第三节、第四节-金属切削刀具、夹具课件

1、第三节 金属切削刀具 一、刀具类型 一、刀具类型 一、刀具类型刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合。a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀 在切除多余金属层的切削运动中，刀具承担着非常重要的作用。为此应掌握刀具的结构组成。外圆车刀是最基本、最典型的刀具。以外圆车刀为例。 二、车刀结构前面主后面副后面主切削刃副切削刃刀尖刀柄切削部分车刀由切削部分和刀柄组成。刀具中起切削作用的部分称切削部分（刀头），夹持部分称刀柄 （刀体）。切屑流出时经过的刀面切削部分：由不同刀面和切削刃构成。进给运动方向与过渡表面相对的刀面，也称主后刀面进给运动方向与已加工表面相对的刀面进给运动方向前刀面与后刀

2、面的交线。在切削加工过程中，它担负着主要的切削工作进给运动方向前刀面与副后刀面的交线。它担负少量切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最终形成工件上的已加工表面进给运动方向刀尖是主、副切削刃连接部位，或者是主、副切削刃的交点进给运动方向尖刀尖 b) 倒圆刀尖 c) 倒角刀尖刀 尖 结 构 车刀切削部分各表面在空间倾斜相交，为标注车刀角度，必须建立有三个坐标平面组成的参考系。 三、刀具的几何参数 刀具标注参考系 设计、制造、测量角度时的基准。不受刀具工作条件变化的影响，只考虑主运动和进给运动的方向，安装时的定位基准与主运动方向垂直或平行。刀具工作参考系实际切削中确定角度的基准 vc1、刀具标注参考

3、系 组成：坐标平面测量面基面Pr切削平面Ps正交平面Po法平面假定工作平面背平面正交平面参考系法平面参考系假定工作平面参考系基面Pr切削速度方向主切削刃上选定点刀柄底面（车刀安装面）基面Pr：通过切削刃上选定点，垂直于该点主运动速度方向的平面。注：车刀的基面是平行于车刀安装面（底面）的平面 基面Pr切削速度方向主切削刃上选定点切削平面Ps ：通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面刀柄底面（车刀安装面）切削平面Ps正交平面Po： Ps Pr基面Pr： PrVc 刀具安装面（车刀）切削平面Ps: 与 S相切 且 Pr假定切削速度方向Vc正交平面参考系（Pr-Ps-Po)主切削刃上选定

4、点正交平面参考系与刀具标注角度基面Pr切削平面Ps正交平面Po2、刀具标注角度（1）正交平面参考系中的刀具标注角度A、基面 Pr内的角度 （I）主偏角 Kr在基面Pr内测量的，主切削刃与进给方向的夹角。（II）副偏角 Kr在基面Pr内测量的，副切削刃与进给方向的夹角。主偏角r 主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角 Cutting edge angle（I）刃倾角s定义：在切削平面Ps内测量的，主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角。符号：有正负之分，刀尖位于切削刃的最高点时定为“+”、反之为负“-”，它影响切屑流向和刀尖强度。取值：一般取s = 10 +10 , 粗加工时常取负值，增加刀头

5、强度；精加工时常取正值，避免切屑擦伤已加工表面。 B、切削平面 Ps内的角度刃倾角s的正与负 当刀尖在主切削刃上最高点时，s为正值，反之为负值。 切屑流向已加工表面切屑流向待加工表面刃倾角s的正与负对切屑流向的影响：C、正交平面 Po内的角度（I）前角o定义：在正交平面Po内测量的，前刀面A与基面Pr间的夹角。符号：有正负之分，前刀面位于基面之前，o0。（II）后角o在正交平面Po内测量的后刀面A与切削平面Ps间的夹角。 D、派生角度（I）刀尖角r在基面Pr内测量的，主切削平面Ps与副切削平面Ps间的夹角。 （II）楔角o在正交平面Po内测量的前刀面 Ar与后刀面A间的夹角 。在正交平面参考系

6、中的标注角度“一刃四角”（5）副偏角r （6）副后角o 派生角度：刀尖角r，楔角or（1）主偏角r（4）后角o（2）刃倾角s（3）前角o基本角度(r，r，s，o，o)确定了主切削刃及前、后刀面的方位。 其中o ， s确定前刀面方位 ， r，o确定后刀面方位， r，s确定主切削刃的方位。 刀具角度的合理选择问题原 则：粗加工时，为了提高切削效率，切削力会较大，因此强度要高；精加工时，切削力较小，为了保证零件质量因此刀具较锋利。粗加工：前角、后角均小，强度高精加工：前角、后角均大，刀具锋利主偏角：车台阶轴：取90度 既车外圆又车端面，取45度副偏角：为降低表面粗糙度，取小值：一般为： 5-15度

