金属切削

在切削加工中刀具与工件的相对运动称为切削运动（主运动，进给运动，合成切削运动）切削用量三要素：切削速度Vc（Vc=πdw.n/1000），进给量f（Vf=nf，Vf为进给速度），背吃刀量ap，ap=（dw-dn）/2

多齿刀具fz：Vf=n.f n=zn.fz

刀具由刀头、刀体构成。两部分结合有硬钎焊和机械连接两种。

刀具切削部分组成“三面””两刃”“一尖”

1.前面（ Aγ）是产生切削力的面，同时又是切削接触并流过的刀面

2.主后面（Aα）是与工件上的过度表面相对的刀面

3.副后面（Aα’）是与工件上的已加工表面相对的刀面

4.主切削刃（S）是前面与主后面相交的棱线。切削过程中由它产生过渡面，担任主要的切削工作。

5副切削刃（S’）是前面与后副面相交的棱线。切削过程中由它产生已加工面，同时修整已加工表面和协同主切削刃完成金属的切除工作。

6.刀尖是主切削刃与副切削刃的交点。

刀具静止参考系平面：基面，切削平面，主剖面

基面Pγ⊥V c、平行与车刀切削平面P s，与S相切且⊥Pγ主剖面P0⊥Ps

刀尖安装高低对工作角度的影响

1．将刀尖对准工件的工作重中心安装，此时基面与车刀底平面平行，切削平面与车刀底平面垂直，刀具静止角度与工作角度相等

2．将刀尖安装高于工件的工作中心，此时工作基面Pre和工作切削平面Pse相对静止参考系中的基面Pr和切削平面Ps向逆时针方向扭转一个角度θf，使工作前角γoe增大，工作后角αoe减小

3．将刀尖安装低于工件的工作中心，此时工作基面Pre和工作切削平面Pse相对静止参考系中的基面Pr和切削平面Ps向顺时针方向扭转一个角度θf，使工作前角γoe减小，工作后角αoe增大。

刀具安装高低对工作角度的影响：γoe=γ0+-θ0 αoe=α0+—θ0 sinθ=2h/d w

静止角度标注：前角γ0（前面Aγ与基面Pr夹角）

后角α0（主后面Aα与切削平面Ps夹角）

主偏角：主刀刃在基面上的投影与进给运动方向夹角，一般为正

副偏角：副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角，一般为正

刃倾角：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角

前角越大，刀越锋利，切削轻快，强度下降，不宜散热

减小主后刀面与加工表面的摩擦

工作角度是在实际切削加工中，切削平面、基面和正交平面位置会发生变化

切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度即实际角度

静止角度是在假设条件下定义的角度，是供设计、刃磨、测量使用的，由于近给，速度，刀具安装的变化是静止角度与实际角度不同

镗孔时，为使切削顺利，避免车刀因刚度差产生扎刀而把孔车大，对整体单刃车刀，允许刀尖高于工作中心0.01D（D为孔径）

在切削材料或车端面时，刀尖应严格安装到工件的中心位置，否则容易产生打刀。

切削层公称横截面积A D----在切削层参数平面内度量的横截面积A D=a p f=b D h D

切削层公称宽度b D-------------平行于正在加工的表面(过渡表面)度量的切削层参数。反映切削刃参加切削的工作长度b D=a p/sink r

切削层公称厚度h D-------垂直正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。反映了

切削单位长度上的切削负荷h D=f.sinKr

切削层公称横截面积只由进给量与背吃刀量决定，但横截面积形状与主偏角刀尖圆弧半径大小有关

单位时间切下的金属体积，即金属切除率z w=A D.V C=f.a p.v c

若z w单位mm3/s,v单位m/s, Z W=1000f.a p.v c

切削方式：自由切削与非自由切削；直角切削和斜角切削

刀具种类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）全是金属元素，冶炼加工，高速钢中加入合金元素。硬质合金粉末冶金陶瓷、超硬刀具材料，立方氮化硼，金刚石。

一般机加工使用最多的是高速钢和硬质合金。

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。消耗大部分功率，并产生大量的切削热。

第II变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压摩擦。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。切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有滞流层。切屑与前刀面的压力很大，高达2~3Gpa。由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。特点：在高温高压作用下，切屑底层与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。两个摩擦区：粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为Lfi的粘结区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间摩擦属于内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面

只在一些突出点接触，切屑在前刀面之间的摩擦属于外摩擦。

第III变形区：已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。

三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而复杂。三个变形区内的变形又相互影响。

绝对滑移△S：金属滑移的总量相对滑移ε：滑移距离△S与单元厚度△y之比

ε=cotΦ+tan(Φ-γ0)

