切削运动及刀具结构

时间：2024-10-07 百科知识版权反馈

【摘要】：切削运动包括主运动（图中Ⅰ）和进给运动（图中Ⅱ）。切削运动有旋转的，也有直行的；有连续的，也有间歇的。用刀具切削金属时，直接负担切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的选择和设计是否合理。目前刀具材料中用得最多的是高速钢和硬质合金。高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达到500～650℃时，尚能进行切削。

1.1　切削运动及刀具结构

1.1.1　切削运动及切削用量

1.零件表面的形成及切削运动

机器零件的形状虽很多，但分析起来，主要由下列几种表面组成，即外圆面、内圆面（孔）、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加工，就基本上能完成所有机器零件的加工。

外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，做旋转运动时所形成的表面。

平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。

成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。

图1－1　零件不同表面加工时的切削运动

上述各种表面，可分别用图1－1所示的相应的加工方法来获得。由图可知，要对这些表面进行加工，刀具与工件必须有一定的相对运动，就是所谓切削运动。

切削运动包括主运动（图中Ⅰ）和进给运动（图中Ⅱ）。主运动是切下切屑最基本的运动；进给运动是使金属层不断投入切削，从而加工出完整表面所需的运动。各种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣削、磨削和齿轮加工等）都是为了加工某种表面而发展起来的，因此，也都有其特定的切削运动。切削运动有旋转的，也有直行的；有连续的，也有间歇的。

2.切削用量

在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、进给量和切削深度三要素。

（1）切削速度v。在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。单位为m／s或m／min。

若主运动为旋转运动，切削速度为其最大的线速度。以车外圆为例（见图1－2），切削速度可按下式计算：

或　　　　　　　　

式中：d_w——待加工表面直径，mm；

　　　n——工件转速，r／min。

　　　若主运动为往复直线运动（如刨削、插削等），则常以其平均速度为切削速度，即

式中：L——往复运动行程长度，mm；

　　　n_r——主运动每分钟的往复次数，str／min。

（2）进给量。工件或刀具运动在一个工作循环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给运动方向的相对位移。例如车削时，工件每转一转，刀具所移动的距离即为（每转）进给出量f，单位是mm／r。又如在牛头刨床上刨平面时，刀具往复一次，工作移动的距离即为进给出量f，单位是mm／str（即毫米／双行程）。

铣削时，由于铣刀是多齿刀具，还规定了每齿进给量a_f，单位是mm／z（即毫米／齿）。

单位时间的进给量，称为进给速度v_f，单位是mm／s（或mm／min）。

每齿进给量、进给量和进给速度之间有如下关系：

v_f＝f·n／60＝a_f·Z·n／60（mm／s）

式中：Z为铣刀齿数。

（3）切削深度a_p。指待加工表面与已加工表面间的垂直距离，单位为mm。对于车外圆来说（见图1－2）：

式中：dm为已加工表面直径，mm。

图1－2　车外圆的切削要素

3.切削层几何参数

切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。以车外圆为例（见图1－2），切削层就是工件每转一转，切削刃所切下的一层材料。为简化计算工作，切削层的几何参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度量，它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。

（1）切削厚度a_c。两相邻加工表面间的垂直距离，单位为mm。车外圆时（见图1－2）：

a_c＝f·sink_r（mm）

（2）切削宽度a_w。沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为mm。车外圆时（见图1－2）：

a_w＝a_p／sink_r（mm）

（3）切削面积A。切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单位为mm²。车外圆时（见图1－2）：

A_c＝a_c·a_p＝f·a_p（mm²）

1.1.2　刀具材料

用刀具切削金属时，直接负担切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的选择和设计是否合理。切削加工生产率和刀具耐用度的高低，刀具消耗和加工成本的多少，加工精度和表面质量的优劣等，在很大程度上都取决于刀具材料的合理选择。

