《機械加工工藝與實訓》課件第2章

第2章金屬切削原理與刀具

第2章金屬切削原理與刀具金屬切削基本定義

1金屬切削刀具

2切削過程基本規(guī)律

3刀具磨損與刀具耐用度

4切削液的選用

5本章學習目標理解金屬切削基本定義熟悉金屬切削刀具的分類、組成、材料及角度了解金屬切削過程基本規(guī)律了解刀具磨損的形式、原因、過程與刀具耐用度概念掌握切削液的選用2.2知識要點

金屬切削過程是指在機床上通過刀具與工件的相對運動，利用刀具從工件上切下多余的金屬層，形成切屑和已加工表面的過程。也是工件的切削層在前刀面擠壓下產(chǎn)生塑性變形、形成切屑而被切下來的過程。本章研究對象：以金屬切削過程中出現(xiàn)各種物理現(xiàn)象（如切削力、切削熱、刀具磨損及加工表面質(zhì)量）的基本理論為基礎。解決實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多影響加工表面質(zhì)量的問題，如鱗刺、振動、卷屑和斷屑等都同切削過程有關。2.2.1金屬切削基本定義1.切削運動金屬切削加工是依靠刀具與工件之間的相對運動（即切削運動）進行的，按切削運動作用可分為主運動和進給運動。主運動直接切除工件上的切削層，以形成工件新表面的基本運動稱為主運動。進給運動配合主運動不斷把切削層投入切削以保持切削連續(xù)的運動稱為進給運動。合成切削運動主運動和進給運動合成的運動稱為合成切削運動。1—主運動2—進給運動3、待加工表面4—加工表面5—已加工表面切削運動和工件上形成的三個表面2.2.1金屬切削基本定義2.2.1金屬切削基本定義2.切削過程的工件表面已加工表面

待加工表面

加工表面

在切削過程中，工件表面的被切削層不斷地被切去，新的表面逐漸形成。因此，在切削過程中，工件上有三個不斷變化著的表面。已加工表面是指隨著切削運動的進行而逐漸形成的新的表面。待加工表面是指工件上即將被切去金屬層的表面。加工表面是指切削刃正在切削著的表面。2.2.1金屬切削基本定義3.切削用量切削過程中主運動，進給運動的大小，用切削用量來表示，共有三個：切削速度，進給量和切削深度，也稱為切削用量三要素。切削速度是指在單位時間內(nèi)，刀具切削刃上選定點在切削運動方向上相對于工件的主運動的線速度。（1）切削速度

單位：m/min或m/s（米/分或米/秒）注：當主運動是旋轉運動，切削速度指刀刃在旋轉體外緣處的圓周速度時可使用此公式。計算公式：(m/min)式中：—工件或刀具的直徑（mm）—工件或刀具的轉速（r／min）2.2.1金屬切削基本定義3.切削用量

（1）切削速度

例題2-1：用車刀車削直徑d=50mm的工件，車床主軸轉速n＝400r/min，求切削速度v？解:（m/min）注：在實際生產(chǎn)中，常常已知工件直徑，并根據(jù)工件和刀具材料等因素選定了切削速度，再求出車床的主軸轉速，這時可把上面公式變換為：(r／min)2.2.1金屬切削基本定義3.切削用量

（1）切削速度

例題2-2：用YG7硬質(zhì)合金車刀車削直徑d＝60mm的鑄鐵帶輪，查表選定切削速度v=60m/min，求車床主軸轉速？解:（m/min）（2）進給量

進給量是指在主運動的一個循環(huán)時間內(nèi)，刀具和工件之間沿進給運動方向相對移動的距離。舉例：車削時的進給量為工件每轉一圈，刀具沿進給量方向的相對位移，單位是mm/r。刨削時，進給量是指工件或刀具往復一次，兩者沿進給方向的相對位移，單位是mm/str（毫米/往復行程），

對于多刃刀具，通常用每齒進給量(mm／z)或每分進給量(mm/min)表示。2.2.1金屬切削基本定義3.切削用量（3）切削深度

切削深度是已加工表面和待加工表面的垂直距離，也是刀具切入工件的深度，用表示。單位為mm．計算公式：

(mm)式中：—工件待加工面的直徑（mm）?！ぜ庸け砻娴闹睆剑╩m）。例題2-3：已知毛坯直徑為60mm，一次進刀車到55mm，求切削深度解：（mm）2.2.2金屬切削刀具

