刀具几何角度

第1章　金属切削加工的基本知识

1.1　切削加工概述

1.1.1　切削加工及其分类

切削加工是用切削工具从毛坯（如铸件、锻件、条料或板料）上切去多余的材料，使零件的几何形状、尺寸以及表面粗糙度等方面均符合图纸要求。切削加工主要用于金属的加工，如各种碳钢、合金钢、铸铁和有色金属等，也可用于某些非金属材料的加工，如工程塑料和合成橡胶等。

切削加工分为钳工和机械加工（简称机工）两大部分。钳工一般是由工人手持工具对工件进行切削加工的，机工是由工人操纵机床进行切削加工的。切削加工按其所用切削工具的类型又可分为刀具切削加工和磨料切削加工。刀具切削加工的主要方式有车削、钻削、镗削、铣削、刨削等。磨料切削加工的方式有磨削、珩磨、研磨、超精加工等。

现代科技的发展，对机器、仪器、设备的精度和性能要求越来越高。为了适应这一要求，提高生产率和加工质量，降低加工成本，人们在生产中不断地总结经验，推陈出新，创造出新的加工方法，研制出高精度、高效率的加工设备。

1.1.2　零件种类及其表面的形成

机器或机械装置都是由许多零件组合装配而成的，如图5.1.1所示。组成机械设备的零件大小不同，形状各异，其中最常见的零件主要有3大类：轴类零件（如传动轴、齿轮轴、螺栓等），盘套类零件（如齿轮、端盖、挡环等），支架箱体类零件（如减速器机体和机盖等）。

图5.1.1　减速器

机械零件上的表面按照其成形原理可以分为：圆柱面、平面和成形面等，如图5.1.2所示。

圆柱面是以直线为母线，以与它相垂直的平面上的圆为轨迹，作旋转运动所形成的表面，如图5.1.2（a）所示。

圆锥面是以直线为母线，以圆为轨迹，且母线与轨迹平面相交成一定的角度作旋转运动所形成的表面，如图5.1.2（b）所示。

平面是以直线为母线，以另一直线为轨迹作平移运动所形成的表面，如图5.1.2（c）所示。

图5.1.2　表面的形成机理

成形面是以曲线为母线，以圆为轨迹作旋转运动或以直线为轨迹作平移运动所形成的表面，如图5.1.2（d）、（e）所示。

此外，根据使用或制造的要求，零件上还常有各种沟槽。沟槽实际上是由平面或曲面所组成的，常用沟槽的断面形状如图5.1. 3所示。

上述各种表面，可用相应的加工方法来获得。加工零件，就是要按一定的顺序，合理地加工出各个表面。

图5.1.3　常用沟槽的断面形状

1.1.3　机床的切削运动

各种表面均可视为母线沿轨迹运动而形成的，因此在机床上加工各种表面时，刀具与工件之间必须要有适当的相对运动，即所谓“切削运动”。切削运动的形式很多，有旋转的，也有平移的；有连续的，也有间歇的。根据在切削加工中所起的作用不同，将切削运动分为主运动和进给运动。

（1）主运动

主运动是切下切屑所需要的最基本的运动，也是切削加工中速度最高、消耗功率最多的运动。如车削时工件的旋转，钻削和铣削时刀具的旋转，牛头刨床刨削时刀具的直线往复运动。

（2）进给运动

进给运动是使切削工具不断切下切屑所需要的运动。如车削外圆时刀具沿工件轴向的连续直线移动，牛头刨床刨水平面时工件的横向间歇移动。

各种切削加工机床都是为了加工某些表面而发展起来的，因而都有特定的切削运动。在切削加工时，主运动只有一个，进给运动可以有一个或多个。

1.1.4　切削要素

切削要素包括切削用量三要素和切削层的几何参数。切削用量三要素是指切削速度v、进给量f（或进给速度v f）和切削深度a p；切削层的几何参数有切削宽度a w、切削厚度a c和切削面积A c，如图5.1.4所示。

图5.1.4　车削外圆的切削要素

（1）切削用量三要素

1）切削速度v

切削速度是指单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。如主运动为旋转运动，切削速度计算公式如下：式中　d——工件加工表面或刀具的最大直径，mm；

n——工件或刀具的转速，r／min。

2）进给量f

进给量是指主运动的一个循环或单位时间内，刀具和工件之间沿进给运动方向相对移动的距离。例如，车削的f为工件每转一转时，车刀沿进给运动方向移动的距离（mm／r）。

3）切削深度a p

切削深度是指工件上待加工表面和已加工表面之间的垂直距离（mm）。如切削圆柱面，a p为该次切除余量的一半；切削平面，a p为该次的切除余量。

（2）切削层参数

1）切削宽度a w

切削宽度是指刀具主切削刃与工件的接触长度（mm）。车削时，若车刀主切削刃与工件轴线之间的夹角为κr，则切削宽度为：

2）切削厚度a c

切削厚度是指刀具或工件每移动一个进给量f时，刀具主切削刃相邻两个位置间的垂直距离（mm）。车外圆时切削厚度为：

3）切削面积A C

切削面积是指工件被切下的金属层在垂直于主运动方向上的截面面积（mm2）。即切削深度和进给量的乘积，或切削宽度和切削厚度的乘积，即

1.2　金属切削刀具

在切削加工中，刀具是保证加工质量、提高生产效率的一个重要因素。因此，车削、钻削、镗削、刨削、铣削等加工方法均需根据不同的加工对象来选择合理的刀具结构、合适的刀具材料及刀具角度。

