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關(guān)鍵詞：
切削刀具
切削現(xiàn)象
- 摘要：切削刀具基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，將對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削變形、切削力、切削熱和刀具磨損等現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，揭示它們的產(chǎn)生機(jī)理和相互間的內(nèi)在聯(lián)系
切削過(guò)程是刀具從工件表面上切去多余材料的過(guò)程，伴隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，將有切削變形、切削力、切削熱和刀具磨損等現(xiàn)象產(chǎn)生。本章在講授切削刀具基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，將對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的上述各種現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，揭示它們的產(chǎn)生機(jī)理和相互間的內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)習(xí)掌握切削過(guò)程基本理論和基本規(guī)律對(duì)控制加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。
一、切削加工的基本概念
（一）切削運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，它由主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組成。主運(yùn)動(dòng)是使刀具和工件間產(chǎn)生相對(duì)切削速度并消耗大部分切削動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)；刀具相對(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)速度稱為切削速度。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是使切削能持續(xù)進(jìn)行以形成所需工件表面的運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度稱為進(jìn)給速度。主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成后的運(yùn)動(dòng)稱為合成切削運(yùn)動(dòng)。
切削過(guò)程中，工件上有以下三個(gè)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(guò)渡表面為加工時(shí)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(jù)加工要求（加工質(zhì)量、加工效率和加工成本）選用適宜的切削速度
、進(jìn)給量 （或進(jìn)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(duì)于工件的主運(yùn)動(dòng)速度稱為切削速度。計(jì)算切削速度時(shí)，應(yīng)選取刀刃上速度最高的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。
2．進(jìn)給量
工件或刀具轉(zhuǎn)一周（或每往復(fù)一次），兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)位移量稱為進(jìn)給量，其單位為mm/r （或 mm/雙行程）。對(duì)于銑刀、鉸刀、拉刀等多齒刀具，還規(guī)定每刀齒進(jìn)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(shù)
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(shù)稱為切削層參數(shù)。切削層參數(shù)通常在與主運(yùn)動(dòng)方向相垂直的平面內(nèi)觀察和度量。
1.切削層公稱厚度
垂直于過(guò)渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱厚度（以下簡(jiǎn)稱為切削厚度） 的大小影響切削刃的切削負(fù)荷。。
2.切削層公稱寬度
沿過(guò)渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱寬度（以下簡(jiǎn)稱為切削寬度）。 值反映了切削刃參加切削的工作長(zhǎng)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(nèi)的橫截面積稱為切削層公稱橫截面積（以下簡(jiǎn)稱為切削面積 ）。
二、刀具角度
切削刀具的種類繁多，結(jié)構(gòu)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(shù)的有關(guān)定義。
（一）刀具切削部分的構(gòu)造
刀具上承擔(dān)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(gè)基本結(jié)構(gòu)要素構(gòu)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(guò)渡表面相對(duì)的刀具表面；
（3）副后刀面 與工件上已加工表面相對(duì)的刀具表面；
（4）主切削刃 前刀面與主后刀面的交線，它承擔(dān)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(xié)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(guò)程，稱為自由切削；將曲線刃參與切削 或主、副切削刃同時(shí)參與切削的切削過(guò)程，稱為非自由切削。
（二）刀具的標(biāo)注角度
1．刀具標(biāo)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(duì)位置。為了確定和測(cè)量刀具的角度，此處引入一個(gè)由以下三個(gè)參考平面組成的空 間坐標(biāo)參考系：
（1）基面
通過(guò)主切削刃上某一指定點(diǎn)，并與該點(diǎn)切削速度方向相垂直的平面。
