兰交大机械制造技术课件02切削过程及其控制-1金属切削刀具基础

第二章切削过程及其控制金属切削刀具基础金属切削过程中的变形切屑类型及控制切削力切削热和切削温度刀具磨损和刀具寿命刀具几何参数和切削用量的选择磨削原理第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节第八节返回（一）切削运动与切削中的工件表面

用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。图一、切削加工的基本概念1．切削速度

（m／s或m／min）

切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。

切削用量是指切削速度、进给量f（或进给速度）和背吃刀量。三者又称为切削用量三要素。（二）切削用量

计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定式中：d-工件或刀具的最大直（mm）

n-工件或刀具的转速(r/s或r/min)1000Cdnvp=

工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。

2．进给量f式中：—为进给速度—为每齿进给量fznfzfv==n

3．背吃刀量（mm）

式中:-工件上待加工表面直径（mm）

-工件上已加工表面直径（mm）

（三）切削层参数

1．切削层公称厚度

垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。

沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。

2．切削层公称宽度

切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。3．切削层公称横截面积

下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。

图二、刀具角度

刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。（一）刀具切削部分的构造刀尖：主后刀面副后刀面主切削刃前刀面副切削刃刀体刀头一尖二刃三刀面

（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，必须引入一个由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：2.6.2刀具几何角度

刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1）基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr图2-49车刀主剖面坐标系2）切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。

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。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、背平面和假定工作平面参考系。

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五个，其定义如下

图2．刀具的标注角度1）前角γo

在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；位于刀头实体之内时γo定为负值。γo影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。Aκr′A向f图

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ0刀具标注角度

用硬质合金车刀切削钢件，γo取10～20°；切削灰铸铁，γo取5～15°；切削铝及铝台金，γo取25～35°；切削高强度钢，γo取-5～-10°。

前角Aκr′A向f图

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo

后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。

后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。α0

粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为4°～6°；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为8°～12°。

后角

主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。3）主偏角κr

在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。κr的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。κr的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。Aκr′A向f图

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr主偏角κr′AA向f图

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′

κr′在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。

副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。κr′

在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。a）b）c）图

刃倾角对排屑方向的影响5）刃倾角λs——切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,λs定为正值；反之位负。

λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。

（5）刃倾角

要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需标注副后角，副后角确定副后刀面的空间位置。图（5）刃倾角刀具工作角度◆刀具安装对工作角度的影响图2-52车刀安装高度对工作角度的影响γre=γrα0e=α0a）α

0e＜α0b）α

0e＞α0c）γre＜γrγre＞γr

刀具安装位置对工作角度的影响刀具工作角度

式中μ角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。◆进给运动对工作角度的影响横切（图2-53）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPes图

切断刀的工作角度fxα0（2-8）（2-8a）进给运动对工作角度的影响

纵切

在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：O—O图

外圆车刀工作角度μffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性刀具材料的发展刀具材料

图2-55

刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）刀具材料

天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56刀具材料的耐磨性与断裂韧性刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。◆高速钢

高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。刀具材料

常用刀具材料表

常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵

刀具材料

◆硬质合金

超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。

硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。

硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。刀具材料

超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表

各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度刀具材料

超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。◆

陶瓷刀具材料

陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。刀具材料

主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。◆超硬刀具材料

天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。

聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK6500～8000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。

金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。

聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV3000～4500，耐热性达1200℃，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。刀具材料

刀具材料

刀具材料种类

合金高速钢硬质合金陶瓷天然

聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度