金属切削刀具及选择

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1、1.4 金属切削刀具及选择,数控加工工艺,刀具材料,刀具材料,刀具材料应具备的性能 刀具材料的种类 其他刀具材料,在切削过程中，刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面，刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响，因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用。,刀具材料应具备的性能,切削刀具材料的硬度和韧性,1923年发明的硬质合金(WC-Co)，其后因添加了TiC、TaC而改善了耐磨性，1969年开发了CVD技术，使涂层硬质合金快速普及。自1974年起，开发了 TiC-TiN系金属陶瓷,高速钢 是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度

2、和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。 高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。,常用的刀具材料,硬质合金： 由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。 因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA8993，在8001000 C还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高410倍。 唯抗弯强度较高速钢低，冲击韧性

3、差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。 碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低；粘结剂含量较高时，抗弯强度高，但硬度低。 硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。,其它刀具材料,(1)涂层刀具 它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。 涂层刀具具有较高的抗氧化性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高硬

4、质合金耐用度13倍，高速钢刀具耐用度210倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。,（2）陶瓷 有纯Al2O3陶瓷及Al2O3TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度（HRA9195）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高25倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。 可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。 但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。,（3）金刚石 是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV1

5、0000,耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。其切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其热稳定性差，切削温度不宜超过700800；强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削；与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。目前主要用于磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔；加工铝合金、铜合金时，切削速度可达8003800m/min。,（4）立方氮化硼 由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。有很高的硬度（HV

6、80009000）及耐磨性；其比金刚石高得多的热稳定性（1400），可用来加工高温合金；化学惰性大，与铁族金属直至1300时也不易起化学反应，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。 它目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰。 它有两种类型：整体聚晶立方氮化硼，能像硬质合金一样焊接，并可多次重磨；立方氮化硼复合片，即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。,刀具几何结构,车刀结构,(1) 前刀面(前面)：切屑流过的表面。,(2) 主后刀面(主后面)：刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面,(3) 副后刀面(副后面)：刀具上与工件已加工表面相对并相互作

7、用的表面,(4) 主切削刃：前刀面与主后刀面的交线。承担主要切削工作，它在工件 上切出过渡表面。,(5) 副切削刃：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。,(6) 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的线段 或圆弧。刀尖按其连接过渡部分形状不同，分为点状刀尖、修圆刀尖、 倒角刀尖，如图1-5所示。刀尖是刀具切削部分工作条件最恶劣的部位之 一。,刀尖的结构,刀具静止参考系和刀具的几何角度,静态参考系(或称标注参考系)，它是刀具设计计算、绘图标注、制造刃磨及测量时用来确定切削刃、刀面空间几何角度的定位基准，用它定义的角度称为静态角度(或称为标注角

8、度)；,动态参考系(或称为工作参考系)，它是确定刀具上切削刃、刀面相对于工件的几何位置的基准，用它定义的角度称为工作角度。,建立静止参考系的条件,假定的运动条件： 忽略进给运动速度，以主 运动速度向量代替合成运 动向量。,(2) 假定的安装条件。 假定刀具的安装基面与 切削速度方向垂直，切 削刃上选定点与工件中 心线等高。同时规定刀 杆中心线与进给方向垂直。,正交平面参考系, 基面 Pr ：为过切削刃选定点而和该点假定主运动方向垂直的平面。车刀的基面可理解为平行刀具底面的平面。, 切削平面Ps ：为过切削刃上选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。选定点在主切削刃上者为主切削平面，选定点在副切削

9、刃上者为副切削平面。未特别说明，切削平面即是指主切削平面。, 正交平面Po:它又称正交剖面或主剖面，过切削刃上选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面(或过切削刃选定点并垂直于切削刃在基面上的投影的平面)。选定点在主切削刃上者为主正交平面，选定点在副切削刃上者为副正交平面。,(,正交平面参考系, 主偏角:在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。 (2) 副偏角：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。副偏角一般为正值。 (3) 前角:在正交平面(主剖面)内测量的前刀面与基面之间的夹角。 (4) 后角:在正交平面(主剖面)内测量的主后刀面与切

10、削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。 (5) 副后角:在副正交平面(副剖面)中测量的副后刀面与切削平面之间的夹角。 (6) 刃倾角:在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。,刀具几何角度与标注,在刀具静止参考系中为了比较切削刃、刀尖 的强度，刀具上还定义了楔角0 和刀尖角r 两个角度，它们也属派生角度。 楔角: 在正交平面中，前刀面与主后刀面之间的夹角。显然有： 0 = 90-(0 + 0 ) 刀尖角: 主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角，即= 180-(r + r /),在实际的切削加工中，当刀具进入工作状态后，由于刀具安装位置和进给运动的影响，选定点的实际切

