考点8 刀具材料与几何角度《金属加工与实训》四川省（对口招生）智能制造类 知识点讲解

四川省智能制造类对口高考复习讲义 《金加工与实训》 考点8 刀具材料与几何角度 ■考纲要求 1.了解常用刀具材料及其应用特点。 2.能针对常见加工材料及条件进行刀具材料选择。 3.理解车刀的主要角度及其作用。 ■知识网络 一、知识树 刀具材料及几何角度知识树，见图3-8-1和3-8-2所示。 图3-8-1 刀具材料思维图 图3-8-2 车刀组成及几何角度思维图 二、重点知识梳理 （一）刀具材料与几何角度相关术语 刀具材料与几何角度相关概念及术语见表3-8-1所示。 表3-8-1 刀具材料与几何角度相关概念及术语汇总表 序号 名称 概念 1 热硬性 指刀具在高温下保持其高硬度和高耐磨性的能力。 2 化学稳定性 指刀具在切削过程中不发生黏结磨损及高温扩散磨损的能力。 3 车刀 是用于车削加工的、具有一个切削部分的刀具。是切削加工中应用最广的刀具之一，由切削部分和夹持部分组成，重点研究切削部分。 4 前（刀）面 刀具上切屑流过的表面。 5 后（刀）面 刀具上与过渡表面相对的表面或刀具上与前面相交形成主切削刃的表面。 6 副后（刀）面 刀具上与已加工表面相对的表面或刀具上与前面相交形成副切削刃的表面。 7 主切削刃 前面与后面相交的切削刃。 8 副切削刃 前面与副后面相交的切削刃。 9 刀尖 主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。 10 基面 通过切削刃某选定点并垂直于假定主运动方向的平面。 通过切削刃选定点的平面，它平行（或垂直）于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面。 11 切削平面 通过主切削刃某选定点，与该切削刃相切并垂直于基面的平面。 12 正交平面 通过主切削刃某选定点并同时垂直于基面和主切削平面的平面。 13 副切削平面 通过副切削刃某选定点，与该切削刃相切并垂直于基面的平面。 14 副正交平面 通过副切削刃某选定点并同时垂直于基面和副切削平面的平面。 15 法平面 通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。 16 假定工作平面 通过切削刃选定点并垂直于基面，平行（或垂直）于刀具在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个平面。 17 背平面 通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。 18 前角 在正交平面中测量，由前面与基面构成的夹角。 19 后角 在正交平面中测量，由后面与切削平面构成的夹角。 20 楔角 在正交平面中测量，由前面与后面构成的夹角。 21 切削角 在正交平面中测量，由前面与切削平面构成的夹角。 22 副前角 在副正交平面中测量，由前面与基面构成的夹角。 23 副后角 在副正交平面中测量，由副后面与副切削平面之间构成的夹角。 24 主偏角 在基面中测量，由主切削刃在基面上的投影与进给方向之间构成的夹角。 25 副偏角 在基面中测量，由副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间构成的夹角。 26 刀尖角 在基面中测量，由主切削刃与副切削刃在基面上的投影所构成的夹角。 27 刃倾角 在切削平面中测量，由主切削刃与基面之间构成的夹角。 （二）刀具材料 切削刀具一般由刀柄与刀头两部分组成。 刀柄用于夹持切削刀具又称夹持部分，在切削加工中刀头直接担负切削任务，所以，刀头又称为切削部分。 刀头材料必须选用具备某些特殊性能的材料制作，而刀柄材料一般使用具有足够强度和刚度的普通钢材即可。通常所说的切削刀具材料实际上是指刀头部分。 1.刀具材料应具备的基本性能 切削加工过程中，由于刀头部分受到高温、高压和强烈摩擦的作用，所以刀具材料必须具备以下基本性能。 （1）高硬度和高耐磨性。刀具材料的硬度要大于被切削材料的硬度，常温下要求达到60-65HRC，并能达到足够的切削时间。 （2）高热硬性。是指刀具在高温下保持其高硬度和高耐磨性的能力。 （3）较好的化学稳定性。指刀具在切削过程中不发生黏结磨损及高温扩散磨损的能力。 （4）足够的强度和韧性。能够承受冲击和振动而不被破坏。 （5）其他性能。热塑性、磨削加工性、焊接性、热处理工艺性等，以便加工和制造。 2.常用刀具材料 （1）碳素工具钢。碳素工具钢主要用于制作手工用切削刀具及低速切削刀具，如手工用铰刀、丝锥、板牙等，不宜用来制造形状复杂的刀具。常用的碳素工具钢有T10钢或T10A钢、T12钢或12A钢等。 （2）合金工具钢。合金工具钢多用来制造形状比较复杂，要求淬火后变形小的切削刀具，如冷剪切刀、板牙、丝锥、铰刀、搓丝板、拉刀等。常用的合金工具钢有9SiCr钢、CrWMn钢、Cr12MoVA钢等。 （3）高速钢。高速钢适用于制作切削速度较高的精加工切削刀具和各种复杂形状的切削刀具，如车刀、铣刀、麻花钻头、齿轮刀具、拉刀、铰刀、宽刃精刨刀等。常用高速钢有W18Cr4V钢和W6Mo5Cr4V2钢。 （4）硬质合金。热硬性温度可达800～100°C，具有很高的硬度，允许的切削速度为高速钢的4-10倍，但韧性较差，怕振动和冲击，成形加工困难。主要用于高速切削和要求耐磨性很高的切削刀具，如车刀、铣刀等。 （5）氮化硅陶瓷。为了可节约W、Co、Ta和Nb等贵金属，替代硬质合金。与硬质合金相比，氮化硅陶瓷刀具脆性较大、强度较低，在切削过程中适合于选用较小的进给量和尽可能高的切削速度。氮化硅陶瓷主要用于制作各种车刀、铣刀和刨刀等。 （6）人造金刚石。人造金刚石主要用于制作各种车刀、镗刀、铣刀的刀片，用于加工非铁金属及非金属材料，如铝合金、铜合金、陶瓷、合成纤维、塑料、橡胶等。 （三）车刀的组成 车刀是最具有代表性的见图3-8-3所示，它是最简单也是最常用的切削刀具，其它刀具都可看作是车刀的演变和组合。 图3-8-3 外圆车刀组成示意图 1.车刀切削部分的组成 外圆车刀切削部分由三个刀面、两个切削刃和一个刀尖组成，简称三面、两刃、一尖。 （1）前面。切削刀具上切屑流过的表面称为前面。 （2）后面。与工件上切削中产生的过渡表面相对的表面，称为后面，又称后刀面。 （3）副后面。切削刀具上同前面相交形成副切削刃的后面称为副后面。 （4）主切削刃。前面与后面的交线称为主切削刃。 （5）副切削刃。前面与副后面的交线称为副切削刃。 （6）刀尖。主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃，称为刀尖。 2.辅助平面 为确定车刀各刀面及切削刃在空间位置，需选定一些基准坐标平面（静止参考系）作为基准，见图3-8-4所示。 （1）基面：通过切削刃某选定点并垂直于假定主运动方向的平面。 （2）切削平面：通过切削刃某选定点，与该切削刃相切并垂直于基面的平面。因刀具有主、副切削刃之分，所以切削平面也分为主、副切削平面。 （3）正交平面：通过切削刃某选定点并同时垂直于基面和主切削平面的平面。此外，通过副切削刃某选定点并同时垂直于基面和副切削平面的平面为副正交平面。 图3-8-4 辅助平面在空间的位置及关系 （四）车刀几何角度 1.前角γ0。在正交平面中测量，由前面与基面构成的夹角，称为前角。前角有正、负和零之分，增大前角，切削刀具锋利，切削轻快，如果前角太大，则切削刀具强度降低。 2.后角α0。在正交平面中测量，由后面与切削平面构成的夹角，称为后角。它表示后面的倾斜程度。后角增大，可减小刀具后面与工件之间的摩擦，如果后角太大，则刀刃强度降低。 3.楔角β0。在正交平面中测量，由前面与后面构成的夹角，称为楔角。它是在车刀上可以用手摸到的部分，属于车刀的实体部分。 4.副后角α0′。在副正交平面中测量，由副后面与副切削平面之间构成的夹角，称为副后角。它表示副后面的倾斜程度。 图3-8-5 45°弯头外圆车刀的十个角度示意图 5.主偏角κr。在基面中测量，由主切削刃在基面上的投影与进给方向之间构成的夹角，称为主偏角。增大主偏角使进给力加大，有利于消除振动，但刀具磨损加大，散热条件变差。 6.副偏角κr′。在基面中测量，由副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间构成的夹角，称为副偏角。增大副偏角可减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，改善散热条件，但工件表面粗糙度值增大。 7.刀尖角εr。在基面中测量，由主切削刃与副切削刃在基面上的投影所构成的夹角。 