金属切削刀具的基本知识.ppt

一、金属切削加工的基本概念 1. 切削运动 （1） 主运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑, 从而形成工件的新表面在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大，是切下切屑所必须的基本运动①主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向②切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度 刀具与工件之间附加的相对运动, 它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑, 从而形成具有所需几何特性的已加工表面 进给运动可由刀具完成(如车削)，也可由工件完成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）, 也可以是连续的（如车削） （2） 进给运动①进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向②进给速度vf 切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动3）合成切削运动各种切削加工的切削运动2、切削加工过程中的工件表面（1）待加工表面工件上待切除的表面2）已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面3）过渡表面工件上切削刃正在切削的表面它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。

3、切削要素切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数1）切削用量要素①切削速度对切削运动定量描述的重要指标之一外圆车削的切削速度为vc =πdwn/1000②进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r； 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；车削时进给速度vf可由下式计算 vf=fn铣削时进给速度为 vf=fn=zfzn合成切削速度ve可表达为 vc=ve+vf ③背吃刀量ap在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削: ap＝(dw-dm)/2 vc、f、ap 构成了普通外圆车削的切削用量三要素材料切除率，用Qz表示三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min， Qz=1000vcfap（2）切削层参数 切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层（图1－2）。

①切削层公称厚度hD 垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数 hD＝fsinKr②切削层公称宽度bD平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数bD＝ap／sinKr图2－3 车削时的切削层尺寸③切削层公称横截面积AD在切削层参数平面内度量的横截面积AD＝hDbD=apf上述公式中可看出 hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关二、刀具角度（一）刀具的构成 由工作部分和非工作部分构成 车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数（1)前刀面Aγ 切屑流过的刀面 1.刀 面（2)主后刀面Aα 与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面 （3)副后刀面Aα‘ 与工件已切削加工的表面相对 的刀面刀具切削部分的基本定义图2－4图2－4 车 刀 的 构 成 2.刀刃（1）主切削刃S 前面与主后面在空间的交线。

2）副切削刃S' 前面与副后面在空间的交线 3．刀尖 三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃 在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃 （三）定义刀具角度的参考系在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系1．刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等  2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成图2－6(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面通常平行于车刀的安装面（底面）2)切削平面ps 通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面3)正交平面po 通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面 图2-6 正交平面参考系（三）刀具的标注角度（1）基面中测量的刀具角度1）主偏角κr 主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf 方向之间的夹角2）副偏角κr′ 副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。

3）刀尖角εr 主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度εr=180°-(κr ＋κr′)εr是标注角度是否正确的验证公式之一4）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径rε描述，当rε=0时为尖角过渡，rε＞0时为圆角过渡，直线过渡时用κε 和 bε参数描述(图1-6)p10（2）切削平面中测量的刀具角度1）刃倾角λs 主切削刃与基面之间的夹角•它在切削平面内标注或测量，但有正负之分•当主切削刃与基面平行时λs=0°；•当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs ＞0°；•反之λs ≤0° （3）正交平面中测量的刀具角度1)前角γO 前面与基面之间的夹角2)后角αo 后面与切削平面之间的夹角3)楔角βo 前面与后面之间的夹角，它是个派生角 它与前角、后角有如下的关系：βo＝90°－(γO＋αo)βo也是判断标注是否正确的验证式之一说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的（四）刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。

研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义1．刀具工作参考系的建立 与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动υe或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre 由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角γoe、工作后角αoe 的变化刀具工作参考系(1)工作基面pre 通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面2)工作切削平面pse通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面3)工作正交平面poe通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面2．刀具工作角度的分析 在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(γoe 、αoe 、κre、κ’re、α’oe 、λse)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况 在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响1）横向进给运动对工作前、后角的影响（1）进给运动对工作前、后角的影响2）轴向进给运动对工作前、后角的影响 图2－10 轴向进给运动对工作角度的影响（3）刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响图2－11+ 图2－－11 刀尖安装高低刀尖安装高低对工作角度的影响工作角度的影响2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响三、刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。

刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料 金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择因此，材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素1. 刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉 2. 常用刀具材料工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金陶瓷超硬刀具材料 推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等 高速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2-1、2(p15)1．高速钢（1）高速钢的分类 （2）常用高速钢的牌号与性能 2．硬质合金（1）硬质合金的分类 （2）常用硬质合金的牌号及其性能3．涂层刀具材料在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异1）TiC涂层 硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损2）TiN涂层 在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度（3）TiC—TiN复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦4）TiC-Al203复合涂层第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能 目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层4．其它刀具材料Ø以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料Ø其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；Ø其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；Ø可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工1）陶瓷刀具材料 （2）金刚石刀具材料 Ø碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。

Ø由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65～70HRC的材料Ø也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工Ø缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材（3）立方氮化硼Ø立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成Ø它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300℃时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低Ø因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工 应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料 习题 :2-7、2-8四、刀具角度的选择1.前角γO （1）功用刀刃锋利，切屑变形切削力和切削功率刀刃和刀尖强度，散热体积刀具寿命γo1Prγo2（2）选择前角大小取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。

2.后角αo （1）功用后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率（2）选择后角大小取决于：切削厚度、工件材料及工艺系统刚度3.主偏角κr 和副偏角κr′ （1）功用刀刃强度表面粗糙度背向力Fp残留面积高度，散热条件刀具寿命，进给力Ffkr1Kr’kr2FpFf（2）选择4.刃倾角λs （1）功用（2）选择 主要影响刀头的强度和切屑的流动方向第二节 常用金属切削刀具一、车刀 1. 硬质合金焊接式车刀 结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便使用灵活但刀片易产生应力和裂纹图2-13 几种常用的车刀1－45°弯头车刀；2－90°外圆车刀；3－外螺纹车刀；4－75°外圆车刀；5－成形车刀；6－90°外圆车刀；7－切断刀；8－内圆切槽刀；9－内螺纹车刀；10－盲孔镗刀；11－通孔镗刀 2. 硬质合金机夹重磨式车刀 避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹 3.机夹可转位式车刀 1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度 2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。

3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度图2－16 可转位式车刀的组成二、孔加工刀具 1. 麻花钻 主要用于孔的粗加工，IT11级以下；表面粗糙度Ra25μm ~ 6. 3 μm 1）麻花钻的构造图2－18 2）麻花钻的主要几何参数（1）螺旋角β 指钻头最外缘处螺旋线的切线与钻头轴线的夹角 图2－18 麻花钻的组成和切削部分 螺旋角对切削过程的影响γf轴向力和扭矩切削轻快切削刃强度和散热条件刀具寿命 螺旋角的大小不仅影响排屑情况，而且它就是钻头的轴向前角（2）顶角2φ 指两主切削刃在与它们平行的平面上投影的夹角 图2－18b） 螺旋角对切削过程的影响主切削刃长度单位切削刃上的负荷及轴向力钻尖强度有利于散热，提高钻头耐用度而扭矩（3）前角γo 是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角 图2－19）图2－19 麻花钻的几何角度（4）后角αf 是在假定工作平面内测量的切削平面与主后刀面之间的夹角 图2－19）（5）横刃角度 横刃角度包括横刃斜角ψ、横刃前角γoψ、和横刃后角α oψ。

图2－20）图2－20 横刃切削角度 2. 扩孔钻 用于对已钻孔的进一步加工，IT10 ~ IT11级；表面粗糙度6. 3 ~ 3.2μm 1）扩孔钻的类型 （2）扩孔钻与麻花钻的比较 图2－21 3. 铰 刀 用于中、小尺寸孔的半精加工和精加工，IT6 ~ IT8级；表面粗糙度1.6 ~ 0.4μm 1）铰刀的类型 （2）铰刀与扩孔钻的比较 图2－22 图2－22 铰刀的类型（a）直柄机用铰刀（b）锥柄机用铰刀c）硬质合金锥柄机用铰刀（d）手用铰刀（e）可调节手用铰刀（f）套式机用铰刀（g）直柄 莫式圆锥铰刀（h）手用1:50锥度铰刀图2－23 铰刀的结构三、铣 刀 1. 铣刀的几何角度 主要用于平面、台阶、沟槽和各种成形面的加工 图）1）圆柱铣刀的几何角度 图2－24 前 角 为了便于制造，规定圆柱铣刀的前角用法平面前角γn表示铣削钢件： γo=10°～ 20°铣削铸铁件： γo=5°～ 15°图 铣刀种类图2－24 圆柱铣刀的几何角度 后 角 圆柱铣刀的后角是用正交平面后角αo表示。

