資料】金切基礎(chǔ)：刀具材料及刀具構(gòu)造

2015-03-03

刀具是由切削部分和夾持部分組成。

夾持部分是用來將刀具夾持在機床上的部分，要求它能保證刀具正確的工作位置，傳遞所需要的運動和動力，并且夾固可靠，裝卸方便。

切削部分是刀具上直接參加切削工作的部分，刀具切削性的優(yōu)劣，取決于切削部分的材料、角度和結(jié)構(gòu)。

一.刀具材料

1.對刀具材料的基本要求

刀具材料是指切削部分的材料。它在高溫下工作，并要承受較大的壓力、摩擦、沖擊和振動等，因此應(yīng)具備以下基本性能。

（1）較高的硬度 刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，常溫硬度一般在60HRC以上。
（2）有足夠的強度和韌性，以承受切削力、沖擊和振動。
（3）有較好的耐磨性，以抵抗切削過程中的磨損，維持一定的切削時間。
（4）較高的耐熱性，以便在高溫下仍能保持較高硬度，又稱為紅硬性或熱硬性。
（5）有較好的工藝性， 以便于制造各種刀具。工藝性包括鍛造、軋制、焊接、切削加工、磨削加工和熱處理性能等。

目前尚沒有一種刀具材料能全面滿足上述要求。因此，必須了解常用刀具材料的性能和特點，以便根據(jù)工件材料的性能和切削要求，選用合適的刀具材料。

2. 常用的刀具材料

目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金及陶瓷材料等。

（1）碳素工具鋼

含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼，淬火后硬度較高、價廉，但耐熱性較差。

（2）合金工具鋼

在碳素工具鋼中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具鋼。常用來制造一些切削速度不高或手工工具，如銼刀、鋸條、鉸刀等。

目前生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金。

（3）高速鋼

它是含W、Cr、V等合金元素較多的合金工具鋼。它的耐熱性、硬度和耐磨性雖低于硬質(zhì)合金，但強度和韌度卻高于硬質(zhì)合金，工藝性較硬質(zhì)合金好，而且價格也比硬質(zhì)合金低。

W18Cr4V是國內(nèi)使用最為普遍的刀具材料，廣泛地用于制造各種形狀較為復(fù)雜的刀具，如麻花鉆、銑刀、拉刀、齒輪刀具和其他成形刀具等。

（4）硬質(zhì)合金

它是以高硬度、高熔點的金屬碳化物（WC、TiC等）作基體，以金屬Co等作粘結(jié)劑，用粉末冶金的方法而制成的一種合金。

特點：它的硬度高，耐磨性好，耐熱性高，允許的切削速度比高速鋼高數(shù)倍，但其強度和韌度均較高速鋼低，工藝性也不如高速鋼。

用途：常制成各種型式的刀片，焊接或機械夾固在車刀、刨刀、端銑刀等的刀體（刀桿）使用。

國產(chǎn)的硬質(zhì)合金一般分為兩大類：

一類是由WC和Co組成的鎢鉆類（YG類）；
一類是由WC、TiC和Co組成的鎢鈦鉆類（YT類）。

YG類硬質(zhì)合金韌性較好，但切削韌性材料時，耐磨性較差，因此它適于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。

常用的牌號有YG3、YG6、YG8等，其中數(shù)字表示Co的含量的百分率。Co的含量少者，較脆較耐磨。

YT類硬質(zhì)合金比YG類硬度高、耐熱性好，并且在切削韌性材料時較耐磨，但韌性較小，故適于加工鋼件。

常用的牌號有YT5、YT15、YT30”等，其中數(shù)字表示TiC合量的百分率。TiC的含量越多、韌性越小，而耐磨性和耐熱性越高。

（5）陶瓷材料

它的主要成分是Al2O3，刀片硬度高、耐磨性好、耐熱性高，允許用較高的切削速度，加之Al2O3的價格低廉，原料豐富，因此很有發(fā)展前途。

但陶瓷材料性脆怕沖擊，切削時容易崩刃。我國制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌號的金屬陶瓷，其成分除Al2O3外，還含有各種金屬元素，抗彎強度比普通陶瓷刀片為高。

3．其他新型刀具材料簡介

（1）高速鋼的改進(jìn)
（2）硬質(zhì)合金的改進(jìn)
（3）人造金剛石 硬度接近10000HV，而硬質(zhì)合金僅達(dá)1000～2000HV，耐熱性為700～800℃。聚晶金剛石大顆?？芍瞥梢话闱邢鞴ぞ?，單晶微粒主要制成砂輪。

