第二章 第四节 金属切削规律及应用

第二章金属切削加工基本知识CONTENTS目录1234【切削运动与切削要素】【金属切削刀具】【金属切削机床】【金属切削规律及应用】04【金属切削规律及应用】金属切削规律及应用一二切削过程基本规律切削过程基本规律的应用

一、金属切削过程1.金属切削过程的变形切屑是金属切削过程中切削层金属经过刀具的作用而形成的，金属切削过程的一切物理变化和化学变化都是切屑引起的。因此，了解金属切屑的形成过程，对理解切削规律及其本质是非常重要。（1）金属切削过程变形区的划分在金属切削过程中，切削层金属受刀具前刀面挤压产生一系列变形，通常将其划分为三个变形区，如图2-26所示。1）第一变形区，图2-26中I（AOM）为第一变形区

2）第二变形区，图2-26中Ⅱ为第二变形区

3）第三变形区，图2-26中Ⅲ为第三变形区金属切削规律及应用

（2）切屑的形成切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的。金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。如图2-27所示，切屑形成是在第一变形区内完成的，当切削层移近OA面时，切削层金属在正压力FN与摩擦力Ff的合力Fr作用下，产生弹性变形，进入OA面后则产生塑性变形，亦即OA面上切应力τ达到材料的屈服强度τ0.2而发生剪切滑移。以质点P为例，进人OA面后，由点1剪切滑移至点2，由点2继续移至点3，再由点3继续滑移至点4。随着质点P的移动，剪切滑移量和切应力逐渐增大，达到OE面时，质点P滑移至点10，此时，切应力最大。剪切滑移结束，切削层金属被刀具切离，形成了切屑。通常OA面称为始滑移面，OE面称为终滑移面，两个滑移面之间很窄，故剪切滑移时间很短，切屑形成过程速度快。金属切削规律及应用

（3）切削变形程度的度量

1）金属切削过程类似于金属的挤压，这表现在切削前后切削层尺寸的变化上，即切屑长度减小，厚度增大。根据这一事实来衡量切屑的变形程度，得出了切削变形系数ξ的概念。切屑厚度ach与切削层厚度hD之比称为切屑的厚度变形系数，用符号ξa表示；而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为切屑的长度变形系数，用符号ξ1表示。显而易见，切削变形系数ξ越大，表示切屑越厚、越短，标志切削变形越大。

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2）相对滑移ε。如图2-28所示，当刀具向前移动时，切削层单元，即平行四边形OHNM产生剪切变形，变为OGPM，那么它的相对滑移ε为：

（2-18）式中，Δs为滑移量；Δy为滑移层的厚度；φ为剪切角；γ0为前角。当剪切角φ与前角γ0在通常范围内（φ=5°~30°，γ0=﹣10°~30°）时，剪切角φ改变引起sinφ的变化比cos（φ﹣γ0）的变化要大，因此，剪切角φ越大，相对滑移ε越小，即切削变形越小。切削变形系数是利用切屑尺寸的变化来衡量切削变形程度，相对滑移用来衡量第一变形区的滑移变形程度。金属切削规律及应用

（4）影响切削变形的主要因素

归纳起来，影响切削变形的因素有工件材料、刀具几何参数及切削用量。

1）工件材料的影响

工件材料的强（硬）度越高，刀具前刀面上的法向应力越大，摩擦系数μ越小，剪切角φ越大，切削变形越小。2）刀具几何参数的影响刀具几何参数中，影响切削变形最大的是刀具前角γ0，刀具前角γ0越大，剪切角φ就越大，切削变形越小。这是刀具前角γ0对切削变形的直接影响。此外，刀具前角γ0还通过摩擦角β间接影响切削变形，即刀具前角γ0越大，作用在刀具前刀面上的法向应力越小，摩擦角β越大，剪切角φ就越小，切削变形越大。刀具前角γ0的直接影响远大于间接影响，故刀具前角γ0增大，切削变形还是减小。3）切削用量的影响①切削速度的影响②进给量的影响③背吃刀量的影响金属切削规律及应用

2.积屑瘤（1）积屑瘤的形成在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工钢料或其它塑性材料，常在切削刃口附近黏结一块很硬的金属堆积物，它包围着切削刃且覆盖刀具部分前刀面，这就是积屑瘤，如图2-29。积屑瘤的形成主要是切削加工时，在一定的温度和压力作用下，切屑与刀具前刀面发生强烈摩擦，致使切屑底层金属流动速度降低而形成滞流层。温度和压力合适，滞流层就与刀具前刀面黏结而留在其上，由于黏结层经过塑性变形硬度提高，当连续流动的切屑从黏结层上流动时，又会形成新的滞留层，黏结层在前一层的基础上积聚，这样一层又一层地堆积，黏结层越来越大，最后长成积屑瘤。积屑瘤的化学成分与工件材料相同，它的硬度是工件材料的2～3.5倍，与刀具前刀面黏结牢固，能担负实际切削工作，但不稳定。金属切削规律及应用（2）积屑瘤对加工的影响积屑瘤可代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用，还可增大刀具实际前角，对粗加工有利；但是积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，使实际背吃刀量和切削厚度发生变化，影响工件的尺寸精度。积屑瘤的高度变化使已加工表面粗糙度的值变大，易引起振动，精加工时应避免产生积屑瘤。金属切削规律及应用（3）影响积屑瘤的主要因素与控制。要抑制积屑瘤的生成和发展，必须有效控制切屑底层与刀具前刀面的黏结和加工硬化。要抑制积屑瘤的生成和发展，必须有效控制切屑底层与刀具前刀面的黏结和加工硬化。通过热处理降低工件材料塑性，提高其硬度，可抑制积屑瘤的生成。切削速度是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤。低速切削时，切屑流动慢，切削温度低，切屑与刀具前刀面摩擦系数小，不易发生黏结，不会形成积屑瘤。用高速钢刀具低速车削或皎削，可获得较小的表面粗糙度值；高速切削时，切削温度高，切屑底层金属软化，加工硬化和变形强化消失，不生成积屑瘤。选择耐热性好的刀具材料进行高速切削，可获得较小的表面粗糙度值；中速切削时，温度为300～400℃，是形成积屑瘤的适宜温度，此时摩擦系数最大，积屑瘤生长最高，表面粗糙度值最大。减小进给量、增大刀具前角、减小刀具前刀面的粗糙度值、合理使用切削液等，可使切削变形减小、切削力减小、切削温度下降，抑制积屑瘤生成。金属切削规律及应用3.切削力金属切削时，刀具切入工件，被切金属层发生变形成为切屑所需要的力称为切削力。研究切削力对刀具、机床、夹具的设计和使用都具有很重要的意义。（1）切削力的来源、合力及其分力金属切削时，力来源于两个方面，一是克服切屑形成过程中工件材料对弹性变形和塑性变形的变形抗力，二是克服切屑与前刀面、已加工表面与后刀面的摩擦阻力。变形力和摩擦力作用在刀具上形成合力Fr。切削时，合力Fr作用在切削刃空间某个方向，由于大小与方向都不易确定，为了便于测量、计算和反映实际，常将合力Fr分解为互相垂直的Fc、Ff和Fp三个分力，如图2-30所示。金属切削规律及应用

