刀具切削部分几何参数ppt课件.ppt

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1、第2章 切削过程及其控制,2.1金属切削的基本知识,一、切削运动二、工件加工表面三、切削用量四、刀具几何参数五、切削层参数六、刀具材料,主运动、进给运动,三个变化的表面,三要素,刀具组成,切削厚度、切削宽度、切削面积,性能、高速钢、硬质合金,计算,选择,刀参考系,几何角度,2.1 基 本 概 念,金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具要从工件上切去一部分金属，并在保证高生产率和低成本的前提下， 使工件得到符合图样要求的形状、尺寸精度和表面质量。为了实现这一过程，必须具备以下三个条件：工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；刀具材料必须具有一定的切削性能； 刀具必须具有适当的几何形状， 即

2、切削角度。,2.1.1切削加工成形运动,以图21所示外圆车削为例，要切除工件表面多余金属层，刀具与工件间必须有相对运动，即工件必须作回转运动，刀具作直线运动。依其作用的不同，可把切削运动分为主运动与进给运动。,图2-1 车削运动和加工表面1-待加工表面 2-过渡表面 3-已加工表面,1)主运动 直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。主运动的速度以Vc表示，称作切削速度。,2)进给运动 是指不断地把切削层投入切削的运动。它的速度较低。进给运动可能是连续性的运动，也可能是间歇性的。进给运动有时仅有一个，但也可能有几

3、个或没有。进给运动的速度用进给量f或进给速度Vf表示。,切削加工的主运动与进给运动往往是同时进行的，因此刀具切削刃上某一点与工件的相对运动是上述两运动的合成。 其合成速度Ve Vc+ Vf。,3)定位和调整运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动。可以由刀具完成，也可以由工件完成，还可以由刀具和工件共同完成。同时，主运动和进给运动可以是直线运动(平动)，也可以是回转运动(转动)，还可以是平动和转动的复合运动。 由于上述不向运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。,典型表面加工方法,典型表面加工方法,典型

4、表面加工方法,典型表面加工方法,典型表面加工方法,2.1.1工件加工表面,在工件上形成所要求的新表面过程中，工件上有三个不断变化着的表面（见图2-1）： 1待加工表面工件上有待切削金属层的表面； 2已加工表面工件上经刀具切削后形成的表面； 3过渡表面(加工表面)已加工与待加工表面间的切削刃正在切除的表面。 上述关于切削运动、工件表面的基本定义均适用与其它切削加工。,图2-1 车削运动和加工表面1-待加工表面 2-过渡表面 3-已加工表面,切削用量用来衡量切削运动。,2.1.2切削用量三要素,1. 切削速度 v ：主运动速度即为切削速度 (m/s 或m/min) 主运动为旋转运动:刀具或工件以最

5、大直径处的切削速度来计算v =d n/1000 式中：n-主运动速度（r/s） d-刀具或工件的最大直径（mm） 主运动为往复运动:平均速度： v = 2Lnr /1000L-往复运动行程长度（mm）nr-主运动每秒钟往复次（str/s）,2.1.2切削用量三要素,切削用量三要素,2. 进给量 f (mm/r 或 mm/双行程) 指工件或刀具每转一周时（或主运动一循环时），两者沿进给方向上相对移动的距离。 当刀具齿数z1时（如：钻削），每个刀齿相对于工件在进给方向上的位移量，即每齿进给量，以z表示，单位为mm/z。进给速度 vf=n f = n fz z （mm/s 或 mm/min) 因为进

6、给运动是由刀具完成的，故习惯上又称走刀运动。其大小称进给量或走刀量。,切削用量三要素,车削外圆时 ap = (dw-dm)/2 钻孔时 ap = dm/2 dw-待加工表面直径 dm-已加工表面直径,3. 背吃刀量（切削深度） ap背吃刀量ap是指主刀刃与工件切削表面接触长度，在主运动方向及进给所组成的平面的法线方向上测量的值,图2-2 切削用量a)车外圆 b)车端面 c)切槽,例题： 车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求v、f、ap,解： v =dn/1000 = 624/1

7、000 = 0.779 m/s,f = vf /n = 2/4 = 0.5 mm/r,ap = (dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm,2.1.3切削层参数,由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层在垂直于主运动方向的截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产效率。通常在基面Pr内度量。,1. 切削厚度 hD：在垂直于切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。hD反映了切削刃单位长度上工作负荷的大小 hD f sinr 2. 切削宽度 bD ：沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。 bD影响刀具的散热情况 bD a

