1 - 机械制造技术第第3章 金属切削章 金属切削过程程@高等教育出版社 - 2 - Contents Page目录页03 切削过程基本规律应用01 金属切削过程02 切削过程基本规律 - 3 - Transition Page过渡页03 切削过程基本规律应用01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 - 4 - 3.1一、切削层及其参数一、切削层及其参数 以车削加工为例，如图3.1 所示，工件转一转，车刀沿工件轴向移动一个进给量 f（mm / r），车刀切削刃从一个位置移至另一个位置，在两个位置之间由车刀切削刃切下的一层金属称为切削层切削层在与切削速度方向相垂直的切削层剖面内度量的切削层的尺寸称为切削层参数切削层参数1. 切削厚度切削厚度ac 切削厚度是指过切削刃上选定点，在基面内测量的垂直于加工表面的切削层尺寸，单位为mmac ＝ f sin κr 2. 切削宽度切削宽度aw 切削宽度是指过切削刃上选定点，在基面内测量的平行于加工表面的切削层尺寸，单位为mmaw ＝ ap sin κr 3. 切削面积切削面积Ac 切削面积是指过切削刃上选定点，在基面内测量的切削层的横截面面积，单位为mm2。
Ac ＝ ac aw ＝ f ap 金属切削过程金属切削过程 - 5 - 3.1金属切削过程金属切削过程 - 6 - 3.1二、切削过程二、切削过程 图3.2 所示模型说明了切削过程的变形塑性金属材料在刀具的作用下，沿与作用力成45°的方向产生剪切滑移变形，当变形达到一定极限时，就会沿着变形方向产生剪切滑移破坏若刀具连续运动，虚线以上的材料就会在刀具的作用下与下方材料分离金属切削过程与上述过程基本相似 如图3.3 所示，在刀具的作用下，切削层金属经过复杂的变形后与工件基体材料分离形成了切屑这一过程中产生的变形可以划分为三个区域，即三个变形区，它们是位于切削刃前OAM 之间的第Ⅰ变形区、靠近前刀面的第Ⅱ变形区和位于后刀面附近的第Ⅲ变形区金属切削过程金属切削过程 - 7 - 3.1三、影响切削变形的因素三、影响切削变形的因素1. 工件材料的影响工件材料的影响 工件材料的硬度、强度越高，切屑与刀具之间的平均摩擦系数就越小，所以切削变形系数就减小；另一方面，材料的性能也会通过对积屑瘤的影响而影响切削变形，塑性大的材料在切削时易产生积屑瘤，从而增大了刀具的实际工作前角，减小了切削变形。
2.刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响（（1）前角的影响）前角的影响 前角直接影响剪切角Φ前角γo 增大，剪切角Φ 也增大，变形减小；前角还通过摩擦角β 影响剪切角2）刀尖圆弧半径的影响）刀尖圆弧半径的影响 当刀尖圆弧半径增大时，切削刃上参加切削的曲线刃的长度增加，使平均切削厚度减小，变形增大；另外，由于圆弧切削刃上各点的切屑流出方向不同，相互干涉，也增大了切屑的附加变形，使切削变形增大金属切削过程金属切削过程 - 8 - 3.13. 切削用量的影响切削用量的影响（（1）切削速度的影响）切削速度的影响 一方面，切削速度影响金属材料塑性变形的速度，当切削速度提高时，切削层金属变形不充分，第Ⅰ变形区后移，剪切角增大，切削变形减小；另一方面，切削速度通过对积屑瘤的影响来影响切削变形2）进给量的影响）进给量的影响 进给量增大，使切削厚度ac 增大，摩擦系数μ 减小，剪切角增大，从而使切削变形系数减小金属切削过程金属切削过程 - 9 - Transition Page过渡页03 切削过程基本规律应用01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 - 10 - 3.2一、切削力一、切削力 切削过程中，使工件上的切削层材料发生变形成为切屑所需的力，称为切削力切削力。
