金属切削原理与切削刀具
一、概述
(一)机械制造——将原材料制成“机械零件”并装配成“机器”的一系列活动。 机械制造流程：
1、市场调研→确定产品→策划→预设机构、部门； 2、图样设计→编制工艺→试制→设施厂房、设备、工装；
3、原材料采购→毛坯制造（铸造、锻压、冲压等）→热处理→机械加工（零
件制作）→装配→调试→产品销售市场。 （二）切削加工的分类
切削加工是利用切削工具从工件上切去多余材料的加工方法。通过切削加工，使加工变成符合图样规定的形状、尺寸和表面粗糙度等方面要求的零件。切削加工分为机械加工和钳工两大类。
1. 机械加工是利用机械力对各种工件进行加工的方法。它一般是通过工人操纵机床设备进行加工的，其方法有车削、钻削、镗削、铣削、刨削、珩削、超精加工和抛光等。
2. 钳工加工一般在钳台上以手工工具为主，对工件进行加工的各种方法。 （三）.切削加工的特点和作用 切削加工具有如下主要特点：
1.切削加工的精度和表面粗糙度的范围广泛，且可获得很高的加工精度和很低的表面粗糙度。
2.切削加工零件的材料、形状、尺寸和重量的范围较大。 3.切削加工的生产效率较高。
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4.切削过程中存在切削力，刀具和工件均具有一定的强度和刚度，且刀具材料的硬度必须大于工件材料的硬度。
正是因为上述第四个特点，了切削加工在细微结构和高硬高强等特殊材料加工方面的应用，从而给特种加工留下了生存和发展的空间。 （四）切削加工的发展方向
随着科学技术和现代工业日新月异的飞速发展，切削加工也正朝着高精度、高效率、自动代、柔性化和智能化方向发展，主要体现在以上三个方面： 1.工设备朝着数控技术、精密和超精密、高速和超高速方向发展。 2.具材料朝超硬刀具材料方向发展。
3.生产规模由目前的小批量和单品种大批量抽多品种变批量的方向发展，生产方式由目前的手工操作、机械化、单机自动化、刚性流水线自动化向柔性自动化和智能自动化方向发展。 二、金属切削过程及切削原理
（一）.金属切削—是指机械零件中金属（黑色金属和有色金属）制品成形过程；是机械零件加工中主要部分；即：通过“机床与刀具的相对运动”，切去坯件上多余的金属材料，获得形状、位置、尺寸和表面质量符合设计图样预期要求的机械零件的全过程；
金属切削过程——材料变形的过程：金属切削过程中，刀具与工件作相对运动。在运动力（切削力）的作用下，金属材料表层首先受到刀具的挤压，发生了弹性变形，当切削力超过被切材料的弹性极限时，便发生了塑性变形（塑性材料），内部组织受到破坏，在切削力的继续作用下，金属层就被挤下来。所以说：切屑不是切下来，而是被挤下来。因此切削过程，实际上是个材料变形过程。这个变形过程对被切材料的化学成份、物理性能、机械性能、热处理状态有关，也对刀具材料的性
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能和刀具的几何角度有关，还对机床的刚性、工艺系统的刚性、冷却液都有关。因此是一个相当复杂的过程。在生产实践中逐个的去认识它、分析它，也是衡量对金属切削加工理解深浅的标准。
如：① 被切材料是（钢、铝、紫铜等）塑性较大的材料，切削过程有四个阶段；
即：挤压（弹性变形），滑移（塑性变形）挤裂和切离而变成切屑； ② 被切材料是（铸铁、青铜等）脆性较大的材料，切削过程只有三个阶段；即：挤压、挤裂和切离，因为脆性材料未经塑性变形就被挤裂。
当然：切削过程中的各个阶段是连续的，非常复杂的，我们暂时不作分析。只是对刀具有关的问题作一简单的说明——也就是磨擦和发热。
由于切削过程中，刀具前刀面与切屑的强烈磨擦，刀具主后面与切削表面的磨擦，刀具付后面与已加工表面的磨擦。上面这些磨擦属于——外磨擦。
切削过程中，在高温高压、剧裂的变形中，材料内部分子间也发生了剧烈
的磨擦这属于——内磨擦。