1.2.1　刀具结构

切削刀具的种类很多，形状多种多样，但其结构却具有共性。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成，其各部分名称如图5.1.5（a）所示。车刀常用的结构形式有：将硬质合金刀片焊在刀体上的焊接式车刀，如图5.1.5（a）所示；靠刃磨形成刀头的高速钢整体式车刀，如图5.1.5（b）所示；将具有若干个刀刃的硬质合金刀片紧固在刀体上的机械夹固式车刀，如图5.1.5（c）所示。刨刀、钻头和铣刀等其他种类的切削刀具都可以看作是车刀的演变或组合。刨刀切削部分的形状与车刀基本相同，如图5.1.6所示；钻头可看作是两把一正一反对称安装的，同时镗削孔壁两侧的镗刀构成，如图5.1.7所示；铣刀虽然形状复杂，实际上是由多把车刀组合而成的，一个刀齿可看作是一把车刀，如图5.1.8所示。

图5.1.5　车刀的组成和形式

图5.1.6　刨刀的结构

图5.1.7　钻头和镗刀的对比

1.2.2　刀具材料

切削过程中，刀具的切削部分要承受很大的压力、摩擦、冲击和很高的温度，因此，选用的材料必须具备以下性能：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，常温下的硬度应在60 HRC以上；要有良好的耐磨性，即抵抗磨损的能力；要有足够的强度和韧性，以承受切削力和切削时产生的震动和冲击；要有良好的耐热性，即在高温时仍能保持硬度、强度和耐磨等性能；要有良好的工艺性能，如可切削性能、可磨削性能、可焊接性能及热处理性能等，以便于刀具本身的制造。

图5.1.8　铣刀和车刀的对比

刀具材料的种类很多，有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石和立方氮化硼等，各类刀具材料的基本性能见表5.1.1。目前在切削加工中使用最多的刀具材料是高速钢和硬质合金。

表5.1.1　刀具材料的基本性能

续表

注：维氏硬度HV的试验原理和布氏硬度HB基本相同，其压头用锥面夹角为136°的金刚石四方角锥体，在载荷F（一般选用5～100 kgf）的作用下，将试样表面上压出一个正方形的压痕。先计算出压痕的面积A V，再根据公式HV= F／A V，即可求出维氏硬度值HV。

（1）高速钢

高速钢俗称锋钢、白钢，是以钨、铬、钒、钼为主要合金元素的高合金钢。高速钢淬火后的硬度可达62～67 HRC，与碳素工具钢相比，耐热性有较大地提高，在550～600℃时仍能进行切削。1900年高速钢的出现使切削速度大幅度提高，高速钢由此而得名，并被沿用至今。由于高速钢的抗弯强度和冲击韧性比硬质合金高，并且具有良好的铸造、锻造、焊接、热处理和切削加工工艺性能以及良好的磨削工艺性能，因此目前在复杂刀具的应用中，高速钢仍占主要地位。它多用来制造钻头、丝锥、铣刀、拉刀、齿轮刀具等，其允许切削速度一般为v＜30 m／min。常用的高速钢牌号为W18Cr4V（钨系高速钢）和W6Mo5Cr4V2（钼系高速钢）。

在高速钢中加入一些其他合金元素（如钴、钒、铝等）以进一步提高其耐磨性和耐热性，称之为高性能高速钢。W2Mo9Cr4VCo8（钴高速钢）和W6Mo5Cr4V2Al（铝高速钢）是两种常用的高性能高速钢。这类高速钢主要用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料。

（2）硬质合金

硬质合金是用具有高耐磨性和高耐热性的WC（碳化钨）、TiC（碳化钛）等金属碳化物，以Co（钴）做黏结剂，经粉末冶金工艺制成的。常用硬质合金的硬度为89～93 HRA（相当于74～82 HRC），能耐800～1 000℃的高温。硬质合金刀具的切速比高速钢可高4～10倍，但其抗弯强度低，耐冲击性能差。由于硬质合金不能用金属刀具进行切削加工，只能采用压制、烧结的办法制成各种形状的刀片焊接或夹固在刀体上使用。常用的硬质合金有钨钴类、钨钴钛类和通用硬质合金等，其牌号、成分、机械性能及用途见表5.1.2。在以WC为基体的硬质合金中加入TiC可以提高硬质合金的硬度、耐热性和耐磨性，加入TaC（碳化钽）或NbC（碳化铌）后，不仅提高了耐磨性和抗弯强度，而且提高了韧性。

