刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。 　　

  绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。 　　

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28~前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。 然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。 　　

  那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。 　　

  在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约　8米　/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。 　　

  由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949~1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。 　　

  1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物xx相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。 　　

  刀具按工件加工表面的形式可分为五类。加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。此外，还有组合刀具。 　　

  按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。 　　

  各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。 　　

  刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。 　　

  带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。 　　

  刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。 　　

  刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。 　　

  刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。 　　

  在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等，必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。 　　

  制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形。 　　

  通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。 　　

  聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。 　　

  硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物xx相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1~3倍以上。 　　

由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现{zj0}化。　　

车削钢用的UE系列涂层刀片材料　　

描述：图1 车削钢用的UE系列刀具材料　　

     描述：图2 UE系列刀具材料示意               描述：图3.1 UE6010的微结构 　　

描述：图3.2 UE6020的微结构 　　

机械零件绝大多数是由碳素钢及合金结构钢制成。车削此类材料时，多形成带状切屑。为从毛坯上切除切屑，刀片需承受巨大的负荷，被切除的切屑从刀片前刀面快速滑出，它在与刀片的相对运动中产生剧烈摩擦而形成高温，故刀片材料不但要耐磨，而且要耐高温，在高温下保持硬度。所以切削此类材料应选用含TiC+TaC比例较多的P类硬质合金。当今为提高切削效率和切削速度，进给速度愈来愈高，P类硬质合金刀片已不能胜任。在上世纪中叶，人们开发了在P类硬质刀片上再沉积一层高硬度的膜，称之为涂层(coating)。涂层厚度仅约为刀片厚度的0.2%，可以大大提高刀片寿命，且能适应更高的切削速度。这几十年来涂层技术也在不断发展，如由单层发展到多层甚至纳米多层；涂层厚度也由几μm增至十几μm甚至更多，涂层材料的种类、性能及沉积技术也越来越先进。作为基体材料的硬质合金也由单一各向同性发展到适应加工要求的具有梯度性能结构等。 针对这些工件材料的切削加工要求，三菱公司经多年研发，成功推出了新的UE系列涂层刀片材料。     在坐标原点处可见一带缺口的圆，表示沿45度线附近的各切深与进给量的切削条件，在进行轻微断续切削时推荐选用的UE系列刀具的具体牌号，同时可选出相应的断屑槽。如当切深与进给较小时，可选用UE6010与SH断屑槽，若切深与进给量大致沿45度线向上增大，表示切屑截面积逐渐增大，切削负荷逐渐增大时，依次可选用UE6010材料与MV和GH断屑槽，当切削面积更大时，可选用UE6020材料与Hx断屑槽。工件上若没有键槽，缺口等时，此时的切削称为连续切削，若加工余量也均匀，不是切削工件的表层，而是切削其内层，另外若工件的安装刚性较高，不易产生振动，切削力大致恒定时，以上条件下的切削属于稳定的切削范围，见图1的左上方。在此范围内的切削，随切深与进给量的增大，可分别选择UE6005材料与SH、MV、GH断屑槽，当切深和进给量更大时，可选择UE6010材料和Hx断屑槽。图1的右下方有一个带4个缺口的圆，形象地表示工件上缺口多，加工时形成更强烈的断续切削。加工余量不均，非工件内层切削而是硬度高且不均匀的表皮切削或是工件的安装刚性差、易振动时的切削，都属不稳定的切削范围，此时主要可选用UE6020材料，随切深与进给量的增大，可同前选择相应的断屑槽。不稳定条件更加严重时，则应选用UE6035及相应的断屑槽。为什么这样选择呢？因为UE系列这四种材料分别相当于ISO国际标准从P01到P40的不同等级，以上的号码越小，表示硬度越高，越耐磨，越可适应更高的切削速度；号码越大，表示韧性越高，越耐冲击，但适应的切削速度相对较低。 在说明UE系列刀片材料的特点前，先简要说明一下使刀具失效的损伤问题。当今刀具材料以硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、CBN(立方氮化硼)、PCD(人造聚晶金刚石)等烧结材料为主，高速钢的使用率已经下降。烧结材料的损伤形态与高速钢一样有磨损(wear)，磨损是一种渐进性损伤，与切削时间、切削长度相关。烧结材料又有自己的特性，即硬而脆，韧性不足，在切削过程中会因切削力、切削热的变动造成瞬时与低循环冲击，而形成脆性损伤(Brittle Fracture)，这种损伤表现为：①在刀刃上出现一些小缺口，称为缺损或微崩(chipping)。②严重时产生大缺口，称为破损或崩刀(Broken Fracture)。刀刃上出现微小缺口即缺损时，不能再用于精加工，但在某些情况下可继续用于粗加工。③另外在加工中，部分切屑粘结(adhesion)、熔结(welding)在刀刃附近。一般的粘结、熔结磨损是零件，非烧结刀具损伤原因之一，对烧结工具材料来讲有可能产生粘结、熔结磨损，但更主要的是与刀具表面牢固结合在一起的切屑粘结、熔结物，积屑瘤在被后续加工冲击后，使它强行与刀具表面分离，在这一过程中，分离的同时将部分刀具材料也一起带走，造成了粘结、熔结缺损与破损，故在现场加工中应尽量避免切屑的粘结、熔结。当然它们还影响加工表面质量。④烧结材料导热差，易产生热裂纹等损伤。 　　

