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二、相关知识
（一）常用刀具材料的选用
一般来说，选择刀具材料时主要考虑的因素是工件材料和切削速度。
目前，我国常用的刀具材料有工具钢和硬质合金两种类型。
1．低速切削时的刀具材料
低速切削时，谜择工具钢作为刀具材料较为适宜，部分刀具常用工具钢见表部分刀具常用工具钢由表1—1不难看出，碳素工具钢和合金工具钢仅适合于制作诸如手用铰刀、圆板牙等手用刀具，而手用刀具工作时的切削速度一般不会高于10m／min。
所以，在工具钢中高速钢才是机加工刀具的主要材料。
高速钢刀具能加工碳素结构钢、合金结构钢、铸铁等常用金属，不过，由于受材料耐热温度（普通高速钢为600～700℃）的制约，对于像W18Cr4V和W6M05Cr4V2这样的普通高速钢，在使用时仍然必须注意切削速度的限制。
切削中碳钢时，切削速度一般不能大于30m／rain。
需要强调的是，由于高速钢具有良好的综合性能，目前在形状复杂刀具，如标准麻花钻、丝锥、铰刀、拉刀、成形车刀、成形铣刀、齿轮刀具的制造中，仍占有主要地位。
【知识链接】高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢，强度和韧性在现有刀具材料中最高，并且制造工艺简单，容易刃磨出锋利的切削刃，锻造、热处理变形小，所以有着良好的综合性能。
高速钢按其用途和切削性能，可分为普通高速钢和高性能高速钢。
高性能高速钢是在普通高速钢成分中添加碳、钒、钴、铝等合金元素后而成，由于进一步提高了材料的耐热性，其使用寿命约为普通高速钢的1.5～3倍，并能用于切削加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。
我国推广使用的高性能高速钢牌号是w6M05Cr4V2Al。
随着粉末冶金高速钢的出现，清除了碳化物的偏析现象，大大改善了高速钢的物理、力学性能和工艺性能，特别适用于制造切削难加工材料的形状复杂的刀具。
另外，高速钢的表面处理与涂层技术的采用，大大提高了刀具的耐磨性和使用寿命。
2．高速切削时的刀具材料
高速度、高精度一直是切削加工的追求目标。
硬质合金刀具材料因其具有较高的耐热性（耐热温度达800～1000℃），较高的切削速度（为高速钢的4～10倍，切削中碳钢时可达100m／min以上），在生产实际中得到了普遍的应用，已成为主要的刀具材料。
【知识链接】硬质合金是将高硬度、高熔点的金属碳化物粉末，用钴等金属作为黏结剂在高温下压制、烧结而成的粉末冶金制品。
硬质合金的性能取决于碳化物（也称硬质相）和黏结剂（也称黏结相）的比例，碳化物的多少决定了硬质合金的硬度和耐磨性，黏结剂的多少决定了硬质合金的强度。
含碳化物多，适用于精加工，含黏结剂多，适用于粗加工。
（1）P类硬质合金
相当于我国原钨钛钴类（YT）硬质合金，主要成分为wC+TiC+co。
常用牌号有P01、P10、P20、P30、P40。
P类硬质合金具有较高的耐热性、较好的抗黏结、抗氧化能力，主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志。
其中，P01适合精加工，P10、P20适合半精加工，P30、P40适合粗加工。
特别需要指出的是，P类硬质合金不适宜切削含Ti元素的不锈钢，这是因为刀具和工件中的Ti元素之间的亲和作用会加剧刀具磨损。
【知识链接】各类硬质合金牌号中的数字越大，c0的含量越多，韧性越好，适用于粗加工；
如果碳化物的含量越多，则热硬性越高，韧性越差，适用于精加工。
（2）K类硬质合金
相当于我国原钨钴类（YG）硬质合金，主要成分为WC+C0。
常用牌号有K0]、K10、K20、K30、K40等。
K类硬质合金主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，以及含Ti元素的不锈钢，用红色作标志。
解：
一般情况下，加工铸铁零件可以选用普通高速钢或硬质合金中的K类作为刀具材料，但是，由于切削速度高于30m／min，故不适宜采用普通高速钢作为刀具材料，选择硬质合金刀具材料较为合适。
又因为是粗加工，考虑到粗加工对刀具强度要求较高，所以最终选择牌号为K30的硬质合金作为刀具材料。
（3）M类硬质合金
相当于我国原钨钛钽（铌）钴类（YW）硬质合金，主要成分为WC+TiC+TaC+Co。
