金属切削原理及刀具

关于金属切削原理及刀具第1页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1基本定义

金属切削过程

金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具从工件上切除多余的（或预留的）金属，并在高生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技术要求的形状、位置、尺寸精度和表面质量。

切削运动

为实现切削过程，工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动，它由金属切削机床来完成。

工艺系统

机床、夹具、刀具和工件，构成一个机械加工工艺系统，切削过程的各种现象和规律都在这个系统的运动状态中去研究。

基本定义第2页，共66页，2023年，2月20日，星期六

1.1.1

切削运动与切削用量

在金属切削过程中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具与工件之间必须完成一定的切削运动。如外圆车削时，工件作旋转运动，刀具作连续的纵向直线运动，形成了工件的外圆柱表面。在新的表面的形成过程中，工件上有三个依次变化的表面：基本定义第3页，共66页，2023年，2月20日，星期六

待加工表面：即将被切去金属层的表面；

加工表面：切削刃正在切削着的表面；

已加工表面：已经切去一部分金属形成的新表面。

这些定义也适用于其它切削。图中分别表示了车削、刨削、钻削、铣镗削时的切削运动。切削运动与切削用量第4页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.1.1切削运动金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。按切削时工件与刀具相对运动所起的作用可分为主运动和进给运动。如图所示。（1）主运动：切下金属所必须的最主要的运动。特点：通常它的速度最高，消耗机床功率最多。机床的主运动只有一个。

例如，车削、镗削的主运动是工件与刀具的相对旋转运动，而刨削是的主运动是刀具相对于工件的直线运动。（2）进给运动：使新的金属不断投入切削的运动。它保证切削工作连续或反复进行，从而切除切削层形成已加工表面。

特点：机床的进给运动可有一个、两个或多个组成，通常消耗功率较小，进给运动可以是连续运动也可以是间歇运动。切削运动与切削用量第5页，共66页，2023年，2月20日，星期六

（3）合成运动与合成切削速度vｅ

主运动vｃ和进给运动vｆ可以由刀具或工件分别完成，或由刀具单独完成。

主运动和进给运动可以

同时进行（车削、铣削等），

也可交替进行（刨削等）。

当主运动与进给运动同时

进行时，刀具切削刃上某

一点相对工件的运动称为

合成切削运动。合成速度

向量等于主运动速度与进

给运动速度的向量和：

vｅ=vｃ+vｆ

切削运动第6页，共66页，2023年，2月20日，星期六

1.1.1.2切削用量三要素

在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其它技术经济要求来选定适宜的切削速度vc

、进给量f(或进给速度值vf),还要选定适宜的背吃刀量值ap。vc

、f、ap

称之为切削用量三要素。

（1）切削速度

大多数切削加工的主运动采用回转运动。回转体(刀具或工件)上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式如下：

式中d——工件或刀具上某一点的回转直径(mm)；

n——工件或刀具的转速（r/s或r/min）。切削运动与切削用量第7页，共66页，2023年，2月20日，星期六

在生产中，磨削速度单位用米/秒(m/s)，其它加工的切削速度单位习惯用米/分（m/min）。

在转速n值一定时，切削刃上各点的切削速度不同。考虑到刀具的磨损和已加工表面质量等因素，计算时，应取最大的切削速度。

如：外圆车削时计算待加工表面上的速度(用dw代入公式），

内孔车削时计算已加工表面上的速度(用dm代入公式)，

钻削时计算钻头外径处的速度。

（2）进给速度、进给量和每齿进给量

进给速度是单位时间的进给量,单位是mm/s(mm/min)。

进给量是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移(对于车削、钻削、铰削),单位是mm/r。

切削用量三要素

第8页，共66页，2023年，2月20日，星期六

对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定进给速度，却需要规定间歇进给的进给量，其单位为mm/d.st(毫米/双行程）。

对于铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具，在它们进行工作时，还应规定每一个刀齿的进给量，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是mm/Z(毫米/齿)。