8、p/sinr 3.切削层面积AD=hDbD=faP r为车刀主偏角，当工艺参数进给量f与背吃刀量ap确定后，主偏角r越大，切削厚度越大hD ，切削宽度越小bD ，当r=90时， hD f bD ap,图2-11 外圆纵车时切削层参数a)直线刃时 b)曲线刃时,当切削刃为直线时，切削刃上各点处的hD相等；切削刃为曲线时，刃上各点的hD是变化的,基准分类归纳如下：,2.4基准,一、基准 基准是机械制造中是用来确定生产对象上几何要素之间的几何关系所依据的那些点，线或面。 从设计和工艺两个方面看基准，可把基准分为两大类，即设计基准和工艺基准。,（一）设计基准 设计者在设计零件时，根据零件在装配结构中的

9、装配关系以及零件结构要素之的相互位置关系，确定标注尺寸（或角度）的起始位置。这些尺寸（或角度）的起始位置作设计基准。 设计图样上所采用的基准就是设计基准。设计基准可以是点，也可以是线或者面。,（二）工艺基准 零件在加工工艺过程中所采用的基准称为工艺基准。工艺基准又可进一步分为：工序基准，定位基准，测量基准和装配基准。,工艺基准,工序基准,定位基准,测量基准,装配基准,粗基准,精基准,附加基准,1工序基准 在工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。,在设计工序基准时，主要应考虑如下三个方面的问题：1）应尽量用设计基准作为工序基准；2）工序基准应尽可能用于工件

10、的定位和工序尺寸的检查；3）当采用设计基准为工序基准有困难时，可另选工序基准，但必须可靠的保证零件设计尺寸的技术要求。,由于工件的工序基准与定位基准不重合而引起的定位误差，称为基准不重合误差。,定位误差,2定位基准 在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准。,（1）粗基准和精基准:未经机械加工的定位基准称为粗基准，经过机械加工的定位基准称为精基准。机械加工工艺规程中第一道机械加工工序所采用的定位基准都是粗基准。 （2）固有基准:零件上原来就有的表面作为定位基准.附加基准:零件上根据机械加工工艺需要而专门制造出来的定位基准，称为辅助基准。例如。轴类零件常用顶尖孔定位，顶尖孔就是专为机械加工工艺而

11、设计的辅加基准。,3测量基准 在加工中或加工后用来测量 工件的形状、位置和尺寸误差，测量时所采用的基准，称为测量基准。,4装配基准 在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准，称为装配基准。,基准分类归纳如下：,2.2 切削刀具基本定义,金属切削加工的刀具种类繁多，但刀具切削部分的组成却有共同点。车刀的切削部分可看作是各种刀具切削部分最基本的形态。2.2.1 车刀切削部分的组成 车刀由切削部分和刀柄组成。刀具中起切削作用的部分称切削部分，夹持部分称刀柄，图2-3表示了车刀的组成部分和各部分的名称。,刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合。,车刀的切削部分由3个刀面（前刀

12、面、主后刀面和副后刀面），2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成。,切屑流出时经过的刀面,切削部分：由不同刀面和切削刃构成。,与过渡表面相对的刀面，也称主后刀面,与已加工表面相对的刀面,前刀面与后刀面的交线。在切削加工过程 中，它担负着主要的切削工作,前刀面与副后刀面的交线。它担负少量切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最终形成工件上的已加工表面,刀尖是主、副切削刃连接部位，或者是主、副切削刃的交点,尖刀尖 b) 倒圆刀尖 c) 倒角刀尖,刀 尖 结 构,图2-1 车削运动和加工表面1-待加工表面 2-过渡表面 3-已加工表面,刀具切削部分的构成,切削部分由不同刀面和切削刃构成。定义如下

13、： (1) 前刀面A 切屑沿其流出的刀面。 (2) 后刀面A与加工表面相对的刀面。同前刀面相交形成主切削刃的表面， (3) 副后刀面 A与已加工表面相对的表面。同前面相交形成副切削刃的表面， (4) 主切削刃S 前刀面与后刀面的交线。它担负着主要的切削工作。 (5) 副切削刃 S前刀面与副后刀面的交线。它担负少量切削工作。 (6) 刀尖 主、副切削刃连接处相当少的一部分切削刃。,2.2.2刀具坐标系与刀具几何角度,刀具几何角度：是用来表示前、后刀面和切削刃的空间位置的。 各刀面和切削刃的空间位置对刀具的切削性能、加工质量和切削效率有很大影响。确定刀具几何角度有工作坐标系(刀削层参数坐标系)和标

