).切削速度 VC,m/min指主运动的线速度，以车削为例：n工件或刀具的转速，n为rmind工件或刀具观察点的旋转直径，d为mm 一般取dw,（m/min),(2).进给量 f,指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mmr当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm双行程或mm单行程对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mmz或mm齿，它与进给量f的关系为 f=zfz,进给量是进给运动的单位量。车削时进给量f是取工件每旋转一周的时间内，工件与刀具相对位移量,（mm/min),vf进给运动速度多齿刀具有每齿进给量,(3).背吃刀量ap,工件待加工表面与加工表面之间的垂直距离在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测 量的吃刀量一般称为切削深度，单位为mm；dw待加工表面直径 dm已加工表面直径,(4).切削时间tm,切削时间是反映切削效率高低的一种指标车外圆时切削时间tm可由下式计算 L刀具行程长度 A半长方向加工余量,提高切削用理ap、f、Vf中任何一个要素，都可缩短切削时间，提高生产效率。,(5).金属切除率QZ,在金属切削过程中，切削用量三要素选配的大小，将影响切削效率的高低，通常用三要素的乘积作为衡量指标，称为材料切除率每分钟切下工件材料的体积是衡量切削效率高低的另一种指标,（mm3/min）,2切削层参数,切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属切削层参数基面中测量的切削层长度、宽度和面积。它们与切削用量f、ap 有关,(1)切削层公称厚度hD垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。 (2)切削层公称宽度bD平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。 (3)切削层公称横截面积A D在切削层参数平面内度量的横截面积。,二、刀具切削部分的几何参数,(一)刀具的组成 部分,刀面刀头-切削部分 刀刃刀尖刀杆-用于装夹,1.刀 面,前刀面Ar 切屑流出时经过的刀面后刀面Aa 与加工表面相对的刀面副后刀面Aa 与已加工表面相对的刀面,2。切削刃,主切削刃S Ar与Aa的交线副切削刃S Ar与Aa的交线,3 刀尖,主、副切削刃汇交的一小段切削刃称刀尖,实际使用的刀具切削部分放大形状,（二）、刀具角度,标注坐标系-静态参考系-刀具角度它是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。工作坐标系-动态参考系-工作角度它是确定刀具切削运动中角度的基准。,1。主剖面标注系坐标平面,刀具标注系坐标平面是以刀具结构为基础，以刀具的安装定位面及假定的切削运动方向建立起来的坐标平面。,1.基面Pr 刃磨测量的定位基准 通过切削刃某选定点，平行于车刀底面的平面。或为通过切削刃某选定点，包含刀具轴线的平面。2.切削平面PS 通过切削刃某选定点，与切削刃相切，且垂直于基面的平面。3.主剖面PO 主剖面是通过切削刃某选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。,四个基本角度,主偏角 ：基面中测量的主切削刃与进给运动方向间夹角。刃倾角 ：切削平面中测量的切削刃与基面间夹角。前角 ：主剖面中测量的前刀面与切削平面间的夹角。后角 ：主剖面中测量的后刀面与切削平面间的夹角。,（二）刀具角度定义,三个刀面、两条刀刃、六个独立角度,副偏角 、副刃后角,派生角度：由以上角度推算副刃倾角 ，副刃前角楔角刀尖角,（三）前角、后角、刃倾角正负的规定,三 金属切削基本理论,金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等,本节主要研究各种现象的成因、作用和变化规律。掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量、减少能量消耗、提高生产率和生产技术发展等方面起着重要作用,基本规律：切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损,（一）切削变形,金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：塑性金属受压缩时，随着外力增加，金属先后产生弹性变形、塑性变性，并使金属晶格产生滑移，而后断裂。（实质）以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后产生了塑性变性。