工程材料與成形工藝基礎(chǔ)第十一章2切削刀具及其材料課件

第二節(jié)金屬切削刀具一、刀具材料金屬切削過程除了要求刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)外，還要求刀具材料對(duì)工件要有良好的切削性能。

刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削時(shí)要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊、振動(dòng)，金屬切削過程中的加工質(zhì)量、加工效率、加工成本，在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。1.刀具材料應(yīng)具備的性能（1）較高的硬度和耐磨性（2）足夠的強(qiáng)度和韌性（3）較高的耐熱性與化學(xué)穩(wěn)定性（4）有鍛造、焊接、熱處理、磨削加工等良好的工藝性1）碳素工具鋼和合金工具鋼碳素工具鋼（carbontoolsteel）：含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含碳量為0.7%～1.2%，淬火后硬度較高、價(jià)廉，但耐熱性較差。牌號(hào)有T7、T8、T9、T10、T12A等。

合金工具鋼（alloytoolsteel）：在碳素工具鋼中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的，可適當(dāng)減少熱處理變形和提高耐熱性。常用牌號(hào)有9CrSi、CrWMn等。

由于這兩種刀具材料的耐熱性較低，常用來制造一些切削速度不高的手工工具，如銼刀、鋸條、鉸刀、絲錐、板牙等，較少用于制造其它刀具。2）．高速鋼高速鋼（highspeedsteel）是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達(dá)63～69HRC,抗彎強(qiáng)度約3.3GPa，有較高的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐熱性。切削溫度在500～650°C時(shí)仍能進(jìn)行切削。允許的切削速度為40m／min左右，

適合于制造結(jié)構(gòu)和刃型復(fù)雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、插齒刀、剃齒刀、螺紋刀具和拉刀等。常用的牌號(hào)有W18Cr4V和W6M05Cr4V2等。硬質(zhì)合金（carbides）是由高硬度和高熔點(diǎn)的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成。硬質(zhì)合金刀具常溫硬度為87～92HRA，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好，耐磨性好，耐熱性達(dá)800～1000°C。硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度可達(dá)100-300m／min，甚至更高，比高速鋼刀具高4～10倍。但彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性均較高速鋼低，相當(dāng)于高速鋼的1／4～1／3和1／2～l／4，工藝性也不如高速鋼。常制成各種型式的刀片，焊接或機(jī)械夾固在車刀、刨刀、端銑刀等的刀柄(刀體)上使用。3）．硬質(zhì)合金4）涂層刀具材料通過氣相沉積或其它技術(shù)方法，在韌牲較好的刀具基體上，涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。常用的涂層(coated)材料有TiC、TiN、Al203及其復(fù)合材料等,涂層厚度隨刀具材料不同而異。（1）TiC涂層硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削時(shí)能產(chǎn)生氧化鈦膜，減小摩擦及刀具磨損。（2）TiN涂層在高溫時(shí)能產(chǎn)生氧化膜，與鐵基材料摩擦系數(shù)較小，抗粘結(jié)性能好，并能有效降低切削溫度。（3）TiC—TiN復(fù)合涂層第一層涂TiC，與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂TiN,減少表面層與工件間的摩擦。（4）TiC-Al203復(fù)合涂層第一層涂TiC,與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂Al203可使刀具表面具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能。目前單涂層刀片已很少應(yīng)用，大多采用TiC-TiN復(fù)合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復(fù)合涂層。5）陶瓷刀具材料以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬，在高溫下燒結(jié)而成的一種刀具材料。其優(yōu)點(diǎn)是硬度高（86～96HRC），耐磨性、耐高溫性能好（1200℃），有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，與金屬的親合力小、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)；A1203的價(jià)格較低、原料豐富,因此很有發(fā)展前途。其缺點(diǎn)是脆性大、抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，易崩刃，所以使用范圍受到限制；可用于高強(qiáng)鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料半精加工和精加工。7）立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一種人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成。它有很高的硬度及耐磨性，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性大，與鐵系金屬在1000℃時(shí)不易起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)熱性好，摩擦系數(shù)低。因此可用于高溫合金、冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料的加工。

