1、第二章,金属切削原理与刀具,第一节 金属切削加工的基本概念,一、金属切削加工的基本概念 1、切削运动与切削表面 金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。按切削时工件与刀具相对运动所起的作用来分 （1）主运动 vc 主运动是切下金属所必须的最主要的运动。通常它的速度最高，消耗机床功率最多。 （2）进给运动 vf 使新的金属不断投入切削的运动。可以是连续运动，也可以是间歇运动。 （3）合成运动与合成切削速度 刀具切削刃上某一点相对工件的运动 ve=vc+vf,合成运动,切削表面,待加工表面已加工表面过渡表面(加工表面),2、切削用量与切削层参数,vc、f、ap称之为切削用量三要素 （1）切削速
2、度 式中 d工件或刀具上某一点的回转直径（mm） n工件或刀具的转速（r/s或r/min）,（2）进给速度vf,单位时间的进给量，单位是mm/s(mm/min) 进给量f: 工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是mm/r（毫米/转）。每一个刀齿的进给量fz，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/z(毫米/齿)。 vf=fn= fzzn mm/s或mm/min,（3）背吃刀量,车削、刨削加工：背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 外圆柱表面车削的深度可用下式计算： ap =(dw dm）/2 mm 对于钻孔工作 ap = dm /2
3、 (mm) 上两式中 dm已加工表面直径（mm） dw 待加工表面直径（mm）,（4）切削层参数,a、 切削层公称厚度 垂直于加工表面来度量的切削层尺寸称为切削厚度ac=fsinkr ac切削层公称厚度(mm) f进给量(mm/r) kr车刀主偏角(0)b、 切削层公称宽度 沿过渡表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，以aw表示，aw=ap/sinkrc、切削层公称横截面积 Ac=acaw=fap,第二节 刀具,一、刀具角度,1、 刀具切削部分的组成 (1) 前刀面Ar：切屑流过的表面。(2) 后刀面：分为主后刀面与副后刀面(3) 切削刃：前刀面上直接进行切削的边锋主切削刃指前刀面与主后刀面相交
4、的锋边副切削刃指前刀面与副后刀面相交的锋边(4) 刀尖：刀尖可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是主、副两条切削刃连接起来的一小段切削刃，它可以是圆弧，也可以是直线，通常都称为过渡刃。,2、确定刀具角度的参考平面,（1）基面Pr：通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。（2）切削平面Ps：通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。（3）正交面：通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直平面,切削平面+基面+正交面 正交平面参考系,3、刀具的标注角度,在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。在切削刃是曲线或前、后刀面是曲面的情况下，
5、定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲刃或曲面。,前角,后角,主偏角,刃倾角,副偏角,在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,刀具的工作角度,切削时切削平面、基面和正交平面发生变化,(1)刀具安装对工作角度的影响当刀尖安装得高于工件中心线时，工作切削平面将变为Pse，工作基面变为Pre， 工作前角pe增大，后角pe减小。,进给运动对工作角度的影响,车刀的工作前角增大，后角减小。,二、刀具种类,1、刀具分类 按加工方式和具体用途分类车刀类:单齿刀具.包括车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀、自动机床和半自动机床用的切刀以及一些专用切刀。铣刀类: 多齿刀具,
