第三章金属切削过程的基本理论

第三章金属切削过程的基本理论第1页，共174页，2023年，2月20日，星期一

切削过程：是指刀具前刀面挤压切削层，使之被切材料表面产生弹性变形和塑性变形，然后被切割层金属被前刀面推离形成切屑的过程。

而在整个过程中，所产生的切削变形、切削力、切削热与切削温度及刀具磨损等现象，对加工表面质量、生产效率、生产成本都会产生重要的影响。第2页，共174页，2023年，2月20日，星期一本章重点学习掌握的知识内容4、掌握刀具的磨损过程和原因，怎样提高切削刀具的使用寿命等。1、了解金属切削变形的三个区域及变形的四个要素、切屑的四种基本形式。2、切削力与切削用量三要素对切削过程的影响。3、了解切削热与切削温度及其掌握改善切削区域的散热条件。第3页，共174页，2023年，2月20日，星期一第一节金属切削层的变形实践证明；金属切削过程是工件被切削层在受到刀具前刀面的挤压后而产生的以滑移为主的变形过程。

在整个过程中，会产生许多的物理现象。如切削力、切削热、切屑及工件的变形、刀具的磨损等。刀具工件切屑第4页，共174页，2023年，2月20日，星期一

产生以上各种现象均是以切屑的形成为基础，因此；了解掌握切屑的形成过程，对理解切削规律有关密切的重要关系。第5页，共174页，2023年，2月20日，星期一一、金属切削层的变形和切屑1、切屑的形成

金属切削过程，其目的是需将切削层与工件母体分离，而过程则是通过刀刃及前刀面对工件的推挤、挤压、摩擦、使得切削层发生剪切滑移变形和摩擦塑性变形而形成切切屑。OAEψφ第6页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、切削时的三个变形区

当切削刃接触切削层时，因刀具对切削层所产生的推、挤、压运动，切削运动由此而生，工件被切削表面开始产生变形。OAEⅠ

在切削层中OA与OE面之间的区域为第一变形区域，该区域是产生塑性变形和剪切滑移的区域。第7页，共174页，2023年，2月20日，星期一

而第二变形区则是切屑流出时切屑与刀具前面所产生的摩擦、推挤变形的区域。Ⅱ

该区域主要是以进给运动对切屑的推动及切屑不断沿前刀面摩擦压力流过，使之被切削层与实体分割开来，形成新的加工表面。第8页，共174页，2023年，2月20日，星期一第三变形区则为；接近主切削刃边缘处已加工表面层内产生变形的区域。Ⅲ

该区域主要是因切削刃对已加工表面产生在切削压力及后刀面与已加工表面产生摩擦而引起已加工表面产生弹性变形。第9页，共174页，2023年，2月20日，星期一

三个变形区均汇集在刀刃的附近，其切削层与母体分离，一部分为切屑、而另一部分则残留在已加工表面上。

当刀刃接触工件切削层后，在第一变形区开始产生剪切变形，在剪切区域内所形成的剪切交角为45°。而这一变形区的宽度仅为0.02～0.2mm，而且是随切削速度的增高而减小。第10页，共174页，2023年，2月20日，星期一υ第一变形区金属剪切滑移过程示意图从P点向切削刃点1移动。称为剪切滑移开始（弹性变形）1234

从1点向切削刃点2移动。产生剪切滑移（塑性变形）

从2点向3～4点移动。产生切屑与母体分离，称为剪切变形区第11页，共174页，2023年，2月20日，星期一

影响切屑变形的因素有很多，其中被切削对象材质及刀具刃口锋利程度及刀尖圆弧半径影响最大。刀刃与已加工表面的形成示意

前刀面呈现与切屑的摩擦及切屑的反作用力挤压。而后刀面则形成与已加工表面的摩擦和挤压，同时工件对刀具的反作用力。第12页，共174页，2023年，2月20日，星期一二、变形程度的表示方法衡量切削变形程度的大小方法

绝对滑移只能表达金属经剪切的过程，而不能表示剪切过程的真实大小。刀具工件第13页，共174页，2023年，2月20日，星期一

切屑变形过程显微照片刀具工件切屑相对滑移示意图第14页，共174页，2023年，2月20日，星期一工件切屑

是指经切削后，切屑与实际切削层之间的变化过程。其中包括切削层长度、切削层厚度及切削层宽度之间的变化。

切屑长度与切削层长度之比缩。

切屑厚度与切削层厚度之比增。

切屑宽度与切削层厚度基本不变。第15页，共174页，2023年，2月20日，星期一

经切削后的金属材料其形态和面积均会产生一些变化，但其材料的体积不会产生变化。

由此其变形系数的关系式为：

第16页，共174页，2023年，2月20日，星期一

当在相同的剪切条件下，其变形系数值越大，则材料的塑性越大。

而在当工件材料相同时，其变形系数越大，证明材料的塑性变形量也越大。这也是说明我们常见到的切屑大多数呈一种卷曲弹簧状。塑性材料切屑状态第17页，共174页，2023年，2月20日，星期一

剪切角是反映切屑变形量的一项重要参量，其数值可由切屑根部的金相磨片测得。

φM由此得出：

剪切角越大，其hch/hD越小，相应的切屑变形系数及切削力减小。

第18页，共174页，2023年，2月20日，星期一

第19页，共174页，2023年，2月20日，星期一三、影响前刀面摩擦因素的主要因素

影响前前刀面摩擦因素的主要原因则重点来源于：切削速度（摩擦热及摩擦面积）工件材料性质（材料强度及硬度）切削层厚度（吃刀深度及进给量）刀具前角大小（切屑变形因素）第20页，共174页，2023年，2月20日，星期一1、切削厚度对刀面摩擦因素的影响切削厚度对刀面摩擦因素的影响

