1.2 金属切削刀具的选择

1.2.1 刀具材料

在金属切削加工中，刀具切削部分起主要作用，所以刀具材料一般指刀具切削部分的材料。刀具材料决定了刀具的切削性能，直接影响加工效率、刀具使用寿命和加工成本。因此合理选择刀具材料是切削加工工艺的一项重要内容。

1．刀具材料的基本要求

金属切削加工时，刀具受到很大的切削压力、摩擦力和冲击力，产生很高的切削温度。在这种高温、高压和剧烈的摩擦环境下工作，刀具材料需满足如下一些基本要求。

（1）高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。

（2）足够的强度与冲击韧性

刀具在切削时受到很大的切削力与冲击力，如车削45钢，在背吃刀量a_p=4mm，进给量f=0.5mm/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N。可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。

（3）高耐热性

刀具材料的耐热性是衡量刀具切削性能的主要指标，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，高温抗塑性变形能力、抗磨损能力也越强。

（4）优良的导热性

刀具材料的导热性好，说明切削产生的热量容易传导出去，从而降低了刀具切削部分的温度，减少刀具磨损。另外，刀具材料的导热性好，则其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也好。

（5）良好的工艺性与经济性

刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这就要求刀具材料要有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削和高温塑性变形等性能。此外，经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。

2．常用刀具材料

刀具材料有很多种，目前常用的有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。

（1）高速钢

高速钢（又称锋钢，白钢）是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，具有较高的强度、韧性和耐热性，使用比较广泛。高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢两种。

1）普通高速钢。普通高速钢具有一定的硬度（62～67HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性。在切削钢料时切削速度一般不高于40～60m/min，不适于高速切削和硬材料的切削。

2）高性能高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢中增加碳、钒的含量或加入钴、铝等其他合金元素而得到的耐热性、耐磨性更高的新钢种，耐用度为普通高速钢的1～3倍。

表1-1列出了几种常用高速钢的牌号及其主要性能。

（2）硬质合金

硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78～82HRC，能耐850～1000℃的高温，切削速度比高速钢高4～10倍，但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。

1）硬质合金分类。切削刀具用硬质合金根据国际标准ISO分类，把所有牌号分成用颜色标志的三大类，分别用P、M、K表示。

① P类。外包装用蓝色标志，国家标准YT类，主要成分为WC+TiC+Co，适于加工长切屑的黑色金属。

② M类。外包装用黄色标志，国家标准YW类，主要成分为WC+TiC+TaC（NbC）+Co，适于加工长切屑或短切屑的黑色金属及有色金属。

③ K类。外包装用红色标志，国家标准YG类，主要成分为WC+Co，适于加工短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料。

在国际标准ISO中通常又分别在P、M、K三种代号之后附加01、05、10、20、30、40、50等数字进行更进一步的细分。一般来讲，数字越小，硬度越高、韧性越低；而数字越大，韧性越高、硬度越低。表1-2列出了国内常用各类合金的牌号和性能。

2）涂层硬质合金。涂层硬质合金刀片是在韧性较好的刀具表面涂上一层耐磨损、耐溶着、耐反应的物质，使刀具在切削中具有既硬而又不易破损的性能。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al₂O₃等。

涂层的方法分为两大类，一类为物理涂层（PVD）；另一类为化学涂层（CVD）。一般来说，物理涂层是在550℃以下将金属和气体离子化后喷涂在刀具表面；而化学涂层则是将各种化合物通过化学反应沉积在刀具上形成表面膜，反应温度一般都在1000～1100℃左右。最近低温化学涂层也已实用化，温度一般控制在800℃左右。

（3）陶瓷

陶瓷刀具的材料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，通过粉末冶金的工艺方法制粉，再压制烧结而成。常用的陶瓷刀具有两种：Al₂O₃基陶瓷和Si₃N₄基陶瓷。

陶瓷刀具的优点是有很高的硬度和耐磨性，硬度可达91～95HRA，耐磨性是硬质合金的5倍；刀具寿命比硬质合金高；而且具有很好的热硬性，当切削温度达760℃时，具有87HRA（相当于66HRC）的硬度，当切削温度达到1200℃时，仍能保持80HRA的硬度。陶瓷刀具的摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面粗糙度。陶瓷刀具的缺点是强度和韧性差，热导率低，最大的缺点是脆性大，抗冲击性能很差。

此类刀具一般用于高速精细加工硬材料。

（4）金刚石

金刚石是碳的同素异构体，具有极高的硬度。现用的金刚石刀具有三类：天然金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具和复合聚晶金刚石刀具。

金刚石刀具具有如下优点：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。金刚石刀具的缺点如下：耐热性差，在700～800℃以上硬度下降很大，无法切削；与铁原子有很强的化学亲和作用，一般不易加工铁族金属；强度低，脆性大，对振动很敏感。

此类刀具主要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。

（5）立方氮化硼

立方氮化硼（简称CBN）是以六方氮化硼为原料在高温高压下合成的。

CBN刀具的主要优点是硬度高（8000～9000HV），硬度仅次于金刚石，耐热性好（耐热温度可达1400～1500℃），较高的导热性和较小的摩擦系数；缺点是强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。