,第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区；第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。,（二）、切屑的形成过程中变形特点,1。切屑的形成过程 切削层受刀具的作用，经过第变形区的塑性变形后形成了切屑。,切削层在法向力Fn和摩擦力Ff组成的合力Fr作用下，使近切削刃处的金属产生弹性变形、塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。（剪应力达到屈服强度）,AC是始滑移面AE是终滑移面AC、AE之间为第变形区。AB面称为剪切面或滑移面。剪切面AB作用力Fr之间的夹角约为400500。剪切角 ：AB与V之间的夹角。作用角 ：Fr与V之间的夹角。第变形区就是形成切屑的变形区。,相距约为0.020.2mm,2。切屑的类型,根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同，通常将切屑分为以下四类： （1）、带状切屑 外形连续不断呈带状。切削塑性金属材料，例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时常出现这类切屑。 （2）、节状切屑 外形也呈带状，但在切屑上与前刀接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。切削黄铜或低速、较大走刀切钢易得到这类切屑。,切 削 形 状,（3）、粒状切屑 切下切屑断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很低速度、大走刀切削钢可得到这类切屑。 （4）、崩碎切屑 在切削脆性金属时，例如铸铁、黄铜等材料，得到的是呈不规则的细粒状切屑。,（三）、已加工表面类形和加工硬化,1。已加工表面变形 由于刃口圆弧的挤压和摩擦作用，使刃口前方切削层内出现了复杂的塑性变形区域，并在近刃口的已加工表面金属层内形成了第变形区。A点 为分流点AC段切削的金属层ac被挤压后留在加工表面上CE段后刀面上小棱面的摩擦作用EF段弹性复原层h引起的接触面上的挤压与摩擦,2。加工硬化 加工硬化亦称冷硬，它是在已加工表面严重变形层内，金属晶格伸长、挤紧、扭曲甚至碎裂而使表面层组织硬度增高的现象。 后果： 在硬化层的表面上会出现细微的裂纹、并在表层内产生残余应力。因此，硬化降低了加工表面质量和材料的疲劳强度，增加下道工序加工困难，加速刀具磨损。在切削时应设法避免或减轻硬化现象。,减轻硬化程度的措施,提高刀具刃磨质量，减小刃圆孤半径；增大前，减小切削变形；增大后角，减少摩擦；提高切削速度，使表层来不及硬化；不采用很小的进给量f，以减小挤压作用。,（四）影响切削变形的方法,研究切削变形的方法影响切削变形的因素 切削变形大小对于积屑瘤、加工硬化、切削力、切削温度和加工表面质量起着重要影响。改变加工条件，促使剪切角增大、摩擦系数减小，就能使切削变形减小,前角：增大前角o，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切削变形减小,工件材料：材料的强度、硬度提高，正压力Fn增大，平均正压力增大，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切削变形减小。塑性较高的材料，则变形较大。,进给量,切削速度：中低速时，积屑瘤影响较大，积屑瘤高度越高，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数减小。高速时，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小。增大,进给量f增大，切削厚度ac增加，平均正应力afav增大，正压力Fn增大，因此摩擦系数下降、剪切角。致使变形系数减小。 切削厚度ac增加，切屑中平均变形减小；反之，薄切屑的变形量大,（五）切削力,切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。本节主要研究切削力的计算及变化规律,1、切削力的来源、合力及其分力,切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成。（1）三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；（2）切屑、工件与刀具间的摩擦力。,为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力Fr在主运动速度方向、切深方向和进给方向作的直角坐标轴z、y、x上分解成三个分力，它们是：,（1）主切削力Fz 主运动切削速度方向的分力；也称切向力。