第1章金属切削原理与刀具.ppt.ppt
第1章 金属切削原理与刀具,1.1 金属切削原理,1.1.1 切削运动,金属切削加工是利用工件和刀具之间的硬度差以及相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。,切削加工时,为了获得各种形状的零件,刀具与工件必须具有一定的相对运动,即切削运动，切削运动按其所起的作用可分为主运动和进给运动。,1主运动,主运动的特点是速度最高，消耗功率最大。,由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。,例：,车床车削时，主运动是工件的回转运动,牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动,2进给运动,车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。,由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。,小结：主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个。,3.主运动和进给运动的合成,当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示。,合成速度,4.其他运动,不直接参加切除多余材料，但却是完成零件表面加工全过程必不可少的运动。例如，分度，控制切削刃切入工件表面深度的吃刀运动，重复走刀前的退刀运动，刨刀、插齿刀等回程时的让刀运动等。,1.1.2 切削加工过程,切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，三个表面始终处于不断的变动之中：待加工表面 即将被切去金属层的表面；切削表面 切削刃正在切削而形成的表面,切削表面又称加工表面或过渡表面；已加工表面 已经切去多余金属层而形成的新表面。,1.1.3 切削用量三要素,切削用量包括：切削速度进给量背吃刀量三个要素,切削用量是用来描述切削加工中主运动和进给运动的参数。,1切削速度vc,它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。,在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度,主运动为旋转运动时,切削速度vc计算公式为:,式中d工件直径（mm）n工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min或r/s),主运动为往复运动时,平均切削速度为：,式中L一往复运动行程长度(mm)nr一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min),2进给量f,车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。,进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。,单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf 计算公式为:,铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是(mm/z)，vf、f、az三者之间的关系为：,z为多齿刀具的齿数,3.背吃刀量（切削深度）ap,对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,单位为mm。,背吃刀量ap是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给运动方向上的投影值。,小结：切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为Vc、f、ap。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时：首先应采用尽可能大的背吃刀量ap；然后再选用大的进给量f；最后求出切削速度Vc。,1.1.4 切削用量制定的步骤,粗加工的切削用量，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工的切削用量，应以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率、经济性和加工成本。,1背吃刀量ap的选择,根据加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最小；当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除。,2.进给量f的选择 可利用计算的方法或查手册资料来确定进给量f的值。,3.切削速度vc的确定 按刀具的耐用度T所允许的切削速度VT来计算。除了用计算方法外，生产中经常按实践经验和有关手册资料选取切削速度。,4校验机床功率,Vc PE*/（1000Fz）m/s,1.1.5 提高切削用量的途径,采用切削性能更好的新型刀具材料；在保证工件机械性能的前提下，改善工件材料加工性；改善冷却润滑条件；改进刀具结构，提高刀具制造质量。,1.2 金属切削刀具,切削刀具的种类很多，结构也多种多样,虽然它们形状不同，但它们切削部分的结构要素及其几何形状都具有许多共同的特征，因此正确认识与理解单刃刀具是认识与理解多刃刀具的基础。车刀是形状最典型的单刃刀具，其它各种复杂刀具都可以看作是车刀的组合和演变，有关车刀角度的定义，均适用于其它刀具。,1.2.1 刀具切削部分的结构要素,1车刀切削部分的组成 车刀切削部分由下列要素组成：三面、两刃、一尖，如图所示。,前刀面：切削时，切屑流出所经过的表面。主后刀面：切削时，与工件加工表面相对的表面。副后刀面：切削时，与工件已加工表面相对的表面。主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。它可以是直线或曲线，担负着主要的切削工作。副切削刃：前刀面与副后刀面的交线。一般只担负少量的切削工作。刀尖：主切削刃与副切削刃的相交部分。,2车刀切削部分的几何角度,刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数，要确定刀具的角度，必须先确定用于定义和规定刀具角度的各种基准坐标平面，组成各种参考坐标系，一般有：正交平面参考系法平面参考系背平面和假定工作平面参考系,外圆车刀在生产实践中最常用的坐标系是正交平面参考坐标系。按刀具的状态还有静止参考系与工作参考系之分。