金属切削原理与刀具讲义.pdf

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1、第一部分第一部分金属切削原理金属切削原理金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具要从工件上切去一部分金属，除去刀具材料需具备必须的性能外，刀具切削部分还必须具有适当的几何参数和实现工件和刀具之间的相对运动（切削运动）。本部分主要阐明和切削运动和刀具几何参数有关的基本概念和定义。1 1 车刀切削部分构造车刀切削部分构造现以外圆车削为例来分析工件与刀具间的切削运动。前刀面切屑沿其流出的刀具表面。主后刀面与工件上过渡表面相对的刀具表面。副后刀面与工件上已加工表面相对的刀具表面。主切削刃前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作，亦叫主刀刃。副切削刃前刀面与副后刀面的交线，协同主切削刃完成切削工作，

2、并最终形成已加工表面，亦称为副刀刃 刀尖连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，可以是一段小的圆弧，也可以是一段直线1 1、切削运动切削运动 主运动：主运动是从工件上切除金属所必须的运动。只有一个、速度最高、消耗功率最大。进给运动：进给运动是使金属层不断投入切削过程，获得所需工件表面的运动。不止一个、速度较小、消耗功率较小。合成运动：合成运动是上述主运动与进给运动的合成。2 2、工件上的加工表面、工件上的加工表面 待加工表面：工件上即将被切去的表面，随切削过程连续逐渐变小，直至全部切去。已加工表面：工件上已经切去了多余金属而形成的新表面，随切削继续而扩大。过渡表面，也叫切削表面：切削刃在切削中的表面

3、，并在切削中不断改变，总是位于待加工表面和已加工表面之间。前角o：在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。后角o：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角，一般为正值。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。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。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。无论用于何种加工，刀具都有三个主要角度：前角、切入角和后角。其作用如下：前角：影响切削力、切削刃强度和切屑流动特性；切入角：控制切削力的方向，有效减薄切屑，保护切削刃最薄弱的部位

4、；后角：确保刀具切削时不会与工件发生摩擦。通过对刀具的这三个角度进行综合优化，可以强化切削刃，同时使工件材料能从切削区自由流出，从而减小切削力，延长刀具寿命。切削用量三要素切削用量三要素 主运动速度c，主运动速度表示主运动的速度大小和方向。其速度大小可表示为（单位：m/min 或 m/s）:式中：n主运动的转速（r/s 或 r/min）；D完成主运动的工件或刀具某一点的回转直径（mm）。进给量，是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向上的相对位移。每转进给量 f（mm/r），每齿进给量 fz（mm/z）。进给速度 Vf(mm/min)，刀刃上选定点相对于相对于工件的运动速

5、度。式中：z刀具齿数。背吃刀量：背吃刀量是车削时已加工表面与待加工表面之间的垂直距离（单位：mm）。式中：dw 工件待加工表面的直径，dm 工件已加工表面的直径。v内容阐述：内容阐述：刀具系统一般有刀柄、刀体及切削部分构成刀具系统一般有刀柄、刀体及切削部分构成刀柄是刀具与机床的接口部分刀体用于刀具的支承和夹持切削部分则参与工件的切削在高速切削条件下，刀具系统的微小不平衡都可能对加工精度、表面质量等造成巨大影响。因此不仅刀具本身对工件的加工非常重要，对提高刀具系统与机床连接的动平衡精度，减小高速下的切削震动的高速切削刀具与机床的接口技术也非常重要HSK(德文 Hohlschaftkegel 缩写

6、)刀柄是一种新型的高速锥形刀柄，采用锥面和端面双定位的空心锥柄，其锥度为 1:10 且锥体比较短，在拉杆轴向拉力的作用下，刀柄的薄壁锥体会产生一定的弹性变形，使刀柄的短锥和端面与主轴的锥孔和端面紧密贴合。锥体长度短有利于实现换刀轻型化和高速化、由于采用端面定位完全消除了轴向定位误差，适于高速、高精度加工A 型和 E 型的最大区别就在于：1.A 型有传动槽而 E 型没有。所以相对来说A 型传递扭矩较大，相对可进行一些重切削。而 E 型传递的扭矩就比较小，只能进行一些轻切削。2.A 型刀柄上除有传动槽之外，还有手动固定孔、方向槽等，所以相对来说平衡性较差。而 E 型没有，所以 E 型更适合于高速加

