第7章---机械加工方法与金属切削原理.pdf

第七章第七章机械加工方法与金属切削原理机械加工方法与金属切削原理制造工艺基础制造工艺基础本章提纲本章提纲7.1 零件表面成形与机械加工方法零件表面成形与机械加工方法7.2 切削运动与切削要素切削运动与切削要素7.3 刀具结构与材料刀具结构与材料7.4 金属切削过程及物理现象金属切削过程及物理现象7.5 工件材料加工性工件材料加工性7.6 高速切削技术高速切削技术1、零件表面形成方法、零件表面形成方法7.1 零件表面成形与机械加工方法旋转表面旋转表面纵向表面纵向表面特形表面特形表面零件表面可看成母线沿着导线运动形成的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线。根据母线和导线的运动关系，常见零件表面可分成3类1)工件表面形成原理工件表面形成原理1、零件表面形成方法、零件表面形成方法7.1 零件表面成形与机械加工方法2)发生线形成所需的运动发生线形成所需的运动轨迹法轨迹法成形法成形法相切法相切法展成法展成法2、机械加工方法、机械加工方法车削车削7.1 零件表面成形与机械加工方法 有利于有利于保证加工质量保证加工质量，生产效率较高生产效率较高。车刀为车刀为单刃单刃刀具刀具，结构简单结构简单，制造制造、刃磨和拆装都很方便刃磨和拆装都很方便，便于根据具体加工要求选用合理的几何便于根据具体加工要求选用合理的几何形状形状。车削车削过程连续稳定过程连续稳定，可实现高速切削和强力切削可实现高速切削和强力切削。车削主运动是连续旋转车削主运动是连续旋转运动运动，除粗车时因为毛坯余量不均匀可能导致非连续切削外除粗车时因为毛坯余量不均匀可能导致非连续切削外，一般均匀连一般均匀连续续切削切削。车削车削加工多用于粗加工和半精加工加工多用于粗加工和半精加工。车削加工的经济精度为车削加工的经济精度为IT8-IT7,Ra6.3-1.6um。精车时可达精车时可达IT6-IT5，Ra值为值为0.4-0.1m。车削车削可用于有色金属的精加工可用于有色金属的精加工。能对能对不易磨削加工的有色金属不易磨削加工的有色金属采用金刚石采用金刚石车刀进行精细车削车刀进行精细车削，精度可达精度可达IT6IT5，表面粗糙度表面粗糙度 Ra 0.8m 车削车削塑性材料排屑塑性材料排屑、断屑难断屑难，需合理选择刀具与切削用量需合理选择刀具与切削用量。1)车削特点车削特点2、机械加工方法、机械加工方法车削车削7.1 零件表面成形与机械加工方法外圆柱面端面内圆柱面螺旋面2)车削加工范围车削加工范围2、机械加工方法、机械加工方法车削车削7.1 零件表面成形与机械加工方法2)车削加工范围车削加工范围切断切槽球面锥面椭圆柱面特殊型面7.1 零件表面成形与机械加工方法外圆外圆车刀车刀镗刀镗刀成形车刀成形车刀端面端面车刀车刀割刀割刀2、机械加工方法、机械加工方法车削车削3)车削中使用的刀具车削中使用的刀具7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削1)铣削工艺特点铣削工艺特点 生产率生产率较高：较高：多齿多齿工作，旋转运动利于高速铣削。工作，旋转运动利于高速铣削。容易容易产生振动：产生振动：由于多齿的由于多齿的切入切入、切出切出，切削厚度切削厚度变化，形成冲击，切变化，形成冲击，切削过程不稳定，易产生振动。削过程不稳定，易产生振动。刀刀齿散热条件较好：齿散热条件较好：多齿工作，每个齿间隙时间，可以得到一定冷却，多齿工作，每个齿间隙时间，可以得到一定冷却，散热条件散热条件较好较好。加工加工经济精度经济精度：IT8-IT7,Ra 6.3-0.8m。加工加工应用广泛应用广泛：普通铣削一般只能加工平面，用成形铣刀也可加工出固：普通铣削一般只能加工平面，用成形铣刀也可加工出固定的曲面；用数控铣床可铣出复杂定的曲面；用数控铣床可铣出复杂曲面。曲面。7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削2)铣削方式铣削方式铣床主轴与工件表面位置关系不同：铣床主轴与工件表面位置关系不同：周铣周铣和和端铣端铣周铣与端铣对比：周铣与端铣对比：端铣加工质量高端铣加工质量高端铣生产率比周铣高端铣生产率比周铣高周铣适应性强周铣适应性强7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削2)铣削方式铣削方式旋转旋转进给进给刀具方向和工件进给运动方向不同：刀具方向和工件进给运动方向不同：顺铣顺铣和和逆铣逆铣顺铣与逆铣对比顺铣与逆铣对比：切削力方向切削力方向刀齿切削工作方式刀齿切削工作方式对比对比逆铣逆铣顺铣顺铣结论结论切削过程切削过程 刀齿在已加工表面上滑擦刀齿在已加工表面上滑擦一段距离后才能真正切入一段距离后才能真正切入工件工件，因而，因而刀齿磨损快刀齿磨损快，加工加工表面质量较差表面质量较差。