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LOGO机械制造技术基础19:31:521第二章制造工艺装备金属切削刀具：概念、角度、材料、刀具种类1金属切削机床：类型、设计原理、机床原理2机床夹具：概念、定位原理、夹紧方式与夹紧力3本章为全书重点内容之一19:31:522第一节金属切削刀具的基本知识一.金属切削加工的基本概念１、切削运动与切削用量金属切削加工是利用刀具从工件毛坯上切去一层多余的金属，从而使工件达到规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的机械加工方法。为了切除多余的金属，刀具和工件之间必须有相对运动，即切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动。如图2－1和图2－2。19:31:523①主运动：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最近本运动。其速度最高，消耗功率最大。切削运动中，主运动只有一个.②进给运动：不断地把被切削层投入切削，以逐渐切削出整个工件表面的运动，为进给运动。一般速度低，消耗功率小，可由一个或多个运动组成①与②合成为切削运动切削运动19:31:524③切削用量（切削三要素）切削速度:Vc=πdn/1000(m/s)进给量:forVf背吃刀量:ap=(dw-dm)/2(mm)三者的总称为切削用量19:31:5252.切削时的工件表面待加工表面：工件上即将被切除的表面已加工表面：工件上经刀具切削后形成的表面过渡表面（加工表面）：工件上被切削正在切削着的表面，它总在待加工表面和与加工表面之间19:31:5263.切削层参数公称厚度hD：垂直于过渡表面测量的切削层的尺寸,相邻两过渡表面之间的距离。hD＝f×sinKr(mm)公称宽度bD：沿过渡表面测量的切削层尺寸。反应了切削刀刃参加切削的工作长度。bD＝ap/sinKr(mm)公称横截面积：切削层在切削层尺寸平面内的实际横截面积。AD＝hD×bD＝f×ap(mm2)19:31:527二切削刀具的基本概念（刀具角度）金属切削刀具的种类很多，其形状、结构各不相同，但是它们的基本功能都是在切削过程中，用刀刃从工件上切下多余的金属。因此在结构上它们都具有共同的特征，尤其是他们的切削部分。外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，故通常以外圆车刀为代表来说明刀具切削部分的组成，并给出部分几何参数的一般性定义。19:31:528（一）刀具切削部分的组成（车刀）前刀面Ar主后刀面Aα副后刀面A’α主切削刃S副切削刃S’刀尖19:31:529(1)前面（前刀面):刀具上与切屑接触并相互作用的表面。切削流过的表面，以Ar表示。(2)主后面（主后刀面):刀具上与工件过渡表面接触并相互作用的表面。以Aα表示。19:31:5210(3)副后面（副后刀面):刀具上与工件已加工表面接触并相互作用的表面。(4)主切削刃:前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作。19:31:5211(5)副切削刃:前刀面与副后刀面的交线，它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:连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧．19:31:521219:31:5213（二）定义刀具角度的参考系基面Pr：通过主切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。切削平面Ps：通过主切削刃上选点点，与主切削刃相切，垂直于改点基面的平面。正交平面P0：通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。基面、切削平面和正交平面组成标注刀具角度的正交平面参考系。常用的参考系还有法平面、假定工作平面和背平面参考系。19:31:5214（三）刀具的标注角度(1)前角：在正交平面内测量前刀面与基面之间的夹角，前角表示前刀面的倾斜程度，前脚的正负方向按图示规定表示。(2)后角：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角，后角表示主后刀面的倾斜程度；后角一般为正值。(3)主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角，主偏角一般为正值；19:31:5215(4)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，副偏角一般为正值。(5)刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。19:31:5216刀具标注角度（小结）前角γ0：在正交平面上度量，前刀面与基面间的夹角，数值有正、负。后角α0：在正交平面上度量，主后刀面与切削平面的夹角；主偏角κr：在基面上度量，主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。副偏角κ’r：在基面上度量，副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。刃倾角λs：主刃—基面之间的夹角（切削平面测量）19:31:5217刀具的主要标注角度19:31:5218（四）刀具的工作角度1.产生原因:在实际的切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。2.定义:以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。3.影响：刀具安装位置对工作角度的影响、进给运动对工作角度的影响。19:31:5219a)刀具安装位置对工作角度的影响①当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，刀具的工作前角和工作后角的变化情况②当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，刀具的工作主偏角和工作副偏角的变化情况b)进给运动对工作角度的影响19:31:522019:31:5221刀尖安装得高于或低于工件轴线时的工作角度的情况刀尖安装得高于或低于工件轴线时的工作角度19:31:5222当刀尖低于工件轴线时：工作前角变小，工作后角变大。19:31:5223刀具工作角度的影响因素（小结）刀具的工作角度：切削过程中的实际基面、切削平面和正交平面为参考系所确定的刀具角度。影响刀具工作角度因素：横向进给运动（图2-9）；刀具安装高低（图2-11）；轴向进给运动（图2-10）；刀杆中心线偏移（图2-12）。19:31:5224三、刀具材料刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状（刀具角度）和结构尺寸。刀具切削部分在加工时要承受高温、高压、强烈的摩擦，冲击和振动，工作环境恶劣；刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。