金属切削原理和刀具的几何角度

金属切削原理与刀具的几何角度变形区的划分变形区的划分第一变形区第一变形区：始滑移面OA与终滑移面OE之间的区域,变形量最大。第二变形区第二变形区：与前刀面接触的切屑底层的变形区域,靠近前刀面处金属纤维化,基本与前刀面平行。第三变形区第三变形区：与已加工表面层内产生的变形区域,产生金属纤维化和加工硬化。一）金属切削过程和切削变形一）金属切削过程和切削变形(1)(1)切屑的形成切屑的形成Chip formationChip formation 金属材料受刀具作用后,经过 弹性变形弹-塑性变形挤压分离 三阶段,沿刀具前刀面滑出形成切屑 切屑的种类和形状崩碎切屑：崩碎切屑：不规则屑片，较低 vc，较大ap，f 加工脆性金属时产生。由于加工材料和切削条件的不同，产生的切屑主要有三种类型：节状（挤裂）切屑：节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，较低 vc，较大ap，f 加工中等硬度塑性金属时产生。带状切屑：带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大0，高vc，小ap，f 加工塑性金属时产生。切屑的种类：切屑的种类：二、残留面积残留面积残留面积AD:AD:残留面积高度残留面积高度 ：对于直线刃尖角车刀，对于直线刃尖角车刀，r=0 r=0 H=f/(H=f/(ctgKr+ctgKr)ctgKr+ctgKr)对于圆弧刃车刀，对于圆弧刃车刀，r0 r0：H=f 2/8rH=f 2/8r 由于车刀结构关系，切削时在已加工表面上留有未切除掉的切削层切削层参数和残留面积一一.切削层参数切削层参数切削层厚度切削层厚度h hD D：指相邻两个加工表面之间的垂直距离。直线刃车外圆：hD=fsinr切削宽度切削宽度b bD D：切削宽度是指沿加工表面度量的切削层尺寸。bD=ap/sinr切削面积切削面积A AD D：指切削层在基面中的截面积。AD=hDbD=f.ap 切削层切削层：主运动一个周期，从工件表面切下的金属层。规定 在刀具的基面中测量。切削层参数影响切屑变形和切削力。残留面积影响加工表面的粗糙度。进给量越小，主偏角和副偏角越小，则残留面积高度越小，表面粗糙度小；车刀主、副切削刃间磨有圆角，可以减小残留面积高度，提高工件表面质量。（三）、切屑的控制 目的：保护操作者安全，使机床能连续正常工作，不划伤已加工表面。常用方法：在刀具上磨出卷屑槽或使用带卷屑槽的可转位刀片。断屑方式：在工件上撞断，在刀具上撞断，卷成发条屑挤断，卷成螺卷屑、甩断积屑瘤BUEBUE：切削塑性金属时在前刀面上会粘有一个楔块，这块金属称为积屑瘤。在切屑刃附近，由于塑性变形，硬度比工件材料高23倍。精加工时要避免积屑瘤，应采用高速切削，或低速切削，增大刀具前角，研磨前刀面或使用切削液，可以减小切削区变形，减小切削屑与刀面的磨摩擦，从而减少积屑瘤的产生。形 成 条 件：中 低 速 切 削，塑 性 金 属特 性：无 有 小 大 脱 落 周 期 性对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削力减小；切削平稳性差；影响加 工精度和表面粗糙度。切削力：切削力：刀具作用在工件上或工件反作用于刀具的力称为切削力。切削力的分解：切削力的分解：主切削力主切削力FcFc：总切削力在主运动方向上的正投影，消耗功率最多；作用在工件上称为切向力切向力背切削力背切削力FpFp：总切削力在垂直于工作平面上的分力。作用在工件上称径向力径向力进给切削力进给切削力FfFf：总切削力在进给运动方向上的正投影，只消耗机床总功率的5%-1%作用在工件上称轴向力轴向力；因此，总切削力因此，总切削力F:F:222fpcFFFFrpKFrFcosrfKFrFsin在基面内切削力分解：在基面内切削力分解：Fr是总切削力在基面的分力。工件材料：材料成分、组织和力削性能是影响切削力的主要因素。强度、硬度、塑性、韧性越大切削力越大；切削用量：影响最大的是ap，其次是f，切削速度c最小，Fc与ap 是1：1，f影响7080%，c 影响积屑瘤的存在，有积屑瘤时F明显减小。