机械制造技术基础-金属切削原理与刀具

第二章金属切削原理与刀具§2.1刀具的结构一、切削运动与切削要素1、切削运动（1）金属切削加工：（2）切削运动：刀具与工件之间的相对运动主运动：只有一个进给运动：可以有一个或几个2、切削要素（1）待加工表面加工表面（过度表面）已加工表面切削表面（2）切削用量（旋转）（往复直线）（3）切削层几何参数进给量背吃刀量切削速度100060wdnv2100060rLnvfzvnfnzf2wmpdda切削厚度切削面积切削宽度sinpwraaKsincrafKcwcpAaaaf3、切削方式的划分（1）自由切削与非自由切削自由切削：只有一条直线切削刃参加切削工作非自由切削：刀具切削刃是曲线，或几条切削刃同时参加并完成切削（2）直角切削与斜角切削直角切削：刀具主切削刃的刃倾角的切削。此时，主切削刃与切削速度方向成直角斜角切削：刀具主切削刃的刃倾角的切削。0s0s直角切削与斜角切削二、刀具角度1、刀具切削部分的组成前刀面、主后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖车刀组成刀具过渡刃刨刀、钻头、铣刀切削部分形状2、确定刀具切削角度的参考平面切削平面：通过刀刃上选定点，切于工件过渡表面的平面基面：通过刀刃上选定点，垂直于该点合成切削运动向量的平面宽刃刨刀参考平面3、刀具标注角度的参考系车刀标注角度参考系正交平面法平面背平面和假定工作平面用作标注前、后刀面角度的测量平面参考系参考平面符号正交平面参考系基面切削平面正交平面法平面参考系基面切削平面法平面背平面和假定工作平面参考系基面背平面假定工作平面刀具标注角度参考系rPsPOPrPsPnPrPpPfP4、刀具的标注角度前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角车刀的主要角度5、刀具的工作角度（1）刀具安装位置对工作角度的影响①刀具安装高低对工作角度的影响（a）（b）（c）②刀杆中心线与进给方向不垂直的影响车刀安装偏斜横向进给纵向进给§2-2刀具材料一、刀具材料应具备的性能高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性高的耐热性更好的热物理性能和耐热冲击性能良好的工艺性经济性二、常用的刀具材料工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷超硬刀具材料（1）高速钢突出性能：较高的强度、韧性和耐磨性，较好的工艺性主要品种：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Co8、W6Mo5Cr4V2Al应用范围：用于加工250~280HB以下的大部分结构钢和铸铁，用作复杂刀具如钻头、丝锥、铰刀、拉刀、铣刀、齿轮刀具和成形刀具（2）硬质合金突出性能：硬度、耐磨性、耐热性都很高；但抗弯强度低，断裂韧性也较低突出性能：硬度、耐磨性、耐热性都很高；但抗弯强度低，断裂韧性也较低主要种类：应用范围：K类：YG3、YG6、YG8M类：YW1、YW2P类：YT5、YT15、YT30YT类→用于钢类、铸铁类高静加工，不用于钛合金和含钛的不锈钢YG类→铸铁、有色金属、非金属材料高强度钢、奥氏体钢、高温合金粗加工YW类→不锈钢、高锰钢、耐热钢的粗、半精加工（3）涂层刀具CVD涂层、MT-CVD涂层、PVD涂层、ZX涂层、CVD金刚石（薄膜和厚膜）、涂层陶瓷和多立方氮化硼（4）金刚石刀具PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石突出性能：极高的硬度和耐磨性，摩擦系数小，但耐热性低，不能加工铁族金属主要应用：有色金属及其合金，非金属，光学零件等精密和超精密加工（5）立方氮化硼很高的硬度和耐磨性，热稳定性好，化学惰性大；用于加工淬火钢和冷硬铸铁§2-3金属切削过程及其物理现象一、国内外切削理论研究概述二、研究金属切削过程的实验方法侧面观察法，高速摄影法，快速落刀法，扫描电镜显微观察法，光弹性、光塑性试验法、其他试验法三、切屑形成过程第二变形区第三变形区第一变形区三个变形区四、变形区基本特征第一变形区（基本变形区）：沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。