显然

mm／s或mm／min

（3）背吃刀量

对于车削和刨削加工来说，背吃刀量ap为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位是mm。

。切削用量三要素第9页，共66页，2023年，2月20日，星期六外圆柱表面车削的背吃刀量可用下式计算：

对于钻孔

其中dm——已加工表面直径(mm)；

dw—待加工表面直径(mm)。

1.1.2刀具切削部分的基本定义

1.1.2.1刀具切削部分的构造要素

金属切削刀具的切削部分的几何形状与参数都有着共性，即不论刀具构造如何复杂，它们的切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基本形态。

切削用量三要素第10页，共66页，2023年，2月20日，星期六

国际标准化组织(ISO)在确定金属切削刀具的工作部分几何形状的一般术语时，就是以车刀切削部分为基础的。刀具切削部分的构造要素(图1、2)及其定义和说明如下：

(1)前刀面

直接作用于被切削的金属层，并控制切屑沿其排出的刀面。

根据前刀面与主、副切削刃相毗邻的情况分为：

主前刀面：与主切削刃毗邻的称为主前刀面；

副前刀面：与副切削刃毗邻的称为副前刀面。

(2)后刀面

后刀面分为主后刀面与副后刀面。

主后刀面：是指与工件上加工表面相互作用和相对着的刀面；

副后刀面：是与工件上已加工表面相互作用和相对着的刀面。

刀具切削部分的构造要素第11页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(3)切削刃:切削刃是前刀面上直接进行切削的锋边，有主切削刃和副切削刃之分。

主切削刃：指前刀面与主后刀面相交的锋边，它完成主要的切除或表面成形工作；

副切削刃：指前刀面与副后刀面相交的锋边，它配合主切削刃完成切除工作，并最终形成以加工表面。

(4)刀尖

刀尖是主、副切削刃的连接部位。为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。

刀具切削部分的构造要素第12页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.2.2刀具标注角度的参考系

为了确定刀具前刀面、后刀面及切削刃在空间的位置，首先应建立参考系。它是一组用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面。这样就可以用刀具前刀面、后刀面和切削刃相对于各基准平面的夹角来表示它们在空间的位置，这些夹角就是刀具切削部分的几何角度。

工作角度：把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度，即刀具在使用状态下(inuse)的角度。

刀具标注角度参考系：任何一把刀具，在使用之前，总可以知道它将要安装在什么机床上，将有怎样的切削运动，因此也可以预先给出假定的工作条件，并以此确定刀具标注角度参考系（所谓的“静止参考系”）。

刀具标注角度的参考系第13页，共66页，2023年，2月20日，星期六确定刀具标注角度参考系的方法：

假定运动条件：首先给出刀具的假定主运动方向和假定进给运动方向；其次假定进给速度值很小，可以用主运动向量近似代替合成速度向量；然后再用平行和垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。

假定安装条件：假定标注角度参考系的诸平面平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时定位与调整的平面或轴线(如车刀底面、车刀刀杆轴线、铣刀、钻头的轴线等)。也可以说，假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。

注：“静止系”本质上不是静止的，它仍然是把刀具同工件和运动联系起来的一种特定的参考系。刀具标注角度的参考系第14页，共66页，2023年，2月20日，星期六

在刀具标注角度参考系中的刀具角度称为标注角度。

刀具标注角度的参考系的形成如右图动画所示，由基面、切削平面、主剖面等平面构成了主剖面参考系。

刀具标注角度的参考系第15页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(1)基面Pr

通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。

通常，基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。

例如，图示为普通车刀或刨刀的基面，它平行于刀具底面。钻头、铣刀和丝锥等旋转类刀具，其切削刃各点的旋转运动(即主运动)方向，都垂直于通过该点并包含刀具旋转轴线的平面，故其基面Pr就是刀具的轴向剖面。

刀具标注角度的参考系第16页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(2)切削平面

Ps

通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面。

基面和切削平面十分重要。这两个平面加上以下所述的任一剖面，便构成各种不同的刀具标注角度参考系。可以说，不懂得基面和切削平面就不懂得刀具。

(3)主剖面Po和主剖面参考系

主剖面是通过切削刃选定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。由此可知，主剖面垂直于主切削刃在基面上的投影。

