机械制造基础(第二版)第3章z金属切削过程
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机械制造基础3
（二）切削运动
刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。
按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。
上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度
速度V
c 和进给运动速度V
f
之间的关系。
（二）标注角度坐标系
在刀具设计、制造、刃磨、测量时用于定义刀具几何参数的参考系，称为标注角度参考系。
在该参考系中定义角度称为刀具的标注角度。
1、假定运动条件：假定无进给运动。
2、假定安装条件：假定车刀刀尖与工件中心等高；车刀刀杆中心线
这次课我们主要讲授了切削运动和切削用量的有关知识，重点学习的是外圆车刀理论角度的定义方法。
机械制造技术基础 第二版 §3.1 金属切削刀具基础
2.刀具安装位置对工作角度的影响
（1）切削刃上选定点安装高低对刀具工作角度的影响
当切削刃上选定点安装得比工件中心高时，工作切削平面将变为Pse， 工作基面变为Pre，在切深剖面P—P(仍为标注切深剖面)内的工作前角γpe 增大，工作后角αpe减小。 则刀具工作角度为： γpe=γp+θp； αpe=αp – θp
只有在进给运动引起刀具角度值变化较大 时(如车螺纹或丝杠、铲背和钻孔时)才计 算工作角度。
1）进给运动对刀具工作角度的影响 (1)横车
图1-8 横向进给运动对工作角度的影响
工作前角和工作后角分别为:
γoe = γo + η
αoe = αo – η
fn f tan v dn d
第三章 切削过程及其控制
金属切削加工是机械制造工业中的一种基本 加工方法。加工时工件和刀具都安装在机床上并 完成一定的相对运动，使刀具在工件毛坯上切去 部分多余的材料，将毛坯加工成具有一定尺寸、 形状、精度和表面质量的零件。
切削加工必须具备三个条件：
刀具与工件之间要有相对运动； 刀具具有适当的几何参数，即切削角度； 刀具材料具有一定的切削性能。
由基准平面Pr — Ps — Po组成的静止参 考系称为刀具的正交平面参考系。
4）法平面Pn ：通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。
由基准平面Pr — Ps — Pn组成的静止参考系称 为刀具的法平面参考系。
5）假定工作平面Pf ：通过切削刃上选定点，垂直于基面， 且平行于假定进给运动方向的平面。 6）背平面Pp：通过切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定 工作平面的平面。 由基准平面Pr — Pf — Pp组成的静止参考系称为刀具的 假定工作平面—背平面参考系。
机械制造技术基础B 第三章 第一节 切削过程及控制
剪切角Ф 的变化与切削变形、切削力有着密切的关系，代表了 变形的程度。因为Ф 减小，切屑变厚、变短，变形系数ξ增大，
切削费力。
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
切屑形成的金相照片
M
终滑移线 切屑
A
Φ剪切角
刀具
始滑移线
O
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
2. 变形系数ξ
结论
①前角γo 增大，剪切角Φ随之增大，变形ξ减小。因此增大γo，
有利于改善切削过程。
②摩擦角β增大，剪切角Φ随之减小，变形ξ增大。应采用切削
液等来减小摩擦。
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
六、切屑的种类及控制
工件材料不同，切削条件不同，则切削变形的程度不同，所 产生的切屑形态也不同。切屑的形态如图所示：
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
由于刀刃钝圆 r、棱带VB、CD部分先后与工件已加工表面
挤压、摩擦，使已加工表面层的变形更加剧烈。
表层剧烈的塑性变形造成加工硬 化和残余应力，影响已加工表面的 质量和工件的疲劳强度；同时也增 加了下道工序加工的困难及刀具磨 损。
所以应尽量减轻已加工表面的加 工硬化程度。
八、影响切削变形的因素
从切削变形过程已知，凡是能影响前刀面摩擦系数的因素都会 影响切削变形（切屑变形）。
切削变形理论的三个重要公式：
cos( 0 ) sin
4
0
av
s av
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
1. 工件材料的影响 工件材料的强度和硬度↑，则刀-屑接触长度↓，摩擦系数
切削层塑变后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。即切 屑厚度ach 大于切削厚度ac，切屑长度lch 小于切削长度lc。
切削费力。
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
切屑形成的金相照片
M
终滑移线 切屑
A
Φ剪切角
刀具
始滑移线
O
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
2. 变形系数ξ
结论
①前角γo 增大，剪切角Φ随之增大，变形ξ减小。因此增大γo，
有利于改善切削过程。
②摩擦角β增大，剪切角Φ随之减小，变形ξ增大。应采用切削
液等来减小摩擦。
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
六、切屑的种类及控制
工件材料不同，切削条件不同，则切削变形的程度不同，所 产生的切屑形态也不同。切屑的形态如图所示：
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
由于刀刃钝圆 r、棱带VB、CD部分先后与工件已加工表面
挤压、摩擦，使已加工表面层的变形更加剧烈。
表层剧烈的塑性变形造成加工硬 化和残余应力，影响已加工表面的 质量和工件的疲劳强度；同时也增 加了下道工序加工的困难及刀具磨 损。
所以应尽量减轻已加工表面的加 工硬化程度。
