机械制造装备设计机械制造装备设计全国本科院校机械全国本科院校机械类创类创新型新型应应用人才培养用人才培养规规划教材划教材第第5 5章章 金属切削刀具金属切削刀具25.15.25.3 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素切削基本理论的应用切削基本理论的应用 刀具材料刀具材料 本章分本章分六六个小节：个小节：5.45.55.6 各种常用刀具各种常用刀具磨具磨具 数按刀具及其工具系统数按刀具及其工具系统3 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素切削运动与切削用量切削运动与切削用量v 切削运动与切削层 切削加工时，按工件与刀具的相对运动所起的作用不同，切削运动可分为主运动与进给运动。 （1）主运动 （2）进给运 （3）合成切削运动 （4） 辅助运动即将被切除的表面 由切削刃正在形成的表面 切削后形成的表面 4 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素 不同切削形式的主运动和进给运动5 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素v 切削用量 切削用量是用来表示切削运动、调整机床参数的参量，可用它对主运动和进给运动进行定量表述。切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量三要素 （1）切削速度 指切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度，单位为m/s或m/min。 （2）进给量 进给量为刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用工件每转（行程）的位移量来度量，单位为mm/r。 （3）背吃刀量（切削深度） 已加工表面与待加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量（mm）。 6 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素 刀具的几何参数刀具的几何参数v 刀具的分类 切削加工时，按工件与刀具的相对运动所起的作用不同，切削运动可分为主运动与进给运动。 1. 根据工件加工表面的形式不同分类 （1）各种外表面（平面、旋转体表面、沟槽和台阶等）加工刀具。 （2）孔加工刀具。 （3）螺纹加工刀具。 （4）齿轮加工刀具。 （5）切断刀具。7 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素 2. 根据切削运动方式和相应的刀刃形状分类 （1）通用刀具。如车刀、刨刀、铣刀、镗刀、钻头、铰刀和锯等。 （2）成形刀具。如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和螺纹加工刀具等。 （3）展成刀具。如滚刀、插齿刀、剃齿刀等。 3. 根据使用场合不同分类 （1）标准通用刀具。 （2）标准专用刀具。 （3）专用刀具。8 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素v 刀具的组成 任何刀具通常由刀头和刀体两部分组成。 （1）刀头部分。即切削部分，由于切削时的工作环境很恶劣，要求根据实际情况选择相应的刀具材料，并加工成合理的几何形状。 （2）刀体部分。刀体部分的作用除了起支撑刀头部分之外，还是被夹持和定位的部位。9 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素v 刀具的切削部分 刀具投入切削工作的仅仅是靠近刀尖的一部分区域，称为刀具的切削部分。刀具的切削部分是一个实体，它像六面体的一个角，是由三个面组成的实体。（1）前面（2）主后面（3）副后面（4）主切削刃（5）副切削刃（6）刀尖10 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素 刀具角度及工作角度刀具角度及工作角度v 刀具角度 用刀具前面、后面和切削刃相对各基准坐标平面的夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就是刀具切削部分的几何角度。 用于确定刀具几何角度的参考系有两类： 刀具静止参考系，是用于定义刀具在设计、制造、刃磨和测量时刀具几何参数的参考系。 刀具工作参考系，是规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系。