切削力Fc（主切削力Fx）——在主运动方向上的分力，它切于加工表面，并与基面垂直。Fc是计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率等的主要依据。

进给力Ff（进给抗力Fy）——在进给运动方向上的分力，它处于基面内在进给方向上。Ff是设计机床进给机构和确定进给功率等的主要依据。

背向力Fp（切深抗力Fz）——在切深方向上的分力，它处于基面内并垂直于进给运动方向。Fp是计算工艺系统刚度等的主要依据，也是工件在切削过程中产生振动的力。金属切削规律及应用

（2）切削力的计算由于金属切削过程的复杂性，通常情况下，工程上采用经验公式来计算切削力，经验公式如下：Fc=CFc·apXFc·fYFc·VcZFc·KFc（2-19）Ff=CFf·apXFf·fYFf·VcZFf·KFf（2-20）Fp=CFp·apXFp·fYFp·VcZFp·KFp（2-21）式中各种系数、指数和修正系数都可以在切削用量手册中查到CFc、CFf、CFp：取决于工件材料和切削条件的系数；XFc、YFc、ZFc：切削力分力Fc公式中背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数；XFf、YFf、ZFf：切削力分力Ff公式中背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数；XFp、YFp、ZFp：切削分力Fp公式中背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数；KFc、KFf、KFp：实际加工条件与求得经验公式的试验条件不符时，各种因素对各切削分力的修正系数。金属切削规律及应用

（3）影响切削力的主要因素

1）工件材料

工件材料的强度、硬度越高，剪切屈服强度τs也越高，切削时产生的切削力越大。工件材料的塑性、冲击韧性越高，切削变形越大，切屑与刀具间的摩擦增加，则切削力越大。加工脆性材料时，因塑性变形小，切屑与刀具间摩擦小，切削力较小。

2）刀具几何参数

①前角γ0对切削力的影响

在刀具几何参数各项中，前角γ0对切削力Fc的影响最大。前角γ0越大，切削层的变形越小，故切削力Fc越小。切削不同的材料，前角γ0的变化对切削力Fc的影响并不相同。切削塑性金属时，前角γ0每变化1°，切削力Fc就改变约1.5%，金属的塑性越大，改变的幅度越大。

如图2-31所示是车削45钢，前角γ0对切削分力的影响规律曲线。不难看出，前角γ0增大对Fp、Ff的影响要比对Fc的影响大。金属切削规律及应用

②主偏角对切削力的影响

主偏角对切削力Fc的影响较小，对进给力Ff和背向力Fp影响较大。图2-32主偏角增大时，Ff增大，Fp减小。③刃倾角λs对切削力的影响刃倾角λs在大范围（﹣40°～+40°）内变化时，对Fc没有什么影响，但λs增大时，Ff增大，Fp减小。金属切削规律及应用

3）切削用量

切削用量对切削力的影响大，背吃刀量和进给量增加时，切削面积AD成正比增加，变形抗力和摩擦力加大，切削力随之增大。如图2-33所示，在低速范围内，随着切削速度的增加，积屑瘤逐渐长大，刀具实际前角增大，切削力逐渐减小。在中速范围内，积屑瘤逐渐减小并消失，切削力逐渐增至最大。在高速阶段，切削温度升高，摩擦力逐渐减小，切削力得到稳定的降低。

4）其它因素刀具材料与工件材料之间的摩擦系数μ会直接影响到切削力的大小。一般按立方碳化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，摩擦系数依次增大，切削力也依次增大。切削液有润滑作用，可减小摩擦系数使切削力降低。切削液的润滑作用愈好，切削力的降低愈显著。低切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。刀具后刀面磨损带VB）愈大，摩擦越强烈，切削力也越大。VB对背向力的影响最为显著。

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（4）工作功率Pe工作功率Pe是在切削过程中消耗的总功率。它包括切削功率Pc和进给功率Pf两部分，前者为主运动消耗功率，后者为进给运动消耗功率。进给功率只占工作功率的2%～3%，一般只计算切削功率Pc（单位为kW）：

