图2-2 平面刨削的切削运动与 加工表面
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切削速度V 进给量f(或进给速度 和背吃刀量 或进给速度V 和背吃刀量a 切削速度 c，进给量 或进给速度 f)和背吃刀量 p
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切削运动 主运动 进给运动 合成切削运动 2. 工件表面 待加工表面 已加工表面 过渡表面 4
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1. 前角γ0 前角γ 影响： 影响： 切削的难易程度-很大。 ↖前角，使刀刃变得锋利，使 切削的难易程度 很大。 前角，使刀刃变得锋利， 很大 切削更轻快，切屑变形↘ 切削力和切削功率↘ 切削更轻快，切屑变形↘，切削力和切削功率↘ ↖前角，刀刃和刀尖强度↘ ，散热体积↘ ，影响刀具 前角，刀刃和刀尖强度↘ 散热体积↘ 寿命。对表面粗糙度， 寿命。对表面粗糙度，排、断屑等有一定的影响
第2章 制造工艺装备 章
金属切削刀具 机床 机床夹具
熊良山等编《机械制造技术基础》课件
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2.1 金属切削刀具的基本知识
2.1.1 金属切削加工的基本概念
1. 切削运动（主运动和进给运动）与切削用量 切削运动（主运动和进给运动）
图2-1 外圆车削的切削运动与 加工表面
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常用刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、 常用刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、 陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。 陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。 2. 高速钢表2-1 高速钢表 含有较多钨、 含有较多钨、钼、烙、钒等元素的高合金工具钢 较高的硬度（热处理硬度达HRC62—67）和耐热性（切削温 较高的硬度（热处理硬度达 ） 耐热性（ 度可达550—600º） 度可达 ） 切速比碳素工具钢和合金工具钢高1—3倍（因此而得名）， 切速比碳素工具钢和合金工具钢高 倍 因此而得名）， 刀具耐用度高10—40倍，甚至更多 刀具耐用度高 倍 可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料 制造工艺简单，能锻造， 制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃 在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等） 在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等） 的制造中占有重要地位。 的制造中占有重要地位。 用途分：通用型高速钢和 用途分：通用型高速钢和高性能高速钢 制造工艺分 熔炼高速钢和 制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 16
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刀杆中心线偏斜的影响
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2.1.3
刀具材料
加工时要承受高温、高压、强烈的摩擦，冲击和振动。 加工时要承受高温、高压、强烈的摩擦，冲击和振动。 1.刀具材料应具备的性能 刀具材料应具备的性能 1) 高的硬度 ：比工件高，>HRC60 比工件高， 2) 高的耐磨性：耐用度 高的耐磨性： 3) 足够的强度和韧性：不崩刃，不断 足够的强度和韧性：不崩刃， 4) 高的耐热性（热稳定性）：高温时可以加工 高的耐热性（热稳定性）：高温时可以加工 ）： 5) 良好的热物理性能和耐热冲击性能 6) 良好的工艺性能：刀具制造成本低 良好的工艺性能： 15
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2. 后角 o 后角α 后角的主要功用：减小后刀面与工件的摩擦和后刀面的 后角的主要功用： 磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大的 磨损， 影响。 影响。 大小取决于：切削厚度（或进给量），也与工件材料， 大小取决于：切削厚度（或进给量） 也与工件材料， 取决于 工件材料 工艺系统的刚性有关。 工艺系统的刚性有关。 有关 车削一般钢和铸铁时，车刀后角常选用 ° 车削一般钢和铸铁时，车刀后角常选用4°～6°。 ° 23
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（三）刀具的标注角度 前角γ 前刀面—基面 正交平面） 基面（ 前角γ0： 前刀面 基面（正交平面） 后角α 0 ：主后刀面—切削平面（正交平面） 后角α 主后刀面 切削平基面） 假定进给方向（ 主偏角κr ：主刃投影 假定进给方向（基面） 副偏角κ 主刃投影—假定进给方向 基面） 假定进给方向（ 副偏角κ’ r ：主刃投影 假定进给方向（基面） 刃倾角λ s ：主刃 基面（切削平面） 主刃—基面 切削平面） 基面（ 刃倾角λ
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3. 切削层参数： 切削层参数： 公称厚度h ，公称宽度b ，公称横截面积A 公称厚度 D，公称宽度 D，公称横截面积 D=hDbD=fap
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2.1.2
刀具角度
（一）切削部分的组成 前刀面A 前刀面 γ 主后刀面Aα 主后刀面 副后刀面 主切削刃S 主切削刃 副切削刃S’ 副切削刃 刀尖 6
人造金刚石单晶
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2.1.5
刀具角度的选择
