第二章金属切削原理与刀具

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第二章 金属切削原理与刀具,第一节 刀具的结构,一、切削运动与切削用量,（一）切削运动,刀具与工件间的相对运动称为,切削运动,（即,表面成形运动,）。,按作用来分，切削运动可分为,主运动,和,进给运动,。,给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图,1,中合成运动的切削速度,Ve,、,主运动速度,Vc,和进给运动速度,Vf,之间的关系。,合成切削运动,是由主运动和进给运动合成的运动。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度。,图1,(,二,),切削用量,1,、,切削速度,v,c,切削速度,v,c,是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。当主运动为回转运动时：,式中,d,切削刃上选定点的回转直径，,mm;,n,主运动的转速，,r/s,或,r/min.,2,、,进给速度,vf,、,进给量,f,进给速度,v,f,-,切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，,mm/s,或,mm/min.,。,进给量,f-,刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，,mm/r,或,mm/,行程,。,V,f,=n f,3,、切削深度,ap,对于车削和刨削,加工来说，切削深,度,a,p,（,背吃刀量,）是,在与主运动和进给,运动方向相垂直的,方向上度量的已加,工表面与待加工表,面之间的距离，单,位,mm,。,对于钻孔来说，,式中,d,w,-,工件待加工表面直径，,mm,。,d,m,-,工件已加工表面直径，,mm,。,图2,二、切削层参数,在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为,切削层,。,切,削,层,参,数,切削层公称厚度,h,D,在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。,h,D,反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得：,h,D,=,fsink,r,其中：,h,D,切削层公称厚度，,(mm),；,f,进给量，,(mm/r,）；,k,r,车刀主偏角，,(,。,),。,切削层公称宽度,bD,沿过渡表面测量的切削层尺寸。,b,D,反映了切削刃参加切削的工作长度。由图得：,b,D,=,a,p,/sink,r,其中：,b,D,切削层公称宽度，,(mm),。,切削层公称横截面积,AD,切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由图得：,A,D,=,h,D,*,b,D,=,fsink,r,*,a,p,/sink,r,=f*,a,p,其中,:A,D,切削层公称横截面积，,(mm,2,),。,三、刀具切削部分的基本定义,金属刀具的种类很多，但它们切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具结构如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。,(,一）车刀的组成,外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，由刀柄和刀头组成，刀柄是刀具的夹持部位，其切削部分（又称刀头）由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其切削部分的结构及其定义如下。,（,1,）前刀面,刀具上与切屑接触并相互作用的表面（即,切屑流过的表面,）。,图3,（,2,）主后刀面,刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。,（,3,）副后刀面,刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。,（,4,）主切削刃,前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。,（,5,）副切削刃,前刀面与副后刀面的交线。它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,主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。,具体参见切削运动与切削表面图和车刀的组成图。其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演变和组合。,刨刀,钻头,图4,铣刀,(,二）刀具角度的参考系,为了确定刀具切削部分各表面和刀刃的空间位置，需要建立平面参考系。按构成参考系时所依据的切削运动的差异，参考系分成以下两类：,刀具标注角度参考系,刀具工作角度参考系,刀具标注角度参考系,（又称刀具静止参考系）是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度。,刀具工作角度参考系,是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称为刀具工作角度。,图5,1,、正交平面参考系,要确定正交平面参考系，必须提出以下两个假设条件：,假定运动条件：,用刀具主运动向量,vc,近似代替合成运动向量,ve,，,然后再用平行或垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。,假定安装条件：,假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。,正交平面参考系由以下三个平面组成：,1),基面,pr,：,通过切削刃某一点，垂直于假定主运动方向的平面。它平行或垂直于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装的平面或轴线。,图6,2),切削平面,p,s,：,通过切削刃某一点，与工件加工表面（或与主切削刃）相切的平面。切削平面,p,s,与基面,p,r,垂直。,3),正交平面,P,0,：,通过切削刃某一点，同时垂直于切削平面,p,s,与基面,p,r,的平面。,2,、法平面参考系,法剖面,P,n,：,通过切削刃某一点，垂直于切削刃的平面,。,图7,3,、假定工作平面参考系,假定平面参考系由,p,r,、,P,f,、,Pp,三个平面组成。,1),假定工作平面,P,f,：,通过切削刃某一点，平行于进给运动方向并垂直于基面,p,r,的平面。,2),背平面,P,p,：,通过切削刃某一点，同时垂直于进给剖面,P,f,与基面,p,r,的平面。