同济大学《机械制造技术基础》第二章金属切削原理与刀具A.

第二章切削原理与刀具第一节刀具的结构一、切削运动与切削要素1、切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动。可分解为主运动和进给运动。2、切削要素包括切削用量和切削层的几何参数。（1）切削用量①切削速度vc在单位时间内，刀具与工件之间沿主运动方向的相对位移。m/s②进给量f在主运动每转一转或每一行程时，刀具与工件之间沿进给方向的相对位移。mm/r，mm/行程。③背吃刀量待加工表面与已加工表面之间的垂直距离（mm）。（2）切削层几何参数①切削宽度aw②切削厚度ac③切削面积Ac刀具角度—、刀具切削部分的组成•车刀由刀体和刀头组成。刀体是车刀上的夹持部分，刀头是车刀的切削部分。切削部分一般由三个刀面、两条切削刃和一个刀尖共六个要素组成。1、前（刀）面：切屑流出经过的表面。2、主后（刀）面：与工件上过渡表面相对的表面。3、副后（刀）面：与工件上已加工表面相对的表面。0p4、主切削刃S：前刀面与主后刀面的交线，担负主要的切削任务。5、副切削刃S’：前刀面与副后刀面的交线，配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。6、刀尖：主切削刃与副切削刃的连接部分。刀尖的一般形式有尖角、圆弧过渡刃、直线过渡刃。后两种形式可增强刀尖的强度和耐磨性。2、刀具角度的参考平面（1）基面Pr通过主切削刃上某一点，并垂直于该点切削速度方向的平面。（2）切削平面Ps通过主切削刃上某一点，并与工件加工表面相切的平面。（3）正交平面Po通过切削刃上某一点，并与主切削刃在基面的投影相垂直的平面。3、刀具的标注角度一、在基面内测量的角度1）主偏角：是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。一般为正值。2）副偏角：是副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。一般为正值。rk'rk二、在正交平面内的角度1）前角：是前刀面与基面之间的夹角，前角有正、负和零度之分。2）后角：是主后刀面与切削平面之间的夹角，后角有正、负和零度之分。一般为正值。rp00三、在切削平面内的角度1）刃倾角：是主切削刃与基面之间的夹角。srp•组成标注刀具角度的正交平面参考系，是不考虑进给运动的影响的，并且假定车刀刀尖与工件回转轴线等高；安装时车刀刀柄的纵向轴线垂直于进给方向。4、刀具的工作角度（1）刀具安装位置对工作角度的影响①当刀尖高于工件中心②当刀尖低于工件中心worerooooeoooedhpp2sin的转角与正交平面内worerooooeoooedhpp2sin的转角与正交平面内（2）进给运动对工作角度的影响•实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角。wooeooedftan（3）刀杆轴线偏装后对刀具工作角度的影响之间的夹角。与两工作平面fefrrerreppGGkkGkk'三、刀具种类•生产中所使用的刀具种类很多，按加工方式和具体用途，可分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、数控机床刀具和磨具等几大类型。（一）车刀：•车刀是金属切削加工中应用最广泛的一种刀具。它可用于卧式车床、立式车床、转塔车床、自动车床和数控车床上加工外圆、内孔、端面、成形回转表面等。•车刀的种类很多，按用途可分为外圆车刀、端面车刀、螺纹车刀、镗孔刀、切断刀及成形刀等，如图所示。按结构的不同，又可分为整体式车刀、焊接式车刀、机夹车刀、可转位车刀等。整体式车刀一般用高速钢制造，焊接式车刀及机夹式刀片用硬质合金制造。（二）孔加工刀具孔加工刀具可分为两大类：一类：从实体材料上加工出孔的刀具。另一类是对已有孔进行再加工用的刀具。一、麻花钻1、麻花钻的组成标准麻花钻由工作部分、柄部、颈部三部分组成，如图所示。2、麻花钻切削部分的组成钻头的切削部分由两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃组成。3、麻花钻缺陷1）主切削刃上前角变化大2）横刃部分切削条件差3）排屑不畅（2）群钻群钻是我国机械工人在长期的生产实践中，针对标准麻花钻存在的缺陷，综合各种修磨方法和成功经验，设计出的一种先进钻头。（3）中心钻（4）深孔钻（5）扩孔钻（6)铰刀•铰刀是对己有孔进行精加工的一种刀具。