八、影响切削变形的因素
从切削变形过程已知，凡是能影响前刀面摩擦系数的因素都会 影响切削变形（切屑变形）。
切削变形理论的三个重要公式：
cos( 0 ) sin
4
0
av
s av
第三章 切削过程及控制 第一节 切削过程及切屑类型
1. 工件材料的影响 工件材料的强度和硬度↑，则刀-屑接触长度↓，摩擦系数
切削层塑变后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。即切 屑厚度ach 大于切削厚度ac，切屑长度lch 小于切削长度lc。
认识金属切削过程
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二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（1）轨迹法
轨迹法是指利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行
加工的方法。利用轨迹法加工工件时，刀具切削刃与工件表 面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具 刀尖的运动轨迹来实现表面成形。
如图所示，刀尖的曲线运动和工件的回转运动相结合，形成了 回转双曲面。
每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位
移，单位是mm/齿。 进给速度 vf 、进给量 f 和每齿进给量 fc 之间的关系如下：
vf nf nfz z
（2-2）
式中：n ——主运动的转速，r/s或r/min；
z ——刀具的齿数，齿/r。
15
三、切削用量
（a）平面的形成
（b）圆柱面的形成 （c）圆锥面的形成
7
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
普通螺纹的螺旋面可以看作是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而
形成的，如图d所示；
直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面可以看作是由渐开线（母线）沿直线（导
线）运动而形成的，如图e所示。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
移量。已知：工件转速n为220 r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6 mm，可得
（3）背吃刀量
f 60l 60 1.6 0.44 mm/r。 n 220
由于车外圆的主运动是工件的回转运动，因此根据式（2-3）和已知条件可得
ap
dw
dm 2
75 66 2
4.5 mm。
18
机械制造基础
11
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（3）展成法
展成法是指利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（1）轨迹法
轨迹法是指利用刀具做一定规律的轨迹运动对工件进行
加工的方法。利用轨迹法加工工件时，刀具切削刃与工件表 面之间为点接触，通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具 刀尖的运动轨迹来实现表面成形。
如图所示，刀尖的曲线运动和工件的回转运动相结合，形成了 回转双曲面。
每齿进给量：是指多齿刀具（如铣刀、铰刀等）每转过或移动一个齿相对工件在进给运动方向上的位
移，单位是mm/齿。 进给速度 vf 、进给量 f 和每齿进给量 fc 之间的关系如下：
vf nf nfz z
（2-2）
式中：n ——主运动的转速，r/s或r/min；
z ——刀具的齿数，齿/r。
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三、切削用量
（a）平面的形成
（b）圆柱面的形成 （c）圆锥面的形成
7
二、切削过程中工件的表面及其形成方法
普通螺纹的螺旋面可以看作是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而
形成的，如图d所示；
直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面可以看作是由渐开线（母线）沿直线（导
线）运动而形成的，如图e所示。
形成表面的母线和导线统称为发生线。
移量。已知：工件转速n为220 r/min，刀具每秒沿工件轴向移动1.6 mm，可得
（3）背吃刀量
f 60l 60 1.6 0.44 mm/r。 n 220
由于车外圆的主运动是工件的回转运动，因此根据式（2-3）和已知条件可得
ap
dw
dm 2
75 66 2
4.5 mm。
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机械制造基础
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二、切削过程中工件的表面及其形成方法
（3）展成法
展成法是指利用刀具和工件作展成切削运动进行加工的
机械制造技术基础第3章 z金属切削过程
13
3.1.1 切削变形
影响切削变形的因素
工件材料 工件材料的强度、硬度越高，刀屑之间的摩擦系数就越小， 所以切屑变形就越小 刀具的角度 ①前角的影响 刀具的前角越大，切削刃越锋利，刀具前 面对切削层的挤压作用越小，则切屑变形就越小。 ②刀尖圆弧半径的影响 切削用量 ①切削速度的影响 ②进给量的影响 进给量增加变形 减小
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3.1.1 切削变形
鳞刺
已加工表面上一种鳞片状毛刺的现象。它对表面粗糙度有 严重的影响。 鳞刺产生的场合 通常在较低的切削速度时对塑性金属进行车、刨、钻、 拉螺纹加工和齿轮加工，都可能出现鳞刺。 控制鳞刺的方法 采用减小切削厚度和使用润滑性能好的极压切削油或极 压乳化液、高速切削、加热切削等措施，都可抑制鳞刺。
11
3.1.1 切削变形
加工硬化（冷硬）
