烟台大学-金属切削原理与刀具教学课件.pdf
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1、1 第 五 讲 主讲:熊晓萍主讲:熊晓萍 刀具合理 几何参数的选择 2 刀具的几何参数刀具的几何参数包括刀具的切削角度、刀 面的形式以及切削刃的形状。 包括刀具的切削角度、刀 面的形式以及切削刃的形状。 刀具的合理几何参数刀具的合理几何参数:在保证加工质量的前 提下,能够获得最高刀具耐用度,从而能达 到提高切削效率,降低加工成本目的的几何 参数。 :在保证加工质量的前 提下,能够获得最高刀具耐用度,从而能达 到提高切削效率,降低加工成本目的的几何 参数。 3 为什么要选择刀具合理几何参数?为什么要选择刀具合理几何参数? 刀具的几何参数对切屑变形、切削力、切削温 度和刀具磨损都有显著影响,从而影
2、响切削加工生 产率、刀具耐用度、加工质量和加工成本。 刀具的几何参数对切屑变形、切削力、切削温 度和刀具磨损都有显著影响,从而影响切削加工生 产率、刀具耐用度、加工质量和加工成本。 怎样选择刀具合理几何参数?怎样选择刀具合理几何参数? 选择刀具合理几何参数主要取决于工件材料、 刀具材料、刀具类型,也与切削用量、工艺系统刚 性和机床功率等因素有关。 选择刀具合理几何参数主要取决于工件材料、 刀具材料、刀具类型,也与切削用量、工艺系统刚 性和机床功率等因素有关。 4 第一节前角及前刀面形状的选择第一节前角及前刀面形状的选择 一、前角的功用及选择一、前角的功用及选择 前角有正前角和负前角之分。前角有
3、正前角和负前角之分。 前角是刀具上重要的几 何参数之一,它的大小决定 前角是刀具上重要的几 何参数之一,它的大小决定 切削刃的锋利程度切削刃的锋利程度和和强固程 度 强固程 度,直接影响切削过程。,直接影响切削过程。 o1 Pr o2 5 正前角正前角的目的是为了减小切屑被切下时的弹塑性变形和切屑 流出时与前面的摩擦阻力,从而可减小切削力和切削热,使切 削轻快,提高刀具寿命,并提高已加工表面质量。 但 的目的是为了减小切屑被切下时的弹塑性变形和切屑 流出时与前面的摩擦阻力,从而可减小切削力和切削热,使切 削轻快,提高刀具寿命,并提高已加工表面质量。 但前角过大前角过大时,楔角过小,会削弱切削刃
4、部的强度并降低散 热能力,反而会使刀具寿命降低。 时,楔角过小,会削弱切削刃部的强度并降低散 热能力,反而会使刀具寿命降低。 在一定加工条件下,存在一 个耐用度为最大的前角,即 合理前角 在一定加工条件下,存在一 个耐用度为最大的前角,即 合理前角opt 6 负前角负前角的目的在于改善刃部受力状况和散热条件,提高 切削刃强度和耐冲击能力。 的目的在于改善刃部受力状况和散热条件,提高 切削刃强度和耐冲击能力。 负前角刀具通常在用脆性刀具材料加工高强 度高硬度工件材料而当切削刃强度不够、易产生 崩刃时才采用。 负前角刀具通常在用脆性刀具材料加工高强 度高硬度工件材料而当切削刃强度不够、易产生 崩刃
5、时才采用。 7 选择前角时首先应保证选择前角时首先应保证切削刃锋利切削刃锋利,同时又要兼 顾足够的 ,同时又要兼 顾足够的切削刃强度切削刃强度。在保证加工质量的前提下,一 般以达到最高的刀具寿命为目的。 。在保证加工质量的前提下,一 般以达到最高的刀具寿命为目的。 前角的合理数值选取原则前角的合理数值选取原则 刀具合理前角的选择主要取决于刀具材料、工 件材料的种类与性质。 刀具合理前角的选择主要取决于刀具材料、工 件材料的种类与性质。 8 刀具材料的强度和韧性较高时可选择较大的前角。刀具材料的强度和韧性较高时可选择较大的前角。 刀具材料刀具材料 高速钢高速钢的强度高,韧性好;的强度高,韧性好;