常用牌号有M10、M20、M30、M40。
M类硬质合金主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志。
其中，精加工可用M10、半精加工可用M20、精加工可用M30。
【知识链接】由于该类硬质合金具有高的耐热性和高温硬度，能用来切削钢或铸铁，所以又称通用硬质合金。
（二）刀具材料应具备的性能
1．足够的硬度和耐磨性
刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必须具备的基本性能，通常要求常温下刀具材料硬度在60HRC以上。
刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。
2．足够的强度和冲击韧性
强度是指刀具抵抗切削力的作用而不至于刀刃崩碎或刀杆折断所应具备的性能，一般用抗弯强度来表示。
冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力。
一般来说，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。
硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键问题。
3．高的耐热性
耐热性又称红硬性，是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗黏结和抗扩散的能力。
耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。
刀具材料的耐热性越好，高温硬度越高，允许的切削速度就越高。
【知识链接】常用刀具材料的耐热温度如下：
碳素工具钢200～250℃，合金工具钢300～400。
C，普通高速钢600～70C·
℃，硬质合金800～1000℃。
4．工艺性和经济性
为了便于刀具的制造，刀具材料还应具有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能等。
当然在选用刀具材料时还应综合考虑经济性。
目前，超硬材料及涂层刀具材料费用较高，不过其使用寿命很长，在成批生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。
因此，在选用时一定要综合考虑。
2
学习机床和刀具之间的切削用量
掌握切削运动和切削用量
掌握切削用量三要素
切削用量用量的选择
讲授法
习题册P2、P3填空题、判断题、简述题、计算题
基本能掌握计算方法，明确计算公式
课题二切削运动和切削用量
要完成相应零件表面的加工，酋先，离不开机床和刀具之间的相对运动，例如车削外圆时需要车床主轴（工件）的旋转运动和刀具的纵向（轴向）移动；
其次，在切削加工前，必须根据加工阶段的不同，合理确定和计算切削运动参数（切削用量）的大小。
这是因为：
一方面，切削运动参数是切削加工前操作者调整机床的依据，例如．在车削加工前通常需要调整主轴的转速等；
另一方面，切削运动参数的合理与否还影响着切削加工效率、零件加工精度和加工成本，例如，粗加工时如果切削运动速度过高，加工材料切除量过大等都会给加工带来极为不利的影响，轻则加快刀具磨损．重则引起加工振动甚至崩刃、断刀；
反之，加工效率低下，加工成本提高。
二、相关知识
（一）切削运动
要完成切削加工任务．离不开刀具和工件的运动。
切削过程中工件和刀具之间的相对运动称为切削运动。
根据在切削过程中所起的作用小同，切削运动分为主运动和进给运动。
如车削外圆时，工件的旋转运动为主运动．刀具的轴向移动为进给运动。
1．主运动
主运动是指直接切除工件上多余材料（切削层），使之转变为切屑，以形成工件新表面的运动。
金属切削过程中，无论哪种切削运动，主运动只有一个，且它的速度通常较高，功率消耗也较大，约占功率总消耗的90％左右。
主运动可以由工件完成，例如，车削加工时工件的旋转运动；
也可以由刀具完成，例如，铣削、钻削加工中的铣刀、钻头的旋转运动。
2．进给运动
使新的切削层不断投入切削的运动称为进给运动。
切削运动中，进给运动可以是一个（如钻削加工时）或多个（如磨削加工时），进给运动通常速度较低、功率消耗较小，例如，车削外圆时，刀具进给运动仅消耗切削总功率的10％左右。
