现代切削理论（技术）授课内容第一章概论1、切削技术的发展史2、切削刀具基本知识3、现代切削应用领域第二章现代切削基础理论1、金属切削原理2、切削力—热耦合3、断屑机理与切屑形态的三维描述第三章现代刀具设计原理1、主切削刃形成原理2、三维槽型的建模3、HSK刀柄工作原理4、刀具结构有限元分析第四章现代刀具材料应用基础1、硬质合金2、超硬材料3、表面涂层（PVD/CVD）第五章高速切削技术1、高速切削概述2、高速切削基础理论3、高速切削相关技术第六章先进切削工艺技术1、最小容量润滑（MQL）2、低温切削3、干式切削第七章难加工材料的可切削性1、工件材料的可切削性2、工件材料分类及影响可切削性因素3、几种难加工材料的可切削性分析第一章概论1、切削加工是用切削工具，把坯料或工件上多余的材料层切去，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。

2、任何切削加工都必须具备三个基本条件：切削工具、工件和切削运动。

3、现代刀具3个关键技术：1、几何结构2、基体材质3、表面涂层4、现代切削刀具（数控刀具）的应用及组成：现代切削刀具主要应用于机械制造业中的数控机床（NC）、加工中心（MC）、柔性制造系统（FMS），它由硬质合金可转位刀片（carbide inserts,或其他超硬刀片）与刀盘(body)、刀柄（holder) 组成一个刀具系统单元，实现对金属的切削加工。

5、刀片槽型的作用：刀片上的断屑槽使切屑能按预先设定的方式，进行卷曲、流动和折断，实现对切屑的有效控制。

第二章现代切削基础理论1、金属切削的变形过程金属切削层的变形可用金属切削过程中的滑移线和流线示意图来表示。

流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹，可大致划分为三个变形区：（1）、第一变形区金属的剪切变形从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成（剪切滑移面）。

这个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料与离，是切的过程，使被切削工件的切削层转变成切屑。

（2）、第二变形区切屑的变形切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的切屑底层金属纤维化，基本上和前刀面相平行，这个区域的切屑与前刀面的接触状况，对摩擦力、切削力有较大的影响，同时也决定切屑卷曲，流向、折断方式，是削的过程，也是设计三维槽型的核心部分。

（3）、第三变形区刀具的磨损已加工表面受到切削刃钝化圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形回弹，造成纤维与加工硬化，决定了刀具的磨损。

2、硬质合金可转位刀片断屑槽的作用机理及发展趋势：作用机理：①控制切屑的形状，使之形成且有一定曲率半径的切屑。

切屑沿断屑槽流出，受到槽的后边缘（反屑面）或槽的弯曲部分的作用，这些反力作用的结果将引起切屑根部应力分布的变化和切屑形状的改变，有切屑根部对外力的适应情况可知，并不需要很大的外力就可以使切屑卷曲。

②引导切屑的流动，它可以把形成卷曲的切屑导向某些预定的障碍物，使切屑承受反力而折断。

发展趋势：硬质合金可转位刀片断屑槽发展趋势是由简单的二维到复杂的三维，这种结构变化能达到下面几个效果：（1）、使得刀片具有更宽的断屑范围，能适用多种金属材料的加工。

（2）、使得刀片具有更小的切削阻力，能实现大吃刀、大进给和高速切削。

（3）、在同样的切削参数下，获得更高的表面加工质量。

3、复合卷曲的切屑易于折断的理论分析：通过力学分析，得出这样的结论：由于切屑卷曲时横截面最大应力δc1、δc2和δs均大于切屑材料的屈服极限δ，而小于其破断应力，对于弹塑性线性强化材料，应力越大其应变就越大，强化程度就越高，硬化程度也就越大，碰到障碍后就越容易折断。

所以，复合卷曲的切屑比向上卷曲的切屑及侧向卷曲的切屑都容易折断。

第三章现代刀具设计原理1、主刃是参与金属切削最核心的部分，它是由前刀面与后刀面相交而成的空间曲线。

2、刀—屑分离线的概念：前刀面与切屑发生分离有两种情况。

一种情况，自然分离，由于切屑底层流动速度高于切屑顶层的流动速度，因而使切屑发生向上卷曲，切屑与前刀面发生分离；另外一种情况，在这个过程中，切屑也可以受到槽型障碍的作用，与前刀面产生分离，这样在前刀面上，存在一条刀一屑分离线该线可以用刀一屑接触长度Lf 定量描述。

3、对可转位刀片断屑槽进行有限元分析的目的：一是计算出所设计的断屑槽结构在某一切削力下的最大应力值，以便对槽型结构进行优化；二是计算出在刀片的破损应力下的最大主切削力和切削用量，用于分析和判定刀片材质质量状况。

4、HSK刀柄结构的优点有：1）采用锥面、端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度；2）因锥部长度短和采用空心结构后质量较轻，故自动换刀动作快，可以缩短移动时间，加快刀具移动速度，有利于实现ATC的高速化；3）采用1：10的锥度，与7：24锥度相比锥部较短，楔形效果较好，故有较强的抗扭能力，且能抑制因振动产生的微量位移，HSK-A在无键的情况下可传递转矩；4）有比较高的重复安装精度；5）刀柄与主轴间由扩张锁紧，转速越高，离心力（扩张力）越大，锁紧力越大，故这种刀柄具有良好的高速性能，即在高速转动产生的离心力作用下，刀柄能牢固锁紧。