顺铣时则无此现顺铣时则无此现象，但顺铣不宜象，但顺铣不宜铣带硬皮的工件铣带硬皮的工件 顺铣时顺铣时铣铣刀寿命比刀寿命比逆铣高逆铣高23倍倍 加工表面加工表面也比较好也比较好工件装夹可工件装夹可靠性靠性 逆铣时，刀齿对工件的垂逆铣时，刀齿对工件的垂直直作用力作用力Fv向上向上，容易，容易使工件的使工件的装夹松动装夹松动。顺铣时，刀齿对工件顺铣时，刀齿对工件的垂直作用力的垂直作用力Fv向下，向下，使工件压紧在工作台使工件压紧在工作台上，上，加工比较平稳加工比较平稳。顺铣时工件顺铣时工件夹紧比逆铣夹紧比逆铣可靠可靠7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削对比对比逆铣逆铣顺铣顺铣结论结论工作台丝杠、工作台丝杠、螺母间隙螺母间隙 逆铣时，工件承受逆铣时，工件承受的水平铣削力的水平铣削力FH与与进给速度的方向相进给速度的方向相反，反，铣床工作台丝铣床工作台丝杠始终与螺母接触杠始终与螺母接触。顺铣时，顺铣时，由于丝杠螺母由于丝杠螺母间有间隙，铣刀会带动间有间隙，铣刀会带动工件和工作台窜动，使工件和工作台窜动，使铣削进给量不均匀，容铣削进给量不均匀，容易打刀易打刀。采用顺铣法加工时必须采用顺铣法加工时必须采取措施消除采取措施消除丝杠与螺丝杠与螺母之间的间隙母之间的间隙。顺铣时顺铣时工作台工作台有窜动有窜动，容易打刀容易打刀。比较内容比较内容逆铣逆铣顺铣顺铣工件加紧程度工件加紧程度差差好好切削平稳性切削平稳性差差好好刀具磨损刀具磨损大大小小工作台窜动工作台窜动无无有有加工表面质量加工表面质量差差好好加工对象加工对象粗加工粗加工精加工精加工7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削逆铣与顺铣总结逆铣与顺铣总结（a）圆柱铣刀（b）硬质合金端铣刀（c）槽铣刀（d）两面刃铣刀（e）三面刃铣刀（f）错齿三面刃铣刀（g）立铣刀（h）键槽铣刀（i,j）角度铣刀（k）成形铣刀7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法铣削铣削3)铣刀种类铣刀种类7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法刨削刨削2)刨削工艺特点刨削工艺特点1）机床）机床与刀具简单，通用性好与刀具简单，通用性好2）生产率）生产率低：低：切削速度不能太高；单程切削加工，返程为空行程3）切削）切削不平稳，有冲击；但比铣削平稳不平稳，有冲击；但比铣削平稳4）常用）常用于粗加工和半精加工：于粗加工和半精加工：刨削的经济精度为IT8-IT7,Ra为3.2-1.6 m；精刨时平面度可达0.2/1000，表面粗糙度Ra可达0.8-0.4 m7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法刨削刨削运动：刀具的往复直线运动为主切削运动、工作台带动工件作间歇的进给运动应用：平面、直槽、母线为直线的成形面2)刨削方式刨削方式7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削运动：运动：钻头的旋转运动为主切削运动，钻头的轴向运动为钻头的旋转运动为主切削运动，钻头的轴向运动为进给运动进给运动应用应用：钻、扩、铰孔；攻丝；：钻、扩、铰孔；攻丝；1)钻削钻削方式方式7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削2)钻钻削削特点特点粗加工粗加工刀具：刀具：麻花钻麻花钻特点：特点：容易产生“引偏”容易产生“引偏”排屑困难：分屑槽排屑困难：分屑槽切削热不易传散切削热不易传散加工精度差 IT13IT11，表面粗糙度Ra12.50.8 m钻孔引偏钻孔引偏减少引偏减少引偏措施措施预钻锥形定心坑预钻锥形定心坑钻套为钻头导向钻套为钻头导向四差一大四差一大导向差、刚性差导向差、刚性差、加工加工精度差、切削条件差精度差、切削条件差和和轴向力大轴向力大7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削2)钻钻削削特点特点扩孔和铰孔：分别为半精加工和精加工扩孔钻的结构特点：刚性较好导向性较好切削条件好铰孔特点：精度IT9IT8，表面粗糙度Ra1.60.4 m注意注意扩孔和铰孔无法提高孔轴线的位置精度扩孔和铰孔无法提高孔轴线的位置精度和直线和直线度度7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削3)镗削方式镗削方式车床镗孔车床镗孔镗床镗孔镗床镗孔区别区别镗床是镗刀旋转作主运动，工件或镗刀作进给运动镗床是镗刀旋转作主运动，工件或镗刀作进给运动；车床是工件旋转作主运动，车刀作进给运动；车床是工件旋转作主运动，车刀作进给运动7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削4)镗削特点镗削特点应用：直径较大的已有孔和孔系工艺特点能获得较高的精度和较低的粗糙度：能获得较高的精度和较低的粗糙度：加工精度IT10IT8，表面粗糙度Ra3.20.8 