金屬切削刀具的基本知識

1、金屬切削刀具的基本知識,金屬切削加工的目的： 使被加工零件的尺寸精度、形狀和位置精度、表面質(zhì)量達到設(shè)計與使用要求。 金屬切削加工要切除工件上多余的金屬，形成已加工表面，必須具備兩個基本條件：切削運動(造型運動)和刀具(幾何形態(tài))。造型運動的復(fù)雜程度將影響機床的結(jié)構(gòu)。刀具的復(fù)雜程度將影響刀具刃磨制造的難易程度，同時也會促進刀具材料、刀具制造工藝的發(fā)展。,一、金屬切削加工的基本概念,由機床或人力提供的刀具與 工件之間主要的相對運動, 它使刀具切削刃及其鄰近的 刀具表面切入工件材料，使 被切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行? 從而 形成工件的新表面。在切削 運動中，主運動速度最高、 耗功最大，是切下切屑所必 須的基本

2、運動。,切削刃上選定點相對于工件的瞬時主運動方向。,切削刃上選定點相對于工件的主運動的瞬時速度。,刀具與工件之間附加 的相對運動, 它配合主運動 依次地或連續(xù)不斷地切除 切屑, 從而形成具有所需幾 何特性的已加工表面。 進給運動可由刀具完 成(如車削)，也可由工件完 成(如銑削)，可以是間歇的 （如刨削）, 也可以是連續(xù) 的（如車削）。,切削刃上選定點相對于工件的瞬時進給方向。,切削刃上選定點相對于工件的進給運動的瞬時速度。,主運動和進給運動 合成的運動稱為合 成切削運動。,各種切削加工的切削運動,切削刃相對于工件的運動過程, 就是表面形成過程。 在這個過程中, 切削刃相對于工件的運動軌跡面就

3、是工件上的加工表面和已加工表面。 有兩個要素，一是切削刃, 二是切削運動。 不同的切削運動的組合,即可形成各種工件表面。,2、切削加工過程中的工件表面,車削加工是一種最常見的、典型的切削加工方法。車削加工過程中工件上有三個不斷變化著的表面（圖1-1） 。,工件上待切除的表面。,工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的新表面。,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之間的過渡表面。,3、切削要素,切削要素主要指控制切削過程的切削用量要素和在切削過程中由余量變成切屑的切削層參數(shù)。,對切削運動定量描述的重要指標(biāo)之一。外圓車削的切削速度為 vc =dwn/1000,是指刀具在進給運動方向上相對工件的位

4、移量。 當(dāng)主運動是回轉(zhuǎn)運動時，進給量指工件或刀具每回轉(zhuǎn)一周，兩者沿進給方向的相對位移量，單位為mm/r； 當(dāng)主運動是直線運動時，進給量指刀具或工件每往復(fù)直線運動一次，兩者沿進給方向的相對位移量，單位為mm/str或mm/單行程；,在基面上垂直于進給運動方向測量的切削層最大尺寸,外圓車削: ap(dw-dm)/2,三要素的乘積作為衡量指標(biāo)，單位為mm3/min， Qz=1000vcfap,切削層是指在切削過程中，由刀具在切削部分的一個單一動作（或指切削部分切過工件的一個單程，或指只產(chǎn)生一圈過渡表面的動作）所切除的工件材料層（圖12）。,垂直于正在加工的表面（過渡表面）度量的切削層參數(shù)。 hDfs

5、inKr,平行于正在加工的表面（過渡表面）度量的切削層參數(shù)。 bDapsinKr,圖23 車削時的切削層尺寸,在切削層參數(shù)平面內(nèi)度量的橫截面積。 ADhDbD=apf,上述公式中可看出 hD、bD均與主偏角有關(guān)，但切削層公稱橫截面積AD只與hD、bD或f、ap有關(guān)。,二、刀具角度,（一）刀具的構(gòu)成,1.刀 面,刀具切削部分的基本定義,圖24,圖24 車 刀 的 構(gòu) 成,2.刀刃,3刀尖,刀具角度是為刀具設(shè)計、制造、刃磨和測量時所使用的幾何參數(shù)，它們是確定刀具切削部分幾何形狀（各表面空間位置）的重要參數(shù)。 用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)面稱為參考系; 參考系可分為刀具靜止參考系和刀具工作參考