6、 用于在铣床上加工各种平面、侧面、台阶面、成形表面以及用于切断、切槽等。根据齿形不同，铣刀可分为尖齿铣刀和铲齿铣刀两类。孔加工刀具类:包括从实体材料上加工孔以及对已有孔进行再加工所用的刀具。如各种钻头、扩孔钻、锪钻、铰刀、复合孔加工刀具等。拉刀类:用于加工各种形状的通孔、贯通平面及成形表面等，是高生产率的多齿刀具，一般用于大批量生产。螺纹刀具类: 各种内外螺纹，如螺纹车刀、螺纹梳刀、丝锥、板牙、螺纹铣刀、螺纹切头、滚丝轮、搓丝板等。齿轮刀具类: 加工各种渐开线齿轮和其他非渐开线齿形的工件，如齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、蜗轮滚刀、花键滚刀等。,按材料分类,高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮
7、化硼（CBN）刀具、金刚石刀具 目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。 按结构分类 整体刀具、焊接刀具、镶片刀具、机夹刀具 按标准化分 标准刀具、非标准刀具,2、常用刀具介绍,车刀孔加工刀具铣刀拉刀螺纹刀具齿轮刀具自动线与数控机床刀具,（1）车刀,1-端面车刀；2-仿形车刀；3-车槽刀；4-外圆车刀；5-螺纹车刀,常用车刀的种类及其用途1切断刀 2左偏刀 3右偏刀 4弯头车刀 5直头车刀 6成形车刀 7宽刃精车刀 8外螺纹车刀 9端面车刀 10内螺纹车刀 11内槽车
8、刀 12通孔车刀 13盲孔车刀,车刀按结构分类,整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀 焊接车刀 优点是：结构简单、紧凑；刀具刚度好、抗振性能强；制造方便，使用方便。 缺点是：切削性能较低、刀杆不能重复使用、辅助时间长。机夹车刀和可转位车刀 优点：刀具使用寿命长、生产效率高、有利于推广新技术、新工艺 有利于降低刀具成本。,可转位刀具,将预先加工好并带有若干个切削刃的多边形刀片，用机械夹固的方法夹紧在刀体上的一种刀具。当在使用过程中一个切削刃磨钝了后，只要将刀片的夹紧松开，转位或更换刀片，使新的切削刃进入工作位置，再经夹紧就可以继续使用。,常用的可转位硬质合金刀片形状,（2）孔加工刀具,孔加工
9、刀具按其用途可分为两大类。一类式从实体材料中加工出孔的刀具，如麻花钻、扁钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上的已有的孔进行再加工，如扩孔钻、锪钻、铰刀及镗刀等,钻头,麻花钻由三部分组成: 工作部分：切削部分、导向部分 柄部：钻头的夹持部分 颈部：位于工作部分与柄部之间,中心钻,http:/ 外排屑深孔钻、内排屑深孔钻、喷吸钻、套料钻,用于加工枪管的外排屑深孔钻,扩孔钻,锪钻,铰刀,精加工刀具 手用铰刀、机用铰刀、2把一套的锥度铰刀,铰刀的结构组成,镗刀,用于箱体孔的粗、精加工，分单刃镗刀和多刃镗刀,微调镗刀和双刃镗刀,（3）铣刀,1.按用途分类 a)圆柱铣刀 b)端铣刀 c)槽铣刀(锯片铣刀
10、) d)两面刃铣刀 e)三面刃铣刀 f)交错齿三面刃铣刀 g)立铣刀 h)键槽铣刀 i-j)角度铣刀 k)成形铣刀,（4）拉刀,加工精度和切削效率高的多齿刀具,轴线作等速直线运动 后一个(或一组)刀齿高出前一个(或一组)刀齿 依次从工件上切下金属层 从而获得所需的表面,拉刀设计,确定拉刀参数：前角、后角、直径、齿升量，齿距p 粗切齿af=0.020.2mm；精切齿af=0.0050.015mm 齿距：,（5）螺纹刀具,切削法和滚压法加工 螺纹梳刀、板牙P26图2-26,石油管螺纹梳刀,丝锥 板牙,（6）齿轮刀具,成形法：用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削齿轮。,展成齿轮刀具,插齿刀、齿轮
11、滚刀、剃齿刀 包络法（展成法）是利用齿轮的啮合原理进行的，即把齿轮的啮合副中的一个转化为刀具，另一个转化为工件，并强制刀具与工件严格地按照运动关系啮合，则刀具切削刃在各瞬时位置的包络线就形成了工件的齿廓线。采用范成原理加工齿轮的机床有滚齿机、插齿机、磨齿机等等,插齿原理及加工所需的运动,插齿刀标准型式,插齿刀用于加工直齿内、外齿轮、斜齿圆柱轮和齿条，尤其是对于双联或多联齿轮、扇形齿轮等的加工有其独特的优越性。插齿刀有盘形、碗形、锥柄等标准型式（如图所示）。插齿刀有三个精度等级：AA、A、B，分别用寸加工6、7、8级精度的齿轮。,齿轮滚刀工作原理,用齿轮滚刀加工齿轮的过程，相当于一对螺旋齿轮啮合
12、滚动的过程(如图a所示)。将其中的一个齿数减少到一个或几个，轮齿的螺旋角很大(如图b所示)。开槽并铲背后，就成了齿轮滚刀(如图c所示)。当机床使滚刀和工件严格地按一对螺旋齿轮的传动关系作相对旋转运动时，就可在工件上连续不断地切出齿来。,自动线与数控机床刀具,可靠性、断屑、精度、快换、刀具尺寸控制调整和补偿、在线监控、标准化、系列化、通用化,三、刀具材料,1、 刀具材料应具备的性能 （1）高的硬度和耐磨性 刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上。耐磨性取决于组织中硬质颗粒的数量、大小和分布。 （2）足够的强度和韧性 承受切削中的压力冲击和振动一般强度用抗弯强度来表示，韧性用冲击值表
