刀具材料 切削角度

绪论：一、本课程的性质和任务1、金属切削原理与刀具是研究切削加工的一门技术科学。

切削加工：是用硬度高于工件材料的刀具，在工件表面切去一部分预留量，使工件达到预定几何形状、尺寸准确度，表面质量的方法2、专业基础课：

基本理论：切削变形，切削力，切削热，切削温度，刀具磨损，破损等。

基本知识：刀具材料，刀具角度，材料的加工性，切削用量的选用等（3）机械加工：车、铣、刨、磨、拉等（4）高能加工：火焰加工，等离子加工，激光加工等（5）电化学加工：2、切削加工的地位：（1）机械制造业中所用工作母机80%-90%为金属切削机床；（2）制造业是国民经济的支柱产业。二、切削加工的地位、种类、发展1、加工方式（1）塑性加工：锻造，轧制，挤压，冷拔等（2）加热加压成形加工：铸，焊接，喷镀，粉末冶金等3、发展（1）切削机床及切削理论的发展（2）刀具材料的发展1780年，碳素工具钢；1898面，高速钢；1927年，硬质合金，1960年新型刀具材料（3）新加工方法的产生（4）我国切削加工技术的发展三、本课程需掌握的内容（一）金属切削原理：刀具材料性能选用；切削部分的几何参数；切削过程现象与变化规律；材料的加工性，表面质量等1、几何问题：刀具角度2、规律问题：切削变形，切削力，切削温度，刀具磨损等**以切削变形为基础，分析各种因素对其影响，在学习各种规律刀具角度，刀具材料，工件材料，切削用量，切削条件，刀具磨损（二）金属切削刀具1、标准刀具：可转位车刀、钻头、铰刀、铣刀等重点是结构，工作原理，选择使用方法2、非标准刀具：成形车刀，成型铣刀、拉刀等重点是设计原理，计算方法第一章：基本定义§1.1切削运动，切削用量§1.2刀具的几何参数§1.4刀具标注角度的换算§1.4切削层参数与切削方式一、切削运动二、工件上的加工表面三、切削用量一、刀具切削部分的表面与刀刃二、确定刀具切削角度的参考平面三、刀具标注角度的参考系四、刀具的标注角度五、刀具的工作角度一、切削层参数二、切削方式掌握部分：（1）切削运动和切削用量的定义；（2）刀具切削部分三面、两刃、一尖的组成；（3）正交平面参考系的组成及基面、切削平面和正交平面定义；（4）刀具角度的定义和确定方法，刀具角度的一面两角分析法；（5）掌握刀具的工作角度，刀具的安装及运动对工作角度的影响。切削方式。了解部分：刀具角度的换算；

理解部分：刀具参考系的分类及刀具法平面参考系和假定工作平面参考系的确定方法；切削层参数的定义。第一章：基本定义

§1.1切削运动，切削用量一、切削运动二、工件上的加工表面三、切削用量第一章：基本定义

§1.1切削运动，切削用量一、切削运动1．切削运动：完成切削加工所需的最基本的相对运动。2．主运动：使刀具前刀面接近工件，直接切除工件上的切削层，使之转变为切屑，从而形成工件新表面的运动图1-1外圆切削的切削运动与加工表面已加工表面过渡表面待加工表面主运动进给运动vvf3．进给运动：刀具和工件间的附加相对运动，加上主运动，即可依次地或连续不断地切除切屑，并得出具有所需几何形状的加工表面。完成切削运动的三个条件：运动，材料，几何形状4．切削层：刀具一次走刀所切除的金属层二、工件上的加工表面待加工表面，已加工表面，过渡表面图1-1外圆切削的切削运动与加工表面已加工表面过渡表面待加工表面主运动进给运动vvf三、切削用量1．切削用量：2．三要素2dmdw图：车削运动、切削层及工件上形成的表面v(n)BACDE待加工表面过渡表面已加工表面1apfvf(f)切削速度（cuttingspeed）：（m/s或m/min）

