金属切削原理和刀具(第版课后习题-答案)

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第一章：刀具几何角度及切削要素

1-1 车削直径80mm，长200mm棒料外圆，若选用ap=4mm，f=0.5mm，n=240r/min，试计算切削速度vc，机动切削时间tm，材料去除率Q是多少?

?dn??80?240答：切削速度

vc???60.32m/min 10001000

?dlA??80?200?4??1.67min机动时间 tm?1000vcapf1000?60.32?4?0.5

材料去除率Q Q?1000apfvc?1000?4?0.5?60.32?120640mm3/min1-2 正交平面参考系中参考平面pr，ps，po及刀具角度γo，αo，κr，λs如何定义？ 答：基面pr：过切削刃上选定点，平行或垂直与刀具上的安装面（轴线）的平面 切削平面Ps：过切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面po：过切削刃上选定点，同时垂直于基面和切削平面的表面 前角γo：在正交平面中测量的，基面和前刀面的夹角

后角αo：在正交平面中测量的，切削平面和后刀面的夹角，主偏角κr：在切削平面中测量的，切削刃和进给运动方向的夹角。

刃倾角λs：在切削平面中测量的，切削刃和基面的夹角。

1-3法平面参考系与其基本角度的定义与正交平面参考系及其刀具角度的定义有何异同？在什么情况下， γo= γn

答：法平面参考系和正交平面参考系的相同点：都有基面和切削平面。不同点：法平面参考系的法平面是过切削刃选定点垂直于切削刃的表面，法平面不一定垂直于几面；正交平面参考系中的正交平面是过切削刃选定点同时垂直于切削平面和基面的表面。

刀具角度定义的相同点为：都有偏角，刃倾角。不同点是：法平面参考系中定义前角和后角分别为法平面中测量的法前角和法后角；而正交平面参考系定义的前角和后角为正交平面中测量的前角和后角。

只有当刀具的刃倾角为0时，γo= γn

1-4假定进给工作平面pf，背平面pp，假定工作平面参考系刀具角度是如何定义的？在什么情况下γf= γo， γp= γo

答：假定工作平面Pf：过切削刃选定点，平行与假定进给运动方向并垂直于基面的平面

背平面Pp：过切削刃上选定点，同时垂直于假定工作平面和基面的平面。

假定工作平面参考系刀具角度定义了在基面中测量的主偏角和副偏角，在假定工作平面Pf中测量的侧前角和侧后角，背平面Pp中测量的背前角和背后角。

当刀具的主偏角为90度时， γf= γo，当刀具的主偏角为0度时γp= γo

1-6 poe系平面poe，pse，pre及工作角度γoe，αoe，κre，λse如何定义? 答：工作基面pre：过切削刃上选定点，垂直于合成切削速度的平面。

工作切削表面pse：过切削刃上选定点，和切削刃相切并垂直于工作基面的平面。

工作正交表面poe：过切削刃上选定点，同时垂直于工作基面和工作切削表面的平面。 γoe，αoe：在工作正交表面中测量的前刀面和工作基面的夹角为γoe，后刀面和工作切削表面

的夹角为αoe。

κre：在工作基面中测量的切削刃和进给运动方向的夹角。λse：在工作切削表面中测量的切削刃和工作基面的夹角。

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1-7已知用κr= 90°， κ’r= 2° γo=5° ，αo=12° ， λs=0 °的切断刀切断直径50mm棒料，若切削刃安装时高于工件中心0.2mm，试计算（不考虑进给运动的影响）切断后工件端面留下的剪断心柱直径。 解：在车床上进行切断加工时，若切削刃安装高于工件中心，加工过程中会使工作后角减小，若减小到

0°，切削刃将无切削作用。即后角的减小值ε=αo=12°时，对应的直径为剪断心柱直径。 D=2h/sinε=2×0.2/sin12=1.92mm

答：切断后工件端面留下的剪断心柱直径为1.92mm

1-8: 车削外径36mm，中径33mm、内径29mm、螺距6mm的梯形螺纹时，若使用刀具前角为0°、左刃后角αoL为12°，右刃后角αoR为6°，试问左右刃工作前、后角是多少？

f解：所加工梯形螺纹的螺旋升角为：

??artg ??dw

式中f=6mm，dw=36mm，计算得η=3.04°

在pf平面内，对左切削刃，工作前角增大了η，变为3.04°，工作后角减小了η，变为8.96°。 对右切削刃，工作前角减小了η，变为-3.04°，工作后角增大了η，变为9.04°。