Pr-Ps-Po组成正交的主剖面参考系。

(4)法剖面Pn和法剖面参考系

法剖面是通过切削刃选定点，垂直于切削刃的平面。

Pr-Ps-Pn组成法剖面参考系。

刀具标注角度的参考系第17页，共66页，2023年，2月20日，星期六

右图表示由Po-Pr-Ps组成的一个正交的主剖面参考系，这是目前生产中最常用的刀具标注角度参考系。图中同时也表示了一个由Pn-Pr-Ps

组成的法剖面参考系。在实际使用时一般是分别使用某一个参考系。

刀具标注角度的参考系第18页，共66页，2023年，2月20日，星期六(5)进给剖面Pf

和背平面Pp及其组成的进给、背平面参考系

进给剖面Pf是通过切削刃选定点，平行于进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。通常，它也平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量的某一安装定位平面或轴线。

背平面Pp

是通过切削刃选定点，同时垂直于Pr和Pf的平面。

如:普通车刀和刨刀的Pf垂直于刀杆轴线；钻头、拉刀、端面车刀、切断刀等的Pf

平行于刀具轴线；铣刀的Pf

则垂直于铣刀轴线。

由Pr-Pf-Pp

组成一个进给、背平面参考系，如右图所示。

刀具标注角度的参考系第19页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.2.3刀具工作角度的参考系

前述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件下确定的参考系。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切地反映切削加工的真实情形。只有用合成切削运动方向来确定参考系，才符合切削加工的实际。

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：刀具切削部分的基本定义(b)(a)(c)第20页，共66页，2023年，2月20日，星期六

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。

刀具工作角度的参考系第21页，共66页，2023年，2月20日，星期六

刀具工作角度参考系：

用于定义刀具进行切削加工时几何参数的参考系。该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对几何参数的影响。

刀具工作角度参考系同标注角度参考系的唯一区别是：用ve

取代vc

，即用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。

1.1.2.4刀具的标注角度

刀具标注角度：在刀具的标注角度参考系中确定的切削刃与刀面的方位角度，称为刀具标注角度。

注意：由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度应指明是切削刃选定点处的角度；凡未特殊注明者，则指切削刃上与刀尖毗邻的那一点的角度。

在切削刃是曲线或者前、后刀面是曲面的情况下，定义刀具的角度时，应该用通过切削刃选定点的切线或切平面代替曲线刃或曲面。刀具的标注角度第22页，共66页，2023年，2月20日，星期六主剖面参考系里的标注角度的名称、符号与定义如下图所示：

刀具的标注角度第23页，共66页，2023年，2月20日，星期六

前角γo

：前刀面与基面间的夹角(在主剖面中测量)；

后角αo

：后刀面与切削平面间的夹角(在主剖面中测量)；

主偏角κr：基面中测量的主切削刃与进给运动方向的夹角；

刃倾角λs：切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。

上述四个角度就可以确定车刀主切削刃及其前后刀面的方位：

γo、λs确定前刀面的方位,κr、αo

确定后刀面的方位，κr

、λs

确定主切削刃的方位。

同理，副切削刃及其相关的前刀面、后刀面在空间的定位也需用四个角度：即副偏角κr’

、副刃倾角λs’

、副前角γo’

、副后角αo’。

车刀副切削刃与主切削刃共处在同一前刀面上，当γo、λs两者确定后,前刀面的方位已经确定,γo’

