金属切削刀具的基本知识

1、第二章第二章 制造工艺装备制造工艺装备 第一节第一节 金属切削刀具的基本知识金属切削刀具的基本知识 一.金属切削加工的基本概念 金属切削加工：金属切削加工： 金属切削加工是利用刀具从工件待加工金属切削加工是利用刀具从工件待加工 表面上切去一层多余的金属，从而使工件达表面上切去一层多余的金属，从而使工件达 到规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的到规定的几何形状、尺寸精度和表面质量的 机械加工方法机械加工方法。 一一. .金属切削加工的基本概念金属切削加工的基本概念 n金属切削加工分为钳工和机械加工（简称机工）金属切削加工分为钳工和机械加工（简称机工） 两部分。两部分。 q钳工钳工 n 一般时通过

2、工人手持工具进行切削加工的。钳工一般时通过工人手持工具进行切削加工的。钳工 加工方式多种多样，使用的工具简单、方便灵活，加工方式多种多样，使用的工具简单、方便灵活， 是装配和修理工作中不可缺少的加工方法。是装配和修理工作中不可缺少的加工方法。 q机工机工 n主要是通过工人操纵机床来完成切削加工的。其主要是通过工人操纵机床来完成切削加工的。其 主要加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等，主要加工方法有车削、钻削、铣削、刨削、磨削等， 所用的机床分别为车床、钻床、铣床、刨床、磨床所用的机床分别为车床、钻床、铣床、刨床、磨床 等。等。 1. 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 n为了切除多余的金

3、属，刀具和工件之间必须有相为了切除多余的金属，刀具和工件之间必须有相 对运动，即切削成形运动（简称切削运动）。切对运动，即切削成形运动（简称切削运动）。切 削运动可分为主运动和进给运动。削运动可分为主运动和进给运动。 主运动和进给运动主运动和进给运动 1. 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 （1 1）主运动）主运动 n含义含义：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最：使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最 基本运动，主运动的速度最高，所消耗的功率最大基本运动，主运动的速度最高，所消耗的功率最大。 1. 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 （2 2）进给运动）进给运动 n进给运动是不断地把

4、被切削层投入切削，以逐渐进给运动是不断地把被切削层投入切削，以逐渐 切削出整个表面的运动。进给运动一般速度较低，切削出整个表面的运动。进给运动一般速度较低， 消耗的功率较少消耗的功率较少。 1. 切削运动与切削用量切削运动与切削用量 n主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。 合成切削方向为切削刃选定点相对于工件的瞬时合成切削方向为切削刃选定点相对于工件的瞬时 合成切削运动的方向。合成切削运动的方向。 2 2切削时的工件表面切削时的工件表面 n在切削过程中，工件上通常在切削过程中，工件上通常 存在以下三个表面存在以下三个表面 (1)(1)待加工表面

5、：待加工表面：工件上即将工件上即将 被切除的表面。被切除的表面。 (2)(2)已加工表面：已加工表面：工件上经刀工件上经刀 具切削后形成的表面。具切削后形成的表面。 (3)过渡表面（加工表面）过渡表面（加工表面）： 工件上被切削刃正在切削着工件上被切削刃正在切削着 的表面。它总是处在待加工的表面。它总是处在待加工 表面与已加工表面之间。表面与已加工表面之间。 切削时的工件表面切削时的工件表面 视频视频 3 3切削用量三要素切削用量三要素 n切削速度切削速度v vc c，进给量进给量f(f(或进给速度或进给速度v vf f) )和和背背 吃刀量吃刀量a ap p切切削用量三要素削用量三要素。 n

