• 關鍵詞： 切削刀具 切削現象
• 摘要：切削刀具基本知識的基礎上，將對切削過程中產生的切削變形、切削力、切削熱和刀具磨損等現象進行深入分析，揭示它們的產生機理和相互間的內在聯系

切削過程是刀具從工件表面上切去多余材料的過程，伴隨著切削過程的進行，將有切削變形、切削力、切削熱和刀具磨損等現象產生。本章在講授切削刀具基本知識的基礎上，將對切削過程中產生的上述各種現象進行深入分析，揭示它們的產生機理和相互間的內在聯系。學習掌握切削過程基本理論和基本規律對控制加工質量、提高生產效率和降低生產成本具有重要意義。

一、切削加工的基本概念

（一）切削運動與切削中的工件表面

用刀具切除工件材料，刀具和工件之間必須要有一定的相對運動，它由主運動和進給運動組成。主運動是使刀具和工件間產生相對切削速度并消耗大部分切削動力的運動；刀具相對于工件的主運動速度稱為切削速度。進給運動是使切削能持續進行以形成所需工件表面的運動；進給運動的速度稱為進給速度。主運動和進給運動合成后的運動稱為合成切削運動。

切削過程中，工件上有以下三個變化著的表面：待加工表面為工件上即將被切除的表面；已加工表面為切去材料后形成的新的工件表面；過渡表面為加工時主切削刃正在切削的表面，它處于已加工表面和待加工表面之間

（二）切削用量

切削加工中，需根據加工要求（加工質量、加工效率和加工成本）選用適宜的切削速度

、進給量 （或進給速度 ）和背吃刀量，稱為切削用量三要素。

1．切削速度

(m/s或m/min)

切削刃相對于工件的主運動速度稱為切削速度。計算切削速度時，應選取刀刃上速度最高的點進行計算。

2．進給量

工件或刀具轉一周（或每往復一次），兩者在進給運動方向上的相對位移量稱為進給量，其單位為mm/r （或 mm/雙行程）。對于銑刀、鉸刀、拉刀等多齒刀具，還規定每刀齒進給量，單位為mm/z 。

3．背吃刀量 (mm)

背吃刀量為工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離。

（三）切削層參數

切削刃在一次走刀中從工件上切下的一層材料稱為切削層。切削層的截面尺寸參數稱為切削層參數。切削層參數通常在與主運動方向相垂直的平面內觀察和度量。

1.切削層公稱厚度

垂直于過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱厚度（以下簡稱為切削厚度） 的大小影響切削刃的切削負荷。。

2.切削層公稱寬度

沿過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱寬度（以下簡稱為切削寬度）。 值反映了切削刃參加切削的工作長度。

3.切削層公稱橫截面積

切削層在切削層尺寸度量平面內的橫截面積稱為切削層公稱橫截面積（以下簡稱為切削面積  ）。

二、刀具角度

切削刀具的種類繁多，結構各異，但是各種刀具的切削部分卻具有共同的特征。外圓車刀是最基本、最典型的刀具，車刀的切削部分與其它各種刀具刀齒上的切削部分是基本相同的。下面以外圓車刀為例，給出刀具幾何參數的有關定義。

（一）刀具切削部分的構造

刀具上承擔切削工作的部分稱為刀具的切削部分。外圓車刀的切削部分由以下六個基本結構要素構造而成：

（1）前刀面 切屑沿其流出的刀具表面；

（2）主后刀面 與工件上過渡表面相對的刀具表面；

（3）副后刀面 與工件上已加工表面相對的刀具表面；

（4）主切削刃 前刀面與主后刀面的交線，它承擔主要切削工作，也稱為主刀刃；

（5）副切削刃 前刀面與副后刀面的交線，它協同主切削刃完成切削工作，并最終形成已加  工表面，也稱為副刀刃；

（6）刀尖 連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是一段小的圓弧，也可以是一段直  線。

通常將刀具只有一條直線主切削刃參與切削的切削過程，稱為自由切削；將曲線刃參與切削  或主、副切削刃同時參與切削的切削過程，稱為非自由切削。

（二）刀具的標注角度

1．刀具標注角度的參考系

刀具要從工件上切除材料，就必須具有一定的切削角度。切削角度大小決定了刀具切削部分各表面之間的相對位置。為了確定和測量刀具的角度，此處引入一個由以下三個參考平面組成的空 間坐標參考系：

