机械加工设备及工装

第二章 金属切削刀具

第一节 刀具的几何角度及其标注 第二节 刀具的材料 第三节 切削力 第四节 刀具的磨损与耐用度 第五节 刀具几何参数的合理选择

第二节 刀具的材料 刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。 刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。

一、刀具材料的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求： （1）较高的硬度和耐磨性 硬度—物体抵抗刻划（或锥入）的能力 HB--布氏硬度，用钢球压入材料，测深度 HR(HRA,HRC)--洛氏硬度，用金刚锥压入材料 HV—维氏硬度，用金刚石棱锥压材料，测对角线 一般，刀具材料常温硬度高于60HRC；是工件硬度的1.3-1.5倍。 耐磨性—物体抵抗磨擦破坏（或磨擦损耗）的能力，用材料磨损体积与标准砂轮的磨损体积之比表示。

一、刀具材料的性能要求 （2）足够的强度和韧性，以防崩刃、折断 强度—物体抵抗破坏的能力 抗拉强度—物体抵抗拉伸破坏的能力 抗剪强度—物体抵抗剪切破坏的能力 韧性—物体抵抗冲击破坏的能力 刚性—物体抵抗变形的能力，不仅与材料有关，还与物体的形状有关。 （3）较高的耐热性 工具钢刀具常用红硬性表示。红硬性是指加热4小时后仍能保持58HRC时的温度值。如高速钢的红硬性为550-650度。 （4）良好的导热性和耐热冲击性能 （5）良好的工艺性、经济性

一）高速钢 ——在高碳钢中加入W、Cr、V、Mo等合金元素后的一种合金钢。 二、常用刀具材料 刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。 碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。 一）高速钢 ——在高碳钢中加入W、Cr、V、Mo等合金元素后的一种合金钢。 ——淬火硬度达63-67HRC，红硬性为550-650度，允许切削速度较高。 1、普通高速钢 1）钨系：W18Cr4V 2)钨钼系：W6Mo5Cr4V2 2、高性能高速钢： 3、表面处理： 氮化、离子注入等，以提高表面耐磨性能。 高碳高速钢（如9W18Cr4V） 高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo) 钴高速钢（如W2Mo9Cr4VCo8） 铝高速钢（如W6Mo5Cr4V2Al） 表面涂层高速钢：氮化钛（TiN）、碳化钛（TiC）等

刀具材料添加元素的性能特点 W-钨，熔点高，耐高温； Cr-铬，Ti-钛，硬度高，耐磨性好； Co-钴，V-钒，Ni-镍，Mo-钼，热粘结性好， Mo-钼，改善组织，细化晶粒，增加强度、可靠性； Al-铝，C-碳，N-氮，B-硼，容易形成共价键，有利于硬度、强度、耐磨性。 亲和化问题： 钛-含钛不锈钢 碳-铁，金刚石不适合切削钢铁

二）硬质合金 三）其他刀具材料 ——是用WC、TiC等金属碳化物与Co、Ni、Mo等金属粘结剂经高压成形、高温烧结而成。 ——硬度高达89-95HRA，耐热、耐磨，但脆性大。 ——加工效率高，切削速度可达100m/min，可切削淬火钢等硬材料。 1、钨钴类（YG）--- 2、钨钛钴类（YT）--- 3、钨钽钴类（YA） 4、钨钛钽钴类（YW） 5、TiC基（YN）-- 三）其他刀具材料 1、陶瓷 用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。 2 、立方氮化硼 3、人造金刚石 切削铸铁等脆性材料和有色金属及其合金 精加工——YG3，半精加工——YG6，粗加工——YG8 切削塑性金属材料 精加工——YT30，半精加工——YT15，粗加工——YT5 ——切削难加工材料 复合材料表面涂层硬质合金刀具：TiC、TiN、A12O3等

第一节 刀具的几何角度及其标注 一.刀具的组成部分 二.刀具角度参考系 三.刀具角度定义 课堂练习 四.刀具角度正负的规定 第一节 刀具的几何角度及其标注 一.刀具的组成部分 二.刀具角度参考系 三.刀具角度定义 课堂练习 四.刀具角度正负的规定 五.刀具角度的标注 小结 作业

一.刀具的组成部分

1.以车刀为例,刀具组成部分如下: 思考 刀面 刀头 车 刀 切削刃 刀尖 刀体 前刀面 Aγ ? 后刀面 Aα ? 副后刀面 Aα′ 车 刀 主切削刃 S (用于切削) 切削刃 刀尖 副切削刃 S′ 刀体 (用于装夹)

2.实际使用的刀具切削部分放大形状 修圆刀尖; 倒角刀尖. 倒棱面;

二.刀具角度参考系 1.定义:用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面称为参考系. (过切削刃上选定点    设：选定点与工件中心等高，进给运动速度Vf=0) 2.参考平面 : 基面Pγ： Pγ⊥Vc ∥刀具安装面（车刀） 切削平面Ps: 与 S相切 且 ⊥Pγ 3.测量平面 : 正交平面Po: Po⊥Pγ、⊥Ps 法平面Pn：Pn⊥S 假定工作平面Pf ：Pf ⊥ Pr ∥f 背平面Pp ：Pp ⊥ Pr 、∥aP

4.分类: 正交平面参考系系 Pr－Ps－Po 法面系 Pr－Ps－Pn 刀具静止参考系 进给切深剖面系 Pr－(Ps)－Pf － Pp 假定工作平面和背平面参考系:Pr－Pf－PP 刀具工作参考系

5.正交平面参考系 组成: 基面Pr 切削平面Ps 正交平面Po

6.法面参考系简介

三.刀具(标注)角度定义 正交平面参考系的刀具标注角度 (图见下张) 1.在正交平面上测量 前角γo = ∠Aγ与 Pr 正交平面参考系的刀具标注角度 (图见下张)    1.在正交平面上测量         前角γo = ∠Aγ与 Pr 后角αo =∠Aα与 Ps 2.在基面上测量        主偏角Κr =∠“S 在基面上的投影”与Vf  副偏角Κr′ =∠“S′在基面上的投影”与“ 的反向”     3. 在切削平面上测量        刃倾角λs = ∠S与Pγ  4.补充说明: 副切削平面Ps′：与S′相切且⊥Pγ        副正交平面Po′: 过S′且⊥Pγ和⊥Ps′ 5.在Po′内:负后角αo ‘=∠ Pγ与Ps′

正交平面参考系的刀具(标注)角度

课堂练习 描图: 外圆车刀的几何角度.

四.刀具角度正负的规定1 1.前角 γo : Aγ在Pr之上——>负 Aγ在Pr之下——>正 思考:什么情况下γo =0???

刀具角度正负的规定2 2.后角αo : （一般无负值）

刀尖最高——>正，刀尖最低——>负 刀具角度正负的规定3 3.刃倾角λs ： 刀尖最高——>正，刀尖最低——>负

五.刀具的标注 1.参考系:正交系. 2.图:基面投影为主视图,切削平面投影为 向视图,作主\副刃的正交面 (图见下张) 3.需标注的独立角度数:刀面数的2倍. 4.例.直头外圆车刀:6个. (图见下张) 5.思考:直头外圆车刀应标注哪6个独立角度? 切断车刀应标注哪几个独立角度?

例图:直头外圆车刀几何角度

小结 1.本节主要介绍了金属切削刀具的几何角度和标注方法. 2.要求掌握正交平面参考系内直头外圆车刀几何角度的定义和作图. 3.了解其它刀具的几何角度.

作业 P33 2.1

第三节 切削力 一、切削力的来源，切削合力及其分解 一）切削力的来源 第三节 切削力 一、切削力的来源，切削合力及其分解 一）切削力的来源        1、切削力：金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力。 2、切削力来源于两个方面： 切削层金属、切屑和工件表面层金属的 弹性变形、塑性变形而产生的抗力； 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦阻力。

二）切削合力及其分解 Fr： 切削合力 Fy(Fp)：吃刀抗力 （切深抗力） Fx(Ff)：进给抗力 Fz(Fc)：主切削力

Fr： 切削合力 Fy(Fp)：吃刀抗力 （切深抗力） Fx(Ff)：进给抗力 Fz(Fc)：主切削力

切削合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。为了便于分析通常将合力Fr， 在按主运动速度方向、切深方向和进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x 上分解成三个为相互垂直的Fz(Fc) 、 Fy(Fp)、Fx(Ff)等三个分力。 1、主切削力Fz(Fc) （切向力）：主运动切削速度方向的分力。     Fz(Fc)是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。 2、切深抗力Fy(Fp) （径向力）：切深方向的分力。     Fy(Fp)不消耗功率，但在机床一工件一夹具一刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。 3、进给抗力Fx(Ff) （轴向力）：进给方向的分力。     Fx(Ff)消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。 注： 在铣削平面时，上述分力亦称为：Fr——切向力、Fy——径向力、Fx——轴向力。

三）切削力的测定和切削力的经验公式 生产、实验中经常遇到切削力的计算。 目前切削力的理论计算公式只能供定性分析用。因为切削力Fz计算公式是在忽略了温度、正应力、第Ⅲ变形区变形与摩擦力等条件下推导出来的，故不能用于计算。 而求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。

二、切削功率Pc 消耗在切削过程中的功率称为切削功率 ；切削功率为力Fc和Ff所消耗的功率之和，因Fp方向没有位移，所以不消耗功率 ；通常用主运动消耗的功率Pc表示。 机床电机所需功率： ——是校验和选取机床电动机的主要依据。

三、切削力的影响因素 1、工件材料 （1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。 切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。 1、工件材料    （1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。    （2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。

2、切削用量    （1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量f增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。     由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大，所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。    （2）切削速度vc  1）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。 切削速度Vc对切削力的影响规律  2）切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。

3、刀具几何角度    （1）前角：前角增大，变形减小，切削力减小。    （2）主偏角Kr ： 主偏角Kr在30-60度范围内增大，由切削厚度的影响起主要作用，使主切削力Fc减小；主偏角Kr在60-90度范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更突出，故主切削力Fz增大。    一般地，Kr=60-75度,所以主偏角Kr增大，主切削力Fc增大。            Kr增大，使Fp减小、Ff增大。    实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fp的作用，往往采用较大的主偏角κr>60度的车刀切削。    (3)刃倾角λs： λs对Fc影响较小，但对Ff、Fp影响较大。λs 由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。    实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角λs。特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角λs增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。

4、其它因素    （1）刀具棱面：应选较小宽度,使Fp减小。    （2）刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。    （3）刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。

第四节 刀具的磨损与耐用度 一、刀具磨损的形态 1、前刀面磨损 ——月牙洼宽度KB和深度KT 2、后刀面磨损 ——平均磨损值VB 第四节 刀具的磨损与耐用度 一、刀具磨损的形态 刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。 磨损后果:刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。 1、前刀面磨损 ——月牙洼宽度KB和深度KT 2、后刀面磨损 ——平均磨损值VB 3、前后刀面同时磨损

二、刀具磨损的原因 1、磨料磨损——硬质点(碳化物等)及积屑瘤——滑擦——划出沟纹 主要是机械磨损和热、化学磨损。 机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的； 热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。 1、磨料磨损——硬质点(碳化物等)及积屑瘤——滑擦——划出沟纹 2、粘结磨损——压力大、摩擦强——粘结，冷焊——被破坏而带走 3、扩散磨损——化学元素相互扩散，改变成分与结构——表层变脆弱，磨损 4、化学磨损：因化学作用在刀具表面形成低硬度的化合物----- 5、相变磨损——温度升高到相变温度，金相组织变化——硬度降低，磨损 6、热电磨损——刀具与工件构成热电偶——放电——电蚀

三、刀具磨损过程及磨钝标准 1、刀具磨损过程 图示为刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。 刀具磨损过程可分为三个阶段： 1）初期磨损阶段 2）正常磨损阶段 3）急剧磨损阶段

