第五讲切削基本理论的应用(简版)

金属切削与机床

MetalCutting&MachineTools第五讲切削基本理论的应用切屑控制材料的切削加工性切削液选用已加工表面质量刀具几何参数的选择切削用量的选择切屑控制切屑形状

常见的切屑形状有带状切屑、管状切屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等。切屑控制切屑形状带状切屑带状屑连绵不断，易缠绕在工件或刀具上，造成划伤工件表面或打坏刀刃，甚至伤害操作人员。故一般应避免形成带状屑。但在某些情况下(如加工盲孔)，为了使切屑顺利地排出，希望形成带状屑或长紧卷屑。切屑控制切屑形状宝塔状状切屑在自动机床或自动线上，排屑及清除对加工的连续性很重要，故希望形成不缠绕工件和刀具且易清除的宝塔状卷屑。切屑控制切屑形状发条状切屑在重型车床上，因切屑又厚又宽，为安全起见，希望形成发条状屑，并使其在工件加工表面上顶断，靠自重坠落。

切屑控制切屑形状C形切屑

“C”形“6”形屑不会伤工件表面或打刀刃，也不易伤人。多数是使它碰撞在刀具后刀面或工件表面上而折断，但这样会影响切削过程的平稳性，也会影响已加工表面粗糙度。

切屑控制切屑形状不连续的碎屑，由于在切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面粗糙，在生产中应力求避免。手段：

减小切削厚度，使切屑成针状或片状单元切屑；同时适当提高切削速度，增加工件塑性。

切屑流向与折断切屑的流向1、在直角自由切削时，切屑在正交平面流出。2、在直角非自由切削时，切屑流出方向与正交平面成出屑角η切屑控制切屑流向与折断影响切屑流向的主要参数是λs，κr，γo切屑控制切屑流向与折断影响切屑流向的主要参数是λs，κr，γo切屑控制切屑流向与折断断屑台工作机理：厚度为hch的切屑受到断屑台推力FBn作用产生弯曲，并产生卷曲应变。卷曲半径由ρ0逐渐增大到ρ，当切屑端部碰到后刀面时，切屑产生反向弯曲应变，最后弯曲应变εmax大于材料极限应变εb时折断。切屑控制切屑流向与折断切屑折断条件：增大切屑的塑性变形和硬脆性，从而促使切屑卷曲并折断。切屑越厚（hch越大），切屑卷曲半径ρ越小，材料硬度越高、脆性越大（极限应变值εb越小）时，切屑越容易折断。

切屑控制切屑控制断屑措施设置断屑槽：直线型、全圆弧型、直线圆弧型1、全圆弧形前角=25o～35o。适用于切削紫铜、不锈钢等高塑性材料。2、其它两种前角=5o～15o，适用于切削碳素钢、合金结构钢、工具钢等切屑控制断屑措施

在切削用量参数中，对断屑影响最大的是进给量f。切屑控制断屑措施切削刃上开分屑槽材料的切削加工性切削加工性指标工件材料的切削加工性是指在一定的加工条件下工件材料被切削的难易程度。1、工件材料的性能指标材料硬度、抗拉强度、伸长率、冲击刃度、热导率2、相对加工性指标材料的切削加工性切削加工性指标工件材料加工时的情况和要求不同，材料加工难易程度的评价标准也不同。3、粗加工时用刀具耐用度和切削力作为指标4、精加工时用已加工表面粗糙度作为指标切削加工性是一个相对概念材料的切削加工性加工性等级名称及种类相对加工性Kv典型材料1很容易切削材料一般有色金属>3.05-5-5铜铅合金,9-4铝铜合金,铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.50～3.00退火15Cr,σb=0.37～0.441GPa自动机钢,σb=0.393～0.491GPa3较易切削钢1.60～2.50正火30钢σb=0.441～0.549GPa4普通材料一般钢及铸铁1.00～1.6045钢,灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.002Cr13调质,σb=0.834GPa85钢σb=0.883GPa6难切削材料较难切削材料0.50～0.6565Mn调质,σb=1.03GPa