刀具材料的发展受着工件材料发展的促进和影响。

1.刀具材料应具备的性能

刀具在工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削时产生的金属塑性变性以及在刀具、切屑、工件相互接触表面间产生的强烈摩擦，使刀具切削刃上产生很高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损。因此刀具材料应能满足下面一些要求：

（1）高的硬度和耐磨性

硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具的切削刃的硬度，一般都在60HRC以上。

耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。

（2）足够的强度和韧性

要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中通常要出现的冲击和振动的条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性的性能。

（3）高的耐热性（热稳定性）

耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指导刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。

（4）良好的热物理性能和耐热冲击性能

刀具材料的导热性越好，切削热越容易从切削区散走，有利于降低切削速度。

刀具在断续切削（如铣削）或使用切削液切削时，常常受到很大的热冲击（温度变化剧烈），因而刀具内部会产生裂纹而导致断裂。刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲击系数来衡量。

（5）良好的工艺性能

为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等等。

（6）经济性

经济性是刀具材料的重要指标之一，刀具材料的发展应结合本国资源。有的刀具（如超硬材料刀具）虽然单件成本很贵，但因其使用寿命很长，分摊到每个零件的成本不一定很高。因此在选用时要考虑经济效果。此外，在切削加工自动化和柔性制造系统中，也要求刀具的切削性能比较稳定和可靠，有一定的可预测性和高度的可靠性。

2.常用的刀具材料

常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前刀具材料中用得最多的是高速钢和硬质合金。

1）碳素工具钢及合金钢

碳素工具钢是含碳量较高的优质钢（含碳量0.7%～1.2%，如T10、T12A等）淬火后碳度较高的耐热性较差（见表1－1）。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，如9SiCr、CWMn等。可适当减少热处理变形和提高耐热性（见表1－1），由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用来制造一些切削速度不太高的手动工具，如锉刀、锯条、铰刀等较少用来制造其他刀具。

2）高速钢

高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。

高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达到500～650℃时，尚能进行切削。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度1～3倍，提高刀具耐用度10～40倍，甚至更多。它可以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。

高速钢具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的2～3倍，为陶瓷的5～6倍）和韧性，具有一定的硬度（63～70HRC）和耐磨性，适合于各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。

高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，这一点对形状复杂及大型成形刀具非常重要，故在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）制造中，高速钢仍占主要地位。

高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用较可靠。因此，尽管各国种新刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。

按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。按制造工艺不同，高速钢可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

常用的几种高速钢的力学性能见表1－2。

表1－2　　　　　高速钢的力学性能

（1）通用型高速钢。

这类高速钢含碳量为0.7%～0.9%。按钢中含钨量的不同，可分为含W12%或18%的钨钢，含W6%或8%的钨钼系钢，含W2%或不含钨的钼钢。

这类钢按其耐热性可称为是中等热稳定性高速钢。它经4h加热到615～620℃，仍可保持硬度为60HRC。由于这类钢具有一定的硬度（63～66HRC）和耐磨性，高的强度和韧性，良好的塑性和磨加工性，因此广泛用以制造各种复杂刀具，成为切削硬度在250～280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的基本品种，应用最为广泛，占高速钢总产量的75%～80%。

通用型高速钢刀具的切削速度一般不太高，切削普通钢料时常不高于40～60m／min。

通用型高速钢一般可分为钨钢、钨钼钢两类：

①钨钢。这种钢的典型牌号是W18Cr4V（简称W18），它含W18%，Cr4%，V1%，具有较好的综合性能（见表1－2），在600℃时的高温硬度为48.5HRC，可用以制造各种复杂刀具。

②钨钼钢。钨钼钢是将钨钢中的一部分钨用钼代替所获得的一种高速钢。如果钨钼钢中的钼不多于5%，钨不少于6%。而且满足∑（W＋1.4～1.5Mo）＝12%～13%时，则可保证钼对钢的强度和韧性具有有利的影响，而又不致损害钢的热稳定性。

钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2（简称M2），它含W6%，Mo5%，Cr4%，V2%。这种钢的碳化物分布细小均匀，具有良好的力学性能（见表1－2），与W18钢相比抗弯强度高10%～15%、韧性高50%～60%，而且大截面的工具也具有这种优点，因而可做尺寸较大、承受冲击力较大的刀具。

（2）高性能高速钢。

高性能高速钢是指在通用型高速钢成分中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。如高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2，高钒高速钢W6Mo5Cr4V3，钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5、W18Cr4VCo5及超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等，它们的力学性能如表2－2所示。

这类钢按其耐热性可称为高热稳定性高速钢。加热到630～650℃时仍可保持60HRC的硬度，因此具有更好的切削性能，这类高速钢刀具的耐用度约为通用型高速钢刀具的1.5～3倍。它们适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。在用中等速度加工软材料时，优越性就不很显著。

这类钢的不同牌号只有在各自的规定切削条件下使用才可达到良好的切削性能。例如，高碳高速钢的强度和韧性较通用高速钢低，高钒高速钢的磨加工性差，含钴高速钢的成本较高等，都限制了它们只适于在一定范围内使用。

超硬高速钢是指硬度能达到67～70HRC的高速钢，其含碳量比相似的通用高速钢高0.20%～0.25%。就其成分而言，可分为含钴的超硬高速钢和不含钴的超硬高速钢。

①W2Mo9Cr4VCo8（M42）。这是一种应用最广的含钴超硬高速钢，具有良好的综合性能。硬度可达67～70HRC，600℃的高温硬度为55HRC，比W18钢高6.5HRC，因而能允许较高的切削速度。这种钢有一定的韧性，由于含钒量不高，故磨加工性很好。用这种钢做的刀具在加工耐热合金、不锈钢时，耐用度较W18和M2钢有明显提高。加工材料的硬度愈高，效果愈显著。这种钢由于含钴量较多，成本较贵。

②W6Mo5Cr4V2Al（501）。这是一种含铝的超硬高速钢，在600℃时的高温硬度也达到54HRC，但由于不含钴，因而仍保留有较高的强度和韧性。501钢的抗弯强度为2.9～3.9GPa，冲击韧性为0.23～0.3MJ／m²，具有良好的切削性能。在多数场合，其切削性能与M42钢相同。这种钢立足于我国资源，与钴钢比较，成本较低，故已逐渐推广使用。但与W18钢比较，这种钢的磨加工性较差，热处理温度也较难控制。

（3）粉末冶金高速钢。

粉末冶金高速钢（简称粉冶钢）是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然后将这种粉末在高温高压下压制成致密的钢坯，最后将钢坯锻轧成钢材或刀具形状的一种高速钢。

用粉末冶金法制造的高速钢有下列优点：

①可有效地解决一般熔炼高速钢在铸锭时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织。晶粒尺寸小于2～3μm，而不是一般熔炼钢的8～20μm。这就使这种钢有良好的力学性能。由于粉冶钢的碳化物分布比较均匀，在轻度变形条件下，粉冶钢的强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5～3倍；在大变形状态下（如锻件或轧制毛坯在直径方向的压下量达20～30mm），则粉冶钢与熔炼钢相比，强度和韧性分别提高30%～40%和80%～90%。

②这种钢的磨加工性很好，不会由于增加钒含量（为提高高速钢的耐磨性而加入）而降低磨加工性。含钒5%的粉冶钢的磨加工性相当于含钒2%的熔炼钢的磨加工性。粉冶钢的磨削效率比熔炼钢高2～3倍，磨削表面粗糙度可显著减小。

③由于粉冶钢物理力学性能的高度各向同性，可减少淬火时的变形（只及熔炼钢的1／2～1／3）。

④由于碳化物颗粒均匀分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故粉冶钢的耐磨性可提高20%～30%。

