1、刀具应用技术基础中国机械工业金属切削刀具技术协会1目 录一、切削加工技术系统和刀具应用技术三要素二、工件材料的分类及可切削性1工件材料的可切削性2工件材料分类及影响材料可切削性的因素三、正确选用刀具1构成刀具切削性能的要素2刀具材料的种类和特性3选择刀具材料的依据4涂层技术的种类和特性5刀具主要几何参数及作用6几何参数对先进刀具开发的重要作用7刀具结构的选择四、正确设定切削参数1选择切削用量的途径2切削用量的选择3背吃刀量的选择4进给量的选择5切削速度的确定6切削速度的优化7计算单件成本和单件工时8改进切削加工的途径五、与高速切削相关的刀具使用技术1高速旋转刀具的动平衡技术2高速旋转刀具的安全
2、技术3高速旋转刀具的装夹技术六、附录1. 附录 1：主要高速钢牌号表2. 附录 2：国内外部分工具公司硬质合金牌号表3. 附录 3：计算车削速度修正系数表4. 附录 4：平衡质量等级图5. 附录 5：硬度对照表6. 附录 6：国内外工件材料对照表2刀具应用技术基础重视刀具应用技术 提高切削加工水平成都工具研究所 赵 炳 桢从 20 世纪后期开始，随着科学技术的进步，制造业得到了迅速的发展，并对世界经济的增长起到重要的推动作用。制造业的发展与制造技术的进步分不开，尤其是直接关系到制造业中重要工业部门及装备制造业发展的机械加工技术。在信息技术等高新技术的带动下，机械加工技术进入了“高速、高效、智能
3、、复合、环保”的发展新阶段，出现了高速（效）切削、近净成形、柔性化加工、五轴加工、复合加工机床、e- 网络制造、绿色制造等新的制造技术及装备 ,为制造业开发新产品、提高加工效率和加工质量、降低制造成本、缩短交货周期、保护生态环境、降低能源和资源消耗发挥了重要的作用。在上述新加工工艺及装备中，切削加工的新技术及刀具以其重要的基础地位、以及应用面广、实用化程度高、见效快、成效显著等特点，其进展尤为突出，成为当今先进制造技术中的亮点，对制造业的发展和制造技术的进步起到了十分重要的作用。不仅如此，广大的机械制造企业尤其是汽车、航空航天、模具、能源等工业部门的企业在经历了制造业的大发展以后，亲身体会到先
4、进切削技术和刀具对提高加工效率、降低制造成本、加快新产品开发从而对提高企业的竞争实力和推动企业技术进步的重大作用，进一步确立了切削加工作为企业的基础工艺和关键技术的重要地位，加大了采用先进切削技术和刀具的力度。与此同时，刀具制造商也加快了新技术和新产品开发的速度，并更新经营观念，把为用户提高加工效率降低制造成本作为经营的宗旨，成为用户企业革新切削工艺可依赖的社会资源，为机械制造企业的发展创造了从未有过的良好机遇，将大大加快企业的技术进步和竞争实力的提高。可以预计，今后，切削技术和刀具进步的速度将进一步加快，并成为企业进步和发展的强大推动力。从世界范围看，切削技术和刀具显示出高新技术的特征，切削
5、技术进入了高速切削新阶段，并带动整体切削加工水平有全面的提高，已成为数控加工技术的关键技术；刀具产品已发展成为高附加值、高科技含量的产品，包含着当代材料、信息科学、计算机、微电子应用技术领域中的最新成果。涌现了一批如整体硬质合金钻头、立铣刀、高速丝锥、加工铝合金的 PCD 高速面铣刀、括光车刀片、大前角大螺旋角铣削刀片等高效、高性能的新刀具，使切削效率成倍提高。我国的切削加工水平与世界的先进切削技术比较，有较大的差距。缩小这个差距加快先进切削技术和刀具的开发与应用，尤其是积极采用现有的先进切削技术为“我”所用是一个投入少、见效快的好措施，有事半功倍的效果。除了技术上的差距以外，还有长期以来形成
6、的忽视切削加工和刀具的这种落后的观念。这些差距和落后不仅正在阻碍着我国制造业的发展，影响建设制造强国这个宏伟目标的实现，而且制约着企业的技术进步和竞争实力的壮大。使得现代切削技术投资少、见效快这样重要的优质技术资源没有得到充分的利用。因此，无论是为了实现建设制造强国的宏伟目标，还是为了企业自身的发展，我们必须加快开发和应用先进的切削技术和刀具。为此，中国刀协提出了在全国范围内提高切削效率 20%的阶段性目标。提高企业的切削效率，是广大从事工艺、刀具管理、机床操作等切削专业工作者面临的紧迫任务。作为刀具的用户企业，在实施提高切削效率这个目标时，提高刀具的使用技术不仅可以发挥企业现有的切削加工潜力
