教学单元4-切削条件的合理选择

金属切削加工与刀具教学单元4：切削条件的合理选择本章主要内容刀具材料与选用工件材料的切削加工性切削液刀具几何参数的合理选择切削用量的合理选择任务引入如图所示为加工工件尺寸，工件材料为45钢热轧棒料，抗拉强度为0.637Gpa。工件毛坯直径为60mm，粗车外圆至54mm，Ra12.5μm；半精车外圆至53mm，Ra3.2μm。所选机床为CA6140。粗车和半精车时的刀具材料、刀具几何参数和切削用量该如何选择呢？思考题粗车下列工件材料外圆时，可选择什么刀具材料？1）45钢；2）灰铸铁；3）黄铜；4）铸铝；5）不锈钢；6）钛合金；7）高锰钢；8）高温合金刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金。4.1刀具材料一、刀具材料应具备的性能高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性高的耐热性（红硬性）良好的物理性能稳定的化学性能良好的工艺性经济性二、常用刀具材料种类及选用工具钢：碳素工具钢、合金工具钢和高速钢硬质合金：钨钴类、钨钛钴类、钨钛钽（铌）类超硬刀具材料：陶瓷、金刚石、立方氮化硼1、高速钢高速钢是含有较多的钨、钼、铬、钒的高合金工具钢，又叫“风钢”、“锋钢”、“白钢”高速钢主要应用在复杂刀具及成形刀具制造中普通高速钢常见牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等高性能高速钢用于切削加工不锈钢、耐热钢、高温合金、钛合金及高强度等难加工材料，常见牌号有W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al粉末冶金高速钢适用于制造难加工材料的刀具以及进行强力、断续切削和要求锋利、强度和韧性高的刀具，特别适用于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具涂层高速钢用物理气相沉积的方法在高速钢刀具基体上涂覆一薄层TiN而成的，已在钻头、齿轮刀具、拉刀、丝锥等结构复杂刀具上使用2、硬质合金硬质合金=硬质相（TiC或WC）+

粘结相（Co、Ni、Mo）等，其中Co比较常用主要性能：1)钨钴类硬质合金YG（K类，红色表示）：

WC+Co①常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）②应用：

主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640℃时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。分类2)钨钴钛类硬质合金（YT）（P类，蓝色表示）：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）①常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）②应用：

主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。3）添加稀有金属硬质合金YW1和YW2（国际上为M类，黄色表示）。YW类合金兼具YG、YT类合金的性能，用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金属。用于各种难加工材料的粗加工和断续切削4）碳化钛基硬质合金（YN）金属陶瓷，高速切削加工刀具材料，比普通硬质合金提高20%～50%。在钢的高速切削，特别是对表面粗糙度值要求较低的粗加工和半精加工中，TiC（N）基合金是最好的5）涂层硬质合金涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为5～12μm的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。涂层材料为TiC、TiN（金黄色）、Al2O3（银白色)等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工3、超硬刀具材料1）陶瓷分类：高纯氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷特点：高硬度与耐磨性好，高耐热性，高的化学稳定性，与被加工材料的亲和力小，强度和韧性差，对冲击十分敏感应用：主要用于各种金属材料的精加工和半精加工2）金刚石分类：单晶金刚石刀具、多晶金刚石刀具特点：极高的硬度和耐磨性，很好的导热性和很低的热膨胀系数，刀具的切削刃很锋利，刃面的粗糙度很小，摩擦系数低于其他刀具材料，耐热性差，强度低，脆性大应用：适合于非铁合金的高精度加工，现已广泛应用于制造加工高硬度、高耐磨的机械密封件的精密磨削用砂轮3）立方氮化硼种类：CBN单晶主要用于制作磨料和磨具。

PCBN高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，硬度仅次于金刚石用于制作刀具和其他工具。特点：高的硬度和耐磨性，具有很高的热稳定性、优良的化学稳定性，较好的热导性，较低的摩擦系数应用：是高速切削黑色金属、加工淬硬钢及高温合金等难加工材料较理想的刀具材料ISO将刀具用硬质合金分为六类：P类：切削钢材，蓝色，如钨钛钴类（YT）硬质合金、碳化钛基（YN）类硬质合金K类：切削铸铁，红色，如钨钴类（YG）硬质合金、钨钽（铌）钴类（YA）硬质合金M类：通用型，黄色，如钨钛钽（铌）钴（YW）类硬质合金H类：切削高硬材料，灰色，如CBNS类：切削高温合金、耐热材料，橙色N类：切削非铁金属，绿色，如热压聚晶金刚石三、刀具材料的发展趋势高速钢：在优点的基础上提高硬度硬质合金：细颗粒和超细颗粒涂层刀具：化学和物理涂层陶瓷：提高强度和韧性聚晶金刚石：铝合金、非金属材料、合成材料立方氮化硼：硬切削、干切削、铸铁的精加工小结刀具材料应具备的性能高速钢的特点和应用硬质合金的特点和应用当Kr＞1时，该材料比45钢容易切削；Kr＜1时，则难切削。4.2工件材料切削加工性一、材料切削加工性指标