6、切切削用量三要素削用量三要素是调整刀具与工件相对运动是调整刀具与工件相对运动 速度和相对位置所需的工艺参数。速度和相对位置所需的工艺参数。 切削用量三要素视频切削用量三要素视频 （1 1）切削速度切削速度 n 切削刃选定点相对切削刃选定点相对 于工件的主运动的瞬于工件的主运动的瞬 时速度，计算公式为：时速度，计算公式为： q旋转运动：旋转运动： nvcvc=d n/1000=d n/1000 q往复运动往复运动： n v = 2Lnr /1000 q单位：单位：(m/s 或或 m/min) 3 3切削用量三要素切削用量三要素 （2）进给量）进给量f、进给、进给 速度速度vf和每齿进给量和每齿进

7、给量fz n进给量进给量f f：工件或刀具工件或刀具 每转一周时，刀具与每转一周时，刀具与 工件在进给运动方向工件在进给运动方向 上的相对位移量，单上的相对位移量，单 位为（位为（mm/rmm/r）。）。 n进给速度进给速度vf：在切削在切削 刃选定点相对于工件刃选定点相对于工件 进给运动的瞬时速度，进给运动的瞬时速度， 单位为（单位为（mm/s或或 mm/min）。）。 3 3切削用量三要素切削用量三要素 n每齿进给量每齿进给量fz： n对于铣刀、铰刀、拉刀、齿对于铣刀、铰刀、拉刀、齿 轮滚刀等多刃切削工具，在轮滚刀等多刃切削工具，在 它们进行工作时，还应规定它们进行工作时，还应规定 每一个

8、刀齿的进给量，即后每一个刀齿的进给量，即后 一个刀齿相对于前一个刀齿一个刀齿相对于前一个刀齿 的进给量，单位是的进给量，单位是mmz(毫毫 米齿米齿) 。 进给速度进给速度 vf=n f = n fz z （mm/s 或或 mm/min) 3 3切削用量三要素切削用量三要素 n对于外圆车削和刨削，对于外圆车削和刨削， 背吃刀量为工件上已背吃刀量为工件上已 加工表面和待加工表加工表面和待加工表 面之间的垂直距离。面之间的垂直距离。 n车削外圆时车削外圆时 nap = (dw p = (dw-dm)/2-dm)/2 3 3切削用量三要素切削用量三要素 例题：例题： 车外圆时工件加工前直径为车外圆时

9、工件加工前直径为62mm，加工后直径为，加工后直径为56 mm，工件转速为，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm， 工件加工长度为工件加工长度为110mm，切入长度为，切入长度为3mm，求，求v、 、f、 、ap和和 切削工时切削工时t 。 解：解： v =dn/1000 = 624/1000 = 0.779 m/s f = vf /n = 2/4 = 0.5 mm/r ap = (dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm t =(l+l1+l2)/ vf =(110+3+0)/2=56.5 s 3 3切削用量三要素切削用量三要素 4 4切削层参数

10、切削层参数 由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层。切削层 的截面尺寸称为切削层参数。它决定刀具切削部分所的截面尺寸称为切削层参数。它决定刀具切削部分所 承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在基面Pr内度量。内度量。 （1） 切削厚度切削厚度 ac (s= 0) 垂直于过渡表面测量的切削层尺寸垂直于过渡表面测量的切削层尺寸. . ac f sinr （2） 切削宽度切削宽度 aw 沿过渡表面测量的切削层尺寸沿过渡表面测量的切削层尺寸 aw ap/sinr （3）切削层面积）切削层面积 Ac ( = 0) Ac ac

11、 aw f ap r r 4 4切削层参数切削层参数 二、刀具角度二、刀具角度 n金属切削刀具的种类很多，要使刀具能够切除材金属切削刀具的种类很多，要使刀具能够切除材 料，刀具必须具有正确的角度。料，刀具必须具有正确的角度。 （一）刀具切削部分的组成（一）刀具切削部分的组成 三面三面 前刀面前刀面A 后刀面后刀面A 副后刀面副后刀面A 两刃两刃 主切削刃主切削刃 S 副切削刃副切削刃 S 一尖一尖 其他刀具可看作是车刀的演变和组合其他刀具可看作是车刀的演变和组合 （二）定义刀具角度的参考系（二）定义刀具角度的参考系 q1 1刀具标注角度参刀具标注角度参 考系考系 q设计制造测量角度时的设计制造