切削厚度的增加，其摩擦因素约为下降。（正应力增大）而增大刀具前角，则摩擦因素也随之增大。（正应力减小）第21页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、切削速度对刀面摩擦因素的影响

当切削速度小于30m/min时，其切屑与刀面的摩擦因素是随切削速度的提高而增大。

当切削速度高于30m/min时，则反映为切削速度的提高，则摩擦因素下降。摩擦因素值切削速度值（m/min）30Cr材料，刀具材料为W18Cr4V第22页，共174页，2023年，2月20日，星期一

切屑与刀面的摩擦因素变化也伴随着对切屑的变形系数。从线性测试结果中得知：切削速度（m/min）变形系数ξ

第23页，共174页，2023年，2月20日，星期一进给量（mm/r）变形系数ξ3、进给量对刀面摩擦因素的影响

进给量的大小对切削变形系数的大小影响不是特别的明显。只是当进给量小于1mm时，随进给量的减少而切削变形系数增大，当进给量在1.5mm以上时，其切削变形系数无明显的变化。第24页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、刀具前角对刀面摩擦因素的影响

增大刀具前角，切削变形系数减小。而摩擦因素则随前角的增大而增大。（刀具切削刃的强度下降）切削速度（m/s）变形系数（ξ）

摩擦因素（μ）第25页，共174页，2023年，2月20日，星期一5、工件材料对刀面摩擦因素的影响

工件材料对切削变形及刀面与切屑间摩擦因素有关紧密的联系。两者不能分开，应综合应对工件质量技术要求及生产条件后，作出相对合理的选择。从金属材料性能上分析：

当工件材料的强度增大，则切削变形系数增大。而工件材料的硬度增高，则切削变形系数因此而下降。第26页，共174页，2023年，2月20日，星期一第二节切屑的种类和积屑瘤的形成一、切屑的种类

切屑是指被刀具从金属母体切割分离后的金属余量，其切屑材质应与母体相。但因受切削力、金属变形上的差异，致此所产生的形变状态也因被切削对象的性质而改变。第27页，共174页，2023年，2月20日，星期一切屑的基本类型带状形切屑——主要产生于对塑性金属

材料的切削加工过程。特征为；

外表面平整光滑，而卷曲内表面则呈毛茸状并带有细小的锯齿。

切屑变形不大，切削过程相对较平稳，切削力波动较小。第28页，共174页，2023年，2月20日，星期一节状形切屑——同样出现于对塑性金属

材料的切削加工中，但其

表面所呈现的锯齿裂纹状

较为明显，同时切屑产生

螺旋状卷曲。特征；

切屑厚度、变形均较大，两侧面均有明显的锯齿状，内、外表面有裂纹，因此又称为挤裂形切屑。第29页，共174页，2023年，2月20日，星期一粒状形切屑——因切削时金属材料的

剪切应力超过了切屑的

破裂强度，（屈服强度）切屑完全断裂成阶梯状，故又称为单元切屑。特征；

切屑因挤压而影响切屑厚度增大，致使达到材料的剪切应力超过破裂强度，形成单元形切屑。第30页，共174页，2023年，2月20日，星期一崩碎形切屑——因被切金属属脆性材

料，塑性小、抗拉强度

低，未经塑性变形过程

就自然断裂，形成一些

不规则的细小碎块状。特征；

切屑经刀刃切割分离后，还未进入金属塑性变形过程便脆裂呈不规则的细小金属块状。第31页，共174页，2023年，2月20日，星期一构成切屑形状的主要因素；被切削工件材料塑性材料脆性金属选择的切削用量切削速度吃刀深度进给速度刀具的几何角度

第32页，共174页，2023年，2月20日，星期一二、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响1、什么是积屑瘤

在切削塑性金属材料时，因切屑与前刀面间的摩擦压力情况下，因压力和温度影响，刀尖上会滞流着一小块呈三角或鼻状金属块，形成积屑瘤。第33页，共174页，2023年，2月20日，星期一

形成积屑瘤的主要原因来源于被切削零件材料、切削速度、切削温度及切屑与刀面的摩擦变形有关。被切削对象材料——塑性金属材料

切削温度——200～4000C摩擦变形系数——切屑变形大则易产

生积屑瘤第34页，共174页，2023年，2月20日，星期一

切削过程中，当切屑层所产生的压力和切削热达到一定条件，滞流层流速较低的金属切屑末将被剪切断裂并粘附在刀刃上，形成积屑瘤。刀具切屑650°500°400°200F250F350F

随着切屑与刀面不断的挤压、摩擦、切削温度的增高，使已粘结刀刃的积屑瘤硬度得到逐渐增高、增大，最终替代刀刃参加切削。第35页，共174页，2023年，2月20日，星期一生存积屑瘤积屑瘤被切屑带走

但随积屑瘤的不断增高、增大，在切削过程中切屑又不断流出，在此过程中，所产生的振动、摩擦等外力作用下又将积屑瘤随切屑带走。时而又伴随切削进程又生存……，周而复始于切削过程中。第36页，共174页，2023年，2月20日，星期一

由此：积屑瘤的产生会起到保护刀尖，减少刀尖与工件、切屑间的直接摩擦，同时又改变了刀具的工作前角，使切削力下降，切屑变形减小。

积屑瘤是切削过程中经高温、高压后的切屑粉末粘附于刀尖上的金属物，（冷焊现象）因此；具有一定的硬度和耐磨性，（通常是工件材料的2～4倍）可替代刀刃进行切割。第37页，共174页，2023年，2月20日，星期一

