第3章

金屬切削原理與刀具

(工程材料切削原理)第一節金屬切削刀具第二節金屬切削的基本規律第三節刀具磨損與壽命第四節切削用量的選擇1第一節金屬切削刀具一、切削運動與切削要素

1.切削運動

2.切削要素二、刀具角度

1.刀具切削部分的組成

2.刀具標注角度參考系

3.刀具的標注角度

4.刀具的工作角度三、刀具種類

1.刀具分類

2.常用刀具簡介四、刀具材料

1.刀具材料應具備的性能

2.常用的刀具材料2

3.1金屬切削刀具一、切削運動與切削要素1.切削運動：刀具與工件間的相對運動。分解：主運動：切下切屑的基本運動，只有一個。進給運動：保證切削不斷進行的運動，可能有多個。3例：切削運動的分解14例：切削運動的分解25例：切削運動的分解36例：切削運動的分解47

3.1金屬切削刀具切削運動的合成1.切削運動一、切削運動與切削要素8

3.1金屬切削刀具2.切削要素一、切削運動與切削要素已加工表面加工表面(過渡表面)待加工表面切削表面:9

3.1金屬切削刀具2.切削要素一、切削運動與切削要素切削表面102.切削要素

3.1金屬切削刀具一、切削運動與切削要素(1)切削速度：

單位時間內，工件和刀具沿主運動方向的相對位移；切削用量11切削速度的計算①主運動為旋轉運動，

d－工件待加工表面或刀具的最大直徑

n－工件或刀具每分鐘轉數②主運動為往復直線運動，

L－往復直線運動的行程長度

nr－主運動每分鐘的往復次數122.切削要素

3.1金屬切削刀具一、切削運動與切削要素(2)進給量切削用量13進給量f:在主運動每轉一轉或每一行程時(或單位時間內)，刀具與工件之間沿進給運動方向的相對位移；進給速度:142.切削要素一、切削運動與切削要素切削用量

3.1金屬切削刀具(3)切削深度ap(背吃刀量)15背吃刀量的計算dw，dm——待加工表面和已加工表面的直徑162.切削要素

切削層幾何參數切削層：切削刃一次走刀從工件加工表面切下的一層金屬。一、切削運動與切削要素1）切削厚度ac2）切削寬度aw3)切削面積Ac

3.1金屬切削刀具17二、刀具角度1.刀具切削部分的組成3.1金屬切削刀具18二.刀具角度1.刀具切削部分的組成(1)前面（前刀面):刀具上與切屑接觸并相互作用的表面。(2)主后面（主后刀面):刀具上與工件加工表面接觸并相互作用的表面。3.1金屬切削刀具19(3)副后面（副后刀面):刀具上與工件已加工表面接觸并相互作用的表面。(4)主切削刃:前面與主后面的交線，它完成主要的切削工作。二.刀具角度1.刀具切削部分的組成3.1金屬切削刀具20(5)副切削刃:前面與副后面的交線，它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。(6)刀尖:連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直線段或圓弧。21各種刀具切削部分的形狀22二、刀具角度1.刀具切削部分的組成3.1金屬切削刀具233.1金屬切削刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系正交平面參考系：為了確定和測量刀具角度而引入三個相互垂直的參考平面。24(1)切削平面：通過主切削刃上某一點并與工件加工表面相切的平面。

25(2)基面:通過主切削刃上某一點并與該點切削速度方向相垂直的平面。26(3)正交平面（主剖面）:通過主切削刃上某一點并與切削平面和基面相垂直的平面。27二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系3.1金屬切削刀具283.1金屬切削刀具二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系3.刀具的標注角度29二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系3.刀具的標注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃傾角λs3.1金屬切削刀具30前角：在正交平面內測量的前面與基面之間的夾角。表示前面的傾斜程度。后角：在正交平面內測量的主后面與切削平面之間的夾角。表示主后面的傾斜程度。31二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系3.刀具的標注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃傾角λs3.1金屬切削刀具32主偏角：在基面內測量的主切削刃在基面上的投影與進給運動方向的夾角，主偏角一般為正值。副偏角：在基面內測量的副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向的夾角，副偏角一般為正值。

33二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系3.刀具的標注角度

前

角γ0

后

角α0

主偏角Κr

副偏角Κr'

刃傾角λs3.1金屬切削刀具34刃傾角：在切削平面內測量的主切削刃與基面之間的夾角。35車刀的主要角度γokr

αoλs

k'r前角：γo“前面與基面之間的夾角”后角：αo“主后面與切削平面的夾角”+-+-主偏角：“主切削刃在基面上的投影與進給方向的夾角”。刃傾角：λS“主切削刃與基面之間的夾角”3637刃傾角符號38二、刀具角度1.刀具切削部分的組成2.刀具標注角度參考系3.刀具的標注角度4.刀具的工作角度3.1金屬切削刀具工作前角γoe變大和工作后角αoe減小

