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金属切削刀具
Cutting tools

一. 切削运动与切削要素

• 金属切削加工——利用刀具切除被加工零件多余的材料，形成已加工表面的一种方法。它是机械加工的一种必备工具，可以这样讲：没有金属切削刀具，就没有机加工，也就没有机械这门学科。

• 金属切削加工的目的—— 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。
• 两个基本条件 —— 1. 刀具的切削运动
2．刀具本身的机械性能
• 标准刀具的概念：
• ——指专业工厂按国际或部标生产的刀具。
• 如可转位车刀、麻花钻、铰刀、铣刀、丝锥、板牙、插齿刀、齿轮滚刀、拉刀等等。

• 一 切削运动与切削要素
现在我们以普通车床用的车刀为例讲述一下：刀具的一些基本概念。

A．切削主运动
1． 刀具与工件之间主要的相对运动
2． 使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料
3． 使被切削层转变为切屑，从而形成工件的新表面。
4． 切削运动中，主运动速度最高，消耗功率最大
5． 主运动方向——切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向
6． 切削速度vc——切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度
B．进给运动
• 刀具与工件之间附加的相对运动
• 配合主运动依次地或连续不断地切除切屑
• 可由刀具完成——车削、工件完成——铣削
• 可以是间歇的——刨削、连续的——车削
• 进给运动方向——切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。
• 进给速度vf——切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度
• 刨削：主运动——刨刀的直线运动
• 进给运动——工件移动
• 钻削：主运动——钻头旋转
• 进给运动——钻头轴向移动
• 插齿：主运动——插齿刀上下运动
• 进给运动——工件分度运动等
• 车外圆：主运动——工件高速旋转
• 进给运动——车刀轴向运动
• 磨外圆：主运动——砂轮旋转
进给运动——工件转动，砂轮轴向移动
• 铣平面：主运动——铣刀旋转
进给运动——工件移动
• 镗孔：主运动——刀具旋转（绕工件轴线）
进给运动——刀具径向移动
C．合成切削运动
• 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。

下面我们以车床切削为例介绍一下：
车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。
• ( 1)待加工表面——工件上有待切除的表面
• (2)已加工表面——经刀具切削后产生的新表面
• (3)过渡表面(或称切削表面) ——切削刃正在切削的表面

二 刀具切削部分的几何参数

切削要素：
切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。

1.切削用量要素
1）切削速度
• 指主运动的线速度，以车削为例：（m/min）

• n——工件或刀具的转速，[n]为r／min
• d——工件或刀具观察点的旋转直径，[d]为mm
一般取dw
2）进给量
• ——指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量
• 主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／r
• 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／双行程或mm／单行程
• 对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mm／z或mm／齿，它与进给量f的关系为 f=zfz
• 进给量是进给运动的单位量。车削时进给量f是取工件每旋转一周的时间内，工件与刀具相对位移量 （mm/min）

vf——进给运动速度
多齿刀具有每齿进给量（例如拉刀，齿轮滚刀等）

3）吃刀量
• 工件待加工表面与加工表面之间的垂直距离
• 在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测 量的吃刀量
• 一般称为切削深度，单位为mm；

dw――待加工表面直径
dm――已加工表面直径
4）切削时间
• 切削时间是反映切削效率高低的一种指标
• 车外圆时切削时间tm可由下式计算
L——刀具行程长度
A——半长方向加工余量

• 提高切削用理ap、f、Vf中任何一个要素，都可缩短切削时间，提高生产效率。
5)金属切除率
• 在金属切削过程中，切削用量三要素选配的大小，将影响切削效率的高低，通常用三要素的乘积作为衡量指标，称为材料切除率
• ——每分钟切下工件材料的体积
是衡量切削效率高低的另一种指标

单位（mm3/min）
二．切削层参数
• 切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属
• 切削层参数——基面中测量的切削层长度、宽度和面积。
• 它们与切削用量f、ap 有关

• (1)切削层公称厚度hD——垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。
• (2)切削层公称宽度bD——平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。
• (3)切削层公称横截面积A D——在切削层参数平面内度量的横截面积。

