金属切削刀具的选择与应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：外圆车刀的结构9.1.4.1刀具结构刀具的种类繁多，其中以车刀最为简单、常用，其他各种刀具的切削部分，均可看作是车刀的演变和组合。

在切削加工中，刀具直接承担着切削金属材料的工作。为保证切削的顺利进行，不但要求刀具在材料方面具备一定的性能，还要求刀具具有合适的几何形状。

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外圆车刀的结构

9.1.4.1　刀具结构

刀具的种类繁多，其中以车刀最为简单、常用，其他各种刀具的切削部分，均可看作是车刀的演变和组合。

图9-5和图9-6为最常用的外圆车刀和切槽刀，其基本组成部分包括：

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图9-5　外圆车刀的结构

1—刀柄；2—主切削刃S；3—后面Aa；4—刀尖；5—副后面aA′；6—副切削刃S′； 7—前面Ar；8—刀体。

1. 夹持部分

夹持部分又称刀柄或刀体，主要用于刀具安装和标注，通常用普通碳钢、球墨铸铁等材料制造。

2. 切削部分

切削部分又称刀头，是刀具的工作部分。刀头由刀面、切削刃（刀刃）组成。切削部分采用各种专用刀具材料，根据需要制造成不同形状。其组成要素包括：

（1）前面Ar：又称前刀面，即切屑流过的表面。

（2）后面Aa：又称后刀面，即与工件上经过切削加工产生的表面相对的表面，分为主后面（与工件过渡表面相对，与前面相交成主切削刃，标为Aa）和副后面（与已加工表面相对，与前面相交成副切削刃，标为aA′）。

（3）切削刃S：前面与后面的交线，分为主切削刃（前面与主后面的交线，标为S）和副切削刃（前面与副后面的交线，标为S′）。主切削刃承担主要切削工作，形成过渡表面；副切削刃辅助切除余量并形成已加工表面。

（4）刀尖：主、副切削刃连接处的一小部分切削刃，可以是一个点，也可以是一小段其他形式的切削刃，是刀具切削部分工作条件最恶劣的部位。

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图9-6　切槽刀的结构

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图9-7　刀具的切削刃

9.1.4.2　刀具材料

在切削加工时，刀具切削部分与切屑工件相互接触的表面承受了很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着切削力、冲击和振动，因此要求刀具切削部分的材料应具备以下基本条件：

1. 较高的硬度

刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度应在HRC60以上。

2. 较好的耐磨性

耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力。通常刀具材料硬度越高，耐磨性越好；材料中硬质点的硬度越高、数量越多、颗粒越小、分布越均匀，则耐磨性越好。

3. 足够的强度和韧性

为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足够的强度和韧性。一般用抗弯强度（σb）和冲击韧性（αk）值来表示。

4. 较高的耐热性

刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力，这就是刀具材料的耐热性。它是衡量刀具材料综合切削性能的主要指标。

5. 良好的加工工艺性

为了便于刀具制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理特性等。

刀具材料种类很多，常用的有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。其中，碳素工具钢（如T10A）和合金工具钢（9SiCr）因其耐热性较差，仅用于手工工具；陶瓷、金刚石和立方氮化硼则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前只在较小的范围内使用；现在用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。

9.1.4.3　刀具的几何角度

切削加工中刀具的几何角度应能满足切削过程的综合要求，为保证加工质量，对刀具切削部分的几何构造和表面状态必须严格要求。

1. 静止参考系

刀具切削部分的几何构造取决于刀具组成要素（刀尖、切削刃、刀面）的形状及空间相互位置。为标注和度量方便，通常采用刀具静止参考系，及在不考虑进给运动、规定车刀安装使刀尖与工件轴线等高、刀杆的中心线垂直进给方向等简化条件下的坐标系，如图9-8所示。

2. 参考平面

为了表达和标注刀具的几何角度，根据刀具度量的参考平面坐标系组成原理，定义了以下几个坐标平面：

（1）基面Pr：过切削刃选定点且和该点假设主运动方向垂直的平面。

（2）切削平面Ps（sP′）：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面，分为主切削平面（选定点在主切削刃上）和副切削平面（选定点在副切削刃上）。

（3）正交平面Po（oP′）：过切削刃选定点并同时与基面和切削平面垂直的平面，分为主正交平面（选定点在主切削刃上）和副正交平面（选定点在副切削刃上）。

（4）进给平面Pf：又称假定工作平面或进给剖面，是过切削刃选定点垂直基面，并且与假定进给运动方向平行的平面。

（5）切深平面Pp：又称背平面或切深剖面，是经过切削刃选定点并同时与基面和进给平面垂直的平面。

（6）法平面Pn：过切削刃选定点且与切削刃垂直的平面。

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图9-8　刀具静止参考系基本组成平面

Pr—基面；Pn—法平面；Po—正交平面；Ps—切削平面；Pf—进给平面；Pp—切深平面；v—假定主运动方向；vf—假定进给运动方向。

3. 刀具的标注角度

刀具的几何角度是为了度量刀具切削部分的几何要素相对于设定的标准要素的方位而规定的几何参数。常用刀具切削部分的几何要素与刀具静止参考系平面的夹角大小及投影来表达，统称刀具标注角度。如图9-9所示即为外圆车刀角度的投影表达。常用刀具标注角度定义分别如下：

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图9-9　外圆车刀角度的投影表达

（1）主偏角kr：主切削面Ps与进给平面（假定工作平面）Pf之间的夹角在基面Pr上的投影。车刀常用的主偏角有45°、60°、75°和90°等几种。

（2）副偏角 pagenumber_ebook=236,pagenumber_book=225 ：副切削面与进给平面（假定工作平面）Pf之间的夹角在基面Pr上的投影。主、副切削平面之间的夹角εr称为刀尖角，也在基面Pr上进行测量。其中，。

（3）前角γo：刀具前面Ar与基面Pr之间的夹角在正交平面Po上的投影。以基面Pr为基准，规定：当前面Ar在基面Pr之下时（即刀尖点为前面上最高点），前角γo＞0°；当前面Ar在基面Pr之上时（即刀尖点为前面上最低点），前角γo＜0°；当刀具前面Ar在基面Pr重合时，前角γo =0°。

（4）主（副）后角αo（ pagenumber_ebook=236,pagenumber_book=225 ）：刀具主（副）后面Aa（）与主（副）切削平面Ps（）之间的夹角在正交平面Po上的投影。一般情况下，后角αo≥0°。刀具前、后面之间的夹角βo称为楔角，也是在正交平面Po上进行测量的。其中，β o　+γ o　+αo =90°。