车刀讲义.doc

车削刀具讲义一、基本定义 （预计：2课时）1. 切削运动与工作表面1.1. 切削运动：切削加工必须具备以下2种运动F 主运动：促使刀具与工件之间产生相对运动。F 进给运动：促使刀具与工件之间产生附加的相对运动。由主运动和进给运动合成的运动称合成切削运动，刀具切削刃上选定点相对工件的瞬间合成运动方向成合成切削运动方向。1.2. 切削时产生的表面F 待加工表面：工件上有待被切除的表面。F 已加工表面：工件上经刀具切削后产生的表面。F 过度表面：工件上由切削刃形成的那部分表面，在下一切削过程中被切除。2. 刀具切削部分的几何角度重点介绍刀具静止角度参考系；刀具各静止参考系间几何角度的换算；刀具工作角度换算。2.1. 车刀的组成F 前面(Ar)：刀具上切屑流过的表面。F 主后面(Aa)：刀具上与前面相交形成主切削刃，即刀具与过度表面相对的表面。F 副后面(Aa)：刀具上与前面相交形成副切削刃的表面。F 切削刃：刀具前面上拟用于切削的刃，有主切削刃、副切削刃之分。F 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一小部分切削刃。2.2. 刀具静止角度参考系刀具静止参考系是指用于刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数的参考系。F 刀具静止参考系的平面 基面(r)：过切削刃选定点垂直于假定主运动方向、平行（垂直）于刀具制造、刃磨和测量时安装或定位的平面（轴线）的平面。 切削平面(s)：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。F 刀具静止角度参考系 正交平面(o)和正交平面参考系：过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面，并与他们组成正交平面参考系。 法平面(n)和法平面参考系：过切削刃选定点垂直于切削刃的平面，与基面和切削平面组成法平面参考系。 假定工作平面(f)、背平面(p)及组成的参考系：过切削刃选定点平行于假定进给方向并垂直于基面的平面叫假定工作平面；过切削刃选定点同时垂直于基面和假定工作平面叫背平面。F 刀具的静止角度 基面内测量的角度：主偏角(kr)：主切削平面与假定工作平面之间的夹角。副偏角(kr)：副切削平面与假定工作平面之间的夹角。刀尖角(r)：主切削平面与副切削平面平面之间的夹角。三角之和等于180。krkrr=180 正交平面内测量的角度：前角(o)：刀具前面与基面之间的夹角。后角(o)：刀具后面与切削平面之间的夹角。楔角(o)：主切削平面与副切削平面平面之间的夹角。三角之和等于90。ooo =90 切削平面内测量的角度：刃倾角(s)：主切削刃与过刀尖所作基面之间的夹角。刀尖是切削刃最高点为正值，反之为负值。 副切削刃的正交平面内测量的角度：副后角：副后面与切削平面之间的夹角。 切削刃定位的2视图和2基本角度：投影在基面上的主偏角和投影在切削平面上的刃倾角。 正交平面参考系中4基本角度：投影在正交平面面上的前角、后角与主偏角、刃倾角。 法平面参考系中4基本角度：投影在法平面面上的法前角、法后角与主偏角、刃倾角。 背平面、假定工作平面参考系中4基本角度：投影在背平面面上的背前角、背后角与投影在假定工作平面面上的侧前角、侧后角。2.3. 刀具各静止参考系间几何角度的换算F 正交平面、法平面间的角度换算公式法前角计算公式： 法后角计算公式：F 正交平面、背平面、假定工作平面间的角度换算公式径向前角计算公式： 径向后角计算公式：轴向前角计算公式： 轴向后角计算公式：2.4. 刀具工作角度换算F 刀具工作参考系平面 工作基面：过切削刃选定点与合成切削速度方向垂直的平面。 工作切削平面：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于工作基面的平面。F 进给量对几何角度的影响 横车（切断、车端面）：轨迹为螺旋线，其切线角度差为f，计算公式：；使工作前角增加，即： ；工作后角减小， ； 纵车（外圆）：当主偏角=90、刃倾角=0时o=fo；工作前角；工作后角减小， ；当主偏角90of时；他们之间关系为：F 刀具安装位置对几何角度的影响 刀具安装高、低的影响：刀尖安装高于工件中心，工作基面倾斜使刀具工作前角增大，工作后角减小；低于工件中心则相反。倾斜角计算公式为：；当主偏角90时，工作背平面倾斜，轴向工作角度随刀尖安装高低变化，倾斜角计算公式为：；与的关系为： 刀杆轴线与进给方向不垂直时，工作主偏角、工作副偏角将发生变化。