金属切削原理与刀具

关于金属切削原理与刀具23.1刀具磨损与刀具寿命一、刀具磨损的形态1——正常磨损二、刀具磨损的形态2——非正常磨损（刀具破损）三、刀具磨损的原因四、刀具磨损过程五、刀具寿命（耐用度）及其经验公式1.刀具寿命定义2.刀具寿命（耐用度）经验公式3.影响刀具寿命的因素4.刀具寿命的选择第三节金属切削基本规律的应用第2页,共48页，2024年2月25日，星期天33.2切削用量的选择一、影响切削变形因素二、切削用量对切削加工的影响三、切削用量制定的步骤——传统方法四、提高切削用量的途径五、改善切削加工性的途径第三节金属切削基本规律的应用第3页,共48页，2024年2月25日，星期天43.1刀具磨损与刀具寿命一、刀具磨损的形态1——正常磨损1.前刀面磨损2.后刀面磨损3.边界磨损第4页,共48页，2024年2月25日，星期天51.前刀面磨损(月牙洼磨损)形成条件：切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切屑与前面完全是新鲜表面相互接触和摩擦，化学活性很高，反应剧烈，在接触面很大，切削液难以渗入。前刀面在高温高压由于切屑的作用形成月牙洼。形式：前刀面磨出月牙洼，月牙洼的位置发生在刀具前刀面上切削温度最高的地方。影响：削弱刀刃强度，降低加工质量。第5页,共48页，2024年2月25日，星期天61.前刀面磨损(月牙洼磨损)影响：削弱刀刃强度，降低加工质量。

月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损过程中，月牙洼的宽度、深度不断增大，当月牙洼扩展到使棱边很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。第6页,共48页，2024年2月25日，星期天72.后刀面磨损形成条件：在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性材料或加工脆性材料时，主要发生后刀面磨损。形式：由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这就是后刀面磨损。影响：切削力↑,切削温度↑,产生振动，降低加工质量。第7页,共48页，2024年2月25日，星期天83.边界磨损形成条件：切削钢料，或加工铸、锻等外表皮粗糙的工件时，常在主切削刃靠近工件外表皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。第8页,共48页，2024年2月25日，星期天9刀具磨损的形态

第9页,共48页，2024年2月25日，星期天10二、刀具磨损的形态2——非正常磨损（刀具破损）

刀具破损的主要形式：脆性破损和塑性破损。脆性破损：裂纹、崩刃、破碎等，塑性破损：卷刃（刀刃塑性变形）。用陶瓷、超硬刀具材料制成的刀具进行断续切削，或者加工高硬度材料时，刀具的脆性破损就更加严重。3.1刀具磨损与刀具寿命第10页,共48页，2024年2月25日，星期天11形式状况实例脆性破损硬质合金和陶瓷刀具在机械应力和热应力冲击作用下常发生。1)崩刃切削刃上产生小的缺口。缺口尺寸较小时，刀刃还能继续切削。但在继续切削过程中，刃区崩损部分会迅速扩大，可能使刀具完全失效。陶瓷刀具切削时；硬质合金刀具断续切削时2)破碎切削刃上发生小块碎裂或大块断裂，不能继续正常切削。硬质合金和陶瓷刀具断续切削时3)剥落在前、后刀面上几乎平行于切削刃而剥下一层碎片，经常连切削刃一起剥落。陶瓷刀具端铣时4)裂纹较长时间连续切削后，由于疲劳而引起裂纹的一种破损。有热裂纹；机械疲劳裂纹，当这些裂纹不断扩展合并，就会引起切削刃的碎裂或断裂。塑性破损由于高温和高压的作用，在前、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。高速钢刀具因其耐热性较差，易出现第11页,共48页，2024年2月25日，星期天12三、刀具磨损的原因

刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；前、后刀面上的接触压力很大，有时超过被切材料的屈服强度；接触面的温度也很高，如硬质合金加工钢料时可达800~1000℃。因此，刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。3.1刀具磨损与刀具寿命第12页,共48页，2024年2月25日，星期天2024/3/2913形式状况实例1.磨粒磨损碳化物（Fe3C、TiC等）、氮化物（AlN、Si3N4等）和氧化物（SiO2、Al2O3等）等硬质点以及积屑瘤碎片等，在刀具表面刻划出沟纹。在各种切削速度下都存在，它是低速刀具(如拉刀、板牙等)磨损的主要原因。2.粘结磨损切屑、工件与前、后刀面之间，存在着很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。刀具表面上的微粒逐渐被切屑或工件粘走。高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具都可能发生。硬质合金具在中等偏低的切削速度下切削塑性金属时，磨损比较严重。3.扩散磨损高温下，刀具和工件、切屑双方的化学元素互相扩散到对方去，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速磨损过程。扩散磨损的快慢和程度与刀具材料中化学元素的扩散速率关系密切。4.化学磨损较高温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损。空气不易进入刀—屑接触区，化学磨损中因氧化而引起的磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，从而产生较深的磨损沟纹。5.相变磨损刀具材料（高速钢）因切削温度升高达到相变温度（550~600°C）时，使金相组织发生变化，硬度降低而造成磨损。第13页,共48页，2024年2月25日，星期天14温度对磨损的影响

①磨粒磨损②粘结磨损③扩散磨损④化学磨损在低速(低温)区以磨粒磨损和粘结磨损为主；在高速(高温)区以扩散磨损和化学磨损为主。第14页,共48页，2024年2月25日，星期天15四、刀具磨损过程刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间3.1刀具磨损与刀具寿命第15页,共48页，2024年2月25日，星期天16阶段原因特点初期磨损1）新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面积很小，压应力较大；2）后刀面存在微观不平等缺陷。磨损很快。一般初期磨损量为0.05-0.10mm。正常磨损经初期磨损后，刀具的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，压应力减小，磨损速率明显减小磨损比较缓慢均匀。后刀面磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加。刀具工作的有效阶段。急剧磨损刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。磨损强度很大，生产中应当避免达到这个磨损阶段，要在这个阶段到来之前，及时更换刀具或重新刃磨刀具。第16页,共48页，2024年2月25日，星期天17硬质合金车刀的典型磨损曲线YD05-30CrMnSiA；go=4º，ao=8º，kr=45º，ls=-4º；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm第17页,共48页，2024年2月25日，星期天18五、刀具寿命（耐用度）及其经验公式1.定义（1）刀具寿命：刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准（刀具磨损到不能继续使用的限度，常取后刀面最大允许磨损量VB）为止的切削时间称为刀具寿命（耐用度）。（2）刀具总寿命：一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。3.1刀具磨损与刀具寿命第18页,共48页，2024年2月25日，星期天192.刀具寿命（耐用度）经验公式式中CT

、m、n、p

为与工件、刀具材料等有关的常数。五、刀具寿命（耐用度）及其经验公式第19页,共48页，2024年2月25日，星期天20刀具寿命经验公式的应用用硬质合金刀具切削碳钢（=0.763GPa）时，有

可知：v

的影响最显著；f次之；ap

影响最小。第20页,共48页，2024年2月25日，星期天213.影响刀具寿命的因素1）切削用量2）工件材料3）刀具几何角度4）刀具材料五、刀具寿命（耐用度）及其经验公式第21页,共48页，2024年2月25日，星期天22切削用量切削用量对刀具寿命Ｔ的影响规律如同对切削温度的影响。切削速度vc、背吃刀量ap、进给量f增大，使切削温度提高，刀具寿命Ｔ下降。Vc影响最大、进给量f其次，ap影响最小。工件材料1）工件材料的硬度或强度提高，使切削温度提高，刀具磨损加大，刀具寿命Ｔ下降。2）工件材料的延伸率越大或导热系数越小，切削温度越高，刀具寿命Ｔ下降。刀具几何角度1）前角对刀具寿命的影响呈“驼峰形”。2）主偏角Κr减小时，使切削宽度增大，散热条件改善，故切削温度下降，刀具寿命Ｔ提高。刀具材料刀具材料的高温硬度越高、越耐磨，刀具寿命Ｔ越高。第22页,共48页，2024年2月25日，星期天23不同刀具材料的耐用度比较