14、注坐标系。,2.2.2.1刀具标注角度坐标系,在设计与制造刀具时，需确定刀具角度值的大小，此时还不知道合成切削速度的方向。所以，只能在某些合理的假定条件下建立坐标系，这就是刀具标注角度坐标系，在此坐标系中所确定的刀具角度称为刀具标注角度。,车削时的假设条件有：,主切削刃处在水平面上，刀尖恰在工件中心高度上：刀柄中心线垂直于工件轴线(假定进给方向)；主运动方向与刀具底面垂直(不考虑进给运动)；工件已加工表面的形状为圆柱面。,确定刀具角度的坐标参考系： 主运动方向 静止参考系 进给运动方向 刀具安装位置,2.2.2 刀具标注角度坐标系,参考坐标平面:基面和主切削平面测量平面:正交平面、法平面、假定

15、工作平面及背平面。,图3-3 车刀的静止参考系（图中vc表示假定的主运动方向，vf表示假定的进给运动方向）,2.6.2 刀具几何角度,1）基面 Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。,图2-49 车刀主剖面坐标系,2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。,3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。,1. 刀具标注坐标系,构成刀具标注坐标系的基准平面有六个：（1） 基面Pr：通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。 车刀的基面平行于刀体底面。 钻头、铣刀等旋转体类刀具的基面为通过切削刃上选定点，包

16、含刀具轴线的平面。,基面Pr：通过切削刃上选定点，垂直于该点合成切削运动方向的平面。,(一),1. 刀具标注坐标系系,(2) 切削平面Ps：通过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面。也就是通过切削刃上选定点，切于工件加工表面的平面(不考虑进给运动)。,切削平面Ps ：通过切削刃上选定点，包含该点合成切削速度方向，同时相切于主切削刃的平面,(一),1. 刀具标注坐标系,(3) 正交平面Po：通过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。,正交平面（主剖面）Po：切削刃上选定点的正交平面是过该点并同时垂直于基面和切削平面的平面,(一),正交平面（主剖面）Po：切削刃上选定点的正交平面

17、是过该点并同时垂直于基面和切削平面的平面,(一),法平面（法剖面）Pn：切削刃上选定点的法平面是过该点并与切削刃垂直的平面,(二),切深剖面（背平面）Pp：通过主切削刃上选定点，垂直于基面的平面，与进给方向垂直的平面,(三),假定工作平面 Pf：通过主切削刃上选定点，垂直于基面的平面，与进给方向平行的平面,(三),1. 刀具标注坐标系,由基准平面PrPsPo组成的静止参考系称为刀具的正交平面参考系。,图3-3 车刀的静止参考系（图中vc表示假定的主运动方向，vf表示假定的进给运动方向）,刀具几何角度分类,1、刀具标注角度 刀具标注角度是在标注坐标系内确定。 是在刀具制造工作图上所要标注的角度，

18、即刀具在制造、刃磨和测量时要控制的角度。,2. 刀具的标注角度,刀具在正交平面Po中定义的静态角度有：（1）前角go：在正交平面Po上测量的刀具前刀面Ag 与基面Pr之间的夹角。 通过选定点的基面若位于刀体的实体之外，前角为正值；若基面位于实体之内,则前角为负值。,1）前角o 在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时o定为正值；位于刀头实体之内时o定为负值。,o影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。,2.6.2 刀具几何角度,用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；

19、切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5 -10。,2. 刀具的标注角度,（2）后角ao：在正交平面Po上测量的刀具后刀面Ag 与切削平面Ps之间的夹角。（3）楔角 b：楔角 b是在正交平面Po上测量的前刀面Ag 与后刀面Aa 之间的夹角。 b =90-（ go + ao ）,2）后角o 后角o在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。,2.6.2 刀具几何角度,粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；

20、精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。,2. 刀具的标注角度,刀具在基面Pr中测量中测量的静态角度有：（4）主偏角kr：在基面Pr上测量的切削平面Ps与假定进给方向（假定工作平面Pf）之间的夹角。 即主切削刃在基面上的投影与假定进给方向之间的夹角.,3）主偏角r 在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,r的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。r的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。,2.6.2 刀具几何角度,主偏