二、刀具切削部分的几何参数
A．刀具的组成部分
• 刀面
• 刀头--切削部分 刀刃
• 刀尖
• 刀杆--用于装夹
• 前刀面Ar ——切屑流出时经过的刀面
• 后刀面Aa ——与加工表面相对的刀面
• 副后刀面A’a ——与已加工表面相对的刀面
•

2.切削刃口
主切削忍S Ar与Aa的交线
副切削忍S “ Ar与Aa“的交线
主、副切削刃汇交的一小段切削刃称刀尖。

二．刀具的角度
标注坐标系--静态参考系--刀具角度
它是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。
工作坐标系--动态参考系--工作角度
它是确定刀具切削运动中角度的基准。
刀具标注系坐标平面是以刀具结构为基础，以刀具的安装定位面及假定的切削运动方向建立起来的坐标平面。

1.基面Pr 刃磨测量的定位基准
通过切削刃某选定点х，平行于车刀底面的平面。或为通过切削刃某选定点，包含刀具轴线的平面。
2.切削平面PS
通过切削刃某选定点х，与切削刃相切，且垂直于基面的平面。
3.主剖面PO
主剖面是通过切削刃某选定点х，同时垂直于基面与切削平面的平面

刀具角度的定义
• 主偏角 Kr ：基面中测量的主切削刃与进给运动方向间夹角。
• 刃倾角 λs：切削平面中测量的切削刃与基面间夹角。
• 前角 γ0 ：主剖面中测量的前刀面与切削平面间的夹角。
• 后角 α0 ：主剖面中测量的后刀面与切削平面间的夹角。

三 金属切削基本理论
• 金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。
• 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等
（一） 切削变形
金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：塑性金属受压缩时，随着外力增加，金属先后产生弹性变形、塑性变性，并使金属晶格产生滑移，而后断裂。（实质）
以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后产生了塑性变性。

第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区；
第Ⅲ变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。

（二） 切屑的形成过程中变形特点
1． 切屑的形成过程
切削层受刀具的作用，经过第Ⅰ变形区的塑性变形后形成了切屑
切削层在法向力Fn和摩擦力Ff组成的合力Fr作用下，使近切削刃处的金属产生弹性变形、塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。（剪应力达到屈服强度）
三）切屑的类型
根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同，通常将切屑分为以下四类：
1）、带状切屑
外形连续不断呈带状。切削塑性金属材料，例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时常出现这类切屑。
（2）、节状切屑
外形也呈带状，但在切屑上与前刀接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。切削黄铜或低速、较大走刀切钢易得到这类切屑。
（3）、单元切屑
切下切屑断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很低速度、大走刀切削钢可得到这类切屑。
（4）、崩碎切屑
在切削脆性金属时，例如铸铁、黄铜等材料，得到的是呈不规则的细粒状切屑。

四．刀具的分类
• (1)切刀 包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等．
• (2)孔加工刀具 包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具(如钻-铰复合刀具)等。
(3)拉刀 包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀)等。
• (4)铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片钝刀等；加工特形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成形铣刀等。
• (5)螺纹刀具 包括螺纹车刀、丝锥、板牙、搓丝板等。
• (6)齿轮刀具 包括齿轮滚刀，蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。
• (7)磨具 包括砂轮、砂带、砂瓦、油石和抛光轮等。
• (8)其它刀具 包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。

• 单刃(单齿)刀具和多刃(多齿)刀具；
• 标准刀具(如麻花钻、铣刀、丝锥等)和非标准刀具(如拉刀、成形刀具等)；
• 定尺寸刀具(如扩孔钻、铰刀等)和非定尺寸刀具(如外圆车刀、直刨刀等)；
• 整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具等
• 形状、结构和功能各不相同的各种刀具都有功能相同的组成部分
• 工作部分和夹持部分
工作部分承担切削加工，夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置．

