金属切削基本规律的应用（2）

2 ．硬质合金的选用

　　硬质合金种类、牌号的选择，应考虑工件材料及粗、精加工等情况，一般应注意以下几点：

　　( 1) 加工铸铁等脆性材料时，应选择 YG类硬质合金。切削脆材料时，切屑成崩碎切屑，切削力和切削热集中在刃口附近，并有一定的冲击，因此要求刀具材料具有好的强度、韧性及导热性；此外， YG类硬质合金磨削加工性好，切削刃能磨得较锋利，所以也适合加工有色金属。

　　（ 2）加工钢等韧性材料时，应选择 YT类硬质合金。切削韧性材料时，切屑成带状，切削力较平稳，但与前刀面磨擦大，切削区平均温度高。因此要求刀具材料有较高的高温硬度、较高的耐磨性、较高的抗粘结性和抗氧化性。但应注意在低速切削钢时，由于切削温度较低， YT韧性较差，容易产生崩刃，刀具耐用度反而不如 YG类硬质合金。同时 YT类硬质合金也不适合于切削含 Ti元素的不锈钢等。

　　（ 3）切削淬硬钢、不锈钢和耐热钢时，应选用 YG类硬质合金。因为切削这类钢时，切削力大，切削温度高，切屑与前刀面接触长度短，使用脆性大的 YT类硬质合金易崩刃。因此宜用韧性较好，导热系数较大的 YG类硬质合金。但应注意此类硬质合金的红硬性不如 YT类的红硬性，因此应适当降低切削速度。

　　（ 4）粗加工时，应选择含钴量较高的硬质合金；反之，精加工时，应选择含钴量低的硬质合金。

　　（四）先进刀具材料

　　1. 陶瓷

　　可制作刀具的陶瓷材料是以人造的化合物为原料，在高压下成形和在高温下烧结而成的，它有很高硬度和耐磨性，耐热性高达 1200 0C以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度 3～ 5倍。但陶瓷的最大弱点是抗弯强度低，冲击韧性差，因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。按成分组成，陶瓷可分为下列几种：

　　(1) 高纯氧化铝陶瓷 主要成分为氧化铝 (Al 2O 3)及微量用于细化晶粒的氧化镁 MgO，经冷压烧结而成，硬度为 92～ 94HRA，抗弯强度为 0.392～ 0.491GP a。

　　（ 2）复合氧化铝陶瓷 在 Al 2O 3基体中添加诸如 TiC、 Ni和 Mo等合金元素，经热压成形，硬度达到 93～ 94HRV，抗弯强度为 0.589～ 0.785Gpa.

　　（ 3）复合氮化硅陶瓷 在 Si 3N 4基体中添加 TiC和 Co，进一步提高了切削性能，可对冷硬铸铁、合金铸铁进行粗加工。

• 超硬材料

　　（ 1）金刚石 金钢石分天然和人造两种，都是碳的同素异型体。人造金刚石在高温、高压条件下由石墨转化而成的，硬度为 10000HV。

　　金刚石刀具能精密切削有色金属及其合金，能切削高硬度的耐磨材料。金刚石与铁原子有较强的亲和力，因此不能切削钢铁等黑色金属。当温度达 800 0C时，在空气中金刚石刀具即发生碳化，就会产生急剧磨损。

　　（ 2）立方氮化硼 立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压条件下加入催化剂转变而成，其硬度高达 8000～ 9000HV，耐磨性好，耐热性高达 1400 0C，与铁元素的化学惰性比金刚石大，因此可对高温合金、淬硬钢，冷硬铸铁进行半精加工和精加工。

• 涂层刀片

　　为了提高刀具（刀片）表面的硬度和改善其耐磨性、润滑性，通过化学气相沉积和真空溅射等方法，在硬质合金刀片表面喷涂一层厚度 5～ 12μ m以下的 TiC、 TiN或 Al 2O 3等化合物材料。