8.刃倾角λs 。在切削平面中测量，由主切削刃与基面之间构成的夹角，称为刃倾角。 9.切削角δ。在正交平面中测量，由前面与切削平面构成的夹角。 10.副前角γ0′在副正交平面中测量，由前面与基面构成的夹角。 在车刀的十个角度中，独立角度有6个：前角γ0、后角α0、副后角α0′、主偏角κr、副偏角κr′、刃倾角λs，派生角度有4个：楔角β0、切削角δ、刀尖角εr、副前角γ0′。派生角度的大小取决于独立角度。其中γ0+α0+β0=90°；κr+κr′+εr=180°。 （五）车刀角度的合理选择 1.前角及其选择 （1）前角的功用 前角大小影响切削刃的锋利程度，增大前角能使切削轻快，减小切削变形和摩擦，从而降低切削力和切削温度、减小刀具磨损，还能抑制积削瘤和鳞刺的产生，提高加工质量。但前角过大，会使刀具楔角变小，削弱刀头强度和散热能力，造成切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具耐用度降低，甚至崩刃等。 （2）前角选择原则 ①根据工件材料选取。工件材料的强度、硬度低，塑性好时，应取较大的前角；反之取较小的前角；加工特硬材料（如淬硬钢、冷硬铸铁等）甚至可取负的前角。 ②根据刀具材料选取。刀具材料的抗弯强度及韧性高时（如高速钢），可取较大的前角；对于强度韧性差的刀具材料（硬质合金），应选较小的前角。 ③根据加工条件选取。粗加工时，为保证切削刃强度，在不影响刀具锋利的前提下，应选择较小的前角；精加工时，为使切削刃锋利，减小工艺系统振动，保证加工质量，应选取较大的前角。高速切削时，前角对切屑变形及切削力的影响较小，可取较小前角；工艺系统刚性较差时，取较大的前角。 2.后角及其选择 （1）后角的功用 后角的主要作用是减小后刀面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦，配合前角调整切削刃的锋利程度和强度。增大后角能减小后刀面与过渡表面间的摩擦，减小切削热，使切削刃锋利，还可以减小切削刃的钝圆半径，从而减小已加工表面冷硬程度，提高表面质量和刀具寿命。但后角过大时，将削弱切削刃的强度和散热能力，容易崩刃，反而会降低刀具寿命。 （2）后角的选择原则 ①根据工件材料选取。加工脆性材料或强度和硬度较高的材料时，应选取较小的后角；加工塑性材料或易产生加工硬化时，应选取较大的后角。 ②根据加工条件选取。粗加工时，切削余量多，选择的进给量和切削层厚度较大，为了确保刀具强度，应选取较小的后角；精加工时，选择的进给量和切削层厚度较小，为了减小摩擦，使刃口锋利，保证加工表面质量，应选取较大的后角；当工艺系统刚度较差时，为了能减少震动，使切削顺利进行，应选取较小的后角。 ③综合考虑前角选取。当前角选取较大时，为了保证刀具有合适的强度，后角应在可选择的范围内取较小值；当采用负前角刀具加工高硬度、高强度材料时，后角应在可选择的范围内取较大值，以便切削刃容易切入零件。 3.主偏角及其选择 （1）主偏角的功用 主偏角影响各切削分力的比值。当主偏角增大时，由于切削层厚度增大，变形系数减小，使切削层单位面积切削力有所减小，在背吃刀量、进给量不变的情况下，会使背向力减小，从而避免顶弯零件和工艺系统的震动，提高了零件加工质量和刀具寿命；主偏角影响切削层的形状，在背吃刀量、进给量相同的条件下进行切削时，当主偏角减小时，由于切削层宽度增加，切削层厚度减小，使切屑变薄，增加散热面积，改善了散热条件。同时作用在主切削刃单位长度上的负荷减轻，刀尖角增大，提高了刀尖强度，也有利于提高刀具寿命；此外，主偏角还影响断屑效果和排屑方向，以及残留面积高度等。 （2）主偏角的选择原则 ①根据工件材料选取。当切削强度和硬度较高的材料时，为了减轻切削刃单位长度上的负荷改善散热条件，提高刀具寿命，应选取较小的主偏角。 ②根据加工条件选取。粗加工时，为了获得厚而窄的切屑，减小切屑变形和切削分力，应选取较大的主偏角，但也得由工件形状决定。 ③根据系统刚性选取。工艺系统刚性较好时，为减轻切削刃负荷，增加刀尖强度，应选取较小的主偏角；当工艺系统刚度不足时，为了减小背向力，避免振动，应选取较大的主偏角一般取75°，甚至取k≥90°。 4.副偏角及其选择 （1）副偏角的功用 副偏角主要用来减小副切削刃及副后刀面与已加工表面之间的摩擦。