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金属制造技术教程 第1章 金属切削知识
第一章金属切削知识
1．1　切削运动和切削用量
1．1．1 切削运动
在金属切削加工时，为了切除工件上多余的材料，形成工件要求的合格表面，刀具和工件间须完成一定的相对运动，即切削运动。切削运动按其所起的作用不同，可分为主运动和进给运动，如图1—1所示。

图1—1  主运动和进给运动
a）     车削　b）铣削　c）刨削　d）钻削　e）磨削
１—主运动　　２—进给运动　　３—待加工表面　　４—加工表面　　５—已加工表面
１．主运动
在切削加工中起主要的、消耗动力最多的运动为主运动。它是切除工件上多余金属层所必须的运动。车削时主运动是工件的旋转运动；铣削和钻削时主运动是刀具的旋转运动；磨削时主运动是磨轮的旋转运动；刨削时主运动是刀具（牛头刨）或工件（龙门刨床）的往复直线运动等。一般切削加工中主运动只有一个。
2．   进给运动
在切削加工中为使金属层不断投入切削，保持切削连续进行，而附加的刀具与工件之间的相对运动称为进给运动。进给运动可以是一个或多个。车削时进给运动是刀具的移动；铣削时进给运动是工件的移动；钻削时进给运动是钻头沿其轴线方向的移动；内、外圆磨削时进给运动是工件的旋转运动和移动等。
3．   切削层
切削层是指切削时刀具切过工件一个单程所切除的工件材料层。如图1—2所示，在加工外圆时，工件旋转一周，刀具从位置Ⅰ移到位置Ⅱ。切下的Ⅰ与Ⅱ之间工件材料层。图中ABCE称为切削层公称横截面积。

图1—2　切削层要素
1—待加工表面　　２—过渡表面　　３—已加工表面
1．1．2  切削用量
在切削加工中切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度）总称为切削用量。它表示主运动和进给运动量。
1．切削速度
刀具切削刃上选定点相对工件主运动的瞬时线速度称为切削速度，用vc表示，单位为m/s或m/min。当主运动是旋转运动时，切削速度计算公式为：

(1.1)
式中　d──工件加工表面或刀具选定点的旋转直径，单位为mm；
n──主运动的转速，单位为r/s或r/min。
2．进给量
工件或刀具每转一周，刀具在进给方向上相对工件的位移量，称为每转进给量，简称进给量，用f表示，单位为mm/r。
单位时间内刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，称为进给速度，用vf表示，单位为mm/s或m/min。
当主运动为旋转运动时，进给量f与进给速度vf之间的关系为：
vf ＝fn                                 (1.2)
当主运动是往复直线运动时，进给量为每往复一次的进给量。
3．背吃刀量（切削深度）
工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量，用ap表示，单位为mm。
车外圆时背吃刀量ap为：
                           　(1.3)
式中：dm──已加工表面直径，单位为mm。
dw──待加工表面直径，单位为mm。
4．合成切削速度
主运动与进给运动合成的运动称为合成切削运动。切削刃选定点相对工件合成切削运动的瞬时速度称为合成切削速度。如图1—3所示。
Ve = VC + Vf                                (1.4)

图1—3车外圆时合成切削运动
1．2  刀具几何角度
任何刀具都由刀头和刀柄两部分构成。刀头用于切削，刀柄用于
装夹。虽然用于切削加工的刀具种类繁多，但刀具切削部分的组成确有共同点。车刀的切削部分可看作是各种刀具切削部分最基本的形态。如图1—4所示。

图1—4  车刀切削部分的结构
1．2．1  刀具切削部分的构成要素
刀具切削部分主要由刀面和切削刃两部分构成。刀面用字母Ａ与下角标组成的符号标记，切削刃用字母Ｓ标记，副切削刃及相关的刀面标记在右上角加一撇以示区别。
⑴前面（前刀面）Ａr：刀具上切屑流出的表面；
⑵后面（后刀面）Aα：刀具上与工件新形成的过渡表面相对的刀面；
⑶副后面（副后刀面）Aα′：刀具上与工件新形成的过渡表面相对的刀面；
⑷主切削刃Ｓ：前面与后面形成的交线，在切削中承担主要的切削任务；
⑸副切削刃Ｓ′：前面与副后面形成的交线，它参与部分的切削任务；
⑹刀尖：主切削刃与副切削刃汇交的交点或一小段切削刃。
1．2．2  刀具角度参考平面与刀具角度参考系
为了保证切削加工的顺利进行，获得合格的加工表面，所用刀具的切削部分必须具有合理的几何形状。刀具角度是用来确定刀具切削部分几何形状的重要参数。
为了描述刀具几何角度的大小及其空间的相对位置，可以利用正投影原理，采用多面投影的方法来表示。用来确定刀具角度的投影体系，称为刀具角度参考系，参考系中的投影面称为刀具角度参考平面。
用来确定刀具角度的参考系有两类：一类为刀具角度静止参考系，它是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称为刀具标注角度；另一类为刀具角度工作参考系，它是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称为刀具的工作角度。
1．   刀具角度参考平面
用于构成刀具角度的参考平面主要有：基面、切削平面、正交平面、法平面、假定工作平面和背平面，如图1—5所示。