它消耗了切削总功率的95左右，它是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零、部件的强度和刚性以及确定机床电动机功率。,（2）切深抗力Fy 切深方向的分力；也称径向力、吃刀力。不消耗功率，但在机床一工件夹角刀具工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。,（3）进给抗力Fx 进给方向的分力。也称轴向力、走刀力。消耗了总功率5左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。,2、切削力测定和车削力实验公式,（1）测力仪的工作原理（2）车削力实验公式和切削功率的计算（3）单位切削力和单位切削功率（4）修正系数概念,3、影响切削力的因素,影响切削力变化主要有三个方面因素：工件材料、切削层面积和刀具几何参数（1）工件材料的影响工件材料是通过材料的剪切屈服强度、塑性变性、切屑间的摩擦等影响的。工件材料的硬度或强度越高，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大。,工件材料的塑性或韧性越高，切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大。注意点：材料硬化能力越高，则力越大。奥氏体不锈钢，强度低、硬度低，但强化系数大，较小的变形就会引起材料硬度提高，所以切削力大。铜、铅等塑性大，但变形时，加工硬化小，则切削力小。,（2）切削用量的影响,切削深度和进给量 切削深度ap和进给量f增大，分别使切削宽度a、切削厚度ao增大、切削层面积Ac增大，故变形抗力和摩擦力增加，而引起切削力增大。 当ap不变、f增大一倍时，Ac增大一倍，虽则ac也成倍增大，但由于切削变形减小，故使主切削力FZ增大不到一倍， 为了提高生产效率，采用大进给切削比大切深切削较省力又节省功率。,切削速度加工塑性金属时，主要因素为积屑瘤与摩擦。低、中速（520m/min）：提高，切削变形减小，故Fz逐渐减小；积屑瘤渐成。中速时（20m/min左右）：变形值最小，Fz减至最小值，积屑瘤最高，大前角作用。超过中速，提高，切削变形增大，故Fz逐渐增大。积屑瘤消失。高速（60m/min），切削变形随着切削速度增加而减小，Fz逐渐减小而后达到稳定。切削脆性金属，因为变形和摩擦均较小，故切削速度改变时切削力变化不大。,注意点：V提高，生产率提高，F下降，但功率上升。V提高50%， F下降4%，功率上升40%。,（3）刀具几何角度的影响,前角： 前角o增大，切削变形减小，切削力减小主偏角： 当主偏角r增大时，切削厚度ac增加，切削变形减小，故主切削力Fz减小；r增大后，圆弧刀尖在切削刃上占的切削工作比例增大，使切屑变形和排屑时切屑相互挤压加剧。,刃倾角s 刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长增加，摩擦加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，切削变削小，所以Fz变化很小。,（4）其它因素的影响,1、刀具的棱面 刀具棱面宽度b1上升，切削时挤压和摩擦增大，切削力增大；前角O1负值增大，变形加大，切削力增大。,刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径越大，圆弧刀刃参加工作比例越多，切削变形和摩擦越大，切削力越大。 由于圆弧刀刃上主偏角是变化的，使参加工作刀刃上主偏角的平均值减小，因此使FY增大，并较易引起振动。,刀具磨损刀具磨损，使刀刃变钝、后刀面与加工表面间挤压和摩擦加剧，切削力增大，振动加大。,（六） 切削热与切削温度,切削时作的功，可转化为等量的热。切削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件热变形、加速刀具磨损。,1、切削热的来源与传导,来源： Qp-剪切区变形功形成的热Qf -切屑与前刀面摩擦功形成的热Qaf -已加工表面与后刀面摩擦功形成的热。,传导途径： Qch-传入切屑中 Qe -传入刀具中 Qw -传入工件中 Qfe-传入周围介质中切削热的形成及传散关系为： QpQfQafQchQwQaQf,切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形和前刀面摩擦形成；切削脆性金属则后刀面摩擦热占的比例较多。,切削热传至各部分比例： 一般情况是切屑带走热量最多；由于第、变形区的塑性变形、摩擦产生热及其传导的影响，致使工件中次之,刀具中热量最少。