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机械制造技术基础第2章教学课件机械制造技术基础第2章 金属切削原理与刀具 2.1金属切削加工的基础知识 2.2刀具结构和刀具材料 2.3金属切削过程 2.4切削力与切削功率 2.5切削热与切削温度第2章 金属切削原理与刀具 2.6刀具磨损与刀具耐用度 2.7切削用量和切削液 2.8金属材料的切削加工性 2.9高速切削及刀具第2章 金属切削原理与刀具金属切削加工是运用机床和刀具，按照预定的加工要求，从坯件上切去多余金属的加工方法，其目的是使被加工零件的尺寸、形状和位置精度，以及其表面质量达到设计和使用的要求。在金属切削过程中，始终伴随着刀具切削工件和工件材料抵抗切削温度两种情况，并产生一系列的物理现象，这些物理现象包括刀具的磨损与刀具的寿命等。金属切削原理与刀具是研究金属切削的基本规律与刀具设计、使用的一门学科，是机械制造专业的重要课程。因此，本章主要介绍金属切削加工的基础知识、刀具的结构和材料，以及金属切削加工过程中的物理现象和规律。Part 2.1金属切削加工的基础知识第2章 金属切削原理与刀具2.1.1 切削运动切削加工时，为了获得各种形状的零件，刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，即切削运动，切削运动按运动在切削中所起的作用不同可分为主运动和进给运动。2.1.1 切削运动 1.主运动主运动是切下切屑所需的最基本的运动。其特点是速度最高，消耗功率最大。车削时，主运动是工件的回转运动，如图2-1所示；图2-1 车削运动和工件上的表面2.1.1 切削运动牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动，如图2-2所示。图2-2 刨削运动和工件上的表面2.1.1 切削运动 2.进给运动进给运动是使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面的运动。车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动可以有一个或几个。2.1.1 切削运动 3.合成切削运动当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示，其等于主运动切削速度vc和进给速度vf的矢量和，即ve=vc+vf，如图2-3所示。图2-3 合成速度2.1.2 切削表面在切削加工过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是待加工表面，即将被切除金属层的表面；切削表面（过渡表面），即切削刃正在切削的表面；已加工表面，即已切除多余金属形成的新表面，如图2-1和图2-2所示。2.1.3 切削用量切削用量是表示主运动及进给运动参数的数量。它是切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap三者的总称。切削用量是调整机床，计算切削力、切削功率和工时定额的重要参数，如图2-4所示。图2-4 切削用量三要素2.1.3 切削用量 1.切削速度vc 切削速度即切削刃上的选定点相对于工件的主运动的瞬时速度，单位为m/s或m/min。当主运动为旋转运动时，其计算公式为（2-1）式中，dw为工件待加工表面的直径，mm；n为主运动的转速，r/s或m/min。2.1.3 切削用量显然，当转速n一定时，选定点不同，切削速度也不同。实际生产中考虑刀具的磨损和切削功率等，在确定切削速度vc时一律以刀具或工件进入切削状态的最大直径作为计算依据。若主运动为往复直线运动（如刨削），则常用其平均速度v作为切削速度，即 式中，L为往复直线运动的行程长度，mm；nr为主运动每秒钟的往复次数，次/秒。2.1.3 切削用量 2.进给量f进给量即刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，可用刀具或工件每转（主运动为旋转运动时）或每行程（主运动为直线运动时）的位移量来表达和测量，单位为mm/r（用于车削、镗削等）或mm/行程（用于刨铣、磨削等）。切削刃上的选定点相对工件的进给运动的瞬时速度称为进给速度（vf），单位为mm/s。它与进给量之间的关系为 vf=nf（2-2）式中，f为车刀每转进给量，mm/r；n为工件转速，r/s。2.1.3 切削用量 3.背吃刀量ap 背吃刀量是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上测量的已加工表面与待加工表面之间的距离，即切削深度，单位为mm。外圆车削的背吃刀量为（2-3）式中，dw为工件待加工表面的直径，mm；dm为工件已加工表面的直径，mm。2.1.4 切削层参数切削层是指刀具的切削刃正在切削的金属层。为简化计算，切削层参数是在与主运动方向相垂直的平面内度量的切削层截面尺寸，包括切削层公称横截面积、切削层公称宽度和切削层公称厚度，如图2-5所示。图2-5 车削加工时的切削运动及切削层参数2.1.4 切削层参数 1.