（2）切削平面
通過(guò)主切削刃上某一指定點(diǎn)，與主切削刃相切并垂直于該點(diǎn)基面的平面。
（3）正交平面
通過(guò)主切削刃上某一指定點(diǎn)，同時(shí)垂直于該點(diǎn)基面和切削平面的平面。
上述三個(gè)參考平面是互相垂直的，由它們組成的刀具標(biāo)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(biāo)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(biāo)注角度
在刀具標(biāo)注角度參考系中測(cè)得的角度稱為刀具的標(biāo)注角度。標(biāo)注角度應(yīng)標(biāo)注在刀具的設(shè)計(jì)圖中，用于刀具制造、刃磨和測(cè)量。在正交平面參考系中，刀具的主要標(biāo)注角度有以下五個(gè)：
（1）前角
在正交平面內(nèi)測(cè)量的前刀面和基面間的夾角。前刀面在基面之下時(shí)前角為正值，前刀面在基面之上時(shí)前角為負(fù)值。
（2）后角
在正交平面內(nèi)測(cè)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(nèi)測(cè)量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向間的夾角。
（4）副偏角
在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向間的夾角。
（5）刃傾角
在切削平面內(nèi)測(cè)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(diǎn)時(shí)刃傾角為正值，刀尖為最低點(diǎn)時(shí)刃傾角為負(fù)值。主切削刃與基面平行時(shí)，刃傾角為零。以刃傾角為零的刀具進(jìn)行切削時(shí)，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(jìn)行切削時(shí)，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(biāo)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(biāo)注角度，是在忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響并假定刀桿軸線與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向垂直以及切削刃上選定點(diǎn)與工件中心等高的條件下確定的。如果考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具實(shí)際安裝情況的影響，參考平面的位置應(yīng)按合成切削運(yùn)動(dòng)方向來(lái)確定，這時(shí)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(shí)際工作狀態(tài)。
（1）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響 當(dāng)?shù)毒邔?duì)工件作切斷或切槽工作時(shí)，刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是沿橫向進(jìn)行的，進(jìn)給量的取值也不宜過(guò)大。刀具沿縱向進(jìn)給且進(jìn)給量 的取值較大時(shí)（例如車螺紋），進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響也不可忽視。
（2）刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響 安裝刀具時(shí)，如刀尖高于或低于工件中心，會(huì)引起刀具工作角度的變化。
三、刀具材料
刀具切削性能的優(yōu)劣取決于刀具材料、切削部分幾何形狀以及刀具的結(jié)構(gòu)。刀具材料的選擇對(duì)刀具壽命、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率影響極大。
（一）刀具材料的性能要求
切削時(shí)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(qiáng)度和韌性 刀具材料要能夠承受沖擊和振動(dòng)的作用，不產(chǎn)生崩刃和斷裂。
（3）較高的耐熱性 刀具材料在高溫作用下應(yīng)具有足夠的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性。
（4）良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能 刀具材料的導(dǎo)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(nèi)部不得因承受熱沖擊的作用而產(chǎn)生裂紋。
（5）良好的工藝性 刀具材料應(yīng)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(zhì)合金、工具鋼、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。目前，在生產(chǎn)中所用的刀具材料主要是高速鋼和硬質(zhì)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(chǎng)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(dá) ℃時(shí)仍能進(jìn)行切削；高速鋼的強(qiáng)度高（抗彎強(qiáng)度是一般硬質(zhì)合金的2~3倍，陶瓷的5~6倍）、韌性好，可在有沖擊、振動(dòng)的場(chǎng)合應(yīng)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(fù)雜的刀具。高速鋼刀具可用于加工有色金屬、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵的基本刀具材料，切削普通鋼料時(shí)的切削速度一般不高于40~60m/min 。普通高速鋼的典型牌號(hào)有 （簡(jiǎn)稱W18 ）和（M2）。W18的綜合性能較好，在600℃時(shí)的硬度為 ，可用于制造各種復(fù)雜刀具。