11 5.1 刀具的几何角度及切削要素刀具的几何角度及切削要素v 刀具工作角度 切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具与工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，称这些角度为工作角度。 图图5.7 刀柄中心线不垂直进给方向刀柄中心线不垂直进给方向 图图5.8 车刀安装高低对前角、后角的影响车刀安装高低对前角、后角的影响12 5.2 切削基本理论的应用切削基本理论的应用 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 工件材料切削加工性是指在一定的切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。v 切削加工性评定的主要指标 工件材料切削加工性可以从多方面进行评定。不同加工情况，可采用不同的指标衡量。 粗加工时，通常采用刀具耐用度指标； 精加工时，通常采用加工表面质量指标。13 5.2 切削基本理论的应用切削基本理论的应用 在刀具耐用度指标中以相对加工性（用Kr表示）使用最为方便。 加工等加工等级级工件材料分类工件材料分类相对切削加工相对切削加工性性代表性材料代表性材料1很容易切削的材很容易切削的材料料一般非铁材料一般非铁材料 3.05-5-5铜铅合金、铝镁铜铅合金、铝镁合金合金2容易切削的材料容易切削的材料易切钢易切钢2.53.0退火退火15Cr、自动机钢、自动机钢3轻易切钢轻易切钢1.62.5正火正火30钢钢4普通材料普通材料一般钢、铸铁一般钢、铸铁1.01.645钢、灰铸铁、结构钢钢、灰铸铁、结构钢5稍难切削的材稍难切削的材料料0.651.0调质调质2Cr13、85钢钢6较难切削的材料较难切削的材料较难切削的材较难切削的材料料0.50.65调质调质45Cr、调质、调质65Mn7难切削材料难切削材料0.150.51Cr18Ni9Ti、调质、调质50CrV8很难切削材料很难切削材料600MPa粗加工粗加工5760800.20.4YT类类粗加工粗加工23801200.20.4精加工精加工261201500.10.2碳素钢碳素钢Rm600MPa钻中心钻中心孔孔500800W18Cr4V钻孔钻孔25300.10.2切断（宽度切断（宽度5mm）7011000.10.1YT类类碳素钢碳素钢Rm200MPa粗加工粗加工50700.20.4YG类类精加工精加工701000.10.2切断（宽度切断（宽度5mm）50700.10.220 5.3 刀具材料刀具材料 刀具材料是指刀具切削部分的 材料使刀具具有良好的性能，必须 合理选用刀具材料。 21 5.3 刀具材料刀具材料 刀具材料就具备的性能刀具材料就具备的性能 模块化设计特点2 25 53 34 41 1高的硬度和耐磨性 足够的强度和韧性高的耐热性(热稳定性)良好的工艺性 良好的经济性 22 5.3 刀具材料刀具材料 常用的刀具材料常用的刀具材料 刀具材料种类很多，主要有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等几种类型。目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。 v 高速钢 高速钢是一种加入较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性，具有一定的硬度和耐磨性；其制造工艺简单，可锻造，对于形状复杂的工具，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。 23 5.3 刀具材料刀具材料高速钢按用途分为通用型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冶金高速钢。 类别类别牌号牌号常温度常温度/HRC抗弯强度抗弯强度/Gpa冲击韧性冲击韧性/MJm-2高温硬度高温硬度600C/HRC通用高速通用高速钢钢W18Cr4V636633.40.180.3248.5W6Mo5Cr4V263663.540.30.44748W14Cr4Mn-Re646640.2548.5高性高性能高能高速钢速钢高高碳碳9W18Cr4V666833.40.170.2251高高钒钒W12Cr4V4Mo63663.20.2551超超硬硬W6Mo5Cr4V2Al67692.93.90.230.355W10Mo4Cr4V3Al67693.13.50.20.2854W2Mo9Cr4VCo8676923.80.230.35524 5.3 刀具材料刀具材料v 硬质合金 硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物（如WC、TiC）的粉末，用Co、Mo、Ni等作粘接剂，按一定比例混合，压制成形，在高温下烧结而成的粉末冶金制品。 