第四章 金属切削刀具 Cutting tools

第一节 概 述

本节内容 一 切削运动与切削要素 二 刀具切削部分的几何参数 三 金属切削基本理论 四 刀具分类 五 刀具材料 六 刀具发展

金属切削加工——利用刀具切除被加工零件多余的材料，形成已加工表面 金属切削加工的目的—— 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求 两个基本条件 ——切削运动 刀具 是机械制造工业中最基本的加工方法，在国民经济中占有重要地位。

机械制造行业所经历的技术变迁 工业革命前：生产加工是低效的手工劳作方式 1785 瓦特 蒸汽机在纺织工厂使用，机器代替手工劳动的序幕，机械化生产的基础，机器生产机器 1797 发明第一台滑动刀架车床 1873 第一台凸轮控制的自动车床

1910-1920 福特汽车公司，泰勒按节拍生产的理论，首先建立了流水线生产方式，创造了平均每分钟生产一辆T型车的记录。 1952 美国首先研制成功数控（Numerical Control NC）机床及自动编程，CAM的开端 1953 同一台机床上通过自动换刀实现铣、钻、镗、锪，铰、磨及攻丝等多种工艺的数控加工中心 （Machining Center）MIT美国麻省理工学院

1962 美国第一台工业机器人，（Industrial Robot） 1967 英、美FMS(Flexible Manufacturing system)柔性制造系统，解决十批量，离散形生产自动化。 60年代末——CAPP（Computer-Aided Process Plann-ing）计算机进行加工工艺路线和工序内容的设计及机床切削用量、时间定额等的选择与制定 1954 美国通用电器公司（GE）首次用计算机计算职工工资

1961：物料需求计划：MRPI Material Requirements Planning 1979：制造资源计划：MRPII Manufacturing Resources planning 管理信息系统 MIS Management Information System 目前 PDM 生产数据管理系统

零件在车间中停留时间示意图 机床上（5%） 运送和等待时间95% 装卸、测量、等待 70% 切削 30% 由此看出机械制造业的发展趋势

CIMS Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统：以制造技术，计算机技术，柔性制造技术，自动化技术和现代管理科学为基础，将制造业，工厂经营活动所需的各种自动化系统，通过新的生产管理模式，工艺理论和计算机网络有机地集成，使任何复杂的产品从设计到加工以及管理的工作量减少到最低限量。

我国金属切削方面的发展： 公元前2000多年 青铜器时代 青铜刀，锯锉，磨石 春秋中晚期 《考工记》金工知识 唐代 原始的车床 公元前2000多年 青铜器时代 青铜刀，锯锉，磨石 春秋中晚期 《考工记》金工知识 唐代 原始的车床 1668 畜力铣磨机 脚踏刃磨机 1915 第一台国产车床 1947 20000多台 碳素工具钢刀具 V=10m/min

或磨石 直径2丈（6.7米）， 加工天文仪器上 的铜环 ，

切削方式的发展离不开刀具材料，刀具结构的发展 刀具材料：高速钢硬质合金陶瓷超硬材料 刀具结构：整体式，焊接式，机类式，可转位式

特殊的金属切削加工方式： 超声波加工 振动切削 特种加工：①电火花加工（电脉冲） ②电解光加工 ③激光加工

本章内容与要求 金属切削原理与刀具是研究金属切削过程基本规律与刀具设计、使用的一门科学，是机械制造专业的重要课程。 其中切削原理又是本课及其它专业课的基础。

刀具材料的性能选用； 刀具切削部分几何参数； 切削过程现象与变化规律； 被切削材料的加工性； 提高加工表面质量与经济效益的方法 （一）金属切削原理研究的主要内容—— 刀具材料的性能选用； 刀具切削部分几何参数； 切削过程现象与变化规律； 被切削材料的加工性； 提高加工表面质量与经济效益的方法 钻削、铣削、磨削过程特点等。

1、几何问题——刀具几何角度、参数及其相互关系。 这些内容又可以归纳为 两个方面的问题： 1、几何问题——刀具几何角度、参数及其相互关系。 2、规律问题——切削变形、切削力、切削温度、刀削温度、刀具磨损等规律。

达到的要求： 认识金属切削过程的一般现象及基本规律，能按具体加工条件选择合理的刀具材料、切削部分几何参数及切削用量，计算切削力和功率，并能运用所学知识分析及解决生产中的一些问题。

（二）金属切削刀具 金属切削刀具是切削加工中重要工具，影响生产率、加工质量与成本。 刀具变化灵活、改革简便、收效显著。 正确设计刀具，合理使用刀具，改进刀具

学习要求： 了解一些常用的标准通用刀具、标准专用刀具的类型，结构特点，工作原理，应用范围和如何正确的使用。 初步掌握一些常用刀专用刀具的设计计算方法 常用加工手段（方法）的特点

刀具种类繁多，例如有单刃刀具，多刃刀具，成形刀具； 有整体高速刀具，镶片硬质合金刀具、机夹、可转位式刀具等。 在各种类型的刀具中，又可分为如下两类，对它们的教学方法也有所不同。

1）标准刀具 ——指专业工厂按国际或部标生产的刀具。 如可转位车刀、麻花钻、铰、铣刀、丝锥、板牙、插齿刀、齿轮滚刀等。 重点掌握结构，工作原理，选择与使用方法。 了解机夹、可转位车、铣刀结构分析，刀片槽型的选择，以及麻花钻的修磨与群钻，为使用面广的通用刀具打下初步基础。

2）非标准刀具 ——指需专门设计制造的刀具 如成形车刀与铣刀、拉刀、蜗轮滚刀等。 主要了解其设计原理与计算方法

金属切削原理与刀具是与生产实践紧密联系的，涉及知识面较广 掌握基本理论 熟悉有关手册、样本，特别要重视生产实际，参加生产劳动与工作实践 理论联系实际，逐步提高解决实际问题的工作能力

一 切削运动与切削要素

（一）切削运动

1.主运动—— 刀具与工件之间主要的相对运动 使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料 使被切削层转变为切屑，从而形成工件的新表面。 切削运动中，主运动速度最高，消耗功率最大 主运动方向——切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向 切削速度vc——切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度

2．进给运动—— 刀具与工件之间附加的相对运动 配合主运动依次地或连续不断地切除切屑 可由刀具完成——车削、工件完成——铣削 可以是间歇的——刨削、连续的——车削 进给运动方向——切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。 进给速度vf——切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度

刨削：主运动——刨刀的直线运动 进给运动——工件移动 钻削：主运动——钻头旋转 进给运动——钻头轴向移动 插齿：主运动——插齿刀上下运动 进给运动——工件分度运动等 车外圆：主运动——工件高速旋转 进给运动——车刀轴向运动

磨外圆：主运动——砂轮旋转 进给运动——工件转动，砂轮轴向移动 铣平面：主运动——铣刀旋转 进给运动——工件移动 镗孔：主运动——刀具旋转（绕工件轴线） 进给运动——刀具径向移动

