《金属切削原理与刀具》课件全套 0绪论 - 9切齿刀具

绪

论本课程的内容及要求金属切削加工的地位和种类金属切削发展简史金属切削发展趋势一二三四《金属切削原理与刀具》分为两部分：（1）原理部分讨论的是金属切削加工过程中一系列现象、理论和规律，以及对规律的控制及应用。（2）刀具部分要学习常用标准刀具的结构、工作原理、选择使用方法以及常用非标准刀具的设计原理与计算方法（如成形车刀等）。一、本课程的内容及要求1、本课程的内容2、本课程的任务

通过本课程的学习，应达到下列基本要求：

1、掌握金属切削过程的基本理论、基本规律；理解其应用。

2、掌握刀具的几何角度、常用刀具材料的性能和应用范围；理解常用金属切削刀具的类型、结构特点与应用范围，并能正确的选择与使用。

3、能初步具有选择合理的刀具材料、常用刀具合理的几何参数、切削用量及其它切削加工条件的能力；初步掌握刀具的设计计算方法。

4、了解金属切削理论研究及刀具的最新成就和发展趋势。

二、金属切削加工的地位和种类1、金属切削加工的地位

金属加工方式→两大类（1）热加工（2）冷加工金属切削加工在机械制造工业以及国民经济发展中处于非常重要的地位。（无屑加工）铸造、锻压、粉末冶金、焊接、热处理及表面处理等。（有屑加工）金属切削加工注：特种加工（电加工、电化学加工、激光加工等）属于无屑加工范畴，是金属切削加工中的一种特殊加工方法。金属切削加工重要地位之体现制造业——创造财富占所有行业的2/3

机械制造业——制造业中的主导切削加工——机械制造过程中所占比重最大，用途最广金属切削机床——占机械制造中所用工作母机80％～90％美国——1000亿美元日本——10000亿日元我国——320亿元美日德、英法——1000亿美元、400亿美元2、金属切削加工的种类

几种主要的切削加工方法：车削加工（外圆）铣削和刨削加工（平面、复杂几何型面）钻削、镗削、铰削加工（孔）磨削加工本课程会介绍切削加工的一般规律，分析影响切削加工的各种因素。三、金属切削发展简史金属切削机床发展1765年，JamesWatt发明蒸汽机1775年，英国J.Wilkinson研制成加工蒸汽机汽缸的镗床，镗削汽缸内孔1797年，诞生滑动刀架的车床1817年，创造了龙门刨床1818年，美国Eli.Whitney发明铣床1865年，巴黎国际博览会前后，各式车床、镗床、刨床、插床、齿轮机床和螺纹机床等相继出现，相关刀具已制成金属切削原理的研究始于19世纪中叶。1851年，法国人M.Cocquilhat最早测量了钻头切削铸铁等材料时的扭矩,列出了切除单位体积材料所需功的表格。1864年，法国人Joessel研究了刀具几何形状对切削力的影响。1870年,俄国人И.Α.TИMe研究了切屑的形成和切屑类型，提出了金属材料在刀具的前方不仅受挤压而且受剪切的观点。

1896年，俄国人Α.Α.布里克斯开始将塑性变形的概念引入金属切削。至此，切屑形成才有了较完整的解释。1904年，英国人J.F.尼科尔森制造了第一台三向测力仪，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907年美国人F.W.Taylor研究了切削速度对刀具寿命的影响，发表了著名的泰勒公式。1915年，俄国人Я.Γ.乌萨乔夫将热电偶插到靠近切削刃的小孔中测得了刀具表面的温度(常称人工热电偶法)，并用实验方法找出这一温度同切削条件间的关系。

1924～1926年,英国人E.G.赫伯特、美国人H.肖尔和德国人K.科特文各自独立地利用刀具同工件间自然产生热电势的原理测出了平均温度（常称自然热电偶法）。1938～1940年美国人H.厄恩斯特和M.E.麦钱特利用高速摄影机通过显微镜拍摄了切屑形成过程，并且用摩擦力分析和解释了断续切屑和连续切屑的形成机理。

40年代以来，各国学者系统地总结和发展了前人的研究成果，充分利用近代技术和先进的测试手段，取得了很多新成就，发表了大量的论文和专著。例如，美国人S.拉马林加姆和J.T.布莱克于1972年通过扫描电镜利用微型切削装置对切屑形成作了动态观察，得到用位错力学解释切屑形成的实验根据。刀具材料变革（机械制造业高效、优质、低耗要求）1780～1898年，碳素工具钢、合金工具钢，v=6～12m/min1898年，美国F.W.Taylor和White发明高速钢，v提高2～3倍1923年，德国研制WC-Co硬质合金，v提高2～4倍1960年后，开发新牌号硬质合金和陶瓷、人造金刚石、立方氮化硼等，加工各种难加工材料1970年后，表面涂层高速钢、硬质合金极大提高了刀具切削性能我国金属切削加工技术的发展概况我国古代切削加工技术就有光辉成就商代－青铜刀具，如刀、钻、锯、锉等公元前8世纪春秋时代－铁制锯、凿等工具（中晚期-《考工记》，介绍木工、金工等专业知识，“材美工巧”。）公元1668年－马拉铣床、脚踏砂轮机1915年－上海荣昌泰机器厂制出国产第一台车床1947年－民用机械工业三千多家，机床两万多台，使用工具钢刀具我国金属切削加工技术的发展概况

建国以来，我国的机械制造业不断壮大，金属切削加工技术也得到了飞速发展。设立专门科研机构，建立了四大工具厂，推广高速切削、强力切削等先进的切削方法；在金属切削变形、切削力、切削热、刀具磨损和刀具耐用度、以及加工质量等方面都取得了一定水平的科研成果；广泛推广应用硬质合金刀具，改革刀具。