21、角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。,2. 刀具的标注角度,（5）副偏角kr：副偏角kr是在基面Pr上测量的副切削平面Ps与假定进给方向（假定工作平面Pf）之间的夹角。 副偏角kr一般为锐角。,4）副偏角r r在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。,2.6.2 刀具几何角度,在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。,2. 刀具的标注角度,（6）刀尖角er ：刀尖角er是在基面P

22、r上的测量切削平面Ps与副切削平面之间的夹角。即主切削刃与副切削在基面上投影之间的夹角。 er =180-（ kr + kr ）,（7）刃倾角s在切削平面Ps内测量的，主切削刃S与基面Pr间的夹角称刃倾角。有正负之分，刀尖位于切削刃的最高点时定为“+”、反之为负“-”，它影响切屑流向和刀尖强度。,切削平面 Ps内的角度,2. 刀具的标注角度,切削刃的选定点、刃倾角和主偏角这三个参数，确定了主切削刃在参考系中的位置。当 ls=0时，主切削刃与切削速度垂直，称直角切削或正切削。而ls0的切削为斜角切削或斜切削。 ls 为正或负会改变切屑流出的方向。,直角切削：s0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直

23、斜角切削：s0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直,5刃倾角的功用及其选择,2.6.2 刀具几何角度,s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。,2. 刀具的标注角度,在副正交平面Po上测量（8）副后角ao：副后角ao是在副正交平面Po上测量的副后面Aa与副切削平面Ps之间的夹角。（9）副前角go ：前刀面与基面之间的夹角,2. 刀具的标注角度,上述7个角度（go、ao、kr、ls、kr、 ao 、go ）是在正交平面参考系中，确定车刀三个刀面（前面Ag、后面Aa、副后面Aa）、两个刀刃（主切削刃S、副切削刃S）的位置所

24、必需的7个独立的刀具角度。,基本角度(r，r，s，o，o)确定了主切削刃及前、后刀面的方位。 其中o ， s确定前刀面方位 ， r，o确定后刀面方位， r，s确定主切削刃的方位。,在正交平面内确定刀具几何角度时，首先画出表示切削刃和刀面主位的两个基本视图：在基面Pr和切削平面Ps上的投影图,D、派生角度（I）刀尖角r在基面Pr内测量的，主切削平面Ps与副切削平面Ps间的夹角。 （II）余偏角r在基面Pr内测量的主切削平面Ps与背平面Pp间的夹角。 （III）楔角o在正交平面Po内测量的前刀面 Ar与后刀面A间的夹角 。,（2）法平面参考系中的刀具标注角度,基本角度：（1）主偏角r（2）刃倾角s

25、（3）法前角n（4）法后角n（5）副偏角r,派生角度：（1）刀尖角r（2）余偏角r（3）法楔角n,基本角度：（1）主偏角r（2）进给前角f（3）进给后角f（4）背前角p（5）背后角p（6）副偏角r,（3）进给切深平面参考系中的刀具标注角度,派生角度：（1）刀尖角r（2）余偏角r（3）背楔角p（4）进给楔角f,坐标平面参考系,二、刀具的标注角度,确定刀具角度的坐标参考系： 主运动方向 静止参考系 进给运动方向 刀具安装位置,实际合成切削运动方向 工作参考系 进给运动方向 刀具实际安装位置,工作角度 是刀度工作状态下的角度。它的大小与切削运动和刀具安装位置有关,1)刀具工作(切削参数)坐标系,1)

26、切削参数坐标系 切削参数坐标系又称刀具工作坐标系，它是在刀具实际工作状态下建立的坐标系，因而与合成切削速度ve相联系。刀具切削参数坐标系的三个坐标平面分别是： 工作基面Pre通过切削刃某选定点，垂直于合成切削速度ve的平面。 工作切削平面Pse通过切削刃某选定点，与工件加工表面相切的平面。 合成切削速度被包含在切削平面之中，切削平面与基面相互垂直。,三、刀具的工作角度,例1 基面Pr与工作基面Pre的比较： 基面Pr是通过切削刃上选定点且垂直于假定主运动方向的平面；而工作基面Pre是通过切削刃上选定点，垂直于合成切削运动方向的平面。二者的不同点在于前者的主运动方向是假定的，而后者的合成切削运动

