緒

論本課程的內容及要求金屬切削加工的地位和種類金屬切削發展簡史金屬切削發展趨勢一二三四《金屬切削原理與刀具》分為兩部分：（1）原理部分討論的是金屬切削加工過程中一系列現象、理論和規律，以及對規律的控制及應用。（2）刀具部分要學習常用標準刀具的結構、工作原理、選擇使用方法以及常用非標準刀具的設計原理與計算方法（如成形車刀等）。一、本課程的內容及要求1、本課程的內容2、本課程的任務

通過本課程的學習，應達到下列基本要求：

1、掌握金屬切削過程的基本理論、基本規律；理解其應用。

2、掌握刀具的幾何角度、常用刀具材料的性能和應用范圍；理解常用金屬切削刀具的類型、結構特點與應用范圍，并能正確的選擇與使用。

3、能初步具有選擇合理的刀具材料、常用刀具合理的幾何參數、切削用量及其它切削加工條件的能力；初步掌握刀具的設計計算方法。

4、了解金屬切削理論研究及刀具的最新成就和發展趨勢。

二、金屬切削加工的地位和種類1、金屬切削加工的地位

金屬加工方式→兩大類（1）熱加工（2）冷加工金屬切削加工在機械制造工業以及國民經濟發展中處于非常重要的地位。（無屑加工）鑄造、鍛壓、粉末冶金、焊接、熱處理及表面處理等。（有屑加工）金屬切削加工注：特種加工（電加工、電化學加工、激光加工等）屬于無屑加工范疇，是金屬切削加工中的一種特殊加工方法。金屬切削加工重要地位之體現制造業——創造財富占所有行業的2/3

機械制造業——制造業中的主導切削加工——機械制造過程中所占比重最大，用途最廣金屬切削機床——占機械制造中所用工作母機80％～90％美國——1000億美元日本——10000億日元我國——320億元美日德、英法——1000億美元、400億美元2、金屬切削加工的種類

幾種主要的切削加工方法：車削加工（外圓）銑削和刨削加工（平面、復雜幾何型面）鉆削、鏜削、鉸削加工（孔）磨削加工本課程會介紹切削加工的一般規律，分析影響切削加工的各種因素。三、金屬切削發展簡史金屬切削機床發展1765年，JamesWatt發明蒸汽機1775年，英國J.Wilkinson研制成加工蒸汽機汽缸的鏜床，鏜削汽缸內孔1797年，誕生滑動刀架的車床1817年，創造了龍門刨床1818年，美國Eli.Whitney發明銑床1865年，巴黎國際博覽會前后，各式車床、鏜床、刨床、插床、齒輪機床和螺紋機床等相繼出現，相關刀具已制成金屬切削原理的研究始于19世紀中葉。1851年，法國人M.Cocquilhat最早測量了鉆頭切削鑄鐵等材料時的扭矩,列出了切除單位體積材料所需功的表格。1864年，法國人Joessel研究了刀具幾何形狀對切削力的影響。1870年,俄國人И.Α.TИMe研究了切屑的形成和切屑類型，提出了金屬材料在刀具的前方不僅受擠壓而且受剪切的觀點。

1896年，俄國人Α.Α.布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此，切屑形成才有了較完整的解釋。1904年，英國人J.F.尼科爾森制造了第一臺三向測力儀，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907年美國人F.W.Taylor研究了切削速度對刀具壽命的影響，發表了著名的泰勒公式。1915年，俄國人Я.Γ.烏薩喬夫將熱電偶插到靠近切削刃的小孔中測得了刀具表面的溫度(常稱人工熱電偶法)，并用實驗方法找出這一溫度同切削條件間的關系。

1924～1926年,英國人E.G.赫伯特、美國人H.肖爾和德國人K.科特文各自獨立地利用刀具同工件間自然產生熱電勢的原理測出了平均溫度（常稱自然熱電偶法）。1938～1940年美國人H.厄恩斯特和M.E.麥錢特利用高速攝影機通過顯微鏡拍攝了切屑形成過程，并且用摩擦力分析和解釋了斷續切屑和連續切屑的形成機理。

40年代以來，各國學者系統地總結和發展了前人的研究成果，充分利用近代技術和先進的測試手段，取得了很多新成就，發表了大量的論文和專著。例如，美國人S.拉馬林加姆和J.T.布萊克于1972年通過掃描電鏡利用微型切削裝置對切屑形成作了動態觀察，得到用位錯力學解釋切屑形成的實驗根據。刀具材料變革（機械制造業高效、優質、低耗要求）1780～1898年，碳素工具鋼、合金工具鋼，v=6～12m/min1898年，美國F.W.Taylor和White發明高速鋼，v提高2～3倍1923年，德國研制WC-Co硬質合金，v提高2～4倍1960年后，開發新牌號硬質合金和陶瓷、人造金剛石、立方氮化硼等，加工各種難加工材料1970年后，表面涂層高速鋼、硬質合金極大提高了刀具切削性能我國金屬切削加工技術的發展概況我國古代切削加工技術就有光輝成就商代－青銅刀具，如刀、鉆、鋸、銼等公元前8世紀春秋時代－鐵制鋸、鑿等工具（中晚期-《考工記》，介紹木工、金工等專業知識，“材美工巧”。）公元1668年－馬拉銑床、腳踏砂輪機1915年－上海榮昌泰機器廠制出國產第一臺車床1947年－民用機械工業三千多家，機床兩萬多臺，使用工具鋼刀具我國金屬切削加工技術的發展概況

建國以來，我國的機械制造業不斷壯大，金屬切削加工技術也得到了飛速發展。設立專門科研機構，建立了四大工具廠，推廣高速切削、強力切削等先進的切削方法；在金屬切削變形、切削力、切削熱、刀具磨損和刀具耐用度、以及加工質量等方面都取得了一定水平的科研成果；廣泛推廣應用硬質合金刀具，改革刀具。

80年代以后，我國金屬切削技術達到較高的水平，計算機已在切削理論研究和刀具設計中應用，各種先進的測試儀器已應用于切削機理的分析和研究中，并取得一系列科研成果。

我國金屬切削理論研究及加工技術與國外先進水平差距很大。機床三化（數控化、柔性化、智能化）切削磨削加工三化（高速化、高精度化、自動化）促進我國傳統機械制造業的改造，日益取得明顯成果。四、金屬切削發展趨勢二十一世紀切削加工技術發展的主要趨勢

發展高速高精度切削、開發新的切削工藝和加工方法、提供成套技術為特征的發展新階段

1、高速高精度切削成為切削加工的新工藝

以高速切削為代表的干切削、硬切削等新型切削工藝，符合制造技術為提高加工效率和質量、降低成本、縮短開發周期對切削加工提出的要求。

當代的高速切削不只是切削速度的提高，而是需要在制造技術全面進步和進一步創新上，達到切削速度和進給速度的成倍提高，并帶動傳統切削工藝的變革和創新，使制造業整體切削加工效率有顯著的提高。銑削：CBN銑削灰鑄鐵1000－2000m/min

車削：氮化硅陶瓷車削灰鑄鐵500－700m/min

滾齒：硬質合金滾刀加工16MnCr5350m/min

2、實現難加工材料加工技術的重大突破

長期以來，難加工材料如奧氏體不銹鋼、高錳鋼等用量將迅速增加，加工的矛盾更加突出。與此同時，產品的材料構成將不斷優化，新的工程材料也不斷問世，而每一種新型材料的采用都對切削加工提出了新的要求。