、λs’两个角度可由γo、λs

、κr、κr’等角度换算出来,称为派生角度。

刀具的标注角度第24页，共66页，2023年，2月20日，星期六

由上分析可知，外圆车刀有三个刀面，两个切削刃，所需标注的独立角度只有六个。此外，根据分析刀具的需要还要给定几个派生角度，它们的名称与定义如下：

楔角βo：主剖面中测量的前、后刀面间夹角；

刀尖角εr：基面中测量的主、副切削刃间夹角。

前角、刃倾角正负的规定：

在主剖面中，前刀面与基面平行时前角为零；前刀面与切削平面间夹角小于90°时，前角为正；大于90°时，前角为负。

刀具的标注角度第25页，共66页，2023年，2月20日，星期六

后刀面与基面夹角小于90°时，后角为正；大于90°时后角为负。加工中，后角一般不选负值。

刃倾角的正负如图示：

刀具的标注角度刃倾角的正负对排屑方向有影响

第26页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.3刀具工作角度

如果考虑合成运动和实际安装情况，刀具的参考系将发生变化。按照切削工作的实际情况，在刀具工作角度参考系中所确定的角度，称为工作角度。第27页，共66页，2023年，2月20日，星期六

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。

1.1.3.1进给运动对工作角度的影响

(1)横车

以切断车刀为例，在不考虑进给运动时，车刀主切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一圆周，切削平面Ps为通过切削刃上该点切于圆周的平面，基面Pr为平行于刀杆底面同时垂直

于Ps的平面,γo、αo为标注前角和后角。刀具工作角度第28页，共66页，2023年，2月20日，星期六

当考虑横向进给运动之后，切削刃选定点相对于工件的运动轨迹为一平面阿基米德螺旋线，切削平面Ps变为通过切削刃切于螺旋面的平面Pse,基面也相应倾斜为Pre,角度变化值为η。工作主剖面

Poe仍为平面。此时在工

作参考系(Pre、Pse、Poe)

内的工作角度γoe、αoe

为：

进给运动对工作角度的影响第29页，共66页，2023年，2月20日，星期六

η

—合成切削速度角，它是主运动方向与合成切削速度方向之间的夹角。

由定义知：

式中f—

进给量；

d—

随着车刀进给而不断变化着的切削刃选定点处工件的旋转直径；

η—

随着切削刃趋近工件中心而增大的;在常用进给量下当切削刃距离工件中1mm时，；再靠近中心，η值急剧增大,工作后角变为负值。

注意：在铲背加工时,η值很大,它是不可忽略的。进给运动对工作角度的影响第30页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.3.2刀具安装对工作角度的影响刀杆安装倾斜对工作角度的影响

如图所示，车刀刀杆与进给方向不垂直时,工作主偏角和工作副偏角将发生变化：式中G—假定进给剖面与工作进给剖面之间的夹角,在基面内测量。即进给运动方向的垂线和刀杆中心线间的夹角。刀具安装对工作角度的影响第31页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.4切削层参数与切削形式

1.1.4.1切削层参数

各种切削加工的切削层参数，可用典型的外圆纵车来说明。如图示，车刀主切削刃上任意一点相对于工件的运动轨迹是一条空间螺旋线。当λs=0时，主切削刃所切出的加工表面为阿基米德螺线旋面。工件每转一转，车刀沿工件轴线移过

一段距离，即进给量(f，mm／r)。这时，切削刃从加工表面Ⅰ的位置移到相邻加工表面Ⅱ的位置上。于是Ⅰ、Ⅱ之间的金属转变为切屑。由车刀正在切削着的这一层金属，就叫做切削层。

切削层参数第32页，共66页，2023年，2月20日，星期六

切削层的大小和形状直接决定了车刀切削部分所受的负荷大小及切下切屑的形状和尺寸。在外圆纵车时当、时，切削层的表面形状为一平行四边形；在特殊情况下

()为矩形，其底边尺寸为f，高为ap,不论何种加工，能够说明切削机理的，仍是切削层截形的力学性质所决定的真实厚度和宽度。

为了简化计算工作，切削层的表面形状和尺寸，通常都在垂直于切削速度vc的基面Pr内观察和度量。

切削层参数为：

(1)切削厚度(hD)

垂直于加工表面来度量的切削层尺寸，称为切削厚度，在外圆纵车(λs=0)时：切削层参数第33页，共66页，2023年，2月20日，星期六(2)切削宽度(bD)

沿加工表面度量的切削层尺寸，称为切削宽度，

在外圆纵车(λs=0)时：

可见，在f、ap

一定的条件下,主偏角κr越大,切削厚度hD

也就越大,但切削宽度bD

越小；主偏角κr

越小，切削厚度hD也就越小，但切削宽度bD

越大；当κr=90°时，hD=f。

曲线形主切削刃,切削层各点的切削厚度互不相等(图）。

(3)切削面积

切削层在基面Pr的面积,称为切削面积,以AD

表示.