6、系兩類。,（三）定義刀具角度的參考系,1刀具靜止參考系,2.正交平面參考系,由以下三個在空間相互垂直的參考平面構(gòu)成。圖26,通過切削刃上選定點，垂直于該點切削速度方向的平面。通常平行于車刀的安裝面（底面）。,通過切削刃上選定點，垂直于基面并與主切削刃相切的平面。,通過切削刃上選定點，同時與基面和切削平面垂直的平面。,圖2-6 正交平面參考系,（三）刀具的標(biāo)注角度,說明：以上標(biāo)注角度是在刀尖與工件回轉(zhuǎn)軸線等高、刀桿縱向軸線垂直于進給方向，以及不考慮進給運動的影響等條件下確定的。,圖27 車刀的主要角度,（四）刀具工作角度,刀具在工作參考系中確定的角度稱為刀具工作角度。 研究刀具工作角度的變化趨勢

7、，對刀具的設(shè)計、改進、革新有重要的指導(dǎo)意義。,1刀具工作參考系的建立,刀具工作參考系,通過切削刃上的考查點，垂直于合成切削運動速度方向的平面。,通過切削刃上的考查點，與切削刃相切且垂直于工作基面的平面。,通過切削刃上的考查點，同時垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,2刀具工作角度的分析,圖210 軸向進給運動對工作角度的影響,圖211,圖211 刀尖安裝高低對工作角度的影響,圖212車刀安裝偏斜對工作主偏角、副偏角的影響,三、刀具材料,1. 刀具材料應(yīng)具備的性能,2. 常用刀具材料,包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼。,有鎢鈷類硬質(zhì)合金、鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金和鎢鈦鉭（鈮）類硬質(zhì)合金。,推廣使用新

8、型刀具材料如涂層刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼等。 高速鋼和硬質(zhì)合金的主要物理力學(xué)性能見表2-1、2(p15)。,1高速鋼,它是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。 熱處理后硬度可達6266HRC, 抗彎強度約3.3GPa，有較高的熱穩(wěn)定性 、耐磨性 、耐熱性。切削溫度在500650C時仍能進行切削。 由于熱處理變形小、能鍛易磨，所以特別適合于制造結(jié)構(gòu)和刃型復(fù)雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、切齒刀、螺紋刀具和拉刀等。,按用途可分為：通用高速鋼和高性能高速鋼。 按制造工藝可分為: 熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼和表面涂層高速鋼。 按基本化學(xué)成份可分為: 鎢系和鉬系。,（1）高速鋼的分類,（

9、2）常用高速鋼的牌號與性能,通用型高速鋼 W18Cr4V(18-4-1)由于鎢價高，熱塑性差，碳化物分布不均勻等原因，目前國內(nèi)外已很少采用。 高性能高速鋼 高性能高速鋼是指在通用型高速鋼中增加碳、釩、鈷或鋁等合金元素，使其常溫硬度可達6770HRC，耐磨性與熱穩(wěn)定性進一步提高?？梢杂糜诩庸げ讳P鋼、高溫合金、耐熱鋼和高強度鋼等難加工材料。典型牌號有M42、5O1。 粉末冶金高速鋼 粉末冶金高速鋼是用高壓氬氣或純氮氣霧化熔融的高速鋼鋼水而得到細小的高速鋼粉末，然后再熱壓鍛軋制成。適用于制造精密刀具、大尺寸(滾刀、插齒刀)刀具、復(fù)雜成形刀具、拉刀等。高速鋼的主要物理力學(xué)性能見表2-1(p15)。,硬

10、質(zhì)合金以其優(yōu)良的性能被廣泛用作刀具材料。大多數(shù)車刀、端銑刀等均由硬質(zhì)合金制造； 硬質(zhì)合金是由高硬度和高熔點的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成。 硬質(zhì)合金刀具常溫硬度為8993HRA，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好，耐磨性好，耐熱性達8001000C。 硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度比高速鋼刀具高510倍 。,2硬質(zhì)合金,鎢鈷類（WC+Co）； 鎢鈦鈷類（WC+TiC+Co）； 添加稀有金屬碳化物類（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）； 碳化鈦基類（TiC+WC+Ni+Mo）。,（1）硬質(zhì)合金的分類,（2）常用硬