7、工。E 型和 F 型的机构完全一致，它们的区别在于:同样称呼的 E 型和 F 型刀柄(比如 E63 和 F63)，F 型刀柄的锥部要小一号。也就是说 E63 和 F63 的法兰直径都是63，但 F63 的锥部尺寸只和 E50 的尺寸一样。所以和 E63 相比，F63 的转速会更快(主轴轴承小)。HSKHSK 刀柄结构优点：刀柄结构优点：采用锥面、端面过定位的结合方式，有效提高结合刚度；锥度短和采用中空结构后，质量轻、自动换刀动作快；锥度短，楔形效果好，有强的抗扭转能力；有较高的安装精度；刀柄和主轴间由扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力（锁紧力）越大，高速锁紧能力好。HSKHSK 刀柄结构缺点

8、：刀柄结构缺点：由于过定位安装，须严格控制锥面基准线与法兰端面的轴向位置精度，与之相对的主轴也须控制这一轴向精度，使制造工艺难度大，成本高。刀柄为中空状态，装夹刀具的结构必须设置在外部，增加整个刀具的悬伸长度，影响刀具刚性。BTBT 接口相对的一些优点：接口相对的一些优点：因不自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴内锥孔内支承刀具，可以减小刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低而且可靠，多年来应用非常广泛。BTBT 接口相对的一些缺点：接口相对的一些缺点：单独锥面定位。连接锥度大，锥柄较长，锥

9、体表面同时要起两个重要作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的连接刚度。由于他不能实现与主轴端面和内锥孔的同时定位，在主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。高速旋转时，主轴端部锥孔的扩张量大于锥柄的扩张量，存在重复定位精度不稳定的问题。由于刀柄锥部较长，不利于快速换刀和减小主轴尺寸。1.21.2刀具装夹技术刀具装夹技术1.2.11.2.1热装夹头热装夹头热夹头的温度分布感应加热仪热装夹头通常用加热装置，使刀柄的夹持部分在短时间内加热，刀柄内径随之扩张，立即将刀具装入刀柄内，刀柄冷却收缩，产生刀具夹持面均匀的压力，与传统液压夹头相比，夹紧力大，可传递更大的转矩，且结构对称，适于高

10、速切削。刀柄加热有火焰加热、热气体加热和感应加热几种形式，相对来说感应加热较好。刀柄加热采用具有高能场的感应加热线圈，在电磁场作用下，在较短时间内加热刀柄，进行刀具更换。感应加热为局部加热，热量很少传到刀具柄部或其它部位，与其他两种加热方式相比冷却速度快，经济性好。为缩短冷却时间，可采用冷却衬套直接与被加热的外圆接触，将热量尽快传到冷却棱上进行强制冷却，实现刀具的快速装卸。热装夹头的特点：热装夹头的特点：同心度较好；相对小的本体直径；离心力低；均匀的材质；夹紧力大；动平衡度很高；本体经热处理；有加热系统。1.2.21.2.2弹簧夹头弹簧夹头压紧套刀柄弹簧夹弹簧夹头是利用带弹性的元件，先装入刀具

11、，在利用压紧套把弹簧夹和刀具压入刀柄，在压入过程中弹簧夹收缩夹紧刀具。不同的弹簧夹用在不同的切削场合：钻夹头钻夹头DA 夹头,提供高的夹紧力使钻头的进给量和速度大大提高.Double Angle”使定位精度提高.最大夹持间隔0.5mm夹持范围+0.1-0.4mm钻钻-铣铣-攻牙夹头攻牙夹头TG 夹头,提供高的夹紧力和同心度.最大夹持间隔0.5mm夹持范围+0.1mm-0.4mm钻钻-铣铣-攻牙夹头攻牙夹头ER-DIN 6499夹头，灵活性强.最大夹持间隔1.0mm夹持范围-1.0mm1.2.31.2.3液压夹头液压夹头夹紧螺钉液压油刀具调整液压夹头是通过拧紧加压螺钉，使液压油的压力增大，进而使

12、膨胀壁收缩夹紧刀具。液压刀柄的特点：装卸方便定位准确精度高，同心度好本体直径小易于清洗是价格比较昂贵2.1.22.1.2车刀结构车刀结构车刀从结构上可分为整体车刀、焊接车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片车刀。整体车刀主要是高速钢车刀；焊接车刀是在普通碳钢刀杆上镶焊（钎焊）硬质合金刀片，经过刃磨而成；机夹车刀是将硬质合金刀片用机械夹固的方法安装再刀杆上的车刀；可转位车刀也是机夹车刀的一类，与普通机夹车刀的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2.22.2铣刀铣刀铣削是平面加工最常用的加工方式铣削是平面加工最常用的加工方式可以获得很高的表面质量可