第二变形区（摩擦变形区）：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减慢，甚至滞留在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高第三变形区（加工表面变形区）：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减慢，甚至滞留在前刀面上；切屑弯曲；由摩擦产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高五、切屑变形的表示方法剪切角相对滑移或剪切应变切屑变形系数h相对滑移与变形系数间的关系h00sin(90)cos()sinsinchhDhOMhOM00sincotcosh20002sin1cottan()coshhh六、切屑类型及其控制1、带状切屑产生条件：加工塑性材料，切削速度较高，切削厚度较小，刀具前角较大形态特征：内表面是光滑的，外表面是毛葺的2、挤裂切屑产生条件：加工塑性材料，切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小形态特征：内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形3、单元切屑产生条件：改变挤裂切屑条件，进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度形态特征：梯形的单元切屑4、崩碎切屑产生条件：加工脆性材料形态特征：切屑的形状不规则，加工的表面凹凸不平5、切屑控制定义：衡量切屑可控性的标准：不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全；易于清理、存放和搬运切屑控制措施：在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器；推广使用可转位刀具七、积屑瘤现象定义：产生：切屑与前刀面粘结→内摩擦→底层上金属加工硬化→粘结体→长大→积屑瘤影响积屑瘤产生和大小的因素：金属材料的硬化程度；刃前区的温度与压力积屑瘤对切削过程的影响：实际切削前角增大；实际切削厚度增大；加工表面粗糙度增大；影响刀具寿命防止积屑瘤产生的方法：①切削速度↓→切削温度↓→不易产生粘结现象；②切削速度↑→切削温度↑→不发生粘结现象；③润滑性能好的切削液→摩擦↓；④刀具前角↑→接触压力↓；⑤改变工件材料加工特性→↓加工硬化。§2-4切削力与切削功率一、切削力的来源、切削合力及其分解、切削功率1、切削力的来源抗力摩擦阻力2、切削合力及分解主切削力（切向力）进给力（轴向力）背向力3、切削功率与电机功率33()10101000xwczczcFnfPFvFvcEPP二、切削力的测量1、切削力的理论计算2、切削力的测量方法测定切削功率，计算切削力用测力仪测量切削力三、切削力的经验公式和切削力估算1、切削力的指数公式2、按单位切削力计算zzzzzyyyyyxxxxxxFyFnFzFpFxFyFnFyFpFxFyFnFxFpFFCafvKFCafvKFCafvKzzzcDpDDFFFkAafhb四、切削力的影响因素1、被加工材料的影响物理机械性能加工硬化能力化学成分热处理状态材料性质的不同2、切削用量对切削力的影响背吃刀量和进给量对三向切削力的影响切削速度的影响车削45钢，背吃刀量和进给量的影响车削45钢，切削速度的影响车削灰铸铁，切削速度的影响3、刀具几何参数的影响前角对切削力的影响负倒棱对切削力的影响主偏角对切削力的影响①对切削力的影响对切削力的影响对副刃前角的影响zF切削厚度与切削刃曲线部分长度的变化②对和的影响刀尖圆弧半径的影响yFxF主偏角不同时力的分解刀尖圆弧半径的影响刃倾角对切削力的影响刀具材料对切削力的影响切削液的对切削力影响刀具磨损对切削力的影响刃倾角的影响车刀材料的影响§2-5切削热和切削温度一、切削热的产生和传导1、切削热的来源切屑变形功、前后刀面的摩擦功2、切削热的传出切削、工件、刀具、周围介质等二、切削温度的测量1、切削温度：一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度2、切削温度的理论计算3、