應(yīng)當(dāng)指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速鋼及硬質(zhì)合金，只有在加工難加工材料時(shí)，才考慮選用新牌號(hào)合金或高性能高速鋼，在加工高硬度材料或精密加工時(shí)，才考慮選用超硬材料。二、車刀的種類和結(jié)構(gòu)

車刀是金屬切削加工中最簡單、使用最廣泛的刀具，它可以在普通車床、轉(zhuǎn)塔車床、立式車床、自動(dòng)與半自動(dòng)車床上，完成工件的外圓、端面、切槽或切斷等不同的加工工序。

2.焊接式車刀（硬質(zhì)合金）將硬質(zhì)合金刀片用紫銅、黃銅等焊接在開有刀槽的刀桿上。結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，抗振性能好，制造方便，使用靈活。但刀片經(jīng)過高溫焊接和刃磨易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋，使切削性能下降，對(duì)提高生產(chǎn)效率不利。1.整體式式車刀切削部分與夾持部分材料相同，對(duì)貴重的刀具材料消耗較大。多用高速鋼制造。3.機(jī)夾重磨式車刀（硬質(zhì)合金）避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀桿可重復(fù)使用利用率較高。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂紋。4.機(jī)夾可轉(zhuǎn)位式車刀將壓制有一定幾何參數(shù)的多邊形刀片，用機(jī)械夾固的方法裝夾在標(biāo)準(zhǔn)的刀體上。

1.不需刃磨，刀片材料能較好地保持原有力學(xué)性能、切削性能、硬度和抗彎強(qiáng)度。2.減少了刃磨、換刀、調(diào)刀所需的輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。3.可使用涂層刀片，提高刀具耐用度。三、切削刀具由工作部分和非工作部分構(gòu)成。車刀(turningtools)的工作部分比較簡單，只由切削部分構(gòu)成，非工作部分就是車刀的柄部(或刀桿)。不論刀具結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，就其單刀齒切削部分，都可以看成由外圓車刀的切削部分演變而來，本節(jié)以外圓車刀為例來介紹其幾何參數(shù)。

（1)前刀面

刀具上切屑流過的刀面。1）刀面（2)主后刀面刀具上與工件正在被切削加工的表面（過渡表面）相對(duì)的刀面。（3)副后刀面刀具上與工件已切削加工的表面相對(duì)的刀面。1.車刀切削部分的組成刀具角度是刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量時(shí)所使用的幾何參數(shù)，它們是確定刀具切削部分幾何形狀（各表面空間位置）的重要參數(shù)。參考系：用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)面。參考系：刀具靜止參考系和刀具工作參考系。2.車刀切削部分的主要角度刀具靜止參考系（標(biāo)注角度參考系）：在設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測(cè)量時(shí)，用于定義刀具幾何參數(shù)的參考系。1）刀具靜止參考系在該參考系中定義的角度稱為刀具的標(biāo)注角度。靜止參考系中最常用的是正交平面參考系。3）車刀的主要角度（1）基面中測(cè)量的刀具角度主偏角κr

主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度vf

方向之間的夾角。副偏角κr′

副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度vf反方向之間的夾角。（2）切削平面中測(cè)量的刀具角度刃傾角λs主切削刃與基面之間的夾角。它在切削平面內(nèi)標(biāo)注或測(cè)量，但有正負(fù)之分。當(dāng)主切削刃與基面平行時(shí)λs=0°；當(dāng)?shù)都恻c(diǎn)相對(duì)基面處于主切削刃上的最高點(diǎn)時(shí)λs＞0°；反之λs≤0°。（3）正交平面中測(cè)量的刀具角度前角γO

