金属切削刀具的基本知识.ppt

图2－7 车刀的主要角 度
（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
1．刀具工作参考系的建立
作角度的变化趋 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υe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
（1）基面中测量的刀具角度
1）主偏角κr 主切削刃在基面上的投影与进给 运动速度vf 方向之间的夹角。
2）副偏角κr′ 副切削刃在基面上的投影与进给 运动速度vf反方向之间的夹角。
3）刀尖角εr 主、副切削刃在基面上的投影之 间的夹角，它是派生角度。εr=180°-(κr ＋κr′) εr是标注角度是否正确的验证公式之一。
vc =πdwn/1000
是指刀具在进给运动方向上相对工件的 位移量。
当主运动是回转运动时，进给量指 工件或刀具每回转一周，两者沿进给方 向的相对位移量，单位为mm/r；
当主运动是直线运动时，进给量指 刀具或工件每往复直线运动一次，两者 沿进给方向的相对位移量，单位为 mm/str或mm/单行程；
对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，
（3）正交平面中测量的刀具角度
1)前角γO 前面与基面之间的夹角。
2)后角αo 后面与切削平面之间的夹角。 3)楔角βo 前面与后面之间的夹角，它是个派生角。 它与前角、后角有如下的关系：βo＝90°－(γO＋αo) βo也是判断标注是否正确的验证式之一。 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，以及不考虑进给运动的影 响等条件下确定的。
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
• 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
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。
常用每齿进给量 fz，单位为mm/z或mm/齿。
它与进给量f的关系为
f=zfz
车削时进给速度vf可由下式计算
vf=fn
铣削时进给速度为
合成切削速度ve可表达为
vf=fn=zfzn
vc=ve+vf
③背吃刀量ap
在基面上垂直于 进给运动方向测 量的切削层最大 尺寸,外圆车削:
ap＝(dw-dm)/2
vc、f、ap 构成了普通外圆车削的切削用量三要
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
②切削速度vc
切削刃上选定 点相对于工件 的主运动的瞬 时速度。
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。
•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 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
垂直于正在加工的 表面（过渡表面）度量 的切削层参数。
hD＝fsinKr
图2－3 车削时的切削层尺寸
③切削层公称横截面积AD
在切削层参数平 面内度量的横截 面积。
AD＝hDbD=apf
上述公式中可看出 hD、bD均与主偏角有 关，但切削层公称横截面积AD只与hD、bD 或f、ap有关。
二、刀具角度
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)。
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62～66HRC, 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。
4）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖 的几何形状,用刀尖圆弧半径rε描述，当rε=0时为 尖角过渡，rε＞0时为圆角过渡，直线过渡时用κε 和 bε参数描述(图1-6)p10。
（2）切削平面中测量的刀具角度
1）刃倾角λs 主切削刃与基面之间的夹角。
•它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。 •当主切削刃与基面平行时λs=0°； •当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs ＞0°； •反之λs ≤0°。
切削刃上选定 点相对于工件 的进给运动的 瞬时速度。
切削刃上选定 点相对于工件 的瞬时进给方 向。
（3）合成切削运动
主运动和进给运动 合成的运动称为合 成切削运动。
各种切削加工的切削运动
2、切削加工过程中的工件表面
➢切削刃相对于工件的运动过程, 就
是表面形成过程。
➢在这个过程中, 切削刃相对于工件
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。
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2.正交平面参考系
(1)基面pr (2)切削平面ps
变化，从而导致工作前角γoe、工作后角αoe 的变化。
刀具工作参考系
(1)工作基面pre (2)工作切削平面pse (3)工作正交平面poe
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。
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。
• 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
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。
素。
材料切除率，用Qz表示
三要素的乘积作 为衡量指标，单 位为mm3/min，
Qz=1000vcfap
（2）切削层参数
①切削层公称厚度hD
②切削层公称宽度bD
平行于正在加 工的表面（过 渡表面）度量 的切削层参数。
bD＝ap／sinKr
切削层是指在切削过程中， 由刀具在切削部分的一个单一 动作（或指切削部分切过工件 的一个单程，或指只产生一圈 过渡表面的动作）所切除的工 件材料层（图1－2）。
❖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。
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。
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
（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
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γoe增大、工作后 角αoe 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
2．刀具工作角度的分析
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。
切削刃上选定 点相对于工件 的瞬时主运动 方向。
（2） 进给运动
①进给运动方向 ②进给速度vf
刀具与工件之间附加
的相对运动, 它配合主运动 依次地或连续不断地切除
切屑, 从而形成具有所需几 何特性的已加工表面。
进给运动可由刀具完
成(如车削)，也可由工件完 成(如铣削)，可以是间歇的 （如刨削）, 也可以是连续 的（如车削）。
（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。
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。
由以下三个在空间 相互垂直的参考平 面构成。图2－6
通过切削刃上选定 点，垂直于该点切 削速度方向的平面。 通常平行于车刀的 安装面（底面）。
(3)正交平面po
通过切削刃
上选定点，垂直
于基面并与主切
通过切削刃上选定点， 削刃相切的平面。
同时与基面和切削平面垂
直的平面。
图2-6 面参考系
正交平
（三）刀具的标注角度
（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)。
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
图2－4
（1)前刀面Aγ 切屑流过的刀面。
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。
❖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)。
（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，
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
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。
3、切削要素
（1）切削用量要素
切削要素主要指控 制切削过程的切削 用量要素和在切削 过程中由余量变成 切屑的切削层参数。
①切削速度 ②进给量
对切削运动定量描述的 重要指标之一。外圆车 削的切削速度为
的运动轨迹面就是工件上的加工表面 和已加工表面。
➢有两个要素，一是切削刃, 二是切
削运动。
➢不同的切削运动的组合,即可形成
各种工件表面。
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 （2）已加工表面 （3）过渡表面
工件上待切除 的表面。