切削层公称横截面积AD切削层公称横截面积是指给定瞬间切削层在与主运动方向相垂直的平面内度量的实际横截面积。实际上，由于刀具副偏角的存在，经切削加工后的已加工表面上常留有规则的刀纹，这些刀纹在切削层尺寸平面里的横截面积ABE称为残留面积，残留面积的高度直接影响已加工表面的表面粗糙度值。2.1.4 切削层参数 2.切削层公称宽度bD 切削层公称宽度是指沿切削刃方向测量的切削层截面尺寸，单位为mm。它大致反映了主切削刃参加切削工作的长度。2.1.4 切削层参数 3.切削层公称厚度hD 切削层公称厚度是指垂直于切削刃方向上测量的切削层截面尺寸，单位为mm。当主切削刃为直线且刀尖圆弧半径很小时，由图2-5可见：bD=ap/sinr（2-4）hD=f sinr（2-5）AD=bDhD=apf（2-6）式中，r为车刀的主偏角（）。由上述公式可知，主偏角值的不同，引起切削层厚度与切削层宽度的变化，从而对切削过程的切削机理产生了较大的影响。Part 2.2刀具结构和刀具材料第2章 金属切削原理与刀具2.2 刀具结构和刀具材料切削刀具的种类有很多，如车刀、刨刀、铣刀和钻头等。它们的几何形状各异，复杂程度不等，但它们的切削部分的结构和几何角度具有许多共同的特征。车刀和刨刀是最常用、最简单和最基本的切削工具，因而最具有代表性，其他刀具都可以看作是由普通外圆车刀切削部分的变形或组合而成的，如图2-6所示。图2-6 各种刀具切削部分的形状2.2 刀具结构和刀具材料因此，在刀具结构的分析和研究中，通常以普通外圆车刀为范例进行，在掌握其分析方法后，就可以将这种方法推广到其他复杂刀具。本节将以外圆车刀切削部分为例，介绍刀具结构及几何参数的定义。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构 1.刀具的分类按加工工艺和用途，刀具可分为车刀、铣刀、镗刀、刨刀、钻头、铰刀、螺纹刀具和齿轮刀具等。其中，车刀又可分为外圆车刀、偏刀、切断刀、镗孔刀等；铣刀又可分为圆柱铣刀、盘铣刀、立铣刀等。按国家标准，刀具可分为标准刀具（标准螺距的螺纹丝锥、板牙、标准模数的齿轮滚刀、插齿刀等）和非标准刀具（非标准螺距的螺纹丝锥、非标尺寸及精度的铰刀等）。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构 2.常见的刀具（1）车刀。车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、内孔，也可用于切槽和切断等，如图2-7所示。图2-7 常用车刀的形式2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀，如图2-8所示；图2-8 硬质合金可转位车刀的常用形状2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构图2-9 成形车刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（2）孔加工刀具。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的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀及镗刀等。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构扁钻。扁钻是使用最早的钻孔刀具，如图2-10所示。其特点是结构简单、刚性好、成本低、刃磨方便。图2-10 扁钻2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构麻花钻。麻花钻是应用最广泛的孔加工刀具，图2-11所示为标准高速钢麻花钻的结构。图2-11 标准高速钢麻花钻的结构2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构中心钻。中心钻是用来加工轴类零件中心孔的刀具，如图2-12所示。图2-12 中心钻2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构深孔钻。通常把孔的长度与孔的直径比大于10的孔称为深孔，加工深孔所用的钻头称为深孔钻，如图2-13所示。图2-13 深孔钻2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构扩孔钻。扩孔钻专门用来扩大已有孔，如图2-14所示。它比麻花钻的齿数多（Z3），容屑槽较浅，无横刃，强度和刚度均较高，导向性和切削性较好，加工质量和生产效率比麻花钻高。图2-14 扩孔钻2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构锪钻。锪钻用于加工各种埋头螺钉沉孔、锥孔和凸台面等，如图2-15图2-18所示。常见的锪钻有三种，即圆柱形沉头锪钻、锥形沉头锪钻和端面凸台锪钻。图2-15 带导柱平底锪钻图2-16 带导柱90锥面锪钻2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构图2-17 不带导柱锥面锪钻图2-18 端面锪钻2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构铰刀。