    三菱公司UE系列涂层材料正是为良好地抵抗以上这些主要刀具损伤、保证高效长寿命加工而开发出来的。UE系列这四种涂层均用CVD(化学气相沉积法)制成，该工艺的膜层可制得较厚，更耐磨、耐高温，可适应高速大进给、大切深切削。UE系列4种涂层以UE6010、UE6020应用最广，{zj1}通用性和典型性。图3为UE6010和UE6020组织结构图片。 由图1可知，在45度线上，作为{dy}推荐是UE6010，因为它既有相当高的硬度很耐磨又有相当的韧性可适应一定的断续切削与冲击，它的基体硬质合金是倾斜结构，即各层性能功能是不同的，与涂层结合的最上层韧性大，保证涂层能牢固地与它结合，耐缺损和破损，基体硬质合金芯部则做得坚硬，抗变形能力强。涂层共分三层，与基体结合的最内层是TiCN纤维柱状结晶，次层硬度高也有相当的韧性，能很好地抵抗前后刀面磨损。 中间一层是微细晶粒的Al2O3，硬度可达HY2100，其生成自由能值达－100Kcal/g.atom，此值代表化学稳定性，值越小，化学稳定性和耐热性越好。有此涂层后，在高速切削时不易产生刀具与工件材料分子互相扩散，致使带状切屑的流动在前刀面造成的月牙洼磨损，此涂层在高温条件下对铁的熔解度几乎为零，使铁屑不易熔结在它表面，从而也避免因此造成的各种损伤。它是由独特的平滑涂层技术(even coating technology)涂覆的，表面特别光滑，在此基础上表面再涂上一层特殊钛化合物，此涂层保持平滑，使摩擦系数降低，进一步减少铁屑的粘结、熔结。由于它是金黄色，较易发现可能产生的微小损伤。在推荐选用UE6010时，还特别推荐了适合切削条件广泛的MV断屑槽，这二者的结合更增加其通用性。UE6020的各层结构、性能特性及基体硬质合金的结构特性与UE6010大致相同，但其膜层较薄(图3)，硬度比UE6010低，耐磨性较差，适应的切削速度也较低，但在推荐的切削速度范围(图1)下仍可保持相当高的耐磨性。它的抗弯强度、韧性及耐冲击力则高于UE6010，适合不稳定切削范围内的切削。在冲击载荷作用下，薄膜可能裂伤失效，膜层可靠性下降，而厚膜更耐冲击，可靠性高。 针对UE6010和UE6020的使用条件，如为连续切削，切削条件稳定，则可进一步选用硬度更高、更耐磨的UE6005，此时冲击载荷很小甚至没有，就可按推荐的更高切削速度实现xxx的切削。相反，若为断续切削，冲击载荷更大时，则可选用比UE6020韧性更高、抗弯强度更大的UE6035，在推荐的切削速度下加工，虽然速度下降了(图1)，但避免了刀具缺损和破损，使刀具使用寿命延长，避免了频繁更换刀片，缩短了辅助时间，同样可以提高切削效率。　　

