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1、第二节 金属切削刀具一、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的 几何参数外，还要求刀具材料对工件要 有良好的切削性能。刀具材料(cutting tool materials)在切削时要承 受高温、高压、摩擦、冲击、振动，金属切削 过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很 大程度上取决于刀具材料的合理选择。1. 刀具材料应具备的性能（1）较高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等 良好的工艺性2. 常用刀具材料工具钢碳素工具钢 、 合金工具钢 、 高速钢。硬质合金钨钴类硬质合金、 钨钛钴类硬质合金 钨钛钽（铌）类硬质合金 。
2、新型刀具材料涂层刀具、 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n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%，淬火后硬 度较高、价廉，但耐热性较差。牌号有T7、T8 、 T9、T10、T12A等。 n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， 可适当减少热处理变形和提高耐热性。常用牌号 有9CrSi、CrWMn等。 n由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造 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
3、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6369HRC, 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 。允许的切削速度为40mmin左右， 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。 常用的牌号有W18Cr4V和W6M05Cr4V2等。硬质合金（carbides）是由高硬度和高熔点的金属碳化物(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
4、等)用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度为8792HRA，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 的切削速度可达100-300mmin，甚至更高，比高速钢刀具高4 10倍 。但弯曲强度、冲击韧性均较高速钢低，相当于高速钢的14 13和12l4，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类硬质合金的分类 4）涂层刀具材料通
5、过气相沉积或其它技术 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。（1）TiC涂层 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。（2）TiN涂层 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。（3）TiCTiN复合涂层第一层涂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。（4）TiC-Al203复合涂
6、层第一层涂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，大多采用TiC- TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。5）陶瓷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（8696 HRC ），耐磨性、 耐高温性能好（1200 ），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；A1203的价格较低、原料丰 富,因此很有发展前途。 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； 可用于高强钢、冷
7、硬铸铁等难加工材料半精 加工和精加工。6）金刚石刀具材料:天然金刚石和人造金刚石 人造金刚石：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（接近HVl0000 ），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， 用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 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，如铝铜及其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（700800 ），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。7）
8、立方氮化硼立方氮化硼（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 1000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。二、车刀的种类和结构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
9、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2. 焊接式车刀（硬质合金）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。但刀片经过高温焊接 和刃磨易产生内应力和裂 纹，使切削性能下降，对 提高生产效率不利。1. 整体式式车刀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。3. 机夹重磨式车刀（硬质合金）避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐 用度；刀杆可重
10、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。4.机夹可转位式车刀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。三、 切削刀具由工作部分和非工作部分构成。 车刀(turning tools)的工作部分比较简单， 只由切削部分构成，非工作部分就是车刀 的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部 分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变 而来，本节以外圆车刀为
11、例来介绍其几何参 数。（1)前刀面 刀具上切屑流过的刀面。 1）刀 面（2)主后刀面 刀具上与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。 （3)副后刀面 刀具上与工件已切削加工的表面相对的刀面。1.车刀切削部分的组成2）刀刃（1）主切削刃 前刀面与主后刀面在空间的交线。（2）副切削刃 前刀面与副后刀面在空间的交线。 3）刀尖 三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃 二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性， 一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃，分别成 为修圆刀尖和倒角刀尖。 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
12、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。2.车刀切削部分的主要角度刀具静止参考系（标注角度参考系）：在设计、制 造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参 考系。1）刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的是正交平面参考系。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。 (1)基面pr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） 。(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
13、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。3）车刀的主要角度（1）基面中测量的刀具角度主偏角r 主切削刃在基面上的投影与进给 运动速度vf 方向之间的夹角。副偏角r 副切削刃在基面上的投影与进给 运动速度vf反方向之间的夹角。（2）切削平面中测量的刀具角度刃倾角s 主切削刃与基面之间的夹角。它在切削平面内标注或 测量，但有正负之分。 当主切削刃与基面平行 时s=0； 当刀尖点相对基面处于 主切削刃上的最高点时 s 0；反之s 0。 （3）正交平面中测量的刀具角度前角O 前刀面与基面之间的夹角。后角o 后刀面与切削平面之间的夹角。说明：以上标注角度是在刀尖与
14、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。4）刀具角度的选择1)前角O 功用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o1Pro2选择取决于：工件材料、刀 具材料及加工要求。工件材料塑性大、强度和硬度低或刀具材料 韧性好（高速钢）或精加工时，应取较大前 角， 反之，加工脆性材料或刀具材料韧性差（硬 质合金）或粗加工时应取较小的前角。2)后角o 功用o后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率选择取决于：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
15、当减小后角； 3)主偏角r 和副偏角r 功用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kr1Krkr2FpFf选择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) ，粗加工时取大值，精加工取小值。4)刃倾角s 功用选择影响刀头的强度、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。5）刀具安装位置对刀具工作角度的影响v用刃倾角s=0车刀车削外圆时，v如果刀尖高于工件回转轴线，则工作前角 oe增大，而工作后角oe减小。v如果刀尖低于工件回转轴线，则工作前角 oe减小，而工作后角oe增大。a.刀尖安装高低对工作前、后角的影响v当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且顺时 针转动G角时，工作主偏角将减小，工作副偏角 将增大。b.刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响v当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时 针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角 将减小。四、金属切削过程金属切削过程(cutting process)中，始终 存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾 ，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削 力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀 具寿命、卷屑与断屑等。
