工業(yè)生產過程4刀具角度和刀具材料

工業(yè)生產過程

刀具角度和刀具材料

ZZQ2014-10-8本節(jié)課內容：刀具切削部分的幾何參數(shù)——刀具角度的定義及度量；可用作刀具的材料。

2014-10-8今天的課程學完后，預期學習結果

：掌握刀具切削部分的定義；熟悉參考平面、常用刀具標注角度參考系與5個基本角度；了解刀具角度換算與刀具工作角度概念；了解刀具材料應具備的主要性能；了解常用刀具材料和超硬刀具材料。

2014-10-8CDIO相關能力在今天課程中的培養(yǎng)：應用基礎科學知識與工程基礎知識，實行工程推理并解決問題。對各項學習任務進行合理的時間安排，有效高質量地完成。2014-10-8車刀的組成2014-10-8刀具切削部分的組成金屬切削刀具的種類很多，但它們參加切削的部分具有相同的幾何特征，為方便起見，以外圓車刀為例，給出刀具幾何參數(shù)方面的有關定義。如圖所示，車刀由切削部分和刀柄（用于裝夾）兩部分構成。切削部分由三個面、兩條切削刃和一個刀尖組成。(1)前刀面（Aγ

）切削過程中切屑流出所經過的刀具表面。(2)后刀面（Aα

）切削過程中與工件過渡表面相對的刀具表面。2014-10-8刀具切削部分的組成(3)副后面（A'α

）切削過程中與工件已加工表面相對的刀具表面。(4)主切削刃（s）前刀面與后刀面的交線。它擔負主要的切削工作。(5)副切削刃（s'）前刀面與副后面的交線。它配合主切削刃完成切削工作。(6)刀尖主切削刃與副切削刃連接處的一小段切削刃。為了改善刀尖的切削性能，常將刀尖磨成直線或圓弧形過渡刃。2014-10-8刀具標注角度參考系

與一般刀具相同，要進行切削加工，刀具必須具有切削角度。定義刀具的幾何角度需要建立參考系。在刀具設計、制造、刃磨、測量時用于定義刀具幾何參數(shù)的參考系稱為標注角度參考系或靜止參考系。在此參考系中定義的角度稱為刀具的標注角度。2014-10-8構成參考系的參考平面

基面Pr——通過切削刃上選定點，垂直于主運動方向的平面。切削平面Ps——通過切削刃上選定點，與切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。主剖面Po——通過切削刃上選定點，同時垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。切削刃法剖面Pn——通過切削刃上選定點，垂直于切削刃切線的平面。進給剖面Pf——通過切削刃上選定點，平行于進給運動方向，并垂直于基面Pr的平面。切深剖面Pp——通過切削刃上選定點，，同時垂直于基面Pr和進給剖面Pf的平面。2014-10-8思考主剖面Po和法剖面Pn之間形成一個什么角度？該角度怎樣測量？2014-10-8正交的主剖面參考系2014-10-8正交的主剖面參考系正交的主剖面參考系是由基面Pr

、切削平面Ps和主剖面Po三個平面組成的空間直角坐標系。是最常用的刀具標注角度參考系。通常，切削刃是空間曲線，切削刃上各點在空間的方位都不同，因此必須先確定一個選定點。以車刀為例：車刀切削刃上各點的基面都平行于車刀的安裝面（即底面）。安裝面是刀具制造、刃磨、測量時的定位基面。但除直線刃的特殊情況之外，車刀切削刃上各點切削平面的方位都不同。一般情況下，車刀切削刃上各點正交平面的方位也都不同。2014-10-8法剖面參考系法剖面Pn垂直于切削平面Ps，但與基面Pr相互不垂直。

