金属切削原理与刀具

• 图2-5表示了金属的滑移过程。由图可知，金属 切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区 。
1．金属切削过程的变形
• （1）第一变形区 ：切 削层金属从开始塑性变 形到剪切滑移基本完成 的过程区。OA与OM之间的
区域就是第一变形区Ⅰ。
• 第一变形区是金属切削变 形过程中最大的变形区， 在这个区域内，金属将产 生大量的切削热，并消耗 大部分功率。此区域较窄 ，宽度仅0.02～0.2㎜。
一）碳素工具钢
碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般 为0.65～1.35%）。
1、常用牌号有 T7A、T8A……T13A等 2、主要性能 淬火后硬度较高，可达HRC61～65；红硬性 为200℃～250℃，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不 能提高，允许切削速度VC≤10m/min,只能制作低速手用刀具 ，如板牙、锯条、锉等。
在无积屑瘤段
• 材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要
是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度 低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值时 ，金属流动速度大于塑性变形速度，在OA面金属并 未充分变形，相当于始剪切面后移至OA`面（见图2 -12），终剪切面OM也后移至OM`，第一变形区后移 ，使得材料变形系数减小。另外，速度越大，摩擦 系数减小，材料变形系数也会减小。
• 切削层公称横截面积AD ：在主切削刃
选定点的基面内，切削层的截面面积 。
• 车削切削层公称横截面为：
•
AD＝hD bD＝f ap
2．铣削切削层参数
（1）切削层公称厚度hD ：在基面内度量的相邻刀
齿主切削刃运动轨迹间的距离
• 切削层厚度为：
•
hD ＝ ab = acsinΦ＝ fzsinΦ
• （2）切削层公称宽度bD：铣削的切削层公称 宽度是指主切削刃与工件切削面的接触长度( 近似值)。
4．切削厚度
• 如图2-11所示，显示了进给量（即切削厚度）对
切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量f越大， 材料的变形系数ξ越小。
第二章 刀具材料
内容安排
刀具材料应 具备的性能
概述
刀具材料 常用刀具材料
其他刀具材料
一、概 述
• 刀具材料是指刀具上 参与切削部分的材料。 刀具的切削部分不但 要求具有一定的几何 形状，还要求有相应 的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质 合金。
• 从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减 少了刀具磨损。
• 积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表 面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。
问题
• 某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而 在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你 认为能用哪些方法。
• 刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大 ，实际刀具前角也越大，切削更容易。
（2）实际切削厚度增大
• 由图2-9可以看出，当切削瘤存 在时，实际的金属切削层厚度 比无切削瘤时增加了一个△hD， 显然，这对工件切削尺寸的控 制是不利的。值得注意的是， 这个厚度△hD的增加并不是固定 的，因为切削瘤在不停变化， 它是一个产生，长大，最后脱 落的周期性变化过程，这样可 能在加工中产生振动。
粘结现象时的摩擦状况
（3）第三变形区
• 金属切削层在已加 工表面受刀具刀刃 钝圆部分的挤压与 摩擦而产生塑性变 形部分的区域。
刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程
切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC 段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始 弹性恢复，恢复高度为△h，在恢复过程中又与 后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC ，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加 工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量 产生很大影响。
积屑瘤段情况
• 切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影 响来实现的。
• 在积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑 瘤越大，实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少，所以在
此阶段，切削速度增加时，材料变形系数ξ也减少。
• 随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶 段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，实际刀具前角 也减小，材料的变形将增大，在积屑瘤完全消退时，材料变形 将最大。
响，刀尖圆弧半径越大，表明刀
尖越钝，对加工表面挤压也越大 ，表面的切削变形也越大。
3、切削速度
• 由图2-11可以看出，随切削速度变化的材料变形 系数曲线并不是一直递减，而是在某一段有一个 波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速 度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤 这一段，另一个是无积屑瘤段。
第1章 金属切削原理与刀 具
• 2.1 金属切削过程
2.1.1 切削层与切削参数 2.1.2 切削过程 2.1.3 影响切削变形的因素
• 2.2 切削过程的基本规律
2.2.1 切削力 2.2.2 切削热与切削温度 2.2.3 刀具磨损和耐用度
• 2.3 切削参数的选择
2.3.1 刀具几何角度 2.3.2 刀具几何参数的合理选择
• ⑤、更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少
切削摩擦。
2.1.3 影响切削变形的因素
• 1．工件材料 • 2．刀具几何参数 • 3．切削速度 • 4．切削厚度
变形系数 ζ
1．工件材料
• 通过试验，可以发现工件材料强度和 切屑变形有密切的关系。
• 从图可以看出，随着工件材料强度的 增大，切屑的变形越来越小。
回答
• 1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑 瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，所以这 位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法 ，
• 2、积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造 成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工 尺寸精度。
• 3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加工表 面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在 精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生 。
• 2．积屑瘤的形成及对加工影响
概念：
• 在一定的切削速度和保持连续切削的情况下 ，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结 一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为 积屑瘤。