硬质合金按其化学成分与使用性能可分为4类： （1）钨钴类YG（WC+Co） （2）钨钛钴类YT（WC+Ti+Co） （3）添加稀有金属碳化物类YW（WC+TiC+TaC/NbC+Co） （4）碳化钛基类等。25 5.3 刀具材料刀具材料v 涂层刀具材料 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金体，或者高速钢基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物而获得的。这是解决硬质合金硬度与冲击韧性之间的矛盾比较经济的办法，使用效果很好，近年发展很快。v 其他刀具材料 （1） 陶瓷 有纯Al2O3陶瓷及Al2O3-TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。26 5.3 刀具材料刀具材料v 其他刀具材料 （2）金刚石 金刚石是一种碳的同素异形体，是目前自然界中最硬的材料，天然金刚石价格昂贵，使用很少。 （3）立方氮化硼 立方氮化硼是由软的六方氮化硼（俗称白石墨）在高温高压下加入催化剂转变而成。 27 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 概述概述v 刀具的作用 金属切削加工是现代机械制造工业中应用最广泛的一种加工方法，一般占机械制造总工作量的50%以上。 金属切削刀具直接参与切削过程，是从工件上切除多余金属层的重要工具。无论是普通车床，还是先进的数控机床或是加工中心，以至柔性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种切削过程。 28 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 刀具的分类 较能反映刀具共同特征的是按刀具用途和加工方法分类： （1）切刀 切刀是金属切削加工中应用最广的一类基本刀具，其特点是结构比较简单，只有一条连续的直线刀刃或曲线刀刃，它属于单刃刀具。切刀包括车刀、刨刀、镗刀、成形车刀及自动机床和专用机床用的切刀，而车刀最有代表性。 （2）孔加工刀具 孔加工刀具包括从实体材料上加工出孔的刀具，如钻头，以及对已有孔进行加工的刀具，如扩孔钻、铰刀等。29 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 刀具的分类 （3）拉刀 拉刀是一种高生产率的多齿刀具，它可用于加工各种形状的通孔，各种直槽或螺旋槽的内表面，也能加工各种平的或曲线的外表面。 （4）铣刀 铣刀可用于各种铣床上加工各种平面，台肩、沟槽，进行切断以及成形表面，铣刀属于多刃刀具，它同时参加切削的刀刃总长度较长，生产效率较高。 （5）齿轮刀具 齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。 30 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 刀具的分类 （6）螺纹刀具 螺纹刀具用于加工内、外螺纹。它有两类：一类是利用切削加工方法来加工螺纹的刀具，如螺纹车刀、丝锥、板牙和螺纹切头等；另一类是利用金属塑性变形方法来加工螺纹的刀具，如滚丝轮、搓丝扳等。 （7）磨具 磨具是磨削加工的主要工具，它包括砂轮、砂带、油石等。 （8）锉刀 锉刀是钳工用的主要工具。 31 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 车刀车刀 按照用途分类： 有外圆车刀、 车槽车刀、 螺纹车刀、 内孔车刀。 32 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 车刀车刀 按结构分类： 有整体车刀、 焊接车刀、 焊接装配式车刀、 机夹车刀、 可转位车刀。 名称名称特点特点适用场合适用场合整体式整体式用整体高速钢制造，刃口可磨的较锋利用整体高速钢制造，刃口可磨的较锋利小型车床或加工有色金属小型车床或加工有色金属焊接式焊接式焊接硬质合金或高速刀片，结构紧凑，适用灵活焊接硬质合金或高速刀片，结构紧凑，适用灵活各类车刀特别是小刀具各类车刀特别是小刀具机夹式机夹式避免了焊接产生的应力，裂纹等缺陷，刀柄利用率高，避免了焊接产生的应力，裂纹等缺陷，刀柄利用率高，刀片集中刃磨获得所需参数刀片集中刃磨获得所需参数外圆、端面、镗孔、螺纹车刀等外圆、端面、镗孔、螺纹车刀等可转位式可转位式避免了焊接刀的缺点，切削刃磨钝后刀片可快速避免了焊接刀的缺点，切削刃磨钝后刀片可快速 转位，转位，无需刃磨刀具，生产率高，断屑稳定，可使用涂层刀片无需刃磨刀具，生产率高，断屑稳定，可使用涂层刀片大中型车床加工外圆、端面、镗大中型车床加工外圆、端面、镗孔，孔，特别适用于自动线、数控机床特别适用于自动线、数控机床33 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 成形车刀成形车刀 成型车刀是一种专用刀具，它的轮廓形状需要根据加工零件的廓形设计。