模块一金属切削原理课题5金属切削条件的合理选择

1、 模块一模块一 金属切削原理金属切削原理知识点知识点l刀具材料刀具材料l刀具几何角度的选择刀具几何角度的选择l切削用量的选择切削用量的选择l切削液选择切削液选择技能点技能点l选择正确的刀具材料选择正确的刀具材料l合理选择刀具几何角度合理选择刀具几何角度l选择合适的切削用量选择合适的切削用量l选择合适的切削液选择合适的切削液课题四课题四 金属切削条件的合理选择金属切削条件的合理选择一一 . 课题分析课题分析 金属切削加工不仅要满足质量要求，而且金属切削加工不仅要满足质量要求，而且还尽可能地体现经济性，所以在切削加工过程还尽可能地体现经济性，所以在切削加工过程中，必须根据工件材料及其加工精度和表面

2、质中，必须根据工件材料及其加工精度和表面质量要求，合理选择刀具材料及刀具几何参数，量要求，合理选择刀具材料及刀具几何参数，合理选择切削用量和切削液。以确保加工顺利合理选择切削用量和切削液。以确保加工顺利的前提下，既保证加工质量，又能提高生产效的前提下，既保证加工质量，又能提高生产效率、降低加工成本。率、降低加工成本。1.1.刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能（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）高的耐热性与化学稳定性）高的耐热性与化学稳定性（4 4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好

3、的工艺性（5 5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。延长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。 ( (一一) )刀具材料的选择刀具材料的选择二二.相关知识相关知识 2. 2. 常用刀具材料常用刀具材料工具钢工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。硬质合金硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。陶瓷陶瓷超硬刀具材料超硬刀具材料 推广使用新型刀具材料如涂层刀具、陶瓷刀具、天然金刚石、聚晶金刚石、立方氮化硼等。 （1 1）碳素工具钢和合金工具钢）碳素工具钢和合

4、金工具钢（2 2）高速钢）高速钢高速钢高速钢（highspeed steelhighspeed steel）是一种加入较多钨、钼、是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。铬、钒等合金元素的高合金钢。热处理后硬度可达热处理后硬度可达62626666HRC, HRC, 抗弯强度约抗弯强度约3.33.3GPaGPa，有较高的热稳定性有较高的热稳定性 、耐磨性、耐磨性 、耐热性。切削温度在、耐热性。切削温度在500500650650C C时仍能进行切削。时仍能进行切削。适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具

5、和拉刀等。铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。按用途可分为：按用途可分为：通用高速钢和高性能高通用高速钢和高性能高速钢。速钢。按制造工艺可分为按制造工艺可分为: : 熔炼高速钢、粉末熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。冶金高速钢和表面涂层高速钢。按基本化学成份可分为按基本化学成份可分为: : 钨系和钼系。钨系和钼系。 1 1）高速钢的分类）高速钢的分类 2 2）常用高速钢的牌号与性能）常用高速钢的牌号与性能v通用型高速钢通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。

6、性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。v高性能高速钢高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达67677070HRCHRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。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。典型牌号有加工材料。典型牌号有M42M42。v粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔

7、融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸适用于制造精密刀具、大尺寸( (滚刀、滚刀、插齿刀插齿刀) )刀具、复杂成形刀具、拉刀等。刀具、复杂成形刀具、拉刀等。硬质合金硬质合金（carbidescarbides）是由高硬度和高熔点的金属碳化物是由高硬度和高熔点的金属碳化物( (碳化钨碳化钨WCWC、碳化钛碳化钛TiCTiC、碳化钽碳化钽TaCTaC、碳化铌碳化铌NbCNbC等等) )和金属和金属粘结剂粘结剂( (CoCo、MoMo、NiNi等等) )用粉末冶金工艺制成。用粉末冶金工艺

8、制成。硬质合金刀具常温硬度为硬质合金刀具常温硬度为89899393HRAHRA，化学稳定性好，热稳化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达定性好，耐磨性好，耐热性达80080010001000C C。硬质合金刀具硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高允许的切削速度比高速钢刀具高5 51010倍倍 。但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。但强度、韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄端铣刀等的刀柄( (刀体刀体) )上使用。上使用。 （3 3）硬质合金）硬质合金钨钴类（

9、钨钴类（WC+CoWC+Co）；）；YG,YG,属属K K类类钨钛钴类（钨钛钴类（WC+TiC+CoWC+TiC+Co）；）；YT,YT,属属P P类类钨钛钽（铌）类硬质合金（钨钛钽（铌）类硬质合金（WC+TiC+TaC+WC+TiC+TaC+（NbCNbC）+Co+Co） :YW:YW，属属M M类类1 1）硬质合金的分类）硬质合金的分类 2 2）常用硬质合金的牌号及其性能）常用硬质合金的牌号及其性能vK (YG)K (YG)（钨钴类）类硬质合金（钨钴类）类硬质合金：有较好的韧性、磨削：有较好的韧性、磨削性、导热性，性、导热性，v适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸适合加工短切屑的