不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）第23页,共48页，2024年2月25日，星期天合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。最高生产率刀具寿命：单位时间生产最高数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间为最少。最低成本刀具寿命：以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则。多采用最低成本刀具寿命。五、刀具寿命（耐用度）及其经验公式4.刀具寿命的选择第24页,共48页，2024年2月25日，星期天25式中to

、tm

、ta

、tc

分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T

为刀具寿命。令f，ap为常数，有：使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：将上式代入式（4-1），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：又：最高生产率寿命式（4-1）第25页,共48页，2024年2月25日，星期天26式中C0——工序成本；

Cm

——机时费；

Ct——刀具费用

使工序成本最小的刀具寿命。以车削为例，工序成本为：仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为tmCm刀具费用taCmC0刀具耐用度Top成本经济寿命最低成本寿命第26页,共48页，2024年2月25日，星期天27刀具寿命的选择1)刀具的复杂程度和制造、重磨的费用简单的刀具如车刀、钻头等寿命选得低些；结构复杂和精度高的刀具，如拉刀、齿轮刀具等，寿命选得高些；同一类刀具，尺寸大的，制造和刃磨成本均较高，寿命规定得高些。2)装卡、调整比较复杂的刀具多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及自动机及自动线上的刀具，寿命应选得高一些，一般为通用机床上同类刀具的2-4倍。3)生产线上的刀具寿命应规定为一个班或两个班，以便能在换班时间内换刀。4)精加工尺寸很大的工件为避免在加工同一表面时中途换刀，寿命应规定得至少能完成一次走刀。第27页,共48页，2024年2月25日，星期天28切削用量选择原则：能达到零件的质量要求在工艺系统强度和刚性允许下充分利用机床功率和发挥刀具切削性能的前提下选取一组最大的切削用量

3.2切削用量的选择第28页,共48页，2024年2月25日，星期天29一、影响切削变形因素1.工件材料2.刀具前角3.切削用量3.2切削用量的选择第29页,共48页，2024年2月25日，星期天30二、切削用量对切削加工的影响

加工质量精加工时，提高切削速度Vc，能降低表面粗糙度值；增大进给量将增大加工表面粗糙度值；背吃刀量ap对表面粗糙度的影响较小。

生产率在切削加工中，金属切除率与切削用量三要素ap、f、v均保持线性关系，即其中任一参数增大一倍，都可使生产率提高一倍。由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其它二参数必须减小。在制订切削用量时，三要素获得最佳组合，高生产率才是合理的。原则：优先增大ap，以求一次进刀全部切除加工余量。刀具寿命切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为Vc、f、ap递减。原则：采用尽可能大的背吃刀量ap→大的进给量f→求出切削速度Vc。第30页,共48页，2024年2月25日，星期天31二、切削用量对切削加工的影响

合理选择切削用量，应该：首先选择一个尽量大的背吃刀量ap，其次选择一个大的进给量f。最后根据已确定的ap和f，并在刀具寿命和机床功率允许条件下选择一个合理的切削速度Vc。3.2切削用量的选择第31页,共48页，2024年2月25日，星期天32三、切削用量制定的步骤——传统方法

1.背吃刀量ap的选择背吃刀量的选择

：根据加工余量确定粗加工（Ra50~12.5）8~10mm半精加工（Ra6.3~3.2）0.5~2mm精加工（Ra1.6~0.8）0.1~0.4mm3.2切削用量的选择第32页,共48页，2024年2月25日，星期天33三、切削用量制定的步骤——传统方法

2.进给量f的选择粗加工时，进给量f的选择主要受切削力的限制；半精加工和精加工时，进给量的选择主要受加工表面质量的限制。3.2切削用量的选择第33页,共48页，2024年2月25日，星期天3.切削速度Vc的确定

