第 2章
金属切削原理与刀具
?2.1 金属切削过程
2.1.1 切削层与切削参数
2.1.2 切削过程
2.1.3 影响切削变形的因素
?2.2 切削过程的基本规律
2.2.1 切削力
2.2.2 切削热与切削温度
2.2.3 刀具磨损和耐用度
?2.3 切削参数的选择
2.3.1 刀具几何角度
2.3.2 刀具几何参数的合理选择
2.3.3 切削用量的选择
?2.4 切削过程基本规律的应用
2.4.1 切屑的控制
2.4.2 材料的切削加工性
2.4.3 切削液
?2.5 刀具材料
2.5.1 刀具材料的基本要求
2.5.2 普通刀具材料
2.5.3 特殊刀具材料
2.5.4 涂层刀具
2.1 金属切削过程
2.1.1 切削层与切削参数
? 概念,
? 金属切削的过程,刀具与工件相互运动、相互
作用的过程。
? 主运动,使工件与刀具产生相对运动而进行切
削的最主要的运动。
? 进给运动,保证金属的切削能连续进行的运动。
? 进给量,工件或刀具每转或每一行程时，工件和刀具在进给运动方向的相对位移量
? 切削层,在切削过程中，刀具的刀刃在一
次走刀中从工件待加工表面切下的金属层
? 切削层参数,切削层的截面尺寸 ]
? 背吃刀量 ap：对于外圆车削，它指已加工
表面与待加工表面间的垂直距离。
? 特点,
? 主运动特点 是运动速度最高，消耗功率最大。主
运动一般只有一个。
? 进给运动的特点 是运动速度低，消耗功率小。进
给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是
间歇运动。
? 如右图的外圆的车削运动。
? υc为切削刃某点切削速度，
? υf为同一点的进给运动速度，
? υe为两个运动的合成速度。
外圆车削的切削运动与加工表面
?1．车削切削层参数
? 概念及公式,
? （ 1） 切削层 公称厚度 hD,在主切削刃选定点的
基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸 。
? 图中 切削层截面的切削厚度为,hD ＝ f sinκr
? （ 2） 切削层 公称宽度 bD,在主切削刃选定点的
基面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸
? 切削层截面的 公称切削宽度为, bD ＝ ap/sinκr
? 切削层 公称横截面积 AD,在主切削刃选定点的基
面内，切削层的截面面积
? 车削切削层 公称横截面 为, AD＝ hD bD＝ f ap
? 2．铣削切削层参数
? 铣削的 方式,端铣与周铣
? 概念及公式,
? （ 1）切削层 公称厚度 hD,在基面内度量的相邻
刀齿主切削刃运动轨迹间的距离
? 图中 切削层 厚度 为,hD ＝ ab = acsinΦ＝
fzsinΦ
? （ 2）切削层 公称宽度 bD：铣削的切削层公称宽
度是指主切削刃与工件切削面的接触长度 (近似
值 )。
? 直齿圆柱铣刀铣削的 切削层宽度 为,bD ＝ ap
? （ 3）切削层 公称横截面积 AD,切削厚度与背吃
刀量的积,AD ＝ hD bD
2.1.2 切削过程
? 1,金属切削过程的变形 （图 a,b）
? （ 1） 第一变形区 （图 aⅠ ）：切削层金属从开始
塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区
? （ 2） 第二变形区 （图 aⅡ ）产生塑性变形的金属
切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，
在靠近前刀面处形成第二变形区。
? 粘结现象时的摩擦状况 图（ a）
? （ 3） 第三变形区 （图 aⅢ ）金属切削层在已加工
表面受刀具刀刃钝圆部分的挤压与摩擦而产生塑
性变形部分的区域。
? 刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程 图（ b）
? 综合看来
?2．积屑瘤的形成及对加工影响
? 概念,
? 在一定的切削速度和保持连续切削的情况下，
加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一块
剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为 积屑瘤 。
? 积屑瘤的 成因,根据第二变形区的特点及 图 来
解释。
? 积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，
而且也与刀刃前区的温度和压力有关。
? 积屑瘤 对金属切削过程产生的影响,
?（ 1）实际刀具前角增大
?（ 2）实际切削厚度增大
?（ 3）加工后表面粗糙度增大
?（ 4）切削刀具的耐用度降低
? 【 例 2-1】 某工厂车工师傅在粗加工一件零件
时，他采用了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，
而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，
请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为
能用哪些方法。
? 答：根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，
积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，
所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的
加工方法，但积屑瘤很不稳定，它会周期性地
脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，
影响零件的加工尺寸精度，另外，积屑瘤的剥
落和形状的不规则又使零件加工表面变得非常
粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶
段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。
? 如何避免积屑瘤的发生,
? ①、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通
过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的
加工硬化。
? ②、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑
对刀具前刀面的压力。
? ③、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接
触面温度降低，避免粘结现象的发生。
? ④、或采用较高的切削速度，增加切削温度，
因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。
? ⑤、更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，
减少切削摩擦。
2.1.3 影响切削变形的因素
? 1,工件材料
? 2,刀具几何参数
? 3,切削速度
? 4,切削厚度
2.2 切削过程的基本规律
2.2.1 切削力
? 1,切削力分析及切削功率
? （ 1）切削力的产生
? ①、切削力的概念,
? 刀具在切削过程中克服加工阻力所需的力
?②, 切削力的产生,
? A、克服被加工材料对弹性变形的抗力
? B、克服被加工材料对塑性变形的抗力
? C、克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后
刀面对过渡表面和已加工表面间的摩擦力。
? （ 2）切削合力及分力
? Fr ＝
? FD ＝
? 总合力 为,Fr＝
? Ff —— 进给力
? FP —— 背向力
? Fc —— 切削力
? FD为总合力在切削层尺寸平面上的投影
22 Dc FF ?
22 fp FF ?
