机械制造技术基础 第1章金属切削基本原理

机械制造技术基础第1章

金属切削基本原理FundamentalofMechanicalMetalCuting1.1

概述Summary12023/3/301.1.1零件表面形成方法

轨迹法成形法相切法展成法a）轨迹法b）成形法c）相切法d）展成法图1-1零件表面成形方法22023/3/30主运动

指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用v（m/s）表示。

◆主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T

表示），也可以是回转运动（用

R

表示）。正是由于上述不同运动形式和不同运动执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。进给运动

指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（f—mm/r）或进给速度（vf—mm/min）表示。定位和调整运动

使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深度，工件分度等。1.1.2切削加工的成形运动32023/3/301.1.3切削用量及典型表面加工方法切削用量

切削速度vc若主运动为往复运动时，其平均速度为：

（1-1）式中n——主运动转速（r/s）；

D——刀具或工件的最大直径（mm）。式中nr——主运动每秒钟往复次数（str/s）；

l——往复运动行程长度（mm）。

（1-2）进给量：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。背吃刀量：主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。42023/3/30

外圆磨无心磨车铣加工滚压加工铣削成形磨（横磨）主运动进给运动表1-1外圆表面加工方法

刀具T/RT主运动进给运动

工件表面成形原理图RRRRRTRRT/R车削成形车削拉削研磨1.1.3典型表面加工方法52023/3/30表1-2内圆表面加工方法表面成形原理图钻扩铰镗拉挤行星式内圆磨主运动进给运动刀具主运动进给运动工件RRTRRT/RTRTRTTRTT内圆磨无心磨1.1.3典型表面加工方法62023/3/30主运动进给运动表1-3平面加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTT刨插周铣端铣平磨端面平磨车拉T1.1.3典型表面加工方法72023/3/30车螺纹板牙主运动进给运动表1-4螺纹加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRRTTR滚压丝锥铣螺纹梳形铣刀旋风铣磨螺纹RR1.1.3典型表面加工方法82023/3/30主运动进给运动表1-5齿形加工方法刀具主运动进给运动工件表面成形原理图RTRTTR/TRRR/T铣齿指状铣刀铣齿成形磨齿滚齿剃齿插齿蜗杆砂轮磨齿碟形砂轮磨齿锥形砂轮磨齿1.1.3典型表面加工方法92023/3/301.1.4刀具结构

刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合图1-2各种刀具切削部分的形状102023/3/301.1.4刀具几何参数

车刀a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀图1-1

车刀的结构

外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。车刀的切削部分由3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀面），2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成。112023/3/301.1.4刀具几何角度

刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系）主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1）基面Pr：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr图1-3

车刀主剖面坐标系2）切削平面Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。122023/3/301）前角γo

在主剖面内测量，是前刀面与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时γo定为正值；位于刀头实体之内时γo定为负值。γo影响切削难易程度。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，刀刃和刀尖强度下降，刀具导热体积减小，影响刀具寿命。Aκr′A向f图1-4

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ01.1.4刀具几何角度

刀具标注角度

用硬质合金车刀切削钢件，γo取10～20°；切削灰铸铁，γo取5～15°；切削铝及铝台金，γo取25～35°；切削高强度钢，γo取-5～-10°。132023/3/30Aκr′A向f图1-4

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo

后角αo在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。

后角的作用是为了减小主后刀面与工件加工表面之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。α01.1.4刀具几何角度

粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为4°～6°；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为8°～12°。142023/3/30

主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°几种。3）主偏角κr

在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。κr的大小影响刀具寿命。减小主偏角，主刃参加切削的长度增加，负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，使刀具寿命提高。κr的大小还影响切削分力。减小主偏角使吃刀抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，易引起工件变形和振动。1.1.4刀具几何角度

Aκr′A向f图1-4

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr152023/3/30κr′AA向f图1-4

车刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs4）副偏角κr′

κr′在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。

副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生振动。副偏角的大小影响刀尖强度和表面粗糙度。1.1.4刀具几何角度