变形系数ξ，切屑厚度与切削层厚度的比值。Λh=cos(Φ-γ0)/sinΦ

剪切角Φ：剪切面与切削速度方向之间的夹角。Φ=45°-β+γ0

前角γ0增大时，Φ增大，变形减小。故在保证刀刃强度条件下增大前角可以改善切削过程（降低切削力、温度、提高表面质量等）

摩擦角β增大时。Φ减小，变形增大。故提高刀具刃磨质量，使用切削液可减小前刀面上的摩擦，对切削过程有利。

影响切削变形的因素：1.工件材料：在切削条件相同的情况下，被切材料的强度高、硬度高，变形系数越小，故切削变形越小。被切材料的塑性越大，越容易产塑性滑移和剪切变形，故变形系数越大，变形也较为严重。2.刀具前角：前角增大时，切屑流出的阻力减小，切削变形减小。3.切削速度：切削速度是通过切削温度和积屑瘤影响切削变形。在低速阶段，切削温度低，切屑底面与前刀面不易形成粘结，切削变形小。当切削速度达到Vc1时，开始产生积屑瘤，随着切削速度的提高所形成的积屑瘤的高度也逐渐增加，刀具实际前角增大，切削变形减小。切削速度达到Vc2时，积屑瘤高度达到最大值，前刀面的实际前角也达到最大值，切削变形最小。当切削速度由Vc2进入Vc3时，积屑瘤高度又降低，实际前角减小，切削变形随之增大。当切削速度超过40m/min并继续提高时，温度升高，摩擦系数降低，切削变形又减小。4.进给量：当主偏角一定时，增大进给量，切屑厚度也增加，切削变形减小。

积屑瘤的成因：刀-屑因摩擦而导致的冷焊。积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤。温度与压力太低，不会产生积屑瘤，温度太高，也不会产生积屑瘤。走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。

积屑瘤对切削过程的影响：实际前角增大，增大切削厚度，肯能引起振动。使加工表面粗糙度增大，对刀具寿命有影响。

积屑瘤作用：有利：可增大实际前角，减少变形和切削力、可保护切削刃，降低刀具磨损

不利：积屑瘤不稳定时，有可能使脆性刀具颗粒剥落，反而加剧刀具磨损、产生积屑瘤后使切削厚度增大，影响工件尺寸精度、当积屑瘤不温度时，由于积屑瘤产生-成长-脱落周期动态变化，易引起振动、脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度，也易划伤刀具使耐用度降低。

防止积屑瘤的方法：1.降低切削速度，使温度降低，粘结现象不易发生。2.采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度。3.采用润滑性能好的切削液，减小摩擦。4.增大刀具前角，以减小切屑于前刀面接触区的压力。5.适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向

切屑类型：带状切屑，节状切屑，粒状切屑，崩碎切屑

各种因素对积屑瘤的影响：工件材料的影响，切削速度，刀具前角，刀具表面粗糙度，切削液

切削力来源：三个变形区的弹、塑性变形抗力，切屑、工件与刀具间摩擦力

切削分力作用：主切削力：刀杆、刀片尺寸，设计夹具，选配电机，校核主轴。进给力：校核进给机构，选配进给电机。背向力：不做功，引起振动，影响加工精度。

影响切削力因素：工件材料：被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力增大。强度相近的材料，塑性较大，切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑性材料。切削用量：切屑深度ap或进给量f增大，均使切削力增大，影响程度不同。Ap增加一倍，切削力增加一倍。进给量增加一倍，切削力增大70%-80%。切削速度：加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小。刀具几何参数：1.前角γ：前角增大，被切金属的切削力下降。2.主偏角：主偏角增大时，背向力减小，进给力加大。当加工塑性金属时，随主偏角增大，切削力减小。在kr=60-75之间，切削力减到最小。然后随kr继续增大，切削力有所增大，变动范围不大。3.刃倾角：刃倾角变化，改变合力F的方向。刃倾角减小，背向力增大，进给力减小。4。刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径大，切削变形增大，切削力增大。

切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的热量约98%转换为热能，切削热Q=Pc=Fcv Q=Q变+Q摩=Q屑+Q刀+Q工+Q介剪切变形是切削热的第一来源，前后刀面最高温度点不在刀刃上，切屑上最高温度比剪切区温度高，切屑底层温度比上层温度高，摩擦是切削热的又一来源

切削温度的分布规律：剪切面上各点温度几乎相同，前后刀面上最高温度不在刀刃，离刀刃有一定距离。垂直剪切面方向上温度梯度很大。切屑底部温度梯度很大。后刀面仅在离刀刃很近的地方有高温，且升降很快。工件塑性越大，前刀面接触越长，温度分布越均匀。工件材料导热系数越低，前后刀面温度越高。