6、硬质合金硬质合金脆性大,怕冲击,易崩刃。 因此,高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些,可大 510。不同牌号的硬质合金,其强度和韧性也不相同,所 用前角也应有所区别。 脆性大,怕冲击,易崩刃。 因此,高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些,可大 510。不同牌号的硬质合金,其强度和韧性也不相同,所 用前角也应有所区别。 陶瓷刀具陶瓷刀具的脆性更大,故前角应选择得比硬质合金还要小一些。 要充分注意增加切削刃强度,常取负值(多在415范围) 以改善刀具受力时的应力状态,并选负的刃倾角(取010) 与之配合以改善切入时承受冲击的能力。 的脆性更大,故前角应选择得比硬质合金还要小一些。 要充
7、分注意增加切削刃强度,常取负值(多在415范围) 以改善刀具受力时的应力状态,并选负的刃倾角(取010) 与之配合以改善切入时承受冲击的能力。 立方氮化硼立方氮化硼由于脆性更大,都采用负前角高速切削。由于脆性更大,都采用负前角高速切削。 9 工件材料工件材料 1.加工1.加工塑性材料塑性材料时,切屑呈带状,沿刀具前面流出时 和前面接触长度较长,摩擦较大,为减小变形和摩 擦,一般都采用 时,切屑呈带状,沿刀具前面流出时 和前面接触长度较长,摩擦较大,为减小变形和摩 擦,一般都采用正前角正前角。工件材料塑性愈大,强度 和硬度愈低时,前角应选得愈大。 。工件材料塑性愈大,强度 和硬度愈低时,前角应选
8、得愈大。 如:加工铝及铝合金取如:加工铝及铝合金取o=2535,加工低碳钢常取=2535,加工低碳钢常取o=2025。=2025。 如:正火高碳钢取如:正火高碳钢取o=10l5。当加工高强度钢时,为增强切削刃,才 取负前角。 =10l5。当加工高强度钢时,为增强切削刃,才 取负前角。 当当工件材料强度较大、硬度较高工件材料强度较大、硬度较高时,由于单位切削力 大,切削温度容易升高,为了提高切削刃强度,增加 刀头导热面积和容热体积, 时,由于单位切削力 大,切削温度容易升高,为了提高切削刃强度,增加 刀头导热面积和容热体积,前角宜取小值前角宜取小值。 10 2.加工2.加工脆性材料脆性材料时,塑
9、性变形小,切屑呈崩碎状,刀屑 接触长度短,摩擦不大,切削力集中在切削刃附近且 产生冲击,容易造成崩刃,所选 时,塑性变形小,切屑呈崩碎状,刀屑 接触长度短,摩擦不大,切削力集中在切削刃附近且 产生冲击,容易造成崩刃,所选前角前角应比加工塑性材 料时 应比加工塑性材 料时小小一些,以提高切削刃强度和散热能力。一些,以提高切削刃强度和散热能力。 如加工灰铸铁取如加工灰铸铁取o=515。 前角数值随脆性材料强度和硬度的增大而逐渐减小。 在加工淬火钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料时,宜取负 前角。 实验证明,用正前角硬质合金车刀加工高硬度淬火钢时, 切削刃几乎一开始切削就会发生崩刃。 =515。 前角数
