机械制造技术基础第三章

1、机械制造技术基础机械制造技术基础宋孝宗宋孝宗兰州理工大学兰州理工大学 机电工程学院机电工程学院邮箱：邮箱：联系电话：联系电话 0931-297386013919179356;三章第三章 金属切削基本条件的合理选择金属切削基本条件的合理选择关键知识点：关键知识点：刀具材料刀具材料 刀具几何参数刀具几何参数 刀具耐用度刀具耐用度 切削用量切削用量 切削液切削液3.1 3.1 刀具材料、类型及结构的合理选择刀具材料、类型及结构的合理选择3.1 刀具材料、类型及结构的合理选择刀具材料、类型及结构的合理选择3.1.13.1.1刀具材料应具备的性能刀具

2、材料应具备的性能 切削加工时切削加工时, ,由于变形与摩擦由于变形与摩擦, ,刀具承受了很大的压力刀具承受了很大的压力与很高的温度。作为刀具材料应满足以下基本要求：与很高的温度。作为刀具材料应满足以下基本要求： (1)(1)高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 (2) (2)足够的强度和韧性足够的强度和韧性 (3)(3)高的耐热性高的耐热性 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。能力。 (4)(4)良好的工艺性良好的工艺性 (5)(5)良好的经济性良好的经济性 3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、

3、特点及适用范围 常用刀具材料：工具钢、高速钢、硬质合金。常用刀具材料：工具钢、高速钢、硬质合金。 工具钢因耐热性差，用于手工或切削速度较低的工具钢因耐热性差，用于手工或切削速度较低的刀具。刀具。1)1)高速钢高速钢 一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。一种加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 特性：特性： 较高的热稳定性较高的热稳定性,切削温度达切削温度达500-650500-650时仍能进行切削；时仍能进行切削； 较高的强度、韧性；较高的硬度和耐磨性较高的强度、韧性；较高的硬度和耐磨性； 良好的工艺性能良好的工艺性能，易磨易磨, ,可锻造。（形状复杂刀具）可锻

4、造。（形状复杂刀具） 高速钢分类高速钢分类： 按化学成分：按化学成分：钨系、钨钼系；钨系、钨钼系； 按用途：按用途：普通高速钢、高性能高速钢普通高速钢、高性能高速钢； 按制造工艺：按制造工艺：熔炼高速钢、粉末冶金高速钢。熔炼高速钢、粉末冶金高速钢。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围(1)(1)普通高速钢普通高速钢 钨钢钨钢 典型牌号典型牌号W18Cr4V(W18Cr4V(简称简称W18)W18) 含量：含量：W18W18、Cr4Cr4、VlVl。 特点：特点：优点：优点： 良好的综合性能良好的综合性能, ,在在600600时其高温硬度为

5、时其高温硬度为HRC48.5HRC48.5； 可以制造各种复杂刀具；可以制造各种复杂刀具； 淬火时过热倾向小淬火时过热倾向小; ; 含钒量小含钒量小, ,磨加工性好磨加工性好; ; 碳化物含量高碳化物含量高, ,塑性变形抗力大塑性变形抗力大; ;缺点：缺点： 碳化物分布不均匀碳化物分布不均匀, ,影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度; ; 强度和韧性显得不够强度和韧性显得不够; ; 热塑性差热塑性差, ,很难用作热成形方法制造的刀具很难用作热成形方法制造的刀具( (如热轧钻头如热轧钻头) )。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种

6、类、特点及适用范围(1)(1)普通高速钢普通高速钢 钨钼钢钨钼钢 ( (将钨钢中的一部分钨以钼代替将钨钢中的一部分钨以钼代替) ) 典型牌号典型牌号W6Mo5Cr4V2(W6Mo5Cr4V2(简称简称M2)M2)。 含量：含量：W6W6、Mo5Mo5、Cr4Cr4、V2V2。特点：特点：优点：优点：碳化物分布细小均匀；碳化物分布细小均匀；具有良好的机械性能具有良好的机械性能, ,抗弯强度比抗弯强度比W18W18高高10101515, ,韧性高韧性高50506060，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好热塑性特别好, ,更适用于制造热轧钻头等更适

7、用于制造热轧钻头等; ;应用广泛。应用广泛。缺点：缺点：磨加工性略差。磨加工性略差。2.高性能高速钢高性能高速钢3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围 高性能高速钢又称高生产率高速钢；是指在通高性能高速钢又称高生产率高速钢；是指在通用型高速钢中增用型高速钢中增 加碳、加碳、 钴或铝等合金元素，钴或铝等合金元素， 使其使其常温硬度可达常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进，耐磨性与热稳定性进一步一步 提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。热钢和高强度钢等难加工材料。 优

