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1、,1.2 金属切削刀具,机械制造基础第1章,刀具材料指刀具切削部分的材料,刀具的切削能力直接影响生产率、加工质量和加工成本,刀具的切削性能，主要取决于刀具材料、几何形状和刀具结构,刀具材料,刀具工作环境十分恶劣，因此刀具材料必须具备以下性能,高的硬度和耐磨性,足够的强度和韧性,高的耐热性,较小的膨胀系数,良好的导热性,稳定的化学性能,良好的抗粘结性能,良好的工艺性能,良好的经济性,刀具材料应具备的性能,刀具材料的种类很多，常用的有,目前最常用的刀具材料是高速钢和硬质合金。,工具钢,硬质合金,陶瓷,金钢石,立方 氮化硼,包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢,别称,锋钢,钨钢,白钢,高速钢,高速钢
2、的特点,高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢,具有高的强度和冲击韧性，刃磨时能获得锋利的刃口，故有“锋钢”之称,具有较高的耐热性，可在500650的温度下进行切削加工,分 类,按切削性能不同，高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢,按制造方法不同，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢,按化学成分不同，可分为钨系、钨钼系、钼系高速钢,普通 高速钢,钨系高速钢,钨系高速钢的典型牌号是W18Cr4V,钨钼系高速钢,钨钼系高速钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2 、 W9Mo3Cr4V,高性能 高速钢,在普通高速钢中加入一些其他合金元素（C、V、Co、Al），以提高其耐
3、热性和耐磨性,典型牌号：W6Mo5Cr4V3、W2Mo9Cr4VCo8 、W6Mo5Cr4V2Al,粉末冶金 高速钢,采用粉末冶金法可完全消除碳化物偏析，提高刀具质量,特点,结晶组织细小、均匀，避免了偏析,碳化物细小均匀，改善磨削加工性,各向同性，减少热处理变形与应力,提高了材料利用率,高速钢刀具 的表面涂层,目 的,为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面层，以减少刀具磨损，提高刀具的切削性能,方 法,蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。还可采用真空溅射法在刀具表面沉积一层TiC或TiN,涂层高速钢是一种复合材料，基体是强度、韧性好的高速钢，表层是具有高硬度、高耐磨性的其他材料,硬质
4、合金,硬质合金的组成与性能,由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品,高硬度、高熔点的金属碳化物含量高，故其硬度、耐热性和耐磨性都超过高速钢，允许切削温度高达8001000。因此，切削速度远高于高速钢,硬质合金抗弯强度低、韧性差，怕冲击振动，工艺性能差，不易做成形状复杂的整体刀具,硬质合金的物理、力学性能取决于合金成份、粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺,金属碳化物所占比例大，则硬度高，耐磨性也好,粘结剂含量高，则抗弯强度和冲击韧性会有所提高,晶粒越细，硬度越高,硬质合金是以WC为基体，并分为,WC-Co,WCTic-Co,
5、WCTaC（NbC）Co,WCTiCTaC（NbC）Co,普通硬质合金的 分类、牌号及其使用性能,YG类,ISO称为K类，加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料,YT类,ISO称为P类，加工长切屑的黑色金属,YN类,ISO称为P类，高速精加工工具钢、淬火钢,YW类,ISO称为M类，可履盖K类、P类的应用范围,硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的份量,硬质合金的选用,各种硬质合金的应用见表1-2,其他硬质合金及其使用性能,超细晶粒 硬质合金,其WC的粒度则在0.21m之间，其中大多数在0.5m以下,是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金，具有硬质合金的高硬度和高
6、速钢的高强度,可用于间断切削，特别是难加工材料的间断切削,涂层硬 质合金,在韧性较好的硬质合金基体上，涂一层硬度、耐磨性极高的难熔金属化合物，采用化学气相沉积法而获得的。涂层的厚度为510m,可分为单涂层、双涂层、和多涂层等,涂层刀片不适于切削高温合金、钛合金、有色金属及某些非金属，不能采用焊接结构，不能重磨使用,钢结硬 质合金,代号为YE。它以WC、TiC作硬质相（占3040），以高速钢（或合金钢）作粘结相（占6070）,硬度、强度与韧性介于高速钢和硬质合金之间；可以进行锻造、切削、热处理与焊接,可用于制造模具、拉刀、铣刀等形状复杂的刀具,其他刀具材料,陶瓷,按化学成分可分为：纯氧化铝AL2
7、O3陶瓷、复合氧化铝AL2O3TiC陶瓷、复合氮化硅Si3N4TiCCo陶瓷,高温硬度很高，在1200时，硬度尚能达到80HRA，仍具较好的切削性能,缺点：抗弯强度低，冲击韧性差，导热能力低和线膨胀系数大。对冲击十分敏感，容易破裂,与金属亲和力小,不易发生粘结和扩散；有较低摩擦系数，不易产生积屑瘤,金刚石,已知的最硬材料，其硬度极高，接近于10000HV（硬质合金仅为 1300 1800HV）,金刚石分为天然和人造两种，常用的有天然单晶、人造聚晶、复合金刚石刀片,金刚石刀具既能对陶瓷、刚玉、玻璃、高硅铝合金、硬质合金等高硬度耐磨材料进行切削加工，又能对有色金属及其合金进行精加工和超精加工，使用
