金属切削刀具基础

2. 刀具材料的种类及其性能特点
常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、 硬质合金、金刚石、陶瓷、立方氮化硼等。
碳 素 工 具 钢 ( 如 T10A ， T12A) 、 合 金 工 具 钢 ( 如 9SiCr ， CrWMn)，耐热性较差，仅用于一般手工工具及切削速度较 低的刀具。陶瓷、金刚石、和立方化硼等超硬材料，仅用于 某些难加工材料的切削。目前用得最多的刀具材料是高速钢 和硬质合金。
的夹角。在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正 值．刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行 时，刃倾角为零。
• 3.刀具的工作角度 • 上面讨论的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。
• (4)主切削刃 前刀面与主后刀面的交线，它承担 主要切削工作，也称为主刀刃。
• (5)副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，它协同 主切削刃完成切削工作，并最终形成加工表面， 也称为副刀刃。
• (6)刀尖 连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃， 它可以是一段小的厕弧，也可以是段直线。
• （二）刀具的标注角度
§3.1 金属切削基础
• 一、切削加工的基本概念
• (一) 切削运动及切削中的工件表面
• 1.切削运动
要进行切削加工，金属切削机床必须为形成工件表面提供两种最主要 的相对运动，即主运动和进给运动。
• (1)主运动
•
主运动是刀具和工件之间产生的最主要的相对运动以进行切削的
运动。它是刀具切削刃及其毗邻的刀面切入工件材料，使切削层金属
公称厚度 (以下简称为切削厚度)。hD反映了切削 刃单位长度上 的切削负荷。
•
• 2.切削层公称宽度bD 沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削
层公称宽度。(以下简称为切削宽度)。
如车刀主切削刃为直线
• 3.切削层公称横截面积AD 切削层在切削层尺寸度量平面内的横截
面积称为切削层公称横截面积 (以下简称为 切削面积)；
(2)纵车
γfe =γf十η αfe =αf – η
tan f d w
上述角度变换可以换算到主剖面内：
tanηo=tanη·sinkr γoe =γo十ηo αoe =αo – ηo
由上式可知η值与进给量 f 和工件直径 dw 有关。一般外圆车削的η值不 超过30’～40’，因此可以忽略不计。但在车螺纹，特别是车大螺旋升角的 多头螺纹时，η的值很大，必须进行工作角度的十
分重要。这两个平面加
Pr
上以下所述的任一剖面，
便构成不同的刀具角度
参考系。
• 2.刀具的标注角度
在刀具标注角度参考系中测得的角度称 为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀 具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测 量。在正交平面参考系中，刀具的主要标 注角度有五个 。
(1)在主剖面(正交面）Po内的标注角度 1)前角γo ：在主剖面内度量的基面Pr与前刀 面Aγ的夹角。 2)后角αo ：在主剖面内度量的后刀面Aα与切 削平面Ps的夹角。 3)楔角βo ：在主剖面内度量的后刀面Aα与前 刀面Aγ的夹角。 显然有如下关系： βo =90º–（αo +γo ）
切削刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度。 计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。 主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定：
v πdwn 1000
• 2.进给量 工件或刀具转—周(或每往复一次)，两者在进给运动
方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mm／r(或 mm／双行程)。
• (角2)，后一角般ɑo为在正正值交。平面内测量的主后刀面与切削平面的夹 • (3)主偏角kr 在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与
进给运动方向的夹角。 • (4)副偏角kr` 在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与
进给运动反方向的夹角。 • (5)刃倾角λs 在切削平面内测量的主切削刃与基面之间
当切削刃上选定点安装得低于工件中心时，上述计算公 式符号相反；镗孔时计算公式符号与外圆车削计算公式符号 相反。
(2)刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响
当车刀刀柄与进给方向不垂直时，其工作主、副偏角将发生变化：
kre=kr G； kre’=kr ’ + G
式中 G——进给剖面 Pf 与工作进给剖面 Pfe 之间的夹角，在基面Pr 内测量。
2.刀具安装位置对工作角度的影响
（1）切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度的影响
当切削刃上选定点安装得比工件中心高时，工作切削平面将变为Pse， 工作基面变为Pre，在切深剖面P—P(仍为标注切深剖面)内的工作前角γpe 增大，工作后角αpe减小。 则刀具工作角度为： γpe=γp+θp； αpe=αp – θp