由于外磨擦和内磨擦产生了很高的热量，当切削热超过刀具的红热极限温
度时，刀具就失去切削能力。为了降低切削热，就要减小切屑变形和磨擦。故是分析刀具材料、几何角度之前必须搞清的问题。
从切屑变形过程中可以知道：增大前角、主后角、付后角可以减小外磨擦，同时减小内磨擦（减小切屑变形）。因而减小发热，有利于切削，有利于提高刀具耐用度。但前角和后角增大，契角减小，
刀具强度降低，所以是矛盾的两个方 面。因此如何合理地选择刀具材料、几 何角度和切削用量是金属切削中一门主 要的技术。右图是切削过程中材料变形
的示意图： 切削过程示意图
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（二）切屑的形状
① 崩碎切屑：（脆性材料）象：铸铁、青铜等
切屑的形状② 挤裂切屑：（硬性材料）象：高碳钢、淬硬钢、铝铁青铜、有些铸造
铝合金也属挤裂切屑。
③ 带状切屑：（塑性材料或韧性材料），如：低碳钢、低碳合金钢、不
锈钢、硅钢、镍铬钢、软铝、紫铜等。
（三）切削加工中的必备条件：
1..工件与刀具必须有相对运动；
2. 刀具连续不断的进给（纵向、横向、斜向或圆周）； 3. 主运动和辅助运动如何定义？
一般：车、铣、镗、磨等----旋转运动为主运动，进给为辅助运动；
创、扦、拉等-----直线运动为主运动，间接进给为辅助运动；
（四）切削力的计算：
切削过程中，被切金属层变形和磨擦产生了阻力——这个力称为切削力；机床必须具备足够的动力，这个动力必须大于被切材料分子结合力才能从母体上切下切屑。
刀具对被切层的挤压，迫使被切层产生弹性变形与塑性变形的力——称于变形抗力；由于切屑沿着刀具前面流出，产生了磨擦力，刀具后面与工件磨擦也产生了磨擦力，这些力合起来就是总的切削力；用P来表示， 即：P = P2z+Px2+Py2 ；
Pz--主切削力：作用在切削速度方向上，消耗动力占总切削力的90%以上因
此设计机床、夹具、刀杆、刀具、刀片和选择切削用量时主要考虑Pz。
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Px--轴向力：作用在进给机构上，是设计进给机构的主要参数。
Py-- 径向力：将刀具推离被切表面，是造成让刀，引起振动的主要因素。 影响切削力的因素有：① 材料性能；② 刀具的几何角度；③ 切削用量（切削面积）；切削深度与Pz成正比，进给量增加一倍时，Pz增加约70%。切削速度对Pz影响较小。但对切削功力N切成正比。如 N切= PzV / 6120（KW）；④ 冷却液对切削力也有影响。
当在大面积粗加工时，要求预算切削功力N切是否小于机床系统输出功力N机
输
；一般用粗略公式计算：
切削钢质或球墨铸铁材料时 Pz=200×t×s×K（公斤） 切削铸铁或铸铝合金时 Pz=100×t×s×K（公斤） Px=0.4Pz K--刀具几何角度系数；（不考虑） K=1 则: N切 = Pz V / 6120（KW）；
Py=0.25Pz
目前我们切削的对象是压铸铝合金和铸铁，而且压铸件加工余量都较小，因此切削力或切削功力不必考虑，更不需要去计算，知道有这么回事就可以了。 （五）金属切削刀具材料：
1、金属切削过程中，刀具的切削部分在高温高压和剧烈磨擦的状态下工作。因
此，刀具的切削部分应满足下列基本要求：
① 冷硬性：常温下具有的硬度，一般要求HRC60以上。
② 耐磨性：耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，它是材料的硬度、强度和组织
结构等因素的综合反映。
③ 红硬性：在高温下能保持切削性能，它是评定刀具切削性能的主要指标。 ④ 坚韧性：切削过程中，刀具受到很大的切削力，冲击和振动，刀具必须具