27、方向是实际存在的。,工作正交平面Poe垂直于切削刃在基面上的投影的平面。 工作副正交平面Poe垂直于副切削刃在基面上的投影的平面。,图228所示为横向切入车削时的切削平面和基面。横车的加工表面为阿基米德螺旋面。可见基面并非是一个水平面，而是切削运动轨迹圆的法平面。切削平面也不是一个垂直面，而是切削运动轨迹面的切平面。它们与相应的前刀面及后刀面组成了夹角。,2.2.4 刀具的工作角度,1进给运动的影响 1）横车 切断刀切断工件时（图2-9），若不考虑进给运动，切削刃上选定A的运动轨迹是一圆，因此该点的基面是过A点的工作径向平面P，切削平面为过A点与P垂直的切平面Ps，其前后角o、o（图2-9）。

28、当考虑进给运动后，切削刃上A点的运动轨迹已是一阿基米德螺旋线，这时的切削平面Pse已是过A点的阿氏螺线的切线，基面Pre已是A点的与Pse垂直的平面，在这个测量坐标平面内的前角oe、后角也不是原来的标注角度o、o，此时,(2-4)式中 横向进给运动对工作角度的影响； f刀具相对工件的横向进给量，mm/r； d切削刃上选定点A处的工作直径，mm。,切削刃越接近工作中心，d值越小，oe越大，而oe越小，甚至变为零或负值，对刀具的切削就越不利。,oe=o oe=o - (2-3)角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。, 进给运动对工作角度的影响,（

29、2-8）,2.6.2 刀具几何角度,（2-8a）,图2-9 横向进给运动对工作角度的影响,2)纵车,若先不考虑进给运动的影响,如图2-23所示。 当考虑进给运动后， 在进给剖面内，合成切削运动速度vef方向相对于主运动v方向转动了一个uf角；因而，工作基面Pre、工作切削平面Pse也相对于Pr、Ps面转过了同样的u 角。于是Pre、 Pse和Poe构成了工作坐标系，则正交平面内的工作角度为,oe=o oe=o - 而在进给剖面(平行进给方且垂直于基面)中，根据螺旋线展开后的关系，可得换算到正交平面内得：,值不仅与进给量f有关，也与加工直径d有关，在车削螺纹或蜗杆，尤其是导程大的多头螺纹时， u

30、f值很大。因此，对于右旋工件应将螺纹刀左切削刃的后角磨大一些；而右切削刃的后角磨得小一些,在进给剖面，有：,将其换算到主剖面内得到：,在主剖面内：,（2-9）,2.6.2 刀具几何角度,2.刀尖位置高低的影响,安装刀具时，刀尖不一定在机床中心高度上。如刀尖高于机床中心高度（图2-10），此时选定点A的基面和切削平面已变为过A点的径向平面Pe和与之垂直的切削平面Pse，其工作前角和后角分别为Pe、Pe。可见，刀具工作前角pe比标注前角P增大了，工作后角Pe比标注后角P减小了，可写成：,e=p+p pe=p-p (2-5) (2-6)式中 p刀尖位置变化引起前后角的变化值（弧度）。 h刀尖高于机床

31、中心的数值，mm。 dw工件直径，mm。,图2-10 刀尖位置高时的刀具工作角度,刀具安装对工作角度的影响,图2-52 车刀安装高度对工作角度的影响,2.6.2 刀具几何角度,三、刀具的工作角度,2.刀具安装位置对工作角度的影响 2)刀杆轴线与进给方向不垂直的影响,kre =kr Gr,kre =kr -（ Gr）,2.3 刀具材料,2.3.1刀具材料应具备的性能1.高硬度 刀具材料的硬度必须高于被切工件的硬度，常温硬度必须在HRC62以上。2.高耐磨性 刀具在切削时承受着剧烈摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐磨性，它取决于材料本身的硬度、化学成分和金相组织。3.足够的强度和韧度 刀具切削时要承

32、受很大的压力、冲击和振动，刀具材料必须具有足够的抗弯强度bb和冲击韧度K。,4.高耐热性 指在高温下保持材料硬度的性能，用高温硬度或红硬性表示。耐热性越好，允许的切削速度越高。因此它是衡量刀具材料性能的重要指标。5.具有良好的工艺性和经济性 即要求刀具材料本身的可切削性能、磨削性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。 刀具材料的种类：有工具钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料四大类，其主要物理力学性能见表2-1。表2-1 各类刀具材料的物理力学性能,2.6.3 刀具材料,2.6.3 刀具材料,刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金

