同濟(jì)大學(xué)《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》第二章金屬切削原理與刀具A

1、第二章 切削原理與刀具第一節(jié) 刀具的結(jié)構(gòu)一、切削運(yùn)動(dòng)與切削要素1、切削運(yùn)動(dòng)刀具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)?？煞纸鉃橹鬟\(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。2、切削要素包括切削用量和切削層的幾何參數(shù)。（1）切削用量 切削速度vc在單位時(shí)間內(nèi)，刀具與工件之間沿主運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移。m/s進(jìn)給量f在主運(yùn)動(dòng)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)或每一行程時(shí)，刀具與工件之間沿進(jìn)給方向的相對(duì)位移。mm/r，mm/行程。背吃刀量待加工表面與已加工表面之間的垂直距離（mm）。（2）切削層幾何參數(shù) 切削寬度aw 切削厚度ac 切削面積Ac刀具角度、刀具切削部分的組成 車刀由刀體和刀頭組成。刀體是車刀上的夾持部分，刀頭是車刀的切削部分。切削切削部分一般由三個(gè)刀

2、面、兩條切削刃和一個(gè)部分一般由三個(gè)刀面、兩條切削刃和一個(gè)刀尖共六個(gè)要素組成刀尖共六個(gè)要素組成。 1、前（刀）面：切屑流出經(jīng)過的表面。2、主后（刀）面：與工件上過渡表面相對(duì)的表面。3、副后（刀）面 ：與工件上已加工表面相對(duì)的表面。 0p4、主切削刃S ：前刀面與主后刀面的交線，擔(dān)負(fù)主要的切削任務(wù)。5、副切削刃S ：前刀面與副后刀面的交線，配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。6、刀尖：主切削刃與副切削刃的連接部分。 刀尖的一般形式有尖角、圓弧過渡刃、直線過渡刃。后兩種形式可增強(qiáng)刀尖的強(qiáng)度和耐磨性。2、 刀具角度的參考平面（1）基面Pr 通過主切削刃上某一點(diǎn)，并垂直于該點(diǎn)切削速度方向的平

3、面。（2）切削平面Ps 通過主切削刃上某一點(diǎn)，并與工件加工表面相切的平面。 （3）正交平面Po 通過切削刃上某一點(diǎn)，并與主切削刃在基面的投影相垂直的平面。3、刀具的標(biāo)注角度一、在基面內(nèi)測量的角度1）主偏角 ：是主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角。一般為正值。2）副偏角 ：是副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角。一般為正值。rkrk二、在正交平面內(nèi)的角度1）前角 ：是前刀面與基面之間的夾角，前角有正、負(fù)和零度之分。 2）后角 ： 是主后刀面與切削平面之間的夾角，后角有正、負(fù)和零度之分。一般為正值。rp00三、在切削平面內(nèi)的角度1）刃傾角 ： 是主切削刃與基面 之間的夾角。 srp

4、 組成標(biāo)注刀具角度的正交平面參考系，是不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響的，并且假定車刀刀尖與工件回轉(zhuǎn)軸線等高；安裝時(shí)車刀刀柄的縱向軸線垂直于進(jìn)給方向。4、刀具的工作角度（1）刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響 當(dāng)?shù)都飧哂诠ぜ行漠?dāng)?shù)都獾陀诠ぜ行膚orerooooeoooedhpp2sin的轉(zhuǎn)角與正交平面內(nèi)worerooooeoooedhpp2sin的轉(zhuǎn)角與正交平面內(nèi)（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響 實(shí)際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個(gè)附加的螺旋升角。wooeooedftan（3）刀桿軸線偏裝后對(duì)刀具工作角度的影響之間的夾角。與兩工作平面fefrrerreppGGkkGkk三、刀具種類 生產(chǎn)中所使用的刀具種類很多，按

5、加工方式和具體用途，可分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、數(shù)控機(jī)床刀具和磨具等幾大類型。（一）車刀： 車刀是金屬切削加工中應(yīng)用最廣泛的一種刀具。它可用于臥式車床、立式車床、轉(zhuǎn)塔車床、自動(dòng)車床和數(shù)控車床上加工外圓、內(nèi)孔、端面、成形回轉(zhuǎn)表面等。 車刀的種類很多，按用途可分為外圓車刀、端面車刀、螺紋車刀、鏜孔刀、切斷刀及成形刀等，如圖所示。按結(jié)構(gòu)的不同，又可分為整體式車刀、焊接式車刀、機(jī)夾車刀、可轉(zhuǎn)位車刀等。整體式車刀一般用高速鋼制造，焊接式車刀及機(jī)夾式刀片用硬質(zhì)合金制造。（二）孔加工刀具孔加工刀具可分為兩大類：一類：從實(shí)體材料上加工出孔的刀具。另一類是對(duì)已有孔進(jìn)行再加工用的刀具。

