金属切削原理

1、面向面向21世纪世纪普通高校机械类专业系列教材普通高校机械类专业系列教材机械制造工程学金属切削刀具金属切削刀具授课：张传伟2 2 金属切削刀具金属切削刀具 内容提要内容提要2.12.1刀具角度换算刀具角度换算2.22.2车刀车刀2.32.3孔加工刀具孔加工刀具2.42.4铣刀铣刀2.52.5拉刀拉刀2.62.6齿轮刀具齿轮刀具2.72.7砂轮砂轮刀具分类1 由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使

2、用的刀具的种类很多。刀具可以按所用材料：用的刀具的种类很多。刀具可以按所用材料： 高速钢刀具高速钢刀具 硬质合金刀具硬质合金刀具 陶瓷刀具陶瓷刀具 立方氮化硼（立方氮化硼（CBN）刀具）刀具 金刚石刀具金刚石刀具等；等；刀具分类2刀具常按加工方式和具体用途：刀具常按加工方式和具体用途： 车刀车刀 孔加工刀具孔加工刀具 铣刀铣刀 拉刀拉刀 螺纹刀具螺纹刀具 齿轮刀具齿轮刀具 自动线及数控机床刀具自动线及数控机床刀具 磨具磨具等等刀具分类3按结构分为：按结构分为： 整体刀具整体刀具 镶片刀具镶片刀具 机夹刀具机夹刀具 复合刀具复合刀具等；等；按是否标准化分为：按是否标准化分为： 标准刀具标准刀具

3、非标准刀具非标准刀具等。等。常用刀具简介 车刀车刀 孔加工刀具孔加工刀具 铣刀铣刀 拉刀拉刀 螺纹刀具螺纹刀具 2.1刀具角度换算刀具角度换算【意义】【意义】刀具在设计、制造、刃磨、测量时所刀具在设计、制造、刃磨、测量时所用的参考坐标系通常是不同的，因此必须建立用的参考坐标系通常是不同的，因此必须建立不同参考坐标系间到刀具角度换算。不同参考坐标系间到刀具角度换算。【方法】【方法】几何法几何法2.1.1 2.1.1 法平面与正交平面内前、后角的关系法平面与正交平面内前、后角的关系2.1.2 2.1.2 垂直于基面的任意剖面与正交平面内垂直于基面的任意剖面与正交平面内的前、后角关系的前、后角关系2

4、.1.3 2.1.3 最大前角与最小后角最大前角与最小后角2.1.1 2.1.1 法平面与正交平面内前、法平面与正交平面内前、后角的关系后角的关系【法平面Pn】 过主切削刃上一选定点，并且垂直于主切削刃（或其切线）的平面。【背平面Pp】 通过主切削刃上选定点，平行于刀杆轴线并且垂直于基面的平面。【假定工作平面Pf】 通过主切削刃上选定点，同时垂直于刀杆轴线及基面的平面。 PrPpPf正交平面参考系法平面和正交平面间前角关系 AOB:Ps AOC:Po BOC:Pr ABC:是Ar的一部分 AB:S A:刀尖 AC:是Ar与Po的交线 EDQ:Pn证明sonsonSSoncoscosPr,QDQ

5、D/OCPntgtgFQEQQDFDtgQDEQtgEQFABOBOFQBCOABOFDQABQEABEDQFDQPoFDQPsFDQPoFDQEDQABODQEEODABEODES为作过根据定义为则作上任点过法平面和正交平面间后角关系 AOB:Ps AOC:Po BOC:Pr ABC:是Aa的一部分 AB:S A:刀尖 AC:是Aa与Po的交线 EDQ:Pn证明sonsnoSnOScoscosQD/OCPntgtgFQEQEQQDtgFQQDtgABOQEDQFDABODQEEODABEODESABOABC根据定义为则作上任点过为后刀面，其他同前，假设结论1sonsoncoscostgtgt

6、gtg角之间的换算关系为法平面与正交平面内后角之间的换算关系为法平面与正交平面内前2.1.2 2.1.2 垂直于基面的任意剖面垂直于基面的任意剖面与正交平面内的前、后角关系与正交平面内的前、后角关系 假设垂直于基面的任意剖面Pi与Ps的夹角为i任意剖面前角证明isioisiiooitgtgtgGIHOFDHGtgDIGIDODIODFDtgDFEFtgHGAHDOHOAHDOAOtgcossincossin任意剖面后角证明isioiioiositgctgctgEFGOFOEGDOFOctgFDEFODFDctgDFEFtgEGAGDOGOAGDOAOctgcossincossin结论2iiii

