2.1 金属切削过程

2.1.1 刀具的几何角度与刀具材料

1.切削运动

加工时工件和刀具分别夹持在机床的相应位置，由刀具对工件进行切削加工。机器零件大部分由一些简单几何表面组成，如平面、回转面、沟槽等。刀具对这些表面切削加工时，机床提供了刀具与工件之间必需的相对运动，这种相对运动称为切削运动。根据在切削过程中所起的作用不同，切削运动可分为主运动和进给运动两种。

1) 主运动

主运动是从工件上切除切削层，使工件上形成新表面的运动。主运动是速度最高、消耗功率最多的运动。车削中工件的旋转运动、铣削中铣刀的旋转运动、刨削中刨刀的往复直线运动及钻削中钻头的旋转运动等都是主运动，如图2-1所示。

2) 进给运动

不断地把切削层投入切削的运动，称为进给运动。进给运动与主运动配合后，即可保持切削工作连续或反复进行，从而切除切削层形成新的加工表面。进给运动速度低，消耗的功率少。进给运动可有一个或数个，它可以是连续的，也可以是间歇的。

2.切削过程中工件的表面

在切削过程中，工件上的切削层不断被刀具切除变成切屑，工件上同时形成三个不同的变化着的表面，如图2-2所示。

(1) 待加工表面 工件上即将被切去金属层的表面，称为待加工表面。

(2) 已加工表面 已切除多余金属层而形成的新表面，称为已加工表面。

(3) 过渡表面 刀具切削刃正在切削的表面，称为过渡表面。该表面的位置始终在待加工表面与已加工表面之间不断变化，因此曾称为加工表面。

3.切削要素

切削要素包括切削用量和切削层几何参数。

1) 切削用量

切削用量是切削速度、进给量和背吃刀量的总称，如图2-2所示。

(1) 切削速度 切削刃上选定点相对于工件待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，用v表示。它是描述主运动的参数，法定单位为m/s，但在生产中除磨削的切削速度单位用m/s外，其他切削速度单位习惯上用m/min。

当主运动为旋转运动时（如车削、铣削、磨削等），切削速度v的计算公式为

当主运动为往复直线运动时（如刨削、插削等），切削速度v的计算公式为

式中，D为待加工表面的直径或刀具切削处的最大直径，单位为mm；n为工件或刀具的转速，单位为r/min；L为往复运动行程长度，单位为mm；nr为主运动每分钟往复的次数（行程次数），单位为str/min。

(2) 进给量 主运动在一个工作循环内，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量，用f表示。当主运动为旋转运动时，进给量的单位为mm/r，称为每转进给量。当主运动为往复直线运动时，进给量的单位为mm/str，称为每行程（往复一次）进给量。

对于铰刀、铣刀等多齿刀具，进给量是指每齿进给量，即fz=f z。

单位时间进给量称为进给速度vf，单位为mm/s或mm/min。进给量越大，生产率一般越高，但是，工件表面的加工质量也越低。

(3) 背吃刀量 指工件待加工表面与已加工表面间的垂直距离。铣削的背吃刀量ap为沿铣刀轴线方向上测量的切削层尺寸。

车削外圆时背吃刀量计算公式为

ap=(D-d)/2式中，D、d分别为工件上待加工表面和已加工表面的直径，单位为mm。

2) 切削层几何参数

切削层是指工件上相邻两个加工表面之间的一层金属，即工件上正被切削刃切削着的那层金属，如图2-2中带剖面线的部分。

切削宽度aw，即沿主切削刃方向度量的切削层尺寸。

切削厚度ac，即相邻两过渡表面间的垂直距离。

切削面积Ac，即切削层垂直于切削速度截面内的面积。车外圆时，

Ac=awac=ap f

4.刀具的几何角度

切削刀具的种类很多，形状也各不相同，但它们切削部分的结构要素和几何角度有共同的特性。在各种切削刀具中，车刀结构最为简单，其他刀具中的任何一齿都可以看成是由车刀切削部分演变而来的。因此，以外圆车刀为例进行刀具切削角度的分析更为方便。

1) 车刀的组成

车刀由刀头和刀杆两部分组成。刀头是车刀的切削部分，刀杆是车刀的夹持部分。切削部分由三面、二刃、一尖组成，如图2-3所示。

(1) 前刀面 刀具上切屑流过的表面。

(2) 后刀面 与工件加工表面相对的表面。

(3) 副后刀面 与工件已加工表面相对的表面。

(4) 主切削刃 前刀面与后刀面相交的切削刃，它承担主要的切削任务，形成了工件的过渡表面。

(5) 副切削刃 前刀面与副后刀面相交的切削刃，它承担微量的切削任务，以最终形成工件的已加工表面。

(6) 刀尖 主切削刃与副切削刃的交点。为提高刀尖的强度，常将其磨成圆弧形。

2) 车刀的主要角度

图2-4所示的是车刀的主要角度及辅助平面。

(1) 前角γ0 前刀面与基面的夹角，在正交平面中测量，如图2-4所示。前角越大，切削刃越锋利。但前角过大会削弱刀头的强度，使切削刃易磨损甚至崩口。加工塑性材料时，前角应选大些，加工脆性材料时，前角要小些；粗加工时前角应选小值，精加工时选大值。前角取值范围为-5°～25°。

1—刀头；2—刀杆；3—主切削刃；4—后刀面；5—副后刀面；6—刀尖；7—副切削刃；8—前刀面

(2) 主后角α0 后刀面与切削平面间的夹角，在正交平面中测量。α0的作用是减小后刀面与工件的摩擦。后角取值范围为3°～12°。粗加工时主后角选较小值，精加工时选较大值。