6、一、麻花鉆1、麻花鉆的組成 標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆由工作部分、柄部、頸部三部分組成，如圖所示。2、麻花鉆切削部分的組成鉆頭的切削部分由兩個(gè)前刀面、兩個(gè)后刀面、兩個(gè)副后刀面、兩條主切削刃、兩條副切削刃和一條橫刃組成。3、麻花鉆缺陷1）主切削刃上前角變化大2）橫刃部分切削條件差3）排屑不暢（2）群鉆 群鉆是我國機(jī)械工人在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆存在的缺陷，綜合各種修磨方法和成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出的一種先進(jìn)鉆頭。（3）中心鉆（4）深孔鉆（5）擴(kuò)孔鉆（6) 鉸刀 鉸刀是對(duì)己有孔進(jìn)行精加工的一種刀具。鉸削切除余量很小。鉸削后的孔精度可達(dá) I T 6 I T 7 ， 表 面 粗 糙 度 可 達(dá)Ra1.60.4m。

7、1、鉸刀的種類 鉸刀的種類很多，通常是按使用方式把鉸刀分為手用鉸刀和機(jī)用鉸刀。銑刀是一種在回轉(zhuǎn)體表面上或端面上分布有多個(gè)刀齒的多刃刀具。 加工平面 加工溝槽 加工成形表面（三） 銑刀 （1）直齒三面刃銑刀 （2）錯(cuò)齒三面刃銑刀 （3）鑲齒三面刃銑刀 （四）拉刀拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具。（五）螺紋刀具（六）齒輪刀具成形齒輪刀具：盤形齒輪銑刀和指形齒輪銑刀等 展成齒輪刀具：插齒刀、滾刀、剃齒刀等。）盤形直齒插齒刀用于加工普通直齒輪和大直徑內(nèi)齒輪。）碗形直齒插齒刀，用于加工塔形齒輪和雙聯(lián)齒輪。）錐柄直齒插齒刀，用于加工直悔內(nèi)齒輪。 選用齒輪滾刀和插齒刀時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）刀

8、具基本參數(shù)（模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)等）應(yīng)與被加工齒輪相同。2）刃具精度等級(jí)應(yīng)與被加工齒輪要求的精度等級(jí)相當(dāng)。3）刀具旋向應(yīng)盡可能與被加工齒輪的旋向相同。滾切直齒輪時(shí)，一般用左旋滾刀。常用刀具材料一、刀具材料必須具備的性能1、高的硬度刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。這樣，刀具才能切除工件上多余的金屬，目前在室溫條件下刀具材料的硬度應(yīng)大于或等于60HRC。2，高的耐磨性 耐磨性指材料抵抗磨損的能力。一般而言，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。3、足夠的強(qiáng)度和韌性 在切削加工過程中，刀具總是受到切削力、沖擊、振動(dòng)的作用，當(dāng)?shù)毒卟牧嫌凶銐虻膹?qiáng)度和韌性，就可避免刀具的斷裂、崩刃。4、高的耐熱性 耐熱

9、性指材料在高溫下仍能保持硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性的能力。5、良好的工藝性 刀具材料有良好的工藝性，便于刀具的制造。6、良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能要求刀具的導(dǎo)熱性要好，不會(huì)因受到大的熱沖擊，產(chǎn)生刀具內(nèi)部裂紋而導(dǎo)致刀具斷裂。二、常用刀具材料的種類1、在金屬切削加工中，刀具材料的種類有許多。1）碳素工具鋼與合金工具鋼2）高速鋼 高速鋼是指含較多鎢、鉻、鉬、釩等合金元素的高合金工具鋼，俗稱鋒鋼或風(fēng)鋼。高速鋼有較高的耐熱性（約600660C）；有足夠的強(qiáng)度和韌性；有較好的工藝性。目前，高速鋼已作為主要的刀具材料之一，廣泛用于制造形狀復(fù)雜的銑刀、鉆頭、拉刀和齒輪刀具等。常用高速鋼的牌號(hào)與性能見表1。2

