机械加工设备与典型刀具

第二章 机械加工设备与典型刀具,河南理工大学机械与动力工程学院 主讲人: 曲海军 Tel: 15993775913 ,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,按切削部分的材料不同，车刀可分为高速钢车刀、硬质合金车刀、陶瓷车刀等。 按用途不同，车刀可分为端面车刀、外圆车刀、内孔车刀、切断车刀、螺纹车刀等。端面车刀用来车削端面和短台阶。外圆车刀用于加工外圆柱和外圆锥表面，它分为直头和弯头两种。弯头车刀可以车削外圆、端面和倒角。切断刀用来切断工件或车沟槽。螺纹刀用于车削螺纹。 按切削刃的复杂程度不同分类，车刀可分为普通车刀和成形车刀。 按结构不同，车刀可分为整体式车刀、焊接式车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片式车刀。机械夹固刀片式车刀又分为机夹重磨车刀和可转位车刀。,车刀按结构分为整体车刀、焊接车刀、 焊接装配式车刀、机夹车刀和可转位车刀。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,整体车刀 主要是高速钢车刀，截面为正方形或矩形，俗称“白钢刃” ，适合小型车床或加工有色金属时使用。 焊接车刀：在普通碳钢刀杆上按刀片几何形状开出槽，镶焊/钎焊硬质合金刀片，经过刃磨而成。适用于各类车刀，特别是小型刀具。 优点：结构简单、紧凑；制造、使用方便；根据需要刃磨，硬质合金可完全利用。 缺点是：切削性能取决于工人刃磨水平；刀杆不能重复使用、辅助时间长；焊接工艺不够合理时易产生热应力，应根据刀片的形状和尺寸开出刀槽。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,通槽 半通槽 封闭槽 加强半通槽 刀 槽 形 式,通槽用于矩形刀片等，易加工； 半通槽用于带圆弧的刀片； 封闭槽焊接面积大、强度好，但焊接应力大，适用于底面面积相对较小的刀片； 加强半通槽用于切断刀，切断刀片宽度很小，采用V形底面的加强半通槽，可获得较好的焊接强度。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,焊接装配式车刀:将硬质合金刀片钎焊在小刀块上，再将小刀块装配到刀杆上。刃磨省力；刀杆可重复使用；主要用于重型车刀。,机夹车刀 将硬质合金刀片用机械夹固的方法安装在刀杆上的车刀。 只有一个主切削刃，用钝后可重磨多次，刀杆可重复使用，方便刀具管理、结构简单。机夹重磨车刀适用于外圆、端面、切断、螺纹车刀等。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,可转位车刀 是使用可转位刀片的机夹车刀。与普通机夹车刀不同点在于刀片为多边形，每一边都可作切削刃，用钝后只需将刀片转位，即可使新的切削刃投入工作。优点：刀具使用寿命长、生产效率高、有利于推广新技术、新工艺 有利于降低刀具成本。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,偏心式夹固结构：以螺钉作为转轴，螺钉上面为偏心圆柱销，当转动螺钉时，偏心销就可夹紧或松动刀片。,可转位车刀夹固结构,偏心销 刀垫 刀片 刀杆,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,杠杆式夹固结构：利用螺钉带动杠杆转动将刀片夹固在定位侧面上。,可转位车刀夹固结构,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,楔销式夹固结构：刀片由销子在孔中定位，楔块向下运动时将刀片夹固在内孔的销子上，松开螺钉时，弹簧垫圈自动抬起楔块。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,可转位车刀夹固结构,上压式夹固结构：仅用于夹固不带孔的刀片。,第七节 典型刀具,一、车刀,（一）车刀的分类,可转位车刀夹固结构,是加工回转体成形表面的专用工具，其切削刃形状是根据工件的廓形设计的。只要一次切削形成就能切出成形表面，操作简单，生产率较高，成形表面的精度与工人技术水平无关，主要取决于刀具切削刃的制造精度。 它可以保证被加工工件表面形状和尺寸精度的一致性和互换性，加工精度可达IT9IT10，表面粗糙度Ra6.33.2。 