接下来介绍几种比较有代表性的刀具。
A）齿轮刀具：
1. 盘形和指形齿轮铣刀

2.展成齿轮刀具

这类刀具切削刃的廓形不同于被切齿轮任何剖面的槽形。切齿时除主运动外，还需有刀具与齿坯的相对啮合运动，称展成运动。工件齿形是由刀具齿形在展成运动中的若干位包络切削形成的。用这类刀具加工齿轮时，刀具本身好像也是一个齿轮，它和被加工的齿轮各自按啮合关系要求的速比转动，而由刀具齿形包络出齿轮的齿形。这类刀具中有齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、加工非渐开线齿形的各种滚刀、蜗轮刀具和锥齿轮刀具等。

a） 齿轮滚刀
齿轮滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理，用展成法切削齿轮毛坯的一种刀具，齿轮滚刀相当于小齿轮，被切齿轮相当于一个大齿轮。滚刀是一个螺旋角β0很大而螺纹头数很少（1～3个齿），齿很长，并能绕滚刀分度圆柱很多圈的螺旋齿轮，这样就象螺旋升角γz很小的蜗杆了。为了形成刀刃，在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽，以形成前面及前角；经铲齿和铲磨，形成后刀面及后角。

b）插齿刀
i盘形直齿插齿刀，主要用于加工外齿轮和大直径的内齿轮。
ii碗形直齿插齿刀，主要用于加工多联齿轮和某些内齿轮（尺寸较小的齿轮）。
Iii 锥柄直齿插齿刀 ，主要用于加工内齿轮 。

C）剃齿刀
剃齿刀的齿面上开有许多形成切削刃的窄槽，按螺旋齿轮啮合原理加工工件的齿轮形齿轮加工刀具。在加工时，刀具从齿轮的齿面上切下胡须状的细切屑，故称剃齿刀。剃齿刀用于在滚齿、插齿（见齿轮加工）后对轮齿进行精加工。剃齿刀可以加工直齿和斜齿的内、外圆柱齿轮，生产效率高、加工表面光洁。

B)麻花钻的结构
v 装夹部分：是钻头的尾部，用于与机床联接，并传递扭矩和轴向力。按麻花钻直径的大小，分为直柄（直径<12mm）和锥柄（直径>12mm）两种。
v 颈部：是工作部分和尾部间的过渡部分，供磨削时砂轮退刀和打印标记用。直柄钻头没有颈部。
v 工作部分：是钻头的主要部分，前端为切削部分，承担主要的切削工作；后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。

（一）钻头工作部分
有两条对称的螺旋槽，是容屑和排屑的通道。
导向部分磨有两条棱边，为了减少与加工孔壁的摩擦，棱边直径磨有(0.03～0.12)／100的倒锥量(即直径由切削部分顶端向尾部逐渐减小)，从而形成了副偏角κ'r。

麻花钻的两个主切削刃由钻芯连接，为了增加钻头的强度和刚度，钻芯制成正锥体（锥度为（1.4－2）/100）。

前刀面 ： 螺旋槽的螺旋面。
主后刀面: 与工件过渡表面(孔底)相对的端部两曲面。
副后刀面 : 与工件已加工表面(孔壁)相对的两条棱边。
主切削刃: 螺旋槽与主后刀面的两条交线。
副切削刃: 棱边与螺旋槽的两条交线。
横刃: 两后刀面在钻心处的交线。

C) 拉刀
用于拉削的成形刀具。刀具表面上有多排刀齿，各排刀齿的尺寸和形状从切入端至切出端依次增加和变化。当拉刀作拉削运动时，每个刀齿就从工件上切下一定厚度的金属，最终得到所要求的尺寸和形状。拉刀常用于成批和大量生产中加工圆孔、花键孔、键槽、平面和成形表面等,生产率很高。拉刀按加工表面部位的不同，分为内拉刀和外拉刀；按工作时受力方式的不同，分为拉刀和推刀。推刀常用于校准热处理后的型孔。
　拉刀的种类虽多，但结构组成都类似。如普通圆孔拉刀的结构组成为：柄部,用以夹持拉刀和传递动力;颈部，起连接作用；过渡锥，将拉刀前导部引入工件；前导部，起引导作用，防止拉刀歪斜；切削齿，完成切削工作，由粗切齿和精切齿组成；校准齿，起修光和校准作用，并作为精切齿的后备齿；后导部，用于支承工件，防止刀齿切离前因工件下垂而损坏加工表面和刀齿；后托柄，承托拉刀。