（1）基面

通過主切削刃上某一指定點，并與該點切削速度方向相垂直的平面。

（2）切削平面

通過主切削刃上某一指定點，與主切削刃相切并垂直于該點基面的平面。

（3）正交平面

通過主切削刃上某一指定點，同時垂直于該點基面和切削平面的平面。

上述三個參考平面是互相垂直的，由它們組成的刀具標注角度參考系稱為正交平面參考系。除正交平面參考系外，常用的標注刀具角度的參考系還有法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。

2．刀具的標注角度

在刀具標注角度參考系中測得的角度稱為刀具的標注角度。標注角度應標注在刀具的設計圖中，用于刀具制造、刃磨和測量。在正交平面參考系中，刀具的主要標注角度有以下五個：

（1）前角

在正交平面內測量的前刀面和基面間的夾角。前刀面在基面之下時前角為正值，前刀面在基面之上時前角為負值。

（2）后角

在正交平面內測量的主后刀面與切削平面間的夾角，一般為正值。

（3）主偏角

在基面內測量的主切削刃在基面上的投影與進給運動方向間的夾角。

（4）副偏角

在基面內測量的副切削刃在基面上的投影與進給運動反方向間的夾角。

（5）刃傾角

在切削平面內測量的主切削刃與基面之間的夾角。

在主切削刃上，刀尖為最高點時刃傾角為正值，刀尖為最低點時刃傾角為負值。主切削刃與基面平行時，刃傾角為零。以刃傾角為零的刀具進行切削時，主切削刃與切削速度方向垂直，稱作直角切削；以刃傾角不等于零的刀具進行切削時，主切削刃與切削速度方向不垂直，稱作斜角切削。

要完全確定車刀切削部分所有表面的空間位置，還需標注副后角，副后角；確定副后刀面的空間位置。

3．刀具的工作角度

上面討論的外圓車刀的標注角度，是在忽略進給運動的影響并假定刀桿軸線與縱向進給運動方向垂直以及切削刃上選定點與工件中心等高的條件下確定的。如果考慮進給運動和刀具實際安裝情況的影響，參考平面的位置應按合成切削運動方向來確定，這時的參考系稱為刀具工作角度參考系。在工作角度參考系中確定的刀具角度稱為刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的實際工作狀態。

（1）進給運動對工作角度的影響 當刀具對工件作切斷或切槽工作時，刀具進給運動是沿橫向進行的，進給量的取值也不宜過大。刀具沿縱向進給且進給量 的取值較大時（例如車螺紋），進給運動對工作角度的影響也不可忽視。

（2）刀具安裝位置對工作角度的影響 安裝刀具時，如刀尖高于或低于工件中心，會引起刀具工作角度的變化。

三、刀具材料

刀具切削性能的優劣取決于刀具材料、切削部分幾何形狀以及刀具的結構。刀具材料的選擇對刀具壽命、加工質量、生產效率影響極大。

（一）刀具材料的性能要求

切削時刀具要承受高溫、高壓、摩擦和沖擊的作用，刀具切削部分的材料須滿足以下基本要求：

（1）較高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必須比工件材料高，并具有良好的耐磨性，刀具材料的常溫硬度要求在以上。