13、以获得很高的表面质量有很高的加工效率有很高的加工效率铣削是一种常用的基本加工方法，铣削是用旋转的刀具去除工件毛坯面得到所要表面的加工方法。刀具作旋转运动，工进作进给运动，而且刀具旋转轴通常垂直于工件进给方向。铣削过程往往是断续接触工件，有变化的切削厚度和变化的切削力铣刀按用途分有圆柱铣刀、端铣刀、盘形铣刀、锯片铣刀、立铣刀、键槽铣刀按用途分有圆柱铣刀、端铣刀、盘形铣刀、锯片铣刀、立铣刀、键槽铣刀、角度铣刀、成型铣刀等。铣刀、角度铣刀、成型铣刀等。立铣刀用于加工平面、台阶、槽和相互垂直的平面，圆柱表面上的切削刃是主切削刃，端刃是副切削刃，铣槽时槽宽有扩张，故应取直径比槽宽略小的铣刀盘形铣刀分槽铣

14、刀、两面刃铣刀、三面刃铣刀及错齿三面刃铣刀槽铣刀仅在圆柱表面上有刀齿，但两侧端面也参加一部分切削，相当于副切削刃，为了减少两侧端面与槽壁摩擦，两侧有 30 的副偏角，一般用于加工浅槽两面刃铣刀除圆柱表面有刀齿外，在一侧端面上也有刀齿，用于加工台阶面三面刃铣刀在两侧端面上都有切削刃，一般为了改善铣刀端部切削刃的工作条件，可采用错齿结构，一般用于切槽和台阶面锯片铣刀用于切削窄槽或切断材料，对刀具几何参数的合理性要求较高。键槽铣刀仅有两个刃瓣，既象立铣刀又象钻头，可用轴向进给向毛坯钻孔，然后沿键槽方向运动铣出键槽的全长，刃磨时只磨端刃。角度铣刀用于铣削沟槽和斜面2.32.3孔加工刀具孔加工刀具孔加工

15、刀具在机械加工中，孔加工刀具应用也十分广泛，种类也较多，一般可分为两在机械加工中，孔加工刀具应用也十分广泛，种类也较多，一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，如阶梯钻、麻花钻、中心钻及深大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，如阶梯钻、麻花钻、中心钻及深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工用的刀具，如扩孔钻、锪钻、铰孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工用的刀具，如扩孔钻、锪钻、铰刀及镗刀等刀及镗刀等通常把加工深度与直径之比不小于 10 倍的孔所用钻头成为深孔钻扩孔钻通常用作铰前的预加工及毛坯孔的扩大，与麻花钻相比，由于没有横刃，加工余量小，刀体强度及刚性都比较好，齿数多，

16、切削平稳在已钻出的孔上加工圆柱形沉头孔、锥形沉头孔及端面凸台等表面时，一般都采用锪钻铰刀用于孔的精加工与半精加工，是目前常用的精加工孔刀具，由于加工余量小，齿数多，又有较长的修光刃等原因，故加工精度及表面质量都很高镗刀常用来加工箱体孔，能够修正上道工序所造成的轴线歪曲、偏斜等缺陷孔加工复合刀具，是由两把或两把以上单个孔加工刀具组合起来使用的刀具2.42.4螺纹加工刀具螺纹加工刀具刚性螺纹攻丝挤压丝锥螺纹刀具的种类也比较多，以形成螺纹的加工方法来分，有切削法加工螺螺纹刀具的种类也比较多，以形成螺纹的加工方法来分，有切削法加工螺纹刀具及滚压法加工的螺纹刀具两大类。纹刀具及滚压法加工的螺纹刀具两大类

17、。（1）按切削法加工的螺纹刀具，主要有螺纹车刀、丝锥、螺纹铣刀、螺纹梳刀、板牙、螺纹切头；（2）按滚压法加工的螺纹刀具，主要有挤压丝锥、滚丝轮及搓丝板；3.1.13.1.1 刀具磨损形式刀具磨损形式1 1、刀具的磨损形式、刀具的磨损形式 前刀面磨损：前刀面磨损：切塑性材料、切削速度、切削厚度较大；出现积屑瘤时。后刀面磨损：后刀面磨损：切脆性材料；低速、小切削厚度切塑性材料时。前后刀面磨损：前后刀面磨损：切塑性金属、切削速度、切削厚度适中时。2 2、刀具磨损的原因：、刀具磨损的原因：硬质点磨损：硬质点的机械擦伤粘结磨损：切屑粘走刀具材料扩散磨损：刀具材料中的元素扩散到切屑中变化学磨损：刀具材料中

