制造工艺装备

金属切削过程中的加工质量、加工效率、加 工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选 择。因此，材料、结构和几何形状是构成刀具切 削性能评估的三要素。
1. 刀具材料应具备的性能
（1）高的硬度和耐磨性 （2）足够的强度和韧性 （3）高的耐热性与化学稳定性 （4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性 （5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，
图 2－ 4 车 刀 的 构 成
2.刀刃
（1）主切削刃S 前面与主后面在空间的交线。
（2）副切削刃S' 前面与副后面在空间的交线。
3．刀尖
三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。 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。
（三）定义刀具角度的参考系
针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角 将减小。如图1-12所示。
图2－12车刀安装偏斜对工作主偏角、副偏角的影响
三、刀具材料
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好的切削 性能。 刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削 部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配 的刀具材料。

２）进给运动
进给运动：
由机床或手动传给刀具或工件的运动,它配合主运
动依此地连续不断将多余金属投入切削,同时形成
具有所需几何特性的已加工表面.
进给运动方向：
切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给运动方向
进给量 f
当主运动旋转一周时，刀具（工件）沿进给方向 上的位移量f
进给速度Vf、和每齿进给量fz
1．高速钢
•它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高
合金钢。
•热处理后硬度可达HRC
62～66, 抗弯强度约3.3GPa，
有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度 在500～650°C时仍能进行切削。
•由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制
造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻

2）轴向进给运动对工作前、后角的影响
轴向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹
是阿基米德螺旋线，从而使工作前角γ oe增大、工作后
角α oe 减小(图2-10) 。
图2－10 轴向进给运动对工作角度的影响
（3）刀具安装位置对刀具工作角度的影响
1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响
图2－11
用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高
延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。
2. 常用刀具材料 工具钢 硬质合金 陶瓷
包括碳素工具钢、 合金工具钢和高 速钢。 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。
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、立方氮化硼等。 高速钢和硬质合金 的主要物理力学性能见 表2-1、2(p15)。
切削刃上选定 点相对于工件 的瞬时主运动 方向。 切削刃上选定 点相对于工件 的主运动的瞬 时速度。
切削刃选定点相对于工件的主运动线速度（单位： m/min)
切削速度Vc
• Vc d n / 1000(m/min)
d：工件或刀具上某一点的直径（mm） n：工件转速（r/min）
在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角 度(γoe 、αoe 、κre、κ’re、α’oe 、λse)的变化，对刀具 角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。
在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工 中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质 量或切削性能造成不利影响。
刀具工作角度影响因素
工件间的摩擦。通常为6-12°。
2）在基面内测量角度
（a）主偏角κr：主刀刃 在基面上投影与进给方向 的夹角。 它能改变径向切削力和 轴向切削力的比例。常用 的主偏角有45°、60°、 75°、90°几种。 （b）副偏角κr´：副刀刃 在基面上投影与进给反方 向的夹角。 主要作用是减少副刀刃 和已加工表面之间的摩擦。 一般为5°~15°左右。
头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。
（1）高速钢的分类
按用途可分为：通用高速钢和高性能高
速钢。 按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末 冶金高速钢和表面涂层高速钢。 按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。
（2）常用高速钢的牌号与性能
通用型高速钢
W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性 差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增 加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～ 70HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不 锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型 牌号有M42、5O1。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯 氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然 后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、 插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。高速钢的主要物理 力学性能见表2-1(p15)。
• Vf f n f Z z n (mm/sor mm/min)
Vf ：单位时间的进给量 f：工件或刀具每回转一周两者沿进给方 向的相对位移 fz：每一刀齿的进给量fz

各种切削加工的切削运动
３）切削Leabharlann Baidu量

切削用量三要素是指切削过程中切削速度、进给量 和背吃刀量（切削深度）的总称 背吃刀量（切削深度）ap ap=(dw-dm)/2 (mm) ap=dm/2 (mm)
2．硬质合金
•硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。
大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造； •硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化 钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金 属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。 •硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性 好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～ 1000°C。 •硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～ 10倍 。
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 而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参 数。
刀具切削部分的基本定义 1.刀 面
（1)前刀面Aγ 切屑流过的刀面。 （2)主后刀面Aα 与工件正在被切削加工的表面 （过渡表面）相对的刀面。
（3)副后刀面Aα ‘ 与工件已切削加工的表面相对 的刀面。
切削平面
通过主切削刃上的某一 点，于加工表面相切并 垂直于基面的平面
正交平面
通过主切削刃上的某一点，并 同时垂直于基面和切削平面的 平面
图2-6
正交平面参考系
3. 刀具切削部分的主要的角度
前角
前刀面与基面间的夹角
正交平面内
后角 主后刀面与切削平面 间的夹角
主偏角
主切削刃与进给方向 间的夹角
基面内
刀具工作参考系
(1)工作基面pre (2)工作切削平面pse
通过切削刃上的考 查点，垂直于合成 切削运动速度方向 的平面。
通过切削刃上的 考查点，与切削 刃相切且垂直于 工作基面的平面。
(3)工作正交平面poe
通过切削刃上的考查点， 同时垂直于工作基面、工 作切削平面的平面。
2．刀具工作角度的分析

