刀具的基本知识.docx

1、刀具的基本知识 刀 具 的 基 本 知 识一、运动及切削要素 1、切削运动 削运动分为主运动(它是切屑时最主要、消耗动力最多的运动，它是刀具与工件之间的相对运动)和进给运动(是指刀具与工件之间的附加运动，以保持切屑的连续进行)。2、切屑要素（1）切屑要素Vc :是指切屑刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位m/s或m/min。Vc=dn=dn1000318计算公式： 其中n工件或刀具的转速，单位r/min; d工件或刀具选定点旋转直径，单位mm。（2）进给量f：是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用工件每转所行程的位移量来表示，单位mm/r。 进给速度Vf：单位mm/s或mm/min

2、。Vf=nf n工件或刀具的转速，f进给量。（3）背吃刀量ap（切屑深度）：是指垂直与进给速度的切屑深度的尺寸，单位mm,在车外圆时ap=（dw-dm）2其中dw待加工表面直径；dm已加工表面直径。（4）切屑时间tm：是指切屑时直接改变工件尺寸、形状等工艺过程所需要滴时间，单位min.它反映的是切屑效率高低的指标。tm=dlA1000apfvc其中l刀具行程长度，单位mm；A半径方向加工余量，单位mm。3、刀具切削部分的几何参数刀具切削部分的组成要素刀杆：起夹持作用刀头:(三面)前刀面：切屑流过的表面。主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面。 副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面(两刃)主切削

3、刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线(一尖)主切削刃与副切削刃的交点 4、刀具几何角度及其对切屑的影响（1）刀具坐标系（正交平面参考系）1) 基面pr：通过切削刃上选定点，垂直于 该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的 安装面（底面）。2）切削平面ps：通过切削刃上选定点，垂 直于基面并与主切削刃相切的平面。3） 正交平面po：通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。（2）刀具几何角度及其对切屑的影响1）基面中测量的刀具角度A 主偏角r：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。 B 副偏角r： 副切削刃在基面上的投影与进给运动速

4、度vf反方向之间的夹角。主副偏角的功用：主偏角r 影响切削分力的大小，增大r ，会使Ff力增加，Fp力减小；主偏角影响加工表面粗糙度值的大小，增大主偏角，加工表面粗糙度值增大； 主偏角影响刀具耐用度，增大主偏角，刀具耐用度下降； 主偏角也影响工件表面形状，车削阶梯轴时，选用r =90o，车削细长轴时，选用r =75o90o；为增加通用性，车外圆、端面和倒角时，可选用 车刀切屑部分的简单画法r =45o。 减小副偏角r。，会增加副切削刃与己加工表面的接触长度，能减小表面粗糙度数值，并能提高刀具耐用度。但过小的副偏角会引起振动。主、副偏角的选择 主偏角的选择原则是，在工艺系统刚度允许的情况下，选择

5、较小的主偏 角这样有利于提高刀具耐用度。在生产中，主要按工艺系统刚性选取,见表5-3。 副偏角r，主要是根据加工性质选取，一般情况下选取r =1015精加工时取小值。特殊情况，如切断刀，为了保证刀头强度，可选r=1o2o 。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（515)，粗加工时取大值，精加工取小值。2）切削平面中测量的刀具角度A 刃倾角s：主切削刃与基面之间的夹角。（功用：(1)控制切屑的流向 如图5-5所示如图5-5所示，当S =0o 时，切屑垂直于切削刃流出；S为负值时，切屑流向已加工表面；S为正值时，切屑流向待加工表面图5-5(2)控制切削刃切入

6、时首先与工件接触的位置 如图5-6所示， (3)控制切削刃在切入与切出时的平稳性 如图5-6所示，断续时，当刃倾角为零，切削刃与工件同时接触，同时切离，会引起振动；若刃倾角不等于零则切削刃上各点逐渐切入工件和逐渐切离工件，故切削过程平稳。 图5-6(4)控制背向力与进给力的比值刃倾角的选择 选择刃倾角时，应按照刀具的具体工作条件进行具体分析，一般情况可按加工性质选取。精车s =0o5o；粗车s =0o-5o；断续车削s-30o-45o；大刃倾角精刨刀s75o80o。）加工一般钢料和铸铁，无冲击时： 粗车s 05，精车s 0+5； 有冲击时：s 515； 特别大时：s 3045。切削加工高强度钢