工作前角γoe變小，工作后角αoe變大

39三、刀具種類1.刀具分類加工方式和具體用途

車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動線及數控機床刀具和磨具等幾大類型。所用材料工具鋼刀具、高速鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金剛石刀具。結構整體刀具、焊接裝配式刀具和機械夾固刀片刀具。是否標準化標準刀具（麻花鉆、銑刀、絲錐）和非標準刀具（拉刀、成型刀具

）3.1金屬切削刀具40(1)車刀:在車床上加工外圓、端平面、螺紋、內孔，也可用于切槽和切斷等。

2.常用刀具簡介41a)直頭外圓車刀b)

45°彎頭外圓車刀c)

90°彎頭外圓車刀

d)端面車刀e)內孔車刀f)切斷刀g)寬刃光刀42整體式車刀的刀片:高速鋼43(2)孔加工刀具

從實體材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花鉆、中心鉆和深孔鉆;

對工件上已有孔進行再加工用的刀具，常用的有擴孔鉆、鉸刀及鏜刀。44麻花鉆：應用最廣的孔加工刀具，特別適合于直徑30mm以下的孔的粗加工，有時也可用于擴孔。工作部分(刀體)：前端為切削部分，承擔主要的切削工作，后端為導向部分，起引導鉆頭的作用，也是切削部分的后備部分。

工作部分：有兩個對稱的刃瓣、兩條對稱的螺旋槽;導向部分磨有兩條棱邊。

45標準麻花鉆存在切削刃長、前角變化大、螺旋槽排屑不暢、橫刃部分切削條件很差等結構問題，生產中為了提高鉆孔的精度和效率，常將標準麻花鉆按特定方式刃磨成“群鉆”使用。

群鉆的基本特征為：“三尖七刃銳當先，月牙弧槽分兩邊，一側外刃開屑槽，橫刃磨得低窄尖”。46

中心鉆：加工軸類工件的中心孔。鉆孔時，先打中心孔，也有利于鉆頭的導向，可防止孔的偏斜。

47

深孔鉆：專門用于鉆削深孔的鉆頭。為解決深孔加工中的斷屑、排屑、冷卻潤滑和導向等問題，開發了外排屑深孔鉆、內排屑深孔鉆和套料鉆等多種深孔鉆。48

擴孔鉆：常用作鉸或磨前的預加工以及毛坯孔的擴大，擴孔效率和精度均比麻花鉆高。

49鉸刀：精加工刀具，加工精度可達IT6～IT7。50鉸刀的結構鉸刀特點：鉸刀無橫刃,刀齒較多，一般有6～12個齒，每個刀齒上所受的徑向切削分力比較均勻,鉸孔余量小，容積空間不深。鉸刀芯部直徑較粗，剛性好，因此，鉸削時工作平穩，鉸孔質量好。51

鏜刀：多用于箱體孔的粗、精加工，一般分為單刃鏜刀和多刃鏜刀兩大類。

52⑶銑刀：一種應用廣泛的多刃回轉刀具。銑削的生產率一般較高，加工表面粗糙度值較大。

53銑刀的分類（a）圓柱平面銑刀（b）端銑刀（c）單面刃銑刀（d）雙面刃銑刀（e）三面刃銑刀（f）錯齒三面刃銑刀（g）立銑刀（h）鍵槽銑刀（i）單角度銑刀（j）雙角度銑刀（k）成形銑刀54⑷拉刀：拉刀是一種加工精度和切削效率都比較高的多齒刀具，廣泛應用于大批量生產中，可加工各種內、外表面。

55

1.拉刀種類拉刀按加工表面分為內拉刀和外拉刀；

按拉削方式分普通式、輪切式、及綜合式；

按受力不同分拉刀和推刀。2.拉刀的結構普通圓孔拉刀結構如下：56可拉削加工的各種內外表面a)圓孔d)鍵槽g)平面b)三角形孔e)花鍵孔h)榫槽c)方孔f)內齒輪I)燕尾槽57⑸螺紋刀具：螺紋可用切削法和滾壓法進行加工。螺紋加工可在車床上車削完成(外螺紋)；可用手動或在鉆床上用絲錐進行加工（內螺紋）；58⑹齒輪刀具：齒輪刀具是用于加工齒輪齒形的刀具,按刀具的工作原理，齒輪刀具分為成形齒輪刀具和展成齒輪刀具。59

