第2章刀具与切削参数选择

1第2章刀具与切削参数选择2-1试说明外圆车削、端面车削、刨削、钻削、铣削的切削运动。在金属切削加工时，为了切除工件上多余的材料，形成工件要求的合格表面，刀具和工件间须完成一定的相对运动，即切削运动。切削运动按其所起的作用不同，可分为主运动和进给运动，如图所示。a）车削b)铣削c)刨削d)钻削e)磨削１—主运动２—进给运动３—待加工表面４—加工表面５—已加工表面2-2什么是切削用量三要素？在切削加工中切削速度、进给量和背吃刀量(切削深度)称为切削用量三要素。2-3车刀切削部分由哪些面和刃组成？刀具切削部分主要由刀面和切削刃两部分构成。刀面用字母Ａ与下角标组成的符号标记，切削刃用字母Ｓ标记，副切削刃及相关的刀面标记在右上角加一撇以示区别。(1)前面(前刀面)Ａr：刀具上切屑流出的表面；(2)后面(后刀面)Aα：刀具上与工件新形成的过渡表面相对的刀面；(3)副后面(副后刀面)Aα′：刀具上与工件新形成的过渡表面相对的刀面；(4)主切削刃Ｓ：前面与后面形成的交线，在切削中承担主要的切削任务；(5)副切削刃Ｓ′：前面与副后面形成的交线，它参与部分的切削任务；(6)刀尖：主切削刃与副切削刃汇交的交点或一小段切削刃。2-4刀具正交平面参考系平面Pr、Ps、Po及其刀具角度γo、αo、κr、λs如何定义？用图表示。1．刀具角度参考平面用于构成刀具角度的参考平面主要有：基面、切削平面、正交平面、法平面、假定工作平面和背平面。2．正交平面参考系中的刀具标注角度在正交平面参考系中，刀具标注角度分别标注在构成参考系的三个切削平面上。2第一副后面A切削刃上选定点主运动方向进给运动方向主运动方向2-5试画图表示：γo=10°、αo=6°、κr=90°、κr’=10°、λs=-5°的外圆车刀。2-6试画图表示：γo=15°、αo=8°、κr=90°、κr’=2°、λs=0°的切断车刀。2-7端面车削时，刀尖高(或低)于工件中心时工作角度(前、后角)有何变化？2-8试画图说明切削过程的三个变形区及各产生何种变形？切削过程的实际情况要比前述的情况复杂得多。在切削过程中，切削层金属要产生一系列变形，通常将其划分为三个变形区。OAMⅠⅡⅢ图中Ⅰ(AOM)为第一变形区。“剪切滑移区”，宽度为0.02mm～0.2mm。图中Ⅱ为第二变形区。“摩擦区”，变形方向基本上与前刀面平行。图中Ⅲ为第三变形区。此变形区位于后刀面与已加工表面之间，切削刃钝圆部分及后刀面对已加工表面进行挤压，使已加工表面产生变形，造成纤维化和加工硬化。2-9切屑有哪些种类？各种切屑在什么情况下形成？由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程度也不同，因而产生的切屑形态也多种多样。主要有以下四种类型：带状切屑、节状切屑、粒状切屑、崩碎切屑。(1)带状切屑它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。(2)节状切屑又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。(3)粒状切屑又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。(4)崩碎切屑加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。pop-oγpra)γαλpαspS-+opλb)+-pε（）orpo+oα-向Sprβo（）+pspopsporpp-o-32-10切削变形表示方法有几种？如何表示？有何异同？切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。1．变形系数在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层长度lc。切屑厚度hch与切削层厚度hD之比称为厚度变形系数；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。2．相对滑移既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移(剪应变)。来衡量切削过程的变形程度。