机床刀具.ppt
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1、 第二章 制造工艺装备第一节第一节金属切削刀具的基本知识金属切削刀具的基本知识一、金属切削加工的基本概念一、金属切削加工的基本概念 1.切削运动切削运动(1)主运动主运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动,它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料,使被切削层转变为切屑,从而形成工件的新表面。在切削运动中,主运动速度最高、耗功最大,是切下切屑所必须的基本运动。主运动方向主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。切削速度切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。刀具与工件之间附加的相对运动,它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑,从而形成具有所需几何特性的已
2、加工表面。进给运动可由刀具完成(如车削),也可由工件完成(如铣削),可以是间歇的(如刨削),也可以是连续的(如车削)。(2)进给运动进给运动进给运动方向进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。进给速度进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。(3)合成切削运动)合成切削运动各种切削加工的切削运动各种切削加工的切削运动2、切削加工过程中的工件表面、切削加工过程中的工件表面(1)待加工表面待加工表面工件上待切除的表面。(2)已)已加工表面加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。(3)过渡表面)过渡表面工件上切削刃正在切削的表面
3、。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。3、切削要素、切削要素切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。(1)切削用量要素)切削用量要素切削速度切削速度对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为vc=dwn/1000进给量进给量是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。当主运动是回转运动时,进给量指工件或刀具每回转一周,两者沿进给方向的相对位移量,单位为mm/r;当主运动是直线运动时,进给量指刀具或工件每往复直线运动一次,两者沿进给方向的相对位移量,单位为mm/str或mm/单行程;车削时进给速度车削时进给速度v vf f可由下式计算可由
4、下式计算 v vf f=f fn n铣削时进给速度为铣削时进给速度为 v vf f=f fn=n=z zf fz zn n合成切削速度合成切削速度v ve e可表达为可表达为 v vc c=v ve e+v vf f背吃刀量背吃刀量a ap p在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削:ap(dw-dm)/2 v vc c、f f、a ap p 构成了普通外圆车削的构成了普通外圆车削的切削用量三要切削用量三要素素。材料切除率,用材料切除率,用Q Qz z表示表示三要素的乘积作为衡量指标,单位为mm3/min,Qz=1000vcfap(2 2)切削层参数切削层参数 切削层是指在切削
5、过程中,由刀具在切削部分的一个单一动作(或指切削部分切过工件的一个单程,或指只产生一圈过渡表面的动作)所切除的工件材料层(图12)。切削层公称厚度切削层公称厚度h hD D 垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。hDfsinKr切削层公称宽度切削层公称宽度b bD D平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。bDapsinKr图图23车削时的切削层尺寸车削时的切削层尺寸切削层公称横截面积切削层公称横截面积A AD D在切削层参数平面内度量的横截面积。ADhDbD=apf上述公式中可看出上述公式中可看出 h hD D、b bD D均与主偏角有均与主偏角有关,但切削层公称横截面
6、积关,但切削层公称横截面积A AD D只与只与h hD D、b bD D或或f f、a ap p有关。有关。二、刀具角度二、刀具角度(一)刀具的构成(一)刀具的构成 由工作部分和非工作部分构成。由工作部分和非工作部分构成。车刀的工作部分比较简单,只由切削部分构成,非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂,就其单刀齿切削部分,都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来,本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。(1)1)前刀面前刀面A A 切屑流过的刀面。切屑流过的刀面。1.1.刀刀 面面(2)2)主后刀面主后刀面A A 与工件正在被切削加工的表面与工件正在被切削加工的表面 (过渡表面)相
