10金属切削原理与刀具教案

教 案

2009-2010学年 第 2学期

院 （部） 机电学院 教 研 室 机制

课 程 名 称 金属切削原理与刀具 授 课 专 业 班 级 机械0705 机械071-4 主 讲 教 师 李英杰 职 称 职 务 副教授

使 用 教 材 金属切削原理与刀具

山东建筑大学教务处制

山东建筑大学机电工程学院教案 第 1 次课

绪论、切削运动、刀具切削部分基本定义 授课内容 刀具角度 掌握切削运动的基本概念 目的要求 掌握刀具切削部分几何参数及刀具角度的概念 重点难点 六个基本角度、刀具切削部分几何参数的基本定义 课 型 绪 论 课程性质和任务 能力培养 第一章 刀具角度及切削要素 第一节 切削运动与切削用量 切削运动 切削用量 理论 计划学时 3 课前准备 第二节 刀具切削部分的基本定义 刀具切削部分的组成 刀具角度参考系 刀具静止（标注角度）参考系 刀具角度（刀具标注角度） 正交平面参考系内的标注角度 课堂小结 切削运动的基本概念 作业、思考 刀具切削部分几何参数的基本定义 课后小结 山东建筑大学备课纸

绪 论 课程性质和任务 金属切削原理与刀具课程是机械工程及自动化专业机制方向的专业任选课。 本课程是研究金属切削加工过程及刀具设计、使用的一门科学，该课程既有理论性又有很强的实践应用性，为学生在日后工作中解决机械制造技术问题奠定一定的基础。 本课程是由金属切削原理和金属切削刀具两部分组成，前者又是本课程及其它专业课程的基础，主要讲述金属切削过程中各种物理现象的变化规律，以及应用这些规律解决金属切削技术问题的方法；后者主要讲述通用刀具和专用刀具的类型、结构特点、应用范围及设计计算方法等。 能力培养 学习本课程后，应具备以下能力： 能正确图示并合理选择刀具几何参数；掌握金属切削基本规律，并会初步运用其分析解决金属切削的技术问题；了解常见通用刀具的类型、结构特点与应用范围，并能正确选用；初步掌握专用刀具的设计计算方法；对刀具的发展趋势和新成就有初步的了解；具有较强的自学能力和创新意识，能进一步研究探讨金属切削与刀具设计理论。 本课程为机制方向的专业任选课 、考试课。 本课程总学时：32学时，其中： 授课：30 学时 ； 实验学时：2学时。 第一章 基本定义 第一节 切削运动与切削用量 金属切削加工：是工件与刀具相互作用的过程，是用刀具从工件表面上切除多余的材料的过程。 金属切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。 实现切削过程的三个条件 1．切削运动：工件与刀具之间要有相对运动。 2．切削性能：刀具材料必须具备一定的切削性能。 3．切削角度：刀具必须具有合理的几何参数。 三个表面 待加工表面：工件上即将切除的表面。 已加工表面：工件上已经切除而形成的新表面。 过度表面（加工表面）：工件上正在切削的表面。 切削运动 刀具与工件间的相对运动（即表面成形运动）。切削运动可分为主运动和进给运动。主运动和进给运动的向量合称为合成切削运动。 主运动：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动，称为主运动。特征：速度最高、消耗功率最大。只有一个。 - 1 -

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进给运动：使主运动能够连续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动，称为进给运动。特征：速度低、消耗功率小。可有多个。 切削层 在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。 切削层参数是指这个切削层的截面尺寸，一般在基面内度量和观察。 切削用量 是切削加工中切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）的总称。 切削速度υc ：切削加工时，切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。单位为m/s或m/min。 主运动是旋转时，最大切削运动是： cdn1000(m/s或m/min） 进给量 f：是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。 当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r； 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程； 对于多齿的旋转刀具（如铣刀、切齿刀），常用每齿进给量 fz，单位为mm/z或mm/齿。它与进给量 f 的关系为 f = z fz 进给速度υf ：指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬间时速度，单位为mm/s或m/min。车削时进给运动速度为：υf = n f 背吃刀量（切削深度）ap ：在基面上，垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸（已加工表面与待加工表面间的垂直距离）。外圆车削的背吃刀量： ap＝（dw-dm）/2 合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动。 合成切削速度υe：切削刃上选定点相对于工件的合成运动的瞬时速度。 υe＝υc+υf 第二节 刀具几何角度 刀具的组成：由工作部分和非工作部分构成（车刀由刀头和刀柄两部分组成）。刀头用于切削，刀柄用于装夹。 刀具切削部分的组成 外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）组成可用一句话总结： “三面两刃一尖”。 前面（前刀面）Aγ：刀具上切屑流过的表面。 主后面（后面）Aα：与工件过渡表面相对的表面。 副后面Aα’：与已加工表面相对的表面。 主切削刃S：前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。 副切削刃S’：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。 刀尖（过渡刃）：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段，折线段，或圆弧。 刀具角度参考系 - 2 -

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刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。用于定义刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。 参考系有两类 刀具静止参考系：用于刀具的设计、刃磨和测量的参考系。 刀具工作参考系：它是确定刀具切削工作时的基准，用于定义刀具的工作角度。 刀具静止（标注角度）参考系 用于刀具的设计、刃磨和测量的参考系 四个假设条件 1.装刀时，刀尖恰在工件的中心线上； 2.刀具的轴线垂直工件的轴线； 3.没有进给运动； 4.工件已加工表面的形状是圆住表面。 正交平面参考系 由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。 切削平面PS：包含有切削刃选定点的切线与切削速度向量的平面。 基面Pr：通过切削刃选定点且垂直于切削速度向量的平面。 正交平面Po ：是过切削刃选定点，并垂直于切削平面PS与基面Pr的平面。 法平面参考系 法平面参考系由基面Pr、切削平面PS和法平面Pn 组成。 法平面Pn ：过主切削刃选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面。 假定工作平面参考系 假定工作平面参考系由 Pr、P f和Pp组成。 假定进给平面（假定工作平面）Pf ：过主切削刃选定点，平行于假定进给运动方向并垂直于基面的平面。 假定切深平面（背平面）Pp ：过切削刃上选定点，垂直于假定进给平面和基面的平面。 正交平面参考系内的标注角度 前角γo：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。 后角αo：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。 主偏角κr：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。 刃倾角λs：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。 当主切削刃呈水平时，λs=0；刀尖为主切削刃最低点时，λs＜0；刀尖为主切削刃上最高点是，λs＞0。 副偏角κr’：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。 副后角αo’： 在正交平面内测量的副后刀面与切削平面的夹角。 在正交平面参考系中，需要6个独立角度κr 、γo 、αo 、 λs 、 κr’和αo’确定一把刀具切削部分的几何形状。 法平面参考系内的标注角度 - 3 -

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法平面参考系由Pr、Ps、Pn三个面组成。 法前角γn 、法后角αn 、法楔角βn 、主偏角κr、刃倾角前角λs、副偏角κr’ 法前角γn ：在法平面内测量的前刀面Aγ与基面Pr的夹角。 法后角αn：在法平面内测量的切削平面Ps与后刀面Aα的夹角。 法楔角βn：在法剖平面内测量的前刀面Aγ与后刀面Aα的夹角。 假定工作平面参考系中的标注角度 背前角γp 、背后角αp 、背楔角βp 、侧前角γf 、侧后角αf 、 侧楔角βf 刀具角度的一面二角分析法 空间任意一个平面的定向角度只需两个，所以判断刀具切削部分需要标注的独立角度数量可用一面二角分析法确定。 即刀具需要标注的独立角度的数量是刀面数量的二倍。 用工作图标注刀具几何参数时首先应判断或假定刀具哪条是主切削刃，那条是副切削刃。然后就可确定各切削刃的基准坐标平面及全部的标注参数。 四、刀具的工作角度 刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动υe或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。 由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角γoe、工作后角αoe 的变化。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。 刀具工作参考系 工作基面Pre ：通过切削刃上的选定点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。 工作切削平面Pse：通过切削刃上的选定点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。 工作正交平面Poe：通过切削刃上的选定点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。 刀具工作角度的定义与标注角度类似。 在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度（γoe 、αoe 、κre、κ’re、α’oe 、λse）的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。 在车削（切断、车螺纹、车丝杠）、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。 刀具安装对工作角度的影响 刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响 刀尖安装高低对工作前、后角的影响 进给运动对工作角度的影响 进给运动方向与工件旋转轴线不平行 轴向进给运动对工作前、后角的影响 横向进给运动的影响

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山东建筑大学机电工程学院教案 第 2次课

切削层与切削方式 授课内容 金属切削对刀具材料性能的要求；常用刀具材料性能及应用。 掌握常用刀具材料性能及应用：高速钢 硬质合金 目的要求 金属切削对刀具材料性能的6项要求； 重点难点 常用刀具材料性能及应用：高速钢 硬质合金 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第三节 切削层与切削方式 第二章 刀具材料 刀具材料应具备的性能 常用刀具材料 高 速 钢 硬质合金 硬质合金的选用 课堂小结 刀具材料性能与刀具材料成分及含量的关系； 作业、思考 常用刀具材料选用。 课后小结 山东建筑大学备课纸

第三节 切削层与切削方式 切削层：是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层切削层。 切削层参数：是指切削层的截面尺寸，它决定刀具所承受的负荷和切屑的尺寸大小，一般在基面内度量和观察 切削层公称厚度hD：垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。（简称切削厚度）hD =f sinκr 切削层公称宽度bD ：平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。（简称切削宽度）bD = ap /sinκr 切削层公称横截面积AD ：在切削层参数平面内度量的横截面积。（简称切削面积）AD=hD bD=ap f 上述公式中可看出 ：hD、bD均与主偏角有关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD或f、ap有关。 残留面积 实际横截面积 切削方式 正交切削（直角切削）：正交切削是指切削刃垂直于合成切削运动方向的切削方式。显然直角切削其切削刃刃倾角λs＝0。 非正交切削（斜角切削）：切削刃不垂直于合成切削运动方向的切削，称非正交切削，即λs≠0。 自由切削：自由切削是指只有一条直线切削刃参与切削的方式，其特点是切削刃上各点切屑流出方向一致，且金属变形在二维平面内。 非自由切削：曲线刀刃或两条以上切削刃参与切削的切削方式称为非自由切削方式。 在实际生产中，切削方式多属于非自由切削方式。在今后对金属切削变形的研究中，为了简化条件常采用自由切削方式。 第二章 刀具材料 刀具材料一般是指刀具切削部分的材料 在切削过程中，刀具担负着切除工件上多余金属以形成已加工表面的任务。刀具的切削性能好坏，取决于刀具切削部分的材料、几何参数以及结构的合理性等。刀具材料对刀具寿命、加工生产效率、加工质量以及加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。刀具材料的发展受着工件材料发展的促进和影响。 刀具材料应具备的性能 1. 高的硬度和耐磨性 2. 足够的强度和韧性 3. 高的耐热性（热稳定性） 4. 良好的物理特性 5. 良好的工艺性 6. 经济性 高的硬度和耐磨性：硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具的切削刃的硬度，刀具材料常温硬度一般要求大于60HRC。 - 1 -

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耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。 足够的强度和韧性：为承受切削负荷、振动和冲击，刀具材料必须具备足够的强度和韧性。 高的耐热性（热稳定性）：耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。 除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。 良好的物理特性：刀具材料应具备良好的导热性、大的热容量以及优良的热冲击性能。 良好的工艺性能：为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等等。 经济性：经济性是刀具材料的重要指标之一。刀具材料的发展应结合本国资源。有的刀具（如超硬材料刀具）虽然单件成本很贵，但因其使用寿命很长，分摊到每个零件的成本不一定很高。因此在选用时要考虑经济效果。此外，在切削加工自动化和柔性制造系统中，也要求刀具的切削性能比较稳定和可靠，有一定的可预测性和高度的可靠性。 常用刀具材料 工具钢：包括碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn） 高速钢 硬质合：有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。 陶瓷 超硬刀具材料：金刚石及立方氮化硼等。 碳素工具钢和合金工具钢因耐热性低而常用于手工工具。 陶瓷、金刚石及立方氮化硼目前仅用于超硬工件的加工。 目前最常用的是高速钢和硬质合金。 高 速 钢 它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。 热处理后硬度可达62～66HRC，抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度在500～650°C时仍能进行切削。由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。 高速钢的分类 按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。 按制造工艺可分为：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。 按基本化学成份可分为：钨系和钨钼系。 通用型高速钢 这类高速钢含碳量为0.7～0.9％，合金元素主要成分有W、Mo、Gr、V等。 主要牌号： 钨钢：W18Cr4V（18－4－1）由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀 - 2 -

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等原因，目前国内外已很少采用。 钨钼钢 ：它是钨钢中部分钨用钼取代而获得的一种高速钢。典型牌号W6Mo5Cr4V2（6－5－4－2），简称M2钢。强度、韧性、热塑性好，但热处理时易脱炭、氧化，且淬火温度范围窄等，用于热轧刀具或热成形刀具。另一种是W9Mo3Cr4V（9－3－4－1）简称W9。其碳化物均匀界于M2与W18之间，热稳定性优于M2。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。 典型牌号： 高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2 高钒高速钢W6Mo5Cr4V3 钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5、W18Cr4VCo5 超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8（M42）W6Mo5Cr4V2Al（501） 可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。 优点 1. 可有效地解决一般熔炼高速钢在铸造时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织。这就使这种钢有良好的力学性能。强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5～3倍。 2. 这种钢的磨加工性很好，磨削表面粗糙度可显著减小。 3. 由于粉冶钢物理力学性能的高度各向同性，可减小淬火时的变形（只及熔炼钢的1/2～1/3）。 4. 粉冶钢的耐磨性可提高20%～30%。。 5. 适用于制造精密刀具、大尺寸（滚刀、插齿刀）刀具、复杂成形刀具、拉刀等。 硬质合金 硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物（碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等）和金属粘结剂（Co、Mo、Ni等）用粉末冶金工艺制成。 特点：硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000°C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～10倍，切削钢时，切削速度可达220m/min。 硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造。 硬质合金分为类 P类，用于加工长切屑（塑性）黑色金属。相当我国YT类硬质合金； K类，用于加工短切屑（脆性）黑色金属、有色金属和非金属材料。相当于我国的YG类； M类，可加工长切屑和短切屑黑色金属和有色金属。相当于我国的YW类。 K类：钨钴类硬质合金 代号为YG。这类合金是由WC和Co组成。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。我国生产的常用 - 3 -

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牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，含Co量分别为3%、6%、6%、8%。YG（K）类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性。硬度为89～91.5HRA，抗弯强度为1.1～1.5GPa比YT类高。适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。如黑色金属、有色金属以及非金属材料，低速时也可加工钛合金等耐热钢。 P类：钨钛钴类硬质合金 代号为YT。它以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成，常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30，TiC含量分别为5%、14%、15%和30%，相应的钴含量为10%、8%、6%及4%主要用于加工钢料；不宜加工不锈钢和钛合金；适合于精加工。这类合金的硬度为89.5～92.5HRA，抗弯强度为0.9～1.4GPa。随着合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低 。YT类硬质合金的突出优点是耐热性好。 M类：钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW。它在YT（P）类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。 以上三类硬质合金的主要成分都是WC，故可统称为WC基硬质合金。 YN类硬质合金（ TiC 基硬质合金）：这类合金是TiC为主要硬质相，以Ni或Mo为粘结相制成的合金。它比WC基合金有高的耐磨性、耐热性和高的硬度（近似陶瓷），但抗弯强度和冲击韧性较差。通常适用于钢和铸铁的半精加工和精加工。代表牌号为YN05和YN10。 硬质合金的选用 YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。 YT类硬质合金适于加工钢料。。 YW类硬质合金则主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。 硬质合金中含钴量增多（WC、TiC含量减少）时，其抗弯强度和冲击韧度增高（硬度及耐热性降低），适合于粗加工。 含钴量减少（WC、Tic含量增加）时，其硬度、耐磨性及耐热性增加（强度及韧性降低），适合于作精加工用。 在加工含钛的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和钛合金时，不宜采用YT类硬质合金。 涂层刀具材料 在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。 涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法（CVD法），沉积温度1000℃左右； 涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法（PVD法），沉积温度500℃左右。 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3及其复合材料等， 涂层厚度随刀具材料不同而异。 TiC涂层 ：硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。 TiN涂层 ：在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。 TiC－TiN复合涂层：第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN，减少表面层与工件间的摩擦。 TiC-Al2O3复合涂层：第一层涂TiC， 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层

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涂Al2O3可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。 目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。 陶瓷刀具材料 以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 优点：硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； 缺点：脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制； 可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。 金刚石刀具材料 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。 优点：由于硬度极高，其显微硬度达到10000HV，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤。 缺点：热稳定性差，切削温度超过700～800℃时，就会完全失去其硬度；强度低，脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。 可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65～70HRC的材料；也可用于加工高硬度的非金属材料，如玻璃等；还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 立方氮化硼 立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。 特点：它有很高的硬度（其显微硬度为8000～9000HV）及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300℃时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。 可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。 - 5 -

山东建筑大学机电工程学院教案 第 3次课

金属切削过程、切削力、切削热与切削温度。 授课内容 掌握切屑变形、切削力和切削热与切削温度的变化规律及影响目的要求 因素 重点难点 变形过程和变形区划分、影响切削力和切削温度的因素 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第三章 切削变形与切屑形成 金属切削过程的变形 变形区的划分 变形程度的表示方法 影响切削变形的主要因素 第四章 切削力 切削力的来源 切削合力及其分解 影响切削力因素 第五章 切削热和切削温度 切削热的来源及传出 影响切削温度的主要因素 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 课堂小结 切屑变形的变化规律及影响因素；影响切削力的因素； 作业、思考 影响切削力与切削温度的因素。 课后小结 山东建筑大学备课纸

金属切削过程的基本规律 金属切削过程 刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到加工表面形成为止的完整过程。 金属切削的基本规律做什么 主要研究以切屑形成机理为基础，从而对金属切削加工过程中的各种现象，如切削力、切削热、切削温度和刀具磨损等进行研究，以解决生产中出现的问题，如积屑瘤、振动和切屑的卷曲与折断等。 研究金属切削的基本规律的目的 研究金属切削的基本规律对保证加工质量、提高生产率、降低生产成本和促进切削加工技术的发展，有着十分重要的意义。 第三章 金属切削过程 金属切削过程的变形 变形区的划分 第Ⅰ变形区：即剪切变形区，从OA线开始发生塑性变形到OM线晶粒的剪切滑移基本完成，金属剪切滑移，成为切屑。 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦，产生纤维化。 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。 第Ⅰ变形区 第Ⅰ变形区内金属的剪切变形 OA—始滑移线； OM—终滑移线。 OA与OM线之间的整个区域称第一变形区。 金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。 变形的主要特征是沿滑移线的剪切变形，以及加工硬化。 剪切面（滑移面）：在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约0.2～0.02mm，所以可用一剪切面来表示。 剪切角：剪切面和切削速度方向的夹角叫做剪切角，以φ表示。 第Ⅱ变形区 当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，这一区域又称为第Ⅱ变形区。 此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。 第Ⅲ变形区 工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦，使已加工表面内产生严重变形，已加工表面与后面的接触区称为第Ⅲ变形区。此区变形是造成已加工面纤维化、加工硬化和残余应力的主要原因。 变形程度的表示方法 剪切角φ 变形系数Λ（ξ） 相对滑移系数ε 前刀面的摩擦特点 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑与前刀面之间既有 - 1 -

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外摩擦，也有内摩擦。 两个摩擦区 粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。 积屑瘤 在切削速度不高而又能形成连续性切削的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面切削处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。 积屑瘤是如何产生 积屑瘤对切削过程的影响 防止积屑瘤的办法 影响切削变形的主要因素 工件材料 刀具角度 切削用量 切屑类型 第四章 切削力 金属切削时，刀具切除工件上的多余金属所需要的力，称为切削力。 切削力的来源 ： 克服工件材料弹性变形的力。 克服工件材料塑性变形的力。 克服刀—屑、刀—工接触面之间的摩擦力。 切削合力及其分解 作用在刀具上的切削合力Ｆ可分解为常用的相互垂直的三个分力： Fc（Fz）—主切削力或切削力，是切削合力在主运动方向上的投影，其方向垂直于基面。 Fc 是计算切削功率的主要力，也是设计机床零件和计算刀具强度的重要依据。 Fp（Ｆy）—背向力或切深抗力，它在基面内并与进给方向垂直。 Fp 使工件产生弯曲变形并可能引起振动。 Ff（Ｆx）—进给抗力或进给力，它在基面内并与进给方向平行。 Ff 是设计进给机构和计算进给功率的依据。 切削力的求法 通过测量机床功率求切削力 利用测功率表测量机床的功率，然后求得切削力的大小。该方法误差较大。 利用测力仪测量切削力 通常使用的切削测力仪有两种：电阻应变片式测力仪和压电晶体式测力仪。 这两种测力仪都可以测出Ｆc、Ｆp、Ｆf三个分力，后者精度较高。 利用经验公式计算切削力 - 2 -

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通过大量实验，将测力仪测得的切削力数据，用数学方法进行处理，得到切削力的经验式。 切削力的实验公式 xyn FcCFcaPFcfFcFcKFc xFpyFpnFpFCafKFp pFpPxFyFnF FfCFfaPffffKFf 单位切削力kc （ p ） 切除单位切削层面积的主切削力。 如单位切削力为己知，则可计算出切削力Fc Fc＝kc AD＝ kc ap f 影响切削力因素 切削用量 背吃刀量ap和进给量ｆ：ａp和ｆ增加时，切削面积增加，切削力增加； ap增加时变形系数不变，切削力按正比关系增加；ｆ增加时变形系数减小，因此，切削力不按正比关系增加；ｆ对切削力的影响比ap的影响小。 切削速度：切削速度对切削力的影响规律与对切屑变形的影响基本相同。切削塑性金属时，在积屑瘤区，由于积屑瘤现象使刀具实际前角增大，切屑变形减小，切削力减小。在无积屑瘤时，随υ的增加，切削力减小。切削脆性金属时，υ增加，切削力略有减小。 工件材料 工件材料的强度、硬度越高，虽然切屑变形略有减小，但总的切削力还是增大的。工件材料的化学成分不同，如含碳量多少，是否含有合金元素等，切削力不同。热处理状态不同，切削力也不同。材料硬化指数不同，切削力也不同。如不锈钢硬化指数大，切削力大；铜、铝、铸铁及脆性材料硬化指数小，切削力就小。 刀具几何参数的影响 前角：前角对切削力影响较大。当切削塑性金属时，切削力随前角增加而减小。加工脆性金属时前角对切削力影响不明显。 主偏角：主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ κr ↑— Fp↓，Ff↑） 刃倾角：刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ λs ↑—Fp↓，Ff↑） 刀尖圆弧半径 rε ：对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ rε ↑ — Fp↑，Ff↓） ； 负倒棱对切削力的影响 ：在锋利的切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃口强度，从而提高刀具使用寿命。负倒棱导致切削变形增加，切削力增大。 其他因素影响 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 通常按立方氮化硼，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢的顺序切削力依次增大。 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著。

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第五章 切削热和切削温度 切削热的来源及传出 切削热来源：来源于三个变形区，即切屑的变形功和前、后刀面的摩擦功。 切削热量Q：切削过程中消耗的功率98 ～99%转换为热能，Q＝FC υc 切削热的传散：切削热主要由切屑、工件、刀具以及周围介质传出。 切削温度测定及分布 什么是切削温度：指前刀面与切屑接触区内的平均温度。它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热越多，传出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度越低。 切削温度的测量：自然热电偶法、人工热电偶法。 切削温度的分布 影响切削温度的主要因素 切削用量：切削速度对切削温度影响最大，进给量f对切削温度的影响次之，背吃刀量ap对切削温度的影响最小。 刀具几何参数 前角：前角对切削温度的影响主要是依据其对变形和摩擦的影响。前角增大，变形减小，切削温度降低。但当γ0大于18°～ 20°时，虽然变形小产生热量少，但散热条件恶化，故切削温度不但不降低，反而有可能升高。 主偏角：主偏角对切削温度的影响主要是依据其对切削刃工作长度和刀尖角变化的影响。当主偏角减小时， bD增加，而hD减小，同时刀尖角εr增大，总的散热条件改善，故切削温度减小。 工件材料 工件材料对切削温度的影响取决于其强度、硬度、导热性等。合金钢强度高，比普通钢消耗功率大，而且导热系数小，散热性差，故切削温度高。切削脆性材料时由于形成崩碎切屑，变形与摩擦都小，故切削温度低。 切削液 切削液热导率、比热容、流量越大，温度越低 刀具磨损 刀具磨损较严重时，刀具刃口变钝，切屑变形增大，同时后刀面与工件之间摩擦增大，二者均使切削热增加，切削温度升高。刀具磨损是影响切削温度的主要因素。 掌握了切削温度的变化规律，就可以控制刀具的磨损和已加工表面的质量。 切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 高切削温度是刀具磨损的主要原因 它将限制生产率的提高 切削温度还会使加工精度降低 使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷 - 4 -

山东建筑大学机电工程学院教案 第 4 次课

刀具的磨损与刀具寿命 授课内容 切削用量的合理选择 了解和掌握影响刀具磨损与刀具寿命的因素；刀具耐用度概念目的要求 及其影响因素。了解和掌握制订切削用量的原则；切削用量三要素对生产率的影响；切削用量三要素的确定方法。 刀具磨损的基本原因、刀具耐用度概念及其影响因素； 重点难点 制订切削用量的原则、切削用量三要素的确定方法。 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第六章 刀具磨损与刀具寿命 刀具磨损 刀具耐用度（刀具寿命） 影响刀具耐用度的因素 合理的刀具耐用度确定原则 第七章 切削用量的合理选择 制订切削用量时考虑的因素 切削用量制定的步骤 提高切削用量的途径 课堂小结 刀具耐用度概念及其影响因素 作业、思考 切削用量三要素的确定方法 课后小结 山东建筑大学备课纸

第六章 刀具磨损与刀具寿命 刀具磨损：刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损。 刀具磨损形式 刀具的磨损可分为：正常磨损（刀具逐渐磨蚀）和非正常磨损（刀具随机破损） 正常磨损 呈现为三种形态：前刀面磨损、后刀面磨损、边界磨损或（前后刀面磨损） 刀具磨损的主要原因 刀具磨损的原因有以下几种： 磨粒磨损（或称机械擦伤磨损、硬质点磨损） 、粘结磨损、扩散磨损、相变磨损、化学磨损、热电磨损。 由于工件、刀具材料和切削条件变化很大，刀具磨损形式也各不相同，故其磨损原因很复杂。但从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。前者是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的磨损，后者则是由粘结、扩散、腐蚀等引起的磨损。 不同条件下刀具磨损的主要原因 不同的刀具材料、工件材料及切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。 硬质合金刀具加工钢料时，在不同的切削速度（切削温度）下各类磨损所占比重是不同的：在低速（低温）区以硬质点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。 刀具的磨损是一个复杂的过程，磨损原因之间相互作用，如热电磨损促使扩散磨损加剧，扩散磨损又促使粘结、硬质点磨损加剧。 归根结底，刀具磨损与温度有至关重要的联系。 刀具磨损的过程 分三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段 刀具磨钝标准 刀具磨损到一定的限度，不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。 国际标准ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。 自动化生产中的精加工刀具常以工件径向上刀具磨损量NB做为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量。 由于加工条件不同，所定的磨钝标准也有变化。 精加工的磨钝标准取小值，而粗加则取较大值。 磨钝标准的具体数值可参考有关手册，一般为0.3～0.6mm 。 刀具耐用度（刀具寿命） 刀具耐用度是指刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的总的切削时间，用T（min）表示。 对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几何形状选定之后，切削用量是影响刀具耐用度的主要因素。 因为切削温度对刀具磨损影响很复杂，目前要用理论分析方法导出切削用量与刀具耐用度之间的数学关系，与实际情况不尽符合，所以还是进行刀具耐用度实验来建立它们之间的实验关系式。 影响刀具耐用度的因素 - 1 -

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切削用量的影响 切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。提高切削速度，耐用度就降低。切削速度对切削温度影响最大，因而对刀具磨损影响最大 切削时，增加进给量f和背吃刀量ap，刀具耐用度也要减小。 切削速度υc对刀具耐用度影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小 刀具几何参数的影响 前角：前角增大，切削温度降低，刀具耐用度提高，但前角过大，刀具强度降低，散热差，刀具耐用度反而降低。存在一个最佳值。 主偏角、副偏角：减小时，提高刀具耐用度。 刀尖圆弧半径：增大时，提高刀具耐用度。 工件材料 强度、硬度、韧性越高，刀具耐用度越低。 刀具材料 合理的刀具耐用度确定原则 一般有两种确定刀具耐用度的方法：最高生产率耐用度TP和最低加工成本刀具耐用度Tc 第七章 切削用量的合理选择 制订切削用量就是确定具体切削工序的背吃刀量ap、进给量f、切削速度υc及刀具耐用度T。 切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。 所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 切削用量选择原则：能达到零件的质量要求（主要指表面粗糙度和加工精度），并在工艺系统强度和刚性允许下及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。 制订切削用量时考虑的因素 1. 切削用量对生产率的影响 2. 切削用量对刀具寿命（刀具的耐用度） T的影响 3. 切削用量对加工质量的影响 4. 粗加工的切削用量，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本； 5. 半精加工和精加工的切削用量，应以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率、经济性和加工成本。 6. 切削用量的选择顺序是 先定背吃刀量ap，再选进给量f，最后确定切削速度υc 综上所述，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，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选挥一个合理的切削速度υc。 切削用量制定的步骤 背吃刀量ap的选择 根据加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最小；粗加工（表面粗糙度为Ra50～12.55μm）时，一次走刀应尽可能切除全部余量，在中等功率机床上，背吃刀量可达8～10mm。 - 2 -

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半精加工（表面粗糙度为Ra6.3～3.2μm）时，背吃刀量取为0.5～2mm。精加工（表面粗糙度为Ra1.6～0.81μm）时，背吃刀量取为0.1～0.4mm。当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除，但第一次的走刀应尽量的大。 进给量f的选择 粗加工，粗加工时，对工件表面质量没有太高要求，这时切削力往往很大，合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量。这一进给量受到下列一些因素的限制：机床进给机构的强度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度和工件的装夹刚度等。 精加工，精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙度的限制。可利用计算的方法或查手册资料或凭经验法来确定进给量f的值。 切削速度υc的确定 根据已经选定的背吃刀量ap、进给量f及刀具耐用度T，就可按公式计算切削速度。除了用计算方法外，生产中经常按实践经验和有关手册资料选取切削速度。 提高切削用量的途径 采用切削性能更好的新型刀具材料 如采用超硬高速钢、含有添加剂的新型硬质合金、涂层硬质合金和涂层高速钢、新型陶瓷（如Al2O3、TiC及其他添加剂的混合陶瓷及Si3N4陶瓷）及超硬材料等。 改善工件材料的加工性 如采用添加硫、铅的易切钢；对钢材进行不同热处理以便改善其金相显微组织等。 改进刀具结构和选用合理刀具几何参数 提高刀具的刃磨及制造质量 采用新型的性能优良的切削液和高效率的冷却方法 例如采用含有极压添加剂的切削液。 - 3 -

山东建筑大学机电工程学院教案 第 5 次课

工件材料的切削加工性与切削液； 授课内容 已加工表面质量。 了解和掌握工件材料的切削加工性的规律；了解和掌握切削液目的要求 的分类、作用；已加工表面质量概念及内容。 工件材料的切削加工性意义、概念和衡量指标、切削液的 重点难点 分类、作用；已加工表面质量概念。 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第八章 工件材料的切削加工性与切削液 第一节工件材料的切削加工性 切削加工性的指标 影响工件材料切削加工性的因素 改善材料切削加工性的措施 第二节 切削液的选用 切削液的作用 切削液的添加剂 切削液的分类 切削液的选用 第九章 已加工表面质量 表面质量对机器使用性能的影响 已加工表面形成机理 表面粗糙度 表面层加工硬化 表面层残余应力 课堂小结 工件材料的切削加工性意义、概念和衡量指标；切削液的分类、作用；作业、思考 已加工表面质量概念及内容；已加工表面粗糙度、加工硬化、残余应力形成原因和影响因素。 课后小结 山东建筑大学备课纸

第八章 工件材料的切削加工性与切削液 第一节 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性是指在一定的切削条件下，工件材料切削加工的难易程度。当被切削工件难加工时，切削加工性差（低）；反之，切削加工姓好（高）。切削加工性是一个相对的概念，如低碳钢，从切削力和切削功率方面来衡量，则加工性好；如果从已加工表面粗糙度方面来衡量，则加工性不好。粗加工时，要求刀具的磨损慢和加工生产率高；而在精加工时，则要求工件有高的加工精度和较小的表面粗糙度。显然，这两种情况下所指的切削加工难易程度是不相同的。 切削加工性的指标 切削加工性既是相对的，那么衡量切削加工性的指标就不是唯一的。一般把切削加工性的衡量指标归纳为以下几个方面： 以加工质量衡量切削加工性； 以刀具耐用度衡量切削加工性； 以单位切削力衡量切削加工性； 以断屑性能衡量切削加工性。 以加工质量衡量切削加工性 常用于零件的精加工。如：表面粗糙度、已加工表面变质层的深度、残余应力和硬化程度来衡量其切削加工性等。 以单位切削力衡量切削加工性 在机床动力不足或机床—夹具—刀具—工件系统刚性不足时，常用这种衡量指标。 以断屑性能衡量切削加工性 在对工件材料断屑性能要求很高的机床应采用这种衡量指标。 如：自动机床、组合机床及自动线上进行切削加工。 以刀具耐用度衡量切削加工性 以刀具耐用度来衡量切削加工性，是比较通用的，这其中包括：保证相同的刀具耐用度的前提下，考察切削这种工件材料所允许的切削速度的高低；在保证相同的切削条件下，看切削这种工件材料时刀具耐用度数值的大小；在相同的切削条件下，看保证切削这种工件材料时达到刀具磨钝标准时所切除的金属体积的多少。 最常用的衡量切削加工性的指标 在保证相同刀具耐用度的前提下，切削这种工件材料所允许的切削速度，以υT表示。 它的含义是：当刀具耐用度为T（min或s ）时，切削该种工件材料所允许的切削速度值。 υT越高，则工件材料的切削加工性越好。 一般情况下可取T=60min； 对于一些难切削材料，可取T=30min或T=15min； 对于机夹可转位刀具，T可以取得更小一些。 如果取T=60min，则υT可写作υ60 材料的相对加工性 所谓相对加工性是以45钢（HB170～229，σb=0.637GPa）的υ60作为基准，记作 υo60，其它材料的υ60与υo60之比值，记作是Kr 。

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Kr=υ60/υo60 Kr>1，说明该材料的加工性比45号钢好； Kr<1，说明该材料的加工性比45号钢差。 常用工件材料相对加工性Kr可分为八级，见表。 此外，材料加工的难易程度主要决定于材料的物理、力学和机械性能，其中包括材料的硬度HB、抗拉强度σb、延伸率δ、冲击值αk和导热系数k，故通常还可按它们数值的大小来划分加工性等级。 影响工件材料切削加工性的因素 影响工件材料切削加工性的主要因素 1. 工件材料的物理力学性能 2. 工件材料的化学成分 3. 工件材料的金相组织 4. 加工条件 工件材料的硬度对切削加工性的影响 工件材料的塑性与韧性对切削加工性的影响 工件材料的强度对切削加工性的影响 工件材料的导热系数对切削加工性的影响 化学成分对切削加工性的影响 金属组织对切削加工性的影响 改善材料切削加工性的措施 1. 调整化学成分 2. 材料加工前进行合适的热处理 3. 选加工性好的材料状态 4. 其它 第二节 切削液的选用 切削液的作用 冷却作用：使切削热传导、对流和汽化，从而降低切削区温度。 润滑作用（边界润滑原理）：切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑膜，它具有物理吸附和化学吸附作用。 洗涤和排屑作用：冲走细屑或磨粒。 防锈作用：在切削液中添加防锈剂，起防锈作用。 切削液的添加剂 添加剂是一些化学物质，它的添加对于改善切削液的性能有重要作用。 添加剂主要分为油性添加剂、极压添加剂、表面活性添加剂、其它添加剂。 切削液的分类 非水溶性（油溶性）和水溶性两大类 非水溶性切削液：主要有切削油和极压切削油（混合油）两种。 切削油：有各种矿物油（如机械油、轻柴油、煤油等）、动植物油（如豆油、猪油等）。主要起润滑作用，用于普通精车，螺纹加工等。 极压切削油：在矿物油中加入油性、极压添加剂配制的混合油。主要起高温润滑作用，用途广泛。 水溶性切削液：主要有水溶液和乳化液两种。 水溶液：主要成分为水并加入防锈剂。也可以加入一定量的表面活性剂和油性添加剂，而使其有一定的润滑性能。 - 2 -