m可有效校正原孔的轴线偏斜，保证孔可有效校正原孔的轴线偏斜，保证孔及孔系位置精度及孔系位置精度生产率低生产率低加工机座、箱体、支架等外形复杂的加工机座、箱体、支架等外形复杂的大型零件大型零件扁钻扁钻麻花钻麻花钻深孔钻深孔钻锥形扩孔钻锥形扩孔钻套式扩孔钻套式扩孔钻锪钻锪钻7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削5)刀具结构刀具结构（a）带柄铰刀（b）整体式铰刀（c）套装式铰刀（d）锥度铰刀（e）可调整式铰刀单刃镗刀7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法钻钻削与镗削削与镗削5)刀具结构刀具结构7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法磨削磨削1)磨削特点磨削特点可加工高硬度材料除加工一般材料外，可加工淬硬钢、耐热钢、硬质合金等，但不宜精加工韧性较大的有色金属（断屑困难并容易在砂轮粘屑）可获得较高的加工精度：砂轮磨粒小磨削加工能切除极薄极细的切屑，修正误差的能力强，加工精度高（IT7IT5），加工表面粗糙度小，可达Ra1.60.025 m磨削过程复杂，单位磨削力很大磨粒形状及分布不合理，切削厚度小，挤压摩擦严重，单位能耗大7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法磨削磨削1)磨削特点磨削特点磨削速度高、磨削温度高3550 m/s,挤压摩擦严重，单位能耗大，砂轮导热性差,瞬时高温可达8001000砂轮有自锐性部分地恢复砂轮的切削能力，仍需对砂轮进行修整加工工艺范围广泛可加工外圆面、内孔、平面、螺纹、齿形等成形面，不仅用于精加工，也可用于粗加工、毛坯去皮加工7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法磨削磨削2)磨削磨削方式方式以砂轮或其它磨具对工件进行加工运动：砂轮的旋转为主运动Video Grinding纵磨纵磨特点：工件或砂轮需作轴向进给。特点：工件或砂轮需作轴向进给。横磨横磨特点：工件特点：工件不需作轴向进给不需作轴向进给，砂轮作砂轮作径向进给。径向进给。7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法磨削磨削3)砂轮形状与代号砂轮形状与代号平形平形双边斜双边斜双边凹双边凹简形简形杯形杯形碗形碗形碟形碟形PPSXPSANBBWD7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法齿面加工齿面加工成形法成形法普通铣床普通铣床展成法展成法滚齿机、插齿机等滚齿机、插齿机等7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法齿面加工齿面加工1)成形法成形法加工原理：用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削切削过程切削过程用单齿廓刀具加工齿轮时，刀具作旋转运动（主切削运动）和直线移动（进给运动），刀具和工件作相对运动后，在工件上切出齿槽工件离开刀具退回初始位置，工件分度转动一个齿距，切削另一个齿槽重复上面的过程，直到在齿坯上切出所有的齿槽盘状齿轮铣刀盘状齿轮铣刀指状齿轮铣刀指状齿轮铣刀成形法的特点：成形法的特点：优点优点：机床较简单，可用通用机床加工缺点缺点：1）加工精度低，适用于加工精度要求不高的齿轮2）每加工一个齿槽，工件需周期分度一次，作间歇的分度运动，生产效率低7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法齿面加工齿面加工2)展展成法成法加工原理:利用齿轮啮合原理进行切削即把齿轮副中的一个零件转化为刀具，另一个转化为工件，并强制刀具和工件之间作出有严格传动比的啮合对滚运动，同时刀具作切削工件的运动加工特点：只需一把刀具就能加工出模数相同而齿数不同的齿轮,加工精度和生产率比成形法高加工精度和生产率比成形法高,应用最广泛应用最广泛加工方法：滚齿法插齿法插齿法7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法齿面加工齿面加工2)展成法展成法-滚齿滚齿滚滚齿所需要的运动齿所需要的运动 滚刀的高速旋转滚刀的高速旋转 分齿运动（展成运动）：分齿运动（展成运动）：滚刀与被切齿轮之间的啮合关系运动滚刀与被切齿轮之间的啮合关系运动 