第二节 切削刀具
在金属切削过程中，直接完成切削任务的是刀具。“工欲善其事，必先利其器”。刀具的好坏在很大程度上决定了工件的加工质量、生产率和加工成本。
切削刀具的种类很多，但无论哪种刀具，其结构都是由夹持部分和切削部分组成。如图10-4所示。夹持部分用来将刀具夹持在机床上，保持刀具在切削过程中能有正确的工作位置，传递切削所需要的动力和运动，夹持可靠、装卸方便。切削部分是刀具直接从工件上切下切屑的部分，应具备合理的几何角度，以及良好的物理、机械和工艺等性能。
一、刀具材料
图10-4 车刀结构
1-切削部分 2-夹持部分
刀具材料一般是指刀具切削部分的材料。刀具在切削金属时，它的切削部分不断受到高温、高压和摩擦的作用。刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的重要因素。
刀具材料应具备的基本性能是：高硬度、高耐磨性及高的红硬性；足够的强度、塑性和韧性。它还应具有良好的可加工性能、热处理性能和导热性等。
刀具材料分为工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料四大类。工具钢和硬质合金已经在第四章中作过介绍，本节就陶瓷和超硬材料作简单介绍。
1． 陶
瓷刀具材料
目前生产中常用的刀具陶瓷可分为Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。陶瓷具有很高的硬度（91～95HRA）、耐磨性和耐热性（1200℃～1450℃），以及良好的抗粘结性和化学稳定性。故陶瓷刀具寿命高、抗粘结、抗扩散抗氧化磨损的能力强，有较低的摩擦系数，不易产生积屑瘤等特点。陶瓷的缺点是抗弯强度和冲击韧性很差。
陶瓷刀具主要用于半精车、精车、半精铣、精铣钢和铸铁。由于其耐热性很高，可采用很高的切削速度。
2．超硬刀具材料
⑴ 金刚石 金刚石刀具有天然单晶金刚石、人造聚晶金刚石和复合金刚石刀片三种。金刚石具有极高的硬度（10000HV），是目前已知的最硬物质；金刚石具有很高导热系数和很低的线膨胀系数。
金刚石的主要缺点是抗弯强度和冲击韧性极差，基本上不能承受大的切削力和波动力，金刚石耐热性也差，切削温度超过700℃时，就会氧化；金刚石与黑色金属有很强的亲和作用。所以金刚石不适合加工黑色金属材料，适合加工有色金属的精密切削和精密磨削，主要用于硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度材料的加工。
⑵ 立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼是由六方氮化硼（白石墨）在高温高压下加入催化剂转变而成的。它的特点是：有很高的硬度（8000～9000HV）和耐热性，耐热温度可达1400～1500℃；有良好的化学稳定性，可加工黑色金属，有良好的导热性和较低的摩擦系数。
立方氮化硼的抗弯强度和冲击韧性很差，基本上不能承受大的切削力和波动力。故使用时机床刚性要好，主要用于连续切削、尽量避免冲击和振动。
立方氮化硼刀具适合于进行黑色金属和有色金属的半精加工和精加工，常用于淬硬钢、硬铸铁，高温合金的切削加工和磨削加工。立方氮化硼不仅广泛地用来做刀具，而且作为磨料用于制作砂轮和研磨剂。目前，60%的CBS刀具用于汽车制造业，包括用于汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、汽缸孔的加工；20%的CBS刀具用于重型设备的加工。
二、刀体材料
刀体材料是指夹持部分的材料，一般刀体常用碳钢或合金钢制作。如焊接车刀、镗刀的刀柄，钻头、铰刀的刀体常用45钢或40Cr制造。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜选用合金工具钢或高速钢整体制作，如螺纹刀具、拉刀、成形铣刀等。机夹和可转位硬质合金车刀、镶齿硬质合金钻头、可转位铣刀等刀体可用合金工具钢制作，如9SiCr、GCr15等。
三、刀具的分类
（一） 按刀具结构分
1．整体式刀具
刀具的夹持部分和切削部分采用一种材料的刀具为整体式刀具，这种结构刀具材料消耗较大，但制造方便。有些刀具如铣刀、拉刀、齿轮刀具等仍采用整体式刀具。
2． 焊接式刀具