图）粗加工： αo＝ 12°精加工： αo＝ 16° 螺旋角 圆柱铣刀的螺旋角β就是其刃倾角λ它能使切削刃逐渐切入和切离工件，而且同时工作齿数较多，故能提高铣削过程的平稳性粗齿铣刀： β＝ 40°～ 60°细齿铣刀： β＝ 30°～ 35°2）端铣刀的几何角度 端铣刀的每个刀齿类似车刀，有主、副切削刃和过渡刃在正交平面系内端铣刀的标注角度有：γo、αo、kr、k’r和λs图2－25 2. 硬质合金端铣刀图2－25 端铣刀的几何角度 3. 铣削方式及合理选用（1）圆周铣削法（周铣法） 周铣法有两种铣削方式：逆铣法和顺铣法1） 逆 铣 铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反 （图2－28）图2－28 逆铣与顺铣 （a）逆铣 （b）顺铣（2）端面铣削法（端铣法） 1） 对称铣削 刀齿切入工件与切出工件的切削厚度ac相同者称为对称铣削图2－29 a）2） 不对称铣削 刀齿切入时的切削厚度小于或大于切出时的切削厚度者称为不对称铣削图2－29 b c）图3－12 连杆的定位1－定位销 2－支承板 3－圆柱销 4－工件应该限制五个自由度： 2、六点定位原理应用举例1）、在长方体工件上铣通槽2）、在长方体工件上铣不通槽OXYZ应该限制六个自由度：不完全定位完全定位应该限制一个自由度：3）、在球面上铣平面4）、在车床上车外圆OXYZ应该限制四个自由度：不完全定位不完全定位分析下列定位方案中各定位元件限制了那些自由度？1）车光轴外圆 2）车套筒外圆 起传动作用，不起定位作用 起夹紧作用，不起定位作用分析下列定位方案中各定位元件限制了那些自由度？3）车光轴外圆的三种安装方式。

a)b)c) 四、工件的夹紧（一）夹紧装置 由动力装置和夹紧机构两大部分组成 图2－110 夹紧装置组成示例 1－气缸（动力装置）2－压板（夹紧机构） 3－弹簧销 4－偏心轮 5－调整螺钉1.夹紧装置的组成2. 夹紧装置的基本要求（1）夹紧时不能破坏工件在夹具中占有的正确位置；（2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中不移动、不转动、不振动，又不因夹紧力过大而使工件表面损伤、变形；（3）夹紧机构的操作应安全、方便、迅速、省力；（4）结构应尽量简单，制造、维修要方便2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位（图2－112）1）夹紧力的作用点应正对支承元件或位于支承元件所形成的支承平面内（图2－111）；3）夹紧力的作用点应尽量靠近加工面，以减小切削力对夹紧 点的力矩，防止或减小工件的加工振动或弯曲变形（图）1. 确定夹紧力作用点的原则（二）夹紧力的确定图2－111 夹紧力作用点的选择1－夹具体 2－工件 3－定位支承图2－112 夹紧力作用点对工件变形的影响图2－113 薄壁件的夹紧图 夹紧点靠近加工表面2. 确定夹紧力作用方向的原则1）夹紧力的方向应使定位基面与定位元件接触良好，以保证工件定位准确可靠（图2－114）2）夹紧力的方向应与工件刚度最大的方向一致，以减小工件变形（图3－15）3）夹紧力的方向应尽量与工件受到的切削力、重力等的方向一致，以减小夹紧力图2－114 夹紧力垂直指向主要支承面图2－115 夹紧力方向与工件刚性关系3 . 夹紧力的计算 一般采用机动（气动、液动）夹紧装置时，需对夹紧力进行计算，而采用手动夹紧机构时，常根据经验或类比法确定所需的夹紧力。

本章结束 谢谢!。