　　TiC 涂层刀片，硬度可达 3200HV，呈银灰色，耐磨性好，容易扩散到基体内与基体粘结牢固，在低速切削温度下有较高的耐磨性。

　　TiN 涂层刀片 TiN硬度为 2000HV，呈金黄色，色泽美观，润滑性能好，有较高的抗月牙洼型的磨损能力，与基体粘结牢固程度较差。

　　Al 2O 3 涂层刀片 硬度可达 3000HV，有较高的高温硬度的化学稳定性，适用于高速切削。

　　除上述单层涂覆外，还可 TiC-TiN, TiC+TiN+Al 2O 3等二层、三层的复合涂层，其性能优于单层。

　　三、切削液的合理选择

　　合理使用切削液，可改善切削时摩擦面间的摩擦状况，降低切削温度，减少刀具磨损，抑制积屑瘤的产生，提高已加工表面质量。

　　（一）切削液的作用

　　1. 冷却作用

　　切削液的冷却作用主要是切削液带走大量的切削热，从而降低切削区的切削温度，其冷却效果取决于冷却液本身的导热率、比热、汽化热等，还与浇注方法有关。

　　2. 润滑作用

　　切削液的润滑作用，主要通过切削液渗透到切屑、工件、刀具接触面之间形成润滑膜。图 2-32 为切削加工时表面间的边界润滑摩擦，高温高压下的边界润滑也称为极压润滑。其润滑性能的好坏，主要取决于切削液的渗透性和表面间形成的润滑膜的强度。

　　润滑膜形成的机理有两种：物理吸附膜和化学吸附膜。

　　物理吸附膜是由润滑液的分子极性团吸附在金属表面上形成的润滑膜。润滑膜的强度依赖于润滑液中的 “ 油性 ” 。油性即是润滑液在金属表面形成的物理吸附膜的能力。油性好的润滑液其在金属表面形成的吸附膜的强度高。为提高润滑液的油性，往往在润滑液中加入一些添加剂，称为油性添加剂。常用动植物油作为油性添加剂。物理吸附膜只能在低温（ 200 0C 以内）及低压下起到润滑作用。

　　化学吸附膜是由润滑液与金属表面起化学反应形成的吸附膜。这种吸附膜的强度较高，能在高温（ 400 0C ～ 800 0C ）高压状态下保持其润滑性能，也称为极压润滑液。在切削液中加入形成化学吸附膜的添加剂，称为极压添加剂。常用硫（ S ）、磷（ P ）、氯（ Cl ）等元素。

　　3 ．清洗和防锈

　　切削液可以冲洗粘附在机床、刀具和工件上的切屑，以防止划伤机床工作面，破坏已加工表面，减少刀具磨损。在切削液中加入防锈剂，可避免工件、刀具、机床发生腐蚀，起到防锈作用。

　　（二）切削液的种类

　　1. 水溶液 水溶液是以水为主要成分的切削液。

　　2. 切削油 切削油的主要成分是矿物油。可在其中加入油性添加剂和极压添加剂，以改善其油性及极压性。

　　3. 乳化液 乳化液是通过乳化添加剂形成的切削油和水溶液的混和液。其性能介于水溶液和切削油之间。也可在其中加入油性添加剂或极压添加剂，以改善其油性或极压性。

• 切削液的合理选用

　　切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况进行选用。下述几条仅供参考：

　　1. 高速钢刀具红硬性差，需采用切削液。硬质合金刀具红硬性好，一般不加切削液；若硬质合金刀具使用切削液，必须连续、充分的浇注，不能间断。

　　2. 切削铸铁或铝合金时，一般不用切削液。如要使用切削液，选用煤油为宜。

　　3. 切削铜合金和有色金属时，一般不宜选用含有极压添加剂的切削液。

　　4. 切削镁合金时，严禁使用乳化液作为切削液，以防燃烧引起事故。

　　5. 粗加工时，主要以冷却为主，可选用水溶液或低浓度的乳化液；精加工时，主要以润滑为主，可选用切削油或浓度较高的乳化液。

　　6. 低速精加工时，可选用油性较好的切削油；重切削时，可选用极压切削液。

　　7. 粗磨时，可选用水溶液；精磨时，可选用乳化液或极压切削液。

　　四、合理刀具几何参数的选择

　　刀具几何参数包括切削刃形状、刃口形式、刀面形式和切削角度四个方面。刀具的几何参数间即有联系又有制约。因此在选择刀具几何参数时，应综合考虑和分析各参数间的相互关系，充分发挥各参数的有利因素，克服和限制不利影响。

