第二章刀具切削基礎(chǔ)

第一節(jié)刀具材料第二節(jié)切削刀具的分類及結(jié)構(gòu)第三節(jié)刀具的幾何角度第四節(jié)刀具的工作角度第一節(jié)刀具材料一、刀具材料應(yīng)具備的主要性能1．高硬度2．高耐磨性3．足夠的強(qiáng)度和韌性4．高耐熱性5．良好的工藝性二、常用刀具材料的種類及主要性能三、高速鋼

高速鋼是含有鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素較多的合金工具鋼，也稱為白鋼、鋒鋼。

優(yōu)點(diǎn)：高速鋼具有較高的強(qiáng)度、韌性和良好的刃磨性能，能承受較大的切削力和沖擊力，常用于制造形狀復(fù)雜的刀具。

缺點(diǎn)：高速鋼的耐熱性較差，耐熱溫度為550~600℃，允許的最高切削速度為30m/min。由于高速鋼的切削速度比其他工具鋼高幾倍甚至十幾倍，故稱之為高速鋼。1．普通高速鋼普通高速鋼主要牌號(hào)、性能特點(diǎn)及應(yīng)用類別主要牌號(hào)性能特點(diǎn)應(yīng)用鎢系高速鋼W18Cr4V工藝性能好，特別是刃磨性能和熱處理性能好；但碳化物均勻性、高溫塑性較鎢鉬系高速鋼差應(yīng)用最廣泛的一種高速鋼，適用于制作一般刀具和各種復(fù)雜刀具，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鉸刀、齒輪刀具及機(jī)用絲錐、板牙、鋸條等鎢鉬系高速鋼W6Mo5Cr4V2降低了碳化物的數(shù)量及分布的不均勻性，細(xì)化了晶粒，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性提高，耐磨性好，熱塑性好；紅硬性較低適用于制造各種承受沖擊力較大的刀具，如插齒刀、錐齒輪刨刀和一般切削刀具，也可用于制造大型和熱塑成形刀具W9Mo3Cr4V是一種新牌號(hào)高速鋼，綜合性能優(yōu)于W6Mo5Cr4V2，成本較低適用性強(qiáng)2．高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加一些碳（C）、釩（V），并添加鈷（Co）或鋁（Al）等合金元素而獲得，耐磨性和耐熱性得到顯著提高。3．粉末冶金高速鋼

優(yōu)點(diǎn)：粉末冶金高速鋼完全避免了碳化物的偏析，晶粒細(xì)化，分布均勻，強(qiáng)度、硬度、耐磨性等有了顯著提高。由于物理、力學(xué)性能各向同性，減少了熱處理造成的變形與應(yīng)力。

用途:（1）制造切削難加工材料的刀具。（2）進(jìn)行強(qiáng)力、斷續(xù)切削時(shí)，要求鋒利、強(qiáng)度和韌性高的刀具。4．高速鋼刀具的表面處理

表面處理：通過(guò)某種特殊工藝改善刀具表層的成分與組織或在刀具表面涂鍍一層耐磨薄層（0.002mm左右）。常見的表面處理有：經(jīng)過(guò)表面處理的刀具，耐用度得到顯著提高。如目前一些銑刀、鉆頭的切削部分呈金黃色，多為TiN涂層。氮化處理離子注入液體氮碳共滲真空濺射涂鍍物理氣相沉積TiN、TiC1．常用硬質(zhì)合金四、硬質(zhì)合金我國(guó)常用硬質(zhì)合金牌號(hào)與ISO分類對(duì)照及用途種類牌號(hào)相近ISO牌號(hào)主要用途加工性質(zhì)鎢鈷類K30YG8加工鑄鐵、有色金屬及其合金粗加工K20YG6半精加工K01YG3精加工鎢鈦鈷類P30YT5加工鋼等塑性金屬粗加工P10YT15半精加工P01YT30精加工鎢鈦鉭（鈮）鈷類M10YW1加工耐熱鋼，高錳鋼、不銹鋼等難加工材料、一般鋼材和鑄鐵、有色金屬的加工精加工半精加工M20YW2粗加工半精加工