3. 切削要素3.1. 切削用量要素F 切削速度：F 进给速度：，F 切削深度（背吃刀量）：3.2. 切削层公称横截面要素F 切削层公称横截面积（图1-27）：F 切削宽度：F 切削厚度：二、制造刀具的材料 （预计：2课时）1. 刀具材料的性能与种类刀具材料的性能对比表材料种类硬度HRc (HRa)抗弯强度Gpa冲击韧性kJ/m2热导率W/Mk耐热性碳素工具钢6065 HRC2.452.7467.2200250高速钢6370 HRC1.965.88985881.6725600700合金工具钢6366 HRC2.441.8300400硬质合金8994 HRa1.21.5103030808001000陶瓷9194 HRa0.450.8545204012001300立方氮化硼50008500HV1.01.541.810001200聚晶金刚石60008500HV2.8100108.77008001.1. 刀具材料必须具备的性能F 硬度：刀具硬度高于HRc60以上。F 耐磨性：与硬度和晶粒粗细及均匀程度有关。F 强度和韧性：刀具承受应力和冲击的性能，反映抗弯强度和冲击韧性。F 耐热性能：用红硬性或高温硬度表示。F 工艺性：良好的制造、焊接、刃磨性能。1.2. 刀具材料的种类及性能比较2. 高速钢重点介绍高性能高速钢（高钒、钴、铝高速钢）；冶金粉末高速钢及高速钢的表面处理（发黑、渗氮、涂层）。2.1. 普通高速钢F 钨系高速钢：最常见W18Cr4V，主要用于复杂刀具和精加工刀具。F 钼系高速钢：W6Mo5Cr4V2，抗弯强度、冲击韧性优于钨系高速钢，具有好的热塑性，主要制作热轧刀具。2.2. 高性能高速钢F 高钒高速钢：钒含量35%，提高耐磨性，用于切削高强钢。F 钴高速钢：加入钴以提高高温硬度和抗氧化性能，多用于高温合金、不锈钢的加工，常见有W2Mo9Cr4Vco8。F 铝高速钢：加入少量铝可提高耐热、耐磨性能，典型牌号W6Mo5Cr4V2Al。2.3. 粉末冶金高速钢：在冶炼好的高速钢用高温、高压加入雾化的冶金粉末，使晶粒细化提高耐磨性能。2.4. 高速钢的表面处理：F 目的：形成硬度高、耐磨性好的表层，提高刀具的切削性能。F 方法：主要有蒸汽（发黑）氧化处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。F 涂层：一般采用物理气相沉积（真空溅射）方法在刀具表面涂TiC、TiN、TiNAl等高硬度薄膜，提高刀具耐磨性能。3. 硬质合金重点介绍添加微量稀有元素的硬质合金；超细晶粒硬质合金；钛基（金属陶瓷）硬质合金；硬质合金涂层技术应用。3.1. 硬质合金的性能：由硬度、熔点很高的碳化物（WC、TiC）粉末和粘接剂（Co、Ni、Mo）经高压成形后在1500的高温下烧结而成。耐磨性、红硬性好，切削速度可达100m/min以上，是目前应用最广泛的刀具材料，但抗弯强度、抗冲击性能低，使用时应避免低速性破损。3.2. 硬质合金的分类、牌号、性能及选用F 碳化钨基硬质合金： 钨钴类硬质合金（ISO标准K类）：主要用于铸铁、有色金属、非金属和含Ti元素的不锈钢的加工，常见有YG8，YG6X等。 钨钛钴类硬质合金（ISO标准P类）：主要用于钢件加工，常见YT5，YT14，YT15，YT30。 钨钽（铌）钴类硬质合金：钨钴类硬质合金加入稀有元素坦（铌）碳化物，细化晶粒提高高温硬度、强度和抗氧化能力，主要用于高锰钢、淬硬钢加工。 钨钛钽（铌）钴类硬质合金（ISO标准M类）：钨钛钴类硬质合金加入稀有元素坦（铌）碳化物，细化晶粒提高高温硬度、强度和抗氧化能力，扩大了应用范围，是一种通用性的刀具材料，常见的有YW1，YW2。F 碳化钛基硬质合金（金属陶瓷）：以TiC为主体，Ni、Mo为粘结剂，添加少量其他碳化物的硬质合金，硬度达92.5HRA，耐高温11001300，具有高抗氧化能力、高抗月牙洼磨损能力，主要用于合金钢、淬火钢连续切削的精加工。常见的YN10。F 表面涂层硬质ZrN合金： 化学气相沉积法涂层硬质合金：主要涂层材料TiC，硬度高、耐磨性好，容易扩散到基体内。处理温度高，涂层材料单一，对基体韧性有影响。几种涂层材料的物理机械性能材料 熔点(C) 密度(g/cm) 硬度(HV) 弹性模量(kN/mm) 线胀系数(10-6/K) 抗高温氧化性能 TiC 3067 4.93 2800 470 8.0 一般 TiN 2950 5.40 2100 590 9.4 一般 ZrN 2982 7.32 1600 510 7.2 较好 Al2O3 2047 3.98 2100 400 8.4 很好 物理气相沉积法（真空溅射）涂层硬质合金：主要涂层材料TiN、Al2O3、TiCN，处理温度低，涂层材料多样化，针对性较强。