我們必須探索從根本上解決難加工材料大量使用及其品種性能多樣化帶來的世紀性難題，創新加工技術，開發包括激光在內的新“刀刃”和加工方法。3、滿足制造業對切削加工新技術和新產品空前高漲的需求

產品多樣化和個性化的趨勢將進一步加劇，制造業的產品更新速度也勢必大大加快。每一種新產品的開發都意味著零件功能、結構、材料的重大變更，也是對切削加工提出新的開發任務。企業必須投資新項目、革新現有加工方法、發揮切削加工特長、增加企業競爭實力。4、迎接人類社會進步對切削加工的挑戰

實行降耗、節能、節材、減廢、有利于環境保護和人身健康的、實行清潔安全生產的“綠色工程”。實行“綠色工程”，開發“綠色制造技術”是新世紀切削加工發展的重要課題。未來金屬切削加工發展趨勢之一

——干式加工

近年來，特別是工業發達國家，非常重視干式切削，為了貫徹環境保護政策，更是大力研究、開發和實施這種新型加工方法。切削液在工作中對降低切削溫度起了很好的作用，也有利于斷屑和排屑，但同時也存在一些問題，冷卻液的使用、存儲、保潔和處理等都十分繁瑣，且成本很高。切削液對環境和操作者身體健康的危害一直受到使用限制。切削液的處理也不經濟，這些費用常常被低估，因為它們包含在間接費用之中。據美國企業的統計，在集中冷卻液加工系統中，切削液占總成本的14%-16%，刀具成本只占2%-4%。據預測如果20%的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6%。因此未來加工的方向是采用盡量少的切削液，耐高溫切削材料和涂層，使得干加工在機械制造領域變為可能。

金屬切削刀具的發展趨勢１、開發高性能的刀具材料

刀具材料技術的發展對刀具技術的發展起著至關重要的作用，開發新型刀具材料和強化現有的刀材，如硬質合金、陶瓷等的性能，研發適應硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是當前研究的熱點。２、開發精密和超精密加工刀具

這類刀具的研究代表了一個國家制造領域的高技術水準，直接影響到機械、國防、電子、計算機等許多方面的發展。超精密刀具技術主要是金剛石刀具刃磨技術和其他新型超硬刀具材料的研究與開發。３、開發多功能刀具

多功能刀具是指用一把刀就能實現數把刀才能實現的加工，即實現一次安裝多次走刀完工的要求。發展這樣的刀具可有效避免頻繁換刀和對刀，減少輔助時間，提高生產率和加工精度。４、開發適應性超強的柔性化刀具

當今材料種類繁多，如一種或幾種材料對應設計一把專用刀具，不但會造成刀具的設計、制造、管理和選用等許多麻煩問題，而且各種制造、管理費用也高。因此，開發通用性好、適應性強，能夠在多種條件下均能正常工作的刀具是刀具業的一個發展方向。５、開發高速切削刀具

高速切削技術是切削技術發展的方向，其優勢在于只需切一刀就可高速切除大量的多余材料而又達到很高的加工精度和表面質量。而高速切削技術所依賴的關鍵技術之一就是相應的高速切削刀具。６、開發環保型刀具

環境保護是人類社會賴以生存和發展的需要。近年來的“綠色制造工程”、“無公害切削技術”、“清潔化生產”等應運而生，而環保型刀具技術是解決這些問題的重要手段之一。因此，開發各種高剛性、高穩定性、高抗震性、高鋒定性、低摩擦、低噪音、無需切削液的干式切削刀具是刀具發展的一個重要方向。

７、開發高剛性連接系統、模塊化工具系統以及刀具監控與診斷系統。

零件的加工精度、生產率和成本、刀與機的連接剛性與換刀精度、刀具的磨損、刀具的高穩定性和可靠性等許多問題均與上述各系統有著密切的關系。因此，開發這類系統是整個制造業發展的需要。直徑2丈（6.7米），加工天文儀器上的銅環或磨石第一節

切削運動及切削參數

按工件與刀具相對運動所起作用不同來分，切削運動可分為主運動和進給運動。1、主運動

車床主軸帶動工件旋轉切下切屑所必需的運動。（切削刃上選定點相對于工件的瞬時運動）主運動切削速度最高，消耗能量最大；可由工件完成，也可由刀具完成；一、切削運動機床通常只有一個主運動；可以是直線運動，也可以是回轉運動；切削速度v，主運動方向2、進給運動

為保持繼續切削所需的工件與刀具的相對運動。運動速度低，消耗功率??；可由工件完成，也可由刀具完成；進給運動可以有幾個，可以是連續運動，也可以是間歇運動；可以是直線運動，也可以是回轉運動，或者是兩者的組合；進給速度vf，進給運動方向。圖1-1車削運動、形成的表面、切削層和車外圓切削時間的計算

1-待加工表面2-過渡表面3-已加工表面

合成切削運動

當主運動和進給運動同時進行時，刀具切削刃上選定點相對于工件的運動稱為合成切削運動。其大小和方向用合成速度向量Ve表示，Ve=V+Vf

進給運動角Ψ：某一瞬時主運動方向與進給運動方向之間的夾角。合成切削速度角η：主運動方向與合成切削方向的夾角。二、車削中所形成表面

切削加工過程是一個動態過程，在切削過程中，工件上通常存在著三個不斷變化的切削表面。即：

1、待加工表面：工件上即將被切削的表面。2、過渡表面（加工表面）：工件上由車刀切削刃正在形成的表面。介于已加工表面和待加工表面之間。3、已加工表面：車刀切削后在工件上形成的表面。三、切削用量

用來表示切削運動的參量。1、切削速度（vc）切削刃上選定點相對于工件主運動的瞬時速度稱為切削速度。

由于切削刃上各點的切削速度可能是不同，計算時常用最大切削速度代表刀具的切削速度。

當主運動為旋轉運動時：

m/s或m/min式中d—完成主運動的工件或刀具的最大直徑，mm；

n—主運動的轉速，r/s或r/min。2、進給量（f）刀具在進給運動方向相對工件的位移量(工件每轉刀具位移量)，mm/r

進給速度vf表示也可,切削刃上選定點相對于進給運動的瞬時速度。

vf=n·f

(mm/s或mm/min)3、背吃刀量（ap）垂直于進給速度方向的切削層最大尺寸。(基面上測量)外圓車削

式中dw--工件待加工表面直徑，mm。

dm--工件已加工表面直徑，mm。

車刀切削時，每一個單程所切除的工件材料層。（刀具的刀刃在一次走刀中從工件待加工表面切下的金屬層。）

刀具從位置Ⅰ移到位置Ⅱ切下的工件材料層。

四邊形ABCD→切削層公稱橫截面積四邊形ABCE→切削層實際橫截面積△AED→殘留在已加工表面上的橫截面積

AABCD-A△AED=AABCE四、切削層圖1-1車削運動、形成的表面、切削層和車外圓切削時間的計算

1-待加工表面2-過渡表面3-已加工表面（1）切削層公稱厚度hD

在主切削刃選定點的基面內，垂直于工件過渡表面測量的切削層橫斷面尺寸。

hD

＝fsinκr

五、切削層參數（影響切屑變形、切削力）（2）切削層公稱寬度bD

在主切削刃選定點的基面內，平行于工件過渡表面測量的切削層橫斷面尺寸。

bD

＝ap/sinκr

（3）切削層公稱橫截面積AD

在主切削刃選定點的基面內度量的切削層的橫截面面積。

AD＝hD

bD＝fapAD只與ap、f有關

反映切削效率高低常用的兩指標。1、切削時間tm切削時直接改變工件尺寸、形狀等所需時間。車外圓時tm可由下式求出：

提高切削用量三要素vc、f、ap中任何一個，都可縮短切削時間，提高生產效率。2、材料切除率單位時間內所切除材料的體積。第2節

刀具定義及理論角度一、刀具的組成外圓車刀是最基本、最典型的切削刀具，由切削部分（又稱刀頭）和刀柄組成。

其它各類刀具，如刨刀、鉆頭、銑刀等，都可以看作是車刀的演變和組合。

我們主要研究切削部分的幾何參數。切削部分由刀面A、切削刃S和刀尖組成。1、刀面（1）前面：刀具上切屑流過的表面。（2）后面：與工件上過渡表面相對并相互作用的刀具表面。