80年代以后，我国金属切削技术达到较高的水平，计算机已在切削理论研究和刀具设计中应用，各种先进的测试仪器已应用于切削机理的分析和研究中，并取得一系列科研成果。

我国金属切削理论研究及加工技术与国外先进水平差距很大。机床三化（数控化、柔性化、智能化）切削磨削加工三化（高速化、高精度化、自动化）促进我国传统机械制造业的改造，日益取得明显成果。四、金属切削发展趋势二十一世纪切削加工技术发展的主要趋势

发展高速高精度切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段

1、高速高精度切削成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的干切削、硬切削等新型切削工艺，符合制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。

当代的高速切削不只是切削速度的提高，而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上，达到切削速度和进给速度的成倍提高，并带动传统切削工艺的变革和创新，使制造业整体切削加工效率有显著的提高。铣削：CBN铣削灰铸铁1000－2000m/min

车削：氮化硅陶瓷车削灰铸铁500－700m/min

滚齿：硬质合金滚刀加工16MnCr5350m/min

2、实现难加工材料加工技术的重大突破

长期以来，难加工材料如奥氏体不锈钢、高锰钢等用量将迅速增加，加工的矛盾更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世，而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。

我们必须探索从根本上解决难加工材料大量使用及其品种性能多样化带来的世纪性难题，创新加工技术，开发包括激光在内的新“刀刃”和加工方法。3、满足制造业对切削加工新技术和新产品空前高涨的需求

产品多样化和个性化的趋势将进一步加剧，制造业的产品更新速度也势必大大加快。每一种新产品的开发都意味着零件功能、结构、材料的重大变更，也是对切削加工提出新的开发任务。企业必须投资新项目、革新现有加工方法、发挥切削加工特长、增加企业竞争实力。4、迎接人类社会进步对切削加工的挑战

实行降耗、节能、节材、减废、有利于环境保护和人身健康的、实行清洁安全生产的“绿色工程”。实行“绿色工程”，开发“绿色制造技术”是新世纪切削加工发展的重要课题。未来金属切削加工发展趋势之一

——干式加工

近年来，特别是工业发达国家，非常重视干式切削，为了贯彻环境保护政策，更是大力研究、开发和实施这种新型加工方法。切削液在工作中对降低切削温度起了很好的作用，也有利于断屑和排屑，但同时也存在一些问题，冷却液的使用、存储、保洁和处理等都十分繁琐，且成本很高。切削液对环境和操作者身体健康的危害一直受到使用限制。切削液的处理也不经济，这些费用常常被低估，因为它们包含在间接费用之中。据美国企业的统计，在集中冷却液加工系统中，切削液占总成本的14%-16%，刀具成本只占2%-4%。据预测如果20%的切削加工采用干式加工，总的制造成本可降低1.6%。因此未来加工的方向是采用尽量少的切削液，耐高温切削材料和涂层，使得干加工在机械制造领域变为可能。

金属切削刀具的发展趋势１、开发高性能的刀具材料

刀具材料技术的发展对刀具技术的发展起着至关重要的作用，开发新型刀具材料和强化现有的刀材，如硬质合金、陶瓷等的性能，研发适应硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是当前研究的热点。２、开发精密和超精密加工刀具

这类刀具的研究代表了一个国家制造领域的高技术水准，直接影响到机械、国防、电子、计算机等许多方面的发展。超精密刀具技术主要是金刚石刀具刃磨技术和其他新型超硬刀具材料的研究与开发。３、开发多功能刀具

多功能刀具是指用一把刀就能实现数把刀才能实现的加工，即实现一次安装多次走刀完工的要求。发展这样的刀具可有效避免频繁换刀和对刀，减少辅助时间，提高生产率和加工精度。４、开发适应性超强的柔性化刀具

当今材料种类繁多，如一种或几种材料对应设计一把专用刀具，不但会造成刀具的设计、制造、管理和选用等许多麻烦问题，而且各种制造、管理费用也高。因此，开发通用性好、适应性强，能够在多种条件下均能正常工作的刀具是刀具业的一个发展方向。５、开发高速切削刀具

高速切削技术是切削技术发展的方向，其优势在于只需切一刀就可高速切除大量的多余材料而又达到很高的加工精度和表面质量。而高速切削技术所依赖的关键技术之一就是相应的高速切削刀具。６、开发环保型刀具

环境保护是人类社会赖以生存和发展的需要。近年来的“绿色制造工程”、“无公害切削技术”、“清洁化生产”等应运而生，而环保型刀具技术是解决这些问题的重要手段之一。因此，开发各种高刚性、高稳定性、高抗震性、高锋定性、低摩擦、低噪音、无需切削液的干式切削刀具是刀具发展的一个重要方向。

７、开发高刚性连接系统、模块化工具系统以及刀具监控与诊断系统。

零件的加工精度、生产率和成本、刀与机的连接刚性与换刀精度、刀具的磨损、刀具的高稳定性和可靠性等许多问题均与上述各系统有着密切的关系。因此，开发这类系统是整个制造业发展的需要。直径2丈（6.7米），加工天文仪器上的铜环或磨石第一节

切削运动及切削参数

按工件与刀具相对运动所起作用不同来分，切削运动可分为主运动和进给运动。1、主运动

车床主轴带动工件旋转切下切屑所必需的运动。（切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动）主运动切削速度最高，消耗能量最大；可由工件完成，也可由刀具完成；一、切削运动机床通常只有一个主运动；可以是直线运动，也可以是回转运动；切削速度v，主运动方向2、进给运动

为保持继续切削所需的工件与刀具的相对运动。运动速度低，消耗功率小；可由工件完成，也可由刀具完成；进给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是间歇运动；可以是直线运动，也可以是回转运动，或者是两者的组合；进给速度vf，进给运动方向。图1-1车削运动、形成的表面、切削层和车外圆切削时间的计算

1-待加工表面2-过渡表面3-已加工表面

合成切削运动

当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上选定点相对于工件的运动称为合成切削运动。其大小和方向用合成速度向量Ve表示，Ve=V+Vf

