切削刀具及其材料(精)

第二节切削刀具及其材料一、切削刀具结构由工作部分和非工作部分构成。车刀(turningtools)的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。不论刀具结构如何复杂，就其单刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。（1)前刀面切屑流过的刀面。1.刀面（2)主后刀面与工件正在被切削加工的表面（过渡表面）相对的刀面。（3)副后刀面与工件已切削加工的表面相对的刀面。（一）刀具切削部分的基本定义2.刀刃（1）主切削刃前刀面与主后刀面在空间的交线。（2）副切削刃前刀面与副后刀面在空间的交线。3．刀尖三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。•刀具角度是刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。•参考系：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面。•参考系：刀具静止参考系和刀具工作参考系。（二）定义刀具角度的参考系刀具静止参考系或标注角度参考系：在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系。1．刀具静止参考系在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。静止参考系中最常用的是正交平面参考系。2.正交平面参考系由以下三个在空间相互垂直的参考平面构成。(1)基面pr通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。通常平行于车刀的安装面（底面）。(2)切削平面ps通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(3)正交平面po通过切削刃上选定点，同时与基面和切削平面垂直的平面。（三）刀具的标注角度（1）基面中测量的刀具角度1）主偏角κr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。2）副偏角κr′副切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf反方向之间的夹角。（2）切削平面中测量的刀具角度1）刃倾角λs主切削刃与基面之间的夹角。•它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。•当主切削刃与基面平行时λs=0°；•当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs＞0°；反之λs≤0°。（3）正交平面中测量的刀具角度1)前角γO前面与基面之间的夹角。2)后角αo后面与切削平面之间的夹角。说明：以上标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直于进给方向，以及不考虑进给运动的影响等条件下确定的。（四）刀具工作角度刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。1．刀具工作参考系的建立与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动υe或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。2．刀具工作角度的分析在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。（1）刀具安装位置对刀具工作角度的影响用刃倾角λs=0°车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小。若切削刃低于工件中心，则工作前角γoe增大，而工作后角αoe减小1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响二、刀具角度的选择1.前角γO（1）功用γO刀刃锋利，切屑变形切削力和切削功率刀刃和刀尖强度，散热体积刀具寿命γo1Prγo2（2）选择取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。•工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。•加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。•刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。•粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。2.后角αo（1）功用αo后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率（2）选择取决于：加工要求、工件材料及工艺系统刚度。•粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；•工件材料越软、塑性越大，后角越大；•工艺系统刚度较差时，适当减小后角；3.主偏角κr和副偏角κr′（1）功用κr和κr′刀刃强度表面粗糙度背向力Fp残留面积高度，散热条件刀具寿命，工件易变形kr1Kr’kr2FpFf（2）选择•工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。•副偏角大小取决于表面粗糙度（5°〜15°)，粗加工时取大值，精加工取小值。4.刃倾角λs（1）功用（2）选择主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。•加工一般钢料和铸铁，无冲击时：粗车λs＝0°〜－5°，精车λs＝0°〜+5°；有冲击时：λs＝－5°〜－15°；特别大时：λs＝－30°〜－45°。•切削加工高强度钢、冷硬钢时：λs＝－30°〜－45°。三、切削刀具结构（一）、车刀车刀是金属切削加工中最简单、使用最广泛的刀具，它可以在普通车床、转塔车床、立式车床、自动与半自动车床上，完成工件的外圆、端面、切槽或切断等不同的加工工序。1－45°弯头车刀；2－90°外圆车刀；3－外螺纹车刀；4－75°外圆车刀；5－成形车刀；6－90°外圆车刀；7－切断刀；8－内圆切槽刀；9－内螺纹车刀；10－盲孔镗刀；11－通孔镗刀2.硬质合金焊接式车刀将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。结构简单、紧凑，抗振性能好，制造方便，使用灵活。但刀片易产生应力和裂纹。1.整体式式车刀切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大。多用高速钢制造。3.硬质合金机夹重磨式车刀避免焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用利用率较高。但结构复杂、不能完全避免由于刃磨而可能引起刀片的裂纹。4.机夹可转位式车刀将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。1.不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。2.减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。3.可使用涂层刀片，提高刀具耐用度。四、刀具材料金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削时要承受高温、高压、摩擦、冲击、振动，金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本，在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。1.刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）高的耐热性与化学稳定性（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。2.常用刀具材料工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。陶瓷超硬刀具材料推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。1）碳素工具钢和合金工具钢碳素工具钢（carbontoolsteel）：含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7%～1.2%，如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。合金工具钢（alloytoolsteel）：在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素而形成的。(如9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀、丝锥、板牙等，较少用于制造其它刀具。2）．高速钢•高速钢（highspeedsteel）是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。•热处理后硬度可达62～66HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度在500～650°C时仍能进行切削。•适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。按制造工艺可分为:熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为:钨系和钼系。（1）高速钢的分类（2）常用高速钢的牌号与性能通用型高速钢W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。高性能高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67～70HRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42。粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、拉刀等。•硬质合金（carbides）是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。•硬质合金刀具常温硬度为89～93HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达800～1000°C。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高5～10倍。•但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。•常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。3）．硬质合金钨钴类（WC+Co）；YG,属K类钨钛钴类（WC+TiC+Co）；YT,属P类钨钛钽（铌）类硬质合金（WC+TiC+TaC+（NbC）+Co）:YW，属M类（1）硬质合金的分类（2）常用硬质合金的牌号及其性能K(YG)（钨钴类）类硬质合金（红色）：有较好的韧性、磨削性、导热性，适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用K01；半精加工可用K10，K20；粗加工选用K30。P类（YT）（钨钛钴类）硬质合金（蓝色）：以WC为基体,添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。M类（YW）（钨钛钽（铌）类）(黄色)：在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC，可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。适合加工长(短)切屑的金属材料，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。4）涂层刀具材料通过气相沉积或其它技术方法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层(coated)材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等,涂层厚度随刀具材料不同而异。（1）TiC涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。（2）TiN涂层在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。（3）TiC—TiN复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。（4）TiC-Al203复合涂层第一层涂TiC,与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。5）其它刀具材料以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优