19:31:53251、刀具材料应具备的性能高的硬度：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的常温硬度一般要求高于HRC60。高的耐磨性：一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。足够的强度和韧性：承受切削力、冲击和振动，不至于产生崩刃和折断。高的耐热性（热稳定性）：高温下保持硬度、耐磨性和韧性的能力。良好的热物理性能和耐热冲击性能：刀具材料的导热性要好，不会因受到大的热冲击产生内部裂纹导致刀具断裂。良好的工艺性能：锻造性能、热处理性能、焊接性能和磨削加工性能，刀具制造成本低。19:31:53262、高速钢(表2-1)含有较多钨、钼、铬、钒等元素的高合金工具钢；具有较高的硬度（热处理硬度达HRC62—67）和耐热性（切削温度可达550—600º）；切速比碳素工具钢和合金工具钢高1~3倍(由此得名)，刀具耐用度高10~40倍，甚至更多；可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料；19:31:5327制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃；在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中占有重要地位。用途分：通用型高速钢和高性能高速钢制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢19:31:53283、硬质合金(表2-2)用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物（碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等）与金属粘结剂（钴、镍、钼等）在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬度：HRA89-93，能耐850-1000ºC的高温，拥有良好的耐磨性，切速可达100~300m/min，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，应用非常广泛。19:31:5329硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性差，刃口不锋利，较难加工，不易做成形状复杂的整体刀具。常用的硬质合金有钨钴类（YG类）、钨钛钴类（YT类）和通用硬质合金（YW类）三类。19:31:53304、涂层刀具和其它刀具材料涂层刀具：在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具的基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物。涂层材料有：碳化钛、氮化钛、氧化铝（刚玉）等。耐用度至少可提高1~3倍（硬质合金刀片），或2~10倍（高速钢）。加工材料的硬度愈高，涂层刀具效果愈好。19:31:5331陶瓷材料：以氧化铝为主要成分，经压制成形后烧结而成硬度可达HRA91~95，在1200°C时可保持HRA80的硬度；摩擦系数小，耐磨性好。缺点：脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。19:31:5332四、刀具角度的选择1.选择前角g02.选择后角αo3.选择主偏角κr和副偏角κ´r4.选择刃倾角ls应当指出，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。19:31:53331.选择前角前角对切削的难易程度影响很大优点：增大前角，使刀刃变得锋利，使切削更轻快，切屑变形减小，切削力和切削功率减小；缺点：增大前角，刀刃和刀尖强度降低，散热体积变小，影响刀具寿命。对表面粗糙度，排、断屑等有一定的影响。19:31:5334前角的合理选择：主要取决于工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料强度、硬度较低时，取较大的前角，反之取较小的前角；加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸铁）选较小的前角。刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之（如硬质合金）则前角应选得小一些。粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角，精加工时应选用较大前角。硬质合金车刀的前角g0在－5°～＋20°范围内选，高速钢刀具的前角应比硬质合金刀具大5°～10°，而陶瓷刀具的前角一般取－5°～15°。19:31:53352.选择后角后角的主要功用是减小后刀面与工件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。合理后角的大小主要取决于：切削厚度（或进给量）、也与工件材料、工艺系统的刚性有关：切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大；工艺系统刚性较差时，适当减小后角；刀具尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。切削一般钢和铸铁时，车刀后角常选用4°~6°。19:31:53363.主偏角和副偏角对刀具的耐用度有很大影响：减小主偏角和副偏角，可使刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善，可提高刀具耐用度。减小主偏角和副偏角，可降低残留面积的高度，减小加工表面的粗糙度。19:31:5337主偏角和副偏角还会影响各切削分力的大小和比例。车外圆时，增大主偏角，可使背向力FP明显减小，进给力Ff增大，有利于减小工艺系统的弹性变形和振动。工艺系统刚性较好时主偏角κr取较小值，如30°~45°工艺系统刚性较差或强力切削时取κr=60°~75°19:31:53384.选择刃倾角λs刃倾角λs主要影响刀头的强度和切削流动的方向。加工一般钢材和铸铁时：无冲击的粗车，取λs=0°~－5°；无冲击的精车，取λs=0°~5°；有冲击负荷时，取λs=－5°~－15°；负荷冲击特别大时，取λs=－30°~－45°。切削高强度钢、冷硬钢时，为提高刀头强度，可取：λs=－30°~－10°19:31:5339附录：硬度的定义硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。19:31:53401.布氏硬度（HB）以一定的载荷（一般3000kg）把一定大小（直径一般为10mm）的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2(N/mm2)。19:31:53412.洛氏硬度（HR）当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度