第2章 金属切削基本原理(6h)

普通高等教育“十一五”国家级规划教材机械制造技术基础（第二版）周宏甫主编高等教育出版社第二章

金属切削基本原理3本章内容提要知识点：金属切削过程，切屑的形成与类型，切削变形及影响因素；切削力的来源及影响因素，单位切削力与切削功率；切削热的来源及影响因素；切削液；刀具磨损与刀具耐用度；刀具几何参数及切削用量的选择；磨削机理。重点：切屑的形成与切削变形，切削力，刀具磨损与刀具耐用度，刀具几何参数的选择。难点：切削变形、切削力、切削温度的影响因素，刀具几何参数的选择。4

目录

2.1金属切削过程

2.2切削力

2.3切削热与切削温度

2.4刀具磨损与刀具耐用度

2.5刀具几何参数与切削用量的选择

2.6磨削机理5金属切削加工的基本特点：

新材料不断涌现

难加工材料增多

零件加工精度和表面质量要求不断提高

金属切削加工的基本要求：

保证零件加工精度和表面质量

提高切削效率

降低生产成本

促进切削加工技术的发展62.1

金属切削过程72.1金属切削过程

2.1.1切屑的形成与切屑变形

2.1.2切屑的类型

2.1.3影响切屑变形的因素82.1金属切削过程

—通过切削运动，使刀具从工件表面切除多余金属层，形成已加工表面。

—切削过程中，刀具前刀面对工件切削层产生挤压，引起塑性变形，形成切屑。

—切削过程中，将产生切削变形、切削力、切削热、刀具磨损、积屑瘤和振动等物理现象，直接或间接影响工件加工质量和劳动生产率。9

切屑根部金相照片金属切削变形过程10切削变形实验设备与录像装置112.1.1切屑的形成与切削变形

1.切屑的形成过程及变形区的划分

Ⅰ变形区—剪切滑移，塑性变形

Ⅱ变形区—切屑流出，受挤压，剧烈摩擦

Ⅲ变形区—挤压、摩擦，金属回弹，产生残留应力

122.第一变形区金属的剪切滑移

第一变形区：OA、OM之间区域

剪切面：OA（始剪切面）、OM（终剪切面）

剪切角Ø：

—剪切面和切削速度方向的夹角

—剪切角越大，切削变形越小13剪切滑移：

—用相对滑移ε来衡量变形程度14变形系数:

—切屑厚度压缩比

—变形系数越大，切屑越厚越短，变形越大153.前刀面的挤压摩擦与积屑瘤

刀屑接触区分为粘结区和滑动区两部分

粘结区摩擦—金属间内摩擦

滑动区摩擦—外摩擦

16积屑瘤

—积聚、滞留、粘结、

产生、成长、脱落

作用：

—保护切削刃，增大前角

—影响工件尺寸精度

—使表面粗糙度值变大，振动

措施：

—高速切削

—大前角

—小进给

—切削液17积屑瘤的形成与脱落184.已加工表面变形与加工硬化（冷硬）

原因：切削刃存在刃口圆弧

过程：挤压、摩擦、回弹→切削变形→已加工表层金属晶格扭曲、挤紧和碎裂→冷硬

后果：

—切削困难

—已加工表面出现显微

裂纹、鳞刺及残余应

力，疲

劳强度下降

鳞刺的形成：

塑性金属；车、刨、钻、拉削加工；低切削速度192.1.2切屑的类型20切屑的类型211.带状切屑

形态—带状，底面光滑，背面呈毛茸状

变形—剪切滑移尚未达到断裂程度

形成条件—塑性材料，切削速度较高，进给量较小，

刀具前角较大

影响—切削过程平稳

表面粗糙度小

妨碍切削工作

应设法断屑222.挤裂切屑(节状切屑)

形态—节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状

变形—剪切滑移量较大，局部剪切应力达到断裂强度

形成条件—塑性材料，切削速度较低，进给量较大，

刀具前角较小

影响—切削过程欠平稳

表面粗糙度欠佳233.单元切屑(粒状切屑)