例如切钢不加切削液时，它们之间传热比例为： Qch 5086； Qw 4010 QC 93； Qf 1,2、切削温度及测定,切削区域的温度高低，决定于该处切削热量多少和传、散热快慢。切削区域内温度最高一点是在前刀面上近刀刃处。测定方法自然热电偶法人工热电偶法,3、影响切削温度的因素,切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。（1）切削用量 实验公式：,与实验条件有关的影响系数,切削条件改变后的修正系数,车削中碳钢时，公式中系数、指数为： c y z高速钢刀具 140170 0.081 0.20.3 0.350.45硬质合金刀具 320 0.05 0.15 0.260.41,切削速度对切削温度影响最大、进给量f次之、切削深度ap影响最小。 ap、f和增大时，变形和摩擦加剧，切削功增大，故切削温度升高。,V提高，F下降，产生热量少；但摩擦严重，热量增多；切屑与前面接触长度减短，散热差，所以温度上升。进给量f增大，变形减小，产生热量下降；但切屑与前面接触长度有所提高，故散热较好。但切削深度ap增大后，切屑与刀具接触面积以相同比例增大，散热条件显著改善；,（2）刀具几何参数,前角 前角o增大，切削变形和摩擦减小，因此产生热量少，切削温度下降；但前角o继续增至150左右，由于楔角o减小后使刀具散热变差，切削温度略有上升。,主偏角 主偏角r减小，切削宽度a增大、切削厚度ac减小，切削变形和摩擦增大，切削温度升高；但当切削宽度a增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角r减小切削温度下降。 用小的主偏角切削，能降低削温度、提高刀具耐用度，尤其是在切削难加工材料时效果更明显。 前角增大，使切削温度降低，但刀具强度和散热效果差；主偏角r减小后，既能使切削温度降低幅度较大,又能提高刀具强度。,(3)工件材料影响,工件材料是通过强度、硬度和导热系数等性能的不同对切削温度产生影响的。,(4）刀具磨损,刀具磨损后，会使摩擦加剧，变形严重，切削温度上升。切削液是降低切削温度的一个有效措施。,四 刀具分类,(1)切刀 包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等 (2)孔加工刀具 包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具(如钻-铰复合刀具)等。 (3)拉刀 包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀)等。,(4)铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片钝刀等；加工特形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成形铣刀等。(5)螺纹刀具 包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切头，搓丝板等。,(6)齿轮刀具 包括齿轮滚刀，蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。 (7)磨具 包括砂轮、砂带、砂瓦、油石和抛光轮等。 (8)其它刀具 包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。,单刃(单齿)刀具和多刃(多齿)刀具；标准刀具(如麻花钻、铣刀、丝锥等)和非标准刀具(如拉刀、成形刀具等)；定尺寸刀具(如扩孔钻、铰刀等)和非定尺寸刀具(如外圆车刀、直刨刀等)；整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具等,形状、结构和功能各不相同的各种刀具都有功能相同的组成部分工作部分和夹持部分工作部分承担切削加工，夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置,34 刀具磨损与刀具耐用度,切削过程中刀具在切除工件上的金属层，同时工件与切屑也对刀具起作用，使刀具磨损。刀具严重磨损，会缩短刀具使用时间、恶化加工表面质量、增加刀具材料损耗、增大切削力、增大切削温度、产生振动。 因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。,一、刀具磨损形式,（一）正常磨损形式 正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐产生的磨损。1、后刀面磨损 C区：在近刀尖处是磨损较大的区域，这是由于温度高、散热差而造成的。其磨损量用高度VC表示。,N区：近待加工表面，约占全长14的区域。在它的边界处磨出较长沟痕，这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等原因造成的。