已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象
加工硬化产生的原因 经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生 扭曲、挤紧和碎裂造成已加工表面的硬度增高。 加工硬化产生的后果 硬化程度严重的材料使得切削变得困难。冷硬还使得已 加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工 表面的质量和材料的疲劳强度。 加工硬化的控制 提高切速，加大前角，减小刃口半径；如加大后角，提 高刀具刃磨质量；进行适当的热处理
M
φ
O
图3-10 相对滑移系数
8
3.1.1 切削变形
积屑瘤成因
由于刀屑接触面的粘结摩擦及滞流作用，在切削塑性金属 时，在前面上的温度、压力适宜的时候，切屑底层金属粘 结在刃口附近的前面上，形成一个硬度很高的楔块，这楔 块称为积屑瘤，或称刀瘤，如图3－6所示。 积屑瘤在形成过程中 是一层层增高的，到一 定高度会脱落，是一个 生成、长大、脱落的周 期性过程。
《机械制造基础》教学课件—03金属切削基础知识
（2）进给量的选择。粗加工时，对工件的表面质量要求不太高，进给量主要受机床、 刀具和工件所能承受切削力的限制。精加工时，切削深度较小，切削力不大，进给量主 要受工件表面粗糙度的限制。
（3）切削速度的选择。粗加工时，由于切削力一般较大，切削速度主要受机床功率的 限制。精加工时，切削力较小，切削速度主要受刀具耐用度的限制。
第三章 金属切削基础知识
• 熟悉切削用量的三要素及其选用原则。 • 熟悉常用车刀的结构、主要角度及其作用。 • 了解刀具对材料性能的要求和常用刀具材料。 • 了解切屑变形的基本过程。 • 了解切削力、切削热及其对加工的影响。 • 理解刀具磨损的原因及形式，掌握刀具耐用度的知识。 • 了解切削机床的类型、常用机床的运动特性和结构特点。是一种加入了较多钨、铬、钒以及钼等合金元素的高合金工具钢，具有良好的综合性能。其强 度和韧性在现有刀具材料中较突出，并且制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃，在复杂刀具（如 麻花钻、丝锥、齿轮刀具和成形刀具）的制造中，仍占有主要地位。
2．切削用量对加工的影响
在生产中，忽略切削加工的实际规律盲目提高切削用量，看似能够提高生产效率，实际上却是“欲速 则不达”，往往达不到加工要求。
（1）切削用量对加工质量的影响。根据生产实践的经验，切削用量对加工质量的影响包括以下几个方 面。
① 切削深度和进给量增大，都会使切削力增大，工件变形增大，并可能引起震动，从而降低加工精度 和增大表面粗糙度Ra值。
式中，T—刀具寿命。 CT—常系数。
在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量的影响次之，切削深度的影响最小。 当提高切削速度时，刀具寿命的降低倍数比增大同样倍数的进给量和背吃刀量时要大得多。
3．切削用量的选择
综合切削用量三要素对刀具耐用度、生产率和加工质量的影响，选择切削用量的顺序为：
（3）切削速度的选择。粗加工时，由于切削力一般较大，切削速度主要受机床功率的 限制。精加工时，切削力较小，切削速度主要受刀具耐用度的限制。
第三章 金属切削基础知识
• 熟悉切削用量的三要素及其选用原则。 • 熟悉常用车刀的结构、主要角度及其作用。 • 了解刀具对材料性能的要求和常用刀具材料。 • 了解切屑变形的基本过程。 • 了解切削力、切削热及其对加工的影响。 • 理解刀具磨损的原因及形式，掌握刀具耐用度的知识。 • 了解切削机床的类型、常用机床的运动特性和结构特点。是一种加入了较多钨、铬、钒以及钼等合金元素的高合金工具钢，具有良好的综合性能。其强 度和韧性在现有刀具材料中较突出，并且制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃，在复杂刀具（如 麻花钻、丝锥、齿轮刀具和成形刀具）的制造中，仍占有主要地位。
2．切削用量对加工的影响
在生产中，忽略切削加工的实际规律盲目提高切削用量，看似能够提高生产效率，实际上却是“欲速 则不达”，往往达不到加工要求。
（1）切削用量对加工质量的影响。根据生产实践的经验，切削用量对加工质量的影响包括以下几个方 面。
① 切削深度和进给量增大，都会使切削力增大，工件变形增大，并可能引起震动，从而降低加工精度 和增大表面粗糙度Ra值。
式中，T—刀具寿命。 CT—常系数。
在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量的影响次之，切削深度的影响最小。 当提高切削速度时，刀具寿命的降低倍数比增大同样倍数的进给量和背吃刀量时要大得多。
3．切削用量的选择
综合切削用量三要素对刀具耐用度、生产率和加工质量的影响，选择切削用量的顺序为：
机械制造基础ch02金属切削过程jg课件
某种条件下：
Ff (0.4 ~ 0.5)Fc
Fp (0.3 ~ 0.4)Fc
F (1.12 ~ 1.18)Fc
Fc (0.85 ~ 0.89)F
3、工作功率Pe 和切削功率Pc
工作功率Pe :
定义：“同一瞬间切削刃基点的工作力与合成切 削速度的乘积”。 工作力(Fe)：是指总切削力在合成切削速度方向 的正投影，在工作平面中定义。
a.材料的强度、硬度越高，变形抗力越大， 切削力也越大。
b.强度、硬度相近的材料，塑性、韧性越 大，切削力越大。
二、影响切削力的主要因素
2
a. ap、f增大，切削力增大（ap影响大） b. vc对切削力的影响不大（影响积屑瘤）
在切削加工时，从降低切削力和切削功 率的角度考虑，加大进给量比加大背吃刀 量有利。
切削力的来源
图2-8 作用在刀具上的力
2
1）切削力 F c --切向力（主切削力）
2）背向力 F p --径向力（切深抗力） 3）进给力 F f --轴向力（进给抗力）
Fp (0.15 ~ 0.7)Fc , Ff (0.1 ~ 0.6)Fc
F F F F
2
2
2
c
f
p
图2-9 车削时总切削力的分解
剪切面 pφ与切削速度 (主运动)方向之间的夹 角称为剪切角，用φ表 示
图2-2 剪切角与切削变形
2.切屑厚度压缩比（变形系数>1）
h l A h l h
Dh
D
D Dh
说明：
1、同一工件材料，若切削条件不 同，则切削厚度压缩比不同；