10、、硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是由高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）為基體，以金屬Co、Ni、Mo等為粘結(jié)劑，用粉末冶金的方法制成的一種合金。硬質(zhì)合金的硬度為7482HRC。耐熱溫度為8001000，常用于制造形狀簡單的高速切削刀片，經(jīng)焊接或機(jī)械夾固在車刀、刨刀、鉆頭等刀體上使用。（1）鎢鈷類硬質(zhì)合金 鎢鉆類硬質(zhì)合金的代號(hào)是YG，由Co和WC組成。常用牌號(hào)是YG3、YG6等。牌號(hào)中的數(shù)字表示Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含Co量），其余為含WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含WC量），如YG3表示（Co）3，（WC）97。其韌性較好，但耐磨性較差。鎢鈷類硬質(zhì)合金適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。 （2）鎢鈦鈷類

11、硬質(zhì)合金 鈦鈷類硬質(zhì)合金的代號(hào)是YT，由WC、TiC和Co組成。常用牌號(hào)是YT14、YT30等。牌號(hào)中的數(shù)字表示TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其余為含WCCo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如YT14表示（TiC）14，（WC）78，（Co）8。其硬度、耐熱性、耐磨性較好，但韌性較差。鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金適用于加工碳鋼、合金鋼等塑性材料。 改善硬質(zhì)合金性能的措施：1）調(diào)整化學(xué)成分2）細(xì)化合金的晶粒3）采用涂層刀片4、新型刀具材料（1）陶瓷 陶瓷材料的主要成分是A12O3.。陶瓷是在高壓下成形，在高溫下燒結(jié)而成。陶瓷的硬度高，耐磨性好，耐熱性高，化學(xué)穩(wěn)定性好。但是，陶瓷的脆性大，強(qiáng)度低，故陶瓷刀具只用于精車、半精車。（2）金剛石

12、金剛石分為天然和人造兩種，天然金剛石數(shù)量稀少，所以價(jià)格昂貴，應(yīng)用極少。人造金剛石是在高壓、高溫條件下，由石墨轉(zhuǎn)化而成，價(jià)格相對(duì)較低，應(yīng)用較廣。金剛石的硬度極高（10000HV），是目前自然界已發(fā)現(xiàn)的最硬物質(zhì)。但是，金剛石耐熱性較差，在700800C時(shí)，將產(chǎn)生碳化，與鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，故不宜用于加工鋼鐵；（3）立方氮化硼 立方氮化硼是由立方氮化硼在高壓、高溫條件下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成。立方氮化硼的硬度僅次于金剛石（80009000HV），耐磨性好，耐熱性高（1400C），與鐵系金屬在（12001300）時(shí)也不會(huì)起化學(xué)反應(yīng)，因此，既能勝任淬硬鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料

13、、硬質(zhì)合金及其它難加工材料的高速切削。x刀具幾何參數(shù)的合理選擇刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力大小，切削溫度升降，刀具磨損快慢都有很大影響。為此，合理地選擇刀具幾何參數(shù)非常重要。合理的刀具幾何參數(shù)，可以保證工件加工質(zhì)量，獲得較高的刀具壽命，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。 一、前角 1前角的作用：是在滿足切削刃強(qiáng)度要求的前提下，使切削刃鋒利。增大前角能減少切屑變形和磨損、改善加工質(zhì)量、抑制積屑瘤等。但是，前角過大，反而使切削刃強(qiáng)度和散熱能力下降，引起崩刃。2前角選擇的原則 工件材料 工件材料的強(qiáng)度、硬度低，塑性大，前角應(yīng)取大值；材料強(qiáng)度、硬度高，應(yīng)取較小的前角。 刀具材料 刀具材料強(qiáng)度、韌性高，前角可取大值，

14、反之取小值。如高速鋼可取較大的前角值，而硬質(zhì)合金刀則應(yīng)取小值。 加工性質(zhì) 粗加工時(shí)，前角應(yīng)取較小的值，而精加工時(shí)，可取較大的值。3、前刀面形式3、倒棱 如果在前角的前面上磨出倒棱，就可實(shí)現(xiàn)既保持增大前角的有利作用，又克服增大前角的不利作用的目的。 倒棱指沿著切削刃在前面上磨出負(fù)前角的小棱面。倒棱有兩個(gè)參數(shù)：倒棱前角和倒棱寬度。二、后角1、后角的作用是減小后刀面與工件間的摩擦和后刀面的磨損，其大小對(duì)刀具耐用度和加工表面質(zhì)量都有很大影響。2，后角選擇的原則后角選擇的主要依據(jù)有兩個(gè)：一是切削厚度：切削厚度薄，后角應(yīng)取大值；反之，后角應(yīng)取小值；二是刀具形式，定尺寸刀具（如拉刀等），為延長刀具壽命，后角