7、tgctgctgtgtgtgcossincossinsoisoi角之间的换算关系为法平面与正交平面内后的换算关系为与正交平面内前角之间垂直于基面的任意剖面2.1.3 2.1.3 最大前角与最小后角最大前角与最小后角osibsosoicos,tgtgsinco00d,tgtgtgtgstgtggiiiiii角为同理，可以求出最小后最大，记做此时的则可以令前式取极大值为了求得最大前角，对2.2车刀车刀 车刀是研究铣刀，钻头，刨刀等其他刀具的基车刀是研究铣刀，钻头，刨刀等其他刀具的基础。础。 车刀是一种车刀是一种单刃刀具单刃刀具。加工范围加工范围 可以加工外圆、端平面、螺纹、内孔可以加工外圆、端平面

8、、螺纹、内孔 切槽和切断等。切槽和切断等。车刀的种类车刀的种类 直头外圆车刀外圆、倒角 弯头车刀 外圆、端面、倒角 偏刀外圆、轴肩、端面 车槽、切断刀车槽、切断 镗孔刀镗通孔、盲孔 螺纹车刀内外螺纹 成形车刀成形回转表面2.2车刀车刀 车刀分为车刀分为整体车刀整体车刀、焊接式车刀焊接式车刀和和机械夹固机械夹固式车刀式车刀。 机械夹固车刀又可分为机械夹固车刀又可分为机夹车刀机夹车刀和和可转位车可转位车刀刀。 机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，应用越来越多。刀，应用越来越多。典型车削工序典型车削工序车刀的结构车刀的结构【高速钢车刀】 整体式【硬质合金车

9、刀】 焊接式 机夹式普通机夹式可转位式 GB2078-80规定有正三角形，正方形，正五边形，菱形，和圆形等。 上压式 偏心式 综合式HSS车刀的结构车刀的结构【高速钢车刀】 整体式YX车刀的结构车刀的结构【硬质合金车刀】 焊接式 机夹式普通机夹式可转位式 GB2078-80规定有正三角形，正方形，正五边形，菱形，和圆形等。 上压式 偏心式 综合式2.2.12.2.1车刀的种类、用途和结构车刀的种类、用途和结构(1)(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，抗振性能好，制造方便使用灵活。但刀片易产生应力和裂纹。(2) (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

10、接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用,利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。145弯头车刀；290外圆车刀；3外螺纹车刀；475外圆车刀；5成形车刀；690外圆车刀；7切断刀；8内圆切槽刀；9内螺纹车刀；10盲孔镗刀； 11通孔镗刀2.2.12.2.1车刀的种类、用途和结构车刀的种类、用途和结构 (3) (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、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。 3)可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。可转位式车刀的组成可转位式车刀的组成2.2.

11、22.2.2车刀几何参数的选择车刀几何参数的选择2.2.2.1切削角度的选择前角，后角，主偏角，副偏角，刃倾角等选择见前面内容2.2.2.2其他几何参数的选择(1)过渡刃及其参数值 主、副切削刃之间的刀尖部分通常制成圆弧或直线过渡刃。(1)(1)过渡刃及其参数值过渡刃及其参数值这两种过渡刃的参数选用如下： 圆弧过渡刃： 高速钢车刀，取r=13mm； 硬质合金车刀，取r=0515mm。 直线过渡刃： 过渡刃长度，取b=0.5-2mm或 (0.20.25)ap 切断刀过渡刃，b0.2bD。bD为切削宽度。(2)(2)切削刃钝圆半径切削刃钝圆半径 前、后刀面刃磨所形成的车刀切削刃不是一条绝对锐利的直

12、线，而是一个半径为rn的小圆柱面，称为切削刃钝圆半径。 一般高速钢车刀比硬质合金车刀锋利。切削刃区表面有微观不平度，车刀使用后，初期磨损较快，使rn值迅速增大，然后稳定在某一平均值附近。为了减小rn因初期磨损而迅速增大的程度，可对切削刃区进行精磨或研磨，以减小其表面粗糙度值和减小rn值。(3)(3)负倒棱及其参数值负倒棱及其参数值 负倒棱是沿着切削刃磨制出带负前角的窄棱面，其主要作用是增强切削刃和提高车刀耐用度，负倒棱不能太宽，否则就成为具有负前角的前刀面了。 在一般加工条件下，用硬质合金切削碳钢或合金钢时，可取负倒棱为br1=(0.30.8)f，01=-10-15；粗加工铸钢、锻钢件或断续切