进给运动角Ψ：某一瞬时主运动方向与进给运动方向之间的夹角。合成切削速度角η：主运动方向与合成切削方向的夹角。二、车削中所形成表面

切削加工过程是一个动态过程，在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。即：

1、待加工表面：工件上即将被切削的表面。2、过渡表面（加工表面）：工件上由车刀切削刃正在形成的表面。介于已加工表面和待加工表面之间。3、已加工表面：车刀切削后在工件上形成的表面。三、切削用量

用来表示切削运动的参量。1、切削速度（vc）切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。

由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。

当主运动为旋转运动时：

m/s或m/min式中d—完成主运动的工件或刀具的最大直径，mm；

n—主运动的转速，r/s或r/min。2、进给量（f）刀具在进给运动方向相对工件的位移量(工件每转刀具位移量)，mm/r

进给速度vf表示也可,切削刃上选定点相对于进给运动的瞬时速度。

vf=n·f

(mm/s或mm/min)3、背吃刀量（ap）垂直于进给速度方向的切削层最大尺寸。(基面上测量)外圆车削

式中dw--工件待加工表面直径，mm。

dm--工件已加工表面直径，mm。

车刀切削时，每一个单程所切除的工件材料层。（刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层。）

刀具从位置Ⅰ移到位置Ⅱ切下的工件材料层。

四边形ABCD→切削层公称横截面积四边形ABCE→切削层实际横截面积△AED→残留在已加工表面上的横截面积

AABCD-A△AED=AABCE四、切削层图1-1车削运动、形成的表面、切削层和车外圆切削时间的计算

1-待加工表面2-过渡表面3-已加工表面（1）切削层公称厚度hD

在主切削刃选定点的基面内，垂直于工件过渡表面测量的切削层横断面尺寸。

hD

＝fsinκr

五、切削层参数（影响切屑变形、切削力）（2）切削层公称宽度bD

在主切削刃选定点的基面内，平行于工件过渡表面测量的切削层横断面尺寸。

bD

＝ap/sinκr

（3）切削层公称横截面积AD

在主切削刃选定点的基面内度量的切削层的横截面面积。

AD＝hD

bD＝fapAD只与ap、f有关

反映切削效率高低常用的两指标。1、切削时间tm切削时直接改变工件尺寸、形状等所需时间。车外圆时tm可由下式求出：

提高切削用量三要素vc、f、ap中任何一个，都可缩短切削时间，提高生产效率。2、材料切除率单位时间内所切除材料的体积。第2节

刀具定义及理论角度一、刀具的组成外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，由切削部分（又称刀头）和刀柄组成。

其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演变和组合。

我们主要研究切削部分的几何参数。切削部分由刀面A、切削刃S和刀尖组成。1、刀面（1）前面：刀具上切屑流过的表面。（2）后面：与工件上过渡表面相对并相互作用的刀具表面。

注：为了提高刃口强度以满足不同加工要求，在前、后面前端可磨出倒棱和刃带。（3）副后面

：与工件上已加工表面相对并相互作用的刀具表面。

前面和后面之间所包含的刀具实体部分→刀楔。2、切削刃（1）主切削刃S：前面与后面的交线。它完成主要的切削工作。（2）副切削刃

：除主切削刃以外的切削刃。（前面与副后面的交线。）它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。切削刃不可能刃磨得很锋利，前面和后面之间总有一些刃口圆弧存在。切削刃口锋利程度可用刃口圆弧半径rn表示。高速钢刀具，rn=0.01～0.02mm；硬质合金刀具，rn=0.02～0.04mm。

图1-3刃口圆弧半径rn3、刀尖主切削刃与副切削刃连接处的一段刀刃。有时为了提高刀具的寿命，在刀尖处磨有圆角或倒角。

图1-4车刀的刀尖

为保证切削加工顺利进行，刀具切削部分必须具有合理的几何角度（表示切削刃和各个刀面的方位角度），必须建立由三个坐标平面组成的参考系。

参考系即定义和规定刀具角度的各基准坐标平面，有两类：刀具静止（标注角度）参考系－是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准。刀具工作参考系－是确定刀具切削工作时角度的基准。二、刀具角度参考系刀具静止（标注角度）参考系

1、假定条件1）假定运动条件：忽略进给运动的影响，用刀具主运动代替合成运动。2）假定安装条件：刀具的底面平行于水平面；刀杆中心线垂直于进给运动方向。（外圆车刀：刀尖与工件中心等高。）2、常用参考系常用的刀具标注角度参考系有三种：（1）正交平面参考系－刀具设计时标注、刃磨、测量角度最常用

基面Pr、

切削平面Ps、

正交平面Po组成；（2）法平面参考系－标注可转位刀具或大刃倾角刀具时常用

Pr、

Ps、法平面Pn组成；（3）假定工作平面参考系－铣削刀槽、刃磨刀面时常用

Pr、假定工作平面Pf、背平面Pp

组成；3、刀具标注角度参考系参考平面

1)基面Pr：通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度的平面。2)切削平面Ps：通过切削刃上选定点，与切削刃相切且与基面Pr垂直的平面。3)正交平面Po：通过切削刃上选定点，同时垂直于该点的基面Pr和切削平面Ps的平面。4)法平面Pn：通过切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。5)假定工作平面Pf：通过切削刃上选定点，平行于假定进给运动方向并垂直于基面Pr的平面。6)背平面Pp：通过切削刃上选定点，同时垂直于假定工作平面Pf与基面Pr的平面。图1-5基面、切削平面和正交平面

图1-6正交平面参考系主、副切削刃上的坐标平面

图1-7法平面参考系和正交平面参考系

图1-8假定工作平面参考系的坐标平面刀具的标注角度是刀具设计图样上标注出的角度，是刀具制造、刃磨和测量的依据。确定刀具上刀刃位置的角度；确定前面与后面位置的角度。在各类参考系中最基本的刀具角度只有4种类型，即前、后、偏、倾四角。三、正交平面参考系车刀的标注角度1、前角在正交平面中测量的前面与基面之间的夹角。前角表示前面的倾斜程度，有正、负和零值之分。2、后角在正交平面中测量的后面与切削平面之间的夹角。后角表示后面的倾斜程度，一般为正值。