（2）足夠的強度和韌性 刀具材料要能夠承受沖擊和振動的作用，不產生崩刃和斷裂。

（3）較高的耐熱性 刀具材料在高溫作用下應具有足夠的硬度、耐磨性、強度和韌性。

（4）良好的導熱性和耐熱沖擊性能 刀具材料的導熱性要好，有利于散熱；刀具材料的耐熱  沖擊性能要好，材料內部不得因承受熱沖擊的作用而產生裂紋。

（5）良好的工藝性 刀具材料應具有良好的鍛造性能、熱處理性能、刃磨性能等，便于刀具  制造。

（二）常用刀具材料

刀具材料有高速鋼、硬質合金、工具鋼、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。目前，在生產中所用的刀具材料主要是高速鋼和硬質合金兩類。碳素工具鋼（如T10A、T12A）、合金工具鋼（如 、CrWMn）因耐熱性差，僅用于手工切削或切削速度較低的場合。

1．高速鋼

高速鋼是加入了較多的鎢（ W）、釩（V ）等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的硬度（62~67HRC ）和耐熱性，在切削溫度高達 ℃時仍能進行切削；高速鋼的強度高（抗彎強度是一般硬質合金的2~3倍，陶瓷的5~6倍）、韌性好，可在有沖擊、振動的場合應用；高速鋼的制造工藝性好，容易磨出鋒利的切削刃，適于制造各類刀具，尤其適于制造鉆頭、拉刀、成形刀具、齒輪刀具等形狀復雜的刀具。高速鋼刀具可用于加工有色金屬、結構鋼、鑄鐵、高溫合金等材料制作的工件。

高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝方法可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。

普通高速鋼是切削硬度在250~280HBW以下的結構鋼和鑄鐵的基本刀具材料，切削普通鋼料時的切削速度一般不高于40~60m/min 。普通高速鋼的典型牌號有 （簡稱W18 ）和（M2）。W18的綜合性能較好，在600℃時的硬度為 ，可用于制造各種復雜刀具。M2的碳化物分布細小、均勻，它的抗彎強度比W18高10%~15%，韌性比W18高50%~60%，可用來制造尺寸較大，承受較大沖擊力的刀具；M2的熱塑性好，適合于制造熱軋鉆頭等刀具。

高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎上增加一些含碳量、含釩量并添加鈷、鋁等合金元素熔煉而成，其耐熱性好，在630~650℃時仍能保持接近 的硬度，適用于加工高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、高強度鋼等難加工材料。高性能高速鋼的典型牌號有W2Mo9Cr4Co8(M42)和   W6Mo5Cr4V2Al(501)。M42的綜合性能好，常溫硬度接近 ，600℃時其硬度為55HRC ，刃磨性能好；但M42含鈷多，成本較貴。501鋼是一種含鋁的無鈷高速鋼，600℃時硬度達 ，501鋼的切削性能與M42大體相當，成本較低，但刃磨性能較差。

粉末冶金高速鋼是在用高壓惰性氣體（氬氣或氮氣）把鋼水霧化成粉末后，經熱壓、鍛軋成材，結晶組織細小均勻。與熔煉高速鋼相比，粉末冶金高速鋼材質均勻，韌性好，硬度高，熱處理變形小，質量穩定，刃磨性能好，刀具壽命較高。可用它切削各種難加工材料，特別適合于制造各種精密刀具和形狀復雜的刀具。

2．硬質合金

硬質合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物（WC 、TiC 等）和金屬粘結劑（Ni 等）在高溫條件下燒結而成的粉末冶金制品。硬質合金的常溫硬度達 ，760℃時其硬度為 ，在  800~1000℃的高溫條件下硬質合金還能進行切削，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，可加工包括淬硬鋼在內的多種材料。但硬質合金的強度和韌性比高速鋼差，常溫下的沖擊韌性僅為高速鋼的1/8~1/30，硬質合金承受切削振動和沖擊的能力較差。硬質合金是最常用的刀具材料之一，常用于制造車刀和端銑刀，也可用硬質合金制造深孔鉆、鉸刀、拉刀和滾刀。尺寸較小和形狀復雜的刀具，可采用整體硬質合金制造；但整體硬質合金刀具成本高，其價格是高速鋼刀具的8~10倍。