11、質(zhì)合金的牌號及其性能,鎢鈷類硬質(zhì)合金 代號為YG，屬K類。合金中含鈷量愈高，韌性愈好，適合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)類硬質(zhì)合金，有較好的韌性、磨削性、導(dǎo)熱性，適合于加工產(chǎn)生崩碎切屑及有沖擊載荷的脆性金屬材料。 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金 代號為YT，屬P類。它以WC為基體, 添加TiC，用Co作粘結(jié)劑燒結(jié)而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐熱性進一步提高，但抗彎強度、導(dǎo)熱性、特別是沖擊韌性明顯下降，適合于精加工。 鎢鈦鉭（鈮）類硬質(zhì)合金 代號為YW，屬M類。它在YT(P)類硬質(zhì)合金中加入TaC或NbC，這樣可提高抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性、抗氧化能力、耐磨性和高溫硬度

12、等。它既適用于加工脆性材料，又適用于加工塑性材料。 常用硬質(zhì)合金的牌號與性能見表2-2（p18)。,3涂層刀具材料,在韌牲較好的刀具基體上，涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al203及其復(fù)合材料等, 涂層厚度隨刀具材料不同而異。,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削時能產(chǎn)生氧化鈦膜，減小摩擦及刀具磨損。,在高溫時能產(chǎn)生氧化膜，與鐵基材料摩擦系數(shù)較小，抗粘結(jié)性能好，并能有效降低切削溫度。,第一層涂TiC，與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂TiN,減少表面層與工件間的摩擦。,第一層涂TiC, 與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂A

13、l203可使刀具表面具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能。,目前單涂層刀片已很少應(yīng)用，大多采用TiC-TiN復(fù)合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復(fù)合涂層。,4其它刀具材料,以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬，在高溫下燒結(jié)而成的一種刀具材料。 其優(yōu)點是硬度高，耐磨性、耐高溫性能好，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，與金屬的親合力小、抗粘結(jié)和抗擴散能力強； 其缺點是脆性大、抗彎強度低，沖擊韌性差，易崩刃，所以使用范圍受到限制； 可用于鋼、鑄鐵類零件的車削、銑削加工。,碳的同素異形體，在高溫、高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成，是目前人工制造出的最堅硬物質(zhì)。 由于硬度極高，耐磨性好，切削刃口鋒利，刃部表面摩擦系數(shù)較

14、小，不易產(chǎn)生粘結(jié)或積屑瘤，可用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷等硬度達6570HRC的材料。 也可用于加工高硬度的非金屬材料，如石材、壓縮木材、玻璃等，還可加工有色金屬，如鋁硅合金材料以及復(fù)合難加工材料的精加工或超精加工。 缺點是熱穩(wěn)定性差，強度低、脆性大，對振動敏感，只宜微量切削，與鐵有強烈的化學(xué)親合力，不能用于加工鋼材。,立方氮化硼（CBN）是一種人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成。 它有很高的硬度及耐磨性，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性大，與鐵系金屬在1300時不易起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)熱性好，摩擦系數(shù)低。 因此可用于高溫合金、冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料的加工。,應(yīng)當(dāng)指出，加工一

15、般材料大量使用的仍是普通高速鋼及硬質(zhì)合金，只有在加工難加工材料時，才考慮選用新牌號合金或高性能高速鋼，在加工高硬度材料或精密加工時，才考慮選用超硬材料。 習(xí)題 :2-7、2-8。,四、刀具角度的選擇,1.前角O,O,刀刃鋒利,，切屑變形,切削力和切削功率,刀刃和刀尖強度,，散熱體積,刀具壽命,o1,Pr,o2,前角大小取決于：工件材料、 刀具材料及加工要求。,工件材料強度、硬度較低時，應(yīng)取較大前角，反之應(yīng)取較小的前角。 加工塑性材料時，應(yīng)取較大前角，加工脆性材料時，應(yīng)取較小的前角。 刀具材料韌性好（高速鋼），取較大前角，反之（硬質(zhì)合金）取較小前角。 粗加工時，取較小前角，精加工時，取較大前角。