形态—粒状

变形—剪切应力完全达到断裂强度

形成条件—材料硬度较高，韧性较低，切削速度很低

影响—切削力波动较大

切削过程不平稳

表面粗糙度不佳244.崩碎切屑

形态—不规则块状颗粒

变形—材料抗拉强度低，未经塑性变形即被挤裂

形成条件—加工硬脆材料，刀具前角较小

影响—切削力波动大

切削振动大，有冲击

表面粗糙度恶劣

易崩刀25切屑可控性

指标：

①不妨碍正常加工

—不缠绕工件、刀具，不飞溅到机床运动部件中

②不影响操作者的安全

③易于清理、存放和搬运

国际标准化组织（ISO）切屑分类标准：

良好屑形：3-1、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2类

可接受屑形：按不同机床、刀具、被加工材料而定

控制方法：前刀面磨断屑槽或使用压块式断屑器26国际标准化组织（ISO）切屑分类标准27断屑的产生切屑的卷曲282.1.3影响切削变形的因素

1.工件材料

—塑性大，强度

硬度低，屈服

极限低→切屑

变形大292.刀具前角

—前角大，刃口锋利，

挤压小，剪切角大

→切屑变形小303.切削用量

①切削速度

—影响积屑瘤和切削温度，呈波形变化

31进给量

—进给量越大→切屑变形小322.2

切削力332.2切削力

2.2.1切削力的来源与分解

2.2.2切削力测定和切削力实验公式

2.2.3单位切削力、切削功率

2.2.4影响切削力的因素34切削力：

—切削过程中工件对刀具的切削抗力

切削力的影响：

—直接决定切削热的产生

—影响刀具磨损、破损、耐用度

—加工精度

—已加工表面质量

—计算切削功率，制定切削用量，监控切削状态，

设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据352.2.1切削力的来源及分解

1.切削力的来源

—切削层金属、切屑和工件表层金属的弹性

变形和塑性变形对刀具的切削抗力

—刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力36372.切削力的分解

（1）主切削力（切向力）Fc—切削速度vc方向

（2）吃刀抗力（径向力）Fp—与进给方向垂直

（3）进给抗力（轴向力）Ff—与进给方向平行

38切削力的分解

Fp=Ff,pcosKγ

Ff=Ff,psinKγ

一般情况下：

Fc

最大

Fp=(0.15～0.7)Fc

Ff=(0.1～0.6)Fc

392.2.2切削力测定和切削力实验公式

1.切削力的测量原理

仪器：电阻应变片式测力仪

测量原理：

测量方法：

—标定电参数与切

削力关系曲线

—电参数→切削力402.计算切削力的经验公式

外圆车削、镗孔典型值：

xFc=1，yFc=0.75，nFc=0412.2.3单位切削力、切削功率

1.单位切削力

—切除单位切削层面积所产生的主切削力p422.切削功率

—切削过程中所消耗的功率

—校验和选取机床电机的依据432.2.4影响切削力的因素

1.工件材料

—强度、硬度、塑性大→切削力大

铸铁→切削力小

2.切削用量

—背吃刀量影响最大

进给量影响较大

切削速度无明显影响443.刀具几何参数

—前角γо增大→切削力减小

主偏角κr=60～75°→切削力减小

刀尖圆弧半径rε减小→切削力减小

4.刀具磨损→切削力增大

5.刀具材料

—刀具、工件间摩擦系数小→切削力减小

6.切削液

—可减小刀具、工件摩擦→切削力减小452.3

切削热与切削温度462.3切削热与切削温度

2.3.1切削热的来源与传导

2.3.2切削温度

2.3.3影响切削温度的因素

2.3.4切削液472.3.1切削热的来源与传导

来源：弹、塑性变形功，摩擦功

切削热Q＝Fcvc

（量纲W=N×m/s）

传导：→切屑、刀具、工件、周围介质

车削：50～86％→切屑，10～40％→车刀

3～9％→工件，1％→空气

钻削：28％→切屑，14.5％→刀具

52.5％→工件，5％→介质

磨削：4％→磨屑，12％→砂轮，84％→工件482.3.2切削温度

—切屑与前刀面接触

区域的平均温度