2014-10-8進給、切深剖面參考系2014-10-8主剖面參考系內的標注角度2014-10-8主剖面參考系內的標注角度5個基本角度：主偏角κr

——切削平面Ps與進給剖面Pf之間的夾角，在基面Pr內測量，也是主切削刃S在基面Pr內的投影與進給運動方向之間的夾角；副偏角κr＇——副切削刃S'在基面Pr內的投影與進給運動負方向之間的夾角，在基面Pr內測量；前角γo——前刀面Aγ與基面Pr之間的夾角，在主剖面內測量；后角αo——后刀面Aα與切削平面Ps之間的夾角，在主剖面內測量；刃傾角λs——主切削刃S與基面Pr之間的夾角，在切削平面Ps內測量（也是主剖面Po和法剖面Pn之間的夾角，為什么？）。2014-10-8主剖面參考系內的標注角度兩個派生角度：楔角βo——前刀面Aγ與后刀面Aα之間的夾角，在主剖面內測量，是由前角γo與后角αo得到的派生角度：γo+αo+βo=90°；刀尖角εr——切削平面Ps與副切削平面P

s‘之間的夾角，在基面Pr內測量，由主偏角κr與副偏角κr’得到的派生角度：εr=180°-（κr+κr＇）。2014-10-8實驗

刀具幾何角度是學習本課程中的難點之一。而理論結合實踐是克服該難點的好方法。實驗課的實驗：“車刀幾何角度的測量”中，將進行“刀具幾何角度”的實驗測量。通過實驗，要求掌握車刀各幾何角度、各參考平面及其相互關系。2014-10-8法剖面參考系內的標注角度2014-10-8法剖面參考系內的標注角度法剖面參考系與主剖面參考系只有剖面不同。因此，法剖面參考系內標注的基本角度與派生角度中，只有法剖面內標注角度與主剖面內標注角度不同，其余角度相同。法前角γn——前刀面Aγ與基面Pr之間的夾角，在法剖面內測量；法后角αn——后刀面Aα與切削平面Ps之間的夾角，在法剖面內測量。法楔角βn——前刀面Aγ與后刀面Aα之間的夾角，在法剖面內測量，是由法前角γn與法后角αn得到的派生角度：γn+αn+βn=90°。2014-10-8進給、切深剖面參考系內的標注角度2014-10-8進給、切深剖面參考系內的標注角度與法剖面參考系類似，進給、切深剖面參考系內標注的基本角度中，只有前角與后角不同，其余角度相同。進給剖面內的標注角度有進給前角γf、進給后角αf和進給楔角βf，切深剖面內的標注角度有切深前角γp、切深后角αp和切深楔角βp。2014-10-8刀具角度換算

主剖面參考系是一空間直角坐標系，是最常用的刀具標注角度參考系；法剖面參考系中的法前角γn和法后角αn，卻更能反映刀具的鋒利程度；而刀具制造、刃磨和測量又常用進給、切深剖面參考系。因此，刀具角度換算就成了不可避免。好在有計算機，按換算公式運算并不費事。

2014-10-8思考安裝刀具時，為什么要求刀刃高度與車床中心高一致？

2014-10-8刀具的工作角度以上是在靜止參考系中討論刀具的標注角度，實際上，在切削加工中，由于進給運動的影響，或者刀具相對于工件安裝位置發(fā)生變化時，會使刀具的實際切削角度發(fā)生變化。刀具在工作狀態(tài)下的切削角度，稱為刀具的工作角度。工作角度記作為：γoe、αoe、κre、κ′re、λse、α′oe等。2014-10-8橫向進給對工作角度的影響2014-10-8車外圓或車螺紋時（如圖所示），合成運動方向與主運動方向之間的夾角為μf，這時工作基面和工作切削平面分別相對于基面Pr和切削平面轉過μf角。2014-10-8刀刃安裝高度對工作角度的影響車削時刀具的安裝常會出現(xiàn)刀刃安裝高于或低于工件回轉中心的情況（如圖所示）。2014-10-8鏜刀安裝高度對工作角度的影響2014-10-8車刀安裝偏斜對工作角度的影響在車削時會出現(xiàn)刀柄與進給方向不垂直的情況（如圖所示）。2014-10-8刨削時刀柄與進給方向不垂直的影響2014-10-8思考機械加工時，為什么不是工件把刀具去除，而是刀具把工件去除？

