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刀具应用技术基础中国机械工业金属切削刀具技术协会目 录一、 切削加工技术系统和刀具应用技术三要素二、工件材料的分类及可切削性1工件材料的可切削性2工件材料分类及影响材料可切削性的因素三、正确选用刀具 1构成刀具切削性能的要素 2刀具材料的种类和特性 3选择刀具材料的依据 4涂层技术的种类和特性 5刀具主要几何参数及作用 6几何参数对先进刀具开发的重要作用 7刀具结构的选择四、正确设定切削参数 1选择切削用量的途径 2切削用量的选择 3背吃刀量的选择 4进给量的选择 5切削速度的确定6切削速度的优化7计算单件成本和单件工时8改进切削加工的途径五、与高速切削相关的刀具使用技术1高速旋转刀具的动平衡技术2高速旋转刀具的安全技术3高速旋转刀具的装夹技术六、附录1. 附录1：主要高速钢牌号表2. 附录2：国内外部分工具公司硬质合金牌号表3. 附录3：计算车削速度修正系数表4. 附录4：平衡质量等级图5. 附录5：硬度对照表6. 附录6：国内外工件材料对照表刀具应用技术基础重视刀具应用技术 提高切削加工水平成都工具研究所 赵 炳 桢从20世纪后期开始，随着科学技术的进步，制造业得到了迅速的发展，并对世界经济的增长起到重要的推动作用。制造业的发展与制造技术的进步分不开，尤其是直接关系到制造业中重要工业部门及装备制造业发展的机械加工技术。在信息技术等高新技术的带动下，机械加工技术进入了“高速、高效、智能、复合、环保”的发展新阶段，出现了高速（效）切削、近净成形、柔性化加工、五轴加工、复合加工机床、e-网络制造、绿色制造等新的制造技术及装备,为制造业开发新产品、提高加工效率和加工质量、降低制造成本、缩短交货周期、保护生态环境、降低能源和资源消耗发挥了重要的作用。在上述新加工工艺及装备中，切削加工的新技术及刀具以其重要的基础地位、以及应用面广、实用化程度高、见效快、成效显著等特点，其进展尤为突出，成为当今先进制造技术中的亮点，对制造业的发展和制造技术的进步起到了十分重要的作用。不仅如此，广大的机械制造企业尤其是汽车、航空航天、模具、能源等工业部门的企业在经历了制造业的大发展以后，亲身体会到先进切削技术和刀具对提高加工效率、降低制造成本、加快新产品开发从而对提高企业的竞争实力和推动企业技术进步的重大作用，进一步确立了切削加工作为企业的基础工艺和关键技术的重要地位，加大了采用先进切削技术和刀具的力度。与此同时，刀具制造商也加快了新技术和新产品开发的速度，并更新经营观念，把为用户提高加工效率降低制造成本作为经营的宗旨，成为用户企业革新切削工艺可依赖的社会资源，为机械制造企业的发展创造了从未有过的良好机遇，将大大加快企业的技术进步和竞争实力的提高。可以预计，今后，切削技术和刀具进步的速度将进一步加快，并成为企业进步和发展的强大推动力。从世界范围看，切削技术和刀具显示出高新技术的特征，切削技术进入了高速切削新阶段，并带动整体切削加工水平有全面的提高，已成为数控加工技术的关键技术；刀具产品已发展成为高附加值、高科技含量的产品，包含着当代材料、信息科学、计算机、微电子应用技术领域中的最新成果。涌现了一批如整体硬质合金钻头、立铣刀、高速丝锥、加工铝合金的PCD高速面铣刀、括光车刀片、大前角大螺旋角铣削刀片等高效、高性能的新刀具，使切削效率成倍提高。我国的切削加工水平与世界的先进切削技术比较，有较大的差距。缩小这个差距加快先进切削技术和刀具的开发与应用，尤其是积极采用现有的先进切削技术为“我”所用是一个投入少、见效快的好措施，有事半功倍的效果。除了技术上的差距以外，还有长期以来形成的忽视切削加工和刀具的这种落后的观念。这些差距和落后不仅正在阻碍着我国制造业的发展，影响建设制造强国这个宏伟目标的实现，而且制约着企业的技术进步和竞争实力的壮大。使得现代切削技术投资少、见效快这样重要的优质技术资源没有得到充分的利用。因此，无论是为了实现建设制造强国的宏伟目标，还是为了企业自身的发展，我们必须加快开发和应用先进的切削技术和刀具。为此，中国刀协提出了在全国范围内提高切削效率20%的阶段性目标。提高企业的切削效率，是广大从事工艺、刀具管理、机床操作等切削专业工作者面临的紧迫任务。作为刀具的用户企业，在实施提高切削效率这个目标时，提高刀具的使用技术不仅可以发挥企业现有的切削加工潜力，而且可为今后开发和采用切削新技术打下基础。