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备足够的强度和韧性，才能防止刀具脆性断裂或崩刃。 ⑤ 抗粘附性：在高温高压下，不容易与被切金属粘结。 ⑥ 工艺性：便于制造和热处理性能。 2、常用刀具的种类：
① 碳素工具钢（T12A等），或合金工具钢（9SiCr等），淬火后硬度HRC62-66，耐热温度200℃～250℃，超过250℃硬度下降，失去切削能力，目前只用于手工刀具(如锉刀、锯条、鉴子等)。
② 高速钢（俗称白钢、锋钢），是含钨、铬、钒、钼等合金元素较多的，淬火后HRC-70，耐热温度
550℃～650℃，有较好的韧性、耐磨性和工艺性；常用来制造成形刀具（铣刀、铰刀、丝攻等）。
1）通用高速钢：如：W18Cr4V、W9Cr4V2、W6MO5Cr4V2等；
高速钢包括
2）高性能高速钢：如：W2MO9Cr4VCO8、W6MO5Cr4V2A1、W12MO3Cr4V3CO5Si等。
③ 硬质合金：硬质合金是由熔点很高的碳化物，如：碳化钨（WC）（3000℃～3300℃）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）、碳化钒（VC）、与铁族金属钴（Co）或镍（Ni），用粉末冶金在高温高压下烧结而成。硬质合金硬度很高，常温硬度HRA87-93（相当于HRC75-81），耐磨性好，耐热温度（800℃～1000℃），但抗弯强度和冲击韧性差，工艺性也差。 硬质合金根据材料的性能和加工对象不同分为：
1）钨钻类（YG），即：WC+Co，常温硬度HRA87-92，耐热温度800℃～900℃，适用于加工铸铁、青铜和有色金属材料，如YG8（国际K30）、
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YG6（国际K20）、YG3（国际K01）等。
2）钨钛钻类（YT），即：WC+TiC+Co，常温硬度HRA90-93，耐热温度900℃～1000℃，在高温切削条件下比YG类耐磨，但抗弯强度比YG类差，适用于加工碳钢、合金钢等；如YT5（国际P30）、YT14（国际P20）、YT15（国际P10）、YT30（国际P01）等。
3）钨钛钽（铌）类（YW），即：WC+TiC+TaC（NbC）+Co，常温硬度HRA91-93，
耐磨性、热硬性、抗粘附性、韧性和抗弯强度都较好；既可加工铸铁、有色金属也可加工碳钢、合金钢、不锈钢等，是通用性较好的刀具材料；如：YW1（国际M10）、YW2（国际M20）；YA6（WC+TiC+NbC+Co）适用于加工灰口铸铁、球墨铸铁、有色金属等。
4）钢结硬质金属： WC+ TiC作为硬质相，以铬（Cr）、钼（Mo）、镍（Ni）
作为粘结相，它具有良好的工艺性，淬火后硬度HRC70-73，适用于制造形状复杂的成形刀具（钻头、铰刀、滚刀、高精度量具等）。
5）碳化钛基硬质合金：即：WC+TiC+ Ni+Mo，常温硬度HRA93，耐磨性较好，
但脆性大，如：
YN05（国际P01）、YN10（国际P05），相当于YT30；适用于碳钢，合金钢的高精度精加工。
6）超细晶粒硬质合金YG6X（国际K10），提高了原有YG6的硬度和耐磨性，
但抗弯强度有所下降，适用于有色金属、球墨铸铁、冷硬铸铁及合金铸铁的半精加工和精加工。
7）涂层刀片：用化学气相沉积的方法在韧性较好的硬质合金（YT5、YG8等）
刀片上，涂复一层很薄（5-15微米）的碳化钛（TiC）或氮化钛（TiN）碳化铌（NbC）等耐磨碳化物，提高了表层硬度和耐磨性。保持原有的
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抗弯强度，是目前采用最广的刀具制造工艺。
④ 陶瓷材料（A12O3—三氧化二铝），硬度和耐磨性都超过硬质合金，但由于脆性太大，目前很少推广。
⑤ 金刚石刀片（PCD）：天然金刚石是目前自然界硬度最高的物质“HV10000”