3．合成切削运动 主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。

车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法 以它为例，车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。 （二）、切削加工过程中的工件表面 车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法 以它为例，车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。

(1)待加工表面——工件上有待切除的表面 (2)已加工表面——经刀具切削后产生的新表面 (3)过渡表面(或称切削表面) ——切削刃正在切削的表面 它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面

（三）、切削要素 ——切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。

切削层

1.切削用量要素 切削速度 进给量 背吃刀量

(1).切削速度 VC m/min 指主运动的线速度，以车削为例： n——工件或刀具的转速，[n]为r／min d——工件或刀具观察点的旋转直径，[d]为mm 一般取dw （m/min)

(2).进给量 f ——指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量 主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／r 当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm／双行程或mm／单行程 对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量fz，单位为mm／z或mm／齿，它与进给量f的关系为 f=zfz

（mm/min) vf——进给运动速度 多齿刀具有每齿进给量

(3).背吃刀量ap 工件待加工表面与加工表面之间的垂直距离 在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测 量的吃刀量 在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测 量的吃刀量 一般称为切削深度，单位为mm； dw――待加工表面直径 dm――已加工表面直径

(4).切削时间tm 切削时间是反映切削效率高低的一种指标 车外圆时切削时间tm可由下式计算 L——刀具行程长度 A——半长方向加工余量

提高切削用理ap、f、Vf中任何一个要素，都可缩短切削时间，提高生产效率。

(5).金属切除率QZ 在金属切削过程中，切削用量三要素选配的大小，将影响切削效率的高低，通常用三要素的乘积作为衡量指标，称为材料切除率 ——每分钟切下工件材料的体积 是衡量切削效率高低的另一种指标 （mm3/min）

2．切削层参数 切削层是指工件上正被刀具切削刃切削着的一层金属 切削层参数——基面中测量的切削层长度、宽度和面积。 它们与切削用量f、ap 有关

(1)切削层公称厚度hD——垂直于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。 (2)切削层公称宽度bD——平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。 (3)切削层公称横截面积A D——在切削层参数平面内度量的横截面积。

二、刀具切削部分的几何参数

(一)刀具的组成 部分 刀面 刀头--切削部分 刀刃 刀尖 刀杆--用于装夹

1.刀 面

前刀面Ar ——切屑流出时经过的刀面 后刀面Aa ——与加工表面相对的刀面 副后刀面A’a ——与已加工表面相对的刀面

2。切削刃 主切削刃S Ar与Aa的交线 副切削刃Sˊ Ar与Aa’的交线

3 刀尖 主、副切削刃汇交的一小段切削刃称刀尖

实际使用的刀具切削部分放大形状

（二）、刀具角度 标注坐标系--静态参考系--刀具角度 它是刀具设计计算、绘图标注、刃磨测量角度时基准。 工作坐标系--动态参考系--工作角度 它是确定刀具切削运动中角度的基准。

1。主剖面标注系坐标平面 刀具标注系坐标平面是以刀具结构为基础，以刀具的安装定位面及假定的切削运动方向建立起来的坐标平面。

1.基面Pr 刃磨测量的定位基准 通过切削刃某选定点х，平行于车刀底面的平面。或为通过切削刃某选定点，包含刀具轴线的平面。 2.切削平面PS 通过切削刃某选定点х，与切削刃相切，且垂直于基面的平面。 3.主剖面PO 主剖面是通过切削刃某选定点х，同时垂直于基面与切削平面的平面。

（二）刀具角度定义 四个基本角度 主偏角 ：基面中测量的主切削刃与进给运动方向间夹角。 刃倾角 ：切削平面中测量的切削刃与基面间夹角。 前角 ：主剖面中测量的前刀面与切削平面间的夹角。 后角 ：主剖面中测量的后刀面与切削平面间的夹角。

三个刀面、两条刀刃、六个独立角度 副偏角 、副刃后角 派生角度：由以上角度推算 副刃倾角 ，副刃前角 楔角 刀尖角

（三）前角、后角、刃倾角正负的规定

三 金属切削基本理论

金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等

本节主要研究各种现象的成因、作用和变化规律。 掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量、减少能量消耗、提高生产率和生产技术发展等方面起着重要作用

基本规律： 切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损

（一）切削变形 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：塑性金属受压缩时，随着外力增加，金属先后产生弹性变形、塑性变性，并使金属晶格产生滑移，而后断裂。（实质） 以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后产生了塑性变性。

第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区； 第Ⅱ变形区 与前刀面接触的切屑底层内产生的变形区； 第Ⅲ变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。

（二）、切屑的形成过程中变形特点 1。切屑的形成过程 切削层受刀具的作用，经过第Ⅰ变形区的塑性变形后形成了切屑。 切削层在法向力Fn和摩擦力Ff组成的合力Fr作用下，使近切削刃处的金属产生弹性变形、塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。（剪应力达到屈服强度）

AC是始滑移面 AE是终滑移面 AC、AE之间为第Ⅰ变形区。 AB面称为剪切面或滑移面。 剪切面AB作用力Fr之间的夹角约为400~500。 剪切角Ф ：AB与V之间的夹角。 作用角ω ：Fr与V之间的夹角。 第Ⅰ变形区就是形成切屑的变形区。 相距约为0.02~0.2mm

根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同，通常将切屑分为以下四类： 2。切屑的类型 根据切削层变形特点和变形后形成切屑的外形不同，通常将切屑分为以下四类： （1）、带状切屑 外形连续不断呈带状。切削塑性金属材料，例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时常出现这类切屑。 （2）、节状切屑 外形也呈带状，但在切屑上与前刀接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。切削黄铜或低速、较大走刀切钢易得到这类切屑。

切 削 形 状

（3）、粒状切屑 切下切屑断裂成均匀的颗粒状。切削铅或用很低速度、大走刀切削钢可得到这类切屑。 （4）、崩碎切屑 在切削脆性金属时，例如铸铁、黄铜等材料，得到的是呈不规则的细粒状切屑。

（三）、已加工表面类形和加工硬化 1。已加工表面变形 由于刃口圆弧的挤压和摩擦作用，使刃口前方切削层内出现了复杂的塑性变形区域，并在近刃口的已加工表面金属层内形成了第Ⅲ变形区。 A点 为分流点 AC段切削的金属层△ac被挤压后留在加工表面上 CE段后刀面上小棱面的摩擦作用 EF段弹性复原层△h引起的接触面上的挤压与摩擦

2。加工硬化 加工硬化亦称冷硬，它是在已加工表面严重变形层内，金属晶格伸长、挤紧、扭曲甚至碎裂而使表面层组织硬度增高的现象。 后果： 在硬化层的表面上会出现细微的裂纹、并在表层内产生残余应力。因此，硬化降低了加工表面质量和材料的疲劳强度，增加下道工序加工困难，加速刀具磨损。在切削时应设法避免或减轻硬化现象。

