机械制造技术 课件 第3章 金属切削加工原理与刀具

磨削原理工件材料加工性及工艺参数选择金属切削过程及其物理现象刀具基础知识及常用刀具第3章金属切削加工原理与刀具切削运动与切削要素2024/1/32第3章金属切削加工原理与刀具本章提要金属切削过程是指刀具在机床的驱动下，使工件上多余金属变成切屑的过程。在此过程中，始终存在着刀具切削工件材料和工件材料抵抗刀具切削的矛盾，从而产生切削变形、切削力、切削热、刀具磨损以及加工质量变化等一系列现象。因此，研究这些现象，揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，对保证加工质量，提高切削效率，降低生产成本具有十分重要的意义。2024/1/33第3章金属切削加工原理与刀具3.1

切削运动与切削要素1.切削运动与切削表面(1)切削运动切削运动—切削加工时，刀具与工件的相对运动。按切削运动在切削过程中所起的作用，可分为主运动和进给运动。主运动—是直接切除工件上的切削层，以形成工件新表面的基本运动。进给运动—是指不断地把切削层投入切削从而加工出完整表面所需的运动，其运动速度和消耗的功率都比主运动要小。切削运动与切削表面2024/1/34第3章金属切削加工原理与刀具3.1

切削运动与切削要素1.切削运动与切削表面(1)切削运动主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成，还可以由刀具和工件共同来完成。2024/1/35第3章金属切削加工原理与刀具3.1

切削运动与切削要素（2）切削表面待加工表面—即将被切除切削层的表面。毛坯表面已加工表面—已经切去切屑形成的新表面。加工表面（过渡表面）—工件上正在被切削的表面。2.切削要素切削要素—是指控制切削过程的切削用量三要素和在切削过程中由加工余量变成切屑的切削层参数。（1）切削用量三要素切削速度υc—单位时间内刀具切削刃上选定点相对于工件沿主运动方向的移动距离，单位为m/s。υc=πdwnw/1000(m/s)2024/1/36第3章金属切削加工原理与刀具3.1

切削运动与切削要素进给量f—是指主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给方向上相对工件的位移量，单位为mm/r（车削、镗削等）或mm/行程（刨削、磨削等）。υf=f×n(mm/min)切削用量与切削层参数2024/1/37第3章金属切削加工原理与刀具3.1

切削运动与切削要素背吃刀量（切削深度）ap—是待加工表面与已加工表面之间的垂直距离(mm)。（2）切削层参数切削厚度ac—在垂直于加工表面测量所获得的切削层尺寸(mm)，即相邻两加工表面之间的距离。它反映了切削刃单位长度上的切削负荷。ac=fsinκr切削宽度aw—沿加工表面测量所获得的切削层尺寸(mm)，它反映了切削刃参加切削的工作长度。aw=ap/sinκr切削面积Ac—切削层的横截面积。Ac=acaw=fap2024/1/38第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识1.刀具切削部分的组成（knife-tool的区别）国际标准化组织（ISO）在确定金属切削刀具的工作部分几何形状的一般术语时，以车刀切削刃为基础，其他刀具如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看成车刀的演变和组合。

车刀切削部分的构造要素可概括为：“三面两刃一尖”。车刀的组成2024/1/39第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识1.刀具切削部分组成前刀面Aγ—是刀具上与切屑接触并使切屑流出的表面。主后刀面Aα—是刀具上与工件加工表面接触并相互作用的表面。副后刀面A’α—是刀具上与工件已加工表面接触并相互作用的表面。主切削刃—是前刀面与主后刀面的交线，它完成主要切削工作。副切削刃—是前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。刀尖—是指主切削刃与副切削刃连接处的那一小部分切削刃，它可以是主、副切削刃的实际交点，也可以是圆弧或直线，通常称为过渡刃。2024/1/310第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识2.确定刀具角度的参考系基面Pr—通过主切削刃上的某一点，并与该点切削速度方向垂直的平面。切削平面Ps—通过主切削刃上某一点，并与工件加工表面相切并垂直于基面的平面。正交平面Po—通过主切削刃上某一点，与主切削刃在基面上的投影互相垂直的表面。正交平面参考系2024/1/311第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识3.刀具的标注角度刀具的标注角度—是制造和刃磨刀具所需要并在刀具设计图上标注的角度。忽略进给的影响前角γo—在正交平面内测量前刀面与基面之间的夹角，有正、负和零值之分。后角αo—在正交平面内测量后刀面与切削平面之间的夹角，同样有正、负和零值之分。外圆车刀的角度标注2024/1/312第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识3.刀具的标注角度主偏角κr—主切削刃在基面上投影与进给运动方向之间的夹角。副偏角κ’r—副切削刃在基面上投影与进给运动反方向之间的夹角。刃倾角λs—在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角也有正、负值之分，当主切削刃与基面平行时λs＝0°；当刀尖为主切削刃最高点时，λs＞0°；当刀尖为主切削刃上最低点时，λs＜0°

。与副切削刃对应的也有副前角γ’o、副后角α’o和副刃倾角λ′s，其定义与主切削刃上的角度类似。－刀尖为最低点＋刀尖为最高点第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识3.刀具的标注角度2024/1/313根据刀具结构和基本角度，派生出楔角βo和刀尖角εr，楔角βo—前刀面与后刀面之间的夹角，βo＝90°－(γo＋αo)。刀尖角εr