8、寿命极高，但不宜加工铁族材料,立方 氮化硼,其硬度为80009000HV；热稳定性和化学惰性好，可耐13001500的高温仍保持其硬度；与铁族材料的亲和作用小，能以加工普通钢和铸铁的切削速度切削淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等，当对淬硬零件进行半精车和精车时，其加工精度与表面质量足以代替磨削加工,立方氮化硼（CBN）刀片可用机械夹固或焊接的方法固定在刀杆上，也可以将立方氮化硼与硬质合金压制在一起成为复合刀片,刀具切削 部分的 基本定义,刀具切削部分的结构要素,任何刀具都由切削部分和夹持部分组成,刀具切削部分的结构要素有三面二刃一尖,前面 A,主后面 A,副后面 A,主切削 刃 S,副切削 刃 S,
9、刀尖,切屑流经的刀面,和工件过渡表面相对的刀面,和工件已加工表面相对的刀面,前面与主后面的交线,前面与副后面的交线,主切削刃和副切削刃的交点或连接部位,刀尖的形状,刀具角度的参考系,为了确定和测量各刀刃、各刀面的空间相对位置，必须建立用以度量各刀刃、各刀面空间位置的参考系,建立参考系，必须与切削运动相联系，应反映刀具角度对切削过程的影响。参考系平面与刀具安装平面应平行或垂直，以便于测量,用来确定刀具几何角度的参考系有两类,区别在于：前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定,刀具标注角度 参考系,刀具工作角度 参考系,它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的参考系,切削部分结构复杂,车
10、削有进给运动,主切削刃不一定水平,主切削刃各点切削速度不等,车刀的静止参考系,车削的特点,不考虑进给运动的影响,车刀安装绝对正确,刀刃选定点的切削速度方向与刀刃各处的平行,建立车刀静止 参考系的假设,建立参考平面,过刀刃上选定点，包含该点假定主运动方向和刀刃的平面,过刀刃上选定点，垂直该点假定主运动方向的平面,过刀刃上选定点，既垂直于切削平面，又垂直于基面的平面,切削平面（ps）,基面（pr）,po-po 截面,由此得到,ps pr； ps po-po； pr po-po,ps pr, pr安装底面（基于3点假设）,主切削刃、副切削刃各有一个切削平面和基面,刀具的标注角度,刀具在设计、制造、刃
11、磨和测量时，都是用刀具静止参考系中的几何角度来标明切削刃和刀面的空间位置的，故这些角度称为刀具的标注角度（静态角度）,重点介绍10个，常用的有6个（打者）,车刀的标注角度,介绍几种标注方法,车刀的 标注角度,车刀的 标注角度, 主偏角kr,主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角, 副偏角kr,副切削刃在基面上投影与进给运动反方向之间的夹角（或副切削刃在基面上投影与已加工表面之间的夹角）,刀尖角r,主切削刃、副切削刃在基面上投影的夹角,由上可知：kr+ kr+r = 180,在基面中 测量的角度,前角o,基面与前面之间的夹角,主后角o,后面与切削平面之间的夹角,楔角o,后面与前面之间的夹
12、角。,由上可知：o = 90 - (o +o ),规定：前面低于基面时，o 0；前面高于基面时，o 0。,加工过程中，一般不允许o 0；刀尖为最低点时，s 0。,注意：这一规定与 84 年以前的正好相反,在切削平面中 测量的角度,副前角o,副基面与副前面间的夹角,副后角o,副后面与副切削平面间的夹角,加工过程中，一般不允许o 0,副刃倾角s,副切削刃与副基面之间的夹角,在副po-po截面 中测量的角度,在副切削平面 中测量的角度,工作参考系与静止参考系的区别,合成切削运动方向代替假定主运动方向,实际进给运动方向代替假定进给运动方向,实际安装条件代替假定安装条件,刀具的工作角度,按照刀具工作中的
13、实际情况，在刀具工作角度参考系中确定的角度。,进给运 动对工 作角度 的影响 | 横车,刀具工作角度的标注,只需用工作坐标平面取代静止坐标平面即可,切断工件时，切削刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，实际切削平面为过切削刃而切于螺旋线的平面，实际基面又始终与之保持垂直，因而切削时实际的前角、后角等都在发生变化,设为合成切削速度角则 oe =o + oe = o - tan = vf / vc = f /d,d 随切削过程变化，越靠近中心， 越大，以致可能oe 0（挤压）,进给运动 对工作角 度的影响 | 纵车,车外圆时， = 3040，可忽略；车螺纹，尤其是车多头大螺距螺纹时， 很大，则不
14、可忽略,考虑进给运动的影响，工作基面pre和工作切削平面pse都倾斜一个 角。 则 fe =f + fe = f - = tan-1( f /dw ),换算到正交平面系： 则 tano = tan sin kroe =o +o oe = o o,刀具安装情况对工作角度的影响 | 刀尖高于工件中心线,刀尖高于工件中心线 则 pe =p +ppe =p p,换算到正交平面系 则 oe =o +oe =o o o = tan-1( tanpcos kr ),当刀尖低于工件中心线时，计算公式p 符号相反,镗内孔时与车外圆的计算公式p 符号正好相反,注,刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角和工作副偏角将发生变化,设G为进给方向垂线与刀杆中心线的夹角 则 Kre = Kr G Kre = Kr 干 G,返回,