AD=hDbDmm2切削层参数第34页，共66页，2023年，2月20日，星期六

对于车削来说，不论切削刃形状如何，切削面积均为：

以上所计算的均为名义切削面积。实际切削面积等于名义切削面积减去残留面积。

残留面积：指刀具副偏角时,刀具经过切削后,残留在已加工表面上的不平部分剖面面积。

切削层参数第35页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.1.5切削形式

(1)正切削与斜切削

切削刃垂直于合成切削速

度方向的切削方式称为正切

削或直角切削。如果切削刃

不垂直于切削速度方向则称

为斜切削或斜角切削。

(2)自由切削与非自由切削

只有直线形主切削刃参加

切削工作，而副切削刃不参加切削工作，称为自由切削。曲线主切削刃或主、副切削刃都参加切削者，称为非自由切削。这是根据切削变形是二维问题或三维问题进行区分的。为了简化研究工作，通常采用自由切削进切削变形区和观察和研究。切削形式第36页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.2刀具材料

刀具材料第37页，共66页，2023年，2月20日，星期六

在切削过程中,刀具直接切除工件上的余量并形成已加工表面,刀具材料对金属切削的生产率、成本、质量有很大的影响,因此要重视刀具材料的正确选择与合理使用。

1.2.1刀具材料应具备的性能

切削加工时,由于变形与摩擦,刀具承受了很大的压力与很高的温度。作为刀具材料应满足以下基本要求：

(1)高的硬度和耐磨性

刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上。耐磨性表示抵抗磨损的能力,它取决于组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布。

刀具材料第38页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(2)足够的强度和韧性

为了承受切削中的压力冲击和振动,避免崩刃和折断,刀具材料应该具有足够的强度和韧性。一般强度用抗弯强度表示,韧性用冲击值表示。

(3)高的耐热性

刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。

(4)良好的工艺性

为了便于制造,要求刀具材料有较好的可加工性,如切削加工性、铸造性、锻造性、热处理性等。

(5)良好的经济性

刀具材料第39页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.2.2常用刀具材料

目前,生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢(如T10A、T12A)、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。

1.2.2.1高速钢

是一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性,切削温度达500℃-650℃时仍能进行切削；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃,可锻造,这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要,是制造这些刀具的主要材料。

高速钢分类：

按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；

按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

高速钢第40页，共66页，2023年，2月20日，星期六(1)通用型高速钢

①钨钢典型牌号为W18Cr4V(简称W18)。

含量：W18％、Cr4％、Vl％。

特点：有良好的综合性能,在600℃时其高温硬度为HRC48.5,可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小;含钒量小,磨加工性好;碳化物含量高,塑性变形抗力大;但碳化物分布不均匀,影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够;热塑性差,很难用作热成形方法制造的刀具(如热轧钻头)。

②钨钼钢(将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。)

典型牌号为W6Mo5Cr4V2(简称M2)。

含量：W6％、Mo5％、Cr4％、V2％。

特点：碳化物分布细小均匀,具有良好的机械性能,抗弯强度比W18高10％～15％,韧性高50％～60％,可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具,热塑性特别好,更适用于制造热轧钻头等;磨加工性也好,目前各国广为应用。

高速钢第41页，共66页，2023年，2月20日，星期六(2)高性能高速钢

是在通用高速钢的基础上再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素。按其耐热性,又称高热稳定性高速钢。在630～650℃时仍可保持HRC60的硬度,具有更好的切削性能,耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。

