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1、第二章 切削原理与刀具,第一节 刀具的结构一、切削运动与切削要素1、切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动。可分解为主运动和进给运动。,2、切削要素包括切削用量和切削层的几何参数。（1）切削用量 切削速度vc在单位时间内，刀具与工件之间沿主运动方向的相对位移。m/s,进给量f在主运动每转一转或每一行程时，刀具与工件之间沿进给方向的相对位移。mm/r，mm/行程。背吃刀量待加工表面与已加工表面之间的垂直距离（mm）。,（2）切削层几何参数, 切削宽度aw 切削厚度ac 切削面积Ac,刀具角度,、刀具切削部分的组成车刀由刀体和刀头组成。刀体是车刀上的夹持部分，刀头是车刀的切削部分。切削部分一般
2、由三个刀面、两条切削刃和一个刀尖共六个要素组成。,1、前（刀）面：切屑流出经过的表面。2、主后（刀）面：与工件上过渡表面相对的表面。3、副后（刀）面 ：与工件上已加工表面相对的表面。,4、主切削刃S ：前刀面与主后刀面的交线，担负主要的切削任务。5、副切削刃S ：前刀面与副后刀面的交线，配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。6、刀尖：主切削刃与副切削刃的连接部分。,刀尖的一般形式有尖角、圆弧过渡刃、直线过渡刃。后两种形式可增强刀尖的强度和耐磨性。,2、 刀具角度的参考平面（1）基面Pr 通过主切削刃上某一点，并垂直于该点切削速度方向的平面。（2）切削平面Ps 通过主切削刃上某一点，并
3、与工件加工表面相切的平面。 （3）正交平面Po 通过切削刃上某一点，并与主切削刃在基面的投影相垂直的平面。,3、刀具的标注角度,一、在基面内测量的角度1）主偏角 ：是主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。一般为正值。2）副偏角 ：是副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。一般为正值。,二、在正交平面内的角度1）前角 ：是前刀面与基面之间的夹角，前角有正、负和零度之分。 2）后角 ： 是主后刀面与切削平面之间的夹角，后角有正、负和零度之分。一般为正值。,三、在切削平面内的角度1）刃倾角 ： 是主切削刃与基面 之间的夹角。,组成标注刀具角度的正交平面参考系，是不考虑进给运动的影响的，并
4、且假定车刀刀尖与工件回转轴线等高；安装时车刀刀柄的纵向轴线垂直于进给方向。4、刀具的工作角度,（1）刀具安装位置对工作角度的影响, 当刀尖高于工件中心当刀尖低于工件中心,（2）进给运动对工作角度的影响,实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角。,（3）刀杆轴线偏装后对刀具工作角度的影响,三、刀具种类,生产中所使用的刀具种类很多，按加工方式和具体用途，可分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、数控机床刀具和磨具等几大类型。,（一）车刀：车刀是金属切削加工中应用最广泛的一种刀具。它可用于卧式车床、立式车床、转塔车床、自动车床和数控车床上加工外圆、内孔、端面、成形回转表面等。,车
5、刀的种类很多，按用途可分为外圆车刀、端面车刀、螺纹车刀、镗孔刀、切断刀及成形刀等，如图所示。按结构的不同，又可分为整体式车刀、焊接式车刀、机夹车刀、可转位车刀等。,整体式车刀一般用高速钢制造，焊接式车刀及机夹式刀片用硬质合金制造。,（二）孔加工刀具,孔加工刀具可分为两大类：一类：从实体材料上加工出孔的刀具。另一类是对已有孔进行再加工用的刀具。,一、麻花钻1、麻花钻的组成 标准麻花钻由工作部分、柄部、颈部三部分组成，如图所示。,2、麻花钻切削部分的组成钻头的切削部分由两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两条主切削刃、两条副切削刃和一条横刃组成。,3、麻花钻缺陷1）主切削刃上前角变化大2）横刃部
6、分切削条件差3）排屑不畅,（2）群钻 群钻是我国机械工人在长期的生产实践中，针对标准麻花钻存在的缺陷，综合各种修磨方法和成功经验，设计出的一种先进钻头。,（3）中心钻,（4）深孔钻,（5）扩孔钻,（6) 铰刀铰刀是对己有孔进行精加工的一种刀具。铰削切除余量很小。铰削后的孔精度可达IT6IT7，表面粗糙度可达Ra1.60.4m。,1、铰刀的种类 铰刀的种类很多，通常是按使用方式把铰刀分为手用铰刀和机用铰刀。,铣刀是一种在回转体表面上或端面上分布有多个刀齿的多刃刀具。 加工平面 加工沟槽 加工成形表面,（三）铣刀,（1）直齿三面刃铣刀,（2）错齿三面刃铣刀,（3）镶齿三面刃铣刀,（四）拉刀拉刀是一