但也因积屑瘤的无稳定性因素，会直接、间接地影响到加工尺寸的变化和已加工表面粗糙度，而导致产品质量下降。

因此；只要应用得当，合理选用切削用量和充分掌握被切削材料的性能，积屑瘤的利与弊也会因我所用。

要防止和利用积屑瘤，必须充分认识和掌握积屑瘤，做到心中有数。第38页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、积屑瘤对切削过程的影响（1）保护刀尖，替代刀刃进行切削（2）增大刀具的实际前角，减小切

屑变形，使切削力降低。（3）切削厚度增大，因积屑瘤替代

切削刃的作用。（4）影响已加工表面粗糙度值增高。（5）刀具的耐用度因积屑瘤而下降，

因积屑瘤的脱落而损伤刀具。第39页，共174页，2023年，2月20日，星期一3、积屑瘤形成

刀具与切屑间的摩擦而导致的冷焊是积屑瘤形成的主要原因。

因前刀面与切屑间所产生的摩擦、压力、切削热的影响，加速了刀具与切屑之间相互元素扩散，使之形成新金属层（冷焊层）。冷焊层第40页，共174页，2023年，2月20日，星期一

冷焊层不同于刀具材料，也不是被切金属材料，而是界于两者之间所构成的新型合金材。是由刀具材料中的扩散元素和被切金属材料中的扩散元素所组成的，是由切屑底层、冷焊层、前刀面三者共同形成的共晶。2000C～2500C形成积屑瘤3000C～4000C积屑瘤顶峰5000C～5500C积屑瘤消失影响积屑的最大因素是切削热第41页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、各种因素对积屑瘤的影响加工对象材料性质：

被切材料的塑性越大，则形成积屑瘤的因素最强。脆性材料因在前刀面流动摩擦时间短就产生断裂，因此基本上无冷焊层。脆性材料塑性材料第42页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削速度对产生积屑瘤的影响：

切削过程中产生切削热的主要来原是受切削速度所产生的摩擦系数影响。而积屑瘤又受切削热的影响。因此控制好切削速度也是防止积屑瘤的重要途径。＜10m/min＞60m/min均不易产生积屑瘤

第43页，共174页，2023年，2月20日，星期一刀具前角对积屑瘤的影响：

刀具前角将直接影响到切屑的变形系数。

前角增大，切屑变形减小，与前刀面的摩擦系数因此而减小，所产生的摩擦热降低，影响积屑瘤的产生也减小。反之，切削变形增大，切屑与前刀面摩擦系数同时增大，切削热增高，积屑瘤也因此而开始形成。第44页，共174页，2023年，2月20日，星期一刀面粗糙度对积屑瘤的影响：（前刀面与主后刀面）

刀具表面粗糙度的高低也是对切屑与刀面间的摩擦系数值有关。同时因表面粗糙度过大，也是囤积冷焊层金属粉末的积聚地。产生积屑瘤的因素就愈大表面粗糙度值愈高降低表面粗糙度值可降低积屑的产生第45页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削液对积屑瘤的影响：

切削液对切削过程主要有两大用途；一是可降低切削区域的温度，二是对切削区域刀面与切屑之间形成表面润滑层，以致减小摩擦。

因此；不管是选用以冷却为主或是润滑为主的切削液，均会对防止积屑瘤的产生起到积极的作用。第46页，共174页，2023年，2月20日，星期一5、控制积屑瘤的措施合理选用切削速度选择润滑性能较好的切削液加大刀具前角和提高刀面表面质量通过热处理方式提高工件材料的硬度第47页，共174页，2023年，2月20日，星期一6、工件表面鳞剌

鳞剌是在工件的已加工表面上出现的一种类似于鱼鳞的细小毛剌。车削表面鱼鳞状铣削表面鱼鳞状

产生表面鱼鳞状则主要是因刀刃变化及金属剪切应力间的变化，导致切割时的撕裂痕迹所致。第48页，共174页，2023年，2月20日，星期一防止鳞剌的有效措施；增强刀刃的切割能力提高刀具修光刃的质量提高切削速度适当调整进给量增大切削液的润滑作用工件材料进行调质、正火处理第49页，共174页，2023年，2月20日，星期一第三节切削力

切削时，当刀具切入工件、使被切材料发生变形成为切屑时所需要的外力，称为切削力。

了解、掌握、分析切削力，是对研究切削机理、功率计算、刀具、机床、夹具、合理选用切削用量、优化刀具几何参数等，有着极其重要的意义。第50页，共174页，2023年，2月20日，星期一一、切削力的来源

切削合力及分力

切削功率1、切削力的来源

切削时，因切屑与工件（工件材料）内部产生弹性、塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生的摩擦力，综合作用于刀具上所形成切削力。第51页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削力的来源切削力主要来至于三个方面；即：①被切削材料与刀具间的弹性抗力②被切削材料与刀具产生的塑性变形抗力③切屑与工件对刀具所产生的摩擦力弹性压力

弹性压力

第52页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、切削合力及分力

为便于分析、测量和应用，又将切削合力分解为三个相互垂直分力；

第53页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削合力与分力的分布示意图zyx

第54页，共174页，2023年，2月20日，星期一

指垂直于基面，切于切削表面并与切削速度方向一致。

主切削力在切削分力中所消耗的功最大，是计算切削功率、机床、夹具、刀具强度等参数的主要依据。

第55页，共174页，2023年，2月20日，星期一

指在基面内并与进给运动方向垂直，形成与工件相互顶持的作用力。

在切削运动中，影响工件弯曲变形及工件产生振动，对加工精度及表面粗糙度易造成影响。

（约占主切削力的15%～70%）第56页，共174页，2023年，2月20日，星期一

指在基面内、并与进给运动方向相平行的力。

该切削分力主要作用于机床进给机构传动功率、夹具的夹紧力及工件轴向定位方式。（约占主切削力的10%～50%）第57页，共174页，2023年，2月20日，星期一三个切削分力之间的关系式：