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乳化液：由矿物油、乳化剂及其它添加剂配制的乳化油和95%～98%的水稀释而成的乳白色切削液。这一类切削液有良好的冷却性能，清洗作用也很好。 离子型切削液：水溶性切削液中的一种新型切削液，其母液是由阴离子型、非离子型表面活性剂和无机盐配制而成。它在水溶液中能离解成各种强度的离子。切削时，由于强烈摩擦所产生的静电荷，可由这些离子反应迅速消除，降低切削温度，提高刀具耐用度。 切削液的选用 粗加工 精加工 难加工材料的切削 磨削加工 切削液的使用方法 第九章 已加工表面质量 第一节 已加工表面形成机理 变形原因：切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第Ⅲ变形区。 变形情况：A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。 应力分布：A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。 第二节 已加工表面质量概述 概念：已加工表面质量，也可称为表面完整性。它包含两方面的内容： 1. 表面几何学方面 主要是指零件最外层表面的几何形状，通常用表面粗糙度表示。 2. 表面层材质的变化（表面物理力学性能的变化） 零件加工后在一定深度的表面层内出现变质层，在此表面层内晶粒组织发生严重畸变，金属的力学、物理及化学性质均发生变化。 零件表面层材质的特性可以用多种形式表达，如塑性变形、硬度变化、微观裂纹、残余应力、晶粒变化、热损伤区以及化学性能及电磁特性的变化等。 表面质量对机器使用性能的影响 第三节 表面粗糙度 表面粗糙度产生的原因 几何因素所产生的粗糙度 它主要决定于残留面积的高度 由于切削过程不稳定因素所产生的粗糙度 积屑瘤 鳞刺 切削变形 刀具的边界磨损 刀刃与工件相对位置变动等。 影响表面粗糙度的因素 切削用量的影响 切削速度υc 切削深度对表面粗糙度影响 进给量对表面粗糙度影响 - 3 -

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刀具几何参数影响 前角γo 后角αo 主偏角kr、副偏角kr’、刀尖圆弧半径rε 刀具材料的影响 主要决定于刀具材料与加工材料间的摩擦系数、亲和程度、材料的耐磨性和可刃磨性。刀具材料不同时，由于与工件材料的亲和力不同，因而产生积屑瘤的难易程度不同。凡是刀具材料与工件材料间摩擦系数大，粘结情况严重的，工件加工表面粗糙度就较大。当切削碳钢时，在其它条件相同的情况下，依照用高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具或碳化铁基硬质合金刀具的顺序工件加工表面粗糙度依次有所减小。 工件方面 塑性材料：工件材料塑性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，减小表面粗糙度，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。 脆性材料：加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。 切削液影响 采用高效切削液，可以减小工件材料的变形和摩擦，而且是抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减小表面粗糙度的有效措施；但随着切削速度的提高，其效果将随之减小。 第四节 表面层加工硬化 定义：机械加工时，工件表面层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形，使晶格扭曲，晶粒间产生剪切滑移，晶粒被拉长、纤维化甚至碎化，从而使表面层的强度和硬度增加，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化和强化。 评定加工硬化的指标 有三项，即： 1. 表层金属的显微硬度HV 2. 硬化层深度h 3. 硬化程度N 影响加工硬化的主要因素 刀具 切削用量 工件材料 第五节 表面层残余应力 定义：机械加工中工件表面层组织发生变化时，在表面层及其与基体材料的交界处会产生互相平衡的弹性力。这种应力即为表面层的残余应力。 残余应力主要是因为在表面层金属和基体金属之间发生不均匀体积变化引起的。 产生原因 机械应力引起的体积变化（冷态塑性变形引起的应力） 热应力引起的体积变化（热态塑性变形引起的残余应力） 相变引起的体积变化（金相组织变化引起的残余应力）

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山东建筑大学机电工程学院教案 第6 次课

刀具几何参数的合理选择； 授课内容 磨削。 了解和掌握前角、后角、主偏角和副偏角、刃倾角的功用及选目的要求 择；了解和掌握砂轮的特性及选择。 刀具几何角度的功用及选择 重点难点 砂轮的特性及选择 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第十章 刀具几何参数的合理选择 合理选择刀具几何参数的原则 确定参数时的一般原则 前刀面的功用与选择 后角的功用与选择 主偏角、副偏角的功用与选择 刃倾角的功用及选择 第十一章 磨削 第一节 磨削运动 第二节 砂 轮 第三节 磨削过程 课堂小结 前角、后角、主偏角和副偏角、刃倾角的功用及选择 作业、思考 砂轮的特性及选择 课后小结 山东建筑大学备课纸

第十章 刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数主要包括：刀具角度、刀刃的刃形、刃口形状、前刀面与后刀面型式等。 合理选择刀具几何参数的原则 合理选择刀具几何参数的原则是在保证加工质量的前提下，尽可能地使刀具耐用度高、生产效率高和生产成本低。 刀具合理几何参数的主要决定条件：工件材料；刀具材料及刀具类型；具体工艺条件（如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等）。 确定参数时的一般原则 1. 参考刀具材料和结构，如高速钢、硬质合金；整体、焊接、机夹、可转位等； 2. 参考工件的实际情况，如材料的物理机械性能、毛坯情况（铸、锻件等）、形状、材质等； 3. 了解具体加工条件，如机床、夹具情况，系统刚度、粗或精加工、自动线等； 4. 注意几何参数之间的关系 如选择前角，应同时考虑卷屑曹的形状、是否倒棱、刃倾角的正负等； 5. 处理好刀具锋利与强度、耐磨性的关系 即在保证刀具足够强度和耐磨性的前提下，力求刀具锋利；在提高锋利的同时，设法强化刀尖和刃区等。 前刀面的功用与选择 前刀面型式 平面型、曲面型和带倒棱型三种。 1. 平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。 2. 曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。如丝锥、钻头。 3. 带倒棱型前刀面：是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。 前角的功用 前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。前角γo对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。因此，在一定的切削条件下，存在着一个刀具耐用度最大的前角值，这个前角称为合理前角γopt。 前角的选用原则 前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。 合理的前角主要取决于工件材料、刀具材料和加工条件。 根据刀具材料选择前角 刀具材料的强度及韧性较高时可选择较大的前角 。 根据工件材料选择前角 加工塑性材料（如钢）时，应选较大的前角；加工脆性材料（如铸铁）时，应选较小的前角。切削钢料时，切屑变形很大，切屑与前刀面的接触长度较长，刀屑之间的压力和摩擦力都很大，为了减小切屑的变形和摩擦，宜选较大的前角。切削灰铸铁时，塑性变形较小，切屑呈崩碎状，它与前刀面的接触长度较 - 1 -

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短，与前刀面的摩擦不大，切削力集中在切削刃附近。为了保护切削刃不致损坏，宜选较小的前角。工件材料的强度或硬度较小时，切削力不大，刀具不易崩刃，对刀具强固的要求较低，为了使切削刃锋利，宜选较大前角。当材料的强度或硬度较高时，切削力较大，切削温度也较高，为了增加切削刃的强度和散热体积，宜取较小前角。 根据加工条件选择前角 粗加工：特别是断续切削时，切削力和冲击一般都比较大，工件表面硬度也可能很高，为使切削刃有足够强度，宜取较小前角； 精加工：对切削刃强度要求较低，为使刀刃锋利，降低切削力，以减小工件变形和减小表面粗糙度，宜取较大前角。 工艺系统：刚性较差或机床电动机功率不足时，宜取较大的前角；在自动机床上加工时，为使刀具切削性能稳定，宜取小一些的前角。 后角的功用与选择 后角的主要功用：后角αo的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损；其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响；后角同时又影响刀具的强度。 后角的选择 刀具后角主要依据切削厚度（或按粗、精加工）选择。 在摩擦不严重的情况下，选取较小后角。 精加工时切削厚度小，主要是后刀面磨损，为了使刀尖锋利应取较大后角，αo＝8°～12°；粗加工时，切削厚度大，切削力大、切削温度高，应取较小的后角，以增大刀尖的强度，改善散热条件，αo＝6°～8° 。 工件材料的强度、硬度高时，宜选小的后角；材料的韧性大时宜选大的后角；加工脆性材料时宜选小的后角。 工艺系统刚性差时为防止振动，宜选小的后角，可增加阻尼，甚至磨出消振棱。 对各种有尺寸精度要求的刀具，为了限制重磨后刀具尺寸的变化，宜选择较小的后角。 主偏角、副偏角的功用与选择 主偏角、副偏角以及刀尖形状的共同点是影响刀尖强度、散热面积、热容量以及刀具耐用度和已加工表面质量。 主偏角的功用 主偏角减小时，刀尖角增大，使刀尖强度提高，散热体积增大，刀具耐用度提高。主偏角减小时，切削宽度增大，切削厚度减小，切削刃工作长度增大，单位切削刃负荷减小，有利于提高刀具的耐用度。主偏角减小时，使Fp分力增大，易引起振动，使工件弯曲变形，降低加工精度。主偏角影响切屑形状、流出方向和断屑性能。主偏角影响加工表面的残留高度。 主偏角选择 合理的主偏角的大小决定于工艺系统的刚度，当刚度允许时，则主偏角宜取小一些。 工件材料的强度、硬度高时，选用较小的主偏角可以增大刀尖强度、散热体积及单位切削负荷。硬质合金刀具粗加工和半精加工时应选择较大的主偏角，有利于减小振动和断屑。工艺系统刚性好时，宜选取较小的主偏角，以提高刀具耐用度；刚度不足，如加工细长轴时，宜取较大的主偏角，取κr≥90°，以 - 2 -

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减小径向力。选择主偏角时，还应考虑工件的形状及加工条件。 副偏角的功用及选择 副偏角的功用与主偏角基本相同，选择副偏角时应考虑以下因素：已加工表面粗糙度值小时，应选择小的副偏角，有时磨出修光刃。工艺系统刚性较差时，副偏角不宜选择太小，以不致引起振动为原则。切断刀、切槽刀考虑结构强度，一般取1°～3°。 刃倾角的功用及选择 刃倾角的功用：控制切屑流出方向；影响刀头强度及断续切削时切削刃上受冲击的位置；影响切削刃的锋利程度斜角切削时，由于切屑在前刀面上流向的改变，使实际起作用的前角增大。影响切削分力的大小 刃倾角的选择 刃倾角λs选用原则：主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。 粗加工时，为提高刀具强度，λs取负值；精加工时，为不使切屑划伤已加工表面，λs常取正值或0；加工高强度钢、高锰钢及淬硬钢时，取较大的负刃倾角；加工断续表面、余量不均表面，或在冲击震动的切削条件下，取副刃倾角。 刀尖修磨形式 刃口修磨形式 第十一章 磨削与砂轮 用磨料磨具（砂轮、砂带、油石或研磨料等）作为工具对工件表面进行切削加工的方法统称为磨削 第一节 磨削运动 主运动：砂轮的旋转运动，以砂轮的线速度υc（m/s）表示，称磨削速度。 进给运动：工件旋转进给运动，以工件线速度υw（m/min）表示；砂轮径向进给运动，即砂轮切入工件的运动，以fr（mm/单行程或mm/双行程）表示；工件相对砂轮轴向进给运动，以fa（mm/r）表示。 第二节 砂 轮 砂轮是用结合剂把磨料粘结起来，经压坯、干燥和焙烧的方法制成的。 砂轮的特性由下列参数来确定：磨料、粒度、结合剂、硬度、组织、形状尺寸。 砂轮粒度选择的准则 精磨时，应选用磨料粒度号较大或颗粒直径较小的砂轮，以减小已加工表面粗糙度。粗磨时，应选用磨料粒度号较小或颗粒较粗的砂轮，以提高磨削生产率。粗磨时，一般用粒度号12#～36#；磨削一般工件与刃磨刀具多用46#～100#；磨螺纹及精磨、珩磨用120#～280#；超精磨用W28～W5。砂轮速度较高时，或砂轮与工件间接触面积较大时，选用颗粒较粗的砂轮。减少同时参加磨削的磨粒数，以免发热过多而引起工件表面烧伤。磨削软而韧的金属时，用颗粒较粗的砂轮，避免砂轮过早糊塞；磨削硬而脆的金属时，选用颗粒较细的砂轮，增加同时参加磨削的磨粒数，提高生产率。 磨粒的性能还应包括形状、脱落性能、粘结能力，以及对工件材料和磨削液的化学反应能力等；目前对这些性能还没有适当的办法测量或作定量的说明。 砂轮硬度的选用原则 工件材料愈硬，应选用愈软的砂轮。这是因为硬材料易使磨粒磨损，需用较软的砂轮以使磨钝的磨粒及时脱落。同时软砂轮孔隙较多较大，容屑性能较 - 3 -

