金切基础：刀具材料及刀具构造

刀具是由切削部分和夹持部分组成。

夹持部分是用来将刀具夹持在机床上的部分，要求它能保证刀具正确的工作位置，传递所需要的运动和动力，并且夹固可靠，装卸方便。

切削部分是刀具上直接参加切削工作的部分，刀具切削性的优劣，取决于切削部分的材料、角度和结构。

一.刀具材料

1.对刀具材料的基本要求

刀具材料是指切削部分的材料。它在高温下工作，并要承受较大的压力、摩擦、冲击和振动等，因此应具备以下基本性能。

（1）较高的硬度 刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温硬度一般在60HRC以上。
（2）有足够的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动。
（3）有较好的耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间。
（4）较高的耐热性，以便在高温下仍能保持较高硬度，又称为红硬性或热硬性。
（5）有较好的工艺性， 以便于制造各种刀具。工艺性包括锻造、轧制、焊接、切削加工、磨削加工和热处理性能等。

目前尚没有一种刀具材料能全面满足上述要求。因此，必须了解常用刀具材料的性能和特点，以便根据工件材料的性能和切削要求，选用合适的刀具材料。

2. 常用的刀具材料

目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷材料等。

（1）碳素工具钢

含碳量较高的优质钢，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。

（2）合金工具钢

在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢。常用来制造一些切削速度不高或手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等。

目前生产中应用最广的刀具材料是高速钢和硬质合金。

（3）高速钢

它是含W、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢。它的耐热性、硬度和耐磨性虽低于硬质合金，但强度和韧度却高于硬质合金，工艺性较硬质合金好，而且价格也比硬质合金低。

W18Cr4V是国内使用最为普遍的刀具材料，广泛地用于制造各种形状较为复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具等。

（4）硬质合金

它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC等）作基体，以金属Co等作粘结剂，用粉末冶金的方法而制成的一种合金。

特点：它的硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍，但其强度和韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。

用途：常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀体（刀杆）使用。

国产的硬质合金一般分为两大类：

一类是由WC和Co组成的钨钻类（YG类）；
一类是由WC、TiC和Co组成的钨钛钻类（YT类）。

YG类硬质合金韧性较好，但切削韧性材料时，耐磨性较差，因此它适于加工铸铁、青铜等脆性材料。

常用的牌号有YG3、YG6、YG8等，其中数字表示Co的含量的百分率。Co的含量少者，较脆较耐磨。

YT类硬质合金比YG类硬度高、耐热性好，并且在切削韧性材料时较耐磨，但韧性较小，故适于加工钢件。

常用的牌号有YT5、YT15、YT30”等，其中数字表示TiC合量的百分率。TiC的含量越多、韧性越小，而耐磨性和耐热性越高。

（5）陶瓷材料

它的主要成分是Al2O3，刀片硬度高、耐磨性好、耐热性高，允许用较高的切削速度，加之Al2O3的价格低廉，原料丰富，因此很有发展前途。

但陶瓷材料性脆怕冲击，切削时容易崩刃。我国制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌号的金属陶瓷，其成分除Al2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度比普通陶瓷刀片为高。

3．其他新型刀具材料简介

（1）高速钢的改进
（2）硬质合金的改进
（3）人造金刚石 硬度接近10000HV，而硬质合金仅达1000～2000HV，耐热性为700～800℃。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削工具，单晶微粒主要制成砂轮。

金刚石除可以加工高硬度而且耐磨的硬质合金、陶瓷、玻璃等外，还可以加工有色金属及其合金。

金刚石不宜于加工铁族金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘结作用加快刀具磨损。

（4）立方氮化硼（CBN） 硬度（7300～9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性和化学稳定性都大大高于金刚石，能耐1300～1500℃的高温，并且与铁族金属的亲和力小。因此，它的切削性能好，不但适于非铁族难加工材料的加工，也适于铁族材料的加工。 CBN和金刚石刀具脆大，故使用时机床刚性要好，主要用于连续切削，尽量避免冲击和振动。

二、刀具角度

切削刀具的种类虽然很多，但它们切削部分的结构要素和几何角度有着许多共同的特征。如(图1-5)所示，各种多齿刀具或复杂刀具，就其一个刀齿而言，都相当于一把车刀的刀头。

下面从车刀入手，进行分析和研究。

1．车刀切削部分的组成

车刀切削部分是由三个刀面组成的,即前刀面、主后刀面和副后刀面（图1-6）。

（1）前刀面 刀具上切屑流过的表面。
（2）后刀面 刀具上与工件上切削中产生的表面相对的表面。
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（图1-7）

切削刃是指刀具前刀面上拟作切削用的刃，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为零的点，并至少有一段切削刃拟用来在工件上切出过渡表面的那个整段切削刃。切削时，主要的切削工作由它来负担。

副切削刃是指切削刃上除主切削刃以外的，亦起始于主偏角为零的点，但它向背离主切削刃的方向延伸。

作用切削刃是指在特定瞬间，工作切削刃上实际参与切削，并在工件上产生过渡表面和已加工表面的那段刃。为区别起见，分别在主、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连接处相当少的一部分，称为刀尖。