测量方法热电偶法：自然热偶法和人工热偶法辐射温度计法：辐射热计法、红外线干板法、红外线胶片法其他方法：热敏颜料法、热敏电阻法、量热计法、金属组织观察法三、影响切削温度的主要因素1、切削用量的影响切削速度影响最大，进给量次之，切削深度最小2、工件材料的影响3、刀具角度的影响前角和主偏角影响较大4、刀具磨损的影响5、切削液的影响zyxpCvfa四、切削温度的分布规律及其对工件、刀具和切削过程的影响1、切削温度的分布及其规律剪切面上各点温度基本相同前刀面和后刀面的最高温度位于离开刀刃一定距离处垂直剪切面方向上温度梯度很大切屑底层上温度梯度很大后刀面温度的升降在极短时间内完成温度的分布与工件材料塑性有关温度分布与工件材料的导热性有关2、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度对工件材料强度和切削力的影响对刀具材料的影响对工件尺寸精度的影响①工件本身受热膨胀，直径变化②刀杆受热膨胀③工件受力变长利用切削温度自动控制切削速度或进给量利用切削温度与切削力控制刀具磨损§2-6刀具磨损与刀具寿命一、刀具磨损的形态及其原因1、刀具损坏的形式2、正常刀具磨损（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）产生条件磨损特征定量描述（KT）破损（非正常磨损）正常磨损前刀面磨损后刀面磨损边界磨损塑性破损脆性破损前面月牙洼磨损磨损痕迹随时间变化（2）后刀面磨损产生条件磨损特征定量描述（VB）（3）边界磨损产生条件磨损特征定量描述（VC和VN）磨损原因2、非正常刀具磨损（1）塑性破损（2）脆性破损3、刀具磨损的原因硬质点磨损（机械磨损或摩擦磨损）、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损、热点磨损二、刀具磨损过程初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段三、刀具的磨钝标准1、磨钝标准2、粗加工磨钝标准的判断加工表面是否出现亮带切屑的颜色和形状发生明显变化出现振动或其它不正常的声音3、精加工磨钝标准的判断表面粗糙度是否超过加工要求工件的尺寸及形位精度是否超差四、刀具寿命及其经验公式1、刀具寿命定义可重磨刀具的寿命和刀具总寿命2、刀具寿命的经验公式3、切削用量对刀具寿命的影响规律切削速度、进给量、切削深度（影响程度依次递减）4、刀具寿命的分布正态分布mvTC刀具磨损曲线各种刀具材料寿命曲线五、刀具合理耐用度的选用原则1、最高生产率耐用度2、最低成本耐用度3、合理选择刀具耐用度根据刀具复杂程度、制造和刀具成本选择机夹可转位刀具和陶瓷刀具的耐用度可选得低一些对装、换、调刀较复杂的，耐用度选得高根据车间实际工序情况选大件精加工，耐用度按零件精度和Ra确定1ctpmTtTm1tctcCmTtTmM§2-7工件材料加工性及切削用量的选择一、工件材料的切削加工性1、切削加工性2、衡量切削加工性的指标以加工质量的好坏衡量切削加工性以刀具的耐用度衡量切削加工性以单位切削力来衡量（机床动力不足或工艺系统刚性不足）以断屑性能来衡量（自动机床、组合机床、自动线上或断屑性能要求很高的工序）3、常用指标当刀具的耐用度为T时，切削某种材料所允许的最高切削速度相对加工性Kr4、改善材料切削加工性的途径调整材料的化学成分采用热处理的方法改变材料的金相组织，从而改善切削加工性6060()rjvKv二、切削用量的选择1、合理的切削用量2、制定切削用量时应考虑的因素切削加工生产率刀具寿命加工表面粗糙度在多刀切削和使用组合刀具切削时，应把各刀具中允许的切削用量中最低的参数作为调整机床的参数；在自动线加工中，还要考虑生产节拍3、切削用量的影响对加工质量的影响对基本工艺时间的影响对刀具寿命和辅助时间的影响4、粗、精加工中切削用量的选择（1）粗加工—以提高生产率为主，同时保证刀具寿命切削深度：机床功率足够时，尽量一次完成加工余量进给量：根据机床-刀具-夹具-工艺系统刚性选择切削速度：选用中等偏下的切削速度选择切削用量的顺序：背吃刀量→进给量→切削速度（2）精加工，以保证零件的加工精度和表面质量为主，再考虑高的生产率和刀具寿命一般是小的切削深度和进给量，较高的切削速度5、切削用量的制定步骤根据加工余量确定背吃刀量选择进给量确定切削速度