积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出
时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面 接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就 产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀 具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现 加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑 瘤，如图2-9所示。
材料强度 σ
图2-10 材料强度对变形系数的影响
2．刀具几何参数
• 由图2-7可以看到，当刀具前角 γO增大时，沿刀面流出的金属
切削层将比较平缓的流出，金属 切屑的变形也会变小。
• 通过对高速钢刀具所作的切削试 验也证明了这一点。在同样的切
削速度下，刀具前角γO愈大，
材料变形系数愈小。
• 刀尖圆弧半径对切削变形也有影
（2）第二变形区
• 产生塑性变形的金属切削层材 料经过第一变形区后沿刀具前 刀面流出，在靠近前刀面处形 成第二变形区。
• 在这个变形区域，由于切削层 材料受到刀具前刀面的挤压和 摩擦，变形进一步加剧，材料 在此处纤维化，流动速度减慢 ，甚至停滞在前刀面上。而且 ，切屑与前刀面的压力很大， 高达2～3GPa，由此摩擦产生的 热量也使切屑与刀具面温度上 升到几百度的高温，切屑底部 与刀具前刀面发生粘结现象。
三、常用刀具材料
二）合金工具钢
在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W） 、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐 磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。
1、主要牌号有 9SiCr CrWMn 2、主要性能 淬火后的硬度可达HRC61～65，红硬 性为300℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min,制 作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。 如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。
（1） 切削层公称厚度hD ：在主切削刃选定点的
基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸 。
• 切削层截面的切削厚度为： hD ＝ f sinκr
（2） 切削层公称宽度bD
• 切削层公称宽度bD ：在主切削刃选定点的基
面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸
• 切削层截面的公称切削宽度为：
•
bD ＝ ap/sinκr
避免积屑瘤的发生的措施
• ①、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处
理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。 • ②、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑对刀具
前刀面的压力。
• ③、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温
度降低，避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速 度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤 也不会发生。
2.3.3 切削用量的选择
• 2.4
2.4.1 2.4.2 2.4.3
• 2.5
2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4
切削过程基本规律的应用
切屑的控制 材料的切削加工性 切削液
刀具材料
刀具材料的基本要求 普通刀具材料 特殊刀具材料 涂层刀具
？夹具的选用
？
？
？夹具的选用
？
？夹具的选用
？
积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而 且也与刀刃前区的温度和压力有关。
• 积屑瘤对金属切削过程产生的影响 ：
❖（1）实际刀具前角增大 ❖（2）实际切削厚度增大 ❖（3）加工后表面粗糙度增大 ❖（4）切削刀具的耐用度降低
（1）实际刀具前角增大
• 刀具前角γo指前刀面与基面之间的夹角，其概念将在后节详细论述。如图所示，由于 积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个γb角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无 疑实际刀具前角增大,现为γo ＋ γb 。
• 背吃刀量（ ap ）：它是在与主运动和进给运动
方向所组成的平面相垂直的方向上测量的工件上 已加工表面和待加工表面间的垂直距离。
• 如图的外圆的车削运动。
• υc为切削刃某点切削速度， • υf为同一点的进给运动速度， • υe为两个运动的合成速度。
外圆车削的切削运动与加工表面
1．车削切削层参数
2.1 金属切削过程
2.1.1 切削层与切削参数
• 金属切削的过程 ：刀具与工件相互 运动、相互作用的过程。
• 切削层：在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属 层。
• 切削层参数：切削层的截面尺寸。
• 主运动 ：使工件与刀具产生相对运动 而进行切削的最主要的运动。主运动 特点是运动速度最高，消耗功率最大 。主运动一般只有一个。
• 铣削的背吃刀量：平行于铣刀轴线方向度量的被切
削层尺寸 bD ＝ ap
• （3）切削层公称横截面积AD：切削厚 度与背吃刀量的积： AD ＝ hD bD
2.1.2 切削过程
• 金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图2-4表示 了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属 流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。
二、刀具材料应具备的性能
（一）高的硬度和良好的耐磨性 （二）高的强度和韧性 （三）高的耐热性 （四）良好的工艺性
总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测 性等要求。
三、常用刀具材料
目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金 工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。
• 进给运动：保证金属的切削能连续进 行的运动。进给运动的特点是运动速 度低，消耗功率小。进给运动可以有 几个，可以是连续运动，也可以是间 歇运动。
切削用量
• 切削速度（υc ） ：刀刃上选定点相对于工 件的主运动速度称为切削速度。
• 进给量（ f ）：工件或刀具每转或每一行 程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位 移量。
？夹具
？夹具 l一夹具体；2一压板； 3、7一螺母；4、5一垫 圈：6一螺栓；8一弹簧； 9一定位键；10一菱形 销；11一圆柱销
Baidu Nhomakorabea
？夹具的选用 ？夹具
？夹具的选用
？夹具
l一长方形基础板； 2一方形支撑件； 3一菱形定位盘； 4一快换钻套； 5一叉形压板； 6一螺栓； 7一手柄杆； 8一分度合件
（3）加工后表面粗糙度增大
• 积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比 较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。
• 破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可 以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。
（4）切削刀具的耐用度降低