22刀具的几何角度与材料

第二节刀具的几何角度与材料刀具的几何角度刀具切削部分的结构要素：如下图所示：①前刀面：切屑沿其流出的刀具表面。②后刀面：刀具上与工件过渡表面相对的表面。③副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面。④主切削刃：前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作，也称为主刀刃。⑤副切削刃：前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也称为副刀刃。⑥刀尖：主切削刃和副切削刃的连接点，它可以是短的直线段或圆弧。刀具标注角度的参考系：把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度，称为刀具的工作角度。在设计、绘制和制造刀具时所标注的角度称为标注角度，它实质上是在假定条件下的工作角度。两个假定：假定运动条件给出刀具假定主运动和假定进给运动方向，而不考虑进给运动的大小。假定安装条件刀具安装基准面垂直于主运动方向，刀柄的中心线与进给运动方向垂直，刀具刀尖与工件中心轴线等高。构成刀具标注角度参考系的参考平面通常有：基面、切削平面和正交平面，定义如下：(1)基面pr：通过切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。通常基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。例如，普通车刀、刨刀的基面平行于刀具底面。(2)切削平面ps：通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面(3)正交平面po：通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面三个参考平面互相垂直，由它们的组成刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面参考系和假定工作平面参考系。刀具标注角度：在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面的方位角度。应指明是切削刃上某一指定点的角度。oo前角：在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角。后角一般为正值。后角前角γ0：前刀面与基面间的夹角（在主剖面中测量）。后角α0：后刀面与切削平面间的夹角（在主剖面中测量）。刃倾角s：在切削平面内测量的主切削刃与基面间的夹角。刀尖在主切削刃上最高点时刃倾角为正值；刀尖在主切削刃上最低点时刃倾角为负值；主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。刃倾角λs：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。(a)λs＝0(b)－λs(c)+λs图1.12刃倾角λs的符号主偏角Κr：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。主偏角一般为正值。副偏角r：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。kr主偏角κr：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角。刀具工作角度：标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀柄轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件等高的条件下确定的。刀具的工作角度应当考虑包括进给运动在内的合成运动和刀具的实际安装状况。（1）进给运动对刀具工作角度的影响横向进给车削纵向进给车削（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响刀具安装高低对刀具工作角度的影响刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响1刀具材料应具备的性能2常用的刀具材料3其它刀具材料在切削过程中，刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面，刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响，因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用。刀具材料1刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC60以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质、数量、大小和分布。（2）足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和振动，避免崩刃和折断，刀具材料应该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度来表示，韧性用冲击值表示。（3）高的耐热性（热稳定性）刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。（4）良好的导热性和耐热冲击性能刀具材料的导热性能要好，有利于散热；耐热冲击性能好，材料内部不会因受到大的热冲击产生裂纹。（5）良好的工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，如切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。（6）良好的经济性2常用的刀具材料目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。炭素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。（1）高速钢是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢按用途分为通用型（普通）高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末高速钢。各类高速钢刀具1）通用型高速钢①钨钢典型牌号为W18Cr4V（简称W18）。含W18％、Cr4%、V1％。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。②钨钼钢将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6MoCr4V2（简称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前各国广为应用。是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性，又称为高热稳定性高速钢。