10、金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。铁、铜铝合金、塑料等。v其代号有其代号有K01K01、K10K10、K20K20、K30K30、K40K40等，数字越大，耐等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。磨性越低而韧度越高。v精加工可用精加工可用K01K01；半精加工可用；半精加工可用K10K10，K20K20；粗加工选用；粗加工选用K30K30。vP P类（类（YTYT）（钨钛钴类）硬质合金：）（钨钛钴类）硬质合金：v 以以WCWC为基体为基体, , 添加添加TiCTiC，用用CoCo作粘结剂烧结而成。合金作粘结剂烧结而成。合金中中TiCTiC含量提高，含量提高，CoCo含量就低，其

11、硬度、耐磨性和耐热性进含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工。适合于精加工。v适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。v其代号有其代号有P01P01、P10P10、P20P20、P30P30、P40P40、P50P50等，数字越大，等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。耐磨性越低而韧度越高。v精加工可用精加工可用P01P01；半精加工选用；半精加工选用P10P10、P20P20；粗加工选用；粗加工选用P30P30。 vM M类（类（YWYW）

12、（钨钛钽（铌）类）（钨钛钽（铌）类） ：v在在YT(P)YT(P)类硬质合金中加入类硬质合金中加入TaCTaC或或NbCNbC，可提高抗弯强度、可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。等，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。v适合加工长适合加工长( (短短) )切屑的金属材料切屑的金属材料 ，如钢、铸钢、不锈，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。钢等难切削材料等。v其代号有其代号有M10M10、M20M20、M30M30、M40M40等，数字越大，耐磨性等，数字越大，耐

13、磨性越低而韧度越高。越低而韧度越高。v精加工可用精加工可用M10M10；半精加工可用；半精加工可用M20M20；粗加工选用；粗加工选用M30M30。 （4 4）涂层刀具材料）涂层刀具材料通过气相沉积或其它技术方通过气相沉积或其它技术方法，在韧牲较好的刀具基体法，在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层其韧性。常用的涂层(coated)(coated)材料有材料有TiCTiC、TiNTiN、AlAl2 20 03 3及其复合材料等及其复合材料等, , 涂层

14、涂层厚度随刀具材料不同而异。厚度随刀具材料不同而异。1 1）TiCTiC涂层涂层 硬度高、耐磨性好、硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。小摩擦及刀具磨损。2 2）TiNTiN涂层涂层 在高温时能产生氧化在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低能好，并能有效降低切削温度。切削温度。3 3）TiCTiNTiCTiN复合涂层复合涂层第一层涂第一层涂TiCTiC，与刀与刀具基体粘牢不易脱具基体粘牢不易脱落。第二层涂落。第二层涂TiN,TiN,减少表面层与工件减少表

15、面层与工件间的摩擦。间的摩擦。4 4）TiC-AlTiC-Al2 20 03 3复合涂层复合涂层第一层涂第一层涂TiC, TiC, 与刀具与刀具基体粘牢不易脱落。第基体粘牢不易脱落。第二层涂二层涂AlAl2 20 03 3可使刀具表可使刀具表面具有良好的化学稳定面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。性和抗氧化性能。 目前单涂层刀片已很少应用，大多采用目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiNTiC-TiN复复合涂层或合涂层或TiC-AlTiC-Al2 2O O3 3-TiN-TiN三复合涂层。三复合涂层。（5 5）其它刀具材料）其它刀具材料1 1）陶瓷刀具材料）陶瓷刀具材料 以氧化铝或以氮

16、化硅为基体再添加少量金属，在高以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；结和抗扩散能力强；其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；刃，所以使用范围受到限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。2 2）金刚石刀具材料）金刚石刀具材料

17、 碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。前人工制造出的最坚硬物质。由于硬度极高由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达陶瓷等硬度达65657070HRCHRC的材料。的材料。也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加玻璃等，还可加工有色金属

18、，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。工材料的精加工或超精加工。缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。3 3）立方氮化硼）立方氮化硼立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）是一种人工合成的新型刀具是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁

19、系金属在惰性大，与铁系金属在13001300时不易起化学反应，时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。导热性好，摩擦系数低。因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。加工材料的加工。 应当指出，加工一般材料大量应当指出，加工一般材料大量使用的仍是使用的仍是普通高速钢及硬质合金普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。才考虑选用超硬材料。( (二二) )刀具角度的选

20、择刀具角度的选择1.1.前角前角O （1 1）功用功用O 刀刃锋利刀刃锋利，切屑变形，切屑变形切削力和切削功率切削力和切削功率刀刃和刀尖强度刀刃和刀尖强度，散热体积，散热体积刀具寿命刀具寿命o1Pro2（2 2）选择选择取决于：工件材料、刀取决于：工件材料、刀具材料及加工要求。具材料及加工要求。工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应工件材料强度、硬度较低时，应取较大前角，反之应取较小的前角。取较小的前角。加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，加工塑性材料时，应取较大前角，加工脆性材料时，应取较小的前角。应取较小的前角。刀具材料韧性好（高速钢），取较大前角，反之（硬刀具材料韧性好