CBN刀具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，也不适于加工铝合金和铜合金，通常用于采用负前角的高速切削。

1.2.2 金属切削过程中的物理现象及其基本规律

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。在这个过程中产生一系列的物理现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。研究这些现象及其变化规律，对于提高切削效率，降低成本，改善加工质量是至关重要的。

1．切削变形

（1）切削变形的本质

实验研究表明，金属切削过程是一个类似于金属材料受挤压的变形过程。其本质是切削层在受到刀具前刀面的挤压而产生剪切滑移的塑性变形过程。

这一现象与挤压试验有些类似。图1-14a是普通挤压过程的示意图，试件受压时，内部产生剪切应力和应变，滑移面DA、CB与作用力F的方向大致成45°；图1-14b是切削过程示意图，与挤压试验比较，差别在于工件仅切削层受挤压，DB以下有工件母体的阻碍，所以金属只沿DA方向滑移，这就是切削过程中的剪切面。

（2）三个变形区

1）第一变形区。切削层金属在刀具的挤压下首先将产生弹性变形，当最大剪切应力超过材料的屈服极限时，发生塑性变形，如图1-15所示，金属会沿OA线剪切滑移，OA被称为始滑移线。随着刀具的移动，这种塑性变形将逐步增大，当达到OM线时，剪切应力达到材料的断裂强度，即沿剪切方向挤裂而成为切屑，这时滑移变形停止，OM被称为终滑移线。OA与OM之间的区域就是第一变形区Ⅰ。由于塑性变形的特点是晶格间的剪切滑移，所以这一变形区也称剪切区。

2）第二变形区。经第一变形区剪切滑移而形成的切屑沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区，如图1-15所示Ⅱ变形区。在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，因此摩擦产生的热量也使切屑与刀具表面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。

3）第三变形区。从图1-15可以看出，在已加工表面处也形成了显著的变形层，这是工件已加工表面受到切削刃钝圆半径和后面的挤压和摩擦而产生的塑性变形引起的，这一部分称为第三变形区。第三变形区的变形造成工件表层金属的纤维化和加工硬化，并产生一定的残余应力，这将影响到工件的表面质量和使用性能。

（3）积屑瘤

1）现象。在一定的条件下切削钢或其他塑性金属材料时，由于前刀面挤压和摩擦的作用，使切屑底层中的一部分金属停滞并堆积在切削刃口附近，形成硬块（如图1-16所示），能代替切削刃进行切削，这个硬块称为积屑瘤。

2）形成。积屑瘤的形成可以根据第二变形区的特点来解释。当金属切削层从终滑移线流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高。挤压力和温度达到一定程度时，就会产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面的金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤。

3）影响。积屑瘤硬度很高，是工件材料硬度的2～3倍，能同刀具一样对金属进行切削。它对金属的切削过程会产生如下影响：

① 保护刀具。积屑瘤包裹着刀刃和部分刀具前刀面，代替刀刃进行切削，减少刀具磨损，提高了刀具寿命。但对于硬质合金刀具而言，因为积屑瘤的形成过程是不稳定的，所以积屑瘤频繁脱落，反而使刀具磨损加剧。

② 增大刀具前角。如图1-16所示，由于积屑瘤的粘附，刀具的实际前角增大，因而可以减小切削变形，对切削过程起积极作用。

③ 增大切削厚度。由图1-16可以看出，当积屑瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无积屑瘤时增加了一个Δh_D，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度Δh_D的增加并不是固定的，因为积屑瘤在不停地变化，它是一个产生、长大、最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。

④ 增大已加工表面粗糙度值。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的积屑瘤一部分随切屑排除，另一部分则留在已加工表面上，使已加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的产生。

4）控制。根据积屑瘤产生的原因可以知道，切屑底层与前刀面发生粘结和加工硬化是积屑瘤产生的必要条件。一般来说，温度与压力太低，不会发生粘结；而温度太高，也不会产生积屑瘤，所以切削温度是积屑瘤产生的决定因素。因此可以采取以下几个方面的措施来避免积屑瘤的发生：

① 控制切削速度，使切削温度避开积屑瘤产生的温度范围（一般为300～400℃），就可减少积屑瘤的产生。或用低速切削，如使切削温度低，粘结现象就不易发生；或用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度。

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 适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。

④ 采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。

（4）切屑的类型

由于工件材料以及切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。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（如图1-17所示）：

1）带状切屑（如图1-17a所示）。当切削塑性金属材料时，若切屑在滑移后尚未达到破裂程度，则形成连绵不断、底面光滑的带状切屑。

2）挤裂切屑（如图1-17b所示）。若切屑的滑移变形比较充分，以致达到破裂程度，产生一节节的裂纹，但裂纹上下尚未贯穿，仅背面裂开，底面仍较光滑，称之为挤裂切屑。

3）单元切屑（如图1-17c所示）。发生的裂纹上下贯穿时则称为单元切屑。

4）崩碎切屑（如图1-17d所示）。当切削脆性金属材料时，被切削层在发生弹性变形后，即突然崩裂，形成崩碎切屑。它的形状不规则，加工表面凹凸不平，切削过程很不平稳，易损坏刀具，于机床也不利，生产中应力求避免。当加工铸铁时，如采用较大的刀具前角、较大的背吃刀量和较高的切削速度，通常可将崩碎切屑转化为节状切屑。

