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1、金属切削原理与刀具,第1章金属切削原理与刀具,2.1 金属切削过程 2.1.1 切削层与切削参数 2.1.2 切削过程 2.1.3 影响切削变形的因素,2.2 切削过程的基本规律 2.2.1 切削力 2.2.2 切削热与切削温度 2.2.3 刀具磨损和耐用度 2.3 切削参数的选择 2.3.1 刀具几何角度 2.3.2 刀具几何参数的合理选择 2.3.3 切削用量的选择,2.4 切削过程基本规律的应用 2.4.1 切屑的控制 2.4.2 材料的切削加工性 2.4.3 切削液 2.5 刀具材料2.5.1 刀具材料的基本要求 2.5.2 普通刀具材料 2.5.3 特殊刀具材料 2.5.4 涂层刀具
2、,？,？,？夹具的选用,？,？夹具的选用,？,？夹具的选用,？夹具l一夹具体；2一压板；3、7一螺母；4、5一垫圈：6一螺栓；8一弹簧；9一定位键；10一菱形销；11一圆柱销,？夹具,？夹具,？夹具的选用,？夹具l一长方形基础板；2一方形支撑件；3一菱形定位盘；4一快换钻套；5一叉形压板；6一螺栓；7一手柄杆；8一分度合件,？夹具的选用,2.1 金属切削过程,2.1.1 切削层与切削参数金属切削的过程：刀具与工件相互运动、相互作用的过程。切削层：在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层。切削层参数：切削层的截面尺寸。,主运动：使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的
3、运动。主运动特点是运动速度最高，消耗功率最大。主运动一般只有一个。进给运动：保证金属的切削能连续进行的运动。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是间歇运动。,切削用量,切削速度（c）：刀刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。进给量（f）：工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位移量。背吃刀量（ap）：它是在与主运动和进给运动方向所组成的平面相垂直的方向上测量的工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。,如图的外圆的车削运动。c为切削刃某点切削速度，f为同一点的进给运动速度，e为两个运动的合成速度。,外圆车削的切削运动与加
4、工表面,1车削切削层参数,（1）切削层公称厚度hD：在主切削刃选定点的基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸。切削层截面的切削厚度为：hD f sinr,（2）切削层公称宽度bD,切削层公称宽度bD：在主切削刃选定点的基面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸 切削层截面的公称切削宽度为：bD ap/sinr,切削层公称横截面积AD：在主切削刃选定点的基面内，切削层的截面面积。车削切削层公称横截面为：ADhD bDf ap,2铣削切削层参数,（1）切削层公称厚度hD：在基面内度量的相邻刀齿主切削刃运动轨迹间的距离 切削层厚度为：hD ab=acsin fzsin,（2）切削层公称宽度bD：铣削的切削层公
5、称宽度是指主切削刃与工件切削面的接触长度(近似值)。铣削的背吃刀量：平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸 bD ap,（3）切削层公称横截面积AD：切削厚度与背吃刀量的积：AD hD bD,2.1.2 切削过程,金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图2-4表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。,图2-5表示了金属的滑移过程。由图可知，金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区。,1金属切削过程的变形,（1）第一变形区：切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区。OA与OM之间的区域就是第一变形区。第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，
6、在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.020.2。,（2）第二变形区,产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达23GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。,粘结现象时的摩擦状况,（3）第三变形区,金属切削层在已加工表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩擦而产生塑性变形部分的区域。,刀刃钝圆情况
7、下已加工表面的形成过程,切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为h，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。,2积屑瘤的形成及对加工影响概念：在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤。,积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象
8、，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图2-9所示。积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和压力有关。,积屑瘤对金属切削过程产生的影响：,（1）实际刀具前角增大,（2）实际切削厚度增大,（3）加工后表面粗糙度增大,（4）切削刀具的耐用度降低,（1）实际刀具前角增大,刀具前角o指前刀面与基面之间的夹角，其概念将在后节详细论述。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大,现为o b。刀具前角增大可减小切削力，对切
9、削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。,（2）实际切削厚度增大,由图2-9可以看出，当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度hD的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。,（3）加工后表面粗糙度增大,积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可
10、以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。,（4）切削刀具的耐用度降低,从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。,问题,某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。,回答,1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，所以这位师傅在粗加工时采
11、用了利用积屑瘤的加工方法，2、积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工尺寸精度。3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加工表面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。,避免积屑瘤的发生的措施,、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温度降低，避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。、更换切削液，采用润滑性能更
12、好的切削液，减少切削摩擦。,2.1.3 影响切削变形的因素,1工件材料2刀具几何参数 3切削速度4切削厚度,1工件材料,通过试验，可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系。从图可以看出，随着工件材料强度的增大，切屑的变形越来越小。,图2-10 材料强度对变形系数的影响,2刀具几何参数,由图2-7可以看到，当刀具前角O增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。通过对高速钢刀具所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角O愈大，材料变形系数愈小。刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形也越大。
13、,3、切削速度,由图2-11可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。,积屑瘤段情况,切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影响来实现的。在积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少，所以在此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，实际刀具前角也减小，材料的变形将增大，在积屑瘤完全消退
14、时，材料变形将最大。,在无积屑瘤段,材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在OA面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至OA面（见图2-12），终剪切面OM也后移至OM，第一变形区后移，使得材料变形系数减小。另外，速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。,4切削厚度,如图2-11所示，显示了进给量（即切削厚度）对切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量f越大，材料的变形系数越小。,第二章 刀具材料,内 容 安 排,一、概 述,刀具材料是指刀具上 参与切削部分的材料。
15、刀具的切削部分不但 要求具有一定的几何 形状，还要求有相应 的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质 合金。,（一）高的硬度和良好的耐磨性（二）高的强度和韧性（三）高的耐热性（四）良好的工艺性 总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求。,二、刀具材料应具备的性能,三、常用刀具材料,目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。一）碳素工具钢 碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.651.35%）。1、常用牌号有 T7A、T8AT13A等 2、主要性能 淬火后硬度较高，可达HRC6165；红硬性为2
16、00250，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。,二）合金工具钢 在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。1、主要牌号有 9SiCr CrWMn 2、主要性能 淬火后的硬度可达HRC6165，红硬性为300400，允许切削速度Vc=1015m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。,三、常用刀具材料,三）高速钢高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V
17、等合金元素。(一)高速钢的性能,三、常用刀具材料,（二）高速钢的分类,三、常用刀具材料,四）硬质合金 硬质合金=硬质相（TiC或WC）+粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）（一）主要性能,三、常用刀具材料,（二）分类1、钨钴钛类硬质合金YG：WC+Co常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）应用：主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640时发生严重 粘结，使刀具磨损，耐用度下降。,三、常用刀具材料,2、钨钴钛类硬质合金（YT）：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC
18、的百分含量）应用：主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。,三、常用刀具材料,3、添加稀有金属硬质合金 钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC(NbC),可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。4、碳化钛基硬质合金（YN）这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件
19、材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。,三、常用刀具材料,（三）涂层硬质合金的选用涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为512m的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。,三、常用刀具材料,（一）陶瓷材料 陶瓷材料主要是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。陶瓷
20、刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：,四、其他刀具材料,（二）立方氮化硼 它是一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高温、其硬度很高，可达80009000HV,仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000以上的切削温度，它的最大的优点是在高温12001300时也不会与铁族金属起反应。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。,（三）金刚石 分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，不足之处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属，在800时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损。金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。,金刚石砂轮,激光金刚石切割片,