金属切削加工是一个多因素的复杂过程，参与切削的各因素如工件材料、刀具性能、机床状态、切削条件等在切削中的行为显现出很大的不确定性，很难用定量来描述它们。时至今日，还不能用计算的方法来定量地确定和预测切削的进程和效果。但是切削专业工作者在长期科研和实践中积累的知识却为我们定性分析各因素的特点及影响提供了科学的依据和方法，对切削新技术的开发及切削技术的合理应用起到了正确的指导作用，使我们有可能找到一组较佳的切削条件并在实践中不断完善，向着最佳的目标接近。本文对刀具应用技术的探讨，也是从定性的角度对切削过程的主要因素进行分析，希望能对刀具的正确应用提供指导性的意见。这里所说的应用技术，其内容和任务是，提高切削加工的效率、降低成本、提高质量，其中提高效率是总的目标。现代切削技术的理念强调提高效率，认为效率提高了才有成本的显著降低，提高质量也是应用提高效率的技术资源的基础上所取得的结果。提高切削加工的效率是切削技术发展的动力和不懈追求的目标。一、 切削加工技术系统和刀具应用技术三要素作为一门金属加工的工艺技术，金属切削加工工艺可用图1所示的技术系统来描述。该系统包括三部分内容：切削工艺系统、切削机理、切削加工效果，并分述如下：图1 切削加工技术系统第一部分是由机床、刀具和被加工工件组成的切削技术的工艺系统。机床和刀具是实现切削加工必不可少的工艺装备，依靠机床提供的运动和动力，由具备切削功能的刀具将工件上多余的金属以切屑的形式将其切除，按预定的要求实现对工件的切削加工过程。为了进一步了解切削过程，有必要将刀具、机床和工件的技术内涵加以细化。从图1 看，刀具是切削加工的主体，参与切削加工的刀具包含着三个主要的技术内涵，即刀具材料和涂层、几何角度、刀具结构。刀具必须有特殊的刀具材料制造，并具有确定的几何形状和适用的结构，三者共同赋予刀具切削的功能，同时又决定着刀具的切削性能。因此，有关这三个因素的内容、作用是切削技术的主要内容。与机床相关的切削技术内涵有切削参数、工序类别、切削条件。机床为刀具实施各种切削工序提供了一个技术平台，包括刀具切削所需要的动力、刀具与工件的相对运动、提供冷却润滑的条件、可靠地夹持刀具和工件。其中刀具与工件相对运动的速度，有主运动的切削速度和辅助运动的进给速度，是切削加工中两个主要的切削参数。切削加工要求机床有足够的功率和系统的刚性、高的运动速度和自动化程度，以及运动和定位的精度。因此，机床的性能与切削加工的水平密切相关，两者相互促进共同推动切削加工技术的进步和发展。工件是切削加工的对象，也是切削技术的主体之一。不仅工件尺寸精度、表面质量的要求而且工件的材料和结构都影响着切削的过程，切削参数的设置和刀具几何角度的设计必须适应具体的工件特点。尤其是工件材料的可切削性，对切削过程的影响十分显著，已经成为切削加工重要的技术内容。目前，需要切削加工的工程材料已经超出了金属材料的范围，非金属材料和新型的人工合成材料越来越多地被用作工程材料，成为切削加工的新领域。切削技术系统的第二部分是金属切除过程的机理部分，包括切削变形过程及伴随着的两个重要的物理现象：切削力和切削热。来自切削变形区的切削力和切削热传递着切削过程内部的信息，并对切削过程产生很大的影响。刀具挤压、切离金属所需要的力和刀具与工件、切屑摩擦的力构成了切削系统的作用力，机床的传动系统必须克服这些力并提供足够的功率。切削力使机床、刀具和工件产生变形，影响加工的精度；作用在刀具上的切削力和摩擦力造成刀具的磨损与破损。在刀具与工件相对运动中，由切削力作的功所产生的热量也造成工艺系统的变形和加剧刀具的磨损与破损。减小切削力和切削热、降低切削温度从而减慢刀具的磨损，防止刀具的破损，成为设置切削参数和选择刀具几何角度的重要依据。切削技术系统的第三部分为切削加工的产出和效果。切削加工除了产出合格的零件外还产出了切屑，并造成了刀具的磨损。表明切削技术对切削加工的目标的控制包括符合图纸要求的零件质量、保证切削过程顺利进行的切屑的形态和流向以及对刀具磨损或其它损坏形式的控制。图中显示衡量一个切削系统的最终指标为零件加工的生产效率、制造成本、加工质量，力求做到高的生产效率、低的制造成本、好的加工质量。通常，刀具用户设计切削过程的主要工作是根据工件被加工对象的要求来选取刀具、切削参数和工艺条件，以满足对生产效率、制造成本和加工质量的要求。作为刀具应用技术的基础技术，在本文中重点探讨其中的共性因素：工件材料、刀具、切削参数，并分成三部分内容，即工件材料的分类及可切削性、正确选用刀具、正确设置切削参数。