金属切削刀具基本知识

秦皇岛技师学院机械安装与维修系金属切削刀具基本知识郝赫（编）金属切削刀具基本知识1金属切削的基本要素1.1机械制造过程概述机器是由零件、组件、部件等组成的，一台机器的制造过程包含了从零件、部件加工到整机装配的全过程，这一过程可以用图1所示的系统图来表示。首先，从图中可以看出机器中的组成单元是一个个的零件，它们都是由毛坯经过相应的机械加工工艺过程变为合格零件的，在这一过程中要根据零件的设计信息制订每一个零件的适当加工方法，加工成在形状、尺寸、表面质量等各方面都符合加工使用要求的合格零件。其次，要根据机器的结构和技术要求，把某些零件装配成部件，部件是由若干组件、套件和零件在一个基准零件上装配而成的，部件在整个机器中能完成一定的、完整的功能，这种把零件和组件、套件装配成部件的过程称为部装过程。部装过程是依据部件装配工艺，应用相应的装配工具和技术完成的，部件装配的质量直接影响整个机器的性能和质量。最后，在一个基准零部件上把各个部件、零件装配成一个完整的机器，我们把零件和部件装配成最终机械产品的过程称为总装过程，总装过程是依据总装工艺文件进行的，在产品总装后，还要经过检测、试车、喷漆、包装等一系列辅助过程最终形成合格的产品，如一辆汽车就是经过这样的机械制造过程而生产出来的。图1机械制造过程的构成1.2机械加工工艺系统从机械制造的整个过程来看，机器的最基本组成单元为零件，也就是首先要制造出合格的零件，然后组装成部件，再由零、部件装配成机器，因此，制造出符合要求的各种零件是机械加工的主要目的，而机械加工中绝大部分材料是金属材料，故机械加工主要是对各种金属进行切削加工。零件的表面通常是几种简单表面如平面、圆柱面、圆锥面、球面、成形表面等的组合，而零件的表面是通过各种切削加工方法得到的，其中在金属切削机床上利用工件和刀具彼此间协调的相对运动切除被加工零件多余的材料，获得在形状、尺寸和表面质量都符合要求的这种加工方法称为金属切削加工。金属切削加工常作为零件的最终加工方法，它需要用金属切削刀具直接对零件进行加工，它们之间要有确定的相对运动和承受很大的切削力，通常需在金属切削机床上进行加工，零件和刀具需通过机床夹具和刀架与机床进行可靠的联接，带动它们做相对的运动，实现切削加工，这种由金属切削机床、刀具、夹具和工件构成的机械加工封闭系统称为机械加工工艺系统（如图2所示），其中金属切削机床是加工机械零件的工作机械，起支承和提供动力作用；刀具起直接对零件进行切削加工作用；机床夹具用来对零件定位和夹紧，使之有正确的加工位置。本章就围绕机械加工工艺系统四个组成部分进行分析，阐述机械零件加工的整个过程。图2机械加工工艺系统的构成1.3主要切削加工工艺简介方法：工艺-设备：机床-工具-冷却-装夹-定位-测定-检测。1.4工件表面的形成方法和成形运动机械零件的表面形状不外乎是是由若干个表面元素组成的，这些表面元素是：平面、直线成形表面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面、成形表面（螺旋面）等。当精度和表面粗糙度要求较高时，需要在机床上用刀具经切削加工而形成。工件在被切削加工过程中，通过机床的传动系统，使机床上的工件和刀具按一定规律作相对运动，从而切削出所需要的表面形状。从几何观点来看，任何表面都可以看作是一条线沿另一条线运动的轨迹。如一条直线沿着另一条直线运动形成了平面;一条直线沿着一个圆的运动则形成了圆柱面。这两条线分别被称为母线与导线，统称为发生线。母线和导线的运动轨迹形成了工件表面，因此分析工件加工表面的形成方法关键在于分析发生线的形成方法。机械零件的任何表面都可看作是一条线(称为母线)沿着另一条线(称为导线)运动的轨迹。请看图3，平面可看作是是由一根直线(母线)沿着另一根直线(导线)运动而形成(图3a)；圆柱面和圆锥面可看作是由一根直线(母线)沿着一个圆(导线)运动而形成(图3b和c)；普通螺纹的螺旋面是由“八”形线(母线)沿螺旋线(导线)运动而形成(图3d)；直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面是由渐开线(母线)沿直线(导线)运动而形成(图3e)等等。形成表面的母线和导线统称为发生线。