由工件作用在刀具上的反作用力是切削抗力切削抗力切削力的来源有两个：一是克服切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形抗力所需的力；二是克服刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力所需的力1. 切削合力和分力切削合力和分力 如图3.10 所示，直角自由切削时，作用在前刀面上的力有弹、塑性变形抗力Fnγ 和摩擦力Ffγ ；作用在后刀面上的力有弹、塑性变形抗力Fnα 和摩擦力Ffα 它们的合力Fr 作用在前刀面上近切削刃处直角非自由切削时，由于副刃的影响，使直角自由切削时的Fr 改变了方向这些因素产生的切削力的合力是空间力切削过程基本规律切削过程基本规律 - 11 - 3.21. 切削合力和分力切削合力和分力（（1）主切削力）主切削力Fc 垂直于基面，与主切削速度方向一致的分力它是最大的一个分力，是设计与使用刀具、计算机床功率和设计主传动系统的主要依据，也是夹具设计及切削用量选择的依据2）吃刀抗力）吃刀抗力Fp 在基面内，与进给方向相垂直，即沿吃刀方向上的分力吃刀抗力Fp 影响工艺系统的变形，会引起工艺系统振动，影响加工表面质量3）进给抗力）进给抗力Ff 在基面内，与进给运动方向相平行，即沿进给方向上的分力。
是验算机床进给系统零件强度的依据合力与各分力之间的关系为：切削过程基本规律切削过程基本规律 - 12 - 3.22. 切削功率与单位切削功率切削功率与单位切削功率 切削功率 pc（kW）指在切削过程中消耗的功率，它是各分力方向上所消耗功率的和由于主运动方向的功率消耗最大，通常是用主运动消耗的功率表示切削功率： 单位切削功率 pc ［kW / （mm3 ·s－1）］是指单位时间内切除金属层单位体积所消耗功率： 切削过程基本规律切削过程基本规律 - 13 - 3.23. 影响切削力的因素影响切削力的因素（（1）工件材料）工件材料（（2）切削用量）切削用量（（3）刀具几何参数）刀具几何参数切削过程基本规律切削过程基本规律 - 14 - 3.2切削过程基本规律切削过程基本规律 - 15 - 3.2二、切削热与切削温度二、切削热与切削温度1. 切削热切削热 切削热是切削过程中切削区的变形和摩擦所消耗的能量转化产生的热其中包括剪切区变形功形成的热、切屑与前刀面摩擦功形成的热、已加工表面与刀具后刀面摩擦功形成的热这些切削热又分别通过切屑、刀具、工件和周围介质传散。
影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况一般情况下， 切削热大部分由切屑带走和传入工件，所以能保证刀具正常工作切削过程基本规律切削过程基本规律 - 16 - 3.22. 切削温度切削温度 切削温度一般指切屑与前刀面接触区域的平均温度，是切削热在工件与刀具上作用的结果， 在刀具和工件一定的前提下，切削温度的高低决定于切削热产生的多少和传散的快慢 刀具上温度最高点是前刀面上近切削刃处，这是由于剪切变形热及切屑连续摩擦热作用，以及刀楔处热量集中不易散发所致图3.16 是前刀面上切削温度分布的实验结果，研究切削温度，就是要控制刀具上的最高温度切削过程基本规律切削过程基本规律 - 17 - 3.23. 影响切削温度的因素影响切削温度的因素（1）切削用量 切削用量中，切削速度对切削温度影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小2）刀具几何参数 刀具几何参数中，前角增大，切削变形减小，摩擦减小，产生的热量少， 切削温度低；但前角进一步增大，则因刀具的散热体积减小，切削温度不会进一步降低3）工件材料 工件材料是通过强度、硬度和导热系数等性能对切削温度产生影响的。
切削过程基本规律切削过程基本规律 - 18 - 3.2三、刀具磨损和刀具寿命三、刀具磨损和刀具寿命1. 刀具的磨损刀具的磨损 刀具磨损分为正常磨损正常磨损和非正常磨损非正常磨损正常磨损是指刀具在设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，在切削过程中逐渐产生的磨损非正常磨损是切削过程中突然或过早产生的损坏现象，如脆性破损（崩刃、碎裂、剥落等）、卷刃等切削过程基本规律切削过程基本规律正常磨损前刀面磨损后刀面磨损前、后刀面同时磨损 - 19 - 3.2切削过程基本规律切削过程基本规律 - 20 - 3.22. 刀具磨损的原因刀具磨损的原因（（1）磨粒磨损）磨粒磨损 切屑及工件中含有一些硬度极高的微小硬质点，可在刀具表面刻划出沟纹， 造成刀具表面的磨损，这就是磨粒磨损2）粘结磨损）粘结磨损 刀具与工件、切屑之间在高温高压的作用下易产生粘结接触面相对滑动时，在粘结处会产生剪切破坏，造成表面层破裂被一方带走，形成了新鲜表面接触，叫粘结磨损3）扩散磨损）扩散磨损 在高温作用下，刀具与工件接触面间分子活动能量大，造成合金元素相互扩散置换，使刀具材料力学性能降低，再经摩擦作用，刀具容易破损，它是一种化学性质的磨损。