45Cr调质,σb=0.932～0.981GPa7难切削材料0.15～0.5050CrV调质,1Cr18Ni9Ti,某些钛合金8很难切削材料<0.15某些钛合金,铸造镍基高温合金材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素一、工件材料的硬度

一般情况下，加工硬度高的工件材料时，切屑与前刀面的接触长度减小，前刀面上的法向应力增大，摩擦集中在一小段刀具和切屑接触面上，使切削温度增高，摩擦加剧，因此刀尖容易磨损和崩刃。工件材料的硬度越高，所允许的切削速度也越低。材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素二、工件材料的金相组织金属材料中含有大部分铁素体和少量珠光体时材料的切削加工性较好。片状珠光体分布的材料，金属切削加工性较差；球状珠光体分布的材料，金属切削加工性较好；切削马氏体、回火马氏体和索氏体等硬度较高的组织时，刀具磨损大，材料切削加工性差材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素三、工件材料的韧性与塑性在强度相同时，塑性大的材料所需切削力大，产生的切削温度也高，另外还容易发生粘结现象，切削变形大，因而刀具磨损较大，已加工表面质量较差，此材料的切削加工性也较差。材料的韧性对材料加工性的影响与塑性类似。韧性大的工件材料所需切削力较大，刀具易磨损，而且材料的韧性越高，断屑越困难。材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素四、工件材料的强度工件材料的强度越高，所需的切削力也越大，切削温度也相应增高，刀具磨损变大。因此，材料的切削加工性是随着材料的强度增大而降低。

材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素五、工件材料的热导率热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性。导热率大的材料，由切屑带走和工件散出的热量多，有利于降低切削温度，使刀具磨损速率减慢，故加工性好。另外，韧性大，与刀具材料的化学亲和性强的材料，其加工性也不好。

材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素六、工件材料的化学成分Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等元素能提高钢的强度和硬度；Si和Al等元素容易形成氧化铝和氧化硅等硬质点，增加刀具磨损。这些元素含量较低时（一般0.3％为限），对金属的切削加工性影响不大，超过这个含量，材料的切削加工性降低。材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素六、工件材料的化学成分钢中加入少量的硫、硒、铅、磷等元素后，不但能降低钢的强度，而且能降低钢的塑性，因而提高了钢的切削加工性。铸铁中化学元素对切削加工性的影响是通过这些元素对碳石墨化作用而产生的。材料的切削加工性影响材料切削加工性的因素七、工件材料的加工硬化性能A、工件材料的加工硬化性能越高，切削力越大，切削温度也越高；B、刀具容易被硬化的切屑和已硬化表面磨损，因而，材料的切削加工性越低。一些高锰钢和奥氏体不锈钢切削后的表面硬度，比原硬度高1.8倍左右，造成刀具磨损加剧。材料的切削加工性改善切削加工性途径

1、调整工件材料的化学成分目前，生产上使用的易切钢就是在钢中加入适量的易切削元素S、P、Pb、Ca等制成的。这些元素在钢中使材料组织结构不连续，有利于切削，铅华能形成润滑膜，起到一定的润滑作用并增加材料的热脆性。材料的切削加工性改善切削加工性途径

2、通过热处理改变材料金相组织和力学性能高碳钢通过球化退火处理，使片状渗碳体组织转变为球状，降低了材料的硬度，从而可改善了其加工性。

低碳钢通过正火处理，可减小其塑性，提高硬度，使加工性得到改善。

马氏体不锈钢塑性也较高，一般通过调质处理，降低塑性，提高其加工性。切削液选用切削液功能1、冷却作用切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的热来降低切削温度，冷却性能取决于它有导热系数、比热容、汽化热、汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷却性能最好，切削油较差。切削液选用切削液功能金属切削时切屑、工件与刀具界面的摩擦可分为干摩擦、液体润滑摩擦和边界润滑摩擦三类。2、润滑作用切削液的润滑作用是通过切削液的渗透作用到达切削区后，在刀具、工件、切屑界面上形成吸附膜实现的。切削液选用切削液功能3、排屑和洗涤作用切削液具有冲刷切削中产生的碎屑（如磨削）的作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。切削液选用切削液功能4、防锈作用一些切削液中加入了防锈添加剂，它能与金属表面起化学反应而生成一层保护膜，从而起到防锈的作用。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。切削液选用切削液添加剂及分类