1-9 车削直径80mm，长200mm棒料外圆，若选用ap=4mm，f=0.5mm，n=240r/min，刀具主偏角κr= 75°试问切削厚度，切削宽度，切削层公称横截面积为多少？ 解：

切削厚度：hD=f sin κr=0.5sin75=0.483mm 切削宽度：bD=ap/ sin κr=4/sin75=4.141mm 切削面积：AD=apf=4×0.5=2mm2

2-1刀具切削部分材料应具备哪些性能？

答：刀具材料应具备的性能 1、硬度，耐磨性 2、强度和韧性

3、耐热性（高温硬度，抗氧化，抗粘结，抗扩散） 4、热物理性能和热冲击性能，热冲击系数 5、工艺性 6、(经济性)

2-2普通高速钢有哪几种牌号？他们的主要物理、力学性能如何？适合于做什么刀具？ 答： W18Cr4V（W18），化学成分中含钨量18% 主要特点：

（1）综合性能较好

（2）淬火过热倾向小，热处理易控制，刃磨性能好 （3）含碳量高，塑性变形抗力大

（4）碳化物分布不均，剩余碳化物颗粒大（30μm （5）抗弯强度、韧性较低， 钨钼钢 W6Mo5Cr4V2（M2） 特点： 优点：

（1）碳化物细小均匀，机械性能好，可做大尺寸刀具； （2）热塑性好； （3）刃磨性好。

（4）热稳定性稍低于W18，V>40m/min时，性能稍差；

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（5）热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围较窄。 W9Mo3Cr4V

（1）热稳定性能高于M2

（2）碳化物均匀性接近M2，良好的热塑性； （3）脱碳倾向小于M2 （4）耐用度较高。

2-3高生产率高速钢有几种类型，与普通高速钢比较有什么特点？

答：高生产率高速钢有高碳高速钢，高钒高速钢，钴高速钢，铝高速钢等。 与普通高速钢比较有以下特点：

（1）硬度，耐磨性提高，当强度，韧性有所下降 （2）高温硬度提高

（3）钒高速钢刃磨难度大。

2-4 P、K、M硬质合金的色标是何颜色？ 答：P蓝色、 M黄色 、K红色

2-5常用硬质合金有哪些牌号？他们的用途如何？为什么？ 答：常用硬质合金有四大类：钨钴类（YG）、钨钛钴类（YT）、钨钛钽（铌）钴类（YT）和碳（氮）化钛类（YN）。

YG类常用牌号有： YG3X、YG6X、YG6、YG8。主要特点为：硬度较低、韧性高、导热性好，切削温度低、刃磨性好，刃口锋利。主要用于加工铸铁等脆性材料，或加工有色金属。 YT类的常用牌号有： YT5、YT14、YT15、YT30

主要特点为：硬度高， σ弯和αk较低，随着TiC含量的增加，其导热性、刃磨性、焊接性下降；耐热性好。主要用于加工钢。

YW类的常用牌号有： YW1、YW2。主要特点为：晶粒细化，提高σ弯、αk、σ-1和高温性能，同时保持较高的硬度。可加工铸铁和钢

YN类硬质合金的常用牌号有： YN05、YN10

主要性能为：硬度最高、耐磨性好；摩擦系数小，抗粘结能力好；耐热性好，化学稳定性高；抗弯强度，韧性不如WC基，易崩刃。

应用：高速精加工淬火钢，较长较大件。

2-6 涂层硬质合金有什么优点？有几种涂层材料？他们各有何特点？

答：涂层硬质合金一般选择YG类硬质合金为基体，韧性较好，而涂层一般要求硬度较高，耐磨性好，与金属亲和力小，高温下有良好的热稳定性，因此涂层硬质合金的主要优点有： （1）涂层比基体硬度高；

（2）涂层具有高的抗氧化性，抗粘结性，耐磨性，抗月牙洼磨损 （3）低的摩擦系数，可降低切削力，切削温度25% （4）耐用度提高1-3倍（WC）

常用涂层材料有：TiC、 TiN、 Al2O3

2-8陶瓷刀具材料有何特点？各类陶瓷刀具材料的适用场合如何？ 答：氧化铝基陶瓷刀具的特点及应用 （1）高硬度和耐磨性

（2）耐热性高，切削速度较硬质合金高2-5倍 （3）很高的化学稳定性：抗粘结，抗扩散；

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（4）较低的摩擦系数

（5）抗弯强度低：冷压纯Al2O3的σ弯为0.5GPa， （6）导热率低，热冲击性差

（6）主要用于高速精车、半精车铸铁及调质结构钢。 氮化硅基陶瓷刀具的特点及应用 （1）硬度不如氧化铝陶瓷， （2）较高的抗弯强度、韧性

（3）热稳定性：切削温度可达1300-1400度：

（4）较高的导热系数，较低的热膨胀系数，小的弹性模量，耐热冲击性能好于氧化铝陶瓷。 应用：加工铸铁，镍基合金。

三、补充练习

1、刀具在什么条件下工作？

答：刀具工作时，要承受很大的压力，同时，由于切削是产生的金属塑性变形以及在刀具、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。

另外，在加工脆性材料，断续切削，粗加工过程中，刀具切削部分要承受一定的冲击力的作用。

2、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方氮化硼各有何性能特点，适用于何处？

答：高速钢的特点：耐热温度低，切削速度低；强度高，工艺性最好。主要低速加工铸铁，结构钢

硬质合金的主要特点：

（1）随碳化物含量的提高，其熔点、硬度、耐磨性提高； （2）化学稳定性好，热稳定性好 （3）切削速度高

（4）抗弯强度低，冲击韧性低

主要应用：加工铸铁，结构钢，不锈钢，耐热合金，钛合金等 陶瓷刀具的主要特点：

（1）硬度高，耐磨性好，切削速度高 （2）热化学稳定性好，耐热温度高 （3）抗弯强度低，冲击韧性差 （4）导热性能差

主要应用：氧化铝基陶瓷刀具主要用于高速精车、半精车铸铁及调质结构钢；氮化硅基陶瓷刀具加工铸铁，镍基合金。 金刚石主要特点：

（1）具有极高的硬度和耐磨性 （2）切削刃可以刃磨得非常锋利 （3）导热性能非常好 （4）热稳定性能较低

（5）高温下和黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损应用：主要用于磨料，用作刀具时，多用于在高速下对有色金属及非金属进行精细车削，镗孔 3、常用高速钢有哪些牌号？其化学成分和性能特点如何？目前通过那些途径提高高速钢的切削性能？

答： W18Cr4V（W18），化学成分中含钨量18% 主要特点：

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（1）综合性能较好

（2）淬火过热倾向小，热处理易控制，刃磨性能好 （3）含碳量高，塑性变形抗力大

（4）碳化物分布不均，剩余碳化物颗粒大（30μm （5）抗弯强度、韧性较低， 钨钼钢 W6Mo5Cr4V2（M2） 特点： 优点：

（1）碳化物细小均匀，机械性能好，可做大尺寸刀具； （2）热塑性好； （3）刃磨性好。

（4）热稳定性稍低于W18，V>40m/min时，性能稍差； （5）热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围较窄。 W9Mo3Cr4V

（1）热稳定性能高于M2

（2）碳化物均匀性接近M2，良好的热塑性； （3）脱碳倾向小于M2 （4）耐用度较高。

W2Mo9Cr4VCo8（M42）

（1）67-69HRC，600 ℃时，55HRC （2）含V量低，刃磨性好 （3）含Co，成本高

（4）综合性能好，应用广泛

（5）可加工耐热钢、不锈钢，加工材料硬度越高，效果越明显。 W6Mo5Cr4V2Al（501）

（1）Al的作用：提高高温硬度，热塑性与刃性，高温形成Al2O3，减轻粘刀。（提高W,Mo的溶解度，组织晶粒长大）

（2）600 ℃时，54HRC；抗弯强度2.9-3.9GPa， （3）成本低 （4）刃磨性差

（5）切削性能优良：加工30-40HRC调质钢，耐用度较HSS高3-4倍。目前提高高速钢切削性能的主要途径有：

（1）在通用性高速钢成分中再增加含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素 （2）采用粉末冶金的方法制备高速钢

4、常用硬质合金有哪几大类，各有哪些常用牌号，其性能特点如何？加工钢料和加工铸铁、粗加工和精加工应如何选择硬质合金？为什么？ 答：常用硬质合金有四大类：钨钴类（YG）、钨钛钴类（YT）、钨钛钽（铌）钴类（YT）和碳（氮）化钛类（YN）。

YG类的主要特点为：硬度较低、韧性高、导热性好，切削温度低、刃磨性好，刃口锋利，常用牌号有： YG3X、YG6X、YG6、YG8。

YT类的主要特点为：硬度高， σ弯和αk较低，随着TiC含量的增加，其导热性、刃磨性、焊接性下降；耐热性好。常用牌号有： YT5、YT14、YT15、YT30

YW类的主要特点为：晶粒细化，提高σ弯、αk、σ-1和高温性能，同时保持较高的硬度。 粗加工加工钢料时，应选择耐热温度高，有一定抗冲击性能的硬质合金，如YT5,YG3

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