刀片焊接在刀体上的刀具称为焊接式刀具，该刀具结构紧凑、节省刀具材料，可根据加工要求方便地刃磨出所需的几何形状，应用十分普遍。焊接后的硬质合金刀具，刃磨后易产生内应力和裂纹。
3．机夹式刀具
图10-5 机夹可转位刀片式车刀
1-刀片 2-刀夹 3-压紧螺钉 4-刀秆 5-垫片 6-销
机夹式刀具指用机械方法定位、夹紧刀片，通过刀片体外刃磨与安装后形成刀具几何角度的刀具。这种刀具避免了焊接引起的缺陷，刀柄能多次使用，刀片可集中刃磨。常用的有机夹式车刀、刨刀、铣刀等。
4．可转位式刀具
这种结构的刀具与机夹式刀具相似，不同之处是刀片具有规则的几何形状（如正三角形、正方形、菱形等），刃口磨钝后可方便的转位换刃，不需要重磨。如图10-5所示。这种刀具避免了焊接、刃磨引起的缺陷，提高刀具耐磨及抗破损能力；能选用较高切削用量，提高生产率；刀片转位、更换方便，缩短辅助时间；此类刀具已标准化，能实现一刀多用、减少刀具储备量，简化刀具管理工作。
（二） 按加工工艺性质分
根据刀具的用途和加工方法的不同，通常可把刀具分为切刀（包括车刀、刨刀、
插刀、镗刀等）、孔加工刀具（如钻头、扩孔钻、铰刀等）、拉刀、铣刀（如立铣刀、端铣刀、槽铣刀等）、螺纹刀具（如丝锥、板牙等）、齿轮刀具（齿轮铣刀、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀等）、磨具（包括砂轮、砂带和油石等）。
除上述的分类方法外，还可按刀具刃口数量划分为单刃（单齿）刀具和多刃（多齿）刀具，以及按刀具材料划分等方法。
四、刀具的几何角度
金属切削刀具的种类虽然很多，但其切削部分的结构要素和几何角度都有许多共同的特征。分析刀具的几何形状，常常以车刀为例，因为车刀应用最广泛、结构最简单，且其他种类的刀具（如刨刀、铣刀、麻花钻、齿轮刀具等）都可看成是车刀的演变和组合。
（一） 车刀的结构
图10-6 车刀切削部分的组成
车刀由刀头和刀柄两部分组成，刀头用于切削，刀柄用于装夹。车刀刀头部分（切削部分）由三个刀面、两个切削刃、一个刀尖组成。如图10-6所示。
1．刀面
⑴ 前刀面 切屑流出所经过的表面。
⑵ 后刀面 刀具上与工件过渡表面相对的表面。
⑶ 副后刀面 刀具上与工件的已加工表面相对着的表面。
2．切削刃
图10-7 确定车刀角度的参考平面
⑴ 主切削刃 前刀面与后刀面的交线，它担负着主要的切削任务。
⑵ 副切削刃 前刀面与副后刀面的交线，它是配合主切削刃完成已加工表面的切削。一般情况下，它仅起微量切削作用。
3．刀尖
主切削刃与副切削刃的交点。为了加强刀尖强度和散热性，大多数车刀在刀尖处磨出圆弧型过渡刃。
（二） 车刀的主要角度及作用
刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。为了确定车刀切削部分的几何角度，需要引入几个参考平面。参考平面包括基面、切削平面、正交平面，如图10-7所示。
基面 通过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。车刀的基面可理解为平行刀柄底面的平面。
切削平面 通过切削刃选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面。
正交平面 通过切削刃选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。
车刀主要角度有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角。
⒈ 前角γo
在正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。如图10-8所示。前角的大小直接影响着刀具的切削能力，增大前角能使车刀锋利，切削轻快，减少切削力和切削热的产生，可提高加工表面质量。但前角过大，会使刀头体积减小，强度降低，散热差，影响刀具的使用寿命。
⒉ 后角αo
在正交平面中测量的后刀面与切削平面之间的夹角。增大后角能减少切削过程中刀
图10-8车刀的主要角度
具后刀面与加工表面之间的摩擦，提高加工表面质量。
⒊ 主偏角Kr