表5.1.2　常用硬质合金的牌号、成分、力学性能及用途

注：Y—硬质合金；G—钴，其后数字表示含钴量；X—细晶粒合金；T—碳化钛，其后数字表示含TiC量；W—通用合金。

为改善硬质合金的性能，近年来又研制出了一些新型硬质合金，简介如下：

1）超细晶粒硬质合金

普通硬质合金中WC晶粒尺寸为几微米，细晶粒硬质合金（如YG3X，YG6X）中WC晶粒的平均尺寸在1.5μm左右，而超细晶粒硬质合金中WC晶粒的平均尺寸在0.5μm以下，硬质合金晶粒的尺寸越小，其硬度、耐磨性和韧性越高。超细晶粒硬质合金用于加工耐热合金、高强度合金等难加工材料。

2）碳化钛基硬质合金

碳化钛基硬质合金以TiC为主要成分，用Ni和Mo为黏结剂，其牌号用YN及数字表示。这种合金的优点是硬度高，具有较好的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，切削速度可达300～400 m／min。YN05用于低碳钢、中碳钢、铸钢和合金铸铁的精加工；YN10用于碳钢、合金钢、工具钢及淬硬钢的连续表面的精加工。

3）表面涂层硬质合金

表面涂层硬质合金是在韧性较好的钨钴类硬质合金的基体表面涂覆厚5～10μm的一层硬度和耐磨性很高的TiC或TiN，以解决刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾。因为涂层极薄，只用于制作车削和端面铣削用的不重磨刀片。

工件材料的发展促进了刀具材料的发展，很多新的钢种及航天工业中使用的特种难加工材料要求提供切削性能更好的刀具材料；同时，刀具材料的发展使新材料的切削加工成为可能，又促进了新材料的应用与发展。各类刀具材料的性能差别很大，但任何一种刀具材料都难以具备所有的最佳性能。硬度高、耐磨性和耐热性好的刀具材料往往韧性和工艺性能较差，并且各类刀具材料的成本与价格也有很大的差别。因此，应根据切削加工的实际情况综合分析，合理地选用刀具材料。

1.2.3　刀具几何角度

刀具几何角度有标注角度（或称刃磨角度）和工作角度（或称实际角度）。标注角度是指在刀具图样上标注的角度，工作角度是按照切削工作的实际情况所确定的角度。由于刀具角度沿切削刃各点可能是变化的，因此刀具角度实际上是切削刃某一选定点处的角度，通常指邻近刀尖处的角度。

（1）刀具标注角度的参考系

为了便于设计和制造刀具，预先要假定刀具的运动条件和安装条件，以此确定刀具标注角度的参考系。例如，要确定外圆车刀的标注角度，首先要假定切削刃上选定点的主运动方向与刀具底面垂直，进给方向与刀体中心线垂直，该选定点与要加工的工件轴线等高。表示车刀标注角度常用的参考系是主剖面参考系，其由基面、切削平面和主剖面构成，如图5.1.9所示。

1）基面P r

通过切削刃上的选定点，与假定主运动方向相垂直的平面。车刀的基面P r平行于刀具底面。

2）切削平面P s

通过切削刃上的选定点，与切削刃S相切，且垂直于基面P r的平面。

3）主剖面P o

通过切削刃上的选定点，且垂直于基面P r和切削平面P s的平面。P r-P s-P o即为一个正交的主剖面参考系。

（2）刀具的标注角度

刀具的标注角度是在假定运动条件和安装条件下，在刀具标注角度的参考系中确定的。车刀的5个主要标注角度是前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角，如图5.1.10所示。

图5.1.9　车刀的主剖面参考

图5.1.10　车刀的主要角度

1）前角γo

在主剖面中测量的前刀面与基面之间的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时，γo规定为正值；位于刀头实体之内时，则γo规定为负值。前角的大小对切削难易程度影响很大。增大前角可使刀具锋利，切削轻快。但前角过大，则会使刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减小，从而影响刀具使用寿命。

前角γo的大小选择与工件材料、加工要求及刀具材料有关。加工塑性材料时前角应选得大些，加工脆性材料时应选得小些；工件材料的强度低、硬度低，前角应选得大些，反之应选得小些，甚至选零度或负值；精加工时前角应选得大些，粗加工时应选得小些；刀具材料韧性好（如高速钢）前角可选得大些，而刀具材料韧性差（如硬质合金）应选得小些。例如，用硬质合金车刀切削钢件，γo可取10°～20°；切削灰铸铁，γo可取5°～15°；切削铝及铝合金，γo可取25°～35°；切削高强度钢，γo取- 5°左右。

2）后角αo

在主剖面中测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。

后角αo的作用是为了减小主后刀面与工件之间的摩擦以及主后刀面的磨损。但后角αo过大，刀刃强度下降，刀具导热体积减小，反而会加快主后刀面的磨损。

粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够的强度，后角αo可选得小些，一般取为4°～6°；精加工时因切深较小，刀刃不易损坏，为保证加工的表面质量，后角αo选得大些，一般取为8°～12°。