实际刀具的刀尖并非绝对尖锐，而是一小段曲线或直线，分别称为修圆刀尖和倒角刀尖。

2. 车刀切削部分的主要角度

刀具要从工件上切除余量，就必须使它的切削部分具有一定的切削角度。

为定义、规定不同角度，适应刀具在设计、制造及工作时的多种需要，需选定适当组合的基准坐标平面作为参考系。

刀具静止参考系：用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量时几何参数的参考系。

刀具工作参考系：用于规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系。

工作参考系与静止参考系的区别在于用实际的合成运动方向取代假定主运动方向，用实际的进给运动方向取代假定进给运动方向。

（1）刀具静止参考系

主要包括基面、切削平面、正交平面和假定工作平面等（图1-8）。

a.基面 过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面，以pr表示。

b.切削平面 过切削刃选定点，与切削刃相切，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 过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面，以po表示。

d.假定工作平面 过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面，以pf表示。

（2）车刀的主要角度

在车刀设计、制造、刃磨及测量时，必须的主要角度有以下几个（图1-9）。

a.主偏角kr 在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。

b.副偏角kr 在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角。

偏角的作用：

主偏角主要影响切削层截面的形状和参数，影响切削分力的变化，并和副偏角一起影响已加工表面的粗糙度；副偏角还有减小副后刀面与已加工表面间摩擦的作用。如(图1-10)所示，当背吃刀量和进给量一定时，主偏角愈小，切削层公称宽度愈大而公称厚度愈小，即切下宽而薄的切屑。这时，主切削刃单位长度上的负荷较小，并且散热条件较好，有利于刀具耐用度的提高。由(图1-11)可以看出，当主、副偏角小时，已加工表面残留面积的高度hc亦小，因而可减小表面粗糙度的值，并且刀尖强度和散热条件较好，有利于提高刀具耐用度。但是，当主偏角减小时，背向力将增大，若加工刚度较差的工件（如车细长轴），则容易引起工件变形，并可能产生振动。 主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°等几种；副偏角为5°～ 15°，粗加工时取较大值。

c.前角γo

在正交平面中测量的前刀面与基面间的夹角。前角正负见(图1-12)。

前角的主要作用：

当取较大的前角时，切削刃锋利，切削轻快，即切削层材料变形小，切削力也小。但当前角过大时，切削刃和刀头的强度、散热条件和受力状况变差(图1-13)，将使刀具磨损加快，耐用度降低，甚至崩刃损坏。若取较小的前角，虽切削刃和刀头较强固，散热条件和受力状况也较好，但切削刃变钝，对切削加工也不利。

前角的大小常根据工件材料、刀具材料和加工性质来选择。当工件材料塑性大、强度和硬度低或刀具材料的强度和韧性好或精加工时，取大的前角；反之取较小的前角。例如，用硬质合金车刀切削结构钢件， 可取10°～ 20°；切削灰铸铁件，可取5°～ 15°等。

d.后角αo 在正交平面中测量的后刀面与切削平面间的夹角。

后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的磨擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。后角大，摩擦小，切削刃锋利。但后角过大，将使切削刃变弱，散热条件变差，加速刀具磨损。反之，后角过小，虽切削刃强度增加，散热条件变好，但摩擦加剧。

后角的大小常根据加工的种类和性质来选择。例如，粗加工或工件材料较硬时，要求切削刃强固，后角取较小值：αo=6°～ 8°。反之，对切削刃强度要求不高，主要希望减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.刃倾角λs

在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。 （图1-14）

刃倾角的作用：主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。负的刃倾角可起到增强刀头的作用，但会使背向力增大，有可能引起振动，而且还会使切屑排向已加工表面，可能划伤和拉毛已加工表面。

因此，粗加工时为了增强刀头，常取负值；精加工时为了保护已加工表面，常取正值或零度。 车刀的刃倾角一般在-5°～ +5°之间选取。有时为了提高刀具耐冲击的能力，可取较大的负值。

（3）刀具的工作角度

它是指在工作参考系中定义的刀具角度。刀具工作角度考虑了合成运动和刀具安装条件的影响。

a. 车刀安装高度对前角和后角的影响 （图1-16）

b. 车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响（图1-17）

c. 进给运动对前角和后角的影响（如切断、车螺纹）

三、刀具结构

车刀的结构形式有整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式等几种。（图1-18），（图1-19）

机夹可转位式车刀的主要优点如下：

（1）避免了因焊接而引起的缺陷，在相同的切削条件下刀具切削性能大为提高。
（2）在一定条件下，卷屑、断屑稳定可靠。
（3）刀片转位后，仍可保证切削刃与工件的相对位置，减少了调刀停机时间，提高了生产率。
（4）刀片一般不需重磨，利于涂层刀片的推广使用。
（5）刀体使用寿命长，可节约刀体材料及其制造费用。