切削条件合理选择与刀具选择

切削条件合理选择与刀具选择第一页，共70页。第一节工件材料的切削加工性第二节刀具材料第三节切削液第四节刀具合理几何参数的选择第五节切削用量的选择目录第二页，共70页。第三页，共70页。

工件材料的切削加工性：是指对某种材料进行切削加工的难易程度。良好的切削加工性一般包括：（1）在相同的切削条件下刀具有较高的使用寿命；或在一定的刀具使用寿命下，能够采用较高的切削速度。（2）相同切削条件下，切削力或切削功率小，切削温度低。（3）容易获得良好的表面加工质量。（4）容易控制切屑的形状或容易断屑。第四页，共70页。1）刀具耐用度指标在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度v60的高低来评定材料的加工性。难加工材料用v20来评定。此外，经常使用相对加工性指标，即以45号钢（HB170～229，σb＝0.637GPa）的v60

为基准，记作v60

。其它材料的v60

与v20

之比值称为相对加工性，即：式中,v60——某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度；

(v60)

j——切削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度。

第五页，共70页。加工性等级名称及种类相对加工性Kr典型材料1很容易切削材料一般有色金属>3.05-5-5铜铅合金,9-4铝铜合金,铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.50～3.00退火15Cr,σb=0.37～0.441GPa自动机钢,σb=0.393～0.491GPa3较易切削钢1.60～2.50正火30钢σb=0.441～0.549GPa4普通材料一般纲及铸铁1.00～1.6045钢,灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.002Cr13调质,σb=0.834GPa85钢σb=0.883GPa6难切削材料较难切削材料0.50～0.6565Mn调质,σb=1.03GPa

45Cr调质,σb=0.932～0.981GPa7难切削材料0.15～0.5050CrV调质,1Cr18Ni9Ti,某些钛合金8很难切削材料<0.15某些钛合金,铸造镍基高温合金第六页，共70页。

1．材料的物理力学性能

（1）硬度和强度（2）塑性和韧性（3）导热系数（4）其它物理力学性能：如线性膨胀系数第七页，共70页。2．材料的化学成分

主要是通过其对材料物理力学性能的影响来影响切削加工性(见下图)。钢中碳的质量分数在0.4%左右的中碳钢，加工性最好。而碳的质量分数低或较高的低、高碳钢均不如中碳钢。另外，钢中含的合金元素Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等虽能提高钢的强度和硬度，但却使钢的切削加工性降低。而钢中添加少量的S、P、Pb、Ca等能改善其加工性。第八页，共70页。各种元素对钢加工性的影向+表示加工性改善；-表示加工性变差第九页，共70页。3．材料的金相组织

铁素体塑性和韧性很高、硬度低，故切削时粘结严重，加工性不好。珠光体呈片状分布时硬度较高，刀具磨损较严重，而呈球状分布时硬度较低切削加工性较好奥氏体硬度不高但塑性和韧性很高切削时变形及加工硬化严重，切削加工性较差。马氏体、索氏体及托氏体的硬度较高切削加工性差。

第十页，共70页。（一）高锰钢的切削加工性加工硬化严重，塑性变形使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织。导热率低，切削温度高；韧性大，约为45钢的8倍。伸长率大，变形严重，切削力增加。（二）不锈钢的切削加工性铬、镍含量大。增加加工硬化，易粘刀。切屑与前刀面接触长度较短，刀尖附近应力大。容易塑变或崩刃。导热性差，锯齿形切削引起切削波动大，易产生振动，使刀具破损。第十一页，共70页。（1）调整化学成分

（2）材料加工前进行合适的热处理（3）选择加工性好的材料状态（4）采用新的切削技术第十二页，共70页。五、常用金属材料的切削加工性

碳素钢普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。，在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。

合金工具钢第十三页，共70页。有色金属

有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。

铸铁

铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。，五、常用金属材料的切削加工性第十四页，共70页。第十五页，共70页。（1）高的硬度（2）高的耐磨性（3）足够的强度和韧性（4）高的耐热性（指高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能）（5）良好的导热性和工艺性（良好的冷加工工艺性、热加工《热处理、表面处理、锻造、铸造等》工艺性）（6）经济性。第十六页，共70页。天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性刀具材料的耐磨性与断裂韧性第十七页，共70页。刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）第十八页，共70页。碳素工具钢切削金属的性能较差，切削刃合金工具钢锋利，可加工木材、橡胶、塑料。高速钢生产中用的最多、最广。硬质合金陶瓷强度低、脆性大，成本高，金刚石仅用于某些有限的场合。立方氮化硼

第十九页，共70页。

高速钢是一种合金工具钢，具有一定的硬度（63HRC～70HRC）和耐磨性，有较高的耐热性，在切削温度高达500℃～600℃时尚能切削。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，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；

第二十页，共70页。高速钢是强度和韧性最好的刀具材料，适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。