15、應(yīng)取小值。3、后刀面的形式雙重后角：能保證刃口強(qiáng)度，減少刃磨工作量。刃帶：是在后刀面上磨出后角為零的小棱邊。對(duì)一些定尺寸刀具，如拉刀，鉸刀等便于控制外徑尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速變化。但刃帶會(huì)增大摩擦作用。 消振棱：是在后刀面磨出一條負(fù)后角的棱邊，可增大阻尼，起消振作用。三、主偏角1、主偏角的作用：主要影響各切削分力的比值，也影響切削層截面形狀和工件表面形狀。2、主偏角的選擇原則，是在工藝系統(tǒng)剛度允許的前提下，選較小的主偏角。四、副偏角1、副偏角的作用：副偏角主要影響已加工表面的粗糙度，也影響切削分力的比值。2、副偏角的選擇。副偏角選擇時(shí)，主要按加工性質(zhì)，一般可取1015，切斷刀為保證刀尖強(qiáng)

16、度，可取12。四、刃傾角 1、刃傾角的作用：主要影響刀頭的強(qiáng)度和切屑流動(dòng)的方向。13、 刃傾角選擇的原則 粗加工時(shí)，為保證刀具的強(qiáng)度，通常刃傾角選取較小值0-5；若是斷續(xù)切削，或是切削高強(qiáng)度、高硬度的工件材料，刃傾角還應(yīng)選取更小些。 精加工時(shí)，為了提高工件的表面質(zhì)量，不讓切屑流向已加工表面，一般刃傾角選取較大值05。刀具各角度之間是相互聯(lián)系、相互影響的。孤立地選擇某一角度并不能得到所希望的合理值。砂輪及磨削 、砂輪結(jié)構(gòu)的要素砂輪結(jié)構(gòu)由磨粒、結(jié)合劑和氣孔組成。 磨粒的形狀呈不規(guī)則的多面體，在磨削中起著切削的作用。 結(jié)合劑起著粘固無數(shù)磨粒的作用。 氣孔起著容納磨屑和散熱的作用。磨粒、結(jié)合劑、氣孔組

17、成了砂輪結(jié)構(gòu)的三要素。二、砂輪特性的要素砂輪特性的要素由下列五個(gè)要素組成：磨料、粒度、結(jié)合劑、硬度和組織。 1）磨料 磨料是硬度極高的非金屬晶體，是砂輪的主要成分。磨料必須具有高的硬度、耐磨性、耐熱性、適當(dāng)?shù)捻g性和比較鋒利的形狀等的性能。磨料分天然磨料和人工磨料兩大類。天然磨料有剛玉和金剛石等。人造磨料分剛玉類、碳化硅類、高硬磨料類三大類。1）剛玉類磨料的主要成分為氧化鋁（A12O3），適合于磨削抗拉強(qiáng)度較高的材料。2）碳化硅類磨料的主要成分為碳化硅（SiC），其硬度比剛玉類磨料高，導(dǎo)熱性好，顆粒鋒利，但性脆，適合于磨削抗拉強(qiáng)度低的脆性材料。 1） 高硬磨料類中的立方氮化硼和人造金剛石是互為補(bǔ)

18、充的優(yōu)良磨料，適合于磨削高硬度、高韌性的鋼材及硬質(zhì)合金材料，其磨削工件的表面質(zhì)量好，磨削效率高，但價(jià)格較昂貴。2、 粒度 磨粒的大小用粒度表示，粒度分為磨粒（尺寸大于40 m ）及微粉(尺寸小于40m ）兩類。磨粒用篩選法分級(jí)，即粒度號(hào)表示了磨粒能通過的篩網(wǎng)在每英寸長度上所含的孔眼數(shù)。例如：粒度號(hào)46，指的是磨粒能通過每英寸長度上有46個(gè)孔眼的篩網(wǎng)。所以粒度號(hào)越大，磨粒就越細(xì)。磨粒粒度號(hào)的范圍是4240。微粉的粒度是用顯微鏡測量其實(shí)際尺寸來確定的。粒度號(hào)用W表示微粉，后面的數(shù)字表示該粒度號(hào)微粉的最大實(shí)際尺寸。如：W20是指用顯微鏡測得實(shí)際尺寸為20m的微粉。因此，粒度號(hào)越大，微粉就越粗。砂輪的

19、粒度對(duì)加工工件表面的粗糙度和磨削效率有很大的影響。 磨料粒度選擇原則為：粗磨時(shí)以提高生產(chǎn)率為主要目的，應(yīng)選小的粒度號(hào)，一般為36#46#；精磨時(shí)以減小表面粗糙度為主要目的，應(yīng)選大的粒度號(hào)，一般為60120；3）結(jié)合劑 結(jié)合劑是指粘固磨粒成為砂輪的物質(zhì)。其種類及性能對(duì)砂輪的強(qiáng)度、耐沖擊韌度、耐熱性、耐腐蝕性等具有極大的影響。 常用的結(jié)合劑分為有機(jī)結(jié)合劑和無機(jī)結(jié)合劑兩大類；其中無機(jī)結(jié)合劑最常用的是陶瓷結(jié)合劑；有機(jī)結(jié)合劑最常用的是樹脂結(jié)合劑和橡膠結(jié)合劑。 4、硬度 砂輪的硬度是指在磨削力的作用下，磨粒從砂輪表面脫落的難易程度。磨粒容易從砂輪表面脫落，就稱該砂輪軟；磨粒不容易從砂輪表面脫落，就稱該砂輪

20、硬。砂輪的硬度是反映了結(jié)合劑與磨粒的粘固強(qiáng)度。它與磨粒本身的硬度是兩個(gè)不同的概念，切勿混淆。砂輪的硬度分為15個(gè)等級(jí)。砂輪硬度的選擇原則是：1）工件材料越硬，應(yīng)選越軟的砂輪。因?yàn)檫@樣可使磨鈍的磨粒容易脫落，露出鋒利的磨粒，使砂輪保持鋒利。反之，應(yīng)選越硬的砂輪。對(duì)于有色金屬等很軟的工件材料，為避免磨屑堵塞砂輪，則應(yīng)選用較軟的砂輪。2）磨削接觸面積較大時(shí)，應(yīng)選較軟砂輪；薄壁零件及導(dǎo)熱性差的零件，也應(yīng)選軟砂輪。這是為了降低磨削產(chǎn)生的熱量，防止工件表面燒傷及變形。 3）砂輪的粒度號(hào)較大時(shí)，應(yīng)選較軟的砂輪；砂輪線速度較低時(shí)，應(yīng)選較硬的砂輪。4）精磨和成型磨削時(shí)，應(yīng)選較硬的砂輪。這樣可較長時(shí)間保持砂輪的外

21、形輪廓，提高磨削精度。 5、組織 砂輪的組織是指砂輪中磨粒、結(jié)合劑、氣孔三者的體積比例，也就是砂輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)的松緊程度。磨粒占砂輪的體積分?jǐn)?shù)（體積的）越大，氣孔占砂輪的體積分?jǐn)?shù)（體積的）越小，則組織越緊密；反之，組織越疏松。 砂輪組織的松緊程度用組織號(hào)表示，組織號(hào)以數(shù)字014表示。組織號(hào)越小，砂輪組織越緊密；反之，則砂輪組織越疏松。 常用的砂輪都是中等組織（組織號(hào)47）。 緊密組織（組織號(hào)03）。 疏松組織（組織號(hào)814）。三、砂輪的形狀、尺寸及代號(hào) 砂輪的形狀和尺寸是根據(jù)磨床類型、加工方法及工件的形狀和尺寸來決定的。常用砂輪的形狀、代號(hào)、尺寸及主要用途見表。 砂輪特性的各參數(shù)一般都以代號(hào)的形式標(biāo)注在砂輪的端面上。其順序是：砂輪形狀、尺寸、磨料、粒度、硬度、組織、結(jié)合劑和最高工作線速度。 四、磨削機(jī)理一顆磨粒磨削經(jīng)歷了滑擦（彈性變形）、耕犁（塑性變形）及切削（形成切屑，沿磨粒前面流出）的過程，使工件表面形成熱應(yīng)力與變形應(yīng)力。五、外圓切入磨削的磨削循環(huán)它由起火花（初磨）、穩(wěn)定磨削及去火花（清磨）等三個(gè)階段組成。 在切入磨削一個(gè)循環(huán)中，存在以下切削在切入磨削一個(gè)循環(huán)中，存在以下切削特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）初始磨削時(shí)初始磨削時(shí)，