7、，而且可为今后开发和采用切削新技术打下基础。金属切削加工是一个多因素的复杂过程，参与切削的各因素如工件材料、刀具性能、3机床状态、切削条件等在切削中的行为显现出很大的不确定性，很难用定量来描述它们。时至今日，还不能用计算的方法来定量地确定和预测切削的进程和效果。但是切削专业工作者在长期科研和实践中积累的知识却为我们定性分析各因素的特点及影响提供了科学的依据和方法，对切削新技术的开发及切削技术的合理应用起到了正确的指导作用，使我们有可能找到一组较佳的切削条件并在实践中不断完善，向着最佳的目标接近。本文对刀具应用技术的探讨，也是从定性的角度对切削过程的主要因素进行分析，希望能对刀具的正确应用提供指
8、导性的意见。这里所说的应用技术，其内容和任务是，提高切削加工的效率、降低成本、提高质量，其中提高效率是总的目标。现代切削技术的理念强调提高效率，认为效率提高了才有成本的显著降低，提高质量也是应用提高效率的技术资源的基础上所取得的结果。提高切削加工的效率是切削技术发展的动力和不懈追求的目标。4一、 切削加工技术系统和刀具应用技术三要素作为一门金属加工的工艺技术，金属切削加工工艺可用图 1 所示的技术系统来描述。该系统包括三部分内容：切削工艺系统、切削机理、切削加工效果，并分述如下：第一部分是由机床、刀具和被加工工件组成的切削技术的工艺系统。机床和刀具是实现切削加工必不可少的工艺装备，依靠机床提供
9、的运动和动力，由具备切削功能的刀具将工件上多余的金属以切屑的形式将其切除，按预定的要求实现对工件的切削加工过程。为了进一步了解切削过程，有必要将刀具、机床和工件的技术内涵加以细化。从图 1 看，刀具是切削加工的主体，参与切削加工的刀具包含着三个主要的技术内涵，即刀具材料和涂层、几何角度、刀具结构。刀具必须有特殊的刀具材料制造，并具有确定的几何形状和适用的结构，三者共同赋予刀具切削的功能，同时又决定着刀具的切削性能。因此，有关这三个因素的内容、作用是切削技术的主要内容。与机床相关的切削技术内涵有切削参数、工序类别、切削条件。机床为刀具实施各种切削工序提供了一个技术平台，包括刀具切削所需要的动力、
10、刀具与工件的相对运动、提供冷却润滑的条件、可靠地夹持刀具和工件。其中刀具与工件相对运动的速度，有主运动的切削速度和辅助运动的进给速度，是切削加工中两个主要的切削参数。切削加工要求机床有足够的功率和系统的刚性、高的运动速度和自动化程度，以及运动和定位的精度。因此，机床的性能与切削加工的水平密切相关，两者相互促进共同推动切削加工技术的进步和发展。工件是切削加工的对象，也是切削技术的主体之一。不仅工件尺寸精度、表面质量的要求而且工件的材料和结构都影响着切削的过程，切削参数的设置和刀具几何角度的设计必须适应具体的工件特点。尤其是工件材料的可切削性，对切削过程的影响十分显著，已经成为切削加工重要的技术内
11、容。目前，需要切削加工的工程材料已经超出了金属材料的范围，非金属材料和新型的人工合成材料越来越多地被用作工程材料，成为切削加工的新领域。切削技术系统的第二部分是金属切除过程的机理部分，包括切削变形过程及伴随着的两个重要的物理现象：切削力和切削热。来自切削变形区的切削力和切削热传递着切削过程内部的信息，并对切削过程产生很大的影响。刀具挤压、切离金属所需要的力和刀具与工件、切屑摩擦的力构成了切削系统的作用力，机床的传动系统必须克服这些力并提供足够的功率。切削力使机床、刀具和工件产生变形，影响加工的精度；作用在刀具上的切图 1 切削加工技术系统5削力和摩擦力造成刀具的磨损与破损。在刀具与工件相对运动
