制造工藝裝備課件

第一講刀具材料及切削機理第一講1一、刀具材料金屬切削過程除了要求刀具具有適當?shù)膸缀螀?shù)外，還要求刀具材料對工件要有良好的切削性能。在金屬切削加工中，刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量，刀具消耗和加工成本。正確選擇刀具材料是設(shè)計和選用刀具的重要內(nèi)容之一，特別是對某些難加工材料的切削來講刀具材料的選用顯得尤為重要。

一、刀具材料2（一）刀具材料應(yīng)具備的基本性能刀具切削部分是在高溫、高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下工作的。因此，刀具材料應(yīng)具備以下基本性能。1.硬度高

硬度是指材料抵抗其他物體壓入其表面的能力。刀具材料的硬度必須更高于被加工材料的硬度，一般高于一倍至幾倍，否則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形狀。目前，切削性能最差的刀具材料～碳素工具鋼，其硬度在室溫條件下也應(yīng)在62HRC以上；高速鋼的硬度為63～70HRC。（一）刀具材料應(yīng)具備的基本性能刀具切削部分是在高3刀具切削部分的材料在切削時要承受很大的切削力和沖擊力。例如，車削45鋼時，當ap=4mm，f=0.5mm/r時，刀片要承受約4000N的切削力。因此，刀具材料必須要有足夠的強度和韌性。一般用刀具材料的抗彎強度σb

(單位為Pa—N／m。)表示它的強度大小。用沖擊韌度αk(單位為J／m。)表示其韌性的大小，它反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力。2.足夠的強度和韌性刀具切削部分的材料在切削時要承受很大的切削力和4刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。一般說，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關(guān)系。其耐熱性通常用它在高溫下保持較高硬度的性能即高溫硬度來衡量，或叫熱硬性。

高溫硬度越高，表示耐熱性越好，刀具材料在高溫時抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強。

耐熱性差的刀具材料，由于高溫下硬度顯著下降而會很快磨損乃至發(fā)生塑性變形，喪失其切削能力。

3.耐磨性和耐熱性好刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。3.耐磨5刀具材料的導熱性用熱導率[單位為w／（m·K)]來表示。

熱導率大，表示導熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量容易傳導出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。此外，導熱性好的刀具材料其耐熱沖擊和抗熱裂的性能增強，這種性能對采用脆性刀具材料進行斷續(xù)切削，特別在加工導熱性能差的工件時尤為重要。4.導熱性好刀具材料的導熱性用熱導率[單位為w／（m·K)]6為了便于制造、要求刀具材料有較好的可加工性，如熱塑性（鍛壓成形）、焊接工藝性、切削加工性和熱處理工藝性等。5.工藝性好6.經(jīng)濟性好

經(jīng)濟性是評價新型刀具材料的重要指標之一，也是正確選用刀具材料、降低產(chǎn)品成本的主要依據(jù)之一。為了便于制造、要求刀具材料有較好的可加工性，如熱7（二）刀具材料的分類刀具材料可分為工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料五大類。其主要力學物理性能見表2-1。但目前應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。據(jù)統(tǒng)計，我國目前高速鋼用量約占刀具的60％以上，硬質(zhì)合金的用量約占30％以上，隨著難加工材料應(yīng)用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增長。（二）刀具材料的分類刀具材料可分為工具鋼、8返回返回91.碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含碳量為0.7％～1.2％。如T10A等)，淬火后硬度較高、價廉，但耐熱性較差(表2—2)。

1）常用牌號：T7A、T8A……T13A等。

2）主要性能：

淬火后硬度較高，可達HRC61～65；紅硬性為200℃～250℃，不耐高溫；

價格低廉，切削速度因此而不能提高，允許切削速度VC≤10m/min。

3）應(yīng)用：只能制作低速手用刀具，如板牙、鋸條、銼等。

1.碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含10制造工藝裝備課件112.合金工具鋼在碳素工具鋼中加入少量的Cr、w、Mn、Si等元素，形成合金工具鋼(如9SiCr等)，可適當減少熱處理變形和提高耐熱性(表2—2)。

1）主要牌號：9SiCrCrWMn2）主要性能：淬火后的硬度可達HRC61～65；紅硬性為300℃～400℃；允許切削速度Vc=10～15m/min；

3）應(yīng)用：制作低速、形狀比較復(fù)雜、要求淬火后變形小的刀具。如板牙、拉刀、手用鉸刀（孔的精加工）等。2.合金工具鋼122-22-2133.高速鋼高速鋼是一種含鎢(w)、鉬(Mo)、鉻(cr)、釩(V)等合金元素較多的合金工具鋼。1）組成：以重量計：

碳的質(zhì)量分數(shù)為0.7%～1．5％；

鉻的質(zhì)量分數(shù)約為4%；

鎢的質(zhì)量分數(shù)和鉬的質(zhì)量分數(shù)為10％～20%；

釩的質(zhì)量分數(shù)為1％～5％。由于合金元素與碳化合形成較多的高硬度碳化物，如碳化釩，硬度高達2800HV，且晶粒細小，分布均勻。而且合金元素和碳原子結(jié)合力很強，提高了馬氏體受熱時的穩(wěn)定性。3.高速鋼高速鋼是一種含鎢(w)、鉬(Mo)、鉻142）高速鋼的特點（1）高速鋼具有較高的硬度（熱處理硬度可達HRC62～67）和耐熱性（切削溫度可達550～600°C），與碳素工具鋼和合金工具鋼相比切削速度可提高1～3倍，故得名“高速鋼”，提高耐用度10～40倍。

鉻在鋼中提高了淬透性，使小型刀具在空氣中冷卻就能淬硬，且能刃磨得鋒利，故高速鋼又有“風鋼”或“鋒鋼”之稱。可加工包括有色金屬、高溫合金在內(nèi)的范圍廣泛的材料。2）高速鋼的特點15(2)高速鋼具有高的強度(抗彎強度為一般硬質(zhì)合金的2～3倍，為陶瓷的5～6倍)和韌性，抗沖擊振動的能力較強，適宜制造各類刀具。(3)高速鋼刀具制造工藝簡單，能鍛造，容易磨出鋒利的刀刃，因此在復(fù)雜刀具(鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等)的制造中，高速鋼占有重要的地位。(2)高速鋼具有高的強度(抗彎強度為一般硬質(zhì)合金的2～3倍16制造工藝裝備課件173)高速鋼分類：(1）按用途不同，可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；(2）按制造工藝方法不同，可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。通用型高速鋼鎢系高速鋼鎢鉬系高速鋼3)高速鋼分類：通用型高速鋼鎢系高速鋼鎢鉬系高速鋼184)鎢系高速鋼其代表是W18Cr4V(簡稱w18)是我國最常用的一種高速鋼。由于含釩量較少，磨削性能好，其刃口容易磨得鋒利平直，綜合性能好，通用性強。常溫硬度可達63～66HRC，在600℃高溫時能保持的硬度48.5HRC左右。特別是熱處理工藝性好，淬火時過熱傾向小，抵抗塑性變形能力強?？捎糜诰庸さ膹?fù)雜刀具，如螺紋車刀，成形車刀，寬刃精刨刀、拉刀、齒輪刀具等。4)鎢系高速鋼其代表是W18Cr4V(簡稱19制造工藝裝備課件20

鍵槽銑刀立銑刀

鍵槽銑刀21

三面刃銑刀角度銑刀鋸片銑刀

三面刃銑刀角度銑刀鋸片銑22

圓柱銑刀端銑刀硬質(zhì)合金銑刀

圓柱銑刀端銑刀23

盤形齒輪銑刀幾何參數(shù)

盤形齒輪銑刀幾何參數(shù)24

齒輪滾刀的工作原理

齒輪滾刀的工作原理25

阿基米德齒輪滾刀的幾何參數(shù)

