第二章 第二节 金属切削刀具

第二章金属切削加工基本知识CONTENTS目录1234【切削运动与切削要素】【金属切削刀具】【金属切削机床】【金属切削规律及应用】02【金属切削刀具】金属切削刀具一二三刀具类型刀具材料刀具切削部分几何参数

一、刀具类型刀具种类很多，根据用途和加工方法不同，可分类如下：按加工方式分为：车刀、铣刀、钻头、铰刀、镗刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、砂轮等。按结构方式分为：整体式、焊接式、机夹式、可转位式等。按刀具的刃形分为：单刃刀具、多刃刀具、成形刀具等。按国家标准分为：标准刀具、非标准刀具。金属切削刀具

二、刀具切削部分几何参数金属切削刀具的种类繁多，构造各异，较简单、典型的是车刀，其它刀具的切削部分都是可以看作是由车刀的基本形态演变而成的，如图2-5所示。金属切削刀具

车刀的种类很多，按用途分有外圆车刀、端面车刀、切断刀等；按结构分有整体式车刀、焊接式车刀、机夹可转位车刀；如图2-6所示。按切削部分材料可分为高速钢车刀、硬质合金车刀和陶瓷车刀。金属切削刀具1．车刀组成（查GB/T12204-2010）车刀中最常见的是外圆车刀，它由刀杆和刀头（刀体和切削部分）组成。刀头用于切削，刀杆是刀具上的夹持部分。其切削部分（刀头）包括以下几个部分，如图2-7所示。金属切削刀具前刀面Aγ：刀具上切屑流经的刀面；主后刀面Aα：切削过程中，刀具上与过渡表面相对的刀面；副后刀面A′α：切削过程中，刀具上与已加工表面相对的刀面；主切削刃S：刀具前刀面与主后刀面的交线，它担负着主要的切削工作。至少有一段切削刃在工件上切出过渡表面；副切削刃S′：刀具前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并形成已加工表面；刀尖：主、副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃，它可以是一个点、直线或圆弧形状的一小部分切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度和耐磨性，刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃，如图2-8所示。金属切削刀具2．车刀几何角度刀具要完成切削工作，就应该具有一定的几何形状。刀具几何参数是确定刀具几何形状和切削性能的重要参数。通过一组角度值可以确定刀具切削部分各表面的空间位置，确定刀具的几何形状。这组角度值和其它必要的参数就是刀具的几何参数。切削刀具的种类很多，但就其单个刀齿而言，都是由外圆车刀的切削部分演变而来的。现以外圆车刀为例，介绍刀具的几何角度。（1）刀具静止角度参考系及其角度标注

1）刀具静止角度参考系，最常用的是正交平面参考系，如图2-9所示

①基面Pr，通过切削刃上选定点，垂直于该点主运动方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。

②切削平面Ps，通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。

③正交平面Po，通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。金属切削刀具为确定刀具切削部分各表面和切削刃的空间位置，需要建立平面参考系，以组成坐标系的基准。参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系。（1）刀具静止角度参考系及其角度标注