影响切削温度的主要因素：切削用量：1.背吃刀量，背吃刀量增加，热量按比例增加，切削温度略有提高。2.进给量：进给量增加，热量增加。3.切削速度：切削速度增加，变形功和摩擦转变的热量急剧增多。刀具几何参数：1.前角：前角增大，变形、摩擦减小，产生的热量少，温度下降。2.主偏角：主偏角减小，切削层几何厚度减小，几何宽度增大，刀刃散热条件得到改善，温度下降。工件材料影响：强度硬度塑性和韧性越大，切削力越大，切削温度升高，导热率大，散热快，温度下降。刀具磨损：后刀面磨损增大，切削温度升高。切削液的影响

刀具失效形式：磨损，破损

磨损形式：前刀面磨损（v和hD较大）、后刀面磨损（v和hD较小）、边界磨损

刀具磨损原因：硬质点磨损，粘结磨损，扩散磨损，化学磨损，热电磨损

刀具磨损过程：初期磨损阶段，正常磨损阶段，急剧磨损阶段

刀具磨钝标准：以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准

刀具使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时间

刀具耐用度：刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间

刀具总使用寿命=刀具使用寿命X刃磨次数

切削用量增大，寿命降低，其中速度对寿命影响最大

制造和刃磨较简单、成本不高的刀具，使用寿命选得低。装卡调整复杂的刀具，使用寿命选得高些。切削大形工件为避免中途换刀，选得寿命高些

生产中通常使用相对加工性来衡量工件材料的切削加工性。各种工件材料的相对加工性Kv乘以在T=60min时的45钢的切削速度，可得出切削各种工件材料的可用切削速度。

Kv越大，切削加工性越好Kv=V60/V60j

质量：装配质量，加工质量（表面质量：表面粗糙度、变质层。加工精度：尺寸、位置、

形状）Rmax=f/cotkr+cotkr’理论残留面积Rmax随进给量的减小，刀尖圆弧半径的增大或主偏角及副偏角的减小而降低。最好调副偏角，调副偏角背向力会增大

加工硬化产生：加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤压、扭曲、碎裂，使表层组织硬化

影响切削加工表面冷作硬化因素：刀具方面：刀具前角越大，刀刃钝圆半径越大，挤压程度越大，硬化越大。切削刃钝圆半径越大，已加工表面在形成过程中受挤压的程度越大，加工硬化越大。工件方面：工件材料塑性越大，强化指数越大，熔点越高，硬化越严重。切削条件方面：进给量增大，冷硬程度增大。切削速度影响复杂，切削深度影响不大

切削用量的制定原则：生产率p=Ao v f ap 耐用度ap-f-v P3ap=2P

P3f=1.5P，加工质量粗加工大的ap，精加工小的ap 小的f

切削用量的选择方法：1背吃刀量：选择尽量大的背吃刀量，一次走刀中最好把本工序应切除的加工余量切除掉。在粗加工时，如果加工余量过大或工艺系统刚性较差时，也可分二次进刀。2进给量f:限制粗加工最大进给量的主要因素是刀杆和刀片强度、进给机构强度及工艺系统的刚性。3切削速度：粗加工时限制v 主要因素是刀具耐用度和机床功率。精加工的主要因素是刀具耐用度。因为精加工时切削力小，机床功率一般都能满足。

前角的作用：γ0↑→变形程度↓→F↓q↓→θ↓→T↑振动↓质量↑刀刃和刀头强度↓散热面积容热体积↓断屑困难在一定的条件下，存在一个合理值。

合理前角的选择原则：①粗加工、断续切削、刀材强度韧性低工材强度硬度高，选较小的前角；②工材塑韧性大、系统刚性差，易振动或机床功率不足，选较大的前角③成形刀具、自动线刀具取较小前角④Aγ磨损增大前角，Aα磨损减小前角。

合理后角的选择原则：①粗加工、断续切削、工材强度硬度高，选较小后角②精加工取较大后角，保证表面质量③成形、复杂、尺寸刀具取小后角⑤工材塑性大取较大后角。

主偏角的选择原则：粗加工和半精加工时，硬质合金车刀应选择较大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具耐用度和断屑。加工很硬的材料，如淬硬钢和冷硬铸铁时，为减少单位长度切削刃上的负荷，改善刀刃散热条件，提高刀具耐用度，应取κr＝10°～30°，工艺系统好的取小值，反之取大值

刃倾角的选择：1加工硬材料或刀具承受冲击载荷（断续切削）时，应取较大的负刃倾角，以保护刀尖。2精加工宜取正刃倾角，使切屑流向待加工表面，并可使刃口锋利。3内孔加工刀具（如铰刀、丝锥等）的刃倾角方向应根据孔的性质决定。左旋槽(λs为负值)可使切屑向前排出，适用于通孔(不易扎刀，内孔光洁度也好)，右旋槽适用于不通孔。4机床、夹具、工件、刀具系统刚性较好时刃倾角可加大负值，反之增大刃倾角。