222 fpc FFF ??
切削合力及分解
? （ 3）切削功率
? 概念,
? 切削过程中所消耗的功率称为 切削功率 Pc。
? 图中 背向力 FP在力的方向无位移，不做功，因此
切削功率为进给力 Ff与切削力 Fc所做的功。
? 根据功率公式 切削功率,
? Pc ＝ （ Fcυc ＋ Ff nf /1000） × 10-3KW
? 式中,Fc切削力（ N）,υc切削速度（ m/min），
Ff进给力（ N）,n工件转速（ r/s）,f进给量
（㎜）
? 由于 Ff消耗功率一般小于 1％～ 2％，可以忽略不
计，因此功率公式可简化为,
? Pc ＝ Fcυc× 10-3KW
? ２,切削力的计算,
? （ 1）指数公式
? 指数公式应用较广，它的形式如下：
? 上式中,C, C, C 为被加工金属的切
削条件系数,K, K, K 为当加工条件
与经验公式条件不同时的修正系数。
cF pF
fF
cF pF
fF
? （ 2）单位切削力公式
? ①概念,
? 单位切削力指单位切削面积上的切削力。
? 公式：
? Kc = = （ N/㎜ 2）
? 式中,Fc切削力（ N），
? AD切削面积（㎜ 2），
? ap背吃刀量 (㎜ ),f进给量（㎜ /r）。
? Kc可以查表。
D
c
A
F
fa
F
p
c
? ３,影响切削力的因素
? （ 1）工件材料
? （ 2）切削用量
? ①、背吃刀量 ap与进给量 f影响
? ②,切削速度
? （ 3）刀具几何参数
? ①、刀具前角
? ②、刀具主偏角 κr和刀尖圆弧半径
? ③、刀具刃倾角 λs
? （ 4）刀具材料与切削液
? １,切削热的产生与传导
? 切削热产生的 原因,
? ①,在金属切削过程中，切削层发生弹性与塑
性变形
? ②、切屑、工件与刀具的摩擦也产生了大量的
热量。
? 切削热产生的区域,
? ①、剪切面，
? ②、切屑与刀具前刀面的接触区，
? ③、刀具后刀面与工件过渡表面接触区。
2.2.2 切削热与切削温度
? 金属切削层的塑性变形产生的热量最大，即主
要在剪切面区产生。
? 切削热量的近似计算公式：
? Q ＝ Fc υc（ J/s）
实际上是切削力所做的功。
? 其中：切削力 Fc（ N），
? 切削主运动速度 υc（ m/s） 。
? 2.切削温度的分布,
? 先看两 图
? （ 1）切削最高温度并不在刀刃，而是离
刀刃有一定距离。。
? （ 2）后刀面温度的分布与前刀面类似，
最高温度也在切削刃附近，不过比前刀面
的温度低。
? （ 3）终剪切面后，沿切屑流出的垂直方
向温度变化较大，越靠近刀面，温度越高，
这说明切屑在刀面附近被摩擦升温，而且
切屑在前刀面的摩擦热集中在切屑底层。
? 影响切削温度的因素,
? （ 1）切削用量
? 经验公式,高速钢刀具 (加工材料 45钢 )：
? θ ＝ 140～ 170a f v
? 硬质合金刀具 (加工材料 45钢 )：
? θ ＝ 320a f v
? （ 2）刀具的几何参数
? 前角 γo与主偏角 κr。
? （ 3）工件材料
? 工件材料的强度、硬度和导热系数
? （ 4）切削液
? 切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以
及本身的温度
1.008.0 ?p
3.02.0 ? 45.035.0 ?
05.0p 15.0 41.026.0 ?