10、值随脆性材料强度和硬度的增大而逐渐减小。 在加工淬火钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料时,宜取负 前角。 实验证明,用正前角硬质合金车刀加工高硬度淬火钢时, 切削刃几乎一开始切削就会发生崩刃。 11 具体加工条件具体加工条件 粗加工时或断续切削粗加工时或断续切削时,切削力和冲击较大,为 使切削刃有足够强度,宜取 时,切削力和冲击较大,为 使切削刃有足够强度,宜取较小前角较小前角; 精加工精加工时,切削刃强度要求较低,为使刀具刀刃 锋利,降低切削力,以减小工件变形和减小表面粗糙 度值,宜取 时,切削刃强度要求较低,为使刀具刀刃 锋利,降低切削力,以减小工件变形和减小表面粗糙 度值,宜取较大前角较大前
11、角。 在 。 在工艺系统刚性较差或机床马达功率不足工艺系统刚性较差或机床马达功率不足时,宜 取 时,宜 取较大前角较大前角,以减小切削力和切削功率,减轻振动。 在 ,以减小切削力和切削功率,减轻振动。 在自动机床自动机床上加工时,为使刀具稳定,宜取上加工时,为使刀具稳定,宜取小小一 些的 一 些的前角前角。 12 其他参数的选择其他参数的选择 前角的合理数值不是孤立的,还和刀面形状及 刃区参数以及其他角度有关,特别是和刃倾角有密 切关系。 例如:带负倒棱的刀具允许采用较大前角; 大前角刀具常与负刃倾角相匹配来保证切削刃强度 和抗冲击能力。 许多先进刀具就是在针对某种加工条件,善于 灵活运用这些
12、原则而产生的。 前角的合理数值不是孤立的,还和刀面形状及 刃区参数以及其他角度有关,特别是和刃倾角有密 切关系。 例如:带负倒棱的刀具允许采用较大前角; 大前角刀具常与负刃倾角相匹配来保证切削刃强度 和抗冲击能力。 许多先进刀具就是在针对某种加工条件,善于 灵活运用这些原则而产生的。 硬质合金车刀合理前角的经验数值硬质合金车刀合理前角的经验数值 13 二、刃区参数及前刀面形状的选择二、刃区参数及前刀面形状的选择 1.刃区参数 刃区剖面型式有锋刃型、倒棱型和钝圆切削刃型三种。 1.刃区参数 刃区剖面型式有锋刃型、倒棱型和钝圆切削刃型三种。 锋刃型锋刃型 倒棱型倒棱型钝圆型钝圆型 14 指刃磨前面
13、和后面直接形成的切削刃。但它也并不 是绝对锐利的,而在刃磨后自然形成一个切削刃钝 圆半径 指刃磨前面和后面直接形成的切削刃。但它也并不 是绝对锐利的,而在刃磨后自然形成一个切削刃钝 圆半径rn,其数值取决于刀具材料、刃磨工艺和楔 角的大小。 ,其数值取决于刀具材料、刃磨工艺和楔 角的大小。 例如,新磨好的高速钢车刀可达例如,新磨好的高速钢车刀可达rn=1215m。用金刚石 磨料研磨后, 。用金刚石 磨料研磨后,rn可达可达714m,而用立方氮化硼磨料仔细研 磨后可达 ,而用立方氮化硼磨料仔细研 磨后可达rn=56m。 锋刃锋刃 一般新磨好的硬质合金车刀,其切削刃钝圆半径一般新磨好的硬质合金车刀
14、,其切削刃钝圆半径rn=18 26m。细晶粒硬质合金刀具的。细晶粒硬质合金刀具的rn约为粗晶粒的约为粗晶粒的l225。 15 与倒棱切削刃和钝圆切削刃相比:与倒棱切削刃和钝圆切削刃相比: 锋刃的钝圆半径很小,切削刃比较锋利。锋刃的钝圆半径很小,切削刃比较锋利。 适合作精加工和超精加工的切削刃,如超精 铣削或超精镗削,以及精加工和半精加工轻金属 及其合金。 适合作精加工和超精加工的切削刃,如超精 铣削或超精镗削,以及精加工和半精加工轻金属 及其合金。 优 点:优 点: 16 锋刃的强度和抗冲击性能较差,锋刃的强度和抗冲击性能较差,产生微小裂纹导致崩刃的 可能性也较大。 因此,对于精细切削和微量切