刀具几何角度：0增大，刃口锋利、切削变形小，摩擦小，切削力减小；o增大、摩擦减小，切削力减小；Kr增大Fp减小；正s，Fp减小Ff增大。其它因素：切削液使用润滑条件好，切削力减小，刀具磨损后切削力剧增。影响切削力的因素：切削力估算与切削功率切削力估算与切削功率 切削功率切削功率 Pc=FcVcPc=FcVc车45钢：车中等硬度铸铁：faFpc2faFpc2.1切削力可以用经验公式估算：切削热和切削温度切削热的来源切削热的来源Q总=Q变形+Q前摩+Q后摩切削热的传出切削热的传出Q总=Q屑+Q工+Q刀+Q介（一）、切削热切削过程中材料的变形、切屑、工件与刀具间摩擦所消耗的功绝大部分转化成热，称为切削热切削温度切削温度是指切削过程中，切削区温度升到一定程度后，升热速度与散热速度基本上相等时，温度不再升高时切屑、工件与刀具接触表面的平均温度。影响切削温度的因素：切削用量、工件材料、刀具几何角度等。实验表明：切削量中影响最大的是切削速度c 切削速度提高一倍，切削温度上升30%左右，其次是进给量f，进给量提高一倍，切削温度上升15%左右，而切削深度 ap影响最小，切削深度提高一倍，切削温度仅上升7%左右.降低切削温度最有效的措施是在切削时使用切削液。切削温度切削温度刀具磨损与刀具寿命（一）刀具磨损：刀具在切削过程中，其前刀面、后刀面上微粒材料被切屑或工件带走的现象，称为刀具磨损。刀具的主要磨损形态：后面磨损：前面磨损（月牙磨损）：前后面同时磨损：大多数情况下刀具前、后刀面都有磨损，后刀面磨损对加工质量影响最大，测量方便，通常以VB来表示刀具磨损程度。机械摩擦：磨粒磨损热效应：粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损，相变磨损2 2、刀具磨损的原因：机械摩擦和热效应。、刀具磨损的原因：机械摩擦和热效应。初期磨损阶段（初期磨损阶段（OAOA）：切削时间短磨损快正常磨损阶段（正常磨损阶段（ABAB）：磨损量均匀增长急剧磨损阶段（急剧磨损阶段（BCBC）：磨损量急剧增加伴有明显的噪声和振动磨损过程：磨损过程：刀具经过一次刃磨后，进行切削时后刀面允许的最大磨损量（VBB）称为磨钝标准，或者叫做磨损限度。对于相同的刀具，加工条件和工件材料不同，磨钝标准不同。磨钝标准磨钝标准（二）刀具破损 硬质合金刀具和陶瓷刀具因为比较脆，当受到冲击或因内部焊接应力、刃磨应力而导致刀片裂纹、表面脱落、崩刃和碎裂称为刀具破损。工件表面粗糙度突然增大，切屑形状和颜色也会改变，会有尖叫或振动产生。应立刻停车换刀。刀具耐用度刀具耐用度是指刀具从开始切削至达到磨钝标准为止使用的切削时间，用T T表示，也可以用达到磨钝标准所经过的切削行程长度或加工出的零件数表示。刀具寿命刀具寿命是指一把新刀具从投入切削起到报废为止总的实际切削时间，其中包含多次重磨，等于该刀具的耐用度乘以重磨次数，即：T T总总=n=nT T刀具耐用度与刀具寿命的概念刀具耐用度与刀具寿命的概念刀具寿命可以衡量刀具材料的切削性能，刀具的角度是否合理，比较工件材料的切削加工性。当工件材料、刀具材料及刀具角度确定后，刀具寿命决定于切削用量。刀具寿命刀具寿命刀具耐用度经验公式 硬质合金车刀切削某碳钢时：硬质合金车刀切削某碳钢时：1/p1/n1/mpTafVCT CT是与工件材料、刀具材料和切削条件有关的常数，同m，n，p是在不同切削材料及切削条件下切削速度，进给量及切削深度对刀具耐用度的影响指数，可以通过查表得到。反过来在确定了刀具耐用度的前提下，可以用它来计算合理刀具耐用度时的允许切削速度。75.025.25pTafVCT 影响刀具耐用度的因素切削用量切削用量：切削量中影响最大的是切削速度c，其次是f，ap影响最小。