在生产中，最常见的是带状切屑，切削过程最平稳，有时是挤裂切屑，切削力波动最大的单元切屑很少见。当改变挤裂切屑的条件时：如增大刀具前角、提高切削速度、减小切削厚度（即减小进给量）等，就可以得到带状切屑；反之，则可得到单元切屑。这说明，切屑的形态可以随切削条件而转化。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑、断屑的目的。

2．切削力

切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。了解切削力对于计算功率消耗和刀具、机床、夹具的设计，以及制定合理的切削用量，确定合理的刀具几何参数等都有重要的意义。在数控加工过程中，许多数控设备就是通过监测切削力来监控数控加工过程以及加工刀具所处的状态。

（1）切削力的来源、合力与分解

切削时作用在刀具上的力，由以下两方面组成：

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。

这些力的总和形成作用在刀具上的合力F_r（如图1-18所示）。车外圆时，F_r又可分解为相互垂直的F_c、F_p、F_f三个分力（如图1-19所示）。

1）F_c——主切削力（或称切向力）。

主切削力F_c是合力F_r在主运动方向上的分力，垂直于基面，是计算刀具强度、设计机床零件和确定机床功率的依据。

2）F_p——背向力（或称径向力、切深抗力）。

背向力F_p是合力F_r在垂直于进给运动方向上的分力，是验算工艺系统刚度的主要依据。此力的反力使工件发生弯曲变形，影响工件的加工精度，并在切削过程中产生振动。

3）F_f——进给抗力（或称轴向力、进给力）。

进给抗力F_f是合力F_r在进给运动方向上的分力，是设计机床进给机构、计算刀具进给功率的依据。

由图1-19有

式中 F_pf——合力在基面上的投影，是背向力F_p与进给抗力F_f的合力（N）。

根据实验可得，当κ_r=45°、λ_s=0°、γ_o=15°时，F_c、F_p、F_f之间有以下近似关系

随着刀具几何参数、切削用量、工件材料和刀具磨损等情况的不同，F_c、F_p、F_f之间的比例也不同。

（2）切削功率

切削过程中所消耗的功率称为切削功率P_c。通过图1-19可以看到，背向力F_p在力的方向上无位移，不做功，因此切削功率为进给力F_f与切削力F_c所做的功。

式中 P_c——切削功率（kW）；

F_c——主切削力（N）；

F_f——进给抗力（N）；

v_c——切削速度（m/min）；

n——工件转速（r/min）；

f——进给量（mm/r）。

由于F_f消耗功率一般小于1%～2%，可以忽略不计，因此切削功率公式可简化为

在设计机床选择电机功率P_E时，应按下式计算

式中 P_E——机床电机功率（kW）；

η——机床传动效率，一般取0.75～0.85。

（3）影响切削力的因素

1）工件材料。一般材料的强度愈高，硬度越大，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大；强度、硬度相近的材料，塑性、韧性越大，所需的切削力也越大。

2）切削用量。因为切削面积AD=a_pf，所以背吃刀量a_p与进给量f的增大都将增大切削面积。切削面积的增大将使变形力和摩擦力增大，切削力也将增大，但两者对切削力的影响不同。

虽然背吃刀量与进给量对切削力的影响都成正比关系，但由于进给量的增大会减小切削层的变形，所以背吃刀量a_p对切削力的影响比进给量f大。在生产中，如果机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施。

切削速度对切削力的影响与对变形系数的影响一样，都有马鞍形变化。在积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削力减小；在积屑瘤消失阶段，切削力逐渐增大；在积屑瘤消失时，切削力F_c达到最大，以后又开始减小，如图1-20所示。

3）刀具几何参数。

① 刀具前角。在刀具几何参数中，前角γ_o对切削力的影响最大。切削力随着前角的增大而减小，这是因为当前角增大时，切削变形与摩擦力会减小，所以切削力相应减小。

② 刀具主偏角κ_r和刀尖圆弧半径r_ε。主偏角对切削力F_c的影响不大，当κ_r=60°～75°时，F_c最小，因此，主偏角κ_r=75°的车刀在生产中应用较多；主偏角κ_r的变化对背向力F_p与进给力F_f的影响较大，背向力随主偏角的增大而减小，进给力随主偏角的增大而增大，如图1-21所示。

刀尖圆弧半径r_ε增大，曲线上各点的平均κ_r减小，切削变形增大，切削力也增大，所以r_ε增大相当于κ_r减小对切削力的影响。

③ 刀具刃倾角λ_s。实验表明，刃倾角λ_s的变化对切削力F_c的影响不大，但对背向力F_p的影响较大，如图1-22所示。当刃倾角由正值向负值变化时，背向力F_p逐渐增大，因此工件弯曲变形增大，机床振动也增大。