刀具静止参考系：在刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数时用的参考系刀具工作参考系：用于规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系,（1）刀具静止参考系,基面：过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面，以pr表示。切削平面：过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面，主切削平面以ps表示。正交平面：过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面，以po表示。假定工作平面：过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面，以pf表示。,（2）车刀的主要角度,1）主偏角kr,主偏角的作用：影响切削刃的工作长度、切深抗力、刀尖强度和散热条件。主偏角越小，则切削刃工作长度越长，散热条件越好，但切深抗力越大。选择原则：车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。工件粗大、刚性好时，可取较小值。车细长轴时，为了减少径向力而引起工件弯曲变形，宜选取较大值。,在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。主切削刃与进给方向在基面上投影间的夹角。,2）副偏角kr,副偏角会影响已加工表面的粗糙度；副偏角还有减小副后刀面与已加工表面间摩擦的作用。主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45、60、75、90等几种；副偏角为515，粗加工时取较大值。,在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角。,3）前角0,前角表示前刀面的倾斜程度。前角可分为正、负、零，前刀面在基面之下则前角为正值，反之为负值，相重合为零。一般所说的前角是指正前角而言。,在正交平面中测量的前刀面与基面间的夹角。,前角的作用为，增大前角，可使刀刃锋利、切削力降低、切削温度低、刀具磨损小、表面加工质量高。但过大的前角会使刃口强度降低，容易造成刃口损坏。前角的大小常根据工件材料、刀具材料和加工性质来选择。用硬质合金车刀加工钢件(塑性材料等)时，一般选取0=1020；加工灰口铸铁(脆性材料等)，一般选取0=515。精加工时，可取较大的前角，粗加工应取较小的前角。工件材料的强度和硬度大时，前角取较小值，有时甚至取负值。,4）后角,后角表示主后刀面的倾斜程度。后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。后角只能是正值，后角大，摩擦小，切削刃锋利。但后角过大，将使切削刃变弱，散热条件变差，加速刀具磨损。后角的大小常根据加工的种类和性质来选择，一般后角可取=68。,在正交平面中测量的后刀面与切削平面间的夹角。,5）刃倾角s,刃倾角也有正、负和零值之分。刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。粗加工时为了增强刀头，s常取负值；精加工时为了保护已加工表面，s常取正值或零度；车刀的刃倾角一般在-5+5之间选取。,在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。,刀具主要角度及作用,（3）刀具的工作角度,它是指在工作参考系中定义的刀具角度。刀具工作角度考虑了合成运动和刀具安装条件的影响。,3刀具结构,以车刀为例：整体式车刀：切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大，常用高速钢制造。焊接式车刀：将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。结构简单、紧凑、刚性好、灵活性大，应用十分普遍。但焊接式车刀的硬质合金刀片经过高温焊接和刃磨后，产生内应力和裂纹，使切削性能下降，对提高生产效率不利。,机夹重磨式车刀：避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。机夹可转位式车刀：将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。使用时，刀片上一个切削刃用钝后，只需松开夹紧机构，将刀片转位换成另一个新的切削刃便可继续切削。因机械夹固车刀的切削性能稳定，又不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。,1.2.2 刀具材料,刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，直接影响着生产效率、加工质量和生产成本。而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料；其次是几何形状及刀具结构的选择和设计是否合理。,1.刀具材料应具备的性能,刀具材料应具备以下基本性能：较高的硬度和耐磨性足够的强度和韧度 良好的耐热性和导热性 良好的工艺性和经济性,2常用刀具材料,刀具材料的种类很多，常用材料的包括：碳素工具钢合金工具钢 这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等，较少用于制造其它刀具。,高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在较小的范围内使用。目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。,（1）高速钢,国家标准GB/T17111-2008把切削刀具高速钢分为：常规高速钢 高性能高速钢 普通高速钢 低合金高速钢 粉末冶金高速钢等,高速钢是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。,（2）硬质合金,硬质合金常温硬度可达89 HRA 92HRA，能耐8501000的高温，切削速度可比高速钢高410倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。实际使用中，常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。,硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。,我国目前生产的硬质合金主要分为三类：1）K类（YG）用红色作标志，又称通用硬质合金，相当于原钨钴类(YG)。由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的牌号有：YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。