（硬质合金HV1500-2000），目前采用的大多数是人造金刚石（PCD），HV9000，是将金刚石粉末在极高的温度和高压下烧结聚晶而成，然后制成刀片，耐磨性很高，但抗弯强度很低，脆性很大。适用于有色金属的精加工（特别是铸铝合金），也可加工硬质合金。但不能加工铁族金属，因金刚石与铁碳合金容易亲和粘结损坏。
⑥ 立方氮化硼（CBN），立方氮化硼刀片是用白色粉末状的六方氮化硼加金属
镁粉作触媒剂，在高温高压下聚晶烧结而成，硬度HV8000，具有很高的化学惰性、热稳定性和很高的耐磨性；适用于灰铁、球铁、合金铸铁、淬硬钢（HRC50左右）等的精加工，但加工有色金属效果不好；
立方氮化硼加工黑色金属见长，金刚石加工有色金属见长，两者是相补相成的。
（六）金属切削刀具“组成部分”的名称及定义：
1. 刀体————刀具的紧固部分；
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2. 前刀面———朝着切削速度方向的面，（切屑沿着它流出）； 3. 主后面———与切削表面相对的面； 4. 副后面———与已加工表面相对的面；
5. 主切削刃——前刀面与主后面的交线，（担负着主要切削任务）； 6. 副切削刃——前刀面与副后面的交线，（小部分担负着修光）； 7. 刀尖——主切削刃与副切削刃相交的地方； （七）金属切削刀具“几何角度”定义”：
以车刀为例：
1. 切削平面、基面—是确定刀具几何角度的基准面； 主截面、副截面—是标注刀具几何角度的剖切面；
① 切削平面——通过主切削刃上任一点，并与加工表面相切的平面。 ② 基面————通过主切削刃上任一点，并垂直于切削速度方向，即垂直于切削平面的一个平面。
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③ 主截面———通过主切削刃上任一点，并垂直于主切削刃在基面上投影的截面。通过主剖面，可 以确定刀具前面与基面、后面与切削平面、前面与后面、前面与切削平面；前角、主后角、契角、切削角之间的关系。
④ 副截面———垂直于副刀刃在基面上投影的截面；确定副前角、副后角（径向）；
2. 刀具的几何角度：
① 前角 “γ”： 在主截面中，前面与基面的夹角。其作用是：减小切削
过程中的变形，减小切屑与刀具前面的磨擦，使刀具锋利，切削轻快，但正前角过大，会减弱刀尖及切削刃口的强度。
② 主后角 “α”： 在主截面中，主后面与切削平面之间的夹角。其作用是：
减小主后面与切削表面的磨擦。使刀具锋利，但过大会减弱刀尖及切削刃的强度。
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③ 刃倾角 “λ”： 在K向视图中，主切削刃与基面的夹角。其作用是：改
变切屑流出方向，影向刀头强度（注意：过去定义——刀尖低为正刃倾角（+λ），刀尖高为负刃倾角（-λ）；现在新定义反过来，与国际标准相一致）。
1) 零刃倾角——切屑垂直于主刀刃从切削表面流出。
2) +λ——切屑从待加工表面或刀具方向流出，刀尖强度差，径向力小，切削中振动小。
3) -λ——切屑从已加工表面流出，容易划伤已加工表面；刀尖强度高，径向力大，切削中振动大。
④ 主偏角 “”： 主切削刃与走刀方向在基面上投影之间的夹角，其作用
是：改变切削厚度与切削宽度，改变径向力与轴向力的比例；影响刀具散热情况。
⑤ 副偏角 “1”： 副切削刃与走刀反方向在基面上投影之间的夹角，其作
用是：减小副切削刃与已 加工表面的磨擦，还影响已加工表面的粗糙度和刀具散热情况。
⑥ 副前角 “γ1”：（径向前角）在副截面中，前面与基面的夹角，影响切
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屑流出方向，影响刀尖强度。
⑦ 副后角 “α1 ”：（径向后角）在副截面中，副后面与通过副切削刃垂
