任务1.2　认知金属切削刀具

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1.2.1　认知金属切削刀具的结构

金属切削刀具的种类很多，结构各异，各种刀具的切削部分都具有共同的特征。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，车刀的切削部分与其他刀具刀齿的切削部分基本相同。

如图1-2-1所示，刀具的切削部分是由三个刀面、两个刀刃和一个刀尖等结构要素组成的。

①前刀面Aγ。刀具上切屑流过的表面。

②主后刀面Aα。与工件过渡表面相对的刀面。

③副后刀面。与工件已加工表面相对的刀面。

④主切削刃S。前刀面与主后刀面的交线，它承担主要的切削工作，并形成工件上的过渡表面。

⑤副切削刃S′。前刀面与副后刀面的交线，起辅助切削作用，形成已加工表面。

⑥刀尖。主切削刃和副切削刃的交点。

1.2.2　认知金属切削刀具的几何参数

刀具的切削部分是直接切除工件多余材料的部分，为了适应切削的需要，其切削部分必须具有一定的角度，这些角度确定了刀具的几何形状，为了准确的描述刀具的空间结构，需引入参考系。用来确定刀具几何角度的参考系有两类：一类是刀具静止角度参考系，即在刀具设计图上标注、制造、测量和刃磨时使用的参考系；另一类是刀具工作角度参考系，它是确定刀具在切削运动中有效工作角度的基准。前者由主运动方向确定，而后者则由合成切削运动方向确定。通常刀具工作角度近似地等于刀具静止角度，故本项目着重介绍刀具静止角度参考系。

1.建立刀具角度的参考系

刀具要从工件上切除余量，就必须具有一定的几何角度。为了适应刀具在设计、制造、刃磨和测量时的需要，选取一组几何参数作为参考系，此参考系称为静止参考系。建立刀具的静止参考系时，必须给出以下两个假设。

假设运动条件：假设不考虑进给运动的大小，以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动方向作为假定主运动方向，以切削刃选定点的进给运动方向作为假定进给运动方向。

假设安装条件：假设刀具安装时刀尖与工件中心同高，刀杆中心线垂直于进给运动方向。

刀具静止参考系的坐标平面如图1-2-2所示。

常用的静止角度参考系有4种，而我国主要采用的是正交平面参考系，故本项目主要介绍正交平面参考系。由基面、切削平面、正交平面3个互相垂直的平面组成的参考系，称为正交平面参考系。

（1）基面Pr：通过切削刃上选定点，与假定主运动方向相垂直的平面。在刀具标注角度参考系中，基面平行于车刀刀杆的底面。

（2）切削平面Ps：通过切削刃上选定点，与该点的主切削刃相切且垂直于基面的平面。

（3）正交平面Po：通过切削刃上选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。

2.刀具的标注角度——静止角度参考系

刀具上的标注角度是制造和刃磨所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。车刀的标注角度主要有5个，如图1-2-3所示。

（1）前角γο

前角是在正交平面中测量的前刀面与基面间的夹角。它有正负之分，前刀面在基面之上时，前角为负；前刀面在基面之下时，前角为正；前刀面与基面重合时，前角为零。

（2）后角αο

后角是在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角。当后刀面与基面的夹角小于90°时，后角为正；大于90°时，后角为负；后刀面垂直于基面时，后角为零。后角一般为正值。

（3）主偏角Kr

主偏角Kr是在基面内测量的切削平面与假定工作平面间的夹角，也是主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角。主偏角一般为正值。

（4）副偏角

副偏角是在基面内测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角，也是副切削刃在基面上的投影与进给反方向的夹角。副偏角一般也为正值。

（5）刃倾角λs

刃倾角是在切削平面内测量的主切削刃与基面间的夹角。当刀尖处于主切削刃最高点时，刃倾角为正；刀尖处于主切削刃最低点时，刃倾角为负；主切削刃与基面重合时，刃倾角为零。刃倾角的正负规定如图1-2-4所示。

刀具的这些角度在切削过程中都起着不同的作用，合理选择这些角度有利于切削，对加工质量起促进作用，反之，既不利于刀具又不利于加工。

此外，分析刀具时还派生出两个角度：

①刀楔角βο：在正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角。

βο=90°-（γο+αο）

②刀尖角εr：在基面中测量的主、副切削刃之间的夹角。

3.刀具的工作角度——工作角度参考系

在实际的切削加工过程中，由于车刀的安装位置和进给运动的影响，上述车刀的标注角度会发生一定的变化，根本原因是构成参考系的基面、切削平面和正交平面3个平面的位置发生了变化。

通常情况下，进给运动速度远远小于主运动速度，由其引起的工作角度变化很小。安装条件与假定的安装条件相似，所以大多数切削加工时不需要计算刀具的工作角度，但在进给速度很大（如车多头螺纹）、切断以及加工非圆柱表面等情况下，就需要计算工作角度了。