典型牌号有：高碳高速钢9W18Cr4V、

高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、

钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co8、

超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8等。

1.2.2.1高速钢高速钢第42页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(3)粉末冶金高速钢

用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水,直接得到细小的高速钢粉末,高温下压制成致密的钢坯,而后锻压成材或刀具形状。这有效地解决了一般熔炼高速钢时铸锭产生粗大碳化物共晶偏析的问题,得到细小、均匀的结晶组织,使之具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍;磨加工性能好;物理机械性能高度各向同性,淬火变形小；耐磨性能提高20％～30％，适合制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滚刀、插齿刀)、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。

高速钢第43页，共66页，2023年，2月20日，星期六

1.2.2.2硬质合金

由难熔金属化合物(如WC、TiC)和金属粘结剂(Co)经粉末冶金法制成。

因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物,硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高。硬度可达HRA89～93,在800～1000℃还能承担切削,耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时,切削速度可提高4～10倍。唯抗弯强度较高速钢低,仅为0.9-1.5GPa(90-150kgf/mm2),冲击韧性差,切削时不能承受大的振动和冲击负荷。碳化物含量较高时,硬度高,但抗弯强度低;粘结剂含量较高时,抗弯强度高,但硬度低。

硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料(约占

50％)。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。它还可用于加工高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。硬质合金第44页，共66页，2023年，2月20日，星期六ISO将切削用的硬质合金分为三类：

(1)YG(K)类，即WC—Co类硬质合金

组成：WC和Co。

常用牌号：YG6、YG8、YG3X、YG6X，

含钴量分别为：6％、8％、3％、6％。

硬度：HRA89～91.5,抗弯强度：1.1-1.5GPa

(110～150kgf/mm2)。

组织结构有：粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般(如YG6、YG8)为中晶粒组织,细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,但抗弯强度、韧性则低些。

特点：此类合金韧性、磨削性、导热性较好,较适于加工产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料,如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高(如端铣)的钢料等。硬质合金第45页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(2)YT(P)类，即WC—TiC—Co类硬质合金

组成：WC和Co、还含有5%～30%的TiC。

牌号：YT5、YTl4、YTl5、YT30，

其中TiC的含量分别为：5%、14%、15%、30%相应的钴含量为：10%、8%、6%、4%

硬度：HRA91.5～92.5,抗弯强度为0.9-1.4GPa

(90-140kgf/mm2)。TiC含量提高,Co含量降低,硬度和耐磨性提高,但是冲击韧性显著降低。

特点：此类合金有较高的硬度和耐磨性,抗粘结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降,低温脆性大,韧性差。适于高速切削钢料。硬质合金第46页，共66页，2023年，2月20日，星期六

此类合金中含钴量增加,抗弯强度和冲击韧性提高，适于粗加工。含钴量减少,硬度、耐磨性及耐热性增加,适于精加工。

应注意：此合金不适于加工不锈钢和钛合金。因YT中的钛元素和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重的粘刀现象，在高温切削及摩擦系数大的情况下会加剧刀具磨损。

(3)YW(M)类，即WC—TiC—TaC—Co类硬质合金

组成：在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁,也可加工钢,因而又有通用硬质合金之称。

常用的牌号：YWl和YW2。

以上三类的主要成分均为WC，所以又称WC基硬质合金。

硬质合金第47页，共66页，2023年，2月20日，星期六

尚有以TiC为主要成分的TiC基硬质合金，即Ti-Ni-Mo合金。

因TiC在所有碳化物中硬度最高，所以此类合金硬度很高，达HRA90～94，有较高的耐磨性、抗月牙洼磨损能力，耐热性、抗氧化能力以及化学稳定性好、与工件材料的亲合性小、磨擦系数小、抗粘结能力强，刀具耐用度比WC提高好几倍，可加工钢，也可加工铸铁。