其中TiN热导率高、摩擦系数小，抗月牙洼磨损性能较好；Al2O3高温硬度和化学稳定性高，适用于高速切削；ZrN特别适用于不锈钢的加工。 复合涂层（物理涂层）：涂层材料种类更多，35m内可多达数百层，可充分利用各种涂层材料的特点，多种材料复合涂层是性能优于单层涂层，现在国外非常流行。 各国硬质合金牌号近似对照(部分常用牌号)制造厂家和商标ISO国际标准代号P10P20P30M10M20K10K15K20K30中国统一牌号YT15YT14YT5YW1YW2YG6AYG6XYG6YG6YG8NYG8YG8N 中国株洲硬质合金厂（钻石）YC10CN15*YB01*YB02*YB03*YB425*YB120*YC20.1CN25*YB01*YB02*YB03*YB435*YB425*YB120*YC30YS25YS30CN35*SC30YB01*YB02*YB03*YB435*YB425*YW3YW4YB03*YW3YM20YB03*YM051YD15YD10.1YD10.2CA15*CN16*YB03*YB435*YB3015*YL10.1YC25YDS15SD15CA15*CN16*YB03*YB435*YB3015*YL10.1YC25 YD20 CA25*CN26*YB03*YB435*YB3015*YL10.1YL10.2YC25YS2(YG10HT)YL10.2中国自贡硬质合金厂（长城）YT715YT712YT707YT758ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC05*ZC06*YN510*YN510N*ZP01+YT715YT712YT798YT758ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC05*ZC06*ZC07*ZC08*YN520N+YT535ZC03*ZC04*ZC07*ZC08*ZP30YT712YT707YT767YG643ZC02*ZC04*ZC05*ZC07*ZM10YT758YT726YT767YG813YG532ZC02*ZC04*ZC05*ZC07*YT726YG813YG532YG643ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC06*YN510N+YG813YG532ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC06*ZC08*ZK20YG813YG532ZC01*ZC02*ZC03*ZC04*ZC06*ZC08*YG640YG546ZC08*ZK30美国肯纳金属KC740*KC710*KC850*KC910*K313K68K68KC250*K1瑞典山特维克可乐满（Sandvik,Coromant)GC415*GC425*CT515+S1PS10TGC015*GC225*GC1025*GC415*GC425*GC435*GC015*GC225*GC1025* S30TGC415*GC425*GC435*GC015*GC225*GC1025*S30TGC135*GC235*GC415*GC415*GC425* H1PGC3015*H10GC415*GC315*GC435*H13AH1PGC3015*GC415*GC315*GC435*H13AH20GC3015*H10F GC415*GC315*GC435*H13AH10F日本住友电气工业公司（Igetalloy)ST10EST10PST20EST30EU10EU2H1CG11G10ECG10G2G3日本三菱金属公司（Mitsubishi)STi10STi10TSTi20STi30UTi20TUTi10UTi20HTi10HTi10THTi20HTi20THTi30德国瓦尔特公司（Walter)WP1WP1WP3 WK1WK1WHN33*WTN33*WK1WTN43*WK1WHN53*WTN43*德国赫尔特公司（Hertel)CP1*CP3*CM2*CM3*P10CF2*CP1*CP3*CM2*CM3*P20CF2*CP3*CM2*CM3*CF2*CM2CM3KM1CF3CM3 CP1CP3CM2KM1CF3CP1CP3CM2CM3KM1CF3 注：标*者为涂层硬质合金；标+者为TiC基或Ti(C,N)基硬质合金。4. 其他刀具材料4.1. 陶瓷刀具：具有很高硬度、耐磨性和耐热性，化学稳定性、抗亲合能力好，适用于钢、有色金属、铸铁的半精加工、精加工。 