金属切削原理与刀具

标准分享网零件表面的形成及切削运动机器零件的形状虽很多，但分析起来，主要由下列几种表面组成，即外圆面、内圆面（孔）、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加工，就基本上能完成所有机器零件的加工。外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时所形成的表面。平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。上述各种表面，可分别用图1-1所示的相应的加工方法来获得。由图可知，要对这些表面进行加工，刀具与工件必须有一定的相对运动，就是所谓切削运动•切削运动包括主运动（图中Ⅰ）和进给运动（图中Ⅱ）。主运动是切下切屑最基本的运动；进给运动是使金属层不断投入切削，从而加工出完事表面所需的运动。各种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣削、磨削和齿轮加工等）都是为了加工某种表面而发展起来的，因此，也都有其特定的切削运动。切削运动有旋转的，也有直行的；有连续的，也有间歇的。图1-1零件不同表面加工时的切削运动图1-2车外圆的切削要素2.切削用量（1）切削速度υ在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。单位为m/s或m/min。（2）进给量工件或刀具运动在一个工作循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。（3）切削深度ap待加工表面与已加工表面间的垂直距离，单位为mm。3.切削层几何参数切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。以车外圆为例（图1-2），切削层就是工件每转一转，切削刃所切下的一层材料。为简化计算工作，切削层的几何参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度量，它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。（1）切削厚度ac两相邻加工表面间的垂直距离，单位为mm。如图1-2所示，车外圆时：ac=f·sinkr(mm)（2）切削宽度aw沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为mm。车外圆时（图1-2）：aw=ap/sinkr(mm)（3）切削面积A切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单位为mm2。1.1.2刀具材料1.刀具材料应具备的性能2.常用的刀具材料1.刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性（热稳定性）（4）良好的热物理性能和耐热冲击性能（5）良好的工艺性能（6）经济性2.常用的刀具材料（1）碳素工具钢及合金钢碳素工具钢是含碳量较高的优质钢（含碳量0.7%—1.2%如T10、T12A等）淬火后碳度较高的耐热性较差（表1-1）。在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素形成合金工具钢，如（9SiCr、CWMn等）。可适当减少热处理变形和提高耐热性（表1-1），由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用来制造一些切削速度不太高的手动工具，如锉刀、锯条、铰刀等较少用来制造其它刀具。（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。高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达到500~650℃时，尚能进行切削。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削1~3倍，提高刀具耐用度10~40倍，甚至更多。它可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。高速钢具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的2~3倍，为陶瓷的5~6倍）和韧性，具有一定的硬度（63~70HRC）和耐磨性，适合于各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，这一点对形状复杂及大型成形刀具非常重要，故在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）制造中，高速钢仍占主要地位。高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用较可靠（3）硬质合金1）硬质合金的特点硬质合金是由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（如Co、Ni等）经粉末冶金方法制成的。由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89~93HRA，比高速钢的硬度（83~86.6HRA）高。在800~1000℃时尚能进行切削。在540℃时，硬质合金的硬度为82~87HRA，相当于高速钢的常温硬度，在760℃时仍能保持77~85HRA。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可提高4~10倍。常用硬质合金的抗弯强度为0.9~1.5Gpa，比高速钢的强度低得多，断裂韧度也较差（见表1-1）。因此。硬质合金刀具不能像高速钢刀具那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。2）常用硬质合金的分类及性能目前主要应用的硬质合金有下列四类，表1-3为其化学成分及性能。表1-4硬质合金的用途•（4）陶瓷刀具•陶瓷刀具的主要成分是Al2O3，陶瓷刀具的硬度高、耐磨性好、耐热性高（表1-1），允许使用较高的切削速度，加工Al2O3的价格低廉、原料丰富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料性脆怕冲击，切削时易崩刃，所以如何提高其抗弯强度已成为各国研究的工作重点。