金属切削基础知识及刀具选用

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1、金属切削基础知识与刀具选用,1.1 金属切削基本概念,金属切削加工是用金属切削刀具切除工件上多余的金属材料，使其形状、尺寸精度及表面精度达到图纸要求的一种机械加工方法。刀具切除多余金属是通过在刀具和工件之 间产生相对运动来完成的，此运动称为切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动两种。,1.1.1 切削运动,1主运动 切削运动中直接切除工件上的切削层，使之转变为切屑，以形成工件新表面的运动是主运动。一般来说，主运动是产生主切削力的运动，由机床主轴提供，其运动速度高，消耗的切削功率大。通常主运动只有1个，它可由工件运动完成，也可由刀具运动完成，如车削时由车床主轴带动工件的回转运动，如图所示；钻削

2、和铣削时由机床主轴带动的刀具回转运动。,1.1 金属切削基本概念,1.1.1 切削运动,2进给运动 结合主运动把切削层不断地投入切削，以完成对一个表面切削的运动是进给运动，如车削时刀具的走刀运动（见图），铣削时的工件的纵向、横向移动等。进给运动速度小，消耗的功率少。切削加工中进给运动可以是1个、2个或多个，甚至可能没有，如拉床。进给运动可连续可间断。,1.1 金属切削基本概念,1.1.1 切削运动,在切削过程中，工件上的多余金属层不断地被刀具切除而转变为切屑，同时工件上形成3个不断变化的表面，这些表面可分为如下三种。 （1）待加工表面：工件上有待切除的表面称为待加工表面。 （2）已加工表面：工

3、件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面。 （3）过渡表面：主切削刃正在 切削的表面，它在切削过程中不断 变化，是待加工表面与已加工表面的 连接表面。,1.1 金属切削基本概念,1.1.2 切削时的工件表面,切削速度vc、进给量和背吃刀量ap是切削用量三要素，总称为切削用量，如图所示。,1.1 金属切削基本概念,1.1.3 切削用量,1切削速度 （1）主轴转速n。主轴转速是指主轴在单位时间内的转数，是表示机床主运动的性能参数，用符号n表示，其单位是r/min或r/s。 （2）切削速度vc 。切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度（线速度），用符号vc表示，单位为m/min或m

4、/s。 外圆车削或用旋转刀具切削加工时的切削速度计算公式为：,式中： vc 切削速度（m/min）； d 工件或刀具直径（mm）； n 工件或刀具转速(r/min)。,2进给量 （1）进给量f。进给量是刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转（主运动为旋转运动时）或双行程（主运动为直线运动时）的位移量来表达，符号是f，单位为mm/r或mm/双行程。 （2）进给速度vf。是刀具切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度。进给速度用符号vf表示，单位是mm/min。 （3）每齿进给量fz。对于多齿刀具（如铣刀），每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量fz，

5、单位为mm/齿。,1.1 金属切削基本概念,1.1.3 切削用量,式中：fz 每齿进给量（mm/齿）； f 进给量（mm/r）； z 刀齿数。,进给速度vf与进给量f之间的关系为： vf = nf = nfzz 即表示铣削进给运动的进给量可用每齿进给量fz（mm/齿）、每转进给量f（mm/r）或进给速度vf（mm/min）来表示。,3背吃刀量 车削加工中，刀具的横向进给（也称为吃刀）和铣削加工中刀具的横向进给是间歇的进给运动，是由机床的吃刀机构提供的，也称为吃刀运动。通常把切削加工中的吃刀深度称为背吃刀量，用符号ap表示，单位为mm。车削中背吃刀量是指已加工表面与待加工表面之间的垂直距离。外圆

6、车削时，其背吃刀量ap等于工件上已加工表面dw与待加工表面dm之间的垂直距离，如图所示，即：,1.1 金属切削基本概念,1.1.3 切削用量,式中：dw工件待加工表面直径（mm）； dm工件已加工表面直径（mm）。,外圆车刀的构造如图所示，包括刀体和刀头（切削部分）两部分。刀柄是定位和夹持的部分，刀头用于切削工件。 1前面 ：又叫前刀面，指刀具上切屑流过的表面。 2主后面 ：又叫主后刀面，刀具上与工件过渡表面相对的表面。 3副后面 ：又叫副后刀面，刀具上与工件已加工表面相对的表面。 4主切削刃 ：刀具前面与主后面相交而得到的刃边（或棱边），用于切出工件上的过渡表面，它承担主要的切削工作。 5副