图1—5   刀具角度的参考平面
⑴ 基面Pr：过切削刃选定点，垂直于主运动方向的平面。通常，它平行（或垂直）于刀具上的安装面（或轴线）的平面。例如：普通车刀的基面Pr，可理解为平行于刀具的底面；
⑵ 切削平面Ps：过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面Pr的平面。它也是切削刃与切削速度方向构成的平面；
⑶ 正交平面Po：过切削刃选定点，同时垂直于基面Pr与切削平面Ps的平面；
⑷ 法平面Pn：过切削刃选定点，并垂直于切削刃的平面；
⑸ 假定工作平面Pf：过切削刃选定点，平行于假定进给运动方向，并垂直于基面Pr的平面；
⑹ 背平面Pp：过切削刃选定点，同时垂直于假定工作平面Pf与基面Pr的平面。
2．刀具角度参考系
刀具标注角度的参考系主要有三种：即正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。
⑴ 即正交平面参考系：由基面Pr、切削平面Ps和正平面Po构成的空间三面投影体系称为正交平面参考系。由于该参考系中三个投影面均相互垂直，符合空间三维平面直角坐标系的条件，所以，该参考系是刀具标注角度最常用的参考系。
⑵ 法平面参考系：由基面Pr、切削平面Ps和法平面Pn构成的空间三面投影体系称为法平面参考系。
⑶ 假定工作平面参考系：由基面Pr、假定工作平面Pf和背平面Pp构成的空间三面投影体系称为假定工作平面参考系。
1．2．3  刀具的标注角度
描述刀具的几何形状除必要的尺寸外，主要使用的是刀具角度。刀具标注角度主要有四种类型，即前角、后角、偏角和倾角。
１．正交平面参考系中的刀具标注角度
如图1—6所示，在正交平面参考系中，刀具标注角度分别标注在构成参考系的三个切削平面上。

图1—6  正交平面参考系刀具标注角度
在基面Pr上刀具标注角度有：
主偏角κr──主切削平面Ps与假定工作平面Pf间的夹角；
副偏角κr′──副切削平面Ps′与假定工作平面Pf间的夹角。
在切削平
面Ps上刀具标注角度有：
刃倾角λs──主切削刃Ｓ与基面Pr间的夹角。刃倾角λs有正负之分，当刀尖处于切削刃最高点时为正，反之为负。
在正平面Po上刀具标注角度有：
前角γＯ──前面Ａr与基面Pr间的夹角。前角γＯ有正负之分，当前面Ａr与切削平面Ps间的夹角小于900时，取正号；大于900时，则取负号；
后角αO──后面Aα与切削平面Ps间的夹角。
以上五个角度κr、κr′、λs、γＯ、αＯ为车刀的基本标注角度。在此，κr、λs确定了主切削刃Ｓ的空间位置，κr′、λs′确定了副切削刃Ｓ′的空间位置；γＯ、αＯ则确定了前面Ar和后面Aα的空间位置，γＯ′、αＯ′则确定了副前面Ar′和副后面Aα′的空间位置。
此外，还有以下派生角度：
刀尖角εr──在基面Pr内测量的主切削平面Ps与副切削平面Ps′间的夹角，εr＝1800－（κr＋κr′）；
余偏角ψr──在基面Pr内测量的主切削平面Ps与背平面PＰ间的夹角，ψr＝900－κr；
楔角βＯ──在正平面Po内测量的前面Ar与后面Aα间的夹角，βＯ＝900－（γＯ＋αＯ）。
２．其它参考系刀具标注角度
在法平面Pn内测量的前、后角称为法前角和法后角，如图1—7所示。

图1—7法平面参考系刀具标注角度
在假定工作平面Ｐf和背平面Pp中测量的刀具角度有：側前角γf、側后角αf、背前角γp和背后角αp。如图1—8所示。

图1—8  假定工作平面参考系刀具标注角度
上述各参考系平面及角度的定义归纳在表1—1中。
表1—1刀具各参考系与刀具角度定义
刀具组成
标注参考系
刀具角度定义
切削刃
相关刀面
代号
组成平面
特征
符号
名称
构成平面
测量平面
S
Aγ
Aα
Po
Pr
⊥υc
γo
前角
Ar、Pr
Po
αo
后角
Aα、Ps
Ps
⊥Pr与S相切