减轻硬化程度的措施 提高刀具刃磨质量，减小刃圆孤半径； 增大前，减小切削变形； 增大后角，减少摩擦； 提高切削速度υ，使表层来不及硬化； 不采用很小的进给量f，以减小挤压作用。

（四）影响切削变形的方法 研究切削变形的方法 影响切削变形的因素 切削变形大小对于积屑瘤、加工硬化、切削力、切削温度和加工表面质量起着重要影响。改变加工条件，促使剪切角φ增大、摩擦系数μ减小，就能使切削变形减小

前角：增大前角γo，使剪切角φ增大，变形系数ξ减小，因此，切削变形减小

工件材料：材料的强度、硬度提高，正压力Fn增大，平均正压力增大，因此，摩擦系数μ下降，剪切角φ增大，切削变形减小。塑性较高的材料，则变形较大。

进给量 切削速度：中低速时，积屑瘤影响较大，积屑瘤高度越高，刀具实际前角增大，使剪切角φ增大，故变形系数ξ减小。高速时，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使φ减小。ξ增大

进给量f增大，切削厚度ac增加，平均正应力afav增大，正压力Fn增大，因此摩擦系数μ下降、剪切角φ。致使变形系数ξ减小。

（五）切削力 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。本节主要研究切削力的计算及变化规律

1、切削力的来源、合力及其分力 切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成。 （1）三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力； （2）切屑、工件与刀具间的摩擦力。

为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力Fr在主运动速度方向、切深方向和进给方向作的直角坐标轴z、y、x上分解成三个分力，它们是：

（1）主切削力Fz 主运动切削速度方向的分力；也称切向力。 它消耗了切削总功率的95％左右，它是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零、部件的强度和刚性以及确定机床电动机功率。

（2）切深抗力Fy 切深方向的分力；也称径向力、吃刀力。不消耗功率，但在机床一工件－夹角－刀具工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。

（3）进给抗力Fx 进给方向的分力。 也称轴向力、走刀力。 消耗了总功率5％左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。

2、切削力测定和车削力实验公式 （1）测力仪的工作原理 （2）车削力实验公式和切削功率的计算 （3）单位切削力和单位切削功率 （4）修正系数概念

3、影响切削力的因素 影响切削力变化主要有三个方面因素：工件材料、切削层面积和刀具几何参数 （1）工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈服强度、塑性变性、切屑间的摩擦等影响的。 工件材料的硬度或强度越高，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大。

工件材料的塑性或韧性越高，切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大。 注意点：材料硬化能力越高，则力越大。 奥氏体不锈钢，强度低、硬度低，但强化系数大，较小的变形就会引起材料硬度提高，所以切削力大。 铜、铅等塑性大，但变形时，加工硬化小，则切削力小。

（2）切削用量的影响 切削深度和进给量 切削深度ap和进给量f增大，分别使切削宽度aω、切削厚度ao增大、切削层面积Ac增大，故变形抗力和摩擦力增加，而引起切削力增大。 当ap不变、f增大一倍时，Ac增大一倍，虽则ac也成倍增大，但由于切削变形减小，故使主切削力FZ增大不到一倍， 为了提高生产效率，采用大进给切削比大切深切削较省力又节省功率。

切削速度 加工塑性金属时，主要因素为积屑瘤与摩擦。 低、中速（5－20m/min）：υ提高，切削变形减小，故Fz逐渐减小；积屑瘤渐成。 切削脆性金属，因为变形和摩擦均较小，故切削速度υ改变时切削力变化不大。

注意点： V提高，生产率提高，F下降，但功率上升。 V提高50%， F下降4%，功率上升40%。

（3）刀具几何角度的影响 前角： 前角γo增大，切削变形减小，切削力减小 主偏角： 当主偏角κr增大时，切削厚度ac增加，切削变形减小，故主切削力Fz减小； κr增大后，圆弧刀尖在切削刃上占的切削工作比例增大，使切屑变形和排屑时切屑相互挤压加剧。

刃倾角λs 刃倾角λs的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长增加，摩擦加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径γβ减小，刀刃锋利，切削变削小，所以Fz变化很小。

（4）其它因素的影响 1、刀具的棱面 刀具棱面宽度bγ1上升，切削时挤压和摩擦增大，切削力增大；前角γO1负值增大，变形加大，切削力增大。

刀尖圆弧半径 刀尖圆弧半径越大，圆弧刀刃参加工作比例越多，切削变形和摩擦越大，切削力越大。 由于圆弧刀刃上主偏角是变化的，使参加工作刀刃上主偏角的平均值减小，因此使FY增大，并较易引起振动。

刀具磨损 刀具磨损，使刀刃变钝、后刀面与加工表面间挤压和摩擦加剧，切削力增大，振动加大。

（六） 切削热与切削温度 切削时作的功，可转化为等量的热。切削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件热变形、加速刀具磨损。

1、切削热的来源与传导 来源： Qp--剪切区变形功形成的热 Qγf --切屑与前刀面摩擦功形成的热 Qaf --已加工表面与后刀面摩擦功形成的热。

传导途径： Qch--传入切屑中 Qe --传入刀具中 Qw --传入工件中 Qfe--传入周围介质中 切削热的形成及传散关系为： Qp＋Qγf＋Qaf＝Qch＋Qw＋Qa＋Qf 切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形和前刀面摩擦形成；切削脆性金属则后刀面摩擦热占的比例较多。

切削热传至各部分比例： 一般情况是切屑带走热量最多；由于第Ⅰ、Ⅲ变形区的塑性变形、摩擦产生热及其传导的影响，致使工件中次之,刀具中热量最少。 例如切钢不加切削液时，它们之间传热比例为： Qch 50－86％； Qw 40－10％ QC 9－3％； Qf 1％

2、切削温度及测定 切削区域的温度高低，决定于该处切削热量多少和传、散热快慢。切削区域内温度最高一点是在前刀面上近刀刃处。 测定方法—— 自然热电偶法 人工热电偶法

3、影响切削温度的因素 切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。 （1）切削用量 实验公式： 与实验条件有关的影响系数 切削条件改变后的修正系数

切削速度υ对切削温度影响最大、进给量f次之、切削深度ap影响最小。 ap、f和υ增大时，变形和摩擦加剧，切削功增大，故切削温度升高。 车削中碳钢时，公式中系数、指数为： cθ χθ yθ zθ 高速钢刀具 140－170 0.08－1 0.2－0.3 0.35－0.45 硬质合金刀具 320 0.05 0.15 0.26－0.41 切削速度υ对切削温度影响最大、进给量f次之、切削深度ap影响最小。 ap、f和υ增大时，变形和摩擦加剧，切削功增大，故切削温度升高。

V提高，F下降，产生热量少；但摩擦严重，热量增多；切屑与前面接触长度减短，散热差，所以温度上升。 但切削深度ap增大后，切屑与刀具接触面积以相同比例增大，散热条件显著改善；