7、对的刀面。(过渡表面)相对的刀面。(3)3)副后刀面副后刀面A A 与工件已切削加工的表面相对与工件已切削加工的表面相对 的刀面。的刀面。刀具切削部分的基本定义刀具切削部分的基本定义图图24图图24车车刀刀的的构构成成 2.2.刀刃刀刃(1 1)主切削刃)主切削刃S S 前面与主后面在空间的交线。前面与主后面在空间的交线。(2 2)副切削刃)副切削刃SS 前面与副后面在空间的交线。前面与副后面在空间的交线。3 3刀尖刀尖 三个刀面在空间的交点,也可理解为主、副切削刃三个刀面在空间的交点,也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中,为增加刀尖的强度
8、与耐磨性,在实际应用中,为增加刀尖的强度与耐磨性,一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。(三)定义刀具角度的参考系(三)定义刀具角度的参考系在设计、制造、刃磨和测量时,用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。1 1刀具静止参考系刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平正交平面参考系面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等。2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。图26(1)基面基面p pr r通过切削刃上选定点,垂直于该点切削速度方向的平
9、面。通常平行于车刀的安装面(底面)。(2)切削平面切削平面p ps s 通过切削刃上选定点,垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(3)正交平面正交平面p po o 通过切削刃上选定点,同时与基面和切削平面垂直的平面。图图2-62-6正交平面参考系正交平面参考系(三)刀具的标注角度(三)刀具的标注角度(1 1)基面中测量的刀具角度)基面中测量的刀具角度1)主偏角r主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。2)副偏角r副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。3)刀尖角r主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角,它是派生角度。r=180-(rr)r是标注角度是否正确的验证公
10、式之一。4)主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径r描述,当r=0时为尖角过渡,r0时为圆角过渡,直线过渡时用和b参数描述(图1-6)p10。(2)切削平面中测量的刀具角度)切削平面中测量的刀具角度1)刃倾角s主切削刃与基面之间的夹角。它在切削平面内标注或测量,但有正负之分。当主切削刃与基面平行时s=0;当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时s0;反之s0。(3 3)正交平面中测量的刀具角度)正交平面中测量的刀具角度1)前角O 前面与基面之间的夹角。2)后角o 后面与切削平面之间的夹角。3)楔角o 前面与后面之间的夹角,它是个派生角。它与前角、后角有如下的关系
11、:o90(Oo)o也是判断标注是否正确的验证式之一。说明:以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀说明:以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向,以及不考虑进给运动的影杆纵向轴线垂直于进给方向,以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。响等条件下确定的。图图27车刀的主要角度车刀的主要角度 3.其它刀具标注参考系其它刀具标注参考系(1 1)法平面)法平面p pn n与法平面参考系与法平面参考系1)法平面 通过切削刃上选定点并垂直于切削刃的平面2)法平面参考系 pr、ps、pn组成的参考系。(图1-4)刀具角度标注见图1-5。图图 正交平面参考系与法平面参考系正交平面参
12、考系与法平面参考系(2 2)假定工作平面)假定工作平面p pf f、及其参考系及其参考系1)假定工作平面 通过切削刃上选定点并垂直于该点基面以及其方位平行于假定进给运动方向的平面。3)假定工作平面参考系 pr、pf、pp组成的参考系。(四)刀具工作角度(四)刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。研究刀具工作角度的变化趋势,对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。1 1刀具工作参考系的建立刀具工作参考系的建立 与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似,不同点就在于它以合成切削运动e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。由于工作基面的变化,将带来工作切削平面p