Pe≈Pc=Fc·vc×10-3/60（2-22）式中，切削力Fc和切削速度vc的单位分别为N和m/min。机床所需电动机的功率PE（kW）为：

PE=Pc/η（2-23）式中，η为机床传动效率，一般为0.75～0.85。金属切削规律及应用

4.切削热与切削温度切削过程中消耗的功绝大部分都转变为切削热，由它产生的切削温度引起金属材料的物理力学性能变化，影响切削过程。尤为重要的是切削温度对刀具磨损、工件加工精度和表面质量具有明显的影响。（1）切削热的产生。金属切削过程中，金属弹性变形的能量以应变能形式储存在变形体中，这部分能量没有消耗，它所占的比例很小（占1%～2%），可以忽略不计。金属塑性变形的能量全部转变为热能而散失。在金属切削过程中，工件上有三个塑性变形区，每个塑性变形区都是一个热源。因此，切削时共有三个热源，如图2-34所示。这三个热源产生热量的比例与工件材料、切削条件等有关。金属切削规律及应用

（2）切削热传出切削过程中所、产生的热量主要由切屑、工件和刀具产生，被周围介质带走的热量很少。传入切屑、工件和刀具的热量比例，除了与三个变形区产生的热量比例有关外，还与工件材料的导热系数、切屑与刀具前刀面的接触长度以及切削条件等有关。钻削时切削热传入工件的比例比车削大得多。钻削属于半封闭式加工，切屑与工件、刀具的接触时间长，自身所带的热量传给了工件和刀具。金属切削规律及应用（3）切削温度分布如图2-35所示为车削时正交平面内切屑、工件和刀具上的温度分布情况。从中可得出切削温度分布的规律。金属切削规律及应用

1）剪切平面上各点温度变化不大，几乎相同。

2）刀具前刀面、主后刀面上的最高温度处于主切削刃一定距离处（该处称为温度中心）。切削塑性金属，切屑沿刀具前刀面流出，摩擦热逐步增大，切屑流至黏结与滑动的交界处，切削温度达到最大值，进人滑动区摩擦逐渐减小，热量传出条件改善，切削温度下降。

3）切削底层（同刀具前刀面相接触的层）温度最高，离切削底层越远温度越低。切削底层金属变形最大，与刀具前刀面存在摩擦，底层温度高，剪切强度下降，与刀具前刀面间的摩擦系数减小。

4）塑性越大的工件材料，塑性越大的工件材料，刀具与切屑接触长度越长，切削温度的分布越均匀。

5）导热系数低的工件材料，其刀具前刀面和主后刀面的温度就越高，且最高温度区距切削刃近，这是一些高温合金和钛合金难切削、刀具容易磨损的主要原因之一。金属切削规律及应用

（4）切削温度对切削过程的影响

1）对工件材料机械性能的影响切削温度很高，但对工件材料强（硬）度的影响并不大，对剪切区应力的影响不明显。原因是：切削速度高，工件变形速度高，对增加工件材料强（硬）度的影响足以抵消切削温度对降低工件材料强（硬）度的影响。切削温度是在切削变形过程中产生的，不会及时对剪切区的应力应变状态产生影响，只对切屑底层的剪切强度产生影响。实验表明：工件材料预热至500°C～800°C后进行切削，切削力下降很多。但高速切削（温度达800°C～900°C）时，切削力下降不多。这间接证明切削温度对剪切区工件材料强度影响不大。

2）对刀具材料的影响硬质合金的性质之一是高温时强度高，韧性好。因此，适当提高切削温度，对防止硬质合金崩刃，提高耐用度有利。

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3）对工件尺寸精度的影响工件受热膨胀，直径发生变化，切削后不能达到要求精度；工件受热变长，但装夹在机床上不能自由伸长而发生弯曲，加工后中部直径变大；刀头受热膨胀，切削深度增加，工件直径变小。精加工和超精加工，切削温度对工件尺寸精度的影响突出，要降低切削温度。

4）利用切削温度自动控制切削速度或进给量实验证明：给定的工件材料、刀具材料以不同的切削用量加工时，可以得到最佳切削温度，刀具磨损强度最低，尺寸耐用度最高。可将热电偶测温器测出的切削温度作为控制信号，用电子线路和自动控制装置控制机床的转速或进给量，保证切削温度处于最佳范围，提高生产率和工件表面质量。金属切削规律及应用

（5）影响切削温度的主要因素

切削温度的高低取决于切削热产生的多少和散热条件的好坏。

1）工件材料工件材料的强（硬）度和导热系数对切削温度影响大。工件材料的强（硬）度越高，切削力越大，切削时消耗的功越多，产生的切削热量越多，切削温度就越高。工件材料的导热系数直接影响切削热的导出，导热系数越大，工件和切屑传导出去的热量越多，切削温度就越低。

2）刀具几何参数①前角的影响，前角增大到一定幅值时，如果再继续增大前角，则因刀具的楔角太小而使散热体积减小，使切削温度下降的幅度减小，如图2-36所示

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②主偏角的影响主偏角增大，切削温度升高，因为主偏角增大，切削刃工作长度缩短，切削热相对集中，刀尖角减小，散热条件变差，如图2-37所示。