3．剪切角φ在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图2-15为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。(1)前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。(2)摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性2-11分析积屑瘤产生的原因及其对生产的影响？在切削塑性材料时，如果前刀面上的摩擦系数较大，切削速度不高又能形成带状切屑的情况下，常常会在切削刃上粘附一个硬度很高的鼻型或楔型硬块，称为积屑瘤。积屑瘤包围着刃口，将前刀面与切屑隔开，其硬度是工件材料的2～3倍，可以代替刀刃进行切削，起到增大刀具前角和保护切削刃的作用。当积屑瘤层积到足够大时，受摩擦力的作用会产生脱落，因此，积屑瘤的产生与大小是周期性变化的。积屑瘤的周期性变化对工件的尺寸精度和表面质量影响较大，所以，在精加工时应避免积屑瘤的产生。2-12试述前角γo和后角αo的作用和选择方法。增大前角可使刀刃锋利，使切削变形减小，切削力和切削温度减小，可提高刀具寿命，并且，较大的前角还有利于排除切屑，使表面粗糙度减小。但是，增大前角会使刃口楔角减小，削弱刀刃的强度，同时，散热条件恶化，使切削区温度升高，导致刀具寿命降低，甚至造成崩刃。所以前角不能太小，也不能太大。后角增大，可减小后刀面的摩擦与磨损，刀具楔角减小，刀具变得锋利，可切下很薄的切削层；在相同的磨损标准VB时，所磨去的金属体积减小，使刀具寿命提高；但是后角太大，楔角减小，刃口强度减小，散热体积减小，αo将使刀具寿命减小，故后角不能太大。2-13试述主偏角κr和刃倾角λs的作用和选择方法。主偏角减小，使单位长度上切削刃的负荷减小，刀具寿命增加；主偏角减小，刀尖角εr增大，使刀尖强度增加，散热体积增大，使刀具寿命提高；主偏角减小，可减少因切入冲击而造成的刀尖损坏；减小主偏角可使工件表面残留面积高度减小，使已加工表面粗糙度减小。但是，另一方面减小主偏角，将使径向分力Fp增大，引起振动及增加工件挠度，这会使刀具寿命下降，已加工表面粗糙度增大及降低加工精度。主偏角可根据不同加工条件和要求选择使用，一般原则是：(1)粗加工，半精加工和工艺系统刚性较差时，为减小振动提高刀具寿命，选择较大的主偏角。(2)加工很硬的材料时，为提高刀具寿命，选择较小的主偏角。(3)据工件已加工表面形状选择主偏角。如加工阶梯轴时，选κr＝900；需450倒角时，选κr＝450等。(4)有时考虑一刀多用，常选通用性较好的车刀，如κr＝450或κr＝900等。刃倾角λs的作用是控制切屑流出的方向、影响刀头强度和切削刃的锋利程度。当刃倾4角λs＞00时，切屑流向待加工表面；λs＝00时，切屑沿主剖面方向流出；λs＜00时，切屑流向已加工表面。刃倾角主要由切削刃强度与流屑方向而定。一般加工钢材和铸铁时，粗车取λs＝00～－50，精车取λs＝00～50，有冲击负荷时取λs＝－50～－１50。2-14粗加工时切削用量的选择原则是什么？为什么？切削用量的选择会影响切削变形、切削力、切削温度和刀具寿命，从而会对加工质量产生影响。ap增大，切削力成比例增大，工艺系统变形大、振动大、工件加工精度下降，表面粗糙度增大。粗加工ap为全部余量(一般8～10mm)；如果余量太大或不均匀、工艺系统刚性不足、断续切削时，可分几次走刀。f增大，切削力也增大(但不成正比例)，使表面粗糙度的增大更为显著。粗加工合理的f应是工艺系统所能承受的最大进给量。生产中f常根据工件材料材质、形状尺寸、刀杆截面尺寸、已定的ap，从切削用量手册中查得。v增大，切削变形、切削力、表面粗糙度等均有所减小。VC=vvVyxmPKTfa式中Cv、xv、yv──根据工件、刀具不同材料及不同进给量时的系数。可在切削手册中查得；Kv──切削速度修正系数。影响Kv的因素较多，如工件材料、毛坯表面形态、刀具材料、加工方法、主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径、刀杆尺寸等。