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好。磨削有色金属（铝、黄铜、青铜等）、橡皮、树脂等软材料，却也要用较软的砂轮。这是因为这些材料易使砂轮糊塞；选用软些的砂轮可使糊塞处较易脱落，较易露出锋锐新鲜的磨粒来。砂轮与工件磨削接触面积大时，磨粒参加切削的时间较长，较易磨损，应选用较软的砂轮。半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮，以免工件发热烧伤。精磨和成形磨削时，为了使砂轮廓形保持较长时间，则需用较硬一些的砂轮。砂轮气孔率较低时，为防止砂轮糊塞，应选用较软的砂轮。树脂结合剂砂轮由于不耐高温，磨粒容易脱落，其硬度可比陶瓷结合剂砂轮选高1～2级。 在机械加工中，常用的砂轮硬度等级是软2至中2；荒磨钢锭及铸件时常用至中硬2。 第三节 磨削过程 由于磨粒刃口钝，形状不规则，分布不均，不同的磨粒所处的位置不同，形状不同，所起的作用也不同：切削作用、刻划作用、抛光作用。 一个有效磨粒切削过程： 1. 当磨粒刚进入切削区时，磨粒与切削层金属产生挤压和摩擦。 2. 随着切入，挤压力加大，磨粒切入工件，但只刻划出沟槽，金属被挤压向两侧，形成隆起。 3. 当继续切入时，磨粒切削厚度进一步加大，磨粒前面的金属开始形成磨屑。 因此，磨屑形成过程可划分三个阶段：滑擦阶段、刻划阶段、切屑形成阶段。 磨削力 磨削阶段 - 4 -

山东建筑大学机电工程学院教案 第 7 次课

车刀 授课内容 成形车刀用途、种类和结构 了解和掌握车刀的类型分类；车刀的结构形式和结构。 目的要求 了解成形车刀用途、种类和结构 车刀的类型分类； 重点难点 车刀的结构形式和结构 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第十一章 车 刀 第一节 车刀的分类和用途 第二节 焊接式车刀 第三节 机夹车刀 第四节 可转位车刀 第六章 成形车刀 第一节 成形车刀的种类和用途 课堂小结 车刀的类型分类； 车刀的结构形式和结构。 作业、思考 成形车刀的种类和用途 课后小结 山东建筑大学备课纸

第十一章 车刀 第一节 车刀的分类和用途 用途：车刀是应用最广泛的一种刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的不同的加工工序。 分类： 按其用途不同分类：外圆车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀、内孔车刀 按结构分类：整体式、焊接式、机夹式、可转位式 第二节 焊接式车刀 这种车刀是将一定形状的硬质合金刀片，用黄铜、紫铜或其它焊料，纤焊在普通结构钢刀杆上而制成的。 优点 结构简单、紧凑，刚性好、抗振、制造容易，灵活性大，几 何参数根据需要即时随意刃磨，使用方便。 缺点 刀片易崩裂（主要原因是由于焊接和刃磨时引起的）、刀片刀杆材料得不到充分利用、刀杆尺寸大时不便于刃磨等。 这种车刀是使用最广的一种车刀。它的硬质合金刀片已经标准化，由专业厂家生产 车刀刀柄截面形状尺寸 普通车刀外形尺寸主要是高度、宽度和长度。刀柄形状有矩形、正方形和圆形。一般选用矩形。刀柄的长度一般为高度的6倍。 第三节 机夹车刀 机夹车刀指用机械方法定位、夹紧刀片，通过刀片体外刃磨与安装倾斜后，综合形成刀具角度的车刀。 优点： 避免焊接的缺陷，刀柄能多次使用，刀具几何参数设计选用灵活等。 选用特点： 首先是根据刀具的结构来合理选择重磨刀面；其次是刀片进行体外刃磨的角度需按刀片安装与重磨结构进行计算。 常用于切断车刀、切槽车刀、螺纹车刀、大型车刀和金刚石车刀等。 这种结构的车刀在使用过程中仍需刃磨，还不能完全避免由于刃磨而可能引起的裂纹。 机夹式车刀夹紧结构形式 第四节 可转位车刀 直接夹固硬质合金刀片的结构可以避免焊接裂纹的产生。为了进一步消除刃磨或重磨时内应力可能引起的裂纹，人们又创造了机夹式（即机械夹固式）可转位的不重磨车刀。 刀刀片的每一条边都可作为切削刃。一个切削刃用钝后，可以转动刀片改用另一个新的切削刃工作，直到刀片上所有切削刃均已用钝，刀片就报废回收。更换新刀片后，车刀又可继续工作。 可转位车刀优点 1. 可转位刀片在制造时已经磨好，使用时不必再重磨，也不需焊接，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。 - 1 -

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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。 4. 刀杆长期使用，节省大量钢材。 5. 有利于标准化设计和大量生产，保证质量。 6. 可以工业生产的方式，提供现成的、先进的、合理的刀具几何参数。 可转位刀片夹固的典型结构 车刀的卷屑断屑结构 断屑的基本原理 即切屑在形成过程中产生很大的塑性变形，接着又受前刀面的摩擦阻力作用，变得即硬又脆，并产生弯曲，这就是断屑的基本条件。在这个基础上，再使切屑在流出过程中遇到障碍，承受附加的弯曲或冲击载荷而将其折断。 常用的卷屑断屑方法有 利用合适的刀具几何角度 磨出断屑台 采取卷屑槽断屑 机夹可转位车刀的刀槽设计计算 设计刀槽的要求 夹紧可靠； 保证刀片的位置精度。 刀槽设计计算的任务 就是根据车刀所需的切削角度以及硬质合金刀片的参数来确定刀杆上刀槽的几何参数，以便加工出刀片的支撑面，使刀片夹固在刀槽上就能保证车刀得到它所需的切削角度。 刀槽、刀片和车刀三者的角度的关系 刀片角度 刀槽角度 主切削刃在法平面内刀槽、刀片和车刀三者的前、后角的关系 刀槽的设计计算 刀槽的设计计算目的 求出刀槽的主偏角krg、刃倾角λsg、正交平面内前角γog、刀尖角εrg和副偏角k’rg 。 同时还要验算车刀的主后角αo和副后角α’o 。 已知条件 车刀的主偏角kr、刃倾角λs、正交平面前角γo和刀片的刀尖角εrb、法前角γnb、法后角αnb，且设αnb＞0，刀片刃倾角λsb＝0 。 刀槽的设计计算方法 第十三章 成形车刀 成形车刀又称样板刀，它是加工回转体成形表面的专用刀具，它的切削刃形状是根据工件的廓形设计的。 第一节 成形车刀的种类和用途 特点：成形车刀又称样板刀，它是加工回转体成形表面的专用刀具，它的切削刃形状是根据工件的廓形设计的；成形车刀主要用于大量生产，在半自动或自动车床上加工内、外回转体的成形表面。当生产批量较小时，也可在普通车床上加工成形表面；采用成形车刀可保证稳定的加工质量（加工精度可达 - 2 -

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IT9～10级，表面粗糙度儿可达2.5～10.0μm）；生产率较高（因为只经过一个切削行程就可切出所需要的成形表面）；刀具的可重磨次数多，使用期限长；成形车刀的设计、计算和制造比较麻烦，制造成本也较高；一般是在成批、大量生产中使用。 成形车刀的种类 成形车刀的种类很多，也有不同的分类方法。 按刀具本身的结构和形状分：平体成形车刀、棱体成形车刀、圆体成形车刀。 按进给方向分：径向进给成形车刀、斜向进给成形车刀、切向进给成形车刀。 常见的三种径向进给成形车刀 平体成形车刀：其外形为平条状，只能用来加工简单的外成形表面。例如螺纹车刀和铲制成形铣刀用的铲刀，就属于平体成形车。 棱体成形车刀：外形呈棱柱状，也只能用来加工外成形表面，可重磨次数较平体成形车刀的多。 圆体成形车刀：其本身是一个回转体，与前两种成形车刀相比，它的可重磨次数更多。它可用来加工内、外成形表面的工件，制造也较方便，因而用得较多。 成形车刀的装夹 成形车刀加工时，应采用专用的刀夹，以保证刀具的安装位置正确，夹固牢靠、刚性好，装卸、调整方便。

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山东建筑大学机电工程学院教案 第 8 次课

成形车刀的几何角度定义及刀刃上不同点的角度；成形车刀的授课内容 截形定义、截形设计方法。 了解和掌握成形车刀的几何角度定义及刀刃上不同点的角度；目的要求 成形车刀的截形定义、截形设计方法。 成形车刀的几何角度定义及刀刃上不同点的角度；成形车刀的重点难点 截形定义、截形设计方法。 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第二节 径向成形车刀的几何角度 成形车刀的前角和后角 径向棱体成形车刀的前角和后角 径向圆体成形车刀的前角和后角 第三节 成形车刀的廓形设计 成形车刀廓形设计概念 成形刀具廓形与零件廓形的关系 成形车刀廓形设计原理 课堂小结 成形车刀的几何角度定义及刀刃上不同点的角度； 作业、思考 成形车刀的截形定义、截形设计方法。 课后小结 山东建筑大学备课纸

第二节 径向成形车刀的几何角度 成形车刀的前角和后角是当刀具安装在刀夹中并使刀刃上的基准点与工件中心等高时得到的。 成形车刀在安装前，需预先按名义前角和后角之和（ε=γf+αf）在刀具上磨出ε角。 当刀具安装在刀夹中，并使切削刃上的基准点与工件中心等高时，才能得到规定的名义前角和后角的数值。 成形车刀的名义切削角度规定在其进给方向的剖面（即垂直于工件轴线的剖面）内，如αf、βf和γf 。 成形车刀的前角和后角的作用和选择原则，基本上与普通车刀相同。 成形车刀的前角和后角 径向棱体成形车刀的前角和后角 刀具夹紧后，夹持定位基准面倾斜成一个角度αf 。切削时，将切削刃上的基准点（点1’）调整到与工件中心等高。 成形车刀后刀面的直母线与过点1’的切削平面ps之间的夹角αf，就是棱体成形车刀在点1’处的名义后角。前刀面与点1’的基面pr之间的夹角γf，就是点1 ’处的名义前角 。 在棱体成形车刀的进给方向剖面内，前刀面与垂直于后刀面直母线的平面之间的夹角ε，就等于（γf+αf）； 前刀面与后刀面直母线间的夹角（即楔角） βf=90°-（αf+γf ）。制造或重磨成形车刀的前刀面时，就需按βf角来磨制。 在切削刃上任意一点x’处，基面是Prx，切削平面是Psx，则x’点处的名义前角和后角分别为γfx和αfx 。显然，γfx≠γf ，αfx≠αf。但因楔角βf是定值，所以γfx+αfx＝γf+αf＝ε 径向圆体成形车刀的前角和后角 圆体成形车刀的前刀面是平面，后刀面是成形回转表面。它的前角和后角也是在刀具安装于正确位置时才能得到的。 切削刃上的基准点（点1’）调整到与工件中心等高； 将刀具的中心O’安装得高于工件中心O一个距离H； 后刀面在点1’处的切线与过点1’的切削平面PS之间的夹角αf，就是圆体成形车刀在点1’处的名义后角；前刀面与点1’处的基面Pr之间的夹角γf，就是点1’处的名义前角。 刀具中心O’与前刀面之间的垂直距离hc hc＝R1sinε＝R1sin（γf+αf） 以O’为中心，并以hc为半径画一圆，则此圆称为磨刀圆。 在制造和重磨前刀面时，应将前刀面磨在这个圆的切平面内。 切削时，刀具中心O’须安装得高于工件中心O1一个距离H，才能使刀具得到所需要的后角αf 。 H= R1sinαf 对于圆体成形车刀，αfx+γfx≠αf+γf 。 正交平面中切削刃后角的检验 αox过小时的改善措施 第三节 成形车刀的廓形设计 成形车刀的主要设计内容：廓形设计、刀体设计。 - 1 -

