第二章

金屬切削原理與刀具

金屬材料的切削過程的兩個要素①刀具②切削運動

第一節

金屬切削的基本概念

一、機械加工中的切削運動切削運動由機床來實現,機床運動可分為:①切削成形運動②非切削成形運動切削成形運動切削成形運動：①主切削運動①進給運動普通車床車削加工的運動

機床切削成形運動①簡單的成形運動單個運動方向的成形運動。②復合的成形運動由兩個（或兩個以上）的簡單的成形運動合成的運動。按某種嚴格的運動關系合成的成形運動，稱為“多軸聯動”。立式銑床中的X、Y、Z運動軸

數控龍門機床的運動軸數控龍門機床的運動軸機床非切削成形運動①分度運動②切入運動③快進、快退、回程、轉位④起動、停止、變速、變向、夾緊、松開二、切削用量三要素及切削層1、切削用量切削速度v進給量f切削深度ap2、切削層參數公稱厚度aw

公稱寬度ac

公稱橫截面積Ac切削速度v的發展①切削速度是切削加工水平的標志之一；②

12m/min提高到7500m/min;③每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速和超音速切削加工將變為現實。第二節

刀具切削部分幾何角度

一、金屬切削加工的基本概念刀具切削表面二、刀具角度基面：pr切削平面：ps正交平面：p0車刀的主要角度前角：后角：主偏角：副偏角：刃傾角：刀刃圓弧半徑車刀的主要角度前角：后角：主偏角：副偏角：刃傾角：刀刃圓弧半徑當λs＝0°時，切屑沿主切削刃方向流出；

當λs＞0°時，切屑流向待加工表面；

當λs＜0°時，切屑流向已加工表面，容易劃傷工件表面。刃刃傾角影響切屑的流出方向傳統切削微量切削切削層厚度

(10–1000μm)切削層厚度.

(0.1–10μm)切屑切屑刀刃半徑工件刀刃半徑刀刃半徑與切削厚度的關系世界最高水平的刃口圓弧半徑

日本大阪大學島田尚一博士研究金剛石車刀的刃口圓弧半徑達到2～4nm，就可切削下小于1nm厚度的切屑，這為更高精度的加工創造了前提。光學鏡面的反射率與加工表面的粗糙度直接有關，而今反射率要求越來越高，如激光陀螺反射鏡的反射率已提出了99.99%，必然要求金剛石刀具更加鋒利。第三節

刀具材料

一、刀具材料應具備的基本性能要求

①足夠硬度、耐磨性和耐熱性②足夠的強度和韌性

③導熱性好

導熱性好，切削時產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。④工藝性好

刀具材料有較好的可加工性，便于刀具加工，包括鍛壓、焊接、切削加工、熱處理和可磨性等。⑥

經濟性好

（性價比）經濟性是評價刀具材料的重要指標之一。刀具技術提高對制造業的影響

美國每年消耗刀具費用約30億美元，多花費10億美元改進刀具性能，切削速度普遍提高20%，可節省加工費用150億美元效益。刀具材料主要類型

刀具技術是機械制造技術的重要組成部分。刀具材料可分為：

①工具鋼②高速鋼③硬質合金④陶瓷⑤超硬材料

切削中普遍存在需求1、切削速度高。2、工件材料強度、硬度和粘性高。刀具材料發展重要階段1、1850年主要切削刀具為碳素鋼刀具，它只能在約12m／min以下的切削速度下工作。2、1868年R．穆舍特發明含有鎢和釩的錳鋼(合金工具鋼)使切削速度提高到18.3m／min。3、1898年F．W．泰勒等人用含鉻的工具鋼把切削速度提高到36.6m／min，稱為“高速鋼”。4、1923年德國施勒特爾用粉末冶金法制成硬質合金刀具，又一次提高了切削速度。5、20世紀70年代化學氣相沉積CVD法和物理氣相沉積PVD法的出現，產生了涂層刀具，成為刀具材料發展的一次重大變革。