它亦称边界磨损，磨损量用VN表示。 B区：在C、N区间较均匀的磨损区。磨损量用VB表示。其中局部出现的划痕、深沟的高度用Vbmax 表示。,2、前刀面磨损 切屑在前刀面上流出时，由于摩擦、高温和高压作用，使前刀面上近切削刃处磨出月牙洼。前刀面的磨损量用月牙洼深度KT表示。月牙洼的宽度为KB。 原因是切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触、摩擦，化学活性很高，反应很强烈。宽度变化不明显，深度不断增大，深度最大处即为切削温度最高的地方。一定程度后，易发生破损。 （高速、大进给量，切削塑性金属时常见）,3、前、后刀面同时磨损 经切削后刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损。这是在切削塑性金属时，采用大于中等切削速度和中等进给量时较常出现的磨损形式。 多数情况，两者皆有。*边界磨损：切削钢料时发生原因：应力突然下降，形成很高的压力梯度，引起很大的剪应力。 温度梯度引起边界应力。,副后刀面上的边界磨损是由于上道工序加工硬化或铸、锻件外皮粗糙引起的。,（二）非正常磨损 刀具在切削过程中突然发生损坏或过早损坏现象。1、破损：切削刃或刀面产生裂纹、崩刃或碎 裂。2、卷刃：切削时在高温作用下，使切削刃或 刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。,二、磨损过程和磨损限度,磨损三个阶段：（段）初期磨损阶段 在开始切削的短时间内，磨损较快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。（段）正常磨损阶段 随着切削时间增长，磨损量以较均匀的速度加大。这是由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强减小所致。（段）急剧磨损阶段 磨损量达到一定数值后，磨损急损加速、继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度，硬度降低所致。,刀具在产生急剧磨擦前必须重磨或更新刀刃。这时刀具的磨损称为磨损限度或磨钝标准。磨钝标准-后刀面上均匀上磨损区的宽度VB值 在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为：（1）在后刀面B区内均匀磨损VB0.3mm；（2）在后刀面B区内非均匀磨损VBmax0.6mm；（3）月牙洼深度标准： KT0.06+0.3f,(f为mm/r)；（4）精加工时根据需达到的表面粗糙度等级确定。,粗加工磨钝标准应根据加工要求制订： 粗加工磨钝标准是根据能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积长为原则定的，从而能充分发挥刀具的切削性能，该标准亦称为经济磨损限度。 精加工磨钝标准是在保证零件加工精度和表面粗糙度条件下制订的，因此VB值较小。该标准亦称为经济磨损限度。,生产中，以加工面亮度，切屑颜色形状、声音、振动等为根据，判断是否重磨,三、刀具磨损原因,（一）磨粒磨损（硬质点磨损） 切屑底层和切削表面材料中含有氧化物（SiO、Al2O3等）、碳化物（Fe3C、TiC等）和氮化物（Si2N4、AlN等）的硬元素、粘附着积屑瘤的碎片、锻造表皮和铸件表面上残留的夹砂等对刀具的机械磨损。刀具上被它们刻划出深浅不一的沟痕。,高速钢：磨粒磨损的作用较明显。硬质合金：这种磨损较少。Co含量越低，越不 易磨损。 在低速时，其他磨损不明显，因而磨粒磨损显得比较突出。,（二）粘结磨损 切屑与前刀面、加工表面与后刀面之间在正压力和温度作用下，接触面间吸附膜被挤破，形成了新鲜表面接触，当接触面间达到原子间距离时就产生粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动时在粘结处产生剪切破坏造成的。通常剪切破坏在较软金属一方，但刀面受到摩擦、压力和温度连续作用下使强度降低，也会破坏。此外，当前刀面上粘结的积屑瘤脱落后，带走了刀具材料也形成粘结磨损。 粘结磨损的程度与压力、温度和材料间亲合程度有关。,低速：切削温度低，故粘结是在正压力作用下 接触点处产生塑性变形所致，亦称为冷焊。中速：切削温度较高，促使材料软化和分子间 的热运动，更易造成粘。 用YT类硬质合金工加工钛合金或钛不锈钢，在高温作用下钛元素之间的亲合作用，也会产生粘结磨损。 所以，低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。,（三）扩散磨损 扩散磨损：在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。是一种化学磨损。 