阿基米德齒輪滾刀的幾何參數(shù)26

套裝式端面鍵式

帶柄式套裝式端面鍵式帶柄式27

插齒刀工作原理

插齒刀工作原理28盤形剃齒刀工作原理

盤形剃齒刀工作原理29W18鋼的缺點是碳化物分布常不均勻，剩余碳化物顆粒較大。如鍛造不均，則會影響薄刃刀具的壽命、制造較大截面刀具時，強度顯得不夠(抗彎強度僅為2～2.3GPa)，只有在制造小截面刀具時，才獲得滿意的強度(3～3.4GPa)。此外，W18鋼熱塑性較差，不適合作熱軋刀具。W18鋼的缺點是碳化物分布常不均勻，剩余碳化物顆粒305)鎢鉬系高速鋼

W6M05Cr4V2(簡稱M2)是我國常用的典型鎢鉬系高速鋼種。用1%的鉬可代替2％的鎢，鉬的加入使鋼中合金元素減少，從而減小了碳化物數(shù)量及其分布的不均勻性，細化了晶粒。與W18鋼相比，M2鋼抗彎強度提高約17％，沖擊韌度提高約40%以上，而且大截面刀具也具有同樣的強度和韌性，可用于制造截面較大的刀具，或承受較大沖擊力的刀具(如插齒刀)以及結(jié)構(gòu)較薄弱的刀具(如麻花鉆、絲錐等)。5)鎢鉬系高速鋼W6M05Cr4V2(簡稱M231M2鋼的熱塑性很好，磨削加工性能好，特別適用于制造軋制或扭制鉆頭等熱成形刀具，是目前各國使用較多的一種高速鋼。M2鋼的缺點是熱硬性和高溫硬度略低于W18鋼，故高溫切削性能稍遜。此外，熱處理時脫碳傾向大，較易氧化，淬火溫度范圍較窄。M2鋼的熱塑性很好，磨削加工性能好，特別適用于制32高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本化學成分和添加一些其他合金元素(如釩、鈷、鉛、硅、鈮等)的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的。主要用來加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金和超高強度鋼等難加工材料，這類高速鋼的不同牌號只有在各自的規(guī)定切削條件下使用才能達到良好的切削性能。6)高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本33(1)常用牌號:高碳高速鋼:9W18Cr4V(9W18),9W6Mo5Cr4V2(CM2)。其碳的質(zhì)量分數(shù)從普通高速鋼的0.7％～0.8％增加到0.9％～l.0%，使常溫硬度提高到66～68HRC，600°c時高溫硬度提高到51～52HRC。適用于耐磨性要求高的鉸刀、锪鉆，絲錐以及加工較硬材料(220～250HBS)的刀具。(1)常用牌號:34(2)含鋁高速鋼

鋁高速鋼W6M05cr4V2A1(簡稱501)和W10M04Cr4V3Al(簡稱5F一6)是我國獨創(chuàng)的新鋼種，這種鋼常溫硬度為67～69HRC，600°C高溫時硬度為54～55HRc，切削性能相當于鈷高速鋼M42，刀具壽命比W18cr4V顯著提高(至少1～2倍)，而價格卻相差不多，用這種鋼做的齒輪滾刀允許l67m／s的切削速度。(2)含鋁高速鋼35(3)鈷高速鋼M42(W2MO9Cr4VCO8)和W10MO4Cr4V3CO10高速鋼中加入鈷可提高鋼的熱穩(wěn)定性，促進回火時碳化物的析出，增加彌散硬化效果，提高回火硬度。從而提高常溫和高溫硬度及抗氧化能力。由于鈷的熱導率較高，加入鈷可以改善高速鋼的導熱性，并降低摩擦因數(shù)，從而提高切削速度。(3)鈷高速鋼36（4）高釩高速鋼

W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo高釩高速鋼質(zhì)量分數(shù)在3％～5％，由于形成大量高硬度耐磨的碳化釩彌散在鋼中，提高了高速鋼的耐磨性，且能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性。（4）高釩高速鋼37制造工藝裝備課件38制造工藝裝備課件39制造工藝裝備課件40制造工藝裝備課件417）粉末冶金高速鋼是20世紀70年代開發(fā)的新型刀具材料，其工藝方法是用高壓惰性氣體（氬氣或氮氣）或高壓霧化高速鋼得到細小的高速鋼粉末，再經(jīng)熱壓制成刀具毛坯。與熔煉高速鋼相比具有以下優(yōu)點：7）粉末冶金高速鋼是20世紀70年代開發(fā)的新42（1）能解決碳化物偏析普通熔煉高速鋼在鑄錠時會產(chǎn)生粗大碳化物共晶偏析，碳化物晶粒尺寸大到80~20μm。而粉末冶金高速鋼碳化物晶粒為2~5μm，且無碳化物偏析，從而提高了鋼的強度、韌性和硬度，其硬度可達69~70HRC。（2）能保證各向同性由于粉末冶金的工藝特點，保證了粉末冶金高速鋼的各向同性，從而減小了熱處理內(nèi)應(yīng)力和變形，適合制造各種精密和復(fù)雜刀具。（1）能解決碳化物偏析（2）能保證各向同性43（3）磨削加工性好

釩的質(zhì)量分數(shù)5％的粉末冶金高速鋼的磨削加工性，相當于釩的質(zhì)量分數(shù)為2％的普通高速鋼。磨削效率比熔煉高速鋼高2～3倍，表面粗糙度值顯著減小。

（4）能制造超硬高速鋼粉末冶金高速鋼新工藝，為在現(xiàn)有高速鋼中加入高碳化物(TiC和NbC)和制造超硬高速鋼新材料提供了可能性。（3）磨削加工性好（4）能制造超硬高速鋼44

（5）能節(jié)約鋼材和工時用粉末冶金直接壓制刀坯時，可大大減小加工余量、節(jié)約鋼材和工時。（5）能節(jié)約鋼材和工時453.硬質(zhì)合金硬質(zhì)臺金是用高耐熱性和高耐磨性的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC，碳化鈮NbC等)與金屬粘結(jié)劑(鈷、鎳、鉬等)在高溫下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。

硬度為HRA89～93，能耐850～1000℃的高溫，具有良好的耐磨性，允許使用的切削速度可達100～300m／min，可加工包括淬硬鋼在內(nèi)的多種材料，因此獲得廣泛應(yīng)用。但是，硬質(zhì)臺金的抗彎強度低，沖擊韌性差，刃口不鋒利，較難加工，不易做成形狀較復(fù)雜的整體刀具，因此目前還不能完全取代高速鋼。常用的硬質(zhì)臺金有鎢鈷類（YG類)、鎢鈦鈷類(YT類)和通用硬質(zhì)合金(YW類)三類。3.硬質(zhì)合46硬質(zhì)合金牌號的表示方法YG6X硬的漢語拼音第一個字母G6——鎢鈷類合金及鈷含量.T15——鎢鈷鈦類合金及TiC含量.W——鎢鈷鈦T鉭類合金。N——鎢鈦鎳鉬合金附加字母分別表示X——細晶粒C——粗晶粒N——加鈮元素A——加鉭元素硬質(zhì)合金牌號的表示方法YG6X硬的漢語拼音第一個字母G6——471）鎢鈷類（YG）

YG類硬質(zhì)合金主要由碳化鎢（WC）和鈷（Co）組成，常用的牌號有YG3、YG6、YG8等。

YG類硬質(zhì)合金的抗彎強度和沖擊韌性較好，不易崩刃，很適宜切削切屑呈崩碎狀的鑄鐵等脆性材料。

YG類硬質(zhì)合金的刃磨性較好，刃口可以磨得較鋒利，故切削有色金屬等合金的效果也較好。由于YG類硬質(zhì)合金的耐熱性和耐磨性較差，因此一般不用于普通鋼材的切削加工。但它的韌性好，導熱系數(shù)較大，可以用來加工不銹鋼和高溫合金鋼等難加工材料。1）鎢鈷類（YG）YG類硬質(zhì)合金主要由碳化鎢（W482）鎢鈦鈷類(YT類)YT類硬質(zhì)合金主要由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成，常用的牌號有YT5、YTl5、YT30等。它里面加入了碳化鈦后，增加了硬質(zhì)合金的硬度、耐熱性、抗粘接性和抗氧化能力。但由于YT類硬質(zhì)合金的抗彎強度和沖擊韌性較差，故主要用于切削切屑一般呈帶狀的普通碳鋼及合金鋼等塑性材料。2）鎢鈦鈷類(YT類)YT類硬質(zhì)合金主要由碳493）通用硬質(zhì)臺金(YW類)

鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金(YW類)它是在普通硬質(zhì)合金中加入了少量的稀有高熔點金屬碳化鉭（TaC)或碳化鈮(NbC)，能阻止WC晶粒在燒結(jié)過程中長大，起到細化晶粒的作用。從而提高了硬質(zhì)合金的韌性和耐熱性，使其具有較好的綜合切削性能。YW硬質(zhì)合金主要用于不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼的加工，也適用于普通碳鋼和鑄鐵的加工，因此被稱為通用型硬質(zhì)合金，常用的牌號有YWl、YW2等。3）通用硬質(zhì)臺金(YW類)鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)50不同硬質(zhì)合金牌號的性能和應(yīng)用范圍見表2—3。2-3不同硬質(zhì)合金牌號的性能和應(yīng)用范圍見表2—3。2-351TiC62%TiC62%52涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，采用化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)的工藝方法，涂覆一薄層(約5～12um)高硬度、耐磨性高、難熔金屬化合物(TlC、TiN、AL2O3等)而獲得的。這樣，可使刀片既保持了普通硬質(zhì)合金基體的強度和韌性，又使表面有更高的硬度(可達1500～3000HV)和耐磨性。更小的摩擦因數(shù)和高的耐熱性(達800～1200℃)。實踐證明，涂層刀片在高速切削鋼件和鑄鐵時能獲得良好效果，比未涂層刀片的刀具壽命提高1～3倍，高者可達5～10倍。此外，涂層刀片通用性好，一種涂層刀片可代替幾種未涂層刀片使用，大大簡化了刀具管理和降低了刀具成本，獲得較好的經(jīng)濟效益。4.涂層刀具和其他刀具材料1）涂層刀具涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體53

碳化鈦的硬度比氮化鈦高，抗磨損性能好，對于會產(chǎn)生劇烈磨損的刀具，碳化鈦涂層較好。

氮化鈦與金屬的親和力小，潤滑性能好，在容易產(chǎn)生粘結(jié)的條件下，氮化鈦涂層較好。在高速切削產(chǎn)生大量熱量的場合，以采用氧化鋁涂層為好，因為氧化鋁在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性能。碳化鈦的硬度比氮化鈦高，抗磨損性能好，對于會產(chǎn)生劇54由表2-3可以看出，由于碳化物的硬度和熔點比粘接劑高得多，因此在硬質(zhì)合金中，如果碳化物所占比例大，則硬質(zhì)合金的硬度就高，耐磨性也好；反之，若鈷、鎳等金屬粘結(jié)劑的含量多，則硬質(zhì)合金的硬度降低，而抗彎強度和沖擊韌性就有所提高。硬質(zhì)合金的性能還與其晶粒大小有關(guān)。當粘結(jié)劑的含量一定時，碳化物的晶粒越細，則硬質(zhì)合金的硬度越高，而抗彎強度和沖擊韌性降低；反之，則硬質(zhì)合金的硬度降低，而抗彎強度和沖擊韌性就會有所提高。由表2-3可以看出，由于碳化物的硬度和熔點比55陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點都很高的Al2O3。、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑，經(jīng)壓制成形后燒結(jié)而成的一種刀具材料。硬度可達到HRA91～95，在1200℃的切削溫度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化學惰性大，摩擦系數(shù)小，耐磨性好，加工鋼件時的壽命為硬質(zhì)合金的10～12倍。最大缺點是脆性大，抗彎強度和沖擊韌性低。因此它主要用于半精加工和精加工高硬度、高強度鋼和冷硬鑄鐵等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化鋁陶瓷，復(fù)合氧化鋁陶瓷以及復(fù)合氧化硅陶瓷等。2）陶瓷材料陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點都很高的Al256制造工藝裝備課件573）超硬材料（1）人造金剛石金剛石是碳的同素異構(gòu)體，分天然金剛石和人造金剛石兩種。人造金剛石是在高溫(約2000°C)、高壓(5～9GPa)和金屬觸媒作用的條件下，由石墨轉(zhuǎn)化而成的。金剛石刀具的性能特點是：①有極高的硬度和耐磨性人造金剛石的硬度高達10000HV，比硬質(zhì)合金的硬度(1300～1800HV)和陶瓷的硬度高幾倍，是世界已發(fā)現(xiàn)的最硬材料。人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的60～80倍。3）超硬材料（1）人造金剛石①有極高的硬度和耐磨性58②有鋒利的切削刃

人造金剛石的切削刃鈍圓半徑很小，能進行超精密微量切削，使已加工表面冷硬層很小，尺寸精度和幾何形狀精度可達到3～1μm，表面粗糙度值可達到Ra0.02～0.06μm），可實現(xiàn)鏡面加工。③有很高的導熱性

人造金剛石有較低的線膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)。其熱導率約為硬質(zhì)臺金的2～7倍，陶瓷的7～36倍，而熱膨脹系數(shù)只有硬質(zhì)臺金的1/1l和陶瓷的1／8。固此，切削熱變形小，尺寸精度穩(wěn)定。②有鋒利的切削刃③有很高的導熱性59④耐熱性較差

人造金剛石的溫度超過800°C時就會碳化而失去切削能力；且與鐵有較強的化學親和力。高溫時金剛石中的碳元素會很快擴散到鐵中去，而使刃口“破裂”。因此，金剛石刀具一般不適于加工鐵系金屬。

⑤強度很低

人造金剛石脆性大，抗沖擊能力差，對振動很敏感，要求機床精度高、平穩(wěn)性好，且只適于切削層面積不大的精細加工。④耐熱性較差⑤強度很低60⑥使用場合：人造金剛石主要用于制作磨具和磨料，用作刀具材料時，多用于在高速下精細車削或鏜削有色金屬及非金屬材料。尤其是用它切削加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料時，具有很大的優(yōu)越性。⑥使用場合：61金剛石砂輪金剛石砂輪62激光金剛石切割片激光金剛石切割片63

（2)立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由六方氮化硼（俗稱白石墨）在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的。它是70年代才發(fā)展起來的一種新型刀具材料，其特點：①硬度很高可達到HV8000～9000②熱穩(wěn)定性好

立方氮化硼具有比金剛石更好的熱穩(wěn)定性，其耐熱性可達1300～1400°C，其高溫硬度高于陶瓷刀具。當溫度高達1370°C以上時，才開始由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄w而軟化。因此，CBN適合在高速下加工高溫合金。（2)立方氮化硼（CBN）②熱穩(wěn)定性好64③化學穩(wěn)定性好立方氮化硼具有比金剛石更好的化學惰性，在1000°C以下時，不發(fā)生氧化現(xiàn)象，與鐵系金屬在1200～1300°C時也不易起化學反應(yīng)。因此，在高速下切削淬火鋼，冷硬鑄鐵時．其粘接和擴散磨損較小，但在高溫時(1000℃以上)易與水產(chǎn)生化學反應(yīng)④有較高的熱導率和較小的摩擦系數(shù)

立方氮化硼的熱導率比金剛石低(約為金剛石的1／2)但遠高于陶瓷刀具，且熱導率隨溫度的升高而增加。這一性能對降低刀尖處的溫度大有好處，并且摩擦系數(shù)小。③化學穩(wěn)定性好④有較高的熱導率和較小的摩擦系數(shù)65⑤強度及韌性較差

立方氮化硼的抗彎強度約為陶瓷刀具的1／5～1／2，一般只用于精加工根據(jù)CBN的性能特點，它最適于加工高硬度淬火鋼、高溫合金等。特別在精鏜小直徑孔時(Φ

6～35mm)，公差等級可達IT6級，表面粗糙度值小于Ra0.2μm。CBN一般不適合加工塑性大的鋼鐵金屬和鎳基合金，也不適合加工鋁合金及銅合金，因容易產(chǎn)生嚴重的積屑瘤，使已加工表面質(zhì)量惡化。由于CBN脆性大，不宜低速切削，通常采用負前角高速切削，以發(fā)揮刀具材料在高溫時相對工件材料的硬度優(yōu)勢。⑤強度及韌性較差根據(jù)CBN的性能特點，它最適于加66(三)刀具材料的選擇如何才能正確選擇刀具材料、牌號，需要全面掌握金屬切削的基本知識和規(guī)律，最主要的是了解刀具材料的切削性能和工件材料的切削加工性能以及加工條件，抓住切削中的主要矛盾并考慮經(jīng)濟合理來決定取舍。一般應(yīng)遵循以下原則：(三)刀具材料的選擇如何才能正確選擇刀具材料、671.