3）主偏角κr

在基面中测量的主切削刃在基面上的投影与假定进给方向之间的夹角。

主偏角κr的大小影响刀具寿命和切削分力的大小。如图5.1.11所示，在切深和进给量相同的情况下，改变主偏角的大小可以改变切削厚度和切削宽度。减小主偏角使主切削刃参加切削的长度增加，切屑变薄，刀刃单位长度上的切削负荷减轻，同时加强了刀尖，增大了散热面积，因而使刀具寿命提高。如图5.1.12所示，主偏角κr的大小还影响切削分力的大小。减小主偏角会使刀具作用在工件上的切深抗力增大，当加工刚性较弱的工件时，容易引起工件的变形和震动。

主偏角的大小应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45°，60°，75°，90°几种。

图5.1.11　主偏角对切削宽度和厚度的影响

图5.1.12　主偏角对切深抗力的影响

4）副偏角

在基面中测量的副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。副偏角的作用是为了减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦，以防止切削时产生震动。副偏角的大小影响刀尖强度和已加工表面的粗糙度。如图5.1.13所示，在切深、进给量一定的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，表面粗糙度降低。

图5.1.13　副偏角对残留面积的影响

副偏角′的大小在不产生摩擦和震动的条件下，主要依据表面粗糙度的要求来选取，一般为5°～15°，粗加工′取较大值，精加工取较小值。

5）刃倾角λs

在切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。当刀尖是切削刃上最高点时，规定λs为正值；刀尖是切削刃上最低点时，规定λs为负值。

刃倾角λs主要影响刀尖的强度和切屑流动的方向。如图5.1.14所示，λs= 0°时，切屑向着与主切削刃垂直的方向流动；λs＞0°时，切屑向着待加工表面方向流动；λs＜0°时，切屑向着已加工表面方向流动。

粗加工时为了增强刀尖强度，常取λs＜0°；精加工时为了防止切屑划伤已加工表面，常取λs＞0°或λs= 0°。车刀的刃倾角一般在- 5°～+ 5°之间选取。断续切削时，为了提高刀具的耐冲击能力，λs可在- 5°～- 15°之间选取。

图5.1.14　刃倾角对排屑方向的影响

（3）刀具的工作角度

刀具的工作角度是刀具在实际工作条件下参与切削的真实角度。考虑实际安装和进给运动的影响，刀具角度的参考系将发生变化，因此，刀具工作时的角度也随之发生变化。

1）车刀的安装对工作角度的影响

当车刀刀尖与工件中心等高时，若不考虑进给运动，车刀的工作前后角γoe，αoe等于标注前后角γo，αo。若将刀尖安装得高于或低于工件中心时，工作基面和工作切削平面的位置将有所改变，则工作前后角γoe，αoe不等于标注前后角γo，αo，如图5.1.15所示。

图5.1.15　车刀安装的高度对工作前、后角的影响

车外圆时，若刀杆中心线与进给方向不垂直，则工作主偏角κre和工作副偏角不等于标注主偏角κr和标注副偏角κ′，如图5.1.16所示。

2）进给运动对工作角度的影响

切削时若考虑进给运动，工作基面应是通过切削刃选定点，并与假定主运动和假定进给运动的合成运动方向相垂直的平面，其与标注基面不重合，因而工作前、后角γoe，αoe不等于标注前、后角γoe，αoe。例如，车外圆时，加工表面实际上是一个螺旋面，通过切削刃选定点的工作基面和工作切削平面都要倾斜一个螺旋升角ψ，从而使得工作前角γoe增大，工作后角αoe减小，如图5.1.17所示。

图5.1.16　刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响

一般车削时，由于进给量比工件直径小得多，螺旋升角ψ的值很小。对车刀工作前、后角的影响可忽略不计。但车削螺距（或导程）较大的螺纹时，如梯形螺纹、方牙螺纹和多线螺纹，则必须考虑螺纹升角ψ的影响。

图5.1.17　进给运动对工作前、后角的影响

1.3　金属切削过程及其物理现象

金属切削过程实质上是一种挤压过程，切削层金属受刀具的挤压而产生变形是切削过程中的基本问题。切削过程中切屑与刀具的前刀面、工件的加工表面及刀具后刀面均要产生摩擦。金属切削过程中产生的积屑瘤、切削力、切削热、加工硬化和刀具磨损等物理现象，都是由切削过程中的变形和摩擦所引起的。

1.3.1　切削过程及切屑种类

（1）金属的切削过程与切削变形区

金属的切削过程也就是切屑形成的过程。如图5.1.18所示，切削塑性金属时，当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性变形，越靠近OA面，弹性变形越大。在OA面上，应力达到材料的屈服强度σs，则发生塑性变形，产生滑移现象。随着刀具的继续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和变形也逐渐加大。在终滑移面OE上，应力和变形达到最大值。越过OE面，切削层金属将脱离工件母体，沿前刀面流出而形成切屑，完成切离。OA与OE之间经过塑性变形的金属晶粒沿大致相同的方向伸长，晶粒伸长的方向不与OE重合，而成一个ψ角。OE与切削速度方向之间的夹角φ称为剪切角（也称滑移角）。