而三个分力量随着刀具材料、刀具几何角度、切削用量、工件材料、刀具磨损等情况的变化，三者相互之间的比例也随之变化。

三个分力的近似关系式、按450外圆车刀为例：

第58页，共174页，2023年，2月20日，星期一3、切削功率切削过程中所消耗的全部功率称为切削功率。

其关系式为：

第59页，共174页，2023年，2月20日，星期一

由于进给力相对小于主切削力，可省略不计，因此在求证切削功率时可近近似方法求得。

第60页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、单位切削力

第61页，共174页，2023年，2月20日，星期一5、切削力计算的经验公式①常用切削力的指数公式

主切削力：

切深抗力：

进给抗力：

——决定于被加工材料和切削条件的系数。第62页，共174页，2023年，2月20日，星期一

分别为三个公式中，当实际加工条件与所得经验公式的条件不相符时，各种因素对切削力的修正系数的积（可直接查阅金属切削手册）第63页，共174页，2023年，2月20日，星期一

第64页，共174页，2023年，2月20日，星期一二、影响切削力的因素1、工件材料的影响

被加工材料的强度、硬度、塑性增大，其切削力也随之增大。

通常加工脆性金属材料时其切削力要小于加工塑性金属材料。

切削有色金属材料其切削力要低于切削黑色金属材料。第65页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、切削用量的影响吃刀深度：

增大吃刀深度，其切削力同时增大。但切屑的变形系数不会因此而变化，所以，切削力是随吃刀深度成正比的增长。

第66页，共174页，2023年，2月20日，星期一进给速度：

当进给速度增大时，其切削力也会增大，但增长的比例要小于增大吃刀深度。

由此；当增大一倍的吃刀深度时，其切削力也同时增大一倍。而当选择增大进给量一倍时，其切削力只允增加70%～80%。第67页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削速度：

通常情况下，切削过程中，切削力是随切削速度的提高而下降。

主要原因是；当提高切削速度时，切削温度增高，切屑与刀面的摩擦系数下降，同时变形系数减小。

切削塑性材料时，因切削速度会影响积屑瘤的产生和消失。而积屑瘤又会影响到刀具的实际工作角度的变化。第68页，共174页，2023年，2月20日，星期一

随积屑瘤的产生，刀具工作前角增大，使切屑变形及摩擦系数同时减小，同此；切削力也随之下降。

主切削力Fz切削速度对切削力的影响分析线框图第69页，共174页，2023年，2月20日，星期一3、刀具几何参数的影响

刀具前角的大小影响到刀具刃口的锋利和强度，同时对切削力的影响也较为突出。主要原因是；

增大前角，金属变形及变形系数减小，刀面与切屑间的摩擦力和正应力下降。因此；切削力随着刀具前角的增大而减小。第70页，共174页，2023年，2月20日，星期一针对脆性金属材料切削时，则因被切对象及切屑层基本无塑性变形过程（变形区域狭窄），因此刀具前角的大小对切削力的影响关系不大。塑性切削刀具前角脆性切削刀具前角第71页，共174页，2023年，2月20日，星期一主切刃倒棱角度对切削力的影响

刀刃倒棱是指为增强主切削刃强度对其刀刃实现倒纯。（用于硬质合金刀具材料）主切削刃倒棱可分为三种形式即：正、负、零正值倒棱负值倒棱零值倒棱第72页，共174页，2023年，2月20日，星期一主切削刃倒棱：

刀刃倒棱可提高主切削刃的强度（抗冲击强度），但同时也会使切削力增大（增大金属变形）

影响切削力的切削刃倒棱是随着倒棱角度决定。零值倒棱角度——影响力较强正值倒棱角度——影响力最小负值倒棱角度——影响力最大第73页，共174页，2023年，2月20日，星期一

除倒棱角度外，倒棱的宽度也对切削力有影响。

通常主切削刃上的倒棱宽度是根据进给量的大小来决定。

而当被吃刀深度小于倒棱宽度时，则切削力相对稳定，但切削前角则变为倒棱角度。第74页，共174页，2023年，2月20日，星期一吃刀深度大于倒棱宽度吃刀深度小于倒棱宽度第75页，共174页，2023年，2月20日，星期一

主偏角对主切削力的分解示意图第76页，共174页，2023年，2月20日，星期一

刃倾角在切削时，对主切削刃在受力方向上，以改变主切削力的受力点，改善主切削刃的强度。刃倾角对主切削刃受力方向的影响正值刃倾角零值刃倾角负值刃倾角第77页，共174页，2023年，2月20日，星期一刃倾角对切削力的影响分析图

切削力/（NX9.8)FcFpFf第78页，共174页，2023年，2月20日，星期一后刀面磨损对切削力的影响

后刀面（主、付后刀面）因与加工表面和已加工表面间的摩擦而产生磨损。对切削力的影响是随磨损面积的增大而增加。影响最大的是副后刀面磨损。后刀面磨损量VB/mm切削力/kgfFzFyFx第79页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、刀具材料的影响