注：為了提高刃口強度以滿足不同加工要求，在前、后面前端可磨出倒棱和刃帶。（3）副后面

：與工件上已加工表面相對并相互作用的刀具表面。

前面和后面之間所包含的刀具實體部分→刀楔。2、切削刃（1）主切削刃S：前面與后面的交線。它完成主要的切削工作。（2）副切削刃

：除主切削刃以外的切削刃。（前面與副后面的交線。）它配合主切削刃完成切削工作，并最終形成已加工表面。切削刃不可能刃磨得很鋒利，前面和后面之間總有一些刃口圓弧存在。切削刃口鋒利程度可用刃口圓弧半徑rn表示。高速鋼刀具，rn=0.01～0.02mm；硬質合金刀具，rn=0.02～0.04mm。

圖1-3刃口圓弧半徑rn3、刀尖主切削刃與副切削刃連接處的一段刀刃。有時為了提高刀具的壽命，在刀尖處磨有圓角或倒角。

圖1-4車刀的刀尖

為保證切削加工順利進行，刀具切削部分必須具有合理的幾何角度（表示切削刃和各個刀面的方位角度），必須建立由三個坐標平面組成的參考系。

參考系即定義和規定刀具角度的各基準坐標平面，有兩類：刀具靜止（標注角度）參考系－是刀具設計時標注、刃磨和測量的基準。刀具工作參考系－是確定刀具切削工作時角度的基準。二、刀具角度參考系刀具靜止（標注角度）參考系

1、假定條件1）假定運動條件：忽略進給運動的影響，用刀具主運動代替合成運動。2）假定安裝條件：刀具的底面平行于水平面；刀桿中心線垂直于進給運動方向。（外圓車刀：刀尖與工件中心等高。）2、常用參考系常用的刀具標注角度參考系有三種：（1）正交平面參考系－刀具設計時標注、刃磨、測量角度最常用

基面Pr、

切削平面Ps、

正交平面Po組成；（2）法平面參考系－標注可轉位刀具或大刃傾角刀具時常用

Pr、

Ps、法平面Pn組成；（3）假定工作平面參考系－銑削刀槽、刃磨刀面時常用

Pr、假定工作平面Pf、背平面Pp

組成；3、刀具標注角度參考系參考平面

1)基面Pr：通過切削刃上選定點，垂直于該點切削速度的平面。2)切削平面Ps：通過切削刃上選定點，與切削刃相切且與基面Pr垂直的平面。3)正交平面Po：通過切削刃上選定點，同時垂直于該點的基面Pr和切削平面Ps的平面。4)法平面Pn：通過切削刃上選定點，垂直于切削刃的平面。5)假定工作平面Pf：通過切削刃上選定點，平行于假定進給運動方向并垂直于基面Pr的平面。6)背平面Pp：通過切削刃上選定點，同時垂直于假定工作平面Pf與基面Pr的平面。圖1-5基面、切削平面和正交平面

圖1-6正交平面參考系主、副切削刃上的坐標平面

圖1-7法平面參考系和正交平面參考系

圖1-8假定工作平面參考系的坐標平面刀具的標注角度是刀具設計圖樣上標注出的角度，是刀具制造、刃磨和測量的依據。確定刀具上刀刃位置的角度；確定前面與后面位置的角度。在各類參考系中最基本的刀具角度只有4種類型，即前、后、偏、傾四角。三、正交平面參考系車刀的標注角度1、前角在正交平面中測量的前面與基面之間的夾角。前角表示前面的傾斜程度，有正、負和零值之分。2、后角在正交平面中測量的后面與切削平面之間的夾角。后角表示后面的傾斜程度，一般為正值。

楔角

：前刀面與后刀面的夾角3、主偏角

在基面中測量的切削平面與假定工作平面之間的夾角。（主切削刃在基面上的投影與進給運動方向之間的夾角。）

主偏角一般為正值。4、刃傾角

在切削平面中測量的主切削刃與基面之間的夾角。

圖1-9正交平面參考系中的車刀標注角度

圖1-10車刀前、后角和刃傾角正、負的規定

a）前、后角b）刃傾角小結

以上四個角度確定了車刀主切削刃及其前面、后面在空間的位置。

確定前面方位確定后面方位“一刃兩面四角”確定主切削刃方位

要確定副切削刃及其相關前面、副后面的方位也需要四個角度：副前角γo′、副后角

o′、副偏角kr′和副刃傾角λs′。由于車刀主切削刃和副切削刃共處于同一前面上，當標注了γo、λs兩角，前面的方位就確定了，副切削刃前面的定向角γo′、λs′就屬于派生角度，不必再標注。（可由角度換算得出）副切削刃上的獨立角度只有副偏角kr′和副后角

o′。5、副偏角在基面中測量的副切削平面與假定工作平面之間的夾角。副偏角一般為正值。6、副后角

在副正交平面中測量的副后面與副切削平面之間的夾角。小結

一把外圓車刀當主、副切削刃共處一個平面時，若要確定刀具主、副切削刃和前面、主后刀面以及副后面在空間的位置，必須標注6個角度：

“兩刃四面六角”

（直頭外圓車刀、偏頭外圓車刀等）

（注：切斷刀→“三刃四面八角”）

圖1-11車外圓時偏刀的標注角度

圖1-12切斷刀的標注角度

作業1-1、1-2、1-3畫圖表示車削端面時正交平面參考系的標注角度。1.4切削方式1、自由切削只有一條主切削刃參加切削工作的情況。切削刃上各點切屑流出的方向相同。切削變形過程較簡單，是進行切削實驗常用的方法。2、非自由切削主、副切削刃同時參加切削的情況。主副切削刃交匯處金屬變形相互干涉，從而使變形較復雜。實際切削通常都是非自由切削。一、自由切削與非自由切削

圖1-20正切削和倒切削

a）正切削b）倒切削1、正切削ap遠大于f的切削方式。切屑沿著接近正交平面方向流出。前述刀具幾何角度的定義均由正切削得出。2、倒切削ap遠小于f的切削方式。切屑沿著接近副正交平面方向流出，主副切削刃作用顛倒。常見于寬刃大進給切削中。二、正切削與倒切削1、直角切削切削刃與切削速度方向垂直的切削方式。刃傾角λs=02、斜角切削切削刃不垂直于切削速度方向的切削方式。刃傾角λs≠0λs較大時，具有刃口鋒利，實際前角明顯增大，排屑輕快等優點。以刨代磨三、直角切削與斜角切削