第二十一页，共70页。

高速钢具有足够的强度、硬度、耐热性和耐磨性，具有特别好的冷加工工艺性、磨削加工工艺性和较好的热加工工艺性。在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍占主导地位。第二十二页，共70页。图3-2各种高速钢刀具第二十三页，共70页。①钨钢

W18Cr4V（简称W18）。含W18％、Cr4%、V1％。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；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）具有良好的机械性能，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。二、高速钢第二十四页，共70页。

高性能高速钢是在通用高速钢的成分中，增加碳含量形成高碳高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、或者添加钴、铝等元素形成钴高速钢、铝高速钢，目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性。二、高速钢第二十五页，共70页。钴高速钢（W2Mo9Cr4VCo8）

具有良好的综合性能，加入钴可提高它的高温硬度，在600℃时硬度为HRC55，故允许的切削速度较高，有一定韧性，可磨削性好，加工耐磨合金钢、不锈钢时，刀具耐用度明显提高。但钴含量较多成本较贵。

铝高速钢（W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al）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起的强度和韧性下降。加工HRC30~40的调质钢时，刀具耐用度提高3~4倍，但磨削性能差，热处理温度控制困难。高钒高速钢W18Cr4V

提高了钢的耐磨性，用于切削高强度钢，刃磨性比普通高速钢差。（二）高性能高速钢二、高速钢第二十六页，共70页。（1）切削一般材料可以用普通高速钢，以W18Cr4V用的最多。W6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具，W14Cr4VMnRE其韧性最高，可作热轧刀具。（2）如工艺系统刚性好，切削难加工材料时，简单刀具可用高钒、高钴高速钢，复杂刀具可用钨钼系低钴高速钢。二、高速钢第二十七页，共70页。

表面采用PVD（物理气相沉积法）技术，在真空、工艺处理温度500度的环境下，在刀具表面涂覆TiN、TiC、TiCN等硬膜，以提高刀具性能的新工艺。使用寿命提高3－7倍，切削效率提高30％。已在形状复杂的钻头、丝锥、成形铣刀及齿轮刀具上广泛应用二、高速钢第二十八页，共70页。常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵

二、高速钢第二十九页，共70页。

硬质合金是由高硬度的难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（如Co、Ni等）用粉末冶金方法制成的一种刀具材料。第三十页，共70页。

硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89HRA～93HRA，比高速钢（83HRA～86.6HRA）高得多，在800℃～1000℃时还能切削，所以硬质合金的耐热性能比高速钢好。第三十一页，共70页。

硬质合金由于切削性能优良，已成为主要的刀具材料绝大部分车刀采用硬质合金，端铣刀和一些形状复杂的刀具如麻花钻、齿轮滚刀、铰刀、拉刀等也日益广泛采用此材料。

刀具使用寿命可提高十倍，切削速度可提高4～10倍。抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。第三十二页，共70页。

硬质合金的冷加工性和热加工性都很差。硬质合金由于具有高硬度、高耐热性和高耐磨性，加工性能优良，而且生产成本较低，所以，使用极其广泛。

主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等简单刀具。第三十三页，共70页。(1)

钨钴类硬质合金

YG类具有较高的抗弯强度和韧性，所以适用于加工铸铁，也适用于加工有色金属和非金属材料。此外，YG类硬质合金还适用于加工钛合金和不锈钢。常用牌号有YG3、YG6、YG8第三十四页，共70页。2）钨钛钴类硬质合金：

钨钛钴类硬质合金的代号为YT，相当于ISO标准的P类。（WC＋TiC+Co）

YT类硬质合金适用于在中高切削速度下加工钢料。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30第三十五页，共70页。(3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金：

钨钛钽（铌）钴类硬质合金的代号为YW，相当于ISO标准的M类。

WC＋TiC+TaC(NbC)+Co。

YW类硬质合金兼有YG类和YT类的优点，具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性好的特点，既可加工钢材，也可加工铸铁和有色金属，故被称为通用硬质合金。

YW类硬质合金主要用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。YW1适用于精加工，YW2适用于粗加工。YW类硬质合金成本高，使用受限。第三十六页，共70页。（4）钨钽（铌）钴类（WO+TaC(NbC)+Co）YA

硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，同时能细化晶粒，可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。适于切削冷硬铸铁、有色金属及其合金。第三十七页，共70页。

各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度第三十八页，共70页。GB/T18376.1-2001P类硬质合金:YT类M类硬质合金:YW类K类硬质合金:YG类三硬质合金第三十九页，共70页。陶瓷金刚石立方氮化硼第四十页，共70页。纯Al2O3陶瓷及Al2O3－TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷陶瓷刀具有很高的硬度（HRA91~95）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高2～5倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，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。但脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。四.其他刀具材料第四十一页，共70页。

陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。四.其他刀具材料第四十二页，共70页。是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV10000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。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，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。四.其他刀具材料第四十三页，共70页。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合力，不适于加工黑金属。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。（二）金刚石四.其他刀具材料第四十四页，共70页。由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。有很高的硬度（HV8000～9000）及耐磨性；其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，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦系数。它目前不仅用于磨具，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。四.其他刀具材料第四十五页，共70页。刀具材料种类