“YT”（钨钴钛类）与普通高速钢材料相比较，其硬质合金刀具材料所产生的切削力要低于高速钢刀具材料5%～10%。（加工塑性工件材料）

“YG”（钨钴类）与普通高速钢刀具材料相比较，其切削力基本相同。（加工脆性工件材料）第80页，共174页，2023年，2月20日，星期一

在基本切削条件相同的情况下，刀具材料对其切削力的影响按常规性能顺序排列依次增大；即：

立方碳化硼刀具＜陶瓷刀具＜涂层刀具＜硬质合金刀具＜高速钢刀具

因此；在选用刀具材料时，应参照刀具的性能上应考虑切削时所产生的切削力大小，合理选择切削用量。第81页，共174页，2023年，2月20日，星期一5、切削液及其他对切削力的影响1、以润滑为主的切削液可降低切削力。2、减小切削刃倒棱宽度可降低切削力。3、减小刀尖圆弧半径可降低切削力。4、提高刃口锋利程度可降低切削力。第82页，共174页，2023年，2月20日，星期一第四节切削热与切削温度

切削热是因刀具与工件之间所产生的相对摩擦运动及金属材料内部各金属元素间的相互挤压变形所产生。

而切削温度则是测量切削热能量大小的一项指标。第83页，共174页，2023年，2月20日，星期一一、切削热的产生和传散1、切削的产生与传散

切削热的产生主要来源于金属层发生的弹性及塑性变形、刀面与工件之间的摩擦。

切削热的来源：（注：式中指数为变形及摩擦所产生的热量）第84页，共174页，2023年，2月20日，星期一

散热的比例关系为：切屑——50%～80%工件——10%～40%刀具——3%～10%介质——1%～3%刀具切屑第85页，共174页，2023年，2月20日，星期一Q刀——52.5%～60%Q屑——28%～35%Q工——14.5%～17%Q介——2%～5%

由于钻削时，刀具处于一种相对封闭的工作环境状态，因此对于切削热的传散比其他切削加工条件要差一些。钻削时散热比例关系：工件刀具切屑第86页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、切削温度的计算

在整个切削过程中，所消耗的能量约98%～99%均转换成热能。故顷切削热量的计算方式为：

在实际工作中，虽然整个切削热基本上按上述比例进行各自的传散。但因切削条件上的差异也存在着一些不同。其中影响最大的是工件、刀具材料的导热率是主要的因素。第87页，共174页，2023年，2月20日，星期一如：工件材料的导热率高，则由于切屑和工件传导的热量增大，切削区域的温度下降，但整个工件的温度升高速度增快。

当条件相反时，则所出现的切削温度变化则也相反。

而切削速度对切削热的影响则为；随切削速度的提高，其工件和刀具上切削热趋于下降。第88页，共174页，2023年，2月20日，星期一

切削温度是由切削时所消耗的总功所形成的热量引起，其单位时间内产生的热量q等于消耗的切削功率Pm

Fz—主切削力（N）υ—切削速度m/min第89页，共174页，2023年，2月20日，星期一

其关系式为：

第90页，共174页，2023年，2月20日，星期一3、切削热的分布情况

切削热分布示意图第91页，共174页，2023年，2月20日，星期一二、影响切削热传导的主要因素1、工件材料的导热性能

当工件材料的导热率高，则由切屑带走的热量较大。但工件升温较快，易引起工件加工变形。

而当工件材料导热率较低时，切削热传散较慢，切削区域的温度较高，加剧刀具磨损。第92页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、刀具材料的导热性能

与被切削工件材料类似，当选用的刀具材料导热率较高时，则对整个切削区域的散热条件可得以帮助，降低切削区域内的热量。3、周围介质

采用以冷却为主的切削液及冷却效果较好的方式，对降低切削区域内的切削热有帮助。第93页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、切削方式与切削时间

根据加工机床的运动方式及加工轮廓的位置所需，切削外表面比切削内部表面的散热情况要好。

车削比钻削、铣削、磨削等加工方式的散热效果要好些。

刨削、插削、拉削比车削时的散热情况要好些。第94页，共174页，2023年，2月20日，星期一三、影响切削温度的主要因素1、切削用量对切削温度的影响切削速度“υ”

影响切削速度对切削温度的变化影响最大。

随着切削速度的提高，切屑底层与前间的摩擦产生大量的热能，而这些热量还未传散给刀具、工件及介质时，因此其切屑底层集结了大量的热能源，致使切削温度呈上升趋势。第95页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削温度与切削速度的经验关系式为：

（当切削速度增大一倍时，则切削温度约增加约32%。）第96页，共174页，2023年，2月20日，星期一

进给量对切削温度的影响要小于切削速度对切削温度的影响。

这主要的原因是；单位切削力和单位切削功率是随进给量的增大而减小。切屑的体积增加，所带走的切削热量也相应增多。进给量与切削温度的关系式为：

第97页，共174页，2023年，2月20日，星期一

因此：当进给量增加一倍时，则切削温度约增高18%。

由此；在合理选用切削速度与进给量的关系上应注重考虑切削温度对切削过程的影响。（重点是放在粗加工和半精加工时的合理选择上）第98页，共174页，2023年，2月20日，星期一

在切削用量对切削热影响最小的就是吃刀深度。

这是因切削刃参加工作的长度增长，刀头的散热面积扩大，改善了散热条件。因此当增大吃刀深度，对切削热影响不明显。吃刀深度与切削温度的关系式为：

第99页，共174页，2023年，2月20日，星期一

当吃刀深度增加一倍时，则切削温度约增加5%～7%。

第100页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削用量对切削温度的关系式为：

第101页，共174页，2023年，2月20日，星期一前角对切削温度的影响前角

2、刀具几何参数对切削温度的影响

增大刀具的前角可降低切削温度，反之则会提高切削温度。但当前角增大至18°～20°后，则因刀具的散热面积减小，而积聚刀尖温度增高。第102页，共174页，2023年，2月20日，星期一