8、点：优点： 具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.53倍倍 。 缺点：缺点： 强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。 、粉末冶金高速钢 采用粉末冶金方法（用高压氩气雾化熔融的高速钢采用粉末冶金方法（用高压氩气雾化熔融的高速钢水，得到细小的高速钢粉末，再在热态下进行等静压水，得到细小的高速钢粉末，再在热态下进行等静压处理）制得致密的钢坯，再经锻、轧等热变形而得到处理）制得致密的钢坯，再经锻、轧等热变形而得到的高速钢型材。粉末高速钢的高速钢型材。粉末高速钢组织均匀组织均匀,晶粒细小晶粒细

9、小,消除了消除了熔铸高速钢难以避免的偏析。熔铸高速钢难以避免的偏析。优点：优点： 无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达6970HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高23倍，耐磨倍，耐磨性好。性好。 适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。3.1.2 3.1.2 常

10、用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围表2-9 常用高速钢牌号及其应用范围类别牌 号主 要 用 途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18 Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨

11、性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵 （1）硬质合金组成）硬质合金组成 硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主微米级粉末为主要成分，以钴（要成分，以钴（Co）或镍（）或镍（Ni）、钼（）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。气还原炉中烧

12、结而成的粉末冶金制品。 组成：组成：硬化相硬化相+粘结金属粘结金属。 硬化相：硬化相：过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽；硬过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽；硬度很高，熔点都在度很高，熔点都在2000以上，有的甚至超过以上，有的甚至超过4000。粘结金属：粘结金属：铁族金属，常用的是钴和镍。铁族金属，常用的是钴和镍。 硬质合金用原料粉末粒度在硬质合金用原料粉末粒度在12微米之间，且纯度高。硬化微米之间，且纯度高。硬化相分布在粘结金属组成的网格里，形成一个牢固的整体。相分布在粘结金属组成的网格里，形成一个牢固的整体。 硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量硬质合

13、金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。2硬质合金硬质合金硬度高硬度高（8693HRA，相当于6981HRC）； 热硬性好热硬性好（可达9001000，保持60HRC）； 耐磨性好耐磨性好；硬质合金刀具比高速钢切削速度高硬质合金刀具比高速钢切削速度高47倍，刀具寿命高倍，刀具寿命高580倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高 20150倍。可切削倍。可切削50HRC左

14、右的硬质材料。左右的硬质材料。 缺点：缺点： 硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。持等方法安装在刀体或模具体上使用。（2）硬质合金的性能特点）硬质合金的性能特点3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围国际标准化组织国际标准化组织ISOISO将切削用的硬质合金分为三类：将切削用的硬质合金分为三类： (1)YG(K)(1)YG(K)

15、类，类，即即WCWCCoCo类类硬质合金硬质合金 组成：组成： WCWC和和CoCo。 常用牌号：常用牌号： YG6YG6、YG8YG8、YG3XYG3X、YG6XYG6X， 含钴量分别为：含钴量分别为：6 6、8 8、3 3、6 6。 硬度：硬度：HRA89HRA8991.5,91.5, 抗弯强度：抗弯强度：1.1-1.5GPa(1101.1-1.5GPa(110150kgf/mm150kgf/mm2 2) )。 组织结构组织结构：粗晶粒、中晶粒、细晶粒粗晶粒、中晶粒、细晶粒。细晶粒硬质合金在含钴量。细晶粒硬质合金在含钴量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些相同时比中晶粒的硬度、耐磨性要高些,

16、 ,但抗弯强度、韧性则低些。但抗弯强度、韧性则低些。 特点：特点：韧性、磨削性、导热性较好韧性、磨削性、导热性较好, ,适于加工适于加工产生崩碎切屑、有产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料脆性材料, ,（铸铁、有色金属、不锈钢（铸铁、有色金属、不锈钢等。）等。）2硬质合金硬质合金(2)YT(P)(2)YT(P)类，即类，即WCWCTiCTiCCoCo类硬质合金类硬质合金 组成：组成：WCWC和和CoCo、还含有、还含有5%5%30%30%的的TiCTiC。 牌号：牌号： YT5YT5、YTl4YTl4、YTl5YTl5、YT30YT30， 其中其中TiC

17、TiC的含量分别为：的含量分别为：5%5%、 14%14%、 15%15%、 30% 30% 钴含量分别为：钴含量分别为：10%10%、 8%8%、 6%6%、 4%4% 硬度：硬度：HRA91.5HRA91.592.5,92.5, 抗弯强度抗弯强度: :0.9-1.4GPa(90-140kgf/mm0.9-1.4GPa(90-140kgf/mm2 2) )。 TiCTiC含量提高含量提高,Co,Co含量降低含量降低, ,硬度和耐磨性提高硬度和耐磨性提高, ,但是冲击但是冲击韧性显著降低。韧性显著降低。 特点：特点：较高的硬度和耐磨性较高的硬度和耐磨性, ,抗粘结扩散能力和抗氧化能抗粘结扩散能

18、力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降, ,低温脆性大低温脆性大, ,韧性差。韧性差。适于高速切削钢料适于高速切削钢料, ,不适于加工不锈钢和钛合金。不适于加工不锈钢和钛合金。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围2硬质合金硬质合金(3)YW(M)(3)YW(M)类，即类，即WCWCTiCTiCTaCTaCCoCo类硬质合金类硬质合金 组成：组成：在在YTYT类中加入类中加入TaC(NbC)TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化