高速钢，一定温度时，前刀面由于扩散而形成一层白色层，厚度0.83.5m。Cr、C扩散到工件材料中。白色层较软，易被磨掉。V越高，磨损越快。 但扩散未占主导时，就会因塑性变形而使刀具损坏。,硬质合金，切钢时的扩散温度在80010000C。扩散磨损是硬质合金的主要磨损形式。 硬质合金中W、CO和C原子向钢中扩散，然后被切屑和加工表面带走。硬质合金中失去W后，在结晶组织中出现空穴。此外，失去了CO 后削弱了粘结强度。同时，材料中Fe原子向刀具中扩散，使刀面表层形成了新材质。经相互扩散的结果，降低了刀具表面的强度和硬度。 通常钨钴类硬质合金扩散温度为8509000C、钨钴钛类扩散温度为90010000C、因此，后者在高温时耐磨性较高。,在生产中若采用细颗粒硬质合金或添加稀有金属硬质合金，采用TiC、TiN涂层刀片，对于提高刀具耐磨性和化学稳定性、减少扩散磨损均可起良好作用。,金刚石，结晶溶解，C扩散 9000C 10S 开始扩散 10000C 1S 明显扩散 13000C 0.1S C全部溶化到Fe中,（四）相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化，如马氏体组织转变为奥氏体，使硬质下降、磨损加剧。 因此，工具钢刀具在高温时均属此类磨损，它们的相变温度为： 合金工具钢 3003500C 高速钢 5506000C相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。,（五）氧化磨损 氧化磨损是一种化学性质的磨损。在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（ O2、切削液中的s、cl）起化学反应，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑带走。（六）热电磨损在切削区高温作用下，刀具与工件之间形成热电偶，产生电势，刀具工件之间有电流通过，加速扩散。 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面造成的。,（七）刀具非正常磨损原因 使用硬质合金刀具或硬度高、抗弯强度较低的刀具在铣削、刨削、重型切削、对难加工材料切削和在带冲击载荷工作中，破损已成为较常见的磨损形式。 破损原因主要有1、机械冲击力 2、热内应力 3、积屑瘤脱落4、刀具材料硬度低、韧性差5、刀具几何参数和切削用量选择不合理6、焊接或刃磨时产生内应力或裂纹7、操作、保管不当等。,四、刀具耐用度（一）刀具耐用度概念 刀具耐用度是指刀具从开始切削至达到磨损限度为止所用的切削时间，用T分表示。 刀具耐用度还可以用达到磨损限度所经过的切削路程lm或加工出的零件数N表示。 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。利用刀具耐用度来控制磨损量VB值，比用测量VB的高度来判别是否达到磨损限度要简便。,（二）刀具耐用度公式 V=C/TmC：与实验有关的系数。（T=60min时的V值）m：V对T的影响指数。 当车削中碳钢和灰铸铁时，m值大致如下： 高速钢车刀；m=0.11； 硬质合金焊接车刀：m=0.2； 硬质合金可转位车刀：m=0.250.3； 陶瓷车刀：m=0.2。,由公式可知：速度高，则温度高，耐用度下降。例硬质合金可转位车刀： V=80m/min T=60min V=160m/min T=3.75min,(四）刀具耐用度合理数值的确定原则 耐用度T值大，则切削速度要低，但生产效率降低、成本高；反之，规定T值小，虽然允许高的切削速度，提高生产效率，但加速刀具磨损，增加了装卸刀具的辅助时间。,刀具耐用度合理数值应根据生产率和加工成本制订1最高生产率耐用度TP 加工一个零件的生产时间tpr由下列几部分组成： tprtmtltc*tm /Ttm：切削时间 tl ：辅助时间tc ：一次换刀所需时间,以纵车外圆为例：,m大，则Tp值小，切削速度可以提高，生产率高。陶瓷刀具。 Tc小，则Tp值小，切削速度可以提高，生产率高。可转位刀具。,2最低生产成本耐用度Tc 每个零件平均加工成本Cpr为：,M：每分钟费用 Ct：换刀一次所需费用,Ct上升，Tc上升，则磨刀次数应该减少，所以耐用度应该高。 M上升，则Tc下降，应制定小的Tc使速度提高，生产率提高。,则,通常用Tc,（四）影响刀具耐用度的因素 分析刀具耐用度影响因素的目的是，调节各因素的相互关系，以保持刀具耐用度的合理数值。各因素变化对刀具耐用度的影响，主要是通过它们对切削温度的影响而直起作用的。1、切削用量,（min）,切削用量对刀具耐用度的影响与对切削温度的影响一致。 刀具耐用度所允许的切削速度：,m/min,当确定刀具耐用度合理数值后，应首先考虑增大ap、其次增大f，然后根据、ap、和f的值计算出r，这样既能保持刀具耐用度、发挥刀具切削性能，又能提高切削效率。