18、的元素与空气氧化反应使刀具材料成分改变相变磨损：刀具金相组织改变其中，硬质点磨损和粘结磨损属于高速钢、硬质合金的正常磨损。扩散磨损和化学磨损属于硬质合金的剧烈磨损。相变磨损属于高速钢的剧烈磨损。3.23.2塑性变形塑性变形切削刃在高温或高应力作用下产生的变形切削刃在高温或高应力作用下产生的变形切削速度、进给速度太高切削速度、进给速度太高刀具材料太软和切削刃温度很高刀具材料太软和切削刃温度很高工件材料中硬质点的作用工件材料中硬质点的作用切削速度、进给速度太高以及工件材料中硬质点的作用，刀具材料太软和切削刃温度很高等现象是产生塑性变形的主要原因可以采取降低切削速度和进给速度，选择耐磨性高和导热系数

19、高的刀具材料等对策，以减少塑性变形磨损的产生。3.33.3积屑瘤积屑瘤形成原因：切屑沿前刀面流形成原因：切屑沿前刀面流形成原因：切屑沿前刀面流形成原因：切屑沿前刀面流出，受前刀面进一步的挤压出，受前刀面进一步的挤压出，受前刀面进一步的挤压出，受前刀面进一步的挤压和摩擦，切屑底层与前刀面和摩擦，切屑底层与前刀面和摩擦，切屑底层与前刀面和摩擦，切屑底层与前刀面粘结，滞留在前刀面上形成粘结，滞留在前刀面上形成粘结，滞留在前刀面上形成粘结，滞留在前刀面上形成积屑瘤积屑瘤积屑瘤积屑瘤（1）产生原因：切塑性材料；适当的的温度和压力；切屑上的部分金属冷焊在刀尖上。（2）生长过程：生成长大脱落生成（3）影响：

20、保护刀尖延长刀具寿命 使实际前角增大切削过程容易进行 增大实际 hD 和 aP工件尺寸精度 形状不规则且脱落后易嵌入已加工面工件表面留下硬质点，Ra 粗加工可用，精加工绝对不能产生积屑瘤（4）避免措施：适当提高工件硬度避开中速切削（vc=2030m/min)适当减小进给量适当加大前角减小前刀面的粗糙度选用润滑性好的切削液3.43.4其它失效形式其它失效形式刃口剥落刃口剥落切削刃上出现一些很小的缺口，而非切削刃上出现一些很小的缺口，而非均匀的磨损均匀的磨损崩刀崩刀刀具的切削部分崩碎刀具的切削部分崩碎热裂纹热裂纹由于断续切削时温度变化产生的垂直由于断续切削时温度变化产生的垂直于切削刃的裂纹于切削刃

21、的裂纹刃口剥落：刃口剥落：主要由于断续切削，切屑排除不流畅造成。应该在开始加工时降低进给速度的刀具材料和切削刃强度高的刀片，就可以避免刃口剥落现象的产生。崩刀：崩刀：主要原因是刃口的过度磨损和较高的应力，也可能由于刀具材料过硬，切削刃强度不够及进给量太大造成。应选择韧性好的合金材料，加工时减小进给量和切削深度，另外选用高强度或刀尖圆角较大的刀片。热裂纹：热裂纹：热裂纹可降低工件表面质量并导致刃口剥落应选择韧性好的合金材料和切削深度，并进行干式冷却或在湿式切削时有充足的冷却液。4.24.2合理后角的选择原则合理后角的选择原则粗加工时应选择较小的后角；精加工时，应粗加工时应选择较小的后角；精加工时

22、，应选择较大的后角选择较大的后角工件材料的硬度、强度高时，取较小的后角工件材料的硬度、强度高时，取较小的后角加工塑性材料时选择较小的后角加工塑性材料时选择较小的后角精加工刀具，应选择较小的后角精加工刀具，应选择较小的后角工艺系统刚性差时应取较小的后角工艺系统刚性差时应取较小的后角1、粗加工时为保证刀具强度，应选择较小的后角；精加工时，为保证表面质量，应选择较大的后角2、工件材料的硬度、强度高时，宜取较小的后角；工件材料硬度低、塑性较大时，应选择较大的后角；加工塑性材料时为强化切削刃，宜选择较小的后角3、对于尺寸精度要求较高的精加工刀具，为减少重磨后刀具尺寸的变化，应选择较小的后角4、工艺系统刚