7、刃倾角：粗加工常取负值，精加工取正值作图练习直头外圆车刀的六个标注角度进给运动对刀具工作角度的影响（1）横向（径向）进给运动的影响 oe=o oe=o tan=f /d当进给量f一定时，随 d 值值，接近中心oe为负值。 当 f值横车时 f 不宜过大，并应适当加大o2、刀具工作参考系 （2）纵向（轴向）进给运动的影响 oe=o oe=o tan= tanf sinr = f sinr/(dw)f 或dw时，f、均车削右螺纹时左侧刃应o(左 8右2 )右刃应o车右螺纹时左侧刃 fe=ff fe=ff tanf=f /dw刀具安装位置对工作角度的影响（1）刀具安装高低的影响pe=pppe=p p

8、tanph/ oe=o oe=o tan tanp cosr假定车刀s0,刀尖高于工件中心若刀尖低于工件中心，角度变化与上述相反（2）刀杆中心线与进给方向不垂直的影响 = +G = - G = -G = +G加工时要承受高温、高压、强烈的摩擦，冲击和振动。1.刀具材料应具备的性能1）高的硬度的耐磨性：比工件高，HRC60； 耐用度2）化学稳定性：不易与周围介质发生化学反应3）足够的强度和冲击韧性：不崩刃，不断4）高的耐热性（热稳定性）：高温下保持高硬度的能力5）导热性和耐热冲击性能：便于热量扩散6）良好的工艺性和经济性：锻造性能、磨削性能、热处理性能；刀具制造成本低7）抗粘结性 三、刀具材料刀

9、具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数常用刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。1）高速钢含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢较高的硬度（热处理硬度达HRC6267）和耐热性（切削温度可达550600）切速比碳素工具钢和合金工具钢高13倍（因此而得名），刀具耐用度高1040倍，甚至更多可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中占有重要地位。用途分：通用型高速钢、高性能高速钢、粉末冶金高速钢2.几种常见的刀具材料用高耐热性和高耐磨性的

10、金属碳化物（碳化钨，碳化钛，碳化钽，碳化铌等）与金属粘结剂（钴，镍，钼等）在高温下烧结而成的粉末冶金制品。 硬度、耐热性（850-1000C）、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢(100-300m/min) 抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差，较难加工，不易做成形状复杂的整体刀具。分类 YG (K) 类 YT (P)类 YW (M)类短切屑黑色金属 加工长切屑的 钢材、铸铁等有色金属非金属 黑色金属 有色金属非金属 WC+ Co WC+ TiC+ Co WC+ TiC+ TaC+ Co （1）普通硬质合金2）硬质合金常用硬质合金牌号及应用范围牌 号应 用 范 围YG3硬度、 抗弯耐磨 强度、性

11、、 韧性、切削 进给速度 量铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用于断续切削YT30硬度、 抗弯耐磨 强度、切削 韧性、速度 进给碳素钢、合金钢的精加工YT15碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工，断续切精加工YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削YW1同 上高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工YW2高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工YN05同 上碳钢、合金钢的高速精车，系统

12、刚性好的细长轴精车YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工1. 调整化学成份，提高综合性能 添加TaC、 NbC；添加稀土元素；TiC(N)基，高速钢基等2. 涂层硬质合金（可转位刀片） TiC涂层、 TiN涂层、复合涂层、陶瓷涂层 3. 细晶粒和超细晶粒硬质合金（2）新型硬质合金3) 涂层刀具和其它刀具材料涂层刀具：耐磨性高的难熔金属化合物耐用度至少可提高13倍（刀片），或210倍（高速钢）。加工材料的硬度愈高，效果愈好。人造金刚石：在高温高压下由石墨转化而成极高的硬度（显微硬度可达HV10000）和耐磨性，摩擦系数小，切削刃非常锋利。很高的加工表面质量。陶瓷刀具：以氧化铝为主要成分，经

13、压制而成在1200C时可保持HRA80的硬度，脆。热稳定性较差（不得超过700800），与铁元素的化学亲和力很强，不宜加工钢铁件。加工硬质合金。立方氮化硼：由六方氮化硼在高温高压下转变而成硬度热稳定性很高（可达13001400C） 。最大的优点：在高温（12001300C）时也不易与铁族金属起反应。刀具材料对比 刀具材料对比 第四节 夹具引入： 在机械制造中，为完成需要的加工工序、装配工序及检验工序等，使用着大量的夹具。 机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。 利用夹具，可以提高劳动生产率，提高加工精度，减少废