圖1-21斜角切削第二章

刀具材料刀具切削部分材料的性能

切削部分的幾何參數刀具結構

切削生產率、刀具使用壽命刀具消耗、加工成本加工精度、表面質量本章主要講解刀具切削部分材料性能；常用刀具材料牌號、性能與選用。刀具切削性能的好壞刀具材料（3）高的耐熱性（2）足夠的強度和韌性2.1刀具材料應具備的性能

刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標志，通常用高溫下保持高硬度的性能來衡量，也稱熱硬性刀具材料應具備以下性能：（1）高硬度和高耐磨性（4）良好的工藝性（1）高的硬度和耐磨性硬度：刀具是從工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度應在62HRC以上。

對于碳素工具鋼材料，在室溫條件下硬度應在62HRC以上；高速鋼硬度為63HRC～70HRC；硬質合金刀具硬度為89HRC～93HRC。耐磨性：表示材料抵抗磨損的能力

一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相組織中硬質點（如碳化物、氮化物等）越多，顆粒越小，分布越均勻，則刀具耐磨性越好。（2）足夠的強度與韌性刀具材料在切削時要受到很大的切削力及沖擊和振動。

如車削45鋼，在背吃刀量ap＝4㎜，進給量f＝0.5㎜/r的條件下，刀片所承受的切削力達到4000N，可見，刀具材料必須具有較高的強度和較強的韌性。一般刀具材料的強度用抗彎強度бb表示，韌性用沖擊韌度aK表示，反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力。一般刀具材料強度高，韌性則好，但硬度和耐磨性顯著降低。（3）高的耐熱性（熱硬性、紅硬性）刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標志。（綜合指標）耐熱性指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度、韌性的能力。通常用高溫硬度值來衡量。

刀具材料高溫硬度越高，則耐熱性越好，在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強，切削性能越好，允許的切削速度越高。此外刀具材料在高溫下還應具有抗氧化、抗粘結和抗擴散的能力（化學穩定性）；還應有良好的導熱性好和耐熱沖擊性。（4）良好的工藝性刀具不但要有良好的切削性能，本身還應該易于制造，這要求刀具材料有較好的工藝性（制造和刃磨刀具的難易程度），如鍛造、熱處理、焊接、磨削、高溫塑性變形等性能。經濟性—評價新型刀具材料的重要指標之一；正確選用刀具材料、降低產品成本主要依據之一。

價格低廉、成本低、資源豐富、立足國內小結

選擇刀具材料時很難找到各方面的性能都是最佳的，因為材料性能之間有的是相互制約的。只能根據工藝需要保證主要需求的性能。

如：粗加工鍛件毛坯加工硬材料

四大類：工具鋼超硬刀具材料

耐熱性差，抗彎強度高，價格便宜，焊接與刃磨性好，用于手工工具及中低速切削的成形刀具。

生產中用的最多、最廣。

耐熱性好，生產效率高，刀片強度韌性不及工具鋼，焊接與刃磨性也比工具鋼差，多用于制作車刀、銑刀及各種高效切削刀具。

強度低、脆性大，成本高，僅用于某些有限的場合。使用量日益增長碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質合金陶瓷

金剛石立方氮化硼2.2常用刀具材料圖2-1各類刀具材料硬度和韌性一、高速鋼

（一）概念

高速鋼（又名“鋒鋼”）是一種加入了較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。

（二）性能

①一定的硬度和耐磨性

硬度一般為63～66HRC。

②較高的熱穩定性

在切削溫度高達500～650℃時尚能保持高硬度。

③切削速度高

比碳素工具鋼、合金工具鋼速度提高了1～3倍，故得名“高速鋼”。

④較高強度和韌性

適于加工從有色金屬到高溫合金的范圍廣泛的金屬材料。⑤良好的工藝性

制造工藝簡單，具有特別好的冷加工工藝性（在熱處理前，高速鋼可以象一般中碳鋼一樣的進行各種加工；熱處理后，高速鋼刀具可以磨出鋒利的切削刃。）、磨削加工工藝性和較好的熱加工工藝性。

在鉆頭、絲錐、拉刀、齒輪刀具、成形刀具等低速小型、復雜及成形刀具制造中，高速鋼仍占主導地位。綜合性能好、應用范圍廣

（三）分類

1、普通（通用）高速鋼（1）鎢系高速鋼（W18Cr4V簡稱

W18）應用最早，鋼磨削性能和綜合性能好，通用性強，可以制造各種復雜刀具。

碳化物分布常不均勻，強度與韌性不夠強，熱塑性差，不宜制造成大截面刀具。

鎢是稀有金屬，使用較少。（2）鎢鉬系高速鋼（以鉬代鎢，含鎢較少）①W6Mo5Cr4V2簡稱

M2優點：碳化物顆粒細小，分布均勻，具有良好的力學性能；抗彎強度、韌性比W18鋼高，能承受較大沖擊力；熱塑性特別好，更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性好，目前各國廣泛應用。缺點：耐熱性稍低于W18；熱處理時脫碳傾向大，易氧化；淬火溫度范圍窄。②W9Mo3Cr4V簡稱

W9（據我國資源研制）具有良好的力學性能、熱塑性和可磨性，熱處理溫度范圍寬，抗彎強度、沖擊韌性和熱穩定性均高于M2鋼，脫碳傾向比M2鋼小得多，可用于制造各種刀具（鋸條、齒輪刀具、鉆頭、拉刀、銑刀等）。加工各種鋼材時，刀具壽命比W18和M2都有一定提高。

2、高性能高速鋼

高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等合金元素的新鋼種。目的是為了提高高速鋼的耐熱性和耐磨性。具有較高的耐熱性，更好的切削性能，刀具耐用度是普通高速鋼的1.5～3倍。

適合加工的零件：奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強度鋼等難加工材料。

（1）鈷高速鋼應用最廣：W2Mo9Cr4VCo8（M42）良好的綜合性能，硬度高，允許較高切削速度，韌性好，可磨削性好，加工耐熱合金、不銹鋼時，刀具壽命較普通高速鋼有明顯提高。

（2）鋁高速鋼W6Mo5Cr4V2Al（501）在M2基礎上加Al增C600℃時硬度達到54HRC，切削性能接近M42鋼，可磨性低于M42，熱處理溫度較難控制。立足于我國資源研制，成本低，已推廣使用。

表2-1高速鋼的力學性能及主要用途3、粉末冶金高速鋼

用高壓氬氣或純氮氣霧化熔融的高速鋼鋼水，得到高速鋼粉末，然后在高溫高壓下，將粉末壓制成致密的鋼坯，最后再軋制（或鍛造）成材。

優點：無碳化物偏析，提高鋼的強度、韌性和硬度，硬度值達69～70HRC；保證材料各向同性，減小熱處理內應力和變形；磨削加工性好，磨削效率比熔煉高速鋼提高2～3倍；耐磨性好；節約鋼材和工時。適于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀和插齒刀），精密刀具和磨加工量大的復雜刀具。各類高速鋼刀具高速鋼材料制成的中心鉆