33、刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。, 高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。 应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。,2.6.3 刀具材料,加工材料范围广泛，如钢、铁和有色金属等。 高速钢按化学成分可分为钨系、钼系（含Mo的质量分数2%以上）；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢。,1.普通高速钢,指用来加工一

34、般工程材料的高速钢，常用的牌号有：(1)W18Cr4V 属钨系高速钢，具有较好的切削性能，使用最为普遍。(2)W6Mo5Cr4V2 属钨钼系高速钢、碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但磨削性能较差，目前主要用于热轧刀具，如麻花钻等。(3)W9Mo3Cr4V 它是国内新近使用的一种高速钢，综合性能好，刀具耐用度有所提高，可代替W6Mo5Cr4V2使用。 普通高速钢具有一定的硬度和耐磨性，较高的强度和韧性，较好的塑性，可制造各种刀具，尤其是复杂刀具。,2.高性能高速钢,在普通高速钢内增加C、V的含量和添加Co、Al等合金元素就得到高性能高速钢。它可进一步提高耐热性和耐磨性。,(

35、1)钴高速钢（W2Mo9Cr4VCo8）具有良好的综合性能，加入钴可提高它的高温硬度，在600时硬度为HRC55，故允许的切削速度较高，有一定韧性，可磨削性好，加工耐磨合金钢、不锈钢时，刀具耐用度明显提高。但钴含量较多成本较贵。 (2)铝高速钢（W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al）加入了少量的铝不但提高了钢的耐热性和耐磨性，而且还能防止含碳量高引起的强度和韧性下降。加工HRC3040的调质钢时，刀具耐用度提高34倍，但磨削性能差，热处理温度控制困难。,3.粉末冶金高速钢 将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体（如氩气）雾化成粉末，再经冷压或热压（同时烧结）制成刀坯或钢坯，最后经

36、轧制成锻制成材。优点是韧性、硬度较高，可磨削性能好，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，故刀具耐用度高，可切削各种难加工材料，特别适宜制造精密刀具和复杂刀具。,粉末冶金化，表面处理及涂层等,2.6.3 刀具材料,2. 硬质合金,金属碳化物(WC、TiC、TaC、 NbC等)金属粘接剂 (Co、Ni等) 高压成形后，高温烧结而成。,硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢 抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差,分类,YG (K) 类 YT (P)类 YW (M)类短切屑黑色金属 加工长切屑的 钢材、铸铁等有色金属非金属 黑色金属 有色金属非金属 WC+ Co WC+ TiC+ Co WC

37、+ TiC+ TaC+ Co,2.3.3 硬质合金,1.硬质合金性质 硬质合金是由硬度很高的金属碳化物（如Wc、TiC、TaC、NbC等）、金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）以粉末冶金法制成的。 由于硬质合金中含有大量金属碳化物，其硬度、熔点都很高，化学稳定性也好，因此硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，硬度可达HRA8993，在8001000时仍能进行切削，允许切削速度为100m/min(1.67m/S)。但抗弯强度和冲击韧度较差。 硬质合金由于切削性能优良，已成为主要的刀具材料，不但绝大部分车刀采用硬质合金，端铣刀和一些形状复杂的刀具如麻花钻、齿轮滚刀、铰刀、拉刀等也日益广泛采用此材料。

38、,2.硬质合金的种类和牌号 硬质合金成分和性能见表2-3。(1)钨钴类（Wc-Co）牌号用YG表示。主要牌号有YG3、YG6、YG8，后缀数字表示钴的质量百分含量。相当于ISO的“K”类。表中：Y硬质合金；G钴，其后数字表示含钴量（质量）；X细晶粒；TTiC，其后数字表示TiC含量（质量）；A一含TaC(NbC)的钨钴类合金；N以镍、钼作粘结剂的TiC基合金。,(2)钨钛钴类（WCTiCCo） 牌号用YT表示，常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30，后缀数字表示TiC的质量百分含量。相当于ISO中的“P”类。(3)钨钴钽（铌）类（WCTaC(NbC)Co） 牌号用YGA表示，常用牌号Y

