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1、第二节第二节 切削刀具及其材料切削刀具及其材料一、一、切削刀具结构切削刀具结构 由工作部分和非工作部分构成。由工作部分和非工作部分构成。车刀车刀(turning tools)(turning tools)的工作部分比较简单，的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部的柄部(或刀杆或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。数。（1)1)前刀面前
2、刀面 切屑流过的刀面。切屑流过的刀面。1.1.刀刀 面面（2)2)主后刀面主后刀面 与工件正在被切削加工的表面与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。（过渡表面）相对的刀面。（3)3)副后刀面副后刀面 与工件已切削加工的表面相对与工件已切削加工的表面相对 的刀面。的刀面。（一）刀具切削部分的基本定义（一）刀具切削部分的基本定义 2.2.刀刃刀刃（1 1）主切削刃）主切削刃 前刀面与主后刀面在空间的交线。前刀面与主后刀面在空间的交线。（2 2）副切削刃）副切削刃 前刀面与副后刀面在空间的交线。前刀面与副后刀面在空间的交线。3 3刀尖刀尖 三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃三
3、个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。（二）定义刀具角度的参考系（二）定义刀具角度的参考系刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。考系。1 1刀具静止参考系刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角
4、度。静止参考系中最常用的是静止参考系中最常用的是正交平面参考系正交平面参考系。2.2.正交平面参考系正交平面参考系由以下三个在空间由以下三个在空间相互垂直的参考平相互垂直的参考平面构成。面构成。(1)(1)基面基面p pr r通过切削刃上选定通过切削刃上选定点，垂直于该点切点，垂直于该点切削速度方向的平面。削速度方向的平面。通常平行于车刀的通常平行于车刀的安装面（底面）。安装面（底面）。(2)(2)切削平面切削平面p ps s 通过切削刃通过切削刃上选定点，垂直上选定点，垂直于基面并与主切于基面并与主切削刃相切的平面。削刃相切的平面。(3)(3)正交平面正交平面p po o 通过切削刃上选定点
5、，通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂同时与基面和切削平面垂直的平面。直的平面。（三）刀具的标注角度（三）刀具的标注角度（1 1）基面中测量的刀具角度）基面中测量的刀具角度1 1）主偏角主偏角r r 主切削刃在基面上的投影与进给主切削刃在基面上的投影与进给运动速度运动速度v vf f 方向之间的夹角方向之间的夹角。2 2）副偏角副偏角r r 副切削刃在基面上的投影与进给副切削刃在基面上的投影与进给运动速度运动速度v vf f反方向之间的夹角反方向之间的夹角。（2 2）切削平面中测量的刀具角度）切削平面中测量的刀具角度1 1）刃倾角刃倾角s s 主切削刃与基面之间的主切削刃与基面之间的夹角
6、夹角。它在切削平面内标注或它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。测量，但有正负之分。当主切削刃与基面平行当主切削刃与基面平行时时s s=0=0；当刀尖点相对基面处于当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时主切削刃上的最高点时s s 00；反之反之s s 00。（3 3）正交平面中测量的刀具角度）正交平面中测量的刀具角度1)1)前角前角O O 前面与基面之间的夹角。前面与基面之间的夹角。2)2)后角后角o o 后面与切削平面之间的夹角。后面与切削平面之间的夹角。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑高、刀杆
7、纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。进给运动的影响等条件下确定的。（四）刀具工作角度（四）刀具工作角度刀具在工作参考刀具在工作参考系中确定的角度系中确定的角度称为刀具工作角称为刀具工作角度。度。研究刀研究刀具工作角度的变具工作角度的变化趋势，对刀具化趋势，对刀具的设计、改进、的设计、改进、革新有重要的指革新有重要的指导意义。导意义。1 1刀具工作参考系的建立刀具工作参考系的建立 与与静静态态系系统统中中正正交交平平面面参参考考系系建建立立的的定定义义和和程程序序相相似似，不不同同点点就就在在于于它它以以合合成成切切削削运运动动e e或或刀刀具具安安装装位位置置条条件
8、件来来确确定定工工作作参参考考系系的的基基面面p prere。2 2刀具工作角度的分析刀具工作角度的分析 在在车车削削(切切断断、车车螺螺纹纹、车车丝丝杠杠)、镗镗孔孔、铣铣削削等等加加工工中中，通通常常因因刀刀具具工工作作角角度度的的变变化化，对对工工件件已已加加工工表表面面质量或切削性能造成不利影响。质量或切削性能造成不利影响。（1 1）刀具安装位置对刀具工作角度的影响）刀具安装位置对刀具工作角度的影响1)1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响刀尖安装高低对工作前、后角的影响2 2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响二、刀具角度的选择二、刀具角度的选择1.
