制造技術(shù)基礎(chǔ)第二章第一節(jié)金屬切削刀具基礎(chǔ)

第二章金屬切削過(guò)程第一節(jié)金屬切削刀具基礎(chǔ)一、切削加工的基本概念(一)切削運(yùn)動(dòng)與切削中的工件表面ve=vc+vf(2-1)(二)切削用量

1．切削速度vc(m/s或m/min)

切削速度：切削刃相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)速度。主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削速度由下式確定

vc=(2-2)

式中d——工件(或刀具)的最大直徑(mm)；

n——工件(或刀具)的轉(zhuǎn)速(r/s或r/min)。

2．進(jìn)給量f

進(jìn)給量：工件或刀具轉(zhuǎn)一周(或每往復(fù)一次)，兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移量。其單位是mm/r(或mm/雙行程)。

vf=nf=nzfz(2-3)

式中z——刀齒數(shù)。3．背吃刀量ap(mm)

背吃刀量：刀具切削刃與工件的接觸長(zhǎng)度在同時(shí)垂直于主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向上的投影值。外圓車削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離(參見(jiàn)圖2-2)。式中dw-——工件上待加工表面直徑(mm)；

dm——工件上已加工表面直徑(mm)。(2-4)

(三)切削層參數(shù)切削刃在一次走刀中從工件上切下的一層材料稱為切削層。切削層的截面尺寸參數(shù)稱為切削層參數(shù)。切削層參數(shù)通常在與主運(yùn)動(dòng)方向相垂直的平面內(nèi)觀察和度量。

1．切削層公稱厚度hD

切削層公稱厚度hD：垂直于過(guò)渡表面度量的切削層尺寸

(以下簡(jiǎn)稱為切削厚度)。車外圓時(shí)(圖2-2)，如車刀主切削刃為直線

hD=fsinkr(2-5)