7、切削刃 ：刀具前面与副后面相交而得到的刃边，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。 6刀尖：是指主切削刃与副切削刃连接处相当少的一部分切削刃。,1.2 刀具切削的几何角度,1.2.1 刀具切削部分的组成,其他各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看做是车刀的演变和组合。钻头可看做是两把一正一反并在一起同时镗削孔壁的车刀，因此有两个主切削刃和两个副切削刃，另外还多了一个横刃；铣刀可看做由多把车刀组合而成的复合刀具，每一个刀齿相当于一把车刀。,1.2 刀具切削的几何角度,1.2.1 刀具切削部分的组成,刀具在切削加工中，要承受很大的切削力作用，在加工余量不均匀或断续切削时，刀具还要承受

8、冲击载荷和震动，切削层金属与刀具表面相互接触、相对运动，刀具受到剧烈的摩擦作用，并产生大量的热量，使刀具受到热冲击、热应力，尤其是切削刃及相邻的前面和后面，长期处在切削高温环境中工作。为了适应如此繁重的切削负荷和恶劣的工作条件，刀具材料必须具备相应的物理、化学和机械性能。 从切削加工的使用实际出发，刀具材料应具备如下性能。 1高硬度 2高耐磨性 3足够的强度和韧性 4高的耐热性（热稳定性） 5良好的热物理性能和耐热冲击性能 6良好的工艺性,1.3 刀具材料,1.3.1 刀具材料应具备的性能,刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢因

9、耐热性较差，通常只用于制造手工工具和切削速度较低的刀具，陶瓷、金刚石、立方氮化硼仅用于有限场合，目前生产中使用最多的刀具材料是高速钢和硬质合金。各种刀具材料的物理力学性能如表1所示。,1.3 刀具材料,1.3.2 刀具材料的种类,表1 各种刀具材料的物理力学性能,高速钢，俗称白钢条、锋钢，是在合金工具钢中加入了较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达6366 HRC）和耐热性（600650 ），切削中碳钢的速度一般不高于5060 m/min，具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的23倍）和韧性，刀刃锋利，能抵抗一定的冲击震动。它具有较好的工艺性，可以制

10、造刃形复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。高速钢刀具可加工从碳钢到合金钢，从有色金属到铸铁等多种材料。 高速钢按用途不同可分为通用型高速钢和高性能高速钢，按制造工艺方法不同可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。 1通用型高速钢 通用型高速钢工艺性能好，能满足通用工程材料的切削加工要求。常用的种类如下。,1.3 刀具材料,1.3.3 高速钢,（1）钨系高速钢。最常用的为W18Cr4V，它具有较好的综合性能，可制造各种复杂刀具和精加工刀具，在我国应用较普遍。 （2）钼系高速钢。最常用的牌号是W6Mo5Cr4V2，其抗弯强度和冲击韧度都高于钨系高速钢，并具有较好的热塑性和磨削性能，但热

11、稳定性低于钨系高速钢，适合制作抵抗冲击刀具及各种热轧刀具。 2高性能高速钢 高性能高速钢是在普通型高速钢中加入钴、钒、铝等合金元素，以进一步提高其耐磨性和耐热性等。常用的高性能高速钢牌号有：9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3、W6Mo5 Cr4V2Co8及W6Mo5Cr4V2Al等。 常见高性能高速钢的力学性能和应用范围如书中表2-5所示。 3粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或氮气使熔融的高速钢水雾化成细小的粉末，然后在高温高压下压制成细密的钢坯，最后将钢坯轧制成高速钢材料。它主要优点是韧性、硬度较高，耐磨性好，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，可加工