前刀面與基面之間的夾角。后角αo

后刀面與切削平面之間的夾角。說明：以上標(biāo)注角度是在刀尖與工件回轉(zhuǎn)軸線等高、刀桿縱向軸線垂直于進(jìn)給方向，以及不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響等條件下確定的。4）刀具角度的選擇1)前角γO

功用γO

刀刃鋒利，切屑變形切削力和切削功率刀刃和刀尖強(qiáng)度，散熱體積刀具壽命γo1Prγo2選擇取決于：工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料塑性大、強(qiáng)度和硬度低或刀具材料韌性好（高速鋼）或精加工時(shí)，應(yīng)取較大前角，反之，加工脆性材料或刀具材料韌性差（硬質(zhì)合金）或粗加工時(shí)應(yīng)取較小的前角。2)后角αo

功用αo

后刀面與工件的摩擦后刀面的磨損率選擇取決于：加工要求、工件材料及工藝系統(tǒng)剛度。粗加工或工件材料較硬，后角取較小值；工件材料越軟、塑性越大，后角越大；工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)，適當(dāng)減小后角；3)主偏角κr

和副偏角κr′

功用κr和κr′

刀刃強(qiáng)度表面粗糙度背向力Fp殘留面積高度，散熱條件刀具壽命，工件易變形kr1Kr’kr2FpFf選擇工藝系統(tǒng)剛性較好時(shí)，主偏角取較小值；反之取較大值。副偏角大小取決于表面粗糙度（5°?15°)，粗加工時(shí)取大值，精加工取小值。4)刃傾角λs

功用選擇影響刀頭的強(qiáng)度、切削分力和切屑的流動(dòng)方向。加工一般鋼料和鑄鐵，無沖擊時(shí)：粗車λs

＝0°?－5°，精車λs

＝0°?+5°；有沖擊時(shí)：λs

＝－5°?－15°；特別大時(shí)：λs

＝－30°?－45°。切削加工高強(qiáng)度鋼、冷硬鋼時(shí)：λs

＝－30°?－45°。5）刀具安裝位置對(duì)刀具工作角度的影響用刃傾角λs=0°車刀車削外圓時(shí)，如果刀尖高于工件回轉(zhuǎn)軸線，則工作前角γoe增大，而工作后角αoe減小。如果刀尖低于工件回轉(zhuǎn)軸線，則工作前角γoe減小，而工作后角αoe增大。a.刀尖安裝高低對(duì)工作前、后角的影響當(dāng)?shù)稐U中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不垂直且順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)G角時(shí)，工作主偏角將減小，工作副偏角將增大。b.刀桿安裝偏斜對(duì)工作主、副偏角的影響當(dāng)?shù)稐U中心線與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向不垂直且逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)G角時(shí)，工作主偏角將增大，工作副偏角將減小。四、金屬切削過程

金屬切削過程(cuttingprocess)中，始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，從而產(chǎn)生一系列物理現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及有關(guān)刀具的磨損與刀具壽命、卷屑與斷屑等。

研究、掌握并能靈活應(yīng)用金屬切削基本理論,對(duì)有效控制切削過程、保證加工精度和表面質(zhì)量，提高切削效率、降低生產(chǎn)成本，合理改進(jìn)、設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等有重要的指導(dǎo)意義。（一）切屑的形成1、切屑的形成過程金屬層被切離前,刀刃在力的作用下克服了材料的分子內(nèi)聚力擠入刀刃前面的材料,材料產(chǎn)生裂紋,刀刃繼續(xù)擠入,直至被擠裂的金屬層脫離工件本體,沿著刀具前面流出而成切屑。切屑的變形和形成過程實(shí)際上經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形、擠裂、切離四個(gè)階段。帶狀切屑外形特征：它的內(nèi)表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成條件：用大前角的刀具、較高的切削速度和較小的進(jìn)給量切削塑性材料優(yōu)點(diǎn)：切削過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較小。缺點(diǎn)：切屑連續(xù)不斷，不太安全或可能擦傷已加工表面，因此要采取斷屑措施。