1.刀具的分類金屬切削刀具有多種形式和結構，根據(jù)用途和加工方法不同，有如下幾種分類方法。

按加工方法分：車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鉸刀、鏜刀、拉刀、絲錐板牙、齒輪刀具、砂輪等。

按結構方式分：整體式刀具、焊接式刀具、機械夾固式刀具。按刀具的刀刃數(shù)目分：單刃刀具、雙刃刀具、多刃刀具。按加工表面分：外圓表面加工刀具、內(nèi)圓表面加工刀具、平面加工刀具、螺紋刀具、成形刀具、齒輪刀具。

按刀片使用后是否重磨分：機夾重磨式和機夾可轉位式（不重磨）兩種刀具。

按刀具切削部分的材料分：工具鋼刀具、高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具等。刀具為了切除工件上多余的金屬層，并獲得符合要求的工件形狀、尺寸及精度，必須具備一定結構、形狀及幾何角度的要求。刀具的結構一般由切削部分、導向部分和夾持部分等三部分組成。2.2.2金屬切削刀具（1）切削部分：以外圓車刀為例，切削部分一般由三面二刃一尖組成。

2.刀具的組成外圓車刀的組成（2）導向部分：具有導向部分（如麻花鉆、餃刀、立銑刀等）的刀具一般用于內(nèi)孔、構槽和內(nèi)螺紋加工。（3）夾持部分：用來把刀具裝夾在刀架或套筒內(nèi)，以便將機床的動力傳給刀具。2.2.2金屬切削刀具3.刀具材料（1）刀具材料的性能要求切削加工中，刀具的表面與工件表面和切屑產(chǎn)生強烈的摩擦和擠壓，在這種情況下工作的刀具必須承受很大的切削力和很高的切削溫度（有時高達900℃~1000°C）。因此，刀具材料應具備以下基本要求：高的硬度和耐磨性足夠的強度和韌性高的耐熱性良好的工藝性能2.2.2金屬切削刀具3.刀具材料（2）常用刀具材料的種類

材料名稱合金元素使用性能應用碳素工具鋼含碳量為0.6%～1.2％的優(yōu)質(zhì)鋼

耐熱性很差

絲錐、銼刀等手動工具合金工具鋼在碳素工具鋼中加入一定量的合金元素耐熱性優(yōu)于碳素工具鋼低速刀具

高速鋼鎢、鉻、鉬、釩、鈷高的耐熱性、紅硬性、強度鉆頭、拉刀、成形刀具、絲錐、齒輪刀具硬質(zhì)合金用高硬度難熔的金屬碳化物粉末以鈷或鉬、鎢為粘結劑性能超過高速鋼高速切削的主要刀具材料陶瓷在三氧化二鋁的基礎上，添加一些微量添加劑部分性能超過硬質(zhì)合金高速下精加工硬材料人造金剛石在高溫高壓下將金剛石微粉聚合而成的多晶體材料硬度極高韌性和抗彎強度很差有色金屬及非金屬的精加工、超精加工以及做磨具、磨料用。立方氮化硼由立方氮化硼（白石墨）在高溫、高壓下制成的硬度高，抗彎強度和韌性略低于硬質(zhì)合金高硬度、難加工材料的半精加工和精加工。2.2.2金屬切削刀具4.刀具幾何角度（1）靜止參考系所謂刀具靜止參考系，是指在不考慮車刀進給運動，并且規(guī)定刀尖的安裝位置與工件軸線等高的簡化條件下的參考系。刀具靜止參考系的主要坐標平面有基面、切削平面和正交面。注：此三個平面構成一空間直角坐標系，即刀具靜止參考系。（2）刀具幾何角度4.刀具幾何角度2.2.2金屬切削刀具刀具的基本幾何角度有六個，即前角、后角、主偏角、副偏角，和刃傾角、副后角。兩個派生角：楔角和刀尖角。車刀幾何角度2.2.2金屬切削刀具4.刀具幾何角度（2）刀具幾何角度前角