2、不同工件材料，即使切削条件 相同，切削厚度压缩比不同；
3、用切削厚度压缩比反映切削变 形比较简单、直观，但很粗略。
机械制造基础-3-1
即变形程度较小，切削比较省力。
2.变形系数ξ(>1)
五、前刀面的挤压与摩擦及 其对切屑变形的影响
第二变形区：切削层金属经过第一变形区的剪切滑移 变形后，沿前刀面方向排出时，由于受到前刀面的挤 压与摩擦会进一步变形。变形主要集中在和前刀面摩 擦的切屑层底面一薄层金属内，这个区域为第二变形 区。 变形特征：使切屑底层靠近前刀面处纤维化，切屑流 动速度减慢，底层金属甚至会滞留在前刀面上；由于 切屑底层纤维化晶粒被伸长，形成切屑的卷曲；由摩 擦产生的热量使切屑底层与前刀面处温度升高。前刀 面上的挤压和摩擦不仅造成第二变形区的变形，并且 对第一变形区也有影响。例如前刀面的摩擦很大，切 屑不易排出，则第一变形区的剪切滑移必将加剧。
切削瘤的形成及其对切削过 程的影响
六、切削瘤的形成及其对切削过 程的影响
Hale Waihona Puke 积屑瘤对切削过程的影响：（1）使实际前角增大
（2）增大切入深度
（3）使加工表面粗糙度值增大
（4）影响刀具耐用度
精加工时避免或减小积屑瘤的措施
①控制切削速度，尽量采用很低或者很高 的速度，避开中速区； ②使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦； ③增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力； ④提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。
3.前刀面上的摩擦
塑性金属在切削过程。故切屑 与前刀面之间不是一般的外摩擦，而是切屑与前刀面粘结层与 其上层金属之间的内摩擦。
4.影响前刀面摩擦系数的主要因素
工件材料：实验表明在相同切削条件下，加工 几种不同工件材料，如铜、10钢、10Cr钢、 1Cr18Ni9Ti等，随着工件材料的强度和硬度的 依次增大，摩擦系数μ略有减少。 切削厚度：ac增加时，μ也略为下降，如10钢 的ac从0.1mm增大到0.18mm,μ从0.74降至0.72。 因为ac增加后正应力也随之增大。 刀具前角：在一般切削速度范围内，前角γ0 愈大，则μ值愈大。因为随着γ0增大，正应 力减小，故μ增加。 切削速度：当v<30m/min时，切削速度提高， 摩擦系数变大。
模块三 金属切削过程
3）、切削力
切削时，工件材料抵抗车刀切削所产生的阻力称为切削力。总切削力F可以分 解为三个互相垂直的分力。
（1）主切削力Fz（切向力）：主要耗功的力，消耗车削功率的 95％以上。 （2）切深抗力Fy（径向力）：吃刀抗力。
（3）进给抗力Fx（轴向力）：走刀抗力。
4）切削热和工切削温度
当以很小的刀具前角，很大的进给量和很低的切削速度切削塑性金属时形成 的是节状切屑。这种切屑较厚，一面有锯齿形的剪裂缝。形成这种切屑时金 属变形很大，切削力有波动，加工出的工件表面较粗糙。
③ 崩碎切屑
切削脆性金属如铸铁、黄铜等，形成片状切屑，工件材料越脆，刀具前角越 小，越容易形成此类切屑。形成崩碎切屑时，切屑与工件分离面凹凸不平， 所以加工表面比较粗糙。
1、刀具工作角度
（1）刀具安装高低对工作角度的影响 下图表示切断刀主切削刃比工件中心装高h时，其工作角度的变化情况。此时， 工作前角增大，工作后角减小。当刀刃低于工件中心时，工作前角减小，工 作后角增大。在孔内切槽时，主切削刃安装高低对工作角度的影响与上述相 反。
（2）刀柄轴线与进给方向不垂直时对工作角度的影响
图示为车刀刀柄轴线与进给方向不垂直时对主、副偏角 工作角度的影响
主偏角
副偏角
二、金属切削过程
金属切削过程是指工件上多余的金属层，在刀刃的切割、前刀面 的推挤下，产生变形滑移而变成切屑的过程。
1）、切屑类型（如图） 切屑有三大类型：带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑。
（成因见书P22）
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• 第三级——金属切削过程——
• 第四级 • 第五级
机械制造基础第3章
3.3.2 刀具材料应具备的性能
1．高硬度和高耐磨性。 2．足够的强度与冲击韧性。 3．良好的耐热性。 4．良好的工艺性和经济性。
3.3.3 常用刀具材料
常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和 超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。
常用刀具材料简介
认识其他刀具（视频）
ห้องสมุดไป่ตู้.3.4 刀具角度
刀具的组成部分
车刀及其刃磨（视频）
2. 定义刀具角度的辅助平面
基面：通过主切削刃上一点并与该点切削速度方向垂 直的平面。 切削平面：通过主切削刃上一点并与该点加工表面相 切的平面，其包含切削速度。 主剖面：通过主切削刃上一点并与主切削刃在基面上 的投影垂直的平面。
3. 刀具角度的定义
车刀的结构及主要刀具角度 认识刀具前角 认识刀具后角 认识刀具主偏角和副偏角 主偏角对刀具寿命的影响
第3章 金属切削基础知识
本章学习要求
• • • • • • • • 掌握机床成形运动的知识。 明确切削用量的三要素及其选用原则。 熟悉常用车刀的结构、主要角度及其作用。 了解对刀具材料性能的要求和常用刀具材料。 了解切屑变形的基本过程。 了解切削力、切削热及其对加工的影响。 理解刀具磨损的原因及形式，掌握刀具耐用度的 知识。 了解切削机床的类型和常用机床的运动特性和结 构特点。
本章大纲
• 3.1 • 3.2 • 3.3 • 3.4 • 3.5 • 3.6 零件表面的成形运动 切削运动和切削用量 金属切削刀具 金属切削过程 刀具磨损、破损和刀具寿命 金属切削机床简介
3.1
零件表面的成形运动
机械加工的主要任务是获得符合使用要求的零件表面。机 械零件的各种表面都可看作是一条线（称为母线）沿着另一条 线（称为导线）运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发 生线。直接参与切削过程，形成工件表面的刀具与工件之间的 相对运动称为表面成形运动。 在机床上加工工件时，一定形状的切削刃与工件被加工表 面间的相对运动即可形成工件所需要的表面形状，即形成需要 的发生线。形成发生线的方法可概括为以下四种。