因此，精加工应采用小的ap、f，为避免积屑瘤、鳞刺的影响，可用硬质合金刀具高速切削(v＞80m/min)，或用高速钢刀具低速切削(v＝3～8m/min)。2-15粗加工时进给量的选择受哪些因素的限制？粗加工f增大，切削力也增大(但不成正比例)，使表面粗糙度的增大更为显著。粗加工合理的f应是工艺系统所能承受的最大进给量。生产中f常根据工件材料材质、形状尺寸、刀杆截面尺寸、已定的ap，从切削用量手册中查得。2-16切削力的产生原因是什么？车削时切削力如何分解？切削力是被加工材料抵抗刀具切入所产生的阻力。刀具在切削工件时，由于切屑与工件内部产生弹、塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生摩擦阻力，形成了作用在刀具上的合力F，在切削时合力F作用在近切削刃空间某方向，由于大小与方向都不易确定，因此，为便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F分解为三个分力。pa)FpFFDFFfFb)FFfDFCDF5切削力Fc(主切削力Fz)──在主运动方向上分力；背向力Fp(切深抗力Fy)──在垂直于工作平面上分力；进给力Ff(进给抗力Fx)──在进给运动方向上。背向力Fp与进给力Ff也是推力FD的合力，推力FD是作用在切削层平面上且垂直于主切削刃。合力F、推力FD与各分力之间关系：2-17切削用量如何影响切削力的？背吃刀量ap和进给量f影响较明显。若f不变，当ap增加一倍时，切削力增加约一倍；若ap不变，当f增加一倍时，切削力只增加68%～86%。2-18背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响是否一样？如何影响？切削力：背吃刀量ap和进给量f影响较明显。若f不变，当ap增加一倍时，切削力增加约一倍；若ap不变，当f增加一倍时，切削力只增加68%～86%。切削温度：切削用量增大切削用量时，切削功率增大，产生的切削热也多，切削温度就会升高。由于切削速度、进给量和背吃刀量的变化对切削热的产生与传导的影响不同，所以对切削温度的影响也不同。其中切削速度对切削温度影响最大，进给量f次之,背吃刀量ap最小。2-19刀具的磨损过程分几个阶段？各阶段的特点是什么？刀具的磨损过程一般分成三个阶段。(1)初期磨损阶段将新刃磨刀具表面存在的凸凹不平及残留砂轮痕迹很快磨去。(2)正常磨损阶段经初期磨损后，刀面上的粗糙表面已被磨平，压强减小，磨损比较均匀缓慢。后刀面上的磨损量将随切削时间的延长而近似的成正比例增加。此阶段是刀具的有效工作阶段。(3)急剧磨损阶段当刀具磨损达到一定限度后，已加工表面粗糙度变差，摩擦加剧，切削力、切削温度猛增，磨损速度增加很快，往往产生振动、噪声等，致使刀具失去却削能力。2-20什么是刀具寿命？刀具寿命与哪些因素有关？刀具寿命：是指一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间，用T表示，单位为min。刀具总寿命应等于刀具耐用度乘以重磨次数。在工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，刀具耐用度由切削用量三要素来决定。刀具寿命T与切削用量三要素之间的关系可由下面经验公式来确定：(1.15)式中CT──与刀具、工件材料，切削条件有关的系数；m、n、p──寿命指数。分别表示切削用量三要素当vC、，f，ap对寿命T的影响程度2-21刀具切削部分材料应具备哪些性能？１.高的硬度和耐磨性(60HRC以上)２.足够的强度和韧性３.高的耐热性22222DccpfFFFFFFcos;sinpDrfDrFFFF111TpmnpCTfa6４.良好的工艺性与经济性５.好的导热性和小的膨胀系数2-22普通高速钢有哪几种牌号？它们主要的物理力学性能如何？适合于做什么刀具？高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。高速钢是综合性能较好、应用范围最广的一种刀具材料。热处理后硬度达62～66HRC，抗弯强度约3.3GPa，耐热性为600℃左右，此外还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。高速钢的使用约占刀具材料总