23、性差，容易产生振动时应取较小的后角以增强刀具对振动阻尼的作用5.25.2常用的刀具材料常用的刀具材料高PCD、CBN耐磨性陶瓷金属陶瓷涂层硬质合金硬质合金高速钢低韧性高高速钢是一种加入了较多的 W、Mo、Cr、V 等合金元素的高合金工具钢，在强度、韧性及工艺等方面具有优良的综合性能，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀及切齿刀具等一些刃形复杂刀具方面仍占有很高地位。硬质合金刀具是由硬度和熔点很高的碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成的硬度为 8993HRA，热膨胀系数比高速钢小的多，与钢发生冷焊的温度高于高速钢。碳化钨剂硬质合金有钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）及添加稀有碳化物类（YW

24、）硬质合金；碳（氮）化钛基硬质合金是以 TiC 代替 WC 为硬质相，以 Ni、Mo 等作粘结相制成的硬质合金，其中 WC 含量较少，其耐磨性由于 WC 基硬质合金，介于陶瓷和硬质合金之间，也称为金属陶瓷。可用于高强度、高硬度铸铁（钢）合金、锻钢合金、淬火钢合金、耐热合金等零件加工生产线，以满足高速、高效、硬质、干（湿）式精细切削加工技术要求。陶瓷刀具具有硬度高（高于硬质合金）和耐磨性好、耐热和高温、化学稳定性好、摩擦系数低及原料丰富（陶瓷刀具的原材料主要是 AL2O3、SiO2、碳化物等）等特点，广泛用于钢、铸铁及其合金和难加工材料的切削加工，可以用于超高速切削、高速干切削和硬材料切削。CB

25、N 和 PCBN 刀具具有较高的硬度和耐磨性、高的热稳定性（CBN耐热性可达 14001500，而金刚石的为 700800）、优良的化学稳定性、较好的热导性（仅次于金刚石）及较低的摩擦系数（与不同材料的摩擦系数约为 0.10.3），已用于车刀、镗刀、铣刀、铰刀、复合孔加工等，主要用于高速加工铸铁、淬硬钢和高硬铸铁以及某些难加工材料5.35.3 涂层技术的运用涂层技术的运用涂层技术涂层技术是在韧性较好的刀具是在韧性较好的刀具切削部分的表面涂上一层耐磨切削部分的表面涂上一层耐磨损、耐溶着、耐反应的物质，损、耐溶着、耐反应的物质，使刀具在切削中同时具有既硬使刀具在切削中同时具有既硬而又不易破损的性能

26、而又不易破损的性能常见的涂层材料有常见的涂层材料有TiCTiC、TiNTiN、TiCNTiCN、Al2O3Al2O3等等涂层的方法分为两大类，一类为物理涂层(PVD)；另一类为化学涂层(CVD)。物理涂层是在 550 以下将金属和气体离子化后喷涂在工具表面；而化学涂层则是将各种化合物通过化学反应沉积在工具上形成表面膜，反应温度一般都在 1 0001 100左右涂层刀具的使用范围相当广，从非金属、铝合金到铸铁、钢以及高强度钢、高硬度钢和耐热合金、钛合金等难加工材料的切削均可使用，且普遍较硬质合金的性能要好5.45.4刀具材料的选择基本原则刀具材料的选择基本原则普通材料工件加工时，一般选用普通高速

27、钢和硬普通材料工件加工时，一般选用普通高速钢和硬质合金质合金加工高硬材料或精密加工而常规刀具不能满足加工高硬材料或精密加工而常规刀具不能满足时，才考虑使用时，才考虑使用CBNCBN和和PCDPCD刀片刀片通常先考虑耐磨性，崩刃等问题先考虑选用刀具通常先考虑耐磨性，崩刃等问题先考虑选用刀具合理的几何参数解决合理的几何参数解决低速切削时，宜选用强度和韧性好的刀具材料低速切削时，宜选用强度和韧性好的刀具材料高速切削时，应选择耐磨性好的刀具材料高速切削时，应选择耐磨性好的刀具材料普通材料工件加工时，一般选用普通高速钢和硬质合金加工高硬材料或精密加工而常规刀具不能满足时，才考虑使用 CBN 和 PCD刀片通常先考虑耐磨性，崩刃等问题先考虑选用刀具合理的几何参数解决低速切削时，宜选用强度和韧性好的刀具材料高速切削时，应选择耐磨性好的刀具材料