第5章 金属切削刀具

,机械制造装备设计,全国本科院校机械类创新型应用人才培养规划教材,第5章金属切削刀具,刀具的几何角度及切削要素,切削基本理论的应用,刀具材料,本章分六个小节：,各种常用刀具,磨具,数按刀具及其工具系统,5.1刀具的几何角度及切削要素,切削运动与切削用量,切削运动与切削层切削加工时，按工件与刀具的相对运动所起的作用不同，切削运动可分为主运动与进给运动。（1）主运动（2）进给运（3）合成切削运动（4）辅助运动,即将被切除的表面,由切削刃正在形成的表面,切削后形成的表面,5.1刀具的几何角度及切削要素,不同切削形式的主运动和进给运动,5.1刀具的几何角度及切削要素,切削用量切削用量是用来表示切削运动、调整机床参数的参量，可用它对主运动和进给运动进行定量表述。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素（1）切削速度指切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为m/s或m/min。（2）进给量进给量为刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用工件每转（行程）的位移量来度量，单位为mm/r。（3）背吃刀量（切削深度）已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量（mm）。,5.1刀具的几何角度及切削要素,刀具的几何参数,刀具的分类切削加工时，按工件与刀具的相对运动所起的作用不同，切削运动可分为主运动与进给运动。1.根据工件加工表面的形式不同分类（1）各种外表面（平面、旋转体表面、沟槽和台阶等）加工刀具。（2）孔加工刀具。（3）螺纹加工刀具。（4）齿轮加工刀具。（5）切断刀具。,5.1刀具的几何角度及切削要素,2.根据切削运动方式和相应的刀刃形状分类（1）通用刀具。如车刀、刨刀、铣刀、镗刀、钻头、铰刀和锯等。（2）成形刀具。如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和螺纹加工刀具等。（3）展成刀具。如滚刀、插齿刀、剃齿刀等。3.根据使用场合不同分类（1）标准通用刀具。（2）标准专用刀具。（3）专用刀具。,5.1刀具的几何角度及切削要素,刀具的组成任何刀具通常由刀头和刀体两部分组成。（1）刀头部分。即切削部分，由于切削时的工作环境很恶劣，要求根据实际情况选择相应的刀具材料，并加工成合理的几何形状。（2）刀体部分。刀体部分的作用除了起支撑刀头部分之外，还是被夹持和定位的部位。,5.1刀具的几何角度及切削要素,刀具的切削部分刀具投入切削工作的仅仅是靠近刀尖的一部分区域，称为刀具的切削部分。刀具的切削部分是一个实体，它像六面体的一个角，是由三个面组成的实体。（1）前面（2）主后面（3）副后面（4）主切削刃（5）副切削刃（6）刀尖,5.1刀具的几何角度及切削要素,刀具角度及工作角度,刀具角度用刀具前面、后面和切削刃相对各基准坐标平面的夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就是刀具切削部分的几何角度。用于确定刀具几何角度的参考系有两类：刀具静止参考系，是用于定义刀具在设计、制造、刃磨和测量时刀具几何参数的参考系。刀具工作参考系，是规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系。,5.1刀具的几何角度及切削要素,刀具工作角度切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具与工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，称这些角度为工作角度。,图5.7刀柄中心线不垂直进给方向图5.8车刀安装高低对前角、后角的影响,5.2切削基本理论的应用,工件材料的切削加工性工件材料切削加工性是指在一定的切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。,切削加工性评定的主要指标工件材料切削加工性可以从多方面进行评定。