可重磨次数多，使用寿命较长，但是刀具的设计和制造较复杂，成本较高，主要用在小型零件的大批量生产中。 由于成形车刀的刀刃形状复杂，用硬质合金作为刀具材料时制造比较困难，因此多用高速钢作为刀具材料。,第七节 典型刀具,一、车刀,（二）成形车刀,成形车刀有平体，棱体，圆体三种型式。 平体成形车刀只能用来加工外成形表面，并且沿前刀面的可重磨次数不多; 棱体成形车刀可重磨次数比平体成形车刀多，也只能用来加工外成形表面; 圆体成形车刀的外形是回转体，切削刃在圆周表面上分布，用来加工内、外成形表面。由于重磨时磨的是前刀面，可重磨次数更多。,图 径向进给的成形车刀 a） 平体；b）棱体；C）圆体,第七节 典型刀具,一、车刀,（二）成形车刀,常见的孔加工刀具。一般用于实体材料上的粗加工。钻孔的尺寸精度为IT11-IT12，Ra为50-12.5m。加工范围为0.1-80mm，以30mm以下时最常用。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,标准高速钢麻花钻由工作部分、颈部及柄部三部分组成。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（一）麻花钻的结构,工作部分 分切削部分和导向部分。两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两个主刃、两个副刃、一个横刃。钻芯直径朝柄部方向递增。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（一）麻花钻的结构,工作部分 分切削部分和导向部分。两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两个主刃、两个副刃、一个横刃。为了使钻头有足够的强度，麻花钻中心有一定的厚度，形成钻心，钻心直径(钻头直径的0.1250.15倍)朝柄部方向递增。麻花钻的工作部分有两个对称的刃瓣（通过中间的钻芯连接在一起），两条对称的螺旋槽（用于容屑和排屑）；导向部分磨有两条棱边（刃带），为了减少与加工孔壁的摩擦，棱边直径磨有(0.030.12）/100的倒锥量，形成副偏角r。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（一）麻花钻的结构,工作部分 麻花钻的两个刃瓣可以看作两把对称的车刀。其切削部分的构成为： 前刀面螺旋槽的螺旋面； 主后刀面与工件过渡表面（孔底）相对的端部两曲面； 副后刀面与工件的加工表面（孔壁）相对的两条棱边； 主切削刃螺旋槽与主后刀面的两条交线；副切削刃棱边与螺旋槽的两条交线； 横刃两后刀面在钻芯处的交线。,顶角2=118o是两个主切削刃在与其平行的平面上的投影的夹角。与基面无关。,横刃斜角=5055o是在端面投影上横刃与主切削刃的夹角。判断后角是否刃磨合适。后角磨大，横刃斜角减小，横刃长度增大。,50o55o,118o,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（一）麻花钻的结构,柄部 装夹钻头和传递轴向力和扭矩。直径小于13mm时，常采用直柄（圆柱柄）；直径在13mm以上时，采用圆锥柄。 颈部 钻柄和工作部分的连接部分，并作为磨外径时砂轮退刀和打印标记处。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（一）麻花钻的结构,钻头切削刃上各点的切削速度和基面,基面：切削刃上任一点的基面，是通过该点且垂直于该点切削速度方向的平面。在钻削时，如果忽略进给运动，钻头就只有圆周运动，主切削刃上每一点都绕钻头轴线做圆周运动，它的速度方向就是该点所在圆的切线方向，如图点1的切削速度垂直于点1的半径方向。不难看出，切削刃上任一点的基面就是通过该点并包含钻头轴线的平面。由于切削刃上各点的切削速度方向不同，所以切削刃上各点的基面也就不同。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,基面Pr与切削平面Ps,切削平面：切削刃上任一点的切削平面是包含该点切削速度方向，而又切于该点加工表面的平面。切削刃上各点的切削平面与基面在空间相互垂直，并且其位置是变化的。