4）相变磨损）相变磨损 若刀具上最高温度超过了刀具材料相变温度，表面材料的金相组织会发生变化，使硬度降低，加剧磨损，使刀面塌陷和切削刃卷曲工具钢刀具在高温时易产生相变磨损5）氧化磨损）氧化磨损 氧化磨损是一种化学性质的磨损在切削刃与切削层金属表面接触处，硬质合金中WC、Co 与空气介质中的氧化合成脆性、低强度的氧化膜WO2，该膜受到工件表层中氧化皮、硬化层等摩擦和冲击作用，形成了边界磨损切削过程基本规律切削过程基本规律 - 21 - 3.23. 刀具破损原因刀具破损原因 刀具破损主要是由于机械冲击力作用或受热后应力作用造成的使用硬质合金刀具或硬度高、抗弯强度较低的刀具在铣削、刨削、重型切削以及难加工材料切削和有冲击载荷工作中，最易产生破损此外，刀具材料韧性差，切削用量选择不当，材料内的应力或裂纹，操作、保管不当等，都易产生破损切削过程基本规律切削过程基本规律4. 磨损过程和磨钝标准磨损过程和磨钝标准（（1）磨损过程）磨损过程 正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大如图3.20 所示，以后（刀）面磨损为指标时，磨损过程可分为三个阶段： 初期磨损阶段（Ⅰ段）：由于刀具的表面粗糙不平所引起的磨损阶段，因为后刀面与工件表面实际接触面很小，压强很大，故磨损很快，时间较短，它与刀具刃磨质量有很大关系。
- 22 - 3.2 正常磨损阶段（Ⅱ段）：随着切削时间增长，磨损量以较均匀缓慢的速度加大这是由于经过Ⅰ段后，接触面增大，压强减小所致这一正常磨损阶段是刀具工作的有效阶段直线AB 的斜率代表磨损的程度（单位时间内磨损量称为磨损强度），该强度近似为常数，这是比较刀具切削性能的重要指标之一 急剧磨损阶段（Ⅲ 段）：磨损量达到一定数值后，磨损急剧加速，继而刀具损坏这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度、硬度降低所致工作时要尽量避免发生急剧磨损切削过程基本规律切削过程基本规律（（2）磨钝标准）磨钝标准 磨钝标准就是规定的刀具后面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值VB这是衡量刀具是否应该刃磨或更换刀刃的标准 - 23 - 3.25. 刀具寿命刀具寿命 刃磨后的刀具，自开始切削到磨损量达磨钝标准为止的总切削工作时间，称为刀具寿命，以T 表示这是确定换刀时间的重要依据 刀具总寿命表示一把新刀用到报废之前总的切削时间，其中包括多次重磨因此，刀具总寿命等于刀具寿命乘以重磨次数刀具寿命也可用达到磨钝标准前的切削路程（km）或加工的零件数（N）表示。
6. 影响刀具寿命的因素影响刀具寿命的因素 切削温度直接决定刀具寿命，所以影响切削温度的因素都对刀具寿命有影响切削过程基本规律切削过程基本规律 - 24 - Transition Page过渡页03 切削过程基本规律应用01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 - 25 - 3.3一、切屑的控制一、切屑的控制1. 切屑的种类切屑的种类切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 26 - 3.3切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 27 - 3.32. 切屑的流向、卷曲切屑的流向、卷曲（（1）切屑的流向）切屑的流向 在直角自由切削时，切屑在正交平面内流出在直角非自由切削时，由于刀尖圆弧半径和切削刃的影响，切屑流出方向与正交平面形成一个出屑角η，η与κr 和副切削刃工作长度有关；斜角切削时，切屑的流向受刃倾角 λs 影响，出屑角 η 约等于刃倾角λs 卷屑槽斜角也影响切屑的流向和屑形外斜式槽形使切屑向工件方向流出，内斜式槽形使切屑背离工件方向流出切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 28 - 3.3（（2）切屑的卷曲）切屑的卷曲 切屑的卷曲是由于切削过程中的塑性和摩擦变形、切屑流出时的附加变形而产生的。