加工普通工件材料時，一般選用普通高速鋼與硬質(zhì)合金；加工難加工材料時，可選用高性能和新型刀具材料牌號。只有在加工高硬材料或精密加工中常規(guī)刀具材料難以勝任時，才考慮用超硬材料立方氮化硼和金剛石。2.由于任何刀具材料在強度、韌性和硬度耐磨性兩者之間總是難以完全兼顧的，我們在選擇刀具材料牌號時，根據(jù)工件材料切削加工性和加工條件，通常先考慮耐磨性，崩刃問題盡可能用最佳幾何參數(shù)解決。1.加工普通工件材料時，一般選用普通高速鋼與硬質(zhì)合金；加工68如果因刀具材料性脆還要崩刃，再考慮降低耐磨性要求，選強度和韌性較好的牌號。一般來說，低速切削時，切削過程不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，宜選強度和韌性好的刀具材料.

高速切削時，高的切削溫度對刀具材料的磨損影響最大，應(yīng)選擇耐磨性好的刀具材料牌號。如果因刀具材料性脆還要崩刃，再考慮降低耐磨性要求，69二、金屬切削過程金屬切削過程：是用刀具從工件表面上切去多余的金屬，形成已加工表面的過程，也是工件的切削層在刀具前面擠壓下產(chǎn)生塑性變形，形成切屑而被切下來的過程。切削過程中存在許多物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、刀具磨損等，都與金屬的變形及其變化規(guī)律有密切的關(guān)系，研究切削過程對保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低成本和促進切削加工技術(shù)的發(fā)展，有著十分重要的意義。二、金屬切削過程金屬切削過程：是用刀具從工件70（一）切削過程及切屑類型

切削過程中的各種物理現(xiàn)象，都是以切屑形成過程為基礎(chǔ)的。了解切屑形成過程，對理解切削規(guī)律及其本質(zhì)是非常重要的，現(xiàn)以塑性金屬材料為例，說明切屑的形成及切削過程中的變形情況。1.切屑的形成過程圖2-1所示為將切屑形成過程粗略地比擬為推擠一疊卡片的形象化模型。（一）切削過程及切屑類型1.切屑的形成過程71切屑形成過程模擬返回切屑形成過程模擬返回72金屬被切削層好比一迭卡片1′、2′、3′、4′…等,當?shù)毒咔腥霑r這迭卡片被推到1、2、3、4….的位置?？ㄆg發(fā)生滑移，滑移的方向就是剪切面。當然卡片和前刀面接觸這一端應(yīng)該是平整的，外側(cè)是鋸齒的、或呈不明顯的毛茸狀。金屬被切削層好比一迭卡片1′、2′、373返回返回74當?shù)毒咦饔糜谇行紝?，切削刃由a相對運動至0時，整個切削單元OMma就沿著OM面發(fā)生剪切滑移；或者O面不動，平行四邊形OMma受到剪切應(yīng)力的作用，變成了平行四邊形OMm1a1。(圖2-1(b))。實際上切屑單元在刀具前面作用下還受到擠壓，因而底邊膨脹為Oa2，形成近似梯形的切屑單元OMm2a2

(圖2-1c)。許多梯形疊加起來就迫使切屑向逆時針方向轉(zhuǎn)動而彎曲。因此也可以說，金屬切削過程是切削層受到刀具前面的擠壓后，產(chǎn)生以剪切滑移為主的塑性變形，而形成為切屑的過程。當?shù)毒咦饔糜谇行紝樱邢魅杏蒩相對運動至0時，整個75（二）三個變形區(qū)

根據(jù)切削實驗時制作的金屬切削層變形圖片，可繪制出如圖2-2所示的金屬切削層的滑移線和流線示意圖。流線表示被切削金屬的某一點在切削過程中流動的軌跡。由圖2—2可見，切削過程中切削層金屬的變形可大致劃分為三個變形區(qū)。

l.第一變形區(qū)（剪切變形區(qū)）1）區(qū)域：OA~OM之間。從OA線(稱始剪切線)開始發(fā)生塑性變形，到OM線(稱終剪切線)晶粒的剪切滑移基本完成。這一區(qū)域(I)稱為第一變形區(qū)。2）特征：OA線發(fā)生塑性變形，OM線完成晶粒的剪切滑移。（二）三個變形區(qū)l.第一變形區(qū)（剪切變形區(qū)）1）區(qū)76這三個變形區(qū)匯集在刀刃附近，切削層金屬在此處與工件母體分離，一部分變成切屑，很小一部分留在已加工表面上。圖2-2金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖這三個變形區(qū)匯集在刀刃附近，切削層金屬在此處與772.第二變形區(qū)（擠壓變形區(qū)）

1）區(qū)域：靠近刀尖與前刀面。切屑沿前刀面排出時進一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面處的金屬纖維化，纖維化方向基本上與前刀面平行。這一區(qū)域稱為第二變形區(qū)(Ⅱ)。2）特征：靠近前刀面的金屬纖維化，方向平行于前刀面。前刀面將繼續(xù)進一步擠壓和摩擦。3.第三變形區(qū)（擠壓和修光區(qū)）1）1）區(qū)域：副切削刃與后刀面的部分。

已加工表面受到刀刃鈍圓部分和后刀面的擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化與加工硬化。這部分稱為第三變形區(qū)(Ⅲ)。2）特征：對已加工表面擠壓、摩擦和回彈，產(chǎn)生纖維化合加工硬化。2.第二變形區(qū)（擠壓變形區(qū)）3.第三變形區(qū)（擠壓和修光區(qū)）78第Ⅰ變形區(qū)近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；第Ⅱ變形區(qū)與前刀面接觸的切屑底層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)；第Ⅲ變形區(qū)近切削刃處已加工表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。返回第Ⅰ變形區(qū)近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；返回79注：1）變形區(qū)均位于切削刃附近，應(yīng)力集中且變化復(fù)雜；2）在這一區(qū)域形成被切削層，切屑與工件分離，形成切屑和已加工面；3）切削刃對切屑的切除和已加工面形成影響很大。注：80（三）變形規(guī)律1.第一變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形1）滑移過程（1）產(chǎn)生滑移的條件：刀具的擠壓力大于工件材料的屈服剪切強度τs

。（2）滑移過程：沿OA開始產(chǎn)生塑性變形，在進給、摩擦和外力的復(fù)合作用下，材料的晶格就要發(fā)生沿晶面滑移，當切削層繼續(xù)沿前刀面運動時，在OM處晶格的滑移基本結(jié)束。