16、,2.后角o,o,后刀面與工件的摩擦,后刀面的磨損率,后角大小取決于：切削厚度、 工件材料及工藝系統(tǒng)剛度。,切削厚度越大，后角越??； 工件材料越軟、塑性越大，后角越大； 工藝系統(tǒng)剛度較差時，適當(dāng)減小后角；,3.主偏角r 和副偏角r,r 和r,刀刃強度,表面粗糙度,背向力Fp,殘留面積高度,，散熱條件,刀具壽命,，進給力Ff,kr1,Kr,kr2,Fp,Ff,工藝系統(tǒng)剛性較好時，主偏角取較小值；反之取較大值。 副偏角大小取決于表面粗糙度（515)，粗加工時取大值，精加工取小值。,4.刃傾角s,主要影響刀頭的強度和切屑的流動方向。,加工一般鋼料和鑄鐵，無沖擊時： 粗車s 05，精車s 0+5； 有

17、沖擊時：s 515； 特別大時：s 3045。 切削加工高強度鋼、冷硬鋼時： s 3045。,第二節(jié) 常用金屬切削刀具,一、車刀,結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，抗振性能好，制造方便使用靈活。但刀片易產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋。,車刀是金屬切削加工中使用最廣泛的刀具，它可以在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床、立式車床、自動與半自動車床上，完成工件的外圓、端面、切槽或切斷等不同的加工工序。 （圖213） 圖213,圖2-13 幾種常用的車刀,145彎頭車刀；290外圓車刀；3外螺紋車刀；475外圓車刀；5成形車刀；690外圓車刀；7切斷刀；8內(nèi)圓切槽刀；9內(nèi)螺紋車刀；10盲孔鏜刀；11通孔鏜刀,避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀桿

18、可重復(fù)使用利用率較高。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂紋。,1.不需刃磨，刀片材料能較好地保持原有力學(xué)性能、切削性能、硬度和抗彎強度。 2.減少了刃磨、換刀、調(diào)刀所需的輔助時間，提高了生產(chǎn)效率。 3.可使用涂層刀片，提高刀具耐用度。,圖216 可轉(zhuǎn)位式車刀的組成,二、孔加工刀具,主要用于孔的粗加工，IT11級以下；表面粗糙度Ra25m 6. 3 m 。,圖218,（1）螺旋角,指鉆頭最外緣處螺旋線的切線與鉆頭軸線的夾角 。,圖218 麻花鉆的組成和切削部分,f,軸向力和扭矩,切削輕快,切削刃強度和散熱條件,刀具壽命,螺旋角的大小不僅影響排屑情況，而且它就是鉆頭的軸向前角。,標(biāo)

19、準(zhǔn)麻花鉆的螺旋角=18 30。 黃銅、軟青銅： =10 17 輕合金、紫銅： =35 40 高強度鋼、鑄鐵:圖=10 15 213,（2）頂角2,指兩主切削刃在與它們平行的平面上投影的夾角 。（圖218b）,2,主切削刃長度,單位切削刃上的負荷及軸向力,鉆尖強度,有利于散熱，提高鉆頭耐用度,而扭矩,（3）前角o,是在正交平面內(nèi)測量的前刀面與基面間的夾角 。（圖219）,由于鉆頭的前刀面是螺旋面，且各點處的基面和正交平面位置亦不相同，故主切削刃上各處的前角也是不相同的，由外緣向中心逐漸減小。在圖樣上，鉆頭的前角不予標(biāo)注，而用螺旋角表示。,圖219 麻花鉆的幾何角度,（4）后角f,是在假定工作平面

20、內(nèi)測量的切削平面與主后刀面之間的夾角 。（圖219）,為改善切削條件，并能與切削刃上變化的前角相適應(yīng)，而使各點的楔角大致相等，麻花鉆的后角刃磨時應(yīng)由外緣向中心逐漸增大。,（5）橫刃角度,橫刃角度包括橫刃斜角、橫刃前角o、和橫刃后角 o。（圖220）,由于橫刃前角為負值，因此橫刃的切削條件很差，切削時因產(chǎn)生強烈的擠壓而產(chǎn)生很大的軸向力。 對于直徑較大的麻花鉆，一般都需要修磨橫刃。,圖220 橫刃切削角度,用于對已鉆孔的進一步加工，IT10 IT11級；表面粗糙度6. 3 3.2m 。,（1）擴孔鉆的類型,（2）擴孔鉆與麻花鉆的比較,圖221,1）刀齒數(shù)多（34個），故導(dǎo)向性好，切削平穩(wěn)； 2）刀

