切削原理与刀具1课件.ppt

1、（2007本科课程版）机械设计制造及其自动化专业主干课程机械设计制造及其自动化专业主干课程12一、本课程的性质一、本课程的性质金属切削原理与刀具在工科院校与机制有关的专业中占有重要的地位，因此一直列为考试课，在我院的数控、机制、机电等专业自然也是考试课。二、本课程的内容二、本课程的内容金属切学原理与刀具分为两部分，原理部分讨论的是金属切削加工过程中的主要物理现象的变化规律，以及对规律的控制及应用；刀具部分是要我们学习常用金属切削刀具的选择、使用以及常用非标准刀具的设计，如成形车刀、成形铣刀和拉刀等。三、本课程的特点三、本课程的特点（1）涉及知识面广（2）实验理论多（3）实践性强34金属切削原理

2、部分 5金属切削原理部分6二，刀具部分 781 天津大学先进制造技术实验室，机械制造技术基础实验指导书，20042 张冠伟等，机械制造技术基础习题集，20043 张世昌主编，机械制造技术基础网络课程，高教音像出版社，20034 Mikell P.Groover.Fundamentals of Modern Manufacturing.JOHN WILEY&SONS,INC.2002 周泽华主编，金属切削原理，上海科学技术出版社.袁哲俊主编，金属切削刀具，上海科学技术出版社.第2版9 刀具材料 金属切削变形过程 切削力 切削热和切削温度 工件材料的切削加工性 刀具磨损、破损和使用寿命 金属切削原

3、理基本定义10 一、明代发展成与近代相类似的切削加工方法，如车、铣、刨、磨削等。二、建国以来，我国的机械制造业不断壮大，金属切削加工技术也得到了飞速发展。大力推广先进的切削方法；在金属切削变形、切削力、切削热、刀具磨损和刀具耐用度、以及加工质量等方面都取得了一定水平的科研成果；广泛推广应用了机夹重磨刀具和可转位刀具。三、80年代以后，我国金属切削技术达到较高的水平，计算机已在切削理论研究和刀具设计中应用，各种先进的测试仪器已应用于切削机理的分析和研究中，并取得一系列科研成果。11 学习本课程主要做到重视实践知识，善于抓住问题的本质，善于比较，要建立正确的空间概念。学习过程中，要求达到以下几点：

4、1、基本掌握切削过程中的主要物理现象的变化规律和应用及控制方法，具有解决实际生产问题的能力。2、具有正确图示和选择刀具合理几何参数的能力。3、具有根据具体要求选择使用常用刀具，以及设计一般非标准刀具的能力。4、要求课上认真听讲，抓住重点，做好笔记，课下复习，辅导与自学相结合。1213切削原理与刀具车削加工是一种最典型、最常见的切削加工方法。普通外圆车削加工中的切削运动是由两种运动单元组合而成的：，它是切除多余金属以形成工件新表面的基本运动；，他保证了切削工作的连续进行。即不断把余量投入切削的运动。14进给进给运动运动主运动主运动待加工表面待加工表面过渡表面过渡表面已加工表面已加工表面切削原理与

5、刀具15切削原理与刀具 在这两个运动合成的切削运动作用下，工件表面的一层金属不断地被车刀切下来并转变为切屑，从而加工出所需要的工件新表面。在新表面形成过程中，工件上有三个依次变化着的表面：加工时即将被切除的工件表面已被切去多余金属而形成符合要求的工件新表面。加工时由切削刃在工件上正在切削的那个表面，位于待加工表面和已加工表面之间的表面。16切削原理与刀具172-2 刀具切削部分的几何角度刀具切削部分的几何角度一、外圆车刀切削部分的组成一、外圆车刀切削部分的组成前面前面主后面主后面副后面副后面主切削主切削刃刃副切削刃副切削刃刀尖刀尖刀杆刀杆刀头刀头切削原理与刀具18flashflashflash