不同加工情况，可采用不同的指标衡量。粗加工时，通常采用刀具耐用度指标；精加工时，通常采用加工表面质量指标。,5.2切削基本理论的应用,在刀具耐用度指标中以相对加工性（用Kr表示）使用最为方便。,5.2切削基本理论的应用,其他指标有加工表面质量指标、切屑控制难易指标、切削温度、切削力、切削功率指标。加工表面质量指标是在相同加工条件下，比较加工后的表面质量（如表面粗糙度等）来判定切削加工性的好坏。加工表面质量越好，加工性越好。切屑控制难易指标是从切屑形状及断屑难易与否来判断材料加工性的好坏。切削温度、切削力、切削功率指标是根据切削加工时产生的切削温度的高低、切削力的大小、功率消耗的多少来评判材料加工性，这些数值越大，说明材料加工性越差。,5.2切削基本理论的应用,改善材料切削加工性的措施,调整化学成分在不影响工件材料性能的条件下，适当调整化学成分，以改善其切削加工性。材料加工前进行合适的热处理同样成分的材料，金相组织不同时，其切削加工性就不同。选择加工性好的材料状态低碳钢经冷拉后，塑性大为下降，加工性好；锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善其他采用合适的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等。,5.2切削基本理论的应用,切削液的选用合理选用切削液能有效地减小切削力、降低切削温度、减小加工系统热变形、延长刀具寿命和改善已加工表面质量，此外，选用高性能切削液也是改善难加工材料切削性能的一个重要措施。,切削液的作用（1）冷却作用（2）润滑作用（3）排屑和洗涤作用（4）防锈作用,5.2切削基本理论的应用,切削液的选用切削液的性能外，还与刀具材料、加工要求、工件材料、加工方法等因素有关。（1）依据刀具材料、加工要求选用（2）依据工件材料选用（3）依据加工工种选用,刀具几何参数的选择在保证加工质量的前提下，尽可能提高刀具的切削生产率必须选择合理的刀具几何参数。（1）前角的选择（2）后角的选择（3）主偏角、副偏角的选择（4）刃倾角的选择,5.2切削基本理论的应用,切削用量的选择（1）切削用量的选择原则1）粗加工时切削用量的选择原则首先，选取尽可能大的背吃刀量；其次，要根据机床动力和刚性的限制条件等，选择尽可能大的进给量；最后，根据刀具耐用度确定最佳切削速度。2）精加工时切削用量的选择原则首先，根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次，根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后，在保证刀具寿命的前提下，尽可能选取较高的切削速度。,5.2切削基本理论的应用,切削用量的选择（1）切削用量的选择方法,5.3刀具材料,刀具材料是指刀具切削部分的材料使刀具具有良好的性能，必须合理选用刀具材料。,5.3刀具材料,刀具材料就具备的性能,高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性,高的耐热性(热稳定性),良好的工艺性,良好的经济性,5.3刀具材料,常用的刀具材料刀具材料种类很多，主要有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等几种类型。目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。,高速钢高速钢是一种加入较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性，具有一定的硬度和耐磨性；其制造工艺简单，可锻造，对于形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。