14、品；可以扩大机床的工艺范围，改善操作的劳动条件。因此，夹具是机械制造中的一项重要的工艺装备。划线找正装夹（图2-11） 精度不高，效率低，多用于形状复杂的铸件直接找正装夹（图2-10） 精度高，效率低，对工人技术水平高夹具装夹（图2-12） 精度和效率均高，广泛采用安装的含义 安装又称装夹，包括定位和夹紧两项内容。定位 使工件在机床或夹具上占有正确位置夹紧 对工件施加一定的外力，使其已确定的位置在加工过程中保持不变工件安装方法一、工件的安装 定位使工件相对于机床及刀具处于正确的位置。在机械加工中，要求加工出来的表面，对加工件的其它表面保持规定的位置尺寸。因为加工表面是由切削刀具和机床的综合运动

15、所造成，所以在加工时，必须使加工件上的规定表面（线、点）对刀具和机床保持正确的位置才能加工出合格的产品。夹紧工件：在加工中保持这一正确位置不变 图2-10 直接找正安装flash毛坯孔加工线找正线 图2-11 划线找正安装flash图2-12 工件在夹具上装夹（滚齿夹具） 定义：工件上用来确定其他点、线、面的位置的那些点、线、面，一般用中心线、对称线或平面作为基准。 分类：按照作用的不同，常把基准分为设计基准和工艺基准两类。设计基准：设计图样上所用的基准。工艺基准：零件在加工工艺过程中所用的基准。二、基准 引入：在分析加工表面的几何参数及其精度时，首先应了解加工表面的标定问题，即基准的概念。

16、二、基准 设计基准工序基准定位基准测量基准装配基准零件设计图样上所采用的基准，称为设计基准。这是设计人员从零件的工作条件、性能要求出发，适当考虑加工工艺性而选定的。在零件图上可以有一个也可以有多个设计基准。 二、基准 设计基准工序基准定位基准测量基准装配基准在工序图上，用来确定本工序中待加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。 二、基准 设计基准工序基准定位基准测量基准装配基准 在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。 二、基准 设计基准工序基准定位基准测量基准装配基准 在测量时所采用的基准，称为测量基准。 二、基准 设计基准工序基准定位基准测量基准装配基准 在机器装配时，用来

17、确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准，称为装配基准。 1、定位装置：用来确定工件正确位置的装置，包括定位元件或定位元件的组合；2、夹紧装置：工件定位后将其固定，使其在加工过程中承受重力、切削力等而保持定位装置不变的操作。包括夹紧元件或其组合；3、对刀、引导元件：用来确定刀具位置，并引导刀具进行加工 的元件。4、连接元件5、夹具体：用来联系并固定上述各种装置和元件，使之成为一个整体的零件。夹具的构成夹具的概念使工件定位和夹紧的机床附加装置三、夹具的概念和构成 例：下图为在轴上钻孔时所用的一种简单夹具1、挡铁 ；2、V形铁；3、夹紧机构；4、工件；5、钻套；6、夹具体1.通用夹具：指一般已

18、经标准化，不需特殊调整就可以用来装夹不同工件的刀具。例：三爪卡盘、四爪卡盘、顶尖、分度头、平口钳、电磁吸盘特点：通用夹具价格较低，使用范围广泛，但生产效率不如专用夹具。故一般仅适用于单件小批量生产。2.专用夹具：是指为某一零件的加工而专门设计和制造的夹具，既可以保证加工精度，又提高生产效率，但夹具需要一定的投资。所以主要用于成批及大量生产中。夹具的类型三爪卡盘四爪卡盘万向平口钳回转工作台分度头图 通用夹具3、通用可调夹具和成组夹具：通过调整或更换个别元件后，可以加工形状相似、尺寸相近、加工工艺相似的多种工件。在当前多品种小批量生产的条件下，更示出这两类夹具优势4、组合夹具：用事先准备好的通用标

19、准元件和部件组合而成的夹具。用完之后可以将这类夹具拆卸下来，更换元、部件组装成新夹具，供再次使用。 六点定位原理 要确定其空间位置，就需要限制其 6 个自由度 任何一个物体在空间直角坐标系中都有 6 个自由度用 表示四、工件在夹具中的定位 图 2-13 六点定位原理XZY 六点定位原理 将 6 个支承抽象为6个“点”，6个点限制了工件的6 个自由度，这就是六点定位原理。 三个黄色不共线的约束点可以限制两个绿色约束点限制一个蓝色约束点限制工件的6个自由度均被限制，称为完全定位。工件6个自由度中有1个或几个自由度未被限制，称为不完全定位。完全定位与不完全定位不完全定位主要有两种情况： 工件本身相对