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成形刀具设计图包括廓形设计图、刀体结构尺寸图、检验廓形用的成对样板工作图。 成形车刀廓形设计方法：计算法、作图法、查表法。 成形车刀廓形设计概念 成形车刀廓形设计是指根据被加工零件廓形来确定刀具廓形。零件廓形是零件在轴线平面内的形状。成形车刀的廓形是切削刃在垂直于后刀面上投影的形状。当成形车刀的前角γf和后角αf都大于0°，或γf＝0°而αf＞0°时，后刀面在其法向剖面N－N内的截形就与工件的轴向剖面（即通过工件轴线的剖面）内的截形不相同，这是因为成形车刀的轴向尺寸与工件的轴向尺寸虽然一样，但深度尺寸却不同。刀具法向剖面N－N内的截形深度P，小于工件轴向剖面内的截形深度 T。前角γf和后角αf越大，这两个深度尺寸相差就越大。 设计成形车刀时，就须根据工件轴向剖面内的廓形来求成形车刀后刀面所需要的法向截形（N－N）。 成形刀具廓形与零件廓形的关系 成形车刀廓形设计原理 作图法设计 已知条件：零件的廓形、刀具的前角γf、刀具后角αf、圆体成形车刀廓形的最大半径R 棱体成形车刀作图法设计 进行修正计算时需作好以下准备工作 （1）检查工件成形表面各组成点的纵、横坐标尺寸是否齐全，缺少的尺寸应补全。各个组成点的坐标尺寸均应考虑其公差。 （2）对工件成形表面上的各组成点编号，并标注其纵、横坐标尺寸。一般将工件廓形中半径最小处的一点标为点1（切削刃上的基准点），其它各点的纵、横坐标尺寸都相对于这点来标注。 （3）根据工件材料的性质和成形车刀的类型，选定所需要的前角γf和后角αf数值（可参考刀具设计手册）。 第一步 取零件廓形平均尺寸画出零件的主、俯视图 检查工件成形表面各组成点的纵、横坐标尺寸是否齐全，缺少的尺寸应补全。各个组成点的坐标尺寸均应考虑其公差。 第二步 对工件成形表面上的各组成点编号，并标注其纵、横坐标尺寸。 一般将工件廓形中半径最小处的一点标为点1（切削刃上的基准点），其它各点的纵、横坐标尺寸都相对于这点来标注。 第三步 根据工件材料的性质和成形车刀的类型，选定所需要的前角γf和后角αf数值（可参考刀具设计手册）。 第四步 廓形设计 圆体成形车刀作图法设计 进行修正计算时需作好以下准备工作： （1）检查工件成形表面各组成点的纵、横坐标尺寸是否齐全，缺少的尺寸应补全。各个组成点的坐标尺寸均应考虑其公差。 （2）对工件成形表面上的各组成点编号，并标注其纵、横坐标尺寸。一般将工件廓形中半径最小处的一点标为点1（切削刃上的基准点），其它各点的纵、横坐标尺寸都相对于这点来标注。 （3）根据工件材料的性质和成形车刀的类型，选定所需要的前角γf和后 - 2 -

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角αf数值（可参考刀具设计手册）。 （4）圆体成形车刀须先确定它的外圆直径Dc（计算或按刀具设计手册）。 第一步 检查工件成形表面各组成点的纵、横坐标尺寸是否齐全，缺少的尺寸应补全。各个组成点的坐标尺寸均应考虑其公差。 第二步 对工件成形表面上的各组成点编号，并标注其纵、横坐标尺寸。一般将工件廓形中半径最小处的一点标为点1（切削刃上的基准点），其它各点的纵、横坐标尺寸都相对于这点来标注。 第三步 根据工件材料的性质和成形车刀的类型，选定所需要的前角γf和后角αf数值（可参考刀具设计手册）。 第四步 圆体成形车刀须先确定它的外圆直径DC（计算或按刀具设计手册）。 第五步 廓形设计 计算法设计 计算法是利用解析几何的方法，建立成形车刀廓形深度的计算公式，这些公式比较简单，且能达到很高的精度。 棱体成形车刀廓形计算公式 hr1sinfcrx2h2c1r1cosfcxcc1rx2h2r1cosfrx2(r1sinf)2r1cosfPxcxcos(ff) r2x(r1sinf)2r1cosfcos(ff)圆体成形车刀廓形计算公式 hr1sinfcrx2h2c1r1cosfcxcc1rx2h2r1cosfrx2(r1sinf)2r1cosf2RxR2Cx2RCxcos(ff) PxRRx根据公式计算出刀具切削刃上各点的廓形深度Px和已知零件上对应的廓形宽度Bx，可画出刀具廓形设计图。 成形车刀对称圆弧廓形的近似计算 - 3 -

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当工件上的圆弧表面要求不高时，为了简化成形车刀的设计和制造以及能得到光滑的工件表面，刀具上的这部分曲线也可用近似圆弧代替。 tgθ＝P/L R=L/sin2θ 成形车刀加工圆锥面时的误差 当用成形车刀加工圆锥表面时，经常发现加工所得圆锥表面的母线不是直线，而是向内凹的双曲线，这种加工误差称为“双曲线误差”。 棱体成形车刀的双曲线误差 圆体成形车刀的双曲线误差 避免或减少双曲线误差的方法 1.采用γf=0°的成形车刀 2.采用前刀面具有侧向倾斜角ω的成形车刀 成形车刀的附加刃、截形公差 成形车刀的样板

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山东建筑大学机电工程学院教案 第 9次课

孔加工刀具 授课内容 铣削与铣刀、拉刀 了解麻花钻和拉刀结构及几何参数 目的要求 了解和掌握铣削的特点及其规律 麻花钻结构及几何参数 重点难点 铣削方式、拉刀的特点 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第十四章 孔加工刀具 第一节 麻花钻 第十五章 铣削与铣刀 第一节 铣刀的几何参数 第二节 铣削用量与切削层参数 第三节 铣削力 第四节 铣削方式 第十六章 拉 刀 第一节 拉刀的种类与用途 第二节 拉刀的组成与拉削方式 第三节 圆孔拉刀设计 课堂小结 准麻花钻存在的缺点、麻花钻常见的修磨方法。 作业、思考 常用铣削方式的特点 拉削方式 课后小结 山东建筑大学备课纸

第十四章 孔加工刀具 第一节 麻花钻 麻花钻一般用于在实心的工件上钻孔 。麻花钻由于受结构和切削条件等的限制，加工后孔的质量较低（孔公差IT11级以下；表面粗糙度Ra25μm ～ 6. 3 μm ）；一般常只用于孔的粗加工。 麻花钻的结构 麻花钻的组成：工作部分（刀体）、颈部和柄部等三部分组成。 工作部分又分为切削和导向两部分。 工作部分结构：主切削刃、副切削刃、横刃、前刀面、后刀面、容屑槽、钻心等。 麻花钻的结构参数 直径d：指切削部分测量的两刃带间的距离。 直径倒锥：为了减少麻花钻与孔壁的摩擦，导向部分上做有两条窄的刃带，其外径由钻尖向柄部逐渐减少，每100mm长度缩小0.03～0.12mm。 钻芯直径do：是两刃沟底相切圆的直径。 为了增加麻花钻钻削时的强度和刚度，钻心直径应沿轴线方向从钻尖向柄部逐渐增大，每100mm长度增大1.4～2.0mm 螺旋角ω：指钻头外圆柱与螺旋槽表面的交线（螺旋线）上任意点的切线和钻头轴线之间的夹角。 螺旋角变化的规律及作用 钻头外径处的螺旋角最大，越靠近中心螺旋角越小。螺旋角的大小不仅影响排屑情况，而且它也就是钻头的轴向前角。ω增大，则前角也增大，轴向力和扭矩减小，切削轻快。但若螺旋角过大，则切削刃强度削弱。标准麻花钻的螺旋角ω=25°～32°，大直径取大值。专用麻花钻的螺旋角可根据加工材料性质选定。 钻头螺旋槽的方向，一般为右旋；特殊用途的（如自动机用麻花钻）为左旋。 麻花钻的几何角度 麻花钻与车刀的比较：刀头的基本形态是普通车刀 钻头角度参考系：基本参考系与以前的定义一样。 几个特殊的参考平面 端平面Pt：与钻头轴线垂直的投影面。 中剖面Pc：过钻头轴线与两主切削刃平行的平面。 柱剖面Pz：过切削刃选定点作与钻头轴线平行的直线，该直线绕钻头轴线旋转形成的圆柱面。 特别需注意 因钻心的缘故，麻花钻的两个主刀刃不在其中心线上，刃口上任意点m或n的基面是不相同的。他们与麻花钻的中心线的夹角分别为λstm和λstn（端面刃顷角）。 顶角2φ 横刃前、后面及角度 主偏角kr 前角γo 后角αf - 1 -

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副偏角kr’、副后角αo’ 刃顷角λs 横刃角度 钻削要素 切削速度υc 进给量f和每齿进给量fz 背吃刀量（钻削深度）ap 切削厚度hD 切削宽度bD 切削层面积AD 钻削力、扭矩 标准麻花钻存在的缺点 1. 前角沿主刃变化很大（+30°到-30°），各点的切削条件不同； 2. 横刃前角为负值（约-54°～-60°），而宽度bψ又较大，切削时挤压工件严重，轴向力大； 3. 主刀刃长，切屑宽，卷屑和排屑困难，且各点的切削速度及方向差异很大； 4. 棱边处副后角为零； 5. 主、副刀刃交界的外圆处，刀尖角εr小，散热条件差，且此处的切削速度最大，磨损快、影响钻头的耐用度。 麻花钻常见的修磨方法 修磨横刃：十字形修磨、内直刃形修磨。 修磨主切削刃：磨出内凹圆弧刃、磨出双（多）重顶顶角、磨出分屑槽。 修磨前面：倒棱、磨出卷屑槽、磨出大的前角及刃倾角。 修磨后刀面：修磨后面 修磨刃带 群 钻 1. 修磨方法 1）修磨主切削刃的后刀面； 2）在后刀面上磨出两个月牙槽； 3）修磨横刃前刀面； 3）钻头直径大于15mm时，磨分屑槽。 2. 优点 1）横刃大为缩短； 2）改变了横刃的前角； 3）易于分屑； 4）保护刀尖 5）便于润滑和冷却。 第十五章 铣削与铣刀 铣削加工特点 1. 铣刀是一种应用很广泛的多齿回转刀具 2. 铣削加工时，铣刀绕轴线转动，即主运动 3. 工件作进给运动 4. 铣削比刨削生产率高