12、中，由切削力作的功所产生的热量也造成工艺系统的变形和加剧刀具的磨损与破损。减小切削力和切削热、降低切削温度从而减慢刀具的磨损，防止刀具的破损，成为设置切削参数和选择刀具几何角度的重要依据。切削技术系统的第三部分为切削加工的产出和效果。切削加工除了产出合格的零件外还产出了切屑，并造成了刀具的磨损。表明切削技术对切削加工的目标的控制包括符合图纸要求的零件质量、保证切削过程顺利进行的切屑的形态和流向以及对刀具磨损或其它损坏形式的控制。图中显示衡量一个切削系统的最终指标为零件加工的生产效率、制造成本、加工质量，力求做到高的生产效率、低的制造成本、好的加工质量。通常，刀具用户设计切削过程的主要工作是根据
13、工件被加工对象的要求来选取刀具、切削参数和工艺条件，以满足对生产效率、制造成本和加工质量的要求。作为刀具应用技术的基础技术，在本文中重点探讨其中的共性因素：工件材料、刀具、切削参数，并分成三部分内容，即工件材料的分类及可切削性、正确选用刀具、正确设置切削参数。6二、 工件材料的分类及可切削性金属切削加工的本质是工件材料的切除过程，金属材料在刀具切削过程中的行为直接关系着切削过程的进展及加工的结果。由于工件应用领域及使用条件的千差万别，形成了制造工件的被切削材料及状态的多样性，如有普通碳钢、淬火钢、铸铁、有色金属、高温合金等，而不同的材料及状态对切削过程的反应是不一样的，表现出有的材料容易切削，
14、加工时切削效率高、刀具寿命长或工件表面质量好；而有的材料则显得不那么好切削，切削效率低，刀具寿命短或表面质量差。因此，了解和认识工件材料的切削特性，是选择适用的刀具和切削参数乃至优化切削加工的前提，对掌握刀具的使用技术至关重要。1. 工件材料的可切削性为了从切削加工的角度评判工件材料切削的难易可切削性的好坏，把材料切削的难易程度的性能称为可切削性或可加工性(machinability)。与材料的机械性能(强度、硬度、塑性) 、物理性能(电阻率、导热率、线膨胀系数、比重等 )不同，工件材料的可切削性不能用一个确切的数值来表示，而是一个相对的概念，将随着判断依据和切削条件的不同而不同。根据具体的切
15、削工序，判断材料可切削性好坏的依据可以是，(1)刀具寿命或刀具磨损，加工时刀具寿命长或刀具磨损慢，则材料的可切削性就好，反之则差；(2)表面粗糙度或表面质量，这个判据用于判断精加工时材料可切削性的好坏，其中表面质量或称表面完整性则主要是判断用于制造宇航工业用零件的难加工材料的可切削性；(3)根据加工时切削力的大小或机床消耗功率的大小作为评定材料可切削性好坏的尺度。在某些情况下，断屑的难易或切屑的类型(长屑还是短屑 )也可作为判断可切削性好坏的依据。在以上三个判据中较常用的是刀具寿命。根据在一定条件下对各种材料所做的刀具寿命试验得出的 vT（切削速度刀具寿命）曲线或公式求出在 T=30 或 60
16、 分钟时所对应的 v 值，记作 v30 或 v60。各种材料的 v30 或 v60 值就代表材料的可切削性。把某种材料（如 45 号钢）的 v30 或 v60 值作为参考值，取为 1，则可列出各种材料相对于 45 号钢的 v30或 v60 数值，作为定量描述材料切削性的指标，如表 1 所示。7表 1 是以各种材料的 v60 值为基础，并以 45 号钢的 v60 值作为参考值 1，列出各类材料的相对可切削性数值 kv。k v 值越大可切削性越好，反之，则越差。表 1 根据相对可切削性指数的大小把常用的工程材料的可切削性分为 8 个等级，从而可以比较各类材料可切削性差异的程度。从某些切削加工的手册
17、上还可查到更细分的相对可切削性数值，如表 2 为钢材的可切削性，表中把硫磺易削钢的可切削性作为 100%，列出了以百分数表示的不同含碳量的碳素钢及各种合金钢的相对可切削性及该材料的布氏硬度，因为材料机械性能中极限强度 b和硬度（HB、HRC）有时也被用作判断可切削性的依据。这些数据为我们判断材料可切削性提供了相对的排序。理论上，当我们知道了其中某种材料加工时的切削速度时，则可在相同的加工条件下推算出其它材料的切削速度。但在实际上，由于多种因素的影响，很少直接用相对的可切削性数值来计算切削速度。这些数据的主要使用价值在于：第一，从不同类别材料可切削性数值，指出了正确选用刀具和切削参数的方向；第二