49切削温度的测定—自然热电偶法—利用工件和刀具构成热电偶两极—切削区域为热端，刀具与工件为冷端—热电势→切削温度（需标定）50512.3.3影响切削温度的因素

1.切削用量—vc大，f中，ap小

2.刀具几何参数—前角γо大→切削温度低

主偏角κr大→切削温度高

3.刀具磨损→切削温度高

4.工件材料

—硬度强度高，导热系数小→切削温度高

脆性材料→切削温度低

5.切削液

—起润滑冷却作用→切削温度低

522.3.4切削液

1.切削液的作用

（1）冷却作用

（2）润滑作用

（3）清洗与防锈作用532.常用切削液及其选用

（1）水溶液=水+防锈剂、清洗剂、油性添加剂

—用于磨削、粗加工

（2）乳化液=乳化油+水

—用于车削、钻削、攻螺纹

（3）切削油=矿物油+动、植物油

—用于滚齿、插齿、车螺纹、一般精加工

（4）极压切削油=切削油+硫、氯和磷极压添加剂

—用于难加工材料的精加工542.4

刀具磨损与刀具耐用度552.4刀具磨损与刀具耐用度

2.4.1刀具磨损

2.4.2刀具耐用度

562.4.1刀具磨损

1.刀具磨损的形态

非正常破损：

卷刃

裂纹

崩刃

破裂57正常磨损：

①前刀面磨损

—以月牙洼宽度KB

和深度KT表示

—塑性金属切削速度

较高厚度较大引起

②后刀面磨损

—以平均磨损VB表示

—切削速度较低切削

厚度较小引起

③前后刀面同时磨损—塑性金属切削厚度适中引起582.刀具磨损原因

①磨料磨损—硬质点及积屑瘤—滑擦—划出沟纹

②粘结磨损—压力、摩擦—粘结、冷焊—被带走

③扩散磨损—改变成分结构—表层变脆弱—磨损

④相变磨损—温度升高，金相组织变化—磨损

⑤氧化磨损—高温—氧化物，硬度下降—磨损5960613.刀具磨损过程

①初期磨损阶段

—极短时间内后刀面

磨损量VB上升很快

—研磨刀具初期磨损量小

②正常磨损阶段

—刀具在较长时间内缓慢磨损

③急剧磨损阶段

—相对很短时间内VB猛增，刀具完全失效

—进入急剧磨损阶段之前必须换刀或重新刃磨624.刀具的磨钝标准

—规定允许磨损量的最大值

刀具磨钝标准：

—1/2背吃刀量处后刀面

磨损带高度VB

自动化精加工刀具磨钝标准：

—以沿工件径向刀具

磨损尺寸NB衡量

硬质合金外圆车刀磨钝标准：

—VB＝0.3mm632.4.2刀具耐用度T

1.刀具耐用度的定义

—新刃磨刀具从开始切削至达到磨钝标准为止的

切削时间

刀具寿命：

—新刀具从使用到报废为止的切削时间

刀具寿命计算方法：

刀具寿命=刀具耐用度T×刀具刃磨次数n642.切削用量对刀具耐用度T的影响

影响程度：vc大，f中，ap小

式中，Kv—切削条件与实验条件不同的修正系数

Cv—与耐用度实验条件有关的系数

m、xv、yv—分别为对T、ap和f的影响指数65YT5硬质合金车刀切削σb＝0.63GPa(65kgf/mm2)碳钢时，切削用量与刀具耐用度的关系式为

刀具耐用度允许的切削速度：

指数m的值：

高速钢0.1～0.125硬质合金0.2～0.3陶瓷刀具0.4663.刀具耐用度的选择

经济耐用度Tc

—以单件工序成本最低的原则来确定

最大生产率耐用度Tp：

—以单位时间内加工工件数量最多的原则来确定

常用刀具耐用度参考值刀具刀具耐用度硬质合金焊接车刀60min高速钢钻头80～120min硬质合金端铣刀120～180min齿轮刀具200～300min672.5

刀具几何参数

与切削用量的选择682.5刀具几何参数与切削用量的选择

2.5.1刀具几何参数的选择

2.5.2切削用量的选择692.5.1刀具几何参数的选择

刀具几何参数的基本内容：

①刀具角度：

前角、后角、主偏角、刃倾角、副偏角、副后角

②刀面型式：卷屑槽、断屑台、铲背

③切削刃的剖面形式：负倒棱、消振棱、刃带

④刃形：直线刃、折线刃、圆弧刃、波形刃701.刀具合理几何参数选择应考虑的因素

（1）工件材料

化学成分、制造方法、热处理状态、物理和力学性能（包括硬度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性、导热系数等）、毛坯表层情况、工件形状、尺寸、精度和表面质量要求等。