ISO（國際標準化組織）把切削用硬質合金分為三類：P類、K類和M類。

P類（相當于我國YT類）硬質合金由 、 和 組成，也稱鎢鈦鈷類硬質合金。這類合金主要用于加工鋼材。常用牌號有 （含 5%）、 （含 15%）等，隨著含 量的提高，含鈷量相應減少，硬度及耐磨性增高，抗彎強度下降。此類硬質合金不宜加工不銹鋼和鈦合金。

K類（相當于我國 類）硬質合金由 和 組成，也稱鎢鈷類硬質合金。這類合金主要用來加工鑄鐵、有色金屬及其合金。常用牌號有 （含鈷6%）、 （含鈷8%）等，隨著含鈷量增多，硬度和耐磨性下降，抗彎強度和韌性增高。

M類（相當于我國 類）硬質合金是在的基礎上再加入TaC（或NbC）而成。加TaC（或NbC）后，改善了硬質合金的綜合性能。這類硬質合金既可以加工鑄鐵和有色金屬，又可以加工鋼材，還可以加工高溫合金和不銹鋼等難加工材料，有通用硬質合金之稱。常用牌號有 和 等。

為提高高速鋼刀具、硬質合金刀具的耐磨性和使用壽命，近年來在刀具制造中廣泛采用涂層技術。涂層刀具是在高速鋼或硬質合金基體上涂覆一層難熔金屬化合物，如TiC、TiN、 等。涂層 一般采用 法（化學氣相沉積法）或 法（物理氣相沉積法）制作。涂層刀具表面硬度高，耐磨性好，其基體又有良好的抗彎強度和韌性。涂層硬質合金刀片的壽命可提高1~3倍以上，涂層高速鋼刀具的壽命可提高1.5~10倍以上。隨著涂層技術的發展，涂層刀具的應用前景很好。

（三）其它刀具材料

1．陶瓷

用于制作刀具的陶瓷材料主要有兩類：氧化鋁基陶瓷和氮化硅基陶瓷。

基陶瓷硬度高達，耐磨性好，耐熱性好，化學穩定性高，抗粘結能力強，但抗彎強度和韌性差；這種陶瓷適于對冷硬鑄鐵、淬硬鋼工件作精加工和半精加工。

基陶瓷有較高的抗彎強度和韌性，適于加工鑄鐵及高溫合金，切削鋼料效果不顯著。

2．立方氮化硼

立方氮化硼（ ）是由六方氮化硼經高溫高壓處理轉化而成，其硬度高達 ，僅次于金剛石。 是一種新型刀具材料，它可耐1300~1500℃的高溫，熱穩定性好；它的化學穩定性也很好，即使溫度高達1200~1300℃也不與鐵產生化學反應。立方氮化硼能以硬質合金切削鑄鐵和普通鋼的切削速度對冷硬鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金等進行加工。

3．人造金剛石

金剛石分為天然金剛石和人造金剛石兩種，由于天然金剛石價格昂貴，工業上多使用人造金剛石。人造金剛石又分為單晶金剛石和聚晶金剛石（PCD）。聚晶金剛石的晶粒隨機排列，屬各向同性體，常用于制造刀具。人造金剛石是借助某些合金的觸媒作用，在高溫高壓條件下由石墨轉化而成。金剛石的硬度高達 ，是目前已知的最硬物質，可用于加工硬質合金、陶瓷、高硅鋁合金等高硬度、高耐磨材料。人造金剛石目前主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金屬的高速精細切削。金剛石不是碳的穩定狀態，遇熱易氧化和石墨化，用金剛石刀具進行切削時須對切削區進行強制冷卻。金剛石刀具不宜加工鐵族元素制造的工件，因為金剛石中的碳原子和鐵族元素的親和力大，其碳原子易擴散到被切表面中去，刀具壽命低。