铰削切除余量很小。铰削后的孔精度可达IT6——IT7，表面粗糙度可达Ra1.6~0.4m。1、铰刀的种类铰刀的种类很多，通常是按使用方式把铰刀分为手用铰刀和机用铰刀。铣刀是一种在回转体表面上或端面上分布有多个刀齿的多刃刀具。①加工平面②加工沟槽③加工成形表面（三）铣刀（1）直齿三面刃铣刀（2）错齿三面刃铣刀（3）镶齿三面刃铣刀（四）拉刀拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具。（五）螺纹刀具（六）齿轮刀具①成形齿轮刀具：盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀等②展成齿轮刀具：插齿刀、滚刀、剃齿刀等。Ⅰ）盘形直齿插齿刀用于加工普通直齿轮和大直径内齿轮。Ⅱ）碗形直齿插齿刀，用于加工塔形齿轮和双联齿轮。Ⅲ）锥柄直齿插齿刀，用于加工直悔内齿轮。•选用齿轮滚刀和插齿刀时，应注意以下几点：1）刀具基本参数（模数、齿形角、齿顶高系数等）应与被加工齿轮相同。2）刃具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当。3）刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同。滚切直齿轮时，一般用左旋滚刀。常用刀具材料一、刀具材料必须具备的性能1、高的硬度刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。这样，刀具才能切除工件上多余的金属，目前在室温条件下刀具材料的硬度应大于或等于60HRC。2，高的耐磨性耐磨性指材料抵抗磨损的能力。一般而言，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。3、足够的强度和韧性在切削加工过程中，刀具总是受到切削力、冲击、振动的作用，当刀具材料有足够的强度和韧性，就可避免刀具的断裂、崩刃。4、高的耐热性耐热性指材料在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨性的能力。5、良好的工艺性刀具材料有良好的工艺性，便于刀具的制造。6、良好的热物理性能和耐热冲击性能要求刀具的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。二、常用刀具材料的种类1、在金属切削加工中，刀具材料的种类有许多。1）碳素工具钢与合金工具钢2）高速钢高速钢是指含较多钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢，俗称锋钢或风钢。高速钢有较高的耐热性（约600~660C）；有足够的强度和韧性；有较好的工艺性。目前，高速钢已作为主要的刀具材料之一，广泛用于制造形状复杂的铣刀、钻头、拉刀和齿轮刀具等。常用高速钢的牌号与性能见表⒉1。2、硬质合金硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）为基体，以金属Co、Ni、Mo等为粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。硬质合金的硬度为74～82HRC。耐热温度为800～1000℃，常用于制造形状简单的高速切削刀片，经焊接或机械夹固在车刀、刨刀、钻头等刀体上使用。（1）钨钴类硬质合金钨钻类硬质合金的代号是YG，由Co和WC组成。常用牌号是YG3、YG6等。牌号中的数字表示Co的质量分数（含Co量），其余为含WC的质量分数（含WC量），如YG3表示（Co）＝3％，（WC）＝97％。其韧性较好，但耐磨性较差。钨钴类硬质合金适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。（2）钨钛钴类硬质合金钛钴类硬质合金的代号是YT，由WC、TiC和Co组成。常用牌号是YT14、YT30等。牌号中的数字表示TiC的质量分数，其余为含WC＋Co的质量分数。如YT14表示（TiC）＝14％，（WC）＝78％，（Co）＝8％。其硬度、耐热性、耐磨性较好，但韧性较差。钨钛钴类硬质合金适用于加工碳钢、合金钢等塑性材料。•改善硬质合金性能的措施：1）调整化学成分2）细化合金的晶粒3）采用涂层刀片4、新型刀具材料（1）陶瓷陶瓷材料的主要成分是A12O3.。陶瓷是在高压下成形，在高温下烧结而成。陶瓷的硬度高，耐磨性好，耐热性高，化学稳定性好。