第四章 车 刀
在金属车削加工过程中，车床是形成切削运动和动力的来源，车刀则直接改变毛坯的形状，使其达到所需要零件的形状和技术条件的工作部件。车刀的种类很多，在实际生产中，根据零件加工需要，可以自制所需车刀。图4-1所示为生产中常用车刀类型，图4-2为实际生产中所用自制车刀。
车刀的性能直接影响着产品质量和生产效率。车刀材质、几何形状和角度是影响车刀本身性能的主要因素，此外切削用量、刃磨技术等也是影响车刀切削状态的重要因素影响，需合理选择，现综合叙述如下。
第一节 车刀材料的选择
车刀的使用寿命和生产效率取决于车刀材料的切削性能。车刀由刀头和刀杆两部分组成，刀杆一般是用碳素结构钢制成。由于刀头担任切削工作，因此刀头材料必须具有下列基本性能：
1)冷硬性。车刀在常温时具有较高的硬度，即车刀的耐磨性。2)红硬性。车刀在高温下保持切削所需的硬度，该温度的最高值称为"红热硬度"。
3)韧性。车刀切削部分承受震动和冲击负荷所具有的强度和硬度。
车刀材料的以上三种性能是相互联系、相互制约的，在具体选用时，要根据工件材料的性能和切削要求分析选用，同时还要结合车刀材料在价格、工艺性能方面加以考虑，以便于以较低的成本加工、刃磨和焊接制造车刀。
各种车刀材料的基本性能优劣顺序比较见表4-1。
目前用来作车刀切削部分的材料主要有高速钢、硬质合金和非金属材料，碳素工具钢、合金工具钢多用作钻头、丝锥等工具，用作车刀的较少。现分别介绍作车刀刀头的两种主要材料：高速钢及硬质合金。
一、高速钢
高速钢是一种含钨、铬、钒较多的合金钢，又名锋钢、风钢或白钢。常用的有Wl8Cr4V及W9Cr4V2两种牌号。其中用得最多的是Wl8Cr4V高速钢。它们的化学成分如表4-2所示。
高速钢材料分为带黑皮的高速钢和表面磨光的高速钢两种。前者是未经热处理的高速钢，后者是经热处理的高速钢。高速钢硬度较高，具有一定的红热硬性，韧性和加工性能均较好。高速钢车刀制造简单，刃磨方便，容易磨得锋利。由于高速钢韧性好，常用于加工一些冲击性较大、形状不规则的零件，它也常用于制作精车刀，但因红硬性不如硬质合金，故不宜用于高速切削。
二、硬质合金
硬质合金是由难熔材料的碳化钨、碳化铁和钴的粉末在高压下成形，经l350～1560"(2高温烧结而成的材料，具有极高的硬度，仅次于陶瓷和金刚石。硬质合金的红硬性很好，在1000℃左右仍能保持良好切削性能；具有较高的使用强度，其抗弯强度可高达1000--1700MPa，但脆性大、韧性差、怕震，以上这些缺点可通过刃磨合理的角度加以克服，因此，硬质合金现已被广泛应用。
常用的硬质合金可根据其制造的合金元素不同，分为以下四类：
1．钨钴合金
由碳化钨和钴组成，常温时的硬度为HRA87～92，红硬性为800--900，代号为YG，常用牌号为YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YGll等。其中YG3X及YG6X属于细颗粒碳化钨合金。YA6则是我国试制成功的一种含有少量碳化钴的细颗粒硬质合金。
钨钴合金冷硬性很高，韧性也较好，宜用于加工脆性材料，如金属蚀口铸铁，也可车削冲击性较大的工件。由于它的红硬度较差，在600℃时，钨钴合金容易和切屑粘结，使刀头前面磨损，故不宜用于车削软钢等韧性金属。
YG6X细颗粒碳化钴合金耐磨性较好，其强度近似YG6，因此车削冷硬合金铸铁、耐热合金钢及普通铸铁等都有良好效果。
2．钨钛钻合金