4）刀具材料与切削液。

刀具材料影响到它与被加工材料之间摩擦力的变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高速钢刀具切削力最大。切削液的正确应用，可以减小摩擦，从而减小切削力。

3．切削热与切削温度

切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削温度能改变前刀面上的摩擦系数和工件材料的性能，并影响积屑瘤的大小、已加工表面的质量、刀具的磨损程度和耐用度以及生产效率等。

（1）切削热的产生和传出

切削中所消耗的能量几乎全部转换为热量。三个变形区就是三个发热区（如图1-23所示），即切削热来自工件材料的弹、塑性变形和前、后刀面的摩擦。

切削热主要通过切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）传出，如不考虑切削液，则各种介质的比例参考如下：

① 车削加工。切屑，50%～86%；刀具，10%～40%；工件，3%～9%；空气，1%。切削速度越高，切削厚度越大，切屑传出的热量越多。

② 钻削加工。切屑，28%；刀具，14.5%；工件，52.5%；空气，5%。

（2）切削温度θ及其影响因素

切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度。切削温度可用仪器测定，也可通过切屑的颜色大致判断。如切削碳素钢，切屑的颜色从银白色、黄色、紫色到蓝色，表示切削温度从低到高。切削温度的高低取决于该处产生热量的多少和传出热量的快慢。因此，凡是影响切削热产生与传出的因素都影响切削温度的高低。

1）工件材料。工件材料主要通过本身的强度、硬度和导热系数等对切削温度产生影响。如低碳钢，强度、硬度较低，变形小，产生的热量少，且导热系数大，热量传出快，所以切削温度很低；40Cr硬度接近中碳钢，强度略高，但导热系数小，所以切削温度高；脆性材料变形小，摩擦小，切削温度比45钢低40%。

2）切削用量。根据实验得到车削时切削用量三要素v_c、a_p、f和切削温度θ之间关系的经验公式如下。

高速钢刀具（加工材料45钢）：

硬质合金刀具（加工材料45钢）：

以上公式表明，切削用量三要素v_c、a_p、f中，切削速度v_c对切削温度的影响最显著，因为指数最大，切削速度增加一倍，切削温度约升高32%；其次是进给量f，进给量增加一倍，切削温度约升高18%；背吃刀量a_p对切削温度的影响最小，约为7%。主要的原因是切削速度增加，使摩擦热增多；进给量增加，切削变数减小，切屑带走的热量增多，所以热量增加不多；背吃刀量的增加，使切削宽度增加，显著增加热量的散热面积。

3）刀具几何参数。影响切削温度的主要几何参数为前角γ_o与主偏角κ_r。前角γ_o增大，切削温度降低。因为前角增大时，切削力下降，切削热减少，所以切削温度降低。主偏角κ_r减小，切削宽度b_D增大，切削厚度h_D减小，刀具散热条件得到改善，因此切削温度也下降。

4）其他。刀具磨损量增大，切削温度升高；切削液可显著降低切削温度。

4．刀具磨损与刀具使用寿命

切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。

刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

（1）刀具的正常磨损形式

刀具的正常磨损形式主要有三种，如图1-24a所示。

1）前刀面磨损。当切削塑性材料且h_D＞0.5mm时，切屑与前刀面在高温、高压下相互接触，产生剧烈摩擦，以形成月牙洼磨损为主，其值以最大深度KT表示（如图1-24b所示）。

2）后刀面磨损。当切削脆性材料或h_D＜0.1mm的塑性材料时，切屑与前刀面的接触长度较短，其上的压力与摩擦力均不大，而相对的刀刃钝圆使后刀面与工件表面的接触压力却较大，磨损主要发生在后刀面，其值以磨损带宽度VB表示（如图1-24c所示）。

3）前、后刀面磨损或边界磨损。当切削塑性材料且h_D=0.1～0.5mm时，兼有前两种磨损的形式；当加工铸、锻件时，在主切削刃靠近外皮处及副切削刃靠近刀尖处，因为h_D减小、切削刃打滑，所以磨出较深的沟纹（如图1-24所示）。

磨损形式随切削条件的改变，可以互相转化。在大多数情况下，后刀面都有磨损，且VB直接影响加工精度，加之便于测量，所以常以VB表示刀具磨损程度。

（2）刀具正常磨损的原因

刀具正常磨损的原因有以下几种：

1）磨粒磨损。在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕，这就是磨粒磨损。磨粒磨损对高速钢的作用较明显。

2）粘结磨损。刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称为粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏而造成的。在低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。

3）扩散磨损。由于切削时的高温作用，刀具与工件材料中的合金元素相互扩散而造成的刀具磨损即为扩散磨损。硬质合金刀具和金刚石刀具在切削钢件且温度较高时，常发生扩散磨损，所以金刚石刀具不宜加工钢铁材料。一般在刀具表层涂覆TiC、TiN、Al₂O₃等，能有效提高抗扩散磨损能力。