减小副偏角，可减小车削后的残留面积，降低表面粗糙度值，同时能增大刀尖角，提高刀尖强度和散热能力，延长刀具寿命。但副偏角过小时，会因增大摩擦和背向力而引起振动，降低零件的加工质量。 （2）副偏角的选择原则 ①根据工件材料选取。当切削强度和硬度较高的材料或断续切削时，为了增加刀尖强度，应选取较小的副偏角；当切削塑性和韧性较大的材料时，为了使刀尖锐利，应选取较大的副偏角。 ②根据加工条件选取。粗加工时，为了减小副切削刃的切削作用，提高生产效率和刀具耐用度，应选取较大的副偏角；精加工时，为了保证已加工表面的表面粗糙度，在不引起振动的情况下，应选取较小的副偏角，一般取5°，甚至可取副偏角为0°的修光刀。 ③根据系统刚性选取。工艺系统刚性较好时，应选取较小的副偏角；当工艺系统刚度不足时，为了避免振动，应选取较大的副偏角。 5.刃倾角及其选择 （1）刃倾角的功用。 ①影响切屑的流向。当刃倾角λ=0°时，切屑垂直于切削刃流出；当刃倾角为负值时，切屑向已加工表面流出，零件已加工表面容易被切屑拉毛，但刀尖强度较高；当刃倾角为正值时切屑向待加工表面流出，已加工表面不易被拉毛，但刀尖强度较差。 ②影响刀尖强度和抗冲击能力。在切削有断续表面的零件时，若刃倾角为负值，刀尖为切削刃上最低点，切削刃切入零件时首先与零件接触的点是切削刃，而不是刀尖，这样在切削过程中产生的冲击负荷由切削刃承受，保护刀尖免受冲击，并增强了刀尖强度；若刃倾角为正值，刀尖首先接触零件而受到冲击，可能产生崩刃或打刀现象。因此，许多大前角刀具常选用负的刃倾角，但这时背向力有所增大。 ③影响切入切出时的平稳性。在断续切削时，当刃倾角为0°时，切削刃几乎同时切入和切出零件，切削力突变，冲击较大，会引起震动；当刃倾角不为零时，切削刃逐渐切入零件和逐渐切出零件，冲击较小，切削较平稳。 （2）刃倾角的选择原则 ①根据加工性质选取。粗加工时，为了增加刀具强度，应取负刃倾角，一般取0°～5°；精加工时，为了避免切屑流向已加工表面，保证加工表面质量，应取正刃倾角；断续切削时，为了保护刀尖，应取负刃倾角；在精镗孔、精创平面时，为了增大实际前角，减小刃口圆弧半径，使切削刃锋利，常常用很大的刃倾角，一般取30°～75°。 ■真题练习 一、单选题（下列选项中只有一个答案是正确的，每题2分，共20分） 1.( )由于与铁的亲和力很强，所以不能加工钢铁材料。 A.人造金刚石 B.立方碳化硼 C.氮化硅陶瓷 D.硬质合金 2.前角、后角和楔角之和等于( )。 A.60° B.75° C.90° D.180° 3.刀具材料要求高硬度，通常要求硬度在( )以上。 A.50HRC B.60HRC C.70HRC D.75HRC 4.下列刀具材料中，一般用于粗加工的是( )。 A.YG8 B.YG3 C.YT30 D.YW1 5.基面、切削平面及正交平面三者之间的关系( )。 A.相互垂直 B.相互平行 C.倾斜 D.同一平面 6.主切削刃与基面之间的夹角是( )。 A.主偏角 B.后角 C.刃倾角 D.前角 7.刀尖圆弧半径增大，圆弧刃参加切削的长度增加，则( )。 A.切削变形增大，摩擦力减小 B.切削变形增大，摩擦力增大 C.切削变形减小，摩擦力减小 D.切削变形减小，摩擦力增大 8.车刀几何角度的选择中，对前角选择正确的是( )。 A.越大越好 B.越小越好 C.粗车大、精车小 D.在满足车刀强度的条件下，尽可能大 9.刀具磨损程度是由磨钝标准确定，而磨钝标准是由某刀面磨损的尺寸确定，它是( )。 A.前面 B.后面 C.副后面 D.主剖面 10.硬质合金刀具的切削效率一般为高速钢的( )倍。 A.2-4 B.4-8 C.4-10 D.10以上 二、多选题（下列选项中有两个以上答案是正确的，每题2分，共20分） 1.下列车刀角度中，在正交平面测得的是( )。 A.主偏角 B.前角 C.后角 D.楔角 2.在辅助平面中，( )为测量平面。 A.法平面 B.背平面 C.正交平面 D.切削平面 3.下列车刀角度中，在基面测得的是( )。 A.后角 B.主偏角 C.副后角 D.副偏角 4.为了保证加工质量和加工效率，要求刀具材料应具备( )和其他性能。 A.高硬度和高耐磨性 B.高热硬性 C.足够的强度和韧性 D.较好的化学稳定性 5.车削硬度低、塑性好及韧性好的金属材料时，下列那些车刀材料可以用( )。 