2.2.3 刀具磨损与耐用度
? 1.刀具的磨损形式
? （ 1）前刀面磨损
? ①、特点,
? 在前刀面上离切削刃小段距离有一月牙洼，
随着磨损的加剧，主要是月牙洼逐渐加深，洼
宽变化并不是很大。磨损程度用洼深 KT表示。
? （ 2）后刀面磨损
? ①、特点,
? 在刀具后刀面上出现与加工表面基本平行
的磨损带。
? ②,C,B,N三个区
? （ 3）破损
? ①,崩刃 特点是在切削刃产生小的缺口，尺
寸与进给量相当。硬质合金刀具连续切削时容
易产生。
? ②,剥落 特点是前后刀面上平行于切削刃剥
落一层碎片，常与切削刃一起剥落。陶瓷刀具
端铣常发生剥落，另外硬质合金刀具连续切削
也发生。
? ③,裂纹 特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂
纹。由于长时间连续切削，刀具疲劳而引起。
? ④,塑性破损 特点是刀刃发生塌陷。是由于
切削时高温高压作用引起的。
? 2, 刀具的磨损原因,
? （ 1）硬质点磨损
? （ 2）粘结磨损
? （ 3）扩散磨损
? （ 4）氧化磨损
? （ 5）相变磨损
? 3．刀具破损原因,
? 在断续切削条件下，由于强烈的机械与热冲击，
超过刀具材料强度，引起刀具破损
? 断续切削时，在交变机械载荷作用下，降低了
刀具材料的疲劳强度，容易引起机械裂纹而破
损。
? 此外由于切削与空切的变化，刀具表面温度发
生周期性变化，容易产生热裂纹，又在机械力
的混和作用下，发生破损。
? 采取措施,
? 提高韧性、使抗弯强度提高等，防止刀具破损。
? 4, 刀具磨钝标准及耐用度
? （ 1）刀具磨钝标准
? 磨钝标准 概念,
? 刀具磨损到一定程度，将不能使用的限度,
国际标准中规定以 1/2背吃刀量处后刀面上测
量的磨损带宽 VB作为 刀具磨钝标准 。
? 实际生产中，考虑到不影响生产，一般根据
切削中发生的一些现象来判断刀具是否磨钝。
? 例如是否出现振动与异常噪音等。
? （ 2）刀具耐用度
? 概念,
? 从刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀
具磨钝标准所用的总切削时间被称为 刀具耐用
度,单位为分钟。
? 影响刀具耐用度的主要因素,
?①,切削用量
?②,刀具几何参数
?③,工件材料
?④,刀具材料
2.3 切削参数的选择
2.3.1 刀具几何角度
? 1．刀具基本概念,
? ①,刀具切削部分组成,
? 前刀面 Aγ—— 切屑沿其流出的表面。
? 主后刀面 Aα—— 与过渡表面相对的面。
? 副后刀面 Aαˊ —— 与已加工表面相对的面。
? 主切削刃 —— 前刀面与主后刀面相交形成的刀刃。
? 副切削刃 —— 前刀面与副后刀面相交形成的刀刃。
? 正交平面参考系时各
参考面, （ 右图）
? 基面 pr—— 过切削刃选
定点平行或垂直刀具安
装面（或轴线）的平面。
? 切削平面 ps—— 过切削
刃选定点与切削刃相切
并垂直于基面的平面。
? 正交平面 po—— 过切削
刃选定点同时垂直于切
削平面和基面的平面。
正交平面参考系
? 对于法平面参考系,
? 则由 pr,ps,pn三平面组成，其中：
? 法平面 pn—— 过切削刃选定点并垂直于切削
刃的平面。
? 对于假定工作平面参考系,
? 则由 pr,pf,pp三平面组成，
? 假定工作平面 pf—— 过切削刃选定点平行于
假定进给运动方向并垂直于基面的平面。
? 背平面 pp—— 过切削刃选定点和假定工作平
面与基面都垂直的平面。
? 3, 刀具的标注角度
? ①、车刀各标注角度, 图
? 前角 γo—— 在主切削刃选定点的正交平面 po
内，前刀面与基面之间的夹角。
? 后角 αo—— 在正交平面 po内，主后刀面与基
面之间的夹角。
? 主偏角 κr—— 主切削刃在基面上的投影与进
给方向的夹角。
? 刃倾角 λs—— 在切削平面 ps内，主切削刃与
基面 pr的夹角。
? 以及还有：副前角 γoˊ,副后角 αoˊ,副偏
角 κrˊ,副倾角 λsˊ
圆柱形铣刀几何角度
圆柱形铣刀基面 pr为过切削刃选定点和刀具轴线的平面，
即与主切削速度垂直的平面。切削平面 ps同样为过该切削
刃选定点与切削刃相切并与基面垂直平面。
②,铣刀各标注角度
? 4．刀具的工作角度
? 概念,
? 刀具在工作状态下的切削角度称为 刀具的工作
角度
? 工作正交参考系下的参考平面,
? 工作 基面 pre—— 过切削刃选定点与合成切削速
度 ve垂直的平面。
? 工作 切削平面 pse—— 过切削刃选定点与切削刃
相切并垂直于工作基面的平面。
? 工作 正交平面 poe—— 过切削刃选定点并与工作
基面和工作正交面都垂直的平面。
? 其它参考系下定义的相应的参考平面,
? 法平面参考系下的 pre,pse,pne；
? 定义了与标注角度相对应的工作角度,γoe、
αoe,κre、
? 工作平面参考系下的 pre,pfe,ppe。
? 定义了与标注角度相对应的工作角度, λse、
γfe,αfe等。
? （ 1）刀具安装位置对刀具工作角度影响
? ①、刀刃 安装高低对工作前、后角 的影响：
? 图中,当切削点高于工件中心时，此时工作基面与
工作切削面与正常位置相应的平面成 θ 角 则：
Sinθ ＝ 2h/d
? 刀尖低于工件中心，则工作角度变化与之相反。内
孔镗削时与加工外表面情况相反。
? ②,导杆中心与进给方向不垂直对工作主、副偏角
的影响,
? 图中,刀杆中心与正常位置偏 θ 角时，刀具标注工
作角度的假定工作平面与现工作平面 pfe成 θ 角
? 则,κre ＝ κrθ κreˊ ＝ κrθ
? （ 2）进给运动对刀具工作角度的影响
? 正常切削外圆时，刀具切削平面 ps与基面 pr位置
如 图 所示，当车螺纹时，工作切削平面 pse与螺纹