κr
主偏角
Ps、Pf
Pr
Po
⊥Pr⊥Ps

λs
刃倾角
Aγ、Pr
Ps
Pn
Pr
⊥υc
γn
法前角
Aγ、Pr
Pn
αn
法后角
Aα、Ps

Ps
⊥Pr与S相切

κr
主偏角
同Po系

Pn
⊥S

λs
刃倾角

Pf
Pr
⊥υc
γf
侧前角
Aγ、Pr
Pf

γp
背前角
Pp

Pf
∥υf、⊥Pr

αf
侧后角
Aα、Ps
Pf

Pp
⊥Pr、⊥Pf

αp
背后角
Pp

1．2．4 刀具工作角度
上述刀具角度是在忽略进给运动条件及刀具安装误差等因素影响情况下给出的。实际上，刀具在使用中，应考虑合成运动和实际安装情况。按照刀具工作的实际情况，所确定的刀具角度参考系称刀具工作角度参考系，在刀具工作角度参考系中标注的刀具角度称刀具工作角度。
通常进给运动在合成切削运动中起的作用很小，在一般安装条件下，可用标注角度代替工作角度。只有在进给运动和刀具安装对工作角度产生较大影响时，才需计算工作角度。
1．进给运动对刀具工作角度的影响（横车时）
切断刀切断工件时的情况如图1—9所示。

图1—9  横向进给运动对刀具工作角度的影响
当考虑进给运动时，切削刃上Ａ点的运动轨迹是一条阿基米德螺旋线，实际切削平面Pse为过Ａ点且切于螺旋线的平面，实际基面Pre为过Ａ点与Pse垂直的平面，在实际测量平面内的前、后角分别称为工作前角γoe和工作后角αoe，其大小为：
γoe＝γo＋η　                          　(1.5)
αoe＝αo－η　　　           　　　      （
1.6）
η＝arctan                                （1.7）
式中　η──合成切削速度角，是主运动方向与合成切削速度方向的夹角；
f──刀具相对工件的横向进给量mm/r；
dw──切削刃上选定点Ａ处的工件直径mm。
不难看出，切削刃越接近工件中心，dw值越小，η值越大，γoe越大，而αoe越小，甚至变为零或副值，对刀具的工作越不利。
2．刀尖位置高低对工作角度的影响
安装时，刀尖不一定在机床中心高度上。如刀尖高于机床中心高度，如图1—10所示。

图1—10  刀尖位置高时的刀具工作角度
此时选定点Ａ的基面和切削平面已变为过Ａ点的径向平面Pre和与之垂直的切平面Pse，其工作前角和后角分别为γpe、αpe。可见刀具工作前角γpe比标注前角γp增大了，工作后角αpe比标注后角αp减小了。其关系为：
γpe＝γp＋θp                         (1.8)
αpe＝αp－θp                         (1.9)
θp＝arctan                            (1.10)
式中　θp──刀尖位置变化引起前后角的变化值（弧度）；
h ──刀尖高于机床中心线的数值mm；
dw──工件直径mm。
1．3  金属切削过程
金属切削过程是指从工件表面切除多余金属形成已加工表面的过程。在切削过程中，工件受到刀具的推挤，通常会产生变形，形成切屑。伴随着切屑的形成，将产生切削力、切削热、刀具磨损、积屑瘤和加工硬化等现象，这些现象将影响到工件的加工质量和生产效率等，因此有必要对其变形过程加以研究，找到其规律，以便提高加工质量和生产效率。
1．3．1 切削变形
1．切屑的形成过程
切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的，如图1—11所示。

图1—11  切削过程示意图
图中未变形的切削层AGHD可看成是由许多个平行四边形组成的，如ABCD、BEFC、EGHF…。当这些平行四边形扁块受到前刀面的推挤时，便沿着BC方向向斜上方滑移，形成另一些扁块，即ABCD→AB′C′D　、BEFC→B′E′F′C′、EGHF→E′G′H′F…。由此可以看出，切削层不是由刀具切削刃削下来的或劈开来的，而是靠前刀面的推挤，滑移而成的。
2．切削过程变形区的划分
切削过程的实际情况要比前述的情况复杂得多。这是因为切削层金属受到刀具刀前刀面的推挤产生剪切滑移变形后，还要继续沿着前刀面流出变成切屑。在这个过程中，切削层金属要产生一系列变形，通常将其划分为三个变形区，如图1—12所示。