夹具、刀具的选择及切削用量的确定　　

一、夹具的选择、工件装夹方法的确定　　

1．夹具的选择　　

　　数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：　　

1）尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。　　

2）在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。　　

3）装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。　　

4）夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。　　

2．夹具的类型　　

　　数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘（三爪、四爪）中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴{dj1}和尾架{dj1}间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。　　

　　数控铣床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。如：通用台虎钳、数控分度转台等。　　

3．零件的安装　　

　　数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和夹紧方案，注意以下两点：　　

1）力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和xx性。　　

2）尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。　　

二、刀具的选择及对刀点、换刀点的设置　　

1．刀具的选择　　

　　与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要刚性好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断屑和排屑性能好；同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料（如高速钢、超细粒度硬质合金）并使用可转位刀片。（1）车削用刀具及其选择 数控车削常用的车刀一般分尖形车刀、圆弧形车刀以及成型车刀三类。　　

1）尖形车刀  尖形车刀是以直线形切削刃为特征的车刀。这类车刀的刀尖由直线形的主副切削刃构成，如90°内外圆车刀、左右端面车刀、切槽（切断）车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。　　

　　尖形车刀几何参数（主要是几何角度）的选择方法与普通车削时基本相同，但应结合数控加工的特点（如加工路线、加工干涉等）进行全面的考虑，并应兼顾刀尖本身的强度。　　

2）圆弧形车刀  圆弧形车刀是以一圆度或线轮廓度误差很小的圆弧形切削刃为特征的车刀。该车刀圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，应此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上。　　

　　圆弧形车刀可以用于车削内外表面，特别适合于车削各种光滑连接（凹形）的成型面。选择车刀圆弧半径时应考虑两点：一是车刀切削刃的圆弧半径应小于或等于零件凹形轮廓上的最小曲率半径，以免发生加工干涉；二是该半径不宜选择太小，否则不但制造困难，还会因刀尖强度太弱或刀体散热能力差而导致车刀损坏。　　

3）成型车刀  成型车刀也称样板车刀，其加工零件的轮廓形状xx由车刀刀刃的形状和尺寸决定。　　

　　数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀。　　

（2）铣削用刀具及其选择  数控加工中，铣削平面零件内外轮廓及铣削平面常用平底立铣刀，该刀具有关参数的经验数据如下：　　

1）铣刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8～0.9)Rmin　　

2）零件的加工高度H≤（1/4-1/6）RD，以保证刀具有足够的刚度。 3）粗加工内轮廓时，铣刀{zd0}直径D可按下式计算（参见图2-10）： 式中　　

D1——轮廓的最小凹圆角半径；　　

Δ——圆角邻边夹角等分线上的精加工余量；　　

Δ1——精加工余量；　　

j——圆角两邻边的最小夹角。 4）用平底立铣刀铣削内槽底部时，由于槽底两次走刀需要搭接，而刀具底刃起作用的半径Re=R-r,如图2-11 所示，即直径为d=2 Re=2（R-r）,编程时取刀具半径为Re=0.95（R-r）。　　

　　对于一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工，常用球形铣刀、环形铣刀、鼓形铣刀、锥形铣刀和盘铣刀。如图2-12所示。　　

（3）标准化刀具  目前，数控机床上大多使用系列化、标准化刀具，对可转位机夹外圆车刀、端面车刀等的刀柄和刀头都有国家标准及系列化型号；对于加工中心及有自动换刀装置的机床，刀具的刀柄都已有系列化和标准化的规定，如锥柄刀具系统的标准代号为TSG—JT，直柄刀具系统的标准代号为DSG—JZ。　　

