第二讲刀具角度及材料

第二讲刀具角度

与刀具材料核心内容是刀具角度的定义工作角度的概念及变化影响因素刀具材料种类及用途吉林大学授课的《金属切削过程二、三》讲的是角度的定义；《四》主要讲的是工作角度，后面一点讲刀具材料《五》主要讲刀具材料（讲的很好）车刀组成小片车刀组成影片一、刀具切削部分的结构要素2.1.3刀具的几何角度和结构车刀的组成：三面

前刀面Aγ后刀面Aα副后刀面Aα′两刃

主切削刃S副切削刃S′一尖过渡刃归结起来：“三面两刃一尖”前刀面Ar后刀面Aα副后刀面Aα’交线交线主切削刃s副切削刃s’刀尖连接部分刀具切削部分的结构要素

刀具标注角度参考系

设计制造（刃磨）测量角度时的基准刀具角度的参考系刀具工作角度参考系实际切削中确定角度的基准

vcReference

systemsfortoolangles二、刀具标注角度参考系前提条件(假定条件)：

假定主运动方向和进给运动方向，且不考虑进给运动(即假定进给运动速度很小)；车刀刀尖与工件中心等高；刀杆中心线与进给方向垂直；刀具的安装面与基面Pr平行；看两段动画或录相名称为素材中的文件名：车刀角度三个面及各剖面的动画主剖面参考系正交平面参考系：基面Pr：“通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”正交平面参考系：切削平面Ps：“通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面”。正交平面参考系：正交平面（主剖面）Po：“通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面”。法平面参考系：暂时不讲法平面Pn:“通过主切削刃上选定点，并垂直于切削刃的平面”。假定工作平面、背平面参考系：暂时不讲假定工作平面（进给剖面）Pf：“通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”假定工作平面、背平面参考系：NO背平面（切深剖面）Pp:“通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面”。三、刀具的标注角度在基面内测量的角度：主偏角：“主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。副偏角：“副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。刀尖角：“主切削刃与副切削刃之间的夹角”。εr=180º-(Кr+Кr’)在正交平面内测量的角度后角：αo“后刀面与切削平面的夹角”前角：γo“前刀面与基面之间的夹角”。楔角：βo“前刀面与后刀面的夹角”在切削平面内：刃倾角：λS“主切削刃与基面之间的夹角”刃倾角正负规定及对排屑的影响在正交平面参考系中的标注角度“一刃四角”（5）副偏角κrˊ（6）副后角αoˊ派生角度：楔角βo、刀尖角εr余偏角Ψrr（1）主偏角κr（4）后角αo（2）刃倾角λs（3）前角γo************在法平面参考系中的标注角度（1）主偏角κr（2）刃倾角λs（3）法前角γn（4）法后角αn“一刃四角”（5）副偏角κrˊ（6）副后角αoˊ***************在进给切深平面参考系中的标注角度（1）主偏角κr（2）进给前角γf（3）进给后角αf（4）背前角γp（5）背后角αp（6）副偏角κrˊ（7）副后角αoˊ

刀具标注角度的参考系：(1)正交平面参考系:pr、ps、po（要求掌握）(2)法平面参考系:pr、ps、pn（参考）(3)背平面进给平面参考系:pr、ps、pp、pf（参考）当旁观者前面讲的是以参考平面为线索讲的角度定义或含义下面从另一角度说一下角度的含义，从刀具的面、刃角度看定义派生角度：1)楔角βo在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角，βo＝90°-(γo+αo)2)刀尖角εr在基面内测量的主切削刃投影与副切削刃投影之间的夹角，εr＝180°-(κr+κr′)3)余偏角Ψr在基面内测量的主切削刃投影与进给方向垂线之间的夹角Ψr＝90°-κr从刀具要素角度来看角度请单击4次在刀具工作图上只需标注副切削刃上的下列两个角度：1）副偏角κr′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2)副后角αo′在副切削刃选定点的正交平面内测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角。副切削平面是过该选定点并包含切削速度向量的平面确定车刀主削刃位置的角度：1）主偏角κr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。2）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。车刀前刀面和主后刀面在正交平面参考系中的位置由以下两个角度确定：1）前角γo在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分2)后角αo在正交平面内测量的主后刀面与切削之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值四、刀具的工作角度