在基面上测量的主切削刃的投影与进给方向间的夹角。主偏角减少，能使刀头体积增大，散热条件改善，提高了刀具的强度和刀具使用寿命，降低表面粗糙度。但减少主偏角会使径向力增大，在加工刚性较差的工件时，易引起工件变形或振动。
⒋ 副偏角Kr′
图10-9 刃倾角的符号
在基面上测量的副切削刃的投影与进给反方向间的夹角。副偏角的作用是为了减少副切削刃和副后刀面与工件已加工表面的摩擦，避免切削时产生振动。过小的副偏角会增加副后刀面与已加工表面间摩擦，易引起振动。
5．刃倾角λs
在切削平面内，主切削刃的投影与基面间的夹角。刃倾角控制切屑流出方向，影响刀头的强度。当刀尖处于主切削刃最低点时，如图10-9所示，λs值为负，刀头强度较高，切屑向已加工表面流出；当刀尖处于主切削刃最高点时，λs值为正，刀头强度较差，切屑向待 加工表面流出。
五、砂轮
砂轮是把磨粒和结合剂按比例经混合、搅拌、压坯、干燥、焙烧和修整而成的具有一定形状的多孔体。砂轮对工件的切削称为磨削加工。
磨削加工比切削加工要复杂很多。在磨削过程中，由于砂轮表面上有许多分布不均、形状各异、高低
不同的磨粒，每一颗磨粒相当于一个刀刃，整个砂轮就相当于具有较多刀
齿的铣刀，如图10-10所示。其中比较锋利且比较突出的磨粒切削作用；而有些磨粒仅在工件表面上刻划出痕迹，起刻划作用；还有一些磨粒只起滑擦作用。磨粒大多为负前角，使工件材料受挤压产生塑性变形，并沿着两侧流动。因此，在被磨削表面上留下无数细微的沟槽，沟槽两旁还会产生隆起现象。
综上所述，就普通磨削过程而言，无非是切削、刻划和滑擦三个过程的综合作用结果。
(a)砂轮及磨削示意图 (b) 磨粒切削过程
10-10 磨削过程
由于砂轮的磨料、结合剂等不同，砂轮的特性差别也很大，对磨削加工精度、表面粗糙度和生产率有重要的影响。决定砂轮磨削性能和用途的主要特性包括：磨料、磨粒的粒度、结合剂、砂轮组织、砂轮硬度、形状和尺寸六个因素。
1．磨料
磨料是制造砂轮的主要材料，直接担负着磨削工作，是砂轮上的“刀头”。因此，磨粒的棱角必须锋利，并具用很高的硬度及良好的耐热性和一定的韧性。
磨料分天然和人造磨料两大类。一般天然磨料含杂质多，质地不均。天然金刚石虽好，但价格昂贵，故目前主要使用人造磨料。常用人造磨料有棕刚玉（A）、白刚玉（WA）、铬刚玉（PA）；黑碳化硅（C）、绿碳化硅（GC）；人造金刚石（D）、立方氮化硼（CBN）。不同的磨料适应于不同工件材料的磨削，如棕刚玉适应于碳钢与合金钢的磨削，黑碳化硅适应于铸铁、黄铜的磨削，人造金刚石适应于硬质合金、宝石、陶瓷的加工。
2．粒度
粒度是指磨粒的大小。粒度分磨粒和微粉两组。对于用筛选法来区分的较大的磨粒（制砂轮用），它的粒度号以筛网上每英寸长度内的孔眼数表示。例如，60#粒度的磨粒，说明能通过每英寸长度有60 个孔眼的筛网，而不能通过70个孔眼的筛网。因此，粒度的数字愈大，说明磨粒愈小。对于用显微测量来分区分的微粉磨粒（称微粉，供超精磨和研磨用），以其最大尺寸（单位为μm）前加W来表示。
3．结合剂
结合剂用来把磨粒粘结起来，形成具有一定形状的砂轮。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力，主要取决于结合剂的性能。常用的结合剂有陶瓷结合剂、树脂结合剂、橡胶结合剂、金属结合剂。
4．组织
组织表示砂轮中磨料、结合剂、气孔间的体积比例。磨料占砂轮体积的百分比较高而气孔较少又较小时，砂轮属于紧密性；反之，属于疏松级。砂轮可分为0~14组织号，其中0~3号为紧密；4~8号为中等；9~14号为疏松。组织号大，砂轮不易堵塞，切削液和空气容易带入磨削区，可降低磨削温度。但组织号大，不易保持砂轮的轮廓形状。
5．硬度
砂轮硬度是指砂轮表面上的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。如磨粒容易脱落，表示砂轮的硬度低；反之，则表示砂轮的硬度高。砂轮的硬度反映结合剂固结磨粒的牢固程度。由此可见，砂轮的硬度与磨料的硬度是两个不同的概念。砂轮的硬度合适，磨粒磨钝后随磨削力增大而自行脱落，或裂开产生新刃，砂轮具有自锐性，则磨削效率高，工件表面质量好，砂轮的损耗也小。
6．砂轮形状
为了适应不同类型磨床上的各种加工需要，砂轮有许多形状。
砂轮的标志印在砂轮端面上。其顺序是：形状代号、尺寸、磨料、粒度号、硬度、组织号、结合剂和允许的最高线速度。