具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V，高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8、超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。2）高性能高速钢3）粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍；磨加工性能好；物理机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性能提高20％～30％，适合制造切削难加工材料的刀具，大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA89～93，在800～1000°C还能承担切削，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高4～10倍。唯抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。碳化物含量较高时，硬度高，但抗弯强度低；粘结剂含量较高时，抗弯强度高，但硬度低。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50％）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。（2）硬质合金各类硬质合金钢刀具1）K（YG）类，即WC－Co类硬质合金由WC和Co组成。牌号有YG6、YG8、YG3X、YG6X，含钴量分别为6％、8％、3％、6％，组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般（YG6、YG8）为中晶粒组织，细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X）在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些，但抗弯强度、韧性则低些。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料，如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高（如端铣）的钢料等。ISO将切削用的硬质合金分为三类：2）P(YT)类，即WC－TiC－Co类硬质合金硬质点相除WC外，还含有5％～30％的TiC。牌号有YT5、YT14、YT15、YT30、TiC的含量分别为5％、14％、15％、30％，相应的钴含量为10％、8％、6％、4％，TiC含量提高，Co含量降低，硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性显著降低。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差。适于高速切削钢料。含钴量增加，抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工，含钴减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。应注意，合金不适合加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。3）M（YW）类，即WC—TiC－TaC－Co类硬质合金在YT类中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁，也可加工钢，因而又有通用硬质合金之称。常用的牌号为YW1和YW2。以上三类的主要成分均为WC，所以又称为WC基硬质合金。牌号合金性能使用范围YG3X是YG类合金中耐磨性最好的一种，但抗冲击性能差适用于铸铁、有色金属及其合金的精镗，精车等，亦可用于合金钢、淬火钢及钨、钼材料的精加工YG6X属细晶粒合金，其耐磨度较YG6高，而使用强度接近于YG6适用于冷硬铸铁、合金铸铁、耐热钢及合金钢的加工，亦适用于普通铸铁的精加工，并可用于制造仪器仪表工业用的小型刀具和小模数滚刀YG6耐磨性较高，但低于YG6X、YG3X，韧性高于YG6X、YG3X，可使用较YG8为高的速度适用于铸铁、有色金属及合金与非金属材料连续切削的粗车，间断切削的半精车、精车、小端面精车、粗车螺纹、旋风车丝，连续断面的半精铣与精铣，孔的粗扩与精扩YG8使用强度较高，抗冲击和抗振动性能较YG6好，耐磨性及允许的切削速度较低适用于铸铁、有色金属及其合金与非金属材料加工中不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、粗铣，一般孔和深孔的钻孔、扩孔YG10H属超细晶粒合金，耐磨性较好，抗冲击和抗振动性能高适用于低速粗车，铣削耐热合金，作切断刀及丝锥等YT5在YT类合金中，强度最高，抗冲击和抗振动性能好，不易崩刃，但耐磨性较差适用于碳钢及合金钢，包括钢锻件、冲压件及铸铁的表面加工，以及不平整端面和间断切削时的粗车、粗刨、半精刨、粗铣、钻孔表1.1列出了各种硬质合金牌号刀具的应用范围。牌号合金性能使用范围YT14使用强度高，抗冲击性能和抗振动性能好，但较YT5稍差，耐磨性及允许的切削速度较YT5高适于碳钢及合金钢连续切削时的粗车，不平端面和间断切削时的半精车和精车，连续面的粗铣，铸孔的扩钻等YT15耐磨性优于YT14，但抗冲击性韧性较YT4差适于碳钢及合金钢加工中连续切削时的半精车及精车，间断切削时的小端面精车，旋风车丝，连续面的半精铣及精铣，孔的精扩及粗扩YT30耐磨性及允许的切削速度较YT15高，但使用强度及抗冲击韧性较YT14差，焊接及刃磨时极易产生裂纹适于碳钢及合金钢的精加工，如小端面精车、精镗、精扩等YG6A属细晶粒合金，耐磨性及使用强度与YG6X相似适于硬铸铁、球墨铸铁、白口铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬火钢及合金钢的半精加工及精加工YG8A属中颗粒合金，其抗弯强度与YG8相同，而硬度和YG6相同，高温切削时热硬性较好适于硬铸铁、球墨铸铁、白口铁及有色金属的精加工，亦适于不锈钢的粗加工和半精加工YW1热硬性较好，能承受一定的冲击负荷，通用性较好适于耐热钢，高锰钢，不锈钢等难加工材料的精加工，也适于一般钢材以及普通铸铁及有色金属的精加工（3）其它刀具材料1)涂层刀具它是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。涂层刀具具有较高的抗氧化性能，因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨能力；有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可提高刀具的耐用度（提高硬质合金耐用度1～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。2）陶瓷有纯Al2O3陶