若增大主偏角，则减小刀尖角使刀尖的散热面积减小，会使温度增高。如主偏角减小，刀尖角增大，改善了散热条件，则切削温度下降。主偏角切削力/N主偏角对切削力的影响

第103页，共174页，2023年，2月20日，星期一

刀尖圆弧半径对切削温度变化影响不大。

虽然增加刀尖圆弧半径值，会使切削面积和切屑变形系数增大，切削力增加。但又因刀尖的强度和散热的面积增加，相应对刀具刀尖的散热条件得以改善。因此；呈增降相抵现象。第104页，共174页，2023年，2月20日，星期一3、刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损对切削温度的影响较大。

当切削刃出现磨损后，则会造成金属层变形增大，刀面与工件、切屑之间的摩擦系数增加，（特别是后刀面磨损）致使切削温度增高。工件变形量增大，刀具寿命下降。第105页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、工件材料对切削温度的影响

工件材料的硬度和强度及导热率是影响切削温度的直接因素。

硬度、强度越高，而导热率越低的材料，则在切削过程中所产生的切削热量越大，因此切削温度增高。

塑性材料比脆性材料在切削中所产生的切削热要大。第106页，共174页，2023年，2月20日，星期一5、切削液对切削温度的影响

在金切过程中，切削液对切削温度均会起到降低切削区域的温度。

水溶液可直接降低切削温度，但其润滑作用相对较小，切削力及摩擦系数加大。

而油质切削液对切削区域内的润滑作用较强，可减小摩擦，但其冷却的作用相对要低一些。第107页，共174页，2023年，2月20日，星期一6、刀具材料对切削温度的影响

刀具材料对切削温度的变化主要体现于刀具材料的导热率及抗黏结性。

抗黏结性强、导热率高的刀具材料，其影响切削变形因素较小，对影响切削温度的变化相对减小。陶瓷刀具＜硬质合金刀具＜高速钢刀具第108页，共174页，2023年，2月20日，星期一第五节刀具的磨损和耐用度

在整个切削过程中，虽然刀具可切割下切屑，但刀具自身也存在磨损和局部破损。

当刀具发生磨损后，则会对整个切削过程会产生许多不利因素。第109页，共174页，2023年，2月20日，星期一如：

切削增大

切削温度增高

工艺系统易产生剧烈振动

工件表面质量下降

加工零件质量降低影响刀具磨损的主要原因：

刀具材料、被加工材料、切削条件、刀具几何参数等。第110页，共174页，2023年，2月20日，星期一一、刀具磨损形态

由于在切削过程中，前刀面与切屑的摩擦、副后刀面与已加工表面间的摩擦及主后刀面与加工表面间的摩擦，同时还伴随着金属变形压力和切削热的影响，因此刀具上的三个表面均会呈现不同程度的磨损。

即：前刀面磨损

主后刀面磨损

副后刀面磨损第111页，共174页，2023年，2月20日，星期一1、前刀面磨损（月牙洼槽磨损）前刀面磨损

前刀面磨损主要发生于加工塑性金属材料，因切屑对前刀面所产生摩擦、变形后的压力及切削热所致。

月牙洼槽的宽窄和深度是伴随着切削时间而增宽及加深，当达到一定极限后，则会引起刀尖处崩刃。第112页，共174页，2023年，2月20日，星期一

由于切削中，主后刀面与加工表面存在着强烈的相互间摩擦，致使主后刀面接近刃口处在较短的时间内被磨损出一条狭窄棱面，使主后角变为零度值，降低了刃口的切割作用。易影响到刀具的散热条件及刀刃的强度。2、主后刀面磨损主后刀面磨损第113页，共174页，2023年，2月20日，星期一负后刀面磨损3、副后刀面磨损

主要因切削过程中，副切削刃及近刀尖圆弧处（修光刃）与已加工表面间的摩擦而引起的磨损。

此处磨损后，易造成工件已加工表面粗糙度质量下降，工件表面产生挤压硬化，呈现细小的鱼鳞剌。同时易影响至工件变形。（弯曲变形）第114页，共174页，2023年，2月20日，星期一

该磨损现象常出现于加工铸、锻造零件的粗加工环节，因脆性材料切屑均集中于刀刃边缘就产生断裂和坯件中的其他硬点杂质将刀刃磨损所致。发生此现象后，会使刀具失去切削能力。4、边界磨损

是指主、副切削刃同时磨损的一种现象。边界磨损第115页，共174页，2023年，2月20日，星期一二、刀具磨损的原因

刀具磨损的主要因素是以机械振动、切削热、化学腐蚀及自身几何参数所引起的。主要特征为四个方面：1、硬质点磨损

硬质杂物主要来自于被加工材料中的碳化物、氧化物、氮化物和一些砂粒，同时还存在切屑中的一些细小碎块等。第116页，共174页，2023年，2月20日，星期一

硬质点磨损现象在任何情况下均可能发生。特别是在中、低切削速度情况下，加上刀具材料的硬度较低时，最易发生。2、黏结磨损

产生黏结磨损的主要原因是积屑瘤、前刀面粗糙度及被加工材料的强度和塑性能力较强所引起。第117页，共174页，2023年，2月20日，星期一

对于在控制黏结磨损方面，可从选用刀具材料和切削速度方面入手，尽量控制积屑瘤，刀具材料选用抗黏结性较强的刀具材料。（如：陶瓷刀具材料等）3、扩散磨损

刀具材料的扩散磨损主要是在高温切削条件下所产生。零件切削层切屑刀具第118页，共174页，2023年，2月20日，星期一

在切削过程中，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。

其原因是；

扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生，磨损率很高。其前刀面离切削刃附近处的温度最高；扩散作用最强烈；最易形成月牙洼槽。第119页，共174页，2023年，2月20日，星期一刀具材料中的碳元素对扩散磨损的影响：钛（Ti）＜钴（Co）、钨（W）钽（Ta）和铌（Nb）＜钛YN＜YT＜YG