近十年来，各国已先后研制成功“金属陶瓷”，如我国研制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌号的金属陶瓷，其成分除Al2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度比普通陶瓷刀片高。•（5）其它刀具材料•1）人造金刚石•人造金刚石硬度极高（10000HV），耐热性为700~800℃。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒主要制成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬合金、陶瓷、玻璃外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工铁族金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘结作用而加快刀具磨损。•2）立方氮化硼（CBN）•立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度（7300~9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学稳定性大大高于金刚石，能耐1300~1500℃的高温，并且与铁族金属的亲和力小，因此它的切削性能好，不但适合于非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。1.1.3车刀的形状及几何角度1.刀具切削部分的结构要素。2.刀具角度参考系3.刀具的标注角度4.刀具角度的换算5.刀具工作角度的计算1.刀具切削部分的结构要素。图1-3各种刀具切削部分的形状图1-4刀具切削部分的构造要素2.刀具角度参考系（1）刀具切削角度的参考平面1）切削平面。2）基面（2）刀具标注角度的参考系图1-5刀具切削角度的示意图图1-6横车的基面和切削平面图1-7刀具标注角度的参考系图1-8纵（横）剖面参考系图1-9各参考系的参考平面3.刀具的标注角度图1-10车刀的标注角度4.刀具角度的换算图1-11法剖面内的角度图1-12法向前角γn5.刀具工作角度的计算图1-13任意剖面内的角度变换图1-14横向进给运动对工作角度的影响图1-15外圆车刀的工作角度图1-16刀尖安装高低对工件角度的影响图1-17镗刀的工件角度1.1.4刀杆中心线与进给方向不垂直时工件角度的变化如图1-18所示，车刀刀杆与进给方向不垂直时，主偏角和副偏角将发生变化：（1-26）式中G——进给运动方向的垂直线和刀杆中心线间的夹角（平面上的安装角）图1-18刀杆中心线不垂直于进给方向1.2金属切削基本规律1.2.1切屑种类及形成机理1.2.2金属切削过程中的变形规律1.2.3切削的加工硬化与残余应力1.2.4积屑瘤和鳞刺1.2.5切削力与切削功率1.2.6切削热、切削温度及切削液1.2.1切屑种类及形成机理1.切屑种类及其相互关系2.切屑形成机理1.切屑种类及其相互关系（1）带状切屑（2）挤裂切屑（3）单元切屑（4）崩碎切屑图1-19切屑的各种形态表1-7切屑形态的影响因素及其对切削加工的影响2.切屑形成机理研究切屑形成机理多采用直角切削方式（λs=0）有关切屑形成过程的理论很多，最简单而形象化的模型是将切屑形成比拟为推挤一叠卡片的情况（图1-20a）。当刀具作用于切屑层，切削刃由a至o时，整个切削层单元OMma就沿着OM面发生剪切滑移；或者OM不动，平行四边形OMma受到剪应力的作用，变成了平得四边形OMm1a1（图1-20b）。实际上，切屑单元在刀具前刀面的作用下还受到了塑性挤压，因而形成了底边膨胀为Oa2，近似梯形的切屑单元OMm2a2，许多梯形选加起来就迫使切屑向逆时针方向转动（图1-20c）。从力学观点来看，刀具前刀面对切削层金属所作用的压力对切屑产生一个弯曲力矩，迫使切屑卷曲。由以上切屑形成过程的典型模型可以看出，切屑形成过程是切削层金属在刀具的挤压作用下产生塑性压缩，主要是以剪切滑移的方式产生塑性变形而形成为切屑的过程。图1-20切屑形成过程的典型模型1.2.2金属切削过程中的变形规律1.切削区的变形范围2.切削过程变形的表示方法——变形系数3.剪切面与剪切角4.剪切区的变形5.变形系数与剪应变的关系1.切削区的变形范围一般地将整个切削区切分为三个变形区（图1-21），即：（1）第一变形区（Ⅰ），也就是剪切区。是产生变形的主工区域。此区涉及变形的种类与状态，也即被切削材料应力—应变特性和强度的问题，因此直接与切削过程中的切削力及所消耗的功率有关。（2）第二变形区（Ⅱ），也就是刀—屑接触区。是前刀面与切屑产生摩擦的区域。此区涉及摩擦、润滑和磨损等问题。由第一变形区的变形与第二变形区的摩擦所产生的切削热直接影响了刀具的磨损与耐用度。（3）第三变形区（Ⅲ），也就是刀—工热接触区。是后刀面与已加工表面间产生摩擦的区域。此区涉及刀具的磨损，工件的尺寸精度，加工表面光洁度与表面质变层等问题，因而直接与加工表面的质量有关。由此可知，完整的金属切削过程包括三个变形区，它们汇集在切削附近，应力状况复杂、应力大而集中，切削层金属就在此处分离。此外，必须指出，三个变形区互有影响，密切相关。例如第二变形区即刀—屑接触区的摩擦状况对第一变形区的剪切面位置有很大影响，而第三变形区却受到延伸至已加工表面下的第一变形区的影响等等图1-21切削时的三个变形区2.切削过程变形的表示方法——变形系数图1-22切屑的收缩3.剪切面与剪切角（1）剪切面与剪切角图1-23作用于切削层的力系与剪切角的关系由切屑形成过程可知，当切削层受塑性压缩达一定程度后，会以单元形式沿OM面剪切，现OM面称为剪切面，而φ称为剪切角（图1-23）。φ角指出了切屑单元剪切的方向，是说明切削变形的重要参数之一。在一定的简化情况下，可从作用于切削层的力系来确定剪切角φ的大小（图1-23）。图中Fn为刀具作用于切削层的法向力，Ff为切屑沿前刀面的摩擦力，因而作用在切削层的合力Fr也就是将切屑切下的作用力为：•此处Fs与Fsn分别为作用于剪切面上的剪切力与法向力。由金属塑性变形理论可知，作用力与最大剪应力方向间的夹角χ约成。因此：•式1-32中，β是Fr与Fn的夹角，称为摩擦角（tgβ=μ）。（β–γo）是作用力Fr与切削速度方向的夹角，它代表Fr作用于切削层的方向，称为作用角ω。其大小直接影响着切削过程。•（2）剪切角与变系数的关系•图1-25自由20cr钢，作用角ω=0时前角对剪切角的影响•由式1-32与图1-23、图1-24、图1-25可知：如工件材料一定，φ值主要与刀具前角γo，前刀面与切屑间的摩擦系数μ有关。γo越大，切屑流出方向与原切削速度方向改变越小，从而使剪切面OM减小，φ角增大，故变形较小；反之，变形增大。一般切削钢时φ≈20o~35o，这时φ越大，变形越小。可见，增大前角可减小变形，有利于改善切削过程。此外，当前刀