宁工院机械制造装备课件04金属切削刀具

第四章金属切削刀具金属切削的基本知识一、切削运动二、工件加工表面三、切削用量四、刀具几何参数五、切削层参数六、刀具材料主运动、进给运动三个变化的表面三要素刀具组成切削厚度、切削宽度、切削面积性能、高速钢、硬质合金计算选择刀参考系几何角度第一节概述1.切削速度v(m/s或m/min)

主运动为旋转运动v=πdn/1000往复运动(每分钟往复运动次数)

v=2Lnr/1000切削用量三要素2.进给量f（刀具或工件每转或每行程的位移量）(mm/r或mm/双行程)

进给速度（单位时间进给量）vf=nf

=nfzz

（mm/s或mm/min)3.背吃刀量（切削深度）

ap

车削外圆时

ap=(dw-dm)/2

钻孔时

ap=dm/2

例题：

车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求v、f、ap和切削工时t。解：v=πdn/1000=π·62·4/1000

=0.779m/sf=vf/n

=2/4=0.5mm/rap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3mmt=(l+l1+l2)/vf=(110+3+0)/2=56.5s车刀的组成：三面

前刀面Aγ

后刀面Aα

副后刀面Aα′两刃

主切削刃S

副切削刃S′一尖过渡刃

刀具标注角度参考系

设计制造测量角度时的基准

刀具角度的参考系刀具工作角度参考系实际切削中确定角度的基准

vcReference

systemsfortoolangles刀具的参考平面

刀具标注角度的参考系：

(1)正交平面参考系

pr、ps、po(2)法平面参考系

pr、ps、pn(3)背平面进给平面参考系pr、ps、pp、pf

法平面Pn:过切削刃上选定点并垂直于主切削刃或其切线的平面刀具的几何角度在正交平面参考系中的标注角度“一刃四角”（5）副偏角κrˊ（6）副后角αoˊ

派生角度：楔角βo、刀尖角εr余偏角Ψrr（1）主偏角κr（4）后角αo（2）刃倾角λs（3）前角γo(1)前角:前角对切下金属的难易程度有很大影响。前角较大,则刀刃锋利,切削起来轻快,但前角过大,刀头的整体体积会减小,则刀刃强度变弱,容易产生崩刃。前角的选择要考虑工件材料的硬度和加工要求,当工件材料硬度值高和粗加工时,为了保证车刀有足够的强度,前角要适当小一些,甚至取负值。反之,车刀角度可适当大一些。(2)后角:后角的作用是减少刀具后面与工件加工表面之间的摩擦,但过分增大后角会削弱刀刃的强度。后角的选择同前角相同,也要考虑工件材料的硬度和加工要求。(3)主偏角:主偏角较小时,刀具磨损较小且较为耐用,但主偏角较小,会使径向切削力显著增加,在加工细长轴时,容易引起变形和振动。因此,在加工细长轴时,主偏角的选择应适当加大,如选择主偏角为90°的偏刀车削细长轴。副偏角的主要作用是减少刀刃与工件的摩擦,同时它对加工表面质量有很大的影响。(4)刃倾角:刃倾角主要影响刀头的强度和排屑方向,粗加工时为增强刀刃的强度,一般取0°～-5°;精加工时为不使切屑划伤已加工面,一般取0°～5°;有冲击或车淬硬钢时,一般取-5°～-15°;车槽或切断时通常取0°。在法平面参考系中的标注角度（1）主偏角κr（2）刃倾角λs（3）法前角γn（4）法后角αn“一刃四角”（5）副偏角κrˊ（6）副后角αoˊPs切削平面Pr基面在进给切深平面参考系中的标注角度（1）主偏角κr（2）进给前角γf（3）进给后角αf（4）背前角γp（5）背后角αp（6）副偏角κrˊ（7）副后角αoˊ

