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1 刀具结构及刀具材料 1

2 内容 金属切削加工的基本概念 刀具角度 刀具种类 刀具材料 切削运动 切削要素 切削层几何参数 刀具的组成 刀具切削部分的组成 刀具角度的参考平面 刀具的标注角度 刀具的工作角度 刀具分类 车刀 孔加工刀具 铣刀 拉刀 螺纹刀具 齿轮刀具 刀具材料应具备的性能 常用的刀具材料 新型刀具材料 2

3 切削运动 切削加工 : 利用刀具切去工件毛坯上多余的加工余量, 获得具有一定的尺寸 形状 位置精度和表面质量的机械加工方法 切削运动 : 刀具与工件之间的相对运动, 即表面成形运动, 分为 : 切削运动 = 主运动 + 进给运动主运动 : 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动 进给运动 : 连续不断地把切削层投入切削, 以便切除工件上多余金属的运动 3

4 切削运动 图 1-1 钻 车 刨 铣 磨 拉削的切削运动 主运动 ; 进给运动 ; 合成运动 4- 待加工表面 ; 5- 加工表面 ; 4 6- 已加工表面

5 切削运动 主运动 速度高消耗功率大只有一个旋转运动 / 直线运动工件 / 刀具 进给运动 速度低消耗功率小一个或多个旋转运动 / 直线运动工件 / 刀具 5

6 三个面 : 切削要素 待加工表面 : 即将被切除金属层的表面 ( 逐渐变小, 直至全部切除 ) 已加工表面 : 刀具切削后在工件上形成的新表面 ( 逐渐变大 ) 加工表面 : 切削刃正在切削着的表面 ( 位置不断变化 ) 待加工表面加工表面加工表面已加工表面待加工表面 已加工表面 6

7 切削要素 切削用量 : 切削用量三要素 切削速度 进给量 切削深度 (1) 切削速度 : 刀刃上选定点的主运动速度特点 : 刀刃上各点的切削速度可能不同, 一般指的是最大切削速度 主运动为旋转运动时 : 工件或刀具每分钟转数 (r/min) v c = π d w n/1000 (m/min) 工件待加工表面或刀具的最大直径 (mm) 往复直线运动 ( 刨削 ), 平均速度作为切削速度往复直线运动的行程长度 (mm) v c = 2Ln r /1000 (m/min) 主运动每分钟的往复次数 ( 次 /min) 7

8 切削用量 : 切削要素 (2) 进给速度 v f 或进给量 f 进给速度 v f : 刀刃上选定点相对于工件的进给运动速度 ( mm/min) 进给量 f : 主运动每转或每双行程, 工件和刀具在进给运动中的相对移动量 ( mm/r 或 mm/ 双行程 ) 车外圆 ( 铣削 ): 齿数 v f =n f =n z f z 刨削平面 : v f =n r f 每齿进给量 mm/ 齿 进给量 主运动每分钟的往复次数 ( 次 /min) 8

9 切削要素 切削用量 : (3) 背吃刀量 ( 切削深度 ) a p 工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离 (mm) 车削时 : a p = (d w - d m )/2 (mm) 钻削时 : a p = d m /2 (mm) 进给量 切削深度 d w d m 9

10 切削层几何参数 切削层 : 刀刃在一次走刀中从工件待加工表面上切下的金属层 切削层参数 : 切削层的截面尺寸, 它决定了刀具切削部分所承受的负载和切屑尺寸大小 切削宽度 切削厚度和切削面积 度量平面 : 基面 10

11 切削层几何参数 切削层 切削宽度 a w 切削深度 a p 切削厚度 a c 11 切削面积 A c A c = a c a w

12 切削层几何参数 车外圆时, 已知工件转速 n=320r/min, 车刀移动速度 v f = 64mm/min, 求 : 切削三要素 切削厚度 切削宽度及切削面积 12

13 车刀 = 刀体 + 刀头 刀具的组成 刀体 刀头 13

14 刀具切削部分的组成 刀具切削部分组成 : 三面两刃一尖 与切屑接触并相互作用的表面 配合切削 副切削刃 前刀面 刀头 副后刀面 与工件已加工表面接触并相互作用的表面 刀尖 14 主切削刃 完成主要切削工作 主后刀面 与工件过渡表面接触并相互作用的表面