成型车刀主要用在各类普通车床、自动车床上加工回转体零件的内外成型表面。 成型车刀与普通车刀相比有下列特点： （1）加工精度稳定 （2）生产效率高 （3）刀具使用寿命长 （4）刃磨简单 （5）成型车刀的制造比较麻烦，成本较高，故一般只用于成批或大量生产中。 34 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 成形车刀成形车刀 径向成型车刀按其结构和形状又可分为三大类。平体成型车刀、棱形成型车刀、圆形成型车刀 图5.16 平体成型车刀 图5.17 棱形成型车刀 图5.18 圆形成型车刀35 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 孔加工刀具孔加工刀具 金属切削中，孔加工占有很大比重。孔加工刀具的种类很多，按其用途可分为两大类。一类是把实心材料加工出孔的刀具，如麻花钻、扁钻、深孔钻等；另一类是对工件已有孔进行再加工的刀具，如扩孔钻、镗刀、铰刀等。v 麻花钻 麻花钻是应用最广泛的孔加工刀具，一般用于加工精度较低的孔，或用于加工较高精度孔的预制孔。 36 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 （1）麻花钻的结构 标准麻花钻由柄部、颈部及工作部分组成。 图5.20 麻花钻的构成1前面 2、8副切削刃（棱边） 3、7主切削刃 4、6后面 5横刃 9副后面37 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 扩孔钻 扩孔钻是用于扩大径孔、提高孔质量的刀具。它用于孔的最终加工或铰孔、磨孔前的预加工。扩孔钻的加工精度为IT9IT10，表面粗糙度Ra为3.26.3。 38 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 锪钻 锪钻是对孔的端面进行平面、柱面、锥面及其他型面加工。在已加工出的孔上加工圆柱形沉头孔、锥形沉头孔和端面凸台时，都使用锪钻。 锪钻分柱形锪钻、锥形锪钻、端面锪钻三种。 （a）带导柱平底锪钻 （b）带导柱90锥面锪钻 （c）不带导柱锥面锪钻 （d）端面锪钻39 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 镗刀 镗刀旋转做主运动，工件或镗刀作进给运动的切削加工方法称为镗削加工。 镗刀的种类很多，一般可分为单刃镗刀及多刃镗刀两大类。 40 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 铰刀 根据使用方式可分为手用铰刀和机用铰刀两种；根据铰刀的结构可分为整体式铰刀、套式铰刀和可调节式铰刀三种；根据制造材料可分为高速钢铰刀和硬质合金铰刀；根据铰刀的用途可分为圆柱铰刀和锥度铰刀。 41 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 拉刀 以圆拉刀为例，圆孔拉刀由工作部分和非工作部分组成。（1）工作部分 1）切削部分 2）校准部分（2）非工作部分 42 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 铣刀铣刀 铣刀是一种应用很广泛的多齿多刃刀具，其每一个刀齿都相当于将一把单刃刀具固定在铣刀的回转表面上。铣削加工时，铣刀绕其轴线转动(主运动)，而工件则做进给运动。 43 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 分类及应用 （a）圆柱铣刀；（）圆柱铣刀；（b）硬质合金面铣刀；（）硬质合金面铣刀；（c）错齿三面刃铣刀；（）错齿三面刃铣刀；（d）立铣刀；）立铣刀；（e）键槽铣刀；（）键槽铣刀；（f）半圆键槽铣刀；（）半圆键槽铣刀；（g）锯片铣刀；（）锯片铣刀；（h）角度铣刀；（）角度铣刀；（i）成形铣刀）成形铣刀44 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 铣削的工艺特点及应用 （1）铣刀是多齿刀具，铣削过程中多个刀齿同时参加切削，无空行程。硬质合金铣刀可以实现高速切削，所以通常情况下生产率高于刨削。（2）铣削加工范围很广。可加工刨削无法加工或难加工的表面。例如可铣削周围封闭的内凹平面、圆弧形沟槽、具有分度要求的小平面或沟槽等。（3）铣削力变动较大，易产生振动，切削不平稳。（4）铣床、铣刀比刨床、刨刀结构复杂，且铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削成本比刨削高。