进给平面Pf:过切削刃上选定点并垂直于刀杆轴线及基面的平面

切深平面Pp

:过切削刃上选定点平行刀杆轴线并垂直基面的平面刀具的工作角度进给运动对刀具工作角度的影响（1）横向进给运动的影响（正交平面参考系，前角后角）

γoe=γo＋μαoe=αo－μ

tanμ＝f/πd①当进给量f一定时，随d值↓—μ值↑，接近中心αoe为负值。②当f↑—μ值↑前角取较大值是为了使得车刀锋利，切入工件顺利，减少刀具与工件的摩擦力，避免因工件受力过大而发生震动。后角取较小值是为了增大轴向切削力。因此：横车时f不宜过大，并应适当加大αo（2）纵向进给运动的影响γoe=γo＋μαoe=αo－μ

tanμ＝tanμfsinκr

＝fsinκr/(πdw)f↑或dw↓时，μf、μ均↑车削右螺纹时左侧刃应↑αo(α左

8°α右2°)右刃应↑γo车右螺纹时左侧刃

γfe=γf＋μfαfe=αf－μf

tanμf＝f/πdw刀具安装位置对工作角度的影响（1）刀具安装高低的影响γpe=γp＋θpαpe=αp－θptanθp＝h/γoe=γo＋θαoe=αo－θ

tanθ＝tanθpcosκr假定车刀λs＝0,刀尖高于工件中心若刀尖低于工件中心，角度变化与上述相反（2）刀杆中心线与进给方向不垂直的影响=+G

=-G=-G

=+GToolcuttingedgeinclinationangle直角切削：λs＝0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直斜角切削：λs≠0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直

五、切削层参数

由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层的截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面Pr内度量。1.切削厚度ac(λs=0)

ac＝

fsinκr

2.切削宽度aw

aw＝ap/sinκr3.切削层面积Ac(=0)

Ac＝ac

aw＝f

ap

六、刀具材料刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数（一）刀具材料必须具备的性能

1.高的硬度和耐磨性常温硬度60HRC以上，耐磨性是硬度、组织结构及化学性能等的综合反映。2.足够的强度和冲击韧性3.高耐热性

高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等4.良好的工艺性

锻造性能、磨削性能、热处理性能等5.经济性（二）常用刀具材料的种类及特性

碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。高速钢（1）通用型高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66HRC）

钨系高速钢

W18Cr4V

W14Cr4MnRE

钼系高速钢W6Mo5Cr4V2

高温塑性好主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.（2）高性能高速钢（增加碳量钒量，添加钴铝等66～70HRC）

9W18Cr4VW6Mo5Cr4V3W6Mo5Cr4V2Co8

W2Mo9Cr4VCo8

W6Mo5Cr4V2Al

W10Mo4Cr4V3Al

主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.粉末冶金化，表面处理及涂层等

2.硬质合金金属碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)＋金属粘接剂(Co、Ni等)高压成形后，高温烧结而成。

硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差分类YG

(K)

类

YT

(P)类

YW(M)类短切屑黑色金属加工长切屑的钢材、铸铁等有色金属非金属黑色金属有色金属非金属

WC+CoWC+TiC+CoWC+TiC+TaC+Co常用硬质合金牌号及应用范围牌号应用范围YG3硬度、抗弯耐磨强度、性、韧性、切削进给速度量铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用于断续切削YT30硬度、抗弯耐磨强度、切削韧性、速度进给碳素钢、合金钢的精加工YT15碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工，断续切精加工YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削YW1同上高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工YW2高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工YN05同上碳钢、合金钢的高速精车，系统刚性好的细长轴精车YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工新型硬质合金简介1.调整化学成份，提高综合性能添加TaC、NbC；添加稀土元素；TiC(N)基，高速钢基等2.涂层硬质合金（可转位刀片）

TiC涂层、TiN涂层、复合涂层、陶瓷涂层3.细晶粒和超细晶粒硬质合金其它刀具材料简介1.陶瓷（硬、脆、价格低）

普通陶瓷、复合氧化铝陶瓷、复合氮化硅陶瓷，适于精加工2.金刚石（最硬、耐磨性好，耐热性较差800℃

加工陶瓷、硬合金、有色金属等，不适于铁系金属加工3.立方氮化硼

硬度仅次于金刚石，化学稳定性、耐热性好，加工淬火钢等主偏角κr

主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角

Cuttingedgeangle

1.车刀的种类（1）直头外圆车刀；（2）弯头车刀；（3）偏刀；（4）切槽或切断刀；（5）镗孔刀；（6）螺纹车刀；（7）成形车刀；第二节车刀2.车刀的结构形式整体式（HSS)、焊接式、机械夹固式（重磨式、可转位式）刀片夹紧方式：（1）上压式夹紧力大，

定位可靠，阻碍流屑（2）偏心式结构简单，不碍流屑，夹紧力不大（3）综合式夹紧力大，耐冲击，结构复杂（4）杠杆式可转位式车刀的组成：可转位刀片、刀垫、刀杆、夹紧机构切削性能好，辅助时间短，生产率高3.车刀的几何参数（1）切削角度

