第四章金属切削刀具
第一节概述
一、金属切削刀具在机械制造工业中的作用、地位及发展趋势
二、刀具的分类
三、刀具的材料及合理选用
刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数
（一）刀具材料必须具备的性能
1. 高的硬度和耐磨性
常温硬度60HRC以上，耐磨性是硬度、组织结构及化学性能等的综合反映。
2. 足够的强度和冲击韧性
3. 高耐热性
高温硬度、强度、耐磨性，抗氧化性、抗扩散粘结性等
4. 良好的工艺性
锻造性能、磨削性能、热处理性能等
5. 经济性
（二）常用刀具材料的种类及特性
碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、
金刚石、立方氮化硼等。
高速钢
（1）通用型高速钢（含碳量0.7～0.9%，62～66 HRC）
钨系高速钢W18Cr4V W14Cr4MnRE
钼系高速钢W6Mo5Cr4V2 高温塑性好
主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.
（2）高性能高速钢（增加碳量钒量，添加钴铝等66～70HRC）
9W18Cr4V W6Mo5Cr4V3 W6Mo5Cr4V2Co8
W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al
主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.，粉末冶金化，表面处理及涂层等。
2. 硬质合金
金属碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)＋金属粘接剂(Co、Ni等) 高压成形后，高温烧结而成。硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于高速钢抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差。
分类
YG (K) 类YT (P)类YW (M)类
短切屑黑色金属加工长切屑的钢材、铸铁等
有色金属非金属黑色金属有色金属非金属
WC+ Co WC+ TiC+ Co WC+ TiC+ TaC+ Co
新型硬质合金简介
1. 调整化学成份，提高综合性能
添加TaC、NbC；添加稀土元素；TiC(N)基，高速钢基等2. 涂层硬质合金（可转位刀片）
TiC涂层、TiN涂层、复合涂层、陶瓷涂层
3. 细晶粒和超细晶粒硬质合金
其它刀具材料简介
1. 陶瓷（硬、脆、价格低）
普通陶瓷、复合氧化铝陶瓷、复合氮化硅陶瓷，适于精加工2. 金刚石（最硬、耐磨性好，耐热性较差800℃
加工陶瓷、硬合金、有色金属等，不适于铁系金属加工
3. 立方氮化硼
硬度仅次于金刚石，化学稳定性、耐热性好，加工淬火钢等主偏角κr 主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角四、刀具使用和设计中应当注意的若干问题
第二节车刀Cutting edge angle 1. 车刀的种类
（1）直头外圆车刀；
（2）弯头车刀；
（3）偏刀；
（4）切槽或切断刀；
（5）镗孔刀；
（6）螺纹车刀；
（7）成形车刀；
2.车刀的结构形式
整体式（HSS)、焊接式、机械夹固式（重磨式、可转位式）
刀片夹紧方式：
（1）上压式夹紧力大，定位可靠，阻碍流屑。
（2）偏心式结构简单，不碍流屑，夹紧力不大。
（3）综合式夹紧力大，耐冲击，结构复杂。
（4）杠杆式
可转位式车刀的组成：可转位刀片、刀垫、刀杆、夹紧机构，切削性能好，辅助时间短，生产率高。
3.车刀的几何参数
（1）切削角度
六个主要角度：主偏角、副偏角、前角、后角、副后角、刃倾角
