制造技术基础第二章第一节金属切削刀具基础

第二章金属切削过程第一节金属切削刀具基础一、切削加工的基本概念(一)切削运动与切削中的工件表面ve=vc+vf(2-1)(二)切削用量

1．切削速度vc(m/s或m/min)

切削速度：切削刃相对于工件的主运动速度。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定

vc=(2-2)

式中d——工件(或刀具)的最大直径(mm)；

n——工件(或刀具)的转速(r/s或r/min)。

2．进给量f

进给量：工件或刀具转一周(或每往复一次)，两者在进给运动方向上的相对位移量。其单位是mm/r(或mm/双行程)。

vf=nf=nzfz(2-3)

式中z——刀齿数。3．背吃刀量ap(mm)

背吃刀量：刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值。外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离(参见图2-2)。式中dw-——工件上待加工表面直径(mm)；

dm——工件上已加工表面直径(mm)。(2-4)

(三)切削层参数切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。

1．切削层公称厚度hD

切削层公称厚度hD：垂直于过渡表面度量的切削层尺寸

(以下简称为切削厚度)。车外圆时(图2-2)，如车刀主切削刃为直线

hD=fsinkr(2-5)

2．切削层公称宽度bD

切削层公称宽度bD：沿过渡表面度量的切削层尺寸

(以下简称为切削宽度)。如车刀主切削刃为直线

bD=

3．切削层公称横截面积AD

切削层公称横截面积AD：切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积

(以下简称为切削面积)。对于车削

AD=hDbD=fap(2-7)（2-6）

二、刀具角度以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。(一)刀具切削部分的构造

(1)前刀面

(2)主后刀面

(3)副后刀面

(4)主切削刃

(5)副切削刃

(6)刀尖

(二)刀具的标注角度

1．刀具标注角度的参考系(1)基面Pr

通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。

(2)切削平面Ps

通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。

(3)正交平面Po

通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。

上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。

2．刀具的标注角度

(1)前角γo

在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前角的作用：

a.γo↑→变形↓→切削力↓。

b.γo↑↑→切削刃强度↓。

c.γo↑↑→散热体积↓。

所以应有合理前角。

(2)后角αo

在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角，一般为正值。后角的作用：

a.αo↑→摩擦↓→切削力↓。

b.αo↑↑→切削刃强度↓。

c.αo↑↑→散热体积↓。

所以后角也应有合理值。

(3)主偏角kr

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。主偏角的作用：

a.在ap和f一定的情况下，kr↑→切削刃单位长度上的受力↑。b.kr↑→径向力Fp↓，轴向力Ff↓。所以主偏角也应有合理值。

(4)副偏角kr′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。副偏角的作用：

a.kr′↑→摩擦↓。

b.kr′↑↑→工件表面粗糙度↑

所以副偏角也应有合理值。

(5)刃倾角λs

在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。

刃倾角的作用：

a.影响切屑的流出方向。正的λs→切屑流向工件的待加工表面。负的λs→切屑流向工件的已加工表面。

b.正的λs→刀尖强度↓。所以刃倾角也应有合理值。

3．刀具的工作角度

(1)进给运动对工作角度的影响

a.横向进给运动对工作角度的影响γoe=γo+η

αoe=αo-η

b.纵向进给运动对工作角度的影响螺纹车刀左侧刀刃上A点在正交平面内的工作前角度γoe=γo+η

αoe=αo-η

(2)刀具安装位置对工作角度的影响

a.刀尖高于或低于工件中心的影响刀尖高于工件中心（如图）：γoe＞γo

αoe＜αo

刀尖低于工件中心：

γoe

＜γo

αoe＞

αo

b.车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响

kre=kr±θA

kre′=kr′θA式中θA——刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。

三、刀具材料

(一)刀具材料的性能要求

(1)较高的硬度和耐磨性刀具材料的常温硬度要求在60HRC以上。

(2)足够的强度和韧性

(3)较高的耐热性

(4)良好的导热性和耐热冲击性能

(5)良好的工艺性

(二)常用刀具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢是含碳量为0.7～1.3%的优质高碳钢。常用牌号有：T8A、T10A、T12A。碳素工具钢的性能：淬火硬度可达HRC60～66，且刀具韧磨时容易锋利，价格低廉。但耐热性差，200℃左右就会失去原来的硬度，故允许的切削速度不高（0.5m/s左右）。淬透性差，热处理变形大。碳素工具钢应用：

