第三章 切削条件合理选择及刀具的选择

1. 第三章 切削条件合理选择及刀具的选择

2. 目录 • 第一节 工件材料的切削加工性 • 第二节 刀具材料 • 第三节 切削液 • 第四节 刀具合理几何参数的选择 • 第五节 切削用量的选择

3. 第一节 工件材料的切削加工性

4. 第一节 工件材料的切削加工性 工件材料的切削加工性：是指对某种材料进行切削加工的难易程度 。 良好的切削加工性一般包括： （1） 在相同的切削条件下刀具有较高的使用寿命；或在一定的刀具使用寿命下，能够采用较高的切削速度。 （2）相同切削条件下，切削力或切削功率小，切削温度低。 （3）容易获得良好的表面加工质量。 （4）容易控制切屑的形状或容易断屑。

5. 一、切削加工性的概念和衡量指标 1）刀具耐用度指标 在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度v60的高低来评定材料的加工性。难加工材料用v20来评定。此外，经常使用相对加工性指标，即以45号钢（HB170～229，σb＝0.637GPa）的v60为基准，记作v060。其它材料的v60与v20之比值称为相对加工性，即： 式中,v60——某种材料其刀具使用寿命为60min时的切削速度； (v60)j——切削45钢，刀具使用寿命为60min时的切削速度。

7. 二、影响材料切削加工性的主要因素 1．材料的物理力学性能 （1）硬度和强度 （2）塑性和韧性 （3）导热系数 （4）其它物理力学性能：如线性膨胀系数

8. 二、影响材料切削加工性的主要因素 2 ．材料的化学成分 主要是通过其对材料物理力学性能的影响来影响切削加工性(见下图)。钢中碳的质量分数在0.4%左右的中碳钢，加工性最好。而碳的质量分数低或较高的低、高碳钢均不如中碳钢。 另外，钢中含的合金元素Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等虽能提高钢的强度和硬度，但却使钢的切削加工性降低。而钢中添加少量的S、P、Pb、Ca等能改善其加工性。

9. 二、影响材料切削加工性的主要因素 各种元素对钢加工性的影向 + 表示加工性改善； - 表示加工性变差

10. 二、影响材料切削加工性的主要因素 3．材料的金相组织 铁素体塑性和韧性很高、硬度低，故切削时粘结严重，加工性不好。珠光体呈片状分布时硬度较高，刀具磨损较严重，而呈球状分布时硬度较低切削加工性较好奥氏体硬度不高但塑性和韧性很高切削时变形及加工硬化严重，切削加工性较差。马氏体、索氏体及托氏体的 硬度较高切削加工性差。

11. 三、难加工材料的切削加工性 （一）高锰钢的切削加工性 加工硬化严重，塑性变形使奥氏体组织变为细晶粒的马氏体组织。 导热率低，切削温度高；韧性大，约为45钢的8倍。伸长率大，变形严重，切削力增加。 （二）不锈钢的切削加工性 铬、镍含量大。增加加工硬化，易粘刀。切屑与前刀面接触长度较短，刀尖附近应力大。容易塑变或崩刃。导热性差，锯齿形切削引起切削波动大，易产生振动，使刀具破损。

12. 四、改善材料切削加工性的基本方法 （1）调整化学成分 （2）材料加工前进行合适的热处理 （3）选择加工性好的材料状态 （4）采用新的切削技术

13. 五、常用金属材料的切削加工性 碳素钢 • 普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。 • 低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。 • 高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。 • 相对而言，中碳钢的切削加工性较好。 ， 合金工具钢 • 在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。

14. 五、常用金属材料的切削加工性 有色金属 有色金属（如铝及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。 铸铁 铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。 例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。 ，

15. 第二节 刀具材料

16. 一、刀具材料应具备的性能 （1）高的硬度 （2）高的耐磨性 （3）足够的强度和韧性 （4）高的耐热性（指高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能） （5）良好的导热性和工艺性（良好的冷加工工艺性、热加工《热处理、表面处理、锻造、铸造等》工艺性） （6）经济性。

17. 天然金刚石 PCBN PCD 氧化物陶瓷 硬质合金涂层 耐磨性 超细粒状硬金属涂层 氮化物陶瓷 TiN涂层高速钢 WC硬质合金涂层 高速钢 断裂韧性 刀具材料的耐磨性与断裂韧性 刀具材料

18. 聚晶金刚石 （PCD） 聚晶立方氮化硼 （PCBN） 2000 1000 500 200 100 50 20 10 陶瓷 TiAlN涂层硬质合金 DLC涂层硬质合金 涂层硬质合金 TiC-TiN金属陶瓷 切削速度（m/min） WC-TiC系硬质合金 WC系硬质合金 高速钢 碳素工具钢 合金工具钢 1800 1850 1900 1950 2000 年代 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系

19. 常用刀具材料 碳素工具钢 切削金属的性能较差，切削刃 合金工具钢 锋利，可加工木材、橡胶、塑料。 高速钢 生产中用的最多、最广。 硬质合金 陶瓷 强度低、脆性大，成本高， 金刚石 仅用于某些有限的场合。 立方氮化硼