在正交平面內(nèi)測量的前刀面與基面之間的夾角為前角。前角正、負的規(guī)定前角正、負規(guī)定。前角角度的作用：

前角對切屑變形、切削力、切削熱和刀具強度均有較大的影響。前角的大小還影響斷屑效果。前角對加工質(zhì)量的影響。2.2.2金屬切削刀具4.刀具幾何角度（2）刀具幾何角度后角

在正交平面內(nèi)測量的后刀面與切削平面之間的夾角為后角。后角的作用：

減小后刀面與工件表面之間的摩擦，并與前角配合調(diào)整刀刃部分的銳利與強固程度。當前角一定時，加大后角，可使后刀面的摩擦減輕，但刀刃強度降低；反之，摩擦增大，刀刃部分強度增加，常取

后角的大小對刀具耐用度有影響。后角過大，使刀刃強度和散熱體積降低，使切削溫度升高，加快刀具的磨損；后角過小，刀具后刀面摩擦增加，磨損加快，因此，過大和過小的后角都會使刀具耐用度降低。2.2.2金屬切削刀具4.刀具幾何角度（2）刀具幾何角度主偏角

在基面內(nèi)測量的切削平面與假定工作平面間的夾角為主偏角。主偏角作用：

主偏角減小，刀尖部分的強度增加，散熱條件較好；主偏角影響斷屑效果；主偏角影響切削力。主偏角對切削厚度與寬度的影響2.2.2金屬切削刀具4.刀具幾何角度（2）刀具幾何角度副主偏角

在基面內(nèi)測量的副切削刃與假定工作平面間的夾角為副偏角。副主偏角作用：

減少副切削刃與工件已加工表面的摩擦，減少切削振動。副偏角的大小影響工件已加工表面殘留面積的大小，進而影響已加工表面的粗糙度Ra值。副偏角一般在5°~15°副偏角對表面粗糙度Ra的影響2.2.2金屬切削刀具4.刀具幾何角度（2）刀具幾何角度刃傾角

在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面之間的夾角為刃傾角，表示主切削刃對基面的傾斜程度。不同刃傾角的偏刀及對切屑流向的作用：

切削刃對切屑流向的影響2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

金屬的切削過程，從宏觀上講，就是在由機床提供的運動和動力條件下，用刀具切除工件上一層金屬，從而獲得所需形狀尺寸、表面質(zhì)量均符合要求的工件的過程。從微觀上講，也是工件上被切削的金屬層在刀具切削刃的切削和前刀面的推擠作用下，產(chǎn)生彈性變形、塑性變形、剪切滑移而變成切屑的過程。1.切削層及其參數(shù)切削層是指工件加工時，正在被刀刃切削的那一層金屬。切削層參數(shù)2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

1.切削層及其參數(shù)切削厚度過切削刃上選定點，在基面內(nèi)測量的垂直于加工表面的切削層尺寸（單位mm）。它與主偏角的關系式：切削寬度過切削刃上選定點，在基面內(nèi)測量的平行于加工表面的切削層尺寸（單位mm）。它與主偏角的關系：切削面積過切削刃上選定點，在基面內(nèi)測量的切削層的橫截面面積（單位mm2）。2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

2.切削的變形及切屑的形成

金屬的切削過程實際上是一種擠壓變形，產(chǎn)生切屑的過程。在金屬切削過程中，工件上切削層金屬在刀具刀刃的切削及前刀面的強烈推擠和摩擦的情況下，經(jīng)過彈性變形、塑性變形、剪切和滑移變形，逐漸與母體分離而形成切屑。由于工件材料、刀具的角度及切削用量不同，切削下來的金屬切屑類型、形狀也不一樣。擠壓變形切削變形2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

2.切削的變形及切屑的形成

（1）切屑種類切屑的類型切屑種類形成原因優(yōu)點缺點備注帶狀切屑加工塑性材料，小切削深度，高切削速度和大前角工件表面加工質(zhì)量高操作不安全斷屑措施

擠裂切屑加工塑性材料，切削厚度大，切削速度低，前角小工件表面加工質(zhì)量差使用帶狀切屑單元切屑切屑內(nèi)部的剪應力超過了材料的強度極限破壞材料內(nèi)部結構與工件表面加工質(zhì)量使用帶狀切屑崩碎切屑切削脆性材料不可避免2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