21、體強度和剛性較好； 3）沒有橫刃，改善了切削條件。 因此，大大提高了切削效率和加工質(zhì)量。,用于中、小尺寸孔的半精加工和精加工，IT6 IT8級；表面粗糙度1.6 0.4m 。,（1）鉸刀的類型,（2）鉸刀與擴孔鉆的比較,圖222,1）刀齒數(shù)多（612個），故導(dǎo)向性好，切削平穩(wěn)； 2）刀體強度和剛性較好（容屑槽淺，芯部直徑大）； 因此，鉸孔的加工質(zhì)量更好。,圖222 鉸刀的類型 （a）直柄機用鉸刀（b）錐柄機用鉸刀c）硬質(zhì)合金錐柄機用鉸刀（d）手用鉸刀（e）可調(diào)節(jié)手用鉸刀（f）套式機用鉸刀（g）直柄 莫式圓錐鉸刀（h）手用1:50錐度鉸刀,圖223 鉸刀的結(jié)構(gòu),三、銑 刀,主要用于平面、臺階、溝

22、槽和各種成形面的加工 。（圖）,1）圓柱銑刀的幾何角度,圖224,為了便于制造，規(guī)定圓柱銑刀的前角用法平面前角n表示。,銑削鋼件： o=10 20 銑削鑄鐵件： o=5 15,圖 銑刀種類,圖224 圓柱銑刀的幾何角度,圓柱銑刀的后角是用正交平面后角o表示。（圖） 粗加工： o 12 精加工： o 16,圓柱銑刀的螺旋角就是其刃傾角它能使切削刃逐漸切入和切離工件，而且同時工作齒數(shù)較多，故能提高銑削過程的平穩(wěn)性。 粗齒銑刀： 40 60 細齒銑刀： 30 35,2）端銑刀的幾何角度,端銑刀的每個刀齒類似車刀，有主、副切削刃和過渡刃。在正交平面系內(nèi)端銑刀的標(biāo)注角度有：o、o、kr、kr和s。,圖2

23、25,圖225 端銑刀的幾何角度,銑削方式是指銑削時銑刀相對于工件的運動和位置關(guān)系。不同的銑削方式對刀具的耐用度、工件的加工表面粗糙度、銑削過程的平穩(wěn)性及切削加工的生產(chǎn)率等都有很大的影響。,（1）圓周銑削法（周銑法）,周銑法有兩種銑削方式：逆銑法和順銑法。,逆銑時，刀齒的切削厚度從ac=0至acmax。當(dāng)ac=0時，刀齒在工件表面上擠壓和摩擦，刀齒較易磨損。同時，工件表面受到較大的擠壓應(yīng)力，冷硬現(xiàn)象嚴重，更加劇刀齒磨損，并影響已加工表面質(zhì)量。此外，逆銑時刀齒作用于工件上的垂直進給力FfN朝上有挑起工件的趨勢，這就要求工件裝夾緊固。但是逆銑時刀齒是從切削層內(nèi)部開始工作的，當(dāng)工件表面有硬皮時，對刀

24、齒沒有直接影響；同時作用于工件上的進給力Ff與其進給方向相反，使銑床工作臺進給機構(gòu)中的絲杠螺母始終保持良好的右側(cè)面接觸，因此進給速度比較平穩(wěn)。 （圖）,銑刀旋轉(zhuǎn)切入工件的方向與工件的進給方向相反。 （圖228）,圖228 逆銑與順銑 （a）逆銑 （b）順銑,（2）端面銑削法（端銑法）,刀齒切入工件與切出工件的切削厚度ac相同者稱為對稱銑削。（圖229 a）,刀齒切入時的切削厚度小于或大于切出時的切削厚度者稱為不對稱銑削。（圖229 b c）,圖312 連桿的定位 1定位銷 2支承板 3圓柱銷 4工件,應(yīng)該限制五個自由度：,2、六點定位原理應(yīng)用舉例,1）、在長方體工件上銑通槽,2）、在長方體工件上銑不通槽,應(yīng)該限制六個自由度：,不完全定位,完全定位,應(yīng)該限制一個自由度：,3）、在球面上銑平面,4）、在車床上車外圓,應(yīng)該限制四個自由度：,不完全定位