（1）工作参考系和工作角度

刀具切削加工时的实际几何参数就要在工作参考系中测量。

工作参考系也分为正交平面工作参考系、法平面工作参考系及工作平面和背平面工作参考系等。工作参考系中各坐标平面的定义与静止参考系相同，只需用合成切削运动方向取代主运动方向。它们是工作基面Pre、工作切削平面Pse、工作正交平面Poe、工作法平面Pne（Pne=Pn）、工作平面Pfe、工作背平面Ppe等。

相应的，在工作状态下刀具的角度也改变了，称为工作角度。考虑进给运动和刀具在机床上的实际安装位置的影响，分别用Kre、、λse、γoe、αoe表示，它们是切削过程中真正起作用的角度。

（2）对工作角度的分析

①横向进给运动对工作角度的影响。如图1-2-5所示，切断、切槽时，因为刀具相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺旋线，则合成切削运动方向是它的切线方向，与主运动方向夹角为μ，刀具工作前、后角分别为：

γoe=γo+μ

αoe=αo-μ

tanμ=f/πd

式中：f——刀具的横向进给量（mm/r）；

d——切削刃上选定点处的工件直径（mm）。

由上式可以看出，随着切削进行，切削刃越靠近中心O，μ值越大，αoe越小，有时甚至会达到负值，对加工有很大影响，不容忽视。

②刀具安装高低对工作角度的影响。车刀刀尖一般与工件轴线是等高的，但当刀尖高于或低于工件轴时，切削速度方向发生变化，引起坐标系平面方位的变化，即角度也发生了变化，如图1-2-6所示。

镗孔时，刀具安装高低对刀具工作角度的影响与外圆车削正好相反，即刀尖安装高时，工作前角减小，工作后角增大；刀尖安装低时相反。

在实际生产中，也可以应用这一影响（车刀装高或装低）来改变车刀实际角度的情况。

例如，车削细长轴类工件时，车刀刀尖应略高于工件中心0.2～0.3mm。这时刀具的工作后角稍有减小，并且当后刀面上有轻微磨损时，有一小段后角等于零的磨损面与工件接触，这样能防止振动。

③车刀中心线与进给方向不垂直时对工作角度的影响。

刀具装偏，即刀具中心不垂直于工件中心时，将造成主偏角和副偏角的变化。车刀中心向右偏斜，工作主偏角增大，工作副偏角减小，如图1-2-7所示；车刀中心向左偏斜（刀杆向右偏斜），工作主偏角减小，工作副偏角增大。

1.2.3　认知金属切削刀具材料

在切削过程中，刀具担负着切除工件上多余金属，以形成已加工表面的任务。刀具的切削性能好坏，取决于刀具切削部分的材料、几何参数以及结构的合理性等几个方面。刀具材料对刀具寿命、加工生产效率、加工质量以及加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。

1.刀具材料应具备的性能

（1）高硬度

刀具要从工件上切除金属层，刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度，一般情况下，要求其常温下的硬度在60HRC以上。另外，刀具材料的硬度高低在一定程度上决定了刀具的应用范围，工件材料硬度越高，就要求刀具材料的硬度相应提高。

（2）高耐磨性

耐磨性是刀具材料抵抗机械摩擦和抵抗磨料磨损的能力。耐磨性是刀具材料强度、硬度、化学成分及显微组织结构的综合反应。通常刀具材料的硬度越高，耐磨性越好，但在同样的硬度下，不同的晶相组织，耐磨性也会不同。因此耐磨性是衡量刀具材料性能的主要条件之一。

（3）足够的强度和韧性

在金属切削过程中，要使刀具在承受各种应力和冲击的情况下不致产生破坏，刀具材料就必须具有足够的强度，同时还必须具有足够的韧性。通常用刀具材料的抗弯强度和冲击韧性来衡量强度和韧性好坏。

（4）高的耐热性

耐热性是指刀具材料在高温下保持其硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。耐热性越好，说明刀具材料在高温下的切削性能越好，允许的切削速度就越高。耐热性是衡量刀具材料好坏的主要标志。

（5）良好的工艺性和经济性

为了方便刀具制造，要求刀具材料还应该有良好的切削性能、磨削性能、锻造、焊接和热处理性能。刀具材料还应尽量采用丰富的国内资源，从而降低成本。

2.常用的刀具材料

常用的刀具材料一般有以下几类：

①工具钢：包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢。其中碳素工具钢（如T10A、T12A）与合金工具钢（如9SiCr）因耐热性较差，通常只用于手工工具、切削速度较低的刀具。

②硬质合金：种类较多、应用广泛。

③超硬刀具材料：包括陶瓷、金刚石及立方氮化硼等，但它仅用于有限场合。

目前刀具材料用得最多的还是高速钢和硬质合金，另外还有涂层刀具。

（1）高速钢

高速钢是一种含有钨、铂、铬、钒等元素较多的高合金工具钢。它具有很高的强度和韧性以及较好的工艺性。高速钢热处理后的硬度为63～70HRC，红硬温度为500～650℃，允许切削速度为40m/min左右。主要用于制造各种形状较为复杂的刀具，如麻花钻、拉刀、铰刀、齿轮刀具和各种成形刀具等。高速钢的牌号及性能见表1-2-1。