1.刀具耐用度指标

刀具耐用度为T（min）时，以允许的切削速度vc（m/min）的高低来评定材料的切削加工性。ｖc越高，加工性越好。2.加工材料的性能指标硬度

抗拉强度

伸长率

冲击韧度和热导率影响加工性的物理力学

性能指标主要有材料分级加工性等级3.加工表面粗糙度指标

表面粗糙值小，则加工性好；反之，则加工性差。4.断屑性能指标易断屑，则加工性好；反之，则加工性差。（1）适当调剂钢中化学元素和热处理（2）合理选用刀具材料（3）合理选用切削用量和刀具几何参数（4）采用新的切削加工技术二、改善材料切削加工性的途径三、难加工材料的加工

难加工材料硬度高；高温强度大；含有硬度很高的质点；加工硬化大；导热性差；容易与刀具粘结。加工这类材料时存在以下困难：

1）切削温度很高2）切削力和单位切削压力特别大3）刀具磨损很大高强度钢、超高强度钢、高锰钢、冷硬铸铁

不锈钢、高温合金、钛合金等难加工的金属材料四、难切削材料切削技术的新发展难切削材料切削技术的新发展振动切削低温切削加热切削在惰性气体保护下切削特种加工方法4.3切削液

一、切削液的作用

1、润滑作用运动着的金属表面间，被连续的润滑油膜完全隔开，称为流体润滑。如由于载荷增大，油膜局部被破坏，发生两金属表面间局部接触时，称为边界润滑

2、冷却作用冷却性能的好坏取决于切削液的导热率、比热容、汽化热、流量与流速等。冷却液的上述物理性能的量值愈大，冷却性能就愈好。3、清洗作用4、防锈作用二、切削液中的添加剂油性添加剂、极压添加剂、乳化剂、防锈添加剂及其它添加剂三、切削液的种类及选用四、切削液的使用方法1）浇注法浇注法使用方便，应用广泛，但流速慢、流量小、压力低，较难直接进入刀刃最高温度处，故效果较差。使用时应使切削液尽量接近切削区。当用不同刀具切削时，最好能根据刀具的形状和切削刃的数目，相应地改变浇注口的形式和数目。2）高压冷却法高压冷却法可用于高速钢车刀进行难切削材料的车削，可显著提高刀具耐用度。切削液可用一般乳化液也可用切削油。由于切削液的高速流动，改善了渗透性，易于达到切削区，提高了冷却效果。缺点是飞溅严重，需加护罩。3）喷雾冷却法喷雾冷却法是以0.3～0.6MPa的压缩空气，通过喷雾装置使切削液雾化、喷出，高速喷射到切削区。高速气流带着雾化成微小液滴的切削液，渗透到切削区，在高温下迅速汽化，吸收大量热，从而获得良好的冷却效果。小结工件材料的相对加工性切削液的作用切削液的种类及选用切削液的加注方式思考题说出下列情况下刀具几何参数应具有的特点有哪些？1）锐中求固；2）散热条件良好；3）系统刚性不足；4）抗冲击；5）精加工；6）加工高硬高强度材料4.4刀具几何参数的合理选择一、选择刀具合理几何参数的一般原则在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数，称为刀具的合理几何参数。选择刀具合理几何参数的一般原则：要考虑工件的实际情况要考虑刀具材料性能和刀具结构要注意刀具各几何参数之间的联系要考虑具体的加工条件处理好刀具的锋利性同刀具强度和耐磨性的关系二、前角的选择1.前角的主要功用

增大前角能减小切屑的变形，减少切削力，降低切削温度和动力消耗增大前角能改善切屑对前刀面的摩擦，减少刀具磨损，提高刀具耐用度增大前角能改善加工表面质量，抑制积屑瘤与鳞刺的产生，减少切削振动前角过大，将削弱刃口强度，减少散热体积，影响刀片受力情况，容易造成崩刃2.选择原则

在刀具强度许可的条件下，尽量选用大的前角。但成形刀具应采用较小的前角或零前角以减少刀具刃磨后截面产生误差。工件材料，如图a刀具材料，如图b具体加工条件(a)(b)3.前刀面形式及其选择正前角平面型：适用于精加工刀具、成形刀具或多刃刀具正前角平面带倒棱型：用于粗加工铸锻件或断续切削正前角曲面带倒棱型：用于粗加工和半精加工负前角单面型：适用于后刀面磨损的刀具负前角双面型：适用于前、后刀面同时磨损的刀具4.卷屑槽与切屑控制

(1)切屑的卷曲卷屑槽型式a)全圆弧型；b)直线圆弧型；c)折线型折线型直线圆弧型碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢全圆弧型高塑性金属和重型刀具卷屑槽与切削刃的倾角τ有三种形式:

