第二章金属切削原理与刀具1.

金属切削加工就是用具有一定几何形状的刀具把工件毛坯上的一部分金属材料（统称余量）切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对的切削运动，因此，掌握切削运动、刀具几何角度、切削用量和切削层参数等的基本定义，是学习本课程的基础。本章主要以外圆车削为例来讨论这些问题，但其定义也适于其它切削加工方法。第二章金属切削原理与刀具第一节刀具的结构第二节刀具材料第三节金属切削过程及其物理现象第四节切削力与切削功率第五节切削热与切削温度第六节刀具磨损与刀具寿命第七节切削用量的选择及工件材料加工性第一节刀具的结构一、切削运动与切削要素二、刀具角度三、刀具种类1.切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动，即表面成形运动。切削运动可分解为主运动和进给运动。图2-1切削运动与切削表面一、切削运动与切削要素切削运动及其方向用切削运动的速度矢量表示：Ve=Vc+Vf1.1主运动主运动是切削时的主要运动。主运动可以由刀具完成,也可以由工件完成，其运动形式通常为旋转运动或直线运动,如车削时工件的旋转运动，铣削时铣刀的旋转运动，钻削时钻头的旋转运动。一般地讲，主运动的速度最高，消耗的功率也最大，主运动只有一个。1.2进给运动进给运动是将被切削金属层不断地投入切削，以切除工件表面上全部余量的运动。进给运动可以有一个或几个。进给运动由刀具或工件完成，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动。其运动形式一般有直线、旋转或两者的合成运动，它可以是连续的或断续的，消耗的功率也比主运动要小得多。1.3工件表面切削加工过程中，工件上有三个不断变化着的表面。（1）已加工表面工件上经刀具切削后产生的表面。（2）待加工表面工件上有待切除切削层的表面。（3）过渡表面主切削刃正在加工的表面称为过渡表面，它是待加工表面与已加工表面的连接表面。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：切削时各参数的合称。1)切削速度vc2)进给量f3)背吃刀量（切削深度）αp图2-1切削运动与切削表面切削速度vc切削速度，单位时间内，刀具和工件在主运动方向上的相对位移，是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。当主运动为旋转运动时，即为刀具或工件最大直径处的切削速度，由下式确定式中vc——切削速度（m/s）；d——完成主运动的刀具或工件的最大直径（mm）；n——主运动的转速（r/min）当主运动为往复直线运动（如刨削），则式中L——往复直线运动的行程速度（mm）；nr——主运动每秒或每分钟的往复次数（次/min）1000*60dnvcp=21000*60rLnvc=图2-1切削运动与切削表面进给量f进给量是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对工件在进给运动方向上的移动量。车削时的进给量是工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量，单位为mm/r，其进给速度vf为vf=nf=nzfz式中vf——进给速度（mm/s）。对于铣刀、铰刀等多齿刀具，还规定每齿进给量fz，即多齿刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的相对位移，单位为mm/齿。图2-1切削运动与切削表面背吃刀量（切削深度）切削深度是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。车削时式中——切削深度（）；——工件待加工表面直径（）；——工件已加工表面直径（）。pa2wmpdda=pawdmdmmmmmm图2-1切削运动与切削表面图2-2切削用量与切削层数1）切削宽度αw沿主切削刃方向度量的切削层尺寸（mm），aw=ap/sinkr2)切削厚度αc两相邻加工表面间的垂直距离（mm）ac=fsinkr3)切削面积Ac切削层垂直于切削速度截面内的面积（mm2）Ac=awac=apf切削时，沿进给运动方向移动一个进给量所切除的金属层称为金属切削层。通过切削刃基点（通常指主切削刃工作长度的中点）并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。在切削层尺寸平面内测定的切削层尺寸几何参数则称为切削层尺寸平面要素。(2)切削层几何参数（以车外圆为例说明）刀具的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分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型；按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等；按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。常用刀具具体的结构、特点及使用等将后续章节中介绍。二、刀具角度刀具的几何参数各种刀具的切削部分在切削中所起的作用都是相同的，因此在结构上它们有着许多共同的特征。其中外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其它各种刀具都可看成是车刀的演变和组合，因此以普通外圆车刀为例说明刀具切削部分的组成，并给出切削部分几何角度的一般性定义。图2-3车刀的组成1.刀具切削部分的组成前刀面：刀具上切屑沿其流出的表面。主后刀面：刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面，也是切削过程中与过渡表面相对的刀具表面。副后刀面：刀具上同前刀面相交形成副切削刃的表面，也是切削过程中与已加工表面相对的刀具表面。主切削刃：刀具前刀面与主后刀面的交线。它承担着主要的切削工作。副切削刃：刀具前刀面与副后刀面的交线。它的一小部分也参与切削，主要起修光作用。刀尖：主切削刃与副切削刃的交点。实际上刀尖是一段圆弧过渡刃。2.刀具角度的参考平面测量刀具角度的参考系用于确定刀具几何角度的参考系主要有两大类:一类是用于定义刀具在设计、制造、刃磨和测量时刀具几何角度的参考系，称为刀具静止参考系，在刀具静止参考系中定义的刀具角度称为刀具的标注角度。另一类是规定刀具在进行切削加工时几何参数的参考系，称为刀具工作参考系，该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对刀具几何角度的影响，在该参考系中定义和测量的刀具角度称为刀具的工作角度。图2-5确定车刀角度的参考平面刀具静止参考系主要由以下基准坐标平面组成：切削平面、基面、正交平面a）基面通过主切削刃选定点并与该点切削速度相垂直的平面。