1、金属切削原理与刀具 复习大纲,第一章 刀具几何角度及切削要素,1-1 切削运动与切削用量1.切削运动分为主运动与进给运动2.切削用量三要素,切削刃上各点速度不一样，一般取dw,1-2 刀具切削部分的基本定义,一 三面二刃一尖 3 面：前刀面、后刀面、副后刀面 2刃：主切削刃、副切削刃 1尖：刀尖 二、刀具角度参考系 正交平面参考系：基面（Pr )、切削平面（Ps)、正交平面(Po) 法平面参考系：基面(Pr)、 切削平面(Ps)、 法平面（Pn) 假定工作平面参考系：基面（Pr ）、假定进给平面（Pf)、假定切深平面(Pp) 基面、切削平面、正交平面的定义。,二、刀具切削部分的几何角度 （以外
2、圆车刀为例）,1、车刀的组成,刀 头,刀 杆,前刀面,主后刀面,副后刀面,主切削刃,副切削刃,刀 尖,三面、两刃、一尖,2、车刀的几何角度,（1）辅助平面,基 面,基 面,切削平面,切削平面,正交平面,正交平面,三 个 辅 助 平 面,（2）车刀的主要几何角度,前角 0,后角 0,楔角 0,0 +0+0=90o,主偏角 kr,副偏角 kr,kr+kr+=180o,七个角（正交平面3个，基面3个，切削平面1个）,刃倾角 0（现在0=0）,三、刀具的标注角度,在基面内测量的角度：,主偏角： “主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,副偏角： “副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,刀尖角
3、： “主切削刃与副切削刃之间的夹角”。r=180-(r+r),三、刀具的标注角度,在正交平面内测量的角度,后角：o “后刀面与切削平面的夹角”,前角：o “前刀面与基面之间的夹角”。,在切削平面内：,刃倾角：S “主切削刃与基面之间的夹角”,1-5刀具的工作角度,切削刃安装高低对工作前、后角影响：偏高：，,工作前角 增大 工作后角 减小,重点：作图法做出表示外圆、端面、镗孔、切槽刀的几何角度切削三要素及切削层参数的计算,1-6 切削层参数,1. 刀具材料应具备的性能,第二章 刀具材料,2. 常用刀具材料,能制造结构复杂的成形刀具,有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。,推
4、广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。,钨钴类（WC+Co）；YG,属K类加工铸铁、有色金属及其合金，可断续切削或粗加工（不适合加工钢料，因为在640严重粘结，使刀具磨损） 含Co量高适于粗加工，含Co量低适于精加工 钨钛钴类（WC+TiC+Co）；YT,属P类 加工碳钢、合金钢，宜在连续切削的半精加工或精加工含TiC高适于精加工，含TiC低适于粗加工. 钨钛钽（铌）类硬质合金（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co） :YW，属M类 适用于加工脆性材料、塑性材料。,（1）硬质合金的分类,陶瓷：适用于精细加工硬材料（缺点强度韧性差、热导率低、脆性大、拉伸
5、性能很差） 立方氮化硼：适用于淬硬材料的加工,重点：1. 刀具切削部分应具有的性能？2. 各种刀具材料使用于加工什么材料？,第三章 金属切削过程的基本规律,第一变形区：（基本变形区） OAOM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。 主要特征： 剪切面的滑移变形,第二变形区： 切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。,第三变形区,第二变形区,第一变形区,第三变形区： 工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。 造成工件表面的纤维化与加工硬化。 该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。,1. 切削变形区,二、 切屑的
6、种类,带状切屑 节状切屑 粒状切屑 崩脆切屑,切脆性材料,在不同的切削条件下，形成的切屑种类不同，当条件改变时它们可以互相转化。在形成节状切削情况下,改变切削条件,进一步减小切削速度，减小前角,增大切削厚度,就可以得到粒状切削;反之,如增大切削速度,增大前角,减小切削厚度,即可得到带状切削.掌握其变化规律，有助于控制切屑形态，控制切削过程。,三、变形程度的表示方法,变形系数：( 切削厚度压缩比h ),厚度变形系数：,长度变形系数：,根据体积不变原理数：,切塑性金属时前刀面上应力分布情况刀-屑接触区可分两部分： 粘接区lf1: 剪切滑移，内摩擦 滑动区lf2: 滑动摩擦，外摩擦 一般内摩擦力约占
7、总摩擦力的85%,四、 前面上摩擦特点,切屑流出时与刀具前面接触长度为Lf = Lfi + Lfo,在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时, 常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤(the built-up edge) ，或称刀瘤。,1）什么是积屑瘤,（1）积屑瘤硬度比工件材料高2-3倍,可以代替切削刃及前刀面进行切削,可以保护切削刃、减小前刀面的磨损；,3积屑瘤对切削过程的影响,（5） 积屑瘤脱落的碎片会粘结或嵌入工件表面，影响工件已加工表面的质量。因此精加工时必须设法抑制积屑瘤的形成。,（4）积屑瘤高低不平，会在工件表面造成“犁沟”