铰刀常用来对已有孔进行最后精加工，也可对要求精确的孔进行预加工，如图2-19所示。其加工精度可达IT8IT6，表面粗糙度值达1.60.2 m。铰刀可分为手用铰刀和机用铰刀。图2-19 不同种类的铰刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构镗刀。镗刀是对已有的孔进行再加工的刀具。镗刀可在车床、镗床或铣床上使用，可加工精度不同的孔，加工精度可达IT7IT6，表面粗糙度值达6.30.8 m。一般分为单刃镗刀和双刃镗刀。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构a.单刃镗刀（见图2-20）。单刃镗刀结构简单，制造容易，通用性好，故使用较多。常用的单刃镗刀有盲孔镗刀和透孔镗刀。图2-20 单刃镗刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构图2-21 双刃镗刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构双刃镗刀的两边都有切削刃，工作时可以消除径向力对镗杆的影响，工件的孔径尺寸和精度由镗刀径向尺寸保证。镗刀上的两个刀片的径向可以调节，因此可加工一定尺寸范围的孔。双刃镗刀多采用浮动连接式，镗刀片插在镗杆的槽中，依靠作用在两个切削刃上的径向力自动平衡其位置，可消除因镗刀安装误差或镗杆偏摆引起的加工误差。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（3）铣刀。铣刀为多齿回转刀具，其上的每个刀齿就相当于一把车刀固定在铣刀的回转面上。带孔铣刀和带柄铣刀分别如图2-22和图2-23所示。铣刀按用途可分为加工平面用铣刀、加工沟槽用铣刀和加工成形面铣刀三大类。图2-22 带孔铣刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构图2-23 带柄铣刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构圆柱形铣刀。圆柱形铣刀用于卧式铣床上加工平面。刀齿分布在铣刀的圆周上，圆柱形铣刀按齿形分为直齿和螺旋齿两种。圆柱形铣刀按齿数分粗齿和细齿两种。螺旋齿粗齿铣刀齿数少，刀齿强度高，容屑空间大，适用于粗加工；细齿铣刀适用于精加工。三面刃铣刀。三面刃铣刀用于加工各种沟槽和台阶面，其两侧面和圆周上均有刀齿。角度铣刀。角度铣刀用于铣削成一定角度的沟槽，有单角铣刀和双角铣刀两种。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构锯片铣刀。锯片铣刀用于加工深槽和切断工件，其圆周上有较多的刀齿。为了减少铣切时的摩擦，刀齿两侧有151的副偏角。立铣刀。立铣刀用于加工沟槽和台阶面等，刀齿在圆周和端面上，工作时不能沿轴向进给。当立铣刀上有通过中心的端齿时，可轴向进给运动。键槽铣刀。键槽铣刀主要用于加工圆头封闭键槽。它的形状类似立铣刀。键槽铣刀有两个刀齿，端面切削刃是主切削刃，圆周切削刃是副切削刃，故工作时能沿轴线做进给运动。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构T形槽铣刀。T形槽铣刀类似于三面刃槽铣刀，主切削刃分布在圆周上，副切削刃分布在两个端面上，主要用于加工T形槽。成形铣刀。切削刃廓形根据工件廓形设计的铣刀称为成形铣刀。它和成形车刀一样，可以保证被加工工件的尺寸精度、形状一致和较高的生产率。成形铣刀在生产中应用比较广泛，尤其在涡轮机叶片加工中的应用更为普遍。成形铣刀按照它的齿背形式，可分为尖齿成形铣刀和铲齿成形铣刀两种。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（4）拉刀。拉削是用拉刀加工内、外成形表面的一种加工方法。拉刀是多齿刀具，如图2-24所示。拉削时，利用拉刀上相邻刀齿的尺寸变化来切除加工余量，使被加工表面一次成形，因此，拉床只有主运动，无进给运动，进给量是由拉刀的齿升量来实现的。图2-24 常见的拉刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（5）刨刀。刨削是平面加工的主要方法之一。常见的刨刀有平面刨刀、偏刀、角度刀及成形刨刀，如图2-25所示。图2-25 常见的刨刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（6）插刀。插削与刨削基本相同，只是插削是在垂直方向进给，主要用来加工工件的内表面，如键槽、花键槽等；插削特别适于加工盲孔或有障碍台阶的内表面。插削时为了避免刀杆与工件相碰，插刀刀刃应该突出于刀杆，如图2-26 所示。图2-26 常见的插刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（7）齿轮刀具。齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具，按照刀具的工作原理，齿轮刀具可以分成成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。常见的成形齿轮刀具可以分为盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀。常用的展成齿轮刀具有插齿刀、滚刀和剃齿刀等。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构盘形齿轮铣刀。盘形齿轮铣刀是一把铲齿成形铣刀，可加工直齿轮和斜齿轮，如图2-27所示。工作时，铣刀旋转并沿齿槽方向进给，铣完一个齿后进行分度，再铣第二个齿。图2-27 盘形齿轮铣刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构指形齿轮铣刀。指形齿轮铣刀是一把成形立铣刀，如图2-28所示。工作时，铣刀旋转并进给，工件分度。图2-28 指形齿轮铣刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构齿轮滚刀。滚刀相当于一个开有容屑槽的、有切削刃的蜗杆状的螺旋齿轮，如图2-29所示。滚刀与齿坯的啮合传动比由滚刀的头数与齿坯的齿数决定，在展成滚切过程中切出齿轮齿形。图2-29 滚刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构插齿刀。插齿刀相当于一个有前后角的齿轮，如图2-30所示。插齿刀与齿坯的啮合传动比由插齿刀的齿数与齿坯的齿数决定，在展成滚切过程中切出齿轮齿形。图2-30 插齿刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构剃齿刀。剃齿刀相当于齿侧面开有屑槽形成切削刃的螺旋齿轮，如图2-31所示。剃齿时剃齿刀带动齿坯滚转，相当于一对螺旋齿轮的啮合运动。图2-31 剃齿刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（8）螺纹刀具。在各种传动机构中，紧固零件和测量工具等都广泛应用了螺纹。由于它的用途不同，其形状、精度和表面粗糙度也各有要求。按照加工螺纹的方法，螺纹刀具可以分为丝锥、板牙、螺纹铣刀等几类。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构丝锥。丝锥本质上是一个带有纵向容屑槽的螺栓，具有切削刀刃和几何角度，是加工圆柱形和圆锥形内螺纹的标准刀具之一，因其结构简单，使用方便，故应用广泛。图2-32所示为最常见的三角牙形丝锥，它的工作部分由切削锥和校准部分组成。图2-32 三角牙形丝锥2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构板牙。板牙实质上是具有切削角度的螺母，端面上制出容屑孔以形成刀刃，是加工与修整外螺纹的标准刀具。如图2-33所示，板牙两端面上都磨出切削锥角，齿顶经过铲磨形成后角。图2-33 板牙2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构螺纹铣刀。螺纹铣刀有盘形螺纹铣刀、梳形螺纹铣刀和铣刀盘三种，多用于螺纹的粗加工，生产效率高，此处介绍前两种。a.盘形螺纹铣刀用于粗切蜗杆或梯形螺纹，如图2-34（a）所示。铣刀与工件轴线交错角（等于工作螺纹升角）。盘形螺纹铣刀是加工螺旋槽的成形铣刀，为减少铣槽时的干涉，其直径应尽可能设计小些；为保证铣削的平稳性，齿数应尽可能多。为此，盘形螺纹铣刀多设计成尖齿结构。为改善切削条件，刀齿两侧做成错齿结构，以增大侧刃容屑槽，但每把铣刀应保留一个完整的齿，以便检验齿形。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构b.梳形螺纹铣刀是由若干个环形齿纹构成的，其宽度大于工件长度，一般做成铲齿结构，用在专用铣床上加工螺距不大、长度较短的三角形螺纹，如图2-34（b）所示。图2-34 螺纹铣刀2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构 3.刀具的结构上面介绍的切削刀具种类繁多，其结构也是多种多样。外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，它由切削部分和刀柄组成。切削部分承担切削加工任务，刀柄用于装夹。切削部分是由一些面和切削刃组成的。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（1）刀具切削部分的组成。常用的外圆车刀是由一个刀尖、两条切削刃和三个刀面组成的，如图2-35所示。图2-35 外圆车刀的组成2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构刀尖是主、副切削刃相交的一点，实际上该点不可能磨得很尖，而是由一段折线或微小圆弧组成的。微小圆弧的半径称为刀尖圆弧半径，用r表示，如图2-36所示。主后刀面为与工件上的切削表面相对的刀面，副后刀面为与已加工表面相对的刀面。