12、各种难加工材料，特别适宜制造精密刀具和复杂刀具。,1.3 刀具材料,1.3.3 高速钢,硬质合金是由硬度和熔点很高的金属碳化物（碳化钨、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等）和金属黏结剂（钴o、镍i、钼o等）以粉末冶金法烧结而成。硬质合金的硬度高达HRA8993，能耐8501 000 的高温，具有良好的耐磨性，允许的切削速度比高速钢高410倍，可达100300 m/min以上，可加工包括淬火钢在内的多种材料，因此获得广泛应用。但是硬质合金抗弯强度低、冲击韧性差，工艺性差，较难加工，不易做成形状复杂的整体刀具。在实际使用中，一般将硬质合金刀片焊接或机械夹固在刀体上使用。 常用的硬质合金有钨

13、钴类（YG类）、钨钛钴类（YT类）和通用硬质合金（YW类）3类。,1.3 刀具材料,1.3.4 硬质合金,1钨钴类硬质合金（YG类） YG类硬质合金主要由碳化钨和钴组成，常用的牌号有YG3、YG6、YG8等，G后面的数字表示含Co的百分量。含Co量越多，韧性越好。故YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，很适宜加工铸铁等脆性材料。YG类硬质合金的刃磨性较好，刃口可以磨得较锋利，故切削有色金属及合金的效果也较好。由于YG类硬质合金的耐热性和耐磨性较差，因此一般不用于普通钢材的切削加工。但它的韧性好，导热系数较大，可以用来加工不锈钢和合金钢等难加工材料。 2钨钛钴类硬质合金(YT类) Y

14、T类硬质合金主要由碳化钨、碳化钛和钴组成，常用的牌号有YT5、YT15、YT30等，它里面加入了碳化钛后，增加了硬质合金的硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能力。YT类硬质合金的抗弯强度和抗冲击韧性较差，所以主要用于切削呈带状切屑的普通碳钢及合金钢等塑性材料；而不适合加工含Ti元素的不锈钢，因为两者的Ti元素有较强的亲和作用，会发生黏结，使刀具磨损加剧。 3钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW类） YW类是由碳化钨、碳化钛、碳化钽（铌）和钴组成，从而提高了硬质合金的抗弯强度、疲劳强度、韧性和耐热性、高温硬度和抗氧化能力，使其具有较好的综合切削性能。常用的牌号有YW1、YW2等。YW类硬质合金主要用于加工

15、不锈钢、耐热钢、高锰钢，也适用于加工普通碳钢和铸铁，因此被称为通用型硬质合金。,1.3 刀具材料,1.3.4 硬质合金,国际标准化组织（ISO5131975（E）规定，将切削加工用硬质合金分为3大类，分别用K、P、M表示。 K类适用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，相当我国的YG类硬质合金，外包装用红色标志。 P类适用于加工长切屑的黑色金属，相当我国的YT类硬质合金，外包装用蓝色标志。 M类适用于加工长、短切屑的黑色金属和有色金属，相当我国的YW类硬质合金，外包装用黄色标志。常用硬质合金牌号及用途见书中表2所示。,1.3 刀具材料,1.3.4 硬质合金,1.3 刀具材料,1.3.4

16、 硬质合金,表2 硬质合金的用途,1陶瓷材料 是以氧化铝（Al2O3）为主要成分，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。它有很高的硬度和耐磨性，硬度达78HRC，耐热性高达1 200 以上，化学性能稳定，与金属的亲和能力小，故能承受较高的切削速度。但陶瓷材料的最大弱点是抗弯强度低，抗冲击韧性差，主要用于钢、铸铁、有色金属、高硬度材料及大件和高精度零件的精加工。 2立方氮化硼（CBN） 由氮化硼在高温高压作用下转变而成。它具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性，硬度可达8 0009 000 HV，耐热高达1 400 ，化学稳定性好，与铁族元素亲和力小，但强度低，焊接性差，主要用于淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。 3金刚石 金刚石分天然和人造两种，天然金刚石由于价格昂贵，用得很少。金刚石是目前已知的最硬物质，其硬度接近10 000 HV，是硬质合金的80120倍，但韧性差，在一定温度下与铁族元素亲和力大，因此不宜加工黑色金属，主要用于加工有