　　此外，对所选择的刀具，在使用前都需对刀具尺寸进行严格的测量以获得xx数据，并由操作者将这些数据输入数据系统，经程序调用而完成加工过程，从而加工出合格的工件。　　

2．对刀点、换刀点的设置　　

　　工件装夹方式在机床确定后，通过确定工件原点来确定了工件坐标系，加工程序中的各运动轴代码控制刀具作相对位移。例如：某程序开始{dy}个程序段为N　0010 G　　90 G　00 X100 Z20 ，是指刀具快速移动到工件坐标下 X=　100mm　 Z=　20mm　处。究竟刀具从什么位置开始移动到上述位置呢？所以在程序执行的一开始，必须确定刀具在工件坐标系下开始运动的位置，这一位置即为程序执行时刀具相对于工件运动的起点，所以称程序起始点或起刀点。此起始点一般通过对刀来确定，所以，该点又称对刀点。　　

　　在编制程序时，要正确选择对刀点的位置。对刀点设置原则是：　　

1）便于数值处理和简化程序编制。　　

2）易于找正并在加工过程中便于检查。　　

3）引起的加工误差小。　　

　　对刀点可以设置在加工零件上，也可以设置在夹具上或机床上，为了提高零件的加工精度，对刀点应尽量设置在零件的设计基准或工艺基准上。例：以外圆或孔定位零件，可以取外圆或孔的中心与端面的交点作为对刀点。　　

　　实际操作机床时，可通过手工对刀操作把刀具的刀位点放到对刀点上，即“刀位点”与“对刀点”的重合。所谓“刀位点”是指刀具的定位基准点，车刀的刀位点为刀尖或刀尖圆弧中心；平底立铣刀是刀具轴线与刀具底面的交点；球头铣刀是球头的球心，钻头是钻尖等。用手动对刀操作，对刀精度较低，且效率低。而有些工厂采用光学对刀镜、对刀仪、自动对刀装置等，以减少对刀时间，提高对刀精度。　　

　　加工过程中需要换刀时，应规定换刀点。所谓“换刀点”是指刀架转动换刀时的位置，换刀点应设在工件或夹具的外部，以换刀时不碰工件及其它部件为准。　　

三、切削用量的确定　　

　　数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写入程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度；并充分发挥机床的性能，{zd0}限度提高生产率，降低成本。　　

1．主轴转速的确定　　

　　主轴转速应根据允许的切削速度和工件（或刀具）直径来选择。其计算公式为： 　　

n=1000v/πD 　　

式中　　

v----切削速度，单位为m/min，由刀具的耐用度决定；　　

n-- -主轴转速，单位为 r/min；　　

D----工件直径或刀具直径，单位为mm。　　

　　计算的主轴转速n{zh1}要根据机床说明书选取机床有的或较接近的转速。　　

2．进给速度的确定　　

　　进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。{zd0}进给速度受机床刚度和进给系统的性能限制。　　

　　确定进给速度的原则：　　

1）当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在100～　200mm　/min范围内选取。　　

2）在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在20～　50mm　/min范围内选取。　　

3）当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选小些，一般在20～　50mm　/min范围内选取。　　

4）刀具空行程时，特别是远距离“回零”时，可以设定该机床数控系统设定的{zg}进给速度。　　

3．背吃刀量确定　　

　　背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般0.2～0　.5mm　。　　

　　总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成{zj0}切削用量。　　

高速切削刀具材料的类型和性能　　

要实现高速切削，刀具材料是关键。近年来世界各工业发达国家都在大力发展与高速切削条件相匹配的先进切削刀具材料，开发出了许多高性能的刀具材料。目前国内外用于高速切削的刀具材料主要有：TiC( N )基硬质合金（也称为金属陶瓷）、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）等。它们各有优点，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。　　