外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表
面问的垂直距离。
• （三）切削层参数 切削刃在一次走刀中从工件上切下的
一层材料称为切削层。
切削层的截面尺寸参数称为切削层参 数。
切削层参数通常在与主运动方向相垂 直的平面内观察和度量；
•hD 1.切削层公称厚度hD 垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层
1.进给运动对刀具工作角度的影响 (1)横车
图1-8 横向进给运动对工作角度的影响
工作前角和工作后角分别为:
γoe = γo + η αoe = αo – η
tan v f fn f v dn d
从上式可知，进给量 f 越大，η也越大，说明对于大进给量的切削， 不能忽略进给运动对刀具角度的影响，如铲背加工时，η值很大，不能 忽略。另外 d 随着刀具横向进给不断减小，因此η值随着切削刃趋近工 件中心而增大。靠近中心时，η值急剧增大，工作后角αoe将变为负值。
三、刀具材料 1. 刀具材料应具备的切削性能 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： (1)较高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须比工件材料高，
并具有良好的耐磨性，刀具材料的常温硬度要求在 60HRc以上。 (2)足够的强度和韧性 刀具材料要能够承受冲击和振动的作 用，不产生崩刃和断裂。 (3)较高的耐热性 刀具材料在高温作用下应具有足够的硬度、 耐磨性、强度和韧性。 (4)良好的导热性和耐热冲击性能 刀具材料的导热性要 好．有利于散热；耐热冲击性能要好，材料内部不得因承 受热冲击的作用而产牛裂纹o (5)良好的工艺性 刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理 性能、JJ磨性能等，便于刀具制造。
• （3）正交平面Po 通过主切削刃上某一指定点， 同时垂直于该点基面和切削平面的平面。
• 根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直 的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交 平面参考系。
(1)基面 Pr
基面是通过切削刃上选 定点，垂直于主运动方向的平 面。通常基面应平行或垂直于 刀具上便于制造、刃磨和测量 时的某一安装定位平面或轴线。
对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每齿进给
量fz,单位是mm／z。
进给速度Vf 、进给量f和每齿进给量fz之间的关系为: Vf = f • n = fz • z • n （mm/s或mm/min）
• 3.背吃刀量ɑp(mm) 刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和
进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量。
对于车削
二、刀具角度
• 切削刀具的种类繁多，结构各异，但 是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。 外圆车刀是最基本、最典型的刀具，车刀 的切削部分与其他各种刀具刀齿上的切削 部分是基本相同的。
• （一）刀具切削部分的结构要素
•
尽管金属切削刀具的种类繁多，但其切削部
分的几何形状与参数都有共性，即不论刀具结构
第三章 切削过程及其控制
金属切削加工是机械制造工业中的一种基本加工方法。 加工时工件和刀具都安装在机床上并完成一定的相对运 动，使刀具在工件毛坯上切去部分多余的材料，将毛坯 加工成具有一定尺寸、形状、精度和表面质量的零件。 切削加工必须具备三个条件：刀具与工件之间要有相对 运动；刀具具有适当的几何参数，即切削角度；刀具材 料具有一定的切削性能。
例如，普通车刀、刨刀的 基面Pr，平行于刀具底面。钻 头和铣刀等旋转类刀具，其基 面Pr就是通过该点并包含刀具 旋转轴线的平面，即刀具的轴 向平面。
(2)切削平面 Ps
切削平面是通过切 削刃上选定点与切削刃S 相 切 ， 并 垂 直 于 基 面 Pr 的平面。也就是切削刃S 与切削速度方向构成的 平面。
• 在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角 度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。
• 由于通常进给速度远小于主运动速度，所以在一般安装 条件下，刀具的工作角度近似地等于标注角度，如普通车 削、镗削、端铣等。只有在进给运动引起刀具角度值变化 较大时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时)才计算工作角度。
•
进给运动可以是工件完成的，如铣削、磨削等；也可
以是刀具完成的，如车削、钻削等。
• (3)合成切削运动 工件加工新表面的形成是靠刀具与工件之间的切削运
动实现的。当进给运动连续进行时，主运动和进给运动的 合成运动是实际切削运动。
由于进给速度常常比主运动速度小得多，故常将主运
动看成是切削运动。
2．工件切削中的表面
削、钻削等。
• (2)进给运动
•
它是一种在切削运动中不断地把切削层投入，使切削
工作得以持续下去的运动。
•
一般，进给运动的速度较低，功率消耗也较少。
•
其数量可以是一个，如钻削[钻头轴向进给)；也可以
是多个，如外圆磨削。