2014-10-8刀具材料應具備的性能機械加工的實質是：用比工件材料硬的刀具，在機械能和機械力的作用下，切除多余的材料。刀具工作時除了要承受很大的壓應力外，還要承受與工件和切屑間的強烈摩擦而產生的高溫。刀具材料的切削性能對刀具的使用壽命、生產效率、加工質量和生產成本影響很大，因此必須合理選用。刀具材料的性能應滿足以下基本要求：2014-10-8刀具材料應具備的主要性能(1)硬度和耐磨性刀具材料的硬度應比工件材料的硬度高，一般常溫硬度要求62HRC以上。刀具材料應具有較高的耐磨性。材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料含有耐磨的合金碳化物越多、晶粒越細、分布越均勻，則耐磨性越好。(2)強度和韌性刀具材料必須有足夠的強度和韌性，以便在承受振動和沖擊時不產生崩刃和折斷。(3)耐熱性刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。2014-10-8刀具材料應具備的主要性能(4)工藝性為便于制造，刀具材料應具備較好的可加工性（焊接、鍛、軋、熱處理、切削和磨削等）。(5)經濟性經濟性是評價刀具材料的重要指標之一，刀具材料的價格應低廉，便于推廣。但有些材料雖單件成本很高，但因其使用壽命長，分攤到每個工件上的成本不一定很高。2014-10-8常用刀具材料——高速鋼高速鋼是含有W、Mo、Cr、V等合金元素較多的合金工具鋼。它所允許的切削速度比碳素工具鋼及合金工具鋼高1～3倍，故稱為高速鋼。高速鋼具有較高的耐熱性，在500～650°C時仍能切削。高速鋼還具有高的強度、硬度（63～70HRC）和耐磨性，另外，其熱處理變形小、能鍛易磨，是一種綜合性能好、應用最廣泛的刀具材料。特別適合制造結構復雜的成形刀具、鉆頭、滾刀、拉刀和螺紋刀具等。由于高速鋼的硬度、耐磨性、耐熱性不及硬質合金，因此只適于制造中、低速切削的各種刀具。高速鋼分兩大類：普通高速鋼和高性能高速鋼。切削一般材料可選用普通高速鋼，其中W18Cr4V過去國內用得多，目前國內外大量使用的是W6Mo5Cr4V2；切削難加工材料時可選用高性能高速鋼。2014-10-8常用刀具材料——硬質合金硬質合金是由高硬度的難熔金屬碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金屬粘結劑（如Co、Ni、Mo等）經粉末冶金方法制成的。硬質合金的硬度、特別是高溫硬度、耐磨性、耐熱性都高于高速鋼，硬質合金的常溫硬度可達89～93HRA（高速鋼為83～86.6HRA），在800°C～1000°C時仍能進行切削。硬質合金的切削性能優(yōu)于高速鋼，刀具耐用度也比高速鋼高幾倍到幾十倍，在相同耐用度時，切削速度可提高4～10倍。但硬質合金較脆，抗彎強度低，韌性也很低。2014-10-8超硬刀具材料——陶瓷

陶瓷是以氧化鋁（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）為基體再添加少量金屬，在高溫下燒結而成的一種刀具材料。陶瓷刀具比硬質合金具有更高的硬度和耐熱性，在1200°C的溫度下仍能切削，切削速度更高，并可切削難加工的高硬度材料。主要缺點是性脆，抗沖擊韌性差，抗彎強度低。2014-10-8超硬刀具材料——金剛石

天然金剛石是自然界最硬的材料。耐磨性極好，但價格昂貴，主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求極高的零件的刀具，如加工磁盤、激光反射鏡等。人造金剛石是除天然金剛石外最硬的材料，多用于有色金屬及非金屬材料的超精加工以及作磨料用。金剛石是碳的同素異形體，與碳易親合，故金剛石刀具不宜加工含有碳的黑色金屬。2014-10-8超硬刀具材料——立方氮化硼立方氮化硼（CBN）由六方氮化硼（白石