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5. 表面粗糙度值小 6. 主要用于平面、台阶、沟槽和各种成形面的加工 铣削方法 铣刀的种类和用途 按用途分有：加工平面用的，如圆柱平面铣刀、端铣刀等。加工沟槽用的，如立铣刀、两面刃铣刀、三面刃铣刀等。加工成形表面用的，如凸半圆和凹半圆铣刀 按刀齿齿背形式和重磨方式分有：尖齿铣刀和铲齿铣刀。 按刀齿数目分有：粗齿铣刀和细齿铣刀。 第一节 铣刀的几何参数 铣刀是由工作部分和夹持部分组成。 工作部分的每一个刀齿有前角、后角、刃倾角等几何度。 加工平面的铣刀主要有圆柱平面铣刀和端铣刀两种。 圆柱平面铣刀的几何角度 参考系与车削定义相同。 螺旋角ω、前 角、后 角 端铣刀的每个刀齿类似车刀，在正交平面系内端铣刀的标注角度有γo、 αo、kr、k’r和λs。 铣刀角度的选择原则同车刀相同 第二节 铣削用量与切削层参数 铣削用量 背吃刀量ap：指平行于铣刀轴线方向的切削层尺寸。 侧吃刀量ae：指垂直于铣刀轴线方向的切削层尺寸。 铣削速度υc：铣刀旋转时的切削速度。 进给量f：铣刀每转一转与工件的相对位移量（mm） 切削层参数 铣削时的切削层为铣刀相邻两个刀齿在工件上形成的过渡表面之间的金属层。 切削层公称厚度hD：指铣刀相邻刀齿主切削刃的运动轨迹间的垂直距离。 切削层公称宽度bD：指铣刀主切削刃与工件切削层的接触长度。 平均总切削层公称截面积ADav：简称平均总切削面积，指铣刀同时参与切削的各个刀齿的切削层公称截面积之和。 铣削时，切削厚度是变化的，而螺旋圆柱形铣刀的切削宽度也是随时变化的，此外铣刀同时工作的齿数也是在变化，所以切削总面积是变化的。 第三节 铣削力 合力F：铣刀是多齿刀具，铣削时每个有效刀齿都受力，力的大小和方向随时都在变化，它们产生一个总的合力F。 通常将合力F分解为三个互相垂直的分力： 圆周切削力FC： 外圆切削方向的力。 垂直切削力FCN： 铣刀半径方向的力 背向力Fp： 铣刀轴向方向的力 第四节 铣削方式 铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系。不同的铣削方式对刀具的耐用度、工件的加工表面粗糙度、铣削过程的平稳性及切削加工的生 - 3 -

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产率等都有很大的影响。 圆周铣削法（周铣法） 周铣法有两种铣削方式：逆铣法和顺铣法 逆铣法 铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反。 特点：刀齿的切削厚度从hD=0至hDmax.。当hD=0时，刀齿在工件表面上挤压和摩擦，刀齿较易磨损。工件表面受到较大的挤压应力，冷硬现象严重，更加剧刀齿磨损，并影响已加工表面质量。逆铣时刀齿作用于工件上的垂直进给力FfN朝上有挑起工件的趋势，这就要求工件装夹紧固。但是逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响；同时作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相反，使铣床工作台进给机构中的丝杠螺母始终保持良好的右侧面接触，因此进给速度比较平稳。 顺 铣 铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相同。 特点：顺铣时，刀齿的切削厚度从hDmax 到hD=0 。容易切下切削层，刀齿磨损较少，已加工表面质量较高。顺铣法可提高刀具耐用度2～3倍。作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相同，力Ff有可能使工作台连同丝杠一起沿进给方向移动，导致丝杠与螺母之间的间隙转移到另一侧面上去，引起进给速度时快时慢，影响工件表面粗糙度，有时甚至会因进给量突然增加很多而损坏铣刀刀齿。因此，采用顺铣法加工时，要求铣床的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置。用顺铣法加工时，要求工件表面没有硬皮，否则铣刀很易磨损。 端面铣削法（端铣法） 对称铣削：刀齿切入工件与切出时的切削厚度hD相同者称为对称铣削。一般端铣时常用这种铣削方式。 不对称铣削：刀齿切入时的切削厚度小于或大于切出时的切削厚度者称为不对称铣削。采用不对称铣削，可以调节切削厚度，以提高刀具耐用度。 常用铣刀简介 圆柱平面铣刀 立铣刀 键槽铣刀 三面刃铣刀 硬质合金可转位面铣刀 第十六章 拉 刀 第一节 拉刀的种类与用途 拉刀上有很多刀齿，后一个刀齿（或后一组刀齿）的齿高要高于（或齿宽宽于）前一个刀齿（或前一组刀齿），所以当拉刀作直线运动时（对某些拉刀来说则为旋转运动），便能依次地从工件上切下很薄的金属层。加工质量好，生产效率高。拉刀寿命长，并且拉床结构简单。拉刀结构复杂，制造比较麻烦，价格较高，一般是专用刀具。多用于大量和批量生产的精加工。 拉刀的类型 拉刀种类很多，通常从两方面来分类 按加工表面部位不同，可分为内拉刀和外拉刀。 按照结构的不同，可分为整体式拉刀、焊接式拉刀、装配式拉刀和镶齿式拉刀。 - 4 -

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按使用方法不同，可分为拉刀、推刀和旋转拉刀。 拉刀的工作特点 1. 拉削速度低，一般为υ＝2～8m/min，拉削平稳，且切削厚度很簿，因此拉削精度可达IT7～9，表面粗糙度达Ra3.2～0.5μm。 2. 同时工作的刀齿多，切削刃长，一次行程完成粗、精加工，生产率高。 3. 每一刀齿工作行程中只切削一次，刀具磨损慢，刀具寿命长。 4. 拉削时只有主运动，拉床结构简单，操作方便。 5. 加工范围广，可拉削各种形状的通孔和外表面。 6. 拉刀的设计制造复杂，价格昂贵，较适合于大批量生产中应用。 第二节 拉刀的组成与拉削方式 拉刀的组成（以圆孔拉刀为例来说明） 1. 圆孔拉刀由非工作部分与工作部分组成。 2. 前柄（头部）l1—与拉床夹头连接，传递运动和拉力。 3. 颈部l2—头部和过渡锥连接部分。 4. 过渡锥部l3—使拉刀容易进入工件孔中，起对准中心的作用。 5. 前导部l4—起导向和定心作用，防止拉刀歪斜，并可检查拉削前孔径是否太小，以免拉刀第一刀齿负荷太大而损坏。 6. 切削部l5 —切除全部的加工余量，由粗切齿、过渡齿、精切齿和校准齿组成。 7. 后导部l6—保持拉刀最后几个刀齿的正确位置，防止拉刀即将离开工件时，工件下垂而损坏已加工表面。 8. 尾部l7—防止长而重的拉刀自重下垂，影响加工质量和损坏刀齿。 刀齿主要几何参数 齿升量fz ：前、后两刀齿半径或高度之差。 齿距p ：相邻两刀齿之间的轴向距离。确定齿距的大小时，应考虑拉削的平稳性及足够的容屑空间。 前角γo ：后角αo 刃带宽度ba1 ：容屑槽等 拉削方式 拉削方式又称拉削图形，它决定拉削时每个刀齿切下的切削层的横截面形状、切削顺序和切削位置。 它与切削力的大小、刀齿的负荷、加工表面质量、拉刀耐用度、拉削生产率及拉刀长度等都有密切关系。 拉削方式不同，拉刀设计方法也不同，这是拉刀设计中的一个重要环节。 拉削方式可分为三大类：分层拉削方式、分块拉削方式和综合拉削方式 分层拉削方式 这种方式是将拉削余量一层一层地顺序切下。 特点：切削宽度较大，切削厚度较小，刀齿多，拉刀长，生产率不高，也不适用于拉削有硬皮的工件。 这种方式又可分为：同廓拉削方式和渐成拉削方式 同廓拉削方式：按此方式设计的拉刀，每个刀齿都按工件的相似廓形切下一层层金属，只有最后一个切削齿才形成工件上的被加工表面。加工平面、圆孔和形状简单的成形表面时，刀齿廓形简单，容易制造，加工表面也较光洁，一般常采用这种拉削方式。 - 5 -

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渐成拉削方式：按此方式设计的拉刀，刀齿廓形与被拉削表面的形状不同，加工表面是由许多刀齿的切削刃先后切出而连接起来的，故切削刃可做成简单的弧形或直线形，拉刀较易制造，但加工表面较为粗糙。键槽、花键槽及多边孔常按此方式加工。 分块（轮切）拉削方式 按此方式设计的拉刀上有几组刀齿，每组中包含两个或三个刀齿。同一组刀齿的直径相同或基本相同，它们共同切除拉削余量中的一层金属。每个刀齿的切削位置是相互错开的，各切除一层金属中的一部分。全部余量由几组刀齿按顺序切完。 分块拉削方式的优点：每个切削刀齿上参加工作的切削刃宽度较小，而切削厚度比普通拉削方式的大二倍以上，因而单位切削力小；拉刀长度短；节省贵重的刀具材料；生产率高；这种拉刀还可以加工带有硬皮的锻铸件。 分块拉削方式的缺点：这样的拉刀结构复杂，制造困难，拉削后的工件表面也比较粗糙。 综合拉削方式 按此方式设计的拉刀，每个切削刀齿都有齿升量。在粗切齿和过渡齿上作出交错的弧形凹槽，这些刀齿按轮切方式进行工作，各齿切除一圈金属层宽度的一半，而第2、3、4各齿的切削厚度为第1齿切削厚度的二倍。精切齿则按同廓方式进行工作。 特点：拉刀短，生产率高，加工表面较光洁 第三节 圆孔拉刀设计 一、拉削余量 二、确定拉削方式 三、切削部分 拉刀齿升量 几何参数 齿 距 容屑槽 分屑槽 切削齿的齿数 切削齿的直径 四、校准部 五、非工作部分 六、拉刀检验

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山东建筑大学机电工程学院教案 第 10次课

齿轮刀具 授课内容 了解掌握插齿刀、滚齿刀的工作原理和结构特点 目的要求 正前角插齿刀的齿形误差、齿形误差的修正方法 重点难点 滚齿刀的结构特点和选用 课 型 理论 计划学时 3 课前准备 第十八章 切齿刀具 第一节 切齿刀具的分类 第二节 齿轮铣刀 第三节 插齿刀 第四节 齿轮滚刀 齿轮滚刀的工作原理 滚刀的安装 滚刀产形蜗杆（基本蜗杆） 课堂小结 正前角插齿刀的齿形误差 作业、思考 滚齿刀的结构特点和选用 课后小结 山东建筑大学备课纸

第十八章 齿轮刀具 切齿刀具是指切削各种齿轮、蜗轮和花键等齿廓形状的刀具 第一节 齿轮刀具的分类 按照加工原理分类 成形法齿轮刀具：用成形法加工齿轮时，刀具的齿形与被加工齿轮的齿槽形状相同。最常用的是用盘状模数铣刀和指状模数铣刀 展成法齿轮刀具：利用齿轮的啮合原理加工齿轮。常用的展成法齿轮刀具：滚齿刀、插齿刀、剃齿刀等。展成法具有较高的生产效率和加工精度。齿轮加工机床绝大多数采用展成法。 按照被加工齿轮的类型分类 加工渐开线圆柱齿轮的刀具：齿轮铣刀、滚刀、插齿刀、剃齿刀等。 加工蜗轮的刀具：蜗轮滚刀、飞刀、剃刀等。 加工锥齿轮刀具：直齿锥齿轮刨齿、弧齿轮铣刀盘等。 加工非渐开线齿形工件的刀具：摆线齿轮刀具、花键滚刀、链轮滚刀等。 第二节 齿轮铣刀 常用的类型：盘形齿轮铣刀、指形齿轮铣刀 盘形齿轮铣刀：盘形齿轮铣刀实际上是一种铲齿成形铣刀。前角为零时，刃口形状就是所加工齿轮的渐开线形状。 特点：盘形齿轮铣刀，结构简单，成本低廉，用不着专门的齿轮加工机床，在普通铣床上就可加工齿轮。加工精度及生产率较低。适于单件、小批生产及修配工作中加工直齿、斜齿圆柱齿轮、齿条等。 盘形齿轮铣刀的分组原因：齿轮的渐开线形状决定于基圆的大小，基因小，渐开线弯曲，基圆大，渐开线平直，基圆无穷大时，即为齿条。基圆直径do与齿轮模数m、齿数Z、齿形角α等有关： do=m·z·cosα 同一模数的铣刀是按被加工工件齿数范围分号的，每一号铣刀的齿形是按该号中最少齿数的齿轮齿形确定的；用这把铣刀铣削同号中其他齿数的齿轮时齿形有误差。 第三节 插齿刀 插齿刀的用途：加工直齿、斜齿圆柱齿轮、人字齿轮、齿条等。 插齿刀的工作原理 插齿刀结构分析 “产形”齿轮：直齿插齿刀的切削刃在插齿刀前端面上的投影应当是渐开线，这样，当插齿刀沿其轴线方向往复运动时，切削刃的运动轨迹就象一个直齿渐开线齿轮的齿面，这个假想的齿轮称为“产形”齿轮。 根据齿轮啮合的基本条件，这个产形齿轮的模数m和齿形角α应等于被加工齿轮的模数和齿形角。 插齿刀及其产形齿轮的基圆直径为 dbo＝mzocosα 式中 zo—插齿刀的齿数。 插齿刀的每个刀齿都有三个切削刃：一个顶刃和两个侧刃。 顶刃：假设把插齿刀的前刀面做成垂直于插齿刀轴线的一个平面，则刀齿的顶刃将是产形齿轮的顶圆柱面与前刀面的交线（圆弧），其前角将为零度（即γp＝0°）；