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,基面Pr与切削平面Ps,螺旋角 螺旋角是钻头螺旋沟最外缘的螺旋线展成直线后与钻头轴线间的夹角，其值为：tan=2R/P (P为导程) 切削刃上一点m的螺旋角，其值为： tany=2Ry/P 钻头不同直径处的螺旋角不相等，外径处大，内径处小。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,螺旋角,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,螺旋角实际上是钻头的进给前角。因此螺旋角大即钻头进给前角大，钻头锋利，切削扭矩和轴向力减小，排屑状况好。但是，螺旋角过大，会削弱钻头的强度和散热条件。 标准高速钢麻花钻的=25o32o。,主偏角kr：麻花钻主切削刃上某点的主偏角是该点基面上主切削刃的投影与钻头进给方向之间的夹角。由于主切削刃上各点的基面不同，各点的主偏角也随之改变。主切削刃上各点的主偏角是变化的，外缘处大，钻心处小。,切削平面,基面,正交平面,进给剖面,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,前角o：麻花钻的前角是正交平面内前刀面与基面间的夹角。由于主切削刃上各点的基面不同，所以主切削刃上各点的前角也是变化的，如图所示。前角的值从外缘到钻心附近大约由+30减小到-30，其切削条件很差。,切削平面,基面,正交平面,进给剖面,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,后角f：切削刃上任一点的后角，是该点的切削平面与后刀面之间的夹角。钻头后角不在主剖面内度量，而是在假定工作平面（进给剖面）内度量。在钻削过程中，实际起作用的是这个后角，同时测量也方便。,切削平面,基面,正交平面,进给剖面,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,后角f：钻头的后角是刃磨得到的，刃磨时要注意使其外缘处磨得小些（约810），靠近钻心处要磨得大些（约2030）。 这样刃磨的原因，是可以使后角与主切削刃前角的变化相适应，使各点的楔角大致相等，从而达到其锋利程度、强度、耐用度相对平衡；其次能弥补由于钻头的轴向进给运动而使刀刃上各点实际工作后角减少一个该点的合成速度角（见图中f-f剖面）所产生的影响；此外还能改变横刃处的切削条件。,正交平面,进给剖面,切削平面,基面,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,麻花钻沿主切削刃前角的值从外缘到钻心附近大约由+30减小到-30；后角从外缘到钻心逐渐增大。,1-2：主切削刃位置；1-3：横刃位置,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,端面刃倾角st：为方便起见，钻头的刃倾角通常在端平面内表示。钻头主切削刃上某点的端面刃倾角是主切削刃在端平面的投影与该点基面之间的夹角。如图所示，其值总是负的。且主切削刃上各点的端面刃倾角是变化的，愈靠近钻头中心端面刃倾角的绝对值愈大。,切削平面,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,麻花钻的角度,切削平面,基面,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,横刃的切削角度,-60o-54o,30o36o,50o55o,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（二）麻花钻的几何参数,标准麻花钻存在切削刃长、前角变化大（从外缘处的大约 +30逐渐减小到钻芯处的大约-30)、螺旋槽排屑不畅、横刃 部分切削条件很差(横刃前角约为-60）等结构问题。,生产中,为了提高钻孔的精度和效率,常将标准麻花钻按特定方式刃磨成“群钻” 。其修磨特点为：将横刃磨窄、磨低，改善横刃处的切削条件,将靠近钻 心附近的主刃修磨成一段顶角较大的内直刃及一段圆弧刃,以增大该段切削刃的前角。 同时，对称的圆弧刃在钻削过程中起到定心及分屑作用；在外直刃上磨出分屑槽，改善断屑、排屑情况 。经过综合修磨而成的群钻,切削性能显著提高。钻削时轴向力下降35%50%,扭矩降低10%30%刀具使用寿命提高35 倍,生产率、加工精度都有显著提高 。