11、削速度的方向以及刀具的实际安装位置相对于假定的理想状态发生了改变，即上述标注角度会发生一定的变化。而刀具角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变，因此，研究切削过程中的刀具角度，必须以刀具与工件的相对位置、相对运动为基础建立参考系，这种参考系称为工作参考系。,刀具的工作参考系及工作角度,工作正交平面参考系,(3) 工作正交平面:通过切削刃选定点，同时垂直于工作切削 平面与工作基面的平面。,(1) 工作基面:通过切削刃选定点垂直于合成切削速度方向的平面。,(2) 工作切削平面:通过切削刃选定点与切削刃相切，且垂直于工作基面的平面。该平面包含合成切削速度方向。,横向进给运动对刀具角度

12、的影响,安装位置高低对刀具角度的影响,刀具几何参数的合理选择,刀具几何参数的合理选择,概念： 1.刀具几何参数的合理选择： 是指在保证加工质量的前提下，选择能提高切削效率，降低生产成本，获得最高刀具耐用度的刀具几何参数。 2.刀具几何参数内容： 刀具几何角度（如前角、后角、主偏角等）、 刀面形式（如平面前刀面、倒棱前刀面等） 切削刃形状（直线形、圆弧形） 选择刀具考虑的因素： 工件材料、刀具材料、切削用量、工艺系统刚性等工艺条件以及机床功率等。,3.在一定切削条件下的基本选择方法 ：,1)前角和前刀面形状的选择,5)刃倾角的选择,3)主偏角、副偏角的选择,2)后角及形状的选择,4)刀尖形状的选

13、择,1前角和前刀面形状的选择 （1） 前角的选择： 在选择刀具前角时首先应保证刀刃锋利，同时也要兼顾刀刃的强度与耐用度。 刀具前角的合理选择，主要由刀具材料和工件材料的种类与性质决定。, 刀具材料 强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。 下图是不同刀具材料韧性的变化 工件材料 加工钢件等塑性材料时，切屑沿前刀面流出时和前刀面接触长度长，压力与摩擦较大，为减小变形和摩擦，一般采用选择大的前角。 加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接触短，切削力主要集中在切削刃附近，受冲击时易产生崩刃，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。, 加工条件 粗

14、加工时，一般取较小的前角； 精加工时，宜取较大的前角，以减小工件变形与表面粗糙度； 带有冲击性的断续切削比连续切削前角取得小。, 其它刀具参数 负倒棱（如右图角度o1）的刀具可以取较大的前角。 大前角的刀具常与负刃倾角相匹配以保证切削刃的强度与抗冲击能力。 总之，前角选择的原则是在满足刀具耐用度的前提下，尽量选取较大前角。,1、强度和韧性大的刀具材料选择大的还是小的前角，而脆性大的刀具又如何选择？ 2、加工塑性材料时，一般选择大的还是小的前角。 3、加工脆性材料时，刀具前角相对塑性材料如何选择？ 4、粗加工和精加工时刀具的前角有何区别？,课堂提问？,强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆

15、性大的刀具甚至取负的前角。 加工钢件等塑性材料时，一般采用选择大的前角。 加工脆性材料时，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。 粗加工时，一般取较小的前角； 精加工时，宜取较大的前角，以减小工件变形与表面粗糙度；,解答,（2）前刀面形状、刃区形状及其参数的选择 、前刀面形状 A、正前角锋刃平面型 （右图） 特点：刃口较锋利，但强度差， o不能太大，不易折屑 主要用于高速钢刀具，精加工。 B、带倒棱的正前角平面型（右图） 特点：切削刃强度及抗冲击能力强，同样条件下可以采用较大的前角，提高了刀具耐用度。 主要用于硬质合金刀具和陶瓷刀具，加工铸铁等脆性材料。,C、负前角平面型

16、 （右图） 特点：切削刃强度较好， 但刀刃较钝，切削变形大。 主要用于硬脆刀具材料。加工高强度高硬度材料，如淬火钢。 图示类型负前角后部加有正前角，有利于切屑流出。,D、曲面型 （右图） 特点：有利于排屑、卷屑和断屑，而且前角较大，切削变形小，所受切削力也较小。 在钻头、铣刀、拉刀等刀具上都有曲面前面。 E、钝圆切削刃型（右图） 特点：切削刃强度和抗冲击能力增加具有一定的消振作用。 适用于陶瓷等脆性材料。,2后角及形状的选择 （1）后角的选择 、后角的作用 ： A、减小刀具后刀面与加工表面的摩擦； B、当前角固定时，后角的增大与减小能增大和减小刀刃的锋利程度，改变刀刃的散热，从而影响刀具的耐用度。,、后角的选择考虑因素 ： A、切削厚度 当切削厚度hD（和进给量f）较小时，切削刃要求锋利，因而后角o应取大(负后角)些。 如高速钢立铣刀，每齿进给量很小，后角取到16o。车刀后角的变化范围比前角小； 粗车时，切削厚度hD较大，为保证切削刃强度，取较小后角