金属切削过程
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。
- 22 -
3.2 切削过程基本规律
5. 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
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mm。
ac ＝ f sin κr
2. 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mm。
aw ＝ ap sin κr
3. 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。
- 17 -
3.2 切削过程基本规律
三、刀具磨损和刀具寿命
1. 刀具的磨损 刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损。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。
正常磨损
金属切削过程
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目录页
Contents Page
01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 03 切削过程基本规律应用
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过渡页
Transition Page
01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 03 切削过程基本规律应用
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3.1 金属切削过程
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。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。 1. 切削厚度ac
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3.2 切削过程基本规律
5. 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
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mm。
ac ＝ f sin κr
2. 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mm。
aw ＝ ap sin κr
3. 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。
- 17 -
3.2 切削过程基本规律
三、刀具磨损和刀具寿命
1. 刀具的磨损 刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损。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。
正常磨损
金属切削过程
-1-
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01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 03 切削过程基本规律应用
-2-
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01 金属切削过程 02 切削过程基本规律 03 切削过程基本规律应用
-3-
3.1 金属切削过程
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。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。 1. 切削厚度ac
机械制造及金属工艺课件——第三章 金属切削工程
已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦， 造成纤维化和加工硬化。
三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢 料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈 三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或 刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于 比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。 1、积屑瘤是如何形成的? 1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。 2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生 粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层 上流过，形成“内摩擦”。 3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形， 也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。 4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造 成粘附为止。
一、切削层及切削层参数 以车削加工为例，工件转一转，车刀沿工件轴向移动一个
进给量。这时，切削刃从加工表面的一个位置移至相邻的加工 表面的另一个位置上，两表面之间由车刀切削刃切下的一层金 属称为切削层。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。