6、flasha）轨迹法 b）成形法c）相切法 d）展成法图2-6 零件表面成形方法19 指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用 T 表示），也可以是回转运动（用R 表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（fmm/r）或进给速度（vf mm/min）表示。使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。20 外圆磨无心磨车铣加工滚压加工铣削成

7、形磨（横磨）主运动 进给运动表2-2 外圆表面加工方法 刀 具T/RT主运动 进给运动 工 件表 面 成 形 原 理 图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨21表2-3 内圆表面加工方法表 面 成 形 原 理 图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动 进给运动刀 具主运动 进给运动工 件RRTRRT/RTRTRTTRTT内圆磨无心磨22主运动 进给运动表2-4 平面加工方法刀 具主运动 进给运动工 件表 面 成 形 原 理 图RTRTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉T23车螺纹板牙主运动 进给运动表2-5 螺纹加工方法刀 具主运动 进给运动工 件表 面 成 形 原 理 图RTRRTTR滚压丝锥铣

8、螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR24主运动 进给运动表2-6 齿形加工方法刀 具主运动 进给运动工 件表 面 成 形 原 理 图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿25指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（fmm/r）或进给速度（vf mm/min）表示。主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。用（ap mm）表示。26 若主运动为往复运动时，其平均速度为：1000nDvc（2-2）式中

9、n 主运动转速（r/s）；d 刀具或工件的最大直径（mm）。式中 nr 主运动每秒钟往复次数（str/s）；l 往复运动行程长度（mm）。10002rcnlv （2-3）27 （2-4）rDfhsin （2-5）sinfbD图2-7 切削层截面bDhD=ffdwDmapa）rhDbD=apb）c）28 29a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀图2-47 车刀的结构30刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图2-48 各种刀具切削部分的形状31（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面 PoA1）基面 Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切

10、削平面 Ps基面 Pr图2-49 车刀主剖面坐标系2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。32基面基面Pr假定主运动方向假定主运动方向主切削主切削刃上选刃上选定点定点刀柄底面平面刀柄底面平面 33主剖面主剖面Po：Ps P基面基面P：PVc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）切削平面切削平面 Ps:与与 S相切相切 且且 P假定主运动方向假定主运动方向Vc主剖面参考系（主剖面参考系（Pr-Ps-Po)主切削主切削刃上选刃上选定点定点 34ArA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rr

11、s0q 用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5-10。35ArA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrs0q 粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。36q 主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。ArA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrsr37rAA 向f图2-50 车刀的主要角度0000rrsrq 在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小

12、，表面粗糙度降低。38a）b）c）图2-51 刃倾角对排屑方向的影响5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。q s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。39法剖面法剖面Pn：PnS基面基面P：PVc 刀具安装面（车刀）刀具安装面（车刀）切削平面切削平面 Ps:与与 S相切相切 且且 P假定主运动方向假定主运动方向Vc法剖面参考系（法剖面参考系（Pr-Ps-Pn）90主切削主切削刃上选刃上选定点定点 40刀具安装对工作角度的影响图2-52 车刀安装高度对工作角度的

13、影响re=r0e=0a）0e0b）0e0c）rer rer 41刀具安装高低时42刀杆中心面（线）不垂直于进给运动方向的影响 43 式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。进给运动对工作角度的影响（图2-53）0e=0-0e=0+0PsPes图2-53 切断刀的工作角度fx00000ee（2-8）（2-8a）tanWfD44 （图2-54）tanfwfd 在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：oeooeo（2-9）tantansinsinfrrwfDO O图2-54 外圆车刀工作角度ffoeoedwooforACAO vf B C B f O dwf ffefef ffef

14、e451）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性46图2-55 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）47天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56 刀具材料的

15、耐磨性与断裂韧性48刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。49表2-9 常用高速钢牌号及其应用范围类别牌 号主 要 用 途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18 Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V

16、4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵 50 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和

17、陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸

18、铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1

19、000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。51 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷

20、涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性

21、，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具

22、钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表2-10 各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、

23、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量

24、硬度、耐磨性、切削速度52 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半

25、径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有

26、广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。53天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，

27、刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。54刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然

28、 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表2-11 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比55