4）相变磨损。相变磨损是指工具钢在切削温度超过相变温度时，刀具材料中的金相组织发生变化，硬度显著下降而引起的磨损。

5）氧化磨损。在高温下（700～800℃），空气中的氧气易与硬质合金中的Co、WC发生氧化作用，产生脆弱的氧化物，被切屑和工件带走，使刀具磨损。

6）热电磨损。切削时，刀具与工件构成一自然热电偶，产生热电势，工艺系统自成回路，热电流在刀具和工件中通过，使碳离子发生迁移，从刀具移至工件，或从工件移至刀具，都将使刀具表面层的组织变得脆弱而加剧刀具磨损。

刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。

① 在低、中速切削加工范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻螺纹加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。

② 在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损，使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。

（3）刀具磨损过程及磨钝标准

1）磨损过程。如图1-25所示是通过切削实验得到的刀具磨损过程，分三个阶段：

① 初期磨损阶段：新刃磨的刀具，由于表面粗糙不平，在切削时很快被磨去，故磨损较快。经研磨过的刀具，初期磨损量较小。

② 正常磨损阶段：经初期磨损后，刀具表面已经被磨平，压强减小，磨损速度较为缓慢。磨损量随着切削时间的延长而近似地成比例增加。

③ 急剧磨损阶段：当磨损量增加到一定限度后，机械摩擦加剧，切削力加大，切削温度升高，磨损原因也发生变化（如转化为相变磨损、扩散磨损等），磨损加快，已加工表面质量明显恶化，出现振动、噪声等，以致刀具崩刃，失去切削能力。

由此可知，刀具不能无休止地使用下去，而应规定一个合理的磨损限度，刀具磨损到此限度（VB值）时，即应换刀或重新刃磨。

2）刀具的磨钝标准。刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。ISO统一规定，以1/2背吃刀量a_p处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准（如图1-26所示）。

自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB（如图1-26所示）。

磨钝标准的具体数值可参考相关手册，一般为0.3～0.6mm。在实际生产中，为了不影响生产，一般根据切削中发生的一些现象来判断刀具是否磨钝，例如是否出现振动或异常噪声等。

（4）刀具使用寿命

1）刀具使用寿命的概念。刃磨后的刀具自开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间称为刀具使用寿命，以T表示。它是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进和回程等非切削时间。生产中也可用达到磨钝标准前的切削路程l_m来定义刀具使用寿命。

2）影响刀具使用寿命的主要因素。

① 切削用量对刀具使用寿命的影响。通过实验，得出切削速度与刀具使用寿命之间（v_c—T）有如下数学关系

式中 v_c——切削速度（m/min）；

T——刀具使用寿命（min）；

m——指数，表示υ_c—T之间影响指数；

C_o——与刀具、工件材料和切削条件有关的系数。

这个关系式是20世纪初由美国工程师泰勒（F. W. Taylor）建立的，人们常称之为泰勒公式。指数m，表示切削速度对刀具使用寿命的影响程度。对于高速钢刀具，m=0.1～0.125；对于硬质合金刀具，m=0.1～0.4；对于陶瓷刀具，m=0.2～0.4。m值大，表明切削速度对刀具使用寿命的影响小，即刀具的切削性能较好。

固定其他切削条件，只改变f、a_p，分别得到与v_c—T类似的关系，再把式（1-18）综合在一起得

式中 T——刀具使用寿命（min）；

C_T——与刀具、工件材料和切削条件有关的系数；

x、y、z——指数，分别表示各切削参数对刀具使用寿命的影响程度。

用YT15硬质合金车刀，以f＞0.70mm/r的进给量切削σ_b=0.637GPa的碳钢时，切削用量与T的关系为

由此看出，v_c对T的影响最大，f次之，a_p最小。与三者对切削温度的影响顺序完全一致，反映了切削温度对刀具使用寿命有着重要的影响。应注意的是，上述关系是在一定条件下通过实验求出的，如果切削条件改变，各因素对刀具使用寿命的影响就不同，各指数、系数也相应地发生变化。

② 刀具几何参数对刀具使用寿命的影响。增大前角，切削力减小，切削温度降低，刀具使用寿命提高。不过如果前角太大，刀具强度变低，散热变差，刀具使用寿命反而下降。

减小主偏角κ_r与增大刀尖圆弧半径r_ε，能增加刀具强度，降低切削温度，从而提高刀具使用寿命。

③ 工件材料对刀具使用寿命的影响。工件材料的硬度、强度和韧性越高，刀具在切削过程中的产生的温度也越高，刀具使用寿命也就越短。

④ 刀具材料对刀具使用寿命的影响。一般情况下，刀具材料热硬性越高，则刀具使用寿命就越高。刀具使用寿命的高低在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。如加工合金钢，在切削条件相同时，陶瓷刀具使用寿命比硬质合金刀具长。采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，能有效地提高刀具使用寿命。

