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1、第二节 切削刀具及其材料,一、 切削刀具结构,1.刀 面,（一）刀具切削部分的基本定义,2.刀刃,3刀尖,刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。 参考系：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面。 参考系：刀具静止参考系和刀具工作参考系。,（二）定义刀具角度的参考系,1刀具静止参考系,2.正交平面参考系,由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。,通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。,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。,通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平
2、面垂直的平面。,（三）刀具的标注角度,说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。,（四）刀具工作角度,刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。,1刀具工作参考系的建立,2刀具工作角度的分析,二、刀具角度的选择,1.前角O,O,刀刃锋利,，切屑变形,切削力和切削功率,刀刃和刀尖强度,，散热体积,刀具寿命,o1,Pr,o2,取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。,工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。 加工塑性材料时，应取较大前
3、角，加工脆性材料时，应取较小的前角。 刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。 粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。,2.后角o,o,后刀面与工件的摩擦,后刀面的磨损率,取决于：加工要求、工件材料及工艺系统刚度。,粗加工或工件材料较硬，后角取较小值； 工件材料越软、塑性越大，后角越大； 工艺系统刚度较差时，适当减小后角；,3.主偏角r 和副偏角r,r 和r,刀刃强度,表面粗糙度,背向力Fp,残留面积高度,，散热条件,刀具寿命,，工件易变形,kr1,Kr,kr2,Fp,Ff,工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。 副偏角大小取决于表面粗糙度（515)
4、，粗加工时取大值，精加工取小值。,4.刃倾角s,主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。,加工一般钢料和铸铁，无冲击时： 粗车s 05，精车s 0+5； 有冲击时：s 515； 特别大时：s 3045。 切削加工高强度钢、冷硬钢时： s 3045。,三、切削刀具结构,（一）、车刀,车刀是金属切削加工中最简单、使用最广泛的刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。,145弯头车刀；290外圆车刀；3外螺纹车刀；475外圆车刀；5成形车刀；690外圆车刀；7切断刀；8内圆切槽刀；9内螺纹车刀；10盲孔镗刀；11通孔镗刀,
5、将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。 结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便，使用灵活。但刀片易产生应力和裂纹。,切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大。 多用高速钢制造。,避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。,将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。 1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。 2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。 3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。,四、刀具材料,1. 刀具材料应具
6、备的性能,2. 常用刀具材料,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。,有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。,推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。,1）碳素工具钢和合金工具钢,碳素工具钢（carbon tool steel） ：含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%1.2%，如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。 合金工具钢（alloy tool steel） ：在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的。 (如 9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。 由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来
7、制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀、丝锥、板牙等，较少用于制造其它刀具。,2）高速钢,高速钢（highspeed steel）是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。 热处理后硬度可达6266HRC, 抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度在500650C时仍能进行切削。 适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。,按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。 按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。 按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。,（1）高速钢的分类,（2）常用
8、高速钢的牌号与性能,通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。,硬质合金（carbides）是由高硬度和高熔点的金属
9、碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。 硬质合金刀具常温硬度为8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍 。 但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。 常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。,3）硬质合金,钨钴类（WC+Co）；YG,属K类 钨钛钴类（WC+TiC+Co）；YT,属P类 钨钛钽（铌）类硬质合金（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co） :YW，属M类,（1）硬质合金的分
10、类,（2）常用硬质合金的牌号及其性能,K (YG)（钨钴类）类硬质合金（红色）：有较好的韧性、磨削性、导热性， 适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。 其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。 精加工可用K01；半精加工可用K10，K20；粗加工选用K30。,P类（YT）（钨钛钴类）硬质合金（蓝色）： 以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。 适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。
11、其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。 精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。,M类（YW）（钨钛钽（铌）类） (黄色) ： 在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。 适合加工长(短)切屑的金属材料 ，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。 其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。 精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。,4）涂层刀具材料,通过气相沉积或其
12、它技术方法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层(coated)材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。,在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。,第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。,第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。,目前单涂层刀片已很少应用，大多采
13、用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。,5）其它刀具材料,以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； 其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制； 可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。,碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。 由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 也可
14、用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。,立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。 它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。 因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。,应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。,
