刀具的基本知识.docx

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刀具的基本知识

常用刀具材料的性能及应用

一、概述

刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。

刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材料。

目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金。

二、刀具材料应具备的性能

（一）高的硬度和良好的耐磨性

（二）高的强度和韧性

（三）高的耐热性

（四）良好的工艺性

总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求。

三、常用刀具材料

目前在切削加工中常用的刀具材料有：

碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。

广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。

绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。

由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。

切削木材用的刀具则称为木工刀具。

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。

中国早在公元前28～前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。

战国后期（公元前三世纪），由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。

当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。

然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。

1783年，法国的勒内首先制出铣刀。

1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。

有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。

那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。

1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。

1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速钢。

1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。

在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。

由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。

1949～1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。

1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。

1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。

这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。

1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。

1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。

表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。

刀具按工件加工表面的形式可分为五类。

加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。

此外，还有组合刀具。

按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。

通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀（不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀）、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。

各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。

整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分（刀齿或刀片）则镶装在刀体上。

刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。

带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。

带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。

车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。

很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。

刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。

有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。

切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。

刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。

整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。

硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。

刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。

增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。

但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。

在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质（粗、精加工）等，必须根据具体情况合理选择。

通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。

制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（切削加工、锻造和热处理等），并不易变形。

通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。

但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。

高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。

聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。

硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。

正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。

硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1～3倍以上。

一）碳素工具钢

碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.65～1.35%）。

1、常用牌号有T7A、T8A……T13A等

2、主要性能淬火后硬度较高，可达HRC61～65；红硬性为200℃～250℃，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC≤10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。

二）合金工具钢

在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。

1、主要牌号有9SiCrCrWMn

2、主要性能淬火后的硬度可达HRC61～65，红硬性为300℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。

如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。

三）高速钢

高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素。

（一）高速钢的性能：

具有较高的强度和韧性；良好的耐磨性；红硬性为600℃；允许切削速度VC=25~30m/min；良好的制造工艺性；可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；加工范围较大（铸铁、有色金属、钢）。

（二）高速钢的分类

钨系高速钢：

W18Cr4V（最常用，刃磨性好）

普通高速钢

钼系高速钢：

W6MO5Cr4V2

高速钢

高碳高速钢：

95W18Cr4V（含C量为0.95%）

高钒高速钢：

W6MO5Cr4V3（提高耐磨性）

高性能高速钢钴高速钢：

W6MO5Cr4V2CO8

铝高速钢：

W6MO5Cr4V2Al

四）硬质合金

硬质合金=硬质相（TiC或WC）+粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）

上图为各种硬质合金刀头

（一）主要性能

1）常温硬度HRC74~81.5，红硬性800℃~1000℃，耐磨性优良；

2）允许切削速度VC=100m/min以上，最高不能超过200m/min；

硬质合金3）脆性较大，怕冲击和振动。

容易出现崩刃，因此注意加工条件；

4）制造工艺性差。

由于硬度太高，不能进行机械加工；

5）加工范围较广。

脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。

（二）分类

钨钴类硬质合金（YG）

硬质合金钨钴鈦类硬质合金（YT）

添加稀有金属硬质合金（YA、YW）

碳化鈦基硬质合金（YN）

常用硬质合金牌号介绍：

1、钨钴类硬质合金YG：

WC+Co

①常用牌号：

YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）

②应用：

YG3（精加工）YG6（半精加工）YG8（粗加工）

CO的含量↑韧性↑强度↑HRC↓耐磨性↓

CO的含量↓韧性↓强度↓HRC↑耐磨性↑脆性↑

主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640℃时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。

2、钨钴钛类硬质合金（YT）：

硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）

①常用牌号：

YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）

②应用：

YT5（粗加工）YT14/YT15（半精加工）YT30（精加工）

TiC含量↑硬度↑耐磨性↑脆性↑韧性↓

TiC含量↓硬度↓耐磨性↓脆性↓韧性↑

主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。

3、添加稀有金属硬质合

钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC（NbC）,可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。