二、 工件材料的分类及可切削性金属切削加工的本质是工件材料的切除过程，金属材料在刀具切削过程中的行为直接关系着切削过程的进展及加工的结果。由于工件应用领域及使用条件的千差万别，形成了制造工件的被切削材料及状态的多样性，如有普通碳钢、淬火钢、铸铁、有色金属、高温合金等，而不同的材料及状态对切削过程的反应是不一样的，表现出有的材料容易切削，加工时切削效率高、刀具寿命长或工件表面质量好；而有的材料则显得不那么好切削，切削效率低，刀具寿命短或表面质量差。因此，了解和认识工件材料的切削特性，是选择适用的刀具和切削参数乃至优化切削加工的前提，对掌握刀具的使用技术至关重要。1. 工件材料的可切削性为了从切削加工的角度评判工件材料切削的难易可切削性的好坏，把材料切削的难易程度的性能称为可切削性或可加工性(machinability)。与材料的机械性能(强度、硬度、塑性)、物理性能(电阻率、导热率、线膨胀系数、比重等)不同，工件材料的可切削性不能用一个确切的数值来表示，而是一个相对的概念，将随着判断依据和切削条件的不同而不同。根据具体的切削工序，判断材料可切削性好坏的依据可以是，(1)刀具寿命或刀具磨损，加工时刀具寿命长或刀具磨损慢，则材料的可切削性就好，反之则差；(2)表面粗糙度或表面质量，这个判据用于判断精加工时材料可切削性的好坏，其中表面质量或称表面完整性则主要是判断用于制造宇航工业用零件的难加工材料的可切削性；(3)根据加工时切削力的大小或机床消耗功率的大小作为评定材料可切削性好坏的尺度。在某些情况下，断屑的难易或切屑的类型(长屑还是短屑)也可作为判断可切削性好坏的依据。在以上三个判据中较常用的是刀具寿命。根据在一定条件下对各种材料所做的刀具寿命试验得出的vT（切削速度刀具寿命）曲线或公式求出在T=30或60分钟时所对应的v值，记作v30或v60。各种材料的v30或v60值就代表材料的可切削性。把某种材料（如45号钢）的v30或v60值作为参考值，取为1，则可列出各种材料相对于45号钢的v30或v60数值，作为定量描述材料切削性的指标，如表1所示。表1是以各种材料的v60值为基础，并以45号钢的v60值作为参考值1，列出各类材料的相对可切削性数值kv。kv值越大可切削性越好，反之，则越差。表1 根据相对可切削性指数的大小把常用的工程材料的可切削性分为8个等级，从而可以比较各类材料可切削性差异的程度。从某些切削加工的手册上还可查到更细分的相对可切削性数值，如表2为钢材的可切削性，表中把硫磺易削钢的可切削性作为100%，列出了以百分数表示的不同含碳量的碳素钢及各种合金钢的相对可切削性及该材料的布氏硬度，因为材料机械性能中极限强度b和硬度（HB、HRC）有时也被用作判断可切削性的依据。这些数据为我们判断材料可切削性提供了相对的排序。 表2 部分钢材的可切削性工 件 材 料可切削性%布氏硬度HB工 件 材 料可切削性%布氏硬度HB碳素钢0.08%C0.1%C0.15%C0.2%C0.3%C0.35%C0.45%C0.50%C0.70%C硫磺易削钢锰钢（Mn1.61.9）0.3%C0.35%C0.4%C镍钢0.17%（Ni3.253.75）0.3%C(Ni3.253.75)0.4%C(Ni3.253.75)0.15%C(Ni4.755.25)镍铬钢0.2%C(Ni1.101.4%,Cr0.550.75)0.3%C(Ni1.101.4%,Cr0.550.75)505050656565605045100505045555045306055126163131170131170137174170212174217179229179229183241179229179235187241187241174217179229187241179229163207179217钼钢（Mo0.20.3%）0.23%C0.32%C0.42%C0.47%C铬钼钢(Cr0.81.1%,Mo0.150.25)0.3%C0.37%C0.45%C镍铬钼钢(Ni0.40.7%,Cr0.40.6%,Mo0.150.25%)0.2%C0.3%C0.45%C0.4%C(日本钢号SNCM8)镍钼钢(Ni1.65%,Mo0.20.3%)0.1%C0.4%C铬钢0.2%C0.4%C0.5%C70656055656055606555456555656055156207170229183235183235127229187229187229170217179229183231187241174217187235170212174229179235理论上，当我们知道了其中某种材料加工时的切削速度时，则可在相同的加工条件下推算出其它材料的切削速度。