39、GA6，后缀数字表示Co的质量百分含量，相当于K类。(4)钨钛钴钽（铌）类（WCTiCTaC(NbC)-Co） 牌号用YW表示，常用牌号YW1、YW2。相当于ISO中的M类。,3.硬质合金的选用,YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。(低速切削) 切削上述材料时，呈崩碎切屑，切削热、切削力集中在刀尖附近，冲击力大。由于YG类硬质合金抗弯强度、冲击韧度好，故可减少崩刃。它又具有较好的导热性，切削热传出快，可降低刀尖温度。但它的耐热性差，不宜采用较高的切削速度。YG类的韧性和可磨削性好，可磨出较锐利的切削刃，适用加工有色金属和纤维层压材料。,由于硬质合金中的钛元素和被加工材料中的钛

40、元素之间产生亲和力使粘结现象严重，导致切削温度升高，摩擦系数增大，加剧了刀具磨损，故加工含钛的不锈钢（1Cr18Ni9Ti）和钛合金时宜选用YG类硬质合金 加工淬火钢、高强度钢、奥氏体钢和高温合金时，切削力大，切削力集中在刀尖附近，易崩刃，故选用强度较高、韧性较好、热导率大的YG类硬质合金。,YT类适用于加工塑性材料如钢料等。高速切削钢料 加工该类材料时，摩擦严重，切削温度高。YT类具有较高的硬度和耐磨性，尤其具有高的耐热性，在高速切削钢料时，刀具磨损小，刀具耐用度高。低速切削时，因韧性差，易崩刃，不如YG类好。 硬质合金中含钴量增多，WC、TiC含量减少时，抗弯强度和冲击韧度提高，硬度、耐热

41、性降低，适用于粗加工， 含钴量减少，WC、TiC增加时，硬度、耐磨性和耐热性增加，强度、韧性降低，适用于精加工。,YW类硬质合金综合性能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。,4. 其它硬质合金,（1）碳化钛基硬质合金 它是以碳钛化为硬质相，镍、钼为粘结相的硬质合金。牌号用YN表示，是介于碳化钨基硬质合金与陶瓷之间的一种刀具材料。其优点是硬度高，抗粘结力、抗磨损能力都很强，耐磨性接近陶瓷。目前主要用于精加工或半精加工长切屑材料，代表牌号是YN10。（2）超细晶粒硬质合金 指碳化物颗粒的平均尺寸在1m以下的钨钴类硬质合金，主要用于冷硬铸铁、淬硬钢、

42、不锈钢及高温合金等加工。代表牌号有YG10H、YH1、YH2、YH3等。,2.3.5 刀具材料的表面涂覆层,在高速钢、硬质合金等材料制成的刀具上，在高温真空中以化学气体涂覆法使其沉积极薄（512m）的一层高硬度、耐磨和难熔的金属碳化钛（TiC）、氮化钛（TiN），涂层呈金黄色。涂层固有的硬度高（HRC80），摩擦系数低，使刀具的摩损显著降低，涂层还具有抗氧化能力和抗粘结性能好的特点。切削速度可提高30%50%，刀具总寿命可提高数倍至十倍。具有涂覆层的刀具材料目前有两种：1. 涂层高速钢 耐磨性显著提高，主要用于钻头、丝锥、成形铰刀、齿轮加工刀具等。2. 涂层硬质合金 常涂在韧性较好的钨钴类硬质

43、合金刀片表面，广泛用于不可转位片。,2.3.4 其它刀具材料,1.陶瓷刀具材料 （硬、脆、价格低） 主要有两大类，即氧化铝（Al2O3）基陶瓷材料和氮化硅（Si3N4）基陶瓷材料。 陶瓷刀具有很高的硬度（HRA9195）和耐磨性、耐热性高，在1200时仍保持HRA80；化学稳定性好，与钢不易亲和，抗粘结、抗扩散能力较强；具有较低的摩擦系数。加工表面粗糙度较小。但抗弯强度低、韧度差，抗冲击性能差。 主要用于高速精加工和半精加工冷硬铸铁、淬硬钢等。缺点:性脆、抗冲击韧性差、抗弯强度低。,2.金刚石（最硬、耐磨性好，耐热性较差 800） 金刚石分天然和人选两种，都是碳的同素异形体。天然金刚石由于价格