b）切削平面通过切削刃选定点与工件加工表面相切的平面。对应于主切削刃和副切削刃的切削平面分别称为主切削平面和副切削平面。c）正交平面通过主切削刃选定点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。rPSPSPOPd）法平面通过主切削刃选定点并与主切削刃相垂直的平面。e）假定工作平面通过主切削刃选定点与基面垂直，且与假定进给方向平行的平面。f）背平面通过主切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。nPfPpP切削平面、基面和正交平面共同组成标注角度的正交平面参考系，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。3.刀具的标注角度(1)前角γo(2)后角αo副后角αo’(3)主偏角κr(4)副偏角κr(5)刃倾角λs图2-6车刀的主要角度注：此处的标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直与进给方向、并且不考虑进给运动的影响等条件下描述的。a）前角在正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90°时，前角为正，大于90°时，前角为负。主要影响主切削刃的锋利程度和刃口强度。b）后角在正交平面中测量的主后刀面与切削平面间的夹角。当后刀面与基面间的夹角小于90°时，后角为正值，大于90°时，后角为负值。后角表示主后面的倾斜程度，主要影响刀具主后刀面与工件表面之间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利程度与刃口强度。OOc）主偏角在基面中测量的主切削刃在基面的投影与进给运动方向的夹角。主要影响切削刃工作长度和背向力的大小。d）副偏角在基面中测量的副切削刃在基面上的投影平面与进给运动方向间的夹角。主要影响已加工表面的粗糙度。e）刃倾角在切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角主要影响切屑流向及刀尖强度。rrs刃倾角主要影响切屑流向及刀尖强度。当刀尖相对车刀刀柄安装面处于最高点时，刃倾角为正值；刀尖处于最低点时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为零度，此时切削刃在基面内。刃倾角对排屑的影响如图1-7所示。图1-7刃倾角及其对排屑方向的影响除了以上五个基本角度外，刀具还有刀尖角、楔角两个派生角度。楔角（β0）前刀面与主后刀面间的夹角，β0=90º－（γ0+）。刀尖角（εr）主切削平面与副切削平面间的夹角。O作业1。画出45°弯头外圆车刀（主偏角Κr=45°，Κr'=45°），并标出刀具的独立角度。己知：αo=8°，αo'=6°,γo=-5°,λs=-5°。2。画出90°弯头外圆车头的各独立角度。P19图2-12（c）3。画出端面车刀的各独立角度P19图2-12（d）4.刀具的工作角度为了较合理地表达在切削过程中起作用的刀具角度，应按合成切削运动方向来定义和确定刀具的参考系及其角度，即刀具工作参考系和工作角度。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。由于通常的进给速度远小于主运动速度，因此，在一般的安装条件下，刀具的工作角度近似等于标注角度(误差不超过l%)。这样，在大多数场合下(如普通车、镗孔、端铣、周铣)不必进行工作角度的计算。只有在角度变化值较大时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时，研究钻心附近的切削条件或刀具特殊安装时)，才需要计算工作角度。刀具工作参考系①工作基面指过切削刃上选定点并与合成切削速度垂直的平面。②工作切削平面指过切削刃上选定点与工件加工表面相切的平面。③工作正交平面指过切削刃上选定点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。rePevsePoeP下图所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同：图(a)，刀具后刀面同工件已加工表面之间有适宜的间隙，切削情况正常；图(b)，刀具的背棱顶在已加工表面上，切削刃无法切入，切削条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不合适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运动方向来确定刀具工作角度的参考系；图(c)，刀具后刀面与已加工表面全面接触，摩擦严重。同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有采用刀具工作角度的参考系，才能反映切削加工的实际。(b)(a)(c)(1)刀具安装位置对工作角度的影响后角↓前角↑图2-8车刀安装高度对工作角度的影响a)刀尖高于工件轴线b)刀尖低于工件轴线后角↑前角↓图2-9车刀安装偏斜对工作角度的影响(θ为切削时刀杆纵向轴线的偏转角)4.刀具的工作角度图2-10纵向进给运动对工作角度的影响(2)进给运动对工作角度的影响图2-11横向进给运动对工作角度的影响4.刀具的工作角度后角↓前角↑后角↓前角↑车削时，进给量比工件直径小很多，对工作角度影响不大；当车端面、切断和车外圆进给量较大时，对工作角度影响较大；1.刀具分类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、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型；按所用材料性质，可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金刚石刀具等；按结构形式，可分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化，可分为标准刀具和非标准刀具等。三、刀具种类(1)车刀图2-12常用的几种车刀a)直头外圆车刀b)45°弯头外圆车刀c)90°弯头外圆车刀d)端面车刀e)内孔车刀f)切断刀g)宽刃光刀2.常用刀具简介车刀的结构形式整体式（HSS)、焊接式、机械夹固式（重磨式、可转位式）刀片夹紧方式：（1）上压式夹紧力大，定位可靠，阻碍流屑（2）偏心式结构简单，不碍流屑，夹紧力不大（3）综合式夹紧力大，耐冲击，结构复杂可转位式车刀的组成：可转位刀片、刀垫、刀杆、夹紧机构切削性能好，辅助时间短，生产率高车刀的几何参数（1）切削角度六个主要角度：主偏角、副偏角、前角、后角、副后角、刃倾角（2）其它几何参数的选择过渡刃、刀刃钝圆半径、副倒棱等孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