7、种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具。,（五）螺纹刀具,（六）齿轮刀具成形齿轮刀具：盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀等, 展成齿轮刀具：插齿刀、滚刀、剃齿刀等。）盘形直齿插齿刀用于加工普通直齿轮和大直径内齿轮。,）碗形直齿插齿刀，用于加工塔形齿轮和双联齿轮。,）锥柄直齿插齿刀，用于加工直悔内齿轮。,选用齿轮滚刀和插齿刀时，应注意以下几点：1）刀具基本参数（模数、齿形角、齿顶高系数等）应与被加工齿轮相同。2）刃具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当。3）刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同。滚切直齿轮时，一般用左旋滚刀。,常用刀具材料,一、刀具材料必须具备的性能1、高的硬度刀具材料的硬度必须高
8、于工件材料的硬度。这样，刀具才能切除工件上多余的金属，目前在室温条件下刀具材料的硬度应大于或等于60HRC。2，高的耐磨性 耐磨性指材料抵抗磨损的能力。一般而言，刀具材料硬度越高，耐磨性越好。,3、足够的强度和韧性 在切削加工过程中，刀具总是受到切削力、冲击、振动的作用，当刀具材料有足够的强度和韧性，就可避免刀具的断裂、崩刃。4、高的耐热性 耐热性指材料在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨性的能力。,5、良好的工艺性 刀具材料有良好的工艺性，便于刀具的制造。6、良好的热物理性能和耐热冲击性能要求刀具的导热性要好，不会因受到大的热冲击，产生刀具内部裂纹而导致刀具断裂。,二、常用刀具材料的种类1
9、、在金属切削加工中，刀具材料的种类有许多。1）碳素工具钢与合金工具钢2）高速钢 高速钢是指含较多钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢，俗称锋钢或风钢。高速钢有较高的耐热性（约600660C）；有足够的强度和韧性；有较好的工艺性。目前，高速钢已作为主要的刀具材料之一，广泛用于制造形状复杂的铣刀、钻头、拉刀和齿轮刀具等。常用高速钢的牌号与性能见表1。,2、硬质合金 硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）为基体，以金属Co、Ni、Mo等为粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。硬质合金的硬度为7482HRC。耐热温度为8001000，常用于制造形状简单的高速切削刀
10、片，经焊接或机械夹固在车刀、刨刀、钻头等刀体上使用。,（1）钨钴类硬质合金 钨钻类硬质合金的代号是YG，由Co和WC组成。常用牌号是YG3、YG6等。牌号中的数字表示Co的质量分数（含Co量），其余为含WC的质量分数（含WC量），如YG3表示（Co）3，（WC）97。其韧性较好，但耐磨性较差。钨钴类硬质合金适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。,（2）钨钛钴类硬质合金 钛钴类硬质合金的代号是YT，由WC、TiC和Co组成。常用牌号是YT14、YT30等。牌号中的数字表示TiC的质量分数，其余为含WCCo的质量分数。如YT14表示（TiC）14，（WC）78，（Co）8。其硬度、耐热性、耐磨性较好，但
11、韧性较差。钨钛钴类硬质合金适用于加工碳钢、合金钢等塑性材料。,改善硬质合金性能的措施：1）调整化学成分2）细化合金的晶粒3）采用涂层刀片,4、新型刀具材料（1）陶瓷 陶瓷材料的主要成分是A12O3.。陶瓷是在高压下成形，在高温下烧结而成。陶瓷的硬度高，耐磨性好，耐热性高，化学稳定性好。但是，陶瓷的脆性大，强度低，故陶瓷刀具只用于精车、半精车。,（2）金刚石 金刚石分为天然和人造两种，天然金刚石数量稀少，所以价格昂贵，应用极少。人造金刚石是在高压、高温条件下，由石墨转化而成，价格相对较低，应用较广。金刚石的硬度极高（10000HV），是目前自然界已发现的最硬物质。但是，金刚石耐热性较差，在700