19、能力、耐磨性等。强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁既可用于加工铸铁, ,也可加工钢也可加工钢, ,因而又称万能硬质合金。因而又称万能硬质合金。 常用的牌号：常用的牌号：YWlYWl和和YW2YW2。 以上三类的主要成分均为以上三类的主要成分均为WCWC，所以又称，所以又称WCWC基硬质金合基硬质金合3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围2硬质合金硬质合金（4）碳化钛基类（碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号合金代号YN，对应于国标，对应于国标P01类。类。 用于精加工和半精加工，对于大长零件且加

20、工精度较高的用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。（5）超细晶粒硬质合金）超细晶粒硬质合金 由超细晶粒由超细晶粒0.5m的的WC、金属钴、金属钴Co、碳化钒、碳化钒VC和碳化和碳化铬铬Cr3C2组成，既有很高的硬度和耐磨性能，又具有很高的组成，既有很高的硬度和耐磨性能，又具有很高的强度和韧性。强度和韧性。 超细晶粒硬质合金多用于超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高得到较大提高，抗弯强度和冲击

21、韧度也得到提高，已接近高速钢。速钢。 适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。工材料。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围2硬质合金硬质合金表2-10 各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切

22、削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度(1).

23、陶瓷 现在国际上硬质合金产量己达现在国际上硬质合金产量己达20 000- 25 000 t。W、Co、Ta等金属的矿产资源正日益减少，价格上涨。等金属的矿产资源正日益减少，价格上涨。 材料的材料的熔点、硬度熔点、硬度等主要取决于内部微观结构，等主要取决于内部微观结构，即内部质点即内部质点的结合方式和结合力的结合方式和结合力。 有机材料靠较弱的分子结合力。有机材料靠较弱的分子结合力。 金属材料靠金属键结合，它的结合力较分子键强，但较共价金属材料靠金属键结合，它的结合力较分子键强，但较共价键和离子键弱。键和离子键弱。 硬质合金采用金属将硬质合金采用金属将WC等硬质相联系起来等硬质相联系起来.其性能

24、介于金属其性能介于金属键和共价键、离子键之间。键和共价键、离子键之间。 陶瓷材料主要是离子键和共价键结合，其结合力是比较强的陶瓷材料主要是离子键和共价键结合，其结合力是比较强的正负离子间的静电引力或共用电子对。正负离子间的静电引力或共用电子对。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围3其他刀具材料其他刀具材料陶瓷刀具的特点：陶瓷刀具的特点： 1、耐磨性好，可加工传统刀具难以加工的高硬材料；、耐磨性好，可加工传统刀具难以加工的高硬材料； 2、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断

25、续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工； 3、与金属摩擦力小，不易粘刀，不易产生积屑瘤、与金属摩擦力小，不易粘刀，不易产生积屑瘤.可进行高可进行高速切削。所以在条件相同时，工件表而粗糙度比较低。速切削。所以在条件相同时，工件表而粗糙度比较低。 4、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度； 5、耐高温，红硬性好。可在、耐高温，红硬性好。可在1 200下连续切削下连续切削. 可进行高可进行高速切削或实现

26、速切削或实现“以车、铣代磨以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高，切削效率比传统刀具高3-10倍，倍，达到节约工时、电力、机床数达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果；或更高的效果； 6、陶瓷材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，在自然界、陶瓷材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，在自然界含量很丰富，用它代替硬质合金，可节约大量含量很丰富，用它代替硬质合金，可节约大量W、Co、Ta等重等重要的金属。要的金属。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围3其他刀具材料其他刀具材料(2)金刚石刀具金刚石刀具（1）分类：）分类：天然金刚石刀具；人

27、造金刚石刀具；天然金刚石刀具；人造金刚石刀具；（2）优点：）优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的，耐磨性是硬质合金的10100倍；切削刃锋利，能倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工。实现超精密微量加工和镜面加工。（3）缺点：）缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。（4）适用范围：）适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。非金属材料。 金刚石有天然金刚石，聚晶金刚石（PCD），人工合成单晶金刚石，金刚石

28、涂层硬度600010000HV切削速度8000m/min红硬性700800主要用于精密超精密加工领域，在汽车制造业中应用PCD刀具主要切削铝合金材料的发动机汽缸体、汽缸盖、变速箱的壳体、铝合金轮辋、阀体、槽体、侧盖等零件。金刚石车床及其加工照片加工4.5mm陶瓷球金刚石车刀刃口半径(4)(4)立方氮化硼立方氮化硼（CBN） 是六方晶格的氮化硼在高温高压下，经触媒剂作用聚合是六方晶格的氮化硼在高温高压下，经触媒剂作用聚合转化成的高密度的立方晶格单晶体。转化成的高密度的立方晶格单晶体。 特点：特点： 很高的硬度很高的硬度(HV8000(HV80009000)9000)及耐磨性；及耐磨性； 比金刚石