（2）其它几何参数的选择
过渡刃、刀刃钝圆半径、副倒棱等
三高一专的先进刀具：
高精度
高效率
高可靠性
专业化
先进的专用可转位刀具
第三节孔加工刀具
钻床及刀具
钻床上可完成钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、钻沉头孔、锪平面。
刀具作旋转主运动同时沿轴向移动作进给运动。
立式钻床
通过移动工件位置，使被加工孔中心与主轴中心对中，操作不便，生产率不高。适于单件小批生产中加工中小型零件。
摇臂钻床
摇臂可绕立柱回转和升降，主轴箱可在摇臂上作水平移动。工件固定不动，可方便地移动主轴，使主轴中心对准被加工孔中心。适于单件小批生产中加工大而重的零件。
其它钻床
（a）深孔钻床
一般采用卧式布局，工件旋转作主运动，钻头直线进给。
主要应解决的问题是：刚性及导向、断屑排屑、冷却润滑
（b）台式钻床
小巧灵活，钻孔直径15mm以下。适于单件小批生产中加工小型零件。
1. 麻花钻
（1）标准麻花钻
标准高速钢麻花钻由工作部分、颈部及柄部三部分组成。
1）工作部分
分切削部分和导向部分。
两个前刀面、两个后刀面、
两个副后刀面、两个主刃、
两个副刃、一个横刃。
钻芯直径朝柄部方向递增。
2）柄部
夹持部分，有直柄和锥柄。
3）颈部
用于磨柄部时砂轮的退刀。
（2）麻花钻的修磨
前角从＋30°到－30°,横刃长前角－55°，
定心差，轴向力大，刚性差，排屑困难
磨短横刃增大前角，修磨主刃顶角分屑槽
2. 镗刀
加工各种复杂和大型工件上（如箱体）有预制孔的孔，尤其是直径较大的孔或孔系，一次安装多面加工，精度高。
卧式铣镗床除镗孔外，还可钻、扩、铰孔，车螺纹、攻螺纹，车端面、铣端面等，称万能镗床。生产率较低。
第四节铣削和铣刀
铣床及铣刀
铣刀旋转为主运动，工件或铣刀的移动为进给运动。可加工平面、台阶面、沟槽、成形面等，多刃切削效率高。
（一）升降台式铣床
1.卧式升降台式铣床
2.万能升降台式铣床
3.立式升降台式铣床
工件可在三个方向进行位置调整或作进给运动。
万能式在工作台与床鞍之间增装一转盘，工作台可在水平面内扳转一角度以加工螺旋槽等。
（二）龙门铣床
机床刚度高，可多刀同时加工多个工件或多个表面，生产率高。适于成批大量生产中加工大型工件上平面和沟槽或多件同时加工。
（三）铣刀
1.铣刀的分类
（1）圆柱平面铣刀
（2）端铣刀
（3）盘铣刀
单面刃、双面刃、三面刃、错齿三面刃
（4）锯片铣刀
（5）立铣刀
（6）键槽铣刀
（7）角度铣刀
（8）成形铣刀
2. 铣削方式
（1）顺铣和逆铣
周铣有顺铣和逆铣两种方式。
顺铣切削厚度大，接触长度短，铣刀寿命长，加工表面光洁，但不宜加工带硬皮工件，且进给丝杠与螺母间应消除间隙。否则，应采用逆铣。
（2）对称铣与不对称铣
端铣有对称铣与不对称逆铣、不对称顺铣三种方式。
铣淬硬钢采用对称铣；铣碳钢和合金钢用不对称逆铣，减小切入冲击，↑刀具寿命；
铣不锈钢和耐热合金用不对称顺铣。
第五节螺纹刀具
一、丝锥
二、其他螺纹刀具
第六节齿轮刀具
按齿形的形成原理分成形法齿轮刀具和展成法齿轮刀具。
（一）滚刀
1.滚刀基本蜗杆
根据滚切原理知，滚刀基本蜗杆的端面齿形应是渐开线，法向模数和压力角应分别等于被切齿轮的模数和压力角。
（1）渐开线基本蜗杆
齿面是渐开螺旋面，造形误差为零；
端面齿形：渐开线
轴向齿形：曲线
制造较为困难。
（2）阿基米德基本蜗杆
齿面是阿基米德螺旋面，会产生一定的造形误差。
端面齿形：阿基米德螺线
轴向齿形：直线
制造比较容易。
轴向截形应与渐开线蜗杆齿形在分度圆处相切，即齿形角应是渐开线蜗杆分度圆处的齿形角。
2. 齿轮滚刀的结构和类型
（1）整体齿轮滚刀
高速钢材料
套装式结构
轴肩与内孔同心
装刀检测径跳
多为零前角
顶刃后角10～12°
侧刃后角大约3°