15、削的刀具锋刃,都要求仔细 刃磨和研磨,以获得小的切削刃钝圆半径,消除微小裂 纹,提高刃口质量。 产生微小裂纹导致崩刃的 可能性也较大。 因此,对于精细切削和微量切削的刀具锋刃,都要求仔细 刃磨和研磨,以获得小的切削刃钝圆半径,消除微小裂 纹,提高刃口质量。 缺 点:缺 点: 切削刃钝圆半径在切削过程中随着磨损而有增大的趋势。切削刃钝圆半径在切削过程中随着磨损而有增大的趋势。 采用锋刃切削时,一般应采用较小的进给量采用锋刃切削时,一般应采用较小的进给量(0.05 0.lmm/r以下),以避免崩刃并减缓刃区裂纹的出现。以下),以避免崩刃并减缓刃区裂纹的出现。 17 倒棱是沿切削刃研磨出很窄的负前角
16、棱面(又称第一 前面),是 倒棱是沿切削刃研磨出很窄的负前角棱面(又称第一 前面),是增强刀刃强度增强刀刃强度的有效措施。的有效措施。 倒 棱倒 棱 当负倒棱面宽度和棱面前角选取 合理时,在切削过程中,棱面上将形 成滞留金属三角区。在复杂应力状态 下可能转化为积屑瘤,使切屑层同工 件的分离面发生在刃前三角区的峰部。 这时,切屑仍沿着正前角的前面流 出,切削力增大不明显,却使切削刃 加强并受到三角区滞留金属的保护, 刀具寿命明显提高。 当负倒棱面宽度和棱面前角选取 合理时,在切削过程中,棱面上将形 成滞留金属三角区。在复杂应力状态 下可能转化为积屑瘤,使切屑层同工 件的分离面发生在刃前三角区的峰
17、部。 这时,切屑仍沿着正前角的前面流 出,切削力增大不明显,却使切削刃 加强并受到三角区滞留金属的保护, 刀具寿命明显提高。 负倒棱前的金属滞留区负倒棱前的金属滞留区 18 使切削合力的方向发生变化。 实验结果看出,当倒棱宽度b 使切削合力的方向发生变化。 实验结果看出,当倒棱宽度b1 1 一定时,刀具总切削力的方向与 后面的夹角随负倒棱前角 一定时,刀具总切削力的方向与 后面的夹角随负倒棱前角01 01的增 大而增大,从而在一定程度上改 变了刀片的受力状况,减小了对 切削刃产生弯曲应力的比例分量。 它对脆性刀具材料提高冲击能 力是极为有利的。 的增 大而增大,从而在一定程度上改 变了刀片的受
18、力状况,减小了对 切削刃产生弯曲应力的比例分量。 它对脆性刀具材料提高冲击能 力是极为有利的。 负倒棱前角对总切削力方向的影响负倒棱前角对总切削力方向的影响 19 无论刃区取何参数,随进给量的增加,刀具寿命就下降,但下 降的程度随参数值而异。对应于某个进给量值,总有一个使刀 具寿命最高的倒棱参数值。 一般精加工时 无论刃区取何参数,随进给量的增加,刀具寿命就下降,但下 降的程度随参数值而异。对应于某个进给量值,总有一个使刀 具寿命最高的倒棱参数值。 一般精加工时01 01要小些;粗加工时,进给量大, 要小些;粗加工时,进给量大,01 01要大些。 用硬质合金刀具加工钢时,负倒棱宽度b 要大些。
19、 用硬质合金刀具加工钢时,负倒棱宽度b1 1一般不宜超过进给量。 这时,切削力与锋刃相比增大较小,b 一般不宜超过进给量。 这时,切削力与锋刃相比增大较小,b1 1大于f时,切削力将有 明显增大趋势。当负倒棱宽度大于一定数值时,切屑流出时只 和负倒棱部分接触,随即卷曲而去,根本不和具有正前角的前 面接触,这时,负倒棱实际上即变成负前角的前面。 大于f时,切削力将有 明显增大趋势。当负倒棱宽度大于一定数值时,切屑流出时只 和负倒棱部分接触,随即卷曲而去,根本不和具有正前角的前 面接触,这时,负倒棱实际上即变成负前角的前面。 主要取决于进给量、刀具材料和工件材料。主要取决于进给量、刀具材料和工件材