29、高得多的热稳定性比金刚石高得多的热稳定性(1400)(1400)，可用来加工高温合金，可用来加工高温合金; ;化学惰性大化学惰性大, ,与铁族金属直至与铁族金属直至13001300时也不易起化学反应时也不易起化学反应, ,可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁；可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁； 有良好的导热性、较低的摩擦系数。有良好的导热性、较低的摩擦系数。 不仅用于磨具不仅用于磨具, ,也逐渐用于车、镗、铣、铰。也逐渐用于车、镗、铣、铰。 有两种类型：整体聚晶立方氮化硼有两种类型：整体聚晶立方氮化硼, ,能像硬质合金一样焊接能像硬质合金一样焊接, ,并可多次重并可多次重磨磨; ;立方氮化硼复合片立方氮化硼复

30、合片, ,即在硬质合金基体上烧结一层厚度为即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm0.5mm的立方氮化的立方氮化硼而成。硼而成。3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围3其他刀具材料其他刀具材料CBN立方氮化硼（CBN）聚晶立方氮化硼(PCBN)硬度35004500HV红硬性1400 1500切削速度8002000m/min主轴转速800012000r/min主要用于发动机缸体等铸铁类零件和气门阀座等粉末冶金零件的半精和精加工序中。CBN刀具还可用于加工淬硬工件，实现以车代磨。立方氮化硼刀具 涂层刀具基体涂层刀具基体: :高速钢、硬质合金

31、涂层刀具材料涂层刀具材料: :TiN、TiC、TiCN、TiA、AlCrN、金刚石和CBN。 涂层刀具技术涂层刀具技术: :复合涂层，多元涂层，纳米涂层。 涂层方法涂层方法: :CVD与PVD(3)涂层刀具涂层刀具3.1.2 3.1.2 常用刀具材料的种类、特点及适用范围常用刀具材料的种类、特点及适用范围3其他刀具材料其他刀具材料 涂层刀具是在韧性较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高涂层刀具是在韧性较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。的难熔金属化合物而制成。图2-55 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201

32、01800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼 （PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图2-56 刀具材料的耐磨性与断裂韧性 3.1.3 刀具类型及结构的选择刀具类型及结构的选择按用途和加工方法分为按用途和加工方法分为:切刀切刀（包括车刀、刨刀、插刀、镗刀和成形车刀等）、（包括车刀、刨刀、插刀、镗刀和成形车刀等）、

33、孔加工刀具孔加工刀具（如钻头、扩孔钻、铰刀等）、（如钻头、扩孔钻、铰刀等）、拉刀拉刀、铣刀铣刀（柱铣刀、端铣刀、立铣刀、槽铣刀（柱铣刀、端铣刀、立铣刀、槽铣刀锯片铣刀）、锯片铣刀）、螺纹刀具螺纹刀具（如丝锥、板牙和螺纹切头等）（如丝锥、板牙和螺纹切头等）齿轮刀具齿轮刀具、磨具磨具（包括砂轮、砂带和油石等）。（包括砂轮、砂带和油石等）。单刃（单齿）刀具和多刃（多齿）刀具；单刃（单齿）刀具和多刃（多齿）刀具；通用刀具通用刀具（如车、镗刀、孔加工刀具、铣刀和螺纹刀具等）和（如车、镗刀、孔加工刀具、铣刀和螺纹刀具等）和复杂刀复杂刀具具（如拉刀和齿轮刀具）；（如拉刀和齿轮刀具）；定尺寸刀具定尺寸刀具（工

34、件的加工尺寸取决于刀具本身的尺寸，如钻头、扩孔（工件的加工尺寸取决于刀具本身的尺寸，如钻头、扩孔钻和铰刀等）和钻和铰刀等）和非定尺寸刀具非定尺寸刀具（如车刀、刨刀和插刀等）；（如车刀、刨刀和插刀等）；整体式刀具整体式刀具、装配式刀具装配式刀具（如机夹、可转位刀具）和（如机夹、可转位刀具）和复合刀具复合刀具等。等。 3.1.3 刀具类型及结构的选择刀具类型及结构的选择组成：组成： 工作部分工作部分担负切削的部分；担负切削的部分； 夹持部分夹持部分保证刀具有正确的工作位置，并传递保证刀具有正确的工作位置，并传递切削运动和动力的部分。切削运动和动力的部分。 先进的刀具结构能有效地减少换刀和重磨时间，

35、大大提高先进的刀具结构能有效地减少换刀和重磨时间，大大提高切削效率和加工质量切削效率和加工质量. 一般尺寸的高速钢刀具大多做成整体式；大尺寸的高速钢一般尺寸的高速钢刀具大多做成整体式；大尺寸的高速钢刀具则应尽量用装配式结构刀具则应尽量用装配式结构. 硬质合金刀具通常作成焊接装配式结构，并应尽量采用硬质合金刀具通常作成焊接装配式结构，并应尽量采用机夹式、可转位式、积木模块式、成组快换式等新结构。机夹式、可转位式、积木模块式、成组快换式等新结构。 在数控机床和自动线上，为集中工序，常采用各种形式在数控机床和自动线上，为集中工序，常采用各种形式的复合刀具。的复合刀具。 3.2刀具合理几何参数的选择刀