20. 二、高速钢 • 高速钢是一种合金工具钢，具有一定的硬度（63 HRC ～70 HRC）和耐磨性，有较高的耐热性，在切削温度高达500℃～600℃时尚能切削。 • 加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 • 有较高的热稳定性，较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；

21. 二、高速钢 • 高速钢是强度和韧性最好的刀具材料，适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。 • 高速钢的冷加工工艺性特别好，在热处理前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。

22. 二、高速钢 高速钢具有足够的强度、硬度、耐热性和耐磨性，具有特别好的冷加工工艺性、磨削加工工艺性和较好的热加工工艺性。在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等复杂刀具制造中，高速钢仍占主导地位。

23. 二、高速钢 图3-2 各种高速钢刀具

24. 二、高速钢 （一）普通高速钢 ①钨钢W18Cr4V（简称W18）。含W18％、Cr4%、V1％。有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。淬火时过热倾向小；磨加工性好；碳化物含量高，塑性变形抗力大；但碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度;强度和韧性显得不够；热塑性差，很难用作热成形方法制造的刀具（如热轧钻头）。 ②钨钼钢 将钨钢中的一部分钨以钼代替而得。典型牌号为W6Mo5Cr4V2（简称M2）具有良好的机械性能，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性也好，目前各国广为应用。

25. 二、高速钢 （二）高性能高速钢 高性能高速钢是在通用高速钢的成分中，增加碳含量形成高碳高速钢、增加碳化钒含量形成高钒高速钢、或者添加钴、铝等元素形成钴高速钢、铝高速钢，目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性 。

26. 二、高速钢 （二）高性能高速钢 钴高速钢（W2Mo9Cr4VCo8） 具有良好的综合性能，加入钴可提高它的高温硬度， 在600℃时硬度为HRC55，故允许的切削速度较高，有一定韧性，可磨削性好，加工耐磨合金钢、不锈钢时，刀具耐用度明显提高。但钴含量较多成本较贵。 铝高速钢（W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al）加入了少量的铝不但提高了钢的耐热性和耐磨性，而且还能防止含碳量高引起的强度和韧性下降。加工HRC30~40的调质钢时，刀具耐用度提高3~4倍，但磨削性能差，热处理温度控制困难。 高钒高速钢 W18Cr4V 提高了钢的耐磨性，用于切削高强度钢，刃磨性比普通高速钢差。

27. 二、高速钢 选用高速钢的原则 （1）切削一般材料可以用普通高速钢，以W18Cr4V用的最多。W6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具，W14Cr4VMnRE其韧性最高，可作热轧刀具。 （2）如工艺系统刚性好，切削难加工材料时，简单刀具可用高钒、高钴高速钢，复杂刀具可用钨钼系低钴高速钢。

28. 二、高速钢 （三）涂层高速钢 表面采用PVD（物理气相沉积法）技术，在真空、工艺处理温度500度的环境下，在刀具表面涂覆TiN、TiC、TiCN等硬膜，以提高刀具性能的新工艺。使用寿命提高3－7倍，切削效率提高30％。 已在形状复杂的钻头、丝锥、成形铣刀及齿轮刀具上广泛应用

29. 常用高速钢牌号及其应用范围 类别 牌 号 主 要 用 途 普通 高速钢 W18Cr4V 广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等 W6Mo5Cr4V2 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等 W14Cr4VmnRe 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等 高性能高速钢 高碳 95W18 Cr4V 用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具 高矾 W12Cr4V4 Mo 用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具 超硬 W6Mo5Cr4V2Al 用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具 W10Mo4Cr4V3Al 耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具 W6Mo5Cr4V5SiNbAl 用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头 W12Cr4V3 Mo3Co5Si 耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具 W2Mo9Cr4VCo8（M42） 用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵 二、高速钢

30. 三 硬质合金 硬质合金是由高硬度的难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（如Co、Ni等）用粉末冶金方法制成的一种刀具材料。

31. 三 硬质合金 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。 常用硬质合金的硬度为89 HRA ～93 HRA，比高速钢（83 HRA ～86.6 HRA）高得多，在800℃～1000℃时还能切削， 所以硬质合金的耐热性能比高速钢好。

32. 三 硬质合金 硬质合金由于切削性能优良，已成为主要的刀具材料 绝大部分车刀采用硬质合金，端铣刀和一些形状复杂的刀具如麻花钻、齿轮滚刀、铰刀、拉刀等也日益广泛采用此材料。 刀具使用寿命可提高十倍，切削速度可提高4～10倍。 抗弯强度较高速钢低，冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。

33. 三 硬质合金 硬质合金的冷加工性和热加工性都很差 。硬质合金由于具有高硬度、高耐热性和高耐磨性，加工性能优良，而且生产成本较低，所以，使用极其广泛。 主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等简单刀具。