12、测量角度时的 基准基准 （1 1）基面）基面PrPr （2 2）切削平面）切削平面P Ps s： ： 1刀具标注角度参考系 （3）切削刃剖平面切削刃剖平面 v正交平面正交平面Po： n通过主切削刃上选定通过主切削刃上选定 点，垂直于基面和切点，垂直于基面和切 削平面的平面。削平面的平面。 n正交平面参考系正交平面参考系: : n基面、切削平面和正基面、切削平面和正 交平面组成标注刀具交平面组成标注刀具 角度的正交平面参考角度的正交平面参考 系系 正交平面参考系视频正交平面参考系视频 1刀具标注角度参考系 v 法平面法平面P Pn n :过切削刃上选定点并垂直于主切削刃的平面过切削刃上选定点并垂

13、直于主切削刃的平面 v 进给平面进给平面Pf :垂直于基面平行于进给方向的平面垂直于基面平行于进给方向的平面 v 切深平面切深平面Pp :垂直基面和假定工作平面的平面垂直基面和假定工作平面的平面 2 2刀具工作角度参考刀具工作角度参考系系 （三）刀具的标注角度（三）刀具的标注角度 n前角前角 0： 前刀面前刀面基面（正基面（正 交平面）交平面） n后角后角 0 ：主后刀面：主后刀面切削切削 平面（正交平面）平面（正交平面） n主偏角主偏角 r ：主刃投影：主刃投影假定假定 进给方向（基面）进给方向（基面） n副偏角副偏角 r ：主刃投影：主刃投影假假 定进给方向（基面）定进给方向（基面） n刃

14、倾角刃倾角 s ：主刃：主刃基面（切基面（切 削平面）削平面） （三）刀具的标注角度（三）刀具的标注角度 刀具几何角度视频刀具几何角度视频 （四）刀具的工作角度（四）刀具的工作角度 1.1.横向进给运动的影响横向进给运动的影响 2 arctan f oe=o oe=o tanf /d 当进给量当进给量f一定时，一定时， 随随 d 值值值值， 接近中心接近中心oe为负值。为负值。 当当 f值值 横车时横车时 f 不宜过大，不宜过大， 并应适当加大并应适当加大o 2.2.轴向进给运动的影响轴向进给运动的影响 w r d f sin arctan oe=o oe=o tan tanf sinr f

15、sinr/(dw) f 或或dw时，时，f、均均 车削右螺纹时左侧刃应车削右螺纹时左侧刃应o (左 左 8 右 右2 )右刃应右刃应o 车右螺纹时左侧刃车右螺纹时左侧刃 fe=ff fe=ff tanff /dw 3.安装高度的影响安装高度的影响 2 2 2/ cos tan hd h w r pe=pp pe=p p tanph/ 2 22 2w w ) ) 2 2 ( (h h d d oe=o oe=o tan tanp cosr 假定车刀假定车刀s0, 刀尖高于工件中心刀尖高于工件中心 若刀尖低于工件中心，若刀尖低于工件中心， 角度变化与上述相反角度变化与上述相反 4.刀杆中心线偏斜的

16、影响刀杆中心线偏斜的影响 = +G = - G r r re re r r re re = -G = +G r r re re r r re re 三、刀具材料 1) 高的硬度高的硬度 ：比工件高：比工件高(2-4倍），倍），HRC60 2) 高的耐磨性高的耐磨性：耐磨性是硬度、耐磨性是硬度、 组织组织 结构及结构及 化学性能等的综合反映化学性能等的综合反映。 3) 足够的强度和韧性足够的强度和韧性：不崩刃，不断裂不崩刃，不断裂 4) 高的耐热性（热稳定性）：高的耐热性（热稳定性）：高温时可以加工高温时可以加工 5) 良好的热物理性能和耐热冲击性能良好的热物理性能和耐热冲击性能：热传导热传导