但在实际上，由于多种因素的影响，很少直接用相对的可切削性数值来计算切削速度。这些数据的主要使用价值在于：第一，从不同类别材料可切削性数值，指出了正确选用刀具和切削参数的方向；第二，用于分析影响材料可切削性的因素，如从表2可见，含碳量增加钢材的可切削性变差，合金元素增多钢材的可切削性也变差，从而提示进一步思考材料可切削性差异的内在原因。2工件材料的分类及影响材料可切削性的因素上一节的表1 已经给出了不同材料的可切削性等级，并以从易到难的次序进行排序。但是，从指导切削加工使用技术的角度，在根据材料选择刀具和切削参数时，通常按工程材料进行分类更为方便，每一大类按可切削性的差异分成几小类，如表3所示。经这样分类以后，基本上覆盖了大多数的工件材料范围，可较方便地将工件材料定位在相应的类别，并初步判断出该工件材料的可切削性，类似表3 这样的表已被刀具制造商用来推荐正确选择刀具和切削参数的依据之一，出现在各厂商的样本中。下面就从表3 入手分析影响各类材料可切削性的因素。影响工件材料可切削性的因素包括：机械性能、物理性能、化学成分、金相组织及切削条件。材料的可切削性是这些因素综合的结果，或在某些特定的情况下其中有一项因素占主导作用。因此，分析和认识这些因素的作用对掌握材料的可切削性有实用的价值。材料的机械性能中，硬度和强度值常被用来作为描述材料可切削性的参数。金属切削过程是刀具对工件材料施加外力加以破坏的过程，所以，硬度和强度值的大小在一般情况下可反映切削材料由变形到切除的难易程度。因此材料的硬度或强度通常也被列在表3这样的分类表中。下面按材料的类别逐一分析其可切削性。表3 工件材料分类表类别材 料 分 类牌 号 举 例抗拉强度N/mm2或硬 度HRC、HB1普通碳钢合金钢工具钢11低强度结构A3、20400 12易削钢、一般结构钢Y12、15Mn、45600 13结构钢、低合金钢渗碳钢、调质钢45、60、45Mn15CrMo、40Cr850 14渗碳钢、调质钢冷作工具钢、高速钢20Cr、40CrMn30CrNi3、Cr12MoV1000 15调质钢、热作工具钢5CrNiMo、4Cr5MoSiV11200 2淬火钢2140-48 2248-60 3不锈钢31易切削不锈钢Y1Cr13Mo、Y1Cr18Ni9850 32铁素体、马氏体不锈钢1Cr17、2Cr13850 33奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti、0Cr13Ni4Mo850 4铸铁41灰铸铁HT150、HT250200 42灰铸铁HT300、HT350300 43球墨铸铁、可锻铸铁QT500-7、KTZ500-04240 44球墨铸铁、可锻铸铁QT700-2、KTZ650-02300 5纯钛钛合金51纯钛、低合金钛TA1、TA6、TA9700 52钛合金TA7、TC4900 53钛合金TC4、TC6、TB21250 6镍基合金钴基合金61镍基、钴基耐热合金GH1131、GH2036、K640900 62镍基、钴基耐热合金GH4169、GH21321200 续表3 工件材料分类表类别材 料 分 类牌 号 举 例抗拉强度N/mm2或硬 度HRC、HB7纯铜铜合金71纯铜、低合金铜T2、T3350 72黄铜（短屑）H59、HPb59-1600 73黄铜（长屑）H68、H80600 74青铜（短屑）QSn4-4-2.5600 75青铜（长屑）QSn6.5-0.1、QAl10-4-4700 8纯铝铝合金81纯铝、未淬硬熟铝L4、L6、LD2300 82淬硬熟铝（硬铝）LD5、LD6、LY12600 83铸铝Si10%ZL105、ZL106、10%ZL109600 9合成材料91热固性塑料酚醛塑料、环氧树脂塑料92热塑性塑料有机玻璃、尼龙93纤维增强塑料玻璃纤维、碳素纤维增强塑料（1）影响常用钢材可切削性的因素常用的钢材包括普通碳钢、合金钢和工具钢等，为铁碳合金或在铁碳合金基础上加入其它合金元素的钢材。这类钢材从抗拉强度看覆盖着从小于400N/mm2至1200N/mm2以上的较大范围。其对应的相对加工性kv值为0.53.0（表1）。