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

第二章切削原理與刀具第一節(jié)刀具的結(jié)構(gòu)一、切削運動與切削要素1、切削運動 刀具與工件間的相對運動稱為切削運動?？煞纸鉃橹鬟\動和進(jìn)給運動。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①切削速度vc

在單位時間內(nèi)，刀具與工件之間沿主運動方向的相對位移。m/s②進(jìn)給量f

在主運動每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)或每一行程時，刀具與工件之間沿進(jìn)給方向的相對位移。mm/r，mm/行程。

③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)①切削寬度aw②切削厚度ac③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。切削部分一般由三個刀面、兩條切削刃和一個刀尖共六個要素組成。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的表面。3、副后（刀）面：與工件上已加工表面相對的表面。4、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。后兩種形式可增強刀尖的強度和耐磨性。2、

刀具角度的參考平面（1）基面Pr

通過主切削刃上某一點，并垂直于該點切削速度方向的平面。（2）切削平面Ps

通過主切削刃上某一點，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，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)給運動方向的夾角。一般為正值。2）副偏角：是副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運動反方向的夾角。一般為正值。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。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。

組成標(biāo)注刀具角度的正交平面參考系，是不考慮進(jìn)給運動的影響的，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）刀具安裝位置對工作角度的影響①當(dāng)?shù)都飧哂诠ぜ行蘑诋?dāng)?shù)都獾陀诠ぜ行模?）進(jìn)給運動對工作角度的影響實際的切削平面和基面都要偏轉(zhuǎn)一個附加的螺旋升角。

（3）刀桿軸線偏裝后對刀具工作角度的影響三、刀具種類

生產(chǎn)中所使用的刀具種類很多，按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：從實體材料上加工出孔的刀具。另一類是對已有孔進(jìn)行再加工用的刀具。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前刀面、兩個后刀面、兩個副后刀面、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）群鉆群鉆是我國機械工人在長期的生產(chǎn)實踐中，針對標(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，設(shè)計出的一種先進(jìn)鉆頭。（3）中心鉆（4）深孔鉆（5）擴孔鉆（6)鉸刀鉸刀是對己有孔進(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)IT6——IT7，表面粗糙度可達(dá)Ra1.6~0.4m。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刀齒的多刃刀具。

①加工平面 ②加工溝槽 ③加工成形表面（三）

銑刀

（1）直齒三面刃銑刀

（2）錯齒三面刃銑刀

（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①成形齒輪刀具：盤形齒輪銑刀和指形齒輪銑刀等②展成齒輪刀具：插齒刀、滾刀、剃齒刀等。Ⅰ）盤形直齒插齒刀用于加工普通直齒輪和大直徑內(nèi)齒輪。Ⅱ）碗形直齒插齒刀，用于加工塔形齒輪和雙聯(lián)齒輪。Ⅲ）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，應(yīng)注意以下幾點：1）刀具基本參數(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）刃具精度等級應(yīng)與被加工齒輪要求的精度等級相當(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，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、振動的作用，當(dāng)?shù)毒卟牧嫌凶銐虻膹姸群晚g性，就可避免刀具的斷裂、崩刃。4、高的耐熱性 耐熱性指材料在高溫下仍能保持硬度、強度、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600~660

C）；有足夠的強度和韌性；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。常用高速鋼的牌號與性能見表⒉1。2、硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是由高硬度、高熔點的金屬碳化物（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74～82HRC。耐熱溫度為800～1000℃，常用于制造形狀簡單的高速切削刀片，經(jīng)焊接或機械夾固在車刀、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)合金的代號是YG，由Co和WC組成。常用牌號是YG3、YG6等。牌號中的數(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）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金 鈦鈷類硬質(zhì)合金的代號是YT，由WC、TiC和Co組成。常用牌號是YT14、YT30等。牌號中的數(shù)字表示TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其余為含WC＋Co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，強度低，故陶瓷刀具只用于精車、半精車。（2）金剛石 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，價格相對較低，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700～800°C時，將產(chǎn)生碳化，與鐵有很強的化學(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（8000～9000HV），耐磨性好，耐熱性高（1400°C），與鐵系金屬在（1200～1300）℃時也不會起化學(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、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，反而使切削刃強度和散熱能力下降，引起崩刃。2．前角選擇的原則①工件材料工件材料的強度、硬度低，塑性大，前角應(yīng)取大值；材料強度、硬度高，應(yīng)取較小的前角。②刀具材料刀具材料強度、韌性高，前角可取大值，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。③加工性質(zhì)粗加工時，前角應(yīng)取較小的值，而精加工時，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：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，后角應(yīng)取小值。3、后刀面的形式①雙重后角：能保證刃口強度，減少刃磨工作量。②刃帶：是在后刀面上磨出后角為零的小棱邊。對一些定尺寸刀具，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。但刃帶會增大摩擦作用。③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，主要按加工性質(zhì)，一般可取10°～15°，切斷刀為保證刀尖強度，可取1°～2°。四、刃傾角1、刃傾角的作用：主要影響刀頭的強度和切屑流動的方向。

13、

刃傾角選擇的原則粗加工時，為保證刀具的強度，通常刃傾角選取較小值0

~-5°；若是斷續(xù)切削，或是切削高強度、高硬度的工件材料，刃傾角還應(yīng)選取更小些。精加工時，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0

～5°。

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）