第3章金属切削原理与刀具第1节

第3章

金属切削原理与刀具

(工程材料切削原理)第一节金属切削刀具第二节金属切削的基本规律第三节刀具磨损与寿命第四节切削用量的选择1第一节金属切削刀具一、切削运动与切削要素

1.切削运动

2.切削要素二、刀具角度

1.刀具切削部分的组成

2.刀具标注角度参考系

3.刀具的标注角度

4.刀具的工作角度三、刀具种类

1.刀具分类

2.常用刀具简介四、刀具材料

1.刀具材料应具备的性能

2.常用的刀具材料2

3.1金属切削刀具一、切削运动与切削要素1.切削运动：刀具与工件间的相对运动。分解：主运动：切下切屑的基本运动，只有一个。进给运动：保证切削不断进行的运动，可能有多个。3例：切削运动的分解14例：切削运动的分解25例：切削运动的分解36例：切削运动的分解47

3.1金属切削刀具切削运动的合成1.切削运动一、切削运动与切削要素8

3.1金属切削刀具2.切削要素一、切削运动与切削要素已加工表面加工表面(过渡表面)待加工表面切削表面:9

3.1金属切削刀具2.切削要素一、切削运动与切削要素切削表面102.切削要素

3.1金属切削刀具一、切削运动与切削要素(1)切削速度：

单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移；切削用量11切削速度的计算①主运动为旋转运动，

d－工件待加工表面或刀具的最大直径

n－工件或刀具每分钟转数②主运动为往复直线运动，

L－往复直线运动的行程长度

nr－主运动每分钟的往复次数122.切削要素

3.1金属切削刀具一、切削运动与切削要素(2)进给量切削用量13进给量f:在主运动每转一转或每一行程时(或单位时间内)，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移；进给速度:142.切削要素一、切削运动与切削要素切削用量

3.1金属切削刀具(3)切削深度ap(背吃刀量)15背吃刀量的计算dw，dm——待加工表面和已加工表面的直径162.切削要素

切削层几何参数切削层：切削刃一次走刀从工件加工表面切下的一层金属。一、切削运动与切削要素1）切削厚度ac2）切削宽度aw3)切削面积Ac

3.1金属切削刀具17二、刀具角度1.刀具切削部分的组成3.1金属切削刀具18二.刀具角度1.刀具切削部分的组成(1)前面（前刀面):刀具上与切屑接触并相互作用的表面。(2)主后面（主后刀面):刀具上与工件加工表面接触并相互作用的表面。3.1金属切削刀具19(3)副后面（副后刀面):刀具上与工件已加工表面接触并相互作用的表面。(4)主切削刃:前面与主后面的交线，它完成主要的切削工作。二.刀具角度1.刀具切削部分的组成3.1金属切削刀具20(5)副切削刃:前面与副后面的交线，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:连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线段或圆弧。21各种刀具切削部分的形状22二、刀具角度1.刀具切削部分的组成3.1金属切削刀具233.1金属切削刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系正交平面参考系：为了确定和测量刀具角度而引入三个相互垂直的参考平面。24(1)切削平面：通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面。

25(2)基面:通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。26(3)正交平面（主剖面）:通过主切削刃上某一点并与切削平面和基面相垂直的平面。27二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系3.1金属切削刀具283.1金属切削刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系3.刀具的标注角度29二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系3.刀具的标注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃倾角λs3.1金属切削刀具30前角：在正交平面内测量的前面与基面之间的夹角。表示前面的倾斜程度。后角：在正交平面内测量的主后面与切削平面之间的夹角。表示主后面的倾斜程度。31二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系3.刀具的标注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃倾角λs3.1金属切削刀具32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。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。

33二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系3.刀具的标注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃倾角λs3.1金属切削刀具34刃倾角：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。35车刀的主要角度γokr

αoλs

k'r前角：γo“前面与基面之间的夹角”后角：αo“主后面与切削平面的夹角”+-+-主偏角：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。刃倾角：λS“主切削刃与基面之间的夹角”3637刃倾角符号38二、刀具角度1.刀具切削部分的组成2.刀具标注角度参考系3.刀具的标注角度4.刀具的工作角度3.1金属切削刀具工作前角γoe变大和工作后角αoe减小

工作前角γoe变小，工作后角αoe变大

39三、刀具种类1.刀具分类加工方式和具体用途

车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。所用材料工具钢刀具、高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金刚石刀具。结构整体刀具、焊接装配式刀具和机械夹固刀片刀具。是否标准化标准刀具（麻花钻、铣刀、丝锥）和非标准刀具（拉刀、成型刀具

）3.1金属切削刀具40(1)车刀:在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等。

2.常用刀具简介41a)直头外圆车刀b)

45°弯头外圆车刀c)

90°弯头外圆车刀

d)端面车刀e)内孔车刀f)切断刀g)宽刃光刀42整体式车刀的刀片:高速钢43(2)孔加工刀具

从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻;

对工件上已有孔进行再加工用的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀。44麻花钻：应用最广的孔加工刀具，特别适合于直径30mm以下的孔的粗加工，有时也可用于扩孔。工作部分(刀体)：前端为切削部分，承担主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。