(1) 金刚石刀具　　

金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现最硬的材料，其显微硬度达到10000HV。金刚石刀具有两种，即：xx金刚石刀具和人造金刚石刀具。　　

xx金刚石的性质较脆，容易沿晶体的解理面破裂，导致大块崩刃，并且xx金刚石价格昂贵，xx金刚石刀具主要用于超精密镜面切削，在很多场合下已经被人造金刚石所代替，更多的金刚石刀具是人造金刚石。人造金刚石又分为3种：①聚晶金刚石(PCD)。这种金刚石刀具焊接性、机械磨削性和断裂韧性{zg}，抗磨损性和刃口质量较好，抗腐蚀性差；②化学气相沉积金刚石(CVD)。化学气相沉积金刚石厚膜抗腐蚀性好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性较好，可焊性差；③利用超高压装置，在1400～1 　600℃　高温下，人工合成的单晶金刚石，人工合成单晶金刚石刀口质量的抗磨损性和抗喷蚀性好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性差。　　

人造聚晶金刚石（Polycrystalline diamond，简称PCD)是20世纪60年代发展起来的，它是以石墨为原料，加入催化剂，经高温高压烧结而成。PCD刀片可分为整体人造聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。目前，大多数使用的PCD都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，便于焊接。　　

金刚石刀具具有如下的特点：(1)极高的硬度和耐磨性:金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10~100倍，甚至高达几百倍；(2)很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数约为硬质合金刀具的一半；(3)刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，因此，金刚石刀具能进行超薄切削和超精密加工；(4)很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低；(5)较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。　　

金刚石刀具已广泛应用于汽车、航空航天、国防工业中关键零部件的高速精密加工。多用于加工有色金属及其合金和一些非金属材料，是目前超精密切削加工中最主要刀具。金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等。由于这些部件材料含硅量较高，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而金刚石刀具的耐用度是硬质合金的10~50倍，可保证零件的尺寸稳定性，并可大大提高切削速度、加工效率和加工质量。　　

(2) 立方氮化硼刀具　　

立方氮化硼是BN(氮化硼)的同素异构体之一，其结构与金刚石相似，不仅晶格常数相近，而且晶体中的结合键也基本相同。　　

由于立方氮化硼与金刚石在晶体结构与结合上的相似和差异，便决定与金刚石相近的硬度，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族元素的高化学稳定性。立方氮化硼(CBN)是纯人工合成材料，化学稳定性优于金刚石，是高速切削黑色金属的理想刀具材料，CBN具有很高的热稳定性，可承受　1200℃　以上的切削温度，并且在高温下不与铁族金属发生化学反应。　　

聚晶立方氮化硼(PCBN)刀坯有2种：①高CBN含量的刀具(CBN含量80%～90%)，它具有高硬度、高导热性；② 低CBN含量的刀具(CBN含量50%～65%)，它具有较好的强度和韧性。PCBN(Polycrystalline cubic boron nitride，聚晶CBN)是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，由于其具有独特的结构和特性，近年广泛应用于黑色金属的切削加工。由于受CBN 制造技术的限制，目前制造直接用于切削刀具大颗粒的CBN仍很困难，为此PCBN得到了很快发展。PCBN的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响。CBN含量越高，PCBN的硬度和耐磨性就越高。　　

目前，PCBN刀具有3种结构形式，即：整体PCBN刀具、PCBN复合刀片及电镀立方氮化硼刀具。PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金基体上烧结或压制一层0.5　-1mm　 厚的PCBN而成的，它解决了PCBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题。PCBN刀具是实现以车代磨的{zj0}刀具之一。　　

(3) 陶瓷刀具　　

陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3 )和氮化硅基(Si3N4 )两大系列。　　

陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温性能，与金属的亲合力小，并且化学稳定性好。硬度可达HRA93 - 95，耐磨性能也很好，可以加工HRC65的高硬度材料，高温性能，抗粘结性能、化学稳定性都比较好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨，从而可以免除退火、简化工艺，大幅度地节省工时和电力；陶瓷刀具的{zj0}切削速度可比硬质合金刀具高3-10倍，而且寿命长，可大大提高切削效率；陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽的，对节省贵重金属也具有十分重要的意义。陶瓷刀具主要应用于难加工材料的高速加工。　　