（2）刀具几何参数 前角 前角γo增大，切削变形和摩擦减小，因此产生热量少，切削温度下降；但前角γo继续增至150左右，由于楔角βo减小后使刀具散热变差，切削温度略有上升。

主偏角 主偏角κr减小，切削宽度aω增大、切削厚度ac减小，切削变形和摩擦增大，切削温度升高；但当切削宽度aω增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角κr减小切削温度θ下降。 用小的主偏角切削，能降低削温度、提高刀具耐用度，尤其是在切削难加工材料时效果更明显。 前角增大，使切削温度降低，但刀具强度和散热效果差；主偏角κr减小后，既能使切削温度降低幅度较大,又能提高刀具强度。

(3)工件材料影响 工件材料是通过强度、硬度和导热系数等性能的不同对切削温度产生影响的。

(4）刀具磨损 刀具磨损后，会使摩擦加剧，变形严重，切削温度上升。切削液是降低切削温度的一个有效措施。

四 刀具分类

(1)切刀 包括各种车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀等． (2)孔加工刀具 包括各种钻头、扩孔钻、铰刀、复合孔加工刀具(如钻-铰复合刀具)等。 (3)拉刀 包括圆拉刀、平面拉刀、成形拉刀(如花键拉刀)等。

(4)铣刀 包括加工平面的圆柱铣刀、面铣刀等；加工沟槽的立铣刀、键槽铣刀、三面刃铣刀、锯片钝刀等；加工特形面的模数铣刀、凸(凹)圆弧铣刀、成形铣刀等。 (5)螺纹刀具 包括螺纹车刀、丝锥、板牙、螺纹切头，搓丝板等。

(6)齿轮刀具 包括齿轮滚刀，蜗轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、花键滚刀等。 (7)磨具 包括砂轮、砂带、砂瓦、油石和抛光轮等。 (8)其它刀具 包括数控机床专用刀具、自动线专用刀具等。

单刃(单齿)刀具和多刃(多齿)刀具； 标准刀具(如麻花钻、铣刀、丝锥等)和非标准刀具(如拉刀、成形刀具等)； 定尺寸刀具(如扩孔钻、铰刀等)和非定尺寸刀具(如外圆车刀、直刨刀等)； 整体式刀具、装配式刀具和复合式刀具等

形状、结构和功能各不相同的各种刀具都有功能相同的组成部分 工作部分和夹持部分 工作部分承担切削加工，夹持部分将工作部分与机床连接在一起，传递切削运动和动力，并保证刀具正确的工作位置．

§3－4 刀具磨损与刀具耐用度 因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。 §3－4 刀具磨损与刀具耐用度 切削过程中刀具在切除工件上的金属层，同时工件与切屑也对刀具起作用，使刀具磨损。刀具严重磨损，会缩短刀具使用时间、恶化加工表面质量、增加刀具材料损耗、增大切削力、增大切削温度、产生振动。 因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。

一、刀具磨损形式 （一）正常磨损形式 正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐产生的磨损。 1、后刀面磨损 C区：在近刀尖处是磨损较大的区域，这是由于温度高、散热差而造成的。其磨损量用高度VC表示。

N区：近待加工表面，约占全长1／4的区域。在它的边界处磨出较长沟痕，这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等原因造成的。它亦称边界磨损，磨损量用VN表示。 B区：在C、N区间较均匀的磨损区。磨损量用VB表示。其中局部出现的划痕、深沟的高度用Vbmax 表示。

2、前刀面磨损 切屑在前刀面上流出时，由于摩擦、高温和高压作用，使前刀面上近切削刃处磨出月牙洼。前刀面的磨损量用月牙洼深度KT表示。月牙洼的宽度为KB。 原因是切屑与前刀面完全是新鲜表面相互接触、摩擦，化学活性很高，反应很强烈。宽度变化不明显，深度不断增大，深度最大处即为切削温度最高的地方。一定程度后，易发生破损。 （高速、大进给量，切削塑性金属时常见）

原因：①应力突然下降，形成很高的压力梯度，引起很大的剪应力。 3、前、后刀面同时磨损 经切削后刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损。这是在切削塑性金属时，采用大于中等切削速度和中等进给量时较常出现的磨损形式。 多数情况，两者皆有。 ***边界磨损：切削钢料时发生 原因：①应力突然下降，形成很高的压力梯度，引起很大的剪应力。 ②温度梯度引起边界应力。

③副后刀面上的边界磨损是由于上道工序加工硬化或铸、锻件外皮粗糙引起的。

（二）非正常磨损 刀具在切削过程中突然发生损坏或过早损坏现象。 1、破损：切削刃或刀面产生裂纹、崩刃或碎 裂。 2、卷刃：切削时在高温作用下，使切削刃或 刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。

二、磨损过程和磨损限度 磨损三个阶段： （Ⅰ段）初期磨损阶段 在开始切削的短时间内，磨损较快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。 （Ⅱ段）正常磨损阶段 随着切削时间增长，磨损量以较均匀的速度加大。这是由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强减小所致。 （Ⅲ段）急剧磨损阶段 磨损量达到一定数值后，磨损急损加速、继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度，硬度降低所致。

刀具在产生急剧磨擦前必须重磨或更新刀刃。这时刀具的磨损称为磨损限度或磨钝标准。磨钝标准--后刀面上均匀上磨损区的宽度VB值 在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为： （1）在后刀面B区内均匀磨损VB＝0.3mm； （2）在后刀面B区内非均匀磨损VBmax＝0.6mm；（3）月牙洼深度标准： KT＝0.06+0.3f,([f]为mm/r)； （4）精加工时根据需达到的表面粗糙度等级确定。

粗加工磨钝标准应根据加工要求制订： 粗加工磨钝标准是根据能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积长为原则定的，从而能充分发挥刀具的切削性能，该标准亦称为经济磨损限度。 精加工磨钝标准是在保证零件加工精度和表面粗糙度条件下制订的，因此VB值较小。该标准亦称为经济磨损限度。

三、刀具磨损原因 生产中，以加工面亮度，切屑颜色形状、声音、振动等为根据，判断是否重磨 （一）磨粒磨损（硬质点磨损） 切屑底层和切削表面材料中含有氧化物（SiO、Al2O3等）、碳化物（Fe3C、TiC等）和氮化物（Si2N4、AlN等）的硬元素、粘附着积屑瘤的碎片、锻造表皮和铸件表面上残留的夹砂等对刀具的机械磨损。刀具上被它们刻划出深浅不一的沟痕。

高速钢：磨粒磨损的作用较明显。 硬质合金：这种磨损较少。Co含量越低，越不 易磨损。 在低速时，其他磨损不明显，因而磨粒磨 损显得比较突出。

（二）粘结磨损 切屑与前刀面、加工表面与后刀面之间在正压力和温度作用下，接触面间吸附膜被挤破，形成了新鲜表面接触，当接触面间达到原子间距离时就产生粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动时在粘结处产生剪切破坏造成的。通常剪切破坏在较软金属一方，但刀面受到摩擦、压力和温度连续作用下使强度降低，也会破坏。此外，当前刀面上粘结的积屑瘤脱落后，带走了刀具材料也形成粘结磨损。 粘结磨损的程度与压力、温度和材料间亲合程度有关。