金属切削规律及应用3）切削用量①切削速度的影响：切削速度对切削温度有较显著的影响。实验证明，切削速度提高，切削温度上升，原因是：提高切削速度，单位时间的金属切除量呈正比例增大。刀具与工件及切屑间的摩擦加剧，此时因为克服金属变形和摩擦而做的功增大，产生大量的热。第一变形区和第二变形区的热量向工件和切屑内部传导需要一定的时间，因此，提高切削速度，摩擦热大量地积聚在切屑底层，切削温度升高。但是切削速度提高，单位切削力和切削功率减小，切削热和切削温度不会与切削速度呈正比例增大。②进给量的影响：进给量增大，单位时间的金属切除量增大，消耗的切削功和由此转化成的热量也增大，切削温度上升。但随着进给量的增大，单位切削力和单位切削功率减小，切除单位体积金属产生的热量也随之减小。此外，当增大进给量后，切屑厚度增大，由切屑带走的热量增大，同时切屑与刀具前刀面的接触长度增大，散热面积增大。所以，切削温度随进给量的增大而上升，上升的幅度不如切削速度显著。综合述，切削用量中切削速度对切削温度的影响较为显著，进给量对切削温度的影响次之，背吃刀量对切削温度的影响最小。为了有效地控制切削温度以提高刀具耐用度，在允许的条件下，选用大的背吃刀量和进给量比选用大的切削速度更为有利。

金属切削规律及应用4）刀具磨损刀具磨损后，切削刃变钝，切削作用减小，挤压作用增大，切削区的变形增大。同时，磨损后的刀具实际工作后角变成0°，刀具后刀面与加工表面间的摩擦增大，切削温度上升。这时切削速度越大，刀具磨损值对切削温度的影响越显著。切削合金钢，强（硬）度比碳素钢高，导热系数小，因此，刀具磨损对切削温度的影响比切削碳素钢显著。5）切削液切削液对降低切削温度有明显效果。切削液的作用：减小切屑与刀具前刀面、工件与刀具后刀面的摩擦；吸收切削热。切削液对切削温度的影响与其导热性能、比热容、流量、浇注方式及本身的温度有关。

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5.刀具磨损与刀具耐用度

刀具切下切屑，本身也发生损坏，损坏到一定程度，要换刀。刀具损坏的形式有磨损和破损两种。刀具磨损后，切削力增大，切削温度上升，切屑颜色改变，工艺系统振动，加工表面粗糙度增大，加工精度降低。刀具磨损和耐用度直接关系到切削加工的效率、质量和成本。

刀具磨损取决于工件材料、刀具材料的物理力学性能和切削条件。不同刀具材料的磨损和破损有不同的特点。掌握刀具磨损和破损的特点及其产生的原因和规律，正确选择刀具材料和切削条件，保证加工质量，提高生产效率。（1）刀具磨损的形态。如图2-38所示为刀具的磨损形态。1）前刀面磨损。月牙洼磨损量用最大深度KT表示，如图2-39所示。2）后刀面磨损。如图2-40所示，刀尖部分（C区）强度较低，散热条件较差，磨损严重，磨损量以最大深度VC表示。

3）边界磨损，如图2-41所示。以下情况下也可能发生边界磨损。金属切削规律及应用

（2）刀具磨损的原因正常磨损主要是机械、热和化学三种作用的综合结果：工件材料中硬质点的刻划作用产生的硬质点磨损；压力和强烈摩擦产生的黏结磨损；高温产生的扩散磨损；氧化作用等产生的化学磨损。1）硬质点磨损切屑、工件材料中含有的一些硬度极高的微小硬质点（如碳化物、氮化物和氧化物等）以及积屑瘤碎片等，在刀具表面刻划出沟纹，这就是硬质点磨损，或称为磨料磨损。高速钢刀具的硬质点磨损显著；硬质合金刀具的硬度高，发生硬质点磨损的概率小。硬质点磨损在各种切削速度下都存在，是低速刀具（如拉刀板牙等）磨损的主要原因。因为此时切削温度较低，其它形式的磨损不显著。2）黏结磨损切屑、工件和刀具前刀面和后刀面之间存在压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊黏结。由于摩擦面之间的相对运动，冷焊黏结破裂被一方带走，造成冷焊磨损。工件材料或切屑硬度低，冷焊黏结破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊黏结破裂也可能发生在刀具这一方，刀具表面上的微粒逐渐被切屑或工件黏走，造成刀具的黏结磨损。黏结磨损在中等偏低的切削速度下比较显著。

金属切削规律及应用3）扩散磨损在切削高温下，刀具表面与切出的工件、切屑新鲜表面接触，刀具与切屑、刀具和工件双方的化学元素互相扩散给对方，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速了磨损过程。扩散磨损主要发生在高速切削，此时切削温度高，化学元素扩散速率高。随着切削速度（温度）提高，扩散磨损程度加剧。扩散磨损的快慢程度与刀具材料的化学成分有关，不同元素的扩散速率也不同。硬质合金中，Ti元素的扩散速率远低于Co、W元素，TiC不易分解，YT类、合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金。硬质合金中添加Ta、Nb元素后形成固熔体，不易扩散，YW类合金和涂层合金具有良好的抗扩散磨损性能。4）化学磨损在一定温度下，刀具材料与周围某些介质（如空气中的氧，切削液中的极压添加剂硫、氯等）起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损，这种磨损称为化学磨损。空气一般不易进入刀具与切屑的接触区，化学磨损中因氧化而引起的磨损最容易在主切削刃和副切削刃的工作边界处形成，产生较深的磨损沟纹。除上述磨损原因外，还有热电磨损，即在切削区高温作用下，刀具材料与工件材料形成热电偶，产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用，促使刀具磨损。总之，不同的工件材料、刀具材料和切削条件，磨损原因和磨损强度是不同的。金属切削规律及应用

（3）刀具磨损过程与磨钝标准1）刀具磨损过程。

随着切削时间的延长，刀具后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损量KT）随之增加。如图2-42所示为典型的刀具磨损曲线①初期磨损阶段②正常磨损阶段③急剧磨损阶段2）刀具磨钝标准。刀具磨损到一定限度不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。刀具后刀面磨损，对加工质量、切削力和切削温度的影响比前刀面磨损显著。国际标准ISO3685：1993规定以1/2切削深度处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准的衡量标志。自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为衡量刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量，以NB表示。金属切削规律及应用

