切削刀具及其材料.doc

第二节 切削刀具及其材料一、 切削刀具切削刀具的种类很多，形状各异，但它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基础形态，所以，研究切削刀具时，总是以车刀为基础。1.车刀切削部分的组成车刀(turning tools)切削部分由下列要素组成：三面、两刃、一尖 （1）刀面前刀面：刀具上切屑流过的表面。 主后刀面：与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。 副后刀面：与工件已切削加工的表面相对的刀面。（2）刀刃主切削刃：前刀面与主后刀面在空间的交线。副切削刃：前刀面与副后刀面在空间的交线。 (3) 刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。实际刀具的刀尖并非绝对尖锐，而是一小段曲线或直线，分别称为修圆刀尖和倒角刀尖。 2.车刀切削部分的主要角度刀具静止参考系：在刀具设计 、制造、刃磨和测量几何参数时用的参考系，刀具工作参考系：用于规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系， (1)刀具静止参考系：基面、切削平面、正交平面1)基面：过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面，以pr表示。2)切削平面：过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面，主切削平面以ps表示。3)正交平面：过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面，以po表示。4)假定工作平面：过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面，以pf表示。(2)车刀的主要角度 如图1-7所示。图1-6 刀具静止参考系的平面 图1-7 车刀的主要角度1)主偏角kr：在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。2)副偏角kr：在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角。主偏角主要影响切削层截面的形状和参数，影响切削分力的变化，并和副偏角一起影响已加工表面的粗糙度；副偏角还有减小副后刀面与已加工表面间摩擦的作用。当背吃刀量和进给量一定时，主偏角愈小，切削层公称宽度愈大而公称厚度愈小，即切下宽而薄的切屑。这时，主切削刃单位长度上的负荷较小，并且散热条件较好，有利于刀具寿命的提高。图1-9 主、副偏角对残留面积的影响 图1-10 前角的正与负由图1-9可以看出，当主、副偏角小时，已加工表面残留面积的高度hc亦小，因而可减小表面粗糙度的值，并且刀尖强度和散热条件较好，有利于提高刀具寿命。但是，当主偏角减小时，背向力将增大，若加工刚度较差的工件(如车细长轴)，则容易引起工件变形，并可能产生振动。主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45o、60o、75、90等几种；副偏角为515，粗加工时取较大值。3)前角0：在正交平面中测量的前刀面与基面间的夹角。有正前角、零度前角和负前角， 当取较大的前角时，切削刃锋利，切削轻快，即切削层材料变形小，切削力也小。但当前角过大时，切削刃和刀头的强度、散热条件和受力状况变差，将使刀具磨损加快，刀具寿命降低，甚至崩刃损坏。若取较小的前角，虽切削刃和刀头较强固，散热条件和受力状况也较好，但切削刃不够锋利，对切削加工不利。 前角的大小常根据工件材料、刀具材料和加工性质来选择。 工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。 加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。 刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。 粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。 4)后角0：在正交平面中测量的后刀面与切削平面间的夹角。后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。后角只能是正值，后角大，摩擦小，切削刃锋利。但后角过大，将使切削刃变弱，散热条件变差，加速刀具磨损。反之，后角过小，虽切削刃强度增加，散热条件变好，但摩擦加剧。 后角的大小常根据加工的种类和性质来选择。 粗加工或工件材料较硬，后角取较小值； 工件材料越软、塑性越大，后角越大； 工艺系统刚度较差时，适当减小后角； 5)刃倾角s：在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角，刃倾角也有正、负和零值之分。刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。负的刃倾角起到增强刀头的作用，但会使背向力增大，有可能引起振动，而且还会使切屑排向已加工表面，划伤和拉毛已加工表面。因此，粗加工时为了增强刀头，s常取负值；精加工时为了保护已加工表面，s常取正值或零度；车刀的刃倾角一般在-5+5之间选取。有时为了提高刀具耐冲击的能力，s可取较大的负值。(3)刀具的工作角度 它是指在工作参考系中定义的刀具角度。刀具工作角度考虑了合成运动和刀具安装条件的影响。1)刀具安装位置对工作角度的影响：车外圆时，若刀尖高于工件的回转轴线，则工作前角0e0，而工作后角0e0；反之，若刀尖低于工件的回转轴线，则0e0(镗孔时的情况正好与此相反)。当车刀刀柄的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起主偏角和副偏角的变化，如图1-13所示。图1-12 车刀安装高度对前角和后角的影响图1-13 车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响3.刀具结构：以车刀为例1）整体式车刀：切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大，常用高速钢制造。2）焊接式车刀：将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。结构简单、紧凑、刚性好、灵活性大，应用十分普遍。但焊接式车刀的硬质合金刀片经过高温焊接和刃磨后，产生内应力和裂纹，使切削性能下降，对提高生产效率不利。3）机夹重磨式车刀：避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。4）机夹可转位式车刀：将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。使用时，刀片上一个切削刃用钝后，只需松开夹紧机构，将刀片转位换成另一个新的切削刃便可继续切削。因机械夹固车刀的切削性能稳定，又不必磨刀， 所以在现代生产中应用越来越多。优点：a.不需刃磨，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。 b.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。 c.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。