只用来制造手动刀具，如锉刀、手工锯条等。

2.合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的合金元素，如铬（Cr）、钨（W）、硅（Si）、锰（Mn）等即成合金工具钢。

常用的牌号有：9SiCr、CrWMn等。合金工具钢的性能：淬火硬度与碳素工具钢相同，而耐热性有所提高，可耐350℃左右的高温，耐磨性也略有提高。合金工具钢的最大优点是热处理时变形较小。

合金工具钢应用：常用来制造形状复杂、要求热处理变形小的低速刀具，如丝锥、板牙、铰刀等。

3．高速钢高速钢是加入了较多的钨(w)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(v)等合金元素的高合金工具钢。高速钢的性能：具有较高的硬度(62～67HRC)和耐热性；高的耐热性，温度高达500～650℃时仍能进行切削；高强度

(抗弯强度是一般硬质合金的2～3倍，陶瓷的5～6倍)；韧性好，可在有冲击、振动的场合应用；制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃。高速钢的应用：适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。

高速钢的分类：按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉木冶金高速钢。（1）普通高速钢是加入较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。典型牌号：W18Cr4V(简称W18)和W6Mo5Cr4V2(M2)。特点及适用范围：W18的综合性能较好，可用于各种复杂刀具。M2的碳化物分布细小、均匀，可用来制造尺寸较大，承受较大冲击力的刀具；M2的热塑性好，适合于制造热扎钻头等刀具。

（2）高性能高速钢在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成。典型牌号：W2Mo9Cr4VCo8(M42)和W6Mo5Cr4V2Al(501)。特点及适用范围：M42的综合性能好，常温硬度接近70HRC，600℃时其硬度为55HRC，刃磨性能也好；但M42含钴多，成本较贵。501钢是一种含铝的无钴高速钢，600℃时硬度达54HRC，501钢的切削性能与M42大体相当，成本较低，但刃磨性能较差。表2-1列出了几种常用高速钢的力学性能。

(3)粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体(氩气或氮气)把钢水雾化成粉末后，再经过热压、锻轧成材。特点及适用范围：有效地解决了熔炼高速钢的碳化物共晶偏析问题，结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢材质均匀，韧性好，硬度高，热处理变形小，质量稳定，刃磨性能好，刀具寿命较高。可用它切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。

4．硬质合金硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)和金属粘结剂(Co、Ni等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的性质：硬质合金的常温硬度达89～93HRA，760℃时其硬度为77～85HRA，在800～1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8～1/30，因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。

硬质合金的分类：

ISO把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。

(1)P类(相当于我国YT类)硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。常用牌号有：YT5(TiC的质量分数为5％)、YTl5等。性能：随着TiC质量分数的提高，钴质量分数相应减少，硬度及耐磨性增高，抗弯强度下降。应用范围：主要用于加工钢料及有色金属等韧性材料。但是不宜加工不锈钢和钛合金。

(2)K类(相当于我国YG类)硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。常用牌号：

YG6(钴的质量分数为6％)、YG8(钻的质量分数为8％)等。性能：随着钴质量分数增多，硬度和耐磨性下降，抗弯强度和韧性增高。应用范围：主要用来加工铸铁、青铜等脆性材料，也可加工有色金属及其合金。

(3)M类(相当于我国YW类)硬质合金，是在WC、TiC、Co的基础上再加入TaC(或NbC)而成。常用牌号：YW1和YW2等。性能：加入TaC(或NbC)后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。表2-2列出了几种常用的硬质合金的牌号、性能及其使用范围。

(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(Al2O3)基陶瓷和氮化硅(Si3N4)基陶瓷。

A12O3基陶瓷硬度高达91～95HBA，耐磨性好、耐热性好、化学稳定性高、抗粘结能力强，但抗弯强度和韧性差；这种陶瓷用于精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢很有效。

Si3N4基陶