κr′

在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。162023/3/30a）b）c）图1-5

刃倾角对排屑方向的影响1.1.4刀具几何角度

5）刃倾角λs——切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,λs定为正值；反之位负。

λs影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，λs常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，λs常取正值或零。172023/3/30刀具工作角度◆刀具安装对工作角度的影响图1-6

车刀安装高度对工作角度的影响γre=γrα0e=α0a）α

0e＜α0b）α

0e＞α0c）γre＜γrγre＞γr

1.1.4刀具几何角度

182023/3/30刀具工作角度

式中μ角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。◆进给运动对工作角度的影响横切（图1-13）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPse图1-13

切断刀的工作角度fxα0（1-4）1.1.4刀具几何角度

（1-4a）192023/3/30

纵切（图1-14）

在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：（1-5）O—O图1-14

外圆车刀工作角度μffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe1.1.4刀具几何角度

202023/3/301.1.5切削层截面参数切削层截面参数

切削厚度

（1-3）切削宽度

（1-4）图1-17切削层截面bDhD=ffdwDmapa）ΚrhDbD

=apb）c）acaw212023/3/30对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的耐热性4）良好的工艺性5）经济性1.1.6刀具材料

刀具材料的发展222023/3/301.1.5刀具材料

图1-18

刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）232023/3/301.1.5刀具材料

天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性图1-19

刀具材料的耐磨性与断裂韧性242023/3/30刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。◆高速钢

高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRC63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。1.1.5刀具材料

常用刀具材料252023/3/30表1-6

常用高速钢牌号及其应用范围类别牌号主要用途普通高速钢W18Cr4V广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VMnRe用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18Cr4V用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵

1.1.5刀具材料

262023/3/30◆硬质合金

超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。

硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。

硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。1.1.5刀具材料

272023/3/30

超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。表1-7

各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量硬度、耐磨性、切削速度1.1.5刀具材料

282023/3/30

超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。◆

陶瓷刀具材料

陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。1.1.5刀具材料

主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。292023/3/30◆超硬刀具材料

天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。

聚晶金刚石PCD由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK6500～8000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。

金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。

聚晶立方氮化硼（PCBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV3000～4500，耐热性达1200℃，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。1.1.5刀具材料

302023/3/301.1.5刀具材料

刀具材料种类

合金高速钢硬质合金陶瓷天然

聚晶金刚石聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa导热系数40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低较高高最高最高很高一般精度Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表1-8

普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比312023/3/30第1章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

1.2

切屑的形成过程ProcessofChipForming322023/3/301.2.1金属切削过程的变形

直角切削没有副刃参加切削，且λs

=0°。图1-15

直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削332023/3/30

切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削

正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°

偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移

切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。图1-16

金属挤压与切削比较1.2.1金属切削过程的变形

挤压与切削342023/3/30图1-17

切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角1.2.1金属切削过程的变形

金属切削变形过程352023/3/301.2.1金属切削过程的变形

金属切削变形过程图1-18

切削变形实验设备与录像装置362023/3/30

第Ⅰ变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图1-19

切削部位三个变形区ⅠⅢⅡ

第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。1.2.1金属切削过程的变形

三个变形区分析

第Ⅱ变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。372023/3/301.2.2切屑类型与变形系数

形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表1-9

切屑类型及形成条件382023/3/301.2.2切屑类型与变形系数

切屑类型带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑图1-20

切屑形态照片392023/3/301.2.2切屑类型与变形系数

切屑控制

为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图1-21）图1-21

切屑的卷曲图1-22

断屑的产生断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图1-22）

402023/3/30切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层的变形程度。LchhDhch1.2.2切屑类型与变形系数

LD图1-23

切屑与切削层尺寸◆厚度变形系数

（1-11）◆长度变形系数

（1-12）变形系数412023/3/301.2.2切屑类型与变形系数

当γ0=0～30°，Λh

≥1.5时，Λh与ε相近

ε主要反映第Ⅰ变形区的变形，Λh还包含了第Ⅱ变形区的影响。ΔyΔsOMφγ0图1-24

相对滑移系数

（1-13）相对滑移系数422023/3/30

粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。1.2.3切屑与前刀面的摩擦变形

图1-25

切屑与前刀面的摩擦

在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。

滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi特点两个摩擦区432023/3/30积屑瘤成因◆

一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接◆粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化◆