21、（高速钢），取较大前角，反之（硬质合金）取较小前角。质合金）取较小前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。粗加工时，取较小前角，精加工时，取较大前角。 o o 2.2.后角后角o （1 1）功用功用后刀面与工件的摩擦后刀面与工件的摩擦后刀面的磨损率后刀面的磨损率（2 2）选择选择取决于：加工要求、工件材料取决于：加工要求、工件材料及工艺系统刚度。及工艺系统刚度。粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工件材料越软、塑性越大，后角越大；工艺系统刚度较差时，适当减小后角；工艺系统刚度较差时，适当减小后角； 3.3.主偏角主

22、偏角r r 和副偏角和副偏角r r （1 1）功用功用K Kr r和和K Kr r 刀刃强度刀刃强度表面粗糙度表面粗糙度背向力背向力F FP P残留面积高度残留面积高度，散热条件，散热条件刀具寿命刀具寿命，工件易变形，工件易变形kr1Krkr2FpFf（2 2）选择选择工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之工艺系统刚性较好时，主偏角取较小值；反之取较大值。取较大值。副偏角大小取决于表面粗糙度（副偏角大小取决于表面粗糙度（5 5 1515) )，粗加，粗加工时取大值，精加工取小值。工时取大值，精加工取小值。4.4.刃倾角刃倾角s s （1 1）功用功用（2 2）选择选择 主要影响刀头的强度、切

23、削分力主要影响刀头的强度、切削分力和切屑的流动方向。和切屑的流动方向。加工一般钢料和铸铁，无冲击时：加工一般钢料和铸铁，无冲击时： 粗车粗车s s 0 05 5 ，精车，精车s s 0 0 +5+5 ； 有冲击时：有冲击时： s s 5 5 1515 ； 特别大时：特别大时： s s 3030 4545 。切削加工高强度钢、冷硬钢时：切削加工高强度钢、冷硬钢时： s s 3030 4545 。( (三三) )刀具耐用度的选择原则刀具耐用度的选择原则复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。度的、单刃的刀具高。

24、对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。锋利状态，刀具耐用度可选得低些。对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得大件加工时，为

25、避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些高些。( (四四) ) 切削用量的选择切削用量的选择1.1.选择切削用量的原则选择切削用量的原则 合理切削用量是指使刀具的切削性能和机合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。削用量。粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量，被吃刀量粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量，被吃刀量等于加工余量。等于加工余量。半精加工时，被吃刀量取为半精加工时，被吃刀量取为0.50.52mm2mm。精加工时，被吃刀

26、量取为精加工时，被吃刀量取为0.10.10.4mm0.4mm（1 1）被吃刀量的选定）被吃刀量的选定2.2.被吃刀量、进给量和切削速度的选定被吃刀量、进给量和切削速度的选定（2 2）进给量的选定）进给量的选定生产实际中多采用查表法确定进给量。生产实际中多采用查表法确定进给量。粗加工时，进给量由机床进给机构强度、刀具强度与粗加工时，进给量由机床进给机构强度、刀具强度与刚性、工件的装夹刚度决定。刚性、工件的装夹刚度决定。精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。（3）切削速度的选定）切削速度的选定 在在ap、f 值选定后，根据合理的刀具耐用度或查表来值

27、选定后，根据合理的刀具耐用度或查表来选定车削速度。选定车削速度。在生产中选择切削速度的一般原则是：在生产中选择切削速度的一般原则是： 1）粗车时，）粗车时， ap、f 较大，故选择较低的较大，故选择较低的v；精车；精车 时，时， ap 、f 均较小，故选择较高的均较小，故选择较高的v。 2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的）工件材料强度、硬度高时，应选较低的v。 3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20 30；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要 降低降低20 30；切削有色金属比切削中碳钢的；切削有色金属比切削

28、中碳钢的 切削速度可提高切削速度可提高100 300；（4 4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。（5 5）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。（6 6）断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，应）断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，应 适当降低切削速度。适当降低切削速度。（7 7）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。动的临界速度。 3.3.粗、精加工选择切削用量的原则粗、精加工选择切削用量的原则 粗加工：粗加工：首先

29、选取尽可能大的被吃刀量；其次根首先选取尽可能大的被吃刀量；其次根据机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的要求，据机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量；最后利用切削用量手册选取选取尽可能大的进给量；最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。或者用公式计算确定切削速度。 精加工：精加工：主要考虑加工质量，常选用较小的背吃主要考虑加工质量，常选用较小的背吃刀量和进给量，较高的切削速度，只有在受到刀具等刀量和进给量，较高的切削速度，只有在受到刀具等工艺条件限制不宜采用高速切削时才选用较低的切削工艺条件限制不宜采用高速切削时才选用较低的切削速度。速度。 ( (五五) ) 切削液选择切削液选择1.1.切削液的作用切削液的作用（1 1）切削液的冷却作用）切削液的冷却作用（2 2）切削液的润滑作用）切削液的润滑作用 使用切削液后，切屑、工件使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。滑，但小于干摩擦。（3