例2—1：根據(jù)下列加工條件選擇合適的硬質(zhì)合金牌號(hào)。

（1）粗車鑄鐵工件材料是鑄鐵，選用YG類硬質(zhì)合金；粗車，為粗加工，應(yīng)選用含鈷（Co）量多的牌號(hào)YG8。

（2）精車45鋼工件材料是45鋼，選用YT類硬質(zhì)合金；精車，為精加工，應(yīng)選含（碳化鈦）TiC量多的牌號(hào)YT30。

（3）粗車不銹鋼（Cr18Ni9Ti）軸工件材料是鈦不銹鋼，應(yīng)選用YW類硬質(zhì)合金；粗車，為粗加工，應(yīng)選用牌號(hào)YW2。2．其他硬質(zhì)合金種類主要成分優(yōu)缺點(diǎn)主要用途碳化鈦基（YN類）硬質(zhì)合金以TiC為主要成分，加入少量的WC、NbC，以Ni和Co為黏結(jié)劑耐磨，耐熱，抗黏結(jié)，切削速度高。強(qiáng)度、韌性較低用于合金鋼、淬火鋼的精加工鋼結(jié)硬質(zhì)合金（YE類）以TiC或WC做硬質(zhì)相，高速鋼做黏結(jié)相，屬高速鋼基硬質(zhì)合金耐熱，耐磨，韌性好，可鍛造性、熱處理性和可切削性較好制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的刀具，如鉆頭、銑刀等細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金細(xì)晶粒合金平均粒度在1.5μm左右，超細(xì)晶粒合金粒度在0.2~1μm抗彎強(qiáng)度較高，在中、低速及斷續(xù)切削的狀態(tài)下不易發(fā)生崩刃現(xiàn)象涂層硬質(zhì)合金在硬質(zhì)合金表面涂覆一層或多層（5~13μm）的難熔金屬碳化物硬度、耐磨性和耐熱性得到較大提高多用于機(jī)夾式不重磨刀片五、陶瓷刀具材料

1．陶瓷刀具材料的主要特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)：（1）高硬度與高耐磨性（2）高耐熱性（3）良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗黏結(jié)性（4）摩擦因數(shù)?。?）強(qiáng)度和韌性差、熱導(dǎo)率低

陶瓷刀具材料：以氧化鋁（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）為基體，再添加少量金屬，在高溫下燒結(jié)而成的一種刀具材料。

應(yīng)用：陶瓷刀具一般適用于高速精細(xì)加工硬材料，如在200m/min條件下車削淬火鋼。2．陶瓷刀具材料的種類

（1）氧化鋁基陶瓷

成分：將一定量的碳化物（多以TiC）添加到Al2O3中，稱為混合陶瓷或組合陶瓷。若添加鎳（Ni）、鈷（Co）、鎢（W）等作為黏結(jié)金屬，可較大地提高陶瓷刀具的強(qiáng)度。

應(yīng)用：適合在中等切削速度下切削難加工材料，如冷硬鑄鐵、淬硬鋼等。

（2）氮化硅基陶瓷

成分：將硅粉經(jīng)氮化、球磨后添加助燒劑于模腔內(nèi)熱壓燒結(jié)而成。其抗熱沖擊性能優(yōu)于其他陶瓷刀具，并不易發(fā)生崩刃現(xiàn)象。

應(yīng)用：切削速度可達(dá)500~600m/min，適宜精車、半精車，精銑、半精銑加工。可用于切削難加工材料。六、超硬刀具材料1．金剛石（1）金剛石刀具的優(yōu)點(diǎn)1）極高的硬度和耐磨性2）很好的導(dǎo)熱性和很低的熱膨脹系數(shù)3）刀具的切削刃很鋒利，刃面的粗糙度值很小4）摩擦因數(shù)低于其他刀具材料