,5.3刀具材料,高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,5.3刀具材料,硬质合金硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物（如WC、TiC）的粉末，用Co、Mo、Ni等作粘接剂，按一定比例混合，压制成形，在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金按其化学成分与使用性能可分为4类：（1）钨钴类YG（WC+Co）（2）钨钛钴类YT（WC+Ti+Co）（3）添加稀有金属碳化物类YW（WC+TiC+TaC/NbC+Co）（4）碳化钛基类等。,5.3刀具材料,涂层刀具材料涂层刀具是在韧性较好的硬质合金体，或者高速钢基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物而获得的。这是解决硬质合金硬度与冲击韧性之间的矛盾比较经济的办法，使用效果很好，近年发展很快。,其他刀具材料（1）陶瓷有纯Al2O3陶瓷及Al2O3-TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。,5.3刀具材料,其他刀具材料（2）金刚石金刚石是一种碳的同素异形体，是目前自然界中最硬的材料，天然金刚石价格昂贵，使用很少。（3）立方氮化硼立方氮化硼是由软的六方氮化硼（俗称白石墨）在高温高压下加入催化剂转变而成。,5.4各种常用刀具,概述,刀具的作用金属切削加工是现代机械制造工业中应用最广泛的一种加工方法，一般占机械制造总工作量的50%以上。金属切削刀具直接参与切削过程，是从工件上切除多余金属层的重要工具。无论是普通车床，还是先进的数控机床或是加工中心，以至柔性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种切削过程。,5.4各种常用刀具,刀具的分类较能反映刀具共同特征的是按刀具用途和加工方法分类：（1）切刀切刀是金属切削加工中应用最广的一类基本刀具，其特点是结构比较简单，只有一条连续的直线刀刃或曲线刀刃，它属于单刃刀具。切刀包括车刀、刨刀、镗刀、成形车刀及自动机床和专用机床用的切刀，而车刀最有代表性。（2）孔加工刀具孔加工刀具包括从实体材料上加工出孔的刀具，如钻头，以及对已有孔进行加工的刀具，如扩孔钻、铰刀等。,5.4各种常用刀具,刀具的分类（3）拉刀拉刀是一种高生产率的多齿刀具，它可用于加工各种形状的通孔，各种直槽或螺旋槽的内表面，也能加工各种平的或曲线的外表面。（4）铣刀铣刀可用于各种铣床上加工各种平面，台肩、沟槽，进行切断以及成形表面，铣刀属于多刃刀具，它同时参加切削的刀刃总长度较长，生产效率较高。（5）齿轮刀具齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。,5.4各种常用刀具,刀具的分类（6）螺纹刀具螺纹刀具用于加工内、外螺纹。它有两类：一类是利用切削加工方法来加工螺纹的刀具，如螺纹车刀、丝锥、板牙和螺纹切头等；另一类是利用金属塑性变形方法来加工螺纹的刀具，如滚丝轮、搓丝扳等。（7）磨具磨具是磨削加工的主要工具，它包括砂轮、砂带、油石等。（8）锉刀锉刀是钳工用的主要工具。,5.4各种常用刀具,车刀按照用途分类：有外圆车刀、车槽车刀、螺纹车刀、内孔车刀。,5.4各种常用刀具,车刀按结构分类：有整体车刀、焊接车刀、焊接装配式车刀、机夹车刀、可转位车刀。,5.4各种常用刀具,成形车刀成型车刀是一种专用刀具，它的轮廓形状需要根据加工零件的廓形设计。成型车刀主要用在各类普通车床、自动车床上加工回转体零件的内外成型表面。成型车刀与普通车刀相比有下列特点：（1）加工精度稳定（2）生产效率高（3）刀具使用寿命长（4）刃磨简单（5）成型车刀的制造比较麻烦，成本较高，故一般只用于成批或大量生产中。,5.4各种常用刀具,成形车刀径向成型车刀按其结构和形状又可分为三大类。平体成型车刀、棱形成型车刀、圆形成型车刀,图5.16平体成型车刀图5.17棱形成型车刀图5.18圆形成型车刀,5.4各种常用刀具,孔加工刀具金属切削中，孔加工占有很大比重。孔加工刀具的种类很多，按其用途可分为两大类。一类是把实心材料加工出孔的刀具，如麻花钻、扁钻、深孔钻等；另一类是对工件已有孔进行再加工的刀具，如扩孔钻、镗刀、铰刀等。,麻花钻麻花钻是应用最广泛的孔加工刀具，一般用于加工精度较低的孔，或用于加工较高精度孔的预制孔。