对这类钢材其抗拉强度值能较好地反映其可切削性，因此凡是影响钢的抗拉强度的因素也是影响其可切削性的主要因素。首先是钢成分中的含碳量和合金元素的含量，一般说来，随含碳量的提高钢的强度提高，其强度还随合金元素的增多和含量的提高而提高，制造工模具的合金工具钢及高强度钢都是三元以上的合金钢，其中个别合金元素有较高的含量，其强度都很高。表3中从分类号1.11.6从上到下越往下含碳量越高，合金元素越多，强度也越高。这一点对于非铁碳合金也适用，如镍基合金Inconel，该合金的元素除镍以外所添加的合金元素多达6个。磷和硫是钢中的有害元素，前者造成钢的“冷脆性”，后者靠造成钢的“热脆性”。通常要尽量减少钢中磷、硫的含量。但磷和硫可改善钢的切削性，因此有含低碳而含高硫或铅等元素的易削钢，有很好的可切削性。在表1中易削钢的kv2.53.0。但易削钢因强度较低只用来制作不太重要的零件。其次，钢的可切削性还与钢的组织有关，钢的性能决定于钢的组织，含碳量和合金元素对强度的影响都可以从组织的差异中得到解释。与含碳量小于0.8%、等于0.8%、大于0.8%相对应分别有亚共析钢、共析钢、过共析钢的组织，即铁素体片状珠光体、片状珠光体、片状珠光体渗碳体。其中，铁素体的强度很低塑性很高，而渗碳体的伸长率及减缩率几乎等于零，但硬度高达HB800，珠光体是铁素体与渗碳体的片状共析组织。铁素体、珠光体、渗碳体这三种金相组织对刀具磨损的作用有显著的不同，铁素体最轻，珠光体次之，渗碳体最不好。此外，钢的性能还与所经受的热处理有关，热处理改变了钢的组织因而改变了钢的性能。作为工件的钢材，既有轧制的状态又有经正火、调质、甚至淬火处理后的状态，形成新的组织，从而使钢的性能发生很大的变化，极大地影响着钢的可切削性。了解工件材料热处理状态及其性能是识别钢材可切削性的重要依据。从表3可见，不同钢材经不同的调质工艺处理以后，其性能就有较大差异。另一方面，也可通过热处理改变钢的组织来改善钢的可切削性，这就是对钢材组织的珠光体进行球化处理。使其中的渗碳体呈球状，材料的变形、滑移变得容易，从而改善了可切削性。表4中列出是同一种钢材不同铁素体、珠光体比例的亚共析钢及经球化处理后或淬火后可切削性指数v30的差别，可切削性随铁素体比例的减少和珠光体比例的增加而变坏，而经球化处理后的v30 要高于未经处理的。图2表示钢的各种组织与刀具寿命的关系。 表4 钢材显微组织与可切削性的关系材料牌号美国钢铁协会(AISI)标准显微组织布氏硬度HBV30(m/min)T1高速钢V30(m/min)(C6硬质合金)抗拉强度(N/mm2)延伸率%102010P，90F1156124534040314075P，25F19027113660263140(硫化处理)75P，25F，硫化物190371653140回火马氏体30221851025163140(硫化处理)回火马氏体+硫化物296324140球状体16647210414065P，35F18030128414090P，10F19229117620274140(硫化处理)90P，10F，硫化物190341224140回火马氏体30021901050164140回火马氏体400151325134140(硫化处理)回火马氏体30027944340球状体206301464340100P22127119693214340回火马氏体30020975214340回火马氏体400181441144340回火马氏体5007.61826114340淬火马氏体5400194311864050P，50F17041128864075P，25F19032113632278640球状体180521528640魏氏体250301288640回火马氏体300231016158640回火马氏体4001852135913864065P，35F，硫化物185401408640回火马氏体+硫化物30032H11回火马氏体3601861H11回火马氏体5105.2 注：P代表珠光体，F代表铁素体 图2 金相组织与vT的关系（2）不锈钢的可切削性不锈钢在化工、食品、医疗、建筑等行业有广泛的应用，其应用量还在不断增加。与前述的具有相同抗拉强度的普通碳钢及常用的合金钢相比，不锈钢因易加工硬化、导热性差、韧性好、易生积屑瘤等特点，而加剧刀具的磨损，是常用钢材中可切削性较差的钢种。因此，衡量不锈钢的可切削性不能简单地依其抗拉强度值。