齿轮滚刀大多为单头，螺旋升角较小，加工精度较高；
粗加工用滚刀有时做成双头，以提高生产率。
（2）镶齿齿轮滚刀
齿轮模数较大时，做成镶齿结构，既节约高速钢，又使刀片易锻造，提高性能和使用寿命。
（3）硬质合金滚刀
用于小模数齿轮或精加工硬齿面齿轮，代替磨齿。
常采用大的负前角，可达－30°～－45°
3. 齿轮滚刀的合理使用
（1）齿轮滚刀结构参数分析
1）容屑槽形式
直槽制造方便，但左右侧刃前角不等，零度前角直槽滚刀，左侧刃前角小于零，
λ0≤4°时采用。螺旋槽λ0＞4°时采用，为使左右侧刃前角相等，让螺旋槽垂直于滚刀螺纹，即βk =－λ0
2）滚刀直径和螺旋升角
滚刀直径↑→螺旋升角λ0↓→造形误差↓；圆周齿数↑
但滚刀直径过大，相同速度下转速降低，生产率降低，刀
坯锻造难度增大，成本增加。精加工滚刀适当增大直径。
3）齿轮滚刀的头数
滚刀头数主要影响生产率和齿形精度。
单头滚刀，λ0小，造形误差小，包络刃数多，齿面光洁；
多头滚刀，λ0大，造形误差大，但生产率高。
精加工齿轮滚刀都用单头的，粗加工和半精加工可用多头的
（2）滚刀的合理使用
1）齿轮滚刀的磨损和窜刀
各刀齿磨损不均，齿轮中线处刀齿磨损较严重。确定滚刀长度时应考虑轴向窜刀长度，标准滚刀长度为导程的4～5倍。
2）齿轮滚刀螺旋方向的选择
齿轮滚刀旋向根据被切齿轮旋向而定。被切齿轮螺旋角β≤10°时，滚刀做成右旋；β＞10°时，滚刀螺旋方向应与被切齿轮旋向相同，以减小滚刀的安装角减小切入端负荷3）滚刀的刃磨和检验
①刃磨后必须保证前角不变；②检验前刀面与滚刀轴线的平行度（直槽）或前刀面导程误差（螺旋槽）；③容屑槽的圆周齿距误差；④前刀面径向性误差。
（二）插齿刀
1.插齿刀的分类和用途
（1）标准直齿插齿刀
①盘形插齿刀
加工外齿轮和大径内齿轮Φ75、100、125、160、200
②碗形插齿刀
加工多联齿轮和内齿轮，有Φ50、75、100、125mm。
③锥柄插齿刀
加工内齿轮，有Φ25mm(m1~2.75)、Φ38mm (m1~3.75)
（2）斜齿插齿刀
盘形插齿刀Φ100 ；锥柄插齿刀Φ38,β均有15°和23°两种。
（3）人字齿轮插齿刀
加工无空刀槽的人字齿轮，有Φ100 、150、180,β为30°。
2. 插齿刀的齿面形状
①插齿刀往复运动时刀刃运动轨迹形成一齿轮称为产形齿轮，
直齿插齿刀切削刃的端面投影就是产形齿轮的端面齿形，必须是渐开线。不考虑前角影响，插齿刀端面齿形是渐开线。
②插齿刀有顶刃后角和侧刃后角，重磨后顶圆直径和分圆齿厚减小。
不同端剖面应是变位量不同的变位齿轮，新刀变位量最大，重磨后逐渐减小。O-O剖面变位量为零称为原始剖面，具有标准齿形。插齿刀实质上是个变变位齿轮
③插齿刀的两侧面是两个旋向相反的渐开螺旋面，即两侧切削刃分别绕刀具轴线作螺旋运动形成的螺旋面，也就是斜齿轮的齿面，制造容易，精度高。
④任意端剖面的变位系数
x0=b0tgαp/m
⑤任意剖面的分圆齿厚
s0′= s0＋2 b0tgβ0 又s0′= s0＋2 x0 m tgα
∴tgβ0 = x0 m tgα/ b0= tgαtgαp
⑥标准直齿插齿刀顶刃后角αp= 6°,侧刃后角αc≈2°,顶刃前角γp= 5°,侧刃投影不是渐开线，齿形角修正(20°10′14.5″)
第七节磨料与磨具
一、砂轮磨料＋结合剂
砂轮特性决定于五要素：
磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。
（一）磨料
锋利的形状、高硬度和热硬性、适当的坚韧性
1.氧化物系（刚玉类，主要成份Al2O3）
①棕刚玉（A）韧，硬度低，磨碳素钢、合金钢、可锻铸铁
②白刚玉（W A）韧性低、硬，磨淬火钢、高速钢、高碳钢
③铬刚玉（PA）韧，硬度低，Ra小，磨高速钢、不锈钢等
2.碳化物系（主要成份碳化硅、碳化硼）