纯氧化铝陶瓷：Al2O3及微量添加剂（MgO）冷压烧结，硬度9294HRA，主要用于连续切削的高速精加工。 复合氧化铝陶瓷：Al2O3添加TiC、Ni、Mo等合金元素热压烧结成形，硬度9394HRA，抗弯强度比纯氧化铝陶瓷高，主要用于连续切削的高速半精加工及精加工。 复合氮化硅陶瓷：Si3O4基体添加TiC、Co热压烧结，强度高，可用于冷硬铸铁轧辊的加工。4.2. 超硬材料： 立方氮化硼（CBN）刀具：由六方氮化硼在高温高压条件下加入催化剂转变成，硬度高（80009000HV）、耐磨性好、耐热性高（1400）和较好的化学稳定性，主要用于高温（Ni基、Co基）合金、淬硬钢、冷硬铸铁的半精加工和精加工。 金刚石：分天然、人工两种，主要用于非黑色金属的高速精加工。三、金属切削过程的基本规律 （预计：2课时）1. 切削过程的金属变形1.1. 切屑形态及其相互关系相互影响关系切屑形态带状切屑节状切屑粒状切屑影响切屑形态的因素被加工材料韧性好 差刀具前角大 小进给量小 大切削速度高 低切屑形态对切削的影响切削力波动小 大切削平稳性好 差加工表面粗糙度小 大断屑效果差 好1.2. 切屑与已加工表面形成过程工件上的切削层金属受到刀具的连续偏挤压力大于其屈服极限后，出现塑性变形并产生剪切滑移离开工件被加工表面而形成切屑。切削时的三个变形区F 第一变形区：当切削层以切削速度与刀具相对运动形成的塑性变形区。 剪切角即切削速度与剪切面间的夹角，由公式：计算摩檫角即切削合力与前面垂直力之间的夹角，tg=（摩檫系数），切削角大小与塑性变形有关，切削角小塑性变形大。F 第二变形区：当切削层沿刀具前面运动产生摩檫和剪切滑移，切屑与刀具前面接触的区域。 切屑与前面的摩檫特性：在高温高压的作用下，软化的切屑低层会嵌入凸凹的前面，使流速降低产生粘接，该区域的摩檫在滞留层内部产生内摩檫，而粘接区以外的切屑滑动产生外摩檫。 积屑瘤：用某一切削速度范围加工塑性材料时，切削刃附近出现覆盖刀具前面的高硬度金属。滞留层金属粘焊是形成积屑瘤的主要原因，切削温度是决定因素。控制积屑瘤的措施：n 降低工件材料的塑性、提高硬度。n 控制切削速度，避开形成积屑瘤的适宜温度（300400）。n 增大刀具前角、减小前面粗糙度值，促进切屑流动。n 减小进给、合理使用切削液等。F 第三变形区：已加工表面和刀具后面接触的区域。 已加工表面变形：先由刃口钝化、倒棱使已加工表面受压发生弹变；后弹变恢复受刀刃后面拉伸摩檫而产生塑变，塑性材料尤为明显，如奥氏体不锈钢加工后出现的“鳞刺”现象。 加工硬化：已加工表面受压出现塑变金属晶格变形，受高温又使金属弱化，金属表面硬化是复杂塑变的结果。滚压工具就是利用这个原理。 残余应力：指在切削力消失状态下金属中残余压应力或拉应力，使工件变形。1.3. 影响切削变形的因素影响切削变形的因素主要有工件材料、切削用量和刀具几何参数。F 工件材料：切削条件不变，材料强度大摩檫系数减小、剪切角增大而变形系数减小，切削变形小；材料塑性大易塑性滑移和剪切变形、变形系数大，切削变形也大。F 切削用量： 进给量：当主偏角一定，进给量增大而支流层变化不大，变形层比例减小使切削变形减小。因此适当增加进给量是提高工作效率的有效手段。 切削速度：切削塑性材料时，切削速度对切削变形的影响曲线呈波浪形。低速和高速不产生积屑瘤，切削变形为下降趋势；当中速切削切削变形随积屑瘤变化而变化。通过控制切速减小变形对精加工有重要意义。F 刀具几何参数：前角越大刀具越锋利，切屑流动阻力减小，切削变形越小。2. 切削力2.1. 切削力来源、合力及分力切削力合力即总切削力来源于三个变形区的变形抗力和切屑与前面、后面和工件之间的摩檫力。总切削力可沿x、y、z轴分解为：F 主切削力（切向）：总切削力在主运动方向上的分力，是计算机床主运动机构、刀杆和刀片强度以及工装夹具、选择切削用量的主要依据。F 背向力（径向）：总切削力在垂直于工作平面方向上的分力，作用于工件径向，对细长、薄壁件的变形影响较大，是校验机床刚度的必要依据。F 进给力（轴向）：总切削力在进给运动方向上的正投影，作用于进给机构上。切削力总力与分力的关系是：2.2. 切削力的实验计算公式：F 指数公式，使用测力仪直接测出实验数据，经过数学方式处理所得。F 单位切削力：指单位切削面积上的主切削力（单位：N/mm2）。