,（三）刀具标注角度,刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。,图8,1,、在正交平面内测量的角度,1),前角,o,在,主剖面,P,0,内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。,图9,2,）后角,o,在,主剖面,P,0,内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。,3,）楔角,o,在正交平面内度量的前刀面与后刀面之间的夹角。,o=90,（,o+o,）,2,、在基面内标注的角度,1,）主偏角,r,在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。,2,）副偏角,r,在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。,3,）刀尖角,r,在基面内度量的主切削刃与副切削刃之间的夹角。,r=180,（,r+r,）,3,、,在切削平面内标注的角度,刃倾角,s,在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。,当主切削刃呈水平时，,s,=0,；,刀尖为主切削刃最低点时，,s,0,；,刀尖为主切削刃上最高点是，,s,0,，,如图示。,上述角度中，,o,和,r,是派生角度，由前、后刀面磨出的主切削刃只需要四个基本角度即可确定它的空间位置，即为,o,、,o,、,r,、,r,。,对于副切削刃，可采用与上述相同的方法，在副切削刃的选定点上作参考系,P,r,-P,s,-P,o,。,当主切削刃上的四个基本角度,o,、,o,、,r,、,s,以及副偏角,r,确定之后，副前角,o,和副刃倾角,r,随之而定，图样上也不用标注。,图10,在法平面、假定工作平面参考系中，有法前角,n,、,、法后角,n,、侧前角,f,、侧后角,f,、背前角,p,、,和背后角,p,。这些角度可以参照给正交平面参考系标注角度下定义的方法加以定义。,在法平面参考系中，只需标注,n,、,n,、,r,和,s,四个角度即可确定主切削刃和前、后刀面的方位。在假定工作平面参考系中，只需标注,f,、,f,、,p,、,p,四个角度便可确定车刀的主切削刃和前、后刀面的方位。,四、刀具的工作角度,在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面,Ps,、,基面,Pr,和主剖面,P0,为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。,在一般的条件下，刀具的工作角度与标注角度相差无几，两者差别不予考虑，只有在角度变化值较大时才需要计算工作角度。,（一）刀具安装对工作角度的影响,1,、车刀安装高度对工作角度的影响,以车刀车外圆为例，若不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角,oe,和工作后角,oe,的变化,如上图所示。,图11,2,、,车刀安装偏斜对工作角度的影响,当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角,re,和工作副偏角,re,的变化,如上图所示。,图12,（二）进给运动对工作角度的影响,车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面，如上图所示。因此，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角,，,使车刀的工作前角,oe,增大，工作后角,oe,减小。一般车削时，进给量比工作直径小很多，故螺旋升角,很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大，则应考虑螺旋升角的影响。,1,、,横向进给运动对工作角度的影响,图13,2,、纵向进给运动对工作角度的影响,车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面，如左图所示。因此，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角,，,使车刀的工作前角,oe,增大，工作后角,oe,减小。一般车削时，进给量比工作直径小很多，故螺旋升角,很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大，则应考虑螺旋升角的影响。,图14,五、刀具种类,1,、刀具分类,（,1,）按加工方式和具体用途分：车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等。,（,2,）按所用材料分：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和金刚石刀具。,（,3,）按结构形式分：整体刀具、镶片刀具、机夹刀具、复合刀具等。,（,4,）按是否标准化分：标准刀具和非标准刀具。,2,、常用刀具简介,（,1,）车刀,车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。如图,15,、,16,所示。,图15,图16,（,2,）孔加工刀具,孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工用的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。,图17,麻花钻是最常用的孔加工刀具，一般用于实体材料上孔的粗加工。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。,麻花钻的结构由柄部、颈部和工作部分组成：,柄部,是钻头的夹持部分，有锥柄和直柄两种型式；,颈部,位于工作部分和柄部的过渡部分，是磨削柄 部时的退刀槽，此处常用于打印钻头标记；,钻头的工作部分,包括切削部分和导向部分，导向部分有两条螺旋槽和两条棱边，螺旋槽起排屑和输送切削液的作用，棱边起导向、修光孔壁的作用。,麻花钻的主要几何角度有螺旋角,，,前角,，,后角,，,锋角,2,和横刃,斜角,。,麻花钻结构上的缺陷：,钻头在外缘处的磨损特别严重；,横刃较长，横刃前角为负值，轴向抗力较大，钻头定心差，易产生引偏和振动。,钻头主切削刃全长参加工作，切削宽度大，排屑困难，切削液不易进入切削区，冷却散热条件不良，钻头使用寿命短，钻孔质量和效率不高。,因此，为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”使用。如图,18,所示。群钻的基本特征为：三尖七刃锐当先，月牙弧槽分两边，一侧外刃开屑槽，横刃磨得低窄尖。,中心钻如图,19,所示，用于加工轴类工件的中心孔。钻孔时，先打中心孔，有利于钻头的导向。,深孔钻是专门用于钻削深孔（长径比,5,）