由碳化钨、碳化钛及元素钻组成，代号用YT表示，常用的有YT5、YTl4、YTl5、YT30等牌号。钨钴钛合金的冷硬性能和红硬性能比硬质合金高。在高温条件下比钨钴合金耐热耐磨、抗粘性大，宜于加工钢料及其他韧性金属材料，但由于性脆，不耐冲击，故不宜加工脆性金属。
3．钨钴钛铌合金
它是钨钴钛合金中的新产品，由碳化钨、碳化钛、钴、少量碳化铌组成，代号为YW，常用牌号为YWl、YW2。它的耐磨性和热硬性都比较好，适用于切削各种铸铁和特殊合金钢材，如不锈钢、耐热钢、高锰钢等较难加工的材料。
4．钨钴铌类合金
这是一种含有少量碳化铌的细颗粒钨钻类硬质合金，代号为YA，常用牌号为YA6。它的耐磨性能更高，适合于不锈钢、耐热钢、特硬铸铁、铁合金、硬塑料、玻璃和陶瓷等的加工。
在选用硬质合金时，应根据硬质合金本身性能特点、加工工件材料和切削条件等因素综合考虑。表4-3为常用硬质合金使用性能及使用范围，可作为选用的参考。
除高速钢和硬质合金两种常用车刀切削材料外，还有碳素工具钢、合金工具钢、金刚石、陶瓷等。碳素工具钢、合金工具钢的切削性能差，而金刚石价格高，以上三者都较少采用。
由于陶瓷材料比硬质合金的红硬性更高，耐磨性好，价格低，正成为一种应用广泛的刀具材料，但由于该种材料性脆、怕冲击、刃磨困难，所以在使用时仍受到一定的限制。表4-4是常用车刀材料的特性及其切削成本对比情况。
第二节 车刀刀具几何角度的选择及变化分析
为了顺利地进行切削，必须了解车刀切削部分的几何角度及其几何角度在切削过程中变化。
一、车刀切削部分的几何角度
1．车刀的组成部分
车刀的刀头是车刀的切削部分。它由以下部分组成：
(1)前刀面：切屑流出时，刀头与切屑相接触的表面，又称前面，用符号八表示。
(2)主后刀面：刀头上与切削表面相对的表面，又称主后面，用符号A表示。
(3)副后刀面：刀头上与工件已加工表面相对的表面，又称副后面，用符号"表示。车刀组成部分见图4-3。
(4)主切削刃：前面与主后刃面的交线，它担负主要的切削工作。
(5)副切削刃：前面与副后刃面的交线，它也起切削作用。
(6)刀尖：主切削刃与副切削刃的交点。
任何车刀都由以上部分组成，只是数目不完全相同，如普通外圆车刀的刀头部分一般由三面、两刃和一尖组成，但切断刀则由两个副切削刃和两个刀尖组成。
刀头部分的切削刃可以是直线，也可以是曲线，如样板车刀的切削刃就是曲线。
2．辅助基准面
为了确定和测量车刀的几何角度，需要选择几个辅助平面作为基准面．见图4-4。
(1)切削平面：通过切削平面并与该点切削速度方向相垂直的平面，用符号P，表示。
(2)基面：通过切削刃选定点并与工件过渡表面相切，且垂直于切削平面的平面，用符号P。表示。
(3)正交平面：通过主切削刃选定点且垂直于主切削平面和基面的平面。用符号Pn表示。
当主切削刃与水平面平行时，切屑流出的方向正接近于这一平面所处的位置，因此车刀上主要切削角度都在正交平面上进行测量，如前角、后角的测量。
3．车刀的切削角度
车刀的切削角度共有7项，用于表示切削部分的几何形状，并可在主截面与上述3个基准面内度量，如图4-5所示。
(1)前角7。
它是车刀前刀面与基面之间在正交平面投影的角度，用符号7。表示。它是车刀切削部分的一个主要工作角度，直接影响车刀主切削刃的锋利度和刃口强度。加大前角7。，可以减小切屑变形和摩擦，从而降低切削力和切削热，切削起来较快，但另一方面前角过大，会削弱刀尖强度，减少散热能力，加剧刀具磨损。(2)后角。
它是车刀副后刀面与基面之间在正交平面的投影角度，用符号a。表示。它影响主后面与过渡表面之间的摩擦情况。