图1—12  剪切滑移线与三个变形区示意图
图中Ⅰ（AOM）为第一变形区。在第一变形区内，当刀具和工件开始接触时，材料内部产生应力和弹性变形，随着切削刃和前刀面对工件材料的挤压作用加强，工件材料内部的应力和变形逐渐增大，当切应力达到材料的屈服强度时，材料将沿着与走刀方向成450的剪切面滑移，即产生塑性变形，切应力随着滑移量增加而增加，当切应力超过材料的强度极限时，切削层金属便与材料基
体分离，从而形成切屑沿前刀面流出。由此可以看出，第一变形区变形的主要特征是沿滑移面的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。
实验证明，在一般切削速度下，第一变形区的宽度仅为0.02 mm～0.2mm，切削速度越高，其宽度越小，故可看成一个平面，称剪切面。这种单一的剪切面切削模型虽不能完全反映塑性变形的本质，但简单实用，因而在切削理论研究和实践中应用较广。
图中Ⅱ为第二变形区。切屑底层（与前刀面接触层）在沿前刀面流动过程中受到前刀面的进一步挤压与摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，即产生了第二次变形，变形方向基本上与前刀面平行。
图中Ⅲ为第三变形区。此变形区位于后刀面与已加工表面之间，切削刃钝圆部分及后刀面对已加工表面进行挤压，使已加工表面产生变形，造成纤维化和加工硬化。
3．   切屑类型及控制
由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程度也不同，因而产生的切屑形态也多种多样。归纳起来主要有以下四种类型，如图1—13所示。

图1—13  切屑类型
⑴ 带状切削：如图1—13a所示。切屑延续成较长的带状，这是一种最常见的切屑形状。一般情况下，当加工塑性材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时，往往会得到此类屑型。此类屑型底层表面光华，上层表面毛茸；切削过程较平稳，已加工表面粗糙度值较小。
⑵ 节状切屑：如图1—13b所示。切屑底层表面有裂纹，上层表面呈锯齿形。大多在加工塑性材料，切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小时，容易得到此类屑型。
⑶ 粒状切屑：如图1—13c所示。当切削塑性材料，剪切面上剪切应力超过工件材料破裂强度时，挤裂切屑便被切离成粒状切屑。切削时采用较小的前角或负前角、切削速度较低、进给量较大，易产生此类屑型。
以上三种切屑均是切削塑性材料时得到的，只要改变切削条件，三种切屑形态是可以相互转化的。
⑷ 崩碎切屑：如图1—13d所示。在加工铸铁等脆性材料时，由于材料抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属只经受较小的塑性变形就被挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切削。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角于小，越容易产生这种切屑。
实践表明，形成带状切屑时产生的切削力较小、较稳定，加工表面的粗糙度较小；形成节状、粒状切屑时的切削力变化较大，加工表面的粗糙度增大；在崩碎切屑时产生的切削力虽然较小，但具有较大的冲击振动，切屑在加工表面上不规则崩落，加工后表面较粗糙。
4．   前刀面上的摩擦与积屑瘤现象
⑴ 前刀面上的摩擦特性
切屑从工件上分离流出时与前刀面接触产生摩擦，接触长度lf如图1—14所示。在近切削刃长度lf1内，由于摩擦与挤压作用产生高温和高压，使切屑底面与前面的接触面之间形成粘结，亦称冷焊，粘结区或称冷焊区内的摩擦属于内摩擦，是前面摩擦的主要区域。在内摩擦区外的长度lf2内的摩擦为外摩擦。

图1—14  刀—屑接触面上的摩擦特性
内摩擦力使粘结材料较软的一方产生剪切滑移，使得切屑底层很薄的一层金属晶粒出现拉长的现象。由于摩擦对切削变形、刀具寿命和加工表面质量有很大影响，因此，在生产中常采用减小切削力、缩短刀—屑接触长度、降低加工材料屈服强度、选用摩擦系数小的刀具材料、提到刀面刃磨质量和浇注切削液等方法，来减小摩擦。
⑵ 积屑瘤现象
在切削塑性材料时，如果前刀面上的摩擦系数较大，切削速度不高又能形成带状切屑的情况下，常常会在切削刃上粘附一个硬度很高的鼻型或楔型硬块，称为积屑瘤。如图1—15所示，积屑瘤包围着刃口，将前刀面与切屑隔开，其硬度是工件材料的2～3倍，可以代替刀刃进行切削，起到增大刀具前角和保护切削刃的作用。