36、具合理几何参数的选择刀具几何参数刀具几何参数刀具角度：刀具角度： 前角、后角、主偏角、刃倾角、副偏角等前角、后角、主偏角、刃倾角、副偏角等切削刃形状：切削刃形状： 直线刃、折线刃、圆弧刃、波形刃、月牙弧刃、刀尖、直线刃、折线刃、圆弧刃、波形刃、月牙弧刃、刀尖、过渡刃等过渡刃等刀面形式：刀面形式： 前刀面上磨出断屑槽、卷屑槽前刀面上磨出断屑槽、卷屑槽3.2.1概述概述“合理合理”几何参数几何参数定义：定义： 在保证已加工表面质量前提下，能获得最在保证已加工表面质量前提下，能获得最高的刀具耐用度，从而能达到提高生产率和高的刀具耐用度，从而能达到提高生产率和降低成本的刀具几何参数。降低成本的刀具几何

37、参数。合理指标合理指标 最高刀具耐用度最高刀具耐用度Tmax3.2.1概述概述选择刀具合理几何参数的原则选择刀具合理几何参数的原则要考虑工件的实际情况要考虑工件的实际情况要考虑刀具材料和刀具结构要考虑刀具材料和刀具结构要考虑具体的加工性质要考虑具体的加工性质要考虑工艺系统的刚度要考虑工艺系统的刚度要注意各个几何参数之间的联系要注意各个几何参数之间的联系要处理好刀具锋利性同强度和耐磨性的要处理好刀具锋利性同强度和耐磨性的关系关系1 1、前角的功用及选择：、前角的功用及选择：（1 1）作用）作用 3.2.23.2.2前角及前面形状的选择前角及前面形状的选择前角前角切削变形切削变形切削力切削力切削热

38、切削热 切削温切削温度度 耐用度耐用度楔角楔角 强度强度 散热体积散热体积 切削温度切削温度 耐用度耐用度过大过大崩刃崩刃不同刀具材料合理前角不同刀具材料合理前角刀具材料韧性较高时，前角可取大些刀具材料韧性较高时，前角可取大些不同工件材料合理前角不同工件材料合理前角加工塑性材料时，应加工塑性材料时，应取较大的前角；加工取较大的前角；加工脆性材料（铸铁）时，脆性材料（铸铁）时，可取较小的前角。可取较小的前角。前角的选择原则前角的选择原则依据工件材料性质选依据工件材料性质选 切削软材料切削软材料选大值选大值 塑性大，塑性大，Lf，前刀面的压力和摩擦力，从而前刀面的压力和摩擦力，从而刀具锋利性刀具锋

39、利性 切削硬材料切削硬材料选小值选小值 Lf ，或为崩碎切屑，切削力集中在刃前区，或为崩碎切屑，切削力集中在刃前区，选小值可选小值可刀刃的强度刀刃的强度前角的选择原则前角的选择原则（续一）（续一）依据刀具材料性质选依据刀具材料性质选 高速钢刀具高速钢刀具选大值选大值 刀具材料强度高韧性好，有一定的抗弯强度刀具材料强度高韧性好，有一定的抗弯强度 硬质合金、陶瓷刀具硬质合金、陶瓷刀具选小值选小值 刀具材料脆性大、怕冲击刀具材料脆性大、怕冲击前角的选择原则前角的选择原则（续二）（续二）依据加工性质选依据加工性质选 粗加工粗加工选小值选小值 精加工精加工选大值选大值 工件表面有硬皮工件表面有硬皮选小值

40、选小值 断续切削断续切削选小值选小值 有冲击，甚至可取负值有冲击，甚至可取负值 连续切削连续切削选大值选大值前角的选择原则前角的选择原则（续三）（续三）依据机床功率和工艺系统刚度选依据机床功率和工艺系统刚度选 刚度好刚度好选小值选小值 刚度差刚度差选大值选大值加工成形表面及展成法加工成形表面及展成法选小值选小值 防止刃形畸变且重磨后廓形变化小防止刃形畸变且重磨后廓形变化小数控机床和自动线用刀数控机床和自动线用刀选小值选小值 考虑刀具的尺寸耐用度及工作的稳定性考虑刀具的尺寸耐用度及工作的稳定性（2 2）、带卷屑槽的前刀面形状）、带卷屑槽的前刀面形状 卷屑槽槽形有直线圆弧形、直线形、全圆弧形三种形