垂直进给运动：垂直进给运动：滚刀沿工件轴向的进给运动滚刀沿工件轴向的进给运动7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法齿面加工齿面加工滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理Y3150E型滚齿机型滚齿机1-床身床身 2-立柱立柱 3-刀架溜板刀架溜板 4-刀杆刀杆 5-刀架体刀架体6-支架支架 7-心轴心轴 8-后立柱后立柱 9-工作台工作台 10-床鞍床鞍2)展成法展成法-滚齿滚齿7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法齿面加工齿面加工2)展成法展成法-插齿插齿插插齿所需要的运动齿所需要的运动 主运动主运动：插齿刀的上下往复直线运动：插齿刀的上下往复直线运动 分齿运动分齿运动(展成运动展成运动)：插齿刀和工件之间的啮合关系运动：插齿刀和工件之间的啮合关系运动 圆周进给圆周进给运动（工件）运动（工件）径向进给径向进给运动（刀具）运动（刀具）让刀让刀运动（工件）运动（工件）7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法复杂复杂曲面加工曲面加工数控加工数控加工7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法特种加工特种加工1)电火花加工电火花加工电火花加工视频电火花加工视频7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法特种加工特种加工2)电解加工电解加工原理：原理：电解加工是利用金属在电解液中发生“阳极溶解”来进行加工的，电解加工是利用金属在电解液中发生“阳极溶解”来进行加工的，又称为电化学又称为电化学加工。加工。电解加工视频电解加工视频7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法特种加工特种加工3)激光激光加工加工激光切割激光切割激光打标激光打标激光焊接激光焊接激光热成形激光热成形激光熔覆激光熔覆7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法特种加工特种加工3)激光激光加工加工激光加工激光加工7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法特种加工特种加工4)超声波加工超声波加工原理：原理：利用超声频振动的工具端面冲击工作液中的悬浮磨粒,由磨粒对工件表面撞击抛磨来实现对工件加工的一种方法超声波加工视频超声波加工视频7.1 零件表面成形与机械加工方法2、机械加工方法、机械加工方法特种加工特种加工4)超声波加工超声波加工超声波加工适宜加工各种脆性材料，既能加工导电材料，也能加工不导电或半导体材料，特别是电火花和电解加工难以加工的不导电材料和半导体材料；超声波加工机床的结构相对简单、操作维护方便、生产效率相对较低；超声波加工能获得较好的加工质量；在加工难切削材料时，常将超声振动与其他加工方法配合进行复合加工，如超声车削、超声磨削、超声线切割、超声电解加工等。7.2 切削运动与切削要素1、工件上的表面加工、工件上的表面加工 待加工表面 已加工表面 过渡表面7.2 切削运动与切削要素2、切削用量三要素、切削用量三要素1）切削速度）切削速度单位时间内，刀具和工件在单位时间内，刀具和工件在主运动主运动方向上的相对位移被称为切削速度方向上的相对位移被称为切削速度定义：定义：若主运动为旋转运动，则计算公式为：=(m/s或或m/min)d：工件或刀具上某一点的回转直径，mmn：为工件或刀具的转速，r/s或r/min7.2 切削运动与切削要素2、切削用量三要素、切削用量三要素2）进给量）进给量在主运动每转一转，或每一行程时（或单位时间内），刀具与工件之间在在主运动每转一转，或每一行程时（或单位时间内），刀具与工件之间在运动方向上的相对位移被运动方向上的相对位移被称为进给量。称为进给量。定义：定义：进给速度vf、进给量f和每齿进给量fz之间有如下关系：vf=(mm/s 或 mm/min)7.2 切削运动与切削要素2、切削用量三要素、切削用量三要素3）切削深度）切削深度=（mm）切削深度为工件上待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。定义：定义：dw和dm分别为待加工表面和已加工表面的直径（mm）7.2 切削运动与切削要素3、切削层几何参数、切削层几何参数切削层是指工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。