金属切削过程是指刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成到已加工表面形成的整个过程。 1.4 金属切削过程基本规律 金属切削过程是指刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成到已加工表面形成的整个过程。 ★研究金属切削过程的意义 因为金属切削过程中，会出现各种物理现象，如金属变形、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等，都是以切屑形成过程为基础的；生产中出现的许多问题，如积屑瘤、振动、卷屑、断屑、等都与切削过程密切相关。 为了保证零件加工质量，提高生产率和降低成本，必须研究金属切削变形过程。

1.4.1切屑的形成及其种类 1、切屑的形成过程 在刀具的作用下，切削层金属经受弹性变形、塑性变形进而产生剪切滑移形成切屑。为了便于分析，以二元切削为例。 2、变形系数 （也称收缩系数）

剪切角 —剪切面与切削速度方向的夹角 图1.10 变形系数的计算参数

厚度变形系数 长度变形系数 根据体积不变原理，显然 变形系数 ★① >1; ② ↑→ ↑→ ↓; ③ ↑→ ↓ ★ 直观反映了切屑的变形程度。一般切削中碳钢时， =2 ~ 3

3、切屑种类和影响因素 ★ 切削塑性材料时，由于材料的塑性不同，切削条件不同，会形成三种切屑： ①带状切屑 ②节状切屑（挤裂屑） ③粒状切屑（单元切屑） ★ 切削铸铁、青铜等脆性材料时，形成 ④崩碎屑

带状切屑 粒状切屑 崩碎屑 节状切屑 图1.11 切屑的种类

1.4.2积屑瘤 ★在一定的切削速度范围内切削钢料、球 墨铸铁或铝合金等塑性金属时，有时会在刀具 前刀面靠近切削刃的部位粘附着一小块很硬的 金属，这就是积屑瘤（也称刀瘤），体积约为 小米粒大，见图1.12。 ★刀—屑因摩擦而导致的冷焊是积屑瘤形 成的主要原因。

` a) 积屑瘤的形成

积屑瘤 b)积屑瘤与切削速度的关系 图1.12 积屑瘤

1、积屑瘤对切削加工的影响 2、抑制积屑瘤措施 ★有利方面：①保护刀具 ②增大刀具实际工作前角 ★有利方面：①保护刀具 ②增大刀具实际工作前角 ★不利方面： ③影响工件尺寸精度（增大切削厚度） ④影响表面粗糙度 2、抑制积屑瘤措施 (切削用量中切削速度对积屑瘤影响最大，如图 1.12b) ★采用高速或低速切削，可抑制或避免积屑瘤的产生 ★增大前角可减小积屑瘤高度。 ★采用润滑性能优良的切削液可减小甚至消除积屑瘤。

1.4.3切削合力及切削功率 1、切削合力的来源与切削分力 ★切削合力是切削过程中的重要现象之一，它直接影响切削热的产生和刀具磨损，进一步影响加工质量和生产率。是设计和使用机床、刀具、夹具的主要依据。 1、切削合力的来源与切削分力 ★切削力来源—切削层金属、切屑和工件表面层金属产生弹、塑性变形所产生的抗力；刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力（如图1.13）。 ★切削合力是一个非常复杂的空间力(如图1.14）。 一般分解成相互垂直的三个分力，以便研究和测量。

切削合力 图1.13 作用在刀具上的切削合力

a) b) 图1.14 切削合力的分解

②径向分力（背向力）Fy Fy =(0.2 ~ 0.6) Fz ③轴向分力（进给力）Fx Fx=(0.1 ~ 0.4) Fz 以刀具为研究对象： ①主切削力（切向力）Fz 消耗机床功率最多，约占 Fr 的80%~90% ②径向分力（背向力）Fy Fy =(0.2 ~ 0.6) Fz ③轴向分力（进给力）Fx Fx=(0.1 ~ 0.4) Fz 由上图 a) 知： 由上图 b) 知：