,2刀具几何参数影响 前角o增大，切削温度降低，耐用度提高；前角o太大，刀刃强度低、散热差、且易于破损，故耐用度T反而下降了。因此，前角o对刀具耐用度T影响呈“驼峰形”，它的峰顶前角o值能使耐用度T最高，或刀具耐用度允许的切削速度T最高。 主偏角r减小，增加刀具强度和改善散热条件，故耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度r可增高。,副偏角减小和刀尖圆弧半径增大，都能提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度增高。3.加工材料影响 加工材料的强度、硬度越高，产生的切削温度越高，故刀具磨损越快、刀具耐用度T越低。 加工材料的延伸越大或导热系数越小，均能使切削温度升高、刀具耐用T降低。,4.刀具材料影响耐磨性越好，高温硬度高，耐用度高。对于难加工材料、重型切削，大冲击等情况下，刀具磨损以破损为主，韧性越高，抗弯强度越高，耐用度越高。,五 刀具材料及合理选用,刀具材料是指刀具切削部分的材料。合理选择刀具材料影响到：（1）切削加工生产率（2）刀具耐用度（3）刀具消耗和加工成本（4）加工精度和表面质量,刀具材料应具备的性质,刀具切削部分承受较大的（1）切削压力（2）切削温度（3）剧烈摩擦（4）冲击振动，因此刀具材料应具备以下性能：1、高硬度：刀具材料硬度要高于被加工材料的硬度，切削刃的硬度一般在HRC60以上。2、高耐磨性：抗磨损能力，硬度，耐磨性，金相组织中硬质点（氮化物，碳化物）的硬度高，耐磨性好，硬质点数量多，颗粒越小，分布均匀，则耐磨性越好。,3、足够的强度与韧性：抗冲击，承受各种应力而不崩刃、折断。与硬度、耐磨性相矛盾。4、高的耐热性与化学稳定性： 耐热性：高温下保持材料硬度、耐磨性、强 度、韧性（红硬性），红硬性越好 切削速度越高。化学稳定性：（热稳定性）：高温下抗氧化， 不与工件材料和介质发生化学反应， （抗氧化、粘结、扩散）刀具磨损慢， 表面质量好。,5、良好的工艺性：便于刀具制造，（1） 锻造性能（2）热处理性能（3）高温塑 性变形（4）容削加工性能（5）焊接性能6、经济性：（1）刀具材料发展结合本国资 源，资源丰富，则成本极低（2）有的刀 具材料（超硬刀具材料）虽然单件成本贵， 但寿命长，分摊到每个零件的成本不一定 高，要注重经济效益。7、切削加工性能的可预测性： 为适应切削加工自动化和柔性制造系统的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等具有良好的可预测性。,选择刀具材料时，各性能之间相互矛盾，如硬度高，则强度低；耐磨，则加工工艺困难，要抓住主要矛盾。刀具材料类型： 工具钢（高速钢） 硬质合金 陶瓷 超硬材料,最常用,1刀具材料简介,刀具材料对刀具的寿命、加工质量、切削效率和制造成本均有较大的影响刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动,刀具切削部分材料性能的基本要求,高的硬度；高的耐磨性；高的耐热性(热稳定性)足够的强度和韧性；良好的工艺性。,刀具材料有碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷金刚石立方氮化硼,碳素工具钢(如T10A、T12A)及合金工具钢(如9SiCr、CrWMn)，因耐热性较差通常仅用于手工工具和切削速度较低的刀具陶瓷、金刚石和立方氮化硼等目前仅用于较为有限的场合,高速钢和硬质合金 最广泛使用,2-2 高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。别名： （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可 得到高硬度。 （锋钢）刃容锋利。 （白钢）磨光后，表面光亮。,1、较高的热稳定性：切削温度高达500- 650，与碳素工具钢，合金工具钢相比， 切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍， 可加工有色金属至高温合金（范围广）。2、高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2- 3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几 十倍。 3、一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好， 适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚 性较差的机床上加工。,特点：,4、刀具制造工艺简单：能锻造，制作形状复 杂刀具，大型成型刀具（这一点极为重要）