低速：切削温度低，故粘结是在正压力作用下 接触点处产生塑性变形所致，亦称为冷焊。 中速：切削温度较高，促使材料软化和分子间 的热运动，更易造成粘。 用YT类硬质合金工加工钛合金或钛不锈钢，在高温作用下钛元素之间的亲合作用，也会产生粘结磨损。 所以，低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。

（三）扩散磨损 扩散磨损：在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。是一种化学磨损。 高速钢，一定温度时，前刀面由于扩散而形成一层白色层，厚度0.8~3.5m。Cr、C扩散到工件材料中。白色层较软，易被磨掉。V越高，磨损越快。 但扩散未占主导时，就会因塑性变形而使刀具损坏。

硬质合金，切钢时的扩散温度在800~10000C。扩散磨损是硬质合金的主要磨损形式。 硬质合金中W、CO和C原子向钢中扩散，然后被切屑和加工表面带走。硬质合金中失去W后，在结晶组织中出现空穴。此外，失去了CO 后削弱了粘结强度。同时，材料中Fe原子向刀具中扩散，使刀面表层形成了新材质。经相互扩散的结果，降低了刀具表面的强度和硬度。 通常钨钴类硬质合金扩散温度为850－9000C、钨钴钛类扩散温度为900－10000C、因此，后者在高温时耐磨性较高。

在生产中若采用细颗粒硬质合金或添加稀有金属硬质合金，采用TiC、TiN涂层刀片，对于提高刀具耐磨性和化学稳定性、减少扩散磨损均可起良好作用。 9000C 10S 开始扩散 10000C 1S 明显扩散 13000C 0.1S C全部溶化到Fe中

（四）相变磨损 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化，如马氏体组织转变为奥氏体，使硬质下降、磨损加剧。 因此，工具钢刀具在高温时均属此类磨损，它们的相变温度为： 合金工具钢 300－3500C 高速钢 550－6000C 相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。

（五）氧化磨损 氧化磨损是一种化学性质的磨损。在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（ O2、切削液中的s、cl）起化学反应，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑带走。 （六）热电磨损 在切削区高温作用下，刀具与工件之间形成热电偶，产生电势，刀具工件之间有电流通过，加速扩散。 刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面造成的。

（七）刀具非正常磨损原因 使用硬质合金刀具或硬度高、抗弯强度较低的刀具在铣削、刨削、重型切削、对难加工材料切削和在带冲击载荷工作中，破损已成为较常见的磨损形式。 破损原因主要有 1、机械冲击力 2、热内应力 3、积屑瘤脱落 4、刀具材料硬度低、韧性差 5、刀具几何参数和切削用量选择不合理 6、焊接或刃磨时产生内应力或裂纹 7、操作、保管不当等。

四、刀具耐用度 （一）刀具耐用度概念 刀具耐用度是指刀具从开始切削至达到磨损限度为止所用的切削时间，用T分表示。 刀具耐用度还可以用达到磨损限度所经过的切削路程lm或加工出的零件数N表示。 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。利用刀具耐用度来控制磨损量VB值，比用测量VB的高度来判别是否达到磨损限度要简便。

C：与实验有关的系数。（T=60min时的V值） m：V对T的影响指数。 （二）刀具耐用度公式 V=C/Tm C：与实验有关的系数。（T=60min时的V值） m：V对T的影响指数。 当车削中碳钢和灰铸铁时，m值大致如下： 高速钢车刀；m=0.11； 硬质合金焊接车刀：m=0.2； 硬质合金可转位车刀：m=0.25－0.3； 陶瓷车刀：m=0.2。

由公式可知：速度高，则温度高，耐用度下降。 [例]硬质合金可转位车刀： V=80m/min T=60min V=160m/min T=3.75min (四）刀具耐用度合理数值的确定原则 耐用度T值大，则切削速度υ要低，但生产效率降低、成本高；反之，规定T值小，虽然允许高的切削速度υ，提高生产效率，但加速刀具磨损，增加了装卸刀具的辅助时间。

tpr＝tm＋tl＋tc*tm /T tm：切削时间 tl ：辅助时间 tc ：一次换刀所需时间 刀具耐用度合理数值应根据生产率和加工成本制订 1．最高生产率耐用度TP 加工一个零件的生产时间tpr由下列几部分组成： tpr＝tm＋tl＋tc*tm /T tm：切削时间 tl ：辅助时间 tc ：一次换刀所需时间

以纵车外圆为例： m大，则Tp值小，切削速度可以提高，生产率高。陶瓷刀具。 Tc小，则Tp值小，切削速度可以提高，生产率高。可转位刀具。

2．最低生产成本耐用度Tc 每个零件平均加工成本Cpr为： M：每分钟费用 Ct：换刀一次所需费用 Ct上升，Tc上升，则磨刀次数应该减少，所以耐用度应该高。 M上升，则Tc下降，应制定小的Tc使速度提高，生产率提高。

则 通常用Tc （四）影响刀具耐用度的因素 分析刀具耐用度影响因素的目的是，调节各因素的相互关系，以保持刀具耐用度的合理数值。各因素变化对刀具耐用度的影响，主要是通过它们对切削温度的影响而直起作用的。 1、切削用量 （min）

切削用量对刀具耐用度的影响与对切削温度的影响一致。 刀具耐用度所允许的切削速度： m/min 当确定刀具耐用度合理数值后，应首先考虑增大ap、其次增大f，然后根据υ、ap、和f的值计算出υr，这样既能保持刀具耐用度、发挥刀具切削性能，又能提高切削效率。

2．刀具几何参数影响 前角γo增大，切削温度降低，耐用度提高；前角γo太大，刀刃强度低、散热差、且易于破损，故耐用度T反而下降了。因此，前角γo对刀具耐用度T影响呈“驼峰形”，它的峰顶前角γo值能使耐用度T最高，或刀具耐用度允许的切削速度υT最高。 主偏角κr减小，增加刀具强度和改善散热条件，故耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度κr可增高。

副偏角减小和刀尖圆弧半径增大，都能提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度增高。 3.加工材料影响 加工材料的强度、硬度越高，产生的切削温度越高，故刀具磨损越快、刀具耐用度T越低。 加工材料的延伸越大或导热系数越小，均能使切削温度升高、刀具耐用T降低。