牌号YNl0与YT30相比较，硬度较接近，焊接性及刃磨性均较好，基本上可代替YT30使用。唯抗弯强度还赶不上WC，当前主要用于精加工及半精加工。因其抗塑性变形、抗崩刃性差，所以不适用于重切削及断续切削。

表之1、2、3列出了各种硬质合金牌号刀具的应用范围。

硬质合金第48页，共66页，2023年，2月20日，星期六1.2.3其它刀具材料

(1)涂层刀具

它是在韧性较好的硬质合金基体上,或在高速钢刀具基体上,涂抹一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD法),沉积温度1000℃左右;涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD法)，沉积温度500℃左右。

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3

等。

涂层厚度：硬质合金刀具为4～5μm,表层硬度可达HV2500～4200;高速钢刀具为2μm,表层硬度可达HRC80。

特点：涂层刀具具有较高的抗氧化性能,因而有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力;有低的摩擦系数,可降低切削时的切削力及切削温度,可提高刀具的耐用度(提高硬质合金刀具耐用度l～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍)但存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性及成本昂贵之弊。其它刀具材料第49页，共66页，2023年，2月20日，星期六(2)陶瓷

有纯Al2O3陶瓷及Al2O3-TiC混合陶瓷两种,其微粉在高温下烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度(HRA91-95)和耐磨性；小，抗粘结和抗扩散的能力好。

可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。

但其脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差、易崩刃,使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料,还是有很大发展前途的。

(3)金刚石

分为天然金刚石（TJ）、人造金刚石（RJ）

人造金刚石（RJ）是目前人工制造出的最硬的物质，是在高温、高压和其它条件配合下（触媒）由石墨转化而成。

其它刀具材料第50页，共66页，2023年，2月20日，星期六

特点：硬度高达HVl0000，耐磨性好,可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料,刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。

其切削刃锋利，能切下极薄的切屑,加工冷硬现象较少;有较低的摩擦系数,切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。

但其热稳定性差,切削温度不宜超过700～800℃;强度低、脆性大、对振动敏感,只宜微量切削;与铁有极强的化学亲和力,不适于加工黑色金属。

目前主要用于磨具和磨料,对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔;加工铝合金、铜合金时,切削速度可达800～3800m／min。其它刀具材料第51页，共66页，2023年，2月20日，星期六

(4)立方氮化硼

由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。

特点：有很高的硬度(HV8000～9000)及耐磨性；有比金刚石高,得多的热稳定性(1400℃)，可用来加工高温合金;化学惰性大,与铁族金属直至1300℃时也不易起化学反应,可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁；

有良好的导热性、较低的摩擦系数。

它不仅用于磨具,也逐渐用于车、镗、铣、铰。

它有两种类型：整体聚晶立方氮化硼,能像硬质合金一样焊接,并可多次重磨;立方氮化硼复合片,即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。

其它刀具材料第52页，共66页，2023年，2月20日，星期六小结

本章主要学习了金属切削过程的基础知识。它包括基本定义与刀具材料两方面的内容。

金属切削过程中的三个方面的基本定义：

1．切削运动方面：切削运动，切削用量三要素(切削速度、进给量、背吃刀量)，切削形式等。

2．刀具切削部分：车刀构造，参考系与参考平面(基面、切削平面、主剖面等)，刀具标注角度(前角、后角、主偏角、刃倾角、副偏角、副后角等)与工作角度。

3．工件方面：三个加工表面，工件切削层参数(切削厚度、切削宽度与切削面积)。

刀具材料：

1．刀具材料的性能：高的硬度与耐磨性，足够的强度与韧性，高的耐热性，良好的工艺性，良好的经济性。小结第53页，共66页，2023年，2月20日，星期六

2．常用的刀具材料：

(1)高速钢，具有较好的综合性能，热处理变形小，适宜制造复杂刀具；

(2)硬质合金，硬度高，但抗冲击能力差，适用于高速切削。

3.其它刀具材料：包括涂层刀具、陶瓷、人造金刚石与立方氮化硼。

本章的难点是刀具标注角度方面的基本定义。因此要理解建立参考系(平