生产时，经常卸下刀具测量磨损量不可行，要根据切削过程中的现象判断刀具是否磨钝。精加工时，可观察加工表面粗糙度的变化，测量加工零件的形状与尺寸精度等作为参考，发现异常情况，及时换刀。柔性加工设备，经常用切削力的数值作为刀具磨钝标准，实现对刀具磨损状态的自动监控。制定磨钝标准应考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况。工艺系统刚性较差，应规定较小的磨钝标准，刀具后刀面磨损后，切削力增大，以径向切削力最为显著；切削难加工材料，切削温度高，应选用较小的磨钝标准；加工一般材料，磨钝标准可以大一些；加工精度及表面质量要求高的，应选用较小的磨钝标准。硬质合金车刀磨钝标准见表2-7。

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（4）刀具耐用度1）刀具耐用度的概念一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间，称为刀具耐用度，用符号T表示，单位为min。刀具耐用度可用达到磨钝标准总切削路程Lm来表示。精加工时，可用加工完的工件数量或走刀次数定义刀具耐用度。刀具寿命是指一把新刀从投人切削到报废为止的总切削时间。一把新刀可刃磨多次才报废，因此，刀具的寿命应等于刀具耐用度与刃磨次数的乘积。刀具耐用度是一个表征刀具材料切削性能优劣的综合指标。相同的切削条件下，刀具耐用度越高，刀具材料的耐磨性越好。比较不同工件材料的切削加工性，刀具耐用度是一个重要指标，刀具耐用度越高，工件材料的切削加工性越好。2）切削用量与刀具耐用度的关系

切削用量与刀具耐用度有着密切关系，刀具耐用度直接影响机械加工中的生产效率和加工成本。切削用量三要素对切削温度有不同影响，因此，在此分别讨论这三要素与刀具耐用度的关系。工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素，提高切削速度，刀具耐用度就降低。在切削用量三要素中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，背吃刀量的影响最小，这与三者对切削温度的影响顺序完全一致。从减少刀具磨损的角度，为了提高切削效率而优选切削用量时，其次序应为：首先应选取大的背吃刀量，其次根据加工条件和加工要求选取尽可能大的进给量，最后在刀具耐用度或机床功率所允许的情况下选取切削速度。由于切削温度对刀具磨损具有决定性的影响，因此，凡是影响切削温度的因素都影响刀具磨损，因而也影响刀具耐用度。

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3）刀具耐用度的合理选择刀具磨损到达磨钝标准后即需换刀。尤其在自动线、多刀切削及大批量生产中，一般都要求定时换刀。①使该工序的加工生产率最高，即零件的加工时间最短②使该工序的生产成本最低，即所消耗的生产费用最低③使该工序所获利润最高4）刀具耐用度选择应遵循的原则①根据刀具的复杂程度、制造和刃磨成本的高低来选择；铣刀、齿轮刀具、拉刀等结构复杂，制造、刃磨成本高，换刀时间长，因此，它们的耐用度应选得高些；反之，普通机床上使用的车刀、钻头等为简单刀具，因刃磨简便及成本低，因此，它们的耐用度可选得低些；可转位车刀因具有不需刃磨以及换刀时间短的特点，为充分发挥其切削性能，应将刀具耐用度选得低些。②多刀机床上的车刀和组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及数控加工中心上的刀具，其耐用度应选得高些。③精加工大型工件时，为避免切削同一表面时中途换刀，所选用刀具的耐用度应规定为至少能完成一次走刀所需的时间④当车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率提高时，该工序的刀具耐用度要选得低些；当某工序单位时间内所分担的全车间开支较大时，该工序的刀具耐用度也应选得低些。金属切削规律及应用

刀具耐用度推荐的合理数值可在有关手册中查到，表2-8所列数据可供参考：金属切削规律及应用

（5）刀具的破损

刀具破损和磨损一样，也是刀具主要失效形式之一。特别是用陶瓷、超硬刀具材料制成的刀具，进行断续切削，或者加工高硬度材料时，刀具的破损更加严重。刀具破损的形式主要分为脆性破损和塑性破损两类。

1）刀具脆性破损①崩刃②碎断③剥落④裂纹破损2）刀具的塑性破损刀具的塑性破损是指切削时，在高温和高压的作用下，前刀面、后刀面，切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。刀具的塑性破损直接与工件材料和刀具材料的硬度比有关。硬度比高，不容易发生塑性破损。陶瓷刀具、硬质合金的硬度高，不容易发生塑性破损，高速钢刀具耐热性差，常发生塑性破损。金属切削规律及应用

二、切削过程基本规律的应用1.工件材料的切削加工性（1）工件材料切削加工性的衡量指标加工难易程度是相对而言的，不同加工要求，难易程度不同，某种材料对于某种加工要求可能是难加工，对另一种加工要求可能是易加工。不同的加工要求有不同的评定标准。

1）刀具耐用度指标

在相同切削条件，一定刀具耐用度T下，切削某种工件材料所允许的切削速度vcT与加工性能较好的正火状态45钢（vcT）J相比较，则相对切削加工性Kr为：Kr=vcT/（vcT）J（2-24）取T=60min，难加工材料可用T=20min。Kr>1的材料，加工性能好；Kr＜1，加工性能差。常用的指标见表2-9