4.刀具材料影响 耐磨性越好，高温硬度高，耐用度高。 对于难加工材料、重型切削，大冲击等情况下，刀具磨损以破损为主，韧性越高，抗弯强度越高，耐用度越高。

五 刀具材料及合理选用

刀具材料是指刀具切削部分的材料。合理选择刀具材料影响到： （1）切削加工生产率 （2）刀具耐用度 （3）刀具消耗和加工成本 （4）加工精度和表面质量

刀具材料应具备的性质 刀具切削部分承受较大的（1）切削压力（2）切削温度（3）剧烈摩擦（4）冲击振动， 因此刀具材料应具备以下性能： 1、高硬度：刀具材料硬度要高于被加工材料的硬度，切削刃的硬度一般在HRC60以上。 2、高耐磨性：抗磨损能力，硬度，耐磨性，金相组织中硬质点（氮化物，碳化物）的硬度高，耐磨性好，硬质点数量多，颗粒越小，分布均匀，则耐磨性越好。

3、足够的强度与韧性：抗冲击，承受各种应力而不崩刃、折断。与硬度、耐磨性相矛盾。 4、高的耐热性与化学稳定性： 耐热性：高温下保持材料硬度、耐磨性、强 度、韧性（红硬性），红硬性越好 切削速度越高。 化学稳定性：（热稳定性）：高温下抗氧化， 不与工件材料和介质发生化学反应， （抗氧化、粘结、扩散）刀具磨损慢， 表面质量好。

为适应切削加工自动化和柔性制造系统的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等具有良好的可预测性。 5、良好的工艺性：便于刀具制造，（1） 锻造性能（2）热处理性能（3）高温塑 性变形（4）容削加工性能（5）焊接性能 6、经济性：（1）刀具材料发展结合本国资 源，资源丰富，则成本极低（2）有的刀 具材料（超硬刀具材料）虽然单件成本贵， 但寿命长，分摊到每个零件的成本不一定 高，要注重经济效益。 7、切削加工性能的可预测性： 为适应切削加工自动化和柔性制造系统的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等具有良好的可预测性。

选择刀具材料时，各性能之间相互矛盾，如硬度高，则强度低；耐磨，则加工工艺困难，要抓住主要矛盾。 刀具材料类型： 工具钢（高速钢） 硬质合金 陶瓷 超硬材料 最常用

1．刀具材料简介 刀具材料对刀具的寿命、加工质量、切削效率和制造成本均有较大的影响 刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动

刀具切削部分材料性能的基本要求 ①高的硬度； ②高的耐磨性； ③高的耐热性(热稳定性) ④足够的强度和韧性； ⑤良好的工艺性。

刀具材料有—— 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 金刚石 立方氮化硼

碳素工具钢(如T10A、T12A)及合金工具钢(如9SiCr、CrWMn)，因耐热性较差——通常仅用于手工工具和切削速度较低的刀具 陶瓷、金刚石和立方氮化硼等目前仅用于较为有限的场合

高速钢和硬质合金 ——最广泛使用

§2-2 高速钢 高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 别名： （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可 §2-2 高速钢 高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 别名： （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可 得到高硬度。 （锋钢）刃容锋利。 （白钢）磨光后，表面光亮。

特点： 1、较高的热稳定性：切削温度高达500- 650℃，与碳素工具钢，合金工具钢相比， 切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍， 可加工有色金属至高温合金（范围广）。 2、高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2- 3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几 十倍。 3、一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好， 适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚 性较差的机床上加工。

4、刀具制造工艺简单：能锻造，制作形状复 杂刀具，大型成型刀具（这一点极为重要） 如钻头、丝锥、成型刀具、拉刀、齿轮刀具。 5、材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。 因此，尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。 高速钢分：普通高速钢（通用型）、高性能高 速钢和粉末冶金高速钢） 高性能高速钢：再加入一些合金、性能高。 粉末冶金高速钢：制造工艺不同，性能高。

普通高速钢：分钨钢，钨钼钢两类，V不高于40-60%。 1、钨钢：W18Cr4V（18—4—1）此牌号国内普 遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制 较方便，国外钨价高，很少使用。 简称：W18、18%、4% Cr、1%V 综合性能好，600℃，HRC48.5，用以制造各 种复杂刀具。 优点：（1）淬火时过热倾向小。 （2）含钒少，磨加工性好。 （3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大。

缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物 颗粒大（最大30μm），影响薄 刃刀具或小截面刀具的耐用度。 （2）强度和韧性，显得不够，此材料 30mm，抗弯强度3~3.5Gρa 60~80mm，抗弯强度2~2.3Gρa 适宜做小截面刀具，此时强度， 韧性才是满意的。 （3）热塑性差，很难用作热成形法制 造的刀具（如热轧钻头）。

2、钨钼钢 W6M05Cr4V2（6—5—4—2） 为缺钨而产生 优点：（1）合金元素少，减少了碳化物数量 及分布不均匀性，有利于提高高温塑 性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比 W18高10~15%，韧性高50~60%。 （2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承 受冲击力较大的刀具。 缺点：淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性 大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）

高速钢的表面处理与涂层 1、表面化学处理：提高刀具的切削性能 （氧氮化处理）：将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中，540~560℃保温1—2小时，形成0.003mmFe3O4氧化膜，内层为氧、氮、碳扩散层：厚0.03--0.05mm。HV1000以上，耐用度提高60%--70%。 2、涂层：物理气相沉积TiN涂层 550℃以下高真空下进行，钛气化与氮反应，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削温度下降25%，Vf提高一倍，耐用度显著提高。重磨后，性能仍优于普通高速钢。

(1)高速钢 指含有钨（W）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素较多的高合金工具钢 具有较高的硬度(热处理硬度可达62~ 67HRC)和耐热性(切削温度可达550～600ºC) 具有较高的强度和韧性，抗冲击、振动的能力较强。

高速钢刀具制造工艺较简单，刀刃锋利 适用于制造各种形状复杂刀具(如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)

常用的通用型高速钢牌号—— W6Mo5Cr4V2 W18Cr4V

高性能高速钢—— 如9W6MoSCr4V2 W6MoSCr4V3 比通用型高速钢具有更好的切削性能，适合于 加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料

粉末冶金高速钢，其性能优于上述的高速钢

540℃ HRA82~87 760℃ HRA77~85 800--1000℃时，尚能进行切削 刀具耐用度提高几~几十倍，同时切削速度提高4~10倍。 缺点：比高速钢强度低，冲击韧性差，不能承受切削振动和冲击负荷。 硬质合金中：碳化物含量高，则硬度高， 抗弯强度低。 硬质合金中：粘结剂含量高，则硬度低， 抗弯强度高。

适用范围较广：绝大多数车刀、端铣刀、深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等。 二、硬质合金的分类，使用性能 ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类： P类：用于加工长切屑的黑色金属，相当于 我国的YT类。 K类：用于加工短切屑的黑色金属，有色金 属和非金属材料 YG类。 M类：用于加工长或短切屑的黑色金属和有 色金属 YW类