M2的碳化物分布細(xì)小、均勻，它的抗彎強(qiáng)度比W18高10%~15%，韌性比W18高50%~60%，可用來(lái)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(chǔ)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(shí)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(qiáng)度鋼等難加工材料。高性能高速鋼的典型牌號(hào)有W2Mo9Cr4Co8(M42)和 W6Mo5Cr4V2Al(501)。M42的綜合性能好，常溫硬度接近 ，600℃時(shí)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(wú)鈷高速鋼，600℃時(shí)硬度達(dá) ，501鋼的切削性能與M42大體相當(dāng)，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?dú)猓┌唁撍F化成粉末后，經(jīng)熱壓、鍛軋成材，結(jié)晶組織細(xì)小均勻。與熔煉高速鋼相比，粉末冶金高速鋼材質(zhì)均勻，韌性好，硬度高，熱處理變形小，質(zhì)量穩(wěn)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(fù)雜的刀具。
2．硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是用高硬度、難熔的金屬碳化物（WC 、TiC 等）和金屬粘結(jié)劑（Ni 等）在高溫條件下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的常溫硬度達(dá) ，760℃時(shí)其硬度為 ，在 800~1000℃的高溫條件下硬質(zhì)合金還能進(jìn)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(nèi)的多種材料。但硬質(zhì)合金的強(qiáng)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(zhì)合金承受切削振動(dòng)和沖擊的能力較差。硬質(zhì)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(zhì)合金制造深孔鉆、鉸刀、拉刀和滾刀。尺寸較小和形狀復(fù)雜的刀具，可采用整體硬質(zhì)合金制造；但整體硬質(zhì)合金刀具成本高，其價(jià)格是高速鋼刀具的8~10倍。
ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）把切削用硬質(zhì)合金分為三類：P類、K類和M類。
P類（相當(dāng)于我國(guó)YT類）硬質(zhì)合金由 、 和 組成，也稱鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。這類合金主要用于加工鋼材。常用牌號(hào)有 （含 5%）、 （含 15%）等，隨著含 量的提高，含鈷量相應(yīng)減少，硬度及耐磨性增高，抗彎強(qiáng)度下降。此類硬質(zhì)合金不宜加工不銹鋼和鈦合金。
K類（相當(dāng)于我國(guó) 類）硬質(zhì)合金由 和 組成，也稱鎢鈷類硬質(zhì)合金。這類合金主要用來(lái)加工鑄鐵、有色金屬及其合金。常用牌號(hào)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(qiáng)度和韌性增高。
M類（相當(dāng)于我國(guó) 類）硬質(zhì)合金是在的基礎(chǔ)上再加入TaC（或NbC）而成。加TaC（或NbC）后，改善了硬質(zhì)合金的綜合性能。這類硬質(zhì)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(zhì)合金之稱。常用牌號(hào)有 和 等。
為提高高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具的耐磨性和使用壽命，近年來(lái)在刀具制造中廣泛采用涂層技術(shù)。涂層刀具是在高速鋼或硬質(zhì)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(xué)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(qiáng)度和韌性。涂層硬質(zhì)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(shù)的發(fā)展，涂層刀具的應(yīng)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(dá)，耐磨性好，耐熱性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，但抗彎強(qiáng)度和韌性差；這種陶瓷適于對(duì)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(qiáng)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(jīng)高溫高壓處理轉(zhuǎn)化而成，其硬度高達(dá) ，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(wěn)定性好；它的化學(xué)穩(wěn)定性也很好，即使溫度高達(dá)1200~1300℃也不與鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。立方氮化硼能以硬質(zhì)合金切削鑄鐵和普通鋼的切削速度對(duì)冷硬鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金等進(jìn)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(jià)格昂貴，工業(yè)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(jī)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(zhuǎn)化而成。金剛石的硬度高達(dá) ，是目前已知的最硬物質(zhì)，可用于加工硬質(zhì)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(xì)切削。金剛石不是碳的穩(wěn)定狀態(tài)，遇熱易氧化和石墨化，用金剛石刀具進(jìn)行切削時(shí)須對(duì)切削區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。金剛石刀具不宜加工鐵族元素制造的工件，因?yàn)榻饎偸械奶荚雍丸F族元素的親和力大，其碳原子易擴(kuò)散到被切表面中去，刀具壽命低。