1）油性添加剂

单纯矿物油与金属的吸附力差，润滑效果不好，如在矿物油中添加油性添加剂，将改善润滑作用。动植物油、皂类、胺类等与金属吸附力强，形成的物理吸附油膜较牢固，是理想的油性添加剂。不过物理吸附油膜在温度较高时将失去吸附能力。200℃以下使用

切削液选用切削液添加剂及分类

2）极压添加剂

利用添加剂中的化合物，在高温下与加工金属快速反应形成化学吸附膜，从而起固体润滑剂作用。目前常用的添加剂中一般含氯、硫和磷等化合物。由于化学吸附膜与金属结合牢固，一般在400℃～800℃高温仍起作用。硫与氯的极压切削油分别对有色金属和钢铁有腐蚀作用，应注意合理使用。

切削液选用切削液添加剂及分类

3）表面活性剂表面活性剂是一种有机化合物，它使矿物油微小颗粒稳定分散在水中，形成稳定的水包油乳化液。表面活性剂除起乳化作用外，还能吸附在金属表面，形成润滑膜，起润滑作用。

切削液选用切削液添加剂及分类常用切削液可分为三类：

水溶液、切削油、乳化液1、水溶液

水溶液的主要成分是水，为具有良好的防锈性能和一定的润滑性能，常加入一定的添加剂（如亚硝酸钠、硅酸钠等）。常用水溶液：电介质水溶液、表面活性水溶液切削液选用切削液添加剂及分类常用切削液可分为三类：

水溶液、切削油、乳化液2、切削油以矿物油为基体加入油性添加剂的混和油，一般用于低速切削有色金属及磨削中；极压切削油，是在矿物油中添加极压添加剂制成，适用于重切削和难加工材料的切削。切削液选用切削液添加剂及分类常用切削液可分为三类：

水溶液、切削油、乳化液3、乳化液用乳化油加70％～98％的水稀释而成的乳白色或半透明状液体，它由切削油加乳化剂制成。。浓度高，润滑效果好，冷却效果差；浓度低，冷却效果好，润滑效果差。切削液选用切削液添加剂及分类4、固体润滑剂固体润滑剂中使用最多的是二硫化钼(MoS2)。由形成的润滑膜具有0.05～0.09很小的摩擦因数和摄氏1185度高的熔点。使用时可将涂刷在刀面上和工作表面上，也可添加在切削油中。切削液选用切削液选用原则（1）粗加工切削用量大，产生的切削热量多，容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却作用为主的切削液，如离子型切削液或3％～5％乳化液。速度较低时，刀具以机械磨损为主，宜选用润滑性能为主的切削液；速度较高时，刀具主要是热磨损，应选用冷却为主的切削液。切削液选用切削液选用原则（2）精加工加工一般钢件，在较低的速度（6.0m/min～30m/min）情况下，宜选用极压切削油或10％～12％极压乳化液，以减小刀具与工件之间的摩擦和粘结，抑制积屑瘤。精加工铜及其合金、铝及合金或铸铁时：宜选用粒子型切削液或10％～12％乳化液，以10％～12％极压乳化液，以降低加工表面粗糙度。切削液选用切削液选用原则（3）难加工材料一般处于高温高压的边界润滑摩擦状态，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。当用硬质合金刀具高速切削时，可选用冷却作用为主的低浓度乳化液。已加工表面质量加工表面形成过程已加工表面的形成与第三变形区的关系密切已加工表面质量表面层加工质量对零件的性能影响1、表面层质量对耐磨性能的影响；2、表面层质量对疲劳强度的影响；3、表面层质量对抗腐蚀性的影响；4、影响配合性质已加工表面质量加工表面层质量衡量指标1、几何方面的质量