图2-36 刀尖形状2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（2）刀具的几何参数。为了确定和测量车刀的几何角度，需要选择几个辅助平面作为基准面，如图2-37所示。图2-37 辅助基准面2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构切削平面。切削平面是指通过切削刃上某一选定点，切于工件加工平面的平面，用符号Ps表示。基面。基面是指通过主切削刃选定点并与工件过渡表面相切，且垂直于切削平面的平面，用符号Pr表示。正交平面。正交平面是指通过主切削刃选定点且垂直于主切削平面和基准面的平面，用符号Po表示。当主切削刃与水平面平行时，切屑流出的方向正接近于这一平面所处的位置，因此，车刀上的主要切削角度都在正交平面上进行测量，如前角、后角的测量。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（3）车刀的切削角度。车刀的切削角度主要有六项，用于表示切削部分的几何形状，并可在主截面和上述三个基准面内度量，如图2-38所示。图2-38 车刀的切削角度2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构前角。前角是车刀前刀面与基面之间在正交平面投影的角度，用符号o表示。它是车刀切削部分的一个主要工作角度，直接影响车刀主切削刃的锋利度和刃口强度。加大前角o，可以减小切屑的变形和摩擦，从而降低切削力和切削热，切削起来较快；但前角过大，会削弱刀尖强度，减少散热能力，加剧刀具磨损。后角。后角是车刀副后刀面与基面之间在正交平面的投影角度，用符号o表示。它影响主后刀面与过渡表面之间的摩擦情况。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构主偏角。主偏角是主切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，用符号r表示。它影响主刀刃参加工作的长度，并影响切削力的大小。副偏角。副偏角是副切削刃与进给方向在基面上投影的夹角，用符号r表示。它影响已加工表面的粗糙度及副刀刃参加工作的长度。刀尖角。刀尖角为主、副切削刃在基面上投影的夹角，用符号r表示。刀尖角的大小影响刀尖的强度及传热性能。楔角。楔角是前刀面与后刀面间的夹角，用符号o表示。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构（4）刀具的工作角度。在切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具与工件间相对运动情况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，人们称这些角度为工作角度。现在仅就刀具安装位置对角度的影响叙述如下：车刀安装高低对角度的影响。车刀刀尖应装得与工件中心线一样高，这时车刀角度没有变化。要做到这一点，可以用床尾顶针尖作为标准，或先在工件端面车一印痕就可知道中心，也可以记住车床中拖板滑块平面与工件中心线的距离，用钢尺测量其高低。2.2.1 常见刀具类型及刀具的结构车刀安装偏斜对角度的影响。车削时，一般车刀总是与工件中心线垂直安装，这样，主偏角和副偏角不会改变。如果车刀刀头向左倾斜，主偏角将增大，副偏角则减小；相反，如果车刀刀头向右倾斜，主偏角将减小，副偏角则增大；此外，在安装车刀时，还应避免车刀伸出太长，造成车削振动，影响表面粗糙度，甚至折断。一般车刀伸出长度不超过刀杆高度的1.5倍。车刀下面垫片要平整，同时要尽可能用厚垫片代替薄垫片，刀架上的螺丝要拧紧。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 1.刀具材料的性能要求 在切削加工过程中，刀具切削部分承受高温，高压，强烈的摩擦、冲击和振动，所以，切削刀具部分材料的性能应满足以下基本要求。（1）高硬度和耐磨性。要实现切削加工，刀具材料必须具有比工件材料高的硬度，刀具材料的硬度应在60 HRC以上，并要求耐磨性好。（2）足够的强度和韧性。要使刀具在切削力作用下不致产生破坏，就必须具有足够的强度。同时，还要具备足够的韧性，以承受着各种应力、冲击载荷和振动的作用，避免出现崩刃和折断。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料（3）良好的耐热性和导热性。切削过程中一般都会产生很高的温度，刀具材料必须具有一定的耐热性，以保证在高温下仍然具有所要求硬度的性能。要有良好的导热性，以利于切削热的传导，降低切削区的温度，延长刀具的寿命。（4）良好的工艺性和经济性。为了便于制造，刀具切削部分材料应具有良好的锻造、焊接、热处理和磨削加工等性能。刀具材料应便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 2.常用刀具材料2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 其中，碳素工具钢和合金工具钢耐热性差，但抗弯强度高，焊接和刃磨性能好，故广泛用于中、低速切削的成形刀具，不宜高速切削，生产中使用最多的是高速钢和硬质合金。