18、，用于分析影响材料可切削性的因素，如从表 2 可见，含碳量增加钢材的可切削性变差，合金元素增多钢材的可切削性也变差，从而提示进一步思考材料可切削性差异的内在原因。2工件材料的分类及影响材料可切削性的因素表 2 部分钢材的可切削性工 件 材 料可切削性%布氏硬度HB 工 件 材 料可切削性%布氏硬度HB碳素钢0.08%C0.1%C0.15%C0.2%C0.3%C0.35%C0.45%C0.50%C0.70%C硫磺易削钢锰钢（Mn1.61.9）0.3%C0.35%C0.4%C镍钢0.17%（ Ni3.253.75）0.3%C(Ni3.253.75)0.4%C(Ni3.253.75)0.15%C(N
19、i4.755.25)镍铬钢0.2%C(Ni1.101.4%,Cr0.550.75)0.3%C(Ni1.101.4%,Cr0.550.75)505050656565605045100505045555045306055126163131170131170137174170212174217179229179229183241179229179235187241187241174217179229187241179229163207179217钼钢（Mo0.20.3%）0.23%C0.32%C0.42%C0.47%C铬钼钢(Cr0.81.1%,Mo0.150.25)0.3%C0.37%C0.45%
20、C镍铬钼钢(Ni0.40.7%,Cr0.40.6%,Mo0.150.25%)0.2%C0.3%C0.45%C0.4%C(日本钢号SNCM8)镍钼钢(Ni1.65%,Mo0.20.3%)0.1%C0.4%C铬钢0.2%C0.4%C0.5%C706560556560556065554565556560551562071702291832351832351272291872291872291702171792291832311872411742171872351702121742291792358上一节的表 1 已经给出了不同材料的可切削性等级，并以从易到难的次序进行排序。但是，从指导切削加工使用技
21、术的角度，在根据材料选择刀具和切削参数时，通常按工程材料进行分类更为方便，每一大类按可切削性的差异分成几小类，如表 3 所示。经这样分类以后，基本上覆盖了大多数的工件材料范围，可较方便地将工件材料定位在相应的类别，并初步判断出该工件材料的可切削性，类似表 3 这样的表已被刀具制造商用来推荐正确选择刀具和切削参数的依据之一，出现在各厂商的样本中。下面就从表 3 入手分析影响各类材料可切削性的因素。影响工件材料可切削性的因素包括：机械性能、物理性能、化学成分、金相组织及切削条件。材料的可切削性是这些因素综合的结果，或在某些特定的情况下其中有一项因素占主导作用。因此，分析和认识这些因素的作用对掌握材
22、料的可切削性有实用的价值。材料的机械性能中，硬度和强度值常被用来作为描述材料可切削性的参数。金属切削过程是刀具对工件材料施加外力加以破坏的过程，所以，硬度和强度值的大小在一般情况下可反映切削材料由变形到切除的难易程度。因此材料的硬度或强度通常也被列在表 3这样的分类表中。下面按材料的类别逐一分析其可切削性。表 3 工件材料分类表类别 材 料 分 类 牌 号 举 例抗拉强度 N/mm2或硬 度 HRC、HB1 普通碳钢合金钢工具钢11 低强度结构 A3、20 400 12 易削钢、一般结构钢 Y12、15Mn、45 600 13 结构钢、低合金钢渗碳钢、调质钢 45、60、45Mn15CrMo、