此外，粉冶钢热成形时具有高的合格率。这种方法还提供了在现有高速钢成分中加入大量碳化物（为增加钢的热稳定性和耐磨性而不使力学性能变坏），制成用旧方法无法生产的新钢种，和性能介于现有高速钢与硬质合金之间的新材料的可能性。

粉冶钢适于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀），也适于制造精密刀具和磨加工量大的复杂刀具，对于高压动载荷下使用的刀具（如断续切削刀具）以及小截面、薄刃刀具和成型刀具出可适用。

3）硬质合金

（1）硬质合金的特点。

硬质合金是由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（如Co、Ni等）经粉末冶金方法制成的。

由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89～93HRA，比高速钢的硬度（83～86.6HRA）高。在800～1000℃时尚能进行切削。在540℃时，硬质合金的硬度为82～87HRA，相当于高速钢的常温硬度，在760℃时仍能保持77～85HRA。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可提高4～10倍。

常用硬质合金的抗弯强度为0.9～1.5GPa，比高速钢的强度低得多，断裂韧度也较差（见表1－1）。因此。硬质合金刀具不能像高速钢刀具那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。

硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；粘结剂含量较高时，则抗弯强度较高，但硬度却较低。

硬质合金由于切削性能优良，因此被广泛用作刀具材料（有的国家使用量已达刀具材料总量的一半）。绝大多数的车刀和端铣刀都采用硬质合金制造；深孔钻、铰刀等刀具也广泛地采用了硬质合金；就连一些复杂刀具如拉刀、齿轮滚刀（特别是整体小模数硬质合金滚刀和加工淬硬齿面的滚刀）也都采用了硬质合金。硬质合金刀具还可用来加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。

（2）常用硬质合金的分类及性能。

目前主要应用的硬质合金有下列四类，表1－3为其化学成分及性能。

①WC－Co（YG）类硬质合金。这类合金是由WC和Co组成。我国生产的常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，含Co量分别为3%、6%、6%、8%，主要用于加工铸铁及有色金属。这类合金的硬度为89～91.5HRA，抗弯强度为1.1～1.5MPa。

YG类硬质合金有粗晶粒、中晶粒、细晶粒和超细晶粒之分。一般硬质合金（如YG6，YG8）均为中晶粒。细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X）在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，但抗弯强度和韧性则要低一些。细晶粒硬质合金适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜、硬的和耐磨的绝缘材料等。超细晶粒硬质合金的WC晶粒在0.2～1μm之间，大部分在0.5μm以下，由于硬质相和粘结相高度分散，增加了粘结面积，在适当增加钴含量的情况下，能在较高硬度时获得很高的抗弯强度，如表1－4中的YS2（YG10H）合金的抗弯强度达到2.2GPa。这类硬质合金特别适合于在较低切削速度（v≤5m／min）下工作，适于制造小尺寸刀具；可用以加工高强度、耐热合金等难加工材料。

②WC－TiC－Co（YT）类硬质合金。这类合金中的硬质相除WC外，还含有5%～30%TiC。常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30，TiC含量分别为5%、14%、15%和30%，相应的钴含量为10%、8%、6%和4%，主要用于加工钢料。这类合金的硬度为89.5～92.5HRA，抗弯强度为0.9～1.4GPa。随着合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。与YG类硬质合金比较，YT类合金的硬度提高了，但抗弯强度、特别是冲击韧度却显著降低了。例如，含Co量为6%的YT15与YG6比较，抗弯强度降低了0.3GPa，硬度则提高了1.5HRA。此外，YT类合金的导热性能、磨削性能及焊接性能均随TiC含量的增加而显著；因此，在焊接及刃磨时要注意防止过热而使刀片产生裂纹。

③WC－TiC－TaC（NbC）－Co（YW）类硬质合金型。这是在上述硬质合金成分中加入一定数量的TaC（NbC），常用牌号有YW1和YW2。在YT类硬质合金中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧度，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金既可用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢，因此常称为通用硬质合金。