单位切削力计算公式：kc=Fc/（aPf）=Fc/（bDhD）；各类材料铣削单位切削力Kc表材料强度N/mm前角切削力指数切削力Kc1.1与进给有关的单位切削力Kc（N/mm2）度0.0250.040.0630.10.160.250.40.631结构钢5208/-70.8113902780257023302150197018001650151013906208/-70.8714402300216020501940182017201620152014407208/-70.791500324029602690243022001970182016501500工具钢6708/-70.881470223021302030194018201730164015501470合金钢7708/-70.86143024002250211019701840174016201520143016Mn7708/-70.81144028802660242022302040187017101570144018Cr6308/-70.74145037703330299026402330208018401630145042CrMo7308/-70.80155032202940268024502230204019601700155034CrMo6008/-70.84148026602440230021401970184017101590148050CrV6008/-70.80147030502790254023202120193017601610147055Ni2CrMoV9408/-70.82129024702290210019401790165015201400129055Ni2CrMoV532HB8/-70.821350259023902200203018801730159014601350铬钼钢5908/-70.861500252023602210207019301820170016001500铸钢5208/-70.821800345031902940271025002310212019501800冷硬铸铁46HRc8/+20.811900380035103190294026902470226020701900孕育铸铁36080.741200312027602470218019301720152013501200灰铸铁200HB80.667602640226019401660142012101030880760黄铜50080.665001740148012701090930800680580500AlMg160200.66250870740630540460400340290250AlSi200200.663001040890760660560480410350300已知单位切削力求切削力公式：Fc = kcaPf= kcbDhD2.3. 切削功率：F 当主切削力和切削速度已知时， 切削功率Pc=（Fcvc10-3）/60（kw）；F 单位时间金属切除量（mm3/s）：Qz=（1000apfvc）/60F 单位切削功率：Ps=Pc/Qz=（kcaPf vc10-3）/（1000apfvc）=kc10-6单位切削功率的单位Kw/（mm3s）2.4. 影响切削力的因素F 工件材料的影响：主要包括强度、硬度、塑性、韧性等，另外热处理状态、金相组织也会影响切削力的大小。F 切削用量的影响： 切削深度（背吃刀量）：当切削深度增加一倍时，切削力也增加一倍。 进给量：进给量增大平均变形减小，单位切削力下降，因此进给增加一倍切削力约增加7080%。 切削速度：切削速度对切削力的影响曲线呈波浪形。F 刀具几何形状的影响： 前角：前角增大切削变形减小，切屑流动阻力减小，切削力下降。 主偏角：主偏角增大，单位切削力减小，切削力下降。另外主偏角是影响轴向力（进给力）和径向力（背向力）主要因素，轴向力随主偏角增加而增大，径向力岁主偏角增加而减小。 刃倾角：刃倾角主要影响轴向力和径向力，当刃倾角由正变负时，轴向力减小，径向力增大。 刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径增大，切削变形增加，切削力增大，其中径向力增大尤为明显。F 其他影响因素： 刀具材料：刀具材料摩檫系数、抗亲和性能不同是影响切削力的主要原因。 切削液：使用适宜的切削液可降低切削力。 刀具磨损、刃口钝化可加大切削变形使切削力增大。3. 切削热与切削温度3.1. 切削热：主要有切削过程中因切削变形所作的功转变为热、切屑与刀具前面摩檫产生的热、工件加工表面与刀具后面摩檫产生的热。单位时间切削产生的热量与切削功率成正比。切削热主要向切屑、刀具、工件及周围介质传散。3.2. 切削温度：一般指切屑与刀具前面接触区的平均温度。F 最高温度在距切削刃一小段距离的刀具前面接触区域。3.3. 