(3)主偏角k，
它是主切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，用符号k，表示。它影响主刀刃参加工作的长度，并影响切削力的大小。
(4)副偏角k：
它是副切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，用符号k：表示。它影响已加工表面的粗糙度及副刀刃参加工作的长度。
(5)刀尖角e
刀尖角为主、副切削刃在基面上投影的夹角，用符号e表示。刀尖角的大小影响刀尖的强度及传热性能。它与前角、后角之间的羊乏喃．
(6)刃倾角A
它是主切削刃与基面间的夹角，用符号A表示。主要影响排屑情况和刀尖承受冲击的能力。当刀尖是主切削刃最低点时A为正值；当刀尖是主切削刃最高点时A为负值。当刀刃与基面平行时A为零度。
(7)副后角口，
它是副切削平面在副截面内的夹角，用符号a，表示。其作用与后角a。相似。车刀静止状态下的几何角度如图4-6所示。
二、车刀几何角度选择
合理选择车刀的几何参数，可保证零件的加工精度、粗糙度，增大切削用量，减少车刀磨损，提高刀具耐用度，降低成本，提高生产效率。
1．前角70
前角70大小主要与需切削的工件材料及刀具材料性能有关，选择前角70时可从以下一些影响因素进行考虑：
(1)工件材料对前角选择的影响
车削塑性材料工件时，切屑呈带状，切削力集中在离主切削刃较远的前刀面上，刀尖不易受损。为减少变形，应取较大的前角。而车削脆性材料工件，其切屑呈碎粒状，加上工件表面硬度高，通常含有杂质及有砂眼缩孔等缺陷，使刀尖附近集中了很大的冲击力。为保护刀尖，加工时一般情况下前角应取小些。
但在加工较硬材料工件时，因切削阻力大，应取较小前角，以保证车刀刀刃强度。如在加工铬锰钢、淬硬钢工件时，车刀前角通常磨成负前角，以增加车刀耐用度。
(2)刀具材料对前角选择的影响
采用硬质合金、高速钢等不同刀具材料，切削时其车刀前角大小选择有所不同，高速钢车刀前角一般比硬质合金车刀的前角大。表4-4是硬质合金车刀和高速钢车刀切削不同材料时前角的选择。
(3)加工特点对前角选择的影响
加工阶段不同，前角的选择不同。粗加工时，切削深度大、切削时的冲击力大，为提高车削效率，应采用较小的前角；精加工时，切削深度小、进给量小、切削时的冲击力小，为减少变形，提高精度，则前角可选择大些，其值可较表4-4中的前角的选取增大5。左右。
2．后角a
后角的选择原则是在保证刀具有足够的散热性能和强度的基础上，保证刀具锋利和减少与工件摩擦，一般不宜过大。否则会加速刀具磨损，降低刀具强度而造成崩刃。
在加工塑性材料时，由于工件表面弹性复原会与刀具后面发生摩擦，为了减少摩擦应取大些后角口。，加工脆性材料时，应取小些后角。高速钢刀具后角a。一般可在6。～l2。之间选取。硬质合金刀具可在2。～l2。之间选取，粗车时3。～6。，精车时6。～l2。
3．主偏角k，
主偏角k，主要是改变刀具散热情况，并适应机床一刀具一夹具系统的刚度需要。为了改善刀具的散热情况，常采用较小的主偏角k，。因此选择主偏角k，的原则是：在机床一刀具一夹具刚度允许的范围内，主偏角尼r应尽量小些，一般可在45。～75。之间选取，但在车细长轴时为了减少工件弯曲和振动采用较大主偏角k，，一般可在75。～90。之间选取，车阶台轴时则取90。。
4．副偏角k：
副偏角k：的主要作用是减少副刀刃与工件之间的摩擦。此外，还可以改善工件表面光洁度及刀具散热情况。副偏角k：一般可在10。～l5。之间选取。