④TiC（N）基硬质合金。TiC（N）基硬质合金是以下TiC为主要成分（有些加入了其他碳化物和氮化物）的TiC－Ni－Mo合金。TiC（N）基硬质合金的硬度很高（90～94HRA），达到了陶瓷的水平。这种合金有很高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲和力小，摩擦系数较小，抗粘结能力较强，因此刀具耐用度可比WC基硬质合金提高几倍。可用以加工钢，也可用以加工铸铁。总的来说，目前这类合金的抗弯强度和韧性还赶不上WC基合金，因此主要用于精加工和半精加工（国外也有一些粗加工的牌号），尤其是加工那些较大零件、要求表面粗糙小和尺寸精度较高的零件，效果特别好。由于这类合金的抗塑性变形能力和抗崩刃性能差，故不适于重切削及断结转切削。

为提高TiC基合金的性能，常加入一定量的TiN和TaN，有时还加入WC及其他元素而形成TiCN基硬质合金，其性能比TiC合金的性能更好，使用量日益增多。

（3）硬质合金的选用。

YG类硬质合金主要用于加大铸铁、有色金属及非金属材料。加工这类材料时，切屑呈崩碎块粒，对刀具冲击很大，切削力和切削热都集中在刀尖附近。YG类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性，可减少切削时的崩刀。同时，YG类合金的导热性也较好，有利于从刀尖传出切削热，降低刀尖温度。在从低速到中速范围内切削时，YG类硬质合金刀具耐用度比YT类合金高。然而，由于YG类合金的耐热性较YT类合金差，切铸铁时如果切削速度太高，则反不如YT类合金。此外由于YG类合金的磨加工性较好，可以磨出较锐的切削刃，因此适于加工有色金属和纤维层压材料。

YT类硬质合金适于加工钢料。加工钢料时，金属塑性变形很大，摩擦很剧烈，切削温度很高。YT类合金具有较高的硬度和耐磨性，特别是有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好，在加工钢时，刀具磨损较小，刀具耐用度较高。然而在低速切削钢料时，由于切削过程不太平稳，YT类合金的韧性较差，容易产生崩刃，这时反不如YG类合金。因此，在不允许高速切削钢料的情况下，例如在多轴自动机床上加工小直径棒料时，则宁可选用YG类合金。

硬质合金中含钴量增多（WC、TiC含量减少）时，其抗弯强度和冲击韧度增高（硬度及耐热性降低），适合于粗加工；含钴量减少（WC、TiC含量增加）时，其硬度、耐磨性及耐热性增加（强度及韧性降低），适合于作精加工用。

各种牌号的硬质合金的应用见表1－4。

表1－4　　　　　硬质合金的用途

续表

4）陶瓷刀具

陶瓷刀具的主要成分是Al₂O₃，陶瓷刀具的硬度高、耐磨性好、耐热性高（见表1－1），允许使用较高的切削速度，加工Al₂O₃的价格低廉、原料丰富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料性脆怕冲击，切削时易崩刃，所以如何提高其抗弯强度已成为各国研究的工作重点。近十年来，各国已先后研制成功“金属陶瓷”，如我国研制成的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高。

5）其他刀具材料

（1）人造金刚石。

人造金刚石硬度极高（10000HV），耐热性为700～800℃。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒主要制成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬合金、陶瓷、玻璃外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工铁族金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘结作用而加快刀具磨损。

（2）立方氮化硼（CBN）。

立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度（7300～9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学稳定性大大高于金刚石，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，不但适合于非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。

1.1.3　车刀的形状及几何角度

1.刀具切削部分的结构要素

金属切削刀具的种类虽然很多，但它们在切削部分的几何形状与参数方面却有着共性的内容，不论刀具构造如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀切削部分为基本形态的。如图1－3所示，各种复杂刀具或多齿刀具，拿出其中一个刀齿，它的几何形状都相当于一把车刀的刀头。