影响切削温度的因素F 工件材料：强度大、硬度高切削力大，塑性大、变形系数大，产生的热量多；导热率大利于散热，材料热容量大，切削温度低。F 切削用量的影响： 切削深度（背吃刀量）增加产生的切削热量增加，同时刀具散热面积增加，改善刀头的散热条件，使切深对切削温度的影响减弱。 进给量增大产生的热量增加，切屑增厚容热能力增加，可带走更多热量；刀头散热条件未改善，切削温度有所增加。 切削速度增加，变形、摩檫加剧，切削温度显著增加，是影响切削温度的主要因素。F 刀具几何形状的影响： 前角：前角增大，切屑变形减小，产生热量小，切削温度下降。但前角太大楔角减小会影响散热。 主偏角：切削深度不变，主偏角增大，主切削刃工作长度缩短，传热面积减小，切削热相对集中，切削温度升高。刀具的磨损形态典型的磨损曲线 刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径增大，平均主偏角减小，切削宽度增大，传热面积增大，切削温度下降。4. 刀具磨损与刀具耐用度4.1. 刀具磨损方式F 前面磨损（月牙洼磨损）：切削塑性材料切削厚度较大时，在前面刃口后方刀具材料微粒被切屑带走，刀具前面出现月牙形凹陷。磨损程度用月牙洼的宽度和深度衡量。F 后面磨损：切削塑性材料切削厚度较小时，前面刃口附近刀具材料微粒被工件带走，刀具后面出现的磨损。F 前、后面同时磨损：切削塑性材料切削厚度适中时，刀具前面、后面同时出现磨损。4.2. 刀具磨损原因F 机械作用的磨损：加工材料中硬质点、机屑瘤碎片与刀具摩檫造成的磨损，是低速切削刀具磨损的主要原因。F 热化学作用的磨损 粘结磨损：刀具表面与工件、切屑表面粘结点因相对运动刀具微粒被带走而造成磨损。粘结主要原因有切削温度和材料化学成分的亲和作用。 氧化磨损：在高温（700800）条件下，刀具表面形成氧化膜强度降低，被切屑、工件檫掉而形成磨损。 扩散磨损：在高温（8501000）下，刀具材料中Ti、W、Co等元素向切屑、工件扩散，工件中Fe等元素反向刀具扩散，使刀具成分改变性能下降而形成磨损。 相变磨损：刀具材料因切削温度升高而出现金相组织变化、硬度降低而造成的磨损。F 非正常磨损刀具在切削过程中，出现塑性变形、崩刃、打刀、裂纹等现象，使刀具失去工作能力。4.3. 刀具磨损过程F 初期磨损阶段：主要原因是刀具刃磨后表面粗糙，表面组织不耐磨。F 正常磨损阶段：刀具粗糙、不耐磨表面组织磨去后，形成一个相对稳定，磨损速度较缓慢的阶段，也是刀具有效工作阶段。F 急剧磨损阶段：刀具磨损达到一定程度后，刀具与工件接触情况恶化，切削力和切削温度急剧上升，刀具磨损加剧。4.4. 刀具磨损限度刀具磨损限度指对刀具规定一个允许磨损的最大量值，在急剧磨损前及时刃磨或更换刀具。F 经济磨损限度：根据最长刀具寿命时间制定的磨损限度。F 工艺磨损限度：根据被加工工件的技术要求而指定的磨损限度。4.5. 刀具耐用度F 刀具耐用度（T）：刀具一次刃磨（或转位）从开始切削至达到磨损限度所经过的切削时间。 刀具寿命：是指一新刀具从使用到报废的切削时间。凡影响刀具磨损的因素都影响刀具耐用度，其中切削速度是主要影响因素。F 刀具合理的耐用度：能保持生产率最高或成本最低的耐用度。4.6. 一定耐用度的切削速度保证合理刀具耐用度的切削速度为刀具切削性能允许切削速度。一般意义上：高速钢刀具加工钢件为1550m/min；加工铝件为100200m/min。硬质合金刀具加工钢件为100300m/min；加工铸铁为50200m/min。四、改善工件材料的切削加工性与切屑的控制 （预计：2课时）1. 改善工件材料的切削加工性1.1. 衡量切削加工性的指标工件材料的切削加工性与材料的化学成分、物理力学性能、热处理状态和切削条件等有关。目前多采用一定耐用度下允许的切削速度作为衡量材料切削加工性的指标。材料加工性好坏，一般指与45钢比较取得的相对加工性指标来评定。加工性等级工件材料分类相对切削加工性代表性材料1易切削材料一般有色金属3.0青铜、AlMg、AlSi2易切钢2.53.0低碳钢、15Cr退火3较易切钢1.62.530钢正火4普通材料一般钢、铸铁1.01.6结构纲、45钢、灰铸铁5稍难切削的材料0.651.0高碳钢、2Cr13调质6难切削材料较难切削的材料0.50.6545Cr调质、65Mn调质7难切削的材料0.150.51Cr18Ni9Ti、50CrV调质8很难切削的材料0.15镊基合金、钛基合金、铁基合金1.2. 影响材料切削加工性的因素F 金属材料的物理、力学性能：包括材料的硬度、强度、韧性、塑性、导热系数以及热膨胀系数等。