44、昂贵用得很少。人造金刚石是在高温高压下由石墨转化而成的，其硬度接近于10000HV，故可用于高速精加工有色金属及硬合金、加工陶瓷、非金属硬脆材料。它不适合加工铁族材料，因为高温时极易氧化、碳化，与铁发生化学反应，刀具极易损坏。目前主要用作磨牙具和磨料。,3.立方氮化硼 立方氮化硼CBN是由六方BN（hBN）在合成金刚石的相同条件下加入氮化剂转变而成。其硬度高达80009000HV，耐磨性好，耐热性好，高达1400。主要用于对淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金进行半精加工和精加工。,2.6.3 刀具材料,2.6.3 刀具材料,新型硬质合金简介,1. 调整化学成份，提高综合性能 添加TaC、 NbC；

45、添加稀土元素；TiC(N)基，高速钢基等,2. 涂层硬质合金（可转位刀片） TiC涂层、 TiN涂层、复合涂层、陶瓷涂层,3. 细晶粒和超细晶粒硬质合金,复习思考题,车刀切削部分由哪些面和刃组成？试画图表示：o=15、o=6、r=90、 r =10、s=0的外圆车刀。试以横车（切断）为例说明车刀工作角度与标注角度的关系？端面车削时，刀尖高（或低）于工件中心时工作角度（前、后角）有何变化？切削层参数指的是什么？与背吃刀量p和进给量 有何关系？刀具切削部分材料应具备哪些基本性能？刀具材料有哪些种？常用牌号有哪些？性能如何？常用于何种刀具？如何选用？,车削时的假设条件有：,主切削刃处在水平面上，刀尖

46、恰在工件中心高度上：刀柄中心线垂直于工件轴线(假定进给方向)；主运动方向与刀具底面垂直(不考虑进给运动)；工件已加工表面的形状为圆柱面。,在正交平面内确定刀具几何角度时，首先画出表示切削刃和刀面主位的两个基本视图：在基面Pr和切削平面Ps上的投影图,1）横车 切断刀切断工件时（图2-9），若不考虑进给运动，切削刃上选定A的运动轨迹是一圆，因此该点的基面是过A点的工作径向平面P，切削平面为过A点与P垂直的切平面Ps，其前后角o、o（图2-9）。当考虑进给运动后，切削刃上A点的运动轨迹已是一阿基米德螺旋线，这时的切削平面Pse已是过A点的阿氏螺线的切线，基面Pre已是A点的与Pse垂直的平面，在这

47、个测量坐标平面内的前角oe、后角也不是原来的标注角度o、o，此时,(2-4)式中 横向进给运动对工作角度的影响； f刀具相对工件的横向进给量，mm/r； d切削刃上选定点A处的工作直径，mm。,切削刃越接近工作中心，d值越小，oe越大，而oe越小，甚至变为零或负值，对刀具的切削就越不利。,oe=o oe=o - (2-3)角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,图2-9 横向进给运动对工作角度的影响,2.刀尖位置高低的影响,安装刀具时，刀尖不一定在机床中心高度上。如刀尖高于机床中心高度（图2-10），此时选定点A的基面和切削平面已变为过A点的径向平面Pe和与之垂直的切削平面Pse，其工作前

48、角和后角分别为Pe、Pe。可见，刀具工作前角pe比标注前角P增大了，工作后角Pe比标注后角P减小了，可写成：,e=p+p pe=p-p (2-5) (2-6)式中 p刀尖位置变化引起前后角的变化值（弧度）。 h刀尖高于机床中心的数值，mm。 dw工件直径，mm。,图2-10 刀尖位置高时的刀具工作角度,三、刀具的工作角度,2.刀具安装位置对工作角度的影响 1)刀具安装高低对工作角度的影响,gpe = g p + q p,ape = a p q p,三、刀具的工作角度,2.刀具安装位置对工作角度的影响 2)刀杆轴线与进给方向不垂直的影响,kre =kr Gr,kre =kr -（ Gr）,2.1

49、.3切削层参数,由切削刃正在切削的这一层金属叫作切削层。切削层在垂直于主运动方向的截面尺寸称为切削层参数。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，还影响切削力和刀具磨损、表面质量和生产效率。通常在基面Pr内度量。,1. 切削厚度 hD：在垂直于切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。hD反映了切削刃单位长度上工作负荷的大小 hD f sinr 2. 切削宽度 bD ：沿切削刃方向度量的切削层截面的尺寸。 bD影响刀具的散热情况 bD ap/sinr 3.切削层面积AD=hDbD=faP r为车刀主偏角，当工艺参数进给量f与背吃刀量ap确定后，主偏角r越大，切削厚度越大hD ，切削宽度越小bD ，当r=90时， hD f bD ap,