金剛石除可以加工高硬度而且耐磨的硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等外，還可以加工有色金屬及其合金。

金剛石不宜于加工鐵族金屬，這是由于鐵和碳原子的親和力較強，易產(chǎn)生粘結(jié)作用加快刀具磨損。

（4）立方氮化硼（CBN） 硬度（7300～9000HV）僅次于金剛石。但它的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性都大大高于金剛石，能耐1300～1500℃的高溫，并且與鐵族金屬的親和力小。因此，它的切削性能好，不但適于非鐵族難加工材料的加工，也適于鐵族材料的加工。 CBN和金剛石刀具脆大，故使用時機床剛性要好，主要用于連續(xù)切削，盡量避免沖擊和振動。

二、刀具角度

切削刀具的種類雖然很多，但它們切削部分的結(jié)構(gòu)要素和幾何角度有著許多共同的特征。如(圖1-5)所示，各種多齒刀具或復(fù)雜刀具，就其一個刀齒而言，都相當(dāng)于一把車刀的刀頭。

下面從車刀入手，進(jìn)行分析和研究。

1．車刀切削部分的組成

車刀切削部分是由三個刀面組成的,即前刀面、主后刀面和副后刀面（圖1-6）。

（1）前刀面 刀具上切屑流過的表面。
（2）后刀面 刀具上與工件上切削中產(chǎn)生的表面相對的表面。
主后刀面：同前刀面相交形成主切削刃的后刀面。
副后刀面：同前刀面相交形成副切削刃的后刀面。
（3）切削刃（圖1-7）

切削刃是指刀具前刀面上擬作切削用的刃，有主切削刃和副切削刃之分。

主切削刃是始于切削刃上主偏角為零的點，并至少有一段切削刃擬用來在工件上切出過渡表面的那個整段切削刃。切削時，主要的切削工作由它來負(fù)擔(dān)。

副切削刃是指切削刃上除主切削刃以外的，亦起始于主偏角為零的點，但它向背離主切削刃的方向延伸。

作用切削刃是指在特定瞬間，工作切削刃上實際參與切削，并在工件上產(chǎn)生過渡表面和已加工表面的那段刃。為區(qū)別起見，分別在主、副切削刃前冠以“工作”或“作用”二字。

刀尖：主切削刃和副切削刃的連接處相當(dāng)少的一部分，稱為刀尖。

實際刀具的刀尖并非絕對尖銳，而是一小段曲線或直線，分別稱為修圓刀尖和倒角刀尖。

2. 車刀切削部分的主要角度

刀具要從工件上切除余量，就必須使它的切削部分具有一定的切削角度。

為定義、規(guī)定不同角度，適應(yīng)刀具在設(shè)計、制造及工作時的多種需要，需選定適當(dāng)組合的基準(zhǔn)坐標(biāo)平面作為參考系。

