第3章金屬切削原理與刀具第1節(jié)

第3章

金屬切削原理與刀具

(工程材料切削原理)第一節(jié)金屬切削刀具第二節(jié)金屬切削的基本規(guī)律第三節(jié)刀具磨損與壽命第四節(jié)切削用量的選擇1第一節(jié)金屬切削刀具一、切削運(yùn)動與切削要素

1.切削運(yùn)動

2.切削要素二、刀具角度

1.刀具切削部分的組成

2.刀具標(biāo)注角度參考系

3.刀具的標(biāo)注角度

4.刀具的工作角度三、刀具種類

1.刀具分類

2.常用刀具簡介四、刀具材料

1.刀具材料應(yīng)具備的性能

2.常用的刀具材料2

3.1金屬切削刀具一、切削運(yùn)動與切削要素1.切削運(yùn)動：刀具與工件間的相對運(yùn)動。分解：主運(yùn)動：切下切屑的基本運(yùn)動，只有一個。進(jìn)給運(yùn)動：保證切削不斷進(jìn)行的運(yùn)動，可能有多個。3例：切削運(yùn)動的分解14例：切削運(yùn)動的分解25例：切削運(yùn)動的分解36例：切削運(yùn)動的分解47

3.1金屬切削刀具切削運(yùn)動的合成1.切削運(yùn)動一、切削運(yùn)動與切削要素8

3.1金屬切削刀具2.切削要素一、切削運(yùn)動與切削要素已加工表面加工表面(過渡表面)待加工表面切削表面:9

3.1金屬切削刀具2.切削要素一、切削運(yùn)動與切削要素切削表面102.切削要素

3.1金屬切削刀具一、切削運(yùn)動與切削要素(1)切削速度：

單位時間內(nèi)，工件和刀具沿主運(yùn)動方向的相對位移；切削用量11切削速度的計算①主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，

d－工件待加工表面或刀具的最大直徑

n－工件或刀具每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)②主運(yùn)動為往復(fù)直線運(yùn)動，

L－往復(fù)直線運(yùn)動的行程長度

nr－主運(yùn)動每分鐘的往復(fù)次數(shù)122.切削要素

3.1金屬切削刀具一、切削運(yùn)動與切削要素(2)進(jìn)給量切削用量13進(jìn)給量f:在主運(yùn)動每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)或每一行程時(或單位時間內(nèi))，刀具與工件之間沿進(jìn)給運(yùn)動方向的相對位移；進(jìn)給速度:142.切削要素一、切削運(yùn)動與切削要素切削用量

3.1金屬切削刀具(3)切削深度ap(背吃刀量)15背吃刀量的計算dw，dm——待加工表面和已加工表面的直徑162.切削要素

切削層幾何參數(shù)切削層：切削刃一次走刀從工件加工表面切下的一層金屬。一、切削運(yùn)動與切削要素1）切削厚度ac2）切削寬度aw3)切削面積Ac

3.1金屬切削刀具17二、刀具角度1.刀具切削部分的組成3.1金屬切削刀具18二.刀具角度1.刀具切削部分的組成(1)前面（前刀面):刀具上與切屑接觸并相互作用的表面。(2)主后面（主后刀面):刀具上與工件加工表面接觸并相互作用的表面。3.1金屬切削刀具19(3)副后面（副后刀面):刀具上與工件已加工表面接觸并相互作用的表面。(4)主切削刃:前面與主后面的交線，它完成主要的切削工作。二.刀具角度1.刀具切削部分的組成3.1金屬切削刀具20(5)副切削刃:前面與副后面的交線，它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。(6)刀尖:連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直線段或圓弧。21各種刀具切削部分的形狀22二、刀具角度1.刀具切削部分的組成3.1金屬切削刀具233.1金屬切削刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系正交平面參考系：為了確定和測量刀具角度而引入三個相互垂直的參考平面。24(1)切削平面：通過主切削刃上某一點(diǎn)并與工件加工表面相切的平面。