楔角

：前刀面与后刀面的夹角3、主偏角

在基面中测量的切削平面与假定工作平面之间的夹角。（主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角。）

主偏角一般为正值。4、刃倾角

在切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。

图1-9正交平面参考系中的车刀标注角度

图1-10车刀前、后角和刃倾角正、负的规定

a）前、后角b）刃倾角小结

以上四个角度确定了车刀主切削刃及其前面、后面在空间的位置。

确定前面方位确定后面方位“一刃两面四角”确定主切削刃方位

要确定副切削刃及其相关前面、副后面的方位也需要四个角度：副前角γo′、副后角

o′、副偏角kr′和副刃倾角λs′。由于车刀主切削刃和副切削刃共处于同一前面上，当标注了γo、λs两角，前面的方位就确定了，副切削刃前面的定向角γo′、λs′就属于派生角度，不必再标注。（可由角度换算得出）副切削刃上的独立角度只有副偏角kr′和副后角

o′。5、副偏角在基面中测量的副切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角一般为正值。6、副后角

在副正交平面中测量的副后面与副切削平面之间的夹角。小结

一把外圆车刀当主、副切削刃共处一个平面时，若要确定刀具主、副切削刃和前面、主后刀面以及副后面在空间的位置，必须标注6个角度：

“两刃四面六角”

（直头外圆车刀、偏头外圆车刀等）

（注：切断刀→“三刃四面八角”）

图1-11车外圆时偏刀的标注角度

图1-12切断刀的标注角度

作业1-1、1-2、1-3画图表示车削端面时正交平面参考系的标注角度。1.4切削方式1、自由切削只有一条主切削刃参加切削工作的情况。切削刃上各点切屑流出的方向相同。切削变形过程较简单，是进行切削实验常用的方法。2、非自由切削主、副切削刃同时参加切削的情况。主副切削刃交汇处金属变形相互干涉，从而使变形较复杂。实际切削通常都是非自由切削。一、自由切削与非自由切削

图1-20正切削和倒切削

a）正切削b）倒切削1、正切削ap远大于f的切削方式。切屑沿着接近正交平面方向流出。前述刀具几何角度的定义均由正切削得出。2、倒切削ap远小于f的切削方式。切屑沿着接近副正交平面方向流出，主副切削刃作用颠倒。常见于宽刃大进给切削中。二、正切削与倒切削1、直角切削切削刃与切削速度方向垂直的切削方式。刃倾角λs=02、斜角切削切削刃不垂直于切削速度方向的切削方式。刃倾角λs≠0λs较大时，具有刃口锋利，实际前角明显增大，排屑轻快等优点。以刨代磨三、直角切削与斜角切削

图1-21斜角切削第二章

刀具材料刀具切削部分材料的性能

切削部分的几何参数刀具结构

切削生产率、刀具使用寿命刀具消耗、加工成本加工精度、表面质量本章主要讲解刀具切削部分材料性能；常用刀具材料牌号、性能与选用。刀具切削性能的好坏刀具材料（3）高的耐热性（2）足够的强度和韧性2.1刀具材料应具备的性能

刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性刀具材料应具备以下性能：（1）高硬度和高耐磨性（4）良好的工艺性（1）高的硬度和耐磨性硬度：刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在62HRC以上。

对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。耐磨性：表示材料抵抗磨损的能力

一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。（2）足够的强度与韧性刀具材料在切削时要受到很大的切削力及冲击和振动。

如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的强度用抗弯强度бb表示，韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。一般刀具材料强度高，韧性则好，但硬度和耐磨性显著降低。（3）高的耐热性（热硬性、红硬性）刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志。（综合指标）耐热性指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、韧性的能力。通常用高温硬度值来衡量。

刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强，切削性能越好，允许的切削速度越高。此外刀具材料在高温下还应具有抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力（化学稳定性）；还应有良好的导热性好和耐热冲击性。（4）良好的工艺性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性（制造和刃磨刀具的难易程度），如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等性能。经济性—评价新型刀具材料的重要指标之一；正确选用刀具材料、降低产品成本主要依据之一。

价格低廉、成本低、资源丰富、立足国内小结

选择刀具材料时很难找到各方面的性能都是最佳的，因为材料性能之间有的是相互制约的。只能根据工艺需要保证主要需求的性能。

如：粗加工锻件毛坯加工硬材料

四大类：工具钢超硬刀具材料

耐热性差，抗弯强度高，价格便宜，焊接与刃磨性好，用于手工工具及中低速切削的成形刀具。

生产中用的最多、最广。

耐热性好，生产效率高，刀片强度韧性不及工具钢，焊接与刃磨性也比工具钢差，多用于制作车刀、铣刀及各种高效切削刀具。

强度低、脆性大，成本高，仅用于某些有限的场合。使用量日益增长碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷

金刚石立方氮化硼2.2常用刀具材料图2-1各类刀具材料硬度和韧性一、高速钢

（一）概念

高速钢（又名“锋钢”）是一种加入了较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。

（二）性能

①一定的硬度和耐磨性

硬度一般为63～66HRC。

②较高的热稳定性

在切削温度高达500～650℃时尚能保持高硬度。

③切削速度高

比碳素工具钢、合金工具钢速度提高了1～3倍，故得名“高速钢”。

④较高强度和韧性

适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。⑤良好的工艺性

制造工艺简单，具有特别好的冷加工工艺性（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。）、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、成形刀具等低速小型、复杂及成形刀具制造中，高速钢仍占主导地位。综合性能好、应用范围广

（三）分类

1、普通（通用）高速钢（1）钨系高速钢（W18Cr4V简称

W18）应用最早，钢磨削性能和综合性能好，通用性强，可以制造各种复杂刀具。

碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。

钨是稀有金属，使用较少。（2）钨钼系高速钢（以钼代钨，含钨较少）①W6Mo5Cr4V2简称

M2优点：碳化物颗粒细小，分布均匀，具有良好的力学性能；抗弯强度、韧性比W18钢高，能承受较大冲击力；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。缺点：耐热性稍低于W18；热处理时脱碳倾向大，易氧化；淬火温度范围窄。②W9Mo3Cr4V简称