：当背吃刀量aP与进给量f选定后，即可按下式计算切削速度v：切削速度确定之后，即可算出机床转速n：n＝1000v/πdwr／s式中dw——工件未加工前的直径。所选定的转速应根据机床说明书最后确定(取较低而相近的机床转速n)，最后应根据选定的转速来计算出实际切削速度。三、切削用量制定的步骤——传统方法

公式（3－1）第34页,共48页，2024年2月25日，星期天在选择切削速度时，还应注意考虑以下几点(1)精加工时．应尽量避免积屑瘤和鳞刺的产生区域；(2)断续切削时，宜适当降低切削速度，以减小冲击和热应力；(3)加工大型、细长、薄壁工件时，应选用较低的切削速度；(4)在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度；(5)加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度第35页,共48页，2024年2月25日，星期天36三、切削用量制定的步骤——传统方法

4.校验机床功率(仅对粗加工)

首先根据所选定的切削用量，计算出切削功率P：P＝Fv10-3kw

然后根据机床说明书，查出机床电动机功率PE,校验下列条件是否满足：

P＜PEηm式中ηm

———机床传动效率如不能满足上式，要进行分析，适当减小所选的切削用量。公式（3－2）第36页,共48页，2024年2月25日，星期天37已知条件：工件材料为45钢（热轧），σb=0.637GPa。毛坯尺寸φ50×350mm，加工要求为外圆车削至φ44mm，Ra3.2μm，加工长度300mm。CA6140卧车。刀具为焊接式硬质合金外圆车刀，刀片材料为YT15，刀杆截面尺寸为16mm×25mm；几何参数为γo=15°，αo=8°，κr=75°，κr′=10°，λs=6°，rε=1mm，bγ1′=0.3mm,γo1=-10°。试确定车削外圆的切削用量？第37页,共48页，2024年2月25日，星期天解：因表面粗糙度有一定要求，所以分粗车、半精车两个工步加工。1.粗车工步：（1）确定背吃刀量ap单边余量共3mm，粗车选ap1=2.5mm;半精车选ap2=0.5mm；（2）确定进给量：从表1-7查得f=0.4—0.5mm/r，按实际说明书查得f=0.51mm/r；第38页,共48页，2024年2月25日，星期天（3）确定切削速度由表3-6查得或由公式（3-1）计算，由表查得：v=90m/min，再由（3-2）求出机床主轴转速：

n=1000v/πdw=1000X90/3.14X50=573r/min按机床说明书选取实际机床的主轴转速为560r/min，所以实际转速为：Vc=πdwn/1000=87.9m/min（4）校验机床功率（略）

最终选配的粗车切削用量为Vc=87.9m／min，f=0.51mm/r，ap=2.5mm。第39页,共48页，2024年2月25日，星期天2.半精车工步：（1）确定背吃刀量ap=0.5mm；（2）确定进给量：根据表面粗糙Ra3.2μm,rε=1mm，从表3-4查得f=0.3—0.35,按说明书实际进给量确定f=0.3mm/r；（3）确定切削速度：从表3-6选取：Vc=130m/min，再计算机床转速：第40页,共48页，2024年2月25日，星期天按机床说明书选取实际机床的主轴转速为900r/min，所以实际转速为：Vc=πdwn/1000=127.2m/min（4）校验机床功率（略）最终选配的半精车切削用量为：ap=0.5mm，f=0.3mm/r，Vc=127.2m/min。第41页,共48页，2024年2月25日，星期天42四、提高切削用量的途径1.采用切削性能更好的新型刀具材料；在ap=1mm，f=0.18mm/r的条件下，车削

350～400HBS的高强度钢时，普通高速钢车刀：υc＝15m/min，硬质合金车刀：υc＝76m/min，涂层硬质合金车刀：υc=130m/min，陶瓷刀具：υc＝335m/min。3.2切削用量的选择第42页,共48页，2024年2月25日，星期天43四、提高切削用量的途径2.改善工件材料加工性；在ap=4mm，f=0.4mm/r的条件下，用硬质合金刀具车削70