四、刀具磨损与耐用度
（一）刀具磨损的形成
切削过程中，刀具在高温和高压条件下，受到工件、切屑的剧烈摩擦，，刀具在前、后面接触区域内产生磨损。这种现象称为刀具磨损。随切削时间增加磨损逐渐扩大。主要磨损形式有：前面磨损、后面磨损。
在高速和较大的切削厚度切削塑性金属时，易产生月牙洼磨损。在低速和较切削厚度切削塑性金属及切削脆性金属时，后刀面上的磨损明显痕迹。在中等切削用量切削塑性金属的情况下，易产生前面和后面的同时磨损。
（二）刀具磨损的原因
磨粒磨损（机械磨损、硬质点磨损）、相变磨损、粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损。
不同的刀具材料在不同的使用条件造成磨损的主要原因不同。
（三）刀具磨损过程和刀具磨钝标准
刀具磨损过程的三个阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段。
（四）刀具耐用度定义
刀具耐用度系指刀具刃磨后开始切削，至磨损量达到磨钝标准的总切削时间。
刀具的耐用度高，说明切削性能好。
（五）影响刀具耐用度的因素
1．切削用量的影响 切削用量增加时，刀具磨损加剧，刀具耐用度降低。
切削速度对耐磨度的影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。这与三者对切削温度的影响规律是相同的，实质上切削用量对刀具磨损和刀具耐磨度的影响是通过切削温度起作用的。
2．工件材料的影响 工件材料的强度、硬度、塑性等指标数值越高，导热性越低，则加工时切削温度越高，刀具耐用度就会越低。
3．刀具材料的影响 刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，合理选择刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料是提高刀具寿命的有效途径。
4．刀具几何参数 对刀具耐用度影响较大的是前角和主偏角。增大前角，切削温度降低刀具耐用度提高，但前角太小，刀具强度则弱散热不好，导致刀具耐磨度降低。必须选择与最高刀具耐用度对应的前角角度。减小主偏角、副偏角和增大刀尖圆弧半径，可改善散热条件，提高刀具强度和降低切削温度，从而提高刀具的耐用度。
（六）刀具耐用度合理确定
刀具耐用度对切削加工的生产率和成本都有直接的影响，不能定的太高或太低，如果定的太高，势必要选择较小的切削用量，从而增加切削加工的时间，导致生产率的下降。如果定的太低，虽然可以采取较大的切削用量，但会使换刀、磨刀或调整机床所用时间增加过多，生产率也会下降。
通常确定刀具耐用度的方法有两种。一是最高生产耐用度；二是最低生产成本耐用度。
确定各种刀具耐用度时，可以按下列准则考虑：
（1） 简单刀具的制造成本低，故它的耐用度较复杂刀具的低。
（2） 可转位刀具切削刃转位迅速，更换简单，刀具耐用度可选低一些。
（3） 精加工刀具切削负荷小耐用度选的可高一些。
（4） 自动加工数控刀具应选较高耐用度。
五、刀具几何参数与切削用量的合理选择
（一）刀具几何参数的合理选择
刀具的几何参数包括刀具角度、刀面结构和形状、切削刃的形式等。
1．前角的选择
前角是刀具上最重要的角度之一，增大前角，切削刃锋利，切削变形小，切削力小，切削轻快，切削温度低，刀具磨损小和加工表面质量高，但过大前角刀头强度降低，切削温度高，刀具磨损加剧，刀具耐用度低。
从正反两方面考虑，前角有一个最佳数值。
选择前角的原则是保证加工质量和足够的刀具耐磨度的前提，应尽量选取大的前角，具体选择时要考虑的因素有：
（1）根据工件材料选择：加工塑性金属材料前角较大；加工脆性材料时前角较小。材料的强度、硬度越高，前角越小；材料的塑性越大，前角越大。
（2）根据刀具材料选择，高速钢刀具抗弯强度好，抗冲击韧性高，可选较大前角；硬度合金材料抗弯强度较高速钢低，故前角较小。陶瓷刀具材料前角应更小。
（3）根据加工要求选择。粗加工时选择较小前角，精加工时前角应大些，加工成型表面的刀具，前角应小些以减少刀具的刃形误差。
2．前刀面的选择
生产中常用的几种前刀面形状有：
（1）正前角平面型
（2）正前角平面带倒棱形型
（3）曲面型
（4）负前角型
3．后角的选择
增大后角，可减少后面与切削表面间摩擦，减小切削刃钝圆弧半径，可提高表面质量。但同时使刀具强度降低，散热条件变差。