2．切削層公稱寬度bD

切削層公稱寬度bD：沿過(guò)渡表面度量的切削層尺寸

(以下簡(jiǎn)稱為切削寬度)。如車刀主切削刃為直線

bD=

3．切削層公稱橫截面積AD

切削層公稱橫截面積AD：切削層在切削層尺寸度量平面內(nèi)的橫截面積

(以下簡(jiǎn)稱為切削面積)。對(duì)于車削

AD=hDbD=fap(2-7)（2-6）

二、刀具角度以外圓車刀為例，給出刀具幾何參數(shù)方面的有關(guān)定義。(一)刀具切削部分的構(gòu)造

(1)前刀面

(2)主后刀面

(3)副后刀面

(4)主切削刃

(5)副切削刃

(6)刀尖

(二)刀具的標(biāo)注角度

1．刀具標(biāo)注角度的參考系(1)基面Pr

通過(guò)主切削刃上某一指定點(diǎn)，并與該點(diǎn)切削速度方向相垂直的平面。

(2)切削平面Ps

通過(guò)主切削刃上某一指定點(diǎn)，與主切削刃相切并垂直于該點(diǎn)基面的平面。

(3)正交平面Po

通過(guò)主切削刃上某一指定點(diǎn)，同時(shí)垂直于該點(diǎn)基面和切削平面的平面。

上述三個(gè)參考平面是互相垂直的，由它們組成的刀具標(biāo)注角度參考系稱為正交平面參考系。

2．刀具的標(biāo)注角度

(1)前角γo

在正交平面內(nèi)測(cè)量的前刀面和基面間的夾角。前角的作用：

a.γo↑→變形↓→切削力↓。

b.γo↑↑→切削刃強(qiáng)度↓。

c.γo↑↑→散熱體積↓。

所以應(yīng)有合理前角。

(2)后角αo

在正交平面內(nèi)測(cè)量的主后刀面與切削平面的夾角，一般為正值。后角的作用：

a.αo↑→摩擦↓→切削力↓。

b.αo↑↑→切削刃強(qiáng)度↓。

c.αo↑↑→散熱體積↓。

所以后角也應(yīng)有合理值。

(3)主偏角kr

在基面內(nèi)測(cè)量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的夾角。主偏角的作用：

a.在ap和f一定的情況下，kr↑→切削刃單位長(zhǎng)度上的受力↑。b.kr↑→徑向力Fp↓，軸向力Ff↓。所以主偏角也應(yīng)有合理值。

(4)副偏角kr′在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向的夾角。副偏角的作用：

a.kr′↑→摩擦↓。

b.kr′↑↑→工件表面粗糙度↑

所以副偏角也應(yīng)有合理值。

(5)刃傾角λs

在切削平面內(nèi)測(cè)量的主切削刃與基面之間的夾角。

刃傾角的作用：

a.影響切屑的流出方向。正的λs→切屑流向工件的待加工表面。負(fù)的λs→切屑流向工件的已加工表面。

b.正的λs→刀尖強(qiáng)度↓。所以刃傾角也應(yīng)有合理值。

3．刀具的工作角度

(1)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響

a.橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響γoe=γo+η

αoe=αo-η

b.縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響螺紋車刀左側(cè)刀刃上A點(diǎn)在正交平面內(nèi)的工作前角度γoe=γo+η

αoe=αo-η

(2)刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響

a.刀尖高于或低于工件中心的影響刀尖高于工件中心（如圖）：γoe＞γo

αoe＜αo

刀尖低于工件中心：

γoe

＜γo

αoe＞

αo

b.車刀刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)的影響

kre=kr±θA

kre′=kr′θA式中θA——刀桿中心線的垂線與進(jìn)給方向的夾角。

三、刀具材料

(一)刀具材料的性能要求

(1)較高的硬度和耐磨性刀具材料的常溫硬度要求在60HRC以上。

(2)足夠的強(qiáng)度和韌性

(3)較高的耐熱性

(4)良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能

(5)良好的工藝性

(二)常用刀具材料

1.碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量為0.7～1.3%的優(yōu)質(zhì)高碳鋼。常用牌號(hào)有：T8A、T10A、T12A。碳素工具鋼的性能：淬火硬度可達(dá)HRC60～66，且刀具韌磨時(shí)容易鋒利，價(jià)格低廉。但耐熱性差，200℃左右就會(huì)失去原來(lái)的硬度，故允許的切削速度不高（0.5m/s左右）。淬透性差，熱處理變形大。碳素工具鋼應(yīng)用：

只用來(lái)制造手動(dòng)刀具，如銼刀、手工鋸條等。

2.合金工具鋼在碳素工具鋼中加入一定量的合金元素，如鉻（Cr）、鎢（W）、硅（Si）、錳（Mn）等即成合金工具鋼。

常用的牌號(hào)有：9SiCr、CrWMn等。合金工具鋼的性能：淬火硬度與碳素工具鋼相同，而耐熱性有所提高，可耐350℃左右的高溫，耐磨性也略有提高。合金工具鋼的最大優(yōu)點(diǎn)是熱處理時(shí)變形較小。

合金工具鋼應(yīng)用：常用來(lái)制造形狀復(fù)雜、要求熱處理變形小的低速刀具，如絲錐、板牙、鉸刀等。

3．高速鋼高速鋼是加入了較多的鎢(w)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(v)等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼的性能：具有較高的硬度(62～67HRC)和耐熱性；高的耐熱性，溫度高達(dá)500～650℃時(shí)仍能進(jìn)行切削；高強(qiáng)度

(抗彎強(qiáng)度是一般硬質(zhì)合金的2～3倍，陶瓷的5～6倍)；韌性好，可在有沖擊、振動(dòng)的場(chǎng)合應(yīng)用；制造工藝性好，容易磨出鋒利的切削刃。高速鋼的應(yīng)用：適于制造各類刀具，尤其適于制造鉆頭、拉刀、成形刀具、齒輪刀具等形狀復(fù)雜的刀具。

高速鋼的分類：按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼按制造工藝方法可分為熔煉高速鋼和粉木冶金高速鋼。（1）普通高速鋼是加入較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。典型牌號(hào)：W18Cr4V(簡(jiǎn)稱W18)和W6Mo5Cr4V2(M2)。特點(diǎn)及適用范圍：W18的綜合性能較好，可用于各種復(fù)雜刀具。M2的碳化物分布細(xì)小、均勻，可用來(lái)制造尺寸較大，承受較大沖擊力的刀具；M2的熱塑性好，適合于制造熱扎鉆頭等刀具。