切削层参数有以下几个：
1、切削层公称厚度hD：在过渡表面法线方向测量的切削层尺 寸，即相邻两过渡表面之间的距离。hD反映了切削刃单位长度
2、变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中
切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金 属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移） 、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬 化）。
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层内产 生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的切屑层 内产生的变形区；
三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响
在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢 料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈 三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或 刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的2—3倍，在处于 比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。 1、积屑瘤是如何形成的? 1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。 2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生 粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层 上流过，形成“内摩擦”。 3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形， 也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。 4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造 成粘附为止。
一、切削层及切削层参数 以车削加工为例，工件转一转，车刀沿工件轴向移动一个
进给量。这时，切削刃从加工表面的一个位置移至相邻的加工 表面的另一个位置上，两表面之间由车刀切削刃切下的一层金 属称为切削层。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。
切削层参数有以下几个：
1、切削层公称厚度hD：在过渡表面法线方向测量的切削层尺 寸，即相邻两过渡表面之间的距离。hD反映了切削刃单位长度
2、变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中
切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金 属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移） 、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬 化）。
第Ⅰ变形区 近切削刃处切削层内产 生的塑性变形区；
第Ⅱ变形区 与前刀面接触的切屑层 内产生的变形区；
第三节金属切削过程
1. 总切削力的来源
其一是来自于金属 切削过程中克服被加工 材料的弹、塑性变形抵 抗所需要的力。
其二是克服切屑 与刀具前刀面，工件 表面与刀具后刀面之 间的摩擦阻力所需要 的力。
这两方面的合力就是总切削力F
切削力的来源
2.切削力的分解
切削力Fc
切削力Fc是总切削力在 主运动方向的分力，因此它 垂直于基面。它是切削过程 中消耗功率最大的一个切削 分力。是计算切削功率、确 定机床动力、校核刀具、夹 具以及机床主运动系统中零 件的强度、刚度的主要依据。
26
切削热的产生与传出
切削热传出
工件 切屑 刀具 周围介质
当产生的热量于传出的热量平衡时，切削区的平 均温度即为切削温度
27
切削温度分布
➢ 切削温度--------切削区的平均温度即为切削温度
切削区温度分布规律
1）剪切区内，沿剪切面方 向上各点温度几乎相同，而 在垂直于剪切面方向上的温 度有变化。
（4）影响刀具寿命。
积屑瘤前角和伸出量
一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利
的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生， 但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。
抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 控制切削温度是抑制积屑瘤的有效方法之一，
即采用低速或高速切削。
➢ 采用高润滑性的切削液，提高刀具的刃磨质量,
使摩擦和粘结减少；
刀具总使用寿命＝刀具使用寿命×刃磨次数
46
刀具使用寿命是表征刀具材料切削性 能优劣的综合性指标。
在相同切削条件下，使用寿命越高， 表明刀具材料的耐磨性越好。在比较 不同的工件材料切削加工性时，刀具 使用寿命也是一个重要的指标，刀具 使用寿命越高，表明工件材料的切削 加工性越好。
其一是来自于金属 切削过程中克服被加工 材料的弹、塑性变形抵 抗所需要的力。
其二是克服切屑 与刀具前刀面，工件 表面与刀具后刀面之 间的摩擦阻力所需要 的力。
这两方面的合力就是总切削力F
切削力的来源
2.切削力的分解
切削力Fc
切削力Fc是总切削力在 主运动方向的分力，因此它 垂直于基面。它是切削过程 中消耗功率最大的一个切削 分力。是计算切削功率、确 定机床动力、校核刀具、夹 具以及机床主运动系统中零 件的强度、刚度的主要依据。