切削点相切，与刀具切削平面 ps成 μf角
? 在正交平面内，刀具的 工作角度 为：
? γoe ＝ γo ＋ μo αoe ＝ αo － μo
? tgμf ＝ f /πdw
? tgμo ＝ tgμf sinκr ＝ f sinκr/πdw
? 式中,f 纵向进给量，对单头螺纹 f 为螺距； dw工
件直径即螺纹外径。
? 在一般的外圆车削中，因进给量小，常不考虑其
对工作角度的影响。
2.3.2 刀具几何参数的合理选择
? 概念,
? 刀具几何参数的合理选择 是指在保证加工质量的
前提下，选择能提高切削效率，降低生产成本，
获得最高刀具耐用度的刀具几何参数。
? 刀具几何参数内容,
? 刀具几何角度（如前角、后角、主偏角等）、
? 刀面形式（如平面前刀面、倒棱前刀面等）
? 切削刃形状（直线形、圆弧形）
? 选择刀具考虑的因素：
? 工件材料、刀具材料、切削用量、工艺系统刚性
等工艺条件以及机床功率等。
?在一定切削条件下的基本选择方法,
?1．前角和前刀面形状的选择
5．刃倾角的选择
?3．主偏角、副偏角的选择
?2．后角及形状的选择
4．刀尖形状的选择
? 1．前角和前刀面形状的选择
? （ 1） 前角的选择,
? 在选择刀具前角时首先应保证刀刃锋利，同时也
要兼顾刀刃的强度与耐用度。
? 刀具前角的合理选择，主要由刀具材料和工件材
料的种类与性质决定。
? 具体又应该从下面来考虑,
? ① 刀具材料
? ② 工件材料
? ③ 加工条件
? ④ 其它刀具参数
? ① 刀具材料
? 强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。
? 下图是不同刀具材料韧性的变化
? ② 工件材料
? 加工钢件等塑性材料时，切屑沿前刀面流出时和前刀
面接触长度长，压力与摩擦较大，为减小变形和摩擦，
一般采用选择大的前角。
? 加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接触短，
切削力主要集中在切削刃附近，受冲击时易产生崩刃，
因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提
高刀刃的强度。
立方氮化硼刀具 陶瓷刀具 硬质合金刀具 高速钢刀具
刀具韧性增强，前角取大
? ③ 加工条件
? 粗加工 时，一般取较小的前角；
? 精加工 时，宜取较大的前角，以减小工件变
形与表面粗糙度；
? 带有冲击性的断续切削比连续切削前角取得
小。
? 机床工艺系统好，功率大，可以取较大的前
角。
? 数控机床加工时，为使切削性能稳定，宜取
较小的前角
? ④ 其它刀具参数
? 与 刃倾角 有关。负倒棱
（如右图角度 γo1）的刀具
可以取较大的前角。
? 大前角的刀具常与负刃倾
角相匹配以保证切削刃的
强度与抗冲击能力。
? 总之，前角选择的 原则 是
在满足刀具耐用度的前提
下，尽量选取较大前角。
? （ 2）前刀面形状、刃区形状及其参数的选择
? ①、前刀面形状
? A,正前角锋刃平面型 （右图）
? 特点 是刃口较锋利，但强度差，
γo不能太大，不易折屑
? B,带倒棱的正前角平面型 （右图）
? 特点 是切削刃强度及抗冲击能
? 力强，同样条件下可以采用较
? 大的前角，提高了刀具耐用度。
? C,负前角平面型 （右图）
? 特点 是：切削刃强度较好，
但刀刃较钝，切削变形大。
? D,曲面型 （右图）
? 特点 是：有利于排屑、
卷屑和断屑，而且前角较大
? E,钝圆切削刃型 （右图）
? 特点 是：切削刃强度和
? 抗冲击能力增加，
? 具有一定的消振作用。
? ② 刃区形状
? 为了提高刀具性能，一些前刀面与倒棱和刃部形
状相结合。
? 倒棱 是沿切削刃研磨出很窄的负前角棱面。
? 倒棱参数 的最佳值与进给量有密切关系
? 对于进给量很小的精加工刀具，以及加工铸铁、
铜合金等脆性材料的刀具，一般不磨倒棱。
? 钝圆切削刃 是在负倒棱的基础上进一步修磨而成，
或直接钝化处理成
? 钝圆半径 rn有小型、中型和大型三种。
? 刀具材料强度和韧性影响钝圆半径选择。
? 工件材料的性质也影响钝圆半径的选择。
? 2．后角及形状的选择
? （ 1）后角的选择
? ①,后角的选择考虑因素,
? A,切削厚度
? 当切削厚度 hD（和进给量 f）较小时，后角 αo
应取大些
? 粗车 时，切削厚度 hD较大，取较小后角，
? 精车 时，为保证加工表面质量,αo＝ 8o～ 12o。
?B,工件材料
?工件材料强度或硬度较高时，一般采用较
小后角。
?对于塑性较大材料，已加工表面易产生加
工硬化时，一般取较大后角。
?②,选择后角的原则,
?在不产生摩擦的条件下，应适当减小后角。
?（ 2）后面形状的选择
? 为减少刃磨后面的工作量，提高刃磨质量，在硬质
合金刀具和陶瓷刀具上通常把后面做成双重后面 沿
主切削刃和副切削刃磨出的窄棱面被称为 刃带 。
? 沿主切削刃和副切削刃磨出的窄棱面被称为 刃带 。
对定尺寸刀具磨出刃带的作用是为制造刃磨刀具时
有利于控制和保持尺寸精度，同时在切削时提高切
削的平稳性和减小振动。
? 3．主偏角、副偏角的选择
? （ 1）主偏角的选择
? 综合考虑 选择原则,
? ①、工艺系统刚性较好时，主偏角 κr可以取小值。
? ②、工艺系统刚性较差时,或带有冲击性的切
削，主偏角 κr可以取大值，，一般 κr＝ 60o～ 75o，
甚至主偏角 κr可以大于 90o，以避免加工时振动。
? ③、根据工件加工要求选择。
?（ 2）副偏角的选择
?考虑的各种综合因素,
? ①、工艺系统刚性好时，加工高强度高硬度材料，
一般 κrˊ ＝ 5o～ 10o；加工外圆及端面，能中间切入，
κrˊ ＝ 45o。
? ②、工艺系统刚度较差时，粗加工、强力切削时，