四、刀具的耐用度（刀具寿命） 2、刀具磨钝标准 刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。 规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。 四、刀具的耐用度（刀具寿命） 1、定义：一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，用T分钟表示。又称为刀具寿命。 2、选择：刀具耐用度的选择 经济耐用度Tc——以单件工序成本为最低的原则来确定 最大生产率耐用度Tp——以单位时间内加工工件的数量为最多的原则来确定

3、影响刀具耐用度Ｔ的因素　 1、切削用量 切削用量对刀具耐用度Ｔ的影响规律如同对切削温度的影响。 切削速度vc、 背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，使切削温度提高，刀具耐用度Ｔ下降。 Vc影响最大、 进给量f其次，ap影响最小。 2、工件材料 （1）硬度或强度提高，使切削温度提高，刀具磨损加大，刀具耐用度Ｔ下降。 （2）工件材料的延伸率越大或导热系数越小，切削温度越高，刀具耐用度Ｔ下降。 3、刀具几何角度 （1）前角对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”。 （2）主偏角Κr减小时，使切削宽度bD增大，散热条件改善，故切削温度下降，刀具耐用度Ｔ提高。 4、刀具材料 刀具材料的高温硬度越高、越耐磨，刀具耐用度Ｔ越高。 加工材料的延伸率越大或导热系数越小，均能使切削温度升高因而使刀

第五节 刀具几何参数的合理选择 一、前角和前刀面型式选择 1、前角的选择 主要包括：刀具角度、刀刃的刃形、刃口形状、前刀面与后刀面型式等。 前角的功用：前角影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。 前角γo对切削的难易程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。 但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。 前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。 前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大的前角。 ①加工材料——塑性材料(如钢)——大前角 脆性材料(如铸铁)——小前角 材料强度、硬度小——大前角 材料硬度、强度高——小前角、甚至负前角。 ②刀具材料——高速钢——大前角 硬质合金——小前角 ③加工性质——精加工时——大前角 粗加工——小前角

2、前刀面的选择 平面型前刀面： 制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高 曲面型前刀面： 起卷刃作用，并有助于断屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金属刀具和孔加工刀具。如丝锥、钻头。 带倒棱型前刀面： 是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施。

二、后角、后刀面的选择 后角的功用：后角αo的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。后角同时又影响刀具的强度。 后角的选用原则： 在不产生摩擦条件下应适当减小后角 1）根据加工精度选择： 粗加工以确保刀具强度为主，可在4o-6o范围内选取； 精加工以加工表面质量为主，可在αo=8o-12o 2）根据加工材料选择： 工件材料越软，塑性越大，后角越大。 3）其它： 工艺系统刚性较差时，应适当减小后角（切削时起支承作用，增加系统刚性并起消振作用）； 一般，切削厚度越大，刀具后角越小； 尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。

后面的型式 ①双重后面——保证刃口强度，减少刃磨 ③负后角刃带——稳定、导向、消振、延长使用时间

三、副后角的选择 ——通常等于后角 切断刀、切槽刀、锯片铣刀 ——后角很小．一般＝0.5°～2°

四、主偏角值的选择 五、副偏角值的选择 主偏角κr的大小影响切削条件（切削宽度和切削厚度的比例）和刀具寿命。 ①粗、半精加工——大主偏角→减小振动，延长寿命，断屑、大切深 ②加工硬材料——小主偏角→减轻负荷，导热、容热、延长寿命 ③工艺系统刚性好——小主偏角→延长寿命 刚性差——大主偏角→减小背向力Fp 。 五、副偏角值的选择 ①一般较小——5°~10° ②精加工——小，0° ③加工高强高硬材料或断续切削——小，4°～6° ④切断刀、锯片、槽铣刀——小，1°～2°

六、过渡刃的型式 ①直线刃（倒角刀尖）——粗车、强力车，κrε=κr/2 ②圆弧刃（修圆刀尖）——刀尖圆弧半径→小粗糙度值 ④大圆弧刃（圆弧刀尖）——宽刃精车刀、宽刃精刨刀、浮动镗刀

七、刃倾角的功用与选择 刃倾角λs主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。 主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。 粗加工时，为提高刀具强度，λs取负值； 精加工时，为不使切屑划伤已加工表面，λs常取正值或0。