注：1）其中2-2′為滑移量；2）晶粒伸長的方向不與剪切面重合，成一定的角度φ；3）在一般的切削速度下，此區(qū)域的寬度為：0.02~0.03。（三）變形規(guī)律1）滑移過程（2）滑移過程：沿OA開始812）變形的主要特征：（1）滑移線發(fā)生剪切變形，從晶體結(jié)構(gòu)看，沿晶格中的晶面滑移；（2）加工硬化和纖維化方向性明顯。結(jié)論：在OA到OM之間的第一變形區(qū)內(nèi)，其變形的主要特征是沿滑移線的剪切滑移變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。2）變形的主要特征：82制造工藝裝備課件83制造工藝裝備課件84AC是始滑移面

AE是終滑移面

AC、AE之間為第Ⅰ變形區(qū)。

AB面稱為剪切面或滑移面。

剪切面AB與作用力Fr之間的夾角約為400-500。

剪切角Ф：AB與V之間的夾角。

作用角ω：Fr與V之間的夾角。

第Ⅰ變形區(qū)就是形成切屑的變形區(qū)。

AC是始滑移面

AE是終滑移面

AC、AE之間為第Ⅰ變形區(qū)。85返回返回86

從金屬晶體結(jié)構(gòu)的角度說，沿滑移線的剪切變形就是沿晶格中晶面的滑移(見圖2-4)。工件材料的晶粒可假定為圓顆粒(圖2-4(a))，受剪應(yīng)力后，晶格內(nèi)晶面發(fā)生位移，晶粒呈橢圓形。圓的直徑AB變成長軸A′B′（圖2-4b），A′′B′′就是晶粒纖維化的方向（2-4C）

晶粒伸長的方向就是纖維化的方向，是與滑移方向、剪切面的方向不重合的。它們成一夾角Φ（圖2-5）從金屬晶體結(jié)構(gòu)的角度說，沿滑移線的剪切變形就是沿晶87制造工藝裝備課件883）變形程度的表示方法（1）剪切角Φ實驗證明剪切角Φ的大小和切削力的大小有直接聯(lián)系。對于同一工件材料，用同樣的刀具，切削同樣大小的切削層，如Φ角較大，剪切面積變小(見圖2-6)，即變形程度較小，切削比較省力。所以Φ角本身就表示變形的程度。3）變形程度的表示方法（1）剪切角Φ89制造工藝裝備課件90制造工藝裝備課件91（2）變形系數(shù)ξ

切削時，切屑厚度ach通常都要大于切削厚度ac，而切屑長度lch卻小于切削長度lc，如圖2-7

切屑厚度與切削厚度之比稱為厚度變形系ξa；而切削長度與切屑長度之比稱為長度變形系ξl，即：（2）變形系數(shù)ξ切屑厚度與切削厚度之比稱為厚度92由于切削寬度與切屑寬度差異很小，根據(jù)體積不變原則，有

ξa=ξl=ξ變形系數(shù)ξ是大于1的數(shù)，可以用剪切角Φ表示上式也可寫成由于切削寬度與切屑寬度差異很小，根據(jù)體積不變原則，有變形系數(shù)93用剪切角Φ來衡量變形的大小，測量比較麻煩；而變形系數(shù)ξ可直觀反映切屑的變形程度，并且容易測量。2.第二變形區(qū)的擠壓變形1）擠壓的過程（1）產(chǎn)生的條件：前刀面上的擠壓，切屑的運動因摩擦作用受阻。（2）產(chǎn)生的過程：切屑在前刀面上運動時，由于在刀具的擠壓作用下產(chǎn)生極大的摩擦力，阻止了切屑的自由運動，沿前刀面擠壓變形，靠近前刀面的材料的晶粒變形大，有理論上的平行四邊形變成梯形，使切屑產(chǎn)生彎曲。切屑與前刀面之間壓力很大，再加上幾百度的高溫，實際上切屑底層與前刀面呈粘結(jié)狀態(tài)。故切屑與前刀面之間不是一般的外摩擦，而是切屑和前刀面粘結(jié)層與其上層金屬之間的內(nèi)摩擦。用剪切角Φ來衡量變形的大小，測量比較麻煩；而變形系數(shù)ξ94這種內(nèi)摩擦實際上就是金屬內(nèi)部的滑移剪切，它不同于外摩擦(外摩擦力的大小與摩擦系數(shù)以及正壓力有關(guān)，與接觸面積無關(guān))，而是與材料的流動應(yīng)力特性以及粘結(jié)面積大小有關(guān)。圖2-10給出切屑與前刀面摩擦時的情形。刀-屑接觸部分可分為兩個區(qū)域，在粘結(jié)部分為內(nèi)摩擦，滑動部分為外摩擦。圖中也表示出了整個刀-屑接觸區(qū)上正應(yīng)力σr的分布，顯然金屬的內(nèi)摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，應(yīng)著重考慮內(nèi)摩擦。這種內(nèi)摩擦實際上就是金屬內(nèi)部的滑移剪切，它不同95制造工藝裝備課件96令μ為前刀面上的平均摩擦系數(shù)，則式中，Af1——內(nèi)摩擦部分的接觸面積；

σav——內(nèi)摩擦部分的平均正應(yīng)力；

τs

——工件材料剪切屈服強度。由于隨切削溫度升高略有下降，隨材料硬度、切削厚度及刀具前角而變化，其變化范圍較大，因此，μ是一個變數(shù)。令μ為前刀面上的平均摩擦系數(shù)，則式中，Af1——內(nèi)摩擦部分97影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素

工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素。實驗表明在相同切削條件下，加工幾種不同工件材料，如銅、10鋼、10Cr鋼、1Crl8Ni9Ti等，隨著工件材料的強度和硬度的依次增大，摩擦系數(shù)μ略有減小；這是由于當切削速度不變時，材料的硬度、強度大時，切削溫度增高，故摩擦系數(shù)下降。切削厚度ac增加時，μ也略為下降；如10鋼的ac從0.lmm增大到0.18mm，μ從0.74降至0.72。因為ac增加后正應(yīng)力也隨之增大。影響前刀面摩擦系數(shù)的主要因素98在一般切削速度范圍內(nèi)，前角γ。愈大，則μ值愈大。因為隨著γ。增大，正應(yīng)力減小，故μ增加。切削速度對摩擦系數(shù)的影響見圖2-11。當u<30m／min時，切削速度提高，摩擦系數(shù)變大。這是因為在低速區(qū)切削溫度較低，前刀面與切屑底層不易粘接，粘結(jié)的嚴密程度隨速度(溫度)增高而發(fā)展，從而使μ上升。當v超過30m／min后，溫度進一步升高，材料塑性增加，而使切屑底層材料的τs下降，故μ隨之逐漸下降。在一般切削速度范圍內(nèi)，前角γ。愈大，則μ值愈大。因為99制造工藝裝備課件1002）特征：（1）變形產(chǎn)生在靠近前刀面的底層，纖維方向平行于前刀面；（2）離前刀面越遠越小；（3）切屑的卷曲是前刀面給切屑的壓力產(chǎn)生的彎曲變形。注：1）第一區(qū)域第二區(qū)相互關(guān)聯(lián)的；2）前刀面的摩擦情況（摩擦力、摩擦系數(shù)、摩擦性質(zhì)）對剪切方向影響大；3）刀具的前角小，擠壓愈強，切屑變形越大；4）第二區(qū)在適當?shù)臏囟?、壓力條件下，易產(chǎn)生“積屑瘤”；5）第一、二區(qū)的變化為物理變化。2）特征：1013.第三區(qū)的已加工面的擠壓與修光1）變形的過程（1）產(chǎn)生的條件：

后刀面的法向力（Fna）引起的徑向塑、彈性復(fù)合變形，后刀面的摩擦力（Ffa）引起的切向塑、彈性復(fù)合變形。（2）變形的過程：在切削區(qū)以下部分的金屬向作用力小的后刀面方向流動，由于后刀面的法向力（Fna）的作用，被壓縮和拉伸的纖維越來越長、越來越細，最終被拉斷，形成已加工面。2）特征（1）對已形成的第一區(qū)的纖維進一步加強，纖維方向平行于已加工面；（2）在離開第二區(qū)的金屬要產(chǎn)生一定量的彈性回復(fù)；（3）易產(chǎn)生纖維化合加工硬化。3.第三區(qū)的已加工面的擠壓與修光102（四）積屑瘤的形成及其對切削過程的影響1.概念：在切削速度不高而又能形成連續(xù)性切屑的情況下，加工鋼料等塑性材料時，常在前刀面切削處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊。它的硬度稍高(通常是工件材料的2～3倍)，在處于穩(wěn)定狀態(tài)時，能夠代替刀刃進行切削。這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤

。（四）積屑瘤的形成及其對切削過程的影響1.概念：在切削速度不1032.形成機理：切削加工時，切屑與前刀面發(fā)生強烈摩擦而形成新鮮表面接觸。當接觸面具有適當?shù)臏囟群洼^高的壓力時就會產(chǎn)生粘結(jié)(冷焊)。于是，切屑底層金屬與前刀面冷焊而滯留在前刀面上。連續(xù)流動的切屑從粘在刀面的底層上流過時，在溫度、壓力適當?shù)那闆r下，也會被阻滯在底層上。使粘結(jié)層逐層在前一層上積聚，最后長成積屑瘤。3.影響因素：1）積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化性質(zhì)有關(guān)；材料的加工硬化趨勢愈強，愈易產(chǎn)生積屑瘤。2.形成機理：3.影響因素：1042）與刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)刃前區(qū)的溫度和壓力太低，不會產(chǎn)生積屑瘤；若溫度太高，產(chǎn)生弱化作用，也不會產(chǎn)生積屑瘤。對碳素鋼，約在300~500oC時積屑瘤最高，到500oC以上時趨于消失。3）積屑瘤高度與切削速度之間的關(guān)系見圖（2-12）在低速區(qū)I中不產(chǎn)生積屑瘤；在區(qū)Ⅱ中積屑瘤高度隨切削速度增加而加大至最大值；在區(qū)Ⅲ內(nèi)積屑瘤高度隨切削速度增加而減?。辉冖魠^(qū)內(nèi)積屑瘤不再生成。。2）與刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)刃前區(qū)的溫度和壓10510m/min10m/min1064）積屑瘤對切削過程的影響

(1)使實際前角增大：積屑瘤粘結(jié)在前刀面上(圖2-13)，加大了刀具的實際前角，可使切削力減小。積屑瘤愈高，實際前角愈大。

(2)增大切入深度：如圖2-13所示，積屑瘤使刀具切入深度增加了△ac，由屑瘤的產(chǎn)生、成長與脫落是一個周期性過程，△ac的變化有可能引起振動。

4）積屑瘤對切削過程的影響(2)增大切入深度：107(3)使加工表面粗糙度值增大：積屑瘤的頂部很不穩(wěn)定、易破裂，其破裂的部分碎片可能留在已加工表面上；積屑瘤凸出刀刃部分使加工表面變得粗糙。

(4)影響刀具耐用度：積屑瘤相對穩(wěn)定時，可代替刀刃切削，能提高刀具耐用度；但在不穩(wěn)定時，積屑瘤的破裂有可能導致硬質(zhì)合金刀具的剝落磨損。(3)使加工表面粗糙度值增大：(4)影響刀具耐用度：108注：在精加工時應(yīng)避免或減小積屑瘤，其措施有：①控制切削速度，盡量采用很低或很高的速度，避開中速區(qū)；②使用潤滑性能好的切削液，以減小摩擦；③增大刀具前角，以減小刀屑接觸區(qū)壓力；④提高工件材料硬度，減少加工硬化傾向。注：109（五）切屑變形的變化規(guī)律

在分析了切削過程中第一變形區(qū)、第二變形區(qū)的變形和摩擦之后，我們來歸納一下影響切屑變形的主要因素，以便利用這些規(guī)律優(yōu)化切削過程。πβγξμ

1.工件材料對切屑變形的影響

工件材料強度愈高，切屑變形愈小。這是因為工件材料強度愈高，摩擦系數(shù)愈小。根據(jù)Φ=π/4-β+γ0及ξ=cos（Φ-γ0）/sin（Φ）兩式可知，μ減小時(μ=tgβ)，剪切角Φ將增大，于是變形系數(shù)ξ將減小。（五）切屑變形的變化規(guī)律1.工件材料對切屑變形的影響110工件材料的塑性也是影響切屑變形的主要因素。在相同的切削條件下，工件材料的塑性愈大，切屑變形就愈大。2.刀具前角對切屑變形的影響

刀具前角γ0愈大，切屑變形愈小。這是因為當γ0增加時，剪切角Φ增大，因而變形系數(shù)ξ減小。另一方面γ0增大使摩擦角β增加，導致Φ減小，但其影響比γ0增加的影響小，結(jié)果還是作用角ω=β-γ0減小，從而使Φ增加，ξ變小。工件材料的塑性也是影響切屑變形的主要因素。在相同1113.切削速度對切屑變形的影響

在無積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削速度愈高，則變形系數(shù)愈小。這有兩方面原因：1)因為塑性變形的傳播速度較彈性變形的慢。如圖2-14所示，當切削速度低時，金屬始剪切面為OA，但當切削速度高時，金屬流動速度大于塑性變形速度，亦即在OA線上尚未顯著變形就已流動到0Aˊ線上，這意味著此時的第一變形區(qū)后移，使Φ增大(圖中Φˊ>Φ)2)因為v對μ有影響。除低速區(qū)外，v增大，則μ減小，因此ξ減小(參見圖2-11)。3.切削速度對切屑變形的影響1124.切削厚度對切屑變形的影響

當切削厚度增加時，摩擦系數(shù)減小，Φ增大，變形變小。可見，在無積屑瘤情況下，f愈大(ac愈大)，則ξ愈小。從另一方面來看，切屑中的底層變形最大，離前面愈遠的切屑層變形愈小。因此，f愈大(ac愈大)，切屑中平均變形則愈?。环粗?，切屑愈薄，變形量愈大。4.切削厚度對切屑變形的影響從另一方面來看，切113（六）切屑的類型

1.帶狀切屑：外形連續(xù)不斷呈帶狀。1）產(chǎn)生的條件：（1）切削的金屬是塑性；（2）切削厚度較??；（3）刀具前角較大。2）特征：（1）它的內(nèi)表面光滑，外表面毛茸；（2）切削過程平穩(wěn)，切削力波動、沖擊和振動較小，加工表面粗糙度較小。3）常見的材料：易切鋼、碳素鋼、合金鋼、銅和鋁合金。根據(jù)切削層變形特點和變形后形成切屑的外形不同通常將切屑分為以下四類：（六）切屑的類型1.帶狀切屑：外形連續(xù)不斷呈帶狀。1142.擠裂切屑（節(jié)狀切屑）：擠壓切屑。1）產(chǎn)生的條件：（1）切削塑性材料；（2）切削速度低，切削厚度大；（3）刀具前角小。2）特征：（1）外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時有裂紋；（2）滑移量太大，加工硬化增大了剪應(yīng)力；（3）在低速、大進給下。3）常見的材料：H62、不銹鋼。2.擠裂切屑（節(jié)狀切屑）：擠壓切屑。1153.粒狀切屑：單元切屑。1）產(chǎn)生的條件：（1）切削塑性材料，切削量大（切削厚度）；

（2）切削脆性材料，硬度高。2）特征：（1）切屑成梯形；（2）剪切應(yīng)力超過材料的破壞強度，切削力波動大。。3.粒狀切屑：單元切屑。116注：1）以上三種切屑只有在加工塑性材料時才可能得到。其中，帶狀切屑的切削過程最平穩(wěn)，單元切屑的切削力波動最大。在生產(chǎn)中最常見的是帶狀切屑，有時得到擠裂切屑，單元切屑則很少見。2）擠裂切屑與單元切屑在一定條件下可互相轉(zhuǎn)換。減小刀具前角、降低切削速度；加大切削厚度。3）切屑的形態(tài)隨切削條件而轉(zhuǎn)化的。掌握了它的變化規(guī)律，就可以控制切屑的變形、形態(tài)和尺寸，以達到卷屑和斷屑的目的。注：1174.崩碎切屑