图1—15  积屑瘤
积屑瘤的成因，目前尚有不同的解释，通常认为是切屑底层金属在高温、高压作用下在刀具前表面上粘结并不断层积的结果。当积屑瘤层积到足够大时，受摩擦力的作用会产生脱落，因此，积屑瘤的产生与大小是周期性变化的。积屑瘤的周期性变化对工件的尺寸精度和表面质量影响较大，所以，在精加工时应避免积屑瘤的产生。
通过切削实验和生产实践表明，在中温情况下切削中碳钢，温度在300～380C0时，积屑瘤的高度最大，温度在500～600C0时积屑瘤消失。
5．     响切削变形的因素
响切削变形的因素很多，但归纳起来主要有四个方面：即工件材料、刀具前角、切削速度和进给量。
⑴ 工件材料 工件材料的强度和硬度越高，则摩擦系数越小，变形越小。因为材料的强度和硬度增大时，前刀面上的法向应力增大，摩擦系数减小，使剪切角增大，变形减小。
⑵ 刀具前角 刀具前角越大，切削刃越锋利，前刀面对切削层的挤压作用越小，则切削变形越小。
⑶ 切削速度 在切削塑性材料时，切削速度对切削变形的影响比较复杂，如图1—16所示。在有积屑瘤的切削范围内（vC≤400m/min），切削速度通过积屑瘤来影响切屑变形。在积屑瘤增长阶段，切削速度增大，积屑瘤高度增大，实际前角增大，从而使切削变形减少；在积屑瘤消退阶段中，切削速度增大，积屑瘤高度减小，实际前角减小，切削变形随之增大。积屑瘤最大时切削变形达最小值，积屑瘤消失时切削变形达最大值。

图1—16  切削速度对切削变形的影响
在无有积屑瘤的切削范围内，切削速度越大，则切削变形越小。这有两方面原因：一方面是由于切削速度越高，切削温度越高，摩擦系数降低，使剪切角增大，切削变形减小；另一方面，切削速度增高时，金属流动速度大于塑性变形速度，使切削层金属尚未充分变形，就已从刀具前刀面流出成为切屑，从而使第一变形区后移，剪切角增大，切削变形进一步减小。
⑷ 进给量 进给量对切削速度的影响是通过摩擦系数影响的。进给量增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩擦系数减小，从而使摩擦角减小，剪切角增大，因此切削变形减小。
1．3．2 切削力与切削功率
切削力是被加工材料抵抗刀具切入所产生的阻力。它是影响工艺系统强度、刚度和加工工件质量的重要因素。是设计机床、刀具和夹具、计算切削动力消耗的主要依据。
1．     切削力的来源、合力与分力
刀具在切削工件时，由于切屑与工件内部产生弹、塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生摩擦阻力，形成了作用在刀具上的合力F，如图1—17所示，在切削时合力F作用在近切削刃空间某方向，由于大小与方向都不易确定，因此，为便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F分解为三个分力。

图1—17  切削时切削合力及其分力
切削力Fc（主切削力Fz）──在主运动方向上分力；
背向力Fp（切深抗力Fy）──在垂直于工作平面上分力；
进给力Ff（进给抗力Fx）──在进给运动方向上。
背向力Fp与进给力Ff也是推力FD的合力，推力FD是作用在切削层平面上且垂直于主切削刃。
合力F、推力FD与各分力之间关系：