卷屑槽和切削刃的倾斜角a)外斜式；b)平行式；c)内斜式外斜式：断屑范围广平行式：短盘螺旋状切屑内斜式：背吃刀量较小的半精加工和精加工(2)切屑的折断卷曲的切屑流出时，碰在后刀面或工件上，切屑因受阻而应变增加，当某断面应力超过其强度极限时，切屑就折断，呈短片状，其过程如图所示。

切屑的折断a)开始卷曲；b)再卷曲；c)碰在后刀面；d)折断三、后角1.后角的功用

后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。增大后角能减小摩擦，可以提高已加工表面质量和刀具使用寿命。后角越大，切削刃钝圆半径rε

值越小，切削刃越锋利。增大后角可以延长刀具耐用度。但后角过大，将削弱刃口强度，减少散热体积，磨损反而加剧，导致刀具寿命下降，且易发生颤振。2.选择原则

在不产生较大摩擦条件下，尽量取较小后角。加工性质：粗加工合理后角应小一些，而精加工合理后角要大一些；工件材料：切削脆性材料合理后角要小一些；切削塑性材料宜取较大的合理后角。工艺系统刚度差，为减小系统的振动，合理后角应小一些；有尺寸要求的刀具，重磨后要保证尺寸基本不变，合理后角应选小一些。

副后角αo′的选择，一般αο′=αο，切断刀、切槽刀等例外

四、主偏角及副偏角1.主偏角的功用影响残留面积的高度影响切削层的尺寸和刀尖强度、断屑的效果影响切削分力的分配2.主偏角的选择原则在机床工艺系统刚度足够的情况下，选用较小的主偏角，系统刚性不足时，为减小切削的振动，应选大一些的主偏角；加工强度大、硬度高的材料时，应选小一些的主偏角；粗、半精加工的刀具，对于抗冲击性差的刀具材料（如硬质合金），应选大的主偏角以减小振动；对用于单件小批量生产的刀具，为求一刀多用，一般κr=45°或90°。3.副偏角的选择

副偏角的功用：形成已加工表面选择原则：减小副偏角κr΄，则可以显著减少切削后的残留面积。精加工的副偏角κr΄要比粗加工小，可以采用修光刃。加工硬度、强度高的材料时，可以减小副偏角κr΄。但κr΄太小就会增加副后刀面同已加工表面之间的摩擦，从而可能引起振动。副偏角κr΄的合理数值。一般取κr΄=4°~6°。切断刀、槽铣刀等为了保证刀头强度和重磨后宽度变化较小，只能取很小的副偏角κr΄=1°~2°。

4.过渡刃的选择圆弧过渡刃能减小表面粗糙度，增加刀头强度，改善散热条件；但过大会使Fp增大并影响断屑直线过渡刃主要用于车刀、可转位面铣刀和钻头的粗、半精加工和断续切削修光刃应平直锋利，装刀平行于进给方向，主要用于工艺系统刚性足够的车刀、刨刀和面铣刀的较大进给量半精加工五、刃倾角的功用及其选择

1.功用影响切屑的卷曲和流出的方向：当λs为负值时，切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤；当λs为正值时，切屑则朝着待加工表面流出。影响刀尖强度影响切削刃的锋利性影响各切削分力的比值影响切削过程的平稳性2.刃倾角的选择一般钢材和灰铸铁，粗加工时常取λs=0°～-5°；精加工时，一般取λs=0°～5°。加工有色金属，一般取λs=5°～10°。对有冲击载荷的加工，一般λs=-5°～-15°。当系统刚度不足时，为减小切削力尽量不用负刃倾角。金刚石和立方氮化硼刀具，为提高抗冲击能力，一般取λs=0°～-5°。加工淬硬钢，为提高刀尖的强度，一般取λs=-5°～-12°。4.5切削用量的选择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，获得高生产率和低加工成本的切削用量。粗加工的目的是尽快切除加工余量，应先采用尽可能大的背吃刀量，其次选择大的进给量，最后根据刀具耐用度确定合适的切削速度。精加工首先保证加工精度和表面质量，同时兼顾必要的刀具耐用度和生产效率。首先选取较小的ap和f，最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定vc。一、背吃刀量ap的确定

一般根据加工性质与加工余量确定ap。粗加工(Ra50～12.5μm)时，在机床功率和刀具强度允许情况下，一次走刀应尽可能切除全部余量。在中等功率机床上，ap可达5～10mm；半精加工(Ra6.3～3.2μm)时，ap取为1.5～5mm；精加工(Ra1.6～0.8μm)时，ap取为0.05～1mm粗加工多次走刀：工艺系统刚度低，余量不均匀；余量过大；断续切削应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以预防刀尖过早磨损二、确定进给量f粗加工时，f的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制，一般