（5）铣削与刨削的加工质量大致相当，经粗、精加工后都可达到中等精度。 45 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 铣削方式 （1）圆柱铣刀铣削 圆柱铣刀铣削时，工件的进给方向与铣刀转动方向一致的称为顺铣。方向相反的则称为逆铣。 46 5.4 各种常用刀具各种常用刀具v 铣削方式 （2）对称铣削与不对称铣削 1）对称铣削 2）不对称逆铣 3）不对称顺铣 47 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 螺纹车刀螺纹车刀 车螺纹是螺纹加工的基本方法。 安装螺纹车刀时，应使刀尖与工件轴线等高，否则会影响螺纹的截面形状，并且刀尖的平分线要与工件轴线垂直。如果车刀装得左右歪斜，车出来的牙形就会偏左或偏右。为了使车刀安装正确，可采用样板对刀。 48 5.4 各种常用刀具各种常用刀具 螺纹车刀螺纹车刀 车螺纹前要做好准备工作，首先把工件的螺纹外圆直径按要求车好，然后用刀尖在工件上的螺纹终止处刻一条微可见线，以它作为车螺纹的退刀标记，最后将端面处倒角，装夹好螺纹车刀后，就可以按下图所示的方法与步骤进行车削： 49 5.5 磨具磨具 磨削是用带有磨粒的工具（砂轮、砂带、油石等）对工件进行加工的方法。磨具分砂轮、油石、磨头、砂瓦、砂布、砂纸、砂带、研磨膏等几类。 砂轮砂轮 砂轮是由细小而坚硬的磨料加结合剂用烧结的方法制成的疏松的多孔体。 50 5.5 磨具磨具 （1）磨料 磨料是制造磨具的主要原料，直接担负着切削工作。 （2）粒度 粒度是指磨料颗粒的尺寸，其大小用粒度号表示。 （3）结合剂 结合剂的作用是将磨料粘合成具有一定强度和形状的砂轮。 （4）硬度 磨具的硬度是指磨具在外力作用下磨粒脱落的难易程度（又称结合度）。 （5）组织 磨具的组织指磨具中磨粒、结合剂、气孔三者体积的比例关系，以磨粒率（磨粒占磨具体积的百分率）表示磨具的组织号。 51 5.5 磨具磨具 （6）形状与尺寸及代号 根据机床类型和加工需要，将磨具制成各种标准的形状和尺寸。常用的几种砂轮的形状、代号和用途如下表所列。52 磨削过程磨削过程 磨削也是一种切削加工。砂轮表面上的每个磨粒相当于一个微小刀齿，磨粒上的每个棱角都相当于一个微小的切削刃，整个砂轮就相当于具有极多刀齿的铣刀，这些刀齿随机地排列在砂轮的表面上。因此，磨削可以看作是众多刀齿铣刀的一种超高速铣削。 5.5 磨具磨具(a)切削作用；(b)刻划作用；(c)抛光作用53 随着社会生产和科学技术的发展机械产品日趋精密复杂，且频繁改型。特别是在宇航、造船、军事领域所需的零件，精度要求高，形状复杂，批量小。普通机床已不能满足这些要求。作为机械工业加工手段现代化的标志，数控机床应运而生。 数控机床包括普通数控机床、加工中心和柔性制造系统以及自动加工线。而这些加工设备，只有配备了高性能的刀具，其性能和功能才能得以发挥。 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统 54 数控刀具要求数控刀具要求 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统2 25 53 34 41 1刀具切削性能和寿命要稳定可靠 刀具应有较高的寿命 应确保可靠地断屑、卷屑和排屑 能快速地转位或更换刀片以及换刀或自动换刀 能迅速、精确地调整刀具尺寸 55 数控刀具的分类数控刀具的分类 车削刀具分为：外圆、内孔、螺纹、成形车刀等 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统外圆车刀内孔车刀螺纹车刀56 数控刀具的分类数控刀具的分类 铣削刀具分为：面铣刀、立铣刀、螺纹铣刀等。 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统面铣刀方肩铣刀仿形铣刀三面刃和螺纹铣刀整体硬质合金铣刀57 数控刀具的分类数控刀具的分类 钻削刀具：钻头、铰刀、丝锥等。 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统58 数控刀具的分类数控刀具的分类 镗削刀具：粗镗刀、精镗刀等。 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统59 自动换刀系统自动换刀系统 自动换刀系统简称ATC，是加工中心的重要部件，由它实现零件工序之间连续加工的换刀要求，即在每一工序完成后自动将下一工序所用的新刀具更到主轴上，从而保证了加工中心工艺集中的工艺特点，刀具的交换一般通过机械手、刀库及机床主轴的协调动作共同完成。 自动换刀系统一般由刀库和机械手组成。 5.6 数控刀具及其工具系统数控刀具及其工具系统本章结束！本章结束！