图5.1.18　塑性金属的切削变形情况

图5.1.19　切削过程3个变形区

切削塑性金属材料时有3个变形区。在图5.1.19中，OA与OE之间是切削层的塑性变形区Ⅰ，称为第一变形区（或称基本变形区）。该区的变形量最大，常用它来说明切削过程的变形情况。切屑与前刀面摩擦的区域Ⅱ称为第二变形区（或称前刀面摩擦变形区）。切屑形成后与前刀面之间存在很大的压力，沿前刀面流出时必然有很大的摩擦，因而使切屑底层又一次产生塑性变形。工件已加工表面与后刀面的摩擦区域Ⅲ称为第三变形区（或称已加工表面摩擦变形区）。

（2）切屑的种类

工件材料的塑性不同或采用不同的措施使切削过程中塑性变形的程度不同，会产生不同类型的切屑，并对加工产生不同的影响。

1）带状切屑

用较大前角的刀具在较高切削速度、较小的进给量和切深的情况下，切削硬度较低的塑性材料（如低碳钢），容易得到这类切屑，如图5.1.20（a）所示。由于材料塑性较大，切削层金属经过终滑移面OE时，虽然产生了最大的塑性变形，但尚未达到破裂程度即被从工件母体切离，因此切屑连绵不断。带状切屑的形成过程经过弹性变形、塑性变形、切离3个阶段，切削过程比较平稳，切削力波动较小，工件表面较为光洁。但它会缠绕在刀具或工件上，易损坏刀刃和刮伤工件，清除和运输也不方便，常成为影响正常切削的关键。因此，经常人为地在刀具前刀面上磨出各种卷屑槽或断屑槽，以促使切屑成卷或折断。

图5.1.20　切屑的种类

2）节状切屑

用较小前角的刀具，以较低的切削速度粗加工中等硬度的塑性材料（如中碳钢），容易得到这类切屑，如图5.1.20（b）所示。由于材料塑性较小、切削变形较大，当切削层金属到达OE面时，材料已达破裂程度，沿剪切角φ方向被一层一层地挤裂。但在切离工件母体时，切屑底层尚未裂开，形成节状切屑，又称挤裂切屑。这类切屑的顶面有明显的裂纹，呈锯齿形，其形成过程经过了弹性变形、塑性变形、挤裂和切离4个阶段，是最典型的切削过程。节状切屑的切削力较大，且有波动，工件表面较粗糙。

3）粒状切屑

在形成节状切屑的过程中，若进一步减小前角，降低切削速度，或增大切削厚度，则切屑在整个厚度上被挤裂，形成梯形的粒状切屑，又称单元切屑，如图5.1.20（c）所示。形成粒状切屑时，切削力更大，波动也更大。

4）崩碎切屑

在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，由于材料的塑性极小，切削层金属受刀具挤压经过弹性变形以后就突然崩碎，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑，如图5.1.20（d）所示。切屑的形成经过弹性变形、挤裂、切离3个阶段。产生崩碎切屑时，切削热和断续的切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并容易产生震动，影响工件表面粗糙度。

切屑的形状可以随切削条件的改变而改变。例如，加大前角，提高切削速度、减小切削厚度可将节状切屑转变成带状切屑。在生产中常根据具体情况采取不同的措施使切削变形得到控制，以保证切削加工的顺利进行。

1.3.2　积屑瘤

在一定切削速度范围内切削塑性金属，常发现在刀具前刀面靠近刀刃的部位黏附着一小块很硬的金属，这就是切削过程产生的积屑瘤（或称刀瘤），如图5.1.21所示。

图5.1.21　积屑瘤

（1）积屑瘤的形成

积屑瘤是由于切屑和前刀面剧烈摩擦产生黏结而形成的。当塑性金属被切下的切屑沿前刀面流出时，在一定的温度和压力作用下，切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使底层金属的流动速度降低而形成“滞流层”。当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑内部的结合力时，就有一部分金属黏结在刀刃附近而形成积屑瘤。

积屑瘤是不稳定的，在震动和冲击等作用下，还会破裂或脱落。破裂或脱落的积屑瘤碎片大部分被切屑带走，也有一部分黏附在工件表面上。

（2）积屑瘤对切削加工的影响

积屑瘤在形成过程中，由于金属剧烈变形引起强化，使其硬度远高于被切金属。因此，其可以代替刀刃进行切削，起到保护刀刃减小刀具磨损的作用。积屑瘤的存在增大了刀具的工作前角，使切削力减小。但积屑瘤的顶端伸出刀尖之外，而又不断地产生和脱落，会在已加工表面上留下不均匀的沟痕，并有一些黏附在工件表面上，而影响尺寸精度和表面粗糙度。因此，粗加工时产生积屑瘤有一定好处，精加工时必须避免积屑瘤的产生。

（3）影响积屑瘤的因素及防止方法

工件材料和切削速度是影响积屑瘤的主要因素。

塑性大的材料，切削时的塑性变形较大，容易产生积屑瘤。塑性较小而硬度较高的材料，产生积屑瘤的可能性以及积屑瘤的高度相对较小。切削脆性材料形成的崩碎切屑不与前刀面摩擦，因此一般无积屑瘤产生。