12、800C时，将产生碳化，与铁有很强的化学亲和力，故不宜用于加工钢铁；,（3）立方氮化硼 立方氮化硼是由立方氮化硼在高压、高温条件下加入催化剂转变而成。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石（80009000HV），耐磨性好，耐热性高（1400C），与铁系金属在（12001300）时也不会起化学反应，因此，既能胜任淬硬钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料的高速切削。,x刀具几何参数的合理选择刀具几何参数对切削力大小，切削温度升降，刀具磨损快慢都有很大影响。为此，合理地选择刀具几何参数非常重要。合理的刀具几何参数，可以保证工件加工质量，获得较高的刀具寿命，提高生产
13、效率，降低生产成本。,一、前角 1前角的作用：是在满足切削刃强度要求的前提下，使切削刃锋利。增大前角能减少切屑变形和磨损、改善加工质量、抑制积屑瘤等。但是，前角过大，反而使切削刃强度和散热能力下降，引起崩刃。,2前角选择的原则 工件材料 工件材料的强度、硬度低，塑性大，前角应取大值；材料强度、硬度高，应取较小的前角。 刀具材料刀具材料强度、韧性高，前角可取大值，反之取小值。如高速钢可取较大的前角值，而硬质合金刀则应取小值。 加工性质粗加工时，前角应取较小的值，而精加工时，可取较大的值。,3、前刀面形式,3、倒棱 如果在前角的前面上磨出倒棱，就可实现既保持增大前角的有利作用，又克服增大前角的不利
14、作用的目的。倒棱指沿着切削刃在前面上磨出负前角的小棱面。倒棱有两个参数：倒棱前角和倒棱宽度。,二、后角1、后角的作用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。,2，后角选择的原则后角选择的主要依据有两个：一是切削厚度：切削厚度薄，后角应取大值；反之，后角应取小值；二是刀具形式，定尺寸刀具（如拉刀等），为延长刀具寿命，后角应取小值。,3、后刀面的形式双重后角：能保证刃口强度，减少刃磨工作量。刃带：是在后刀面上磨出后角为零的小棱边。对一些定尺寸刀具，如拉刀，铰刀等便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化。但刃带会增大摩擦作用。消振棱：是在后刀面磨出
15、一条负后角的棱边，可增大阻尼，起消振作用。,三、主偏角1、主偏角的作用：主要影响各切削分力的比值，也影响切削层截面形状和工件表面形状。2、主偏角的选择原则，是在工艺系统刚度允许的前提下，选较小的主偏角。,四、副偏角1、副偏角的作用：副偏角主要影响已加工表面的粗糙度，也影响切削分力的比值。2、副偏角的选择。副偏角选择时，主要按加工性质，一般可取1015，切断刀为保证刀尖强度，可取12。,四、刃倾角1、刃倾角的作用：主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。,13、 刃倾角选择的原则粗加工时，为保证刀具的强度，通常刃倾角选取较小值0-5；若是断续切削，或是切削高强度、高硬度的工件材料，刃倾角还应选取更小
16、些。精加工时，为了提高工件的表面质量，不让切屑流向已加工表面，一般刃倾角选取较大值05。,刀具各角度之间是相互联系、相互影响的。孤立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值。,砂轮及磨削,、砂轮结构的要素砂轮结构由磨粒、结合剂和气孔组成。磨粒的形状呈不规则的多面体，在磨削中起着切削的作用。结合剂起着粘固无数磨粒的作用。气孔起着容纳磨屑和散热的作用。磨粒、结合剂、气孔组成了砂轮结构的三要素。,二、砂轮特性的要素砂轮特性的要素由下列五个要素组成：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。 1）磨料 磨料是硬度极高的非金属晶体，是砂轮的主要成分。磨料必须具有高的硬度、耐磨性、耐热性、适当的韧性和比较锋利的形状等
17、的性能。,磨料分天然磨料和人工磨料两大类。天然磨料有刚玉和金刚石等。人造磨料分刚玉类、碳化硅类、高硬磨料类三大类。1）刚玉类磨料的主要成分为氧化铝（A12O3），适合于磨削抗拉强度较高的材料。2）碳化硅类磨料的主要成分为碳化硅（SiC），其硬度比刚玉类磨料高，导热性好，颗粒锋利，但性脆，适合于磨削抗拉强度低的脆性材料。,1） 高硬磨料类中的立方氮化硼和人造金刚石是互为补充的优良磨料，适合于磨削高硬度、高韧性的钢材及硬质合金材料，其磨削工件的表面质量好，磨削效率高，但价格较昂贵。,2、 粒度 磨粒的大小用粒度表示，粒度分为磨粒（尺寸大于40 m ）及微粉(尺寸小于40m ）两类。磨粒用筛选法分级