41、式。卷屑槽槽形有直线圆弧形、直线形、全圆弧形三种形式。 直线圆弧形的槽底圆弧半径直线圆弧形的槽底圆弧半径R Rn n和直线形的槽底角对切屑的卷曲变形有直接的影响，和直线形的槽底角对切屑的卷曲变形有直接的影响，较小时，切屑卷曲半径较小、切屑变形大、易折断；但过小时又易使切屑堵塞在槽内，较小时，切屑卷曲半径较小、切屑变形大、易折断；但过小时又易使切屑堵塞在槽内，增大切削力，甚至崩刃。一般条件下，增大切削力，甚至崩刃。一般条件下，常取常取R Rn n(0.4(0.40.7)0.7)n n；槽底角取槽底角取110110130130。 这两种槽形较适于加工碳素钢、这两种槽形较适于加工碳素钢、 合金结构钢

42、、工具钢等，合金结构钢、工具钢等，一般一般o o为为5 51515。 全圆弧形可获得较大的前角，且不致使刃部过于削弱，较适于加工紫铜、不锈钢全圆弧形可获得较大的前角，且不致使刃部过于削弱，较适于加工紫铜、不锈钢等高塑性材料，等高塑性材料，o o可增至可增至25253030。 卷屑槽宽卷屑槽宽WnWn愈小，切屑卷曲半径愈愈小，切屑卷曲半径愈小，切屑愈易折断；小，切屑愈易折断； 但太小，切屑变形但太小，切屑变形很大，易产生小块的飞溅切屑，很大，易产生小块的飞溅切屑， 也不好。也不好。 过大的过大的WnWn不能保证有效地卷屑或折断。不能保证有效地卷屑或折断。一般根据工件材料和切削用量决定，一般根据工

43、件材料和切削用量决定，常常取取WnWn(7(710)f10)f。 3.2.3后角的选择后角的选择有合理的后角有合理的后角opt 后角的数值影响加工表面的质量，刀具耐后角的数值影响加工表面的质量，刀具耐用度和劳动生产率用度和劳动生产率 在一定条件下，总有某一对应着刀具最大在一定条件下，总有某一对应着刀具最大耐用度的后角耐用度的后角opt 为了减少摩擦，锋锐刀刃，希望选用较大的后为了减少摩擦，锋锐刀刃，希望选用较大的后角角 从增强刀刃、改善刀刃散热条件出发，希望选从增强刀刃、改善刀刃散热条件出发，希望选用小后角用小后角 刀具角度之间也互相影响刀具角度之间也互相影响后角的功用后角的功用 影响后刀面与

44、加工表面之间的摩擦影响后刀面与加工表面之间的摩擦与加工表面间摩擦与加工表面间摩擦VBT表面质量表面质量 影响切削刃的锋利性影响切削刃的锋利性 影响刀具的强度影响刀具的强度切削刃和刀头强度切削刃和刀头强度散热体积散热体积影响刀具的寿命影响刀具的寿命NB一定时：一定时：磨损体积磨损体积TVB一定时：一定时：磨损体积磨损体积T后角的选择原则后角的选择原则依据加工性质选依据加工性质选 粗加工粗加工选小值选小值 切削力大，要求切削刃强固切削力大，要求切削刃强固 精加工精加工选大值选大值 有硬皮有硬皮选小值选小值 断续切削断续切削选小值选小值依据工件材料选依据工件材料选 切软材料切软材料选大值选大值 切硬

45、材料切硬材料选小值选小值后角的选择原则后角的选择原则（续）（续）依据工艺系统刚性选依据工艺系统刚性选 刚性差刚性差振动振动大大选小值选小值 刚性好刚性好振动小振动小选大值选大值有尺寸精度要求的刀具有尺寸精度要求的刀具选小值选小值为限制重磨后刀具尺寸的变化为限制重磨后刀具尺寸的变化副后角的选择副后角的选择 车刀的副后角选择原则同后角车刀的副后角选择原则同后角 切断刀、切槽刀、锯片铣刀等因受刀头强度切断刀、切槽刀、锯片铣刀等因受刀头强度的限制，只能选取很小的数值（的限制，只能选取很小的数值（12）不同前角的合理后角不同前角的合理后角o1 o2 o3493.2.4主偏角和副偏角及刀尖形状的选择主偏角

46、和副偏角及刀尖形状的选择影响切削加工残留面积高度影响切削加工残留面积高度 r、r表面质量影响切削层的形状、刀尖强度影响切削层的形状、刀尖强度当ap、f不变时：rhDbD参加切削刃长单位长度上刀刃负荷散热条件改善影响切削三分力大小影响切削三分力大小 r时，FcFpFf影响断屑效果影响断屑效果50主偏角选择原则主偏角选择原则按加工性质选按加工性质选 粗加工和半精加工粗加工和半精加工选大值选大值 有利于减少振动，提高有利于减少振动，提高T，断屑，断屑 精加工精加工选小值选小值 减小表面粗糙度减小表面粗糙度按工件材料选按工件材料选 硬材料硬材料选小值选小值 减轻单位切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，减