（1.11）

（1.12）
式1—12表明，当κr＝00时，Fp≈FD、Ff ≈0；当κr＝900时，Fp≈0、Ff ≈FD ，各分力的大小对切削过程会产生明显不同的作用。
根据实验，当κr＝450、γo＝150、λs＝00时，各分力间近似关系为：
Fc∶Fp∶Ff＝１∶(0.4～0.5)∶(0.3～0.4)
其中Fc总是最大。
2．     切削功率
在切削过程中消耗的功率叫切削功率Pc，单位为kw，它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。一般来说，Fp和Ff相对Fc所消耗的功率很小，可以略去不计，于是
Pc＝FcvC　　　
1.13）
式中　vC──主运动的切削速度。
计算切削功率Pc是为了核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床电机功率。机床电机的功率PE可按下式计算
(1.14)
式中　ηc──机床传动效率，一般取ηc＝0.75～0.85。
３．影响切削力的主要因素
凡影响切削过程变形和摩擦的因素均影响切削力，其中主要包括：工件材料、切削用量和刀具几何参数等三个方面。
⑴ 工件材料
工件材料是通过材料的剪切屈服强度、塑性变形程度与刀具间的摩擦条件影响切削力的。
一般来说，材料的强度和硬度愈高，切削力愈大；这是因为，强度、硬度高的材料，切削时产生的抗力大，虽然它们的变形系数μ相对较小，但总体来看，切削力还是随材料强度、硬度的增大而增大。在强度、硬度相近的材料总，塑性、刃性大的，或加工硬化严重的，切削力大。例如不锈钢1Cr18Ni9Ti与正火处理的45钢强度和硬度基本相同，但不锈钢的塑性、刃性较大，其切削力比正火45钢约高25%左右。加工铸铁等脆性材料时,切削层的塑性变形很小，加工硬化小，形成崩碎切屑，与前刀面的接触面积小,摩擦力小,故切削力就比加工钢小。
⑵ 切削用量
切削用量三要素对切削力均有一定的影响，但影响程度不同，其中背吃刀量ap和进给量f影响较明显。若f不变，当ap增加一倍时，切削厚度aC不变，切削宽度aw增加一倍，因此，刀具上的负荷也增加一倍，即切削力增加约一倍；若ap不变，当f增加一倍时，切削宽度aw保持不变，切削厚度aC增加约一倍，在刀具刃圆半径的作用下，切削力只增加68%～86%。可见在同样切削面积下，采用大的f较采用大的ap省力和节能。切削速度v对切削力的影响不大，当v＞500m/min，切削塑性材料时，v增大，μ减小，切削温度增高，使材料强度、硬度降低，剪切角增大，变形系数减小，使得切削力减小。
⑶ 刀具几何参数
在刀具几何参数中刀具的前角γo和主偏角κr对切削力的影响较明显。当加工钢时，γo增大，切削变形明显减小，切削力减小的较多。κr适当增大，使切削厚度aC增加，单位面积上的切削力P减小。在切削力不变的情况下，主偏角大小将影响背向力和进给力的分配比例，当κr增大，背向力FP减小，进给力Ff增加；当κr＝900时，背向力FP＝0，对防止车细长轴类零件减少弯曲变形和振动十分有利。
1．3．3  切削热与切削温度
切削热和切削温度是切削过程中产生的另一个物理现象。它对刀具的寿命、工件的加工精度和表面质量影响较大。
１．切削热的产生和传散
在切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全部转换为热能，即切削热。切削热通过切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）向外传散，同时使切削区域的温度升高。切削区域的温度称为切削温度。
影响热传散的主要因素是工件和刀具材料的热导率、加工方式和周围介质的状况。热量传散的比例与切削速度有关，切削速度增加时，由摩擦生成的热量增多，但切屑带走的热量也增加，在刀具中热量减少，在工件中热量更少。所以高速切削时，切屑中温度很高，在刀具和工件中温度较低，这有利于切削加工顺利进行。
２．影响切削温度的主要因素
切削温度的高低主要取决于：切削加工过程中产生热量的多少和向外传散的快慢。影响热量产生和传散的主要因素有：工件材料、切削用量、刀具几何参数和切削液等。
⑴ 切削用量　当vC、、f和ap增加时，由于切削变形和摩擦所消耗的功增大，故切削温度升高。其中切削速度vC影响最大，vC增加一倍，切削温度约增加30%；进给量f的影响次之，f增加一倍，切削温度约增加18%；背吃刀量ap影响最小，ap增加一倍，切削温度约增加7%。上述影响规律的原因是，vC增加使摩擦生热增多；f增加因切削变形增加较少，故热量增加
不多，此外，使刀—屑接触面积增大，改善了散热条件；ap增加使切削宽度增加，显著增大了热量的传散面积。
切削用量对切削温度的影响规律在切削加工中具有重要的实际意义。例如，分别增加vC、、f和ap均能使切削效率按比例提高，但为了减少刀具磨损、保持高的刀具寿命，减小对工件加工精度的影响，可先设法增大背吃刀量ap，其次增大进给量f；但是，在刀具材料与机床性能允许条件下，尽量提高切削速度vC，以进行高效率、高质量切削。
⑵ 工件材料 工件材料主要是通过硬度、强度和导热系数影响切削温度的。
加工低碳钢，材料的强度和硬度低，导热系数大，故产生的切削温度低；加工高碳钢，材料的强度和硬度高，导热系数小，故产生的切削温度高。例如，加工合金钢产生的切削温度比加工45钢高30%；不锈钢的导热系数比45钢小3倍，故切削时产生的切削温度高于45钢40%；加工脆性金属材料产生的变形和摩擦均较小，故切削时产生的切削温度比45钢低25%。
⑶ 刀具几何参数 在刀具几何参数中，影响切削温度最明显的因素是前角γo和主偏角κr，其次是刀尖圆弧半径rε，
前角γo增大，切削变形和摩擦产生的热量均较少，故切削温度下降。但前角γo过大，散热变差，使切削温度升高，因此在一定条件下，均有一个产生最低切削温度的最佳前角γo值。
主偏角κr减小，使切削变形和摩擦增加，切削热增加，但κr减小后，因刀头体积增大，切削宽度增大，故散热条件改善。由于散热起主要作用，故切削温度下降。
增大刀尖圆弧半径rε，选用负的刃倾角λs和磨制负倒棱均能增大散热面积，降低切削温度。
⑷ 切削液
使用切削液对降低切削温度有明显效果。切削液有两个作用：一方面可以减小切屑与前刀面、工件与后刀面的摩擦；另一方面可以吸收切削热。两者均使切削温度降低。但切削液对切削温度的影响，与其导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有关。
1．3．4  刀具磨损与刀具寿命
切削时刀具在高温条件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料逐渐被磨耗或出现其它形式的损坏。刀具磨损将影响加工质量、生产率和加工成本。研究刀具磨损过程，防止刀具过早、过多磨损是切削加工中一个重要内容。
1．刀具磨损形式
刀具磨损形式可分为正常磨损和非正常磨损两种形式。
⑴ 正常磨损 正常磨损是指随着切削时间的增加，磨损逐渐扩大的磨损。磨损主要发生在前、后两个刀面上。
1）前面磨损 在高温、高压条件下，切屑流出时与前面产生摩擦，在前面形成月牙洼磨损，磨损量通常用深度KT和宽度KB测量，如图1—18a所示。