25(2)基面:通過主切削刃上某一點(diǎn)并與該點(diǎn)切削速度方向相垂直的平面。26(3)正交平面（主剖面）:通過主切削刃上某一點(diǎn)并與切削平面和基面相垂直的平面。27二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系3.1金屬切削刀具283.1金屬切削刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系3.刀具的標(biāo)注角度29二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系3.刀具的標(biāo)注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃傾角λs3.1金屬切削刀具30前角：在正交平面內(nèi)測量的前面與基面之間的夾角。表示前面的傾斜程度。后角：在正交平面內(nèi)測量的主后面與切削平面之間的夾角。表示主后面的傾斜程度。31二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系3.刀具的標(biāo)注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃傾角λs3.1金屬切削刀具32主偏角：在基面內(nèi)測量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動方向的夾角，主偏角一般為正值。副偏角：在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動反方向的夾角，副偏角一般為正值。

33二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系3.刀具的標(biāo)注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃傾角λs3.1金屬切削刀具34刃傾角：在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面之間的夾角。35車刀的主要角度γokr

αoλs

k'r前角：γo“前面與基面之間的夾角”后角：αo“主后面與切削平面的夾角”+-+-主偏角：“主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向的夾角”。刃傾角：λS“主切削刃與基面之間的夾角”3637刃傾角符號38二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標(biāo)注角度參考系3.刀具的標(biāo)注角度4.刀具的工作角度3.1金屬切削刀具工作前角γoe變大和工作后角αoe減小

工作前角γoe變小，工作后角αoe變大

39三、刀具種類1.刀具分類加工方式和具體用途

車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動線及數(shù)控機(jī)床刀具和磨具等幾大類型。所用材料工具鋼刀具、高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金剛石刀具。結(jié)構(gòu)整體刀具、焊接裝配式刀具和機(jī)械夾固刀片刀具。是否標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)刀具（麻花鉆、銑刀、絲錐）和非標(biāo)準(zhǔn)刀具（拉刀、成型刀具

）3.1金屬切削刀具40(1)車刀:在車床上加工外圓、端平面、螺紋、內(nèi)孔，也可用于切槽和切斷等。

2.常用刀具簡介41a)直頭外圓車刀b)

45°彎頭外圓車刀c)

90°彎頭外圓車刀

d)端面車刀e)內(nèi)孔車刀f)切斷刀g)寬刃光刀42整體式車刀的刀片:高速鋼43(2)孔加工刀具

從實體材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花鉆、中心鉆和深孔鉆;

對工件上已有孔進(jìn)行再加工用的刀具，常用的有擴(kuò)孔鉆、鉸刀及鏜刀。44麻花鉆：應(yīng)用最廣的孔加工刀具，特別適合于直徑30mm以下的孔的粗加工，有時也可用于擴(kuò)孔。工作部分(刀體)：前端為切削部分，承擔(dān)主要的切削工作，后端為導(dǎo)向部分，起引導(dǎo)鉆頭的作用，也是切削部分的后備部分。

工作部分：有兩個對稱的刃瓣、兩條對稱的螺旋槽;導(dǎo)向部分磨有兩條棱邊。

45標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆存在切削刃長、前角變化大、螺旋槽排屑不暢、橫刃部分切削條件很差等結(jié)構(gòu)問題，生產(chǎn)中為了提高鉆孔的精度和效率，常將標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆按特定方式刃磨成“群鉆”使用。

群鉆的基本特征為：“三尖七刃銳當(dāng)先，月牙弧槽分兩邊，一側(cè)外刃開屑槽，橫刃磨得低窄尖”。46

中心鉆：加工軸類工件的中心孔。鉆孔時，先打中心孔，也有利于鉆頭的導(dǎo)向，可防止孔的偏斜。

47

深孔鉆：專門用于鉆削深孔的鉆頭。為解決深孔加工中的斷屑、排屑、冷卻潤滑和導(dǎo)向等問題，開發(fā)了外排屑深孔鉆、內(nèi)排屑深孔鉆和套料鉆等多種深孔鉆。48