概念：
沿过渡表面度量的切削
尺寸， 用bD表示。

bD=ap/sin r
（３） 切削层公称横截面积AD 切削面积

概念：
切削层在基面内的面积，
用AD表示。

AD=hD*bD=f*ap
二、刀具角度
（一）刀具的构成 由工作部分和非工作部分构成。
车刀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的柄部(或刀 杆)。
（四）刀具工作角度
刀具在工作参考 系中确定的角度 称为刀具工作角 度。 研究刀具工 作角度的变化趋 1．刀具工作参考系的建立 势，对刀具的设 计、改进、革新 有重要的指导意 义。 与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相 似，不同点就在于它以合成切削运动 υ e 或刀具安装位 置条件来确定工作参考系的基面pre。 由于工作基面的变化，将带来工作切削平面 pse 的 变化，从而导致工作前角γ oe、工作后角α oe 的变化。
副偏角
负切削刃与进给方向 的夹角
主切削刃与基面间的夹角
切削平面内
刃倾角
1）在正交平面内测量角度
（a）前角γ0：正交平面中，前 刀面与基面之间的夹角。 前角的大小对切屑变形、切
削力以及切削刃强度都有很大影
响。通常为-5至+25°之间。 （b）后角α0：主后刀面与切削 平面之间的夹角。 主要作用是减少主后刀面与
• 刀具角度是为刀具设计、制造、刃磨和测 量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切 削部分几何形状（各表面空间位置）的重要 参数。 • 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面 称为参考系; • 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作 参考系两类。
1．刀具静止参考系
在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何 参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。
在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。 静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平 面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平 面参考系等。
２．参考系
作用：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面，只是假定参 考，事实看不见，摸不着
基
面
通过主切削刃上的某 一点，与主运动方向 相垂直的平面
（1）硬质合金的分类
钨钴类（WC+Co）； 钨钛钴类（WC+TiC+Co）； 添 加 稀 有 金 属 碳 化
物 类 （WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）； 碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。
（2）常用硬质合金的牌号及其性能
钨钴类硬质合金
代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高， 韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬质 合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩 碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。 钨钛钴类硬质合金 代号为YT，属P类。它以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高， Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗 弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。 钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW，属M类。它在 YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、 疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。 它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。 常用硬质合金的牌号与性能见表2-2（p18)。
一、金属切削加工的基本概念
1. 切削运动
（1） 主运动
①主运动方向
由机床或人力提供的刀具与 工件之间主要的相对运动, 它使刀具切削刃及其邻近的 刀具表面切入工件材料，使 被切削层转变为切屑, 从而 形成工件的新表面。在切削 运动中，主运动速度最高、 耗功最大，是切下切屑所必
须的基本运动。
②切削速度vc
1、进给运动对工作角度的影响 2、刀刃上选定点安装高低对工 作角度的影响 3、刀柄中心线与进给方向不垂 直时工作角度的变化

（1）进给运动对工作前、后角的影响
1）横向进给运动对工作前、后角的影响 横车: 0e= 0 +, 0e = 0 - ， --合成切削速度角 tan =Vf/Vc=f/π dw ：值随切削刃趋进工件 中心或进给量增大而增大。
于工件中心，使其基面和切削平面的位置发生变化，工 作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。
若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正
好相反。
加工内表面时，情况与加工外表面相反。如图2-11所
示。

图2－11 刀尖安装高低对工作角度的影响
2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响
当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时



dw：待加工表面直径
dm：已加工表面直径
车削加工是一种最常见的、典型的切削加工 方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着 的表面（图1-1） 。
（1）待加工表面
工件上待切除 的表面。 工件上经刀具 切削后产生的 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 间的过渡表面。
第二章
制造工艺装备
第一节 金属切削刀具的基本知识
金属切削加工的目的： 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表 面质量达到设计与使用要求。 金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加 工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和 刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。 刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时 也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。
（2）已加工表面
（3）过渡表面
３、切削层参数

切削层概念：
各种切削加工中，
刀具相对于工件 沿进给运动方向 每移动f或 fz之后， 一个刀齿正在切 削的金属层。

（１）切削层公称厚度hD （切削厚度 ）

概念：
垂直于过渡表面来度量
的切削尺寸， 用hD表示。

hD=f*sin r
（2）切削层公称宽bD （切削宽度）