（1）高速钢。高速钢是在合金工具钢中加入了较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达6366 HRC）和耐热性（600650），切削中碳钢的速度一般不高于5060 m/min。高速钢具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的23倍）和韧性，能抵抗一定的冲击振动。它具有较好的工艺性，可以制造刃形复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 高速钢按切削性能，可分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。通用型高速钢。通用型高速钢工艺性能好，能满足通用工程材料的切削加工要求。常用的种类有以下两种。高性能高速钢。高性能高速钢是在普通型高速钢中加入钴、钒、铝等合金元素，以进一步提高其耐磨性和耐热性等。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料(2)硬质合金。硬质合金是由硬度和熔点很高的金属碳化物（碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等）的微粉和金属黏结剂（钴、镍、钼等）以粉末冶金法烧结而成的。硬质合金的硬度高达7882 HRC，能耐8001 000 的高温，具有良好的耐磨性。其允许的切削速度比高速钢高410倍，可达100 m/min以上，能加工包括淬火钢在内的多种材料，因此获得广泛应用。但硬质合金抗弯强度低，冲击韧性差，制造工艺性差，不易做成形状复杂的整体刀具。在实际使用中，一般将硬质合金刀片焊接或机械夹固在刀体上使用。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 国际标准化组织ISO 5131975（E）规定，将切削加工用硬质合金分为三大类，分别用K，P，M表示。K类。K类适用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，相当于我国的YG类硬质合金，外包装用红色标志。P类。P类适用于加工长切屑的黑色金属，相当于我国的YT类硬质合金，外包装用蓝色标志。M类。M类适用于加工长、短切屑的黑色金属和有色金属，相当于我国的YW类硬质合金，外包装用黄色标志。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料（3）其他刀具材料。陶瓷材料。陶瓷材料是以氧化铝为主要成分，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。它有很高的硬度和耐磨性，硬度达78 HRC，耐热性高达1 200 以上，化学性能稳定，故能承受较高的切削速度。但陶瓷材料的最大弱点是抗弯强度低、冲击韧性差，主要用于钢、铸铁、有色金属、高硬度材料及大件和高精度零件的精加工。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 金刚石。金刚石分天然和人造两种，天然金刚石由于价格昂贵，应用很少。金刚石是目前已知的最硬物质，其硬度接近10 000 HV，是硬质合金的80120倍，但韧性差，在一定温度下与铁族元素的亲和力大，因此不宜加工黑色金属，主要用于加工有色金属，以及非金属材料的高速精加工。立方氮化硼（CBN）。立方氮化硼由氮化硼在高温高压作用下转变而成。它具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性，硬度可达8 0009 000 HV，耐热性高达1 400，化学稳定性好，与铁族元素的亲和力小，但强度低、焊接性差，主要用于淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。2.2.2 刀具材料的性能要求和常用刀具材料 涂层刀具材料。根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具及在陶瓷和超硬材料上的涂层刀具。硬涂层刀具是在韧性较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，这既能提高刀具的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、氧化铝（Al2O3）及其复合材料等。Part 2.3金属切削过程 第2章 金属切削原理与刀具2.3.1 金属切削层的变形以切削塑性金属为例，切削层金属转变为切屑而与母体分离的本质，是工件表层材料在加工过程中，受到刀具切削刃和前面的强烈挤压，连续发生弹性变形塑性变形断裂破坏，使切削层不断被变成切屑从前面流出。图2-39为低速切削时形成的三个变形区情况。图2-39 低速切削时形成的三个变形区2.3.1 金属切削层的变形 1.