金属切削规律及应用

Kr>1的材料，加工性能好；Kr＜1，加工性能差。常用的指标见表2-9

金属切削规律及应用2）切削力、切削温度指标在相同的切削条件下，切削力大，切削温度高的材料难加工，加工性能差；反之，加工性能好。3）加工表面质量指标精加工，常以此作为指标。凡加工表面质量的材料（不通），切削加工性好，反之较差。例如，低碳钢的加工性不如中碳钢，纯铝的加工性不如硬铝合金。4）断屑难易程度指标切屑容易控制或容易断屑的材料，其加工性能好，反之较差。在自动线和数控机床上常以此作为切屑加工性指标。金属切削规律及应用

（2）工件材料的物理力学性能对切削加工性的影响

1）硬度：硬度越高，加工性越差。

2）强度：强度越高，加工性越差。

3）塑性：材料硬度、强度大致相同时，塑性越大，加工性越差。

4）韧性：韧性越大，加工性越差。

5）导热系数：导热系数越大，加工性越好。金属切削规律及应用

（3）改善材料切削加工性的途径

1）适当热处理。通过热处理改变材料的金相组织，改变材料的物理力学性能。

2）调整工件材料的化学成分。大批量生产，可通过调整工件材料的化学成分改善切削加工性。

3）难加工的工件材料，采取其它相应对策。金属切削规律及应用

（4）常用材料的切削加工性

1）结构钢普通碳素钢应用广泛，属于普通材料。由于碳的含量不同，切削加工性有所差异。低碳钢（Wc＜0.25％）中金相组织以铁素体为主，硬度140HBS，塑性和韧性大，切削变形大，切屑分离母体时已加工表面会严重撕扯而产生大量细裂纹（又称鳞刺）。低碳钢容易与刀具前刀面粘结产生积屑瘤，这两个因素严重影响精加工表面质量。粗加工时，断屑困难，所以低碳钢的切削加工性较差。中碳钢（Wc=0.3％～0.6%）的金相组织中铁素体含量减少，珠光体增加，硬度为180HBS，综合性能好，加工性好，还可通过正火或调质处理，改善加工过程或加工质量。高碳钢（Wc=0.6％～0.8%）的金相组织以珠光体为主，正火后的硬度230～180HBS，切削加工性不如中碳钢。碳素钢的硬度在170～230HBS范围内切削加工性好，过硬，刀具磨损加剧；过软，不易断屑，影响切削过程与工件的加工质量。合金结构钢的切削加工性低于含碳量相近的碳素结构钢。

金属切削规律及应用2）铸铁普通铸铁的金相组织是金属基体加游离石墨。塑性和硬度低，切屑易断，组织中的石墨有一定的润滑作用，切削时摩擦系数小，切削力小，功率消耗少，不难加工。但是切屑是从石墨处开始不规则断裂的，深入到已加工表面以下，已加工表面粗糙。切削铸铁时，形成的崩碎切屑，与前刀面接触长度短，切削力、切削温度集中在刃区，最高温度在靠近切削刃的后刀面上。3）有色金属普通铝及铝合金的硬度和强度低，导热性好，属易切削材料。切削应选用大的刀具前角（γ0＞20°）和高的切削速度，所用刀具应锋利、光滑，以减少积屑瘤和加工硬化对表面质量的影响。铜及铜合金的硬度和强度都低，热性能也好，属易切削材料。纯铜和普通黄铜塑性和韧性大，断屑性差，易粘屑，切削应采用大的前角和可靠的断屑措施。铅黄铜和锡青铜的强度和硬度高，由于铅的存在，脆性增加，伸长率降低，切削变形小，形成崩碎切屑，可选用较高的切削速度。4）难加工金属材料随着科学技术的发展，诸如高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及其合金等难加工金属材料的应用越来越多。这些材料含有一系列合金元素，形成了各种合金渗碳体、合金碳化物、奥氏体、马氏体及带有残余奥氏体的马氏体等，不同程度地提高了硬度、强度、韧性、耐磨性乃至高温强度和硬度。切削加工时，切削力大，切削温度高，刀具磨损剧烈，造成严重的加工硬化和残余拉应力，加工精度降低，材料切削加工性差。金属切削规律及应用

2.切屑的控制（1）切屑的形态。带状切屑、节状切屑、粒状切屑和崩碎切屑四种类型，如图2-43所示

1）带状切屑图2-43（a）为带状切屑。切屑延续呈较长的带状，这是最常见的切屑形态

2）节状切屑图2-43（b）为节状切屑，又称为挤裂切屑。此类切屑底层表面光滑，时有裂纹，上层表面呈明显锯齿状，这是切屑形成过程中，第一变形区宽，剪切滑移量大，滑移变形产生加工硬化，剪应力增加，局部地方达到材料断裂强度。

3）粒状切屑

4）崩碎切屑。带状切屑不同的形式，如图2-44所示。

金属切削规律及应用

3）粒状切屑

图2-43（c）为粒状切屑，又称为单元切屑。切削塑性材料，剪切面上剪应力超过工件材料的破裂强度，节状切屑便被切离成粒状。采用较小的前角，切削速度低，进给量大时，易产生此类切屑。

4）崩碎切屑。

图2-43（d）为崩碎切屑。加工铸铁等脆性材料，脆性材料抗拉强度低，刀具切入后，切削层金属的塑性变形后容易挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的崩碎切屑。从加工过程的平稳、保证加工精度和加工表面质量考虑，带状切屑是较好的类型。带状切屑不同的形式，如图2-44所示。

金属切削规律及应用

从便于处理和运输的角度考虑，长条状切屑不便处理，容易缠绕工件或刀具，影响切削进行，不安全。螺卷状切屑，过程平稳，清理方便；重型机床上用大切削深度、大进给量车钢件，切屑卷曲成发条状，在工件的加工表面上顶断，靠自重坠落；自动线上的切屑不会缠绕，清理方便，是好的屑形；车削铸铁、脆黄铜等脆性材料时，切屑崩碎、飞溅，易伤人，磨损机床的滑动面，应设法使切屑连成螺卷状。金属切削规律及应用

