1、第一节 金属切削刀具基础,一、切削加工的基本概念 二、刀具角度 （一）刀具切削部分的构造 （二）刀具的标注角度 1. 刀具标注角度的参考系 2. 刀具的标注角度,在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有以下五个，其定义如下(见图2-5)：,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需要标注副后角 ，副后角确定副后刀面的空间位置。,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,也可以用以下方法来判断前角、后角及刃倾角的正负：角度的顶点取在刀尖上，空心的角度为正，实心的角度为负。,图2-5 车刀在正交平面参考系中的标注角度,附图 端面车刀的标注角度,附图
2、 内孔车刀的标注角度,附图 切断刀的标注角度,3. 刀具的工作角度 外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。 如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。,在工作角度参考系中所确定的刀具角度称为工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。,（1）进给运动对工作角度的影响 1）横向进给（切断或切槽）对工作角度的影响,图2-6 横向进给运动对工作角度的影响,考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度的确定
3、的工作基面和工作切削平面分别为Pre和 Pse。工作前角 和工作后角 为,当 f 增大时，值增大；工件切削直径 d切越小，值越大。过大的值有可能使 变为负值，后刀面将与工件相碰，这是不允许的。因此，切断刀应选用较大的 ，f 的取值也不宜过大。,2）纵向进给对工作角度的影响 用螺纹车刀的左刃车削螺纹表面，刀具沿纵向进给且进给量较大时，进给运动对工作角度的影响也不可忽视。,图2-7 纵向进给运动对工作角度的影响,考虑纵向进给的影响后，按合成速度 的方向确定的工作基面和工作切削平面为Pre和Pse。图中螺纹车刀左侧刀刃上A点在正交平面内的工作前角大于标注前角 ；而工作后角则小于标注后角 ，其中角为,
4、（2）刀具安装位置对工作角度的影响,1）刀尖（刀刃）与工件中心不等高的影响 安装刀具时，如刀尖（刀刃）高于或低于工件中心，会引起刀具工作角度的变化。,图2-8 刀具安装高低对工作角度的影响,若不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装得高于工件中心，基面由Pr变为Pre，切削平面由Ps变为Pse，实际工作前角 将大于标注前角 ,工作后角 将小于标注后角 。 即 如果刀尖安装低于工件中心：,2）刀杆中心线与进给运动方向不垂直的影响,图2-9 刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响,当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，会引起,工作主偏角和工作副偏角的改变。,如图2-9所示。其计算公式为：,式中
5、： 刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。当刀杆轴线逆时针转动时， 角前的正负号取其上。,三、刀具材料 刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。 （一）刀具材料的性能要求 切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求： （1）较高的硬度和耐磨性 （2）足够的强度和韧性 （3）较高的耐热性 （4）良好的导热性和耐热冲击性能 （5）良好的工艺性,（二）常用刀具材料 刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材
6、料主要是高速钢和硬质合金两类。 碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。,1. 高速钢 高速钢是加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 高速钢具有较高的硬度(6267HRC)和耐热性，在切削温度高达500650时仍能进行切削；高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的23倍,陶瓷的56倍)、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用。,高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。 高速钢可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围
7、广泛的材料。 高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,普通高速钢是切削硬度在250280HBW以下的结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于4060m/min。 普通高速钢的典型牌号有W18Gr4V（W18）和W6Mo5Gr4V2 （M2）。 W18的综合性能较好，可用于制造各种复杂刀具。但其强度和韧性略低，不适于制作大截面的刀具。,M2的抗弯强度和韧性比W18高，可用来制造尺寸较大，承受较大冲击力的刀具；同时，M2的热塑性好，适合于制造热轧钻头等刀具。 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添
8、加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630 650时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、不锈钢和高强度钢等难加工材料。,高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Gr4VCo8（M42）和W6Mo5Gr4V2Al （501） 。 M42的综合性能和刃磨性能好，但因含钴多，成本较高。501是我国研发的一种含铝的无钴高性能高速钢，其切削性能与M42大体相当，成本较低，但刃磨性能较差。 表2-1列出了几种常用高速钢的力学性能。,表2-1 几种常用高速钢的力学性能,粉末冶金高速钢是采用高压惰性气体（如氩气或氮气）将高速钢水雾化成粉末后，再经过热压成型、锻轧成材。粉末冶金高速钢除成本