7.2 切削运动与切削要素3、切削层几何参数、切削层几何参数1）切削宽度）切削宽度沿过渡表面来度量的切削层尺寸被称为切削宽度，已沿过渡表面来度量的切削层尺寸被称为切削宽度，已表示。表示。外圆车削(s=0)时:定义：定义：=在f与ap一定的条件下，kr越大，切削厚度hD也越大，但切削宽度bD越小；kr越小时，hD越小，bD越大；当kr=90 时，hD=f。对于曲线形主切削刃，切削层各点的切削厚度互不相等7.2 切削运动与切削要素3、切削层几何参数、切削层几何参数2）切削厚度）切削厚度垂直与过渡表面来度量的切削层尺寸称为切削厚度，以hD表示。在外圆车削(s=0)时：定义：定义：=7.2 切削运动与切削要素3、切削层几何参数、切削层几何参数3）切削面积）切削面积切削层在基面Pr内的面积被称为切削面积，以AD表示。其计算公式为：定义：定义：=（mm2）对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为=（mm2）上式计算出的面积为名义切削面积（图7-39中的ACDB）。实际切削面积ADE等于名义切削面积AD减去残留面积AD=残留面积AD是指刀具副偏角kr 0时，切削刃从位置I移到位置II后，残留在加工表面上不平部分的剖面面积7.3 刀具结构与材料1、刀具结构、刀具结构三个刀面：刀具上切屑流过的表面：与过渡表面相对的表面，同前刀面相交形成主切削刃：与已加工表面相对，同前刀面相交形成副切削刃两个刀刃：切出过渡表面的切削刃：前刀面与副后面相交形成的切削刃：主切削刃与副切削刃的连接处(1)前刀面(2)主后刀面(3)副后刀面(1)主切削刃(2)副切削刃一个尖：刀尖1）刀具结构要素）刀具结构要素7.3 刀具结构与材料1、刀具结构、刀具结构1）刀具结构要素）刀具结构要素刀具切削部分组成刀具切削部分组成：三三面面;两刃两刃;一一尖尖刀体刀体前刀面前刀面刀头刀头刀尖刀尖主后刀面主后刀面副后刀面副后刀面副切削刃副切削刃主切削刃主切削刃7.3 刀具结构与材料1、刀具结构、刀具结构2）刀具角度参考平面）刀具角度参考平面基面基面切削平面切削平面正交平面正交平面正交平面参考系正交平面参考系：基面基面切削平面切削平面 正交平面正交平面基面：基面：通过主切削刃上选定点，并与该点切削速度方向相垂直的通过主切削刃上选定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面平面切削平面：切削平面：通过主切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面通过主切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面正交正交平面：平面：通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面7.3 刀具结构与材料3）刀具标注角度）刀具标注角度前角前角 后角后角 主偏角主偏角 副偏角副偏角 刃倾角刃倾角前角后角正交平面基平面主偏角副偏角切削平面刃倾角1、刀具结构、刀具结构7.3 刀具结构与材料3）刀具标注角度）刀具标注角度刀具角度视频讲解1、刀具结构、刀具结构7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度-前角前角前角的作用前角越大：刀越锋利、切削轻快，强度下降、不利散热7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度-后角后角后角后角后面角关系到后面角关系到后刀后刀面与工件切削表面面与工件切削表面之间的摩擦之间的摩擦，后角后角越大越大，摩擦越小摩擦越小，但后角过大但后角过大，会使会使切削刃强度降低切削刃强度降低。7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度-后角后角后角大：减小主后刀面与加工表面的摩擦7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度-主偏角主偏角主偏角主偏角主偏角的大小，直接影响主偏角的大小，直接影响主切削刃的工作长度、切削厚度主切削刃的工作长度、切削厚度和切削宽度和切削宽度，并影响切削力的方向。，并影响切削力的方向。7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度-副偏角副偏角副偏角副偏角副偏角的大小关系副偏角的大小关系副切削刃与已加工表面之间的摩擦副切削刃与已加工表面之间的摩擦，直接影响已加工表面的粗糙度。直接影响已加工表面的粗糙度。7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度-刃倾角刃倾角刃倾角刃倾角主切削刃与基面之间的夹角。主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角刃倾角影响刀尖强度影响刀尖强度。