硬質合金是由高硬度的難熔金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金屬粘結劑（如Co、Ni等）用粉末冶金方法制成的一種刀具材料。二、硬質合金（一）主要性能硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質合金的硬度為89～93HRA，耐熱性可達800～1000℃。抗彎強度、抗沖擊韌性比高速鋼低，工藝性比高速鋼稍差，硬度、耐熱性比高速鋼高，切削速度比高速鋼提高4～10倍。已成為切削加工中主要的刀具材料，廣泛用在切削速度較高的各種刀具甚至復雜刀具中。

主要用于制造如車刀、刨刀、銑刀、深孔鉆、鉸刀等刀具。

硬質合金的力學性能，主要取決于金屬碳化物的種類、數量、顆粒粗細和粘化劑的種類、數量。

碳化物多→硬度高、耐磨性好

粘結劑多→抗彎強度高細晶粒強度低于粗晶粒細晶粒硬度高于粗晶粒（二）普通硬質合金

1、K類硬質合金（WC+Co）（YG）成分：90%~97%WC+3%~10%Co常用牌號：YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YG8C

含鈷越多，強度越高，硬度、耐熱性、耐磨性越低，適宜粗加工；含碳化鎢越多，硬度、耐熱性、耐磨性越高，強度越低，適宜精加工。YG類具有較高的抗彎強度和韌性，所以主要用于加工鑄鐵，也適用于加工有色金屬和非金屬材料。此外，YG類硬質合金還適用于加工鈦合金和不銹鋼。2、P類硬質合金（WC+TiC+Co）（YT

）成分：5%~40%TiC，其余為WC+Co常用牌號：YT5、YT14、YT15、YT30此類合金有較高的硬度、耐磨性和耐熱性，主要用于加工切屑成呈帶狀的鋼件等塑性材料。

合金中含TiC量越多，則硬度、耐熱性和耐磨性越高，強度越低→粗加工一般選擇TiC含量少的牌號，精加工選擇TiC含量多的牌號。3、M類硬質合金（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）（YW）成分：5%~10%TiC+TaC（NbC）

，其余為WC+Co常用牌號：YW1、YW2YW類硬質合金兼有YG類和YT類的優點，具有硬度高、耐熱性好和強度高、韌性好的特點。適用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加工，故被稱為通用硬質合金。

（三）其他硬質合金

1、TiC、TiN基硬質合金相當于P類硬質合金，硬度高于WC基。主要用于合金鋼、淬硬鋼精加工和半精加工。

2、超細晶粒硬質合金晶?？蛇_0.2～1μm主要用于不銹鋼、鈦合金等難加工材料的斷續加工，允許用較低切削速度切削。

3、鋼結硬質合金WC、TiC作硬質相，高速鋼作粘結相，粉末冶金方法制成。主要用于制造結構復雜耐磨的刀具及某些特殊刀具。選用加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料→YG

(高速切削可選YT)加工鋼料→YT

低速切削可選YG粗加工時，要求刀具抗彎強度和沖擊韌性高→選用含鈷量多的硬質合金精加工時，要求刀具硬度、耐磨性、耐熱性高→選用含鈷量少的硬質合金各類硬質合金鋼刀具三、涂層刀具概念：涂層刀具是在韌性較好的硬質合金基體上或在高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層或多層硬度和耐磨性很高的難熔金屬化合物而制成。常用的涂層材料有：TiC、TiN、TiCN

、Al2O3等。涂層形式：可以采用單涂層和復合涂層。

優點：涂層刀具具有較好的綜合性能，基體強度韌性較好，表面有高的硬度、耐磨性、耐熱性，因此具有較高的刀具耐用度。（涂層硬質合金刀具耐用度提高1～3倍，涂層高速鋼刀具耐用度提高2～10倍。）缺點：刃口鋒利程度、抗崩刃性不及普通合金適用范圍：主要用于車削、銑削等加工，由于成本較高，還不能完全取代未涂層刀具的使用。不適合受力大和沖擊大的粗加工，高硬材料的加工以及進給量很小的精密切削。1、涂層高速鋼刀具采用物理氣相沉積法（PVD）涂層，沉積溫度500℃左右。用鈍后可重磨后再用。特別適合加工鋼材；適用于結構較復雜的工具。2、涂層硬質合金刀具采用化學氣相沉積法（CVD）涂層，沉積溫度1000℃左右。大多采用復合涂層。其制造的可轉位刀片廣泛用于數控機床和加工中心。適用于各種鋼材、鑄鐵的精加工和半精加工，負荷較輕的粗加工也可使用。涂層硬質合金刀片2.3其他刀具材料一、陶瓷材料組成：主要由硬度和熔點都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物組成，另外還有少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑，通過粉末冶金工藝方法制粉，再壓制燒結而成。

特點：（1）有很高的硬度和耐磨性。常溫硬度達91~95HRA，可切削60HRC以上的硬材料；耐磨性為一般硬質合金的5倍，刀具壽命比硬質合金高；（2）有很高的耐熱性。1200℃維持80HRA，再高溫還能切削，切削速度比硬質合金提高2~5倍。（3）有很高的化學穩定性。陶瓷與金屬親和力小。（4）有較低的摩擦系數。切屑與刀具不易粘結。（5）強度和韌性差，熱導率低。陶瓷最大缺點是脆性大，抗沖擊性能很差。熱導率僅為硬質合金的1/2~1/5。適用范圍：高速精細加工硬材料。常用種類：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（1）氧化鋁陶瓷第一代陶瓷刀具材料

50年代使用。強度、韌性差，切削刃易微崩，使用范圍很有限。（2）氧化鋁—碳化物系陶瓷

70年代使用。將一定量碳化物（多用TiC）添加到Al2O3中熱壓燒結而成。TiC達30%可有效提高陶瓷的密度、強度與韌性，使刀片不易產生熱裂紋，不易破損。適于中高速加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼及高強度鋼等難加工材料。（3）氮化硅基陶瓷新型陶瓷刀具材料

80年代使用。有氮化硅陶瓷、Al2O3-Si3N4陶瓷。硬度高，強度、韌性高，耐熱性高，耐熱沖擊性高，抗氧化性能好，摩擦系數小。能高速切削，速度可達500～600m/min。適于精車、半精車，精銑、半精銑，可加工冷硬鑄鐵、高速鋼、鎳基合金、鈦合金等難加工材料。氮化硅陶瓷刀具二、立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由軟的六方氮化硼（白石墨）為原料在高溫高壓下加入催化劑轉變而成。70年代發展起來的新型刀具材料。性能：

（1）有很高的硬度及耐磨性。顯微硬度為8000～9000HV，僅次于金剛石。加工淬火鋼，刀具壽命比硬質合金提高3～15倍。

（2）有很高的熱穩定性。耐熱性可達1400～1500℃，適合在高速下切削高溫合金。

（3）化學穩定性好。CBN與鐵系金屬在1200～1300℃時也不起化學反應，可高速切削淬火鋼、冷硬鑄鐵。

（4）有較高的導熱性和較小的摩擦系數。熱導率為金剛石的1/2但遠高于陶瓷刀具，隨溫度升高而增加。

（5）強度和韌性較差?？箯潖姸葍H為陶瓷刀具的1/5～1/2，一般只用于精加工。適用范圍：

適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。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和銅合金。CBN脆性大，不宜低速切削，常采用負前角的高速切削，發揮高溫硬度性能。種類：1、整體聚晶立方氮化硼刀片