旋转运动：直线运动：进给量f或进给速度vf（feed）（3）背吃刀量ap（已加工表面和待加工表面的垂直距离）（backengagementofthecuttingedge）：（mm）2dmdw图：车削运动、切削层及工件上形成的表面v(n)BACDE待加工表面过渡表面已加工表面1apfvf(f)VeVVf§1.2刀具的几何参数一、刀具切削部分的表面与刀刃二、确定刀具切削角度的参考平面三、刀具标注角度的参考系四、刀具的标注角度五、刀具的工作角度一、刀具切削部分的表面与刀刃刀柄SAαA’αAγ刀尖刀头S’图1-3车刀切削部分的构成前刀面(Aγ)主后刀面（Aa）副后刀面（A’a）主切削刃S副切削刃S’刀尖（过渡刃）工件刀具n摩擦严重不便切入工件图：刀具角度的必要性二、确定刀具切削角度的参考平面1．基面：过切削刃上选定点，垂直与合成切削运动向量的平面；2．切削平面：过切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面。三、刀具标注角度的参考系1．根据应用分：（1）静止参考系及标注角度（2）工作参考系与工作角度2．根据建立方法分（1）正交平面参考系

(Pr、Ps、Po)（2）法平面参考系(Pr、Ps、Pn)（3）假定工作平面参考系(Pr、Pp、Pf)图1-5车刀标注角度参考系OOO-OvPsPr工件PoAANNAS向N-NPnPPP-PPpFFF-FPfvfnS图1-5车刀标注角度参考系OOO-OvPsPr工件PoAANNAS向N-NPnPPP-PPpFFF-FPfvfnS3．正交平面参考系（1）基面Pr：不考虑进给运动时，过切削刃上选定点，垂直与切削速度方向的平面；（2）切削平面Ps：过切削刃上选定点，切于工件过渡表面的平面。（3）正交平面Po：vvfPsPoPr4．法平面参考系Pr、Ps、Pn

Pn过切削刃选定点，垂直于主切削刃的平面。vvfPrPsPn5．假定工作平面参考系：Pr、Pf、Pp背平面Pp：过切削刃上选定点，同时垂直于假定工作平面和基面的平面。假定工作平面Pf：过切削刃选定点，平行与假定进给运动方向并垂直于基面的平面vvfPrPpPf四、刀具的标注角度（一）刀具在正交平面参考系中的标注角度*确定切削刃位置的角度；确定刀面位置的角度。1．前角γo

2．后角αo3．副后角αo’4．刃偏角KrKr’5．刃倾角λs6．楔角βo；7．刀尖角εr；8．余偏角ψr图1-9外圆车刀正交平面参考系的标注角度OOO-OPsPrPoSkrk’rγo＋－αo－＋O’O’P’oO’-O’＋－α’oS向－λs＋－εrψrβr确定主切削刃位置的角度：Kr、λs前刀面和主后刀面的确定：γo

、αo由于刃磨车刀时，主、副切削刃常常刃磨在同一平面型前刀面上，当主切削刃的Kr、λs、γo

、αo确定之后，副切削刃的λ’s、γ’o

也确定了副切削刃的角度：αo’、Kr’车刀前面定向角：λs、γo

后面定向角：Kr、αo副后面定向角：Kr’、αo’图1-9外圆车刀正交平面参考系的标注角度OOO-OPsPrPoSkrk’rγo＋－αo－＋O’O’P’oO’-O’＋－α’oS向－λs＋－εrψrβr（二）刀具在法平面参考系中的标注角度（三）刀具在假定工作平面参考系中的标注角度图：90°外圆车刀的几何角度PoPoP’o—P’oP’oP’oPo—Pokr=90°Kr’γoαoα’oλs五、刀具的工作角度*工作参考系：研究切削过程中刀具角度，必须以刀具与工件的相对位置，合成切削运动为基础建立的参考系工作基面Pre

工作切削平面Pse

工作正交平面Poeγoe

、αoe、αoe’、Kre、Kre’、λse*工作角度：用工作参考系定义的刀具角度；刀具在工作状态下的切削角度。考虑进给运动和安装情况1．横向进给运动的影响（1）影响角度：前角γo，后角αo