W9（据我国资源研制）具有良好的力学性能、热塑性和可磨性，热处理温度范围宽，抗弯强度、冲击韧性和热稳定性均高于M2钢，脱碳倾向比M2钢小得多，可用于制造各种刀具（锯条、齿轮刀具、钻头、拉刀、铣刀等）。加工各种钢材时，刀具寿命比W18和M2都有一定提高。

2、高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢中增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性。具有较高的耐热性，更好的切削性能，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。

适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。

（1）钴高速钢应用最广：W2Mo9Cr4VCo8（M42）良好的综合性能，硬度高，允许较高切削速度，韧性好，可磨削性好，加工耐热合金、不锈钢时，刀具寿命较普通高速钢有明显提高。

（2）铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al（501）在M2基础上加Al增C600℃时硬度达到54HRC，切削性能接近M42钢，可磨性低于M42，热处理温度较难控制。立足于我国资源研制，成本低，已推广使用。

表2-1高速钢的力学性能及主要用途3、粉末冶金高速钢

用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水，得到高速钢粉末，然后在高温高压下，将粉末压制成致密的钢坯，最后再轧制（或锻造）成材。

优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；耐磨性好；节约钢材和工时。适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。各类高速钢刀具高速钢材料制成的中心钻

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。二、硬质合金（一）主要性能硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89～93HRA，耐热性可达800～1000℃。抗弯强度、抗冲击韧性比高速钢低，工艺性比高速钢稍差，硬度、耐热性比高速钢高，切削速度比高速钢提高4～10倍。已成为切削加工中主要的刀具材料，广泛用在切削速度较高的各种刀具甚至复杂刀具中。

主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等刀具。

硬质合金的力学性能，主要取决于金属碳化物的种类、数量、颗粒粗细和粘化剂的种类、数量。

碳化物多→硬度高、耐磨性好

粘结剂多→抗弯强度高细晶粒强度低于粗晶粒细晶粒硬度高于粗晶粒（二）普通硬质合金

1、K类硬质合金（WC+Co）（YG）成分：90%~97%WC+3%~10%Co常用牌号：YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YG8C

含钴越多，强度越高，硬度、耐热性、耐磨性越低，适宜粗加工；含碳化钨越多，硬度、耐热性、耐磨性越高，强度越低，适宜精加工。YG类具有较高的抗弯强度和韧性，所以主要用于加工铸铁，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。2、P类硬质合金（WC+TiC+Co）（YT

）成分：5%~40%TiC，其余为WC+Co常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30此类合金有较高的硬度、耐磨性和耐热性，主要用于加工切屑成呈带状的钢件等塑性材料。

合金中含TiC量越多，则硬度、耐热性和耐磨性越高，强度越低→粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。3、M类硬质合金（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）（YW）成分：5%~10%TiC+TaC（NbC）

，其余为WC+Co常用牌号：YW1、YW2YW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。适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工，故被称为通用硬质合金。

（三）其他硬质合金

1、TiC、TiN基硬质合金相当于P类硬质合金，硬度高于WC基。主要用于合金钢、淬硬钢精加工和半精加工。

2、超细晶粒硬质合金晶粒可达0.2～1μm主要用于不锈钢、钛合金等难加工材料的断续加工，允许用较低切削速度切削。

3、钢结硬质合金WC、TiC作硬质相，高速钢作粘结相，粉末冶金方法制成。主要用于制造结构复杂耐磨的刀具及某些特殊刀具。选用加工铸铁、有色金属及非金属材料→YG

(高速切削可选YT)加工钢料→YT

低速切削可选YG粗加工时，要求刀具抗弯强度和冲击韧性高→选用含钴量多的硬质合金精加工时，要求刀具硬度、耐磨性、耐热性高→选用含钴量少的硬质合金各类硬质合金钢刀具三、涂层刀具概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层或多层硬度和耐磨性很高的难熔金属化合物而制成。常用的涂层材料有：TiC、TiN、TiCN

、Al2O3等。涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层。

优点：涂层刀具具有较好的综合性能，基体强度韧性较好，表面有高的硬度、耐磨性、耐热性，因此具有较高的刀具耐用度。（涂层硬质合金刀具耐用度提高1～3倍，涂层高速钢刀具耐用度提高2～10倍。）缺点：刃口锋利程度、抗崩刃性不及普通合金适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。1、涂层高速钢刀具采用物理气相沉积法（PVD）涂层，沉积温度500℃左右。用钝后可重磨后再用。特别适合加工钢材；适用于结构较复杂的工具。2、涂层硬质合金刀具采用化学气相沉积法（CVD）涂层，沉积温度1000℃左右。大多采用复合涂层。其制造的可转位刀片广泛用于数控机床和加工中心。适用于各种钢材、铸铁的精加工和半精加工，负荷较轻的粗加工也可使用。涂层硬质合金刀片2.3其他刀具材料一、陶瓷材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。

特点：（1）有很高的硬度和耐磨性。常温硬度达91~95HRA，可切削60HRC以上的硬材料；耐磨性为一般硬质合金的5倍，刀具寿命比硬质合金高；（2）有很高的耐热性。1200℃维持80HRA，再高温还能切削，切削速度比硬质合金提高2~5倍。（3）有很高的化学稳定性。陶瓷与金属亲和力小。（4）有较低的摩擦系数。切屑与刀具不易粘结。（5）强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。热导率仅为硬质合金的1/2~1/5。适用范围：高速精细加工硬材料。常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（1）氧化铝陶瓷第一代陶瓷刀具材料

50年代使用。强度、韧性差，切削刃易微崩，使用范围很有限。（2）氧化铝—碳化物系陶瓷

70年代使用。将一定量碳化物（多用TiC）添加到Al2O3中热压烧结而成。TiC达30%可有效提高陶瓷的密度、强度与韧性，使刀片不易产生热裂纹，不易破损。适于中高速加工冷硬铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。（3）氮化硅基陶瓷新型陶瓷刀具材料