7、、冷硬钢时： s 3045。3）正交平面中测量的刀具角度A 前角O：前面与基面之间的夹角。（功用：增大前角能减小切削变形和摩擦，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损，改善加工质量，抑制积屑瘤等。但前角过大会削弱刀头强度和散热能力，容易造成崩刃。因而前角不能太小，也不能太大， 应有一个合理数值。） 切屑材料：工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。前刀面型式（图5-3 前刀面型式）（1）正前角平面型 如图5-

8、3a所示，正前角平面型式的特点为：制造简单能获得较锋利的刃口，但强度低，传热能力差。一般用于精加工刀 具、成形刀具、铣刀和加工脆性材料的刀具。（2）正前角平面带倒棱型 如图5-3b所示，倒棱是在主切削刃刃口处磨出 一条很窄的棱边形成的。倒棱可以提高刀刃强度、增强散热能力， 从而提高刀具耐用度。此时，切屑仍沿前刀面而不沿倒棱流出。倒 棱型式一般用于粗切铸锻件或断续表面的加工。 (3) 正前角曲面带倒棱型 如图5-3c所示，这种型式是在正前角平面带倒 棱的基础上，为了卷屑和增大前角，在前刀面上磨出一定的曲面而 形成的，常用于粗加工或精加工塑性材料的刀具。 (4) 负前角单面型 当磨损主要发生在后刀

9、面时，可制成如图5-3d所示的负前角单面型。此时刀片承受压应力，具有好的刀刃强度。因此，常 用于切削高硬度（强度）材料和淬火钢材料。但负前角会增大切削力 (5) 负前角双面型 如图5-3e所示，当磨损同时发生在前、后两个刀面时 制成负前角双面型，可使刀片的重磨次数增多。此时负前角的棱面应 有足够的宽度，以保证切屑沿该棱面流出。前刀面型式（图5-3 前刀面型式） 图5-3B 后角o ： 后面与切削平面之间的夹角。(功用：增大后角能减小后刀面与工件上加工表面间的摩擦，减少刀具磨损，还可以减小切削刃钝圆半径，使刀刃锋利，可减小工件表面粗糙度值。但后角过大会减小刀刃强度和散热能力。粗加工或工件材料较硬

10、，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。 后刀面的型式（图5- 4）后刀面型式 (1)双重后角 如图5-4a所示，为了保证刃口强度，减小刃磨后刀面的工作量，常在车刀后刀面上磨出双重后角。 (2)消振棱 如图5-4b所示，为了增加后刀面与工件加工表面之间的接触面积，增加阻尼作用 消除振动，可在后刀面上刃磨出一条有负后角的棱面，称为消振棱。 (3)刃带 如图5-4a所示，对一些定尺寸刀具，如拉刀、铰刀等，为便于控制外径尺寸，避免重磨后尺 寸精度迅速变化，常在后刀面上刃磨出后角为零度的小棱边，称为刃带。刀具上的刃带起着使刀具稳定、导向和消振的作用。 图5-

11、45、刀尖型式的选择（过渡刃的选择）1）直线过渡刃 如图5-7a所示，过渡刃的偏角rr/2、长度b（1/41/5）ap ，这种过渡刃多用于粗加工或强力切削的车刀上。 图5-7 2）圆弧过渡刃如图5-7b所示 ，过渡刃也可磨成圆弧形。它的参数就是刀尖圆弧半径r。刀尖圆弧半径增大时，使刀尖处的平均主偏角减小，可以减小表面粗糙度数值，且能提高刀具耐用度。但会增大背向力和容易产生 振动，所以刀尖圆弧半径不能过大。通常高速钢车刀r=0.55mm，硬质合金车刀r=0.52mm。3）水平修光刃 如图5-7c所示，修光刃是在副切削刃靠近刀尖处磨出一小段r=0o的平行刀刃。其长度b（1.21.5）f，即b 应略

12、大于进给量f。但b 过大易引起振动。4）大圆弧刃 如图5-7d所示，大圆弧刃.当于水平修光刃。5）直线过渡刃 如图5-7所示，过渡刃的偏角rr/2、长度b（1/41/5）ap ，这种过渡刃多用于粗加工或强力切削的车刀上。 二、刀具的材料 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(cutting tool materials)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）高的硬度(常温硬度在HRC60以上)和耐磨性；（2）足

13、够的强度和韧性；（3）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；（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度， 延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。 2.常用刀具材料 (1) 工具钢 (包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢) 1) 碳素工具钢（carbon tool steel） ：含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%1.2%， 如T10A等)，淬火后硬度较高(HRC6165)、价廉，但耐热性较差(200250)。 适应速度 ：0.10.2m/s。 2) 合金工具钢（alloy tool steel） ：在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、