23、40Cr 850 14渗碳钢、调质钢冷作工具钢、高速钢20Cr、40CrMn30CrNi3、Cr12MoV 1000 15 调质钢、热作工具钢 5CrNiMo、4Cr5MoSiV1 1200 16 高强度钢 40CrMnTi、45CrNiMoV 1200 2 淬火钢 21 40-48 22 48-60 3 不锈钢 31 易切削不锈钢 Y1Cr13Mo、Y1Cr18Ni9 850 32 铁素体、马氏体不锈钢 1Cr17、2Cr13 850 33 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti、0Cr13Ni4Mo 850 4 铸铁 41 灰铸铁 HT150、 HT250 200 42 灰铸铁 HT300、
24、HT350 300 43 球墨铸铁、可锻铸铁 QT500-7、KTZ500-04 240 44 球墨铸铁、可锻铸铁 QT700-2、KTZ650-02 300 5纯钛钛合金51 纯钛、低合金钛 TA1、TA6 、TA9 700 52 钛合金 TA7、TC4 900 53 钛合金 TC4、TC6、TB2 1250 6镍基合金钴基合金61 镍基、钴基耐热合金 GH1131、GH2036、K640 900 62 镍基、钴基耐热合金 GH4169、GH2132 1200 9（1）影响常用钢材可切削性的因素常用的钢材包括普通碳钢、合金钢和工具钢等，为铁碳合金或在铁碳合金基础上加入其它合金元素的钢材。这类
25、钢材从抗拉强度看覆盖着从小于 400N/mm2 至 1200N/mm2 以上的较大范围。其对应的相对加工性 kv 值为 0.53.0（表 1） 。对这类钢材其抗拉强度值能较好地反映其可切削性，因此凡是影响钢的抗拉强度的因素也是影响其可切削性的主要因素。首先是钢成分中的含碳量和合金元素的含量，一般说来，随含碳量的提高钢的强度提高，其强度还随合金元素的增多和含量的提高而提高，制造工模具的合金工具钢及高强度钢都是三元以上的合金钢，其中个别合金元素有较高的含量，其强度都很高。表 3 中从分类号 1.11.6 从上到下越往下含碳量越高，合金元素越多，强度也越高。这一点对于非铁碳合金也适用，如镍基合金 I
26、nconel，该合金的元素除镍以外所添加的合金元素多达 6 个。磷和硫是钢中的有害元素，前者造成钢的“冷脆性” ，后者靠造成钢的“热脆性” 。通常要尽量减少钢中磷、硫的含量。但磷和硫可改善钢的切削性，因此有含低碳而含高硫或铅等元素的易削钢，有很好的可切削性。在表 1 中易削钢的 kv2.53.0。但易削钢因强度较低只用来制作不太重要的零件。其次，钢的可切削性还与钢的组织有关，钢的性能决定于钢的组织，含碳量和合金元素对强度的影响都可以从组织的差异中得到解释。与含碳量小于 0.8%、等于 0.8%、大于 0.8%相对应分别有亚共析钢、共析钢、过共析钢的组织，即铁素体片状珠光体、片状珠光体、片状珠光
27、体渗碳体。其中，铁素体的强度很低塑性很高，而渗碳体的伸长率及减缩率几乎等于零，但硬度高达 HB800，珠光体是铁素体与渗碳体的片状共析组织。铁素体、珠光体、渗碳体这三种金相组织对刀具磨损的作用有显著的不同，铁素体最轻，珠光体次之，渗碳体最不好。此外，钢的性能还与所经受的热处理有关，热处理改变了钢的组织因而改变了钢的性能。作为工件的钢材，既有轧制的状态又有经正火、调质、甚至淬火处理后的状态，形成新的组织，从而使钢的性能发生很大的变化，极大地影响着钢的可切续表 3 工件材料分类表类别 材 料 分 类 牌 号 举 例抗拉强度 N/mm2或硬 度 HRC、HB7 纯铜铜合金71 纯铜、低合金铜 T2、 T3 350 72 黄铜（短屑） H59、HPb59-1 600 73 黄铜（长屑） H68、H80 600 74 青铜（短屑） QSn4-4-2.5 600 75 青铜（长屑） QSn6.5-0.1、QAl10-4-4 700 8 纯铝铝合金81 纯铝、未淬硬熟铝 L4、 L6、LD2 300 82 淬硬熟铝（硬铝） LD5、LD6 、LY12 600 83 铸铝 Si10% ZL105、ZL106 、 600 84 铸铝 Si10% ZL109 600 9 合成材料 91 热固性塑料 酚醛塑料、环氧树脂塑料92 热塑性塑料 有机玻璃、尼龙93 纤维增强塑料 玻璃纤维、碳素纤维增强塑料