通过在前刀面上制出的卷屑槽（断屑槽）、凸台、附加挡块以及其他障碍物可以使切削产生充分的附加变形采用卷屑槽能可靠地促使切屑卷曲，切屑在流经卷屑槽时，受外力 F 作用产生力矩 M 使切屑卷曲切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 29 - 3.3二、材料的切削加工性二、材料的切削加工性1. 衡量切削加工性的指标衡量切削加工性的指标（（1）刀具耐用度指标）刀具耐用度指标 在相同的加工条件下，切削某种材料时，若刀具耐用度T 较长或在相同耐用度下的切削速度vcT较大，则该材料的切削加工性较好；反之，其切削加工性较差 在切削普通材料时，用耐用度达到60 min 时所允许的切削速度vc60 来衡量材料加工性，切削难加工材料时，用vc20 来评定2）切削力、切削温度指标）切削力、切削温度指标 在相同切削条件下，凡切削力大切削温度高的材料加工性差； 反之，则加工性好如铜、铝加工性比钢好，灰铸铁加工性比冷硬铸铁好，正火45 钢加工性比淬火45 钢好切削力大，则消耗功率多在粗加工或工艺系统刚性差时，也可用切削功率作为加工性指标3）加工表面质量指标）加工表面质量指标 精加工时，常以此为切削加工性指标。
凡容易获得好的加工表面质量（包括表面粗糙度、冷作硬化程度及残余应力等）的材料，其切削加工性较好，反之较差4）断屑难易程度指标）断屑难易程度指标 凡切屑容易控制或容易断屑的材料，其切削加工性较好，反之则较差在自动线和数控机床上，常以此为切削加工性指标切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 30 - 3.3切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 31 - 3.32. 常用材料切削加工性及其改善措施常用材料切削加工性及其改善措施（（1）普通金属材料）普通金属材料 硬度低、韧性高的材料、如黄铜、铝合金及低碳钢等，在切削时断屑困难，易产生积屑瘤，影响加工表面质量可采用增大刀具前角、提高切削速度或增大前角、低速加切削液；在刀具上磨制断屑槽控制断屑；或对材料进行热处理，如对低碳钢进行正火处理，细化晶粒等，来改善材料的切削加工性 对于硬度高、韧性差的材料，如高碳钢、碳素工具钢及灰铸铁等，切削时产生的切削力大，消耗功率多，刀具易磨损可采用耐磨性高的刀具，减小前角和主偏角，降低切削速度等措施；以及对材料进行热处理，如对灰铸铁高温退火处理、对碳素工具钢等进行退火处理，降低其强度，改善切削加工性。
切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 32 - 3.3（（2）难加工材料）难加工材料 对于硬度、强度和延伸率均很高的高合金钢，加工时切削力大，消耗功率多，切削温度高，断屑困难，加工表面质量也差，刀具磨损剧烈对此类综合加工性指标均很差的材料进行加工，最好用涂层硬质合金刀片，采用大前角（10° ～ 20°）、大主偏角（45° ～ 75°）、负刃倾角（－ 5°～ －10°）、大刀尖圆弧半径、磨制断屑槽、降低切削速度（＜100 m / min）等措施来减小切削力，提高刀具强度也可通过退火、回火及正火处理来改善其加工性 对于硬度、强度不高，但塑性和韧性特别高的材料（如高锰钢），应选用硬度高、有一定韧性、导热系数较大、高温性能好的刀具材料粗加工时，采用YG 类、YH 类或YW 类硬质合金；精加工时，可采用YT14、YG6X 等合金 冷硬铸铁的硬度极高，塑性很低，切削力和切削热都集中在切削刃附近，因而刀刃很容易崩损冷硬铸铁零件的结构尺寸和加工余量一般都较大，因而进一步加大了加工难度应选用硬度、强度都好的刀具材料，一般采用细晶粒或超细晶粒的YG 类和YH 类硬质合金、复合氧化铝或氮化硅陶瓷刀具对冷硬铸铁进行精加工、半精加工。