而对于高速钢刀具材料，其因工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比较缓慢，故其扩散磨损反而远小于硬质合金刀具材料。第120页，共174页，2023年，2月20日，星期一4、相变磨损

该磨损是属一种塑性变形磨损或破损。

主要表现的症状为刀刃处塌陷或卷曲。所产生的原因是：

切削区域的切削温度过高或刀具材料的硬度和强度不够而所至。第121页，共174页，2023年，2月20日，星期一5、化学磨损

在正常切削条件下，因受到切削热和空气介质的影响，刀具材料也会产生一些变化。（切削温度在700～800C0）因空气中的氧与刀具材料中的钴、钨、钛等均会产生氧化作用，形成新氧化物(如Co304、Co0、W03、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这种现象称为氧化磨损。

第122页，共174页，2023年，2月20日，星期一氧化磨损与氧化膜的粘附强度有着密切的关系；

粘附强度越低，则磨损越快；

反之；则可减小磨损。

一般情况空气是不易进入切削区域的，因而氧化磨损最容易出现在刀具的主、副切削刃的工作边缘，在前或后刀面上划出较深的细小沟槽，形成“边界磨损”。第123页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削速度（切削温度）磨损强度

总之；因三不同（工件材料、刀具材料、切削条件）所形成的磨损原因和磨损程度是不相同的。黏度磨损区域硬质点磨损区域化学磨损区域损区域扩散磨低速（低温）区域；是以黏度、硬质点磨损为主。高速（高温）区域；则是以化学、扩散磨损为主。第124页，共174页，2023年，2月20日，星期一三、刀具磨损的过程及磨损标准

随着切削进程的不断延续，刀具磨损程度也随之增加，切削性能开始出现下降趋势，直到不能完全完成切削工作，整个期间可分为三个磨损阶段。衡量标准为；后刀面上的磨损量（VB）前刀面上的月牙洼槽（KT）1、刀具磨损的过程第125页，共174页，2023年，2月20日，星期一第一磨损阶段：初期磨损阶段

该阶段是指一把新刀具初次与工件相摩擦接触后所产生的磨损量。原因为；

刀刃与工件的接触面积较小，压应力较大，刀刃因刃磨质量产生的一些细微不平凸凹点等缺陷。评定的磨损量一般为；

0.05～0.10mm第126页，共174页，2023年，2月20日，星期一第二磨损阶段：正常磨损阶段

该时间段是刀具磨损最为缓慢的时期，也是评定刀具使用寿命的一项主要依据。原因是；

刀具经初级阶段的磨损后，其刀刃以变得相对平滑，刀刃能担负的承压面积增大，压应力减小，因此；磨损量下降。第127页，共174页，2023年，2月20日，星期一第三磨损阶段：急剧磨损阶段

此阶段是指当刀具经正常磨损阶段后期，刀具以不能确保加工零件尺寸及粗糙度质量要求，工件表面出现鱼粼剌或闪亮刺眼症状，严重时会产生振动。原因是；

随刃口的磨损量增大，切削力、切削热增高，刀刃失去切削功能。第128页，共174页，2023年，2月20日，星期一时间（f）后刀面磨损量（VB）初级磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段刀具磨损曲线分布线性图第129页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、刀具磨纯的标准刀具磨纯标准：

指刀具在切削过程中，已不能再保证加工零件的尺寸、表面粗糙度等质量作为评定标准。评定方式：（1）充分发挥刀具材料的性能，以正常磨损的最大极限判定。（适用于粗加工刀具）第130页，共174页，2023年，2月20日，星期一（2）以被加工零件尺寸控制及表面粗糙度质量为评定刀具磨纯标准。因此；也称之为工艺性标准。（适用于精加工刀具）“ISO”

标准针对硬质合金刀具车刀的磨纯标准VB（后刀面磨损）＝0.3mm主要适用于精车刀具的判定标准第131页，共174页，2023年，2月20日，星期一当主后出现无规则磨损时VB＝0.6mm前刀面（月牙洼槽）磨损量KT＝0.06+0.3f一般性原则：粗加工刀具磨纯标准；

以刀具的切削时间与重磨次数的乘积原则来确定。第132页，共174页，2023年，2月20日，星期一精加工刀具磨纯标准；

以加工零件尺寸及表面粗糙度质量的变化为刀具磨纯标准。实践经验；（针对硬质合金外圆车刀）精车刀需更换刀具或修磨刀具＜0.02mm为正常状态可继续使用＞0.03mm第133页，共174页，2023年，2月20日，星期一自动化生产线对刀具磨纯标准；

通常是以刀具在径向尺寸的变化为衡量刀具磨损标准。（用“NB”表示磨损值）柔性加工系统上对刀具磨纯标准；

常以切削力的大小变化来衡量刀具磨纯的标准。（利用系统检测功能随时可检测切削力等各种切削参数值）第134页，共174页，2023年，2月20日，星期一其他条件下对刀具的磨纯标准：（1）当机床系统刚性较差，则应选择较小值的刀具磨纯标准，以弥补因机床刚性不足的特性。（2）在针对一些难加工材料，因被切材料的硬度较高，刀具易磨损。可直接通过听、看、触摸（振动）来判定刀具的磨纯情况。第135页，共174页，2023年，2月20日，星期一四、刀具耐用度及其经验公式1、刀具耐用度的定义刀具耐用度——指当刀具经更换（或修磨后）从参加切削工作至达