现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷。通过添加各种氧化物、氮化物、碳化物和硼化物，构成了不同品种和不同性能的陶瓷刀具，现有40多个品种陶瓷刀具，大约200多个牌号。目前国内外广泛使用的，以及正在开发的陶瓷刀具材料基本上都是采取不同的增韧补强机理来进行显微结构设计的，其中以氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具材料应用最为广泛。近20年来，国际上陶瓷刀具的研制十分活跃，其发展趋势是50年代后期以纯Al203陶瓷为主；60-70年代以Al203/TiC 陶瓷为主；70年代后期至80年代初期发展了氮化硅基陶瓷刀具及相变增韧陶瓷刀具材料；80年代后期到90年代，晶须增韧陶瓷刀具材料成为刀具研究开发的核心。陶瓷刀具的缺点主要是强度和断裂韧性较低、脆性较大。　　

(4)Ti C( N )基硬质合金　　

Ti C( N )基硬质合金是以Ti C为主要成分的合金，其性能介于陶瓷和硬质合金之间。由于Ti C( N )基硬质合金有接近陶瓷的硬度和耐热性，加工时与钢的摩擦系数小，耐磨性好，且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高。因此，Ti C( N )基硬质合金可作为高速切削加工刀具材料，用于精车时，切削速度可比普通硬质合金提高20%-50%。　　

Ti C( N )基硬质合金按其成分和性能不同可分为：1.成分为TiC-Ni-Mo的Ti C基合金；2.添加其它碳化物(如：WC,TaC)和金属(如Co)的强韧Ti C 基合金；3.添加TiN 的Ti CN 基合金；4.以TiN为主要成分的TiN基合金等。Ti C( N )基硬质合金是以高耐磨性的TiC+Ni、高韧性的TiC + WC + TaC + Co为主体，以高强韧的TiCN十NbC等TiC(N)为基的硬质合金，与WC硬质合金相比，强度、硬度、韧性和抗崩刃性能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也显著增强。　　

TiC/Ni/Mo 是TiC(N)基硬质合金中典型成分，我国通常使用的YN05。在TiC/Ni/Mo合金中以WC和TaC 等碳化物取代部分TiC可以提高硬质合金的韧性、弹性模量和高温强度，此外还可改善硬质合金的导热性能和抗热冲击性，使刀具更适合于断续切削。　　

(5) 硬质合金涂层刀具　　

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具是高速切削应用研究中发展速度很快的刀具。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2-5倍。近10年来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。　　

在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物。涂层刀具的涂层物质不同，刀具的切削性能也有明显变化，适于高速切削的涂层物质主要有CVD法的TiCN + Al2O3 十TiN，TiCN+ Al2O3，TiCN + Al2O3+ HfN以及PVD法的TiAiN/TiN，TiA1N等。涂层刀具可分为两大类：一类是“硬”涂层刀具，如TiC、TiN、Al2O3涂层刀具等，其主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是“软”涂层刀具，如MoS2、WS2等，这种涂层刀具也称为自润滑刀具，可以减小摩擦，降低切削力和切削温度。　　

TiC是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。TiN的硬度稍低，但它与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化能力比TiC好。TiCN 具有TiC 和TiN的综合性能，其硬度高于TiC  和TiN，因此是一种较为理想的刀具涂层材料。TiAiN是含有铝的PVD涂层，在高速切削时，TiAiN涂层刀具的切削效果优于TiN和TiCN涂层刀具，这是因为TiAiN涂层刀具的硬度、抗氧化性和抗粘结能力高。　　