第一变形区当刀具前面以切削速度vc挤压切削层时，切削层中的某点沿OA面开始产生剪切滑移，直到其流动方向开始与刀具前面平行，才不再沿OM面滑移，切削层形成的切屑沿刀具前面流出。从OA面开始发生塑性变形到OM面晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为第一变形区。第一变形区的主要特征是沿滑移面的剪切滑移变形及随之产生的加工硬化。2.3.1 金属切削层的变形 2.第二变形区当剪切滑移形成的切屑在刀具前面流出时，切屑底层进一步受到刀具的挤压和摩擦，使靠近刀具前面处的金属再次产生剪切变形，称为第二变形区。2.3.1 金属切削层的变形 3.第三变形区工件与刀具后面接触的区域，受到刀具刃口与刀具后面的挤压和摩擦，造成已加工表面变形，称为第三变形区。这是由于在实际切削中刀具的刃口不可避免地存在钝圆半径ro，使被挤压层再次受到刀具后面的拉伸、摩擦作用，进一步产生塑性变形，使已加工表面变形加剧。2.3.2 切屑的种类加工材料性质不同，切削条件不同，切削过程中的变形程度也不同。根据切削过程中变形程度的不同，形成了以下四种不同形态的切屑。2.3.2 切屑的种类 1.带状切屑带状切屑连续成带状，底面光滑，背面无明显裂纹，呈微小锯齿形，如图2-40（a）所示。图2-40 切屑的种类2.3.2 切屑的种类 2.节状切屑节状切屑又称挤裂切屑，这种切屑背面有较深的裂纹，呈较大的锯齿形，如图2-40（b）所示。一般加工塑性较低的金属材料（如黄铜），在刀具前角o较小、切削层公称厚度hD较大和切削速度vc较低，或加工碳素钢材料在工艺系统刚性不足时，易形成这种切屑。形成节状切屑时，切削力波动较大，切削过程不太稳定，已加工表面粗糙度较大。2.3.2 切屑的种类 3.粒状切屑粒状切屑又称单元切屑。切削塑性材料时，若整个剪切面上的切应力超过了材料断裂强度，则当所产生的裂纹贯穿切屑断面时，挤裂呈粒状切屑，如图2-40（c）所示。当采用小前角或副前角，以极低的切削速度vc和大的切削层公称厚度hD切削时，会形成这种切屑。形成粒状切屑时，切削力波动大，切削过程不平稳，已加工表面粗糙度大。2.3.2 切屑的种类 4.崩碎切屑切削铸铁、青铜等脆性材料时，切削层通常在弹性变形后未经塑性变形就被挤裂，形成不规则的碎块状的崩碎切屑，如图2-40（d）所示。工件材料越脆硬，刀具前角o越小，切削层公称厚度hD越大，越易产生崩碎切屑。形成崩碎切屑时，切削力波动大，且切削层金属集中在切削刃口碎断，易损坏刀具，加工表面也凸凹不平，已加工表面粗糙度增大。2.3.3 积屑瘤 1.积屑瘤的形成在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工钢料或其他塑性材料时，常在切削刃口附近黏结一块很硬的金属堆积物，它包围着切削刃且覆盖刀具部分前面，这就是积屑瘤。积屑瘤的形成主要是切削加工时，在一定的温度和压力作用下，切屑与刀具前面发生强烈摩擦，致使切屑底层金属流动速度降低而形成滞流层。如果温度和压力合适，滞流层就与刀具前面黏结而留在其上，由于黏结层经过塑性变形硬度提高，当连续流动的切屑从黏结层上流动时，又会形成新的滞留层，使黏结层在前一层的基础上积聚，这样一层又一层地堆积，黏结层越来越大，最后长成积屑瘤。2.3.3 积屑瘤当积屑瘤生成时或生成后，在外力、振动等的作用下，会局部断裂或脱落；另外，当切削温度超过工件材料的再结晶温度时，由于加工硬化消失，金属软化，积屑瘤也会脱落和消失。由此可见，产生积屑瘤的决定因素是切削温度，加工硬化和黏结是形成积屑瘤的必要条件。积屑瘤的化学成分与工件材料相同，它的硬度是工件材料的23.5倍，与刀具前面黏结牢固，能担负实际切削工作，但不稳定，时生时灭，时大时小。2.3.3 积屑瘤 2.影响积屑瘤的主要因素与控制要抑制积屑瘤的生成和发展，必须有效控制切屑底层与刀具前面的黏结和加工硬化。（1）通过热处理降低工件材料塑性，提高其硬度，可抑制积屑瘤的生成。（2）切削速度是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的。（3）减小进给量、增大刀具前角、减小刀具前面的粗糙度值、合理使用切削液等，可使切削变形减小、切削力减小、切削温度下降，都可抑制积屑瘤的生成。Part 2.4切削力与切削功率第2章 金属切削原理与刀具2.4 切削力与切削功率在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量。在实际生产中，切削力又是计算切削功率，设计机床、刀具和夹具时进行强度、刚度计算的主要依据。因此，研究切削力的变化规律，对于分析切削过程和实际生产都有重要意义。2.4.1 切削力的来源与分解金属切削时，工件材料抵抗刀具切削时所产生的阻力称为切削力。它与刀具作用在工件上的力大小相等，方向相反。切削力来源于两方面：一是三个变形区内金属产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；二是切屑与前面、工件与后面之间的摩擦力。2.4.1 切削力的来源与分解切削时的总切削力一般为空间力，其方向和大小受多种因素影响而不易确定。为了便于分析切削力的作用、测量及计算其大小，便于生产实际的应用，一般把总切削力（F）分解为三个互相垂直的切削分力Fc、Fp和Ff，如图2-41所示。