,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（三）麻花钻切削部分结构的改进,标准型群钻 1、1外刃后刀面 2、2月牙槽 3、3内刃前刀面 4、4分屑槽,第七节 典型刀具,二、麻花钻,（三）麻花钻切削部分结构的改进,一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具,广泛应用于大批量生产中,可加工各种内，外表面，分为内拉刀和外拉刀。,渐开线花键拉刀,圆孔四方拉刀,第七节 典型刀具,三、拉刀,拉刀的特点：,切削刃与被加工表面的横截面形状相同。,切削刃的高度逐齿递增，其递增量即为每齿进给量。,拉刀的最后几个齿为修光齿，其形状、尺寸与被加工表面的最后尺寸形状完全一致。,第七节 典型刀具,三、拉刀,按加工工件表面分： 内拉刀：用于加工工件内表面的，常见的有圆孔拉刀、键槽拉刀和花键拉刀。 外拉刀：加工外表面。平面拉刀、成形表面拉刀及齿轮拉刀等。 按拉刀构造不同分： 整体式：主要用于中小型尺寸的高速钢拉刀 组合式：主要用于大尺寸和硬质合金拉刀,第七节 典型刀具,三、拉刀,（一）拉刀的分类,头部：拉刀的夹持部分，用于传递拉力。 颈部：头部与过渡锥部之间的连接部分，便于头部穿过拉床挡壁，也是打标记的地方。 过渡锥部：引导拉刀逐渐进入工件孔中，起对准中心的作用。 前导部：引导拉刀正确进入孔中，防止拉刀歪斜。 切削部：担负全部余量的切削工作，由粗切齿、过渡齿和精切齿组成。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（二）拉刀的组成部分,校准部：切削很少，只切去工件弹性恢复量，起修光和校准作用，可作为精切齿的后备齿。 后导部：保证拉刀的最后位置，防止拉刀的刀齿切离后因下垂而损坏已加工表面或刀齿。 尾部：只有挡拉刀又长又重时用于支撑拉刀，防止拉刀下垂。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（二）拉刀的组成部分,拉削速度：拉刀直线运动的速度。 进给量或齿升量fz：相邻两齿径向高度之差。 切削厚度：在基面内，垂直于加工表面的切削层尺寸。当Kr90时，hD fz,第七节 典型刀具,三、拉刀,（三）拉刀切削部分的几何参数,第七节 典型刀具,三、拉刀,（三）拉刀切削部分的几何参数,af齿升量，即切削部前、后刀齿(或组)高度之差； p齿距即两相邻刀齿之间的轴向距离； ba1刃带，用于在制造拉刀时控制刀齿直径，也为了增加拉刀校准齿前刀面的可重磨次数，提高拉刀使用寿命，有了刃带，还可提高拉削过程稳定性； o拉刀前角； o拉刀后角。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,拉削方式是指拉刀把加工余量从工件表面切下来的方式。它决定每个刀齿切下的切削层的截面形状，即所谓拉削图形。拉削方式选择得恰当与否，直接影响到刀齿负荷的分配、拉刀的长度、切削力的大小、拉刀的磨损和耐用度及加工表面质量和生产率。 拉削方式可分为分层拉削和分块拉削两大类。分层拉削包括成型式和渐成式两种，分块拉削目前常用的有轮切式和综合轮切式两种。,拉削图形：拉刀把拉削余量切下来的顺序，通常都用图形来表达。,特点是拉刀将工件加工余量一层一层顺序地切除。切削部的刀齿高度向后递增，工件上的加工余量最终由最后一个切削齿切除所要求的尺寸，经校准齿修光达到预定的工件尺寸精度和表面粗糙度。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,1、分层式拉削成形式,各刀齿的形状与加工表面的最终形状不相似，已加工表面的形状和尺寸是由各刀齿切出的表面连接而成。拉刀刀齿可制成简单的直线形或弧形，对于加工复杂成形表面的工件，拉刀的制造要比成形式简单，缺点是在已加工表面上可能出现副切削刃的交接痕迹，表面质量较差。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,1、分层式拉削渐成式,特点： 可获得较高的表面质量。 刀齿上的分屑槽造成切屑上有一加强筋，切屑卷曲困难。 拉刀长度较长，降低了拉削生产率。 拉刀成本高。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,2、分块式拉削：特点是加工表面的每一层金属是由一组尺寸基本相同但刀齿切削位置相互交错的刀齿（通常每组由23个刀齿组成）切除的；采用轮切式拉刀。