80年代使用。有氮化硅陶瓷、Al2O3-Si3N4陶瓷。硬度高，强度、韧性高，耐热性高，耐热冲击性高，抗氧化性能好，摩擦系数小。能高速切削，速度可达500～600m/min。适于精车、半精车，精铣、半精铣，可加工冷硬铸铁、高速钢、镍基合金、钛合金等难加工材料。氮化硅陶瓷刀具二、立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由软的六方氮化硼（白石墨）为原料在高温高压下加入催化剂转变而成。70年代发展起来的新型刀具材料。性能：

（1）有很高的硬度及耐磨性。显微硬度为8000～9000HV，仅次于金刚石。加工淬火钢，刀具寿命比硬质合金提高3～15倍。

（2）有很高的热稳定性。耐热性可达1400～1500℃，适合在高速下切削高温合金。

（3）化学稳定性好。CBN与铁系金属在1200～1300℃时也不起化学反应，可高速切削淬火钢、冷硬铸铁。

（4）有较高的导热性和较小的摩擦系数。热导率为金刚石的1/2但远高于陶瓷刀具，随温度升高而增加。

（5）强度和韧性较差。抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2，一般只用于精加工。适用范围：

适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。不适合加工塑性大的钢铁金属和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金。CBN脆性大，不宜低速切削，常采用负前角的高速切削，发挥高温硬度性能。种类：1、整体聚晶立方氮化硼刀片

可用于车刀、镗刀、铰刀等。2、立方氮化硼复合刀片

充分发挥刀刃（CBN）的耐磨性和基体（WC）的韧性综合作用，扩大使用范围，降低成本。立方氮化硼刀具三、金刚石

金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。特点：（1）有极高的硬度和耐磨性。可加工65~70HRC材料，耐磨性是硬质合金的60～80倍，刀具寿命提高几倍到几十倍。（2）切削刃锋利。能实现超精密微量加工和镜面加工。（3）有很好的导热性。热膨胀系数低，切削加工时不会产生很大热变形，利于精密加工。（4）耐热性差。温度超过800℃碳化失去切削能力，高温下铁原子易与碳原子作用而转化为石墨结构，使刃口“破裂”。强度低，脆性大，对振动很敏感。分类：天然单晶金刚石刀具—主要用于有色金属及非金属的精密加工。价格贵，应用少。人造聚晶金刚石刀具—将金刚石微晶在高温高压下借助于合金触媒的作用，烧结聚合而成的多晶体。抗弯强度和韧性提高，可直接镶焊或粘结在刀杆上使用；可选用大切削用量；可自由刃磨。金刚石复合刀片—

在硬质合金刀片基体上烧结一层约0.5mm厚的聚晶金刚石。强度较高，允许切削断面较大，也能间断切削，可多次重磨使用。适用范围：

用作磨具、磨料；用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。

天然单晶金刚石晶体聚晶金刚石刀具选择选择刀具材料一般应遵循以下原则：（1）加工普通工件材料时→一般选用普通高速钢与硬质合金；加工难加工材料时→一般选用高性能和新型刀具材料。只有在加工高硬材料或精密加工中常规刀具材料难以胜任时，才考虑用超硬材料立方氮化硼和金刚石。（2）任何刀具材料在强度、韧性和硬度、耐磨性之间总是难以完全兼顾，常先考虑耐磨性。

低速切削时→宜选强度和韧性好的刀具材料

高速切削时→宜选硬度和耐磨性好的刀具材料

发展近年来刀具材料发展与应用的主要方向是发展高性能新型刀具材料，提高刀具材料使用性能，增加刀刃可靠性，延长刀具使用寿命，大幅度提高切削效率，满足各种难加工材料的切削要求。未来刀具材料发展特点：刀具材料将接受工件材料的挑战，新品种、新牌号不断出现，各自所占比重不断变化，它们将相互补充、相互促进，交替发展。第三章

金属切削过程的基本规律切削变形和切屑形成过程刀-屑面间摩擦和积屑瘤已加工表面变形和加工硬化切削力切削热与切削温度刀具磨损和刀具寿命第一节第四节第二节第三节第五节第六节学习目标掌握金属的切削过程，三个变形区的变形特点；掌握切削力的测量与计算方法；掌握切削温度的测量与分布；掌握刀具磨损的机理，刀具寿命与切削用量之间的关系。金属切削加工过程是一个十分复杂的过程。切削过程中工件刀具之间产生相对运动切削层产生弹塑性变形后变为切屑金属切削加工中的各种物理现象（切削力、切削热、刀具磨损及加工表面质量等）均以切屑成形过程为基础金属切削变形是切削过程中最基本、最本质的问题。揭露金属切削变形过程的物理本质，研究变形是产生的物理现象及变化规律，是金属切削基础理论研究的一个根本课题。它对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，提高加工质量，降低成本，提高生产率和促进切削技术发展都有十分重要的意义。

3.1切削变形和切屑形成过程

金属切削过程实质上是切削层金属受到刀具前面的推挤后产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。因此，金属切削变形的主要方式是剪切滑移，切削过程的基本问题是切削层的变形问题。实际生产中的切削大多数情况是斜角非自由切削，切削过程中的变形是复杂的三维塑性变形。研究切削形成的机理时，将切削过程简化为“直角自由切削”，切削过程的变形是二维变形，问题简化。直角切削：主切削刃与切削速度方向垂直自由切削：只有一条切削刃参加切削

切屑的形成过程切削层的金属弹性变形塑性变形挤裂切离切屑切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂沿刀具前刀面流出金属在加工过程中会发生剪切和滑移，表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区。一、切削时的三个变形区域（一）第Ⅰ变形区（剪切滑移区）切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区。当切屑层达到OA线处时，切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到OM线上，剪切滑移终止，切削层脱离母体形成切屑，然后沿前面流出。