★ Fz 使刀头向下压，当 Fz 大时可使刀具崩刃或 “闷车”，是机床动力计算的依据。 2、切削分力对切削过程的影响 ★ Fz 使刀头向下压，当 Fz 大时可使刀具崩刃或 “闷车”，是机床动力计算的依据。 ★ Fy对工件影响最大，误差一比一复映给工件。 使工件产生形状误差，表面粗糙度变差（见图1.15）。 车细长轴时，用大主偏角刀具，常用 =90°偏刀； Fy 不做功，只使机床、工件变形或引起振动，应尽量减小。 ★ Fx 对机床进给机构影响大，是设计和验算机床走刀机构强度和刚性的主要依据。 （如工件夹不紧，可使工件从卡盘中缩进去）

变形后 被切除的金属层 变形前 图1.15 径向分力引起的工件变形

3、切削分力和切削功率计算 ★车外圆时切削分力经验公式（单位 N ）: ★单位切削力p—单位切削面积上主切削力。 (单位：M Pa)

下表为硬质合金外圆车刀切削常用材料的单位切削力（摘录）。

★切削功率—各切削分力消耗功率总和。 或 式中 ——( m / s ) 或 （m /min ) 选择机床功率时，需要考虑机床的传动效率。即 式中 ——机床传动效率，一般0.75 ~ 0.85

影响因素主要有工件材料、切削用量、刀具角度和切削液。 4、影响切削力的因素 影响因素主要有工件材料、切削用量、刀具角度和切削液。 ★一般工件材料强度、硬度愈高，切削力愈大。 如 ：45钢（中碳钢）切削力大于Q235(A3)钢； 调质钢和淬火钢高于正火钢等 ★切削用量对切削力影响见图（1. 16 、1.17） 与 Fz 成正比关系；f 与Fz不成正比; f 增加一倍，Fz增加 68 % ~ 86 % ; 切削速度对切削力影响小，

从切削面积、切削周界、切削厚度三个方面对比 图1.16 切削深度和进给量对切削力的影响

图1.17 切削速度对切削力的影响

※从降低切削力和切削功率考虑，首先选择大的切削速度、再选择进给量、最后根据加工余量选择切削深度。 ★刀具角度对切削力影响 如：刀具前角增大，切削力减小。 主偏角对切削力影响（见图1.18）。 =60 °~ 75 ° 之间，Fz 有最小值。

图1.18 主偏角对切削分力影响

1.4.4切削热和切削温度 切削热和有它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和表面质量，是切削过程中的主要现象之一。 1、切削热Q ★Q主要来源于切削过程中金属的弹、塑性变形；切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功。（见图1.19） ★切削热Q由切屑、工件、刀具和周围介质（如空气、切削液等）传导出去。

切屑 刀具 工件 图1.19 切削热的来源

★ 如果忽略进给运动所消耗的功，并假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热可由下式算出： ★ 如果忽略进给运动所消耗的功，并假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热可由下式算出： 例如：用高速钢车刀，以中等速度切削刚件，不使用切削液，切削热传导的比例大致如下： 传入切屑 50% ~ 86% 传入周围介质约占1% 传入刀具9% ~ 3% 传入工件40% ~ 10%

★切削温度是指刀具 – 切屑 – 工件接触面上的 平均温度。 2、切削温度 ★切削温度是指刀具 – 切屑 – 工件接触面上的 平均温度。 车削塑性材料时，最高温度在前刀面上。 车削脆性材料时，最高温度在后刀面上。 图1.20 是用YT14车刀加工塑性材料GCr15时刀具、切屑和工件切削温度的分布情况。 ★切削温度可用自然和人工热电偶等仪器测量；还可根据切屑的颜色来估判。 如车削钢件时,切屑可呈银白色、淡黄色、紫色、紫黑色等，颜色越深，表明其切削温度越高。

b)刀具前刀面上的温度分布 刀具、切屑和工件的温度分布 图1.20 切削温度的分布（温度单位℃）

3、 影响切削温度的主要因素有切削用量，工件材料、刀具材料及其几何角度、切削液等。 3、 影响切削温度的主要因素有切削用量，工件材料、刀具材料及其几何角度、切削液等。 ★ 切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大， 进给量影响次之；切削深度影响最小。 ★ 工件材料的强度、硬度越高，切削温度越高。 导热性差的材料如不锈钢和高温合金等，切削温度高。 ★ 刀具材料导热性较好，适当增大前角和减小主 偏角，均可改善产生热量和散热的条件，降低切削温度。 ★ 使用切削液可显著降低切削温度。