图3零件表面的成形1-母线2--导线由图3可以看出，有些表面，其母线和导线可以互换，如：平面、圆柱面和直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面等，称为可逆表面；而另一些表面，其母线和导线不可互换。如：圆锥面、螺旋面等，称为不可逆表面。切削加工中发生线是由刀具的切削刃和工件的相对运动得到的，由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为以下四种：(1)轨迹法它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线。图4a中母线Al(直线)和导线A2，(曲线)均由刨刀的轨迹运动形成。采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。(2)成形法它是利用成形刀具对工件进行加工的方法。切削刃的形状和长度与所需形成的发生线(母线)完全重合。图4b中，曲线形母线由成形刨刀的切削刃直接形成，直线形的导线则由轨迹法形成。(3)相切法它是利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。见图4c中，采用铣刀、砂轮等旋转刀具加工时，在垂直于刀具旋转轴线的截面内，切削刃可看作是点，当切削点绕着刀具轴线作旋转运动B1，同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动A2时，切削点运动轨迹的包络线，便是所需的发生线。为了用相切法得到发生线，需要二个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。图4形成发生线的方法(4)展成法它是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。切削加工时，刀具与工件按确定的运动关系作相对运动(展成运动或称范成运动)，切削刃与被加工表面相切(点接触)，切削刃各瞬时位置的包络线，便是所需的发生线。例如，图4d所示，用齿条形插齿刀加工圆柱齿轮，刀具沿箭头A1方向所作的直线运动，形成直线形母线(轨迹法)，而工件的旋转运动B21和直线运动A22，使刀具能不断地对工件进行切削，其切削刃的一系列瞬时位置的包络线，便是所需要渐开线形导线(见图4e)。用展成法形成发生线需要一个成形运动(展成运动)。1.5示例1.用普通车刀车削外圆母线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。导线——直线，由轨迹法形成，需要一个成形运动A2。表面成形运动的总数为两个，即B1和A2，都是简单的成形运动。2.用成形车刀车削成形回转表面母线——曲线，由成形法形成，不需要成形运动。导线——圆，由轨迹法形成，需要一个成形运动B1。表面成形运动的总数为一个，即B1，是简单的成形运动。图5图63.用螺纹车刀车削螺纹母线——螺纹轴向剖面轮廓（牙型），母线由成形法形成，不需要成形运动。导线——螺旋线，由轨迹法形成，需要一个成形运动。这是一个复合运动，把它分解为工件旋转B11和刀具直线移动A12。表面成形运动的总数为一个——B11A12是复合的成形运动。4.用齿轮滚刀加工直齿圆柱齿轮齿面母线——渐开线，由展成法形成，需要一个成形运动，是复合运动，可分解为滚刀旋转B11和工件旋转B12两个部分，B11和B12，之间必须保持严格的相对运动关系。导线——直线，由相切法形成，需要两个独立的成形运动，即滚刀的旋转运动和滚刀沿工件的轴向移动A2。其中滚刀的旋转运动与复合展成运动的一部分B11重合。因此，形成表面所需的成形运动的总数只有两个：一个是复合的成形运动B11B12，另一个是简单的成形运动A2。在车削圆锥螺纹时，刀具相对于工件的运动轨迹为圆锥螺旋线。可分解为3部分：工件的旋转运动B11刀具纵向直线移动A12和刀具横向直线移动A13。为了保证一定的螺距，B11和A12之间必须保持严格的相对运动关系，为了保证一定的锥体，A12和A13之间也必须保持严格的相对运动关系。1.6机床的运动在机床上，为了要获得所需的工件表面形状，必须形成一定形状的发生线(母线和导线)。除成形法外，发生线的形成都是靠刀具和工件作相对运动实现的。