是金属切削变形过程中主要变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.02～0.2mm。图3-2切屑形成过程

a）切削层的剪切滑移过程b）切屑形成时各作用角c）切屑形成金相照片（二）第Ⅱ变形区

切屑沿前刀流出时受到前面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，使靠近前面的金属纤维化，基本与前面平行。切屑底层薄的一层金属流动滞缓，称为滞流层。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前面发生粘结现象。（挤压摩擦区）

切屑流出时与刀具前面接触产生变形的区域。（三）第Ⅲ变形区

已加工表面受到切削刃钝圆部分的挤压和后面摩擦作用，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。已加工表面与后面的接触区为第Ⅲ变形区。（挤压摩擦回弹区）

近切削刃处已加工表面层内产生变形的区域。刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离。完整的金属切削过程由上述三个变形区构成，既包括了切屑形成过程，又包括了已加工表面的形成过程。三个变形区之间是互相联系又互相影响的。金属切削过程中许多物理现象都和三个变形区的变形密切相关。研究切削过程中的变形，是掌握金属切削技术的基础。二、切屑类型由于工件材料不同，切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。归纳起来，可分为以下四种类型：从左至右前三种为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。图3-3切屑的类型

a）带状切屑b）节状切屑c）粒状切屑d）崩碎切屑1、带状切屑

带状切屑是最常见的一种切屑。内表面是光滑的，外表面是毛茸状的。一般加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金）

，切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，得到的往往是这类切屑。它的切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。

2、节状切屑

节状切屑又称挤裂切屑和带状切屑不同之处在于外表面呈锯齿形，内表面有裂纹。切削层在塑性变形过程中，剪切面上局部位置处剪应力达到材料强度极限而产生局部断裂。一般加工微脆而易于引起剪切滑移的塑性材料（如黄铜）

，切削厚度较大、切削速度较低、刀具前角较小时，得到的往往是这类切屑。它的切削过程不平稳，切削力波动较大，已加工表面粗糙度较大。

带状切屑节状切屑粒状切屑切削平稳，力波动小滑移量较大，局部切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓ap3、粒状切屑

粒状切屑又称单元切屑当切屑形成时，如果在节状切屑的整个剪切面上剪应力超过了材料的破裂强度极限，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的粒状切屑。

以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，粒状切屑的切削力波动最大。切屑形态可以随切削条件而转化

：带状切屑、节状切屑、粒状切屑影响切屑形态的因素及切屑形态的相互转化工件材料塑性前角切屑厚度切削速度

高低大小小大高低切屑形态对切削加工的影响切削力波动切削过程平稳性加工表面粗糙度

小大好坏小大切削脆性金属（如灰铸铁、铸黄铜等）时，由于材料的塑性很小、抗拉强度较低，刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属末经明显的塑性变形就在张应力状态下脆断。形成不规则的碎块状切屑，同时使工件加工表面凹凸不平。工件材料越是硬脆，切削厚度越大时，越容易产生这类切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。改进方法：

减小切削厚度，使切屑成针状或片状；

适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。

4、崩碎切屑

三、切削变形程度的表示常用的指标有：剪切角Φ、切屑厚度压缩比Λh(变形系数ξ）、剪切面上相对滑移量ε剪切角Φ

：剪切滑移面与切削速度方向之间的夹角。

Φ越小，切屑越厚越短，变形程度越大，切削越费力。Φ——衡量切削层变形程度的重要参数之一图3-4切削变形程度表示

a）切屑与切削层尺寸b）前角、剪切角与切削变形关系c）剪切角确定在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：Fy

前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff合力Fr

剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs合力Fr′切屑厚度压缩比Λh：表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。在金属切削加工中，刀具切下的切屑厚度hch通常都要大于工件上切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层长度lD。根据Fr（主应力方向）与Fs（最大剪应力方向）之间的夹角为45°的原理李和谢弗(1eeandShaffer)公式

(1)当前角γo增大时，φ角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。(2)当摩擦角β增大时，φ角随之减小，变形增大。因此在低速切削时，采用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。切屑厚度压缩比Λ直观地反映了切削变形程度，并且比较容易测量，较常使用。显见，增大前角γo，减小前面上摩擦（β角），

剪切角Φ增大，切屑厚度压缩比Λh减小，即切削变形小。3.2刀-屑面间摩擦和积屑瘤

前面与切屑的摩擦对切削层的变形有很大影响，它影响到切屑的形成、切削力、切削温度、刀具的磨损、积屑瘤和鳞刺的形成以及已加工表面的质量。可见研究探讨前面上的摩擦在切削过程中所起的作用，也是很重要的。一、刀-屑面间摩擦特点冷焊：在近刀刃处的lfi长度内由于高温、高压作用，刀-屑面间接触点被挤平而形成粘结或称冷焊。（靠近前面处切屑底层很薄的一层金属由于被粘结而滞流，而上层金属仍在高速流动，这样就在切屑底层的各层金属间产生了内摩擦。）切塑性金属时前面上应力分布情况→刀-屑接触区可分两部分：粘结区lf1:

剪切滑移，内摩擦滑动区lf2:

滑动摩擦，外摩擦（一般内摩擦力约占总摩擦力的85%）特点：正应力σf是变化的，离刀刃越远σf越小；而切应力τf在粘结区不变，等于材料的剪切屈服强度τs

。图3-5刀—屑面间摩擦区a)内摩擦区应力分布b）内摩擦区内粘结照片刀-屑面间摩擦系数切削时前面的摩擦，由粘结区的内摩擦起主要作用。所以在研究刀屑的摩擦时，应以内摩擦为主要依据。不同材料摩擦系数不同，主要是由于工件材料剪切屈服强度不同。当切削材料的强度和硬度越高，进给量f越大时，正压力增大，摩擦系数μ减小，切削变形减小。

滞流层：刀-屑面间产生粘结，增大了切屑流出的阻力，促使切屑底面薄层内流速减慢，出现了滞流层，其中底层流速为0。接近前面的切屑底层晶粒拉长，形成与前面平行的纤维层，流速很慢，变形程度非常剧烈。二、滞流层与积屑瘤形成积屑瘤：