图1－3　各种刀具切削部分的形状

为此，在确立刀具一般性的基本定义时，我们以普通外圆车刀为基础。刀具切削部分构造要素及定义如下（见图1－4）：

图1－4　刀具切削部分的构造要素

前刀面（A_γ）——直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。

主后刀面（A_α）——同工件上的加工表面互相作用和相对着的刀面。

副后刀面（A′_α）——同工件上已加工表面互相作用和相对着的刀面。

主刃切削——前刀面与主后刀面的相交部位，它完成主要的切除或表面形成工作。

副刃切削——前刀面与副后刀面的相交部位，它配合主切削刃完成切除工作，并最终形成已加工表面。在某些情况下。如大进给量切削、宽刃精切等，副切削刃将完成主要的切除和成形工作。

刀尖——主切削刃和副切削刃的联结部位，或者是切削刃（刃段）之间转折的尖角部分。为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。

应该说明的是，每条切削刃都可以有自己的前刀面和后刀面，但为了设计、制造和刃磨简便，常常是多段切削刃在同一个公共前刀面上。图1－4（a）所示车刀具有公共前刀面；图1－4（b）所示不重磨刀片则分别有主前刀面和副前刀面。

2.刀具角度参考系

1）刀具切削角度的参考平面

刀具的切削角度，是刀具在同工件和切削运动相联系的状态下确定的角度，所以刀具的参考系（即坐标系）应该相对于合成切削速度向量v_e来说明。这是因为刃磨角度相同的刀具，在切削过程中，由于刀具与工件相对运动关系改变，切削条件也就随之改变的缘故。图1－5所示为三把相同的刀具，由于合成切削速度向量v_e的方向不同，后刀面与加工表面之间接触和摩擦的实际情况也有很大的不同：图（a）刀具同工件的两个接触表面之间有适宜的间隙，只在接近切削刃处发生摩擦；图（b）两个表面全面接触，摩擦严重，切削条件不正常；图（c）刀具的背棱顶在加工表面上，切削刃无法切入，后刀面严重挤刮，切削条件被破坏。在这些情况下，刀具上刃磨出来的角度已经不能说明问题了。可见，只有用加工表面作为参考平面，则后刀面与工件加工表面之间的夹角（后角）α_o的大小和正负，才能定量地反映上述实际情况。图1－5（a）中，＋α_o角，说明有适宜的间隙，α_o值越大，摩擦越小；图（b）中α_o＝0，说明没有间隙，摩擦很大；图（c）中，－α_o说明间隙是“负”的，即不但没有间隙，反而把切削刃顶起来使之丧失切削作用。这样确定的α_o，称之为切削角度。其他角度也是如此。

图1－5　刀具切削角度的示意图

由于大多数加表面都不是平面，而是空间的曲面，不便于直接用来作为参考平面，因此，需通过切削刃上某一选定点，做工件加工表面的切削平面和法平面，以构成刀具角度的参考系，它们的定义如下：

（1）切削平面。通过切削刃上某一选定点，切于工件加工表面的平面，也就是合成切削速度向量v_e与切削刃的切线组成的平面。

（2）基面。通过切削刃上某一选定点，垂直于合成切削速度向量v_e的平面。

显然，切削平面与基面互相垂直。图1－6所示为横车时的基面和切削平面，它们分别是相对运动轨迹面（加工表面为阿基米德螺旋面）的法平面和切削平面。

图1－6　横车的基面和切削平面

2）刀具标注角度的参考系

刀具的标注角度是画刀具图及磨刀时掌握的角度，该角度是假定条件下的切削角度，即在切削角度的基础上，合理地规定一些条件，使上述的参考平面同刀具的刃磨和检验的基准面一致，以便于刀具的设计与制造。