工件材料工件材料刀具材料及几何角度刀具材料及几何角度其它因素其它因素 一般：硬质合焊接车刀耐用度大约60；高速钢钻头耐用度为80120min;硬质合金铁铣刀耐用度120180min;齿轮刀具耐用度200300min75.025.25pTafVCT 刀具寿命对生产率和加工成本的影响刀具寿命对生产率和加工成本的影响加工一个零件所需的工序时间tw：t tw w=t=tm m+(t+(tm m/T)/T)t tctct+t+totot每个零件的平均工序费用C为 C=tC=tw w M+(t M+(tm m/T)/T)C Ct tt tw w：工序时间；t tm m：工序切削时间；t tm m/T/T：换刀次数t tctct：一次换刀所需时间；t totot：其他辅助时间；M M：工时费用；C Ct t：换一次刀具所需的费用最大生产率耐用度最大生产率耐用度：根据单位工时最小的原则确定的耐用度称为最大生产率耐用度。加工一个零件所需的工序时间tw：t tw w=t=tm m+(t+(tm m/T)/T)t tctct+t+totot经济耐用度：经济耐用度：以加工成本最低为优化目标获得的刀具耐用度为经济耐用度。每个零件的平均工序费用C为 C=tC=tw w M+(t M+(tm m/T)/T)C Ct t刀具耐用度的确定刀具耐用度的确定 一般情况下，刀具都采用经济使用寿命，目前我国常用车刀寿命在1560分钟之间，而组合机床自动机床刀具寿命在240480分钟之间。切削规律的应用一、改善切削加工性二、选择切削液三、选择刀具参数四、选择切削用量一、概念：一、概念：工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性是指在一定切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。工件材料的切削加工性Machinability二、评定指标：二、评定指标：1 1、相对加工性指标、相对加工性指标KrKr：当刀具耐用度为当刀具耐用度为T T时，切削某种材料所允时，切削某种材料所允许的切削速度以许的切削速度以VTVT表示。表示。VT越高，则表示工件材料的切削加工性越好。一般取一般取T=60minT=60min，此时，此时VTVT可写作可写作V60V60。相对加工性相对加工性是以切削加工强度为b=0.637GPa的45钢时，T选定为60min，可能选用的最高切削速度V60作为基准，写作（V60V60），而把其他材料的V60值与之相比得到的数值记作Kr，即相对加工性Kr=V60/(V60)Kr=V60/(V60)（1）以表面粗糙度为衡量指标:精加工时，常以表面粗糙度数值作为衡量切削加工性的指标。从这项指标出发，低碳钢的切削加工性不如中碳钢，纯铝的切削加工性不如硬铝。（2）以切削力或切削温度为衡量指标:如果根据这项指标，铜、铝及其合金的加工性比钢好，灰铸铁的加工性比冷硬铸铁好。（3）以切屑控制或断屑的难易为衡量指标:在自动线上或自动机床上，常以切屑控制或断屑的难易程度作为衡量材料切削加工性的指标。此外，还可以用切削路程的长短、金属切除率的高低作为衡量切削加工性的指标。评价工件材料切削加工性的其它指标评价工件材料切削加工性的其它指标常见材料的切削加工性常见材料的切削加工性 有色金属：有色金属：断屑较困难，但总体上讲加工性较好。铸铁：铸铁：总的说来，铸铁的加工性比碳钢好。碳素结构钢：碳素结构钢：碳素结构钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量，以及热处理状态。合金结构钢：合金结构钢：在碳素结构钢中加入一定的合金元素如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的强度、硬度、弹性等方面性能提高，故加工性也随之变差。难切削金属材料：难切削金属材料：通常把高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛及钛合金、难熔金属及其合金等称为难切削材料难切削材料。难切削材料强度一般较高，加工硬化严重，硬度高，有很高的耐磨性，加工时切削力大、切削区温度高、刀具磨损剧烈。陶瓷材料：陶瓷材料：一般情况下只有使用金刚石或立方氮化硼刀具才能进行切削，也可以采用磨削。工程橡胶：工程橡胶：弹性大，难于控制准确的尺寸。弹性大，难于控制准确的尺寸。二、选择切削液1.1.切削液的作用:主要有冷却、润滑、排屑、清洗和防锈 冷却作用：主要是指迅速将切削过程中产生的热量从切削区带走，使切削区温度降低。润滑作用：采用切削液可起到润滑作用，减轻刀具与工件、刀具与切屑之间摩擦。