D)丝锥、板牙
一．丝锥的结构

1、丝锥的几何角度
1）丝锥的几何角度主要有前角、后角
2）丝锥前角的大小视加工材料性质而定：
加工钢材时，可取前角 γp =5°～13°；
加工铝合金时， γp =12°～14°；
加工铸铁时， γp =2°～4°；

2、容屑槽数目
丝锥的容屑槽数 Z 就是每一圈螺纹上的刀齿数。
槽数少，则容屑空间增大，切屑不易堵塞，刀齿强度也高，且每齿切削厚度大，单位切削力和切削扭矩减小。

二．板牙
板牙外形象一个圆螺母，只是沿轴向钻有3～8个排屑孔以形成切削刃，并在两端做有切削锥部，用于加工圆柱螺纹。
而加工锥形螺纹的圆板牙只做一个切削锥部。
板牙的结构（如下图所示）
由于板牙结构简单，使用方便，价格低廉。圆板牙的螺纹廓形是内表面，难以磨削，热处理产生的变形等缺陷无法消除，影响被加工螺纹质量和板牙的寿命。
在单件、小批量生产及修配中应用仍很广泛。但仅用来加工精度6h～8h和表面质量要求不高的螺纹。

五．刀具材料及合理选用
刀具材料是指刀具切削部分的材料。合理选择刀具材料影响到：
（1）切削加工生产率
（2）刀具耐用度
（3）刀具消耗和加工成本
（4）加工精度和表面质量
刀具切削部分承受较大的（1）切削压力（2）切削温度（3）剧烈摩擦（4）冲击振动，
因此刀具材料应具备以下性能：
1、高硬度：刀具材料硬度要高于被加工材料的硬度，切削刃的硬度一般在HRC60以上。
2、高耐磨性：抗磨损能力，硬度，耐磨性，金相组织中硬质点（氮化物，碳化物）的硬度高，耐磨性好，硬质点数量多，颗粒越小，分布均匀，则耐磨性越好
3、足够的强度与韧性：抗冲击，承受各种应力而不崩刃、折断。与硬度、耐磨性相矛盾。
4、高的耐热性与化学稳定性：
耐热性：高温下保持材料硬度、强度、韧性（红硬性），红硬性越好，切削速度越高。化学稳定性：（热稳定性）：高温下抗氧化，不与工件材料和介质发生化学反应，（抗氧化、粘结、扩散）刀具磨损慢，表面质量好。
5、良好的工艺性：便于刀具制造，（1）
锻造性能（2）热处理性能（3）高温塑
性变形（4）容削加工性能（5）焊接性能
6、经济性：（1）刀具材料发展结合本国资
源，资源丰富，则成本极低（2）有的刀
具材料（超硬刀具材料）虽然单件成本贵，
但寿命长，分摊到每个零件的成本不一定
高，要注重经济效益。
7、切削加工性能的可预测性：
为适应切削加工自动化和柔性制造系统的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等具有良好的可预测性。
刀具材料类型：
工具钢（高速钢）
硬质合金
陶瓷
超硬材料
• 具体的刀具材料有——
• 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
• 碳素工具钢(如T10A、T12A)及合金工具钢(如9SiCr、CrWMn)，因耐热性较差——通常仅用于手工工具和切削速度较低的刀具
• 高速钢和硬质合金 ——最广泛使用
• 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。
• 别名：
• （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可得到高硬度。
• （锋钢）刃容锋利。
• （白钢）磨光后，表面光亮。
高速钢的特点：
1、较高的热稳定性：切削温度高达500-
650℃，与碳素工具钢，合金工具钢相比，
切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍，
可加工有色金属至高温合金（范围广）。
2、高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2-
3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几
十倍。
3、一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好，
适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚
性较差的机床上加工。
4、刀具制造工艺简单：能锻造，制作形状复
杂刀具，大型成型刀具（这一点极为重要）
如钻头、丝锥、成型刀具、拉刀、齿轮刀具。
5、材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。
因此，尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。
高速钢分：普通高速钢（通用型）、高性能高速钢和粉末冶金高速钢）
高性能高速钢：再加入一些合金、性能高。
粉末冶金高速钢：制造工艺不同，性能高。
普通高速钢：分钨钢，钨钼钢两类，V不高于40-60%。
1、钨钢：W18Cr4V（18—4—1）此牌号国内普
遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制
较方便，国外钨价高，很少使用。
简称：W18、18%、4% Cr、1%V
综合性能好，600℃，HRC48.5，用以制造各
种复杂刀具。
优点：（1）淬火时过热倾向小。
（2）含钒少，磨加工性好。
（3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大。
缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物
颗粒大（最大30μm），影响薄
刃刀具或小截面刀具的耐用度。
（2）强度和韧性，显得不够，此材料
30mm，抗弯强度3~3.5Gρa
60~80mm，抗弯强度2~2.3Gρa
适宜做小截面刀具，此时强度，
韧性才是满意的。
（3）热塑性差，很难用作热成形法制
造的刀具（如热轧钻头）。
2、钨钼钢 W6M05Cr4V2（6—5—4—2）
为缺钨而产生
优点：（1）合金元素少，减少了碳化物数量
及分布不均匀性，有利于提高高温塑
性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比
W18高10~15%，韧性高50~60%。
（2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承
受冲击力较大的刀具。
缺点：淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性
大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）
• 常用的通用型高速钢牌号——W6Mo5Cr4V2 W18Cr4V
• 高速钢刀具制造工艺较简单，刀刃锋利
• 适用于制造各种形状复杂刀具(如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)