7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构3）刀具标注角度）刀具标注角度7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构4）刀具工作角度）刀具工作角度产生原因产生原因在实际的切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化。定义定义以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。影响影响刀具安装位置对工作角度的影响、进给运动对工作角度的影响。7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构4）刀具工作角度）刀具工作角度安装位置对工作角度安装位置对工作角度影响影响:刀尖偏离工件轴线刀尖偏离工件轴线前角增大前角增大后角减小后角减小前角减小前角减小后角增大后角增大7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构4）刀具工作角度）刀具工作角度安装位置对工作角度安装位置对工作角度影响影响:刀杆中心线与进给方向不垂直刀杆中心线与进给方向不垂直刀杆中心线与进给方向不垂直刀杆中心线与进给方向不垂直主偏角增大主偏角增大副偏角减小副偏角减小主偏角减小主偏角减小副偏角增大副偏角增大7.3 刀具结构与材料1、刀具、刀具结构结构4）刀具工作角度）刀具工作角度横向运动横向运动前角增大前角增大后角减小后角减小进给运动对工作角度进给运动对工作角度影响：影响：横向横向&纵向运动纵向运动7.3 刀具结构与材料2、刀具、刀具材料材料刀具材料应具备的基本性能刀具材料应具备的基本性能1）高的硬度：高于工件硬度，切入工件，常温下 60 HRC2）高的耐磨性：抵抗磨损；硬度越高、耐磨性越好3）高的耐热性：高温下保持硬度、强度、韧性和耐磨性的能力4）足够的强度和韧性：承受切削力和切削时产生的振动，防止脆性断裂和崩刃5）良好的工艺性：便于刀具本身的制造6）良好的热物理性能和耐热冲击性能：导热性好上述要求相互矛盾：硬度越高、耐磨性好的材料韧性和抗破损能力就越差耐热性好的材料韧性也较差7.3 刀具结构与材料2、刀具、刀具材料材料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）7.3 刀具结构与材料2、刀具、刀具材料材料碳基涂层：oCVD金刚石涂层o类金刚石涂层金属基涂层：oTiNoTiAlNoCrNoCrAlNoTiNCo硬度、耐磨性韧性、弯曲强度涂层 HSSHSS硬质合金涂层硬质合金细晶粒与超细晶粒硬质合金涂层金属陶瓷金属陶瓷Al2O3陶瓷Si3N4陶瓷Al2O3+TiCCBNPCD纳米金刚石涂层金刚石梯度复合涂层类金刚石及其衍生梯度复合涂层超硬涂层超硬涂层7.3 刀具结构与材料2、刀具、刀具材料材料18世纪后期世纪后期，碳素工具钢刀具碳素工具钢刀具，耐热温度为耐热温度为200，切削速度切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面，需要大约需要大约1个月个月时间时间。1861年英国人首先制备出年英国人首先制备出合金工具钢刀具合金工具钢刀具，耐热温度达到耐热温度达到300左右左右，切削速度切削速度20m/min。1898年美国人研制成功年美国人研制成功高速钢刀具高速钢刀具，耐热温度达到耐热温度达到500左右左右，切削速度切削速度30-40m/min。高速钢刀具的出现高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的引起了金属切削加工的第一次革命第一次革命，新型新型高速机床随之出现高速机床随之出现。7.3 刀具结构与材料2、刀具、刀具材料材料1925年德国人首先发明了年德国人首先发明了硬质合金刀具硬质合金刀具，耐热温度达到耐热温度达到600-800左右左右，切削速度切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现硬质合金刀具的出现，引起了金属切削加工的引起了金属切削加工的又一次革命又一次革命。20世纪世纪30年代年代，出现陶瓷刀具出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用但并未得到广泛应用，50年代年代以后以后，逐步发展逐步发展，目前目前，耐热温度达到耐热温度达到1100-1400，切削速切削速度度500-1000m/min。20世纪世纪50年代美国年代美国GE公司首先合成公司首先合成人造金刚石和人造金刚石和CBN，CBN硬度接近金刚石硬度接近金刚石，耐热温度达到耐热温度达到1400-1500。