选择后角的原则是在不产生较大摩擦的条件下，应适当减小后角。
（1）根据加工精度选择 精加工时为保证加工质量，后角取较大8～12°，粗加工时，要提高刀具强度，后角应取较小6～8°。
（2）根据加工材料 加工塑性材料，已加工表面的弹性恢复大，后角应取大值。加工脆性材料后角取小值。
4．主、副偏角的选择
减小主、副偏角，刀头强度增高，散热条件好，加工表面粗糙度小，但背向力增大，易使工件或刀杆发生变形，引起工艺系统振动。减小主偏角使得切削厚度和切屑厚度减小而导致断屑效果差。
因此，在加工工艺系统刚性满足的条件下，应选较小主偏角；加工高强度、高硬度材料时为提高刀具强度寿命，应选较小主偏角，在出现带状切屑时，应考虑加大主偏角。
副偏角大小主要影响已加工表面粗糙度，选择的原则是，在不影响摩擦和振动的条件下应选择较小副偏角。
5．刃倾角的选择
刃倾角可控制切屑流向：当＞0°时，切屑流向待加工表面；＜0°时切屑流向已加工表面；=0°切屑沿主剖面方向流出。
增大可增加实际工作前角和刃口锋利程度，可提高加工质量。选用负刃倾角，可提高刀具强度，改变刀刃受力方向，提高刀刃抗冲击能力，但过大负刃倾角会使背向力增大。
一般钢、铸铁精加工时选择0～+5°，粗加工时0～－5°。在加工高硬质、高强度金属，加工断续表面或有冲击载荷时取负刃倾角－5°～－15°。
（二）切削用量的合理选择
在确定了刀具几何参数后，还需选定切削用量参数才能进行切削加工。
目前许多工厂是通过切削用量手册，实践总结或工艺实验来选择切削用量。制定切削用量时应考虑加工余量，刀具耐用度、机床功率、表面粗糙度、刀具刀片的刚度和强度等因素。
１．粗车切削用量的选择
对于粗加工，在保证刀具一定耐用度前提下，要尽可能提高在单位时间内的金属切除量，提高切削用量都能提高金属切削量，但是考虑到切削用量对刀具耐用度的影响程度，所以，在选择粗加工切削用量时，应优先选用大的背吃刀，其次选较大的进给量，最后根据刀具耐用度选定一个合理的切削速度，这样选择可减少切削时间，提高生产率。背吃刀量应根据加工余量和加工系统的刚性确定。
２．精加工切削用量的选择
选择精加工或半精工切削用量的原则是在保证加工质量的前提下，兼顾必要的生产率。进给量根据工件表面粗糙度的要求来确定。精加工时切削速度的切削速度应避开积屑瘤区，一般硬质合车刀采用高速切削。
第三章 金属切削常用刀具
第三节 铣 刀
铣刀是多刃刀具,它的每一个刀齿相当于一把车刀,它的切削基本规律与车削相似,但铣削是断续切削,切削厚度和切削面积随时在变化,因此,铣削具有一些特殊性。铣刀在旋转表面上或端面上具有刀齿，铣削时，铣刀的旋转运动是主运动，工件的直线运动是进给运动。
一、铣刀的类型和用途
铣刀的类型很多，按铣刀齿背形状可分为尖齿铣刀和铲齿铣刀。
常用的有圆柱铣刀、端铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、键槽铣刀、半圆键槽铣刀、锯片、角度铣刀和球头铣刀等：
（一）圆柱铣刀
（二）立铣刀
（三）硬质合金面铣刀
（四）键槽铣刀
（五）三面刃铣刀
（六）锯片铣刀
（七）角度铣刀
（八）球头铣刀
二、铣刀的几何参数
（一）圆柱铣刀的几何角度 （二）面铣刀的几何角度
三、铣削特点
（一）铣削用量要素
（二）铣削用量选择
（三）顺铣与逆铣
用铣刀圆周上的切削刃来铣削工件的平面，叫做周铣法。
它有两种铣削方式：
(1) 逆铣法：铣刀的旋转切入方向和工件的进给方向相反(逆向)。
(2) 顺铣法：铣刀的旋转切入方向和工件的进给方向相同(顺向)。
顺铣法切入时的切削厚度最大，然后逐渐减小到零 ，因而避免了在已加工表面的冷硬层上滑走过程。实践表明，顺铣法可以提高铣刀耐用度2～3倍，工件的表面粗糙度值可以降低些，尤其在铣削难加工材料时，效果更为显著。
逆铣时，每齿所产生的水平分力均与进给方向相反，使铣刀工作台的丝杠与螺母在左侧始终接触。而顺铣时，水平分力与进给方向相同，铣削过程中切削面积也是变化的，因此，水平分力也是忽大忽小的，由于进给丝杆和螺母之间不可避免地有一定间隙，故当水平分力超过铣床工作台摩擦力时，使工作台带动丝杆向左窜动，丝杆与螺母传动右侧出现间隙，造成工作台颤动和进给不均匀，严重时会使铣刀崩刃。