13、削时，在机床功率和刚度足够的情况下，可取br1=(1.52)f, 01=-10-15。2.2.32.2.3可转位车刀的刀具角度可转位车刀的刀具角度 可转位车刀的几何角度不是刃磨出来的，而是由刀片几何参数和刀杆上的刀槽几何参数综合结果而得到的。其中，刀片几何参数按国家标准GB207680规定由专业厂制造，刀杆上的刀槽几何参数是根据车刀参数和刀片的参数来确定的。 可转位车刀的设计，是在已知车刀角度和刀片角度的前提下求刀槽的角度。 常用的可转位车刀刀片为=0,0,s=02.2.22.2.2车刀几何参数的选择车刀几何参数的选择 2.2.2.1切削角的选择前角，后角，主偏角，副偏角，刃倾角等 2.2.2

14、.2车刀其它几何参数过渡刃 圆弧过渡刃高速钢硬质合金 直线过渡刃切削刃钝圆半径负倒棱2.3孔加工刀具孔加工刀具 重要性：切削加工过程中孔的加工量约40左右 特点：结构尺寸受待加工孔的限制 决定了刀具的结构尺寸不能大于孔径尺寸 对于小孔径或深孔，存在刀具强度、刚度问题 对于封闭条件工作的麻花钻，排屑、导向、冷却、润滑困难，导致一系列工艺问题 对于深孔钻，钻头导向问题十分突出 对于孔二次加工的刀具，条件有所改善孔加工刀具孔加工刀具孔加工刀具一般可分为两大类：孔加工刀具一般可分为两大类： 一类是从一类是从实体材料实体材料上加工出孔的刀具。上加工出孔的刀具。（麻花钻、中心钻和深孔钻等）（麻花钻、中心钻

15、和深孔钻等） 另一类是对工件上另一类是对工件上已有孔已有孔进行再加工的进行再加工的刀具。刀具。（扩孔钻、铰刀及镗刀等）（扩孔钻、铰刀及镗刀等）2.3.1从实体材料上加工出孔的刀具刀具 扁钻扁钻：（38mm时经济）时经济）整体式整体式=12装配式，装配式，较大较大 麻花钻麻花钻: （最大最大铣削方式铣削方式2 顺铣 优点：容易切下切削层，刀齿磨损较少，已加工表面质量高 缺点： 进给力与进给方向相同，容易引起进给速度波动，影响表面粗糙度，有时甚至因为进给量突然增加很多，损坏刀齿 工件的表面硬皮对铣刀的磨损影响很大铣刀切入工件方向与工件进铣刀切入工件方向与工件进给方向一致给方向一致特点：切削厚度由最

16、大特点：切削厚度由最大0铣削方式铣削方式3 对称铣削 刀齿切入和切出工件时的切削厚度相等 一般端铣时常用这种方式 不对称铣削 刀齿切入和切出工件时的切削厚度不相等 采用不对称铣削可以调节切削厚度，以提高刀具耐用度2.5拉刀拉刀 拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛应用于大批量生产中，可加工各种内、外表面。 拉刀按所加工工件表面的不同，可分为各种内拉刀和外拉刀两类。 使用拉刀加工时，除了要根据工件材料选择刀齿的前角、后角，根据工件加工表面的尺寸（如圆孔直径）确定拉刀尺寸外，还需要确定两个参数：（1）齿升角af即前后两刀齿（或齿组）的半径或高度之差；（2）齿距p即相邻两刀齿之间的轴

17、向距离。2.5.12.5.1拉刀的种类和用途拉刀的种类和用途2.5.22.5.2拉刀的结构拉刀的结构拉削图形拉削图形2.5.1拉刀的用途拉刀的用途 拉削用途和特点 生产率高 工件精度和表面质量高 拉刀耐用度高 拉削运动简单，拉削只有主运动 拉刀制造复杂，制造成本高，主要用于大批量生产2.5.1拉刀的种类和用途拉刀的种类和用途 拉刀的种类和应用范围 内拉刀 圆孔拉刀 花键拉刀 方孔拉刀 键槽拉刀 齿轮拉刀 外拉刀 平面拉刀 成形表面拉刀2.5.2拉刀的结构拉刀的结构 普通圆孔拉刀结构八要素 头部（柄部）：拉刀夹持部分，用于传导动力 颈部：连接头部与过渡锥部，打标记，其长度要使拉刀第一刀齿未进入工