26
切削热的产生与传出
切削热传出
工件 切屑 刀具 周围介质
当产生的热量于传出的热量平衡时，切削区的平 均温度即为切削温度
27
切削温度分布
➢ 切削温度--------切削区的平均温度即为切削温度
切削区温度分布规律
1）剪切区内，沿剪切面方 向上各点温度几乎相同，而 在垂直于剪切面方向上的温 度有变化。
（4）影响刀具寿命。
积屑瘤前角和伸出量
一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利
的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生， 但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。
抑制或消除积屑瘤的措施
➢ 控制切削温度是抑制积屑瘤的有效方法之一，
即采用低速或高速切削。
➢ 采用高润滑性的切削液，提高刀具的刃磨质量,
使摩擦和粘结减少；
刀具总使用寿命＝刀具使用寿命×刃磨次数
46
刀具使用寿命是表征刀具材料切削性 能优劣的综合性指标。
在相同切削条件下，使用寿命越高， 表明刀具材料的耐磨性越好。在比较 不同的工件材料切削加工性时，刀具 使用寿命也是一个重要的指标，刀具 使用寿命越高，表明工件材料的切削 加工性越好。
机械制造技术基础第二版32金属切削过程中的变形
塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。
产生原因是：金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错 的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余 应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度
图中，Ι区为低速区,不产生积屑瘤；Ⅱ区积屑溜高度随Vc的 增大而增高；Ⅲ区积屑瘤高度随Vc的增大而减小；Ⅳ区不 产生积屑瘤。
第二十一页，编辑于星期日：十三点 九分。
2.积屑瘤对切削过程的影响
(1)使刀具前角变大
阻滞在前刀面上的积屑瘤有使刀具实际前角增大的作用，使切 削力减小。
(2)使切削厚度变化
P点金属在切削过程中向刀具移动，到达点1时，其剪应力达到材料的 屈服强度。过点1后，P点在继续向前移动的同时，也沿OA滑移，合成 运动特使其从点1流动到点2，2’—2就是它的滑移量。随着滑移的产 生，剪应变将逐渐增加，直到P点金属移动到超过点4位置后，其流动方 向与前刀面平行，不再沿滑移线滑移.
第三页，编辑于星期日：十三点 九分。
第十五页，编辑于星期日：十三点 九分。
三、前刀面上的摩擦
切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和 切向应力沿前刀面的分布如图所表。在切屑与刀具前刀 面接触的长度内存在两种不同的接触状态。
在靠近切削刃的粘结区，由于正应 力值大，切屑在前刀面上形成粘结 接触，在此区域内，各点的切应力 基本相同，它等于被切材料的剪切 屈服强度;
一、切屑的形成过程
1.变形区的划分
切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。
切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：
(1)第一变形区 从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒 的剪切滑移基本完成。OA线和OM线之间的区域(图中I区)称为 第一变形区。
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O F
力与滑移量继续增大，达到断裂强度
c）切削
→切屑与母体脱离。
图3-2 金属挤压与切削比较 3
3.1.1 切削变形
金属切削变形过程
M A
终滑移线
切屑
Φ剪切角
始滑移线：τ=τs
刀具 O
图3-3 切屑根部金相照片
4
3.1.1 切削变形
金属切削变形过程
图3-4 切削变形实验设备与录像装置
5
3.1.1 切削变形
（3-10）
19
3.1.2 切削力
工件材料
强度高 加工硬化倾向大
切削力大
切削用量
◆切削深度与切削
主切削力Fc（N）
力近似成正比； ◆进给量增加，切 981
削力增加，但不成 784
正比；
588
◆切削速度对切削 力影响复杂（图316）
5 19 28 35 55
100 130
切削速度 v（m/min）
图3-16 切削速度对切削力的影响
20
3.1.2.3 影响切削力因素
刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大，切削力减小（图3-17） ◆ 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3-18）
切削力F 切削力/ N
γ0 - Fc
γ0 – Fp γ0 – Ff
前角γ0
图3-17 前角对γ0切削力的影响
图3-21 切削速度、工件材料对切削温 度的影响
1—GH131 2—1Cr18Ni9Ti 3—45钢(正火) 4—HT200
刀具材料：YT15；YG8
刀 s=具0几，何b=参0.数1m：m，o=r1=50.，2mmo=6~8，r=75，1= -10，
切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r
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
F
B
O
a）正挤压
45° M A F
BO
b）偏挤压
切削：与偏挤压情况类似。弹性变
M
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
积屑瘤，此时，其高度也最大，如图3－6所示。 刀具前角增大可以抑制积 屑瘤的生成或减小积屑瘤
的高度，当前角o＞35时，
一般就不会产生积屑瘤。 使用润滑性能好的切削液 可减小摩擦，有效地抑制 或减小积屑瘤。
11
3.1.1 切削变形
加工硬化（冷硬）