15 刀具角度的参考平面 参考系的确定 : 共有两大类 标注坐标系 : 是刀具设计 绘制 制造 刃磨和测量的基准 工作坐标系 : 它是刀具在切削运动中角度的基准 标注坐标系 : 主剖面系 / 正交剖面系 15

16 刀具角度的参考平面 v (1) 切削平面 P s : 通过主切削刃上选定点 x, 并与工件加工表面相切的平面 必须注意, 参考系和刀具角度都是对刀刃上某一研究点而言的, 刀刃上不同的点应建立各自的坐标系, 表示各自的角度 16

17 刀具角度的参考平面 (2) 基面 P r : 通过切削刃上选定点 x, 与该点切削速度方向相垂直的平面 17

18 刀具角度的参考平面 v 18 (3) 正交平面 P o : 通过切削刃上选定点 x, 同时垂直于基面和切削 平面的平面 故正交平 面必然垂直于刀刃在基 面上的投影 由于基面 切削平面和正交平面相互正交, 所以, 称为正交平面参考系

19 刀具的标注角度 刀具上的标注角度直接关系到刀具的切削性能 强度和耐用度, 是刀具上很重要的几何参数 6 个基本角度 3 个派生角度 前角 后角 主偏角 副偏角 副后角 刃倾角 楔角 刀尖角 余偏角 19

20 刀具的标注角度 前角 后角和楔角 β o 切削平面 P s 主后刀面 后角 α o 基面 P r 楔角 β o 前刀面 前角 γ o 基面 前角越大, 刀越锋利, 切削时越省力, 但前角过大, 使主切削刃强度降低, 将影响刀具寿命 后面角关系到后刀面与工件切削表面之间的摩擦, 后角越大, 摩擦越小, 但后角过大, 会使切削刃强度降低 20 正交平面 ο β o = 90 ( γ o + αo)

21 刀具的标注角度 主偏角 副偏角和刀尖角 ε r 进给方向 v f 负进给方向 v f 副偏角 κ' r 基面 主偏角 κ r 主刀刃 刀尖角 ε r 副刀刃 主偏角的大小, 直接影响主切削刃的工作长度 切削厚度和切削宽度, 并影响切削力的方向 副偏角的大小关系副切削刃与已加工表面之间的摩擦, 直接影响已加工表面的粗糙度 21 ε r = 180 ο ( k + r k ' r )

22 刀具的标注角度 副后角 副切削平面 P' s 副后刀面 副后角 α' o 副剖面 基面 22

23 刀具的标注角度 刃倾角 主切削刃与基面之间的夹角 刃倾角影响刀尖强度 主刀刃 切削平面 基面 P r 刃倾角 λ s

24 刀具的标注角度 刃倾角正 负的规定方法 : 刃倾角 : 刀尖高为正 ; 刀尖低为负 主刀刃 λs=0, 正切削 / 直角切削 λs 0, 斜切削 / 斜角切削 24

25 刀具的标注角度 外圆车 Po 剖面 Po 剖面 刀 kr=75 0, kr =15 0, Ps α0 α0 Pr γ0 γ 0 =-5 0, α 0 =8 0 和 λ s =+5 0 Po kr Po kr Ps Ps Pr 25 λs

26 刀具的标注角度 端面车刀 kr=45 0, kr =15 0, γ 0 =+10 0, α 0 =8 0, 和 λ s =-3 0 Vf Po 剖面 α0 Ps kr kr Po α0 Po 剖面 Ps γ0 Pr λs Pr 26

27 刀具的标注角度 练习 外圆车刀 kr=75 0,kr =25 0,γ 0 =15 0,α 0 =10 0 和 λ s =

28 刀具的工作角度 产生原因在实际的切削加工中, 切削平面 基面和正交平面位置会发生变化 定义以切削过程中实际的切削平面 基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度, 又称实际角度 影响刀具安装位置对工作角度的影响 进给运动对工作角度的影响 28

29 刀具的工作角度 安装位置对工作角度影响 前角增大 后角减小 29 前角减小 后角增大

30 刀具的工作角度 进给运动对工作角度影响 刀杆中心线与进给方向不垂直 主偏角增大 副偏角减小 主偏角减小 副偏角增大 30

31 刀具的工作角度 进给运动对工作角度影响 横向运动 前角增大 后角减小 纵向运动 31

32 按加工方式和用途分 车 铣 刨 钻 拉 铰等 按材料分 刀具分类 高速钢 硬质合金 陶瓷 立方氮化硼 金刚石 按切削刃多少 : 单刃 多刃 按标准化程度 : 标准 非标准 按尺寸规格 : 定尺寸 非定尺寸 按刀具组成形式 : 整体式 装配式 32