47、轻单位切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，提高提高T 软材料软材料选大值选大值51主偏角选择原则主偏角选择原则（续）（续）按工艺系统刚性选按工艺系统刚性选 刚性差刚性差选大值选大值 减小背向力减小背向力Fp，减小振动，减小振动 刚性好刚性好选小值选小值 提高提高T单件、小批生产，希望一把刀具加工出单件、小批生产，希望一把刀具加工出工件所有表面工件所有表面选通用性好的选通用性好的45或或90车刀车刀52副偏角选择原则副偏角选择原则 （1）一般刀具的副偏角，在不引起震动的情况下可）一般刀具的副偏角，在不引起震动的情况下可选取较小的数值，选取较小的数值，510。 （2）精加工刀具副偏角应取得更小一些，

48、必要时可）精加工刀具副偏角应取得更小一些，必要时可磨出一段副偏角为磨出一段副偏角为0的修光刃，修光刃长度应略大的修光刃，修光刃长度应略大于进给量。于进给量。 （3）加工高强度、高硬度材料或断续切削时，取较）加工高强度、高硬度材料或断续切削时，取较小的副偏角（小的副偏角（4-6）以提高刀尖强度。）以提高刀尖强度。 （4）切断刀、锯片刀和槽铣刀等，为了保证刀头强）切断刀、锯片刀和槽铣刀等，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角（1-2）。）。（4）刀尖形状）刀尖形状为了强化刀尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。为了强化刀

49、尖，许多刀具都在刀尖处磨出直线或圆弧形过渡刃。圆弧刀尖的圆弧半径：高速钢圆弧刀尖的圆弧半径：高速钢13mm，硬质合金和陶瓷，硬质合金和陶瓷0.51.5mm，金刚石，金刚石1mm，立方氮化硼，立方氮化硼0.4mm；倒角刀尖：过渡刃偏角约为倒角刀尖：过渡刃偏角约为0.5r，长度约为长度约为0.52mm。543.2.5刃倾角的选择刃倾角的选择功用：功用：控制切屑流出方向（出屑角度）控制切屑流出方向（出屑角度）影响切削刃的锋利性影响切削刃的锋利性影响刀尖强度、刀尖导热和容热条件影响刀尖强度、刀尖导热和容热条件影响切入切出的平稳性影响切入切出的平稳性55刃倾角选择原则刃倾角选择原则依据加工性质选依据加工

50、性质选 粗加工粗加工选小值选小值 精加工精加工选大值选大值 有冲击有冲击选小值选小值依据工件材料选依据工件材料选 切硬材料切硬材料选小值选小值 切软材料切软材料选大值选大值56刃倾角选择原则刃倾角选择原则（续）（续）依据工艺系统刚度选依据工艺系统刚度选 刚性差刚性差选大值选大值 刚性好刚性好选小值选小值依据刀具材料选依据刀具材料选 硬度高硬度高选小值选小值 硬度低硬度低选大值选大值式中：式中： t tm m 工序的切削时间，也称基本工时；工序的切削时间，也称基本工时； t tct ct 换刀一次所消耗的时间，（卸刀、装刀、对刀）；换刀一次所消耗的时间，（卸刀、装刀、对刀）； t totot除换

51、刀时间外的其它辅助时间；除换刀时间外的其它辅助时间； T T刀具寿命；刀具寿命； t tm m/T/T 换刀次数。换刀次数。 以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间为最少来以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间为最少来衡量的。使工序时间最短的刀具耐用度。衡量的。使工序时间最短的刀具耐用度。 以车削为例，单件工序的工时以车削为例，单件工序的工时t tw w为：为：一、最大生产率耐用度3.3 3.3 刀具耐用度的选择刀具耐用度的选择otmctmwtTtttt将上式代入式（3-1），对T求导，并令其为0，可得到最高生产率耐用度为：f，ap选定后，有：0CvTmmp

52、wwpwwpwwmTfaCLdfvaLdfanLt010001000mmATt pctTtmmT 1式中式中 C C 工序成本；工序成本； M M 机时费；机时费； C Ct t 刀具费用；刀具费用； t tm m ，t tctct ，T T 含义同前含义同前 是以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则的刀具耐用度。是以每件产品（或工序）的加工费用最低为原则的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为：仍以车削为例，工序成本为：仍令仍令f f，a ap p为常数，采用相同方法，可得为常数，采用相同方法，可得到到最低成本耐用度最低成本耐用度T Tc c为为tmM刀具费用taMC刀具耐用度 Tc成本 二

53、、最低成本耐用度（经济耐用度）二、最低成本耐用度（经济耐用度）ctctTMctmmT11 1、根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本选择；、根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本选择；2 2、机夹可转位车刀和陶瓷刀具，耐用度可选的低些；、机夹可转位车刀和陶瓷刀具，耐用度可选的低些；3 3、多刀机床、组合机床和自动化机床、自动线上的刀具，、多刀机床、组合机床和自动化机床、自动线上的刀具，耐用度应选的高些；耐用度应选的高些；4 4、对薄弱的关键工序，为了平衡整个生产过程，应选用较、对薄弱的关键工序，为了平衡整个生产过程，应选用较低的耐用度；低的耐用度；5 5、大件精加工时，为了避免在加工同一表面时中途换刀