14、 Si 等元素而 的。 (如 9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性与热硬 度（300350） 硬度： HRC6165，速度：0.250.3m/s。 3) 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 1) 高速钢（highspeed steel）是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合 金钢。 2) 热处理后硬度可达6266HRC, 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500650C时仍能进行切削，允许切削速度： 40m/min 。 3) 适

15、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。 4) 高速钢的分类 按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。 按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。 按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。 5) 通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀 等原因，目前国内外已很少采用。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等 合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进 一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。 典型牌

16、号有M42。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速 钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、 大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。 （3） 硬质合金 1） 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8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好， 耐磨性好，耐热性达8001000C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀 具高510倍（100300m/min），耐用度比高速钢高几

17、十倍。但强度、韧度均 较高速钢低，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。 2）硬质合金的分类 钨钴类（WC+Co）；YG,属K类 钨钛钴类（WC+TiC+Co）；YT,属P类 钨钛钽（铌）类硬质合金（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co） :YW，属M类 3）常用硬质合金的牌号及其性能 K (YG)（钨钴类）类硬质合金（红色）： 有较好的韧性、磨削性、导热性， 适合加工短切屑的金属或非金属材料，如 淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。 其代号有K01、K10、K20、K30、K40 等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用

18、K01；半精加工可用K10， K20；粗加工选用K30 。 4）P类（YT）（钨钛钴类）硬质合金（蓝色）： 以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高， Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、 特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。适合加工长切屑的黑色金属，如钢、 铸钢等。其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越 低而韧度越高。精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。 5）M类（YW）（钨钛钽（铌）类） (黄色) ： 在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，可提高抗弯强度

19、、疲劳强度、冲击 韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适用 于加工塑性材料。适合加工长(短)切屑的金属材料 ，如钢、铸钢、不锈钢等 难切削材料等。其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越 低而韧度越高。精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。 （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

20、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）TiCTiN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。 （注：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）（4）其它刀具材料 1）陶瓷刀具材料 以氧化铝或以氮化硅为基体再添加

21、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（9195HRA)，耐磨性、耐高温性能好(1200 下硬度为 80HRA)，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； 其缺点是脆性大、抗弯强度低(只有硬质合金的1/2），冲击韧性差，易崩 刃，所以使用范受到 限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。 2）金刚石刀具材料 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的 最坚硬物质。 由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易 产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 也可用于加工

22、高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有 色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 缺点是热稳定性差（只有700800），强度低、脆性大，对振动敏感， 只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。 3）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（35004500HV）及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300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。三、金属切削加工中的主要现象及规律1、切屑的形成

23、 如图所示是在直角自由切削情况下的切屑形成过程。当切削层金属接近始滑移面OA时，将产生弹性变形。进入OA以后，内部切应力达到材料的屈服点，此时将产生塑性变形，即产生金属晶格的一部分与另一部分的相对滑移。如图中质点P由点1向前移动的同时，将沿OA面滑移，其合成运动使点1流动到点2。22就是该滑移量。还有33、44等滑移量。随着滑移量的不断增加，变形逐渐强化，切应力也逐渐增大。在终滑移面OM上，切应力和切应变达到最大值，滑移变形基本结束。如图(b)所示是切屑形成的示意图。将金属材料的被切层看作一叠卡片，如1、2、3、4、5等，当刀具切入时，卡片被推移到1、2、3、4、5等位置，卡片之间发生相对滑移

24、，滑移方向就是最大切应力的剪切面。 2、切削中的变形 对塑性金属进行切削时，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。根据切削过程中整个切削区域金属材料的变形特点，可将刀具切削刃附近的切削层划分为3个变形区，如图所示。 第一变形区是在切削刃前面的切削层内的区域；第二变形区是在切屑底层与前刀面的接触区域；第三变形区发生在后刀面与工件已加工表面接触的区域。第变形区：滑移面附近的区域，是切削过程中产生塑性变形的主要区域。OA 称始滑移线,其应力值为s(材料屈服极限)，切削层金属到达OA线时开始产生塑性滑移；OM称终滑移线,其应力为max。通常第一变形区的厚度仅为0.20.02mm,由此可近似用一剪切面

25、来代替该区域，剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角，以表示第变形区：刀具前面附近的区域,切削形成后沿刀具前面流出时,遇到前面的积压和摩擦,进一步产生滑移变形并发生卷曲。第变形区： 刀口附近的已加工表面区域,刀具后面与已加工表面间的挤压和摩擦导致的变形。 3、切屑的种类及断屑 1）、带状切屑 切屑的外形呈带状，与前刀面接触的底面光滑，外表面为毛茸状。通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到带状切屑。形成这种切屑时，切削过程平稳、切削力波动较小、已加工表面粗糙度较小，但带状切屑会缠绕工件和刀具等，需采取断屑措施。产生带状切屑，其塑性变形还不充分，滑移还没有达到破裂程度。