20、料。 进给量进给量 刃区倒棱参数的选择刃区倒棱参数的选择 20 ? 用硬质合金车刀车削碳钢、合金钢时,一般可 取 用硬质合金车刀车削碳钢、合金钢时,一般可 取b1=(0.30.8)f,01= -10-15。 ? 对对WC基硬质合金刀片,b基硬质合金刀片,b1 1取小值; 取小值; ? 高速钢刀具强度和韧性较好,一般不磨负倒 棱,必要时可研磨出零度或小前角正倒棱。 高速钢刀具强度和韧性较好,一般不磨负倒 棱,必要时可研磨出零度或小前角正倒棱。 刀具材料刀具材料 21 ?加 工 低 碳 钢 、 不 锈 钢 、 灰 铸 铁 时 , 可 取加 工 低 碳 钢 、 不 锈 钢 、 灰 铸 铁 时 , 可
21、 取 b10.5f,01= -5-10; ?加工有硬皮的锻件和铸钢件时,在机床功率和 刚度足够的条件下,倒棱负前角可减小到 加工有硬皮的锻件和铸钢件时,在机床功率和 刚度足够的条件下,倒棱负前角可减小到-30, 当冲击严重时,负倒棱宽度可取当冲击严重时,负倒棱宽度可取b1=(1.52)f, 但这时切削力增大较多。但这时切削力增大较多。 工件材料工件材料 22 是在负倒棱的基型上进一步修磨而成,或直接通 过刀片钝化处理而成。 是在负倒棱的基型上进一步修磨而成,或直接通 过刀片钝化处理而成。 钝圆切削刃钝圆切削刃 特点:钝圆半径比锋刃增大了一定数值,它不但在提高 切削刃强度方面获得和负倒棱同样的效
22、果,而且比负倒 棱更有利于消除刃区微小裂纹,使刀具获得最佳寿命。 同时,在切削过程中对已加工表面还有一定的熨压和消 振作用,有利于提高已加工表面质量。经刃口钝化处理 的可转位刀片和硬质合金涂层刀片就是采用了钝圆切削 刃,已获得广泛应用。 特点:钝圆半径比锋刃增大了一定数值,它不但在提高 切削刃强度方面获得和负倒棱同样的效果,而且比负倒 棱更有利于消除刃区微小裂纹,使刀具获得最佳寿命。 同时,在切削过程中对已加工表面还有一定的熨压和消 振作用,有利于提高已加工表面质量。经刃口钝化处理 的可转位刀片和硬质合金涂层刀片就是采用了钝圆切削 刃,已获得广泛应用。 23 主要取决于刀具材料、工件材料和切削
23、条件三个方 面。可制成轻型 主要取决于刀具材料、工件材料和切削条件三个方 面。可制成轻型(rn约为约为0.0250.05mm)、中型、中型(rn 约为约为0.050.1mm)和重型和重型(rn约为约为0.10.15mm)三种。三种。 钝圆切削刃的钝圆半径选择钝圆切削刃的钝圆半径选择 刀具材料的刀具材料的强度和韧性强度和韧性影响钝圆切削刃钝圆半径的最佳数值。影响钝圆切削刃钝圆半径的最佳数值。 高速钢刀具高速钢刀具一般取正前角锋刃或轻型钝圆切削刃;一般取正前角锋刃或轻型钝圆切削刃; 陶瓷刀片陶瓷刀片一般要求负倒棱且带有重型钝圆切削刃;一般要求负倒棱且带有重型钝圆切削刃; WC基硬质合金刀片WC基硬
24、质合金刀片一般多采用中型钝圆切削刃;一般多采用中型钝圆切削刃; TiC基硬质合金TiC基硬质合金的钝圆切削刃参数则介于陶瓷刀片与WC基硬质 合金刀片两者之间选择。 的钝圆切削刃参数则介于陶瓷刀片与WC基硬质 合金刀片两者之间选择。 刀具材料刀具材料 24 工件材料的工件材料的切削加工性切削加工性也影响切削刃钝圆半径的合理数值。 切削可加工性较好的 也影响切削刃钝圆半径的合理数值。 切削可加工性较好的有色金属有色金属,如铜、铝合金时,刀具刃区常 采用轻型钝圆切削刃或锋刃。 切削 ,如铜、铝合金时,刀具刃区常 采用轻型钝圆切削刃或锋刃。 切削灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁时,
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