可用于車刀、鏜刀、鉸刀等。2、立方氮化硼復合刀片

充分發揮刀刃（CBN）的耐磨性和基體（WC）的韌性綜合作用，擴大使用范圍，降低成本。立方氮化硼刀具三、金剛石

金剛石是碳的同素異形體，是目前最硬的刀具材料，顯微硬度達10000HV。特點：（1）有極高的硬度和耐磨性。可加工65~70HRC材料，耐磨性是硬質合金的60～80倍，刀具壽命提高幾倍到幾十倍。（2）切削刃鋒利。能實現超精密微量加工和鏡面加工。（3）有很好的導熱性。熱膨脹系數低，切削加工時不會產生很大熱變形，利于精密加工。（4）耐熱性差。溫度超過800℃碳化失去切削能力，高溫下鐵原子易與碳原子作用而轉化為石墨結構，使刃口“破裂”。強度低，脆性大，對振動很敏感。分類：天然單晶金剛石刀具—主要用于有色金屬及非金屬的精密加工。價格貴，應用少。人造聚晶金剛石刀具—將金剛石微晶在高溫高壓下借助于合金觸媒的作用，燒結聚合而成的多晶體。抗彎強度和韌性提高，可直接鑲焊或粘結在刀桿上使用；可選用大切削用量；可自由刃磨。金剛石復合刀片—

在硬質合金刀片基體上燒結一層約0.5mm厚的聚晶金剛石。強度較高，允許切削斷面較大，也能間斷切削，可多次重磨使用。適用范圍：

用作磨具、磨料；用于高速條件下精細加工有色金屬及其合金和非金屬材料。

天然單晶金剛石晶體聚晶金剛石刀具選擇選擇刀具材料一般應遵循以下原則：（1）加工普通工件材料時→一般選用普通高速鋼與硬質合金；加工難加工材料時→一般選用高性能和新型刀具材料。只有在加工高硬材料或精密加工中常規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）任何刀具材料在強度、韌性和硬度、耐磨性之間總是難以完全兼顧，常先考慮耐磨性。

低速切削時→宜選強度和韌性好的刀具材料

高速切削時→宜選硬度和耐磨性好的刀具材料

發展近年來刀具材料發展與應用的主要方向是發展高性能新型刀具材料，提高刀具材料使用性能，增加刀刃可靠性，延長刀具使用壽命，大幅度提高切削效率，滿足各種難加工材料的切削要求。未來刀具材料發展特點：刀具材料將接受工件材料的挑戰，新品種、新牌號不斷出現，各自所占比重不斷變化，它們將相互補充、相互促進，交替發展。第三章

金屬切削過程的基本規律切削變形和切屑形成過程刀-屑面間摩擦和積屑瘤已加工表面變形和加工硬化切削力切削熱與切削溫度刀具磨損和刀具壽命第一節第四節第二節第三節第五節第六節學習目標掌握金屬的切削過程，三個變形區的變形特點；掌握切削力的測量與計算方法；掌握切削溫度的測量與分布；掌握刀具磨損的機理，刀具壽命與切削用量之間的關系。金屬切削加工過程是一個十分復雜的過程。切削過程中工件刀具之間產生相對運動切削層產生彈塑性變形后變為切屑金屬切削加工中的各種物理現象（切削力、切削熱、刀具磨損及加工表面質量等）均以切屑成形過程為基礎金屬切削變形是切削過程中最基本、最本質的問題。揭露金屬切削變形過程的物理本質，研究變形是產生的物理現象及變化規律，是金屬切削基礎理論研究的一個根本課題。它對于合理使用與設計刀具、夾具和機床，提高加工質量，降低成本，提高生產率和促進切削技術發展都有十分重要的意義。

3.1切削變形和切屑形成過程

金屬切削過程實質上是切削層金屬受到刀具前面的推擠后產生的以剪切滑移為主的塑性變形過程。因此，金屬切削變形的主要方式是剪切滑移，切削過程的基本問題是切削層的變形問題。實際生產中的切削大多數情況是斜角非自由切削，切削過程中的變形是復雜的三維塑性變形。研究切削形成的機理時，將切削過程簡化為“直角自由切削”，切削過程的變形是二維變形，問題簡化。直角切削：主切削刃與切削速度方向垂直自由切削：只有一條切削刃參加切削

切屑的形成過程切削層的金屬彈性變形塑性變形擠裂切離切屑切削層的金屬受到刀具前刀面的推擠后產生彈性變形隨著切應力、切應變逐漸增大，達到其屈服強度時，產生塑性變形而滑移刀具繼續切入時，材料內部的應力、應變繼續增大，當切應力達到其斷裂強度時，金屬材料被擠裂沿刀具前刀面流出金屬在加工過程中會發生剪切和滑移，表示了金屬的滑移線和流動軌跡，其中橫向線是金屬流動軌跡線，縱向線是金屬的剪切滑移線。金屬切削過程的塑性變形通常可以劃分三個變形區。一、切削時的三個變形區域（一）第Ⅰ變形區（剪切滑移區）切削層金屬從開始塑性變形到剪切滑移基本完成的過程區。當切屑層達到OA線處時，切應力達到材料屈服強度，產生剪切滑移，切削層移到OM線上，剪切滑移終止，切削層脫離母體形成切屑，然后沿前面流出。

是金屬切削變形過程中主要變形區，在這個區域內，金屬將產生大量的切削熱，并消耗大部分功率。此區域較窄，寬度僅0.02～0.2mm。圖3-2切屑形成過程

a）切削層的剪切滑移過程b）切屑形成時各作用角c）切屑形成金相照片（二）第Ⅱ變形區

切屑沿前刀流出時受到前面的擠壓和摩擦，變形進一步加劇，使靠近前面的金屬纖維化，基本與前面平行。切屑底層薄的一層金屬流動滯緩，稱為滯流層。而且，切屑與前刀面的壓力很大，高達2～3GPa，由此摩擦產生的熱量也使切屑與刀具溫度上升到幾百度的高溫，切屑底部與刀具前面發生粘結現象。（擠壓摩擦區）

切屑流出時與刀具前面接觸產生變形的區域。（三）第Ⅲ變形區

已加工表面受到切削刃鈍圓部分的擠壓和后面摩擦作用，產生變形與回彈，造成纖維化和加工硬化。已加工表面與后面的接觸區為第Ⅲ變形區。（擠壓摩擦回彈區）

近切削刃處已加工表面層內產生變形的區域。刃前區：三個變形區匯集在切削刃附近，此處的應力集中而復雜，被切削層在此與工件本體材料分離。完整的金屬切削過程由上述三個變形區構成，既包括了切屑形成過程，又包括了已加工表面的形成過程。三個變形區之間是互相聯系又互相影響的。金屬切削過程中許多物理現象都和三個變形區的變形密切相關。研究切削過程中的變形，是掌握金屬切削技術的基礎。二、切屑類型由于工件材料不同，切削條件不同，切削變形的程度也就不同，因而所產生的切屑形態也就多種多樣。歸納起來，可分為以下四種類型：從左至右前三種為切削塑性材料的切屑，最后一種為切削脆性材料的切屑。圖3-3切屑的類型

a）帶狀切屑b）節狀切屑c）粒狀切屑d）崩碎切屑1、帶狀切屑

帶狀切屑是最常見的一種切屑。內表面是光滑的，外表面是毛茸狀的。一般加工塑性金屬材料（如碳素鋼、合金鋼、銅和鋁合金）

，切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時，得到的往往是這類切屑。它的切削過程比較平穩，切削力波動較小，已加工表面粗糙度較小。