以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。1、刀具安装位置对工作角度的影响车刀安装高度对工作角度的影响a)刀尖高于工件轴线b)刀尖低于工件轴线新基面（1）刀具安装高低的影响γpe=γp＋θpαpe=αp－θptanθp＝h/γoe=γo＋θαoe=αo－θ

tanθ＝tanθpcosκr假定车刀λs＝0,刀尖高于工件中心若刀尖低于工件中心，角度变化与上述相反车刀安装偏斜对工作角度的影响

(θ为切削时刀杆纵向轴线的偏转角)（2）刀具安装偏斜对工作角度的影响（2）刀杆中心线与进给方向不垂直的影响

=+G=-G

=-G=+G纵向进给运动对工作角度的影响2、进给运动对工作角度的影响横向进给运动对工作角度的影响（1）横向进给运动的影响

γoe=γo＋μαoe=αo－μ

tanμ＝f/πd①当进给量f一定时，随d值↓—μ值↑，接近中心αoe为负值。②当f↑—μ值↑横车时f不宜过大，并应适当加大αo（2）纵向进给运动的影响γoe=γo＋μαoe=αo－μ

tanμ＝tanμfsinκr

＝fsinκr/(πdw)f↑或dw↓时，μf、μ均↑车削右螺纹时左侧刃应↑αo(α左

8°α右2°)右刃应↑γo车右螺纹时左侧刃γfe=γf＋μfαfe=αf－μf

tanμf＝f/πdw直角切削：λs＝0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直斜角切削：λs≠0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直思考：关于角度的两套标准一套为定义的叫“标注角度”一套是实际工作时的“工作角度”哪个更重要？如何看待？刀具——工业的牙齿家族兴旺、异彩纷呈刀具材料性能（工作环境：高温、高压及剧烈摩擦)一、硬度和耐磨性高二、足够的强度和韧性三、热物理性能好四、（加工）工艺性能佳五、经济性优刀具材料的分类1.工具钢碳素工具钢合金工具钢

高速工具钢普通高速钢高性能高速钢2.硬质合金按晶粒大小区分：普通硬质合金细颗粒硬质合金微颗粒硬质合金按主要成分区分：钨基硬质合金钛基硬质合金3.超硬材料立方氮化硼金刚石

4.陶瓷氧化物陶瓷氮化物陶瓷目前应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计，我国目前高速钢用量约占刀具的60％以上，硬质合金的用量约占30％以上，随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长。1.定义---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。高速钢一、基本情况2.性能特点：较高的热稳定性

较高的强度、韧性、硬度和耐磨性工艺性好，刃磨性好适用：复杂、小型、刚性差、精加工的刀具（如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）2.分类按钢中含钨量的不同：钨钢、钨钼钢、钼钢（1）钨钢——含钨W12％或18％典型牌号：

W18Cr4V—含W18％、Cr4％、V1％优点：淬火时过热倾向小；含钒量较少，磨加工性好；含碳化物较高，不易塑性变形。（2）钨钼钢—将钨钢中的一部分钨用钼代替。含W≥6％、Mo≤5％典型牌号：

W6Mo5Cr4V2（简称M2）优点：碳化物细小均匀，韧性好、热塑性好，磨加工性好。可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；逐步取代W18Cr4V。（二）高性能高速钢增加含C、V量，添加Cr,AL典型牌号：高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2高钒高速钢W6Mo5Cr4V3超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8W6Mo5Cr4V2Al优点：高热稳定性，630～650℃，60HRC；耐用度约是通用型高速钢的1.5~3倍。用途：适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。不同牌号只有在各自的规定切削条件下使用才可达到良好的切削性能。高碳高速钢的强度和韧性较通用高速钢低；高钒高速钢的磨加工性差；含钴高速钢的成本较高。超硬高速钢：硬度60~70HRC，含碳量比通用高速钢高0.20%~0.25%。特别声明：第三节硬质合金一.基本知识定义—高硬度、难熔金属碳化物（主要是WC、TiC等，又称高温碳化物）微米级的粉末，用钴或镍作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。优点：

硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。工艺：由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金制成。缺点：

脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。切削时不能承受大的振动和冲击负荷。

力学性能：

由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。

碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低；粘结剂含量较高时，抗弯强度高，但硬度低。

用途：硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50％）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。镶嵌的哟二.分类及其性能1.硬质合金以WC为基体，分为：WC-Co（YG）类WC-TiC-Co（YT）类WC-TaC（NbC）-Co（YA）类WC-TiC-TaC（NbC）-Co（YW）Y—硬质合金G—钴，其后数字表示含量X—细晶粒合金T—TiC，其后数字表示含量A—含TaC（NbC）的钨钴类合金W—通用合金N—以镍、钼作粘结剂的TiC基合金YG类（K类）：WC+Co常用牌号YG3，YG6，YG6X，YG8，成分：Co为3%，6%，6%，8%YW类（M类）：WC+TiC+TaC(NbC)+Co常用牌号YW1，YW2通用硬质合金YT类（P类）：WC+TiC+Co常用牌号YT5，YT14，YT15，YT30，成分：TiC为5%，14%，15%，30%Co为10%，8%，6%，4%2.主要性能（1）硬度：WC、TiC硬度高，使合金硬度高，一般在HRA89~93之间。添加TaC（或NbC）提高高温硬度。（2）抗弯强度和韧性：0.9~1.5GPa；粘结剂含量高，则抗弯强度越高；TiC含量高抗弯强度低；它为脆性材料，韧性不足。