图1—18  刀具的磨损形式
2）后面磨损 如图1—18b所示，可将磨损划分为三个区域。
刀尖磨损C区，在倒角刀尖附近，因强度低，温度集中造成。磨损量VC；
中间磨损B区，在切削刃的中间位置，存在着均匀磨损量VB，局部出现最大磨损量VBmax；
边界磨损N区，在切削刃与带加工表面相交处，因高温氧化，表面硬化层作用造成最大磨损量VNmax。
刀面磨损形式可随切削条件变化而发生转化，但在大多数情况下，刀具的后面都发生磨损，而且测量也比较方便，因此常以VB值表示刀面磨损程度。
⑵ 非正常磨损 非正常磨损亦称破坏。常见形式有脆性破坏（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破坏等）和塑性破坏（如塑性流动等）。其原因主要是由于刀具材料选择不合理，刀具结构、制造工艺不合理，刀具几何参数不合理、切削用量选择不当，刃磨和操作不当等原因造成。
2．     刀具磨损的原因
造成刀具磨损有以下几种原因：
⑴ 磨粒磨损 在工件材料中含有氧化物、碳化物和氮化物等硬质点，在铸、锻工件表面存在着硬夹杂物，在切屑和工件表面粘附着硬的积
屑瘤残片，这些硬质点在切削时似同“磨粒”对刀具表面摩擦和刻划，致使刀具表面磨损。
⑵ 粘结磨损 粘结磨损亦称冷焊磨损。切削塑性材料时，在很大压力和强烈摩擦作用下，切屑、工件与前、后刀面间的吸附膜被挤破，形成新的表面紧密接触，因而发生粘结现象。刀具表面局部强度较低的微粒被切屑和工件带走，这样形成的磨损称为粘结磨损。粘结磨损一般在中等偏低的切削速度下较严重。
⑶ 扩散磨损 在高温作用下，工件与刀具材料中合金元素相互扩散，改变了原来刀具材料中化学成分的比值，使其性能下降，加快了刀具的磨损。因此，切削加工中选用的刀具材料，应具有高的化学稳定性。
⑷ 化学磨损 化学磨损亦称氧化磨损。在一定温度下，戴具材料与周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切屑带走；或因刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具的化学磨损。
3．   刀具磨损过程
刀具的磨损过程一般分成三个阶段，如图1—19所示。

图1—19  刀具磨损曲线
⑴ 初期磨损阶段（OA段） 将新刃磨刀具表面存在的凸凹不平及残留砂轮痕迹很快磨去。初期磨损量的大小，与刀具刃磨质量相关，一般经研磨过的刀具，初期磨损量较小。
⑵ 正常磨损阶段（AB段） 经初期磨损后，刀面上的粗糙表面已被磨平，压强减小，磨损比较均匀缓慢。后刀面上的磨损量将随切削时间的延长而近似的成正比例增加。此阶段是刀具的有效工作阶段。
⑶ 急剧磨损阶段（BC段） 当刀具磨损达到一定限度后，已加工表面粗糙度变差，摩擦加剧，切削力、切削温度猛增，磨损速度增加很快，往往产生振动、噪声等，致使刀具失去却削能力。
因此，刀具应避免达到急剧磨损阶段，在这个阶段到来之前，就应更换新刀或新刃。
4．     刀具的磨钝标准
刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。国际标准ISO规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB值作为刀具的磨钝标准。
根据加工条件的不同，磨钝标准应有变化。粗加工应取大值，工件刚性较好或加工大件时应取大值，反之应取小值。
自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB值。
目前，在实际生产中，常根据切削时突然发生的现象，如振动产生、已加工表面质量变差、切屑颜色改变、切削噪声明显增加等来决定是否更换刀具。
5．     刀具寿命
刀具寿命是指一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间，用T表示，单位为min。刀具总寿命应等于刀具耐用度乘以重磨次数。
在工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，刀具耐用度由切削用量三要素来决定。刀具寿命T与切削用量三要素之间的关系可由下面经验公式来确定：
（1.15）
式中  CT──与刀具、工件材料，切削条件有关的系数；
m、n、p──寿命指数。分别表示切削用量三要素当vC、，f，ap对寿命T的影响程度。
参数CT，m，n，p均可由有关切削加工手册中查得。例如，当用硬质合金车刀切削碳素钢（σb＝0.736Gpa）时，车削用量三要素（vC、，f，ap）与刀具寿命T之间的关系为