金剛石是碳的同素異形體，是目前最硬的物質(zhì)。有天然與人造之分。

（2）金剛石刀具的主要缺點(diǎn)及適用范圍1）耐熱性差、強(qiáng)度低、脆性大對(duì)沖擊、振動(dòng)敏感，因而對(duì)機(jī)床的精度、剛性要求較高。一般只適宜用于精加工。2）金剛石與鐵和碳原子的親和性強(qiáng)易使其喪失切削能力，故不宜用于加工鐵族材料。2．立方氮化硼（簡(jiǎn)稱CBN）優(yōu)點(diǎn)：（1）很高的硬度與耐磨性。（2）很高的熱穩(wěn)定性。（3）有較好的導(dǎo)熱性，與鋼鐵的摩擦因數(shù)較小。應(yīng)用：用于淬硬鋼、冷硬鑄鐵的粗加工與半精加工，以及高速切削高溫合金等難加工材料。但由于其強(qiáng)度及韌性仍較低（介于陶瓷與硬質(zhì)合金之間），因此不宜用于低速切削。第二節(jié)切削刀具的分類及結(jié)構(gòu)一、刀具的分類切削刀具用于將毛坯上多余的材料切除，以獲得具有預(yù)期的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的零件。刀具的分類方法通常有：按應(yīng)用場(chǎng)合分類按主切削刃的數(shù)量分類按刀具的結(jié)構(gòu)分類按刀具材料分類第二節(jié)切削刀具的分類及結(jié)構(gòu)a）車刀b）鉆頭c）銑刀d）鉸刀e）拉刀f）絲錐g）滾刀1．按應(yīng)用場(chǎng)合分類2．按主切削刃的數(shù)量分類

單刃刀具：指具有一條主切削刃的刀具。多刃刀具：具有兩條或兩條以上主切削刃的刀具。a）車刀b）鉆頭c）銑刀d）鉸刀e）拉刀f）絲錐g）滾刀3．按刀具的結(jié)構(gòu)分類

a）整體式b）焊接式c）機(jī)夾式4．按刀具材料分類

工具鋼硬質(zhì)合金陶瓷超硬材料二、刀具切削部分的構(gòu)成前（刀）面——切屑流過(guò)的刀面。主后（刀）面——切削時(shí)，與工件過(guò)渡表面相對(duì)的刀面。副后（刀）面——切削時(shí)，與工件已加工表面相對(duì)的刀面。主切削刃——主后刀面與前刀面的交線，擔(dān)負(fù)主要的切削工作。副切削刃——副后刀面與前刀面的交線，配合主切削刃完成切削工作。刀尖——主、副切削刃的交點(diǎn)。第三節(jié)刀具的幾何角度一、參考系

參考系是用來(lái)定義和測(cè)量刀具角度的參考平面，是具有一定空間位置的假想平面。參考系標(biāo)注參考系（靜止參考系）工作參考系（動(dòng)態(tài)參考系）標(biāo)注參考系是刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨與測(cè)量的基準(zhǔn)。工作參考系是確定工作狀態(tài)中刀具角度的基準(zhǔn)。正交平面參考系（常用）法平面參考系進(jìn)給平面參考系背平面參考系1．標(biāo)注參考系的假定條件

（1）假定運(yùn)動(dòng)條件：不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響，只考慮主運(yùn)動(dòng)（切削速度）的影響。（2）假定安裝條件：車刀刀尖與工件軸線等高、刀桿中心線垂直于進(jìn)給方向。2．正交平面參考系正交平面參考系由基面Pr、切削平面Ps與正交平面Po組成，即：Pr—Ps—Po

。

（1）基面Pr——通過(guò)切削刃上某一選定點(diǎn)，垂直于該點(diǎn)主運(yùn)動(dòng)（切削速度v）方向的平面。切削平面與基面正交平面、切削平面與基面

（2）切削平面Ps——通過(guò)切削刃上某一選定點(diǎn)，相切于工件過(guò)渡表面并垂直于基面的平面。切削平面與基面正交平面、切削平面與基面（3）正交平面Po——通過(guò)切削刃上某一選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面，也叫剖面或截面。正交平面、切削平面與基面基面——通過(guò)選定點(diǎn)的水平面。切削平面——經(jīng)過(guò)切削刃的鉛垂面。正交平面——通過(guò)選定點(diǎn)垂直于切削平面的鉛垂面。副切削平面——經(jīng)過(guò)副切削刃的鉛垂面。副正交平面——通過(guò)副切削刃上選定點(diǎn)垂直于副切削平面的鉛垂面。副正交平面、正交平面、基面