13、示。 （3）高的耐热性 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。 （4）良好的工艺性 切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。 （5）良好的经济性,2、常用刀具材料,高速钢是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。,硬质合金,由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成
14、。 含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。 硬度可达HRA8993，在8001000还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高410倍。抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。 广泛用作刀具材料（约占50）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。,国产硬质合金一般分为两大类： 一类是WC和和Co组成的钨钴类（YG）； 另一类是WC,TiC和Co组成的钨钴钛类（YT）YG类硬质合金的韧性较好，但切削韧性材料时耐磨性差，适
15、合加工铸铁、青铜等脆性材料。 YT类硬质合金比YG类硬度高，耐热性好，切削韧性材料耐磨性较好，但韧性较差，适合加钢件。,陶瓷刀具,有纯纯Al2O3陶瓷及Al2O3TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度（HRA9195）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高25倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。,金刚石刀具,硬度高达HV10000,耐磨性好，可用
16、于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其热稳定性差，切削温度不宜超过700800；强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削；与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。目前主要用于磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔；加工铝合金、铜合金时，切削速度可达8003800m/min。,立方氮化硼,由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。有很高的硬度（HV80009000）及耐磨性；比金
17、刚石高得多的热稳定性（1400），可用来加工高温合金；化学惰性大，与铁族金属直至1300时也不易起化学反应，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。它目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰。两种类型：整体聚晶立方氮化硼，能像硬质合金一样焊接，并可多次重磨；立方氮化硼复合片，即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。,四、刀具选用,1、 刀具种类的选择 刀具种类主要根据被加工表面的形状、尺寸、精度、加工方法、所用机床及要求的生产率等进行选样。如平面的加工，单件小批量生产可采用刨床刨削。所用刀具为刨刀；在大批大量生产中，多采用铣床铣削，或拉床拉削(精度较高
18、时)，所用刀具为铣刀和拉刀。2、 刀具材料的选择 根据工件材料、刀具形状和类型及加工要求等进行选择。 对于切削刃形状复杂的刀具，例如成形车刀、拉刀、丝锥、板牙、齿轮刀具、以及容屑槽是螺旋形的刀具，例如麻花钻、扩孔钻、铰刀、立铣刀、圆柱铣刀。目前大多用高速钢(HSS)制造。,3、刀具角度的选择,（1）前角 增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。 前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具使用寿命。 前角的大小对表面粗糙度、排屑及断屑等也有一定影响。生产中，前角大小常根据工件材料、刀具材料、加工要求等进行选择。 工件材料的强度、硬度低：前角应选得大一些，反