1）產(chǎn)生的條件：（1）切削脆性材料；（2）工件材料硬度高；（3）刀具前角小，切削厚度大。2）特征：（1）形狀不規(guī)則；（2）加工表面質(zhì)量差，易崩刃。3）常見的材料：鑄鐵等。4.崩碎切屑118切削形狀切削形狀119（七）切屑形狀的分類及卷屑和斷屑機理的探討1.切屑形狀的分類前面按形成機理的差異，把切屑分成帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎四類。但是，這種分類法還不能滿足切屑的處理和運輸?shù)囊蟆Ｓ绊懬行嫉奶幚砗瓦\輸?shù)闹饕蛩厥乔行嫉男螤?，因此，還需按照切屑的形狀進行分類。隨著工件材料、刀具幾何形狀和切削用量的差異，所生成的切屑的形狀也會不同。切屑的形狀大體有帶狀屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、長緊卷屑、發(fā)條狀卷屑、寶塔狀卷屑等，如圖（七）切屑形狀的分類及卷屑和斷屑機理的探討1.切屑形狀的分類120切屑的各種形狀切屑的各種形狀121制造工藝裝備課件122

高速切削塑性金屬材料時，如不采取適當?shù)臄嘈即胧仔纬蓭钚?。帶狀屑連綿不斷經(jīng)常會纏繞在工件或刀具上，拉傷工件表面或打壞切削刃，甚至會傷人。所以，通常情況下都希望盡量避免形成帶狀屑。但也有例外的情況。例如，在立式鏜床上鏜盲孔時，為了使切屑能順利地排出孔外甩斷，一般都要求形成帶狀屑或長螺卷屑。車削一般的碳鋼和合金鋼工件時，采用帶卷屑槽的車刀易形成C形屑。C形屑不會纏繞在工件或刀具上也不易傷人，是一種比較好的屑形。但C形屑多數(shù)是碰撞在車刀后刀面上折斷的(圖2-17)，切屑高頻率的碰撞和折斷會影響切削過程的平穩(wěn)性，對工件已加工表面的粗糙度有一定的影響。所以，精車時一般多希望形成長螺卷屑(圖2—18)，使切削過程比較平穩(wěn)。高速切削塑性金屬材料時，如不采取適當?shù)臄嘈?23

長緊卷屑形成過程比較平穩(wěn)，清理也方便，在普通車床上是一種比較好的屑形。但要求形成長緊卷屑時，必須嚴格控制刀具的幾何參數(shù)和切削用量。在重型車床上用大切深、大進給量車削鋼件時，切屑寬又厚，若形成C形屑則容易損傷切削刃，甚至會飛崩傷人。通常多將卷屑槽的槽底圓弧半徑加大，使切屑卷曲成發(fā)條狀(圖2_19)在工件加工表面上頂斷，并靠其自重墜落。長緊卷屑形成過程比較平穩(wěn)，清理也方便，在普通124在自動機或自動線上，寶塔狀卷屑不會纏繞工件或刀具，清理也較方便，是一種比較好的屑形。車削鑄鐵、脆黃銅等脆性材料時，切屑崩碎成針狀或碎片飛濺，可能傷人，并易研損機床滑動面。這時，應(yīng)設(shè)法使切屑變成卷狀。如采用波形刃脆銅卷屑車刀，可以使脆銅和鑄鐵的切屑連成螺狀短卷。在自動機或自動線上，寶塔狀卷屑不會纏繞工件或刀具125返回2-172-182-19返回2-172-182-19126由此可見，切削加工的具體條件不同，要求切屑的形狀也有所變更。脫離具體條件，孤立評論某一種切屑形狀的好壞是沒有實際意義的。（八）卷屑和斷屑

（見圖）為了使切屑卷曲，通常在刀具上作出卷屑槽。要正確選擇卷屑槽的幾何參數(shù)以及正確地選擇切削用量和它配合，以達到卷屑的目的由此可見，切削加工的具體條件不同，要求切屑的形狀也127圓弧型卷屑槽直線型卷屑槽倒棱圓弧型卷屑槽直線型卷屑槽倒棱128切屑碰到后刀面折斷的機理發(fā)條狀切屑碰到工件上折斷的機理斷屑切屑碰到后刀面折斷的機理發(fā)條狀切屑碰到工件上折斷的機理129本講結(jié)束。謝謝大家！2010.11.19本講結(jié)束。130第一講刀具材料及切削機理第一講131一、刀具材料金屬切削過程除了要求刀具具有適當?shù)膸缀螀?shù)外，還要求刀具材料對工件要有良好的切削性能。在金屬切削加工中，刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量，刀具消耗和加工成本。正確選擇刀具材料是設(shè)計和選用刀具的重要內(nèi)容之一，特別是對某些難加工材料的切削來講刀具材料的選用顯得尤為重要。

一、刀具材料132（一）刀具材料應(yīng)具備的基本性能刀具切削部分是在高溫、高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下工作的。因此，刀具材料應(yīng)具備以下基本性能。1.硬度高

硬度是指材料抵抗其他物體壓入其表面的能力。刀具材料的硬度必須更高于被加工材料的硬度，一般高于一倍至幾倍，否則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形狀。目前，切削性能最差的刀具材料～碳素工具鋼，其硬度在室溫條件下也應(yīng)在62HRC以上；高速鋼的硬度為63～70HRC。（一）刀具材料應(yīng)具備的基本性能刀具切削部分是在高133刀具切削部分的材料在切削時要承受很大的切削力和沖擊力。例如，車削45鋼時，當ap=4mm，f=0.5mm/r時，刀片要承受約4000N的切削力。因此，刀具材料必須要有足夠的強度和韌性。一般用刀具材料的抗彎強度σb

(單位為Pa—N／m。)表示它的強度大小。用沖擊韌度αk(單位為J／m。)表示其韌性的大小，它反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力。2.足夠的強度和韌性刀具切削部分的材料在切削時要承受很大的切削力和134刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。一般說，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關(guān)系。其耐熱性通常用它在高溫下保持較高硬度的性能即高溫硬度來衡量，或叫熱硬性。

高溫硬度越高，表示耐熱性越好，刀具材料在高溫時抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強。

耐熱性差的刀具材料，由于高溫下硬度顯著下降而會很快磨損乃至發(fā)生塑性變形，喪失其切削能力。

3.耐磨性和耐熱性好刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。3.耐磨135刀具材料的導熱性用熱導率[單位為w／（m·K)]來表示。

熱導率大，表示導熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量容易傳導出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。此外，導熱性好的刀具材料其耐熱沖擊和抗熱裂的性能增強，這種性能對采用脆性刀具材料進行斷續(xù)切削，特別在加工導熱性能差的工件時尤為重要。4.導熱性好刀具材料的導熱性用熱導率[單位為w／（m·K)]136為了便于制造、要求刀具材料有較好的可加工性，如熱塑性（鍛壓成形）、焊接工藝性、切削加工性和熱處理工藝性等。5.工藝性好6.經(jīng)濟性好

經(jīng)濟性是評價新型刀具材料的重要指標之一，也是正確選用刀具材料、降低產(chǎn)品成本的主要依據(jù)之一。為了便于制造、要求刀具材料有較好的可加工性，如熱137（二）刀具材料的分類刀具材料可分為工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料五大類。其主要力學物理性能見表2-1。但目前應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。據(jù)統(tǒng)計，我國目前高速鋼用量約占刀具的60％以上，硬質(zhì)合金的用量約占30％以上，隨著難加工材料應(yīng)用的增加，陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增長。（二）刀具材料的分類刀具材料可分為工具鋼、138返回返回1391.碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含碳量為0.7％～1.2％。如T10A等)，淬火后硬度較高、價廉，但耐熱性較差(表2—2)。