18、件孔前，拉床的夹头可以夹住柄部 过渡锥部：使前导部容易进入工件孔，对准中心 前导部：引导工件进入切削部，防止拉刀进入工件孔后发生歪斜，检查拉前孔径尺寸是否符合要求 切削部：担负切削工作 校准部：切除弹性恢复量，校准修光 后导部：保证拉刀离开工件时的准确位置，防止工件下垂碰伤已加工表面和刀齿 尾部（支托部）：防止重而长的拉刀自重下垂影响已加工表面和损坏刀齿拉刀结构拉刀结构拉刀参数拉刀参数 使用拉刀加工时，除了要根据工件材料选择刀齿的前角、后角，根据工件加工表面的尺寸确定拉刀尺寸外，还需要确定两个参数： （1）齿升角af即前后两刀齿（或齿组）的半径或高度之差； （2）齿距p即相邻两刀齿之间的轴向距

19、离。2.6齿轮刀具齿轮刀具齿轮是一类非常重要的传动零件，在各种机械仪表中应用十分广泛，以致于齿轮一度成为工业的代表 比如国徽上的齿轮代表工人阶级 交通大学校徽外部是齿轮，南洋工学院 机械工业出版社徽标也有齿轮齿轮的轮齿加工方法依然主要采取切削加工和磨削的方法来实现齿轮刀具是加工齿轮轮齿的刀具2.6.1齿轮刀具的主要类型2.6.2滚刀2.6.1齿轮刀具的主要类型 按照被加工齿轮的类型分三类 圆柱齿轮刀具 渐开线圆柱齿轮刀具：盘形齿轮铣刀，指形齿轮铣刀，齿轮拉刀，插齿刀盘，齿轮滚刀，插齿刀，梳齿刀，剃齿刀 非渐开线圆柱齿轮刀具：圆弧齿轮滚刀，摆线齿轮滚刀，花键滚刀 蜗轮刀具：蜗轮滚刀，蜗轮飞刀，蜗

20、轮剃齿刀 锥齿轮刀具 直齿锥齿轮刀具：成对刨刀，成对盘铣刀，拉铣刀盘 曲线齿齿轮刀具：弧齿锥齿轮铣刀盘，摆线齿锥齿轮铣刀盘齿轮刀具分类 按照工作原理分二类 成形齿轮刀具 展成齿轮刀具成形齿轮刀具 刀具的切削刃刃廓形与被加工的直齿齿轮端面内的槽形相同盘形齿轮铣刀指形齿轮铣刀齿轮拉刀展成齿轮刀具 加工时刀具本身好像是一个和被切齿轮啮合的齿轮，各自按照啮合关系要求和传动比转动，由刀具的齿形包络出齿轮的齿形齿轮滚刀插齿刀梳齿刀剃齿刀加工非渐开线齿轮的各种滚刀蜗轮刀具和锥齿轮刀具展成齿轮刀具的优点 能够加工出成形齿轮刀具难以实现的许多复杂形状的齿面 工作效率高，加工精度高（因为大多无分齿运动） 可以利用

21、一些简单的曲面（平面，锥面，螺旋面）作为刀具齿形表面，有利于刀具的精密加工及测量 刀具的通用性好，一把刀具可以加工相同模数、相同压力角的不同齿数，不同变位系数的齿轮 用展成齿轮刀具加工的齿形不仅取决于刀具的刃形，而且与它们之间的展成运动密切相关2.6.2滚刀 2.6.2.1滚刀基本蜗杆 2.6.2.2齿轮滚刀的结构和类型 2.6.2.3齿轮滚刀的合理使用2.6.2.1滚刀基本蜗杆 滚刀是一个开出容屑槽和切削刃的单头（多头）螺旋齿轮，即蜗杆，通常称其为基本蜗杆（或滚刀产形蜗杆） 该蜗杆的法向模数和压力角分别等于被切齿轮的模数和压力角。 有两种基本蜗杆： 渐开线基本蜗杆 阿基米德基本蜗杆基本蜗杆

22、渐开线基本蜗杆inv 根据齿轮啮合原理，基本蜗杆端面为渐开线齿形，这种基本蜗杆的造形误差为0。 制造比较困难 渐开线螺旋面在任意端剖面中的截形都是同一个基圆的渐开线 阿基米德基本蜗杆a 制造很容易 存在造形误差 过轴线的直线作螺旋运动形成阿基米德螺旋面2.6.2.2齿轮滚刀的结构和类型u结构齿轮滚刀按照空间交错轴螺旋齿轮啮合原理进行齿轮的轮齿加工。滚刀的轴线与被切齿轮的轴线不平行，不相交。为了使得基本蜗杆能够进行切削，开出容屑槽（直槽或螺旋槽）后，自然形成了滚刀的前刀面。制造中还要在这个蜗杆上铲出侧后刀面和顶后刀面，从而使得滚刀每一刀齿的具有“四面、三刃、两尖”的几何结构。为了保证正确加工，滚