合金高速钢硬质合金陶瓷天然

聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD化硼PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-5020-3070-10030-40146.5

100-12040-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高一般精度Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表2-11普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比第四十六页，共70页。第四十七页，共70页。冷却作用通过切削液的对流和汽化作用把因切削而发热的刀具(或砂轮)、切屑和工件间的切削热从刀具和工件处带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，提高加工精度和刀具耐用度。在切削速度高、刀具、工件材料导热性差、热膨胀系数较大的情况下，切削液的冷却作用尤为重要。润滑作用切削液能渗入到刀具与切屑、加工表面之间形成润滑膜或吸附膜，可以减小前刀面与切屑，后刀面与已加工表面间的摩擦，从而减小切削力、摩擦和功率消耗，降低刀具与工件坯料摩擦部位的表面温度和刀具磨损，改善工件材料的切削加工性能。清洗作用在金属切削过程中，切削液可以冲走切削区域和机床上的细碎切屑、脱落的磨粒和油污，防止划伤已加工表面和导轨，使刀具或砂轮的切削刃口保持锋利，不致影响切削效果。防锈作用在切削液中加入防锈剂，可在金属表面形成一层保护膜，起到防锈作用。防锈作用的强弱，取决于切削液本身的成分和添加剂的作用。第四十八页，共70页。水溶液乳化液切削油其他第四十九页，共70页。第五十页，共70页。（一）前角γo的功用①影响切屑变形和切削力摩擦及功率；②影响刀头强度、受力性质及散热条件；③影响切屑形态和断屑；④影响加工表面质量。第五十一页，共70页。（二）前角的选择原则1、工件材料方面2、刀具材料方面3、粗加工方面4、工艺系统刚性第五十二页，共70页。后角功用：增大后角能减少后刀面与过渡表面间的摩擦，还可以减小切削刃圆弧半径，使刃口锋利。同时减小刀刃强度和散热能力。选择原则：粗切可取小值；精切应取大值。工艺系统刚性差取小值；工件材料硬度、强度大，取小值。取决于切削厚度或进给量的大小第五十三页，共70页。刃顷角度不为零，即主切削刃与切削速度方向不垂直，称斜角切削。刃顷角的功用：1、影响切屑流出方向。2、影响切削刃的锋利性，因实际前角较大，可进行薄切削。3、影响刀刃强度。4、影响背向力Fp与进给力Ff的比值。第五十四页，共70页。刃倾角对切屑流向的影响第五十五页，共70页。⑴主副偏角Kr、Kr′的功用影响切削层形状和刀尖角；影响刀尖的散热条件及刀尖强度；影响切削力的比值；影响残留面积高度；影响断屑效果及排屑方向。第五十六页，共70页。⑵主偏角的选择原则粗、半精加工的刀具，因为其切削力大、振动大，对于抗冲击性差的刀具材料（如硬质合金），应选大的主偏角以减小振动；系统刚性不足时，为减小切削的振动，应选大一些的主偏角；加工强度大、硬度高的材料时，为求减小切削刃上的单位负荷、改善切削刃区的散热条件，应选小一些的主偏角；对用于单件小批量生产的刀具，为求一刀多用，一般Kr=45°或90°。取决于工艺系统的刚度的大小第五十七页，共70页。第五十八页，共70页。

选择合理的切削用量是切削加工中十分重要的环节选择合理切削用量时，必须考虑合理的刀具寿命。所谓合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，充分利用刀具切削性能和机床性能，获得高生产率和低加工成本的切削用量。切削速度对刀具使用寿命得影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。第五十九页，共70页。生产率可用单位时间内的金属切除量Qz表示。

切削用量三要素同生产率均保持线性关系，即提高切削速度、增大进给量和背吃刀量，都能“同样地”提高生产率。第六十页，共70页。粗车时，ap和f

较大，故选择较低的vc；反之精车时选择较高的vc。工件材料强度、硬度高时，应选较低的vc；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的vc。切削合金钢比切削中碳钢切削速度降低20%～30%；切削调质状态的钢比切削正火、退火状态钢要降低切削速度20%～30%；切削有色金属比切削中碳钢的切削速度可提高100%～300%。刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高，如硬质合金钢的切削速度比高速钢刀具可高几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具可采用更高的切削速度。精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。在易发生振动情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。加工大型工件、细长件和薄壁工件或带外皮的工件，应适当降低切削速度。在生产中选择切削速度的一般原则第六十一页，共70页。在机床、工件、刀具强度和工艺系统刚性允许的条件下。首先选择尽可能大的背吃刀量ap。其次根据加工条件和要求选用所允许的最大进给量f。最后再根据刀具的使用寿命要求选择或计算合理的切削速度。第六十二页，共70页。背吃刀量根据加工余量来确定。切