（2）硬质合金

硬质合金是由高耐热性和高耐磨性的金属碳化物（碳化钨、碳化钛等）与金属黏结剂（钻、镍、钼等）用粉末冶金的工艺烧结而成的。作为刀具材料，它具有优越的金属切削性能，而且能以较高的切削速度进行金属切削。它的硬度高达74～82HRC，红硬温度达800～1000℃，允许切削速度达100～300m/min，是高速钢的5～10倍；但硬质合金较脆，抗弯强度低，仅是高速钢的1/3左右，韧性也很低，仅是高速钢的十分之一到几十分之一。因此，硬质合金常制成各种形式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀体（刀杆）上。硬质合金牌号、类别、性能及用途见表1-2-2。

续表

（3）涂层刀具材料

涂层刀具材料是在硬质合金或高速钢基体上涂一层或多层高硬度、高耐磨性的金属化合物（Tic、TiN、Al2O3等）而构成的。涂层厚度一般在2～12μm之间变化，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。

涂层材料可分为TiC涂层、TiN涂层、TiC与TiN涂层、Al2O3涂层等。目前，涂层技术已经形成成熟的自动化过程，涂层达到均匀一致，且在涂层和基体之间的附着力也非常好，涂层硬质合金刀具的耐用度比没有涂层的可提高1～3倍，涂层高速钢刀具的耐用度比没有涂层的可提高2～20倍。国内涂层硬质合金刀片牌号有CN、CA、YB等系列。

（4）超硬刀具材料

①陶瓷刀具。陶瓷刀具材料主要是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，再添加少量金属化合物（ZrO2、TiC等），采用热压成形和烧结的方法获得的。陶瓷刀具常温硬度为91～95HRA，耐磨性很好，有很高的耐热性，在1200℃下硬度为80HRA，且化学性能稳定。常用的切削速度为100～400m/min，有的甚至可高达750m/min，切削效率可比硬质合金提高1～4倍，因此陶瓷刀具被认为是提高生产率的最有希望的刀具之一。陶瓷刀具的主要缺点是抗弯强度低，冲击韧性差。陶瓷材料可做成各种刀片，主要用于高速精加工硬材料，一些新型复合陶瓷刀具也可用于半精加工或粗加工难加工的材料或间断切削。

②金刚石刀具。金刚石是在高温高压下将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料，分人造金刚石和天然金刚石两种。其硬度极高（显微硬度达10000HV），耐磨性极好，可切削极硬的材料而长时间保持尺寸的稳定性，其刀具耐用度比硬质合金高几十倍至三百倍。但这种材料的韧性和抗弯强度很差，只有硬质合金的1/4左右；热稳定性也很差，当切削温度达到700～800℃时易脱碳而失去硬度，因而不能在高温下切削；此外，它对振动比较敏感，与铁有很强的亲和力，不宜加工黑色金属，主要用于加工铝、铜及铜合金、陶瓷、合成纤维、强化塑料和硬橡胶等有色金属，以及用于非金属的精加工、超精加工，或做磨具、磨料用。

（5）立方氮化硼

立方氮化硼是一种由氮化硼（白石墨）在高温、高压下制成的新型超硬刀具材料，它的硬度仅次于金刚石，达7000～8000HV，耐磨性很好，耐热温度可达1400℃，有很高的化学稳定性，抗弯强度和韧性略低于硬质合金。立方氮化硼可做成整体刀片，也可与硬质合金做成复合刀片。刀具耐用度是硬质合金和陶瓷刀具的几十倍。立方氮化硼主要用于高硬度、难加工材料的半精加工和粗加工。

任务练习

填空题

（1）刀具切削部分主要结构要素通常由三个刀面、两个刀刃、一个刀尖组成，分别是指：__________、__________、__________；__________、__________；__________。

（2）组成刀具静止角度参考系的三个平面是__________、__________和__________。

（3）外圆车刀常用的标注角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角。分别用字母__________表示。其中前角是__________的夹角，后角是__________的夹角，主偏角和副偏角分别是__________的夹角，刃倾角是__________角。

（4）刀具的工作角度与标注角度的主要区别在于____________________________________________________________。

（5）用于制造刀具的材料应具备的基本性能是：______________________________________________________________________。

（6）刀具材料的热硬性是指：__________________________________________________。

（7）刀具材料具有良好工艺性的目的是____________________________________________________________。

（8）举例说出用工具钢材料制造的刀具是：____________________________________________________________。

（9）举例说出用高速钢材料制造的刀具有：____________________________________________________________。

（10）硬质合金刀具与高速钢刀具相比较的特点是：____________________________________________________________。

（11）涂层刀具材料指的是材料，它与高速钢或硬质合金相比较其特点是：____________________________________________________________。

（12）超硬刀具材料通常指__________、__________和__________。它们主要特点是____________________________________________________________。