1.2.3 刀具几何参数的合理选择

刀具几何参数包括刀具几何角度、刀面形式和切削刃形状等，它们对切削时金属的变形、切削力、切削温度、刀具磨损和已加工表面质量等都有明显的影响。所谓合理选择刀具几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够获得最长的刀具使用寿命，从而达到提高切削效率，降低生产成本的目的。

选择刀具几何参数考虑的因素很多，主要有工件材料、刀具材料、切削用量和工艺系统刚性等工艺条件以及机床功率等。以下所述是在一定切削条件下的基本选择方法，要选择好刀具几何参数，必须在生产实践中不断摸索、总结、提炼才能掌握。

1．前角和前刀面形状的选择

（1）前角的作用

刀具前角是一个重要的刀具几何参数，其主要作用有：

① 影响切削区域的变形程度；

② 影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件；

③ 影响切屑形态和断屑效果；

④ 影响已加工表面质量。

（2）前角的选择原则

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。但两者又是一对矛盾，需要根据生产现场的条件，考虑各种因素，选择一个合理值γ_opt以达到一个平衡点。这里所说的γ_opt是指保证最长刀具使用寿命的γ_o，在某些情况下未必是最适宜的。如出现振动时，为了减振或消振，有时仍需增大γ_o；在精加工时，考虑到加工精度和粗糙度的要求，也可能重新选择适宜的γ_o。

① 刀具材料。由于刀具前角增大，将降低刀刃强度，因此在选择刀具前角时，应考虑刀具材料的性质。刀具材料不同，其强度和韧性也就不同，强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具材料甚至取负的前角。如高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具大5°～10°；陶瓷刀具的前角常取负值，其值一般在-15°～0°之间。如图1-27a所示为刀具材料不同时，γ_o的合理值γ_opt。

② 工件材料。当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，压力与摩擦力较大，为了减小变形和摩擦，一般选择大的前角。如加工铝合金时取γ_o=25°～35°；加工低碳钢时取γ_o=20°～25°；加工高碳钢时取γ_o=10°～15°；当加工高强度钢时，为增强切削力，前角取负值。

当加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接摸触长度短，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。如加工灰铸铁时，取较小的正前角；加工淬火钢或冷硬铸铁等高硬度的难加工材料时，宜取负前角。一般用正前角的硬质合金刀具加工淬火钢时，刚开始切削就会发生崩刃。

如图1-27b所示为工件材料不同时，γ_o的合理值γ_opt。

（3）前刀面型式

前刀面型式的合理选择，对防止刀具崩刃、提高刀具耐用度和切削效率、降低生产成本等都有重要意义。

① 正前角锋刃平面型（如图1-28a所示）。这种型式的特点是刃口较锋利，但强度差，γ_o不能太大，不易折屑。主要用于高速钢刀具，精加工铸铁、青铜等脆性材料。

② 带倒棱的正前角平面型（如图1-28b所示）。这种型式的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，提高了刀具使用寿命。主要用于硬质合金刀具和陶瓷刀具，加工铸铁等脆性材料。

③ 负前角平面型（如图1-28c所示）。这种型式的特点是切削刃强度较好，但刀刃较钝，切削变形大。主要用于硬脆刀具材料，加工高强度高硬度材料，如淬火钢等。图示类型负前角后部加有正前角，有利于切屑流出，许多刀具并无此角，只有负角。

④ 曲面型（如图1-28d所示）。这种型式的特点是有利于排屑、卷屑和断屑，而且前角较大，切削变形小，所受切削力也较小。在钻头、铣刀、拉刀等刀具上都有曲面型前刀面。

⑤ 钝圆切削刃型（如图1-28e所示）。这种型式的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。适用于陶瓷等脆性材料。

2．后角和后刀面型式的选择

（1）后角的作用

刀具后角也是一个重要的刀具几何参数，其主要作用有：

① 影响后刀面与加工表面之间的摩擦；

② 影响加工工件的表面质量；

③ 影响刀具使用寿命和刃口的强度。

（2）后角的选择原则

后角的选择主要考虑因素是切削厚度和切削条件。

① 切削厚度。实验表明，合理的后角值与切削厚度有密切关系。当切削厚度h_D和进给量f较小时，切削刃要求锋利，因而后角α_o应取大些。如高速钢立铣刀，每齿进给量很小，后角取到16°。车刀后角的变化范围比前角小，粗车时，切削厚度h_D较大，为保证切削刃强度，取较小后角，α_o=4°～8°；精车时，为保证加工表面质量，α_o=8°～12°。车刀合理后角在f≤0.25mm/r时，可选α_o=10°～12°；在f＞0.25mm/r时，α_o=5°～8°。

② 工件材料。当工件材料强度或硬度较高时，为加强切削刃强度，一般采用较小的后角。对于塑性较大的材料，已加工表面易产生加工硬化，为减小后刀面摩擦，宜取较大的后角。对于脆性材料，力集中在刀尖处，可取小的后角。特硬材料在γ_o为负值时，为造成较好的切入条件，应加大后角。