34. 三 硬质合金 (1)钨钴类硬质合金 YG类具有较高的抗弯强度和韧性，所以适用于加工铸铁，也适用于加工有色金属和非金属材料。此外，YG类硬质合金还适用于加工钛合金和不锈钢。 常用牌号有YG3、YG6、YG8

35. 三 硬质合金 2）钨钛钴类硬质合金： 钨钛钴类硬质合金的代号为YT，相当于ISO标准的P类。 （WC＋TiC+Co） YT类硬质合金适用于在中高切削速度下加工钢料。 常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30

36. 三 硬质合金 (3)钨钛钽（铌）钴类硬质合金： 钨钛钽（铌）钴类硬质合金的代号为YW，相当于ISO标准的M类。 WC＋TiC+TaC(NbC)+Co。 YW类硬质合金兼有YG类和YT类的优点，具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性好的特点，既可加工钢材，也可加工铸铁和有色金属，故被称为通用硬质合金。 YW类硬质合金主要用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。YW1适用于精加工，YW2适用于粗加工。YW类硬质合金成本高，使用受限。

37. 三 硬质合金 （4）钨钽（铌）钴类（WO+TaC(NbC)+Co）YA 硬质合金具有较高的硬度和耐磨性，同时能细化晶粒，可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。 适于切削冷硬铸铁、有色金属及其合金。

38. 各种硬质合金的应用范围 牌 号 应 用 范 围 YG3X 铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷 YG3 铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷 硬度、耐磨性、切削速度 抗弯强度、韧性、进给量 YG6X 普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工 YG6 铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工 YG8 铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削 YG6A 冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工 YT30 碳素钢、合金钢的精加工 硬度、耐磨性、切削速度 抗弯强度、韧性、进给量 YT15 碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工 YT14 同YT15 YT5 碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削 YW1 高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工 硬度、耐磨性、切削速度 抗弯强度、韧性、进给量 YW2 高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工 三 硬质合金

39. 硬质合金新旧牌号的对照 三 硬质合金 • GB/T18376.1-2001 • P类硬质合金:YT类 • M类硬质合金:YW类 • K类硬质合金:YG类

40. 四.其他刀具材料 • 陶瓷 • 金刚石 • 立方氮化硼

41. 四.其他刀具材料 （一）陶瓷 • 纯Al2O3陶瓷及Al2O3－TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷 • 陶瓷刀具有很高的硬度（HRA91~95）和耐磨性；有很高的耐热性，在高温1200℃以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高2～5倍； • 有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散的能力好。 • 可用于加工钢、铸铁；车、铣加工也都适用。 • 但脆性大、抗弯强度低、冲击韧性差，易崩刀，使其使用范围受到限制。但作为连续切削用的刀具材料，还有很大发展前途的。

42. 四.其他刀具材料 （一）陶瓷 • 陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。 • 主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。

43. 四.其他刀具材料 （二）金刚石 • 是目前人工制造出的最硬的物质，硬度高达HV10000 • 耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。 • 切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少； • 有较低的摩擦系数，其切屑与刀具不易产生粘结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。

44. 四.其他刀具材料 （二）金刚石 • 热稳定性差，切削温度不宜超过700～800℃； • 强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削； • 与铁有极强的化学亲合力，不适于加工黑金属。 • 目前主要用于磨具和磨料，对有色金属及非金属材料进行高速精细车削及镗孔；加工铝合金、铜合金时，切削速度可达800～3800m/min。

45. 四.其他刀具材料 （三）立方氮化硼 • 由软的立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。 • 有很高的硬度（HV8000～9000）及耐磨性；其比金刚石高得多的热稳定性（1400℃），可用来加工高温合金； • 化学惰性大，与铁族金属直至1300℃时也不易起化学反应，可用与加工淬硬钢及冷硬铸铁； • 有良好的导热性、较低的摩擦系数。 • 它目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰。 • 它有两种类型：整体聚晶立方氮化硼，能像硬质合金一样焊接，并可多次重磨；立方氮化硼复合片，即在硬质合金基体上烧结一层厚度为0.5mm的立方氮化硼而成。

46. 表2-11 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 刀具材料种类 材料性能 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然聚晶金刚石 聚晶立方氮 工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4金刚石PCD 化硼 PCBN 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000HV7500 HV4000 抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa 导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5100-120 40-100 热稳定性 350℃ 620 ℃ 1000 ℃ 1400 ℃ 800 ℃600-800 ℃ ＞1000 ℃ 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra≤0.8 高精度 Ra=0.4-0.2 加工质量 Ra≤0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削 硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料 低速加工一般钢材、铸铁 一般钢材、铸铁粗、精加工 一般钢材、铸铁粗、精加工 高硬度钢材精加工 淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料 加工对象

47. 第三节 切削液

48. 一、切削液的作用 • 冷却作用 • 润滑作用 • 清洗作用 • 防锈作用

49. 二、切削液的种类及选用 • 水溶液 • 乳化液 • 切削油 • 其他

50. 第四节 刀具合理几何参数的选择