κrˊ ＝ 10o～ 15o；车台阶轴、细长轴、薄壁件，
κrˊ ＝ 5o～ 10o。
? ③、切断切槽,κrˊ ＝ 1o～ 2o。
? 副偏角的选择原则 是：在不影响摩擦和振动的条件
下，应选取较小的副偏角。
? 4．刀尖形状的选择
? 刀尖 概念,主切削刃与负切削刃连接的地方
? 倒角刀尖的偏角一般取 κrε＝ κr,bε＝
（ ～ ） ap。刀尖也可修成圆弧状
(a)倒角刃 (b)圆弧刃 (c)修光刃
2
1
5
1
4
1
? 5．刃倾角的选择
? 刃倾角 λs是在主切削平面 ps内，主切削刃与基面 pr
的夹角。
? 刃倾角对切屑流向的影响 (下图 )
? 因此：一般大前角刀具通常选用负的刃倾角
刃倾角对切屑流向的影响
? 车削刃倾角 主要根据刀尖强度和流屑方向来选
择，其合理数值如下表：
适用
范
围
精车
细
长
轴
精车
有
色
金
属
粗车一
般
钢
和
铸
铁
粗车余
量不
均、
淬硬
钢等
冲击较
大的
断续
车削
大刃倾
角
薄
切
屑
λ s
值
00～
50
50～
100
00～－
50
－ 50～
－ 100
－ 50～
－ 150
450～
750
? 【 例 2-2】 如右图所
示大切深强力车刀，
刀具材料 YT15，一
般用于中等刚性车
床上，加工热轧和
锻制的中碳钢。切
削用量为：背吃刀
量 ap＝ 15～ 20㎜,
进给量 f ＝ 0.25～
0.4mm/r。试对该
刀具的刀具几何参
数进行分析。
? 答：此刀具主要几何参数及作用如下：
? （ 1）取较大前角,γO＝ 200～ 250，能减小切削
变形，减小切削力和切削温度。主切削刃采用
负倒棱,br1＝ 0.5 f, γO1＝－ 200～－ 250，提
高切削刃强度，改善散热条件。
? （ 2）后角值较小,αo＝ 4o～ 6o，而且磨制成双
重后角，主要是为提高刀具强度，提高刀具的
刃磨效率和允许刃磨次数。
? （ 3）主偏角较大,κr＝ 70o，副偏角也较大，
κrˊ ＝ 15o，以降低切削力 Fc和背向力 Fp，避免
产生振动。
? （ 4）刀尖形状采用倒角刀尖加修光刃，倒角
κrε＝ 45o,bε＝ 1～ 2mm，修光刃 b ＝ 1.5f,
主要是提高刀尖强度，增大散热体积。修光刃
目的是修光加工表面残留面积，提高加工表面
的质量。
? （ 5）刃倾角取负值,λs＝－ 40～－ 60，提高刀
具强度，避免刀尖受冲击。
'?
2.3.3切削用量的选择
? 切削用量的概念,
? 是切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量的总称。
? 1,切削用量的 选择原则和方法
? 合理的切削用量 概念,是指充分利用机床和刀
具的性能，并在保证加工质量的前提下，获得
高的生产率与低加工成本的切削用量。
? 在不考虑辅助工时情况下，有 生产率公式 P ＝
Aoυf ap
? 刀具寿命与切削用量三要素之间的关系式 T ＝
CT /（ υ1/mf 1/nap1/ p）
?对切削用量三要素选择方法
? （ 1） 背吃刀量的选择
? 粗加工 时（表面粗糙度 Ra50～ 12.5μm）,在允
许的条件下，尽量一次切除该工序的全部余量。
如分两次走刀，则第一次背吃刀量尽量取大,第
二次背吃刀量尽量取小些
? 半精加工 时（表面粗糙度 Ra6.3～ 3.2μm），背吃
刀量一般为 0.5～ 2㎜ 。
? 精加工 时（表面粗糙度 Ra1.6～ 0.8μm），背吃刀
量为 0.1～ 0.4㎜ 。
?（ 2）进给量的选择
? 粗加工 时，进给量主要考虑工艺系统所能承
受的最大进给量
? 精加工和半精加工 时，最大进给量主要考虑加
工精度和表面粗糙度。另外还要考虑工件材料，
刀尖圆弧半径、切削速度等。
? 此外还应注意零件加工中的某些特殊因素。
? 加工过程中，由于切削力的作用，机床、工件、
刀具系统产生变形，可能使刀具运动滞后，从
而在拐角处可能产生,欠程,。
? （ 3）切削速度的选择
? 确定了背吃刀量 ap，进给量 f 和刀具耐用度 T，则
可以按下面公式计算或由表确定切削速度 υ和机床
转速 n 。
? υc＝
? 半精加工和精加工 时，切削速度 υc,主要受刀具
耐用度和已加工表面质量限制，在选取切削速度 υc
时，要尽可能避开积屑瘤的速度范围。
? 切削速度的 选取原则 是：
? 粗车时，应选较低的切削速度，精加工时选择较高
的切削速度；
? 加工材料强度硬度较高时，选较低的切削速度，反
之取较高切削速度；刀具材料的切削性能越好，切
削速度越高。
vvyvx
pm
V k
faT
C
60
? 2．高速切削技术
? （ 1）超高速切削技术的技术思想和内涵
? 切削速度与切削温度的关系：
?,当切削速度大于一定值后，切削速度增加越
快，其切削温度愈降低，可以实现改善材料的
切削性、降低切削阻力和提高加工精度的目的，
而且刀具不容易产生磨耗。
? （ 2）高速切削技术的切削速度范围
? 高速切削技术涉及到多种 切削方法,车、铣、
磨等
? （ 3）高速切削技术的特点
? ①、加工效率高。
? ②、切削力小。
? ③、切削热少 。
? ④、加工精度高。
? ⑤、工序集约化。
? （ 4）高速切削技术的应用
? ①、在航空工业轻合金的加工。
? ②、模具制造业也是高速切削应用的重要领域。
? ③、汽车工业是高速切削的又一应用领域。
2.4 切削过程基本规律的应用
2.4.1 切屑的控制
? 1,切屑的类型
? （ 1） 带状切屑 图 a
? 此类切屑的 特点 是形状为带状，内表面比较光
滑，外表面可以看到剪切面的条纹，呈毛茸状。
? （ 2） 挤裂切屑 图 b
? 挤裂切屑形状与带状切屑差不多，不过它的外
表面呈锯齿形，内表面一些地方有裂纹。
? （ 3） 单元切屑 图 c