（1）假定运动条件。各类刀具的标注角度均暂不考虑进给运动的大小，即用主运动向量v近似地代替切削刃同工件之间相对运动的合成速度向量v_e。

（2）假定安装条件。规定刀具的刃磨和安装基准面垂直于切削平面或平行于基面，同时规定刀杆的中心线同进给运动方向垂直。例如，对于车刀来说，规定其刀尖安装于工件中心高度上，刀杆中心线垂直于进给方向；对于刨（插）刀来说，规定刀杆底面垂直于切削平面（基面）。

目前，世界各国采用的刀具标注角度参考系和基本术语尚不统一。我国过去采用主剖面参考系，与欧洲标准相同。但近年来参照ISO标准，逐渐兼用主剖面参考系和法剖面参考系。表1－5和图1－7给出了这两种参考系的基本术语、定义及符号。

表1－5　　　　　　刀具标注角度的参考系（通过切削刃上某一选定点）

需要说明的是，这两个参考系主要的区别是刀具的剖面不同：主剖面P_o是垂直于切削刃在基面上的投影的平面，因此主剖面参考系内三个参考平面互相垂直，构成一个空间直角坐标系；而法剖面Pn因垂直于切削刃，故法剖面不一定垂直于基面。

除上述两个参考系外，在设计、计算刀具时，还要用到刀具纵（横）剖面参考系。图1－8为外圆车刀，基面P_r平行于刀杆底面；Pp平行于车杆轴线并垂直于P_r面的纵向剖面；P_f为垂直于刀杆轴线并垂直于基面的横向剖面。

图1－7　刀具标注角度的参考系

图1－8　纵（横）剖面参考系

由于两个相交平面的夹角在不同的剖面内测量，所得的数值是不同的，故上述各参考系之间有一定换算关系。图1－9画出了上述各参考系中所有重叠的和不重叠的参考平面。刀具的标注角度就在这些平面的视图或剖面中观察和度量。

图1－9　各参考系的参考平面

3.刀具的标注角度

图1－10所示为ISO 3002／1—1977规定的车刀标注角度。其主要视图是车刀在基面上的投影图（即Pr视图）；另一视图为车刀在切削平面上的投影图（即Ps斜视图）。在P_r视图中作出主剖面Po，可得主剖面的剖视图（O—O剖视图）；在Ps视图中作垂直于主切削刃的剖面Pn，可得法剖面的剖视图（N—N剖视图）。初学者应该先搞清这两个视图和两个剖视图，把基本角度弄明白，再去观察左方和上方两个纵、横剖面内的剖视图。

图1－10　车刀的标注角度

现将各参考系内的刀具角度名称和定义说明如下：

1）主剖面参考系

在主剖面Po内测量的角度有：

（1）前角γ_o：前刀面与基面之间的夹角。

（2）后角α_o：后刀面与切削平面之间的夹角。

（3）楔角βo：前刀面与后刀面之间的夹角。

由上列定义可知：

γ_o＋βo＋α_o＝90°　　βo＝90°－（α_o＋γ_o）

在基面上的投影上测量出的角度有：

（4）主偏角κ_r：主切削刃与进给方向在基面上投影间所夹的角度。

（5）副偏角κ′_r：副切削刃与进给方向在基面上投影间所夹的角度。

（6）刀尖角ε_r：主切削刃与副切削刃在基面上投影间的夹角。

ε_r＝180°－（κ_r＋κ′_r）　　　（1－1）

（7）余偏角ψr：主切削刃与进给方向的垂线在基面上投影之间的夹角。

ψr＝90°－κ_r　　　　　　　　　　（1－2）

在切削平面内测量的角度有：

（8）刃倾角λ_s：主切削刃与基面的夹角。

上述八个角度中，βo、ψr和ε_r是派生角度，故基本角度只有五个，即主切削刃的γ_o、α_o、κ_r、λ_s和副切削刃的κ′_r——这些基本角度的名称、称号和定义应该记熟。