总之，选择后角的原则是，在不产生摩擦的条件下，应适当减小后角。

（3）后刀面型式

① 双重后刀面。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，如图1-29a所示。

② 带消振棱的后刀面。当工艺系统刚性较差，容易出现振动时，可以在车刀后面磨出b_α1=0.1～0.3mm，α_o=-10°～-5°的消振棱，如图1-29b所示。

③ 带刃带的后刀面。对一些定尺寸刀具（如钻头、铰刀等），为了便于控制刀具尺寸，避免重磨后尺寸精度的变化，常在后刀面上刃磨出后角为0°的小棱边，称为刃带，如图1-29c所示。刃带的作用是为了在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。一般刃带宽在b_a1=0.1～0.3mm范围内，超过一定值将增大摩擦，降低表面加工质量。

（4）副后角的选择

一般刀具的副后角通常等于后角α_o，但切断刀、切槽刀和锯片等的因受其结构强度限制，只允许取小的值，如1°～2°。

3．主、副偏角及刀尖形状的选择

（1）主偏角的选择

1）主偏角的作用主要有：

① 影响已加工表面残留面积的高度；

② 影响各切削分力的比例；

③ 影响刀尖的强度和刀具使用寿命；

④ 影响断屑。

2）主偏角的选择原则。主偏角κ_r的增大或减小对切削加工既有有利的一面，也有不利的一面，在选择时应综合考虑。其主要选择原则有以下几点：

① 根据工艺系统刚性。当工艺系统刚性较好时（工件长径比l_w/d_w＜6），主偏角κ_r可以取小值。如在刚度好的机床上加工冷硬铸铁等高硬度高强度材料时，为减轻刀刃负荷，增加刀尖强度，提高刀具使用寿命，一般取比较小的值，κ_r=10°～30°。

当工艺系统刚性较差时（工件长径比l_w/d_w=6～12），或带有冲击性的切削，主偏角κ_r可以取大值，一般κ_r=60°～75°，甚至主偏角κ_r可以大于90°，以避免加工时振动。硬质合金刀具车刀的主偏角多为60°～75°。

② 根据工件加工要求。当车阶梯轴时，κ_r=90°；同一把刀具当加工外圆、端面和倒角时，κ_r=45°。

（2）副偏角的选择

副偏角的大小将对刀具使用寿命和加工表面粗糙度产生影响。副偏角的减小，可降低残留物面积的高度，减小表面粗糙度值，同时刀尖强度增大，散热面积增大，提高刀具使用寿命。但是副偏角太小又会使刀具副后刀面与工件的摩擦增大，使刀具使用寿命降低，另外还会引起加工中的振动。

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，一般选择在5°～15°之间。但是切断刀、切槽刀等的刀具因受其结构强度限制，只允许取小的值，如1°～2°。

（3）刀尖形状的选择

主切削刃与副切削刃连接的地方称为刀尖，该处是刀具强度和散热条件都很差的地方。为了增加刀尖强度，提高刀具使用寿命，在主切削刃与副切削刃之间通常用过渡刃连接，如图1-30所示。

① 直线形过渡刃。直线形过渡刃（如图1-30a所示）刃磨较容易，一般适用于粗加工。在粗车或强力车削时，一般取过渡刃偏角，长度b_ε=0.5～2mm。

② 圆弧形过渡刃。圆弧形过渡刃（如图1-30b所示）刃磨较难，但可减小已加工表面粗糙度值，较适用于精加工。r_ε值与刀具材料有关：高速钢，r_ε=1～3mm；硬质合金、陶瓷刀，r_ε略小，常取0.5～1.5mm。这是因为r_ε大时，背向力F_p也增大，工艺系统刚性不足时，容易产生振动，而脆性刀具材料对此反应较敏感。

③ 水平修光刃。修光刃（如图1-30c所示）指刀尖处磨出的一小段κ_rε=0°且与进给方向平行的刀刃。这种修光刃能在进给量较大时获得较高的表面加工质量，适用于精加工，一般宽度=（1.2～1.5）f。

4．刃倾角的选择

（1）刃倾角的作用

① 影响切屑流出方向。当λ_s=0°时（如图1-31a所示），主切削刃与基面重叠，切屑在前刀面上近似沿垂直于主切削刃的方向流出；当λ_s＜0°时（如图1-31b所示），切屑流向与υ_f方向相反，可能缠绕、擦伤已加工表面，但刀尖强度较好，常用于粗加工；当λ_s＞0°时（如图1-31c所示），切屑流向与v_f方向一致，保护了已加工表面，但刀尖强度较差，适用于精加工。

② 影响刀尖强度及继续切削时切削刃上受冲击的位置。当λ_s＞0°时，刀尖首先接触工件，受冲击的是刀尖，容易崩刃；当λ_s＜0°时，首先接触工件的是离刀尖较远的切削刃，保护了刀尖，较适用于粗加工，特别是冲击较大的加工。