17、系数大，除敌人良多，线膨胀系数小。系数大，除敌人良多，线膨胀系数小。 6) 良好的工艺性能：良好的工艺性能： 锻造性能、磨削性能、锻造性能、磨削性能、 热处理性能等，刀具制造成本低热处理性能等，刀具制造成本低 1. 刀具材料应具备的性能 2. 2. 高速钢高速钢 常用刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、常用刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢高速钢 、硬质合金硬质合金、陶瓷、金刚石、立方炭化硼等。、陶瓷、金刚石、立方炭化硼等。 2.高速钢高速钢 n含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢。含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢。 n较高的硬度（热处理硬度达较高的硬度（热处理硬度达HRC

18、62HRC626767）和耐热性（）和耐热性（ 切削温度可达切削温度可达550550600600） n切速比碳素工具钢和合金工具钢高切速比碳素工具钢和合金工具钢高1 13 3倍（因此而倍（因此而 得名），刀具耐用度高得名），刀具耐用度高10104040倍，甚至更多倍，甚至更多 n可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料 n制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃在复制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃在复 杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具 等）的制造中占有重要地位等）的制造中占有重要地位

19、 2. 2. 高速钢高速钢 （1 1）通用型高速钢（）通用型高速钢（含碳量含碳量0.70.70.9%0.9%，626266 66 HRCHRC） 钨系高速钢钨系高速钢 W18Cr4VW18Cr4V W14Cr4MnREW14Cr4MnRE 钼系高速钢钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2 高温塑性好高温塑性好 主要用于一般材料的常规加工，速度不高于主要用于一般材料的常规加工，速度不高于5050m/min.m/min. （2 2）高性能高速钢（）高性能高速钢（增加碳量钒量，添加钴铝等增加碳量钒量，添加钴铝等66667070HRCHRC） 9 9W18Cr4V W6Mo5Cr4VW1

20、8Cr4V W6Mo5Cr4V3 3 W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4V2Co8Co8 W W2 2MoMo9 9Cr4Cr4VCo8VCo8 W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2AlAl W W1010MoMo4 4Cr4VCr4V3Al3Al 主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达9090m/min.m/min. （3 3）粉末冶金化，表面处理及涂层等）粉末冶金化，表面处理及涂层等 2. 2. 高速钢高速钢 3. 3. 硬质合金硬质合金 3. 3. 硬质合金硬质合金 n用高耐热性和高耐磨性的用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物金属碳化物（

21、碳化钨，（碳化钨， 碳化钛，碳化钽，碳化铌等）与碳化钛，碳化钽，碳化铌等）与金属粘结剂金属粘结剂 （钴，镍，钼等）在高温下烧结而成的粉末冶（钴，镍，钼等）在高温下烧结而成的粉末冶 金制品。金制品。 n硬度：硬度：HRA89-93，能耐，能耐850-1000C的高温，良的高温，良 好的耐磨性，切速可达好的耐磨性，切速可达100-300m/min，可加工，可加工 包括淬硬钢在内的多种材料，包括淬硬钢在内的多种材料， n广泛应用广泛应用 n硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性 差，不锋利，较难加工，不易做成差，不锋利，较难加工，不易做成 形状复杂的整体刀具形状复杂的整体刀具

22、3. 3. 硬质合金硬质合金 n常用的硬质合金有钨钴类（常用的硬质合金有钨钴类（YG类），钨钛钴类），钨钛钴 类（类（YT类）和通用硬质合金（类）和通用硬质合金（YW类）类）3类类 分分 类类 YG (K) 类类 YT (P)类类 YW (M)类类 短切屑黑色金属短切屑黑色金属 加工长切屑的加工长切屑的 钢材、铸铁等钢材、铸铁等 有色金属非金属有色金属非金属 黑色金属黑色金属 有色金属非金属有色金属非金属 WC+ Co WC+ TiC+ Co WC+ TiC+ TaC+ Co 常用硬质合金牌号及应用范围常用硬质合金牌号及应用范围 牌 号应 用 范 围 YG3 硬度、 抗弯 耐磨 强度、 性、