图2-41 切削合力和分力2.4.1 切削力的来源与分解 1.主切削力Fc 主切削力是总切削力在主运动方向上的分力。它与主运动方向一致，垂直于基面，是三个切削分力中最大的，所以称为主切削力。主切削力作用在工件上，并通过卡盘传递到机床主轴箱，它是设计机床主轴、齿轮和计算机床切削功率，校核刀具、夹具的强度与刚度，选择切削用量等的主要依据。2.4.1 切削力的来源与分解 2.背向力Fp背向力是总切削力在吃刀方向上的切削分力，在内、外圆车削中又称径向力，单位为N。由于在背向力方向上没有相对运动，因此，背向力不消耗切削功率，但它作用在工件和机床刚性最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度并易引起振动。背向力是校验机床刚度的主要依据。2.4.1 切削力的来源与分解 3.进给力Ff 进给力是总切削力在进给运动方向上的切削分力，在外圆车削中又称轴向力，单位为N。进给力作用在机床的进给机构上，是校验机床进给机构强度和刚度的主要依据。2.4.2 单位切削力和切削功率单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用p表示，单位为N/mm2。可按式（2-7）进行计算（2-7）式中，Pc为切削功率，kW；Fc为主切削力，N；AD为切削层面积，mm2；vc为切削速度，m/min；ap为背吃刀量（切削深度），mm；f为车刀每转进给量，mm/r。单位切削力p可在切削用量手册中查到。2.4.2 单位切削力和切削功率切削功率是在切削过程中消耗的功率，它等于总切削力的三个分力消耗的功率总和，用Pc表示，单位为kW。由于进给力Ff所消耗的功率占比例很小（为1%1.5%），通常略去不计。背向力Fp方向的运动速度为零，不消耗功率，所以，切削功率为（2-8）式中，Pc为切削功率，kW；Fc为主切削力，N；vc为切削速度，m/min。2.4.2 单位切削力和切削功率根据切削功率选择机床电机功率时，还应考虑机床的传动效率。机床电机功率为（2-9）式中，PE为机床电机功率，kW；为机床的传动效率，一般为0.750.85。2.4.3 影响切削力的主要因素 1.工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大。工件材料的塑性、韧性好，加工硬化的程度高，由于变形严重，故切削力也增大。2.4.3 影响切削力的主要因素 2.切削用量的影响在切削用量中，背吃刀量与进给量对切削力影响较大。当ap或f加大时，切削层的公称横截面积增大，变形抗力和摩擦阻力增加，因而切削力随之加大。实训证明，当其他条件一定时，背吃刀量ap增大一倍时，切削力也增大一倍；进给量f增加一倍时，切削力增加7080。在生产实践中，切削层的横截面积相同时，选择大的f的切削力比选择大的ap的切削力要小，如强力切削法就是基于这个原理。2.4.3 影响切削力的主要因素 3.刀具几何角度的影响前角o加大，切削层易从刀具前面流出，切削变形减小，因此切削力下降。主偏角r对三个分力都有影响，但对主切削力Fc的影响较小，对进给力Ff和背向力Fp的影响较大。当r增大时，Ff增大，Fp减小。刃倾角s对主切削力的影响较小，对进给力Ff和背向力Fp的影响较大。当s逐渐由正值变为负值时，Ff增大，Fp减小。Part 2.5切削热与切削温度 第2章 金属切削原理与刀具2.5 切削热与切削温度 切削热和切削温度是影响刀具磨损和加工精度的重要原因。高的切削温度使刀具磨损加剧，耐用度下降；机床的热变形，工件和刀具受热膨胀都会导致工件精度达不到要求。2.5.1 切削热的产生与传散在切削过程中，三个变形区因变形和摩擦所做的功绝大部分转变为热能，称为切削热。切削热来源于切削时切削层金属发生弹性和塑性变形做功转变的热；刀具前面与切屑、刀具后面与工件表面摩擦产生的热，其中，切削塑性金属时，切削热主要来源于剪切区变形和刀具前面与切屑的摩擦所消耗的功。切削脆性材料时，切削热主要来源于刀具后面与工件的摩擦所消耗的功。总的来说，切削塑性材料产生的热量要比切削脆性材料产生的热量多。2.5.1 切削热的产生与传散切削区域的热量由切屑、工件、刀具及周围的介质向外传散。各部分传出热量的百分比，随工件材料、刀具材料、切削用量、刀具几何参数及加工方式的不同而变化。在一般干切削的情况下，大部分切削热由切屑带走，其次传至工件和刀具，周围介质传出的热量很少。例如，车削加工时，切屑带走的切削热为50%86%，车刀传出的切削热为10%40%，工件传出的切削热为3%9%，周围的介质传出的切削热为1%。切削速度越大或切削厚度越大，切屑带走的热量越多。2.5.2 影响切削温度的因素切削温度的高低一方面取决于单位时间内产生热量的多少，另一方面取决于单位时间内传散热量的多少，所以，切削温度是产生热量与传散热量的综合结果。2.5.2 影响切削温度的因素 1.工件材料的影响工件材料的强度越大、硬度越高，切削时消耗的功越多，产生的切削热越多，切削温度升高。工件材料的热导率大，热量容易传出，若产生的切削热相同，则热容量大的材料切削温度低。工件材料的塑性越好，切削变形越大，切削时消耗的功越多，产生的切削热越多，切削温度