20、于某个点、线是完全对称的，则工件绕此点、线旋转的自由度无法被限制（即使被限制也无意义）。例如球体绕过球心轴线的转动，圆柱体绕自身轴线的转动等。 工件加工要求不需要限制某一个或某几个自由度。如加工平板上表面，要求保证平板厚度及与下平面的平行度，则只需限制 3 个自由度就够了。完全定位与不完全定位ZYXa）ZYXb）ZYXc）ZYXd） e）ZYXf）ZYX图2-15 工件应限制的自由度完全定位和不完全定位实际生产过程中六点有时并不完全定位加工沟槽，六点完全定位工件加工时必须限制的自由度未被完全限制，称为欠定位。欠定位不能保证工件的正确安装，因而是不允许的。图2-16 欠定位示例XZYa）b）BB

21、B欠定位 过定位工件某一个自由度（或某几个自由度）被两个（或两个以上）约束点约束，称为过定位。 过定位是否允许，要视具体情况而定：1）如果工件的定位面经过机械加工，且形状、尺寸、位置精度均较高，则过定位是允许的。有时还是必要的，因为合理的过定位不仅不会影响加工精度，还会起到加强工艺系统刚度和增加定位稳定性的作用。2）反之，如果工件的定位面是毛坯面，或虽经过机械加工，但加工精度不高，这时过定位一般是不允许的，因为它可能造成定位不准确，或定位不稳定，或发生定位干涉等情况。过定位 过定位分析（桌子与三角架）图2-17 过定位分析 过定位分析图2-18 过定位示例a）ZYXYc）ZYXYb）ZYYX

22、过定位分析图2-19 过定位示例XYa）ZYb）ZYXY 一面两孔定位分析D1D2d2d1b图2-20 一面两孔定位干涉分析刀柄主轴拉杆涨套 过定位应用图2-21 HSK刀柄与传统刀柄结构HSK刀柄传统刀柄1:107:24间隙主轴拉杆刀柄定位端面配合锥面 过定位讨论如图示，齿轮坯以内孔和一小端面定位，车削外圆和大端面。加工后检测发现大端面与内孔垂直度超差。试分析原因，提出改进意见。4A0.02 A间隙配合刚性心轴图2-22 过定位示例图2-22a 过定位引起夹紧变形橡胶垫图2-22b 过定位处理分析 讨论分析图示定位方案：各方案限制的自由度有无欠定位或过定位对不合理的定位方案提出改进意见。 b

23、）XZYXc）XZYXa）YXZ图2-23 过定位分析a）YXZa1）YXZa2）YXZa3）YXZ图2-23a 过定位示例分析b）XZYXb1）XZYXXZb2）YXXZb3）YX图2-23b 过定位示例分析c）XZYXc）XZYXc1）YXXZ图2-23c 过定位示例分析ZXYZXYZXYZXY图2-24 工件以平面定位平面定位的主要形式是支承定位。常用的定位元件有支承钉、支承板、夹具支承件和夹具体的凸台及平面等。图2-24给出了平面定位的几种情况。ZXYZXY工件以平面定位常用定位元件限制的自由度图2-25 工件以圆孔定位工件以圆孔定位多属于定心定位（定位基准为圆柱孔轴线）。常用定位元件

24、是定位销和心轴。定位销有圆柱销、圆锥销、菱形销等形式；心轴有刚性心轴（又有过盈配合、间隙配合和小锥度心轴等）、弹性心轴之分。工件以圆孔定位所限制的自由度见图 2-25。XYZXYZXYZXYZXYZXYZ工件以圆孔定位图2-26 工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面定位两种形式：定心定位和支承定位。工件以外圆柱面定心定位的情况与工件以圆孔定位的情况相仿（用套筒和卡盘代替心轴或柱销）。工件以外圆柱面支承定位的元件常采用V型块，短V型块限制2个自由度，长V型块（或两个短V型块组合）限制4个自由度。XYZXYZXYZXYZXYZ工件以外圆柱面定位除平面、圆孔、外圆柱面外，工件有时还可能以其它表面（如圆锥面、渐开线齿面、曲面等）定位。图2-27为工件以锥孔定位的例子，锥度心轴限制了除绕工件自身轴线转动外的 5个自由度。图2-27 工件以锥孔定位工件以其他表面定位在多个表面同时参与定位情况下，各定位表面所起作用有主次之分。通常称定位点数最多的表面为主要定位面或支承面，称定位点数次多的表面为第二定位基准面或导向面，称定位点数为 1 的表面为第三定位基准面或止动面。定位表面的组合XZY图2-28 工件在两顶尖上定位在分析多个表面定位情况下各表面限制的自由度时，分清主次定位面很重要。如图2-28所示工件在两顶尖上的定位，应首先确定前顶尖限制的自由度，他们是 。