前角取很小值，以提高切削刃和刀尖的强度，主偏角也应适当减小切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 33 - 3.3三、切削液三、切削液1. 切削液的作用切削液的作用冷却作用 + 润滑作用 + 清洗作用 + 防锈作用2. 切削液的种类与选用切削液的种类与选用切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用切削液水溶性切削液水溶液乳化液化学合成液离子型切削液非水溶性切削液切削油极压切削油固体润滑剂 - 34 - 3.33. 切削液的使用方法切削液的使用方法（（1）浇注法）浇注法 切削加工时，切削液以浇注法用得最多此时，浇注量应充足，浇注位置应尽量接近切削区 深孔加工时，应使用大流量、高压力的切削液，以达到有效地冷却、润滑和排屑目的2）喷雾冷却法）喷雾冷却法 利用压缩空气使切削液雾化，并高速喷向切削区，当微小的液滴碰到灼热的刀具、切屑时，便很快汽化，带走大量的热量，从而有效地降低切削温度3）高压冷却法）高压冷却法 高压冷却是在高压作用下使切削液通过刀体内部的通道直接流向切削区，起到充分冷却作用切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 35 - 3.3四、切削用量的合理选择四、切削用量的合理选择1. 粗加工切削用量的选择粗加工切削用量的选择（（1）背吃刀量的选定）背吃刀量的选定 背吃刀量应根据加工余量确定，在保留后续加工余量的前提下，尽量将粗加工余量A 一次切完，当余量过大或工艺系统刚性较差时，可分两次走刀切除。
一般背吃刀量所形成的作用切削刃长度不宜超过刀刃长度的三分之二2）进给量的选定）进给量的选定 进给量受到工艺系统刚性的限制，在系统刚性允许条件下，选一个最大的进给量值或者用已选定的背吃刀量和进给量求出三个切削分力，分别校验刀杆强度、工件装夹刚度及机床进给机构薄弱环节的强度等，根据上述原则，可利用计算的方法求出进给量3）切削速度的选定）切削速度的选定 在背吃刀量和进给量确定后，再根据合理的寿命值，计算出切削速度此外，生产中经常按实践经验和有关手册来选取切削速度切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 36 - 3.3选择切削速度还应考虑下列几点： ① 精加工时，应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域② 断续切削时，适当降低切削速度③ 在易发生振动的情况下，切削速度应避开产生自激振动的临界速度④ 加工大件、细长件和薄壁件时，应选用较低的切削速度⑤ 加工带外皮的工件时，应降低切削速度切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 37 - 3.32. 半精车、精车切削用量的选择半精车、精车切削用量的选择（（1）背吃刀量的选定）背吃刀量的选定 原则上一次切除余量，由于硬质合金刀刃口不锋利及钝圆半径的挤压和摩擦作用，背吃刀量不宜过小，一般应大于0.05 mm。
2）进给量的选定）进给量的选定 半精车和精车切削力较小，进给量的选定只受到加工表面粗糙度的限制，可查阅有关手册确定查表时，先预定一个偏高的切削速度，因为高速时的进给量比低速时的进给量大一些3）切削速度的选定）切削速度的选定 半精车和精车的切削力对工艺系统的强度和刚度影响较小，消耗功率较少，故切削速度主要受刀具耐用度限制，可计算或查表求出切削过程基本规律应用切削过程基本规律应用 - 38 - 1.金属切削过程的实质是什么？试述前角、切削速度改变对切削变形的影响规律2.什么是切削层，切削层的参数是如何定义的？ 3.分别说明切削速度、进给量及背吃刀量改变对切削温度的影响4.刀具磨钝标准与刀具耐用度之间有何关系？确定刀具耐用度有哪几种方法？要提高刀具耐用度，前角和主偏角应如何改变？ 5.试论述三个变形区的变形实质及其对加工过程和质量的影响6.车削直径为80 mm、长为200 mm 棒料外圆，若选用ap ＝ 4 mm，f ＝ 0.5mm / r，n ＝ 140 r / min，试问切削速度vc 为多少？切削时间tm 为多少？若使用刀具主偏角κr ＝ 75°，试问其切削厚度、切削宽度、切削面积为多少？ 7.简述断屑过程、断屑槽有几种形式，各有何特点。
8.粗磨外圆、钻孔、精铰孔、精刨铸铁件、拉孔、滚削齿轮各采用什么切削液，为什么？ 9.什么叫相对加工性指标？用材料的哪些性能来衡量切削加工性？ 思考与练习题思考与练习题 。