但是，陶瓷的脆性大，强度低，故陶瓷刀具只用于精车、半精车。（2）金刚石金刚石分为天然和人造两种，天然金刚石数量稀少，所以价格昂贵，应用极少。人造金刚石是在高压、高温条件下，由石墨转化而成，价格相对较低，应用较广。金刚石的硬度极高（10000HV），是目前自然界已发现的最硬物质。但是，金刚石耐热性较差，在700～800°C时，将产生碳化，与铁有很强的化学亲和力，故不宜用于加工钢铁；（3）立方氮化硼立方氮化硼是由立方氮化硼在高压、高温条件下加入催化剂转变而成。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石（8000～9000HV），耐磨性好，耐热性高（1400°C），与铁系金属在（1200～1300）℃时也不会起化学反应，因此，既能胜任淬硬钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。x刀具几何参数的合理选择刀具几何参数对切削力大小，切削温度升降，刀具磨损快慢都有很大影响。为此，合理地选择刀具几何参数非常重要。合理的刀具几何参数，可以保证工件加工质量，获得较高的刀具寿命，提高生产效率，降低生产成本。一、前角1．前角的作用：是在满足切削刃强度要求的前提下，使切削刃锋利。增大前角能减少切屑变形和磨损、改善加工质量、抑制积屑瘤等。但是，前角过大，反而使切削刃强度和散热能力下降，引起崩刃。2．前角选择的原则①工件材料•工件材料的强度、硬度低，塑性大，前角应取大值；材料强度、硬度高，应取较小的前角。②刀具材料•刀具材料强度、韧性高，前角可取大值，反之取小值。如高速钢可取较大的前角值，而硬质合金刀则应取小值。③加工性质•粗加工时，前角应取较小的值，而精加工时，可取较大的值。3、前刀面形式3、倒棱•如果在前角的前面上磨出倒棱，就可实现既保持增大前角的有利作用，又克服增大前角的不利作用的目的。•倒棱指沿着切削刃在前面上磨出负前角的小棱面。倒棱有两个参数：倒棱前角和倒棱宽度。二、后角1、后角的作用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。2，后角选择的原则后角选择的主要依据有两个：一是切削厚度：切削厚度薄，后角应取大值；反之，后角应取小值；二是刀具形式，定尺寸刀具（如拉刀等），为延长刀具寿命，后角应取小值。3、后刀面的形式①双重后角：能保证刃口强度，减少刃磨工作量。②刃带：是在后刀面上磨出后角为零的小棱边。对一些定尺寸刀具，如拉刀，铰刀等便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化。但刃带会增大摩擦作用。•③消振棱：是在后刀面磨出一条负后角的棱边，可增大阻尼，起消振作用。三、主偏角1、主偏角的作用：主要影响各切削分力的比值，也影响切削层截面形状和工件表面形状。2、主偏角的选择原则，是在工艺系统刚度允许的前提下，选较小的主偏角。四、副偏角1、副偏角的作用：副偏角主要影响已加工表面的粗糙度，也影响切削分力的比值。2、副偏角的选择。副偏角选择时，主要按加工性质，一般可取10°～15°，切断刀为保证刀尖强度，可取1°～2°。四、刃倾角•1、刃倾角的作用：主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。13、刃倾角选择的原则•粗加工时，为保证刀具的强度，通常刃倾角选取较小值0~-5°；若是断续切削，或是切削高强度、高硬度的工件材料，刃倾角还应选取更小些。•精加工时，为了提高工件的表面质量，不让切屑流向已加工表面，一般刃倾角选取较大值0～5°。刀具各角度之间是相互联系、相互影响的。孤立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值。砂轮及磨削－、砂轮结构的要素砂轮结构由磨粒、结合剂和气孔组成。•磨粒的形状呈不规则的多面体，在磨削中起着切削的作用。•结合剂起着粘固无数磨粒的作用。•气孔起着容纳磨屑和散热的作用。磨粒、结合剂、气孔组成了砂轮结构的三要素。二、砂轮特性的要素砂轮特性的要素由下列五个要素组成：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。1）磨料磨料是硬度极高的非金属晶体，是砂轮的主要成分。磨料必须具有高的硬度、耐磨性、耐热性、适当的韧性和比较锋利的形状等的性能。磨料分天然磨料和人工磨料两大类。天然磨料有刚玉和金刚石等。人造磨料分刚玉类、碳化硅类、高硬磨料类三大类。1）刚玉类磨料的主要成分为氧