决定不锈钢可切削性较差的主要因素是剧烈的加工硬化。一般状态下不锈钢的强度、硬度都不高 (b=600N/2),而加工硬化可使其大大强化，b高至12001400N/mm2, 0.2达到10001200 N/mm2 。不锈钢由于含碳量及主要合金元素Cr、Ni含量的变化有不同的应用场合和品种，并形成了以不同组织命名的不锈钢，即铁素体不锈钢、奧氏体不锈钢及马氏体不锈钢。其中奧氏体不锈钢的加工硬化现象最严重。切削过程中发生的剧烈的塑性变形既强化了切屑又强化了已加工表面，前者加速对刀具前刀面的磨损，后者则形成对后刀面的强烈磨损，又由于导热性差切削温度高，显现出很差的可切削性。铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的加工硬化现象较奧氏体不锈钢轻，相对可切削性较好。马氏体不锈钢经调质处理后塑性降低，可切削性得到改善。除了常见的这三类不锈钢以外，还有奧氏体铁素体双相不锈钢和析出硬化不锈钢，它们强度高，加工硬化严重，甚至比奧氏体不锈钢更难加工。（3）铸铁的可切削性铸铁是一种十分常见的工件材料，铸铁由于铸造性能好、铸铁中的石墨可以改善切削加工性、并提供润滑、减摩、消振等效果，及对缺口的不敏感性等特点，得到广泛应用。铸铁分灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和白口铁。除白口铁外，其余三种铸铁都有较好的可切削性。但是，铸铁由于塑性和抗拉强度都比较低，切削时产生崩碎的粒状切屑，使切削负荷集中在刀尖附近，形成了与加工钢材不同的短切屑切削机理和加工类型。除白口铁外，其余三种铸铁的组织均为金属的基体及游离的石墨。铸铁的可切削性就决定于金属基体的类别和石墨的形状。首先是石墨的形状。普通的灰铸铁内为片状石墨，石墨本身的强度几乎等于零，片状石墨的存在就像基体组织中布满了裂缝和缺口，片状石墨的两端是应力集中的地方，在拉伸载荷的作用下，片状石墨的两端易成为破裂的源头，而显著降低铸铁的抗拉强度。球墨铸铁的组织内的石墨为球状，石墨对基体产生的应力集中作用明显降低，拉伸强度要比灰铸铁高得多。可锻铸铁的组织内的石墨为雪花状，其作用和影响介于片状石墨和球状石墨之间，可切削性与球墨铸铁相近，可归纳为一类。近年来，德国汽车工业还推出一种蠕虫状石墨的铸铁，代号为GGV，因机械强度高于灰铸铁，用于制造汽缸体可减少壁厚和发动机的重量。在对GGV的可切削性进行深入研究以后，提出了适用的刀具材料、涂层牌号，为GGV的推广应用创造了必要的条件，说明新的工程材料需要有新的加工条件或加工方法相适应。其次是金属的基体。同一种铸铁由于金属基体有铁素体、铁素体珠光体、珠光体之分，从而可以把同一种铸铁，例如灰铸铁，分成铁素体灰铸铁或珠光体灰铸铁，并有不同的可切削性。金属组织的差异还表现为同一类铸铁硬度的不同，珠光体铸铁的硬度高于铁素体铸铁的硬度，并反映在表5的铸铁类别细分中。此外，球墨铸铁还可通过热处理获得不同细化程度的珠光体组织，强化金属的基体，提高机械强度和硬度，可切削性也相应降低。图3是各种铸铁的金相组织。 表5 铸铁的金属组织与机械性能的关系铸铁机械性能灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁铁素体珠光体铁素体珠光体铁素体珠光体抗拉强度极限b（kg/mm2）122025323040407040556080延伸率（%）0.50.2101816101515硬 度（HB）117148220240117190140190127187200285 图3 铸铁的金相组织（4）铜及铜合金的可切削性铜分纯铜、黄铜（铜锌合金）及青铜（铜锡合金），机械强度都不高，都有较好的可切削性。黄铜由于含锌量的不同有相黄铜或相黄铜之分，前者强度较低塑性较好，后者反之。同样地，青铜会由于含锡量的不同引起强度和塑性和变化。青铜多为铸件，因组织中含有硬质的共析夹杂物可切削性比黄铜差一些。两种材料中长屑的又比短屑的略差，总体上都无明显区别。（5）铝及铝合金的可切削性作为切削加工用的铝材分熟铝和生铝。熟铝在加热状态下有较高的塑性，可经压、轧、锻、挤等变形加工成各种型材，其中含有Al、Cu、Mg等元素的合金铝，即所谓硬铝，是铝合金中应用最广、最有代表性的一种合金，可经淬火及时效处理提高强度一倍，因此在表3上与未淬硬或不能淬硬的熟铝分开列出，以示在其可切削性上的差异。生铝是铸铝合金，仅在铸造状态下使用。