切削速度主要是通过切削温度和摩擦系数来影响积屑瘤的。切削速度很低（v＜5 m／min）时，切屑流动较慢，切削温度很低，切屑与前刀面的摩擦系数很小，因而切屑与前刀面不会产生黏结现象，故不会出现积屑瘤。切速在v= 5～60 m／min范围内，切屑流动较快，切削温度较高，切屑与前刀面的摩擦系数较大，容易黏结产生积屑瘤。切削钢件一般在v≈20 m／min时，切削温度在300～350℃之间，摩擦系数最大，产生积屑瘤的高度也最大。当切削速度很高（v＞100 m／min）时，由于切削温度很高，切屑底层金属呈微熔状态，摩擦系数明显减小，积屑瘤亦不会形成。

在精加工塑性金属时，为防止积屑瘤的产生，通常采用高速或低速切削。

此外，增大前角以减小切屑变形，用油石仔细打磨刀具前刀面以减小摩擦，选用合适的切削液以降低切削温度和减小摩擦，都是防止积屑瘤产生的重要措施。

1.3.3　切削力

切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。

（1）切削力的来源与分解

切削加工时，切削层金属和已加工表面产生的变形抗力F n和F na分别垂直作用于前、后刀面上，切屑对刀具的摩擦阻力F f作用于前刀面上，工件已加工表面对刀具的摩擦阻力F fa作用于后刀面上。这些力的合力F r就是作用在刀具上的总切削力，如图5．1．22所示。其反作用力作用在工件上。

图5.1.23　切削力的分解

图5.1.22　切削力的来源

总切削力F r是一个空间力。为了便于分析、测量和计算，常将F r分解为沿主运动方向、进给方向、切深方向的3个互相垂直的切削分力，分别用Fz，Fx，Fy表示。切削力的分解如图5．1．23所示。

总切削力F r与3个切削分力Fz，Fx，Fy的关系为：

一般情况下，Fz最大，故称主切削力。随着刀具角度、刃磨质量和切削用量等切削条件的不同，主切削力Fz的大小也不同。Fx，Fy相对于Fz的比值可在很大的范围内变化，即

（2）各切削分力的实际意义

1）主切削力Fz

它与主运动速度方向一致，也称为切向力。比其他两个分力要大很多，一般消耗机床功率的95%左右，是确定机床动力和设计主传动系统零件的主要依据。主切削力过大会使刀杆产生弯曲变形，甚至使刀具崩刃，其反作用力作用在工件上，过大时可能会发生闷车现象（即皮带打滑，工件停转）。

2）进给抗力Fx

它的方向与进给方向相反，车外圆时与轴线方向一致，又称为轴向力。一般只消耗机床总功率的1%～5%，是设计机床时验算进给系统零件刚度的依据。

3）切深抗力Fy

它的方向与进给方向垂直，车外圆时作用在工件的直径方向，又称为径向力。因为切削时在此方向上的运动速度为零，所以F y不做功。但其反作用力作用在工件上，容易使工件弯曲变形，特别是对于刚性差的工件，如细长轴等，变形尤为明显。不仅影响加工精度，还容易引起震动，影响表面粗糙度，应给予充分注意。

（3）影响切削力的因素

1）工件材料

工件材料是影响切削力的重要因素。工件材料的强度、硬度越高，切削时的变形抗力越大，切削力越大。例如，在同样的切削条件下，切削中碳钢的切削力比低碳钢大，切削工具钢的切削力又比中碳钢大；切削铜铝及其合金的切削力要比切削钢小得多。切削力的大小也和材料的塑性、韧性有关。在强度、硬度相近的材料中，塑性大韧性高的材料切削时产生的塑性变形及切屑与前刀面之间的摩擦较大，发生变形或破坏所消耗的能量较多，故切削力较大。例如，不锈钢1Cr18Ni9Ti与正火的45钢强度、硬度基本相当，但不锈钢的塑性、韧性较大，其切削力比正火的45钢约高25%。

2）刀具的几何角度

刀具的几何角度对切削力也有较大的影响，其中前角、主偏角的影响最为显著。一般来说，刀具前角增大会使切削力减小。特别是切削塑性大的材料，增大前角可使塑性变形显著减小，故切削力降低得多一些。主偏角对进给抗力、切深抗力的影响较大。因此，车削细长轴时为减小切深抗力，防止工件的弯曲变形和震动，常采用较大的主偏角（90°或75°）。

3）切削用量

切削用量中，切削深度和进给量对切削力的影响较大。当a p或f加大时，切削面积加大，变形抗力和摩擦阻力增加，从而引起切削力增大。实验证明，当其他切削条件一定时，a p加大一倍，切削力约增加一倍，f加大一倍，切削力增加68%～86%；切削速度v对切削力的影响不大，一般不予考虑。

（4）切削功率

切削功率P m应是各个切削分力消耗功率的总和。但因为Fy不做功，Fx所消耗的功率一般很小，因此切削功率P m可用下式计算，即

或

机床电动机的功率P E与切削功率的P m关系为：

式中　ηm——机床传动效率，一般取ηm= 0.75～0.85。

1.3.4　切削热

（1）切削热的来源与传散

切削过程中，变形抗力和摩擦阻力所消耗的功绝大部分都转变为热能称为切削热。切削热来源于3个变形区。如图5.1.24所示，在第一变形区内，由于切削层金属发生弹性变形和塑性变形而产生大量的热量；在第二变形区内，由于切屑与前刀面摩擦而产生热量；在第三变形区内，由于工件与后刀面摩擦而产生热量。切削塑性金属时，切削热主要来自Ⅰ、Ⅱ变形区；切削脆性金属时，切削热主要来自Ⅰ、Ⅲ变形区。