增大前角，保护刀刃◆

影响加工精度和表面粗糙度滞留—粘接—长大积屑瘤形成过程积屑瘤影响切屑刀具图1-26积屑瘤积屑瘤1.2.3切屑与前刀面的摩擦变形

442023/3/301.2.4已加工表面的变形

σn切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第Ⅲ变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDΔhDΔhACFE图1-27

已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形情况应力分布ττ452023/3/30

1.2.5硬脆非金属材料切屑形成机理G＞GC

（1-17）式中G——裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能释放率）；

GC

——裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩展阻力）。K1＞K1C

（1-18）式中K1——应力强度因子；

K1C

——K1临界值。脆性断裂条件对于Ⅰ型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：462023/3/30

1.2.5硬脆非金属材料切屑形成机理脆性材料切削过程◆大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图1-28）a）b）c）d）e）图1-28硬脆材料切削过程a）大规模挤裂（大块破碎切除）b）空切c）小规模挤裂（小块破碎切除）d）小规模挤裂（次小块破碎切除）e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）472023/3/30第1章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

1.3

切削力CuttingForce482023/3/30κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图1-30

切削力的分解1.3.1切削力的来源与分解

切削力来源★3个变形区产生的弹、塑性变形抗力★

切屑、工件与刀具间摩擦力F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力切削力分解492023/3/301.3.2切削力经验公式

切削力经验公式（1-26）式中CFc,CFp,CFf

——与工件、刀具材料有关系数；

xFc,xFp,xFf

——切削深度ap对切削力影响指数；

yFc,yFp,yFf

——进给量f

对切削力影响指数；

zFc,zFf,zFp——切削速度对切削力影响指数；

KFc,KFp,KFf

——考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。502023/3/301.3.2切削力经验公式

（1-27）单位切削力

切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc

=1）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主运动速度（m/s）。（1-28）切削功率512023/3/301.3.2切削力经验公式

机床电机功率单位切削功率式中η

——机床传动效率，通常η=0.75～0.85（1-30）（1-29）指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率522023/3/301.3.3影响切削力因素

工件材料◆背吃刀量与切削力近似成正比；◆进给量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度对切削力影响复杂（图3-16）

强度高加工硬化倾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）图1-31

切削速度对切削力的影响切削用量532023/3/301.3.3影响切削力因素

◆

前角γ0

增大，切削力减小（图1-32）◆

主偏角κr

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（κr

↑——Fp↓，Ff↑，图1-33）图1-32前角对γ0切削力的影响前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff图1-33主偏角κr对切削力的影响主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具几何角度影响542023/3/301.3.3影响切削力因素

刀具几何角度影响◆

与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（λs

↑——Fp↓，Ff↑）◆

刀尖圆弧半径rε

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rε

↑——Fp↑，Ff↓）；其他因素影响◆

刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；◆

切削液：有润滑作用，使切削力降低；◆

后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著；552023/3/30第1章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

1.4

切削热与切削温度CuttingHeatandCuttingTemperature562023/3/301.4.1切削热的来源与传出

切削热来源★

切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图1-34切削热的来源与传出切削热传出★

主要来源

QA=QD+QFF+QFR（1-22）（1-21）式中，QD

,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量572023/3/301.4.2切削温度及分布

切削温度分布★

切削塑性材料——前刀面靠近刀尖处温度最高。★

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖处温度最高。750℃刀具图1-35二维切削中的温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C582023/3/301.4.3影响切削温度的因素

切削用量的影响式中θ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；

Cθ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指数。

经验公式

（1-25）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表1-10切削温度的系数及指数592023/3/301.4.3影响切削温度的因素

刀具几何参数的影响前角o↑→切削温度↓主偏角r↓→切削温度↓负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小

工件材料的影响工件材料机械性能↑→切削温度↑工件材料导热性↑→切削温度↓vc（m/min）图1-36切削速度、工件材料对切削温度的影响1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45钢(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=6~8，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050