③ 影响各切削分力的比例。

（2）刃倾角的选择

根据加工性质和加工条件选择：

① 粗加工、有冲击载荷或加工高强度、高硬度材料时，为了保护刀尖，选择λ_s＜0°。精加工时，为控制切屑流向，减小背向力F_p，选择λ_s＞0°。

② 工艺系统刚性差时，λ_s＞0°，减小背向力F_p。

③ 微量切削时，λ_s取大值（λ_s=45°～75°），使刀具实际刃口半径减小。

1.2.4 切削液的合理选择

1．切削液的作用

切削液的主要作用是润滑和冷却，它对于减少刀具磨损、提高已加工表面质量、降低切削区温度和提高生产效率都有非常重要的作用。

（1）冷却

切削液可带走大量的切削热，降低切削温度，提高刀具使用寿命并减小工件与刀具的热膨胀，提高加工精度。

（2）润滑

切削液渗入到切屑、刀具和工件的接触面间，粘附在金属表面上形成润滑膜，减小它们之间的摩擦系数、减轻粘结现象、抑制积屑瘤并改善已加工表面的粗糙度，提高刀具使用寿命。

（3）清洗作用

在车、铣、磨削、钻等加工时，常浇注和喷射切削液来清洗机床上的切屑和杂物，并将切屑和杂物带走。

（4）防锈作用

一些切削液中加入了防锈添加剂，它能与金属表面起化学反应而生成一层保护膜，从而起到防锈的作用。切削液的使用效果取决于切削液的类型、形态、用量和使用方法等。

2．切削液添加剂及切削液的分类

（1）切削液添加剂

切削液中加入添加剂，对改善它的冷却、润滑作用和性能有很大的影响。

① 油性添加剂。单纯矿物油与金属的吸附力差，润滑效果不好，如在矿物油中添加油性添加剂，将改善润滑作用。动植物油、皂类、胺类等与金属吸附力强，形成的物理吸附油膜较牢固，是理想的油性添加剂。不过物理吸附油膜在温度较高时将失去吸附能力，因此一般油性添加剂切削液在200℃以下使用。

② 极压添加剂。这种添加剂主要是利用添加剂中的化合物，在高温下与被加工金属快速反应形成化学吸附膜，从而起到固体润滑剂的作用。目前常用的添加剂中一般含氯、硫和磷等化合物。由于化学吸附膜与金属结合牢固，一般在400～800℃高温下仍起作用。硫与氯的极压切削油分别对有色金属和钢铁有腐蚀作用，应注意合理使用。

③ 表面活性剂。表面活性剂是一种有机化合物，它使矿物油微小颗粒稳定分散在水中，形成稳定的水包油乳化液。表面活性剂除了起乳化作用外，还能吸附在金属表面形成润滑膜，起润滑作用。

④ 防锈添加剂。防锈添加剂是一种极性很强的化合物，与金属表面有很强的附着力，吸附在金属表面形成保护膜，或与金属表面化合成钝化膜，起防锈作用。

（2）切削液的种类

① 切削油。切削油分为两类：一类是以矿物油为基体加入油性添加剂的混合油，一般用于低速切削有色金属及磨削中；另一类是极压切削油，是在矿物油中添加极压添加剂制成，适用于重切削和难加工材料的切削。

② 水溶性切削液。这种切削液的主要成分为水，并加入防锈剂，也可加入适量的表面活性剂和油性添加剂，使其具有一定的润滑性能。

③ 乳化液。由矿物油、乳化剂及其他添加剂配制的乳化油加95%～98%的水稀释而成的乳白色切削液，有良好的冷却性能和清洗作用。

3．切削液的选用原则

切削液的使用效果除取决于切削液的性能外，还与刀具材料、加工要求、工件材料和加工方法等因素有关，应综合考虑，合理选用。

（1）依据刀具材料、加工要求选用切削液

高速钢刀具耐热性差，粗加工时，切削用量大，切削热多，容易导致刀具磨损，应选用以冷却为主的切削液，如3%～5%的乳化液或水溶液；精加工时，主要是获得较好的表面质量，可选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。

硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液。如必要，可用低浓度乳化液或水溶液，但应连续、充分地浇注，以免高温下刀片冷热不均，产生热应力而导致裂纹、损坏等。

（2）依据工件材料选用切削液

加工钢等塑性材料时，需要用切削液；而加工铸铁等脆性材料时，一般则不用切削液；对于高强度钢、高温合金等，加工时均处于极压润滑摩擦状态，应选用极压切削油或极压乳化液；对于铜、铝及铝合金等，为了得到较好的表面质量和精度，可采用10%～20%乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合液。

（3）依据加工工种选用切削液

在用钻孔、攻螺纹、铰孔、拉削等方法加工时，排屑方式为半封闭或封闭状态，导向部、校正部与已加工表面的摩擦较严重，对硬度高、强度大、韧性大和冷硬严重的难切削材料尤为突出，宜选用乳化液、极压乳化液或极压切削油；在使用成形刀具、齿轮刀具等加工时，要求保持形状、尺寸精度等，也应采用润滑性好的极压切削油或高浓度极压切削液；磨削加工时温度很高，且细小的磨屑会破坏工件表面质量，所以要求切削液具有较好的冷却性能和清洗性能，常用半透明的水溶液或普通乳化液。