1.选择前角γ0 选择前角γ 选择前角 2.选择后角 o 选择后角α 选择后角 3.选择主偏角κr 和副偏角 r 选择主偏角 和副偏角κ´ 4.选择刃倾角 s 选择刃倾角λ 选择刃倾角 应当指出，刀具各角度之间是相互联系，相互影响的， 应当指出，刀具各角度之间是相互联系，相互影响的，孤 立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值。 立地选择某一角度并不能得到所希望的合理值。 20
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2.1.4
CVD金刚石切削刀具 金刚石切削刀具
激光焊接金刚 石圆锯片
寿命相当于硬质合金刀具的100倍以上 倍以上 寿命相当于硬质合金刀具的 加工特性： 加工特性：
1)刀刃强度高，能承受较单晶金刚石刀具更高的冲击载荷。 刀刃强度高，能承受较单晶金刚石刀具更高的冲击载荷。 刀刃强度高 2)磨耗小，耐用度比硬质合金高100倍以上，性能优于 磨耗小，耐用度比硬质合金高 倍以上， 磨耗小 倍以上 性能优于PCD刀 刀 可以多次修磨，反复使用。 具。可以多次修磨，反复使用。 3)用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至 用单晶金刚石刀具的研磨方法将刃部精细研磨抛光至 Ra≤0.05um,被加工工件表面可达到镜面光。 被加工工件表面可达到镜面光。 被加工工件表面可达到镜面光 4)热导率 热导率>5W/cm K 。 热导率 5)热稳定性好，最高工作温度800℃。 热稳定性好，最高工作温度 热稳定性好 ℃
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其他刀具可看作是车刀的演变和组合
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（二）定义刀具角度的参考系 刀具标注角 度参考系 基面Pr 基面 切削平面P 切削平面 s 正交平面P 正交平面 0 法平面P 法平面 n 假定工作P 假定工作 f 背平面P 背平面 p 8
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3. 主偏角 r和副偏角 ´r 主偏角κ 和副偏角κ´ 影响：主偏角和副偏角对刀具耐用度影响很大。 影响：主偏角和副偏角对刀具耐用度影响很大。减小主偏 影响很大 角和副偏角 刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善， 刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善，刀具耐用 度提高。 度提高。 降低残留面积高度，减小加工表面的粗糙度。 降低残留面积高度，减小加工表面的粗糙度。 主偏角和副偏角还会影响各切削分力的大小和比例。 主偏角和副偏角还会影响各切削分力的大小和比例。 主偏角取值：在工艺系统刚性较好时，主偏角κ 主偏角取值：在工艺系统刚性较好时，主偏角 r宜取较小 值，如κr=30°~70°。车削细长轴时，取κr= 90°~93°， ° ° 车削细长轴时， ° ° 以减小背向力F 以减小背向力 p。 副偏角κ 的大小主要根据表面粗糙度的要求选取， 副偏角 r的大小主要根据表面粗糙度的要求选取，一般为 5°~15°，粗加工时取大值，精加工时取小值。 ° ° 粗加工时取大值，精加工时取小值。 24
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4. 涂层刀具和其它刀具材料 涂层刀具： 涂层刀具：耐磨性高的难熔金属化合物 耐用度至少可提高1—3倍（刀片），或2—10倍（高速 倍 刀片），或 耐用度至少可提高 ）， 倍 ）。加工材料的硬度愈高 效果愈好。 加工材料的硬度愈高， 钢）。加工材料的硬度愈高，效果愈好。 人造金刚石： 人造金刚石：在高温高压下由石墨转化而成 极高的硬度（显微硬度可达HV10000）和耐磨性，摩擦系 极高的硬度（显微硬度可达 ）和耐磨性， 数小，切削刃非常锋利。很高的加工表面质量。 数小，切削刃非常锋利。很高的加工表面质量。 陶瓷材料：以氧化铝为主要成分， 陶瓷材料：以氧化铝为主要成分，经压制而成 时可保持HRA80的硬度，脆。 的硬度， 在1200°C时可保持 ° 时可保持 的硬度 热稳定性较差（不得超过700～800℃），与铁元素的化学 热稳定性较差（不得超过 ～ ℃），与铁元素的化学 亲和力很强，不宜加工钢铁件。加工硬质合金。 亲和力很强，不宜加工钢铁件。加工硬质合金。 立方氮化硼： 立方氮化硼：由六方氮化硼在高温高压下转变而成 硬度热稳定性很高（可达1300—1400°C） 。 硬度热稳定性很高（可达 ° ） 最大的优点：在高温（ 最大的优点：在高温（1200—1300°C）时也不易与铁族 ° ） 金属起反应。 金属起反应。 18
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选择前角γ 选择前角γ0 主要取决于：工件材料、刀具材料、 主要取决于：工件材料、刀具材料、加工要求 工件强度、硬度较低时，取较大的前角，反之取较小的前 工件强度、硬度较低时，取较大的前角， 角； 加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸铁） 加工塑性材料（如钢）选较大的前角，脆性材料（如铸铁） 选较小的前角。 选较小的前角。 刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些， 刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之 ），前角可选得大些 如硬质合金）则前角应选得小一些。 （如硬质合金）则前角应选得小一些。 粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角； 粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角；精加 工时应选用较大前角。 工时应选用较大前角。 硬质合金车刀的前角γ ～＋20 范围内选， 20° 硬质合金车刀的前角γ0在－5°～＋20°范围内选，高速 钢刀具的前角应比硬质合金刀具大5 10° 钢刀具的前角应比硬质合金刀具大5°～10°，而陶瓷刀 具的前角一般取－ 15。 具的前角一般取－5°～15。 22