工程材料与成形工艺基础第十一章2切削刀具及其材料课件

第二节金属切削刀具一、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。

刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削时要承受高温、高压、摩擦、冲击、振动，金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。1.刀具材料应具备的性能（1）较高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性1）碳素工具钢和合金工具钢碳素工具钢（carbontoolsteel）：含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%～1.2%，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。牌号有T7、T8、T9、T10、T12A等。

合金工具钢（alloytoolsteel）：在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的，可适当减少热处理变形和提高耐热性。常用牌号有9CrSi、CrWMn等。

由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀、丝锥、板牙等，较少用于制造其它刀具。2）．高速钢高速钢（highspeedsteel）是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。热处理后硬度可达63～69HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500～650°C时仍能进行切削。允许的切削速度为40m／min左右，

适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。常用的牌号有W18Cr4V和W6M05Cr4V2等。硬质合金（carbides）是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。硬质合金刀具常温硬度为87～92HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000°C。硬质合金刀具允许的切削速度可达100-300m／min，甚至更高，比高速钢刀具高4～10倍。但弯曲强度、冲击韧性均较高速钢低，相当于高速钢的1／4～1／3和1／2～l／4，工艺性也不如高速钢。常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。3）．硬质合金4）涂层刀具材料通过气相沉积或其它技术方法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层(coated)材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。（1）TiC涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。（2）TiN涂层在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。（3）TiC—TiN复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。（4）TiC-Al203复合涂层第一层涂TiC,与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。5）陶瓷刀具材料以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是硬度高（86～96HRC），耐磨性、耐高温性能好（1200℃），有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；A1203的价格较低、原料丰富,因此很有发展前途。其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；可用于高强钢、冷硬铸铁等难加工材料半精加工和精加工。7）立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1000℃时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。

应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。二、车刀的种类和结构

车刀是金属切削加工中最简单、使用最广泛的刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。

2.焊接式车刀（硬质合金）将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便，使用灵活。但刀片经过高温焊接和刃磨易产生内应力和裂纹，使切削性能下降，对提高生产效率不利。1.整体式式车刀切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大。多用高速钢制造。3.机夹重磨式车刀（硬质合金）避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。4.机夹可转位式车刀将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。

1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。三、切削刀具由工作部分和非工作部分构成。车刀(turningtools)的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。

（1)前刀面

刀具上切屑流过的刀面。1）刀面（2)主后刀面刀具上与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。（3)副后刀面刀具上与工件已切削加工的表面相对的刀面。1.车刀切削部分的组成刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。参考系：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面。参考系：刀具静止参考系和刀具工作参考系。2.车刀切削部分的主要角度刀具静止参考系（标注角度参考系）：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。1）刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的是正交平面参考系。3）车刀的主要角度（1）基面中测量的刀具角度主偏角κr

主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf

方向之间的夹角。副偏角κr′

副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。（2）切削平面中测量的刀具角度刃倾角λs主切削刃与基面之间的夹角。它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。当主切削刃与基面平行时λs=0°；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs＞0°；反之λs≤0°。（3）正交平面中测量的刀具角度前角γO

前刀面与基面之间的夹角。后角αo

后刀面与切削平面之间的夹角。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。4）刀具角度的选择1)前角γO

功用γO

刀刃锋利，切屑变形切削力和切削功率刀刃和刀尖强度，散热体积刀具寿命γo1Prγo2选择取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料塑性大、强度和硬度低或刀具材料韧性好（高速钢）或精加工时，应取较大前角，反之，加工脆性材料或刀具材料韧性差（硬质合金）或粗加工时应取较小的前角。2)后角αo

功用αo

后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率选择取决于：加工要求、工件材料及工艺系统刚度。粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工艺系统刚度较差时，适当减小后角；3)主偏角κr

和副偏角κr′

功用κr和κr′

刀刃强度表面粗糙度背向力Fp残留面积高度，散热条件刀具寿命，工件易变形kr1Kr’kr2FpFf选择工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。副偏角大小取决于表面粗糙度（5°〜15°)，粗加工时取大值，精加工取小值。4)刃倾角λs

功用选择影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。加工一般钢料和铸铁，无冲击时：粗车λs

＝0°〜－5°，精车λs

＝0°〜+5°；有冲击时：λs

＝－5°〜－15°；特别大时：λs

＝－30°〜－45°。切削加工高强度钢、冷硬钢时：λs

＝－30°〜－45°。5）刀具安装位置对刀具工作角度的影响用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，如果刀尖高于工件回转轴线，则工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。如果刀尖低于工件回转轴线，则工作前角γoe减小，而工作后角αoe增大。a.刀尖安装高低对工作前、后角的影响当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且顺时针转动G角时，工作主偏角将减小，工作副偏角将增大。b.刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。四、金属切削过程

金属切削过程(cuttingprocess)中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。

研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论,对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。（一）切屑的形成1、切屑的形成过程金属层被切离前,刀刃在力的作用下克服了材料的分子内聚力挤入刀刃前面的材料,材料产生裂纹,刀刃继续挤入,直至被挤裂的金属层脱离工件本体,沿着刀具前面流出而成切屑。切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。带状切屑外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量切削塑性材料优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。

2、切屑的类型挤裂(节状)切屑

外形特征：切屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。

形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小,粗加工中等硬度的钢材料

特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙

崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。

（二）积屑瘤

在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时,常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料,形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤(thebuilt-upedge)

，或称刀瘤。1）什么是积屑瘤

当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。2）积屑瘤的形成原因3）积屑瘤对起削过程的影响

积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。使实际前角增大，切削轻快。因此，粗加工时可利用积屑瘤。积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。此外，还会导致切削力的变化，引起振动，一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。（三）切削力和切削功率切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力(cuttingforce)。一、切削力的来源和分力1.切削力的来源切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。2.总切削力的分解通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力Fc

、进给力Ff

、背向力Fp

。切削力Fz(Fc)总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%～90%。Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。背向力Fy（Fp）进给力Fx(Ff)总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%～5%。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数计算切削功率(cuttingpower)

Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率Pc＝Fcυc/60×10-3

（kW）机床电机功率PE=Pc／ηmηm—机床传动效率，0.7