直于基面的平面之间的夹角，其作用是：减小副后面与已加工表面的磨-4- 擦。
⑧ 楔角 “β”： 在主截面中，前面与主后面的夹角，= 90 -（γ+α）。 ⑨ 切削角 “δ”： 在主截面中，前面与切削速度方向（切削平面）的夹
角， δ= 90 -γ。
⑩ 刀尖角 “ω”： 主切削刃与副切削刃在基面上投影的夹角，其作用是：
影响刀尖强度和散热性能， ω= 180 -（+1）。
（八）静止角度和动态角度：
1. 静止角度（静态角度），即：刀具设计、制造图样上标注的角度。 静止角度的前提条件：①切削刃与工件回转中心等高；②刀具轴线垂直于工件回转轴线；
2. 工作角度（动态角度），是考虑到实际切削过程中，座标基准面的变化，实际起作用的角度。
① 刀具安装时没有垂直于工件回转轴线，即：主偏角与副偏角起变化。 ② 刀具安装高于或低于工件回转中心时，即：由于基面发生了变化，前角γ、后角α也随着变化，特别是径向前角γ径与后角α径 （在径向截面内）变化较大；如下图证明：
12 三、加工精度和表面质量 1. 加工精度的概念
零件的加工精度是指零件在加工后的实际几何参数（尺寸、形状和位置）与理想几何参数的符合程度。零件的加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。
（1）尺寸精度：尺寸精度指的是零件的直径、长度、表面间距离等尺寸的实际数值与理想数值的接近程度。尺寸精度是用尺寸公差来控制的。尺寸公差是切削加工中零件尺寸允许的变动量。
（2）形状精度：形状精度是指加工后零件上的线、面的实际形状与理想形状的符合程度
（3）位置精度：位置精度是指加工后零件上的点、线、面的实际位置与理想位置的符合程度。 3. 响加工精度的主要因素
在切削加工中，影响零件加工精度的主要因素如下：
（1）加工原理误差 加工原理误差是指因采用了近似的加工方法或传动方式及形状近似的刀具等而造成的误差。
（2）机床、刀具及夹具误差 机床、刀具及夹具误差包括制造和磨损两方面。它们对加工精度的影响是显而易见的，例如卧式车床的纵向导轨在水平面内的直线度误差，直接产生工件直径尺寸误差和圆柱误差；又例如，在车床上精车长轴和深孔时，随着车刀逐渐磨损，工件表面出现锥度而产生其直径尺寸误差和圆柱度误差。
（3）工件装夹误差 工件装夹误差包括定位误差和夹紧误差两方面。 （4）工艺系统变形误差 机床、夹具、工件和刀具构成弹性工艺系统，简
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称工艺系统。
（5）工件内应力 工件内应力总是接应力和压应力并存而总体处于平衡状态。当外界条件发生变化，如温度改变或从表面再切去一层金属后，内应力的平衡即遭到破坏，引起内应力重新分布，使零件产生新的变形。
二、表面质量 1、表面质量的概念
表面质量是指零件在加工后表面层的壮况。具体内容包括表面粗糙度、表面变形强化和残余应力等。
在切削加工中，由于振动、刀痕以及刀具与工件之间的磨擦，在工件已加工表面不可避免地留下一些微小峰谷。即使是光滑的磨削表面，广大后也会发现有高低不平的微小峰谷。零件表面上这些微小峰谷的高低程度称为表面粗糙度，也称微观不平度。国标规定了表面粗糙度的评定参数，其中最为常用的是轮廓算术平均偏差Ra
2、影响表面粗糙度的主要因素 （1）切削残留面积
（2）积屑瘤 同前面1-31可知，积屑瘤伸出刀尖之外，且不时破碎脱落。在工件表面上刻划出不均匀的沟痕，对表面粗糙度影响很大。
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（3）工艺系统振动 工艺系 统振动使刀具对工件产生周 期性的位移，在加工表面上 形成类似波纹的痕迹，使表 面粗切削加工中，应尽量 避免振动。
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