F 金属材料化学成分：除了含碳量以外，材料中加入Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V等元素将不同程度影响材料的切学性能。F 金属材料的金相组织，如：淬火后的马氏体组织硬度高、强度大易使刀具磨损；奥氏体不锈钢韧性大、塑性好、加工硬化严重，与刀具粘结性强，切削性能差；冷硬铸铁表面渗碳体（Fe3C）多，硬度高，难加工。1.3. 改善切削加工性的措施F 选择易切削钢：加入易切削剂且不降低材料力学性能，如硫、铅、钙脱氧钢等。F 进行适当的热处理：将高碳钢、工具钢退火降低硬度；对低碳钢正火降低塑性、提高硬度；对中碳钢正火、调质使其金相组织细化、硬度均匀改善切学加工性。F 几种难加工材料的切削加工性分析举例 高锰钢（Mg含量1114%）：难加工原因主要是加工硬化、导热率差、韧性、延伸率大。应有针对性选择韧性、强度好的硬质合金材料，采用较大的负前角和刃倾角，较低的切削速度和较大的进给。 不锈钢：分奥氏体（1Cr18Ni9Ti）和马氏体（2Cr13）不锈钢，切削困难主要原因是韧性大、粘刀。对马氏体不锈钢应进行调质处理，对奥氏体不锈钢在850950退火，选择不含Ti的硬质合金牌号，采用大前角、小主偏角，选择合适的切削速度减小粘刀。2. 切屑的控制2.1. 切屑的卷曲与流向F 切屑的卷曲切屑被“剪切”离开工件本体后沿刀具前面流动，切屑底层金属变形比表层更大而更长，于是向上卷曲。由于切屑经过严重的塑性变形，塑性降低、硬度提高、脆性增强，为断屑提供内在条件。F 切屑的流向影响切屑流向的最主要因素是刃倾角，刃倾角为正值切屑向离开已加工表面的方向流动。2.2. 断屑的原因和屑形F 切屑流动中遇障碍物受弯曲力矩而折断。切屑厚、弯曲半径小，弯曲应力大，切屑易折断。一般会出现C形屑、6形屑和圆卷形屑等。F 切屑在流动中未受阻而是靠自身重量甩断。一般容易产生带状或螺旋状切屑。2.3. 影响的断屑因素F 车刀几何形状： 断屑槽宽度小，切屑卷曲半径小，弯曲应力大，对断屑有利。但也影响容屑空间和切削力，容易出现堵屑、崩刃和切屑飞溅等。 主偏角和刃倾角对切屑流向和断屑影响较大，主偏角大切屑厚，对断屑有利，刃倾角为负值时促使切屑流向加工表面，容易使切屑碰到工件后折断，但精加工时可能划伤工件已加工表面。F 切削用量： 进给量增大，切屑厚度增大、弯曲应力变大，容易断屑。 吃刀深度增加，主切削力增大、流屑角减小、切屑弯曲应力增大，有利于切屑卷曲后碰工件或刀具后面而折断。F 工件材料：工件材料的韧性、塑性大，强度高断屑比较困难。五、减小已加工表面粗糙度和提高生产率的方法（预计：2课时）1. 已加工表面粗糙度1.1. 刀具几何角度与切削运动造成的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。影响因素主要有刀尖角和刀尖圆弧半径，另外还有进给量大小。切削刃的粗糙度也会反映到已加工表面上。1.2. 影响表面粗糙度的切削过程中不稳定因素1.2.1. 积屑瘤：其形状不规则和不稳定，积屑瘤的残片都会影响已加工表面的粗糙度。1.2.2. 磷刺：切削速度低、刀具前角小和材料软会使已加工表面出现鳞片状的“毛刺”，影响表面粗糙度。1.2.3. 振动：加工余量不均、刀具刃口钝化，径向切削力太大，系统刚性差、刀具悬伸太长等均会引起切削振动，形成波状纹理影响表面粗糙度。1.3. 减小已加工表面粗糙度值的措施1.3.1. 降低残留面积高度 减小副偏角（增大刀尖角） 减小进给量 采用修光刃 选择宽刃刀具 增大刀尖圆弧半径1.3.2. 消除积屑瘤和鳞刺 选择较大的前角，减小切削变形、磨檫和切屑堆积。 选择较高的切削速度，避开积屑瘤容易产生的速度。 工件进行适当的热处理。 使用有效的切削液。1.3.3. 消除振动 选用较大的主偏角（铣削选相反）减小背向分力。 采用较大的前角，减小切削力。 磨“消振棱”（刀刃后刀面上）。2. 切削液2.1. 切削液的作用切削液可减少切屑、刀具、工件间的磨檫减少切削热，并带走部分热量，使切削温度降低。2.1.1. 切削液的润滑作用切削液在切屑、刀具、工件的接触面上产生的油膜，减少其间的磨檫。2.1.2. 清洗与防锈作用2.2. 切削液种类和选用2.2.1. 切削液的种类 水溶液：以水为主要成分的切削液。 乳化液：乳化油加适当比例的水稀释的切削液，乳化油是矿物油加乳化剂配制的。 切削油：主要成分为矿物油。名称组 成主要用途水溶液以硝酸钠、碳酸钠等溶液，用100200倍水稀释而成磨削乳化液少量矿物油、主要为表面活性剂的乳化油，4080倍水稀释，冷却、清洗性能好。车、钻削矿物油为主、少量表面活性剂的乳化油，1020倍水稀释，冷却、润滑性能好。