54、，、大件精加工时，为了避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应选的高些；耐用度应选的高些；6 6、生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便、生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便在换班时换刀。在换班时换刀。 3.4切削用量的选择切削用量的选择 选择合理的切削用量是切削加工中十分重要的环节，切削用量选择合理的切削用量是切削加工中十分重要的环节，切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。选择合理加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。选择合理

55、切削用量时，必须考虑加工性质。切削用量时，必须考虑加工性质。 合理的切削用量是指在保证加工质量的前提合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，充分利用刀具切削性能和机床性能，获得高下，充分利用刀具切削性能和机床性能，获得高生产率和低加工成本的切削用量。生产率和低加工成本的切削用量。粗加工时的切削用量选择的基本原则粗加工时的切削用量选择的基本原则 A0dwLh/1000高生产效率是追求的基本目标。高生产效率是追求的基本目标。提高提高vc、增大、增大f和和ap，都能提高生产率，都能提高生产率 。切削用量三要素对刀具寿命的影响程度不同，由大到小影响次序是：切削用量三要素对刀具寿命的影响程度不同，由大

56、到小影响次序是：vc、f、ap。为保持已确定的刀具寿命，若提高其中一要素，则必须相应地。为保持已确定的刀具寿命，若提高其中一要素，则必须相应地降低另外两要素。降低另外两要素。(min)1000pwpsmahfLvdahfnLt基本工时基本工时zspafCTyxcT刀具耐用度刀具耐用度3.4.1切削用量选择的基本原则切削用量选择的基本原则 首先保证加工精度和表面质量，同时兼顾必要首先保证加工精度和表面质量，同时兼顾必要的使用寿命和生产效率。的使用寿命和生产效率。 先选取较小的先选取较小的ap和和f，其中：其中： ap根据加工余量来定；根据加工余量来定； f根据表面粗糙度来定；根据表面粗糙度来定；

57、 最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定vc。精加工时的切削用量选择的基本原则精加工时的切削用量选择的基本原则 （1）.背吃刀量背吃刀量ap的确定的确定 一般根据加工性质与加工余量确定一般根据加工性质与加工余量确定ap。切削加工一般分。切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。为粗加工、半精加工和精加工。粗加工粗加工(表面粗糙度表面粗糙度Ra5012.5)时，在机床功率和刀具时，在机床功率和刀具强度允许情况下，强度允许情况下，一次走刀应尽可能切除全部余量一次走刀应尽可能切除全部余量。在。在中等功率机床上，背吃刀量可达中等功率机床上，背吃刀量可达81

58、0mm。半精加工半精加工(表面粗糙度表面粗糙度Ra6.33.2)时，背吃刀量取为时，背吃刀量取为0.52mm。精加工精加工(表面粗糙度表面粗糙度Ra1.60.8)时。背吃刀量取为时。背吃刀量取为0.10.4mm。3.4.2切削用量三要素的确定切削用量三要素的确定 补充粗车多次走刀的情况：补充粗车多次走刀的情况：1.工艺系统刚度低，余量不均匀工艺系统刚度低，余量不均匀2.余量过大余量过大3.断续切削断续切削结论：结论： 第一次走刀和头几次要尽可能大；若只有第一次走刀和头几次要尽可能大；若只有2次走刀，则第一次是总次走刀，则第一次是总共的三分之二到四分之三。共的三分之二到四分之三。 粗车铸、锻件毛

59、坯时，因工件表面有硬皮，为保护刀尖，应先车端粗车铸、锻件毛坯时，因工件表面有硬皮，为保护刀尖，应先车端面或倒角，第一次切深应大于硬皮厚度以预防刀尖过早磨损。若工件夹面或倒角，第一次切深应大于硬皮厚度以预防刀尖过早磨损。若工件夹持的长度较短或表面凸不平，切削用量则不宜过大。持的长度较短或表面凸不平，切削用量则不宜过大。 粗车应留有粗车应留有0.51mm作为精车余量。粗车后的精度为作为精车余量。粗车后的精度为IT14-IT11,表面粗糙度表面粗糙度Ra值一般为值一般为12.56.3m。 （1）.背吃刀量背吃刀量ap的确定的确定 粗加工时粗加工时，工件表面质量要求不高，但切削力往往很，工件表面质量要

60、求不高，但切削力往往很大，合理进给量的大小主要受大，合理进给量的大小主要受机床进给机构强度、刀具的机床进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。粗车时进给粗车时进给量要根据工件材料，刀杆尺寸，工件直径与选定的切削深量要根据工件材料，刀杆尺寸，工件直径与选定的切削深度进行选择，一般度进行选择，一般f=0.30.6mm/r。 半精加工和精加工时，合理进给量的大小则主要受工半精加工和精加工时，合理进给量的大小则主要受工件加工精度和表面粗糙度的限制。件加工精度和表面粗糙度的限制。根据预先估计的切削速根据预先估计的切削速度与刀尖圆弧半径进行选择，