1）刀具静止角度参考系，最常用的是正交平面参考系，如图2-9所示

①基面Pr，通过切削刃上选定点，垂直于该点主运动方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。

②切削平面Ps，通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。

③正交平面Po，通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。金属切削刀具

2）正交平面参考系标注的刀具角度①基面测量的刀具角度在基面上可以看到刀具切削部分（前刀面、主切削刃和副切削刃）的正投影。在基面内可以标注或测量主切削刃或副切削刃的偏斜程度。在基面内可以测量或标注的角度有：主偏角kr，为主切削刃在基面上的投影与进给运动速度方向之间的夹角。副偏角k’r，为副切削刃在基面上的投影与进给运动速度反方向之间的夹角。刀尖角εr，为主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度，从图2-10中可以看出εr=180°－（kr+kr，）（2-7）金属切削刀具②正交平面测量的刀具角度前角γo，在正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。后角αo，在正交平面中测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。楔角βo，在正交平面中测量的前刀面与主后刀面之间的夹角，它是派生角，与前角、后角有如下关系βo=90°-（γo+αo）（2-8）前角、后角有正负之分，如图2-11所示，当前刀面与基面重合时前角为零；前刀面与切削平面夹角小于90°时，基面在前刀面之上时前角为正；反之为负。主后刀面与基面夹角小于90°时，后角为正；反之为负。金属切削刀具③在切削平面中测量的刀具角度在切削平面上可以描述刃口的倾斜程度，即主切削刃与基面之间的夹角，定义为刃倾角λs。它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。如图2-12所示，当主切削刃与基面重合时，λs=0°。当刀尖相对于基面处于主切削刃的最高点时为正值，即λs﹥0°。反之为负值，λs﹤0°

金属切削刀具用前角γo、后角αo、主偏角kr、刃倾角λs，就能确定车刀主切削刃及其前、后面的方位。其中前角γo、刃倾角λs确定前刀面的方位；后角αo、主偏角kr可以确定后面的方位；主偏角kr、刃倾角λs可确定主切削刃的方位。同理，副切削刃及其相关的刀面在空间的位置也需要四个角度，即副前角、副刃后角、副偏角、副刃倾角。它们的定义与主切削刃四角相似。对于普通外圆车刀，由主偏角kr、副偏角、前角γo、后角αo、副刃后角、刃倾角λs六个角度就可以确定其切削部分的几何形状，这六个角度就是普通外圆车刀的基本角度。

（2）刀具的工作角度

刀具的静止角度参考系是在两个假定条件下建立的。为了较合理地表达切削过程中起作用的刀具角度，按合

成运动方向来定义和确定刀具的参考系及其角度，即刀具工作参考系和工作角度。进给速度远小于主运动速度，常规安装情况下，刀具的工作角度近似等于标注角度，因此，普通车削、镗孔、端铣等不计算工作角度，也不考虑其影响。特殊情况下，如车螺纹、车丝杠、铲削加工等角度变化值较大时，需要计算工作角度。以刀具切削时的合成切削运动方向为依据，建立工作基准坐标平面所组成的参考系，这种参考系称为工作参考系。用工作参考系定义的刀具角度称为工作角度。工作参考系各坐标平面的定义与静止参考系相同，只需要用合成运动方向代替主运动方向，如：工作基面Pre，通过切削刃选定点，垂直于合成运动方向的平面；工作切削平面Pse，通过切削刃选定点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面；工作正交平面Poe，通过切削刃选定点，同时垂直于工作基面Pre和工作切削平面Pse的平面。金属切削刀具1）刀具安装对工作角度的影响

①刀柄偏斜对工作主、副偏角的影响，如图2-13所示。车刀随四方刀架逆时针转动G角后，工作主偏角将增大

Kre=Kr+G（2-9）工作副偏角将减少

Kre，=Kr，-G（2-10）在实际生产中，根据切削工作的需要，在安装刀具时调整主偏角、副偏角的数值。如需要降低径向抗力，应增大主偏角；若要减少表面粗糙度，应减少副偏角。金属切削刀具

②刀刃安装高、低对工作前、后角的影响，如图2-14所示。车刀切削刃选定点A高于工件中心h时，将引起工作前、后角的变化，工作前角增大N，工作后角减少N。sinN=2h/d（2-11）同理，切削刃选定点A低于工件中心时，h值与N值均为负值，将引起工作前角减小、工作后角增大。在实际生产中，粗车外圆时常将车刀刀尖装高一个h值（约dw/100～dw/50），精车外圆时常将车刀刀尖装低一个h值。加工内表面时，情况与加工外表面相反。金属切削刀具

2）进给运动对工作角度的影响①横车。以切断刀为例，如图2-15所示，在不考虑进给运动时，刀具基面为Pr，切削平面为Ps，标注角度为γo和αo；切断时由于进给量较大，切削刃选定点相对于工件的主运动轨迹为一平面的阿基米德螺线，工作基面为Pre，工作切削平面为Pse，相应角度变化为η，此时工作角度为γoe和αoe为：γoe=γo+η（2-12）αoe=αo+η