此外，在进行顺铣时，遇到加工表面有硬皮，也会加速刀齿磨损。在逆铣时工作台不会发生窜动现象，铣削较平稳，但在逆铣时，刀齿在加工表面上挤压、滑行，切不下切屑，使已加工表面产生严重冷硬层。
一般情况下，尤其是粗加工或是加工有硬皮的毛坯时，多采用逆铣。精加工时，加工余量小，铣削力小，不易引起工作台窜动，可采用顺铣。
第四节 其它刀具
一、螺纹刀具
在各种传动机构、紧固件和测量工具等很多方面，都广泛应用螺纹。根据螺纹的形状、表面粗糙度、公差等级和生产批量的不同，其加工方法及所采用的刀具也各不相同。
按加工螺纹的方法，螺纹刀具可分为以下几类。
（一）螺纹车刀
它的结构简单，通用性好，可以用来加工各种尺寸、形状的内、外螺纹。螺纹车刀生产效率低，加工质量主要决定于工人技术水平、机床精度和刀具本身的制造精度，适用于单件小批生产。
（二）螺纹梳刀
用这种刀具加工多头螺纹时，一次走刀便能成形，生产率高，但制造较为困难。螺纹梳刀实质上是多齿的螺纹车刀，一般有6～8个齿，分为切削与校准两部分。
（三）丝锥和板牙
丝锥和板牙主要用于加工直径1～52mm的圆柱形及圆锥形内、外螺纹，可以手工操作或在车床和钻床上使用。丝锥用于加工内螺纹，板牙只能用来加工低精度的外螺纹。因结构简单、制造使用方便，故中小批生产中应用甚广。
（四）螺纹铣刀
用于加工圆柱形及圆锥形内、外螺纹，生产率高，特别适合于加工直径较大的螺纹。常见的螺纹铣刀有盘形铣刀和梳形铣刀。多用于螺纹的粗加工，有较高的生产率。
（五）螺纹砂轮
用砂轮磨削螺纹，公差等级达IT5～IT6，表面粗糙度达6.3～Ra0.8。
（六）螺纹滚压工具
这是利用金属塑性变形的方法来加工螺纹的。滚压螺纹的生产率极高，公差等级达IT5～IT6，1.6～Ra0.25。
二、拉刀
拉刀是一种高生产率、高精度度多刃刀具，拉削时，拉刀作等直线运动，由于拉刀的后一个刀齿高出前一个刀齿（简称：齿升量），因此能够依次从工件表面上切下很薄的金属层，经一次行程后，切除全部余量，并能达到IT8～IT７公差等级，粗糙度可达0.5～0.8μm。
拉刀的使用寿命长，但结构复杂，制造成本高。
主要在成批、大量生产中用它对各种形状的通孔、通槽和外表面加工。
（一）拉刀的类型
1．按加工表面不同，可分为内拉刀和外拉刀。前者用于加工如圆孔、方孔、花键孔等内表面，后者用于加工平面、成形面等外表面。
2．按拉刀工作时受力方向的不同，可分为拉刀和推刀。
3．按拉刀的结构可分为整体式和组合式。整体式主要用于中、小型尺寸的高速钢拉刀；组合式主要用于大尺寸拉刀和硬质合金组合拉刀。
（二）拉刀的结构
各种拉刀的外形和构造虽然有所不同，但其组成部分和基本结构是相似的。
（三）刀齿几何参数
三、齿轮刀具
（一）齿轮刀具类型
齿轮刀具是用于切削齿轮齿形的刀具，此类刀具结构复杂，种类繁多。按其工作原理，可分为成形法刀具和展成法刀具两大类。
１．成形法齿轮刀具
成形法齿轮刀具的切削刃的轮廓与被加工齿轮槽廓形相同或相似，通常适用于加工直齿圆柱齿轮、斜齿齿条等。常用的成形齿轮刀具有：盘形齿轮铣刀、指状齿轮铣刀等。这类铣刀结构简单，制造容易，可在普通铣床上使用。但是加工精度和效率较低，主要用于单件、小批量生产和修配。
２．展成法齿轮刀具
这类刀具是利用齿轮的啮合原理来加工齿轮的。加工时，刀具本身就相当于一个齿轮，它与被切齿轮作无侧隙啮合，工件齿形由刀具切削刃在展成过程中逐渐切削包络而成。因此，刀具的齿形不同于被加工齿轮的齿槽形状。常用的展成法齿轮刀具有：滚齿刀、插齿刀、剃齿刀等。
（二）插齿刀
插齿刀可以加工直齿轮、斜齿轮、内齿轮、塔形齿轮、人字齿轮和齿条等，是一种应用很广泛的齿轮刀具。
（三）齿轮滚刀
齿轮滚刀是加工直齿和螺旋圆柱齿轮常用的一种刀具。它的加工范围很广，规模从0.1-40mm的齿轮，均可使用滚刀加工。同一把齿轮滚刀可以加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮。
齿轮滚刀是利用螺旋齿轮啮合原理来加工齿轮的。在加工过程中，滚刀相当于一个螺旋角很大的斜齿圆柱齿轮，与被加工齿件作空间啮合，滚刀的刀齿就将齿轮齿形逐渐包络出来。
四、砂轮及其用途
磨削是目前半精加工和精加工的主要加工方法之一，砂轮则是磨削加工中重要刀具，砂轮一般安装在平面磨床、外圆磨床和内圆磨床上使用，也可安装在砂轮机上刃磨刀具。
根据不同的用途、磨削方式和磨床类型，砂轮被制成各种形状和尺寸，常用的砂轮有平形砂轮、筒形砂轮、双斜边砂轮、杯形砂轮、碗形砂轮、碟形砂轮等。