3．其他參考平面簡(jiǎn)介

（1）法平面Pn——通過(guò)切削刃上某一選定點(diǎn)，垂直于切削刃的平面。法平面與正交平面的區(qū)別

（2）進(jìn)給平面Pf——通過(guò)切削刃上某一選定點(diǎn)，垂直于基面Pr且平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的平面。

（3）背平面Pp

（切深平面）——通過(guò)切削刃上某一選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于基面和進(jìn)給平面的平面。二、刀具角度的定義及標(biāo)注1．刀具角度的定義

投影面圖示角度定義基面pr主偏角κr

主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向之間的夾角副偏角κr′副切削刃在基面上的投影與背進(jìn)給方向之間的夾角刀尖角εr

主切削刃和副切削刃在基面上的投影之間的夾角投影面圖示角度定義正交平面Po

前角γo

正交平面內(nèi)，前面與基面之間的夾角主后角αo

正交平面內(nèi)，后面與切削面之間的夾角楔角βo

在正交平面內(nèi)，前面與后面之間的夾角投影面圖示角度定義副正交平面Po′副后角αo

′在副正交平面內(nèi)，副后面與副切削平面之間的夾角切削平面Ps

刃傾角λs在切削平面內(nèi)，主切削刃與基面之間的夾角2．刀具幾何角度的標(biāo)注

（1）標(biāo)注方法1）投影作圖法它嚴(yán)格按投影關(guān)系來(lái)繪制幾何形狀，是認(rèn)識(shí)和分析刀具切削部分幾何形狀的重要方法，但該方法繪制煩瑣，一般比較少用。2）簡(jiǎn)單畫法該方法繪制時(shí)，視圖間大致符合投影關(guān)系，但角度與尺寸必須按比例繪制，這是一種常用的方法。（2）車刀刀具圖的簡(jiǎn)單畫法與角度標(biāo)注

75°硬質(zhì)合金外圓車刀幾何角度的標(biāo)注三、刀具角度的主要作用及合理選擇1．前角（1）前角的主要作用影響刀刃的鋒利程度和強(qiáng)度影響切削變形和切削力影響工件加工表面質(zhì)量前角大，楔角小，切削刃鋒利，切削省力，排屑順利，切削變形小，但隨著楔角小，切削刃低，刀具的散熱條件差?；驹瓌t：“銳中求固，力求鋒利”強(qiáng)化刀刃和刀尖前角大小的選擇依據(jù)是：1）工件材料2）加工性質(zhì)3）刀具材料4）工藝系統(tǒng)剛度

正、負(fù)、零度前角示例

（2）前角的選擇

硬質(zhì)合金車刀合理前角參考值2．主后角（1）主后角的作用

影響切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度。影響刀頭的散熱性能。用來(lái)減小刀具后刀面與工件加工表面之間的摩擦，從而改善工件表面質(zhì)量。（2）主后角的選擇1）粗加工時(shí)主后角取較小值（αo=4°~

6°），精加工時(shí)可取較大的主后角（αo=8°~12°）。2）工件材料的硬度、強(qiáng)度較高時(shí)，應(yīng)取較小的主后角。3）工件材料的塑性、韌性較大時(shí)，應(yīng)取較大的主后角。4）刀具材料的強(qiáng)度和韌性較好時(shí)，可選擇較大的主后角。5）工藝系統(tǒng)的剛度較差時(shí)，應(yīng)選擇較小的主后角。3．副后角作用：減小刀具副后刀面與工件已加工表面的摩擦。選擇：副后角的選擇與主后角的選擇基本相同。但切斷刀由于刀頭強(qiáng)度較低，應(yīng)取較小的副后角，一般αo′=1°~2°。4．主偏角

（1）主偏角的作用1）影響刀尖強(qiáng)度和散熱性能主偏角對(duì)刀尖強(qiáng)度和散熱性能的影響2）影響切削分力大小車削時(shí)，增大主偏角κr可使背向力(徑向力Fy)減小，進(jìn)給力（軸向力Fx）增大。3）影響斷屑在進(jìn)給量f一定時(shí)，增大主偏角κr，使切削厚度ac增大，切削變形增大，切屑易折斷。主偏角對(duì)切削分力的影響（2）主偏角的選擇