5、HSK刀柄结构也有弊端1）它与现在的主轴端面结构和刀柄不兼容；2）由于过定位安装，必须严格控制锥面基准线与法兰端面的轴向位置精度，与之相应的主轴也必须控制这一轴向精度，使其制造工艺难度较大；3）柄部为空心状态，装夹刀具的结构必须设置在外部，增加了整个刀具的悬伸长度，影响刀具的刚性；4）从保养的角度来看，HSK刀柄锥度较小，锥柄近于直柄，加之锥面、法兰端面要求同时接触，使刀柄的修复重磨很困难，经济性欠佳；5）成本较高，刀柄的价格是普通标准7：24刀柄的1.5~2倍；6）锥度配合过盈量较小（是KM结构的1/5~1/2），数据分析表明，按DIN公差制造的HSK 刀柄在8000~20000r/min运转时，由于主轴锥孔的离心扩张，会出现径向间隙；7）极限转速比KM刀柄低，且由于HSK的法兰也是定位面，一旦污染，会影响定位精度，所以采用HSK刀柄必须有附加清洁措施。

第四章现代刀具材料应用基础1、现代切削刀具材料主要有三类：——各种涂层硬质合金刀具；——陶瓷刀具，包括普通陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、涂层金属陶瓷刀具、强化陶瓷刀具等；——超硬材料刀具，包括CBN刀具和金刚石刀具。

2、硬质合金是由难熔金属碳化物（硬质相）和粘结相（Fe族金属）通过粉末冶金工艺制备的金属陶瓷。

3、难熔金属碳化物，如WC、TiC、NbC、TaC、VC等，具有高硬度、高熔点的性质，以Co或Ni（主要是Co）为粘结相，用粉末冶金的方法生产的多相组合材料。

4、硬质合金特点如下：(1)极高的抗压强度，一般约为钢的2～3倍。

(2)很高的硬度，一般模具钢的淬火硬度在HRC65以下(相当于HRA<85)，而硬质合金～般硬度为HRA83～93。

（3）良好的热强性能，与模具钢相比，硬质合金有更好的高温硬度和强度，两者之间的差异，在一定范围内随温度升高而增大。

（4）极高的弹性模量．一般约为钢的2.5～3.5倍。

（5）极好的导热性能，一般约为钢的3倍。

（6）较低的热膨胀系数，一般约为钢的一半。

（7）良好的耐蚀性能，硬质合金比钢具有更好的抗氧化以及抗其它腐蚀介质的能力。

5、硬质合金的分类：普通硬质合金，细晶粒、超细晶粒合金，钢结硬质合金6、硬质合金刀具表面涂层的作用：1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与末涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。

2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力和切削刃温度有一定降低。

3)涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。

4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。

涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。

7、刀具涂层技术目前可划分为两大类，即CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）技术。

8、CVD工艺缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部处于拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成环境污染，与目前所提倡的绿色制造相抵触。

9、高性能AlTiN涂层特点：高性能的AlTiN涂层针对不锈钢、高温合金等难加工材料领域进行了优化，在保证纳米结构TiAlN涂层高韧性和光滑表面的同时，提高了涂层的Al含量，具有比TiAlN涂层更高的高温硬度、抗氧化性和热稳定性，体现了优异的抗磨粒磨损和粘着磨损性能。

10、硬质合金刀片的CVD涂层大致可分为四大系列：TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN、TiC/Al2O3、TiC/Al2O3/TiN 。

11、PVD涂层优势：1）PVD工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身的强度；一般PVD涂层的沉积温度300～500℃，CVD沉积温度800 ～1200℃。

2）PVD涂层刀片刃部可磨得十分锋利；3）PVD涂层硬度高；一般PVD涂层硬度为HV2200 ～HV3500,CVD涂层硬度为HV1800 ～HV2800。

4）PVD涂层的通用性广，可应用于硬制合金、金属陶瓷和CBN刀片,整体刀具等各种切削领域。

12、PVD涂层离子镀膜原理及特点：离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物或其反应物蒸镀在基体上。

离子镀把辉光放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在一起，不仅明显地提高了被层各种性能，而是大大地扩展了镀膜技术的应用范围。

离子镀除兼有真空溅射优点外，还具有涂层的附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。

而且沉积速度高，镀前清洗工序简单，对环境无污染，因此、近年来在国内外都得到迅速发展。

不足之处在于它无法避免液滴现象的产生，因而涂层表面光洁度相对较差。

现在发展的磁过滤离子镀技术能够有效的过滤沉积过程中形成的粗大液滴，表面质量明显改善，但这样会牺牲一定的沉积速度。

13、PVD涂层溅射镀膜原理及特点：当高能粒子(通常是由电场加速的正离了)冲击固体表面时，固体表面的原子、分子与这些高能离子交换动能，从而由固体表面飞溅出来，这种现象称为溅射。

飞溅出来的原子及其它离子在随后过程中沉积凝聚在基体表面形成薄膜，称为溅射镀膜。

溅射镀膜可根据产生溅射离子的方法分为直流溅射镀膜、射频溅射镀膜及离子束溅射镀膜等。

溅射镀膜具有许多优点：如可实现大面积沉积；几乎所有金属、化合物、介质均可作成靶，在不同材料衬底上得到相应材料薄膜；可以大规模连续生产。

不足之处是离化率低，沉积速度较慢。

现在发展的等离子辅助沉积技术能够提高离化率。