（2）

（3）问题：为何横向进刀的刀具不宜选过大的进给量？（一）进给运动对工作角度的影响2．纵向进给运动的影响（1）纵向进给运动对前、后角的影响

假定工作平面内：

在正交平面内：（二）刀具安装位置对刀具角度的影响1．刀具安装高低的影响（1）影响工作前角，工作后角（2）背平面内：（3）正交平面内：2．刀杆中心与进给方向不垂直时的影响PrγoVPreγoePs一、切削层参数1．什么叫切削层？2．切削层参数（1）切削厚度ac（hD）：垂直于过渡表面度量的切削层尺寸ac=fsinKr（2）切削宽度aw（bD）：沿过渡表面度量的切削层尺寸aw=ap/sinKr（3）切削面积Ac（AD）：Ac=acaw=fapawac2dmdw图：车削运动、切削层及工件上形成的表面v(n)BACDE待加工表面过渡表面已加工表面1apfvf(f)Kr§1.4切削层参数与切削方式二、切削方式1．自由切削与非自由切削自由切削非自由切削非自由切削非自由切削2．直角切削与斜角切削小结：名词解释：主运动、进给运动、前刀面、主后刀面、基面、切削平面，正交平面，法平面、假定工作平面、刀具的标注角度，刀具的工作角度，切削厚度，切削宽度，自由切削，直角切削，切削层几个问题：1、刀具切削部分由哪几个表面组成？2、正交平面参考系和法平面参考系的关系？3、刀具在正交平面参考系中的标注角度有几个？4、纵向进给运动和横向进给运动分别影响刀具的什么工作角度？5、刀具的安装位置对工作角度有何影响？6、刀具的标注角度和工作角度有何区别？7、已知用kr=90°、

kr’=2°、γo=5°、αo=12°、λs=0°的切断刀切断直径50mm棒料。若切削刃安装时高于工件中心0.2mm，试计算（不考虑进给运动的影响）切断后工件端面留下的剪断心柱直径？第二章：刀具材料§2.1刀具材料应具备的性能§2.2高速钢§2.3硬质合金§2.4涂层刀具§2.5其他刀具材料一、通用高速钢二、高性能高速钢三、粉末冶金高速钢一、硬质合金的特点二、常用硬质合金的分类及其性质三、硬质合金的选用一、制备方法二、常用涂层材料三、涂层刀具的特点一、陶瓷二、金刚石三、立方氮化硼掌握部分：刀具材料应具备的性能和刀具材料的4大分类；通用型高速钢的主要牌号的主要特性；硬质合金的组成、分类、性能和选用原则；理解部分：粉末冶金高速钢和涂层高速钢的特点和应用；陶瓷刀具的种类和应用特点；了解部分：超硬刀具材料的种类、性能及使用原则。自学方法指导：

第二章：刀具材料§2.1刀具材料应具备的性能

一、硬度，耐磨性

二、强度和韧性

三、耐热性（高温硬度，抗氧化，抗粘结，抗扩散）四、热物理性能和热冲击性能，热冲击系数

五、工艺性

六、(经济性)1-金刚石2-立方氮化硼3-碳化硅4-氧化铝5-YT15硬质合金6-YG8硬质合金7-W18Cr4V8-T12高碳钢§2.2高速钢

分类：按用途：通用型高速钢、高性能高速钢

工艺方法：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢*加入WMoCrV等高合金工具钢*较高的热稳定性；较高的强度；工艺性好，使用可靠特点：1、热稳定性：500-650℃

。切削速度提高1-3倍，2、硬度：63-70HRC3、抗弯强度：3.3GPa（硬质合金的2-3倍，陶瓷的5-6倍）4、工艺性好，适于制作复杂道具一、通用高速钢*按含钨量：钨系：W12%、W18%；

钨钼系：W6%、W8%；

钼系：W2%或不含W一般硬度：63-66HRC，615℃-620℃时，60HRC良好的塑性和刃磨性——复杂刀具切削材料：硬度小于250-280HBS以下的结构钢和铸铁切削速度最高：40-60m/min（一）钨钢W18Cr4V（W18）（二）钨钼钢W6Mo5Cr4V2（M2）；W9Mo3Cr4V一、通用高速钢（一）钨钢W18Cr4V（W18）1、优点：（1）综合性能较好，600℃时的高温硬度48.5HRC（2）淬火过热倾向小，热处理易控制，刃磨性能好（3）含碳量高，塑性变形抗力大2、缺点：（1）碳化物分布不均，剩余碳化物颗粒大（30μm），影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度；（2）抗弯强度、韧性较低，适于做小截面刀具

如直径30mm的棒料，抗弯强度3-3.3GPa60-80mm时，抗弯强度2-2.3GPa（3）热塑性差：难以用作热成形方法的刀具（热轧钻头）（4）W价较高W14Cr4VMnXt，一、通用高速钢（二）钨钼钢W6Mo5Cr4V2（M2）；W9Mo3Cr4V1、W6Mo5Cr4V2（M2）优点：（1）Mo%<5%；W%>6%，满足∑(W+1.4-1.5Mo)=12-13%