主要为含硅量较多的硅铝合金，称硅铝明，这种合金有较高的铸造性能与机械性能，在飞机制造、汽车制造中应用较多。与熟铝相比，铸造的二元合金的机械性能较低，但由于在组织中硅的硬质点对刀具产生强烈的磨料磨损，尤其是当含硅量10%时更甚，因此，又以含硅量的多少将铸铝的可切削性分为两类。因为铝合金的强度和硬度都较低，除高硅铝合金外，总体上属易切削材料。（6）钛合金的可切削性钛合金的比重小(4.5)、强度高(b =1000N/mm2),其“比强度”不仅在室温下而且在300400高温下都是最高的合金，加上它的高抗蚀性，是航空航天工业十分重要的工程材料。钛合金由于导热性差、塑性较低，以及在600以上时易与气体发生剧烈的化学作用，使吸收气体的钛层硬度上升等特性，使切屑与前刀面的接触长度小，切削力和切削温度集中在刀尖附近，加剧刀具的磨损与破损，显示出很差的可切削性，属于难加工材料，加工时只能采用较低的切削速度。各种钛合金的可切削性差异与其金相组织有关。根据所加入合金元素及热处理工艺的不同，可生成三种不同金相组织的钛合金，即相钛合金、+相钛合金、相钛合金，并依次划分了钛合金的牌号，如TA7、TC4、TB2，等等，即含字母A的为相钛合金，含字母B的为+相钛合金，含字母C的为相钛合金。相钛合金热强度高，可焊，热加工困难，可切削性较好；相钛合金室温强度高，成形容易，可切削性最差；+相钛合金性能介于两者之间，可通过热加工和热处理在较大范围里调整组织和性能，是应用最广的钛合金，其用量占钛合金的一半，常见的Ti6Al4V就是+相钛合金，其可切削性随热处理工艺而异，可分别归在类或类。（7）镍基、钴基合金可切削性镍基、钴基合金为高温合金，具有高温下的抗氧化性能和承载高的机械载荷的能力，是航空航天工业制造喷气发动机叶片、蜗轮盘等重要零件的材料，可在650800的温度范围内工作，是可切削性很差的工件材料，加工时切削速度很低。造成可切削性差的原因是，这类合金的导热性不好，加工硬化程度严重，切削时与刀具产生强烈的粘结。因此，切削力大，切削温度高，刀具磨损剧烈。在切削高温合金时，要严格控制大多数主要的加工参数，包括刀具材料、刀具几何形状、切削速度、进给量、背吃刀量及切削液等。要保持锋利的刀刃，加工高温合金成为高性能高速钢刀具的重要应用领域；采用低的切削速度、较大的背吃刀量等。美国早在六七十年代就对镍基、钴基合金等宇航材料的切削加工性进行了较系统的研究，并以切削加工数据的形式包含在相应的切削加工手册中，如机械加工切削数据手册，至今仍有很好的参考价值，如图4、5。图4为硬质合金刀具车削时，对应30分钟刀具寿命而推荐的切削速度和进给量，图5为硬质合金端铣刀具铣削时，对应刀具寿命每齿60英寸而推荐的切削速度和进给量。需要指出，决定加工高温合金合理切削条件不只是刀具寿命的长短，还要考虑工件的表面质量，包括低的表面残余应力、没有微观或宏观的裂缝、不改变表层的金相组织等。（8）合成材料的可切削性常见的合成材料为工程塑料，按可切削性分热固性塑料，热塑性塑料和纤维增强型塑料。前两种材料的机械强度不高，较易切削。而纤维增强型塑料是以聚合物为基体掺入玻璃纤维或碳素纤维等增强材料合成的复合材料，此类材料塑性大、导热系数低，切削时，摩擦热大，切削温度高，刀具磨损快，要选用耐磨的刀具材料，如PCD，和较低的切削速度。航空航天工业复合材料应用的比例在不断增加，除了纤维增强型塑料以外，还有金属基复合材料（MMC）、陶瓷基复合材料（CMC）等复合材料，加工时也要选用PCD作刀具材料。三、正确选用刀具刀具是切削加工的主体，是金属切除过程的直接实施者，是切削加工创新技术的载体之一。作为工具的刀具，是生产力的最重要因素之一，其性能的好坏直接关系着切削加工的过程及效果，而且是最活跃的因素。提高切削刀具的性能，不断开发新的刀具，成为推动金属切削技术发展的主要手段，并取得了显著的成绩。随着科学技术尤其是20世纪后半叶高新技术的发展，刀具已成为高科技含量的载体，对推动切削技术的进步和制造业的发展发挥了越来越重要的作用。刀具有不同的类别和众多的品种规格，千差万别的性能。刀具的性能只有在适应具体的被加工工件及切削条件的状况下，才能得到充分的发挥和合理的使用。因此，正确地选用刀具是进行切削加工的前提，关系到切削加工的效率和质量。1 构成刀具切削性能的要素尽管刀具切削性能的好坏取决于众多因素，但是从刀具本身来讲构成刀具切削性能的内在因素是刀具材料、涂层、切削刃几何形状及整体的结构。