標準直齒插齒刀的分類和用途

①盤形插齒刀

加工外齒輪和大徑內齒輪Φ75、100、125、160、200②碗形插齒刀

加工多聯齒輪和內齒輪，有Φ50、75、100、125mm。③錐柄插齒刀

加工內齒輪，有Φ25mm(m1~2.75)、Φ38mm(m1~3.75)60選用齒輪滾刀和插齒刀時，注意以下幾點：1)刀具基本參數

(模數、齒形角、齒頂高系數等)應與被加工齒輪相同。2)刀具精度等級與被加工齒輪要求的精度等級相當。3)刀具旋向應盡可能與被加工齒輪的旋向相同。滾切直齒輪時，一般用左旋滾刀。61⑺數控刀具62636465四、刀具材料1.刀具材料應具備的性能1）高的硬度和耐磨性2）足夠的強度和韌性3）高耐熱性（熱穩定性）和傳熱性4）良好的工藝性和經濟性3.1金屬切削刀具661.足夠的硬度和耐磨性

硬度：刀具材料應具備的基本性能。刀具硬度應高于工件材料的硬度，常溫硬度一般須在60HRC以上。

耐磨性：指材料抵抗磨損的能力，它與材料硬度、強度和組織結構有關。材料硬度越高，耐磨性越好。2.足夠的強度與韌性

切削時刀具要承受較大的切削力、沖擊和振動，為避免崩刀和折斷，刀具材料應具有足夠的強度和韌性。673.較高的耐熱性和傳熱性

耐熱性：指刀具材料在高溫下保持足夠的硬度、耐磨性、強度和韌性、抗氧化性、抗黏結性和抗擴散性的能力(亦稱為熱穩定性)。

熱硬性：材料在高溫下仍保持高硬度的能力稱為熱硬性，它是刀具材料保持切削性能的必備條件。刀具材料的高溫硬度越高，耐熱性越好，允許的切削速度越高。684.較好的工藝性和經濟性

為了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工藝性能，如熱軋、鍛造、焊接、熱處理和機械加工等性能。693.1金屬切削刀具2.常用的刀具材料

1）工具鋼

碳素工具鋼（如T10A、T12A）

合金工具鋼（如9SiCr、CrWMn）2）高速鋼

通用型高速鋼:鎢系、鉬系高性能高速鋼：鈷高速鋼、鋁高速鋼粉末冶金高速鋼3）硬質合金：鎢鈷類(YG類)、鎢鈷鈦類(YT類)4）陶瓷5）超硬材料

立方氮化硼

金剛石70碳素工具鋼

碳素工具鋼是含碳量為0.65%～1.3%的優質碳素鋼，常用鋼號有T7A、T8A、T10A、T12A等。

特點：工藝性能良好，經適當熱處理，硬度可達60HRC～64HRC，有較高的耐磨性，價格低廉。但熱硬性差，在200℃～300℃時硬度開始降低，故允許的切削速度較低(5m/min～10m/min)。

應用：制造手用刀具。71合金工具鋼

合金工具鋼是在碳素工具鋼中加入適當的合金元素鉻(Cr)、鎢(W)、錳(Mn)、硅(Si)

等煉制，合金元素總含量不超過3%～5%。常用鋼號有9SiCr、CrWMn等。特點：提高了刀具材料的韌性、耐磨性和耐熱性。其耐熱性達325℃～400℃，所以切削速度(10m/min～15m/min)比碳素工具鋼提高了。應用：制造手用刀具、低速及小進給量的機用刀具。

72

高速鋼

高速鋼是在高碳鋼中加入較多W、Cr、Mo(鉬)、V（釩）等合金元素的高合金工具鋼，也稱白鋼、鋒鋼。特點：提高了合金的硬度。一般高速鋼的淬火硬度可達HRC63~67。在切削溫度高達500~650C°,仍能進行切削。允許的切削速度可比合金工具鋼提高1~3倍。高速鋼具有較高的強度。在所有刀具材料中它的抗彎強度和沖擊韌性值最高。高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質合金好得多。應用：制造各種刃形復雜精密刀具的主要材料。73按用途通用型高速鋼

滿足一般材料的常規加工鎢系W18Cr4V

鉬系W6Mo5Cr4V2

高性能高速鋼

切削性能好，加工不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及高強度鋼等難加工材料

鋁系W6Mo5Cr4V2Al

鈷系W6Mo5Cr4VCo8

粉末冶金高速鋼切削各種難加工材料74W6Mo5Cr4V2與W18Cr4V相比，優點：碳化物含量相應減少，而且顆粒細小分布均勻，因此抗彎強度、塑性、韌性和耐磨性都略有提高；可做尺寸較小、承受沖擊力較大的刀具；因Mo的存在，熱塑性特別好，更適用于制造熱軋鉆頭等熱成形刀具。其主要缺點：可磨削性略低于W18Cr4V。75