1）主偏角κr的選擇主要取決于工件表面形狀。例如車削臺(tái)階軸或鏜盲孔時(shí)，應(yīng)選擇κr≥90°，車削需要中間切入的工件則應(yīng)取κr=45°～60°。2）粗加工和工藝系統(tǒng)的剛度較好時(shí)，主偏角κr可取較小值，以增大刀尖角εr，提高刀尖強(qiáng)度。3）工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)，宜取較大的主偏角κr，以減小徑向力，避免切削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和變形。如車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，通常取κr=80°~93°。

5．副偏角副偏角κr′影響工件副切削刃與工件已加工表面之間的摩擦，從而影響工件的表面粗糙度，影響刀尖強(qiáng)度和散熱性能。副偏角κr′的選擇：適用范圍，加工條件主偏角κr副偏角κr′工藝系統(tǒng)剛度足夠，小切深車削淬硬鋼、冷硬鑄鐵10o~30o5o~10o工藝系統(tǒng)剛度較好，需中間切入，車端面、倒角45o45o工藝系統(tǒng)剛度較差，粗車、強(qiáng)力車削70o~75o10o~15o工藝系統(tǒng)剛度差，車臺(tái)階軸、細(xì)長(zhǎng)軸80o~93o6o~10o切斷、車槽90o1o~2o6．刃傾角（1）刃傾角的作用1）影響排屑方向不同刃傾角的車刀對(duì)排屑的影響2）影響刀頭強(qiáng)度正值刃傾角（+λs）的刀尖容易受沖擊引起崩刃，負(fù)值刃傾角（-λs）的刀頭強(qiáng)度較好，可以減小切削力對(duì)刀尖的沖擊，保護(hù)刀尖。正、負(fù)值刃傾角的受力情況3）影響切削的平穩(wěn)性當(dāng)刃傾角λs＝0°時(shí)，切削刃同時(shí)切入和切出，沖擊力較大。當(dāng)刃傾角λs≠0°時(shí)，切削刃（斜刃）逐漸切入工件，沖擊力較小，切削較平穩(wěn)。如大螺旋角（λs＝60°~70°）圓柱銑刀比普通圓柱銑刀切削要平穩(wěn)且刀刃鋒利。4）影響切削刃的鋒利性要使刀具刃口鋒利，必須減小刃口圓弧半徑。但受客觀條件限制，刃口圓弧半徑不能磨得太?。ㄓ绕涫怯操|(zhì)合金刀具）。磨出刃傾角λs后，實(shí)際刃口圓弧半徑減小，且增大了實(shí)際前角，切削刃變得更鋒利，有利于進(jìn)行微量切削。（2）刃傾角的選擇1）精加工時(shí)應(yīng)取正值刃傾角（+λs），使切屑排向待加工表面，以免劃傷、拉毛已加工表面。2）粗加工、斷續(xù)切削和帶沖擊的切削，應(yīng)選負(fù)值刃傾角（-λs），以提高刀頭強(qiáng)度、保護(hù)刀尖。3）工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)不宜選擇負(fù)值刃傾角（-λs）。4）微量切削可采用大刃傾角λs刀具，以提高刀刃的鋒利程度，如λs＝45°～75°。λs值0°～5°5°～10°-5°～0°-10°～-5°-15°～-10°-45°～-10°45°～75°應(yīng)用范圍精車鋼，車細(xì)長(zhǎng)軸精車有色金屬粗車鋼和灰鑄鐵粗車余量不均勻鋼斷續(xù)車削鋼、灰鑄鐵帶沖擊切削淬硬鋼大刃傾角微量切削第四節(jié)刀具的工作角度一、工作參考系與工作角度1．工作角度形成的原因由于刀具安裝位置、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的變化，都會(huì)引起刀具工作角度的變化，使之與刀具標(biāo)注角度不相同。刀具工作角度示意圖2．工作參考系及工作角度以切削過(guò)程中的刀具與工件的實(shí)際相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)建立的參考系稱為工作參考系。刀具上的刀面、刀刃與工作參考系平面的夾角稱為工作角度。3．工作參考系與標(biāo)注參考系的區(qū)別（1）用合成切削運(yùn)動(dòng)（速度）υe代替假定主運(yùn)動(dòng)（速度）υ