刀具的性能是这四个因素综合的结果，其中刀具材料是基础，涂层是提高和改善刀具性能的重要配套技术，几何形状赋予刀具材料以切削的功能，刀具结构是实现刀具使用所必需的组成部分，对刀具性能的发挥也起到重要的作用。进一步了解这四个要素有助于刀具的正确使用。2 刀具材料的种类及特性切削加工技术及刀具发展的历史与刀具材料的发展紧密相关。切削技术发展的历史表明，一种新刀具材料的诞生会把切削技术推上一个新的发展阶段，全面提高切削加工的水平，成为切削技术及刀具发展的里程碑。时至今日，熟知的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料(PCD、PCBN)。各种刀具材料的特性如表6所示。其中高速钢和硬质合金是目前主要的刀具材料，用以制作车刀、铣刀、钻头、齿轮刀具、拉刀等各种刀具，能适应对各种工件材料的加工，承担着90%以上的切削工作量。陶瓷和超硬刀具材料尽管各有某种优良性能，可在各自的应用领域发挥独特的优势，但可制作的刀具品种有一定的局限性，目前的使用面远不及高速钢和硬质合金。 表6 各种刀具材料的特性高速钢问世已有100年的历史，至今仍是制造量大面广的标准通用刀具如钻头、立铣刀、丝锥、铰刀、扩孔钻等的主要刀具材料，尤其用于制造精密复杂的齿轮刀具、拉刀、成形刀具等，其它刀具材料尚不能取代。其中的高性能高速钢如钴高速钢(M35、M42等)和粉末冶金高速钢(ASP30等)，由于强度高、韧性好、刃口锋利等特性，仍用于制做航空航天工业部门加工钛合金、耐热合金的刀具材料。随着细颗粒硬质合金材料的开发及整体硬质合金钻头、立铣刀等刀具应用面的扩大，总的趋势是高速钢的用量在逐渐减少。主要高速钢的牌号及用途见附录1。硬质合金的硬度、耐热性、耐磨性比高速钢有大幅度提高，使切削效率得到数倍的提高。硬质合金可适合制作大多数刀具，加工各种工件材料，从而推动了切削加工的全面进步，并随着性能的不断改善，效果日趋显现。用细颗粒、超细颗粒制作的整体硬质合金刀具已可部分取代高速钢刀具，正在成为应用面最广、最主要的刀具材料。在硬质合金发展过程中，因加工不同材料的需要，形成了众多的牌号，每种牌号有其特定的化学成分和切削性能，和适用的被加工材料，因此，正确选用硬质合金牌号是用好硬质合金充分发挥其切削性能的前提。为此，国际标准化组织把硬质合金分为三大类，即P、K、M，对应于我国的分类号分别为YT、YG、YW。P类用于加工长切屑的黑色金属，如各种钢材；K类用于加工短切屑的黑色金属，如铸铁，及有色金属和非金属材料；W类用加工长或短切屑的的黑色金属和有色金属，如不锈钢、耐热合金。随着切削加工的进一步合理化，国际标准化组织在P、K、M类的基础上进一步细分出N、S、H三类。N用于加工有色金属材料，S用于加工钛合金和耐热合金，H用于加工淬硬材料。为便于使用，硬质合金刀具制造厂开发的商品牌号都对应于ISO分类号规定的使用范围，如附录2所示为国内外硬质合金牌号对照表。硬质合金材料还包括TiC(N)(碳氮化钛基)金属陶瓷刀具材料，其硬度和耐磨性尤其是抗粘结、抗月牙洼磨损的能力较强，应用于精加工、半精加工比硬质合金有更高的切削效率。随着零件毛坯精度的提高，毛坯余量的减少，即近净成形(near-net shape)毛坯，金属陶瓷刀具材料将大有用武之地。陶瓷因为硬度、耐磨性及化学稳定性好，被用作刀具材料已有较长的历史，并随着韧性的提高，应用的领域逐步扩大。现代的陶瓷刀具材料不仅可用于车削、还可用于铣削，甚至湿式加工，是高速加工普通灰铸铁、中低速加工冷硬铸铁及淬硬钢的首选材料，也是推广干切削、硬切削的首选材料。常用的陶瓷刀具材料有两类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷，前者包括纯Al2O3和添加TiC或ZrO2的混合陶瓷及添加SiC晶须的增强型陶瓷，使Al2O3基陶瓷的强度和冲击韧性得到提高。80年代开发的Si3N4陶瓷有较高的强度和韧性，提高了陶瓷刀具使用的可靠性，扩大了陶瓷刀的应用领域，成为代替硬质合金刀具在精加工、半精加工领域提高切削效率的有效措施。超硬刀具材料包括金刚石和立方氮化硼，常用的金刚石刀具材料为金刚石复合片(PCD)，有很高的硬度和耐磨性，用于加工高硅铝合金、硬质合金、陶瓷、玻璃、石墨、耐磨合成材料等高硬度、高耐磨的材料有独特的优势，还是高速加工有色金属的最佳刀具材料，在航空航天、军工、汽车等工业部门得到广泛的应用