（一）砂轮的构造
砂轮是由结合剂将磨料颗粒粘结而成的多孔体。
1.磨料
2.粒度
3.结合剂
4.硬度
5.组织号
（二）砂轮要素的选择
（1）磨削硬材料，应选择软的、粒度号大的砂轮。磨削软材料，应选择硬的、粒度号小的、组织号大的砂轮。这样砂轮损耗小，也不易堵塞。
（2）粗磨时为了提高生产率要选择粒度号小，软的砂轮。精度时为了提高工件表面质量要选择粒度号大、硬的砂轮。
（3）大面积磨削或薄壁件磨削时应选择粒度号小、组织号大、软的砂轮。这样砂轮不易堵塞，工件表面不易烧伤，工件也不易变形。
（4）成形磨削选择粒度号大、组织号小、硬的砂轮，以保持砂轮的廓形。
减小进给量，增大刀具前角，提高刃磨质量，合理选用切削液，使摩擦和粘结减少，均可达到抑制积屑瘤的作用。
（四）已加工表面变形和加工硬化
任何刀具的切削刃都很难磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削挤压摩擦下，切屑晶体向下滑动绕过刃口形成已加工表面。使已加工表面层的金属晶粒发生扭曲挤紧，破碎等，构成了已加工表面上的变形区。
已加工表面经过严重塑性变形而使表面原硬度增高，这种现象称为加工硬化（冷硬）。
金属材料经硬化后在表面上会出现细微裂纹和残余应力，从而降低了加工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，所以在切削时应设法避免或减轻加工硬化现象。
（五）影响切削变形的因素
切削变形的程度主要决定于剪切角和摩擦系数大小。
影响切削变形的主要因素有工件材料，前角，切削用量。
工件材料的强度、硬度越高，刀屑间正压力则增大，平均正应力会增加，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切削变形减小。而切削塑性较高的材料，则变形较大。
刀具前角越大，切削刃越锋利，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切削变形减小。
切削速度对切削变形的影响，切削速度是通过切削温度和积屑瘤影响切屑变形的。切削速度在3～20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，故变形系数减小。当20m/min 左右时，积屑瘤高度最高，ξ值最小。在20～40m/minn范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际剪切角减小，ξ增大。当＞40m/min 时，由于切削温度逐渐升高，变形系数ξ减小。切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤，随着切削速度的增大，变形系数则缓慢地减小。
进给量增大，使切削厚度增加，正压力增大，平均正应力增大，因此，μ下降，剪切角φ增大，使ξ减小。同时，由于各切削层的变形和应力分布不均匀，近前发面处的金属变形和应力大，离前刀面越远的金属层变形和应力越小。切削厚度增加，近前刀面处发生剧烈变形层增加不多，切削平均变形减小，使变形系数变小。
二、切削力
（一）切削力的来源和分解
切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力
而工件低抗变形施加于刀具称为切削抗力，在分析切削力以及切削机理时，切削力与切削抗力意义相同。
刀具切削工件时，由于切屑与工件内部产生弹性，塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生摩擦阻力，形成刀具对工件作用一个合力F，由于其大小，方向不易确定。
因此，为了便于测量、计算及研究，通常将合力F分解成三个分力。
（二）工作功率
（三）计算切削力的经验公式
（四）单位切削力和单位切削功率
（五）影响切削力的主要因素
1．工件材料的影响，工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形会减小，但由于剪切屈服强度增高，产生的切削力会越大；工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力会越大。切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力小。