（2）切屑的流向。切屑的流向对工件质量和加工安全有直接影响。切削条件不同，切屑流向的控制目的和方法也不尽相同。以车削外圆为例，刃倾角对切屑的流向影响最大，如图2-45所示。当刃倾角λs＞0°时，切屑流向待加工表面；当λs=0°时，切屑沿主剖面方向流出；当λs＜0°时，切屑流向已加工表面。以车削外圆为例，刃倾角对切屑的流向影响最大，如图2-45所示。

（3）切屑卷曲。切屑卷曲是由于切屑内部变形或碰到断屑槽等障碍物造成的，如图2-46所示，切屑在第I变形区剪切变形后，经前刀面流出，和切削层相比，切屑变短变厚，产生弯曲，如图2-46（a）所示。切屑向外流出过程中，受到前刀面的挤压和摩擦，在力矩的作用下，内部继续变形，使切屑自然卷曲，如图2-46（b）所示。采用断屑槽能使切屑在流经断屑槽时受到外力而产生卷曲，如图2-46（c）所示。如图2-46所示金属切削规律及应用（4）切屑折断

1）断屑原因

切屑经第Ⅰ、第Ⅱ变形区的严重变形后，硬度增加，塑性降低，性能变脆，为断屑创造了先决条件。切屑经变形自然卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值，切屑即会折断。2）断屑措施①断屑槽尺寸。常用的磨制断屑槽型式如图2-47所示，其中折线型和直线圆弧形适用于加工碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢，全圆弧型前角大，适用于加工塑性大的材料和重型刀具，断屑槽尺寸LBn（槽宽）、CBn（槽深）或γBn应根据切屑厚度hDh选（hDh大则LBn取大，以防产生堵屑现象）。断屑槽在前刀面上的位置有外斜式，平行式（适用粗加工）和内斜式（适于半精加工和精加工）。