二、硬质合金的分类，使用性能
ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类：
P类：用于加工长切屑的黑色金属，相当于
我国的YT类。
K类：用于加工短切屑的黑色金属，有色金
属和非金属材料 YG类。
M类：用于加工长或短切屑的黑色金属和有
色金属 YW类
使用性能：
• 硬度可达89~93HRA（74-82HRC）
• 切削温度达800~1000℃
• 切削速度可达100~300m／min
• 韧性差，抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷

三、陶瓷
陶瓷刀是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。
一、常用陶瓷
（1）纯AL2O3陶瓷
（2）AL2O3—TiC混和陶瓷
1）脆性大，强度、韧性低，为硬质合金的
1/2~1/3，不能承受冲击负荷，崩刃、破
损。
（2）导热率低，1/2~1/5，不宜温度波动，不能用切削液。
应用范围：
1、高速切削
2、加工硬材料（硬铸铁、淬硬钢）
3、大件、高精件加工
4、车削、铣削
例：Si3N4氮化硅基陶瓷，硬度仅次于金刚石、立方氮化硼，作为连续切削用的刀具材料，今后将很有发展前途。
超硬材料： 金刚石和立方氮化硼

立方氮化硼和金刚石主要用作制作砂轮的主要原材料，其实砂轮是由结合剂和磨料（即立方氮化硼）共同粘结而成的，它是一个多孔体。

（2）粒度
  粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。粒度分为磨粒和微粉两类。对于颗粒尺寸大于 40 μ m的磨料，称为磨粒。用筛选法分级，粒度号以磨粒通过的筛网上每英寸长度内的孔眼数来表示。如60 # 的磨粒表示其大小刚好能通过每英寸长度上有60孔眼的筛网。对于颗粒尺寸小于40 μ m的磨料，称为微粉。用显微测量法分级，用W和后面的数字表示粒度号，其W后的数值代表微粉的实际尺寸。如W20表示微粉的实际尺寸为20 μ m。
     砂轮的力度对磨削表面的粗糙度和磨削效率影响很大。磨粒粗，磨削深度大，生产率高，但表面粗糙度值大。反之，则磨削深度均匀，表面粗糙度值小。所以粗磨时，一般选粗粒度，精磨时选细粒度。磨软金属时，多选用粗磨粒，磨削脆而硬材料时，则选用较细的磨粒。粒度的选用见下表 。
磨料粒度的选用

（3）结合剂
     结合剂是把磨粒粘结在一起组成磨具的材料。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性极耐腐蚀性，主要取决于结合剂的种类和性质。常用结合剂的种类、性能及适用范围见表

结合剂的种类、性能及适用范围

(4）形状与尺寸
砂轮的形状和尺寸是根据磨床类型、加工方法及工件的加工要求来确定的。常用砂轮名称、形状简图、代号和主要用途见表 。
常用砂轮形状、代号和用途

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