刀具靜止參考系：用于定義刀具設(shè)計、制造、刃磨和測量時幾何參數(shù)的參考系。

刀具工作參考系：用于規(guī)定刀具進(jìn)行切削加工時幾何參數(shù)的參考系。

工作參考系與靜止參考系的區(qū)別在于用實際的合成運動方向取代假定主運動方向，用實際的進(jìn)給運動方向取代假定進(jìn)給運動方向。

（1）刀具靜止參考系

主要包括基面、切削平面、正交平面和假定工作平面等（圖1-8）。

a.基面 過切削刃選定點，垂直于該點假定主運動方向的平面，以pr表示。

b.切削平面 過切削刃選定點，與切削刃相切，并垂直于基面的平面，主切削平面以ps表示，副切削平面以ps' 表示。

c.正交平面 過切削刃選定點，并同時垂直于基面和切削平面，以po表示。

d.假定工作平面 過切削刃選定點，垂直于基面并平行于假定進(jìn)給運動方向的平面，以pf表示。

（2）車刀的主要角度

在車刀設(shè)計、制造、刃磨及測量時，必須的主要角度有以下幾個（圖1-9）。

a.主偏角kr 在基面中測量的主切削平面與假定工作平面間的夾角。

b.副偏角kr' 在基面中測量的副切削平面與假定工作平面間的夾角。

偏角的作用：

主偏角主要影響切削層截面的形狀和參數(shù)，影響切削分力的變化，并和副偏角一起影響已加工表面的粗糙度；副偏角還有減小副后刀面與已加工表面間摩擦的作用。如(圖1-10)所示，當(dāng)背吃刀量和進(jìn)給量一定時，主偏角愈小，切削層公稱寬度愈大而公稱厚度愈小，即切下寬而薄的切屑。這時，主切削刃單位長度上的負(fù)荷較小，并且散熱條件較好，有利于刀具耐用度的提高。由(圖1-11)可以看出，當(dāng)主、副偏角小時，已加工表面殘留面積的高度hc亦小，因而可減小表面粗糙度的值，并且刀尖強度和散熱條件較好，有利于提高刀具耐用度。但是，當(dāng)主偏角減小時，背向力將增大，若加工剛度較差的工件（如車細(xì)長軸），則容易引起工件變形，并可能產(chǎn)生振動。 主、副偏角應(yīng)根據(jù)工件的剛度及加工要求選取合理的數(shù)值。一般車刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°等幾種；副偏角為5°～ 15°，粗加工時取較大值。

c.前角γo

在正交平面中測量的前刀面與基面間的夾角。前角正負(fù)見(圖1-12)。

前角的主要作用：

當(dāng)取較大的前角時，切削刃鋒利，切削輕快，即切削層材料變形小，切削力也小。但當(dāng)前角過大時，切削刃和刀頭的強度、散熱條件和受力狀況變差(圖1-13)，將使刀具磨損加快，耐用度降低，甚至崩刃損壞。若取較小的前角，雖切削刃和刀頭較強固，散熱條件和受力狀況也較好，但切削刃變鈍，對切削加工也不利。

前角的大小常根據(jù)工件材料、刀具材料和加工性質(zhì)來選擇。當(dāng)工件材料塑性大、強度和硬度低或刀具材料的強度和韌性好或精加工時，取大的前角；反之取較小的前角。例如，用硬質(zhì)合金車刀切削結(jié)構(gòu)鋼件， 可取10°～ 20°；切削灰鑄鐵件，可取5°～ 15°等。

d.后角αo 在正交平面中測量的后刀面與切削平面間的夾角。

后角的主要作用是減少刀具后刀面與工件表面間的磨擦，并配合前角改變切削刃的鋒利與強度。后角大，摩擦小，切削刃鋒利。但后角過大，將使切削刃變?nèi)酰釛l件變差，加速刀具磨損。反之，后角過小，雖切削刃強度增加，散熱條件變好，但摩擦加劇。

后角的大小常根據(jù)加工的種類和性質(zhì)來選擇。例如，粗加工或工件材料較硬時，要求切削刃強固，后角取較小值：αo=6°～ 8°。反之，對切削刃強度要求不高，主要希望減小摩擦和已加工表面的粗糙度值，后角可取稍大的值：αo=8°～ 12°。

e.刃傾角λs

在主切削平面中測量的主切削刃與基面間的夾角。 （圖1-14）

刃傾角的作用：主要影響刀頭的強度、切削分力和排屑方向。負(fù)的刃傾角可起到增強刀頭的作用，但會使背向力增大，有可能引起振動，而且還會使切屑排向已加工表面，可能劃傷和拉毛已加工表面。

因此，粗加工時為了增強刀頭，常取負(fù)值；精加工時為了保護(hù)已加工表面，常取正值或零度。 車刀的刃傾角一般在-5°～ +5°之間選取。有時為了提高刀具耐沖擊的能力，可取較大的負(fù)值。

（3）刀具的工作角度

它是指在工作參考系中定義的刀具角度。刀具工作角度考慮了合成運動和刀具安裝條件的影響。

a. 車刀安裝高度對前角和后角的影響 （圖1-16）

b. 車刀安裝偏斜對主偏角和副偏角的影響（圖1-17）

c. 進(jìn)給運動對前角和后角的影響（如切斷、車螺紋）

三、刀具結(jié)構(gòu)

車刀的結(jié)構(gòu)形式有整體式、焊接式、機夾重磨式和機夾可轉(zhuǎn)位式等幾種。（圖1-18），（圖1-19）

機夾可轉(zhuǎn)位式車刀的主要優(yōu)點如下：

（1）避免了因焊接而引起的缺陷，在相同的切削條件下刀具切削性能大為提高。
（2）在一定條件下，卷屑、斷屑穩(wěn)定可靠。
（3）刀片轉(zhuǎn)位后，仍可保證切削刃與工件的相對位置，減少了調(diào)刀停機時間，提高了生產(chǎn)率。
（4）刀片一般不需重磨，利于涂層刀片的推廣使用。
（5）刀體使用壽命長，可節(jié)約刀體材料及其制造費用。(end)