金刚石薄膜涂层刀具是近年研究成功的新型刀具涂层材料，它采用化学气相沉积(CVD)法在硬质合金基体沉积一层极薄(50  以下)的金刚石膜制成的。这种工艺可在形状复杂的刀具基体制作大面积高质量的金刚石薄膜。CVD金刚石薄膜涂层刀具不仅冲击无涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为聚晶金刚石刀具强有力的竞争对手。这种涂层刀具特别适合于加工有色金属及纤维材料。最近又开发了纳米涂层技术，特别适合于高速干切削。　　

4.4刀柄结构　　

刀柄是高速切削时的一个关键件，主要体现在它传递机床精度和切削力的作用。高速切削刀柄结构必须满足下列要求：①很高的几何精度和装夹重复精度。②很高的装夹刚度。③高速运转时安全可靠。传统的加工中心主轴与刀具的连接大多采用7:24锥度的单面夹紧刀系统。这种方法由于是靠长锥面结合，工具与主轴的联接刚性较低，在主轴转速超过10000 r/min时，由于离心力的作用，主轴7:24的大端会产生扩张，使工具定位精度和联接刚性下降，振动加剧，甚至发生刀柄与主轴咬合的现象。　　

HSK是德国的机床工具行业率先研制并于1991年8月提出的一种新型的机床-工具的接口。目前大多数高速切削机床采用1:10空心短锥柄(HSK)刀具，HSK以其端面及1:10锥度的空心锥套作双重定位，由于刀具锥柄为空心，故允许有微量弹性变形，使过定位不致产生干涉，影响刀具安装精度。HSK刀柄采用过定位结构保证刀具安装有高的联接刚度，同时不致因高速离心力引起孔涨大而改变接触条件，不易卸刀。HSK刀柄有较高的重复定位精度，刀柄插入后径向跳动变化较小。与以往常用的7:24锥柄相比，HSK刀柄有如下特点：①重量减少约50%；②重复使用时装夹和定位精度高。③刚度高，并可传递大的扭矩。④装夹力随转速升高而加大。HSK作为机床-工具接口或作为工具系统模块的联接方式，是机械加工向高速切削领域发展不可缺少的一种配套装置。　　

4.5高速切削刀刃形状　　

刀具切削刃形状对加工质量也有很大影响。例如，金刚石刀具切削刃具有适应结晶方位时，能极大地改善刀具寿命和加工面的粗糙度等。刀刃的形状正向着高刚性、复合化、多刃化和表面超精加工方向发展。高速切削不同材料时的几何参数对加工质量、刀具耐用度有很大的影响。一般前角平均比传统加工方法小10°，后角约大5～8°。为防止刀尖处的热磨损，主、副切削刃连接处应修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀具材料体积，以提高刀具刚性和减少刀刃磨损的概率。　　

4.6高速切削刀具系统动平衡技术　　

为了适应高速切削，刀具体要严格动平衡，联接刚度要高，刀具更换速度要快，刀具锥柄与机床主轴端部的联接要安全可靠。　　

高速切削条件下刀具与机床的联接必须可靠，刀具系统应有足够的整体刚性。　　

刀具系统 (刀刃-刀柄-刀盘-夹紧装置)不平衡会缩短刀具寿命，增加停机时间，并会增大加工表面粗糙度，降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命。高速切削刀具系统的平衡更为重要。一般来说，对于小型刀具，平衡修正量只有百分之几克;对于紧密型刀具，采用静平衡即可，而对于悬伸长度较大的刀具则必须进行动平衡。因为高速切削时，由于主轴转速很高，如果加工系统中有不平衡质量存在，会引起非常大的惯性离心力，它会使抗弯强度和断裂韧性都较低的刀片发生断裂，除造成废品外，对操作者和机床都会带来危险。因此高速切削刀具体必须满足动平衡要求，刀片应开有与刀具体定位的键槽，并辅以上压式夹紧或由螺钉紧固。一般对小直径刀具的动平衡要求不严，而对大直径或盘类刀具要求严格。应对刀具、夹头、主轴各元件单独进行动平衡，然后还要对刀具与夹头组件进行平衡，{zh1}还应对刀具连同主轴一起进行平衡。