8、现象，影响工件的表面粗糙度；,（3）对于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际切削厚度增大，形成“过切现象”，影响工件的尺寸精度；,（2）在积屑瘤形成后，刀具的实际前角将明显增大，对减小切屑变形及降低切削力起了积极作用；,凡有利于减轻刀和屑界面摩擦，减小粘结接触面积的因素，都有利于抑制积屑瘤。,4积屑瘤的控制措施,6、采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。,5、对工件材料进行适当的热处理，提高其硬度，减小塑性；,4、提高刀具刃磨质量，降低刀面的表面粗糙度；,3、减小进给量；,2、增大刀具的前角，以减小刀屑接触压力；,1、采用低速或高速切削，避开容易形成积屑瘤的切削速度；,第二节 切削力,一、切削力的来源：
9、,工件、切屑的变形抗力,刀具与切屑、工件与刀具之间的摩擦阻力,Fc : Fp : Ff = 1: (0.4-0.5) : (0.3-0.4),主运动方向上的力，95%-99%功率,不做功,进给力1%-5%功耗,二、影响切削力的因素,1.切削用量 ap f Vc(ap影响最大，f次之 ，Vc影响最小） 2.刀具几何参数前角o : o-Fc主偏角kr ：kr(30-60 ) -Fc,kr(60-70 ) -Fc ,3-3 切削热,切削层挤裂变形,前刀面与切屑摩擦,一、切削热的来源：,切削热的分布：,热量的20%50%传给刀具刀具磨损、硬度降低,二、影响切削温度的因素分析,1、切削用量对切削温度的影
10、响：Vc f ap,vc、f、ap, ,用YT15刀具，切削45#钢时( b=75kg/cm2),（二）刀具几何参数的影响1. 前角0 的影响0 变形程度F Q 但0 20时，会使刀头部分散热体积，对的降低有影响。,2. 主偏角r的影响r ，切削宽度aw ，散热面积 ,3-4 刀具磨损,一、刀具磨损概念 切削时刀具在高温条件下，收到工件、切屑的摩擦作用，使刀具材料逐渐被磨耗或出现磨损。,二、刀具磨损形式, 正常磨损,前刀面磨损（前面磨损）,形式：月牙洼 形成条件：加工塑性材料，v大，hD大 影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,后刀面磨损（主后面磨损）,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax
11、） 形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料 影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量,边界磨损（副后面磨损）,三、刀具的磨钝标准,四、刀具磨损机理1. 磨粒磨损2.相变磨损3.粘结磨损4.扩散磨损 都与温度影响有关5.氧化磨损,“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸”。以VB表示,五、刀具的使用寿命,一） 刀具寿命概念：“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总的切削时间”。记为：T,切削用量与刀具使用寿命的关系：,可见： vc对T的影响最大，f次之，aP最小。在优选切削用量以提高生产率时，首先应尽量选大的aP，然后根据加工条件和要求选
12、允许最大的f，最后根据T选取合理的vc。,第四章 切削基本理论的应用,第一节 切屑控制 第二节 工件材料的切削加工性 第三节 切削液的选择 第四节 已加工表面质量 第五节 刀具几何参数的合理选择 第六节 切削用量的合理选择,一、切屑形状的分类,1 带状切屑,2 管状切屑,3 盘旋状切屑,6 弧形切屑,5 锥形螺旋切屑,4 环形螺旋切屑,7 单元切屑,8 针形切屑,二. 切屑的卷曲与流向1 切屑的卷曲 切屑的卷曲是由于切屑内部变形，或碰到刀具前刀面上磨出的断屑槽、凸台、附加挡块以及碰到其它障碍物后造成的。 2 切屑的流向 切屑的流向主要受刃倾角的影响。,4-2 工件材料的切削加工性,“指对某种材
13、料进行加工的难易程度”,相对加工性：Kr,铸铁 碳素合金钢：加入硫S、磷P、铅Pb、钙Ca等一种或几种元素可改善切削的难易程度 3.难加工材料,4-3 切削液的选用,切削液(cutting fluid)的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。,使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。,3）切削液的排屑和清洗作用,水溶液:主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂,有良好