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,特点： 切削厚度大，在相同余量下，拉刀所需的刀齿总数较分层式少。 切屑上无加强筋，切屑卷曲顺利。 拉刀长度短，提高了拉削生产率。 可拉削带硬皮的铸件、锻件。 拉削后的表面质量较差。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,特点： 粗切齿制成轮切式结构，分块拉削，精切齿采用成形式结构，分层拉削。 缩短了拉刀长度。 提高了拉削生产率。 拉削后的表面质量较好。,3、综合式拉削,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,3、综合式拉削：集中了分层及分块式拉削的优点，粗切齿部分采用分块式拉削，精切齿部分采用分层式拉削。按综合拉削方式设计的拉刀称为综合式拉刀。,第七节 典型刀具,三、拉刀,（四）拉削方式,磨料结合剂 砂轮特性决定于五要素： 磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。,（一）磨料 锋利的形状、高硬度和热硬性、适当的坚韧性 1.氧化物系（刚玉类，主要成份Al2O3） 棕刚玉（A）韧，硬度低，磨碳素钢、合金钢、可锻铸铁 白刚玉（WA）韧性低、硬，磨淬火钢、高速钢、高碳钢 铬刚玉（PA）韧，硬度低，Ra小，磨高速钢、不锈钢等,第七节 典型刀具,四、砂轮,2.碳化物系（主要成份碳化硅、碳化硼） 黑色碳化硅（C）韧性低、硬度高，磨铸铁、黄铜等脆材 绿色碳化硅(GC)韧性差、更硬，磨Y合金、陶瓷、玻璃等,3.超硬磨料 人造金刚石（D）、立方氮化硼（CBN）,（二）粒度 以刚能通过的那一号筛网的网号来表示磨料的粒度，如60. 微粉：磨粒的直径40um时，如W20磨粒尺寸在2014um 粗磨用粗粒度，精磨用细粒度 ；当工件材料软，塑性大， 磨削 面积大时，采用粗粒度，以免堵塞砂轮烧伤工件。,第七节 典型刀具,四、砂轮,（三）结合剂 1.陶瓷结合剂（V）化学稳定性好、耐热、耐腐蚀、价廉，占90%，但性脆，不宜制成薄片，不宜高速，线速度一般为35m/s。 2.树脂结合剂（B）强度高弹性好，耐冲击，适于高速磨或切槽切断等工作，但耐腐蚀耐热性差 (300)，自锐性好。 3.橡胶结合剂（R）强度高弹性好，耐冲击，适于抛光轮、导轮及薄片砂轮，但耐腐蚀耐热性差 (200)，自锐性好。 4.金属结合剂（M）青铜、镍等，强度韧性高，成形性好，但自锐性差，适于金刚石、立方氮化硼砂轮。,第七节 典型刀具,四、砂轮,（四）硬度 指砂轮工作时在磨削力作用下磨粒脱落的难易程度。 取决于结合剂的结合能力及所占比例，与磨料硬度无关。 硬度高，磨料不易脱落；硬度低，自锐性好。 分7大级(超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬)，16小级,砂轮硬度选择原则： 1. 磨削硬材，选软砂轮；磨削软材，选硬砂轮； 2. 磨导热性差的材料，不易散热，选软砂轮以免工件烧伤； 3.砂轮与工件接触面积大时，选较软的砂轮； 4.成形磨精磨时，选硬砂轮；粗磨时选较软的砂轮。,第七节 典型刀具,四、砂轮,（五）组织 反映砂轮中磨料、结合剂和气孔三者体积的比例关系，即砂轮结构的疏密程度，分紧密、中等、疏松三类13级。 紧密组织成形性好，加工质量高，适于成形磨、精密磨 和强力磨削。 中等组织适于一般磨削工作，如淬火钢、刀具刃磨等。 疏松组织不易堵塞砂轮，适于粗磨、磨软材、磨平面、内 圆等接触面积较大时，磨热敏性强的材料或薄件,第七节 典型刀具,四、砂轮,（六）砂轮的标志方法(GB248484) 标志顺序如下：磨具形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高线速度。,第七节 典型刀具,(七) 砂轮的修整 磨损表现为磨耗磨损和破碎磨损。自锐性有限，应及时修整，保证砂轮有合理使用寿命，否则引起振动、Ra值增大、表面烧伤或裂纹等。 砂轮修整除用于磨损砂轮外，还用于以下场合： 砂轮被切屑堵塞； 部分工材粘结在磨粒上； 砂轮廓形失真； 精密磨中的精细修整等。 常用修整工具是单颗粒金刚石。修整用量包括修整导程fx（磨粒平均尺寸）和修整深度ap（粗磨0.010.03mm) 修整时应使用充足的切削液。,第七节 典型刀具,四、砂轮,