（2）高性能高速鋼在普通高速鋼的基礎(chǔ)上增加一些含碳量、含釩量并添加鈷、鋁等合金元素熔煉而成。典型牌號(hào)：W2Mo9Cr4VCo8(M42)和W6Mo5Cr4V2Al(501)。特點(diǎn)及適用范圍：M42的綜合性能好，常溫硬度接近70HRC，600℃時(shí)其硬度為55HRC，刃磨性能也好；但M42含鈷多，成本較貴。501鋼是一種含鋁的無(wú)鈷高速鋼，600℃時(shí)硬度達(dá)54HRC，501鋼的切削性能與M42大體相當(dāng)，成本較低，但刃磨性能較差。表2-1列出了幾種常用高速鋼的力學(xué)性能。

(3)粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼是在用高壓惰性氣體(氬氣或氮?dú)?把鋼水霧化成粉末后，再經(jīng)過(guò)熱壓、鍛軋成材。特點(diǎn)及適用范圍：有效地解決了熔煉高速鋼的碳化物共晶偏析問(wèn)題，結(jié)晶組織細(xì)小均勻。與熔煉高速鋼相比，粉末冶金高速鋼材質(zhì)均勻，韌性好，硬度高，熱處理變形小，質(zhì)量穩(wěn)定，刃磨性能好，刀具壽命較高?？捎盟邢鞲鞣N難加工材料，特別適合于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具。

4．硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物(WC、TiC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Ni等)在高溫條件下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的性質(zhì)：硬質(zhì)合金的常溫硬度達(dá)89～93HRA，760℃時(shí)其硬度為77～85HRA，在800～1000℃時(shí)硬質(zhì)合金還能進(jìn)行切削，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，可加工包括淬硬鋼在內(nèi)的多種材料。但硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性比高速鋼差，常溫下的沖擊韌性僅為高速鋼的1/8～1/30，因此，硬質(zhì)合金承受切削振動(dòng)和沖擊的能力較差。

硬質(zhì)合金的分類：

ISO把切削用硬質(zhì)合金分為三類：P類、K類和M類。

(1)P類(相當(dāng)于我國(guó)YT類)硬質(zhì)合金由WC、TiC和Co組成，也稱鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。常用牌號(hào)有：YT5(TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％)、YTl5等。性能：隨著TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相應(yīng)減少，硬度及耐磨性增高，抗彎強(qiáng)度下降。應(yīng)用范圍：主要用于加工鋼料及有色金屬等韌性材料。但是不宜加工不銹鋼和鈦合金。

(2)K類(相當(dāng)于我國(guó)YG類)硬質(zhì)合金由WC和Co組成，也稱鎢鈷類硬質(zhì)合金。常用牌號(hào)：

YG6(鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％)、YG8(鉆的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8％)等。性能：隨著鈷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多，硬度和耐磨性下降，抗彎強(qiáng)度和韌性增高。應(yīng)用范圍：主要用來(lái)加工鑄鐵、青銅等脆性材料，也可加工有色金屬及其合金。

(3)M類(相當(dāng)于我國(guó)YW類)硬質(zhì)合金，是在WC、TiC、Co的基礎(chǔ)上再加入TaC(或NbC)而成。常用牌號(hào)：YW1和YW2等。性能：加入TaC(或NbC)后，改善了硬質(zhì)合金的綜合性能。這類硬質(zhì)合金既可以加工鑄鐵和有色金屬，又可以加工鋼料，還可以加工高溫合金和不銹鋼等難加工材料，有通用硬質(zhì)合金之稱。表2-2列出了幾種常用的硬質(zhì)合金的牌號(hào)、性能及其使用范圍。

(三)其他刀具材料

1．陶瓷用于制作刀具的陶瓷材料主要有兩類：氧化鋁(Al2O3)基陶瓷和氮化硅(Si3N4)基陶瓷。

A12O3基陶瓷硬度高達(dá)91～95HBA，耐磨性好、耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗粘結(jié)能力強(qiáng)，但抗彎強(qiáng)度和韌性差；這種陶瓷用于精加工和半精加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼很有效。

Si3N4基陶