(3) 主偏角κr 主切削刃在基面上的投影与进给运动方向之间的夹角，在基面中测量。减小主偏角，使切削负荷减轻，切削轻快，同时提高了刀尖强度，改善受热条件，提高刀具寿命。但主偏角减小会使刀具对工件的径向切削力增大，影响加工精度，甚至引起振动。因此，工件刚性较差时，应选用较大的主偏角。

(4) 副偏角κr′ 副切削刃在基面上的投影与进给反方向之间的夹角，在基面中测量。减小副偏角，有利于降低加工表面粗糙度。但若副偏角太小，易引起工件振动，影响加工质量和刀具寿命。副偏角取值范围为5°～15°。粗加工时副偏角取较大值，精加工时取较小值。

5.刀具材料

1) 刀具材料应具备的性能

刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，除了切削部分的几何角度和刀具结构外，主要取决于切削部分的材料。刀具材料应具备如下性能。

(1) 高的硬度和耐磨性 刀具材料硬度要大于被加工材料硬度，常温时的硬度应在60HRC以上。

(2) 足够的强度和韧性 能够承受切削力、冲击和振动，防止刀具折断和崩刃。

(3) 具有良好的热硬性 在高温下保持一定的强度、韧性、硬度和耐磨性。

(4) 良好的工艺性能 刀具材料应具有良好的切削性能、锻造性能、热处理性能、焊接性能和磨削性能等，降低刀具的制造成本。

2) 常用刀具材料

常用刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金和超硬材料等。碳素工具钢用于制造锉刀、锯条等手动工具，合金工具钢用于手动或低速机动工具。生产中使用最多的是高速钢和硬质合金。

(1) 高速钢 高速钢是含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。它强度高、冲击韧性好、耐热性和耐磨性较高，当温度达到600～700℃时仍能进行切削；热处理变形小、能锻易磨，是一种综合性能好、应用最广泛的刀具材料。高速钢特别适合制造各种复杂刀具，如铣刀、钻头、滚刀和拉刀等。高速钢按用途不同分为通用型高速钢和高性能高速钢。

通用型高速钢的切削速度一般不高于50～60 m/min，不适合进行高速切削和硬材料的切削。高性能高速钢是在通用型高速钢的基础上，通过增加碳、钒的含量或添加钴、铝等合金元素而得到的耐热性、耐磨性更高的新钢种，其刀具寿命是通用型高速钢的1.5～3倍，适于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。

(2) 硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等），用Co、Mo、Ni作黏结剂制成的粉末冶金制品。硬质合金的特点是硬度高（74～82HRC），耐磨性好，且在800～1000℃的高温下仍能保持其良好的热硬性，允许的切削速度是高速钢的4～10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢低，因此很少制成整体式刀具。在实际使用中，一般将硬质合金刀片用焊接或机械夹固的方式固定在中碳钢的刀体上使用。常用的硬质合金有三大类。

① 钨钴类硬质合金（YG 类）。由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工脆性材料，如铸铁等。常用的牌号有YG8、YG6、YG3，数字表示钴的含量。由它们制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。

② 钨钛钴类硬质合金（YT 类）。由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好但韧性较差，适用于加工塑性材料（切屑呈带状），如碳素钢和合金钢等。常用的牌号有 YT5、YT15、YT30，其中的数字表示碳化钛的含量。碳化钛的含量越高，则耐磨性越好、韧性越差。这三种硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工半精加工和精加工。

③ 钨钛钽（铌）类硬质合金（Y W类）。在钨钛钴类硬质合金中加入少量的碳化钽（Ta C）或碳化铌（NbC）组成。它具有上述两类硬质合金的优点，用其制造的刀具既能加工钢、铸铁、有色金属，也能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用的牌号有YW1和YW2。

YG类、YT类和YW类硬质合金分别相当于ISO标准中的K类、P类和M类。

(3) 其他刀具材料 除常用的高速钢和硬质合金刀具材料外，人们还开发了一些有特定功能的刀具材料。它们有：

① 涂层刀具材料。这种材料是在韧性较好的硬质合金或高速钢基体上，采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂覆一薄层硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法，使刀具既具有基体材料的强度和韧性，又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的硬度和耐磨性好；TiN的抗氧化、抗黏结性好；Al2O3的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。

② 陶瓷。其主要成分是Al2O3，刀片硬度可达91HRC以上，能耐1200～1450℃高温，故能承受较高的切削速度，但抗弯强度低，不耐冲击，易崩刃。它主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的加工。

③ 金刚石。金刚石分人造金刚石和天然金刚石两种。作为刀具材料的，大多是人造金刚石。人造金刚石颗粒一般很细，用细小的金刚石颗粒制成磨料和砂轮，用做磨削硬质合金刀具的特效工具。人造金刚石复合刀片是在硬质合金刀片的基体上烧结一层约 0.5 mm 厚的聚晶金刚石，它强度高，能承受冲击载荷，是金刚石刀具的发展方向。

人造聚晶是许多人造金刚石晶粒聚合而成的多晶金刚石块。由于晶粒非定向排列，使它具有优于天然金刚石的强度和韧性。现已用它制成金刚石刀具，用做砂轮修整工具，亦可用于有色金属及其复合材料的高速精细车削，能达到很高的表面质量。

④ 立方氮化硼。这是人工合成的超硬材料，具有仅次于金刚石的高的硬度和耐磨性，耐热温度达到1400～1500℃，与铁族元素亲和力小，在1200～1300℃不产生化学反应。但高温下与水易发生化学反应，故一般在干切削条件下加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金及一些难加工材料。