? 剪切变形完全达到材料的破坏极限，切下的切削断
裂成均匀的颗粒状，则成为梯形的单元切屑。
? （ 4） 崩碎切屑 图 d
? 此类切屑为不连续的碎屑状，形状不规则，而且加
工表面也凹凸不平。主要在加工白口铁、高硅铸铁
等脆硬材料时产生。
? 2．切屑的折断
? 折断 条件, εmax＝ （ － ） ≥εb 图 a
? 切屑的 弯曲半径 ρ，与断屑槽尺寸有密切关系。
? ρ＝ 图 b
2ch
h
0
1
? ?
1
—－
nB
nBh lL
2
nBh
切屑折断过程 (a)弯曲 (b)折断
? 3．断屑措施
? （ 1）磨制断屑槽
? ①、常用的 断屑槽型式,
? 直线圆弧型，直线型，全圆弧型。
? ②、直线圆弧型和直线型断屑槽适用范围：
? 切削碳素钢、合金结构钢、工具钢等。
? ③、影响断屑的主要参数有：
? 槽宽 LBn，槽深 hBn。
? 断屑槽在前刀面的 位置型式,
? （ a）平行式；（ b）外斜式；（ c）内斜式。
? （ 2）选择合适切削用量
? 在切削用量参数中，进给量 f 对断屑影响最大。
切削速度 υc和背吃刀量 ap对断屑影响较小 。
? （ 3）选择合适刀具几何参数
? 在刀具几何参数中，对断屑影响较大的是主偏
角 κr。
? 刃倾角 λs的变化对切屑流向产生影响，因而也
影响断屑效果。
2.4.2 材料的切削加工性
? 1．材料切削加工性的概念与评价标准
? 材料的切削加工性的 概念,
? 在一定的切削条件下，工件材料在进行切削加
工时表现出的加工难易程度
? 衡量切削加工性的标准,
? （ 1）加工表面质量。
? （ 2）刀具耐用度。
? （ 3）单位切削力。
? （ 4）断屑性能。
?在生产实践中，通常采用相对加工性来
衡量材料的切削加工性。
?即：以强度为 σb＝ 0.637GPa的 45钢的
U60作基准，记作 U60j，其它切削材料的
U60与之相比的数值，称为相对加工性，
记作 Kv：
? Kv＝ U60/U60j
? 2．影响工件材料切削加工性的因素
? （ 1）工件材料硬度对加工性的影响
? （ 2）工件材料强度对切削加工性的影响
? （ 3）材料的塑性与韧性对切削加工性的影响
? （ 4）金相组织对材料切削加工性影响
? （ 5）材料化学成份对切削加工性的影响
? （ 6）材料的加工硬化性能对切削加工性影响
? 3．改善材料切削加工性的措施
? （ 1）调整工件材料的化学成份。
? （ 2）通过热处理改变材料的金相组织和力学性能
? 4．难加工材料的切削加工性及加工方法
? （ 1）高锰钢
? ①,概念,
? 钢中锰含量在 11％～ 14％时，称为高锰钢。
? ②,常用类型,
? 高碳高锰耐磨钢和中碳高锰无磁钢。
? ③、高锰钢切削加工性差的 主要原因,加工硬化性
能高和导热性差。
? ④,加工方法,
? 应使刀刃锋利。切削时速度不宜太高,进给量和
切削深度不宜小,为提高切削效率，可采用加热
切削法。
? （ 2）高强度钢
? 1、高强度钢的 特点,
? 高强度钢的室温强度高，抗拉强度在 1.177GPa
以上。低合金和中合金高强度钢，在淬火及回火
后能得到硬度为 40～ 50HRC的高硬度和高强度。
? 2、高强度钢切削时，应 注意 以下几点：
? ①、在刀具材料的选用上，如采用硬质合金，应
选用强度大，耐热冲击的牌号刀具；采用高速钢
刀具时，应选用高温硬度高的高钒高钴高速钢；
为减小崩刃，选用碳化物细小均匀的钼系高速钢。
? ②,为防止崩刃，增强刀刃，前角应取小值
或负值，刀刃粗糙度小，刀刃尖角用圆弧代
替，圆弧半径 ｒ ε>0.8㎜ 。
? ③、切削时，切削速度要低，约普通结构钢
的 1/8～ 1/2，进给量不宜过小。
? ④、采用硬质合金刀具时，不宜采用水溶性
切削液，以免刀刃承受较大的热冲击。
? ⑤、粗车时，一般在退火状态下进行，前角
选用较小的数值，倒棱前角 γo1＝ -5o～ -10o，
如 f <0.06mm/r时,γo1＝ 3o～ -5o。后角应
选大些,αo＝ 10o。
? （ 3）不锈钢
? 1、奥氏体不锈钢的特点：
? 奥氏体不锈钢组织塑性大，容易产生加工硬化，而
且刀热性也差，约为 45钢的 1/3，因此奥氏体不锈
钢较难切削；马氏体不锈钢淬火后硬度和强度都较
高，切削也比较困难。未调质的马氏体不锈钢，虽
然能在较高的速度下切削，但表面光洁度较差。
? 2、切削不锈钢时应注意以下几点：
? ①、刀具材料应选用强度高，导热性好的硬质合金。
? ②、切削刀具一般选用较大前角，较小的主偏角，
以利于切削。
? ③,刀具前刀面和后面应仔细研磨，保证具有较
小的表面粗糙度。此外选用较高和较低的切削速度，以免产生粘结现象。
? ④、不锈钢切屑不容易折断，应采用各种断屑、排屑措施。
? ⑤、不锈钢导热性能低，容易产生热变形，精加
工时尺寸精度易受影响。
? 车削不锈钢，在刀具参数的选择上，一般前角 γo
＝ 25o～ 30o，对于强度和硬度较大的不锈钢，可
取 γo＝ 20o～ 25o；粗车时，后角 αo＝ 6o～ 10o，精
车 αo＝ 10o～ 12o；粗车时 bγ1＝ 0.1～ 0.3㎜,精车
时倒棱 bγ1＝ 0.05～ 0.2㎜ ；刀具材料一般选用细
晶粒的 YG硬质合金。
?（ 4）硬质合金
? 加工硬质合金材料 刀具及方法
? 以采用磨削加工
? 采用表层为人造金刚石、基体为硬质合金的
复合金刚石刀具（ PCD）加工。
? 在切削液的选用上，一般选用含煤油的混和
切削油，以提高浸润性和降低摩擦。
2.4.3 切削液
? 1．切削液的作用
? （ 1）润滑作用
? 切削液的润滑效果与切削速度、切削厚度、材
料强度等切削条件有关。
? （ 2）冷却作用
? 切削液的冷却性能取决于它的导热系数、比热
容、汽化热、气化速度及流量、流速等。
? 切削液自身温度对冷却效果影响很大。
? （ 3）清洗作用