擴(kuò)孔鉆：常用作鉸或磨前的預(yù)加工以及毛坯孔的擴(kuò)大，擴(kuò)孔效率和精度均比麻花鉆高。

49鉸刀：精加工刀具，加工精度可達(dá)IT6～I(xiàn)T7。50鉸刀的結(jié)構(gòu)鉸刀特點(diǎn)：鉸刀無橫刃,刀齒較多，一般有6～12個齒，每個刀齒上所受的徑向切削分力比較均勻,鉸孔余量小，容積空間不深。鉸刀芯部直徑較粗，剛性好，因此，鉸削時工作平穩(wěn)，鉸孔質(zhì)量好。51

鏜刀：多用于箱體孔的粗、精加工，一般分為單刃鏜刀和多刃鏜刀兩大類。

52⑶銑刀：一種應(yīng)用廣泛的多刃回轉(zhuǎn)刀具。銑削的生產(chǎn)率一般較高，加工表面粗糙度值較大。

53銑刀的分類（a）圓柱平面銑刀（b）端銑刀（c）單面刃銑刀（d）雙面刃銑刀（e）三面刃銑刀（f）錯齒三面刃銑刀（g）立銑刀（h）鍵槽銑刀（i）單角度銑刀（j）雙角度銑刀（k）成形銑刀54⑷拉刀：拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具，廣泛應(yīng)用于大批量生產(chǎn)中，可加工各種內(nèi)、外表面。

55

1.拉刀種類拉刀按加工表面分為內(nèi)拉刀和外拉刀；

按拉削方式分普通式、輪切式、及綜合式；

按受力不同分拉刀和推刀。2.拉刀的結(jié)構(gòu)普通圓孔拉刀結(jié)構(gòu)如下：56可拉削加工的各種內(nèi)外表面a)圓孔d)鍵槽g)平面b)三角形孔e)花鍵孔h)榫槽c)方孔f)內(nèi)齒輪I)燕尾槽57⑸螺紋刀具：螺紋可用切削法和滾壓法進(jìn)行加工。螺紋加工可在車床上車削完成(外螺紋)；可用手動或在鉆床上用絲錐進(jìn)行加工（內(nèi)螺紋）；58⑹齒輪刀具：齒輪刀具是用于加工齒輪齒形的刀具,按刀具的工作原理，齒輪刀具分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具。59

標(biāo)準(zhǔn)直齒插齒刀的分類和用途

①盤形插齒刀

加工外齒輪和大徑內(nèi)齒輪Φ75、100、125、160、200②碗形插齒刀

加工多聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，有Φ50、75、100、125mm。③錐柄插齒刀

加工內(nèi)齒輪，有Φ25mm(m1~2.75)、Φ38mm(m1~3.75)60選用齒輪滾刀和插齒刀時，注意以下幾點(diǎn)：1)刀具基本參數(shù)

(模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)等)應(yīng)與被加工齒輪相同。2)刀具精度等級與被加工齒輪要求的精度等級相當(dāng)。3)刀具旋向應(yīng)盡可能與被加工齒輪的旋向相同。滾切直齒輪時，一般用左旋滾刀。61⑺數(shù)控刀具62636465四、刀具材料1.刀具材料應(yīng)具備的性能1）高的硬度和耐磨性2）足夠的強(qiáng)度和韌性3）高耐熱性（熱穩(wěn)定性）和傳熱性4）良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性3.1金屬切削刀具661.足夠的硬度和耐磨性

硬度：刀具材料應(yīng)具備的基本性能。刀具硬度應(yīng)高于工件材料的硬度，常溫硬度一般須在60HRC以上。

耐磨性：指材料抵抗磨損的能力，它與材料硬度、強(qiáng)度和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料硬度越高，耐磨性越好。2.足夠的強(qiáng)度與韌性

切削時刀具要承受較大的切削力、沖擊和振動，為避免崩刀和折斷，刀具材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。673.較高的耐熱性和傳熱性

耐熱性：指刀具材料在高溫下保持足夠的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性、抗氧化性、抗黏結(jié)性和抗擴(kuò)散性的能力(亦稱為熱穩(wěn)定性)。

熱硬性：材料在高溫下仍保持高硬度的能力稱為熱硬性，它是刀具材料保持切削性能的必備條件。刀具材料的高溫硬度越高，耐熱性越好，允許的切削速度越高。684.較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