六个主要角度：主偏角、副偏角、前角、后角、副后角、刃倾角（2）其它几何参数的选择

过渡刃、刀刃钝圆半径、副倒棱等三高一专的先进刀具高精度高效率高可靠性专业化先进的专用可转位刀具第三节孔加工刀具

钻床及刀具钻床上可完成钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、钻沉头孔、锪平面刀具作旋转主运动同时沿轴向移动作进给运动。

立式钻床通过移动工件位置使被加工孔中心与主轴中心对中，操作不便，生产率不高。适于单件小批生产中加工中小型零件。

摇臂钻床

摇臂可绕立柱回转和升降，主轴箱可在摇臂上作水平移动。工件固定不动，可方便地移动主轴，使主轴中心对准被加工孔中心。适于单件小批生产中加工大而重的零件。

其它钻床

（a）深孔钻床一般采用卧式布局，工件旋转作主运动，钻头直线进给。主要应解决的问题是：刚性及导向、断屑排屑、冷却润滑。（b）台式钻床小巧灵活，钻孔直径15mm以下。适于单件小批生产中加工小型零件。1.麻花钻（1）标准麻花钻

标准高速钢麻花钻由工作部分、颈部及柄部三部分组成。1）工作部分分切削部分和导向部分。两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面(与工件已加工表面相对的两条棱边)、两个主刃、两个副刃、一个横刃。钻芯直径朝柄部方向递增。2）柄部

夹持部分，有直柄和锥柄。

3）颈部用于磨柄部时砂轮的退刀。（2）麻花钻的修磨前角从＋30°到－30°,横刃长前角－55°，定心差，轴向力大，刚性差，排屑困难磨短横刃增大前角，修磨主刃顶角分屑槽前角：正交平面内测得的前面与基面之间的夹角，主切削刃上各点处的前角大小不同，由外缘向中心减小，因此，越靠近中心切削条件越差。麻花钻的主要几何参数及其对钻削过程的影响：（1）螺旋角钻头棱边螺旋线展开成的直线与钻头轴线的夹角；

较大的螺旋角使钻头前角增大，切削扭矩和转向力减少，切削轻快，排屑容易，但是刚度降低，螺旋角一般为25度到32度之间；顶角和主偏角：两条主切削刃在与其平行的轴向平面内上投影之间的夹角，标准麻花钻顶角118度，顶角之半与主偏角接近；顶角减少，切削刃长度增加，单位切削刃长度上的负荷降低，刀尖角增大，散热条件得到改善，提高了钻头寿命，轴向力降低；但切屑变薄，切削平均变形增大，故扭矩增大。2.镗刀加工各种复杂和大型工件上（如箱体）有预制孔的孔，尤其是直径较大的孔或孔系，一次安装多面加工，精度高。

卧式铣镗床除镗孔外，还可钻、扩、铰孔，车螺纹、攻螺纹车端面、铣端面等，称万能镗床。生产率较低。

第四节铣床及铣刀铣刀旋转为主运动，工件或铣刀的移动为进给运动。可加工平面、台阶面、沟槽、成形面等，多刃切削效率高（一）升降台式铣床

1.卧式升降台式铣床

2.万能升降台式铣床

3.立式升降台式铣床

工件可在三个方向进行位置调整或作进给运动。万能式在工作台与床鞍之间增装一转盘，工作台可在水平面内扳转一角度以加工螺旋槽等。（二）龙门铣床

机床刚度高，可多刀同时加工多个工件或多个表面，生产率高。适于成批大量生产中加工大型工件上平面和沟槽或多件同时加工。

（三）单柱铣床（四）工具铣床（五）各种专门化铣床（三）铣刀

1.铣刀的分类（1）圆柱平面铣刀（2）端铣刀（3）盘铣刀单面刃、双面刃、三面刃、错齿三面刃（4）锯片铣刀（5）立铣刀（6）键槽铣刀（7）角度铣刀（8）成形铣刀2.铣削方式（1）顺铣和逆铣周铣有顺铣和逆铣两种方式。顺铣切削厚度大，接触长度短，铣刀寿命长，加工表面光洁，但不宜加工带硬皮工件，且进给丝杠与螺母间应消除间隙。否则，应采用逆铣。（2）对称铣与不对称铣