26、 2）、挤裂切屑 又称节状切屑，外形与带状切屑相似，外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，但变形程度比带状切屑大。这种切屑是在加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到的。此时切削力波动较大，切削过程中产生一定的振动，已加工表面较粗糙。 形成节状切屑的过程中，剪切滑移量大,局部地方滑移已达到破裂程度。 3）、单元切屑又称粒状切屑，加工塑性较差的金属材料时，在挤裂切屑基础上将切削厚度进一步增大，切削速度和前角进一步减小，使剪切裂纹进一步扩展而断裂成梯形状的单元切屑。 4）、 崩碎切屑 切削铸铁等脆性金属材料时，由于材料的塑性差、抗拉强度低，切削层往往未经塑性变形就产生了脆性崩裂

27、，形成不规则的崩碎状的切屑。此时切削力波动很大，有冲击载荷，已加工表面凹凸不平。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。崩碎切屑只出现在脆性材料切削过程中。 4、断屑方法 1）、 减小前角、增大主偏角 前角和主偏角是对断屑影响较大的刀具几何角度。增大前角，切削变形小，不易断屑；减小前角，加剧切屑变形，易于断屑。由于将前角磨小会增大切削力，限制切削用量的提高，严重时会损坏刀具，甚至“闷车”，所以一般不单纯采用减小前角来断屑。增大主偏角可增大切削厚度，易于断屑。例如，同样条件下90刀就比45刀容易断

28、屑。另外，增大主偏角有利于减小加工中的振动。所以，增大主偏角是一种行之有效的断屑方法。 2）、 减小切削速度、增大进给量 改变切削用量是断屑的另一措施。增大切削速度，切屑底层金属变软且切屑变形不充分，不利于断屑；减小切削速度，反而容易断屑。因此，在车削时，可通过降低主轴转速，减小切削速度来断屑。增大进给量可增大切屑厚度，易于断屑。这是加工中经常采用的一种断屑手段，不过应当注意，随着进给量的增大，工件表面粗糙度值将会明显增大。 车削加工时，往往有这样的情况，有时吃刀深了不断屑，吃刀稍浅一点就能断屑。这是因为当背吃刀量增大时，切削宽度随之增大，薄而宽的切削变形和应力小，不易折断。当背吃刀量浅时，切

29、屑变得短而厚、变形和应力大，容易折断。但是如果背吃刀量过小，切屑的截面积减小、应力小，也不容易断屑。 3.）、开设断屑槽 断屑槽是指在刀具前刀面上做出的槽，有折线形、直线圆弧形、全圆弧形3种槽型，如图所示。 切削碳素钢、合金钢、工具钢时，可选用折线形、直线圆弧形断屑槽；切削高塑性材料工件时，如纯铜和不锈钢工件等，可选用全圆弧形断屑槽。四、积屑瘤 1积屑瘤的成因 切屑沿刀具前面流动时，由于强烈的内摩擦而产生粘结现象，在粘结区内，切屑底层将有一薄层金属材料层积滞留在前刀面上，这部分切屑经过了剧烈的变形，在适当的切削温度下发生强化。不断地层积，就形成了积屑瘤。 2积屑瘤对切削过程的影响 1）积屑瘤硬

30、度比工件材料高2-3倍,可以代替切削刃及前刀面进行切削,可以保护切削刃、减小前刀面的磨损； 2）在积屑瘤形成后，刀具的实际前角将明显增大，对减小切屑变形及降低切削力起了积极作用；3）对于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际切削厚度增大，形成“过切现象”，影响工件的尺寸精度；4）积屑瘤高低不平，会在工件表面造成“犁沟”现象，影响工件的表面粗糙度；5） 积屑瘤脱落的碎片会粘结或嵌入工件表面，影响工件已加工表面的质量。因此精加工时必须设法抑制积屑瘤的形成。(中温时最易形成积屑瘤，采用低速或高速切削是抑制积屑瘤的基本措施) 3. 积屑瘤的控制措施1) 采用低速或高速切削，避开容易形成积屑瘤的切削速度；2) 增大刀具的前角，以减小刀屑接触压力；3) 减小进给量；4) 提高刀具刃磨质量，降低刀面的表面粗糙度；5）对工件材料进行适当的热处理，提高其硬度，减小塑性；6）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。