為了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工藝性能，如熱軋、鍛造、焊接、熱處理和機(jī)械加工等性能。693.1金屬切削刀具2.常用的刀具材料

1）工具鋼

碳素工具鋼（如T10A、T12A）

合金工具鋼（如9SiCr、CrWMn）2）高速鋼

通用型高速鋼:鎢系、鉬系高性能高速鋼：鈷高速鋼、鋁高速鋼粉末冶金高速鋼3）硬質(zhì)合金：鎢鈷類(YG類)、鎢鈷鈦類(YT類)4）陶瓷5）超硬材料

立方氮化硼

金剛石70碳素工具鋼

碳素工具鋼是含碳量為0.65%～1.3%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，常用鋼號有T7A、T8A、T10A、T12A等。

特點(diǎn)：工藝性能良好，經(jīng)適當(dāng)熱處理，硬度可達(dá)60HRC～64HRC，有較高的耐磨性，價格低廉。但熱硬性差，在200℃～300℃時硬度開始降低，故允許的切削速度較低(5m/min～10m/min)。

應(yīng)用：制造手用刀具。71合金工具鋼

合金工具鋼是在碳素工具鋼中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪劂t(Cr)、鎢(W)、錳(Mn)、硅(Si)

等煉制，合金元素總含量不超過3%～5%。常用鋼號有9SiCr、CrWMn等。特點(diǎn)：提高了刀具材料的韌性、耐磨性和耐熱性。其耐熱性達(dá)325℃～400℃，所以切削速度(10m/min～15m/min)比碳素工具鋼提高了。應(yīng)用：制造手用刀具、低速及小進(jìn)給量的機(jī)用刀具。

72

高速鋼

高速鋼是在高碳鋼中加入較多W、Cr、Mo(鉬)、V（釩）等合金元素的高合金工具鋼，也稱白鋼、鋒鋼。特點(diǎn)：提高了合金的硬度。一般高速鋼的淬火硬度可達(dá)HRC63~67。在切削溫度高達(dá)500~650C°,仍能進(jìn)行切削。允許的切削速度可比合金工具鋼提高1~3倍。高速鋼具有較高的強(qiáng)度。在所有刀具材料中它的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性值最高。高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質(zhì)合金好得多。應(yīng)用：制造各種刃形復(fù)雜精密刀具的主要材料。73按用途通用型高速鋼

滿足一般材料的常規(guī)加工鎢系W18Cr4V

鉬系W6Mo5Cr4V2

高性能高速鋼

切削性能好，加工不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及高強(qiáng)度鋼等難加工材料

鋁系W6Mo5Cr4V2Al

鈷系W6Mo5Cr4VCo8

粉末冶金高速鋼切削各種難加工材料74W6Mo5Cr4V2與W18Cr4V相比，優(yōu)點(diǎn)：碳化物含量相應(yīng)減少，而且顆粒細(xì)小分布均勻，因此抗彎強(qiáng)度、塑性、韌性和耐磨性都略有提高；可做尺寸較小、承受沖擊力較大的刀具；因Mo的存在，熱塑性特別好，更適用于制造熱軋鉆頭等熱成形刀具。其主要缺點(diǎn)：可磨削性略低于W18Cr4V。75

鋁高速鋼(W6Mo5Cr4V2Al，簡稱501)：鋁高速鋼是我國研制的無鈷高速鋼，是在W6Mo5Cr4V2的基礎(chǔ)上增加鋁、碳的含量，以提高鋼的耐熱性和耐磨性，并使其強(qiáng)度和韌性不降低。

鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8，簡稱M42)：一種含Co超硬高速鋼，常溫硬度達(dá)67HRC～69HRC，具有良好的綜合性能。Co能提高高溫硬度，相應(yīng)地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。

76粉末冶金高速鋼：將高頻感應(yīng)爐煉的鋼液用高壓惰性氣體(如氬氣)霧化成粉末，再經(jīng)過冷壓和熱壓(同時進(jìn)行燒結(jié))制成刀坯或制成鋼坯，再經(jīng)過軋制或鍛造成材。優(yōu)點(diǎn)：韌性和硬度較高，可磨削性能好，材質(zhì)均勻，熱處理變形小，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，耐用度較高，故可切削各種難加工材料，適合于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀、插齒刀）、精密刀具、磨加工量大的復(fù)雜刀具、高動載荷下使用的刀具等。77

硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑

(如Co、Ni、Mo等)，經(jīng)過高壓成形，并在1500℃左右的高溫下燒結(jié)而成。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC等，常用的黏結(jié)劑有Co、Mo、Ni。特點(diǎn)：硬度高達(dá)89～95HRA，耐磨性很好，耐熱性可達(dá)800～1000℃均超過高速鋼。其缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度低、脆性大、怕振動、怕沖擊、制造工藝性差。很少用于制造整體刀具。由于硬質(zhì)合金的常溫硬度很高，很難采用切削加工方法制造出復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，可加工性差。

應(yīng)用：硬質(zhì)合金刀具加工效率很高，切削速度可達(dá)100m/min以上，能夠切削淬火鋼等硬材料。78常用硬質(zhì)合金鎢鈷類（YG類或K類）

WC+CoYG3Y:硬質(zhì)合金G:鈷3：Co含量3%YG3XX:細(xì)晶粒鎢鈷鈦類（YT類或P類）WC+TiC+CoYT30Y:硬質(zhì)合金T:碳化鈦30:TiC含量30%通用硬質(zhì)合金（YW類或M類）

WC+TiC+TaC(NbC)+CoYW1:W:通用合金TiC基硬質(zhì)合金（YN類）TiC+WC+Ni、MoYN10N:Ni、Mo作粘結(jié)劑的合金10:Ni含量10%79YG和YT比較（含Co量相同）

YT類硬質(zhì)合金中由于含有硬度較高的TiC，故該類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力較高，但其導(dǎo)熱性能、抗彎強(qiáng)度和韌性、可磨削性和可焊性卻有所降低。

YG：韌性好，但耐磨性差，適于加工鑄鐵、青銅等脆性材料YT：硬度高，耐熱性好，適宜加工鋼件精加工選用含Co少的合金，粗加工或有沖擊載荷時，選用含Co多的合金。80陶瓷材料陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成的。如：純Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷兩種。

優(yōu)點(diǎn)：高硬度、耐磨性、耐熱性，在1200℃高溫下仍能進(jìn)行切削；有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的摩擦因數(shù)，抗擴(kuò)散和抗黏結(jié)能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、韌性差，抗彎強(qiáng)度僅為硬質(zhì)合金的1/3～1/2；導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為硬質(zhì)合金的1/5～1/2。

應(yīng)用：鋼、鑄鐵及塑性大的材料(如紫銅)的半精加工和精加工，對于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料加工特別有效；不適于機(jī)械沖擊和熱沖擊大的加工場合。81立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是由立方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的。硬度高可達(dá)8000～9000HV，僅次于金剛石，耐熱性高達(dá)1400℃。

應(yīng)用：立方氮化硼作為一種新型超硬磨料和刀具材料，用于加工鋼鐵等黑色金屬，特別是加工高溫合金、淬火鋼和冷硬鑄鐵等難加工材料。82金剛石

金剛石分天然的和人造的兩種。人造金剛石是在高溫高壓條件下，由石墨轉(zhuǎn)化而成。目前已知的最硬物質(zhì)。

特點(diǎn)：硬度高可達(dá)10000HV，很好的耐磨性，刀具耐用度比硬質(zhì)合金提高幾倍甚至幾百倍；加工冷硬現(xiàn)象較少；金剛石抗黏結(jié)能力強(qiáng)，不產(chǎn)生積屑瘤，很適于精密加工。但其耐熱性差，切削溫度不得超過700℃～800℃；強(qiáng)度低、脆性大，對振動很敏感，只宜微量切削；與鐵的親合力很強(qiáng)，不適于加工黑色金屬材料。

應(yīng)用：用于磨具及磨料，作為刀具多在高速下對有色金屬及非金屬材料進(jìn)行精細(xì)切削。83

表1常用刀具材料的特性

種