,5.4各种常用刀具,（1）麻花钻的结构标准麻花钻由柄部、颈部及工作部分组成。,图5.20麻花钻的构成1前面2、8副切削刃（棱边）3、7主切削刃4、6后面5横刃9副后面,5.4各种常用刀具,扩孔钻扩孔钻是用于扩大径孔、提高孔质量的刀具。它用于孔的最终加工或铰孔、磨孔前的预加工。扩孔钻的加工精度为IT9IT10，表面粗糙度Ra为3.26.3。,5.4各种常用刀具,锪钻锪钻是对孔的端面进行平面、柱面、锥面及其他型面加工。在已加工出的孔上加工圆柱形沉头孔、锥形沉头孔和端面凸台时，都使用锪钻。锪钻分柱形锪钻、锥形锪钻、端面锪钻三种。,（a）带导柱平底锪钻（b）带导柱90锥面锪钻（c）不带导柱锥面锪钻（d）端面锪钻,5.4各种常用刀具,镗刀镗刀旋转做主运动，工件或镗刀作进给运动的切削加工方法称为镗削加工。镗刀的种类很多，一般可分为单刃镗刀及多刃镗刀两大类。,5.4各种常用刀具,铰刀根据使用方式可分为手用铰刀和机用铰刀两种；根据铰刀的结构可分为整体式铰刀、套式铰刀和可调节式铰刀三种；根据制造材料可分为高速钢铰刀和硬质合金铰刀；根据铰刀的用途可分为圆柱铰刀和锥度铰刀。,5.4各种常用刀具,拉刀以圆拉刀为例，圆孔拉刀由工作部分和非工作部分组成。（1）工作部分1）切削部分2）校准部分（2）非工作部分,5.4各种常用刀具,铣刀铣刀是一种应用很广泛的多齿多刃刀具，其每一个刀齿都相当于将一把单刃刀具固定在铣刀的回转表面上。铣削加工时，铣刀绕其轴线转动(主运动)，而工件则做进给运动。,5.4各种常用刀具,分类及应用,（a）圆柱铣刀；（b）硬质合金面铣刀；（c）错齿三面刃铣刀；（d）立铣刀；（e）键槽铣刀；（f）半圆键槽铣刀；（g）锯片铣刀；（h）角度铣刀；（i）成形铣刀,5.4各种常用刀具,铣削的工艺特点及应用（1）铣刀是多齿刀具，铣削过程中多个刀齿同时参加切削，无空行程。硬质合金铣刀可以实现高速切削，所以通常情况下生产率高于刨削。（2）铣削加工范围很广。可加工刨削无法加工或难加工的表面。例如可铣削周围封闭的内凹平面、圆弧形沟槽、具有分度要求的小平面或沟槽等。（3）铣削力变动较大，易产生振动，切削不平稳。（4）铣床、铣刀比刨床、刨刀结构复杂，且铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削成本比刨削高。（5）铣削与刨削的加工质量大致相当，经粗、精加工后都可达到中等精度。,5.4各种常用刀具,铣削方式（1）圆柱铣刀铣削圆柱铣刀铣削时，工件的进给方向与铣刀转动方向一致的称为顺铣。方向相反的则称为逆铣。,5.4各种常用刀具,铣削方式（2）对称铣削与不对称铣削1）对称铣削2）不对称逆铣3）不对称顺铣,5.4各种常用刀具,螺纹车刀车螺纹是螺纹加工的基本方法。安装螺纹车刀时，应使刀尖与工件轴线等高，否则会影响螺纹的截面形状，并且刀尖的平分线要与工件轴线垂直。如果车刀装得左右歪斜，车出来的牙形就会偏左或偏右。为了使车刀安装正确，可采用样板对刀。,5.4各种常用刀具,螺纹车刀车螺纹前要做好准备工作，首先把工件的螺纹外圆直径按要求车好，然后用刀尖在工件上的螺纹终止处刻一条微可见线，以它作为车螺纹的退刀标记，最后将端面处倒角，装夹好螺纹车刀后，就可以按下图所示的方法与步骤进行车削：,5.5磨具,磨削是用带有磨粒的工具（砂轮、砂带、油石等）对工件进行加工的方法。磨具分砂轮、油石、磨头、砂瓦、砂布、砂纸、砂带、研磨膏等几类。砂轮砂轮是由细小而坚硬的磨料加结合剂用烧结的方法制成的疏松的多孔体。,5.5磨具,（1）磨料磨料是制造磨具的主要原料，直接担负着切削工作。（2）粒度粒度是指磨料颗粒的尺寸，其大小用粒度号表示。（3）结合剂结合剂的作用是将磨料粘合成具有一定强度和形状的砂轮。（4）硬度磨具的硬度是指磨具在外力作用下磨粒脱落的难易程度（又称结合度）。（5）组织磨具的组织指磨具中磨粒、结合剂、气孔三者体积的比例关系，以磨粒率（磨粒占磨具体积的百分率）表示磨具的组织号。,5.5磨具,（6）形状与尺寸及代号根据机床类型和加工需要，将磨具制成各种标准的形状和尺寸。常用的几种砂轮的形状、代号和用途如下表所列。,磨削过程磨削也是一种切削加工。砂轮表面上的每个磨粒相当于一个微小刀齿，磨粒上的每个棱角都相当于一个微小的切削刃，整个