现代加工材料中 90~95%可用P和K类硬质合金加工，5~10%可用M类硬质合金加工。 主要介绍 YT，YG类： YG：钨钴类：（WC+Co）硬质合金 主要牌号：YG3x、YG6x、YG6、YG8 含Co为3%、6%、6%、8% 特点：抗弯强度与韧性比YT高，导热性高， 加工性好，刃口容磨得锋利硬度差Co 越高韧性越好，用于粗加工，反之Co越 低，用于精加工、加工材料、铸铁、有色金属和非金属材料。

YT：钨钛钴类：（WC+TiC+ Co） 主要牌号 YT5、YT14、YT15、YT30数字 为TiC含量。钴含量为：10%、8%、6%、4%。 加工材料：钢 TiC ，Co ，材料硬度 、耐磨性 、抗弯强度、 导热性 、磨削性能 ，焊接性能 ，耐热性 ，用于精加工。 反之，用于粗加工。 选用：（1）当要求刀具有较高的耐热性及耐磨 性，TiC的牌号。 （2）当刀具 在切削时受冲击和振动易 崩刃时，TiC的牌号 。

三、涂层硬质合金 化学气相沉积法，涂复一层（5~10μm）耐磨、难熔金属化合物，耐用度提高1—4倍。 涂层材料：TiC、TiN、AL2O3

(2)硬质合金 用碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）和钴（CO）等材料利用粉末冶金的方法制成的合金 硬质合金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(如碳化钨、 碳化钛、碳化钽等)与金属粘结剂(钴、钨、钼等)在高温下侥结而成的粉太冶金材料．

韧性差，抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷 硬质合金 硬度可达89~93HRA（74-82HRC） 切削温度达800~1000℃ 切削速度可达100~300m／min 韧性差，抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷

硬质合金可分为K、P、M三个主要类别—— ①K类硬质合金(旧牌号YG类) ②P类硬质台金(旧牌号YT类) ③M类硬质合金(旧牌号YW类)

①K类硬质合金(旧牌号YG类) 适宜加工短切屑的脆性金属和有色金属材料 如灰铸铁、耐热合金、铜铝合金等 其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等 精加工可用K01 半精加工选用K10 粗加工宜用K30

适宜加工长切屑的塑性金属材料 如普通碳钢、合金钢等 其牌号有P01、P10、P20、P30、P50等 精加工可用P01 ②P类硬质台金(旧牌号YT类) 适宜加工长切屑的塑性金属材料 如普通碳钢、合金钢等 其牌号有P01、P10、P20、P30、P50等 精加工可用P01 半精加工选用Pl0、P20 粗加工宜用P30

③M类硬质合金(旧牌号YW类) 具有较好的综合切削性能 适宜加工K切屑或短切屑的金属材料 如普通碳钢、铸钢、冷硬铸铁、耐热钢、高锰钢、有色金属等 其牌号有M10、M20、M30、M40 精加工可用M10 半精加工选用M20 粗加工宜用M30

(3)涂层刀具材料 在硬质合金或高速钢基体上，涂敷一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物(如碳化钛、氮化钛、氧化铝等)而制成的。 涂层硬质合金的刀具寿命至少可提高l～3倍 涂层高速钢的刀具寿命可提高2～10倍

§2-4 陶瓷 陶瓷刀是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。 一、常用陶瓷 （1）纯AL2O3陶瓷 §2-4 陶瓷 陶瓷刀是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。 一、常用陶瓷 （1）纯AL2O3陶瓷 （2）AL2O3—TiC混和陶瓷

二、陶瓷特点： 1、很高的硬度与耐磨性，HRA91~95， 高于硬质合金。 2、使用良好时，有很高的耐用度。 3、很高的耐热性，760℃ HRA87 1200℃ HRA80，切削速度比硬质合金高2~5倍， 抗弯强度，韧性下降极小。 4、很高的化学稳定性，与金属亲和力小， 抗粘结，抗扩散，抗氧化能力强。 5、较低的摩擦系数，切屑不易粘刃，不 易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较小。

缺点： （1）脆性大，强度、韧性低，为硬质合金的 1/2~1/3，不能承受冲击负荷，崩刃、破 损。 （2）导热率低，1/2~1/5，不宜温度波动，不 能用切削液。

三、应用范围： 1、高速切削 2、加工硬材料（硬铸铁、淬硬钢） 3、大件、高精件加工 4、车削、铣削 例：Si3N4氮化硅基陶瓷，硬度仅次于金刚石、立方氮化硼，作为连续切削用的刀具材料，今后将很有发展前途。

合理选择刀具材料的基本要求： 在熟悉工件与刀具材料特性的基础上，使被选用的刀具材料与工件材料相互“匹配”。既做到充分发挥刀具特性，又能较经济的满足加工要求。值得说明的是，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢与硬质合金。只有加工难加工材料才有必要选用新牌号合金或高性能高速钢，加工高硬度材料或精密加工时才需选用超硬材料。

刀具材料发展6个方面的大致方向： 1、尽可能根据我国资源情况，发展或代用某些 新材料。 2、改善现有刀具材料的切削性能。 3、发展界于现有高速钢与硬质合金之间的材料。 4、发展通用性广的合金。 5、发展复合刀具材料。 6、发展耐热、高硬度、高强度，能加工难加工 材料的其他新型刀具材料。

2．合理选择刀具材料 孔加工刀具、铣刀和螺纹刀具这一类普通刀具，制造工艺较为简单，精度要求较低，材料费用占刀具成本的比重较大， 常采用W6MoSCr4V2、W18Cr4V等通用型高速钢。

拉刀、齿轮刀具—些复杂刀具，由于制造精度高，制造费用占刀具成本的比重较大 宜采用硬度和耐磨性均较高的高性能高速钢。

为了提高生产效率，延长刀具寿命，应尽量采用硬质合金 硬质合含在面铣刀、钻头、铰刀和齿轮刀具等方面已获得广泛应用 近年来，国内外已广泛选用涂层刀具。

(1)选择合理的刀具类型—— 加工同一个零件，有时可用多种不同类型的刀具。 四、刀具使用和设计中应当注意的若干问题 (1)选择合理的刀具类型—— 加工同一个零件，有时可用多种不同类型的刀具。 要根据零件的加工要求、生产批量、工艺要求、设备条件等因素综合考虑，选用合适的刀具。

基本原则是——在保证加工质量的前提下，优先考虑提高生产效

(2)选择合理的切削方式 切削方式是指刀具切削刃从工件上切去加工余量的形式。 切削方式的合理与否，将直接影响切削刃形状、加工质量、刀具寿命和 生产效率等。

(3)选择合理的几何参数 要遵循“锐字当头，锐 中求固”的原则 应考虑刀具的工作条件、重磨情况等因素。

(4)设计正确的刀刃廓形 对于成形刀具，其切削刃的廓形会直接影响零件成形表面的形状． 必须根据零件的轮廓形状，正确地设计切削刃的廓形，同时要兼顾制造，检测、重磨等方面的简便性。