1.4.5刀具的磨损与使用寿命（刀具耐用度） 1、刀具磨损的形式与过程（见图1.21 、1.22） 刀具磨损对产品质量、生产率及加工成本有直接影响，也是切削加工中的重要问题之一。 1、刀具磨损的形式与过程（见图1.21 、1.22） ★ 刀具正常磨损时，按其发生的部位分为三 种形式： a)后刀面磨损 b)前刀面磨损 c)前、后刀面同时磨损 ★刀具磨损过程分为三个阶段: ①初期磨损阶段（OA段） ②正常磨损阶段（AB段） ③急剧磨损阶段（BC段）

c)前、后刀面 同时磨损 a)后刀面磨损 b)前刀面磨损 图1.21 刀具磨损的形式

初期磨损阶段 正常磨损阶段 急剧磨损阶段 图1.22 刀具磨损的过程

1） 刀具磨钝标准——根据具体加工情况规定的刀具最大允许值。 2、刀具使用寿命T（刀具耐用度） 1） 刀具磨钝标准——根据具体加工情况规定的刀具最大允许值。 一般以后刀面磨损值VB作为磨钝标准，这是因为： ①切削时后刀面多有磨损； ②直观、容易测量； ③对已加工表面质量影响大。 如车碳钢时：精车VB=0.1 ~ 0.3; 粗车VB=0.6 ~ 0.8

刀具径向磨损量为△d ， 工件直径将增加到2 △d 工件 切屑 刀具 图1.23 后刀面磨损对加工质量的影响

2） 刀具使用寿命 T ——刃磨后的刀具自开 始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的纯切削 时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等 非切削时间（以前也称刀具耐用度）。 3） 刀具总使用寿命——一把新刀自开始使用到报废为止的总切削时间。 ★ 刀具总使用寿命=刀具使用寿命×重磨次数 ★ 影响 T 的因素主要有工件材料、刀具材料和几何角度、切削用量等。

※ 当用硬质合金车刀切削碳钢时，切削用量与刀具的经验公式为 ※ 当用硬质合金车刀切削碳钢时，切削用量与刀具的经验公式为 式中 ——与工件材料、刀具材料和其他条件有关的常数。 ※ 切削用量中切削速度对刀具使用寿命 T 影响最大；其次是进给量；切削深度影响最小。

粗加工时，多以切削时间表示刀具使用寿命。 如：硬质合金焊接车刀T=60min； 高速钢车刀T=90min； 高速钢钻头T=80 ~ 120min； 硬质合金端铣刀T=120 ~ 180min； 齿轮刀具T=200 ~ 300min。 精加工时，常以加工零件的个数或进给次数表示刀具使用寿命。

★ 切削用量的选择受刀具使用寿命的 限制，选择顺序为：首选尽可能大的切削深度，其次选尽可能大的进给量，最后选择合适的切削速度。 3、切削用量的合理选择 ★ 切削用量的选择受刀具使用寿命的 限制，选择顺序为：首选尽可能大的切削深度，其次选尽可能大的进给量，最后选择合适的切削速度。 ★具体选择原则如下： 粗加工时，从提高生产率和保持刀具使用寿命的观点出发，首先取尽可能大的切削深度和进给量，再选取尽可能大的切削速度； 精加工时，为保证加工质量，取较高的切削速度、较小的切削深度和进给量。 具体数值可查阅工艺手册或由公式计算。