表面粗糙度2、材料特性方面的质量

加工硬化、表层残余应力

表层微裂纹、表层金相组织已加工表面质量加工表面层质量衡量指标表面粗糙度1、理论粗糙度2、实际粗糙度

已加工表面质量加工表面层质量衡量指标表面粗糙度成因1、理论粗糙度

加工表面层质量衡量指标表面粗糙度成因1、实际粗糙度

积屑瘤、鳞刺、刀具磨痕、切削振纹等

已加工表面质量已加工表面质量表面粗糙度影响因素1、切削用量的影响低速易形成积屑瘤与鳞刺已加工表面质量表面粗糙度影响因素2、刀具几何参数的影响前角γo

增大前角，减小摩擦削弱强度，不利于散热已加工表面质量表面粗糙度影响因素2、刀具几何参数的影响后角αo

增大后角，减少摩擦，减少对加工表面的挤压缓解硬化与鳞刺。

精加工时或采用负后角，挤压已加工表面，提高表面质量。

已加工表面质量表面粗糙度影响因素2、刀具几何参数的影响偏角κr与刀尖圆弧半径rε

已加工表面质量表面粗糙度影响因素3、刀具材料的影响刀具材料对加工表面质量的影响，主要取决于他们与加工材料间的摩擦因数、亲和程度、材料耐磨性与可刃磨性。表面粗糙度影响因素4、切削液的影响低速切削时切削液的影响明显高速切削时切削液影响不明显已加工表面质量加工硬化影响因素1、硬化程度表示方法

硬化程度是指已加工表面的显微硬度增加值，对原始显微硬度的百分比。

硬化层深度是指已加工表面至未硬化处的垂直距离Δhd，单位为μm。已加工表面质量已加工表面质量钢件表面的硬化深度Δhd和硬化程度N

加

工

方

法平均硬化深度Δhdμm平均硬化程度N/(%)高速车削30～50120～150精车20～60140～180钻孔180～200160～170拉削20～75150～200滚(插)齿120～150160～200外圆磨削(未淬火)30～60140～160研磨3～7110～117加工硬化影响因素1、工件材料硬度低、塑性高，熔点越高、硬化越严重。2、刀具前角γo已加工表面质量

加工硬化影响因素3、切削刃钝圆半径半径越大，挤压与摩擦越严重，硬化也越严重。已加工表面质量

加工硬化影响因素4、刀具磨损量VBVB越大，后刀面摩擦越严重，硬化也越严重。已加工表面质量

加工硬化影响因素5、刀具切削速度Vc切削速度v对加工硬化的影响是多方面的，已加工表面质量

加工硬化影响因素6、切削进给量f切削进给量增加，硬化层度加剧。已加工表面质量

刀具几何参数合理选择

刀具合理的几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、较高生产率、较低加工成本的刀具几何参数。

刀具几何参数选择刀具合理几何参数的基本内容

一、刃形刃形是指切削刃的形状，有直线刃、折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃等。

刀具几何参数选择刀具合理几何参数的基本内容

二、切削刃刃区剖面型式及参数

通常将切削刃的剖面型式简称为刃区型式。针对不同的加工条件和技术要求，选择合理的刃区型式及其合理的参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。

刀具几何参数选择刀具合理几何参数的基本内容

三、刀面型式及参数选择合理的刀面型式及其参数值，对切屑的变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀具磨损及使用寿命，有着直接的影响，其中前刀面的影响和作用更大。刀具几何参数选择刀具合理几何参数的基本内容四、刀具角度刀具角度包括主切削刃的前角γo、后角αo、主偏角主偏角κr、刃倾角λs和副切削刃的副后角αo’、副偏角κr’等。

刀具几何参数选择刀具前角及前刀面形状选择前角功能：(1)影响切削区域的变形程度(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性

质和散热条件(3)影响切屑形态和断屑效果(4)影响已加工表面质量

刀具几何参数选择刀具前角及前刀面形状选择合理前角γo

刀具前角及前刀面形状选择合理前角选用原则：(1)工件材料的强度、硬度低，可以取较大的甚至很大的前角；加工特别硬的工件(如淬硬钢)时，前角很小甚至取负值；

刀具几何参数选择刀具前角及前刀面形状选择合理前角选用原则：(2)加工塑性材料时，尤其是冷加工硬化严重的材料，应取较大的前角；加工脆性材料时，可取较小的前角；(3)粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保证刀具有足够的强度，应适当减小前角；