高速鋼

高速鋼是一種含鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素較多的工具鋼。合金元素與碳化合形成結合力很強的高硬度碳化物，如碳化釩，硬度高達63～70HRC，且晶粒細小，分布均勻。在550～6000C時仍能保持高硬度，切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼成倍提高，可以承受較大的切削力和沖擊，故得名“高速鋼”。孔加工刀具----孔拉刀高速鋼有良好的制造工藝性，特別適合于制造各種小型及結構和形狀復雜的刀具。孔加工刀具----麻花鉆頭齒輪加工刀具---滾齒刀硬質合金

隨著生產水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高效率加工、高質量加工以及難加工材料切削的要求。在1923年，德國的施勒特爾發明了硬質合金（鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質合金）。

硬質合金是用粉末冶金工藝制成的。用硬度和熔點都很高的金屬碳化物(碳化鎢WC，碳化鈦TiC、碳化鉭TaC和碳化鈮NbC等)作硬質相，用金屬鈷、鉬或鎳等作粘結相，研制成粉末，按一定比例混合后壓制成型，在高溫高壓下燒結而成。硬質合金的制造工藝硬質合金特性

1、常溫硬度很高(78～82HRC)。

2、熱硬溫度可達800～10000C以上，允許的切削速度是高速鋼的4～7倍。目前切削加工中用量僅次于高速鋼的主要刀具材料。

細化碳化物顆粒，提高硬質合金的硬度、耐磨性和抗彎強度。①平均晶粒尺寸為0.5~lμm者稱亞微細晶粒合金；②平均尺寸在0.5μm以下者稱超細晶粒合金。當WC晶粒的平均尺寸由5μm減小到1μm時，可使硬質合金的耐磨性提高10倍。超細晶粒硬質合金

涂層硬質合金是在普通硬質合金刀片或硬質合金表面，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5～12μm)高硬度難熔金屬化合物(如TiC、TiN、Al203、金剛石等)。刀片既保持了普通硬質合金基體的強度和韌性，表面具有更高的硬度(可達1500～3000HV)和耐磨性，更小的摩擦因數和高的耐熱性(達800～12000C)。

涂層刀具涂層硬質合金刀片

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。

涂層高速鋼刀具可直接切削調質后的中硬(小于等于42HRC)毛坯材料。

例如:M8X1.25普通高速鋼涂層絲錐加工45調質鋼(240—290HBS)時，比未涂層絲錐的平均壽命提高4.3倍。涂層刀具性能特點TiCN涂層波形刃銑刀TiN/TiC涂層刀具刀具復合涂層微觀結構

①工件材料硬度的不斷增加。

②鎢資源的日漸缺乏。

蘇聯硬質合金用鎢量約占該國鎢總耗量的35%～40%；美國硬質合金用鎢量約占該國鎢總耗量的68%；機械加工導致國際市場精鎢礦石價格不斷上漲。

③地球含量豐富的元素Si和Al，促進了陶瓷刀具的發展。目前在國外的汽車生產線上大量使用陶瓷刀具。陶瓷刀具陶瓷刀具制造工藝

陶瓷刀具主要是由硬度和熔點都很高的Al2O3

（德國）

、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，采用粉末冶金工藝方法經制粉，壓制燒結而成。陶瓷可轉位刀片主要優點1、有很高的硬度硬度超過硬質合金，加工鋼材時，壽命可高達硬質合金的10～20倍。可以加工HRC65鋼和硬化鑄鐵。2、高溫性能切削溫度達到在12000C以上。切削速度比硬質合金提高2~6，適合于高速切削。主要優點3、化學穩定性和抗粘接性能陶瓷與金屬的親和力較小，即使在熔化溫度與鋼也互不作用，不易氧化，適合高速切削和加熱切削。4、摩擦系數低摩擦系數為0.32～0.77，減小了刀具磨損，提高了刀具壽命，而且使已加工表面的表面粗糙度值減小。在高速精車和精密銑削時，被加工工件可獲得鏡面效果，切削力也比硬質合金刀具要小。5、切削時不需使用切削液。主要缺點①熱導率僅是硬質合金的1/2～l/5；②熱膨脹系數卻比硬質合金高10%～30%；③熱沖擊性能很差、抗彎強度和沖擊韌度比硬質合金低。當溫度發生顯著變化時，容易產生裂紋，導致刀片破損。④切削時，一般也不宜使用切削液。超硬類刀具材料