【知识链接】切削过程中，随着切削运动的进行，在工件上形成了3个不断变化着的表面（见图1—2a）。
它们是已加工表面、待加工表面和加工表面（也称过渡表面）。
工件上即将被切去金属层的表面称为待加工表面；
工件上经刀具切除多余金属后形成的新表面称为已加工表面；
工件上由切削刃正在切削的表面称为加工表面。
在以后定义和判别刀具上的刀面时要用到这些概念，务必弄清。
（二）切削用量三要素
我们已经知道，切削加工中必须考虑切削运动的大小，以满足切削加工生产率、工件的加工质量、切削加工的经济性等方面的要求。
用来表征切削运动大小的参数称为切削用量，它也是金属切削加工之前操作者调整机床的依据。
一般来说，切削用量包括切削速度、背吃刀量和进给量3个要素。
1．切削速度
主运动的线速度称为切削速度，它是用来表示主运动大小的参数。
外圆车刀车削外圆时的切削速度计算式为：
式中
——工件待加工表面的直径，（mm）；
——工件的转速，（
）。
2．背吃刀量
已加工表面和待加工表面间的垂直距离称为背吃刀量，单位为nlrn。
式中
——工件待加工表面的直径，（
）
——工件已加工表面的直径，（
【知识链接】以上仅给出了外圆车削时的计算公式，内孔车削时的背吃刀量为已加工表面直径与待加工表面直径之差的一半。
3．进给量
进给量是指工件（或刀具）每转一转，刀具沿进给方向移动的距离，单位为mnl／r。
加工时，一般根据加工性质来选取其大小。
粗加工时，可选择较大的进给量以提高加工效率；
精加工时则应选择较小的进给量以保证工件的表面质量。
通常将每分钟刀具沿进给方向移动的距离称为进给速度，单位为mm／min。
【知识链接】进给量的完整概念是指工件或刀具每转一转（或往复一次）或刀具每转过一齿时，工件与刀具在进给方向的相对位移，这里涵盖了各种切削加工方法，以上仅给出了车削加工时进给量的含义。
另外，在数控加工中，进给运动的单位通常有转进给和分进给两种表示方式，其实，就是以上所说的进给量和进给速度。
——主运动的转速，（
）；
——刀具齿数。
（三）切削用量选择
处理好效率与精度的关系是选择切削用量的关键所在。
切削用量总的选择原则是：
粗加工以效率为主，精加工以精度为主。
一般选择顺序为：
先选择背吃刀量，再选择进给量，最后选择切削速度。
粗加工时优先采用大的背吃刀量，其次采用较大的进给量，最后选择合理的切削速度。
精加工时首先选择较小的背吃刀量，再选择较小的进给量，最后选择较高（对于硬质合金刀具）或较低（对于高速钢刀具）的切削速度。
1．背吃刀量的选择
背吃刀量应根据机床、工件和刀具的刚度来确定，在刚度允许的条件下，除留给下道工序的余量外，其余的材料尽可能一刀切除，．这样可以减少走刀次数，提高生产效率，例如，课题引入中的粗加工实例通常情况下可以考虑一刀完成。
当余量太大或工艺系统刚性较差时，所有余量（A）分两次（或多次）切除。
2．进给量的选择
当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。
一般在100～200mm／min范围内选取；
在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～50mm／min范围内选取；
当加工精度、表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20～50mm／min范围内选取。
3．切削速度的选择
切削速度应根据加工性质和刀具材料进行选择，普通高速钢刀具一般不超过30m／’min，在精加工时硬质合金刀具则可达到100m／min以上。
3
刀具的组成及其主要角度
明确刀具切削部分的组成
掌握刀具的主要角度
刀具的主要角度
相关教具
习题册P3、P4填空题、选择题、判断题、简述题
结合实训实习多加练习，准确掌握刀具的主要角度
课题三刀具的组成及其主要角度
一、课题分析
普通外圆车刀是最典型的简单刀具，其他种类的刀具都可以看作是它的变形或组合。
下面就以普通外圆车刀为例来介绍刀具切削部分的结构、组成以及刀具的几何角度。
（一）刀具切削部分的组成
不管刀具形状多么千变万化，作为刀具的切削部分，在结构上具有一个共同的特征，即它们由若干个基本切削单元（两面一线组成的楔性结构）．所组成。
对于普通外圆车刀来说，它由两个基本切削单元组成，即前刀面、主后刀面（后刀面）、主切削刃组成的基本切削单元和前刀面、副后刀面、副切削刃组成的基本切削单元。
其构造可用三面、二刃、一尖来概括。