鋁高速鋼(W6Mo5Cr4V2Al，簡稱501)：鋁高速鋼是我國研制的無鈷高速鋼，是在W6Mo5Cr4V2的基礎上增加鋁、碳的含量，以提高鋼的耐熱性和耐磨性，并使其強度和韌性不降低。

鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8，簡稱M42)：一種含Co超硬高速鋼，常溫硬度達67HRC～69HRC，具有良好的綜合性能。Co能提高高溫硬度，相應地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。

76粉末冶金高速鋼：將高頻感應爐煉的鋼液用高壓惰性氣體(如氬氣)霧化成粉末，再經過冷壓和熱壓(同時進行燒結)制成刀坯或制成鋼坯，再經過軋制或鍛造成材。優點：韌性和硬度較高，可磨削性能好，材質均勻，熱處理變形小，質量穩定可靠，耐用度較高，故可切削各種難加工材料，適合于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀、插齒刀）、精密刀具、磨加工量大的復雜刀具、高動載荷下使用的刀具等。77

硬質合金

硬質合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物和金屬粘結劑

(如Co、Ni、Mo等)，經過高壓成形，并在1500℃左右的高溫下燒結而成。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC等，常用的黏結劑有Co、Mo、Ni。特點：硬度高達89～95HRA，耐磨性很好，耐熱性可達800～1000℃均超過高速鋼。其缺點是抗彎強度低、脆性大、怕振動、怕沖擊、制造工藝性差。很少用于制造整體刀具。由于硬質合金的常溫硬度很高，很難采用切削加工方法制造出復雜的形狀結構，可加工性差。

應用：硬質合金刀具加工效率很高，切削速度可達100m/min以上，能夠切削淬火鋼等硬材料。78常用硬質合金鎢鈷類（YG類或K類）

WC+CoYG3Y:硬質合金G:鈷3：Co含量3%YG3XX:細晶粒鎢鈷鈦類（YT類或P類）WC+TiC+CoYT30Y:硬質合金T:碳化鈦30:TiC含量30%通用硬質合金（YW類或M類）

WC+TiC+TaC(NbC)+CoYW1:W:通用合金TiC基硬質合金（YN類）TiC+WC+Ni、MoYN10N:Ni、Mo作粘結劑的合金10:Ni含量10%79YG和YT比較（含Co量相同）

YT類硬質合金中由于含有硬度較高的TiC，故該類硬質合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力較高，但其導熱性能、抗彎強度和韌性、可磨削性和可焊性卻有所降低。

YG：韌性好，但耐磨性差，適于加工鑄鐵、青銅等脆性材料YT：硬度高，耐熱性好，適宜加工鋼件精加工選用含Co少的合金，粗加工或有沖擊載荷時，選用含Co多的合金。80陶瓷材料陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結而成的。如：純Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷兩種。

優點：高硬度、耐磨性、耐熱性，在1200℃高溫下仍能進行切削；有很好的化學穩定性和較低的摩擦因數，抗擴散和抗黏結能力強。

缺點：強度低、韌性差，抗彎強度僅為硬質合金的1/3～1/2；導熱系數低，僅為硬質合金的1/5～1/2。

應用：鋼、鑄鐵及塑性大的材料(如紫銅)的半精加工和精加工，對于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料加工特別有效；不適于機械沖擊和熱沖擊大的加工場合。81立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是由立方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉變而成的。硬度高可達8000～9000HV，僅次于金剛石，耐熱性高達1400℃。

應用：立方氮化硼作為一種新型超硬磨料和刀具材料，用于加工鋼鐵等黑色金屬，特別是加工高溫合金、淬火鋼和冷硬鑄鐵等難加工材料。82金剛石

金剛石分天然的和人造的兩種。人造金剛石是在高溫高壓條件下，由石墨轉化而成。目前已知的最硬物質。

特點：硬度高可達10000HV，很好的耐磨性，刀具耐用度比硬質合金提高幾倍甚至幾百倍；加工冷硬現象較少；金剛石抗黏結能力強，不產生積屑瘤，很適于精密加工。但其耐熱性差，切削溫度不得超過700℃～800℃；強度低、脆性大，對振動很敏感，只宜微量切削；與鐵的親合力很強，不適于加工黑色金屬材料。

應用：用于磨具及磨料，作為刀具多在高速下對有色金屬及非金屬材料進行精細切削。83

表1常用刀具材料的特性

種