19、之应选得小些； 刀具材料韧性好(如高速调)：前角可选得大些，反之应选得小些(如硬质合金)； 精加工时前角可选得大些，粗加工时应选得小些。 通常硬质合金车刀的前角0在-50+200他围内选取，高速钢刀具的前角可比同类硬质合金刀具大50+200,（2）后角,后角0的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响 切削厚度越大，刀具后角应越小；工件材料越软，塑性越大，后角应越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。车削一般钢和铸铁时、车刀后角常选用4060。,（3） 主偏角,主偏角kr的大小影响切削条件和刀具寿命。在工艺
20、系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工面粗糙度，所以kr宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件变形和振动，应选用较大的主偏角。车刀常用主偏角有450、600、750和900。,（4）副偏角,可减小切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削振动。主要根据表面粗极度的要求选取，一般为50150， 粗加工取大值，精加工取小值。,（5） 刃倾角,刀倾角s主要影响刀头的强度和切屑流动的方向在加工一般钢料和铸铁时，无冲击的粗车取-50 00精车取0050，有冲击负荷时，-50-150加工高强度钠、冷硬钢时，-200300,总之,刀具角度选用实践性很强，要综合考虑,五、磨料与磨具,
21、磨削带磨粒的工具（砂轮、砂带、油石）对工件进行加工。磨粒+结合剂压坯干燥焙烧修整,1、 磨料,砂轮的主要原料，直接担负切削工作要求高硬度、高耐热性和一定的韧性,2、粒度,（1）磨粒（尺寸40m） 正好能通过一英寸长度上孔眼数为n的筛网，称其号数为n#（2）微粉（尺寸40m）Wn表示微粉在显微镜下的尺寸为nm,3、结合剂,将磨粒粘合成具有一定强度和形状的砂轮。 砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力，主要取决于结合剂的性能。,4、 砂轮硬度,砂轮上磨粒受力后自砂轮表层脱落的难易程度，反映磨粒与结合剂的粘固强度。 磨粒难脱落叫硬度高，反之叫硬度低。注意:砂轮的硬度和磨粒的硬度是两个不同的概念砂轮
22、的硬度从低到高分为超软(代号D、E或F)、 软1(G)、软2(H)、软3(J)、 中软1(K)、中软2(L)、 中1(M)、中2(N)、 中硬l(P)、中硬2Q、中硬3(R)、 硬1(S)、硬2(T)和超硬(Y)等等级。,5、砂轮组织,砂轮的组织是指砂轮中磨料、结合剂、气孔三者体积的比例关系。磨料所占的体积比例越大，砂轮的组织越紧密；反之，组织越疏松。砂轮组织分为紧密(组织号03)、中等(组织号47)和疏松(组织号812)三个类别。,6、砂轮的形状、用途和选择,砂轮选择的主要依据,被磨材料的件质、工件表面租糙度和金属磨除率。 选择的原则： 磨削钢时，选用刚玉类砂轮，磨削硬铸铁、硬质合金和非铁金
23、属时，选用碳化硅砂轮； 磨削软材料时，选用硬砂轮，磨削硬材料时，选用软砂轮 磨削软而韧的材料时，选用粗磨粒(如12#36#)，磨削硬而脆的材料时，选用细磨料(加46#100 #) 磨削表面的租糙度值要求较低时，选用软磨粒，金属磨除率要求高时，选用粗磨粒； 要求加工表面质量好时，选用树脂或橡胶结合剂的砂轮，要求最大金属磨除率时，选用陶瓷结合剂砂轮。,六、自动化加工设备中刀具的管理,MC FMC FMS 1、刀具组件的组成 刀具组件由两部分组成：即通用或专用刀具构成的切削工具和供自动刀具交换装置使用的通用刀柄及拉钉。其中，刀具可以是铣刀、钻头、丝锥、铰刀、锤刀头等。联接器(如钻夹头、弹簧卡头、丝锥夹头等)，用于连接刀柄本体和刀具。尾拉钉拧入刀体内后，其尾部供主轴内的拉紧机构拉紧刀具。,2、刀具管理的任务,刀具描述信息（静态信息）：刀具编码、刀具几何参数 刀具状态信息（动态信息）：刀具位置、累计使用次数、剩余寿命,3、 刀具管理的内容,刀具室的管理 刀具的分配与传输 刀具的监控 刀具信息的处理,4、刀具的识别,识别刀具的编码 识别方式： 接触式识别（触针）、非接触式识别（条形码识别系统）,5、 选刀方式,顺序选择方式：刀具在加工中不能重复使用任意选择方式：刀库驱动控制复杂,