? （ 4）防锈作用
?2．切削液添加剂及切削液分类
?（ 1）切削液 添加剂
?①、油性添加剂
?②、极压添加剂
?③、表面活性剂
?（ 2）切削液的 种类
?①、乳化液
?②、水溶液
?③、水溶液
? 3．切削液的选用原则
? （ 1）粗加工
? 一般采用冷却作用为主的切削液
? （ 2）精加工
? 精加工 时，切削液的主要作用是提高工件表面
加工质量和加工精度。加工一般钢件，在较低
的速度（ 6.0m/min～ 30m/min）情况下，宜选
用极压切削油或 10％～ 12％极压乳化液
? （ 3）难加工材料的切削
? 一般处于高温高压的边界润滑摩擦状态，应选
用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳
化液。当用硬质合金刀具高速切削时，可选用
冷却作用为主的低浓度乳化液。
（ 3）较强的耐磨性和耐热性
（ 2）高强度与强韧性
2.5 刀具材料
刀具材料耐热性
是衡量刀具切削
性能的主要标
志,通常用高
温下保持高硬度
的性能来衡量，
也称热硬性
2.5.1 刀具材料的基本要求
? 刀具材料需满足一些 基本要求,
（ 1）高硬度
（ 5）良好的工艺性与经济性
（ 4）优良导热性
2.5.2 普通刀具材料
? 2.5.2 普通刀具材料
? 1．高速钢
? （ 1） 概念,
? 高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素
较多的工具钢
? （ 2） 性质,
? ①、高速钢具有良好的热稳定性
? ②、高速钢具有较高强度和韧性
? ③、高速钢具有一定的硬度 (63～ 70HRC)和耐
磨性
? （ 3）高速钢的分类
? ①、普通高速钢
? A,钨系高速钢
? 优点,钢磨削性能和综合性能好，通用性强。
? 缺点,碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够
强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。
? B,钨钼钢
? 优点,减小了碳化物数量及分布的不均匀
? 缺点,高温切削性能和 W18相比稍差。
? ②,高性能高速钢
? 优点,具有较强的耐热性
? 缺点,强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速
钢磨削加工性差。
? ③、粉末冶金高速钢
? 优点,无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和
硬度，硬度值达 69～ 70HRC；保证材料各向
同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性
好，磨削效率比熔炼高速钢提高 2～ 3倍；耐磨
性好。
? 2．硬质合金
? （ 1） 概念,
? 硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉
末冶金方法制成。
? （ 2）硬质合金的 性能特点
? 硬质合金 优点,硬质合金中高熔点、高硬度碳化
物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高。
? 硬质合金 缺点,脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性
不强。抗弯强度只有高速钢的 1/3～ 1/2，冲击韧
性只有高速钢的 1/4～ 1/35。
? 硬质合金 力学性能 主要由组成硬质合金碳化物的
种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决
定。
? （ 2）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围
? 按其化学成分的不同 可分为,
? ①,钨钴类 （ WC+Co）
? 合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工，钴含
量低，适于精加工。
? ②,钨钛钴类 （ WC+TiC+Co）
? 类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切
屑成呈状的钢件等塑性材料。
? ③,钨钛钽（铌）钴类 （ WC+TiC+TaC（ Nb）
+Co）
? 不但适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精
加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。
? ④, 碳化钛基类 （ WC+TiC+Ni+Mo）
? 用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工
精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载
荷的粗加工和低速切削。
?（ 3）超细晶粒硬质合金
? 超细晶粒硬质合金多用于 YG类合金，它的硬度
和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度
也得到提高，已接近高速钢。适合做小尺寸铣
刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。
2.5.3 特殊刀具材料
? 1．陶瓷刀具
? （ 1） 材料组成,主要由硬度和熔点都很高的
Al2O3,Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有
