车工课件

7.1.2 切削刀具
刀具是金属切削加工中不可缺少的重要工具之一，无 论是普通机床，还是先进的数控机床和加工中心，以及柔 性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加 工。实际证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产 效率。
1.刀具的分类
刀具的种类很多，根据用途和加工方法不同，通常把刀 具分为以下类型。
图7-2 车削加工工件上的表面
7.1.1.2 切削要素
切削要素包括切削用量和切削层参数。 1. 切削用量三要素 1）切削速度 υc ：切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬 时速度。主运动是旋转运动时，切削速度计算公式如下：
πdn c 1000
式中
d ——工件加工表面或刀具某一点的回转直径（mm）；
图7-5 车刀的参考系
pf 6）切深断面 pp
5）进给断面 进给切深断面参考系
pr pf pp
图7-5 车刀的参考系
4.刀具的标注角度（图7-6） 1）主断面内标注角度 前角 0 后角 0 楔角 0 2）基面内标注角度
主偏角 r
副偏角 刀尖角
r
' r
余偏角 r 3）切削平面内标注角度
第7章
7.1 7.2 7.3 7.4
切削加工成形
切削加工基础知识 常规切削加工方法 切削加工工艺基础 切削加工件的结构工艺性
返回
金属零件切削加工：是通过刀具与工件之间的相对 运动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的 加工方法。 切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、刨削、 钳工等。 一般情况下，通过铸造、锻造、焊接和各种轧制的 型材毛坯精度低和表面粗糙度大，不能满足零件要求， 必须进行切削加工才能成为零件。金属切削加工担负着 几乎所有零件的加工任务，在机械制造过程中，处于十 分重要的地位。
n ——工件或刀具的转速（r/s或r/min）。
2）进给量 f： 在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时 间内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。通常 用 f 表示，单位为mm/r或mm／行程。
f f n f z z n
3）背吃刀量 p ：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于 工作平面方向上测量的吃刀量，单位为mm，也就是工件待 加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯上也将背吃 刀量称为切削深度。 外圆车削时
ap
式中
Dd 2
D——工件待加工表面的直径(mm)； d ——工件已加工表面的直径(mm)。
2.切削层参数
切削层是指工件上正被刀 具切削刃切削着的一层金属。 也就是相邻的两过渡表面之间 所夹着的一层金属，如图7-3所 示。 1）切削层厚度 hD：是相邻两过 渡表面之间的垂直距离。 2）切削宽度 bD ：是沿主切削刃 测量的切削层尺寸。 3）切削面积 AD ：切削层公称横 截面积。 图7-3切外圆时的切削层要素
7.1.3 切削过程
7.1.3.1 切削变形
塑性材料的切屑形成过程如图7-7所示：当刀具相对 被切削层材料作切削运动时，在切应力的作用下材料依次 错动滑移成切屑，并沿前刀面流出，而其底面则由于刀具 前刀面推挤关系已变得很光滑平整。 切削脆性材料时，由于 这类材料的塑性变形能力差， 在材料产生明显的塑性滑移 前，内部的张应力已达到破 坏强度，于是材料发生崩碎， 并沿切削速度方向飞散，形 成崩碎状的切屑。
刃倾角
s
图7-6车刀的标注角度
4）法断面内标注角度
前角 n 后角 n 楔角 n
图7-6车刀的标注角度
5）进给断面内标注角度
前角 f 后角 f 楔角 f 6）切深断面内标注角度
前角 p
后角 p 楔角 p
图7-6车刀的标注角度
5.刀具材料及合理选用
刀具材料主要是指刀具切削部分的材料。在切削过程 中，刀具的切削能力，直接影响生产率、加工质量和加工 成本。 刀具的切削性能，主要取决于刀具材料，其次是刀具 几何参数和刀具结构的选择与设计是否合理。
1）刀具材料应具备的性能。 刀具切削部分在切削时要承 受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动。因此，刀具材 料应具备以下性能：
高的硬度和耐磨性； 足够的强度和韧性； 高的耐热性； 良好的工艺性；
好的导热性和小的膨胀系数。
2）刀具材料简介。 刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、 高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前， 刀具材料中使用最广泛的仍是高速钢和硬质合金。
图7-7 切屑的形成过程
1.切屑类型 由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程 度也不同，因而产生的切屑也多种多样。归纳起来，主 要有以下四种类型，如图7-8所示。
图7-8切屑形态
a）带状切屑 ：切屑延续成较长的带状，内表面光滑，而外 表面呈毛茸状。 b)挤裂切屑：切屑内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。 c)单元切屑：切屑切离成单元切屑。
立方氮化硼（CBN）。 其硬度为8000~9000HV，仅 次于金刚石。热稳定性和化学惰性比金刚石好，可耐 1300~1500℃的高温；能切削淬硬钢、冷硬铸铁和高温合 金等。立方氮化硼刀片可用机械夹固或焊接的方法固定 在刀杆上，也可以将立方氮化硼与硬质合金压制在一起 成为复合刀片。 陶瓷。 纯氧化铝AL2O3 陶瓷、复合氧化铝AL2O3— TiC陶瓷、复合氮化硅Si3N4—TiC—Co陶瓷。可用于加 工钢、铸铁，对于冷硬铸铁、淬硬钢的车削和铣削特别 有效，其使用寿命、加工效率和已加工表面质量常高于 硬质合金刀具。其主要缺点是：抗弯强度低，冲击韧度 差，导热能力低和线膨胀系数大；对冲击十分敏感，容 易破裂。因此，应用受到限制。
