机械制造技术基础第5讲

第一节金属切削刀具基础一、切削加工的基本概念（一）切削运动与切削中的工件表面（二）切削用量（三）切削层参数二、刀具角度（一）刀具切削部分的构造外圆车刀的切削部分由六个基本结构要素构造而成。图2-3外圆车刀的切削部分自由切削刀具只有一条直线主切削刃参与切削的切削过程。非自由切削刀具的曲线刃参与切削或刀具的主、副切削刃同时参与切削的切削过程。附图自由切削附图

非自由切削（二）刀具的标注角度1．刀具标注角度的参考系刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，此处引入一个由以下三个参考平面组成的空间坐标参考系。组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下：（1）基面Pr

通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。图2-4正交平面参考系基面Pr（2）切削平面Ps

通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。图2-4正交平面参考系切削平面Ps（3）正交平面Po

通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。图2-4正交平面参考系正交平面Po根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系，如图2-4所示。图2-4正交平面参考系除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面参考系和假定工作平面参考系。2.刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有以下五个，其定义如下(见图2-5)：图2-5车刀在正交平面参考系中的标注角度（1）前角在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。PrOOPoPrO-O-+前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。（2）后角在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角。后角一般为正值。PrOOPoPrO-O-+Ps-+楔角（3）主偏角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。Prvf（4）副偏角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。Prvf主偏角与副偏角一般均为正值。刀尖角（5）刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角可以为正值、负值和零。PrSS-+Pr在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。附图车刀在正交平面参考系中的刃倾角要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需要标注副后角，副后角确定副后刀面的空间位置。图2-5车刀在正交平面参考系中的标注角度也可以用以下方法来判断前角、后角及刃倾角的正负：角度的顶点取在刀尖上，空心的角度为正，实心的角度为负。图2-5车刀在正交平面参考系中的标注角度3.刀具的工作角度外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中所确定的刀具角度称为工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。（1）进给运动对工作角度的影响1）横向进给（切断或切槽）对工作角度的影响图2-6横向进给运动对工作角度的影响考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度的确定的工作基面和工作切削平面分别为Pre和Pse。工作前角和工作后角为当f增大时，

值增大；工件切削直径d切越小，

值越大。过大的

值有可能使变为负值，后刀面将与工件相碰，这是不允许的。因此，切断刀应选用较大的，f的取值也不宜过大。2）纵向进给对工作角度的影响用螺纹车刀的左刃车削螺纹表面，刀具沿纵向进给且进给量较大时，进给运动对工作角度的影响也不可忽视。图2-7纵向进给运动对工作角度的影响A考虑纵向进给的影响后，按合成速度的方向确定的工作基面和工作切削平面为Pre和Pse。图中螺纹车刀左侧刀刃上A点在正交平面内的工作前角大于标注前角；而工作后角则小于标注后角，其中

角为（2）刀具安装位置对工作角度的影响1）刀尖（刀刃）与工件中心不等高的影响安装刀具时，如刀尖（刀刃）高于或低于工件中心，会引起刀具工作角度的变化。

图2-8刀具安装高低对工作角度的影响若不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装得高于工件中心，基面由Pr变为Pre，切削平面由Ps变为Pse，实际工作前角将大于标注前角,工作后角将小于标注后角。即如果刀尖安装低于工件中心：2）刀杆中心线与进给运动方向不垂直的影响图2-9刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，会引起工作主偏角和工作副偏角的改变。如图2-9所示。其计算公式为：式中：——刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。当刀杆轴线逆时针转动时，角前的正负号取其上。

三、刀具材料刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。（一）刀具材料的性能要求切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：（1）较高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较高的耐热性（4）良好的导热性和耐热冲击性能（5）良好的工艺性（二）常用刀具材料刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。1.高速钢高速钢是加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度(62~67HRC)和耐热性，在切削温度高达500~650℃时仍能进行切削；高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的2~3倍,陶瓷的5~6倍)、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用。高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。高速钢可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。普通高速钢是切削硬度在250~280HBW以下的结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于40~60m/min。普通高速钢的典型牌号有W18Gr4V（W18）和W6Mo5Gr4V2（M2）。W18的综合性能较好，可用于制造各种复杂刀具。但其强度和韧性略低，不适于制作大截面的刀具。M2的抗弯强度和韧性比W18高，可用来制造尺寸较大，承受较大冲击力的刀具；同时，M2的热塑性好，适合于制造热轧钻头等刀具。高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630~650℃时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、不锈钢和高强度钢等难加工材料。高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Gr4VCo8（M42）和W6Mo5Gr4V2Al（501）。M42的综合性能和刃磨性能好，但因含钴多，成本较高。501是我国研发的一种含铝的无钴高性能高速钢，其切削性能与M42大体相当，成本较低，但刃磨性能较差。表2-1列出了几种常用高速钢的力学性能。表2-1几种常用高速钢的力学性能钢号常温硬度HRC抗弯强度/GPa冲击韧度/MJ·m-2高温硬度HRC500℃600℃W18Gr4V63~663~3.40.18~0.325648.5W6Mo5Gr4V263~663.5~40.3~0.455~5647~489W18Gr4V66~683~3.40.17~0.225751W6Mo5Gr4V365~673.20.25—51.7W6Mo5Gr4V2Co866~683.00.3—54W2Mo9Gr4V2Co867~692.7~3.80.23~0.36055W6Mo5Gr4V2Al67~692.9~3.90.23~0.36055W10Mo4Gr4V3Al67~693.1~3.50.23~0.359.554粉末冶金高速钢是采用高压惰性气体（如氩气或氮气）将高速钢水雾化成粉末后，再经过热压成型、锻轧成材。粉末冶金高速钢除成本略高外，在切削性能和工艺性能方面均明显优于熔炼高速钢。粉末冶金高速钢适合于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸复杂刀具，也适于制造各种精密刀具和断续切削的刀具。2.硬质合金硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)微米级的粉末和金属粘结剂(Co、Ni等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89~93HRA，760℃时其硬度为77~85HRA，在800~1000℃时还能切削，切削中碳钢时，切削速度可达100~200m/min，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8~1/30，因此，其承受切削振动和冲击的能力较差。目前硬质合金主要用于制造刃形简单、无冲击性的非断续切削加工的刀具。尺寸较小和形状复杂的刀具，也可采用整体硬质合金制造，但成本较高，其价格是高速钢刀具的8~10倍。ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。P类（相当于我国YT类）硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。这类合金一般可用于钢料的高速切削。常用牌号有YT5、YT15等。随着TiC含量的提高，含钴量相应减少，硬度、耐磨性和切削速度增高，但抗弯强度及冲击韧性下降。此类硬质合金不易加工不锈钢和钛合金。K类（相当于我国YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。这类合金主要适合于铸铁、有色金属及其合金和非金属材料等脆性材料的加工。常用牌号有YG6、YG8等，随着含钴量增多，硬度、耐磨性和切削速度下降，但抗弯强度和冲击韧性增高。M类（相当于我国YW类）硬质合金是在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC或NbC而成，称为钨钛钽(铌)钴类硬质合金。加入TaC或NbC后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。常用牌号有YW1和YW2等。表2-2列出了几种常用的硬质