保证强度，韧性，不损害热稳定性（2）碳化物细小均匀，机械性能好，可做大尺寸刀具；（3）热塑性好；（4）刃磨性好。缺点：（1）热稳定性稍低于W18，V>40m/min时，性能稍差；（2）热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围较窄。2、W9Mo3Cr4V（1）σ弯：4-4.5GPa；αk=350-400KJ/m2（2）65-66.5HRC（3）热稳定性能高于M2（4）碳化物均匀性接近M2，良好的热塑性；（5）脱碳倾向小于M2（6）耐用度较高。二、高性能高速钢1．什么是高性能高速钢：在通用性高速钢成分中再增加含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。2．特点：（1）高热稳定性（630-650度时60HRC）（2）耐用度高1.5-3倍（3）硬度高：67-70HRC3．主要牌号：（1）高C：9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2（韧性差）（2）高V：W6Mo5Cr4V3（刃磨差）（3）高Co：；W18Cr4VCo5（成本高）（4）超硬：W2Mo9Cr4VCo8（M42）、W6Mo5Cr4V2Al（501）4.适应范围：高碳，高钒，含钴高速钢的局限性5、W2Mo9Cr4VCo8（M42）（1）67-69HRC，600℃时，55HRC（2）含V量低，刃磨性好（3）含Co，成本高（4）综合性能好，应用广泛（5）可加工耐热钢、不锈钢，加工材料硬度越高，效果越明显。6、W6Mo5Cr4V2Al（501）（1）Al的作用：提高高温硬度，热塑性与刃性，高温形成Al2O3，减轻粘刀。（提高W,Mo的溶解度，组织晶粒长大）（2）600℃时，54HRC；抗弯强度2.9-3.9GPa，（3）成本低（4）刃磨性差（5）切削性能优良：加工30-40HRC调质钢，耐用度较HSS高3-4倍。三、粉末冶金高速钢1．生产：用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢水，得高速钢粉末，在压制成钢坯，最后制成刀具2．优点（1）避免粗大碳化物偏析，组织细小。（晶粒尺寸小于2-3μm，机械性能好。（2）不含V，刃磨加工形好；（3）淬火变形小（HSS的1/2-1/3）（4）耐磨性好（提高20-30%）（5）热成型合格率高，可提高含碳量。3．应用：制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具（滚刀），也适于制造精密刀具和复杂刀具精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀加工高强度钢、镍基合金、钛合金的刨刀、钻头、铣刀等一、硬质合金的特点1．组成：WC、TiC、TaC、NbC+Co（Ni）2．特点：（1）碳化物↑→熔点↑、硬度↑、耐磨性↑；硬度为89-93HRA（HSS:83-86.6）、（2）化学稳定性好，热稳定性好：800-1000℃：可切削540℃：82-87HRA；760℃：77-85HRA（3）切削速度高：切钢：220m/min（4）抗弯强度低：0.9-1.5GPa,冲击韧性低

（粘结剂↑→强度↑）（5）耐用度高：§2.3硬质合金二、常用硬质合金的分类及其性质（一）WC—Co（YG）类硬质合金：主要加工铸铁、有色金属1、组成：WC+Co2、牌号：YG3X、YG6X、YG6、YG8Co%3668抗弯强度3、性能：（1）硬度较低：89-91.5HRA（2）韧性高：σ弯：1.1-1.5GPa（3）导热性好，切削温度低；（4）刃磨性好，刃口锋利。4、应用：铸铁，有色金属Co%↑→韧性↑→粗加工Co%↓→韧性↓→精加工按晶粒大小分：粗、中、细，超细细：硬度，耐磨性高，适于加工特殊铸铁，奥氏体不锈钢、钛合金等。超细（YG10H）：Co含量高，切削速度低（V<50m/min），小尺寸刀具，加工高强度高，耐热合金。（二）WC—TiC—Co（YT）类硬质合金：1、组成：WC+TiC+Co，TiC：5-30%2、牌号3、性能：（1）硬度高，σ弯和αk较低（2）TiC↑→导热性、刃磨性、焊接性↓（3）耐热性↑↑4、应用：主要用于加工钢件YT5、YT14、YT15、YT30TiC%5141530Co%10864硬度，耐磨性↑σ弯↓（三）WC—TiC—TaC（NbC）—Co（YW）类硬质合金：通用型1、组成：YW类中加入TaC,NbC4%，细化晶粒，提高高温性能2、牌号：YW1、YW23、特点（1）提高σ弯、αk、σ-1和高温性能（2）适量增加Co，可提高σ弯，可用于断续切削。4、应用：通用硬质合金（四）TiC（N）基硬质合金:(P01）1、组成：TiC（N）+Ni(Co)2、牌号：YN05、YN103、性能：(1)硬度最高：90-94HRA，接近陶瓷的硬度，耐磨；(2)摩擦系数小，抗粘结能力好；(3)耐热性好，化学稳定性↑，1000-1300℃，300-400m/min(4)抗弯强度，韧性不如WC基，易崩刃。4、应用：高速精加工淬火钢，较长较大件。三、硬质合金的选用（一）YG类：铸铁、有色金属、非金属1、可减少崩刃；2、导热性好，刀尖传出热量，温度低；3、低速、中速时耐用度大于YT类；4、YG耐热性小于YT，切铸铁时，高速性能较差。（二）YT类1、硬度、耐磨性↑、耐热性↑、抗粘结扩散↑；2、低速时切削不平稳，韧性差，易崩刃，不如YG类；