端铣有对称铣与不对称逆铣、不对称顺铣三种方式。铣淬硬钢采用对称铣；铣碳钢和合金钢用不对称逆铣，减小切入冲击，↑刀具寿命；铣不锈钢和耐热合金用不对称顺铣。四、刨床、拉床及拉刀刨床、拉床属直线运动机床，加工平面、沟槽、通孔及成形面。（一）刨床

1.牛头刨床机床和刀具简单，应用灵活方便。但有空行程，有冲击，效率低。单件小批生产中加工平面、沟槽及纵向成形面。2.龙门刨床

主要用来加工大平面，尤其是长而窄的平面，也可加工沟槽

或同时加工几个中小型零件的平面。生产率不如铣削高，主要用于中小批生产及修理车间。

比较铣床和刨床加工平面的主要区别:1、铣床除能铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较刨床高，在机械制造和修理部门得到广泛应用。就平面加工来说，铣床配备好的铣刀，加工能力数倍的优于刨床。2、刨床是用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的直线运动机床。使用刨床加工，刀具较简单，但生产率较低（加工长而窄的平面除外），刨床加工长而窄的工件效率高，特别适合加工薄板。工件不易变形。用宽刃刨刀精刨大平面，粗糙度度可以达到3.2。

3、两者的加工精度不同。铣床的加工精度、粗糙度均高于刨床。例如：铣床的粗糙度能达到0.8，刨床只能达到6.3,尺寸公差等级也是不一样的。3.插床

插刀上下运动为主运动，工件可作纵横两个方向的移动，工作台还可作分度运动。加工与安装面垂直的面、沟槽（二）拉床

拉床只有主运动，结构简单，可一次加工成形，质量好，效率高，但刀具设计制造复杂，适于大批量生产。拉床按加工表面分为内拉床和外拉床；按布局分为卧式和立式两类。（三）拉刀

1.拉刀种类拉刀按加工表面分为内拉刀和外拉刀；

按拉削方式分普通式、轮切式、及综合式；

按受力不同分拉刀和推刀2.拉刀的结构普通圆孔拉刀结构如下：第六节齿轮刀具

按齿形的形成原理分成形法齿轮刀具和展成法齿轮刀具（一）滚刀

1.滚刀基本蜗杆根据滚切原理知，滚刀基本蜗杆的端面齿形应是渐开线，法向模数和压力角应分别等于被切齿轮的模数和压力角。（1）渐开线基本蜗杆

齿面是渐开螺旋面，造形误差为零；端面齿形：渐开线轴向齿形：曲线制造较为困难。（2）阿基米德基本蜗杆齿面是阿基米德螺旋面，

会产生一定的造形误差，端面齿形：阿基米德螺线

轴向齿形：直线制造比较容易。

轴向截形应与渐开线蜗杆齿形在分度圆处相切，即齿形角应是渐开线蜗杆分度圆处的齿形角。2.齿轮滚刀的结构和类型（1）整体齿轮滚刀

高速钢材料多为零前角顶刃后角10～12°

侧刃后角大约3°

齿轮滚刀大多为单头，螺旋升角较小，加工精度较高；粗加工用滚刀有时做成双头，以提高生产率。（2）镶齿齿轮滚刀

齿轮模数较大时，做成镶齿结构，既节约高速钢，又使刀片易锻造，提高性能和使用寿命。（3）硬质合金滚刀用于小模数齿轮或精加工硬齿面齿轮，代替磨齿。常采用大的负前角，可达－30°～－45°3.齿轮滚刀的合理使用（1）齿轮滚刀结构参数分析

1）容屑槽形式

直槽制造方便，但左右侧刃前角不等，零度前角直槽滚刀左侧刃前角小于零，

λ0≤4°时采用。螺旋槽λ0＞4°时采用为使左右侧刃前角相等，让螺旋槽垂直于滚刀螺纹，即βk=－λ02）滚刀直径和螺旋升角

滚刀直径↑→螺旋升角λ0↓→造形误差↓；圆周齿数↑但滚刀直径过大，相同速度下转速降低，生产率降低，刀坯锻造难度增大，成本增加。精加工滚刀适当增大直径。3）齿轮滚刀的头数

滚刀头数主要影响生产率和齿形精度。单头滚刀，λ0小，造形误差小，包络刃数多，齿面光洁；多头滚刀，λ0大，造形误差大，但生产率高。精加工齿轮滚刀都用单头的，粗加工和半精加工可用多头的（2）滚刀的合理使用