三面，即前刀面（A，）、主后刀面（A。
）、副后刀面（A。
，）。
前刀面是指切削加工时切屑所流经的刀具表面，主后刀面是指切削加工时与工件上加工表面相对的刀具表面，副后刀面是指切削加工时与工件上已加工表面相对的刀具表面。
【知识链接】前刀面的形状有平面型、曲面型、带倒棱型（见图1—5a）3种。
平面型是一种最
基本的形状，它刃磨简单、刃口锋利。
主后刀面通常为平面，必要时可磨出倒棱或制造出刃带（见图1—5b），以起到阻尼消振或支撑定位、保持尺寸的作用。
与主后刀面一样，副后刀面通常为平面。
3个刀面的方位确定后，刀具的结构就确定了。
刀面相交形成了两条具有切削能力的刀刃，即主切削刃（S）和副切削刃（S’）。
前刀面、主后刀面相交形成主切削刃，它担当主要的切削工作。
前刀面、副后刀面相交形成副切削刃，它配合主切削刃完成切削工作。
两条刀刃相交于刀尖。
【知识链接】需要指出的是，实际使用时刀具的切削刃不可能磨得很锋利，总存在着刃口圆弧。
刃口的锋利程度以刃口圆弧半径ID的大小衡量，10越小，刃口越锋利。
另外，为了
提高刀尖的强度和耐磨性，往往将其磨成圆弧形或直线形的过渡刃。
（二）刀具的主要角度
我们已经知道，不同几何形状的刀具切削部分具有不同的切削性能，下面就来谈谈描述刀具几何形状与切削性能的重要参数——刀具几何角度。
1．车刀几何形状的图示方法
在学习刀具几何角度之前，首先要学习刀具切削部分几何形状的绘制。
工程中一般采用简单画法进行刀具切削部分的绘制，为了用平面图表示出车刀切削部分的几何形状，一般选择两个视图（主视图和向视图，和两个剖面图（主剖面和副剖面）来表示。
绘制刀具的方法有两种。
第一，投影作图法，它严格按投影关系来绘制几何形状，是认识和分析刀具切削部分几何形状的重要方法，但该方法绘制繁琐，一般比较少用；
第二，简单画法，该方法绘制时，视图问大致符合投影关系，但角度与尺寸必须按比例绘制。
（1）主视图
通常采用刀具在基面中的投影作为主视图。
同时勿忘标注进给运动方向，以确定或判断主切削刃和副切削刃。
通过切削刃上某一选定点，垂直于切削速度方向的平面称为基面（Pr）。
在理想情况下，对车刀而言，基面就是包括切削刃上选定点，并与刀杆底面平行的平面（水平面）。
基面是刀具制造、刃磨、测量时的定位基准面，如图—8所示。
【知识链接】所谓理想情况就是满足两个假定条件的情况，即假定进给速度等于零的假定运动条件和假定安装没有误差的假定安装条件。
满足假定安装条件，意味着刀尖与工件轴心线等高，刀杆中心线与工件轴心线垂直；
满足假定运动条件，则意味着进给量f=o。
（2）向视图
通常取刀具在切削平面（P。
）中的投影作为向视图，此处要注意放置位置。
通过切削刃上某一选定点，相切于工件加工表面且垂直于基面的平面称为切削平面（Ps）
（3）剖面图
包括主剖面（P。
）和副剖面（P’。
），主剖面如图1--8所示。
通过主切削刃上某一选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面称为主剖面（又叫正交平面），若选定点在副切削刃上则为副剖面。
2．车刀的几何角度
刀具几何角度是确定刀面方位的角度，它表明刀面、切削刃与假定参考平面问的夹角。
假定参考平面包括基面（Pr）、切削平面（Ps）和测量平面。
测量平面包括正交平面（Po、Po′）、法平面（Pn）、进给平面（Pf）和背平面（Pp），具体概念见表1--3。
考虑到大多数加工切削刃上各点的切削速度并不相同，往往通过切削刃上某一选定点（一般选在刀尖附近）来建立参考平面。
【知识链接】参考系选定点如果在副切削刃上，则坐标平面前冠以“副”字，并在相应的符号右上角加标“、”以示与选定点在主切削刃上的区别。
对于普通外圆车刀来说，需要6个独立角度来确定其3个刀面的位置，它们是前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角。
【知识链接】一面二角原理：
确定空间任意平面方位需要且只需要：
两个独立角度。
据此，刀具上每一个刀面只需用2个角度就能定向，即用来确定刀头形状所需的独立角度数应该是刀面数的两倍。
由于外圆车刀共有3个刀面，所以仅需6个独立角度就能确定其形状，即控制前刀面的前角、刃倾角；
控制后刀面的后角、主偏角；
控制副后刀面的副后角、副偏角。
3．注意事项
（1）当切削刃呈曲线或刀面呈曲面时，通过取选定点的切线或切平面来代替切削刃和刀