2、節狀切屑

節狀切屑又稱擠裂切屑和帶狀切屑不同之處在于外表面呈鋸齒形，內表面有裂紋。切削層在塑性變形過程中，剪切面上局部位置處剪應力達到材料強度極限而產生局部斷裂。一般加工微脆而易于引起剪切滑移的塑性材料（如黃銅）

，切削厚度較大、切削速度較低、刀具前角較小時，得到的往往是這類切屑。它的切削過程不平穩，切削力波動較大，已加工表面粗糙度較大。

帶狀切屑節狀切屑粒狀切屑切削平穩，力波動小滑移量較大，局部切削不平穩，力波動大加工面光潔，斷屑難剪應力達斷裂強度加工表面粗糙少見↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓ap3、粒狀切屑

粒狀切屑又稱單元切屑當切屑形成時，如果在節狀切屑的整個剪切面上剪應力超過了材料的破裂強度極限，裂紋擴展到整個面上，則整個單元被切離，成為梯形的粒狀切屑。

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，粒狀切屑的切削力波動最大。切屑形態可以隨切削條件而轉化

：帶狀切屑、節狀切屑、粒狀切屑影響切屑形態的因素及切屑形態的相互轉化工件材料塑性前角切屑厚度切削速度

高低大小小大高低切屑形態對切削加工的影響切削力波動切削過程平穩性加工表面粗糙度

小大好壞小大切削脆性金屬（如灰鑄鐵、鑄黃銅等）時，由于材料的塑性很小、抗拉強度較低，刀具切入后，切削層內靠近切削刃和前刀面的局部金屬末經明顯的塑性變形就在張應力狀態下脆斷。形成不規則的碎塊狀切屑，同時使工件加工表面凹凸不平。工件材料越是硬脆，切削厚度越大時，越容易產生這類切屑。由于它的切削過程很不平穩，容易破壞刀具，也有損于機床，已加工表面又粗糙，因此在生產中應力求避免。改進方法：

減小切削厚度，使切屑成針狀或片狀；

適當提高切削速度，以增加工件材料的塑性。

4、崩碎切屑

三、切削變形程度的表示常用的指標有：剪切角Φ、切屑厚度壓縮比Λh(變形系數ξ）、剪切面上相對滑移量ε剪切角Φ

：剪切滑移面與切削速度方向之間的夾角。

Φ越小，切屑越厚越短，變形程度越大，切削越費力。Φ——衡量切削層變形程度的重要參數之一圖3-4切削變形程度表示

a）切屑與切削層尺寸b）前角、剪切角與切削變形關系c）剪切角確定在直角自由切削的情況下，作用在切屑上的力有：Fy

前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff合力Fr

剪切面上的正壓力Fns和剪切力Fs合力Fr′切屑厚度壓縮比Λh：表示切屑的外形尺寸變化大小的一個參數。在金屬切削加工中，刀具切下的切屑厚度hch通常都要大于工件上切削層厚度hD，而切屑長度lch卻小于切削層長度lD。根據Fr（主應力方向）與Fs（最大剪應力方向）之間的夾角為45°的原理李和謝弗(1eeandShaffer)公式

(1)當前角γo增大時，φ角隨之增大，變形減小?？梢娫诒ＷC切削刃強度的前提下，增大刀具前角對改善切削過程是有利的。(2)當摩擦角β增大時，φ角隨之減小，變形增大。因此在低速切削時，采用切削液以減小前刀面上的摩擦系數是很重要的。切屑厚度壓縮比Λ直觀地反映了切削變形程度，并且比較容易測量，較常使用。顯見，增大前角γo，減小前面上摩擦（β角），

剪切角Φ增大，切屑厚度壓縮比Λh減小，即切削變形小。3.2刀-屑面間摩擦和積屑瘤

前面與切屑的摩擦對切削層的變形有很大影響，它影響到切屑的形成、切削力、切削溫度、刀具的磨損、積屑瘤和鱗刺的形成以及已加工表面的質量。可見研究探討前面上的摩擦在切削過程中所起的作用，也是很重要的。一、刀-屑面間摩擦特點冷焊：在近刀刃處的lfi長度內由于高溫、高壓作用，刀-屑面間接觸點被擠平而形成粘結或稱冷焊。（靠近前面處切屑底層很薄的一層金屬由于被粘結而滯流，而上層金屬仍在高速流動，這樣就在切屑底層的各層金屬間產生了內摩擦。）切塑性金屬時前面上應力分布情況→刀-屑接觸區可分兩部分：粘結區lf1:

剪切滑移，內摩擦滑動區lf2:

滑動摩擦，外摩擦（一般內摩擦力約占總摩擦力的85%）特點：正應力σf是變化的，離刀刃越遠σf越??；而切應力τf在粘結區不變，等于材料的剪切屈服強度τs

。圖3-5刀—屑面間摩擦區a)內摩擦區應力分布b）內摩擦區內粘結照片刀-屑面間摩擦系數切削時前面的摩擦，由粘結區的內摩擦起主要作用。所以在研究刀屑的摩擦時，應以內摩擦為主要依據。不同材料摩擦系數不同，主要是由于工件材料剪切屈服強度不同。當切削材料的強度和硬度越高，進給量f越大時，正壓力增大，摩擦系數μ減小，切削變形減小。

滯流層：刀-屑面間產生粘結，增大了切屑流出的阻力，促使切屑底面薄層內流速減慢，出現了滯流層，其中底層流速為0。接近前面的切屑底層晶粒拉長，形成與前面平行的纖維層，流速很慢，變形程度非常劇烈。二、滯流層與積屑瘤形成積屑瘤：

在一定壓力和溫度條件下，流速極低的滯流層被剪切斷裂粘附在刀刃處，該粘附層受到了切屑流出時的擠壓和摩擦作用使硬度提高，高硬度的粘附層又繼續剪切流出切屑的底層金屬，如此層層堆積形成了硬楔塊，稱為積屑瘤。（切削速度連續切削塑性材料）

粘結冷焊→滯流層→積屑瘤圖3-6滯流層與積屑瘤a)滯流層b）刀刃處積屑瘤c）積屑瘤在切削

積屑瘤硬度很高可代替刀刃切削，但受到振動或外力作用下，會被切屑帶走或粘附在已加工表面上，繼而又形成、長高和脫落，如此重復進行。

1、積屑瘤對金屬切削過程產生的影響

（1）對刀具壽命的影響（2）增大實際刀具前角（3）增大表面粗糙度（4）影響加工精度（1）對刀具壽命的影響從積屑瘤在刀具上的粘附來看，積屑瘤可以保護刀刃，它代替刀具切削，減少了刀具磨損，提高刀具壽命。積屑瘤的粘附是不穩定的，它會周期性的從刀具上脫落，當它脫落時，可能使刀具表面金屬剝落，從而使刀具磨損加大。對于硬質合金刀具這一點表現尤為明顯。（2）增大實際刀具前角由于積屑瘤的粘附，刀具前角增大了一個γb角度，如把積屑瘤看成是刀具一部分的話，無疑實際刀具前角增大。刀具前角增大可減小切削力，對切削過程有積極的作用。而且，積削瘤的高度Hb