工作部分：有两个对称的刃瓣、两条对称的螺旋槽;导向部分磨有两条棱边。

45标准麻花钻存在切削刃长、前角变化大、螺旋槽排屑不畅、横刃部分切削条件很差等结构问题，生产中为了提高钻孔的精度和效率，常将标准麻花钻按特定方式刃磨成“群钻”使用。

群钻的基本特征为：“三尖七刃锐当先，月牙弧槽分两边，一侧外刃开屑槽，横刃磨得低窄尖”。46

中心钻：加工轴类工件的中心孔。钻孔时，先打中心孔，也有利于钻头的导向，可防止孔的偏斜。

47

深孔钻：专门用于钻削深孔的钻头。为解决深孔加工中的断屑、排屑、冷却润滑和导向等问题，开发了外排屑深孔钻、内排屑深孔钻和套料钻等多种深孔钻。48

扩孔钻：常用作铰或磨前的预加工以及毛坯孔的扩大，扩孔效率和精度均比麻花钻高。

49铰刀：精加工刀具，加工精度可达IT6～IT7。50铰刀的结构铰刀特点：铰刀无横刃,刀齿较多，一般有6～12个齿，每个刀齿上所受的径向切削分力比较均匀,铰孔余量小，容积空间不深。铰刀芯部直径较粗，刚性好，因此，铰削时工作平稳，铰孔质量好。51

镗刀：多用于箱体孔的粗、精加工，一般分为单刃镗刀和多刃镗刀两大类。

52⑶铣刀：一种应用广泛的多刃回转刀具。铣削的生产率一般较高，加工表面粗糙度值较大。

53铣刀的分类（a）圆柱平面铣刀（b）端铣刀（c）单面刃铣刀（d）双面刃铣刀（e）三面刃铣刀（f）错齿三面刃铣刀（g）立铣刀（h）键槽铣刀（i）单角度铣刀（j）双角度铣刀（k）成形铣刀54⑷拉刀：拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛应用于大批量生产中，可加工各种内、外表面。

55

1.拉刀种类拉刀按加工表面分为内拉刀和外拉刀；

按拉削方式分普通式、轮切式、及综合式；

按受力不同分拉刀和推刀。2.拉刀的结构普通圆孔拉刀结构如下：56可拉削加工的各种内外表面a)圆孔d)键槽g)平面b)三角形孔e)花键孔h)榫槽c)方孔f)内齿轮I)燕尾槽57⑸螺纹刀具：螺纹可用切削法和滚压法进行加工。螺纹加工可在车床上车削完成(外螺纹)；可用手动或在钻床上用丝锥进行加工（内螺纹）；58⑹齿轮刀具：齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具,按刀具的工作原理，齿轮刀具分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。59

标准直齿插齿刀的分类和用途

①盘形插齿刀

加工外齿轮和大径内齿轮Φ75、100、125、160、200②碗形插齿刀

加工多联齿轮和内齿轮，有Φ50、75、100、125mm。③锥柄插齿刀

加工内齿轮，有Φ25mm(m1~2.75)、Φ38mm(m1~3.75)60选用齿轮滚刀和插齿刀时，注意以下几点：1)刀具基本参数

(模数、齿形角、齿顶高系数等)应与被加工齿轮相同。2)刀具精度等级与被加工齿轮要求的精度等级相当。3)刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同。滚切直齿轮时，一般用左旋滚刀。61⑺数控刀具62636465四、刀具材料1.刀具材料应具备的性能1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）高耐热性（热稳定性）和传热性4）良好的工艺性和经济性3.1金属切削刀具661.足够的硬度和耐磨性

硬度：刀具材料应具备的基本性能。刀具硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度一般须在60HRC以上。

耐磨性：指材料抵抗磨损的能力，它与材料硬度、强度和组织结构有关。材料硬度越高，耐磨性越好。2.足够的强度与韧性

切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。673.较高的耐热性和传热性

耐热性：指刀具材料在高温下保持足够的硬度、耐磨性、强度和韧性、抗氧化性、抗黏结性和抗扩散性的能力(亦称为热稳定性)。

热硬性：材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性，它是刀具材料保持切削性能的必备条件。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度越高。684.较好的工艺性和经济性

为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能，如热轧、锻造、焊接、热处理和机械加工等性能。693.1金属切削刀具2.常用的刀具材料

1）工具钢

碳素工具钢（如T10A、T12A）

合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）2）高速钢

通用型高速钢:钨系、钼系高性能高速钢：钴高速钢、铝高速钢粉末冶金高速钢3）硬质合金：钨钴类(YG类)、钨钴钛类(YT类)4）陶瓷5）超硬材料

立方氮化硼

金刚石70碳素工具钢

碳素工具钢是含碳量为0.65%～1.3%的优质碳素钢，常用钢号有T7A、T8A、T10A、T12A等。

特点：工艺性能良好，经适当热处理，硬度可达60HRC～64HRC，有较高的耐磨性，价格低廉。但热硬性差，在200℃～300℃时硬度开始降低，故允许的切削速度较低(5m/min～10m/min)。