23、刀的三个切削刃都必须位于基本蜗杆上。基本蜗杆多为右旋的，也有左旋的。u分类整体齿轮滚刀镶齿齿轮滚刀硬质合金齿轮滚刀2.6.2.3齿轮滚刀的合理使用容屑槽直槽（槽/滚刀轴线）：适用于小螺旋升角滚刀螺旋槽（槽滚刀轴线）适用于大螺旋升角滚刀滚刀直径d0d0- 0 -滚刀的造形误差d0太大-相同速度下转速n-生产率，制造困难，成本螺旋升角0头数双头比单头生产率提高3040三头比单头生产率提高50头数， 0，造形误差，Ra齿轮齿距精度滚刀的磨损和窜刀螺旋方向刃磨和校验2.7砂轮砂轮 磨削是一种非常重要的加工方法 磨削是机械加工中使用最广泛的精加工方法 加工精度：IT6-IT4,Ra1.25-0.01，甚

24、至可达0.008m 磨削对各种工件材料和多种几何表面具有广泛的适应性 各种表面：内孔，外圆，平面，螺纹，齿轮，花键，导轨，成形面，等 一般金属材料：钢材，铸铁，铜铝，等 难切削超硬材料:淬火钢，硬质合金，等 非金属材料：木材，橡胶，塑料，玻璃，陶瓷，石材，等 现代加工中，开始把磨削扩大到粗加工领域，极大地提高了产品质量 砂轮是磨削加工中使用最广泛的磨具常见磨削形式2.7.1砂轮参数及其选择 砂轮是一种用结合剂把磨料颗粒粘结在一起后经过焙bi烧、车整而成，具有很多气孔，用磨料进行切削的刀具。由六大要素组成 磨料 粒度 结合剂 组织 硬度 形状磨料 磨料是砂轮的主要成分 天然磨料：金刚砂，天然刚玉

25、，金刚石（性质因产地不同而变化） 人造磨料（主要使用） 常用磨料分五类 刚玉系Al2O3 棕刚玉A(棕褐色） 白刚玉WA(白色) 铬刚玉PA（玫瑰红色） 碳化硅系SiC 黑色碳化硅C(黑色） 绿色碳化硅GC(绿色) 碳化硼系 金刚石系 CBN系粒度【定义】表示磨料颗粒的尺寸大小，以磨粒刚好能够通过的筛网号表示（筛网号指每英寸长度上孔眼的数目） 粒度号越大，颗粒越细，eg.46# 当磨粒的直径小于40微米时，粒度号为颗粒最大尺寸的微米数，在粒度号前加W，eg.W20，粒度号越小，颗粒越细。【选用准则】 粗磨：粗粒度 精磨：细粒度 材料软、塑性大、磨削面积大时：粗粒度 砂轮速度高时：粗粒度结合剂【

26、定义】 将磨粒粘结成砂轮的结合物【分类】 陶瓷V(A)：最广泛使用，砂轮许用线速度=35m/s 树脂B(S)：弹性好，可以做得很薄，用于切槽(断) 橡胶R(X)：结合强度高，弹性、自锐性好 金属J(主要是青铜Q)：强度高，成形性好，有一定韧性，自锐性差，用于制作各种金刚石砂轮组织【定义】砂轮中磨料、结合剂和气孔三者之间的比例关系。常用气孔所占百分比例表示。 磨料所占比例越大，砂轮的组织越紧密，反之，组织疏松。【分类】 高密度(紧密)（0-20） 中等密度（20-40） 疏松密度（40-60） 砂轮未表明组织号者为中等密度组织硬度【定义】砂轮工作时在磨削作用下磨料脱落的难易程度。易脱落则硬度低，反之硬度高。主要取决于结合剂的粘结能力及其所占比例。新国标分16级。【选择原则】工件材料硬度： 硬材料：软砂轮 软材料：硬砂轮材料导热性差时选软砂轮与工件接触面积大，接触时间长时用软砂轮成形磨削：硬砂轮内圆磨削较外圆磨削取软一些清理铸件、锻件、粗磨时选硬砂轮状形