已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象
加工硬化产生的原因 经切削产生的变形使得已加工表面层的金属晶格产生 扭曲、挤紧和碎裂造成已加工表面的硬度增高。 加工硬化产生的后果 硬化程度严重的材料使得切削变得困难。冷硬还使得已 加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工 表面的质量和材料的疲劳强度。 加工硬化的控制
相对滑移系数 S Nhomakorabeacos 0
y sin cos( 0 )
当γ0 = 0～30°，Λh ≥1.5时， Λh与ε相近
ε主要反映第Ⅰ变形区
M
的变形，Λh还包含了第
φ
Ⅱ变形区的影响。
（3-3）
γ0
O
图3-10 相对滑移系数
8
3.1.1 切削变形
积屑瘤成因
由于刀屑接触面的粘结摩擦及滞流作用，在切削塑性金属 时，在前面上的温度、压力适宜的时候，切屑底层金属粘 结在刃口附近的前面上，形成一个硬度很高的楔块，这楔 块称为积屑瘤，或称刀瘤，如图3－6所示。 积屑瘤在形成过程中 是一层层增高的，到一 定高度会脱落，是一个 生成、长大、脱落的周 期性过程。
15
3.1.2 切削力
切削力分解
Fc
κr
Ff
Fp FD
F
Fc2 FD2
Fc2
FP2
F
2 f
Ff FD sin r FP FD cos r
v FD
f F
吃刀抗力 Fp FD
Ff 进给抗力
Fc 主切削力 F 切削合力
图3-15 切削力的分解
16
3.1.2 切削力
切削力经验公式
第三章 金属切削过程
本章要点
切削变形及其影响因素 切削力及其影响因素 切削热与切削温度 刀具磨损与刀具耐用度 刀具角度和切削用量的选择
1
机械制造基础
第3章 金属切削过程
3.1 切削过程的基本规律
2
3.1.1 切削变形
挤压与切削
45° M A
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。
刀具磨损等因素影响的修正系数。
17
3.1.2 切削力
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）
p
Fc AD
CFc
a xFc p
f
yFc
K Fc
ap f
CFc ap
a xFc p
f 1 yFc
（3-7）
切削功率
式中
Pc Fc v 103 (KW )
3.1.3.3 影响切削温度的因素
切削用量的影响
经验公式
C vcZ
f
a y x p
（3-12）
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。
表3-2 切削温度的系数及指数
6
3.1.1 切削变形
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。
◆ 厚度变形系数
h
hch hD
◆ 长度变形系数
（3-1）
L
LD Lch
（3-2）
Lch LD
hCh LD 1
hD LCh
图3-9 切屑与切削层尺寸
7
3.1.1 切削变形
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 ；
22
3.1.3 切削热和切削温度
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
★ 主要来源
q Pc Fcvc
三个变形区分析
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。
Ⅱ Ⅰ
Ⅲ
第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图 切削部位三个变形区 ，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。
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。
2200 1800
κr - Fc
1400 1000
κr – Ff
600
κr – Fp
200
30 45 60 75 90
主偏角κr / °
图3-18 主偏角κr对切削力的影响
21
3.1.2.3 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↓） ；
26
3.1.3.4 切削温度的测量
自然热电偶法
工件和刀具材料不同，组成热电
偶两极，切削时刀具与工件接触
处的高温产生温差电势，通过电 工件
位差计测得切削区的平均温度。
刀具
人工热电偶法
★ 用不同材料、相互绝缘金属丝 作热电偶两极（图3-22）。 ★ 可测量刀具或工件指定点温度 ，可测最高温度及温度分布场。
Fc —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
（3-8）
18
3.1.2 切削力
机床电机功率
PE
Pc
(KW )
式中 η —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
（3-9）
单位切削功率
指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率
pc
Pc V0
p 106
(KW s / mm3 )
切削用量 ①切削速度的影响
②进给量的影响 进给量增加变形 减小
14
3.1.2 切削力
切削时，在刀具作用下切削层与加工表面层发生了弹性变 形和塑性变形，因此有变形抗力作用在刀具上，这个变形 抗力称为切削力。
切削力来源
作用在前面上的 变形抗力Fnr和 摩擦力Ffr的合 力为Fr；作用在 后面上的变形抗 力Fna和摩擦力 Ffa的合力为Fa。 Fr和Fa的合力F 就是总切削力。
采用减小切削厚度和使用润滑性能好的极压切削油或极 压乳化液、高速切削、加热切削等措施，都可抑制鳞刺。
13
3.1.1 切削变形
影响切削变形的因素
工件材料 工件材料的强度、硬度越高，刀屑之间的摩擦系数就越小， 所以切屑变形就越小 刀具的角度 ①前角的影响 刀具的前角越大，切削刃越锋利，刀具前 面对切削层的挤压作用越小，则切屑变形就越小。 ②刀尖圆弧半径的影响
10
3.1.1 切削变形
影响积屑瘤产生的主要因素
塑性大的工件材料，刀屑之间的摩擦系数和接触长度大， 生成积屑瘤的可能性就大，脆性材料一般不产生积屑瘤。