33 33 车刀 按功能分切断刀左偏刀右偏刀弯头车刀直头车刀成形车刀宽刃精车刀外螺纹车刀端面车刀内螺纹车刀内槽车刀通孔车刀盲孔车刀

34 车刀 按结构分 焊接式车刀整体式车刀机夹式车刀 成形车刀 34

35 常用的钻孔刀具 : 孔加工刀具 麻花钻 中心钻 扁钻和深孔钻, 其中最常用的是麻花钻 根据制造麻花钻的材料不同, 可分为碳素钢麻花钻 高速钢麻花钻和硬质合金麻花钻等, 由于碳素钢麻花钻的切削性能较差, 现在基本上不再使用 35

36 孔加工刀具 高速钢麻花钻 36

37 孔加工刀具 中心钻 37

38 孔加工刀具 深孔钻 38

39 孔加工刀具 扩孔钻 39

40 孔加工刀具 铰刀 40

41 孔加工刀具 镗刀 单刃镗刀双刃镗刀多刃镗刀 微调镗刀 41

42 铣刀 42

43 铣刀 圆柱铣刀 端铣刀 成形铣刀 43

44 拉刀 内拉刀 外拉刀 44

45 螺纹刀具 种类 : 切削方法 : 螺纹车刀 梳刀 丝锥 板牙 螺纹铣刀等 金属塑性变形法 : 螺纹滚压头 搓丝板 滚丝轮等 丝锥 45 板牙

46 齿轮刀具 齿轮滚刀插齿刀剃齿刀 46

47 高的硬度和耐磨性 : 刀具材料应具备的性能 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度 在 HRC60 以上 刀具材料越硬, 耐磨性越好 足够的强度和韧性 : 冲击和振动易导致刀具崩刃和折断 强度越高, 刀具的承载能力越高 韧性越好, 耐冲击能力就越好 47

48 刀具材料应具备的性能 高的耐热性 ( 又称热硬性 红硬性 ): 耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度 耐磨性 强度和韧性的能力 刀具材料的耐热性越好, 刀具的切削性能越好, 允许的切削速度也越高 化学稳定性好 : 48

49 刀具材料应具备的性能 良好的工艺性和经济性 : 工艺性能 : 锻造性能 热处理性能 可焊性 刃磨性等 经济性 : 资源丰富 价格低廉 良好的热物理性能和耐热冲击性能 : 导热性越好, 有利于降低切削温度 抵抗热冲击的能力 导热系数越大, 耐热冲击性能越好 49

50 常用刀具材料 常用刀具材料有 4 大类 : (1) 工具钢 : 碳素工具钢 合金工具钢和高速钢耐热性较差 (200 ), 常用于手工工具和低速切削的刀具, 如锉刀 丝锥 板牙 锯条 (2) 硬质合金 (3) 陶瓷 (4) 超硬材料 50

51 高速钢 ( 锋钢 风钢 ) 常用刀具材料 高速钢是在高碳钢中加入了大量的钨 W 钼 Mo 铬 Cr 钒 V 等合金元素, 提高了钢的耐磨性和热硬性 在温度 500~600 还能进行切削 切削中碳钢时, 切削速度可达 30~50 m/min 左右 优点 : 强度 韧性 工艺性能好, 且价格低, 容易磨成锋利的切削刃 常制成复杂的刀具, 如钻头 成形刀具 齿轮刀具 拉刀等 51

52 常用刀具材料 硬质合金 硬质合金是由高硬度 高熔点金属碳化物 (WC 和 TiC) 微粉, 用钴 Co 钼 Mo 或镍 Ni 等金属成分作为粘结剂, 在高压下成形, 并经高温下烧结而成的粉末冶金制品 优点 : 熔点高 硬度高 耐磨性和热硬性及化学稳定性好 因此, 特别适用高速切削下的刀具 缺点 : 抗弯强度低 脆性大, 不能承受较大的冲击, 加工工艺性差, 制作复杂刀具难度大 用途 : 广泛用于车刀 铣刀和镗刀的可换刀片 52