9、1.前角前角O （1 1）功用功用刀刃锋利刀刃锋利，切屑变形，切屑变形切削力和切削功率切削力和切削功率刀刃和刀尖强度刀刃和刀尖强度，散热体积，散热体积刀具寿命刀具寿命o1Pro2（2 2）选择选择取决于：工件材料、刀具材料取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。及加工要求。2.2.后角后角o（1 1）功用功用后刀面与工件的摩擦后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率后刀面的磨损率（2 2）选择选择取决于：加工要求、工件材料取决于：加工要求、工件材料及工艺系统刚度。及工艺系统刚度。3.3.主偏角主偏角r r 和副偏角和副偏角r r（1 1）功用功用刀刃强度刀刃强度表面粗糙度表面粗糙度背向力背向力F Fp
10、p残留面积高度残留面积高度，散热条件，散热条件刀具寿命刀具寿命，工件易变形，工件易变形kr1Krkr2FpFf（2 2）选择选择4.4.刃倾角刃倾角s s（1 1）功用功用（2 2）选择选择 主要影响刀头的强度、主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。切削分力和切屑的流动方向。三、切削刀具结构三、切削刀具结构（一）、车刀（一）、车刀145弯头车刀；弯头车刀；290外圆车刀；外圆车刀；3外螺纹车刀；外螺纹车刀；475外圆车刀；外圆车刀；5成形车刀；成形车刀；690外圆车刀；外圆车刀；7切断刀；切断刀；8内圆切槽刀；内圆切槽刀；9内螺纹车刀；内螺纹车刀；10盲孔镗刀；盲孔镗刀；11通孔镗刀通
11、孔镗刀 2.2.硬质合金焊接式车刀硬质合金焊接式车刀 将硬质合金刀片将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。有刀槽的刀杆上。结构简单、紧凑，抗振性结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便，使用灵能好，制造方便，使用灵活活。但刀片易产生应力和但刀片易产生应力和裂纹。裂纹。1.1.整体式式车刀整体式式车刀切削部分与夹持部分材料相切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗同，对贵重的刀具材料消耗较大。较大。多用高速钢制造。多用高速钢制造。3.3.硬质合金机夹重磨式车刀硬质合金机夹重磨式车刀 避免焊接引起的缺陷，提高避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使
12、用利用了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。4.4.机夹可转位式车刀机夹可转位式车刀将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。在标准的刀体上。1.1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。硬度和抗弯强度。2.2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产
13、效率。3.3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。四、刀具材料四、刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当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。好的切削性能。刀具材料刀具材料(cutting tool materials)(cutting tool materials)在切削在切削时要承受高温、高压、摩擦、冲击、振动，金属切削时要承受高温、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
14、合理选择。大程度上取决于刀具材料的合理选择。1.1.刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能（1 1）高的硬度和耐磨性）高的硬度和耐磨性（2 2）足够的强度和韧性）足够的强度和韧性（3 3）高的耐热性与化学稳定性）高的耐热性与化学稳定性（4 4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性（5 5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，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。延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。2.2.常用刀具材料常用刀具材料工具钢工具钢包括碳素工具钢、合金工具
15、钢和高速钢。硬质合金硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。陶瓷陶瓷超硬刀具材料超硬刀具材料 推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。1）碳素工具钢和合金工具钢n n碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢（carbon tool steelcarbon tool steel）：含：含：含：含碳量较高的优质钢碳量较高的优质钢碳量较高的优质钢碳量较高的优质钢(含碳量为含碳量为含碳量为含碳量为0.7%0.7%0.7%0.7%1.2%1.2%1.2%1.2%，如，如，如，如T10AT10AT10AT10A等等等等)，淬火后硬度较高、
16、价廉，但耐热性，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。较差。较差。较差。n n合金工具钢合金工具钢合金工具钢合金工具钢（alloy tool steelalloy tool steelalloy tool steelalloy tool steel）：在碳素在碳素在碳素在碳素工具钢中加入少量的工具钢中加入少量的工具钢中加入少量的工具钢中加入少量的CrCrCrCr、W W W W、MnMnMnMn、SiSiSiSi等元素而等元素而等元素而等元素而形成的。形成的。形成的。形成的。(如如如如 9SiCr9SiCr9SiCr9SiCr等等等