车削、攻螺纹加入极压添加剂的乳化液高速车、钻削切削油矿物油单独使用齿轮加工矿物油加植物或动物油，润滑性能加强精密螺纹车削矿物油或混合油加入极压添加剂高速齿轮螺纹其他液态CO2主要用于冷却二硫化钼+硬脂酸+石蜡，涂于刀具表面攻螺纹2.2.2. 切削液的合理选用 不同刀具材料高速钢：红硬性差，需采用切削液。粗加工以冷却为主宜用浓度低的乳化液，精加工以润滑为主可用浓度较高的切削液。硬质合金：一般不需要冷却。但孔、槽加工时使用切削液必须连续、充分、稳定供应。 不同工件材料钢：强度高、韧性好，切削时切屑与刀具、工件接触时间长，需要使用切削液。铸铁：一般不需要冷却。有色金属：铜合金高速切削时可以使用切削液，但一般不用含硫的切削液。加工铝合金刀具前角大，散热快不需要冷却。镁合金可使用煤油或氟化钠溶液。2.2.3. 切削液使用方法 直接浇注（外冷）：切削液通过冷却系统管路喷嘴，直接浇注到切削曲进行冷却润滑，是传统的方式。 内冷：切削液通过刀具内部浇注或喷射到切削区，数控机床刀具系统、孔槽加工多采用这种方式，如KOMET-ABS刀具系统；SANDVIK-Capto刀具系统；深孔（枪）钻等。 喷雾：就是用压缩空气使切削液雾化，以高速喷向高温切削区，在带走切削热的同时将切屑吹出。有的装置增加了制冷系统，增强了冷却效果，并应用于车、铣、钻、镗加工。3. 刀具几何参数的合理选择刀具的几何参数对切削力、切削温度、切屑控制、刀具耐用度有很大的影响，只有合理地选择才能充分发挥刀具的切削性能。3.1. 前角及前面的选择3.1.1. 前角的功用及选择 前角的功用：前角增大能减少切屑变形和磨檫，降低切削力、切削温度，减少刀具磨损、改善加工质量、抑制积屑瘤和鳞刺；同时会降低切削刃强度和散热能力，易崩刃。因此应选择一合理的值。 前角的选择原则根据工件材料，塑性大前角宜大；脆性材料前角宜小；强度、硬度高前角适当减小。根据刀具材料，高速钢刀具前角宜大；硬质合金刀具前角可适当小一些。粗加工前角可适当选小一些，精加工前角应选大一些。工件材料前角选择参考范围粗加工精加工低碳钢20252530中碳钢10151520合金钢10151520淬火钢-15-5奥氏体不锈钢15202025灰铸铁1015510铜（铜合金）1015510铝（铝合金）30353540钛合金5103.1.2. 前面型式 平面型正前角：多用于加工脆性金属加工。 平面倒棱型正前角：倒棱可提高刃口强度、增强散热能力，吃高刀具耐用度，多用于硬质合金刀具。 曲面倒棱型正前角：在平面倒棱型正前角的基础上，将刀具前面修磨成曲面以增大前角和卷屑槽，一般多用于加工塑性材料的硬质合金刀具，如不锈钢加工。 平面型负前角：使楔角增大强化刃口，多用于高强度、高硬度和淬硬材料的加工。 双面型负前角：可使刀具刃磨次数增加，第一负前角的宽度应能保证切屑沿该面流出。3.2. 后角的选择3.2.1. 后角的功用及选择 后角的功用：后角主要影响刀具后面与过渡表面的磨檫和加工表面的粗糙度，以及刃口强度和刀具的散热能力。 后角的选择：粗加工时后角可适当选择小一点，反之，精加工为保证表面粗糙度应将后角选择的大一些（硬质合金车刀可参考下表选择后角）。工件材料后角选择参考范围粗加工精加工低碳钢8101012中碳钢5768合金钢5768淬火钢810奥氏体不锈钢68810灰铸铁4668铜（铜合金）6868铝（铝合金）8101012钛合金10153.2.2. 后角的型式： 双重后角：可以保证刀具强度，减少后面刃磨工作量。 倒棱（消振棱）：增加刀具后面与过渡表面的接触面积，增加阻尼作用消除振动。角度可去-5-20，宽度0.10.3mm。 刃带：角度为0，宽度0.020.3mm的刃带（刀刃后面0度的小棱边），具有稳定、导向和消振的作用。3.3. 主偏角、副偏角和刀尖角的选择3.3.1. 主偏角的功用与选择： 主偏角的功用：影响个切削分力的比值，主偏角增大，刀具径向力增加、轴向力减小；进给和吃刀不变的情况下切削宽度减小、切削厚度增加；另外也影响工件表面形状和残留面积的高度。 主偏角的选择：在工艺系统刚性允许的情况上选择小主偏角。系统刚性差，如细长轴、薄壁件加工应选择大主偏角。粗加工为提高工作效率一般选择6075刀具。3.3.2. 副偏角的功用与选择： 副偏角的功用：主偏角确定后，副偏角选择影响刀尖角而影响刀尖强度和刀具耐用度；另外也影响工件表面粗糙度。 副偏角的选择：一般刀具取1015，切断刀取12。3.3.3. 刀尖倒角与修光刃的功用与选择： 刀尖倒角的功用：增加刀尖强度、刀尖散热能力和刀具耐用度；减小表面粗糙度值。 刀尖倒角的选择：刀尖的直线或圆弧倒角主要是为增加刀尖强度、散热、提高耐用度，多用于粗加工和强力切削；水