23、韧性、 切削 进给 速度 量 铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击 YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工 YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工， YG6铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工 YG8铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用于断续切削 YT30 硬度、 抗弯 耐磨 强度、 切削 韧性、 速度 进给 碳素钢、合金钢的精加工 YT15碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工，断续切精加工 YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削 YW1 同 上 高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工 YW2高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工 YN0

24、5 同 上 碳钢、合金钢的高速精车，系统刚性好的细长轴精车 YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工 4. 涂层刀具和其它刀具材料 n涂层刀具： n耐用度至少可提高13倍（刀片），或210倍（高速钢）。 加工材料的硬度愈高，效果愈好。 n 涂层硬质合金涂层硬质合金 石油管螺纹梳刀石油管螺纹梳刀 涂层火车轮箍刀、涂层涂层火车轮箍刀、涂层 不重磨硬质合金刀片不重磨硬质合金刀片 CVD涂层模具涂层模具 PVD涂层高速钢齿轮涂层高速钢齿轮 滚刀、铣刀、钻头滚刀、铣刀、钻头 PVD涂层模具涂层模具PCVD涂层刀具涂层刀具 n陶瓷材料： n在1200C时可保持HRA80的硬度，脆 n人造金刚石： n极

25、高的硬度（显微硬度可达HV10000）和耐磨性，摩擦系 数小，切削刃非常锋利。很高的加工表面质量 n热稳定性较差（不得超过700800），与铁元素的化学 亲和力很强，不宜加工钢铁件。加工硬质合金 n立方氮化硼： n硬度热稳定性很高（可达13001400C） n最大的优点：在高温（12001300C）时也不易与铁族金 属起反应。 4. 涂层刀具和其它刀具材料 立方氮化硼产品立方氮化硼产品 立方氮化硼刀片立方氮化硼刀片 切削刀具用立方氮化硼刀片切削刀具用立方氮化硼刀片 五、刀具角度的选择 1.选择前角选择前角 0 0 2.选择后选择后角角o 3.选择主偏角选择主偏角r和副偏角和副偏角 r 4.选择

26、刃倾角选择刃倾角 s 应当指出，刀具各角度之间是相互联系，相 互影响的，孤立地选择某一角度并不能得到所 希望的合理值。 1. 前角0 （1）影响）影响 n 增大前角切削难易程度增大前角切削难易程度 n 前角，使刀刃变得锋利，使切削更轻快，切前角，使刀刃变得锋利，使切削更轻快，切 屑变形屑变形 ，切削力和切削功率，切削力和切削功率 n增大前角刀具寿命增大前角刀具寿命 n 前角，刀刃和刀尖强度前角，刀刃和刀尖强度 ，散热体积，散热体积 ， 影响刀具寿命。影响刀具寿命。 1. 前角0 n主要取决于：主要取决于：工件材料工件材料、刀具材料刀具材料、加工要求加工要求 n工件强度、硬度较低时，取较大的前角

27、，反之取较小的工件强度、硬度较低时，取较大的前角，反之取较小的 前角；前角； n加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸 铁）选较小的前角。铁）选较小的前角。 n刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之 （如硬质合金）则前角应选得小一些。（如硬质合金）则前角应选得小一些。 n粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角；精粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角；精 加工时应选用较大前角。加工时应选用较大前角。 n硬质合金车刀的前角硬质合金车刀的前角0 0在在5 52020范围内选，高范围内选，高 速钢刀具的前角应比硬质合金刀具大速钢刀具的前角应比硬质合金刀具大5 51010，而陶，而陶 瓷刀具的前角一般取瓷刀具的前角一般取5 51515。 （2）选择前角0 2. 后角o n后角的主要功用后