2）法剖面参考系

法剖面参考系中，同样有八个角度，即法前角γ_n、法后角α_n、法楔角βn、主偏角κ_r、副偏角κ′_r、刀尖角ε_r、余偏角ψr和刃倾角λ_s，其中主切削刃的γ_n、α_n、κ_r、λ_s和副切削刃的κ′_r是基本角度。而βn＝90°－（γ_n＋α_n）；ε_r＝180°－（κ_r＋κ′_r）；ψr＝90°－κ_r均为派生角度。

3）纵（横）剖面参考系

在纵（横）剖面参考系中，由于主切削刃某一选定点上有Pp和P_f两个剖面，故有纵向前角γ_p、纵向后角α_p、纵向楔角βp和横向前角γ、横向后角α_f、横向楔角βf两套角度，加上Pr视图和Ps斜视图中的角度，共有十一个角度，它们之中基本角度同派生角度的关系与上述两个参考系相同。

由上述可知，图1－10所汇款单的ISO标准中三个参考系内共有十七个角度。把这些角度及其所在的参考平面进行归类列于表1－6。由表可以看出，ISO规定的刀具角度并不很复杂；车刀的基本角度只有五种，即前角、后角、刃倾角、主偏角和副偏角，而一条主切削刃上只有四个基本角度（γ、α、λ_s、κ_r）。

4.刀具工作角度的计算

以上所讲的都是在假定运动条件和安装条件下的标注角度，如果考虑合成运动和实际安装情形，则刀具的参考系将发生变化。按照切削工作中的参考系所确定的角度，称为工作角度。如果进一步考虑切削过程中的积屑瘤、振动及流屑方向的影响而确定的刀具角度，称为实际切削角度。

由于通常的进给速度远小于主运动速度，因此，在一般的安装条件下，刀具的工作角度近似地等于标注角度（不超过1°）。这样，在多数场合下（如普通车削、镗孔、端铣、周铣等），都不必进行工作角度的计算。只有在角度变化值较大时（如车螺纹或丝杠，铲背，钻孔时研究钻心附近的切削条件或刀具安装特殊时），才需要计算工作角度。

1）进给运动对角度的影响

（1）横车。

以切断车刀为例（见图1－11），在不考虑进给运动时，车刀切削刃某一选定点相对于工件的运动轨迹为一圆周，切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面，基面Pr平行于刀杆底面，γ_o、α_o为标注前角和后角。考虑横向进给运动之后，切削刃上选定相对于工件的运动轨迹为一阿基米德螺旋线，切削平面变化为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse，基面也相应倾斜为P_re，角度变化值为μ。主剖面Poe仍为图面。此时，在工作参考系［Pre，Pse，Poe］内的工作角度γ_oe和α_oe为

γ_oe＝γ_o＋μ

α_oe＝α_o－μ

图1－11　横向进给运动对工作角度的影响

由图1－20可知：

工件每转一转（2π），刀具进给量为f；则工件每转一个微分的dθ角度时，刀具横向移动为dρ，则有

故　　　　　　　　　

式中，d＝2ρ，说明μ值是随着切削刃趋近工件中心而增大；在常用进给量下当切削刃距离工件中心1mm时，μ＝1°40′；再靠近中心，μ值急剧增大，工作后角变为负值。切断工件时剩下直径1mm左右就被挤断，就是这个道理。在铲背加工时，μ值很大，不可忽略。

（2）纵车。

道理同上，也是由于工作中基面和切削平面变化，引起了工作角度的变化。如图1－12所示，拟定车刀λ_s＝0，在不考虑进给运动时，切削平面Ps垂直于刀杆底面，基面P_r平行于刀杆底面，标注角度为γ_o、α_o；考虑进给运动后，切削平面Pse为切于螺旋面的平面，刀具工作角度的参考系［P_re，Pse］倾斜了一个μ角，则主剖面内的工作角度为

γ_oe＝γ_o＋μ

α_oe＝α_o－μ