越大，實際刀具前角也越大，切削更容易。（3）增大表面粗糙度積屑瘤本身有一個變化過程。積屑瘤的底部一般比較穩定，而它的頂部極不穩定，經常會破裂，然后再形成。破裂的一部分隨切屑排除，另一部分留在已加工表面上，使加工表面變得非常粗糙?？梢钥闯?，如果想提高表面加工質量，必須控制積屑瘤的發生。（4）影響加工精度當積屑瘤存在時，實際的金屬切削層厚度比無積屑瘤時增加了一個△hD，顯然，這對工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，這個厚度△hD的增加并不是固定的，因為積屑瘤在不停變化，它是一個產生、長大、最后脫落的周期性變化過程，這樣可能在加工中產生振動。2、形成積屑瘤的條件

主要決定于切削溫度。此外，接觸面間的壓力、粗糙程度、粘結強度等因素都與形成積屑瘤的條件有關。1）一般說來，塑性材料的加工硬化傾向愈強，愈易產生積屑瘤；2）近切削刃處的溫度和壓力很低時，切屑底層塑性變形小，摩擦系數小，粘結不易產生，積屑瘤不易形成；高溫時，切屑底層材料軟化，剪切屈服強度下降，摩擦系數減小，積屑瘤也不易產生。（如切削中碳鋼）3）走刀量保持一定時，積屑瘤高度與切削速度有密切關系。在生產中對鋼、鋁合金和銅等塑性金屬進行較低速和中速車、鉆、鉸、拉和攻螺紋加工中常出現積屑瘤。

3、積屑瘤的控制影響積屑瘤的因素工件材料、切削用量、刀具角度、切削液等控制措施1）降低或提高切削速度。切削速度是通過切削影響積屑瘤的。通常vc＜3m/min或vc＞60m/min不易形成積屑瘤。

2）增大刀具前角、減小進給量、提高刀具刃磨質量和澆注切削液，均能減小切屑與前面接觸區的壓力、摩擦和降低溫度，不易形成積屑瘤。課堂問題某工廠車工師傅在粗加工一件零件時，他采用了在刀具上產生積屑瘤的加工方法，而在精加工時，他又努力避免積屑瘤的產生，請問這是為什么？在防止積屑瘤方面，你認為能用哪些方法？回答1、根據本節積屑瘤對加工的影響分析可知，積屑瘤能增大刀具實際前角，使切削更容易，所以這位師傅在粗加工時采用了利用積屑瘤的加工方法，2、積屑瘤很不穩定，它會周期性地脫落，這就造成了刀具實際切削厚度在變化，影響零件的加工尺寸精度。3、積屑瘤的剝落和形狀的不規則又使零件加工表面變得非常粗糙，影響零件表面光潔度。所以在精加工階段，這位師傅又努力避免積屑瘤的發生。3.3已加工表面變形和加工硬化1、已加工表面變形（刀刃鈍圓情況下已加工表面的形成過程）

切削層中有一層厚度為△a的金屬層不會沿剪切面OM方向滑移成為切屑，而是被切削刃鈍圓部分（O點以下）擠壓留在已加工表面上。該部分金屬經過刀刃鈍圓B點后，又受到后面BC段棱面的擠壓和摩擦，使工件表層受到剪應力，隨后開始彈性恢復，恢復高度為△h，已加工表面在CD段上繼續與后面摩擦，這部分切削層在OB、BC、CD段的擠壓和摩擦后，形成了已加工表面。刀刃鈍圓半徑

rn后面磨損帶VB彈性恢復區CD

加工硬化亦稱冷作硬化，是在第Ⅲ變形區內產生的物理現象。

任何刀具的切削刃口都很難磨得絕對鋒利，當在鈍圓弧切削刃及其鄰近的狹小后面的切削、擠壓和摩擦作用下，使已加工表面層△hD的金屬晶粒產生扭曲、擠緊和破碎，這種經過嚴重塑性變形而使表面層硬度增高的現象稱為加工硬化。2、加工硬化圖3-7已加工表面層內晶粒變化后果：

金屬材料經硬化后提高了屈服強度，并在已加工表面上出現顯微裂紋和殘余應力。因此，硬化降低了加工表面質量和材料的疲勞強度，增加下道工序加工困難，加速刀具磨損。在切削時應設法避免或減輕硬化現象。

衡量加工硬化程度的指標：加工硬化程度N和硬化層深度hy

H1—已加工表面顯微硬度H—金屬材料基體顯微硬度

減輕硬化程度的措施磨出鋒利切削刃減小刃口圓孤半徑。增大前角或后角使刃口圓孤半徑減小，切削變形減小。減小背吃刀量適當減少切入深度，使切削力減少，切削變形小，冷硬程度減輕。合理選用切削液減小刀具后面與加工表面摩擦，使硬化層深度減小。1、工件材料2、刀具幾何參數3、切削用量

影響切削變形的因素1．工件材料工件材料的強度、硬度越高，刀-屑面間正壓力越大，平均正應力增大，因此，摩擦系數下降，剪切角增大，切削變形減小。材料強度對變形系數的影響2．刀具幾何參數刀具前角越大，切削刃越鋒利，使剪切角增大，變形系數減小，因此，切削變形減小。生產實踐表明：采用大前角刀具切削，刀刃鋒利、切入金屬容易，切屑與前刀面接觸長度減短、流屑阻力小，因此，切削變形小、切削省力。（1）前角

（2）刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑對切削變形也有影響，刀尖圓弧半徑re越大，表明刀尖越鈍，對加工表面擠壓也越大，表面的切削變形也越大。

（3）主偏角主偏角越大，切削厚度越大，切屑厚度壓縮比越小，切削變形越小。刀具幾何參數中對切削變形影響最大的是刀具前角。3、切削用量由圖可以看出，隨切削速度變化的切屑厚度壓縮比曲線并不是一直遞減，而是在某一段有一個波峰，這實際是積屑瘤產生的影響。所以切削速度對切削變形的影響分為兩個段，一個是有積屑瘤段，另一個是無積屑瘤段。（1）切削速度有積屑瘤段情況切削速度對切削變形的影響主要是通過積屑瘤對切削變形的影響來實現的。積屑瘤增長階段：積屑瘤隨著切削速度的增大而增大，積屑瘤越大，實際刀具前角也越大，切削變形相對減少，所以在此階段，切削速度增加時，切削變形減小。積屑瘤消退階段：積屑瘤隨著切削速度的增加而減小，同時，實際刀具前角也減小，切削變形將增大，在積屑瘤完全消退時，切削變形將最大。無積屑瘤段情況切削速度越大，切屑厚度壓縮比越小，切削變形越小。

主要是因為塑性變形的傳播速度比彈性變形的慢。速度低時，金屬始剪切面為OA，當速度增大到一定值時，金屬流動速度大于塑性變形速度，在OA面金屬并未充分變形，相當于始剪切面后移至OA′，終剪切面OM也后移至OM′，第一變形區后移，使得剪切角增大，切屑厚度減小，切削變形減小。如圖所示，顯示了進給量（即切削厚度）對切削變形的影響。在無積屑瘤段，進給量f越大，切削厚度越大，切屑厚度壓縮比越小。切削變形越小。（2）進給量在切削過程中，切削力直接決定著切削熱的產生，并影響刀具磨損、破損、使用壽命、加工精度和已加工表面質量。在生產中，切削力又是計算切削功率，制定切削用量，監控切削狀態，設計和使用機床、刀具、夾具的必要依據。因此，研究切削力的規律和計算方法，將有助于進一步