数字表示Co含量的百分数，YG6即含Co为6%，含Co越多，则韧性越好。,2）P类（YT）,用蓝色作标志，相当于原钨钛钴类(YT)。由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差，适用于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有：YT5、YT14、YT15等，其中的数字表示碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量越高，则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。,3）M类（YW）,用黄色作标志，又称通用硬质合金，相当于原钨钛钽类通用合金(YW)。由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物（TaC或NbC）组成。它具有前两类硬质合金的优点，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韧性材料。同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YW1、YW2。,（3）陶瓷,其主要成分是Al2O3，刀片硬度可达91HRA95HRA以上，能耐12001450的高温，故能承受较高的切削速度。但抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃。主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。,（4）金刚石,金刚石分人造和天然两种，做切削刀具的材料，大多数是人造金刚石，其硬度极高，可达10000 HV（硬质合金仅为1300 HV1800 HV）。其耐磨性是硬质合金的80120倍。金刚石刀具刃性差，金刚石刀具是目前高速切削(25005000m/min)铝合金较理想的刀具材料，但不宜于切削铁及其合金工件。主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等材料的高速精加工。,（5）立方氮化硼,立方氮化硼是人工合成的超硬刀具材料，其硬度可达7300HV9000HV，仅次于金刚石的硬度。但热稳定性好，可耐13001500高温，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数，与铁族材料亲和力小。但强度低，焊接性差。目前主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。,刀具材料的特点与选用,续上表：,刀具材料的特点与选用,1.2.3 刀具的磨损与耐用度,刀具的失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗）破损（突发的破坏，随机发生）,1刀具的磨损形式,在切削过程中，刀具在高压、高温和强烈摩擦条件下工作，切削刃由锋利逐渐变钝以致失去正常切削能力。刀具磨损超过允许值后，须及时刃磨。刀具正常磨损时，按磨损部位不同，可分为：主后面磨损前刀面磨损边界磨损三种形式,（1）前刀面磨损,前刀面磨损的特点是在前刀面上离切削刃小段距离有一月牙洼，如图所示，随着磨损的加剧，主要是月牙洼逐渐加深，洼宽变化并不是很大。但当洼宽发展到棱边较窄时，会发生崩刃。磨损程度用洼深KT表示。这种磨损一般不多。主要原因：切削塑性材料时切削速度v较高，切削厚度ac较大。,（2）后刀面磨损,后刀面磨损的特点是在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行的磨损带。如图所示，加工铸件、锻件等外皮粗糙的工件时，这个区域容易磨损。切削塑性材料时切削速度v较低，切削厚度ac较小，这个区域也容易磨损。,（3）边界磨损（前、后刀面同时磨损）,切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接触处磨出沟纹。边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。,2刀具磨损过程及磨钝标准,（1）刀具磨损过程1)初期磨损阶段 特点：时间较短。通常原因是刀刃不直、刀面不平,，与刀具刃磨质量有关。2）正常磨损阶段 特点：时间较长，是刀具的有效工作时期。过程稳定，近似直线，VB与切削时间近似正比，斜率表示磨损强度。,3）急剧磨损阶段 特点：切削性能急剧下降，当刀具的磨损带达到到一定程度后，刀面与工件摩擦过大，导致切削力与切削温度均迅速增高。磨损速度急剧增加。生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应该在发生急剧磨损之前就及时换刀。,（2）刀具磨损标准（VB)（后刀面的磨损）,一般用时间来衡量。.以后带面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨损钝标准。在生产实际中，为可更方便、快速、准确地判断刀具的磨损情况，一般是以刀具耐用度T来间接地反映刀具的磨钝标准。,刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准所经历的总切削时间称为刀具耐用度，,3刀具耐用度的确定原则,确定刀具合理耐用度的方法有三种：第一种方法是根据单工件时最小的原则来制定耐用度，称为最高生产率耐用度Tp：第二种反复法是根据每个工件工序成本最低原则来制定耐用度，称为最低成本耐用度Tc：第三种方法是根据单位时间内获得的盈利最大来制定耐用度，称为最大利润耐用度Tpr。,分析可知，这三种耐用度之间存在如下关系，即TPTPRTC。生产中一般多采用最低成本耐用度，只有当生产任务紧迫，或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才选用最高生产率耐用度。,实际确定刀具耐用度时通常应考虑如下因素：对于制造、刃磨比较简单，成本不高的刀具，例如车刀、钻头等，耐用度可定低一点，反之则耐用度应选高一点，如铣刀、拉刀及齿轮刀具。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与数控机床加工刀具，耐用度应取得高一些。机夹可转位车到和陶瓷刀具，其换刀时间短，耐用度可选得低些。,对不满足生产节拍的关键工序，为使车间生产达到平衡，该工序的耐用度应选得低一些。当某工序单位时间内所分担到的全厂开支较大时，刀具耐用度也应选低些。大件精加工时，为避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应规定得高一些，至少应该完成一次走刀。生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或二个班，以便能在换班时换刀。,常用刀具合理耐用参考数值,Thank You!,