多轴自动机床上加工小直径棒料时，不用高速切削，选用YG类（三）含Co量Co%↑→σ弯↑→αk↑(硬度、耐热性↓）→粗加工Co%↓→精加工摩擦系数温度图2-3：不同硬质合金与钛合金在不同切削速度时的摩擦系数与温度的变化速度(m/min)（四）不锈钢不宜用YT类，粘刀→磨损↑；用YG类（五）加工淬硬钢、高强度钢，奥氏体不锈钢，高温合金时，切削力大，易崩刃→TG类（六）YW类：耐热钢，高锰钢，不锈钢。一、制备方法：在韧性较好的硬质合金基体上，或高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物(CVD法；PVD法)二、常用涂层材料：TiC

硬度较高：抗磨损，用于产生剧烈摩擦的刀具TiN

与金属亲和力小，抗粘结，Al2O3

高温下有良好的热稳定性，高速切削产生大量热的场合复合涂层TiC—TiN、TiC—Al2O3、TiC—Al2O3—TiN§2.4涂层刀具三、涂层刀具的特点1、比基体硬度高；2、高的抗氧化性，抗粘结性，耐磨性，抗月牙洼磨损3、低的摩擦系数，可降低切削力，切削温度25%4、耐用度提高1-3倍（WC）5、机夹可转位刀片6、锋利性差，抗剥落性差，抗崩刃性差7、钻头，丝锥，成型铣刀，切齿刀具等一、陶瓷1．氧化铝基陶瓷刀具的特点及应用（1）高硬度和耐磨性，91-95HRA（2）耐热性高，1200度时，80HRA，切削速度较硬质合金高2-5倍（3）很高的化学稳定性：与金属亲和力小，抗粘结，抗扩散；（4）较低的摩擦系数（5）抗弯强度低：冷压纯Al2O3的σ弯为0.5GPa，冲击韧性差（可加入TiC），（5）导热率低（为硬质合金的1/2—1/5），热涨系数高（比硬质合金高10%-30%），热冲击性差（6）主要用于高速精车、半精车铸铁及调质结构钢。§2.5其他刀具材料2．氮化硅基陶瓷刀具的特点及应用（1）硬度（表2-1）不如氧化铝陶瓷，（2）较高的抗弯强度(1GPa)、韧性（3）热稳定性：切削温度可达1300-1400度：（4）较高的导热系数，较低的热膨胀系数，小的弹性模量，耐热冲击性能好于氧化铝陶瓷。加工铸铁，镍基合金。3．陶瓷刀具材料的增韧（1）金属增韧（2）相变赠韧（3）晶须增韧（4）颗粒增韧

超硬刀具材料是指比陶瓷材料更硬的刀具材料。包括：单晶金刚石、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD金刚石等。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。

许多切削加工概念，如绿色加工、以车代磨、以铣代磨、硬态加工、高速切削、干式切削等都因超硬刀具的应用而起，故超硬刀具已成为切削加工中不可缺少的重要手段。随着科技的进步，制造业的高速发展，CNC加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，超硬刀具的生产及应用也越来越广泛。PCD和PCBN刀具已广泛应用于机械加工的各个行业，如汽车零部件的切削加工，强化木地板的加工等，极大地促进了切削加工及先进制造技术的飞速发展。二、金刚石1．分类：天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具、金刚石复合片2．特点：

因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损，所以，金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上，

3．应用：主要用于磨料，用作刀具时，多用于在高速下对有色金属及非金属进行精细车削，镗孔。于涛，齿轮式金刚石修整滚轮在齿轮精加工中的应用研究,金刚石与磨具磨料工程，2002，1齿轮式金刚石修整轮在外啮合珩齿新工艺中的应用，金刚石与磨具磨料工程，2005，1三、立方氮化硼1．生产：六方氮化硼CBN2．分类：整体聚晶，CBN复合片3．特点：（1）具有较高的硬度和耐磨性：烧结体PCBN的硬度为HV3000-5000

（2）具有很高的热稳定性。