金剛石1、金剛石是世界已發現的最硬材料（10000HV

）2、金剛石是碳的同素異構體，刀具中使用的金剛石分天然金剛石和人造金剛石兩種；3、1955年美國GE公司的科學家成功地人工合成了重量約合1克拉的珠寶級金剛石（C-12）；4、C-12導熱性能比天然金剛石好50%，比銅快850倍。5、目前世界上最堅硬的人工金剛石-----媛石，比普通金剛石堅硬很多。

人造金剛石及其聚晶體（PCD）

1、人造金剛石的耐磨性為硬質合金的60～80倍。

2、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，精度可達到3～1μm，表面粗糙度值可達到Ra0.02～0.006μm，可實現鏡面加工。

3、金剛石刀具一般不適于加工鐵系金屬。溫度超過8000C時就會碳化而失去切削能力，與鐵有較強的化學親和力。

4、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、平穩性好，且只適于精細加工。聚晶金剛石（PCD）的誕生1972年美國公司采用特殊工藝，成功的生產出了由微米級大小的金剛石晶體組成的聚晶金剛石（PCD）

PCD性能特點1、金剛石層的硬度和抗磨性在所有方向上都均勻分布，和單晶體天然金剛石形成鮮明對比的是，聚晶體材料沒弱鍵層，各鍵層的硬度也不會參差不齊。2、聚晶金剛石刀具比傳統的硬質合金刀具或陶瓷刀具，它能提供更快的切削速度，更高的加工精度和更高的刀具使用壽命從而提高產品的質量。上海工具有限公司制造PCD刀具全球PCD刀具的年銷售量將超過3.5億美元。其中52％的PCD刀具應用在汽車生產。金剛石涂層整體硬質合金立銑刀

“薄膜”CVD金剛石涂層

納米結構金剛石涂層

同位素C-13的金剛石1、美國GE公司已研制出同位素C-13的金剛石，其硬度、強度等均高于現有的金剛石。2、在太空中對碳分子試驗的結果，又發現了由60個碳原子組成的巴基球，即C-60，它比金剛石更堅硬。3、C-13、C-60在未來能成為新的刀具材料，使刀具的使用壽命大為提高。

金剛石涂層硬質合金銑刀

主要應用領域

1、模具工業的石墨電極加工；2、鋁合金加工。加工效果1、用金剛石涂層鉆頭在高硅鋁合金(20%Si)的剎車盤上鉆69個12.5mm的通孔，鉆完所有孔之后，該鉆頭完好無損；2、用通常未涂層的鉆頭，鉆完9個孔之后即失效。立方氮化硼CBN

繼人造金剛石之后，利用超高溫高壓技術人工合成的又一種新型無機超硬材料。立方氮化硼CBN發展1、20世紀80年代以來，美國科學家就開始了合成氮化硼(CBN)的研究工作；2、近年日本已合成氮化硼的維氏硬度達6380HV(638Gpa)；3、硬度有希望達到或超過金剛石10000HV的水平(1000Gpa)。（1）、硬度高僅次于金剛石的硬度(8000～9000HV)和耐磨性，比硬質合金和陶瓷高得多，能在較高切削速度下保持加工精度。加工淬火鋼時，刀具壽命比硬質合金提高3～15倍。最適于加工高硬度淬火鋼、高溫合金等難加工材料的切削。（2）、熱穩定性好立方氮化硼具有比金剛石更好的熱穩定性，可達1300～14000C，它在攝氏1000度的高溫下仍能保持硬質合金25攝氏度時的硬度。其高溫硬度高于陶瓷刀具。當溫度高達1370℃以上時，才開始由立方晶體