（3）导热系数：TiC的导热系数＜WC；故WC－TiC－Co合金比WC－Co低，并随着TiC含量的增加而下降。（4）线膨胀系数：比高速钢小的多；随着TiC含量的增加而增大。注意事项（1）细晶粒硬质合金在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，但抗弯强度和韧性则要低一些。（2）随着合金成分中TiC含量高和Co含量低，硬度和耐磨性高，抗弯强度低。（3）TiC愈高，耐热性愈好。（4）为了提高WC-Co合金的常温、高温硬度及耐磨性，可在其中成分中加入1%~3%的TaC（NbC）。（5）在YT类加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、高温硬度和高温强度、抗氧化能力、耐磨性。种类YG类：YT类：YW类：主要成分WC+CoWC+TiC+CoWC+TiC+Tac(NbC)+Co特点抗冲击，耐热性略低耐磨，耐热，抗冲击性略低耐热，耐冲击典型牌号YG3，YG6，YG6X，YG8YT5，YT14，YT15，YT30YW1，YW2成分变化含Co量增加含Co量减少，含TiC量增加含Co量增加性能变化抗冲击能力增加抗冲击能力减少，焊接性下降抗冲击能力增加重要YG类YT类YW类铸铁，断续有色金属，层压纤维、淬硬钢、高强钢、高温合金钢，连续各种普通钢、耐热钢、高锰钢、不锈钢中低速高速广YG3、YG6、YG8YT5、YT15、YT30YW1、YW2三、选用精加工时宜选用含钴少、硬度高的合金，如YG3或YT30粗加工或有冲击载荷宜选用含钴多、抗弯强度大的合金，如YG8或YT5重要！！四.新型硬质合金1.添加碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）的硬质合金。可显著提高常温硬度、高温硬度、高温强度和耐磨性，但抗弯强度略低，如YG6A。在TiC含量少于10%的WC-TiC-Co合金中添加，可获得较好的综合机械性能。如YW1，YW2。跳着走2.涂层硬质合金CVD（化学气相沉积法）涂上晶粒极细的碳化物（TiC）、氮化物（TiN）或氧化物（Al2O3）等，可以解决刀具硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾。TiC硬度高，耐磨性好，线膨胀系数与基体相近，与基体结合比较牢固。TiN硬度低于TiC，但抗月牙洼磨损能力强，且不易生成中间层，允许较厚的涂层。AL2O3涂层的高温化学性能稳定，适用于高速度下的切削。目前多用复合涂层合金，适用于各种钢料、铸铁的精加工和半精加工及负荷较轻的粗加工。3.细晶粒和超细晶粒硬质合金晶粒细化可使耐磨性有较大的改善，刀具寿命可提高1~2倍。添加Cr2O3可使晶粒细化。可用于加工冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢、高温合金等难加工材料。4.TiC和Ti（C，N）基硬质合金以TiC为主要成分，以镍、钼作为粘结剂，TiC含量达到60~70%。硬度较高，抗冷焊磨损能力较强，热硬性较好，但韧性和抗塑性变形的能力较差。牌号：YN10、YN5，适用于碳素钢、合金钢的半精加工和精加工。Ti（C，N）基硬质合金—在TiC基合金中进一步加入氮化物。其硬度、韧性、抗塑性变形的能力均高于TiC基合金。5.添加稀土元素的硬纸合金在WC基合金中，加入少量稀土元素，有效地提高了合金的韧性、抗弯强度和耐磨性。适用于粗加工。6.高速钢基硬质合金以TiC或WC作硬质相（占30~40%），以高速钢作粘结剂（占60~70%），用粉末冶金工艺制成。其性能介于硬质合金和高速钢之间，具有良好的耐磨性和韧性，特别是大大改善了工艺性，适合于制造复杂工件。第四节涂层刀具涂层刀具—在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得。涂层硬质合金—化学气相沉积法，沉积温度1000℃左右。涂层高速钢刀具—物理气相沉积法，沉积温度500℃左右。（1）常用的涂层材料TiC、TiN、Al2O3（2）涂层形式单涂层、复合涂层（3）优点

涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性（4）适用范围主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。第五节超硬刀具材料一、陶瓷（1）材料组成主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。（2）常用种类

Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（3）优点