二、刀具材料1.刀具材料应具备的性能刀具材料(cutting tool materials)在切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动，因此应具备以下基本性能： (1)较高的硬度和耐磨性 刀具材料硬度必须高于工件材料硬度，刀具材料常温硬度，一般要求在60HRC以上。一般刀具材料的硬度越高、晶粒越细、分布越均匀，耐磨性就越好。(2)足够的强度和韧度 以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。(3)较高的耐热性 以便在高温下仍能保持较高硬度、耐磨性，强度和韧度。耐热性又称之为红硬性或热硬性。(4)良好的工艺性和经济性 即刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、焊接性能和磨削加工性能等，以便制造成各种刀具,而且要追求高的性能价格比。2.常用的刀具材料1）碳素工具钢（carbon tool steel）：含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%1.2%，如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。2）合金工具钢（alloy tool steel）：在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成 (如 9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等，较少用于制造其它刀具。3)高速钢（highspeed steel） 它是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。普通高速钢：如W18Cr4V，广泛地用于制造形状较为复杂的各种刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其它成形刀具等。高性能高速钢：在普通高速钢中加入Co、V等合金元素，可提高其高温硬度和抗氧化能力或耐磨性等。W2Mo9Cr4V Co8是世界上用得较多的高速钢，用于制造加工耐热合金、高强度钢、钛合金、不锈钢等难切削材料的各种刀具。粉末高速钢：用粉末冶金工艺制成的刀具材料，用于制造各种高性能精密刀具，如加工汽轮机叶轮的轮槽铣刀、拉刀、剃齿刀等。4)硬质合金（carbides） 它是以高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC等)作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。它的硬度高、耐磨性好、耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍，但其强度和韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。因此常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。按ISO标准，硬质合金可分为P、M、K三个主要类别。v P类（YT）（钨钛钴类）硬质合金（蓝色）：v 以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。v 适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。v 其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。v 精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。 vv M类（YW）（钨钛钽（铌）类） (黄色) ：v 在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，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，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。v 适合加工长(短)切屑的金属材料 ，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。v 其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。v 精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。 v K (YG)（钨钴类）类硬质合金（红色）：有较好的韧性、磨削性、导热性，v 适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。v 其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。v 精加工可用K01；半精加工可用K10，K20；粗加工选用K30。3.新型刀具材料(1)涂层(coated)刀具材料 是指通过气相沉积或其它技术方法，在硬质合金或高速钢的基 体上涂覆一薄层高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物而构成的刀具材料。主要涂层材料有TiC、TiN、TiC+TiN、TiC+ Al 2O3、TiC+TiN+ Al 2O3或金刚石等多种。采用多涂层可使涂层具有更高的结合强度和使刀片具有更好的切削性能。涂层硬质合金刀具的寿命比不涂层的可提高13倍，涂层高速钢刀具寿命比不涂层的可提高210倍。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。TiCTiN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-Al203复合涂层：第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203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。(2)陶瓷刀具材料：Al 2O3基和Si3N4基两类。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。 (3)超硬(superhard)刀具材料 它包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼3种。1）天然金刚石：自然界最硬的材料，其硬度范围在HK8 00012 000(HK，Knoop硬度，单位为kgf/mm2)，耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，但价格昂贵，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。其主要缺点是与铁族材料有亲和作用，不宜加工钢和铸铁。2）聚晶金刚石：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。 由于硬度极高，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，可在大部分场合可替代天然金刚石，可制成各种车刀、镗刀、铣刀等刀片，用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 也可用于