(5)合理处理好容屑、排屑和强度、刚度的关系 麻花钻、立铣刀、丝锥、拉刀等有容屑要求的刀具，切屑能否顺利排出——确保刀具能否正常工作的关键。 若切屑堵塞在槽内，就会划伤已加工表面或损坏刀齿。 而刀具的容屑、排屑与其强度、刚度有着密切的关系。

例如，加大麻花钻的螺旋槽（容屑空间）就会影响和降低刀具的强度和刚度 因此，应恰当处理，合理兼顾两者的关系。

(6)考虑刀具的刃磨或重磨 刀具的刃磨表面应根据磨损形式和刀具使用要求来选择。 如成形车刀、成形铣刀等要求刃磨后切削刃的形状保持不变，应选择面为刃磨表面 又如铰刀、钻头等刀具，后面磨损量较大，故刃磨表面常选择后面 粗加工用车刀、刨刀等因其前、后面磨损均较大，故前、后面部 应刃磨。

刃磨时要保证刀具原始的几何参数和表面质量。 刃磨后表面不能有烧伤或裂纹，切削刃应锋利，不允许有缺口、崩刃、毛刺等缺陷存在。

(7)合理选择刀具的结构形式及有关尺寸 先进的刀具结构能有效地减少换刀和重磨时间、提高切削效率和加工质量。 应根据不同的条件选用合理的刀具结构，优先采用机夹式、可转位式、模块式、成组式等结构。 同时，应根据切削负荷强度、刚度等要求，正确设计刀具夹持部分的结构尺寸．

(8)其它方面 还应考虑刀具与机床、工装的合理配置 及选择合理的切削用量和切削液等。

六 刀具发展

金属切削刀具在机械制造工业中的作用、地位及发展趋势 金属切削加工是机械制造工业中运用最广泛的一种加工方法，占机械制造总工作量的50％以上，而金属切削刀具则是其中不可缺少的重要工具之一。 无论是普通机床，还是先进的数控机床和加工中心，以至柔性制造系统，都必须依靠刀具才能完成各种需要的切削加工

实际证明，刀具的更新可以成倍、数十倍地提高生产效率。 例如：群钻与麻花钻相比，工效可提高3-5倍 数控机床、加工中心等先进设备效率的发挥，很大程度上取决于刀具的性能，刀具所产生的效益远远大于刀具本身的费用

数控机床和自动线的应用又要求刀具可靠性好，精度高，以及具有自动更换、自动识别和自动检测等功能。 因此，不断采用新技术、新工艺、新材料是机械制造工业发展的基础

刀具材料(含磨料)的研制，新型刀具材料，新型刀具结构及新的磨削加工方法的应用，对切削加工技术，尤其对金属切削刀具的发展起着决定性的作用。 不仅能大幅度地提高生产效率，降低成本和保证加工质量，而且还能促进加工工艺和加工设备的更新和发展。

20世纪初，刀具材料为碳素钢，切削速度不超过10m／min。 为适应宇航、激光、电子等新型工业发展的需要，加工精度正向纳米(1nm)级进军．

国内外刀具的发展动向 (1)通用刀具和齿轮刀具进入更新换代的新阶段 (2)可转位立铣刀朝着多功能高性能多品种方向发展 (3)专用刀具趋向智能化 (4)刀具的新型夹头及装夹技术的发展

通用刀具——指麻花钻、丝锥、立铣刀等 进入优质高性能的新时代 广泛采用钻高速钢、粉末冶金高速钢、细颗粒硬质合金材料，并可涂覆TiN、TiCW、TiAlN、金刚石膜等复合涂层 使这类刀具的切削性能成倍地提高，同时也扩大了淬硬钢、模具钢等难加工材料的应用范围

日本的AQVA麻花钻，采用细颗粒硬质合金制造并涂覆耐热、耐磨润滑涂层，生产效率可提高2.5倍 各国厂商正在用粉末冶金高速钢滚刀替代高速钢浓刀

随着齿轮干式滚削工艺的发展．整体式硬质合金滚刀的应用也将不断扩大。 美国推出的一种新的粉太冶金材料，是由硬质合金粉末与高速钢粉末配制而成．其性能兼有两者的优点，滚削速度可达150～180m／min。 TiAIN涂层齿轮滚刀的推出，更有利于新型刀具的推广和普及。

(2)可转位立铣刀朝着多功能高性能多品种方向发展 可转位刀具是刀具发展的主要趋势 可转位立铣刀的发展更为迅速 在数控机床上应用范围广，通用性好 可加工轮廓、沟槽、仿形以及钻孔、镗孔等 已成为数控机床的主要刀具

立铣刀作为模具加工的主要刀具，随着模具行业的快速崛起，这类刀具也得以迅速发展。 例如，日本三菱公司新近推出的多功能铣刀，可安装八角形成圆形刀片, 适用于5种加工范围。

(3)专用刀具趋向智能化 随着汽车、摩托车、柴油机等行业生产线或特殊零件加于的需要，国内外一些工具厂商专门开发了适应批量生产和特定零件加工的高效专用刀具 如曲轴内、外铣刀、缸体轴承孔镗刀等

其特点—— 结构复杂 功能复合、高效 刀具与机床、工艺构成有机整体 能巧妙地实现刀具的附加运动 如加工空刀槽、背面倒角、锪平面等，故又称为智能化刀具

(4)刀具的新型夹头及装夹技术的发展 切削加工朝着高速度、高精度方向发展，对带柄刀具的装夹提出了新的要求． 弹簧夹头、螺钉等传统的刀具装夹方法已不能满足要求且制约着新型刀具切削性能的发挥 新型刀柄和夹头已成为精密高效刀具的重要组成部分。

国内外近年来推出了高精度液压夹头、热装夹头、三棱变形夹头、内装动平衡机构刀柄、扭矩监控夹头等新产品

夹头的特点是—— 夹紧精度高，可提高加工精度； 传递扭矩大，可适应高效切削需要； 结构对称性好，有利于刀具平衡 外形尺寸小，可加大刀具的悬伸量及扩大加工范围等．

随着精密机械、电子、宇航、造船等工业的发展 新产品、新材料的不断涌现，在金属切削加工中遇到的新问题也口益增多． 例如，解决硬、韧、脆、粘等难加工材料的切削，解决精、光、深、长、薄、小工件的加工等，将使切削刀具面临新的挑战和机遇

刀具重点研制方向—— ①进一步研究、推广使用新型刀具材料，以满足精密、高速加工的要求，提高切削效率和加工质量；

②不断研制、改革刀具的结构、几何参数与切削方法，扩大硬质合金(及涂层刀片)可转位刀具的应用范围，提高刀具标准化、系列化程度

③改革刀具使用中的管理方法，建立刀具管理系统； ④采用现代化的测试手段，先进的实验方法，开展切削机理的研究

⑤应用刀具计算机辅助设计(简称刀具CAD)，建立切削数据库，优化参数，设计复杂刀具，提高设计质量和工作效率．