（2）刀具材料和刀具结构

化学成分、物理和力学性能（包括硬度、抗弯强度、冲击值、耐磨性、热硬性和导热系数等）、刀具结构形式（如整体式、焊接式、机夹式）。71（3）加工条件

机床、夹具情况，工艺系统刚性、功率，切削用量和切削液等

粗加工—最大生产率

精加工—加工精度和表面质量

自动线—刀具工作稳定性及断屑问题

机床刚性和动力不足—减小切削力和振动

④各参数间的联系

多因素优化，综合考虑相互作用与影响，分别确定其合理值722.刀具角度的选择

（1）前角及前面的选择

1）前角的功用

大前角—减小切削力、切削热

提高刀具寿命

提高加工表面质量

强度降低、温度升高

合理前角

—使刀具耐用度为最大值的前角γоpt732）前角的选择原则

①加工材料的性质

—塑性材料(如钢)—大前角

脆性材料(如铸铁)—小前角

材料强度硬度小—大前角

材料硬度强度高—小前角、负前角

②刀具材料—高速钢—大前角

硬质合金—小前角

③加工性质—精加工—大前角

粗加工—小前角74表2.1硬质合金车刀前角的合理值

工件材料粗车精车工件材料粗车精车低碳钢20～25°25～30°中碳钢10～15°15～20°合金钢10～15°15～20°淬火钢-15～-5°不锈钢15～20°20～25°钛合金5～10°铜及铜合金10～15°5～10°铝及铝合金30～35°35～40°灰铸铁10～15°5～10°753）前刀面型式的选择

①正前角平面型

—精加工、成形刀、铣刀，脆性材料

②正前角平面带倒棱型

—粗切削铸、锻件，断续表面76③正前角曲面带倒棱型

—粗、精加工塑性材料

④负前角单面型

—切削高硬度材料、淬火钢

⑤负前角双面型

—前、后面同时磨损7778（2）后角及后刀面的选择

1）后角的功用

增大后角：

—减小摩擦磨损、提高寿命、改善表面质量

后角过大：

—强度降低、散热差、磨损加快

在一定条件下，存在一个刀具耐用度较高的合理后角792）合理后角的选择

①切削参数—切削层厚度hD小→大后角

切削层厚度hD大→小后角

②工件材料—强度、硬度高→小后角

塑性大→大后角

③工艺系统刚性

—刚性差—振动→小后角

④精度要求高

—小后角→增加重磨次数80表2.2硬质合金车刀后角的合理值

工件材料粗车精车工件材料粗车精车低碳钢8～10°10～12°中碳钢5～7°6～8°合金钢5～7°6～8°淬火钢8～10°不锈钢6～8°8～10°钛合金10～15°铜及铜合金6～8°铝及铝合金8～10°10～12°灰铸铁4～6°6～8°813）后刀面的型式