2．切削用量的影响 进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。其主要原因在于，αp增大一倍时，切削厚度hD 不变，而切削宽度bD 则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f增大一倍时，切削宽度bD不变，只是切削厚度hD增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。
切削速度对切削力的影响：切削塑性金属时，在40m/min时，由于积屑瘤的产生与消失，使刀具前角增大或减小，引起变形系数的变化，导致了切削力的变化；当>40m/min，切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削力也随之下降。切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形很小，且刀屑间的摩擦也很小，因此，υc对影响不大。
3.刀具几何参数的影响 前角对Fc影响较大。前角增大，切削变形减小，故切削力减小。主偏角对进给力Ff和背向力Fp影响较大，当кr增大时Ff增大而Fp 则减小。刃倾角对背切削力FP影响较大，因为λs由正值向负值变化时，会使顶向工件轴线的背向力增大。
此外刀尖圆弧半径，刀具磨损程度等因素对切削力也有一定的影响。
三、切削温度与切削液
由它引起的切削温度的升高会影响刀具磨损和耐用度，同时抑制了切削速度的提高，还将导致工件、机床，刀具和夹具的热变形，降低零件的加工精度和表面质量。
（一）切削热的产生和传散
提高切削速度，由摩擦生成的热量增多，但切屑带走的热量也增加，在刀具中热量减少，在工件中热量更少，所以高速切削时，切屑温度很高，在工件和刀具中温度较低，这有利于加工顺利进行。
（二）切削区温度分布和切削温度的测量
切削区温度一般是指切屑，工件和刀具按触表面上的平均温度，在正交平面内刀具、工件和切屑中温度分布规律如图2—19所示。
刀具与切屑接触面摩擦大，不易散热，产生的温度值最高；切屑带走热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。
切削温度测量方法很多，目前以利用物体的热电效应来进行温度测量的热电偶法应用较多，其测量简单方便。
（三）影响切削温度的因素
切削温度的高低决定于产生热量多少和传散热量快慢两方面因素。切削时影响产生热量和传散热量的因素有：切削用量、工件材料的性能，刀具几何参数和冷却条件等。
切削用量对切削温度的影响，当υc、αp和f增加时，由于切削变形功和摩擦功增大，所以切削温度升高。其中切削速度影响最大，当υc增加一倍时,由于摩擦生热增多，切削温度约增加32%，进给量f的影响次之，当f增加一倍，切削温度约增加18%，因为f增加切削变形增加较少，并且改善了散热条件，故热量增加不多。背吃刀量αp影响最小，αp增加一倍时，切削温度约增加7%，这是因为αp增加使切削宽度增加,增大了热量的传散面积。
工件材料主要是通过硬度、强度和导热系数影响切削温度。
刀具几何参数中影响切削温度最明显的因素是前角γo和主偏角κr，其次是刀尖圆弧半径rε。前角γo增大，切削变形和摩擦产生的热较少，故切削温度下降，但 γo 过大散热变差，使切削温度升高。主偏角κr减少，切削变形摩擦增加，但κr减小切削宽度增大，改善了散热条件，由于散热起主要作用，故切削温度下降。增大刀尖圆弧半径能增大散热面积，降低切削温度。
刀具磨损后，刀具后面与已加工表面摩擦加大，切削刃变钝，使刃区前方对切屑的挤压作用增大，切屑变形增大，会使切削温度升高。在加工时，使用切削液也是降低切削温度的重要措施。
（四）切削液的选用
在切削过程中，合理使用切削液能有效减少切削刃，降低切削温度，从而能延长刀具寿命，改善已加工表面质量和精度。
1．切削液的作用
冷却作用、润滑作用、清洗作用、防锈作用等。
2．切削液的种类及选用
（1）水溶液 一般常用于粗加工和普通磨削加工中。
（2）乳化液 一般材料的粗加工常用乳化液，难加工材料的切削，常使用极压乳化液。
（3）切削油 一般材料的精加工常使用切削油，如普通精车、螺纹精加工等。