（2-13）tanη=f/（πdω）（2-14）式中f——进给量dω——切削刃选定点处工件的旋转直径（变值）金属切削刀具

显然，在横向进给切削时，由于进给运动的影响，刀具工作前角增大，刀具工作后角减少。而且，随着进给量的增大和刀具向工件中心接近，η也在增大。故横向车削时，不宜采用大的进给量，否则易使刀刃崩碎或工件挤断。同时，应适当增大αo，补偿进给运动的影响。②纵车。如图2-16所示，在纵向进给车削时，若进给量较大，如车削螺纹，尤其是车削多头螺纹时，进给运动使合成切削运动方向与主运动方向之间形成μf角。使工作基面和工作切削平面转动μf角。假定工作平面内车刀的工作前角γfe和工作后角αfe，将发生变化。即γfe=γf+μf（2-15）αfe=αf—μf（2-16）tanμf=f/（πdω）（2-17）式中：f为进给量；dω为切削刃选定点处工件的旋转直径。显然，随着f的增大和dω的减小，μf值随之增大。实际上，一般车削外圆时μf=30′~1o，可忽略不计。但在车削螺纹，尤其是多线螺纹时，μf值很大，必须进行工作角度计算。金属切削刀具

三、刀具材料刀具材料是指刀具切削部分的材料。在金属切削过程中，刀具的切削部分直接承担切削工作，是在较大的切削压力、较高的切削温度以及剧烈摩擦条件下工作的，受到很大的冲击。刀具材料不仅是影响刀具切削性能的重要因素，它对切削加工生产率、刀具耐用度、刀具消耗和加工成本、加工精度及表面质量等起着决定性的作用。

刀具材料是指刀具切削部分的材料。1.刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较好的化学稳定性（4）良好的工艺性和经济性金属切削刀具2.常用的刀具材料刀具切削部分的材料主要有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料四大类。目前，我国应用较多的是硬质合金和高速钢。各类材料的主要物理力学性能见表2-1。金属切削刀具（1）高速钢高速钢是含有较多的W、Mo、Cr、V等元素的高合金工具钢。高速钢有较高的强度和韧性，抗弯强度为3~3.4Gpa，约为硬质合金的2~3倍；冲击韧性为98~588kJ/m2，约为硬质合金的几十倍；常温硬度为63~70HRC，耐热性约为600~700oC，切削速度可比碳素工具钢高1~3倍，这也是高速钢名称的来由。又因高速钢刃磨时切削刃易锋利，故在生产中常称为“锋钢”，磨光的高速钢亦称作“白钢”。因为综合性能较好，适用于制造各种结构复杂的刀具。如成形车刀、铣刀、钻头、拉刀、齿轮刀具等。高速钢的化学成分可分为钨系高速钢和钼系高速钢（含钼2%以上）；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法不同可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。1）普通高速钢。用来加工普通工程材料的高速钢2）高性能高速钢。在普通高速钢的基础上，通过增加C、V的含量和添加Co、Al等合金元素而得到的耐热性、耐磨性更高的新钢种。3）粉末冶金高速钢。粉末冶金高速钢是将高频感应炉炼成的钢液置于保护气罐中，用高压惰性气体雾化成粉末，然后用高温（1100oC），高压（100Mpa）压制成钢坯，最后将钢坯锻轧而成的高速钢材料金属切削刀具

（2）硬质合金硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物WC、TiC、TaC、NbC等和金属粘结剂Co、Ni、Mo等用粉末冶金工艺烧结而成。金属粘结剂的含量的多少，决定了硬质合金刀具材料的强度和韧性。金属碳化物的含量决定了材料的硬度和耐磨性1）钨钴类硬质合金（WC+Co），代号为YG，其中“YG”是“硬、钴”两字的汉语拼音字首，属K类，以红色标记。这类硬质合金具有较好的强度，但硬度和耐磨性较差，主要用于加工铸铁和