应用：制造手用刀具。71合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢中加入适当的合金元素铬(Cr)、钨(W)、锰(Mn)、硅(Si)

等炼制，合金元素总含量不超过3%～5%。常用钢号有9SiCr、CrWMn等。特点：提高了刀具材料的韧性、耐磨性和耐热性。其耐热性达325℃～400℃，所以切削速度(10m/min～15m/min)比碳素工具钢提高了。应用：制造手用刀具、低速及小进给量的机用刀具。

72

高速钢

高速钢是在高碳钢中加入较多W、Cr、Mo(钼)、V（钒）等合金元素的高合金工具钢，也称白钢、锋钢。特点：提高了合金的硬度。一般高速钢的淬火硬度可达HRC63~67。在切削温度高达500~650C°,仍能进行切削。允许的切削速度可比合金工具钢提高1~3倍。高速钢具有较高的强度。在所有刀具材料中它的抗弯强度和冲击韧性值最高。高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多。应用：制造各种刃形复杂精密刀具的主要材料。73按用途通用型高速钢

满足一般材料的常规加工钨系W18Cr4V

钼系W6Mo5Cr4V2

高性能高速钢

切削性能好，加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料

铝系W6Mo5Cr4V2Al

钴系W6Mo5Cr4VCo8

粉末冶金高速钢切削各种难加工材料74W6Mo5Cr4V2与W18Cr4V相比，优点：碳化物含量相应减少，而且颗粒细小分布均匀，因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略有提高；可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；因Mo的存在，热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等热成形刀具。其主要缺点：可磨削性略低于W18Cr4V。75

铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)：铝高速钢是我国研制的无钴高速钢，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、碳的含量，以提高钢的耐热性和耐磨性，并使其强度和韧性不降低。

钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)：一种含Co超硬高速钢，常温硬度达67HRC～69HRC，具有良好的综合性能。Co能提高高温硬度，相应地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。

76粉末冶金高速钢：将高频感应炉炼的钢液用高压惰性气体(如氩气)雾化成粉末，再经过冷压和热压(同时进行烧结)制成刀坯或制成钢坯，再经过轧制或锻造成材。优点：韧性和硬度较高，可磨削性能好，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，耐用度较高，故可切削各种难加工材料，适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。77

硬质合金

硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物和金属粘结剂

(如Co、Ni、Mo等)，经过高压成形，并在1500℃左右的高温下烧结而成。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC等，常用的黏结剂有Co、Mo、Ni。特点：硬度高达89～95HRA，耐磨性很好，耐热性可达800～1000℃均超过高速钢。其缺点是抗弯强度低、脆性大、怕振动、怕冲击、制造工艺性差。很少用于制造整体刀具。由于硬质合金的常温硬度很高，很难采用切削加工方法制造出复杂的形状结构，可加工性差。

应用：硬质合金刀具加工效率很高，切削速度可达100m/min以上，能够切削淬火钢等硬材料。78常用硬质合金钨钴类（YG类或K类）

WC+CoYG3Y:硬质合金G:钴3：Co含量3%YG3XX:细晶粒钨钴钛类（YT类或P类）WC+TiC+CoYT30Y:硬质合金T:碳化钛30:TiC含量30%通用硬质合金（YW类或M类）

WC+TiC+TaC(NbC)+CoYW1:W:通用合金TiC基硬质合金（YN类）TiC+WC+Ni、MoYN10N:Ni、Mo作粘结剂的合金10:Ni含量10%79YG和YT比较（含Co量相同）

YT类硬质合金中由于含有硬度较高的TiC，故该类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高，但其导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和可焊性却有所降低。

YG：韧性好，但耐磨性差，适于加工铸铁、青铜等脆性材料YT：硬度高，耐热性好，适宜加工钢件精加工选用含Co少的合金，粗加工或有冲击载荷时，选用含Co多的合金。80陶瓷材料陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成的。如：纯Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷两种。

优点：高硬度、耐磨性、耐热性，在1200℃高温下仍能进行切削；有很好的化学稳定性和较低的摩擦因数，抗扩散和抗黏结能力强。

缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/3～1/2；导热系数低，仅为硬质合金的1/5～1/2。

应用：钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。81立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是由立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的。硬度高可达8000～9000HV，仅次于金刚石，耐热性高达1400℃。

应用：立方氮化硼作为一种新型超硬磨料和刀具材料，用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢和冷硬铸铁等难加工材料。82金刚石

金刚石分天然的和人造的两种。人造金刚石是在高温高压条件下，由石墨转化而成。目前已知的最硬物质。

特点：硬度高可达10000HV，很好的耐磨性，刀具耐用度比硬质合金提高几倍甚至几百倍；加工冷硬现象较少；金刚石抗黏结能力强，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其耐热性差，切削温度不得超过700℃～800℃；强度低、脆性大，对振动很敏感，只宜微量切削；与铁的亲合力很强，不适于加工黑色金属材料。

应用：用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削。83

表1常用刀具材料的特性

种