13、se的变化,从而导致工作前角oe、工作后角oe 的变化。刀具工作参考系刀具工作参考系(1)工作基面pre通过切削刃上的考查点,垂直于合成切削运动速度方向的平面。(2)工作切削平面pse通过切削刃上的考查点,与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。(3)工作正交平面poe通过切削刃上的考查点,同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。2 2刀具工作角度的分析刀具工作角度的分析在工作正交平面参考系中,一般考核刀具工作角度(oe、oe、re、re、oe、se)的变化,对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中,通常因刀具工作角度的变化,对工件已加工
14、表面质量或切削性能造成不利影响。1 1)横向进给运动对工作前、后角的影响)横向进给运动对工作前、后角的影响(1 1)进给运动对工作前、后角的影响)进给运动对工作前、后角的影响2 2)轴向进给运动对工作前、后角的影响)轴向进给运动对工作前、后角的影响图210轴向进给运动对工作角度的影响(3 3)刀具安装位置对刀具工作角度的影响)刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响刀尖安装高低对工作前、后角的影响图图211n n图图211刀尖安装高低对工作角度的影响刀尖安装高低对工作角度的影响2 2)刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响)刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响图图21
15、2车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响三、刀具材料三、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外,还要求刀具材料对工件要有良好的切削参数外,还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。性能。刀具切削性能的优劣,不仅取决于刀具切削刀具切削性能的优劣,不仅取决于刀具切削部分的几何参数,还取决于刀具切削部分所选配部分的几何参数,还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。的刀具材料。金属切削过程中的加工质量、加工效率、加金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本,在很大程度上取决于刀具材料的合理选工成本,在很大程度上取决
16、于刀具材料的合理选择。因此,材料、结构和几何形状是构成刀具切择。因此,材料、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。削性能评估的三要素。1.刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能(1 1)高的硬度和耐磨性)高的硬度和耐磨性(2 2)足够的强度和韧性)足够的强度和韧性(3 3)高的耐热性与化学稳定性)高的耐热性与化学稳定性(4 4)有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性(5 5)导热性好,有利于切削热传导,降低切削区温度,导热性好,有利于切削热传导,降低切削区温度,延长刀具寿命,便于刀具的制造,资源丰富,价格低廉。延长刀具寿命,便于刀具的
17、制造,资源丰富,价格低廉。2.常用刀具材料常用刀具材料工具钢工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。硬质合金硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽(铌)类硬质合金。陶瓷陶瓷超硬刀具材料超硬刀具材料 推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。高速钢和硬质合金的主要物理力学性能见表2-1、2(p15)。1 1高速钢高速钢(1 1)高速钢的分类)高速钢的分类 (2)常用高速钢的牌号与性能)常用高速钢的牌号与性能 2 2硬质合金硬质合金(1 1)硬质合金硬质合金的分类的分类 (2)常用硬质合金的牌号及其性能)常用硬质合金的牌号及其性能3 3涂层刀具材料涂层刀具材料在韧牲较好
18、的刀具基体上,涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物,既能提高刀具材料的耐磨性,又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。(1 1)TiCTiC涂层涂层 硬度高、耐磨性好、抗氧化性好,切削时能产生氧化钛膜,减小摩擦及刀具磨损。(2 2)TiNTiN涂层涂层 在高温时能产生氧化膜,与铁基材料摩擦系数较小,抗粘结性能好,并能有效降低切削温度。(3 3)TiCTiCTiNTiN复合涂层复合涂层第一层涂TiC,与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。(4 4)TiCTiC-Al-Al2 20 03 3复合涂层复合涂层第一层
19、涂TiC,与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用,大多采用目前单涂层刀片已很少应用,大多采用TiC-TiN复复合涂层或合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。三复合涂层。4其它刀具材料其它刀具材料以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属,在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是硬度高,耐磨性、耐高温性能好,有良好的化学稳定性和抗氧化性,与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强;其缺点是脆性大、抗弯强度低,冲击韧性差,易崩刃,所以使用范围受到限制;可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。(1)陶瓷刀具材料)陶瓷刀具材料(2