14、的冷却作用和清洗作用。,矿物油少量动植物油 非溶性切削液主要起润滑作用。,乳化液乳化油用水稀释而成，具有良好的流动性和冷却作用，并有一定的润滑作用,1. 水溶液 组成：水+防锈剂、清洗剂、油性添加剂（增加润滑性和清洗性）。 常用于普通磨削、粗加工 2. 乳化液 组成：乳化油+水（混合后再搅拌） 适用于：粗加工，普通磨削（低浓度乳化液）精加工和复杂刀具加工（高浓度乳化液） 3. 合成切削液 组成：水+表面活性剂+化学添加剂 常用于不锈钢、钛合金等难加工材料的钻孔、铣削和攻螺纹。,1.切削油 组成： 矿物油、+动植物油+复合油 常用于：滚齿、插齿、车螺纹、一般精加工 煤油渗透作用和冲洗作用比较突出
15、，故用于精加工铝合金、精刨铸铁平面和高速钢铰孔2. 极压切削油 组成：切削油+硫、氯和磷极压添加剂 常用于难加工材料的精加工,二硫化钼（MoS2） 摩擦系数小、熔点高 抗压性能高和牢固的附着能力，能防止和抑制积屑瘤产生，减小切削力，显著延长刀具寿命、减小表面粗糙度。,一 已加工表面质量,表面粗糙度,表面波度,表面物理力学 性能的变化,表面微观几何 形状特征,表面层冷作硬化,表面层残余应力,表面层金相组织的变化,4-4 已加工表面质量的含义,机械加工中，表面粗糙度形成的原因大致可归纳为几何因素和物理力学因素两个方面。,刀尖圆弧半径r 主偏角kr、副偏角kr 进给量f,H=f/(cotr+cotr
16、),H=f 2/(8r),二、影响加工表面粗糙度的主要因素及其控制,r,r,f,H,H,f,r,2、影响切削加工表面粗糙度的因素,理论粗糙度 刀具切削进给时，刀具对 工件表面的不完全切除造 成的残留面积所形成。,影响残留面积高度H的因素,主偏角r 副偏角r 刀尖圆弧半径r 进给量f,加大r或减小f、r、r 可以得到数值小的横向粗糙度,X,a,o, （1）积屑瘤和鳞刺影响在较低的切削速度，切削塑性材料时，会在工件已加工表面上形成近似与切削方向相垂直的横向裂纹，并有鳞片状毛刺出现，即所谓“鳞刺”。当有鳞刺出现时，表面粗糙度会增大24级。所以，为改善已加工表面粗糙度，必须对鳞刺加以控制。一般地说，凡
17、是使积屑瘤减小的措施对减轻鳞刺也是适用的。,B) 实际粗糙度理论粗糙度上叠加非正常因素。,（2）刀具磨损影响,（3）振动影响,影响切削加工表面粗糙度的因素,刀具几何形状,刀具材料、刃磨质量,切削用量,工件材料,影响切削加工表面粗糙度的因素,“锐字当先、锐中求固”,4-5 刀具几何参数选择,一、前角的功用及选择,二、后角的功用及选择,1.主偏角的作用racaw单位刃长负荷 T刀尖强度散热体积，RaFp变形加工精度，易振动Ra，T 在一定的条件下，存在一个合理值,2.合理主偏角的选择原则 主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r取较小值；若刚性差（细长轴），r取较大值（90）； 考虑工件形状、
18、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取 90 ；镗盲孔90 ；r小切屑成长螺旋屑不易断；较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。,三、主偏角的功用及选择,r、r选择总原则：在不产生振动的条件下，取小值。,.4-6 切削用量的选择原则 粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿命与切削用量的关系式，切削用量， T ，其中速度 v 对T 影响最大，进给量f 次之，背吃刀量ap影响最小。,粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f ，最后根据刀具合理使用寿命，用计算法或查表法确定切削速度v 。
19、这样使v、f 、ap 的乘积最大，以获得最大的生产率.,精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。,第十四章 磨削与砂轮,磨削是一种精加工方法。 尺寸精度可达IT5IT6。 表面粗糙度能达到0.80.08.,三、磨削运动与磨削用量,在磨削过程中，磨削速度、工件圆周进给速度、轴向进给量、径向进给量等，统称为磨削用量。 合理选择磨削用量对保证磨削加工质量和提高生产率有很大影响。,砂轮的高速旋转运动是主运动，磨削速度是指砂轮外圆的线速度。,指工件外圆的线速度。,指工件转一周沿轴线方向相对于砂轮移动的距离。单位为mm/r；,指砂轮相对于工件在工作台每双（单）行程内径向移动的距离，单位为mm
20、/双行程或mm/单行程。,2. 砂轮的特性,1）砂轮的磨料,2）.粒度筛选法：区分较大的磨粒。粒度号越大，磨粒的实际尺寸越小沉积法：区分微细磨粒 3）.结合剂把磨粒固结成磨具的材料成为结合剂。 4）.硬度磨粒在外力作用下从磨具表面脱落的难易程度成为硬度。 5）.组织组织表示砂轮中磨料、结合剂和气孔间的体积比例。,减小磨削加工表面粗糙度值的工艺措施主要有：,1、提高砂轮线速度,2、选择适当粒度的砂轮砂轮粒度越细，磨削表面粗糙度值越小。粗粒度的砂轮经过精细修整，可在一个磨粒上修出许多微刃，也能加工出粗糙度值较小的表面。普通砂轮粒度号是880，一般磨削多用4660，精密磨削多用60100,3、精细修整砂轮工作表面 4、减小磨削深度与工件线速度,此外，工件材料硬度、砂轮硬度、冷却 润滑液的选择与净化等都是磨削表面粗 糙度不容忽视的重要因素,