①黑色碳化硅（C）韧性低、硬度高，磨铸铁、黄铜等脆材
②绿色碳化硅(GC)韧性差、更硬，磨Y合金、陶瓷、玻璃等
3.超硬磨料
人造金刚石（D）、立方氮化硼（CBN）
（二）粒度
以刚能通过的那一号筛网的网号来表示磨料的粒度，如60＃
微粉：磨粒的直径＜40um时，如W20磨粒尺寸在20～14um
粗磨用粗粒度，精磨用细粒度；当工件材料软，塑性大，
磨削面积大时，采用粗粒度，以免堵塞砂轮烧伤工件。
（三）结合剂
1.陶瓷结合剂（V）化学稳定性好、耐热、耐腐蚀、价廉，占90%，但性脆，不宜制成薄片，不宜高速，线速度一般为35m/s。
2.树脂结合剂（B）强度高弹性好，耐冲击，适于高速磨或切槽切断等工作，但耐腐蚀耐热性差(300℃)，自锐性好。
3.橡胶结合剂（R）强度高弹性好，耐冲击，适于抛光轮、导轮及薄片砂轮，但耐腐蚀耐热性差(200℃)，自锐性好。
4.金属结合剂（M）青铜、镍等，强度韧性高，成形性好，但自锐性差，适于金刚石、立方氮化硼砂轮。
（四）硬度
指砂轮工作时在磨削力作用下磨粒脱落的难易程度。
取决于结合剂的结合能力及所占比例，与磨料硬度无关。
硬度高，磨料不易脱落；硬度低，自锐性好。
分7大级(超软、软、中软、中、中硬、硬、超硬)，16小级
砂轮硬度选择原则：
1. 磨削硬材，选软砂轮；磨削软材，选硬砂轮；
2. 磨导热性差的材料，不易散热，选软砂轮以免工件烧伤；
3.砂轮与工件接触面积大时，选较软的砂轮；
4.成形磨精磨时，选硬砂轮；粗磨时选较软的砂轮。
（五）组织
反映砂轮中磨料、结合剂和气孔三者体积的比例关系，
即砂轮结构的疏密程度，分紧密、中等、疏松三类13级。
紧密组织成形性好，加工质量高，适于成形磨、精密磨
和强力磨削。
中等组织适于一般磨削工作，如淬火钢、刀具刃磨等。
疏松组织不易堵塞砂轮，适于粗磨、磨软材、磨平面、内
圆等接触面积较大时，磨热敏性强的材料或薄件
（六）砂轮的标志方法
按GB2484—84规定，标志顺序如下：磨具形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高线速度。
砂轮标志方法示例如下：
PB 400×40×60 A 60 L 5 B 35 形状代号薄片
外经D＝400mm
厚度H＝40mm
内径d＝60mm
磨料（棕刚玉）
60号粒度
硬度中软2
5号组织
树脂结合剂
最高工作线速度（m / s）
二、砂轮的修整
磨损表现为磨耗磨损和破碎磨损。自锐性有限，应及时修整，保证砂轮有合理使用寿命，否则引起振动、Ra值增大、表面烧伤或裂纹等。
砂轮修整除用于磨损砂轮外，还用于以下场合：
①砂轮被切屑堵塞；
②部分工材粘结在磨粒上；
③砂轮廓形失真；
④精密磨中的精细修整等。
常用修整工具是单颗粒金刚石。修整用量包括修整导程fx（≈磨粒平均尺寸）和修整深度ap（粗磨0.01～0.03mm)，修整时应使用充足的切削液。
第八节刨床、拉床及拉刀
刨床、拉床属直线运动机床，加工平面、沟槽、通孔及成形面。
（一）刨床
1.牛头刨床
机床和刀具简单，应用灵活方便。但有空行程，有冲击，效率低。单件小批生产中加工平面、沟槽及纵向成形面。
2.龙门刨床
主要用来加工大平面，尤其是长而窄的平面，也可加工沟槽或同时加工几个中小型零件的平面。生产率不如铣削高，主要用于中小批生产及修理车间。
3.插床
插刀上下运动为主运动，工件可作纵横两个方向的移动，工作台还可作分度运动。加工与安装面垂直的面、沟槽。
（二）拉床
拉床只有主运动，结构简单，可一次加工成形，质量好，效率高，但刀具设计制造复杂，适于大批量生产。
拉床按加工表面分为内拉床和外拉床；
按布局分为卧式和立式两类。
（三）拉刀
1.拉刀种类
拉刀按加工表面分为内拉刀和外拉刀；
按拉削方式分普通式、轮切式、及综合式；
按受力不同分拉刀和推刀
2.拉刀的结构
普通圆孔拉刀结构如下：