这种运动称为表面成形运动。此外，还有多种辅助运动。成形运动按其组成情况不同，可分为简单的和复合的二种。如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。例如，用尖头车刀车削外圆柱面时(见图8a)，工件的旋转运动B1和刀具直线运动A2就是两个简单运动；用砂轮磨削外圆柱面时(见图8b)，砂轮和件的旋转运动B1、B2，以及工件的直线移动A3，也都是简单运动。如果一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转运动或(和)直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。例如，车削螺纹时(见图8c)，形成螺旋形发生线所需的刀具和工件之间的相对螺旋轨迹运动，为简化机床结构和较易保证精度，通常将其分解为工件的等速旋转运动B11和刀具的等速直线移动A12。B11和A12不能彼此独立，它们之间必须保持严格的运动关系，即工件每转1转时，刀具直线移动的距离应等于螺纹的导程，从而B11和Al2这两个单元运动组成一个复合运动。用轨迹法车回转体成形面时(见图8d)，尖头车刀的曲线轨迹运动，通常由相互垂直坐标方向上的、有严格速比关系的两个直线运动A21和A22来实现，A21和A22也组成一个复合运动。上述复合运动组成部分符号中的下标，第一位数字表示成形的序号(第一个、第二个、……成形运动)，第二位数字表示同一个复合运动中单元运动的序号。图8成形运动的组成成形运动中各单元运动根据其在切削中所起的作用不同，又可分为主运动和进给运动，我们将在第四节中讨论。机床在加工过程中还需要一系列辅助运动，以实现机床的各种辅助动作，为表面成形创造条件，它的种类很多，一般包括：(1)切入运动刀具相对工件切人一定深度，以保证工件达到要求的尺寸。(2)分度运动多工位工作台、刀架等的周期转位或移位，多头螺纹的车削等。(3)调位运动加工开始前机床有关部件的移位，以调整刀具和工件之间的正确相对位置。(4)各种空行程运动切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动，开车、停车、变速、变向等控制运动，装卸、夹紧、松开工件的运动等。一、概论(一)刀具的在机械加工中的作用与地位机械加工中，所需要的装备，主要包括：机床夹具量具刀具刀具在机械加工中起到至关重要的作用。一个毛坯装的零件要变成所需的形状，必须通过刀具来加工，刀具的好坏直接影响到：加工效率表面质量加工精度生产成本刀具成本在整个生产成本中所占比率并不大---约2-5%，但作用非同小可！改善刀具是机械加工中提高生产效率、改善加工质量、有效保证加工精度、降低生产成本的最经济、最有效的办法。(二)刀具的分类按刀具的组合部位分类刀具是安装在机床上来对工件进行加工的，所以从与机床的连接到与工件接触加工，主要分为三个部分：与机床的主轴联结部分：这一部分称为刀具系统（或称工具系统，刀柄系统）。传统意义上，把这一部分归入机床附件。中间部分这一部分称为刀体、刀座、刀杆、刀盘等等，它们一头通过上述的刀具系统与机床连接，或直接与机床的刀塔、尾座连接；另一头与刃具相连接。刃具部分这一部分是直接参与切削工件的部分。按刀具的加工形态分类车削刀具车床上使用的刀具。最基本特征是：工件与机床主轴一起作旋转运动，刀具只作轴向进给运动。旋转刀具在铣削类机床上使用，包括：铣床，钻床，镗床，攻丝机床及各类加工中心。最基本特征是：刀具与机床主轴一起作旋转运动，工件只作轴向进给运动。特种刀具如齿轮加工刀具等等(三)国内刀具发展状况十几年前，国内普遍使用的是焊接式刀具、高速钢刀具、一般的硬质合金等传统刀具；如今，随着技术的进步，数控机床的普及，先进的刀具已广泛被采用。技术上的发展主要体现在如下方面：双面定位刀具系统-------传统的刀具系统中与机床主轴连接的标准主要采用莫氏锥度，7/24锥度，圆柱直柄；如今，已广泛采用双面定位的（锥度与端面）技术，从而提高了刀具系统的定位与重复定位精度、刚性。这类双面定位的标准主要有：HSK,CAPTO,KM,BIG-PLUS等。高速刀具系统-------采用先进的动平衡技术，实现刀具系统的高速化，如今转速可达