图5.1.24　切削热的来源与传散

切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传散出去。不同的加工方式，切削热的传散情况是不同的。例如，不使用切削液，以中等切削速度车削钢件时，切削热的50%～86%由切屑带走，40%～10%传入工件，9%～3%传入车刀，1%左右传入空气；以上述条件钻削钢件时，切削热的28%由切屑带走，14.5%传入工件，52.5%传入钻头，5%左右传入周围介质。

（2）切削热对切削加工的影响

传入切屑和介质中的热量对加工没有影响，但可以通过钢料切屑的颜色大致判断出切削温度的高低。例如，切屑呈银白色和淡黄色表示切削温度不高，切屑呈紫色或紫黑色则说明切削温度很高，必要时须采取措施降低切削温度。

传入刀头的热量虽然不多，但由于刀头体积小，高速切削时刀头的最高温度可达1 000℃以上。刀头上的温度超过刀具材料的耐热温度时，会加速刀具的磨损。

传入工件的切削热会引起工件膨胀变形而影响加工精度。特别是加工细长轴、薄壁套以及精密零件时，热变形的影响更要引起足够的重视。

（3）切削温度及其影响因素

切削温度一般是指切屑、工件与刀具接触表面上的平均温度。切削温度的高低取决于切削热的产生和传散情况，其主要影响因素是工件材料、切削用量、刀具角度和冷却条件。

工件材料对切削温度的影响与材料的强度、硬度及导热性有关。材料的强度、硬度越高，切削时消耗的功越多，切削温度也就越高。在其他切削条件相同的情况下，如果工件材料的导热性好，热量传散快，可以降低切削温度。例如，合金结构钢的强度一般高于45钢，其导热系数又低于45钢，故切削温度高于45钢；有色金属的强度、硬度低，导热性能好，切削温度普遍比较低。

切削用量增大，单位时间内的金属切除量增多，产生的切削热也相应增多。但分别增大v，f和a p时，由于切削热的产生和散热条件有所不同，切削温度的升高并不相同。切削速度增大一倍，切削温度升高20%～33%；进给量增大一倍，切削温度大约升高10%；切削深度增大一倍，切削温度大约升高3%。因此，粗加工时为了减小切削温度的影响，增大切削深度或进给量比增大切削速度更为有利。

刀具角度中对切削温度影响较大的是前角γo和主偏角κr。加大前角会使切削层金属的变形程度显著减小，因而产生的切削热减少。但如果前角过大，会使刀头的散热体积减小，反而不利于切削温度的降低。减小主偏角，会使切削刃工作长度增加，散热条件改善，从而使切削温度降低。因此，在工件刚度允许的条件下，可采用较小的主偏角。

降低切削温度的另一有效途径是用喷注切削液的办法来改善刀具和工件的散热条件。切削液不仅起冷却作用，还起润滑、清洗和防锈的作用。生产中常用的切削液主要有水溶液、乳化液和切削油。

水溶液的主要成分是水，并加入防锈剂等添加剂。其冷却性能好、透明，便于观察切削情况，但润滑性能较差。

乳化液是将乳化油用水稀释而成。乳化油由矿物油、乳化剂、防锈剂等组成，具有良好的流动性和冷却作用，也有一定的润滑性能。低浓度的乳化液用于粗车、磨削；高浓度的乳化液用于精车、钻孔和铣削等。

切削油主要是矿物油，少数采用动、植物油或混合油。它润滑性能好，但流动性差，冷却作用小。切削油主要用来减小刀具磨损和降低表面粗糙度，常用于铣削加工和齿轮加工等。

1.3.5　加工硬化与残余应力

切削塑性金属，工件已加工面表层的硬度比加工前往往有明显提高而塑性下降，这一现象称为加工硬化。其原因是在已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复杂的塑性变形。

当刀具挤压切削层金属时，变形的区域要扩展到切削层以下，使将成为已加工表面的一层金属也要产生一定的塑性变形；当切削层被切离母体时，由于刀尖圆弧的存在，被切金属的分离点F不在刃口圆弧的最低点，所以会有厚度为ΔA的一薄层金属留下来并受到刀口的挤压，如图5.1.25所示；由于刀具磨损，后刀面上将出现一段长度为ΔL、后角为零度的棱面与已加工表面摩擦；弹性变形的恢复使已加工表面与后刀面的接触长度加大，进而增加了已加工表面所受到的挤压和摩擦。上述原因将使已加工表面的金属层在一定范围内产生塑性变形，因而产生加工硬化。金属在切削过程中的塑性变形越大，加工硬化的程度越严重。