金属切削规律及应用

②刀具角度主偏角和刃倾角对断屑的影响最大。主偏角越大，切屑厚越大，切屑卷曲时的弯曲应力越大，易于折断，Kr在75°～90°范围较好，可改变刃倾角的正、负值，控制切屑流向达到断屑的目的。③切削用量切削速度提高，易形成带状切屑，不易断屑；增大进给量，切屑厚度增大，切屑易折断；背吃刀量增不利大断屑，hD/bD（切削厚度/切削宽度）值小，断屑困难，hD/bD时，易于断屑。实际生产中，应综合考虑各方面的因素，根据加工材料、已选择的刀具角度和切削用量，选择合理的断屑槽结构和参数。金属切削规律及应用3.刀具几何参数的合理选择刀具的几何参数除包括刀具的切削角度、刀面形式、切削刃形状、刃区型式（切削刃区的剖面型式）等。刀具几何参数对切削金属的变形、切削力、切削温度和刀具磨损有显著影响，影响生产率、刀具寿命、已加工表面质量和加工成本。为充分发挥刀具的切削性能，除应正确选用刀具材料，还应合理选择刀具几何参数。金属切削规律及应用（1）前角的选择前角的大小决定切削刃的锋利程度和强固程度。增大前角可使刀刃锋利，减小切削变形，减小切削力和切削温度，高刀具寿命。较大的前角还有利于排除切屑，减小表面粗糙度。但是，增大前角会使刃口楔角减小，削弱刀刃的强度，散热条件恶化，切削区温度升高，刀具寿命降低，甚至造成崩刃。所以，前角不能太小，也不能太大。刀具合理的前角通常与工件材料、刀具材料及加工要求有关。首先，工件材料强度、硬度大时，为增加刃口强度，降低切削温度，增加散热体积，应选择较小的前角；材料的塑性大时，择较大的前角；加工脆性材料，塑性变形小，切屑为崩碎切屑，切削力集中在刀尖和刀刃附近，为增加刃口强度，选用小的前角。加工铸铁前角取5°～15°；加工钢材前角取10°～20°；加工紫铜前角取25°～35°；加工铝前角取30°～40°。其次，刀具材料的强度和韧性较高，选择大前角。高速钢强度高，韧性好；硬质合金脆性大，怕冲击；陶瓷刀比硬质合金刀的合理前角还要小些。工件表面的加工要求不同，刀具所选择的前角大小也不相同。粗加工，增加刀刃的强度，选用小的前角；高强度钢断续切削，为防止脆性材料的破损，采用负前角；精加工时，为增加刀具的锋利性，选择大前角；工艺系统刚性差和机床功率不足时，为使切削力减小，减小振动、变形，选择较大的前角。金属切削规律及应用（2）后角的选择刀具后角的作用是减小切削过程中，刀具后刀面与工件切削表面之间的摩擦。后角增大，可减小后刀面的摩擦与磨损，刀具楔角减小，刀具变得锋利，可切下薄的切削层；相同的磨损标准VB时，磨去的金属体积减小，刀具寿命提高；但是后角太大，楔角减小，刃口强度减小，散热体积减小，刀具寿命减小，故后角不能太大。刀具合理后角的选择主要依据切削厚度ac（或进给量f）的大小。切削厚度ac增大，前刀面上的磨损量加大，为增加散热体积，提高刀具寿命，后角应小些；切削厚度ac减小，磨损主要在后刀面上，为减小后刀面的磨损和增加切削刃的锋利程度，应使后角增大。刀具合理后角还取决于切削条件，原则如下：材料软，塑性大时，已加工表面易产生硬化，后刀面摩擦对刀具磨损和工件表面质量影响大，应取大后角；工件材料强度或硬度高时，为加强切削刃的强度，应选取小后角；切削工艺系统刚性差时，易出现振动，后角减小；对尺寸精度要求高的刀具，应取较小后角。这样磨耗掉的金属体积多，刀具寿命增加；精加工，因背吃刀量ap和进给量f小，切削厚度小，刀具磨损主要发生在后面，宜取大后角。粗加工或刀具承受冲击载荷时，为使刃口强固，应取小后角；刀具的材料对后角的影响与前角相似。高速钢刀具比同类型的硬质合金刀具的后角大2°～3°；车刀的副后角一般与主后角数值相等，有些刀具（如切断刀）受结构限制，只能取小角金属切削规律及应用（3）主偏角选择主偏角Kr的大小影响切削力、切削热和刀具寿命。切削面积Ac不变时，主偏角减小，切削宽度aw增大，切削厚度ac。减小，使单位长度上切削刃的负荷减小，刀具寿命增加；主偏角减小，刀尖角εr增大，刀尖强度增加，散热体积增大，刀具寿命提高；主偏角减小，可减少因切入冲击而造成的刀尖损坏；减小主偏角可使工件表面残留面积高度减小，使已加工表面粗糙度减小。但是，减小主偏角使径向分力Fp增大，引起振动及增加工件挠度，刀具寿命下降，已加工表面粗糙度增大，加工精度降低。主偏角还影响断屑效果和排屑方向。增大主偏角，切屑窄而厚，易折断。对钻头而言，增大主偏角，有利于切屑沿轴向顺利排出。主偏角可根据不同加工条件和要求选择使用。原则如下：粗加工、半精加工和工艺系统刚性差的，为减小振动，提高刀具寿命，选择大主偏角；加工硬材料，选择小主偏角；根据工件已加工表面形状，选择主偏角。加工阶梯轴，选Kr=90°；加工45°倒角，选Kr=45°等；考虑一刀多用，选通用性较好的车刀，如Kr=45°或Kr=90°等。金属切削规律及应用（4）副偏角的选择副偏角Kr´的作用是减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面间的摩擦，副偏角对刀具耐用度和已加工表面粗糙度有影响。副偏角减小，会使残留面积高度减小，已加工表面粗糙度减小；副后刀面与已加工表面间摩擦增加，径向力增加，易出现振动。但是，副偏角太小，刀尖强度下降，散热体积减小，刀具寿命减小。选取原则：精加工Kr´=5°～10°；粗加工Kr´=10°～15°；有些刀具因受强度及结构限制（如切断车刀），取Kr´=1°～2°。金属切削规律及应用（5）刃倾角选择刃倾角λs的作用是控制切屑流出方向、刀头强度和切削刃锋利程度。刃倾角λs＞0°时，切屑流向待加工表面；λs=0°时，切屑沿主剖面方向流出；λs＜0°时，切屑流向已加工表面。粗加工负刃倾角，增加刀具强度；断续切削，负刃倾角保护刀尖。λs=0°时，切削刃全程与工件同时接触，冲击大；λs＞0°时，刀尖先接触工件，易崩；λs＜0°时，离刀尖远处的切削刃先接触工件，保护刀尖。工件刚性差，不宜采用负刃倾角，负刃倾角使径向切削力Fp增大。精加工时宜选用正刃倾角，可避免切屑流向已加工表面，保证已加工表面不被切屑碰伤。大刃倾角刀具可使排屑平面的实际前角增大，刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，能切下极薄的切削层（微量切削）。刃倾角主要由切削刃强度与流屑方向而定。综合上述，刀具切削部分的各构造要素中，最关键的部位是切削刃，它完成切除与成形表面的任务，刀尖是工作条件最困难的部位。要处理好刃区的型式，如锋刃、负倒棱、过渡刃、修光刃等。刀具各角度间是互相联系、互相影响的，任何一个刀具的合理几何参数，都应在多因素的互相联系中确定。金属切削规律及应用

4.切削用量控制切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量、生产率和加工成本等均有显著影响。切削加工中，不同的切削用量有不同的切削效果，必须合理选择切削用量。所谓合理选择，是指在保证工件加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床、刀具的切削性能，提高生产率，降低生产成本。（1）切削用量选择原则

1）粗加工切削用量的选择原则根据工件加工余量，选择大的背吃刀量务；根据机床进给系统及刀杆的强度和刚度条件，选择大的进给量；根据刀具耐用度确定最佳切削速度，校核机床功率允许的切削用量。

2）精加工切削用量的选择原则根据粗加工后的加工余量确定背吃刀量务；根据已加工表面粗糙度要求，选取小的进给量；在保证刀具耐用度的前提下，选择高的切削速度，校核机床功率允许的切削用量。金属切削规律及应用

（2）切削用量的选择方法

1）背吃刀量的选定背吃刀量应根据加工余量和工艺系统刚性确定，在保留半精加工和精加工余量的前提下，如果工艺系统刚性允许，应尽量把余量一次切除，只在加工余量太大时，才分两次或几次走刀。通常是：第一次走刀取

ap1=（2/3～3/4）Ai（2-25）第二次走刀取

ap1=（1/4～1/3）Ai（2-26）其中Ai为工序余量在中等切削功率的机床上，粗加工背吃刀量可达8～10mm，半精加工背吃刀量可取0.5～2mm，精加工背吃刀量可取0.1～0.4mm。

金属切削规律及应用

2）进给量的选定

粗加工，对工件表面质量要求不高，主要考虑机床进给系统及刀杆的强度和刚度等因素。工艺系统的强度和刚度允许条件下，选用大的进给量。工件材料、刀杆尺寸、工件直径和已确定的背吃刀量，可查阅切削用量手册确定，表2-10为硬质合