5．刃倾角A
刃倾角A的作用是改变切屑流动方向，以增加刀尖强度。当刃倾角A是负值时，切屑向待加工面方向流出，刀尖强度差些。刃倾角A是正值时，切屑向已加工方向流出，刀尖强度高。当刃倾角．零度时，切削则垂直于刀刃方向流出。所以在选取角度时，粗加工取正值，精加工取负值。一般刃倾角A可在一4。～十4。之间选取。
以上角度一般均指静态下测量的角度。
三、车刀安装和切削运动对角度的影响车刀安装得是否正确，对切削是否顺利，车出来的工件表面是
否光洁等都有很大关系。有了合理角度的车刀，如果没有正确安装，它就不能发挥应有的作用。此外，由于切削时走刀运动的影响，也会使车刀角度改变。
1．车刀安装高低对角度的影响
车刀刀尖应装得与工件中心线一样高，如图4-7所示，这时车刀角度没有变化。要做到这一点，我们可以用床尾顶针尖作为标准，或者先在工件端面车一印痕就可知道中心，也可以记住自己车床中拖板滑块平面与工件中心线的距离，用钢尺量其高低。
如果刀尖高于工件中心，如图4-7(a)所示，这时切削平面位置改变，基面也随着改变，结果造成前角增大，后角减小，造成车刀切人工件的困难。相反，如果刀尖低于工件中心，如图4-7(c)所示，则前角减小，后角增大。
2．车刀安装偏斜对角度的影响
车削时，一般车刀安装总是与工件中心线垂直，这样主偏角和副偏角不会改变。
如果车刀刀头向左倾斜，主偏角将增大，副偏角则减小，如图4-8(a)所示。相反，如果车刀刀头向右倾斜，如图4-8(C)所示。主偏角将减小，副偏角则增大。此外，在安装车刀时，还应避
免车刀伸出太长，造成成车削振动，影响表面光洁度，甚至会折断。一般伸出长度不超过刀杆高度的一倍半，如图4-9所示。
(a)车刀安装伸出量正确；(b)车刀安装伸出量过长
车刀下面垫片要平整，如图4-10，同时要尽可能用厚垫片代替薄垫片，刀架上的螺丝要拧紧。
四、走刀运动对切削运动的影车平面时，车刀按一定的走刀量在平面上车出一条螺旋线，愈近中心愈倾斜，这样由于切削平面和基面位置改变，使车刀的后角减小，前角增大。走刀量增大，后角减小愈多，如果用很小的后角车刀以大走刀量进行车削，就无法实现车削了。车外圆时，在工件上车出来的也是一条螺旋线，走刀量愈大，倾斜愈厉害，结果使车刀后角减小，前角增大，如图4-11所示。因此，在磨刀时要注意这个角度的变化。
第三节 刀具的刃磨
为了顺利地进行切削，必须把车刀磨成一定的几何形状，刃磨是形成正确合理的刀头几何角度的必要手段。车刀刃磨可分为机械刃磨和手工刃磨两种。机械刃磨的效率高，但对设备有一定的要求，一些有条件的单位可以采用。手工刃磨灵活，对设备要求低，一般工厂仍普遍的采用。车刀刃磨质量的好坏，直接影响着车削加工的质量。因此，刃磨车刀是车工必须掌握的主要基本技能之一，车刀刃磨的要点如下。
一、砂轮的正确选择
常用的砂轮有氧化铝系砂轮(刚玉砂轮)和碳化硅砂轮两种。
氧化铝系砂轮的主要成分是Al2Q，适于刃磨碳素工具钢及高速钢车刀；碳化硅砂轮磨料的主要成分是SiC，硬度很高，适于刃磨硬质合金刀头。
砂轮有粗细之分。砂轮的粗细是以其磨料颗粒的大小进行区分的。粗细以粒度表示，当磨料的平均直径大于63,am时，用恰好可以通过的筛网号来表示，粒度号越大，磨粒的尺寸越小，砂轮愈细。当磨粒平均直径为0．5～63,am时，磨粒也称为微粉，用W表示。粗磨车刀应选用较粗的软砂轮，可选用40～60号较粗磨粒砂轮。精磨车刀可选用80～120号较细磨粒硬砂轮。