18、，即粒度号表示了磨粒能通过的筛网在每英寸长度上所含的孔眼数。例如：粒度号46，指的是磨粒能通过每英寸长度上有46个孔眼的筛网。所以粒度号越大，磨粒就越细。磨粒粒度号的范围是4240。,微粉的粒度是用显微镜测量其实际尺寸来确定的。粒度号用W表示微粉，后面的数字表示该粒度号微粉的最大实际尺寸。如：W20是指用显微镜测得实际尺寸为20m的微粉。因此，粒度号越大，微粉就越粗。,砂轮的粒度对加工工件表面的粗糙度和磨削效率有很大的影响。磨料粒度选择原则为：粗磨时以提高生产率为主要目的，应选小的粒度号，一般为36#46#；精磨时以减小表面粗糙度为主要目的，应选大的粒度号，一般为60120；,3）结合剂 结合
19、剂是指粘固磨粒成为砂轮的物质。其种类及性能对砂轮的强度、耐冲击韧度、耐热性、耐腐蚀性等具有极大的影响。常用的结合剂分为有机结合剂和无机结合剂两大类；其中无机结合剂最常用的是陶瓷结合剂；有机结合剂最常用的是树脂结合剂和橡胶结合剂。,4、硬度 砂轮的硬度是指在磨削力的作用下，磨粒从砂轮表面脱落的难易程度。磨粒容易从砂轮表面脱落，就称该砂轮软；磨粒不容易从砂轮表面脱落，就称该砂轮硬。砂轮的硬度是反映了结合剂与磨粒的粘固强度。它与磨粒本身的硬度是两个不同的概念，切勿混淆。砂轮的硬度分为15个等级。,砂轮硬度的选择原则是：1）工件材料越硬，应选越软的砂轮。因为这样可使磨钝的磨粒容易脱落，露出锋利的磨粒，
20、使砂轮保持锋利。反之，应选越硬的砂轮。对于有色金属等很软的工件材料，为避免磨屑堵塞砂轮，则应选用较软的砂轮。2）磨削接触面积较大时，应选较软砂轮；薄壁零件及导热性差的零件，也应选软砂轮。这是为了降低磨削产生的热量，防止工件表面烧伤及变形。,3）砂轮的粒度号较大时，应选较软的砂轮；砂轮线速度较低时，应选较硬的砂轮。4）精磨和成型磨削时，应选较硬的砂轮。这样可较长时间保持砂轮的外形轮廓，提高磨削精度。,5、组织 砂轮的组织是指砂轮中磨粒、结合剂、气孔三者的体积比例，也就是砂轮内部结构的松紧程度。磨粒占砂轮的体积分数（体积的）越大，气孔占砂轮的体积分数（体积的）越小，则组织越紧密；反之，组织越疏松。
21、,砂轮组织的松紧程度用组织号表示，组织号以数字014表示。组织号越小，砂轮组织越紧密；反之，则砂轮组织越疏松。常用的砂轮都是中等组织（组织号47）。紧密组织（组织号03）。 疏松组织（组织号814）。,三、砂轮的形状、尺寸及代号,砂轮的形状和尺寸是根据磨床类型、加工方法及工件的形状和尺寸来决定的。常用砂轮的形状、代号、尺寸及主要用途见表。,砂轮特性的各参数一般都以代号的形式标注在砂轮的端面上。其顺序是：砂轮形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高工作线速度。,四、磨削机理一颗磨粒磨削经历了滑擦（弹性变形）、耕犁（塑性变形）及切削（形成切屑，沿磨粒前面流出）的过程，使工件表面形成热应力与
22、变形应力。,五、外圆切入磨削的磨削循环它由起火花（初磨）、稳定磨削及去火花（清磨）等三个阶段组成。,在切入磨削一个循环中，存在以下切削特点：（1）初始磨削时，砂轮架进给速度较小，所以在刚开始切入的te时间（图349）内，砂轮与工件的干涉速度非常小，使磨粒与工件间仅是弹性接触，基本上不切除金属。（2）随着砂轮的不断切人，砂轮与工件的干涉深度随磨削时间延长而增大，因而在te-ts的前一段开始切除金属，但磨粒耕犁作用较强，金属切除率较低。,（3）当砂轮与工件的干涉深度大大超过砂轮的给定磨削深度时，尺寸形成速度与砂轮架的实际进给速度相等。这样就达到ts-ti的稳定磨削阶段。（4）若在稳定磨削阶段停止砂
23、轮切入，进行清磨（在ti-tf时间内）。在整个清磨阶段，由于磨削系统积累量逐渐减小，故磨削力逐渐减小，但因清磨阶段总有残留余量存在，故磨削力不会至零，如图349所示。,六、磨削的特点1）砂轮是由磨粒和结合剂粘固而成的多刃刀具。磨削的过程，是砂轮对工件表面进行切削、刻划和抛光的综合过程。,2）磨粒的硬度极高，它不仅可以磨削铜、铁、钢等一般硬度的材料，而且还可以磨削用其它刀具难以加工的硬材料，如淬硬钢、硬质合金、宝石等。3）砂轮的磨削速度很高，目前，普通磨削速度已达40ms左右，而高速磨削速度甚至达到200ms以上，这对提高磨削加工的效率、提高工件的表面质量是很有意义的。,4）磨削能获得高的尺寸精度和小的表面粗糙度。5）砂轮在磨削时具有“自励性”。即部分磨钝的磨粒在一定条件（磨削力、热应力等）下，能自动脱落或崩碎，从而使砂轮表面的磨粒能自动更新，保持砂轮的良好磨削性能。,