自自20世纪世纪70年代初美国年代初美国GE公司研制成功公司研制成功聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)刀刀片片，目前目前，在很多场合下已经替代了天然在很多场合下已经替代了天然金刚石金刚石7.3 刀具结构与材料2、刀具、刀具材料材料实例：实例：加工直径为加工直径为100mm，长度长度500mm的碳钢棒的碳钢棒。1890年年，用碳素工具钢刀具用碳素工具钢刀具，需要需要100min。1910年年，用高速钢刀具用高速钢刀具，需要需要26min。现在现在，用硬质合金刀具用硬质合金刀具，需要需要1.5min。现在现在，用陶瓷或用陶瓷或PCBN刀具刀具，小于小于1.0min。7.3 刀具结构与材料种类种类牌号牌号硬度硬度维持切削性维持切削性能的最高温能的最高温度（度（）抗弯强度抗弯强度（GPa）工艺性能工艺性能用途用途碳素工具钢碳素工具钢T12AT10AT8A6064HRC2002.452.75可冷热加工成可冷热加工成形，形，工艺性能工艺性能良好良好，磨削性，磨削性好，好，须热处理须热处理只用于手动刀具，如手动只用于手动刀具，如手动丝锥、板牙、铰刀、锯条、丝锥、板牙、铰刀、锯条、锉刀等锉刀等合金工具钢合金工具钢CrWMn9CrSi6065HRC2503002.452.75只用于手动或低速机动刀只用于手动或低速机动刀具，如丝锥、板牙、拉刀具，如丝锥、板牙、拉刀等等高速钢高速钢W10Mo4Cr4V3AlW6Mo5Cr4V2Co8W6Mo5Cr4V2AlW6Mo5Cr4V2W18Cr4V6270HRC5406002.454.41可冷热加工成可冷热加工成形，形，工艺性能工艺性能良好，须热处良好，须热处理，磨削性好理，磨削性好，但钒类较差但钒类较差用于各种刀具，特别是形用于各种刀具，特别是形状较复杂的刀具，如钻头、状较复杂的刀具，如钻头、铣刀、拉刀、齿轮刀具、铣刀、拉刀、齿轮刀具、丝锥、板牙、刨刀等丝锥、板牙、刨刀等硬质合金硬质合金YW1，YW2YT5，YT15，YT30YG3，YG6，YG88994HRA80010000.882.45压制烧结后使压制烧结后使用，不能冷热用，不能冷热加工，加工，多镶片多镶片使用，无须热使用，无须热处理处理车刀刀头大部分采用硬质车刀刀头大部分采用硬质合金，钻头、铣刀、滚刀、合金，钻头、铣刀、滚刀、丝锥等可镶刀片使用丝锥等可镶刀片使用多用于车刀，性脆，适用多用于车刀，性脆，适用于连续切削于连续切削陶瓷陶瓷9194HRA12000.4410.833立方氮化硼立方氮化硼73009000HV1000压制烧结而成压制烧结而成，可用金刚石砂可用金刚石砂轮磨削轮磨削用于硬度、强度较高材料用于硬度、强度较高材料的精加工的精加工金刚石金刚石10000HV进给量进给量7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度1）切削热的产生与传导）切削热的产生与传导切削热：切削热：切削切削过程中产生的切削热引起过程中产生的切削热引起切削温度升高切削温度升高，将使机床、刀具和工件等发生将使机床、刀具和工件等发生热变形热变形，从而，从而降降低加工精度和表面质量低加工精度和表面质量。切削切削热又是影响对热又是影响对刀具磨损和刀具寿命刀具磨损和刀具寿命的重要的重要因素因素。7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度1）切削热的产生与传导）切削热的产生与传导123切削热由三部分组成切削热由三部分组成：被被加工材料加工材料的弹、塑性变形产生的热量的弹、塑性变形产生的热量。刀具刀具后刀面与工件已加工表面摩擦后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热量。所产生的热量。刀具刀具前刀面与切屑摩擦前刀面与切屑摩擦所产生的热量所产生的热量。切削热的切削热的产生：产生：切削过程中克服金属弹性、塑性变切削过程中克服金属弹性、塑性变形以及摩擦所形以及摩擦所消耗的能量消耗的能量，大部分转，大部分转化为化为切削热切削热。因此，切削过程中的三。因此，切削过程中的三个变形区即是三个发热区域个变形区即是三个发热区域。7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度1）切削热的产生与传导）切削热的产生与传导切削热的切削热的传导：传导：产生产生总的切削热，分别传入总的切削热，分别传入切屑切屑、刀具刀具、工工件件和和周围介质周围介质。一般情况是一般情况是切屑带走的热量多切屑带走的热量多。摩擦。摩擦产生热产生热及其传导的影响，致使及其传导的影响，致使刀具中次之刀具中次之，工件中热工件中热量最少量最少。