2、切屑的類型擠裂(節(jié)狀)切屑

外形特征：切屑接觸面有裂紋，外表面是鋸齒形。

形成條件：采用較低的切削速度和較大的進(jìn)給量，刀具前角較小,粗加工中等硬度的鋼材料

特點(diǎn)：切削力波動(dòng)較大，工件表面較粗糙

崩碎切屑：在切削鑄鐵和黃銅等脆性材料時(shí)，切削層金屬發(fā)生彈性變形以后，一般不經(jīng)過塑性變形就突然崩落，形成不規(guī)則的碎塊狀屑片，即為崩碎切屑。產(chǎn)生崩碎切屑時(shí)，切削熱和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨損，并容易產(chǎn)生振動(dòng)，影響表面質(zhì)量。

（二）積屑瘤

在一定速度范圍下，切削塑性金屬材料形成帶狀切屑時(shí),常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘結(jié)一些工件材料,形成一塊硬度很高的楔塊，稱之為積屑瘤(thebuilt-upedge)

，或稱刀瘤。1）什么是積屑瘤

當(dāng)切屑沿刀具的前刀面流出時(shí)，在一定的溫度與壓力作用下，與前刀面接觸的切屑底層受到很大的摩擦阻力，致使這一層金屬的流出速度減慢，形成一層很薄的“滯流層”。當(dāng)前刀面對(duì)滯流層的摩擦阻力超過切屑材料的內(nèi)部結(jié)合力時(shí)，就會(huì)有一部分金屬粘結(jié)或冷焊在切削刃附近，形成積屑瘤。2）積屑瘤的形成原因3）積屑瘤對(duì)起削過程的影響

積屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃進(jìn)行切削，起到保護(hù)切削刃的作用。使實(shí)際前角增大，切削輕快。因此，粗加工時(shí)可利用積屑瘤。積屑瘤的頂端伸出切削刃之外，而且在不斷地產(chǎn)生和脫落，使切削層公稱厚度不斷變化，影響尺寸精度。此外，還會(huì)導(dǎo)致切削力的變化，引起振動(dòng)，一些積屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和導(dǎo)致刀具磨損。精加工時(shí)應(yīng)盡可能避免積屑瘤的產(chǎn)生。（三）切削力和切削功率切削過程中，刀具施加于工件使工件材料產(chǎn)生變形，并使多余材料變?yōu)榍行妓璧牧?，稱為切削力(cuttingforce)。一、切削力的來源和分力1.切削力的來源切削力來自于金屬切削過程中克服被加工材料的彈、塑性變形抗力和刀具與工件及刀具與切屑之間摩擦阻力。2.總切削力的分解通常將合力F分解為相互垂直的三個(gè)分力：切削力Fc

、進(jìn)給力Ff

、背向力Fp

。切削力Fz(Fc)總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向的分力，大小約占總切削力的80%～90%。Fc消耗的功率最多，約占總功率的90%左右，是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。背向力Fy（Fp）進(jìn)給力Fx(Ff)總切削力在垂直于工作平面方向的分力，F(xiàn)p不消耗功率。但容易使工件變形，甚至可能產(chǎn)生振動(dòng)，影響工件的加工精度。是進(jìn)行加工精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，所必須的參數(shù)?？偳邢髁υ谶M(jìn)給方向的分力，進(jìn)給力也作功，但只占總功的1%～5%。是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)計(jì)算切削功率(cuttingpower)

Pc是用于核算加工成本和計(jì)算能量消耗，并在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)根據(jù)它來選擇機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率。主運(yùn)動(dòng)消耗的切削功率Pc＝Fcυc/60×10-3

（kW）機(jī)床電機(jī)功率PE=Pc／ηmηm—機(jī)床傳動(dòng)效率，0.7