17、等)，可适当减少热处理，可适当减少热处理，可适当减少热处理，可适当减少热处理变形和提高耐热性。变形和提高耐热性。变形和提高耐热性。变形和提高耐热性。n n由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些造一些造一些造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀、丝锥、板牙条、铰刀、丝锥、板牙条、铰刀、丝锥、板牙条、铰刀、丝锥、板牙等，较少用于制造其它等，较少用于制造其它等，较
18、少用于制造其它等，较少用于制造其它刀具。刀具。刀具。刀具。2 2）高速钢）高速钢（1 1）高速钢的分类）高速钢的分类 （2 2）常用高速钢的牌号与性能）常用高速钢的牌号与性能3 3）硬质合金）硬质合金（1 1）硬质合金的分类）硬质合金的分类 （2 2）常用硬质合金的牌号及其性能）常用硬质合金的牌号及其性能4 4）涂层刀具材料）涂层刀具材料通过气相沉积或其它技术通过气相沉积或其它技术方法，方法，在韧牲较好的刀具在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的又不降低其韧性
19、。常用的涂层涂层(coated)(coated)材料有材料有TiCTiC、TiNTiN、AlAl2 20 03 3及其复及其复合材料等合材料等,涂层厚度随刀涂层厚度随刀具材料不同而异。具材料不同而异。（1 1）TiCTiC涂层涂层 硬度高、耐磨性好、硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨减小摩擦及刀具磨损。损。（2 2）TiNTiN涂层涂层 在高温时能产生氧化在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低能好，并能有效降低切削温度。切削温度。（3 3）TiCTiCTiN
20、TiN复合涂层复合涂层第一层涂第一层涂TiCTiC，与刀与刀具基体粘牢不易脱具基体粘牢不易脱落。第二层涂落。第二层涂TiNTiN,减少表面层与工件减少表面层与工件间的摩擦。间的摩擦。（4 4）TiC-AlTiC-Al2 20 03 3复合涂层复合涂层第一层涂第一层涂TiCTiC,与刀具与刀具基体粘牢不易脱落。第基体粘牢不易脱落。第二层涂二层涂AlAl2 20 03 3可使刀具表可使刀具表面具有良好的化学稳定面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiC-TiNTiN复合涂层或复合涂层或TiC-AlTiC-A
21、l2 2O O3 3-TiN-TiN三复合涂层。三复合涂层。5 5）其它刀具材料）其它刀具材料以氧化铝或以氮化硅为基以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具温下烧结而成的一种刀具材料。材料。其优点是硬度高，耐磨性、其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；结和抗扩散能力强；其缺点是脆性大、抗弯强其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限刃，所以使用范围受到限制；制；可用于
22、钢、铸铁类零件的可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。车削、铣削加工。（1 1）陶瓷刀具材料）陶瓷刀具材料 （2 2）金刚石刀具材料）金刚石刀具材料 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转碳的同素异形体，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。化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。由于硬度极高由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，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、陶瓷等硬度达瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达65657070HRCHRC的材料。的材料。也可用于加工高硬度的非金属材
23、料，如石材、也可用于加工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硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。精加工。缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈对振动敏感，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。的化学亲合力，不能用于加工钢材。（3 3）立方氮化硼）立方氮化硼立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）是一种人工合成是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、
24、高压下加入催化剂转化而成。高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在好，化学惰性大，与铁系金属在13001300时不易起化学反应，导热性好，时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。摩擦系数低。因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬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。硬钢等难加工材料的加工。应当指出，加工一般材料大量应当指出，加工一般材料大量使用的仍是使用的仍是普通高速钢及硬质合金普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。才考虑选用超硬材料。