53 常用刀具材料 硬质合金刀片及其夹持方式 53

54 常用刀具材料 基体 : 碳化钨 WC 和碳化鈦 TiC 分类 : (1) 钨钴类 (WC-Co) 代号 :YG 用途 : 用于切削短切屑的黑色金属 ( 如铸铁 ), 有色金属和非金属材料 (2) 钨鈦钴类 (WC-TiC-Co) 代号 :YT 用途 : 用于切削长切屑的黑色金属 ( 如钢材 ) 54

55 新型刀具材料 陶瓷材料 陶瓷材料是采用人工化合物 ( 氧化铝 Al 2 O 3, 氮化硅 Si 3 N 4 ) 为原料, 经冷压成形, 并经高温下烧结而成 特别适合于高速条件下进行切削, 可加工硬度 HRC60 的淬硬钢 冷硬铸铁等 硬度高 化学性好 耐氧化强度低 韧性差 用于精加工 优点 可加工硬度高达 65HRC 的高硬度难加工材料 可进行荒车及铣 刨等大冲击间断切削 耐用度可提高几倍甚至几十倍 切削效率提高 3~10 倍 55

56 新型刀具材料 立方氮化硼 CBN 由软的立方氮化硼在高温下加入催化剂而成的新型超硬材料 特点 : 硬度 耐磨性很高,HV , 仅次于金刚石 ; 热稳定性好,1400 度时可用来加工高温合金 ; 化学惰性大, 在 度时不与铁族元素起化学作用 切削速度较高, 加工精度高, 表面粗糙度小, 超精密加工时可替代磨削 高速切削黑色金属, 如淬硬钢 (45~65HRC) 轴承钢(60~64HRC) 高速钢 (63~66HRC) 硬质合金等 56

57 新型刀具材料 硬质合金刀片 立方氮化硼复合刀片 PCBN 或 PCD 涂层 铜焊 整体聚晶立方氮化硼刀具 57

58 新型刀具材料 金刚石 (1) 天然单晶金刚石刀具 : 质量好, 但价格昂贵 (2) 人造聚晶金刚石刀具 : (3) 金刚石复合刀片 : 人造聚晶金刚石刀具 : 是在高温高压下, 由石墨转化而来的特点 : 硬度 耐磨性极好 (HV10000) 高导热性 ; 刀具刃口可以磨的很锋利 脆性大, 焊接困难 ; 热稳定性差 (700~800 ), 与铁元素化学亲和力强, 不适合加工钢铁材料 适合加工有色金属和非金属材料, 如铝 硅铝合金 58

59 新型刀具材料 涂层刀具 涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上, 涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的 金刚石涂层刀片 59

60 常用刀具材料特性表 种类牌号硬度 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 T12A T10A T8A CrWMn 9CrSi W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Co8 W6Mo5Cr4V2Al W6Mo5Cr4V2 W18Cr4V 60~ 65HRC 62~ 70HRC 维持切削性能的最高温度 ( ) 抗弯强度 (GPa) 工艺性能 ~ ~2.75 可冷热加工成形, 工艺性能良好, 磨削性好, 须热 250~ ~2.75 处理 540~ ~4.41 可冷热加工成形, 工艺性能良好, 须热处理, 磨削性好, 但钒类较差 用途 只用于手动刀具, 如手动丝锥 板牙 铰刀 锯条 锉刀等 只用于手动或低速机动刀具, 如丝锥 板牙 拉刀等 用于各种刀具, 特别是形状较复杂的刀具, 如钻头 铣刀 拉刀 齿轮刀具 丝锥 板牙 刨刀等 硬质合金 陶瓷 YW1,YW2 YT5,YT15, YT30 YG3,YG6,YG8 89~ 94HRA 91~ 94HRA 800~ ~2.45 压制烧结后使用, 不能冷热加工, 多镶片使用, 无须热处理 > ~0.833 车刀刀头大部分采用硬质合金, 钻头 铣刀 滚刀 丝锥等可镶刀片使用 多用于车刀, 性脆, 适用于连续切削 立方氮化硼 7300~ 9000HV >1000 压制烧结而成, 可用金刚石砂轮磨削 用于硬度 强度较高材料的精加工 金刚石 10000H V <700 用天然金刚石砂轮刃磨极困难 用于非铁金属的高精度 小表面粗糙度切削 60

61 切削加工基本知识 主运动与进给运动 刀具角度 切削用量 切削层参数 本次小结 常用刀具材料和种类 刀具材料应满足的基本性能 常用刀具材料 61

62 作业

63 The End 63

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