20、)金刚石刀具材料)金刚石刀具材料碳的同素异形体,在高温、高压下由石墨转化而成,是目前人工制造出的最坚硬物质。由于硬度极高,耐磨性好,切削刃口锋利,刃部表面摩擦系数较小,不易产生粘结或积屑瘤,可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金属材料,如石材、压缩木材、玻璃等,还可加工有色金属,如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。缺点是热稳定性差,强度低、脆性大,对振动敏感,只宜微量切削,与铁有强烈的化学亲合力,不能用于加工钢材。(3)立方氮化硼)立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是一种人工合成的新型刀具材料,它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。
21、它有很高的硬度及耐磨性,热稳定性好,化学惰性大,与铁系金属在1300时不易起化学反应,导热性好,摩擦系数低。因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。应当指出,加工一般材料大量使应当指出,加工一般材料大量使用的仍是用的仍是普通高速钢及硬质合金普通高速钢及硬质合金,只有在加工难加工材料时,才考虑只有在加工难加工材料时,才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢,选用新牌号合金或高性能高速钢,在加工高硬度材料或精密加工时,在加工高硬度材料或精密加工时,才考虑选用超硬材料。才考虑选用超硬材料。习题习题:2-7、2-8。四、刀具角度的选择四、刀具角度的选择1.1.前角前角O (1 1)功用功用刀
22、刃锋利刀刃锋利,切屑变形,切屑变形切削力和切削功率切削力和切削功率刀刃和刀尖强度刀刃和刀尖强度,散热体积,散热体积刀具寿命刀具寿命o1Pro2(2 2)选择选择前角大小取决于:工件材料、前角大小取决于:工件材料、刀具材料及加工要求。刀具材料及加工要求。2.2.后角后角o(1 1)功用功用后刀面与工件的摩擦后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率后刀面的磨损率(2 2)选择选择后角大小取决于:切削厚度、后角大小取决于:切削厚度、工件材料及工艺系统刚度。工件材料及工艺系统刚度。3.3.主偏角主偏角r和副偏角和副偏角r(1 1)功用功用刀刃强度刀刃强度表面粗糙度表面粗糙度背向力背向力Fp残留面积高度残留面积
23、高度,散热条件,散热条件刀具寿命刀具寿命,进给力,进给力Ffkr1Krkr2FpFf(2 2)选择选择4.4.刃倾角刃倾角s(1 1)功用功用(2 2)选择选择主要影响刀头的强度和切主要影响刀头的强度和切屑的流动方向。屑的流动方向。第二节第二节常用金属切削刀具与砂轮常用金属切削刀具与砂轮一、车刀一、车刀 1.硬质合金焊接式车刀硬质合金焊接式车刀结构简单、紧凑,抗振结构简单、紧凑,抗振性能好,制造方便使用灵活性能好,制造方便使用灵活。但刀片易产生应力和裂纹。但刀片易产生应力和裂纹。图图2-13几种常用的车刀几种常用的车刀145弯头车刀;弯头车刀;290外圆车刀;外圆车刀;3外螺纹车刀;外螺纹车刀
24、;475外圆车刀;外圆车刀;5成形车刀;成形车刀;690外圆车刀;外圆车刀;7切断刀;切断刀;8内圆切槽刀;内圆切槽刀;9内螺纹车刀;内螺纹车刀;10盲孔镗刀;盲孔镗刀;11通孔镗刀通孔镗刀 2.硬质合金机夹重磨式车刀硬质合金机夹重磨式车刀避免焊接引起的缺陷,提高了避免焊接引起的缺陷,提高了刀具耐用度;刀杆可重复使用利用刀具耐用度;刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。3.机夹可转位式车刀机夹可转位式车刀1.不需刃磨,刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、不需刃磨,刀片材料能较好地保持
25、原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。硬度和抗弯强度。2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间,提高了生产效率。减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间,提高了生产效率。3.可使用涂层刀片,提高刀具耐用度。可使用涂层刀片,提高刀具耐用度。图图216可转位式车刀的组成可转位式车刀的组成二、孔加工刀具二、孔加工刀具 1.麻花钻麻花钻主要用于孔的粗加工,主要用于孔的粗加工,IT11级以下;表面粗糙度级以下;表面粗糙度Ra25m6.3m。1 1)麻花钻的构造麻花钻的构造图图218 2 2)麻花钻的主要几何参数麻花钻的主要几何参数(1 1)螺旋角)螺旋角 指钻头最外缘处螺旋线指钻头最外缘处螺旋线的切线与钻
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