刀具几何参数选择刀具前角及前刀面形状选择合理前角选用原则：(4)成形刀具和前角影响刀刃形状的其它刀具，为防止刃形畸变，常取较小的前角，甚至取0°，但这些刀具的切削条件不好，应在保证切削刃成形精度的前提下，设法增大前角；(5)刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具，允许选用较大的前角；

刀具几何参数选择刀具前角及前刀面形状选择合理前角选用原则：(6)工艺系统刚性差和机床功率不足时，应选取较大的前角；(7)数控机床和自动机床、自动线用刀具，应考虑保障刀具尺寸公差范围的使用寿命及工作的稳定性，而选用较小的前角。

刀具几何参数选择刀具前角及前刀面形状选择强化切削刃在切削加工中，增大刀具前角，有利于切屑形成和减小切削力；但增大前角，又使切削刃强度减弱。

刀具几何参数选择刀具几何参数选择刀具后角及后刀面形状选择后角的功能：(1)后角的主要功用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。(2)后角越大，切削刃钝圆半径rβ值越小，刀刃易切入工件，切削刃越锋利；(3)在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具用到磨钝时，所磨去的金属体积较大(4)如果后角过大，楔角减小，将削弱切削刃的强度，减少散热体积。

刀具几何参数选择刀具后角及后刀面形状选择后角的选择原则：(1)实验证明，合理的后角主要取决于切削厚度(或进给量)。车刀合理后角在f≤0.25mm/r时可选为10°～12°，在f>0.25mm/r时取为5°～8°。(2)工件的强度、硬度较高时，为增加切削刃的强度，应选择较小的后角。(3)粗加工或断续切削时，为了强化切削刃，应选较小的后角。

刀具几何参数选择刀具后角及后刀面形状选择后角的选择原则：(4)当工艺系统刚性较差，容易出现振动时，应适当减小后角。为了减小或消除切削时的振动，还可以在车刀后面上磨出bαl=0.1～0.2mm，αo1=0°的刃带。(5)在尺寸精度要求较严的情况下，为限制重磨后刀具尺寸变化，一般选用较小的后角。

刀具几何参数选择刀具主偏角选择1)工艺系统的刚度较好时，主偏角可取小值，如κr＝30～45，在加工高强度，高硬度的工件时，可取κr＝10～30，以增加刀头的强度。当工艺系统的刚度较差或强力切削时，一般取κr＝60～75。

2)车削细长轴时，为了减小径向力，取κr＝90～93；车削阶梯轴时，可取κr＝90；用一把车刀车削外圆、端面和倒角时，可取κr＝45～60；镗盲孔时κr>90。对于切削屑控制严格的自动化加工，宜取较大的主偏角。刀具副偏角选择1）副偏角κrˊ的大小主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具强度来选择，在不引起振动的情况下，尽量取小值。2）精加工时，一般取κrˊ＝5°～10°；粗加工时，取κr’＝10°～15°。刀具几何参数选择刀具几何参数选择刀具过度刃的选择1）硬质合金及陶瓷等脆性较大的刀具材料，因其对振动较敏感，刀具的刀尖圆弧半径rε取得较小；刀具几何参数选择刃倾角的功能与选择刃倾角的功能(1)影响切削力的大小与方向(2)影响刀尖强度和散热条件(3)影响切屑的流出方向(4)影响切削刃的锋利程度刀具几何参数选择刃倾角的功能与选择刃倾角的选择在加工钢件或铸铁件时，粗车取λs＝－5°～0°，精车取λs＝0°～5°；有冲击负荷或断续切削取λs＝－15°～－5°。加工高强度钢、淬硬钢或强力切削时，为提高刀头强度，取λs＝－30°～－10°。当工艺系统刚度较差时，一般不宜采用负刃倾角，以避免径向力的增加。切削用量的合理选择

合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，使得切削效率最