1）常用牌號：T7A、T8A……T13A等。

2）主要性能：

淬火后硬度較高，可達HRC61～65；紅硬性為200℃～250℃，不耐高溫；

價格低廉，切削速度因此而不能提高，允許切削速度VC≤10m/min。

3）應(yīng)用：只能制作低速手用刀具，如板牙、鋸條、銼等。

1.碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含140制造工藝裝備課件1412.合金工具鋼在碳素工具鋼中加入少量的Cr、w、Mn、Si等元素，形成合金工具鋼(如9SiCr等)，可適當減少熱處理變形和提高耐熱性(表2—2)。

1）主要牌號：9SiCrCrWMn2）主要性能：淬火后的硬度可達HRC61～65；紅硬性為300℃～400℃；允許切削速度Vc=10～15m/min；

3）應(yīng)用：制作低速、形狀比較復(fù)雜、要求淬火后變形小的刀具。如板牙、拉刀、手用鉸刀（孔的精加工）等。2.合金工具鋼1422-22-21433.高速鋼高速鋼是一種含鎢(w)、鉬(Mo)、鉻(cr)、釩(V)等合金元素較多的合金工具鋼。1）組成：以重量計：

碳的質(zhì)量分數(shù)為0.7%～1．5％；

鉻的質(zhì)量分數(shù)約為4%；

鎢的質(zhì)量分數(shù)和鉬的質(zhì)量分數(shù)為10％～20%；

釩的質(zhì)量分數(shù)為1％～5％。由于合金元素與碳化合形成較多的高硬度碳化物，如碳化釩，硬度高達2800HV，且晶粒細小，分布均勻。而且合金元素和碳原子結(jié)合力很強，提高了馬氏體受熱時的穩(wěn)定性。3.高速鋼高速鋼是一種含鎢(w)、鉬(Mo)、鉻1442）高速鋼的特點（1）高速鋼具有較高的硬度（熱處理硬度可達HRC62～67）和耐熱性（切削溫度可達550～600°C），與碳素工具鋼和合金工具鋼相比切削速度可提高1～3倍，故得名“高速鋼”，提高耐用度10～40倍。

鉻在鋼中提高了淬透性，使小型刀具在空氣中冷卻就能淬硬，且能刃磨得鋒利，故高速鋼又有“風鋼”或“鋒鋼”之稱?？杉庸ぐㄓ猩饘?、高溫合金在內(nèi)的范圍廣泛的材料。2）高速鋼的特點145(2)高速鋼具有高的強度(抗彎強度為一般硬質(zhì)合金的2～3倍，為陶瓷的5～6倍)和韌性，抗沖擊振動的能力較強，適宜制造各類刀具。(3)高速鋼刀具制造工藝簡單，能鍛造，容易磨出鋒利的刀刃，因此在復(fù)雜刀具(鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等)的制造中，高速鋼占有重要的地位。(2)高速鋼具有高的強度(抗彎強度為一般硬質(zhì)合金的2～3倍146制造工藝裝備課件1473)高速鋼分類：(1）按用途不同，可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；(2）按制造工藝方法不同，可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。通用型高速鋼鎢系高速鋼鎢鉬系高速鋼3)高速鋼分類：通用型高速鋼鎢系高速鋼鎢鉬系高速鋼1484)鎢系高速鋼其代表是W18Cr4V(簡稱w18)是我國最常用的一種高速鋼。由于含釩量較少，磨削性能好，其刃口容易磨得鋒利平直，綜合性能好，通用性強。常溫硬度可達63～66HRC，在600℃高溫時能保持的硬度48.5HRC左右。特別是熱處理工藝性好，淬火時過熱傾向小，抵抗塑性變形能力強?？捎糜诰庸さ膹?fù)雜刀具，如螺紋車刀，成形車刀，寬刃精刨刀、拉刀、齒輪刀具等。4)鎢系高速鋼其代表是W18Cr4V(簡稱149制造工藝裝備課件150

鍵槽銑刀立銑刀

鍵槽銑刀151

三面刃銑刀角度銑刀鋸片銑刀

三面刃銑刀角度銑刀鋸片銑152

圓柱銑刀端銑刀硬質(zhì)合金銑刀

圓柱銑刀端銑刀153

盤形齒輪銑刀幾何參數(shù)

盤形齒輪銑刀幾何參數(shù)154

齒輪滾刀的工作原理

齒輪滾刀的工作原理155

阿基米德齒輪滾刀的幾何參數(shù)

阿基米德齒輪滾刀的幾何參數(shù)156

套裝式端面鍵式

帶柄式套裝式端面鍵式帶柄式157

插齒刀工作原理

插齒刀工作原理158盤形剃齒刀工作原理

盤形剃齒刀工作原理159W18鋼的缺點是碳化物分布常不均勻，剩余碳化物顆粒較大。如鍛造不均，則會影響薄刃刀具的壽命、制造較大截面刀具時，強度顯得不夠(抗彎強度僅為2～2.3GPa)，只有在制造小截面刀具時，才獲得滿意的強度(3～3.4GPa)。此外，W18鋼熱塑性較差，不適合作熱軋刀具。W18鋼的缺點是碳化物分布常不均勻，剩余碳化物顆粒1605)鎢鉬系高速鋼

W6M05Cr4V2(簡稱M2)是我國常用的典型鎢鉬系高速鋼種。用1%的鉬可代替2％的鎢，鉬的加入使鋼中合金元素減少，從而減小了碳化物數(shù)量及其分布的不均勻性，細化了晶粒。與W18鋼相比，M2鋼抗彎強度提高約17％，沖擊韌度提高約40%以上，而且大截面刀具也具有同樣的強度和韌性，可用于制造截面較大的刀具，或承受較大沖擊力的刀具(如插齒刀)以及結(jié)構(gòu)較薄弱的刀具(如麻花鉆、絲錐等)。5)鎢鉬系高速鋼W6M05Cr4V2(簡稱M2161M2鋼的熱塑性很好，磨削加工性能好，特別適用于制造軋制或扭制鉆頭等熱成形刀具，是目前各國使用較多的一種高速鋼。M2鋼的缺點是熱硬性和高溫硬度略低于W18鋼，故高溫切削性能稍遜。此外，熱處理時脫碳傾向大，較易氧化，淬火溫度范圍較窄。M2鋼的熱塑性很好，磨削加工性能好，特別適用于制162高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本化學成分和添加一些其他合金元素(如釩、鈷、鉛、硅、鈮等)的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的。主要用來加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金和超高強度鋼等難加工材料，這類高速鋼的不同牌號只有在各自的規(guī)定切削條件下使用才能達到良好的切削性能。6)高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本163(1)常用牌號:高碳高速鋼:9W18Cr4V(9W18),9W6Mo5Cr4V2(CM2)。其碳的質(zhì)量分數(shù)從普通高速鋼的0.7％～0.8％增加到0.9％～l.0%，使常溫硬度提高到66～68HRC，600°c時高溫硬度提高到51～52HRC。適用于耐磨性要求高的鉸刀、锪鉆，絲錐以及加工較硬材料(220～250HBS)的刀具。(1)常用牌號:164(2)含鋁高速鋼

鋁高速鋼W6M05cr4V2A1(簡稱501)和W10M04Cr4V3Al(簡稱5F一6)是我國獨創(chuàng)的新鋼種，這種鋼常溫硬度為67～69HRC，600°C高溫時硬度為54～55HRc，切削性能相當于鈷高速鋼M42，刀具壽命比W18cr4V顯著提高(至少1～2倍)，而價格卻相差不多，用這種鋼做的齒輪滾刀允許l67m／s的切削速度。(2)含鋁高速鋼165(3)鈷高速鋼M42(W2MO9Cr4VCO8)和W10MO4Cr4V3CO10高速鋼中加入鈷可提高鋼的熱穩(wěn)定性，促進回火時碳化物的析出，增