少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末
冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。
? （ 2） 常用种类,Al2O3基陶瓷和 Si3N4基陶瓷
? （ 3） 优点,有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命
比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，
切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高
表面光洁度。
? （ 4） 缺点,强度和韧性差，热导率低。陶瓷最
大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。
? （ 5） 适用范围,高速精细加工硬材料 。
?2．金刚石刀具
? （ 1） 分类,天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石
刀具；复合聚晶金刚石刀具。
? （ 2） 优点,极高的硬度和耐磨性，人造金刚石
硬度达 10000HV，耐磨性是硬质合金的 60～ 80
倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜
面加工；很高的导热性。
? （ 3） 缺点,耐热性差，强度低，脆性大，对振
动很敏感。
? （ 4） 适用范围,用于高速条件下精细加工有色
金属及其合金和非金属材料。
? 3．立方氮化硼刀具
? （ 1）概念,立方氮化硼（简称 CBN）是由六方
氮化硼为原料在高温高压下合成。
? （ 2）优点,硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳
定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。
? （ 3）缺点,强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶
瓷刀具的 1/5～ 1/2。
? （ 4）适用范围,适用于加工高硬度淬火钢、冷
硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢
件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，
通常采用负前角的高速切削。
2.5.4 涂层刀具
? （ 1） 概念,涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体
上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔
金属化合物而制成。
? （ 2）常用的 涂层材料 有,TiC,TiN,Al2O3等
? （ 3） 涂层形式,可以采用单涂层和复合涂层
? （ 4） 优点,涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结
性能，因此具有较高的耐磨性
? （ 5） 适用范围,主要用于车削、铣削等加工，由于
成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适
合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进
给量很小的精密切削。
车削切削层参数
铣削切削层参数
（ a）金属切削过程中滑移线与流线 第一变形区金属滑移
（ a）切屑与前刀面的摩擦
（ b）已加工表面形成过程
刀具的切削完成过程
积屑瘤对加工影响
变
形
系
数
材料强度 σ
ζ
材料强度对变形系数的影响
1．工件材料
? 在刀具几何参数中,刀
具前角 是影响切屑变形
的重要参数，刀具前角
影响切屑流出方向。
? 外刀尖圆弧半径 对切削
变形也有影响
2．刀具几何参数
3．切削速度
? 切削速度对材料变形的影响 分为两个段：
? 一个是积屑瘤这一段，一个是无积屑瘤段。
? 在积屑瘤段，切削速度对切屑变形的影响主要
是通过积屑瘤对切屑变形的影响来实现的。
切削速度变化的材料变形系数曲线
? 避开这一积屑瘤段：
? 材料变形系数 是随着切
削速度的增加而减小。
切削速度对剪切面影响
3．切削速度
4．切削厚度
切削力的产生
切削合力及分解
250
275
300
325
40 80 120 160 200
切削速度 (m /min)
切
削
力
F
c
(
9
.
8
N
)
υ
c
图 2-15 切削速度对切削力影响
切削温度的分布 切削不同材料温度分布
车刀的磨损
? C区,
? 是 刀尖区,由于散
热差，强度低，磨
损严重，最大值
VC；
? B区,
? 是 处于磨损带中间,
磨损均匀，最大磨
损量 VBmax
? N区
处于切削刃与待加工表面
的 相交处,磨损严重，磨
损量以 VN表示
（ a）刀具的磨损形态
（ b）月牙洼的位置
（ c）磨损的测量位置
? 切削速度对切削温度的影响
最大，因而对刀具磨损的影
响也最大
? 通过耐用度试验,作出图
? 通过直线方程求出切削速度
与刀具耐用度之间有如下数
学关系,
cTm = Co
式中,υc切削速度（ m/min）；
T刀具耐用度（ min）；
m指数，表示 υc－ T之间影响指数；
Co与刀具、工件材料和切削条件有关的系数。
υc－ T曲线
车刀的切削部分
车削刀具几何角度
刀刃安装高低的影响
刀杆中心偏斜的影响
进给运动对刀具角度影响
断屑槽型式
断屑槽前刀面所处位置
（ a）平行式 （ b）外斜式 （ c）内斜式