7.1.3.2 切削力和切削功率
在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及切削表面 与刀具的后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必 然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些 作用在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的 总切削力，也称切削合力。 总切削力的方向、大小将 随工件材料的性质、切削 用量的大小及刀具的几何 形状的变化而变化，因此 通常将其分解成几个方向 既定的分力。图7-11所示 体现了切削力的来源。
1）切刀：包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等。
2）孔加工刀具：包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工 刀具(如钻一铰复合刀具)等。
3）拉刀：包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀) 等。
4）铣刀：包括加工平面的圆柱铣刀、端铣刀等；加工沟槽 的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片铣刀等；加工特殊 形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成形铣刀等。 5）螺纹刀具：包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切刀、搓 丝板等。 6）齿轮刀具：包括齿轮滚刀、蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、 花键滚刀等。 7）磨具：包括砂轮、砂带、油石和抛光轮等。 8）其他刀具：包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。
图7-11 切削力的来源
1.切削力的分解（图7-12）
1）主切削力（切向力）Fc 。 主运动方向上的切削分力， 切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，它是计算 刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的主要依据。 2）进给力（轴向力） Ff ： 作用在进给方向上的切削分力， 处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀 具进给功率的依据。 3）背向力（径向力或吃刀力） Fp 。 作用在吃刀方向上的切削 分力，处于基面内并与工件轴线 垂直的力。它是确定与工件加工 精度有关的工件挠度、切削过程 的振动的力。
3.影响切削变形的主要因素
1）工件材料。 强度和硬度越大，则摩擦系数越小。变形系 数减小。 2）刀具前角。 刀具前角越大，切削刃越锋利，前刀面对切 削层的挤压作用越小，则切削变形就越小。 3）切削速度。 在切削塑性金属材料时，切削速度对切削变 形的影响比较复杂，如图7-10所示，切削脆性材料时，一般 不形成积屑瘤。当切削速度增大时，切削变形相应减小。 4）切削厚度。 切削厚度对切削变形的影响是通过摩擦系数 影响的。切削厚度增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩 擦系数减小，从而使摩擦角减小，剪切角增大，因此切削变 形减小。
图7-12 切削力的分解
2.切削功率 消耗在切削过程中的功率叫切削功率 Pc ，单位是kW， 它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总 和。在进行外圆车削时，因 Fp 方向没有位移，故消耗功 率为零。
切削过程中，主运动、进给运动合理的组合，便可以加 工各种不同的工件表面。
切削过程中，工件上形成三个表面，如图7-2所示
1）待加工表面——将被切除的表面； 2）过渡表面——正在切削的表面；
3）已加工表面——切除多余金属后形成的表面。
切削过程中，为了提 高生产效率，机床除切削 运动外，还需要有辅助运 动，如切入运动、分度转 位运动、空程运动及送夹 料运动等。
6）刀尖
图7-4车刀切削部分结构要素
3.刀具几何角度参考系 刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角 度，分别对应静态参考系和工作参考系。如图7-5所示为静 态参考系的各组成平面。 1）基面
pr
2）主切削平面 ps
3）主断面 p0 和主断面参考 系 pr ps p0
4）法断面 pn 和法断面参考 系 pr ps pn
d)崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。
2.积屑瘤 在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时， 往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。 积屑瘤的产生：切削过程中，刀—屑间的摩擦，使刀 具前刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属 与前刀面接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图7-9所示。 随后，积屑瘤逐渐长大，直到该 处的温度和压力不足以产生粘结 为止。积屑瘤在形成过程中是一 层层增高的，到一定高度会脱落， 经历了一个生成、长大、脱落的 周期性过程。
第1节 切削加工基础知识
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ7.1.1 切削运动与切削要素
7.1.1.1 切削运动