面的方位。
（2）前角、刃倾角可以是正值、负值或零。
（3）后角不允许为负值。
前角正、负值规定如下：
在主剖面中，前刀面与切削平面的夹角小于90°
时为正；
大于90°
为负；
前刀面与基面平行时为0°
前角增大，切削力减小。
后角正、负值规定如下：
在主剖面中，当后刀面与基面的夹角为锐角时，后角为正；
当
后刀面与基面的夹角为钝角时，后角为负；
当后刀面与切削平面平行时，后角为0°
后角增大，后刀面与工件之间的摩擦减小。
实际使用中，后角不能小于O°
刃倾角正、负值规定如下：
当切削刃与基面重合时，刃倾角为O°
，当刀尖为切削刃的最高点时，刃倾角为正；
当刀尖为切削刃的最低点时，刃倾角为负。
4
学习常用车刀的绘制及刃磨
学会90°
外圆车刀的绘制
常用车刀的绘制
对90°
讲授法、练习法
习题册P4、P5填空题、选择题、判断题、简述题、作图题
需要多动手练习车刀的绘制
课题四常用车刀的绘制及刃磨
一般来说，操作者在进行零件的车削加工之前，必须按照加工工艺要求或给定的车刀进行车刀的刃磨，90。
外圆车刀、内孔车刀和切断刀是实际生产中最为常用的车削刀具。
学会刀具的正确绘制是识读车刀图并进行刀具刃磨的第一步，正确绘制车刀图的关键在于：
第一，对于刀具结构组成的分析和刀具几何角度的确定，其中包括刀面的个数，前刀面、后刀面和副后刀面的位置，刀具几何角度的数量和名称等；
第二，应用上一课题的知识绘制相关视图，标注相应几何角度。
（一）90。
1．结构分析
该车刀主偏角为90。
，用于纵向进给车削外圆，尤其适于刚性较差的细长轴类零件的车削加工。
该车刀共有3个刀面，即前刀面、后刀面、副后刀面；
所需标注独立角度为6个，即前刀面控制角为前角、刃倾角，后刀面控制角为后角、主偏角，副后刀面控制角为副后角、副偏角。
2．绘制方法
绘制方法与普通外圆车刀类似。
（1）画出刀具在基面中的投影，取主偏角为90~，并标注进给运动方向，以明确表明后刀面与副后刀面，主切削刃与副切削刃的位置。
（2）画出切削平面（向视图）中的投影，注意
放置位置。
（3）画出主剖面、副剖面。
（4）标注相应角度数值（此处用符号表示），
（二）切断刀的绘制
切断刀采用横向进给方式对工件进行切削加工，主要用于工件的切槽或切断。
切断刀共有4个刀面：
一个前刀面、一个主后刀面、两个副后刀面，切断刀有左右两个刀尖，一条主切削刃，两条副切削刃。
切断刀可以看做是两把端面车刀的组合，进刀时同时切削左右两个端面。
由于它有4个刀面，故所需标注的独立角度有8个：
控制前刀面的前角、刃倾角，控制主后刀面的主偏角、后角，控制左、右副后刀面的2个副偏角和2个副后角。
绘制方法与外圆车刀类似，如图1—12所示。
需要指出的是，切断刀有两个副后刀面，需要画出两个副剖面。
【知识链接】一般切断刀的主切削刃较窄，刀头较长，所以强度较差。
生产中普遍使用的是高速钢切断刀，其主要参数选择如下：
前角：
切断中碳钢时，取20°
～30°
；
切断铸铁时，取0°
～lO°
。
后角：
切断脆性材料时，取小些；
切断塑性材料时，取大些。
一般取4°
～8°
副后角：
切断刀有两个对称的起减少摩擦作用的副后角，一般取l°
～2°
主偏角：
由于切断刀采用横向走刀，因此一般采用90°
的主偏角，但在进行切断加工时，会在工件端面上留下一个小凸台，解决的方法是把主切削刃磨得略微斜些。
副偏角：
为了不过多削弱刀头强度，一般取1°
～1．5°
高速切削时，则采用硬质合金切断刀，其要求与高速钢切断刀相同。
为了增强切断刀的强度，可在主切削刃两侧磨出过渡刃，并在主切削刃上磨出负倒棱，还可以把刀头下部做成凸肚形。
切断大直径工件时，为减少振动，可采用反切刀进行切削，使工件反转。
（三）内孔车刀的绘制
由于内孔车刀的结构组成类似于外圆车刀，所以不再赘述，下面将通过一个实例加以说明。
例1—3试根据以下参数绘制内孑L车刀刀头。
参数如下：
前角15°
、后角8°
、主偏角75°
、副偏角10°
、副后角8°
、刃倾角一5°
【知识链接】内孔有通孔、台阶孔、盲孔等几种不同的形式。
车削通孔可用通孔车刀，车削台阶孔或不通孔则需用不通孔车刀，它们的主要区别在于主偏角的大小。
通孔车刀的主偏角小于90°
台阶孔或不通孔车刀的主偏角则大于90°
，且刃倾角应为负值以确保加工时
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