这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。

4、碳化钛基硬质合金（YN）

这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。

主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。

刀具几何参数与切削用量的合理选择

一、刀具几何参数的合理选择

（一）刀具合理几何参数的基本内容

1.刃形：

刃形即是切削刃的形状。

从简单的直线刃发展到折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃

切断刀的刃形

外圆车刀的刃形

二、切削刃刃区的剖面型式

后刀面

负倒棱车刀

前刀面

刃形的区别

负倒棱消振棱刃带

刀具角度

A、前角的功用及合理前角值的选择

1）前角的主要功用

（1）影响切削区域的变形程度

（2）影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件

（3）影响切屑形态和断屑效果

（4）影响已加工表面质量

2）合理前角的概念

在一定条件下，前角有一个合理的数值。

3）合理前角的选择原则：

主要考虑以下因素

①工件材料的强度、硬度

②是否是塑性材料和脆性材料

③是否是粗加工和精加工

④刀具材料的抗弯强度是否高

⑤工艺系统刚性是否好和机床功率是否够

⑥是否是数控机床和自动机、自动线用刀具

B、后角的功用及合理前角值的选择

后角数值合理与否直接影响已加工表面的质量、刀具使用寿命和生产率。

1.后角的功用

①影响后刀面与加工表面之间的摩擦

②影响加工工件的精度

③影响刀具耐用度和刃口的强度

2.后角的选择

精加工：

防止摩擦选较大的后角；

●加工精度

粗加工：

增加刀头的强度选较小的后角。

塑性金属：

选较大的后角；

●加工材料脆性材料：

选较小的后角；

硬度、强度较高的材料：

选较小的后角

C、主、副偏角的功用及其选择

1.主偏角的功用

①影响已加工表面残留面积的高度

②影响各切削分力的比例

③影响刀尖的强度和刀具耐用度

④影响断屑

2.主、副偏角的选择

⏹主偏角主要根据加工条件和工艺系统刚性来选择

⏹副偏角主要考虑表面粗糙度、刀尖强度和散热面积来选择

D、刃倾角的功用及其选择

1.刃倾角的功用

①影响已加工表面质量

②影响各切削分力的比例

③影响刀尖的强度

④影响切入切出的平稳性

■刃倾角控制切屑流向，影响加工质量

刃倾角小于0°时

刃倾角大于0°时

刃倾角等于0°时

■2.刃倾角的选择

根据加工性质和加工条件选择

1）粗加工λS<0（保护刀尖）精加工λS>0（使FP小些）

2）断续切削：

λS<0（保护刀尖）

3）工件σb、HB大：

λS<0（保护刀尖）

4）系统刚性差：

λS>0（使FP小些）

5）微量切削：

λS取大值（使刀具实际刃口半径↓）

切削用量的合理选择

（一）最大生产率耐用度

⏹完成一个工序所需要的工时tw为

⏹求一阶导数，得最大生产率耐用度

（二）最低成本耐用度（经济耐用度）

⏹每个工件的工序成本为

⏹刀具经济使用寿命

切削用量的选择原则

⏹粗加工时，为充分发挥机床和刀具的性能，以提高金属切除量为主要目的，应选择较大的切削深度、较大的进给量和适当的切削速度。

⏹精加工时，应主要考虑保证加工质量，并尽可能的提高加工效率，应采用较小的进给量和较高的切削速度。

在切削加工性差的材料时，由于这些材料硬度高、强度高、导热系数低，必须首先考虑选择合理的切削速度。

切削用量的选择方法

在一般情况下，首先根据加工余量选择切削深度ap，其次根据工件材料的硬化深度和切屑断连的已加工表面粗糙度情况选择进给量f，最后尽量选择较高的（高速钢刀具选择较低的）切削速度Vc，以切削速度来控制切削温度，消除切屑瘤，保证工件表面粗糙度。

刀具几何参数和切削用量表

工件

材料

刀具

材料

刀具几何参数

切削用量

γοαοvc（m/min）

Ap（mm）

F（mm/r）

低碳钢

G

25-308-2030-40

0.3-5

0.1-0.5

易切钢

YT、YW

25-308-1090-180

0.3-10

0.08-1

中碳钢

G

15-206-820-30

0.5-5

0.1-0.5

参数选择说明

⏹A、粗车时，选用低的切削速度，大的切削深度和进给量。

⏹B、精车时，选用高的切削速度，小的切削深度和进给量。

⏹C、高速钢刀具精车时采用Vc小于10m/min的切削速度以控

制积屑瘤产生，降低钢件粗糙度。

⏹D、对铸钢件，粗车应选比较低的切削速度。

⏹E、断续切削时，刀具前角适当减小。

⏹F、刀具材料抗弯强度低，γ0应减小到0～5°。

⏹高速钢回收