9、略高外，在切削性能和工艺性能方面均明显优于熔炼高速钢。粉末冶金高速钢适合于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸复杂刀具，也适于制造各种精密刀具和断续切削的刀具。,2. 硬质合金 硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)微米级的粉末和金属粘结剂(Co、Ni等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。 硬质合金的常温硬度达8993HRA，760时其硬度为7785HRA ，在8001000时还能切削，切削中碳钢时，切削速度可达100200m/min，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。,但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8 1
10、/30，因此，其承受切削振动和冲击的能力较差。 目前硬质合金主要用于制造刃形简单、无冲击性的非断续切削加工的刀具。尺寸较小和形状复杂的刀具，也可采用整体硬质合金制造，但成本较高，其价格是高速钢刀具的8 10倍。,ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。 P类（相当于我国YT类）硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。 这类合金一般可用于钢料的高速切削。常用牌号有YT5、YT15等。此类硬质合金不易加工不锈钢和钛合金。,K类（相当于我国YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。 这类合金主要适合于铸铁、有色金属及其合金和非金属材料等脆性材料
11、的加工。常用牌号有YG6、YG8 等，随着含钴量增多，硬度、耐磨性和切削速度下降，但抗弯强度和冲击韧性增高。,M类（相当于我国YW类）硬质合金是在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC或NbC而成，称为钨钛钽(铌)钴类硬质合金。加入TaC或NbC 后，改善了硬质合金的综合性能。 这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。常用牌号有YW1和YW2等。,表2-2列出了几种常用的硬质合金的牌号、性能及其使用范围。 由表2-2中可以看出，当硬质合金中碳化物含量较高时，硬度就高，但抗弯强度就相对较低；当粘结剂含量较高时，则抗弯强度较
12、高，硬度较低。,表2-2 几种常用的硬质合金材料的牌号、性能及其使用范围,3. 涂层刀具材料 涂层刀具材料是在韧性较好的高速钢或硬质合金基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而成。涂层刀具材料与高速钢、硬质合金刀具材料相比，其表面具有高的硬度和耐磨性，基体又有良好的抗弯强度和韧性，使涂层刀具的寿命大为提高。 常用涂层刀具的材料有TiC、TiN、Al2O3等。,（三）其它刀具材料 1陶瓷 陶瓷刀具材料主要有Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷两类。 前者硬度高达9195HRA，耐磨性和耐热性好，但抗弯强度和韧性差，多用于精加工和半精加工冷硬铸铁和淬硬钢。后者有较高的抗弯强度和韧性，适合于加工铸
13、铁及高温合金，但切削钢料效果不显著。,2. 立方氮化硼 立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成的一种新型刀具材料。 CBN的硬度高达80009000HV，仅次于金刚石。它可耐13001500的高温，热稳定性与化学稳定性都很好，在12001300高温下也不与铁发生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。,3. 人造金刚石 工业上多使用人造金刚石。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）。聚晶金刚石的晶粒随机排列，属各向同性体，常用于制造刀具。 金
14、刚石的硬度高达10000HV，是目前自然界中已知的最硬物质，可以用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。,人造金刚石主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金属的高速精细切削。 金刚石不是碳的稳定状态，当温度大于700时，金刚石转化为石墨结构而丧失硬度，因此，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。,一、切屑的形成过程 1. 变形区的划分 切削层金属形成切屑的过程就是在刀具作用下被加工材料发生变形的过程。,第二节 金属切削过程中的变形,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,
15、图2-10是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图，流线是被切金属在切削过程中流动的轨迹。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域。,（1）第一变形区 被切金属向右运动进入OA线开始发生塑性变形， 到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,从OA线到OM线的区域（图中区）称为第一变形区。,（2）第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,基本上和前刀面平行的这一区域（图中区）
16、称为第二变形区。,（3）第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。,图2-10 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,这一区域（图中区）称为第三变形区。,在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切滑移变形，以及随之产生的加工硬化。,图2-11 第一变形区金属的剪切滑移,图中，OA、OB和OM等都是等剪应力曲线。 OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。,当金属沿滑移线发生剪切变形时，晶粒会伸长。但晶粒伸长的方向与滑移方向是不重合的，它们之间的夹角为 。,图2-12 滑移与晶粒的伸长,在一般切削速度下，第一变形区的宽度仅为0.020.2mm, 故常用一剪切面来表示。,晶粒纤维化的方向,剪切面方向,剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以 表示。图2-13为模拟塑性金属切屑形成过程。,图2-13 切屑形成过程示意图,当刀具切入时，卡片之间滑移的方向就是剪切面的方向。,