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侧刃：两个侧刃是产形齿轮的齿面（渐开柱面）与前刀面的交线（渐开线）。 顶刃后角：为了使刀齿的顶刃有后角，将顶后刀面做成一圆锥面，其轴线与插齿刀的轴线重合，则此锥面的底角的余角αp就是顶刃的后角。 侧刃后角：为了使两个侧刃有后角，将两个侧后刀面分别做成旋向相反的渐开螺旋面：右侧后刀面做成左旋的渐开螺旋面，左侧后刀面做成右旋的渐开螺旋面。 重磨前刀面以后，刀齿的顶圆直径和分圆齿厚虽然都减小了，但两个侧刃的齿形仍然是渐开线。 重磨前刀面以后，顶刃向插齿刀轴线移近了。为了保持刀齿的高度不变，齿根圆也应同样地向插齿刀轴线移近。 由上述可知： 插齿刀的每个端剖面中的齿形可看成是变位系数不同的变位齿轮的齿形。在新插齿刀的前端面上，变位系数为最大值，且常为正值。随着插齿刀的重磨，变位系数逐渐减小。变位系数等于零的端剖面O－O称为插齿刀的原始剖面，在此剖面以后的各个端剖面中，变位系数为负值。 正前角插齿刀的齿形误差 标准规定插齿刀的前角γp＝5°，为此，将插齿刀的前刀面做成内圆锥；侧后刀面是渐开螺旋面；所以，侧刃及其在端面上的投影就不是渐开线。 可以看出：齿形角α’＜α；齿顶变厚、齿根变薄。齿顶处误差0.027mm，齿根处误差达-0.009mm，齿形的总误差为0.036mm，超出了七级精度齿轮的齿形误差允许值0.016～0.032mm。 齿形误差的修正方法 减小齿形误差的方法是修正插齿刀的齿形角。 为计算方便，设插齿刀的基圆为无穷大，即按齿条的情况进行计算。 已知：插齿刀前角为γp、后角为αp、齿形角为α 目的：使插齿刀切削刃在端面的投影的齿形角等于被切齿轮的齿形角α，修正后的齿形的齿顶和齿根都比理论齿形厚一点，但误差已在允许范围内。 需要注意：插齿刀的齿形误差是因刀齿有正前角γp引起的，而误差的修正是根据一定的γp和αp数值来修正的。所以对于现成的插齿刀，我们不可以随意将顶刃前角γp和顶刃后角αp改磨成其它数值。 插齿刀的切削角度 顶刃前角γp和后角αp 侧刃后角 直齿插齿刀的侧刃前、后角 插齿刀的合理使用 插齿刀的类型： I型—盘形直齿插齿刀 Ⅱ型—碗形直齿插齿刀 Ⅲ型—锥柄直齿插齿刀 插齿刀的精度等级可根据被加工齿轮所要求的工作平稳性精度等级来选用： AA级适用于加工6级精度的齿轮 A级适用于加工7级精度的齿轮 B级适用于加工8级精度的齿轮

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第四节 齿轮滚刀 齿轮滚刀的工作原理 齿轮滚刀一般是指加工渐开线齿轮所用的滚刀。它是按螺旋齿轮的啮合原理加工齿轮的。 滚刀的安装 滚刀的安装角φ：加工圆柱齿轮时，为了使切削点处滚刀刀齿运动方向与被切齿轮的齿槽方向一致，滚刀轴线与被切齿轮端面之间应倾斜一个角度φ，这个角度称为滚刀的安装角。 当滚刀与齿轮的螺旋线方向相同时，滚刀的安装角 φ =β-γzo 当滚刀与齿轮的螺旋线方向相反时，滚刀的安装角 φ =β+ γzo 加工直齿轮时，滚刀的安装角 φ =γzo 式中 β －齿轮螺旋角 γzo－滚刀螺旋升角 滚刀产形蜗杆（基本蜗杆） 滚刀左、右侧切削刃分别分布在左右两个螺旋面上，这两个螺旋面构成的蜗杆称为滚刀的产形蜗杆（基本蜗杆） 。 为了使蜗杆能起切削作用，沿其长度方向上开出容屑槽（直槽或螺旋槽），把蜗杆上的螺纹割成许多短的刀齿，并产生了前刀面和切削刃。 每个刀齿有一个顶刃和两个侧刃。 为了使刀齿有后角，还要用铲齿的方法铲出侧后刀面和顶后刀面。但是各个刀齿的切削刃必须位于这个相当于斜齿圆柱齿轮的蜗杆的螺纹表面上，因此这个蜗杆就称为滚刀的产形蜗杆（基本蜗杆）。 产形蜗杆（基本蜗杆）形式 渐开线蜗杆 阿基米德蜗杆 法向直廓蜗杆 阿基米德滚刀的结构参数与选用 滚刀的参数 滚刀的参数分3类 切削参数 齿形参数 结构参数 切削参数 滚刀前面的一般形式是由直母线形成的螺旋面。它的特征由前角、容屑槽螺旋角决定。 前角定义在假定工作平面顶刃处，用符号γfa标注，分圆前角用γf标注。 容屑槽螺旋角定义在分圆柱上，用符号βk标注。 常取βk=-γzo ，既容屑槽与滚刀产形蜗杆螺纹垂直，旋向相反， 前角与螺旋角组合可能有4种形式 1. 零前角直槽滚刀：γf=0°、βk=0° 2. 正前角直槽滚刀：γf＞0°、βk=0°

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3. 零前角螺旋槽滚刀：γf=0°、βk≠0° 4. 正前角螺旋槽滚刀：γf＞0°、βk ≠ 0° 零前角直槽滚刀的优点是制造、刃磨、检验方便，产形蜗杆与渐开线蜗杆近似，造形误差最小。 正前角滚刀可以改善切削条件，提高切齿精度与滚齿效率。由前角引起的齿形误差，可通过修正产形蜗杆的原始齿形角得到一定的消除。 一般精滚刀取γf=9°，粗滚刀可适当增加到12°～15°。 直槽滚刀左、右侧切削刃的工作前角不等，一侧大于零，另一侧小于零。顶刃具有刃斜角，其大小相当于螺旋升角，有利于提高切齿的平稳性。 螺旋槽滚刀βk=-γzo，可使两侧切削刃的工作前角相等，均为0°。 根据以上分析，为权衡加工精度、效率，滚刀成本，4种前面结构的适用范围是： 零前角直槽滚刀：模数1～10mm标准齿轮滚刀 正前角直槽滚刀：齿轮专业工厂使用的滚刀 零前角螺旋槽滚刀：γzo＞5°的多头、大模数滚刀及蜗轮滚刀 正前角螺旋槽滚刀：较少使用 滚刀后面结构参数 后面包括齿顶铲面及左、右侧铲面，它们都是阿基米德螺旋面。 阿基米德蜗杆轴向剖面具有直线齿形，当采用同一铲削量K分别对齿顶及侧刃进行铲削（磨），就相当于齿侧用铲削量Kz进行轴向铲齿。铲齿后齿形角、齿顶、齿根宽度不变，重磨前面后相当于有了位移量的变化，不影响滚刀产形蜗杆与齿坯的正确啮合。 齿轮滚刀实质上是一个变位螺旋齿轮。重磨前面后，产形蜗杆变位系数减少，节圆减小，但齿形角、模数不变。因此切齿时可调节与齿坯啃合的中心距，就仍能加工出合乎要求的渐开线齿轮。 一般齿轮滚刀顶刃后角取10°～12°，按此计算并选择铲削量凸轮，铲磨后两侧刃正交平面后角约为4°。 滚刀的齿形参数指模数、齿形角、齿高等参数。 由滚齿原理知，滚刀产形蜗杆法向模数、齿形角应与被切齿坯的法向模数m 、分圆压力α角相等，其余法向齿形参数可按齿轮标准计算。 滚刀的结构参数 外形结构参数 端面齿槽参数 分圆参数 滚刀精度等级 标准滚刀的制造精度分AA、A、B 、C 4个等级。 根据被加工齿轮工作平稳性精度要求选用，一般AA级滚刀用于加工6～7级精度齿轮；A级滚刀用于加工7～8级精度齿轮；B级滚刀用于加工8～9级精度齿轮；C级滚刀用于加工10级以上精度齿轮；加工6级以上精度齿轮，要采用AAA或更高精度的滚刀。 其它齿轮滚刀 剃（磨）前滚刀 镶齿式滚刀 加工硬齿面的镶硬质合金滚刀 - 4 -

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阿德齿轮滚刀的齿形误差 阿基米德滚刀与渐开线滚刀相比，其齿形是有误差的。这个误差就是由于其基本蜗杆是阿基米德蜗杆，而不是渐开线蜗杆。 当这两种蜗杆的模数、螺纹头数、分圆柱直径、法向齿形角、导程、齿厚和齿高等都分别相同时，那么唯一不同的就是齿形。 以轴向齿形来说，渐开线蜗杆的轴向齿形是曲线（图中的虚线），而阿基米德蜗杆的轴向齿形是直线（图中的实线）。这两种齿形相切于分圆柱面上。若以渐开线滚刀的齿形为基准，则阿基米德滚刀的齿形在分圆柱面上的误差为零，但越到齿顶和齿根误差越大。 由计算可知，齿根处的最大法向齿形误差（Δfn）i 大于齿顶处的最大法向齿形误差（Δfn）a，所以通常把（Δfn）i 称为阿基米德滚刀的齿形误差。 同样由计算可知，阿基米德滚刀基本蜗杆的分圆柱导程角λo越小，则其齿形误差越小，所以精加工用的阿基米德齿轮滚刀通常做成较大的分圆柱直径，目的就是使其导程角较小，从而减少滚刀的齿形误差。 滚刀与插齿刀的比较 与插齿刀比较、滚刀的优点是： 1．滚刀加工齿轮时是连续的切削运动，没有空行程，且刀齿较多，所以加工生产率高于插齿刀； 2．对于常用的单头滚刀，因被切齿轮的每个齿是由滚刀同一条螺纹上的若干刀齿切出来的，所以滚刀的齿距误差不影响被切齿轮的齿距，而插齿刀加工齿轮时，插齿刀的齿距误差直接反映在被切齿轮上； 3．同一把滚刀，既可加工直齿轮，也可加工斜齿轮，仅加工时的安装角不同而已。 缺点是： 1．滚刀不能力加工内齿轮和空刀槽小的双联齿轮中直径较小的齿轮； 2．滚切时，因滚刀沿被切齿轮轴线方向进给，所以在齿侧面出现进给波纹，影响表面质量。 3．同样的精度等级，滚刀所加工出来的齿形精度低。 滚刀的安装调整 滚刀的安装 ： 滚刀的安装好坏影响着滚刀径向、轴向跳动，最终影响切齿精度。 一般安装滚刀前宜先校正刀轴，控制两端径向跳动在0.005mm。台阶与螺帽端面对轴线的垂直度应小于0.01mm，垫圈应淬硬磨平。 滚刀装到刀轴上需校正两边凸台的径跳，尽可能最高点在同一方向。这样就能保证滚刀与刀轴的倾斜度最小，对加工齿形误差影响最小。一般加工7、8、9级齿轮，允差分别为0.01～0.03mm。 滚刀安装角φ的精度，在加工7、8、9级齿轮时，允差分别为5'、10'、15'。 滚刀的窜刀 滚轴向窜刀的目的是使每个刀齿磨损均匀，延长滚刀的寿命。 - 5 -