2.切削的變形及切屑的形成

（2）切屑形狀的控制切屑控制是指切屑在加工過程中采取適當?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木硇?、流出與折斷，以形成可接受的良好屑形。實際切屑控制方法：在前刀面上磨制出斷屑槽或使用壓塊式斷屑槽。（3）積屑瘤在一定的條件下，切削塑性金屬時，刀尖附近貼著一小塊硬度較高的金屬。積屑瘤積屑瘤的形成條件：

中等切削速度，切削塑韌性金屬材料積屑瘤對切削過程的影響：①保護刀具②增大前角③影響質(zhì)量仰制或消除積屑瘤產(chǎn)生的方法：①控制切削速度②潤滑性能好的切削液③增大刀具前角④提高工件材料的硬度2.切削的變形及切屑的形成

（3）表面加工硬化

金屬經(jīng)過切削加工后其表面強度、硬度都要提高，但塑性下降，這種現(xiàn)象叫做加工硬化，簡稱冷硬現(xiàn)象。

2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

產(chǎn)生冷硬現(xiàn)象的原因:是因為金屬材料在加工過程中的塑性變形造成的。缺點：加工硬化給下一工序的加工造成困難，增加刀具的磨損，還影響工件的表面質(zhì)量，工件表面材料性能降低。優(yōu)點：在抑制殘余應力，特別是細微裂紋的條件下，利用滾壓加工產(chǎn)生加工硬化，可使已加工表面的硬度、強度和耐磨性提高。2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

3.切削力和切削功率

切削力直接決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具磨損、破損、刀具耐用度、加工精度和已加工表面質(zhì)量。切削過程中工件作用在刀具上的切削抗力稱為切削力。切削力的來源一是克服被加工材料對彈性變形的抗力；二是克服被加工材料對塑性變形的抗力；三是克服切屑對刀具前刀面的摩擦力，以及刀具后刀面對加工表面和已加工表面之間的摩擦力。切削力的來源2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

3.切削力和切削功率

切削力的合成與分解為了便于測量和應用，總合力可分解為三個互相垂直的分力。主切削力——它垂直于基面，與切削速度的方向一致吃刀抗力

——它在基面內(nèi)，并與進給方向垂直。走刀抗力——它也在基面內(nèi)，并與進給方向平行。切削力的分解車削外圓時，不消耗功，但能使工件變形造成振動，對加工精度和表面粗糙度影響較大。作用在進給機構上，在設計或校核進給機構強度時要用到它。即：2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

3.切削力和切削功率

切削功率

功率是力與其作用方向上速度的乘積，切削功率是三個切削分力消耗功率的總和。車削外圓時，方向的運動速度就是切削速度，方向的運動速度為零，方向的運動速度是轉速和進給量的乘積。因此，切削功率的計算式為：

注意：所消耗的功率與消耗的功率相比是很小的，可以忽略不計。因此，切削功率一般只需要按主切削力來計算就可以了。即：2.2.3金屬切削過程基本規(guī)律

4.切削熱和切削溫度

切削過程中，刀具要從工件上切除多余的金屬層，就必然要做功，這些功絕大部分變?yōu)闊崮埽@就是切削熱。切削熱的來源：一是切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形，另外兩個是切屑與前刀面，工件與后刀面間消耗的摩擦功切削熱傳散的比例車削加工時，50～86%的熱量被切屑帶走，40～10％傳入工件，9～3％傳入車刀，1%左右傳入空氣；鉆削加工時，28%的熱量被切屑帶走，14.5％傳入工件，52%傳入鉆頭，5％傳入周圍介質(zhì)。注：切削溫度的高低，取決于切削時產(chǎn)生熱量的多少以及散熱條件的好壞。2.2.4刀具磨損與刀具耐用度

1.刀具磨損的形式

正常磨損主要包括：前刀面磨損、后刀面磨損和前后刀面同時磨損。前刀面磨損原因：后刀面磨損原因：切削塑性金屬、使用大切削速度和大切削厚度且切屑從前刀面流出。刀具后刀面與加工表面摩擦而產(chǎn)生的磨損。前后刀面同時磨損原因：采用中等切削速度和中等進給量切削塑性金屬時常出現(xiàn)的磨損。非正常磨損（破損）主要包括：脆性破損