• 前角和前刀面

　　1. 前角的功用

　　前角主要是在满足切削刃强度要求的前提下，使切削刃锋利。增大前角能减少切屑变形和磨损、改善加工质量、抑制积屑瘤等。但前角过大会削弱刀刃的强度的散热能力，易造成崩刃。因而，前角应有一合理的数值。表 2-14为硬质合金车刀合理前角的参考值。

　　2. 前角的选择

　　（ 1）工件材料的性质 工件材料的强度、硬度低，塑性大，前角应取大值；材料强度、硬度高，应取较小的前角。

表 2-14 硬质合金车刀合理前角参考值

工件材料

合理前角

工件材料

合理前角

粗 车

精 车

粗 车

精 车

低碳钢

20 °～ 25°

25 °～ 30°

灰铸铁

10 °～ 15°

5 °～ 10°

中碳钢

10 °～ 15°

15 °～ 20°

铜及铜合金

10 °～ 15°

5 °～ 10°

合金钢

10 °～ 15°

15 °～ 20°

铝及铝合金

30 °～ 35°

35 °～ 40°

淬火钢

-15 °～ -5°

钛合金

σ b ≤ 1.777Cpa

5 °～ 10°

不锈钢 ( 奥氏体 )

15 °～ 20°

20 °～ 25°

　　（ 2）刀具材料 刀具材料强度韧性高，前角可取大值，反之则取小值。如高速钢刀可取较大的前角值，而硬质合金刀则应取小值。

　　（ 3）粗加工时，前角应取较小的值，而精加工时，可取较大的值。

　　3 ．前刀面形式

　　图 2-33为前刀面的各种形式 .

　　a) 图为正前角平面型

　　制造简单，能获得较锋利的刃口，但切削刃强度低，传热能力差。

　　b) 图为正前角平面带倒棱型

　　在主切削刃口磨出一条窄的负前角的棱边，提高了切削刃口的强度，增加了散热能力，从而提高刀具耐用度。

　　c) 图为正前角曲面带倒棱型

　　在正前角平面带倒棱型的基础上，为了卷屑和增大前角，在前刀面上磨出一定的曲面而形成的。

　　d) 图为负前角单面型

　　刀片承受压应力，具有高的切削刃强度，但负前角会增大切削力和增大功率消耗。

　　e) 图为负前角双面型

　　可使刀片的重磨次数增加，适用于磨损同时发生在前、后刀面的场合。

　　（二）后角和后刀面

　　1. 后角的功用是减小与过渡表面的摩擦，同时也影响刃口锋利和刃口强度。

　　2. 后角的选择

　　后角选择的主要依据有二个：一是切削厚度 h d、二是刀具形式。

　　（ 1）切削厚度薄，后角应取大值；反之，后角应取小值。

　　（ 2）定尺寸刀具（如拉刀等），为延长刀具寿命，后角应取小值。

　　表 2-15为硬质合金车刀合理后参考值。

　　副后角通常等于主后角α 0的数值，但如切断刀等，为保证副切削刃强度，通常取小值。

表 2-15 硬质合金车刀合理后角参考值

工件材料

合理前角

工件材料

合理前角

粗 车

精 车

粗 车

精 车

低碳钢

8 °～ 10°

10 °～ 12°

灰铸铁

4 °～ 6°

6 °～ 8°

中碳钢

5 °～ 7°

6 °～ 8°

铜及铜合金

6 °～ 8°

6 °～ 8°

合金钢

5 °～ 7°

6 °～ 8°

铝及铝合金

8 °～ 10°

10 °～ 12°

淬火钢

8 °～ 10°

钛合金

σ b ≤ 1.777Cpa

10 °～ 15°

不锈钢 ( 奥氏体 )

6 °～ 8°

8 °～ 10°

　　3. 后刀面的形式

　　图 2-34为后刀面形式。

　　双重后角，如图 2 -34a所示。能保证刃口强度，减少刃磨工作量。

　　刃带，如图 2 -34a所示。在后刀面上磨出后角为零的小棱边。对于一些定尺寸刀具，如拉刀，铰刀等可便于控制外径尺寸，避免重磨后尺寸精度迅速变化。但刃带会增大摩擦作用。消振棱，如图 2-34b所示。在后刀面磨出一条负后角的棱边，可增大阻尼，起消振作用。