到磨纯标准的时间总合。用“T”表示。

也可用该刀具所切削的总行程长度来定义刀具的耐用度。用“Lm”表示。第136页，共174页，2023年，2月20日，星期一切削路程与耐用度的关系式为：

主要用途：相同条件下可确立刀具材料的切削性能。相同条件下可确立工件材料的切削性能。判别刀具几何角度选用的合理性。第137页，共174页，2023年，2月20日，星期一2、切削用量对刀具耐用度的影响①、切削速度与刀具耐用度的关系通过实验方法所得结论：

切削时间后刀面磨损量VB

第138页，共174页，2023年，2月20日，星期一

再根据规定的磨纯标准VB，便可求证出各切削速度下的刀具耐用度。

若在双对曲线坐标纸上便可确定出各点位置关系。即：

耐用度T

双对数坐标T～υ的关系曲线图第139页，共174页，2023年，2月20日，星期一该直线方程式为；

因此；T～υ的关系式也可写成

第140页，共174页，2023年，2月20日，星期一

经分析确认切削速度与刀具的耐用度关系式后，便为合理选用机床主轴转速（切削速度）便提供了重要依据。高速钢刀具；m=0.1～0.125硬质合金刀具；m=0.2～0.3陶瓷刀具；m=0.4～0.55（当“m”值越小，则影响程度越大，当“m”越大，则影响程度越小）式中：

“m”

指数，为表示切削速度对刀具耐用度

的影响程度。第141页，共174页，2023年，2月20日，星期一②、进给量和吃刀深度与刀具耐用度的关系采用同样的方法也可分别得到：

即：

第142页，共174页，2023年，2月20日，星期一综合上述：切削用量三要素与刀具耐用度的关系式为：

例：

其切削用量与刀具耐用度的关系为：

第143页，共174页，2023年，2月20日，星期一经上述和实践证明：

同时，此三者关系也与切削过程中的切削热变化顺序完全相同。切削速度对刀具的耐用度影响最大约占70%吃刀深度则影响最小约占5%进给速度影响次之约占25%第144页，共174页，2023年，2月20日，星期一3、刀具耐用度的选择

刀具的耐用度与生产效率、加工成本之间存在着较为复杂的管理关系。刀具耐用度过高；切削用量的选择受到限制加工效率降低刀具消耗下降刀具耐用度降低；切削用量的选择范围增大刀具的磨损加快刀具消耗量增加第145页，共174页，2023年，2月20日，星期一（1）最大生产率耐用度选用刀具耐用度的几条原则：最大生产率耐用度的组成：机动时间换刀时间辅助时间单工序生产时间总合＝

各工序时间的总合＝单件零件加工时间单件加工时间×批量＝批次加工时间的总合第146页，共174页，2023年，2月20日，星期一完成一个单工序所需时间为：

第147页，共174页，2023年，2月20日，星期一以刀具耐用度方式写入：

代入上述公式：

第148页，共174页，2023年，2月20日，星期一若将一个工序所需时间设为常数即：

则：

第149页，共174页，2023年，2月20日，星期一一般情况下，在一定切削速度范围内;

由此；从前式中得到：第一项是随“T”的增大而增大第二项则随“T”的增加而减小第三项则随“T”的变化而不变

第150页，共174页，2023年，2月20日，星期一（2）最低成本耐用度

是按工序成本最低观念而制定的一种计算方法。零件加工成本所包括有：机动时间费用换刀时间及刀具相关费用所有辅助消耗时间费用刀具所有消耗费用第151页，共174页，2023年，2月20日，星期一由此；每个零件的工序成本“C”

则为：第152页，共174页，2023年，2月20日，星期一

由此与最大生产率耐用度比较：

第153页，共174页，2023年，2月20日，星期一常规刀具耐用度的参考值：硬质合金焊接刀具—

3600s（60min）高速钢钻头—

4800～7200s（80～120min）硬质合金端面铣刀—

7200～10800s（120～180min）成形齿轮刀具—

12000～18000s（200～300min）第154页，共174页，2023年，2月20日，星期一选用刀具耐用度应注意的几点要求：①、根据刀具的复杂程度及制造修磨成本考虑。其复杂程度和精度越高，其耐用度应选择较高。反之，可选用较低的刀具耐用度。②、针对机夹刀具的特点，换刀快、通常不会因换刀而改变刀具运动坐标位置等特点，在考虑刀具单刃耐用度上可适当降低要求。第155页，共174页，2023年，2月20日，星期一③、针对一些大型机床和刀库量较大，自动化程度高的机床用刀情况，在刀具耐用度的选择上应适当考虑大值。④、因工序的生产率限制了整个生产率的提高时或制造总成本的严格控制情况下，其刀具耐用度应选用小值。⑤、因某零件的特殊质量要求，必须一次性走刀来完成时，则由确保产品质量来确定刀具的耐用度。第156页，共174页，2023年，2月20日，星期一五、刀具的破损

刀具的破损是指刀具在切削过程中，因承受不了切削力或热应力，致使刀具提前失去切削加工的能力。

切削刀具的破损往往是一种突发性过程，与磨损相比较，对整个切削过程的危害性更大，轻者刀具报废，而严重时则会导致安全事故。第157页，共174页，