排屑作用：利用高压大剂量切削液冲走切削区的切 清洗和防锈作用：切削液应能将切屑或磨粒冲走，以免切屑堵塞或划伤已加工表面及机床导轨，对磨削、深孔加工等工序特别重要。防锈作用取决于切削液本身的性能和使用的防锈添加剂。水溶液：水溶液：主要起冷却作用。主要有水溶液、乳化液和化学合成液三种。油溶液类切削液：油溶液类切削液：主要有切削没和极压切削油。切削油主要起润滑作用，包括10号、20号机油，轻柴油、煤油等矿物油及动植物油等。固体润滑剂：二硫化钼。2.2.切削液的种类切削液的种类3、切削液的选用 加工中使用的切削液要根据工件材料、刀具材料、加工方法、加工要求等情况综合考虑，合理选用。工件材料方面的考虑 刀具材料方面的考虑 加工方法方面的考虑一、刀具结构及其几何形状刀具结构及其几何形状刀具几何角度切削部分：切削部分：前刀面前刀面Ar Ar 主切削刃主切削刃S S 主后面主后面Aa Aa 刀尖刀尖 副后面副后面Aa Aa 副切削刃副切削刃S S 辅助平面：切削平面切削平面Ps：过切削刃上一：过切削刃上一点，与加工表面相切的平面点，与加工表面相切的平面。基面基面Pr：过切削刃上同一点：过切削刃上同一点，与切削速度相垂直的平面，与切削速度相垂直的平面。正交平面正交平面Po（主剖面）：过（主剖面）：过切削刃上同一点，与切削平切削刃上同一点，与切削平面和基面相垂直的平面。面和基面相垂直的平面。静止参照系的假设条件：静止参照系的假设条件：假定运动条件：进给量假定运动条件：进给量f=0 假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；假定安装条件：刀尖与工件回转中心等高；刀杆方向与进给方向垂直。刀杆方向与进给方向垂直。1.刀具的前角前角前角0：前刀面与基面的夹角。前角的作用：前角的作用：前角前角 切屑变形切屑变形切削力切削力刃口强度刃口强度前刀前刀面磨损面磨损 导热体积导热体积刀具前角的选用：刀具前角的选用：加工塑性材料选大前角加工塑性材料选大前角,加工脆性材料、断续切加工脆性材料、断续切削选小前角削选小前角,加工硬材料选用负前角加工硬材料选用负前角加工钢铁时，硬质合金刀具前角取值为10到20，切削相同材料时，高速钢比硬质合金前角取值大10；陶瓷刀具和立方氮化硼刀具则比硬质合金小5到10。前角的选用2、后角后角后角0：后刀面与切削面的夹角。前角和后角在正交平面中测量。后角的作用：后角的作用：后角 后刀面与加工表面间的摩擦 后刀面磨损 刃口强度 导热体积刀具后角的选用：刀具后角的选用：粗加工选小后角,精加工选大后角,选大前角时选小后角以增大刃口强度；加工塑性好的材料时可取大一点，若工件材料的硬度或强度较高，则后角应取小一点。粗加工后角一般为4到6，精加工刀具的后角一般取8到10。另外定尺寸刀具的后角取值小于非定尺寸刀具。3.3.主偏角和副偏角主偏角主偏角KrKr：主切削刃的投影与进给方向的夹角。副偏角副偏角KrKr：副切削刃的投影与进给反方向的夹角。主偏角的作用：主偏角的作用：主偏角主偏角 切削刃工作长度切削刃工作长度 刀尖强度刀尖强度 导热体积导热体积 径向分力径向分力刀具主偏角的选用：刀具主偏角的选用：一般为一般为30753075,加工细长工件采用加工细长工件采用9093 9093 副偏角的作用：副偏角的作用：副偏角副偏角 副后面与工件已加工表面摩擦副后面与工件已加工表面摩擦 刀尖强度刀尖强度 表面粗糙度表面粗糙度刀具副偏角的选用：刀具副偏角的选用：一般为一般为520520,特殊要求可采用特殊要求可采用Kr=0 Kr=0 的修的修光刃光刃4.4.选择过渡刃过渡刃的作用：增强刀尖强度和散热能力。降低残留面积高度。过渡刃的选择：根据工艺系统刚性选择和工件表面粗糙度要求选择。过渡刃偏角：过渡刃长度：刀尖圆弧半径：刃倾角S：主切削刃与基面的夹角。5.刃倾角刃倾角刃倾角的作用：刃倾角的作用：影响排屑方向：影响排屑方向：影响刀头的强度；影响切削刃的锋利；刀具刃倾角的选用：刀具刃倾角的选用：精加工取精加工取S S 0 0，5 5到到1010 粗加工取粗加工取S S 0 0，5 5到到1010 加工细长工件采用加工细长工件采用S S 0 0 90S 0 排向待加工表面S 0 排向已加工表面；S=0 前刀面上卷曲定义：定义：也称刀具切削角度：刀具实际切削条件下的实际角度。