1）齿轮滚刀的磨损和窜刀

各刀齿磨损不均，齿轮中线处刀齿磨损较严重。确定滚刀长度时应考虑轴向窜刀长度，标准滚刀长度为导程的4～5倍。2）齿轮滚刀螺旋方向的选择

齿轮滚刀旋向根据被切齿轮旋向而定。被切齿轮螺旋角β≤10°时，滚刀做成右旋；β＞10°时，滚刀螺旋方向应与被切齿轮旋向相同，以减小滚刀的安装角减小切入端负荷3）滚刀的刃磨和检验①刃磨后必须保证前角不变；②检验前刀面与滚刀轴线的平行度（直槽）或前刀面导程误差（螺旋槽）；③容屑槽的圆周齿距误差；④前刀面径向性误差。（二）插齿刀

1.插齿刀的分类和用途（1）标准直齿插齿刀

①盘形插齿刀加工外齿轮和大径内齿轮

Φ75、100、125、160、200②碗形插齿刀加工多联齿轮和内齿轮，有Φ50、75、100、125mm。

③锥柄插齿刀加工内齿轮，有Φ25mm(m1~2.75)、Φ38mm(m1~3.75)（2）斜齿插齿刀盘形插齿刀Φ100；锥柄插齿刀Φ38,β均有15°和23°两种。（3）人字齿轮插齿刀加工无空刀槽的人字齿轮，

有Φ100、150、180,β为30°。2.插齿刀的齿面形状①插齿刀往复运动时刀刃运动轨迹形成一齿轮称为产形齿轮

直齿插齿刀切削刃的端面投影就是产形齿轮的端面齿形，必须是渐开线。不考虑前角影响，插齿刀端面齿形是渐开线。②插齿刀有顶刃后角和侧刃后角，重磨后顶圆直径和分圆齿厚减小。不同端剖面应是变位量不同的变位齿轮，新刀变位量最大，重磨后逐渐减小。O-O剖面变位量为零称为原始剖面，具有标准齿形。

插齿刀实质上是个变变位齿轮③插齿刀的两侧面是两个旋向相反的渐开螺旋面，即两侧切削刃分别绕刀具轴线作螺旋运动形成的螺旋面，也就是斜齿轮的齿面，制造容易，精度高。④任意端剖面的变位系数

x0=b0tgαp/m⑤任意剖面的分圆齿厚

s0′=s0＋2b0tgβ0又s0′=s0＋2x0mtgα

∴tgβ0=x0mtgα/b0=tgαtgαp⑥标准直齿插齿刀顶刃后角αp=6°,侧刃后角αc≈2°,顶刃前角γp=

5°,侧刃投影不是渐开线，齿形角修正(20°10′14.5″)第七节磨料与磨具一、砂轮磨料＋结合剂砂轮特性决定于五要素：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。（一）磨料

锋利的形状、高硬度和热硬性、适当的坚韧性

1.氧化物系（刚玉类，主要成份Al2O3）①棕刚玉（A）韧，硬度低，磨碳素钢、合金钢、可锻铸铁②白刚玉（WA）韧性低、硬，磨淬火钢、高速钢、高碳钢③铬刚玉（PA）韧，硬度低，Ra小，磨高速钢、不锈钢等2.碳化物系（主要成份碳化硅、碳化硼）①黑色碳化硅（C）韧性低、硬度高，磨铸铁、黄铜等脆材②绿色碳化硅(GC)韧性差、更硬，磨Y合金、陶瓷、玻璃等3.超硬磨料

人造金刚石（D）、立方氮化硼（CBN）

（二）粒度

以刚能通过的那一号筛网的网号来表示磨料的粒度，如60＃微粉：磨粒的直径＜40um时，如W20磨粒尺寸在20～14um

粗磨用粗粒度，精磨用细粒度；当工件材料软，塑性大，磨削面积大时，采用粗粒度，以免堵塞砂轮烧伤工件。（三）结合剂

1.陶瓷结合剂（V）化学稳定性好、耐热、耐腐蚀、价廉，占90%，但性脆，不宜制成薄片，不宜高速，线速度一般为35m/s。

2.树脂结合剂（B）强度高弹性好，耐冲击，适于高速磨或切槽切断等工作，但耐腐蚀耐热性差

(300℃)，自锐性好。

3.橡胶结合剂（R）强度高弹性好，耐冲击，适于抛光轮、