在一定压力和温度条件下，流速极低的滞流层被剪切断裂粘附在刀刃处，该粘附层受到了切屑流出时的挤压和摩擦作用使硬度提高，高硬度的粘附层又继续剪切流出切屑的底层金属，如此层层堆积形成了硬楔块，称为积屑瘤。（切削速度连续切削塑性材料）

粘结冷焊→滞流层→积屑瘤图3-6滞流层与积屑瘤a)滞流层b）刀刃处积屑瘤c）积屑瘤在切削

积屑瘤硬度很高可代替刀刃切削，但受到振动或外力作用下，会被切屑带走或粘附在已加工表面上，继而又形成、长高和脱落，如此重复进行。

1、积屑瘤对金属切削过程产生的影响

（1）对刀具寿命的影响（2）增大实际刀具前角（3）增大表面粗糙度（4）影响加工精度（1）对刀具寿命的影响从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤可以保护刀刃，它代替刀具切削，减少了刀具磨损，提高刀具寿命。积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。（2）增大实际刀具前角由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个γb角度，如把积屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，积削瘤的高度Hb

越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。（3）增大表面粗糙度积屑瘤本身有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在已加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。（4）影响加工精度当积屑瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无积屑瘤时增加了一个△hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度△hD的增加并不是固定的，因为积屑瘤在不停变化，它是一个产生、长大、最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。2、形成积屑瘤的条件

主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；2）近切削刃处的温度和压力很低时，切屑底层塑性变形小，摩擦系数小，粘结不易产生，积屑瘤不易形成；高温时，切屑底层材料软化，剪切屈服强度下降，摩擦系数减小，积屑瘤也不易产生。（如切削中碳钢）3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。在生产中对钢、铝合金和铜等塑性金属进行较低速和中速车、钻、铰、拉和攻螺纹加工中常出现积屑瘤。

3、积屑瘤的控制影响积屑瘤的因素工件材料、切削用量、刀具角度、切削液等控制措施1）降低或提高切削速度。切削速度是通过切削影响积屑瘤的。通常vc＜3m/min或vc＞60m/min不易形成积屑瘤。

2）增大刀具前角、减小进给量、提高刀具刃磨质量和浇注切削液，均能减小切屑与前面接触区的压力、摩擦和降低温度，不易形成积屑瘤。课堂问题某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法？回答1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法，2、积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工尺寸精度。3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加工表面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。3.3已加工表面变形和加工硬化1、已加工表面变形（刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程）

切削层中有一层厚度为△a的金属层不会沿剪切面OM方向滑移成为切屑，而是被切削刃钝圆部分（O点以下）挤压留在已加工表面上。该部分金属经过刀刃钝圆B点后，又受到后面BC段棱面的挤压和摩擦，使工件表层受到剪应力，随后开始弹性恢复，恢复高度为△h，已加工表面在CD段上继续与后面摩擦，这部分切削层在OB、BC、CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面。刀刃钝圆半径

rn后面磨损带VB弹性恢复区CD

加工硬化亦称冷作硬化，是在第Ⅲ变形区内产生的物理现象。

任何刀具的切削刃口都很难磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃及其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用下，使已加工表面层△hD的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破碎，这种经过严重塑性变形而使表面层硬度增高的现象称为加工硬化。2、加工硬化图3-7已加工表面层内晶粒变化后果：

金属材料经硬化后提高了屈服强度，并在已加工表面上出现显微裂纹和残余应力。因此，硬化降低了加工表面质量和材料的疲劳强度，增加下道工序加工困难，加速刀具磨损。在切削时应设法避免或减轻硬化现象。

衡量加工硬化程度的指标：加工硬化程度N和硬化层深度hy

H1—已加工表面显微硬度H—金属材料基体显微硬度

减轻硬化程度的措施磨出锋利切削刃减小刃口圆孤半径。增大前角或后角使刃口圆孤半径减小，切削变形减小。减小背吃刀量适当减少切入深度，使切削力减少，切削变形小，冷硬程度减轻。合理选用切削液减小刀具后面与加工表面摩擦，使硬化层深度减小。1、工件材料2、刀具几何参数3、切削用量

影响切削变形的因素1．工件材料工件材料的强度、硬度越高，刀-屑面间正压力越大，平均正应力增大，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切削变形减小。材料强度对变形系数的影响2．刀具几何参数刀具前角越大，切削刃越锋利，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切削变形减小。生产实践表明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。（1）前角

（2）刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，刀尖圆弧半径re越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形也越大。

（3）主偏角主偏角越大，切削厚度越大，切屑厚度压缩比越小，切削变形越小。刀具几何参数中对切削变形影响最大的是刀具前角。3、切削用量由图可以看出，随切削速度变化的切屑厚度压缩比曲线并不是一直递减，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对切削变形的影响分为两个段，一个是有积屑瘤段，另一个是无积屑瘤段。（1）切削速度有积屑瘤段情况切削速度对切削变形的影响主要是通过积屑瘤对切削变形的影响来实现的。积屑瘤增长阶段：积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，实际刀具前角也越大，切削变形相对减少，所以在此阶段，切削速度增加时，切削变形减小。积屑瘤消退阶段：积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，实际刀具前角也减小，切削变形将增大，在积屑瘤完全消退时，切削变形将最大。无积屑瘤段情况切削速度越大，切屑厚度压缩比越小，切削变形越小。

主要是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢。速度低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在OA面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至OA′，终剪切面OM也后移至OM′，第一变形区后移，使得剪切角增大，切屑厚度减小，切削变形减小。如图所示，显示了进给量（即切削厚度）对切削变形的影响。在无积屑瘤段，进给量f越大，切削厚度越大，切屑厚度压缩比越小。切削变形越小。（2）进给量在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，制定切削用量，监控切削状态，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。因此，研究切削力的规律和计算方法，将有助于进一步