钻钻削：工件削：工件切屑切屑刀具刀具7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度2）切削区域温度分布）切削区域温度分布 切削切削温度指温度指前刀面与切屑接触前刀面与切屑接触区域的平均温度区域的平均温度。可以可以近似的认为是近似的认为是剪切面的平剪切面的平均均温度温度+前前刀面与切屑接触面刀面与切屑接触面摩擦摩擦温度温度。切削切削区的温度可以较为准确的区的温度可以较为准确的理论推算出来，如理论推算出来，如有限元法；有限元法；但但最为可靠的方法是对切削温最为可靠的方法是对切削温度进行实际测量。度进行实际测量。7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度2）切削区域温度分布）切削区域温度分布1.剪切剪切变形是切削热的第一变形是切削热的第一来源来源；2.前后刀前后刀面面最高温度点不在最高温度点不在刀尖上刀尖上，切屑上最高温度，切屑上最高温度比剪切区温度高，切屑比剪切区温度高，切屑底底层温度比上层温度高层温度比上层温度高，摩摩擦是切削热的又一来源擦是切削热的又一来源。7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度3）影响切削温度的因素）影响切削温度的因素影影响响切切削削温温度度的的因因素素工件材料工件材料刀具刀具切削切削参数参数切削液切削液刀具角度刀具角度刀具材料刀具材料背吃刀量背吃刀量切削速度切削速度刀具磨损刀具磨损进给量进给量7.4 金属切削过程及其物理现象5、切削热和切削温度、切削热和切削温度3）影响切削温度的因素）影响切削温度的因素-切削用量的影响切削用量的影响式中 -前刀面接触区的平均温度(C)；C-与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X-vc、f、ap的指数。经验公式ZyxcpC vfa刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26切削温度的系数及指数切削用量对切削热的影响程度为切削用量对切削热的影响程度为 ap f 进给量影响进给量影响 背吃刀量影响背吃刀量影响7.4 金属切削过程及其物理现象6、刀具的磨损和失效、刀具的磨损和失效4）刀具寿命与切削用量的关系）刀具寿命与切削用量的关系钻头破损检测器声发射钻头破损检测装置系统图换刀机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号7.4 金属切削过程及其物理现象6、刀具的磨损和失效、刀具的磨损和失效5）刀具破损）刀具破损脆性破损脆性破损：硬质合金硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应力冲击作用下，经常发生以下几种形态的破损：力冲击作用下，经常发生以下几种形态的破损：（1）崩崩刃刃切削切削刃产生小的缺口刃产生小的缺口。（2）碎断碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂切削刃发生小块碎裂或大块断裂，不能继续进行切削不能继续进行切削。（3）剥落剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片。在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片。（4）裂纹破损裂纹破损长时间进行断续切削后，因疲劳而引起裂纹的一长时间进行断续切削后，因疲劳而引起裂纹的一种破损。种破损。塑性破损塑性破损：在在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于过高的温度和压力的作用，过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力失切削能力，这就是刀具的塑性破损。，这就是刀具的塑性破损。7.4 金属切削过程及其物理现象6、刀具的磨损和失效、刀具的磨损和失效5）刀具破损）刀具破损Flank wearCrater wearBuilt-up edge(BUE)Notch wear7.4 金属切削过程及其物理现象6、刀具的磨损和失效、刀具的磨损和失效5）刀具破损）刀具破损Plastic deformationThermal cracksEdge chipping/breakage7.4 金属切削过程及其物理现象6、刀具的磨损和失效、刀具的磨损和失效5）刀具破损）刀具破损可采取以下相应措施防止刀具破损：可采取以下相应措施防止刀具破损：（1）合理选择刀具合理选择刀具材料材料：用作：用作断续切削的刀具断续切削的刀具，刀具材料应具刀具材料应具有一定的韧性有一定的韧性。（2）合理合理选择刀具几何参数选择刀具几何参数：通过选择合适的几何参数：通过选择合适的几何参数，使切使切削刃和刀尖有较好的强度削刃和刀尖