A.W18Cr4V B.YG6 C.YT30 D.YT15 6.车刀的正常磨损形式有( )。 A.前刀面磨损 B.刀尖磨损 C.后刀面磨损 D.前后刀面同时磨损 7.对于切削刀具来说，切削刀具的( )是两个最重要的因素。 A.结构 B.材料 C.形状 D.几何角度 8.热硬性是指刀具在高温下保持其( )的能力。 A.高硬度 B.高强度 C.高耐磨性 D.高韧性 9.为准确测量车刀的几何角度，假设的辅助平面主要包括( )。 A.切削平面 B.基面 C.正交平面 D.水平面 10.下列选项中，( )是在基面测得的独立角度。 A.前角 B.主偏角 C.刀尖角 D.副偏角 三、判断题（正确的填“A”，错误的填“B”，每题2分，共30分） 1.( )减小切削刀具后角可减小切削刀具后刀面与已加工表面的摩擦。 2.( )副偏角是在基面中测量的，副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间构成的夹角。 3.( )在切削过程中，切削刀具前角越小，切削越轻快。 4.( )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、陶瓷和超硬材料等。 5.( )在不带冲击切削的情况下，硬质合金的耐用度比高速钢的好。 6.( )硬质合金刀具中，P类硬质合金用于切削45钢等塑性材料。 7.( )刃倾角的选择应根据工件材料、刀具材料和加工性质确定。 8.( )高速钢有较好的工艺性和足够的强度及韧性，可制造形状复杂的刀具。 9.( )由于硬质合金的抗弯强度较低，冲击韧度差，所取前角应小于高速钢刀具合理前角。 10.( )合理选用切削液，不但可以降低切削区域温度，对减小切削力也有十分明显的效果。 11.( )主切削刃和副切削刃相交的部分切削刃称为刀尖。 12.( )钨钴类硬质合金(YG)因其韧性、磨削性能和导热性好，主要用于加工脆性材料，有色金属及非金属。 13.( )刀尖要保持尖锐，以保证其切削时足够锋利。 14.( )后面是刀具上与工件的已加工表面相对的表面。 15.( )加工塑性大的材料，车刀的前角对切削力的影响不明显。 四、填空题（将最恰当答案填写在横线上，每题2分，共30分） 1.粗加工时，刀具所承受的切削力较大并伴有冲击，为保证刀具寿命，后角应选 。 2.当工艺系统刚度较差时，应选用 主偏角，防止径向力使工件顶弯。 3.当前面与切削平面之间的夹角小于 度时为正前角。 4.刀具上前面与副后面相交的部分为 ，它担负着车刀次要的切削任务。 5.在测量刀具角度的辅助平面中，基本平面包括 和切削平面两个。 6.常用硬质合金分为钨钴类、钨钛钴类和钨钛钽钴类等。其中钨钴类适合用于铸铁等脆性工件或有色金属， 适用于加工钢类等塑性工件。 7.外圆车刀的6个独立角度是前角、后角、副后角、主偏角、副偏角和 。 8.刀具种类很多，无论哪种切削刀具，一般都是由 和刀柄两部分组成。 9.刀具在切削过程中不发生黏结磨损及高温扩散磨损的能力为 。 10.在副正交平面中测量的副后面与副切削平面之间的夹角为 。 11.通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面为 。 12.硬质合金 较差，怕振动和冲击，成形加工较难。 13.切削刀具上切屑流过的表面称为 。 14.通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面称为 。 15.要保证工件加工质量，提高切削效率，降低切削加工费用。正确选择刀具具有重要作用，对刀具来说其刀具材料和刀具 是两个最重要的因素。 考点8 刀具材料与几何角度 真题练习答案 一、单选题 1-5：ACBAA 6-10：CBDBC 二、多选题 1.BCD 2.ABC 3.BD 4.ABCD 5.ACD 6.ACD 7.BD 8.AC 9.ABC 10.BD 三、判断题 1-5：错对错对对 6-10：对对对对对 11-15：对对错错错 四、填空题 1.较小值 2.较大 3.90 4.副切削刃 5.基面 6.钨钛钴类 7.刃倾角 8.刀头 9.化学稳定性 10.副后角 11.法平面 12.韧性 13.前刀面#前面 14.背平面 15.几何角度 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $