第二章金属切削原理与刀具1

1、 金属切削加工就是用具有一定几何形状的刀具把工件毛坯上的一部分金属材料（统称余量）切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对的切削运动，因此，掌握切削运动、刀具几何角度、切削用量和切削层参数等的基本定义，是学习本课程的基础。本章主要以外圆车削为例来讨论这些问题，但其定义也适于其它切削加工方法。 第二章 金属切削原理与刀具第一节第一节 刀具的结构刀具的结构一、切削运动与切削要素二、刀具角度三、刀具种类1.1.切削运动切削运动 刀具与工件间的相对运动称为切削运动，即表面成形运动。切削运动可分解为主运动和进给运动。图2-1 切削运动与切削表面一、切削运动与切削要素 切削运动及

2、其方向用切削运动的速度矢量表示： Ve=Vc+Vf1.1 主运动 主运动是切削时的主要运动。主运动可以由刀具完成,也可以由工件完成，其运动形式通常为旋转运动或直线运动, 如车削时工件的旋转运动，铣削时铣刀的旋转运动，钻削时钻头的旋转运动。一般地讲，主运动的速度最高，消耗的功率也最大，主运动只有一个。1.2 进给运动 进给运动是将被切削金属层不断地投入切削，以切除工件表面上全部余量的运动。进给运动可以有一个或几个。进给运动由刀具或工件完成，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动。其运动形式一般有直线、旋转或两者的合成运动，它可以是连续的或断续的，消耗的功率也比主运动要小得多。 1.3 工件表面

3、 切削加工过程中，工件上有三个不断变化着的表面。 （1）已加工表面 工件上经刀具切削后产生的表面。 （2）待加工表面 工件上有待切除切削层的表面。 （3）过渡表面 主切削刃正在加工的表面称为过渡 表面，它是待加工表面与已加工表面的连接表面。2.2.切削要素切削要素包括切削用量和切削层的几何参数包括切削用量和切削层的几何参数(1)切削用量：切削时各参数的合称。1)切削速度vc2)进给量f3)背吃刀量（切削深度）p图2-1 切削运动与切削表面切削速度切削速度v vc c 切削速度，单位时间内，刀具和工件在主运动方向上的相对位移，是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。当主运动为旋转运动时，即

4、为刀具或工件最大直径处的切削速度，由下式确定式中 vc 切削速度（m/s ）； d 完成主运动的刀具或工件的最大直径（mm ）； n 主运动的转速（r/min ）当主运动为往复直线运动（如刨削），则式中L 往复直线运动的行程速度（mm ）；nr 主运动每秒或每分钟的往复次数（次/min ）1000*60dnvcp=21000*60rLnvc=图2-1 切削运动与切削表面 进给量进给量f f 进给量是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对工件在进给运动方向上的移动量。车削时的进给量 是工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量，单位为 mm/r ，其进给速度vf为 vf =nf=nzfz

5、 式中 vf 进给速度（mm/s）。 对于铣刀、铰刀等多齿刀具，还规定每齿进给量fz ，即多齿刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的相对位移，单位为mm/齿。图2-1 切削运动与切削表面 背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度） 切削深度是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。车削时 式中切削深度（ ）； 工件待加工表面直径（ ）； 工件已加工表面直径（ ）。pa2wmpdda=pawdmdmmmmmm图2-1 切削运动与切削表面图2-2 切削用量与切削层数1）切削宽度w 沿主切削刃方向度量的切削层尺寸（mm）， aw=ap/sinkr2)切削厚度c 两相邻加工表面间的垂直距离（

6、mm） ac=fsinkr3)切削面积Ac 切削层垂直于切削速度截面内的面积（mm2） Ac=awac=apf 切削时，沿进给运动方向移动一个进给量所切除的金属层称为金属切削层。通过切削刃基点（通常指主切削刃工作长度的中点）并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。在切削层尺寸平面内测定的切削层尺寸几何参数则称为切削层尺寸平面要素。(2)切削层几何参数（以车外圆为例说明） 刀具的种类刀具的种类 生产中所使用的刀具种类很多，按加工方式和具体用途分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型； 按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立

7、方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等； 按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。常用刀具具体的结构、特点及使用等将后续章节中介绍。二、刀具角度 刀具的几何参数刀具的几何参数 各种刀具的切削部分在切削中所起的作用都是相同的，因此在结构上它们有着许多共同的特征。其中外圆车刀是最基本、最典型的切外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具削刀具，其它各种刀具都可看成是车刀的演变和组合，因此以普通外普通外圆车刀圆车刀为例说明刀具切削部分的组成，并给出切削部分几何角度的一般性定义。图2-3 车刀的组成1.1.刀具切削部分的组成刀具切削部分的组成前刀面前刀面：刀具

8、上切屑沿其流出的表面。主后刀面主后刀面： 刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面，也是切削过程中与过渡表面过渡表面相对的刀具表面。副后刀面：副后刀面：刀具上同前刀面相交形成副切削刃的表面，也是切削过程中与已加工表面已加工表面相对的刀具表面。主切削刃：主切削刃：刀具前刀面与主后刀面的交线。它承担着主要的切削工作。副切削刃：副切削刃：刀具前刀面与副后刀面的交线。它的一小部分也参与切削，主要起修光作用。刀尖：刀尖：主切削刃与副切削刃的交点。实际上刀尖是一段圆弧过渡刃。2.刀具角度的参考平面测量刀具角度的参考系测量刀具角度的参考系用于确定刀具几何角度的参考系主要有两大类:一类是用于定义刀具在设计、制造、

9、刃磨和测量时刀具几何角度的参考系，称为刀具静止参考系刀具静止参考系，在刀具静止参考系中定义的刀具角度称为刀具的标注角度刀具的标注角度。另一类是规定刀具在进行切削加工时几何参数的参考系，称为刀具工作参考系刀具工作参考系，该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对刀具几何角度的影响，在该参考系中定义和测量的刀具角度称为刀具的工作角度刀具的工作角度。图2-5 确定车刀角度的参考平面刀具静止参考系主要由以下基准坐标平面组成：切削平面、基面、正交平面刀具静止参考系主要由以下基准坐标平面组成：切削平面、基面、正交平面 a） 基面基面 通过主切削刃选定点并与该点切削速度相垂直的平面。 b） 切削平面切削平面 通

10、过切削刃选定点与工件加工表面相切的平面。对应于主切削刃和副切削刃的切削平面分别称为主切削平面 和副切削平面 。 c） 正交平面正交平面 通过主切削刃选定点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。rPSPSPOP d） 法平面法平面 通过主切削刃选定点并与主切削刃相垂直的平面。 e） 假定工作平面假定工作平面 通过主切削刃选定点与基面垂直，且与假定进给方向平行的平面。 f） 背平面背平面 通过主切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。nPfPpP 切削平面、基面和正交平面共同组成标注角度的正交平正交平面参考系面参考系，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。

11、3.刀具的标注角度(1)前角o(2)后角o 副后角o(3)主偏角r(4)副偏角r(5)刃倾角s图2-6 车刀的主要角度注：此处的标注角度是在刀尖与工件回转轴注：此处的标注角度是在刀尖与工件回转轴线等高、刀杆纵向轴线垂直与进给方向、并线等高、刀杆纵向轴线垂直与进给方向、并且不考虑进给运动的影响等条件下描述的。且不考虑进给运动的影响等条件下描述的。 a）前角）前角 在正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90时，前角为正，大于90时，前角为负。主要影响主切削刃的锋利程度和刃口强度主要影响主切削刃的锋利程度和刃口强度。 b）后角后角 在正交平面中测量的主后刀面与切削平面间

12、的夹角。当后刀面与基面间的夹角小于90时，后角为正值，大于90时，后角为负值。后角表示主后面的倾斜程度， 主要影响刀具主后刀面与工件表面之间的摩擦，并配合前角改变切主要影响刀具主后刀面与工件表面之间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利程度与刃口强度。削刃的锋利程度与刃口强度。 OO c）主偏角主偏角 在基面中测量的主切削刃在基面的投影与进给运动方向的夹角。主要影响切削刃工作长度和背向力的大小。 d）副偏角副偏角 在基面中测量的副切削刃在基面上的投影平面与进给运动方向间的夹角。主要影响已加工表面的粗糙度。 e e）刃倾角）刃倾角 在切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角主要影响切屑流向及

13、刀尖强度。rrs 刃倾角主要影响切屑流向及刀尖强度。刃倾角主要影响切屑流向及刀尖强度。 当刀尖相对车刀刀柄安装面处于最高点时，刃倾角为正值； 刀尖处于最低点时，刃倾角为负值； 当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为零度，此时切削刃在基面内。刃倾角对排屑的影响如图1-7所示。图1-7 刃倾角及其对排屑方向的影响 除了以上五个基本角度外，刀具还有刀尖角、楔角两个派生角度。 楔角（楔角（0 0） 前刀面与主后刀面间的夹角，0=90（0+ ）。 刀尖角（刀尖角（r r） 主切削平面与副切削平面间的夹角。O作业作业1。画出45弯头外圆车刀（主偏角r=45，r=45），并标出刀具的独立角度。己知：o=8，o

14、=6,o= -5, s= -5。2。画出90弯头外圆车头的各独立角度。 P19 图2-12（c）3。画出端面车刀的各独立角度 P19 图2-12（d）4.刀具的工作角度 为了较合理地表达在切削过程中起作用的刀具角度，应按合成切削运动方向合成切削运动方向来定义和确定刀具的参考系及其角度，即刀具工作参考系和工作角度。以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。 由于通常的进给速度远小于主运动速度，因此，在一般的安装条件下，刀具的工作角度近似等于标注角度(误差不超过l%)。这样，在大多数场合下(如普通车、镗孔、端铣、周铣)不必进行工作角度的计

15、算。只有在角度变化值较大时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时，研究钻心附近的切削条件或刀具特殊安装时)，才需要计算工作角度。刀具工作参考系刀具工作参考系 工作基面 指过切削刃上选定点并与合成切削速度 垂直的平面。 工作切削平面 指过切削刃上选定点与工件加工表面相切的平面。 工作正交平面 指过切削刃上选定点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。 rePevsePoeP 下图所示三把刀具的标注角度完全相同，但由于合成切削运动方向不同，后刀面与加工表面之间的接触和摩擦的实际情形有很大的不同： 图(a)，刀具后刀面同工件已加工表面之间有适宜的间隙，切削情况正常； 图(b)，刀具的背棱顶在已加工表面上，切

16、削刃无法切入，切削条件被破坏。可见，在这种场合下，只考虑主运动的假定条件是不合适的，还必须考虑进给运动速度的影响，也就是必须考虑合成切削运动方向来确定刀具工作角度的参考系；图(c)，刀具后刀面与已加工表面全面接触，摩擦严重。 同样，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有采用刀具工作角度的参考系，才能反映切削加工的实际。(b)(a)(c)(1)刀具安装位置对工作角度的影响后角后角 前角前角图2-8 车刀安装高度对工作角度的影响a)刀尖高于工件轴线 b)刀尖低于工件轴线后角后角 前角前角图2-9 车刀安装偏斜对工作角度的影响(为切削时刀杆纵向轴线的偏转角)4.刀具的工作角度图2-10 纵向进给

17、运动对工作角度的影响(2)进给运动对工作角度的影响图2-11 横向进给运动对工作角度的影响4.刀具的工作角度后角后角 前角前角后角后角 前角前角车削时，进给量比工件直径小很多，对工作角度影响不大；当车端面、切断和车外圆进给量较大时，对工作角度影响较大；1.刀具分类 按加工方式和具体用途，可分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型； 按所用材料性质，可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金刚石刀具等； 按结构形式，可分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等； 按是否标准化，可分为标准刀具和非标准刀具等。三、刀具种

18、类(1) 车刀图2-12 常用的几种车刀a)直头外圆车刀b)45弯头外圆车刀c)90弯头外圆车刀d)端面车刀e)内孔车刀f)切断刀g)宽刃光刀2.常用刀具简介车刀的结构形式车刀的结构形式整体式（整体式（HSS)、焊接式、机械夹固式（重磨式、可转位式）、焊接式、机械夹固式（重磨式、可转位式）刀片夹紧方式：刀片夹紧方式：（1）上压式）上压式 夹紧力大，夹紧力大， 定位可靠，阻碍流屑定位可靠，阻碍流屑（2）偏心式）偏心式 结构简单，结构简单， 不碍流屑，夹紧力不大不碍流屑，夹紧力不大（3）综合式）综合式 夹紧力大，夹紧力大， 耐冲击，结构复杂耐冲击，结构复杂可转位式车刀的组成：可转位式车刀的组成：可

19、转位刀片、刀垫、刀杆、夹紧机构可转位刀片、刀垫、刀杆、夹紧机构切削性能好，辅助时间短，生产率高切削性能好，辅助时间短，生产率高车刀的几何参数车刀的几何参数（1）切削角度）切削角度 六个主要角度：六个主要角度： 主偏角、副偏角、前角、后角、主偏角、副偏角、前角、后角、副后角、刃倾角副后角、刃倾角（2）其它几何参数的选择）其它几何参数的选择 过渡刃、刀刃钝圆半径、副倒棱等过渡刃、刀刃钝圆半径、副倒棱等 孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工用的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。(2)孔加工刀具2.常用刀具简

20、介锪削加工沉头孔和孔端面的凸台。锪削加工沉头孔和孔端面的凸台。 1）工作部分）工作部分 分切削部分和导向部分。分切削部分和导向部分。两个前刀面、两个后刀面、两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两个主刃、两个副后刀面、两个主刃、两个副刃、一个横刃。两个副刃、一个横刃。钻芯直径朝柄部方向递增。钻芯直径朝柄部方向递增。 2）柄部）柄部 夹持部分，有直柄和锥柄。夹持部分，有直柄和锥柄。 3）颈部）颈部 用于磨柄部时砂轮的退刀。用于磨柄部时砂轮的退刀。（2）麻花钻的修磨）麻花钻的修磨前角从前角从30到到30,横刃长前角横刃长前角55，定心差，轴向力大，刚性差，排屑定心差，轴向力大，刚性差，排屑困难困难

21、磨短横刃增大前角，修磨主刃顶角磨短横刃增大前角，修磨主刃顶角分屑槽分屑槽标准高速钢麻花钻由工作部分、颈部及柄部三部分组成。标准高速钢麻花钻由工作部分、颈部及柄部三部分组成。图2-15 麻花钻的结构 麻花钻的工作部分：麻花钻的工作部分： 6 6面面1 1横刃横刃2 2主切削刃主切削刃2 2副切削刃副切削刃4 4刀尖刀尖 三尖七刃锐当先三尖七刃锐当先 使圆弧刃、内直刃、横刃的前角增大。使圆弧刃、内直刃、横刃的前角增大。 月牙弧槽分两边月牙弧槽分两边 定心、导向、便于冷却液浇注。定心、导向、便于冷却液浇注。 一侧外刃开屑槽一侧外刃开屑槽 大直径钻头的断屑。大直径钻头的断屑。 横刃磨低窄又尖横刃磨低窄

22、又尖 横刃的进给力下降横刃的进给力下降35%35%50%50%。 图2-19 扩孔钻a)高速钢整体式 b)镶齿套式 c)镶硬质合金可转位式2.常用刀具简介 图2-17 中心钻钻孔钻孔扩孔扩孔铰孔铰孔刀齿数刀齿数/ /横刃横刃2/2/有有3 3 4/4/无无多多/ /无无加工余量加工余量大大中中小小切削平稳切削平稳差差较好较好好好加工精度加工精度低低中中高高加工属性加工属性粗加工粗加工半精加工半精加工精加工精加工钻、扩、铰孔的工艺特点比较a、b 手用铰刀c、d 机用铰刀e 锥度铰刀图2-20 不同种类的铰刀图2-21 单刃镗刀2.常用刀具简介(3)铣刀2.常用刀具简介 铣刀旋转为铣刀旋转为主运动

23、主运动，工件或铣刀的移动为，工件或铣刀的移动为进给运动进给运动。 可加工平面、台阶面、沟槽、成形面等，多刃切削效率高可加工平面、台阶面、沟槽、成形面等，多刃切削效率高铣刀的分类铣刀的分类（1）加工平面用铣刀）加工平面用铣刀（2）加工沟槽用铣刀）加工沟槽用铣刀（3）加工成形表面用铣刀）加工成形表面用铣刀 单面刃、双面刃、三单面刃、双面刃、三 面刃、错齿三面刃面刃、错齿三面刃（4） 加工复杂成形表面用铣刀加工复杂成形表面用铣刀(4) 拉刀2.常用刀具简介图2-24 常用内拉刀a)圆孔拉刀 b)花键拉刀图2-25 外拉刀 螺纹可用切削法和滚压法进行加工。图2-26 切削法工作的螺纹刀具a)平体螺纹梳

24、刀 b)棱体螺纹梳刀 c)圆体螺纹梳刀 d)板牙 e)丝锥(5)螺纹刀具2.常用刀具简介齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。图2-27 盘形齿轮铣刀(6)齿轮刀具 图2-28 插齿刀a)盘形直齿插齿刀 加工普通直齿轮和大直径内齿轮b)碗形直齿插齿刀加工塔形齿轮和双联齿轮c)锥柄直齿插齿刀加工直齿内齿轮2.常用刀具简介图2-29 滚刀图2-30 两种典型的剃齿刀（齿轮精加工刀具）2.常用刀具简介齿面上开有许多形成切削刃的窄槽齿面上开有许多形成切削刃的窄槽 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。 金属切削

25、时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。即刀具切削部分是在高温、刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能。第二节第二节 刀具材料刀具材料一、刀具材料应具备的性能（1 1） 硬度高硬度高 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料的常温硬度必须HRC62以上。（2 2） 足够的强度和韧性足够的强度和韧性 刀具切削部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击力，因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。（3 3） 耐磨性和耐热性好耐磨性

26、和耐热性好 刀具在切削时承受着剧烈的摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐磨性。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系，其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的能力来衡量（热硬性）。耐热性越好，允许的切削速度越高。（4 4）导热性好）导热性好 刀具的材料热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。（5 5） 具有良好的工艺性和经济性具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。刀具切削部分材料应具备的基本性能：刀具切削部分材料应具备的基本性能：种类常用牌号硬度HRC（HRA）抗

27、弯强度（ GPa）热硬性（C）工艺性能用途碳素工具钢T 8 A 、T10AT12A6064（8183）2.452.752 0 0 250可冷热加工成形，刃磨性能好用于手动工具，如锉刀、锯条、錾子等合金工具钢9siCr、CiWMn6065（8184）2.452.752 5 0 300可冷热加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于低速成形刀具，如丝锥、板牙、铰刀等常用刀具材料常用刀具材料 刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表2-1 W表1-1常用刀具材料的主要性能及用途高 速钢W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.4

28、34.415 5 0 600可 冷 热 加 工成 形 ， 刃 磨性 能 好 ， 热处理变形小用于机动复杂的中速刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等硬质合金（YG类）K类（YT类）P类（YW类）M类6981（8993）1.082.168 0 0 1100粉 未 冶 金 成形 ， 只 能 磨削 加 工 不 能热 处 理 ， 多镶 片 使 用 ，较脆 用于机动简单的高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀刀片陶瓷S G 4 、AT6（9394）15002100HV0 . 4 1.1151200压 制 烧 结 成形 ， 只 能 磨削 加 工 ， 不需 热 处 理 ，脆 性 略 大 于硬质合金多用于车刀，适宜精加工连

29、续切削表2-1常用刀具材料的主要性能及用途立 方碳 化硼（CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高温高压烧结成形，硬度高于陶瓷，极脆，可用金刚石砂轮磨削，不需热处理用于加工高硬度、高强度材料（特别是铁族材料）人 造金 刚石 10000HV0.421.07 0 0 800硬度高于CBN，极脆用于有色金属的高精度、低粗糙度切削，也用于非金属精密加工，不切削铁族金属表2-1常用刀具材料的主要性能及用途（1 1） 高速钢高速钢 高速钢是一种含钨（高速钢是一种含钨（W W）、钼（）、钼（M MO O）、铬（）、铬（CrCr）、钒（）、钒（V V）等合金元素较多的高合

30、金工具钢。等合金元素较多的高合金工具钢。由于合金元素与碳原子的结合力很强，使钢在550600时仍能保持高硬度，从而使切削速度比碳素工具钢和合金工具钢成倍提高，故得名“高速钢”，又名“风钢”或“锋钢”。 高速钢刀具制造工艺简单，容易磨出锋利的刃口，广泛广泛用于制造切削速度较高、形状复杂的刀具，如钻头、丝锥、用于制造切削速度较高、形状复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀及齿轮刀具等。成形刀具、拉刀及齿轮刀具等。 高速钢按化学成分可分为钨系、钼系（含MO2%以上）；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢。 普通高速钢普通高速钢 普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：a） W1

31、8Cr4VW18Cr4V（简称（简称W18W18） 属钨系高速钢，具有较好属钨系高速钢，具有较好的切削性能，是我国最常用的一种高速钢。的切削性能，是我国最常用的一种高速钢。 b b） W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（简称（简称M2M2） 属钼系高速钢，碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但其磨削性能较差，我国目前主要用于热轧刀具，如麻花钻等。我国目前主要用于热轧刀具，如麻花钻等。c） W9Mo3Cr4V（简称W9） 是一种含钨量较多，含钼量较少的钨钼系高速钢。其碳化物不均匀性介于W18和M2之间，但抗弯强度和冲击韧度高于M2。具有较好的硬度和韧性，其热塑性也很好，可

32、用于制造各种刀具（如锯条、钻头、拉刀、铣刀、齿轮刀具等）。 高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，用调整其基本化学成分和添加一些其它合金元素（如钒、钴、铅、硅、铌等）的办法，着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。它主要用来加工不锈钢、耐热钢、高温合金和超高强度钢等难加工材料。主要有以下几种：a） 钴高速钢 钴高速钢是在高速钢中加入钴，常用牌号是W2Mo9Cr4Co8（简称M42），具有良好的综合性能，允许的切削速度较高，有一定的韧性，可磨削性好，可用于切削高温合金、不锈钢等难加工材料。b）铝高速钢 是我国独创的钢种，加入了少量的铝不但提高了钢的耐热性和耐磨性，而且还能防止含碳量高引

33、起的强度、韧性下降。但由于含钒量较多，其磨削加工性较差，过热敏感性强，氧化脱碳倾向较大，使用时要严格掌握热处理工艺。常用牌号有W6Mo5Cr4V2Al（简称501）和W10Mo4Cr4V3Al（简称5F6）（2 2） 硬质合金硬质合金 硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（WCWC、TiCTiC、NbCNbC、TaCTaC等）作硬质相，用钴、钼或镍等作粘结相，等）作硬质相，用钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉末，按一定比例混合，压制成型，在高温高压下研制成粉末，按一定比例混合，压制成型，在高温高压下烧结而成。烧结而成。 硬质合金的常温硬度很高常温硬度很高（

34、8993HRA，相当于7882HRC）。耐熔性好耐熔性好，热硬性可达8001000以上，允许的切削速度比高速钢提高47倍，刀具寿命高58倍，是是目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。但它的抗弯强度和韧性均较低，性脆，怕冲击和振动抗弯强度和韧性均较低，性脆，怕冲击和振动，工艺性也不如高速钢。因此，硬质合金常制成各种形状的刀片焊接或夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀体上使用。 我国目前常用的硬质合金主要有以下三类： 钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金 （YGYG类）类） K K类类-红色红色 由WC和Co组成，代号为代号为YGYG。常温硬度为8991HR

35、A，耐热性达800900，适用于加工切屑呈崩碎状的脆性材适用于加工切屑呈崩碎状的脆性材料。如铸铁。常用牌号有料。如铸铁。常用牌号有YG3YG3、YG6YG6和和YG8YG8等等，其中数字表其中数字表示含示含CoCo的百分比，其余为含的百分比，其余为含WCWC的百分比。的百分比。钴在硬质合金中起粘结作用，含Co愈多的硬质合金韧性愈好，所以 钨钛钴类硬质合金钨钛钴类硬质合金 （ YTYT类）类）P P类类-蓝色蓝色 由WC、TiC和Co组成，代号为代号为YTYT。此类硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性（9001000）均比YG类合金高，但抗弯强度和冲击韧度降低。主要适于加工切屑呈带状的主要适于加工切屑

36、呈带状的钢料等韧性材料，如钢类。钢料等韧性材料，如钢类。常用牌号有YT30YT30、YT15YT15和和YT5YT5等，数字表示含等，数字表示含TiCTiC的百分比。的百分比。故故YT30YT30适于对钢料的精加适于对钢料的精加工和连续切削，工和连续切削，YT15YT15适于半精加工，适于半精加工，YT5YT5适于粗加工和断适于粗加工和断续切削。续切削。 钨钛钽（铌）钴类硬质合金钨钛钽（铌）钴类硬质合金 （YWYW类）类） K K类类-黄色黄色 又称通用合金，由WC、TiC、TaC（NbC）TCo组成，代号代号为为YWYW。其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大提

37、高。常用牌号有YW1和YW2，这两种硬质合金都具有YG类硬质合金的韧性，比YT类硬质合金的抗刃口剥落能力强。由于YWYW类硬质合金的综合性能较好类硬质合金的综合性能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。（3） 其它刀具材料 陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂。也是采用粉末冶金工艺方法经制粉，压制烧结而成。 陶瓷刀具有很高的硬度（9195HRA）和耐磨性，刀具耐用度高；有很好的高温性能，化学稳定性好，与金属亲和力小，抗粘结和抗扩散能力好；

38、具有较低的摩擦系数，在高速精车和精密铣削时，被加工工件可获得镜面效果。陶瓷刀具的最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧度低，陶瓷刀具的最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧度低，承受冲击负荷的能力差。承受冲击负荷的能力差。 主要用于对钢料、铸铁、高硬材料（如淬火钢等）连主要用于对钢料、铸铁、高硬材料（如淬火钢等）连续切削的半精加工或精加工。续切削的半精加工或精加工。 人造金刚石人造金刚石 人造金刚石是在高温高压和金属触媒作用的条件下，由石墨转化而成。 金刚石刀具的性能特点是：有极高的硬度和耐磨性，切削刃非常锋利，有很高的导热性。但耐热性较差，且强但耐热性较差，且强度很低。度很低。 主要用于高速条件下精

39、细车削及镗削有色金属及其合金和非金属材料。但由于金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力，故金刚石刀具不适合加工铁族材料。金刚石刀具不适合加工铁族材料。 立方氮化硼（简称立方氮化硼（简称CBNCBN） 是用六方氮化硼（俗称白石墨）为原料，利用超高温高压技术，继人造金刚石之后人工合成的又一种新型无机超硬材料。 其主要性能特点是：硬度高（高达80009000HV），耐磨性好，能在较高切削速度下保持加工精。热稳定性好，化学稳定性好，且有较高的热导率和较小的摩擦系数，但其强度和韧性较差。 主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行半精加工和精加工。半精加

40、工和精加工。天然金刚石（天然金刚石（NDND）刀具）刀具聚晶金刚石（聚晶金刚石（PCDPCD）、聚晶立方氮化硼（）、聚晶立方氮化硼（PCBNPCBN）刀具）刀具 金属切削过程金属切削过程: :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。 在这一过程中产生了一系列的现象，如切削变形、切削切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损力、切削热与切削温度、刀具磨损等。 研究诸现象的成因、作用和变化规律，并掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量，减少能量消耗，提高生产率和促进生产技术发展等方面起着重要的作用。 第三节第三节 金属切削过程及其

41、物理现象金属切削过程及其物理现象一、切削过程及切屑种类 1 切削变形切削变形 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较： 如下图（a）所示,塑性金属受压缩时,随着外力的增加,金属先后产生弹性变形、塑性变形,并使金属晶格产生滑移,而后断裂； 如下图（b）所示,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也产生塑性变形。金属的压缩与切削 （a）压缩 （b）切削 切削过程中产生的诸现象均与金属层变形密切相关。为了进一步分析研究切削层变形的特殊规律,通常把切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区： 第第变形区变形区 也称为基本变形区也称为基本变形

42、区，近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；金属的剪切滑移变形，基本变形区的变形最大； 第第变形区变形区 也称为摩擦变形区也称为摩擦变形区，与前刀面接触的切屑层内产生的塑性变形区；金属的挤压摩擦变形； 第第变形区变形区 也称为加工表面变形区也称为加工表面变形区，近切削刃处已加工表层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形。 如图c，三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而且复杂，金属的背切削层在此与工件基体发生分离，大部分变成切屑。（c）三个变形区1.1 1.1 切屑的形成及变形特点切屑的形成及变形特点 (1)(1)第一变形区金属的剪切滑移变形第一变形区金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作用，经过第

43、一变形区的塑性变形后形成了切屑。下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。 切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。 晶粒滑移示意晶粒滑移示意滑移与晶粒的伸长滑移与晶粒的伸长 如图：切削层金属在始滑移面如图：切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形，越靠近以左发生弹性变形，越靠近OA面，弹性变形越大。面，弹性变形越大。在在OA面上，应力达到材料的面上，应力达到材料的屈服点屈服点s , 则发生塑性变形则发生塑性变形,产生滑移现象。产生滑移现象。 在滑移面在滑移面OM上，应力和变形上，应力和变形达到最大值。达

44、到最大值。 越过越过OM面，切削层金属将脱面，切削层金属将脱离工件基体，沿着前面流出切离工件基体，沿着前面流出切屑，完成切离过程。屑，完成切离过程。 经过塑性变形的金属，其晶粒经过塑性变形的金属，其晶粒沿大致相同的方向生长。沿大致相同的方向生长。金属金属切削过程实际上是一种挤压过程。切削过程实际上是一种挤压过程。 取金属内部质点P来分析滑移过程： P点移到1位置时,产生了塑性变形。即在该处剪应力达到材料的屈服极限,在1处继续移动到1处的过程中,P点沿最大剪应力方向的剪切面上滑移至2处,之后同理继续滑移至3、4处,离开4处后,就沿着前刀面方向流出而成为切屑上一个质点。 在切削层上其余各点,移动至

45、AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.020.2mm，所以常用AB滑移面来表示第一变形区，AB面亦称为剪切面。 切屑形成过程 质点滑移过程 flash第第变形区就是形成变形区就是形成切屑的变形区，其变切屑的变形区，其变形特点是切削层产生形特点是切削层产生剪切滑移变形剪切滑移变形。（2 2）第二变形区内金属的挤压摩擦变形）第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形区后,形成的切屑要沿前刀面方向排出,还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力

46、。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形(第二变形区的变形)这个变形主这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里, ,表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。这种作用离前刀面愈远影响愈小。 (3)(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑2 2 切屑的类型切屑的类型 由于工件材料材料不同，切削条件切削条件不同，切削过程的变形切削过程的变形也不同，所形成的切屑多种多样。 通常将切屑分为四类： 带状切屑；挤裂切屑；单

47、元切屑;崩碎切屑(1)1)带状切屑带状切屑 它是经过上述塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状。 加工塑性金属材料加工塑性金属材料例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金，当切削厚度较小，当切削厚度较小，切削速度较高、刀具前角较大时切削速度较高、刀具前角较大时，常得到这类切屑。 其切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面的表面粗糙度值较小。 (2)(2)挤裂切屑挤裂切屑 在形成切屑的过程中,剪切面上局部位置处的剪应力达到材料的强度极限,使切屑上与前刀面接触的一面较光洁,其背面局部开裂成节状。切削切削黄铜或用低速切削钢黄铜或用低速切削钢,当切削厚度较大，切削速度较低、刀具前角较小时当切削厚度较大，切削速度较低、

48、刀具前角较小时，常得到这类切屑较易得到这类切屑。 (3)(3)单元切屑单元切屑 当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏,使切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。屑。 (4)(4)崩碎切屑崩碎切屑 在切削脆性金属时在切削脆性金属时, ,例如铸铁、黄铜等材料例如铸铁、黄铜等材料, ,切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂,得到的切屑呈不规则的细粒状。 切屑的类型是由材料的应力切屑的类型是由材料的应力- -应变特性和塑性变形程度决应变特性和塑性变形程度决定的。定的。如加工条件相同，塑性高的材料不易断裂，易形成带

49、状切屑；改变加工条件（如减小前角，或加大切削厚度），使材料产生的塑性变形程度随之变化，切屑的类型便会相互转化，当塑性变形尚未达到断裂点就被切离时出现了带状切屑,变形后达到断裂就形成挤裂切屑或单元切屑。 因此，在生产中常利用切屑转化条件，使之得到较为有利的屑型。切屑控制：切屑控制：在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出和折断，使之形成“可接受”的良好切屑。 国国际际标标准准化化组组织织的的切切屑屑分分类类法法国国际际标标准准化化组组织织的的切切屑屑分分类类法法带状屑：带状屑： 高速切削塑性金属，高速切削塑性金属，一般应力求避免一般应力求避免C C形屑形屑 ： 切削一般碳钢和合金切削一般

50、碳钢和合金钢时，采用带卷屑钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，槽的车刀时易得，较好较好长紧卷屑：长紧卷屑： 普通车床上较好普通车床上较好发条状卷屑：发条状卷屑： 重型机床上较好重型机床上较好宝塔状卷屑：宝塔状卷屑： 自动机或自动线上较自动机或自动线上较好好螺卷屑螺卷屑 ： 崩碎屑崩碎屑 ： 研究表明，工件脆性越大、切屑厚度越大、切研究表明，工件脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越大，切屑就越容易折断。屑卷曲半径越大，切屑就越容易折断。切屑控制的方法切屑控制的方法1）采用断屑槽）采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动的金属施加一定的约束力，可使切屑应变增大，切屑蜷曲半径减小。断屑槽的形状有折线形、直线圆

51、弧形、全圆弧形。2）改变刀具角度）改变刀具角度 增大主偏角，切削厚度变大，有利于断屑； 减小前角，可使切屑变形加大，切屑易于折断。 刃倾角可改变切屑的流向。3）调整切削用量）调整切削用量 提高进给量可使切削厚度增大，有利于断屑，但增大进给量会使表面粗糙度增大； 适当降低切削速度可使切削变形增大，有利于断屑，但会降低切除效率。3.积屑瘤现象 在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2-3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替切削刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。图2-34

52、 积屑瘤现象积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响： 1. 代替刀具切削，保护刀具代替刀具切削，保护刀具 2. 增大前角，减小变形和力增大前角，减小变形和力 3. 产生过切及犁沟，产生过切及犁沟，精度精度 4. 增大已加工表面粗糙度增大已加工表面粗糙度积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：降低工材塑性；降低工材塑性；合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等 如图所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，经测定它的硬度为金属母体的23倍，积屑瘤高出前刀面0.369mm、凸出后刀面0.

53、057mm、宽1.138mm，在切削时形成了实际前角3227(有的可达40)。积屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时（图中R0.134 mm），会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘 附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。积屑瘤的形成有许多解释：积屑瘤的形成有许多解释： 通常认为是由于切屑在前刀面上粘结切屑在前刀面上粘结造成的。当在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞流”现象。越贴近前刀面处的金属层，流速越低。当温度和压

54、力增加到一定程度，滞流层中底层与前刀面产生了粘结。当切屑底层中剪应力超过金属的剪切屈服极限时，底层金属流速为零而被剪断，并粘结在前刀面上。该粘结层经过剧烈的塑性变形使硬度提高，在继续切削时，硬的粘结层又剪断软的金属层。这样层层堆积，高度逐渐增加，形成了积屑瘤。 长高了的积屑瘤，受外力或振动的作用可能发生局部断裂或脱落。有些资料表明积屑瘤的产生、成长和脱落是在瞬间内进行的，它们的频率很高，是个周期性的动态过程。形成积屑瘤的条件形成积屑瘤的条件： 主要决定于切削温度主要决定于切削温度。在切削温度很低时在切削温度很低时, ,切屑与前刀面间呈点接触,摩擦系数较小,故不易形成粘结故不易形成粘结；在温度很

55、高时在温度很高时,接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易形积屑瘤同样不易形成。成。在中温区，在中温区，例如切削中碳钢的温度在300380时，切屑底层材料切屑底层材料软化，粘结严重，摩擦系数软化，粘结严重，摩擦系数最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。 合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。 以切削中碳钢为例，从图示的曲线可知，低速（vc3m/min左右）切削时，产生的切削温度很低

56、；较高速（vc60m/min）切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均小，故不易形成积屑瘤。 在中速（在中速（v vc c20m/min20m/min），积屑瘤的高度达到最大值。），积屑瘤的高度达到最大值。所以许多中速加工工序，如攻丝、拉孔、钻孔、铰孔等经常由于积屑瘤作用而影响加工表面粗糙度。如同其它精加工工序，为了提高加工表面质量，应尽量不采用中速加为了提高加工表面质量，应尽量不采用中速加工，否则工，否则应配合其它改善措施。 在切削硬度和强度高的材料时在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度S高，不易切除切屑，即使采用较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的中温区域，为了抑制即使采

57、用较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的中温区域，为了抑制积屑瘤，积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加工通常选用中等以上切削速度加工。 切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤。 图 切削速度对积屑瘤的影响 在金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。 切削力的大小及变化规律，直接影响刀具、机切削力的大小及变化规律，直接影响刀具、机床、夹具的设计与使用床、夹具的设计与使用。第四节第四节 切削力与切削功率切削力与切削功率一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率 切削力的来源切削力的来源 切削时作用在刀

58、具上的力，由下列三个方面组成：1 克服被加工材料的弹性变形抗力弹性变形抗力；2 克服被加工材料的塑性变形抗力塑性变形抗力；3 克服切屑与前刀面的摩擦力摩擦力、 刀具后刀面与工件过渡表面和已加工表面之间的摩擦力摩擦力；切削力的来源 图(a)为直角自由切削时，作用在前刀面上的弹、塑性变形抗力 Fn 和摩擦力 Ff ；作用在后刀面上的弹、塑性变形抗力 Fn 和摩擦力 Ff 。 它们的合力 Fr作用在前刀面上近切削刃处，其反作用力 Fr作用在工件上。 图 合力及其分力 （a）直角自由切削 为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力 Fr 在按主运动速度方向、切深方向和进给方向主运动速

59、度方向、切深方向和进给方向建立的空间直角坐标轴z、y、x上分解成三个分力，它们是： 主切削力主切削力F Fz z 主运动切削速度方向的分力；主运动切削速度方向的分力； 方向与过渡表面相切并于基面垂直。 是计算车刀强度、设计机床主轴系统、确定机床功率所必需的。 切深抗力切深抗力F Fy y 切深方向的分力；切深方向的分力； 处于基面内并与工件轴线垂直的力 是计算工件挠度、机床零件和车刀强度的依据。 进给抗力进给抗力F Fx x 进给方向的分力。进给方向的分力。 处于基面内并与工件轴线平行、与进给方向相反的力。 是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的。 22222XYZXYZrFFFFFF=其中

60、，Fy=Fxycoskr ；Fx= Fxysinkr式中 Fxy合力在Fr基面上的分力。根据实验，当r=45，s=0 和0=0时，三个力之间的关系大致为：zxzyF0.60.1F0.70.15）（）（=FF 主切削力Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。 切深抗力Fy不消耗功率，但在机床工件夹具刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。 进给抗力Fx消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。 消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm)KW(10VF1