砂轮同时具有软硬之分。其硬度是指砂轮表面的磨粒在外力作用下使其脱落的难易程度。磨粒越易脱落，则砂轮的硬度越低，反之则高。砂轮的硬度取决于砂轮结合剂的性能。砂轮的硬度分为软、中软、中、中硬、硬等级别。粗磨车刀时可选用较软的砂轮，以提高生产率，精磨时则应用较硬的砂轮，以提高加工精度。
二、刃磨程序
高速钢和硬质合金刀头的刃磨有所不同，硬质合金刀片性硬而脆，刃磨时切削刃易产生锯齿形缺口。以下分别介绍它们的刃磨过程的一般步骤。至于刃磨时的操作方法应在实践中训练，这里不作文字的描述。
1．高速钢车刀刃磨一般步骤
(1)磨主后刀面
磨出车刀的主偏角k，和主后角口。如图4-12所示
(2)磨副后刀面
磨出车刀的副偏角k：和主后角口，如图4-13所示。
(3)磨前刀面
磨出车刀的前角y。和刃偏角A，如图4一l4所示。
(4)磨刀尖圆弧
磨出主、副刀刃之间的过渡刃，如图4-15所示。
(5)精磨
在较细硬的砂轮上仔细修磨刀头各面，使车刀的几何形状和角度符合要求，并提高车刀的表面粗糙度。
(6)研磨
有精确角度的车刀，在刃磨时，还要考虑研磨，要求用平整的氧化铝油石，轻研车刀后面和过渡刃，研去刀刃上留下的毛刺，或研磨棱面和断屑槽，进一步减小各切削刃及各面的粗糙度。
2．硬质合金车刀刃磨一般步骤
(1)粗磨刀杆非硬质合金部位各面的几何形状
应在氧化铝砂轮上进行，以便减少在刃磨刀片部位时的刃磨量。因此在刃磨主、副后角时可比刀片部位的主、副后角大。左右o
(2)粗磨刀头
粗磨刀头硬质合金部位各面，可在较粗的绿色碳化硅砂轮上进仃。其步骤是：
1)磨主后刀面，磨出车刀主偏角忌，；
2)磨副后刀面，磨出车刀副偏角志：和副后角口：；
3)磨车刀前面，磨出车刀前角托，刃倾角A及排屑槽形状。以上磨削过程与高速钢车刀磨削过程类似。
(3)精磨刀头
在较细粒度的绿色碳化硅砂轮上精磨各面，准确的磨出各角度的大小，将各刃磨面磨平磨光。其步骤是：
1)精磨前面：
2)磨主后面，同时调整斜棱面的宽度：3)磨副后面，最后修磨过渡刃或修光刃。(4)研磨刀头
用平整的400粒度的绿色碳化硅油石仔细研磨车刀各面，将刀刃上的锯齿形缺口磨平，并使各面粗糙度在0．10以上。
三、刃磨车刀注意事项
1)握刀姿势要正确，手指不能抖动，用力不能过大，以免手滑时触及砂轮而受伤。
2)磨刀时，人站在砂轮的侧面，防止砂轮粉屑或碎裂时飞出
3)砂轮必须有防护罩，砂轮未转稳时不能磨刀，磨刀用砂轮不准磨其他物件。
4)磨碳素钢、合金钢及高速钢刀具时，要经常冷却，不能使刀头烧红。磨硬质合金刀头时不要进行冷却。
5)在盘形砂轮上磨刀时，应避免使用砂轮侧面，在碗形砂轮上磨刀时，不准使用砂轮内、外圆。
6)刃磨时应将车刀左右移动，不能固定在砂轮一处，以免砂轮表面磨成凹槽。托架与砂轮之间的空隙不可超过3mm，以免不慎将车刀嵌入空隙，发生事故危险。
7)禁止两人同时使用一个砂轮。四、车刀角度的检查
车刀磨好后，必须检查刃磨质量和角度是否合乎要求。检查刃磨质量时，主要是观察刀刃是否锋利、表面是否有裂纹等缺陷。对于要求高的车刀，可用l0～20倍放大镜观察。
检查角度时，先用样板检查车刀主后角，然后检查楔角。如果这两个角度合格，前角也就合乎要求了。其检验方法如图4-16所示。
大川机械
车刀角度也可以用专用量角台或万能游标量角器测量。其测量方法如图4-17～图4-20所示。其中图4-17为车刀前角测量，图4-18为车刀后角测量，图4-19为车刀刃倾角测量，图4-20为车刀主偏角和副偏角测量。