①双重后面

—保证刃口强度，减少刃磨

②消振棱

—增加接触面积及阻尼，消除振动

③刃带（后角=0°）

—稳定、导向、消振、延长寿命824）副后角的选择

车刀、刨刀及面铣刀的副后角：

—通常等于后角

切断刀、切槽刀、锯片铣刀：

—副后角很小，一般为0.5°～2°83（3）主偏角和副偏角的选择

1）主偏角和副偏角的功用

①影响残留面积高度

—主、副偏角

小，粗糙度值小84②影响切削层形状

—主偏角大，切削宽度小、厚度大，负荷大

③影响切削分力的大小和比例关系

—主偏角大，吃刀抗力小，进给抗力大

④影响刀尖角的大小

—进而影响刀尖强度、导热面积、容热体积

⑤影响断屑、排屑

—主偏角大，切屑变厚窄，易断852）合理主偏角值的选择

①粗、半精加工—大主偏角

—减小振动，延长寿命，断屑、大切深

②加工硬材料—小主偏角

—减轻负荷，导热容热、延长寿命

③工艺系统刚性好—小主偏角

—延长刀具寿命

工艺系统刚性差—大主偏角

—减小吃刀抗力Fp863）合理副偏角值的选择

①在不引起振动的情况下，一般较小

—5°~10°

②精加工

—小，必要时磨一段0°修光刃

③加工高强高硬材料或断续切削

—小，4°～6°

④切断刀、锯片、槽铣刀

—小，1°～2°874）过渡刃的型式

①直线刃—粗车、强力车κrε=κr/2

②圆弧刃—粗糙度值小

③水平修光刃κr′＝0°—粗糙度值小

④大圆弧刃—宽刃精车刀、宽刃精刨刀、浮动镗刀88（4）刃倾角的选择

1）刃倾角的功用

①影响刀尖强度和散热条件

—λs<0，非刀尖先切入，避免冲击，刀尖处导热

和散热条件较好，延长寿命

②控制切屑流出方向—λs<0，切屑缠绕划伤已加工面89③影响切削刃的锋利性

—λs≠0，刃口锋利，有利于微车、精镗和精刨

④影响切入切出平稳性

—λs≠0，逐渐切入，冲击小，切削平稳

⑤影响切削刃的工作长度

—λs<0，工作长度加大，延长刀具耐用度

⑥影响切削分力间比值

—λs减小→进给抗力减小，吃刀抗力增大90（2）合理刃倾角值的选择

①粗车钢、灰铸铁—0°～-5°

精车钢、灰铸铁—0°～+5°

冲击载荷

—-5°～-15°

冲击特别大—-30°～-45°

②强力刨削—-10°～-20°

③车淬硬钢—-5°～-12°

④工艺系统刚性差—≥0°

⑤微量精车、精镗、精刨—45°～75°

⑥金刚石、立方氮化硼车刀—0°～-5°912.5.2切削用量的选择

1.选择切削用量的原则

—质量、生产率、成本，耐用度

①生产率—切削用量大→省工时

粗加工尽量增大ap

②机床功率—背吃刀量大→切削功率大

粗加工尽量增大f

③刀具耐用度—背吃刀量影响最小→优先增大ap

④表面粗糙度—限制增大f

由此可见，提高ap比增大f更有利于提高生产率

基本原则：尽量大ap，较大f，合适vc

922.切削用量选择方法

（1）粗加工切削用量的选择

①背吃刀量ap

—考虑加工余量Δ和工艺系统刚性

—尽量一次切除93②进给量f

根据工艺系统刚性和强度，查表确定f；

由ap和f计算切削力Fc（N），校验机床进给机构强度。

③切削速度vc

按刀具耐用度T计算（查表）允许切削速度vT；

由vT计算转速n=1000vc

/（πd）；

由机床主轴转速表确定转速ne

和实际切削速度vce；

校核机床切削功率（若超过许用值，应先减小vc）。

机床功率PE（kW）所允许的切削速度:94（2）半精加工、精加工切削用量的选择

①背吃刀量ap

—半精加工约1～2mm；精加工更小

②进给量f

—考虑表面粗糙度—查表

③切削速度vc

—考虑刀具耐用度—计算、查表

硬质合金：vc=80～100m/min或以上

高速钢：vc=30～80m/min

计算步骤：

切削速度→转速→实际主轴转速→实际切削速度952.6

磨削机理962.6磨削机理

2.6.1磨削过程

2.6.2磨削力

2.6.3磨削热与磨削温度

2.6.4磨削过程的砂轮磨损972.6.1磨削过程

特点：高速多点切削，切削深度极小，刃口自锐作用

1.磨粒的形状

形态：菱形八面体，顶锥角90°～120°，尖部钝圆，微刃（刃口圆弧半径ρ约几微米至几十微米）

切削：大负前角（－60°～－80°）982.磨屑的形成过程

①滑擦阶段（弹性变形阶段）

—磨粒在工件表面滑擦，仅

弹性变形，无切屑

—工件表层产生热应力

②刻划阶段（塑性变形阶段）

—工件表层塑性变形，磨粒

刻划出沟痕，两侧隆起

—工件表层产生热应力和