是指在实际安装条件下及有进给运动时的刀具角度。工作参考系与静止参考系的差别工作参考系与静止参考系的差别：工作条件下，合成切削速度为主运动与进给运动的合成速度；而静止条件下合成速度与切削速度是一致的。因此基面和切削平面发生相应的变化车刀的工作角度刀具工作参考系（刀具工作参考系（PrePsePoe）1.刀具安装高低对工作角度的影响刀具安装高低对工作角度的影响车外圆刀尖偏高（低）：车外圆刀尖偏高（低）：工作前角增大（小），工作后角减小（大）工作前角增大（小），工作后角减小（大）镗内孔刀尖偏高（低）：镗内孔刀尖偏高（低）：工作前角减小（大）工作前角减小（大），工作后角增大（小），工作后角增大（小）oe=o+Noe=o N其中其中N的值为的值为sin(N)=2h/dw2.2.车刀刀杆中心线与进给运动方向不垂直 车刀刀杆中心线与进给运动方向不垂直会影响主偏角和副偏角的大小 左偏：主偏角减小，副偏角增大 Kre=Kr-G 右偏：主偏角增大，副偏角减小 Kre=Kr+G3.3.横向进给对刀具工作角度的影响 oe=o+oe=o+oe=o-oe=o-tg=f/(d)tg=f/(d)结论：结论：横向进给时，刀横向进给时，刀具工作前角逐渐增大，具工作前角逐渐增大，工作后角逐渐减小工作后角逐渐减小4、纵向进给对工作角度的影响：、纵向进给对工作角度的影响：对于纵车外圆，由于进给量较小工件直径在，所以工作角度变化忽略不记。而加工螺纹时由于进给量较大，应该考虑。加工方牙螺纹时，左右切削刃的工作角度不同。切削用量切削用量三要素 切削速度切削速度v vc c:主运动的线速度主运动的线速度(m/min)(m/min)Vc=dn/1000 Vc=dn/1000 进给量：进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离刀具相对工件沿进给方向移动的距离 进给量进给量 (mm/r)(mm/r)：每转进给每转进给 进给速度进给速度f(mm/min)f(mm/min)：每分钟进给：每分钟进给 每齿进给量每齿进给量f fz z(mm/z)(mm/z)：每个刀齿的进给：每个刀齿的进给背吃刀量背吃刀量（切削深度）（切削深度）a ap p(mm):(mm):已加工表面与待加工表面间的距已加工表面与待加工表面间的距离。补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工离。补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。件的深度。1.1.切削用量对生产率的影响切削用量对生产率的影响金属切除率可以表示为：Q=vfap（mm3/s）2.2.切削用量对刀具耐用度的影响切削用量对刀具耐用度的影响切削速度v的影响最大，进给量f居其次，切削深度ap的影响最小。3.3.选择切削用量的基本原则选择切削用量的基本原则选择切削用量应在保证刀具一定耐用度的前提下，优考虑采用最大的切削深度ap，其次考虑采用大的进给量f，最后根据刀具耐用度的要求选定（根据相关手册资料）合理的切削速度v。75.025.25pTafVCT 切削用量的选用切削用量的选用1、粗车切削用量的选择 着重考虑提高生产率Q=vfap应先尽量选取大的背吃刀量，尽量一次去掉余量。不同的机床允许的最大背吃刀量不同，如C6136允许的吃刀量为2到3mm，而C6160则可以达到5到10mm。然后选一个比较大的进给量：受机床强度，刀片结构及工件刚性的景响，一般查表选择。常用的范围是0.31mm/r。最后根据刀具寿命选择一个合理的切削速度：计算查表。最后验算机床功率。硬质合金刀具车削中碳钢时，50100m/min。2、精车切削用量的选择 着重考虑保证工件的加工质量。应先尽量选取小的背吃刀量，半精车取1到2mm，精车取0.05到0.8mm。然后选一个比较小的进给量：半精车0.2到0.5mm/r，精车为0.1到0.3mm/r。最后选择较高的切削速度：最后验算机床功率。硬质合金刀具车削中碳钢时，50100m/min。