（1.16）
由上例可以看出：当其它条件不变，切削速度提高一倍时，寿命Ｔ将降低到原来的3%左右；若进给量提高一倍，其它条件不变时，寿命Ｔ则降低到原来的21%左右；若背吃刀量提高一倍，其它条件不变时，寿命Ｔ仅降低到原来的78%左右。由此不难看出，在切削用量三要素中，切削速度vC、对刀具寿命的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。因此，在实际使用中，为使刀具寿命降低较少而又不影响生产率的前提下，应尽量选取较大的背吃刀量和较小的切削速度，进给量
适中。
6．   合理寿命的选择
由于切削用量与刀具寿命密切相关，那么，在确定切削用量时，就应选择合理的刀具寿命。但在实践中，一般是先确定一个合理的刀具寿命T值，然后以它为依据选择切削用量，并计算切削效率和核算生产成本。确定刀具合理寿命有两种方法：即最高生产率寿命和最低生产成本寿命。
⑴ 最高生产率寿命TP  它是根据切削一个零件所花时间最少或在单位时间内加工出的零件数最多来确定。
切削用量三要素vC、、f和ap是影响刀具寿命的主要因素，也是影响生产率高低的决定性因素。提高切削用量，可缩短切削时间tm，从而提高生产效率，但容易使刀具磨损，降低刀具寿命，增加换刀、磨刀和装刀等辅助时间，反而会降低生产率。
最高生产率寿命TP可用下面经验公式确定

（1.17）
式中  tct──换一次刀所需的时间，单位为min；
m──切削速度对刀具寿命的影响系数。
⑵ 最低生产成本寿命ＴＣ　是根据加工零件的一道工序成本最低来确定的。
一般来说，刀具寿命越长，刀具磨刀及换刀等费用越少，但因延长刀具寿命需减小切削用量，降低切削效率，使经济效益变差，同时，机动时间过长所需机床折旧费、消耗能量费用也增多。因此，在确定刀具寿命时应考虑生产成本对其的影响。
最低生产成本寿命ＴＣ可按下面经验公式确定

（1.18）
式中　M──该工序单位时间内所分担的全厂开支；
Ct──磨刀费用（包括刀具成本和折旧费）。
由于最低生产成本寿命ＴＣ高于最高生产率寿命ＴP，故生产中常采用最低生产成本寿命ＴＣ，只有当生产紧急需要时才采用最高生产率寿命ＴP。
1．4  刀具几何参数的合理选择
刀具的几何参数除包括刀具的切削角度外，还包括刀面的形式，切削刃的形状，刃区型式（切削刃区的剖面型式）等。刀具几何参数对切削时金属的变形，刀削力，切削温度和刀具磨损都有显著影响，从而影响生产率，刀具寿命，已加工表面质量和加工成本。为充分发挥刀具的切削性能，除应正确选用刀具材料外，还应合理选择刀具几何参数。
刀具的“合理”几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具寿命，从而能够达到提高切削效率，降低生产成本的目的的几何参数。这里要注意区别“合理”与“能用”，应全面考虑，综合分析。
1．4．1 前角的选择
前角的大小决定切削刃的锋利程度和强固程度。增大前角可使刀刃锋利，使切削变形减小，切削力和切削温度减小，可提高刀具寿命，并且，较大的前角还有利于排除切屑，使表面粗糙度减小。但是，增大前角会使刃口楔角减小，削弱刀刃的强度，同时，散热条件恶化，使切削区温度升高，导致刀具寿命降低，甚至造成崩刃。所以前角不能太小，也不能太大。故前角应有一合理值，即存在一个刀具寿命为最大的前角——合理前角γopt，如图1—20所示。

图