图5.1.25　刃前金属分离点及后刀面接触情况

塑性变形以及切削力、切削温度的作用，还会导致已加工表面层在一定深度内产生残余应力。残余应力是在工件内部保持平衡而残留的内应力，是由于金属内部变形不均匀、温度不均匀而引起的。表面残余应力往往是与加工硬化同时出现的。当残余应力发生松弛或重新分布时，会使工件发生变形，影响尺寸精度和形位精度，对刚性较差的工件尤为明显。残余应力还可能使零件的表面产生细微裂纹，降低零件的疲劳强度。因此，在加工过程中应尽量减小残余应力。一般说来，凡能减小塑性变形和降低切削力、切削温度的方法都能使已加工表面的残余应力减小。

工件已加工表面的硬化现象会增加刀具的磨损，给某些工序的加工（如刮削）带来不便，同时可以提高零件表面的硬度、强度和耐磨性。因此，在能控制残余应力、避免出现细微裂纹的情况下，利用加工硬化可在一定程度上改善零件的使用性能。例如，在精加工之后进行滚压加工，不仅使零件的表面粗糙度降低许多，还可提高零件的疲劳强度和表面的耐磨性。

1.3.6　刀具的磨损

切削过程中刀具的前刀面和后刀面均会出现磨损。刀具磨损到一定程度后，刀刃变钝，会使工件表面质量恶化，并导致切削力和切削温度增加，震动加大，不能继续正常切削，必须重新及时刃磨。

（1）刀具磨损的形式与过程

由于工件材料和切削用量不同，刀具磨损有：后刀面磨损、前刀面磨损、前后刀面磨损3种形式，如图5.1.26所示。后刀面磨损一般发生在切削脆性金属或以较低的切削速度和较小的切削厚度（a c＜0.1 mm）切削塑性金属的条件下；前刀面磨损一般发生在以较高的切削速度和较大的切削厚度（a c＞0.5 mm）切削塑性金属的条件下；前后刀面同时磨损的发生条件介于两者之间，例如，以中等切削厚度（a c= 0.1～0.5 mm）切削塑性金属常发生这种磨损。刀具的磨损过程如图5.1.27所示，可分为3个阶段，第Ⅰ阶段（OA段）为初期磨损阶段；第Ⅱ阶段（AB段）为正常磨损阶段；第Ⅲ阶段（BC段）为急剧磨损阶段。

图5.1.26　刀具磨损形式

图5.1.27　磨损过程

在初期磨损阶段，由于刀具前后刀面上有微观凸峰，其与切屑和加工表面的实际接触面积很小，故磨损较快。在正常磨损阶段，由于刀具上微观凸峰已被磨去，表面光洁，并形成狭窄的棱面，压强减小，故磨损较慢。刀具在正常磨损阶段后期已开始变钝，进入急剧磨损阶段后，刀具切削状况显著恶化，摩擦加剧，切削刃将急剧变钝，以致完全丧失切削能力。

（2）刀具耐用度

经验表明，刀具在正常磨损阶段后期，急剧磨损阶段之前换刀或重磨为最好。这样既可保证加工质量，又能节省刀具材料。由于在大多数情况下后刀面都有磨损，这种磨损测量也较容易，故通常以后刀面的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。但在实际生产中，不可能经常测量VB的宽度，而用刀具耐用度作为刀具磨损限度的标准。

刀具耐用度是刀具两次刃磨之间实际进行切削的总时间，以T（min）表示。刀具耐用度的数值应规定得合理，粗加工、半精加工一般按正常磨损阶段终了时的磨损量来规定；精加工以粗糙度R a值超差时的磨损量来规定。对于制造和刃磨比较简单的刀具，耐用度T（min）可定得低些；对于制造和刃磨比较复杂的刀具，耐用度应定得高些。例如，目前硬质合金焊接车刀的耐用度大致定为60 min，高速钢钻头的耐用度定为120～180 min，齿轮刀具的耐用度定为200～300 min。

影响刀具耐用度的因素很多，有工件材料、刀具材料、刀具角度，切削用量以及是否使用切削液等。在各种因素确定的情况下，切削速度v是影响耐用度的关键因素。为了保证刀具所规定的耐用度，必须合理地选用切削速度。

复习思考题

1.根据外圆、内圆、平面3类表面的形成原理，总结分析你所见到的机床中，哪些机床具有加工这3类表面的功能。

2.切削要素包括哪些内容？

3.刀具材料应具备哪些性能？高速钢的耐热性远不如硬质合金好，为什么高速钢还有如此广泛的应用？

4.已知车刀切削部分的标注角度为：γ= 10°，α= 8°，κr= 45°= 45°，λs=- 4°。试画出该车刀切削部分的工作图。若刀尖安装得高于或低于工件中心，工作前角和后角如何变化？

5.分别说明切削塑性材料和脆性材料时的切屑形成过程。

6.积屑瘤是怎样形成的？对切削加工有何影响？

7.切削力是如何产生的？影响切削力的主要因素有哪些？

8.切削热是如何产生和传散的？对切削加工有何影响？

9.一般应通过什么措施保证刀具规定的耐用度？

10.提高生产率的途径有哪些？试分别叙述粗、精加工时，选择切削用量的原则。