—主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，εr＝180°—(κr＋κ′r)。2024/1/314第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识4.刀具的工作角度刀具的工作角度—以切削过程中实际的基面、切削平面和正交平面为参考系所确定的刀具角度才是加工过程的真实刀具角度。（1）刀具安装对工作角度的影响车刀安装高低对工作角度的影响2024/1/315第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识4.刀具的工作角度（1）刀具安装对工作角度的影响车刀安装偏斜对工作角度的影响2024/1/316第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识4.刀具的工作角度（2）进给运动对工作角度的影响切断时横向进给运动对工作角度的影响随着d的逐渐减小μ逐渐增大直至出现负后角现象。2024/1/317第3章金属切削加工原理与刀具3.2

刀具基础知识4.刀具的工作角度（2）进给运动对工作角度的影响纵向进给运动对工作角度的影响车削右螺纹时，车刀左侧切削刃应注意适当加大后角，而右侧切削刃应设法增大前角。2024/1/318第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料1.刀具材料应具备的性能

高的硬度和耐磨性

高的强度和韧性

高的耐热性

良好的热物理性能和耐热冲击性能

良好的工艺性和经济性注意：对于同一种刀具来说，材料性能的要求往往是相矛盾的，很难同时兼顾，如硬度越高，耐磨性越好的材料，其韧性和抗冲击性能就越差，因此只能根据所加工材料及不同的加工条件，有所偏重，综合考虑。2024/1/319第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料目前，常用的刀具材料可分为四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料。在一般切削加工中，使用最多的是高速钢和硬质合金。1）高速钢

高速钢是含有较多W、Mo、Cr、V等元素的高合金工具钢；

硬度可达HRC62～67，切削温度可达550～600℃；

强度、韧性和工艺性较好；

是各类材料中低速切削加工及复杂形状刀具的理想材料；

高速钢按用途不同，可分为通用高速钢和高性能高速钢；

按制造工艺不同，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。2024/1/320第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料类别牌号硬度/HRC抗弯强度

/GPa冲击韧度

/J·m-2600℃时的硬度/HRC主要用途普通高速钢W18Cr4V63~66~3.5~3048.5

用途广泛，如齿轮刀具、钻头、丝锥、铰刀、铣刀、拉刀等W6Mo5Cr4V263~664.5~4.7~5047~48

制造热塑性好及承受较大冲击负荷的刀具高性能高速钢高碳95W18Cr4V67~68~3.0~10.051用于对韧性要求不高，但对耐磨性要求高的刀具高钒W12Cr4V4Mo63~66~3.2~25.051

用于形状简单，但对耐磨性要求高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al68~693.5~3.8~2055

制造复杂刀具及难加工材料用刀具W2Mo9Cr4VCo866~672.5~3.0~1055

制造复杂刀具及难加工材料用刀具常用高速钢的性能和用途2024/1/321第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料2）硬质合金

硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物（碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等）和用Co或Mo、Ni等金属成分作为黏结剂，经高温烧结而成的粉末冶金制品。★

其高温碳化物含量远远超过了高速钢，因此它的硬度、耐磨性和高热硬性均高于高速钢，切削温度达到800～1000℃时仍能进行切削加工。但其抗弯强度较低，脆性较大，加工工艺性较差。★硬质合金的性能取决于其化学成分、碳化物粉末的粗细程度及其烧结工艺。碳化物含量增加时，则硬度增高，抗弯强度降低，适于粗加工；黏结剂含量增加时，则抗弯强度增高，硬度降低，适于精加工。2024/1/322第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料2）硬质合金GB/T18376.1-2008《硬质合金牌号第1部分切削工具用硬质合金牌号》将硬质合金分为P、M、K、N、S和H等共6类。各个类别为满足不同的使用要求，以及根据切削工具用硬质合金材料耐磨性和韧性的不同，分成若干个组，用01、10、20、……两位数字表示组号，其牌号如“P201”，其中“P”表示类，“20”表示组，“1”表示细分号（需要时使用）。2024/1/323第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料2）硬质合金P类：旧牌号为YT5、YT15、YT30等。★以TiC、WC为基，以Co（Ni＋Mo＋Co）作黏结剂的合金/涂层合金；★适合长切屑材料的加工，如钢、铸钢、长切削可锻铸铁等的加工。M类：旧牌号为YW1、YW2、GE1等。★以WC为基，以Co作黏结剂，添少量TiC（TaC、NbC）的合金/涂层合金；★用于不锈钢、铸钢、锰钢、可锻铸铁、合金钢、合金铸铁等的加工。2024/1/324第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料2）硬质合金K类：旧牌号为YG8、YG3X、YG6等。★以WC为基，以Co作黏结剂，或添加少量TaC、NbC的合金/涂层合金；★适合短切屑材料的加工，如铸铁、冷硬铸铁、短切屑可锻铸铁、灰口铸铁等的加工。2024/1/325第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料2）硬质合金N类：★以WC为基，以Co作黏结剂，或添加少量TaC、NbC或CrC的合金/涂层合金；★有色金属、非金属材料的加工，如铝、镁、塑料、木材等的加工。S类：★以WC为基，以Co作黏结剂，或添加少量TaC、NbC或TiC的合金/涂层合金；★耐热和优质合金材料的加工，如耐热钢，含镍、钴、钛的各类合金材料的加工。2024/1/326第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料2）硬质合金H类：★以WC为基，以Co作黏结剂，或添加少量TaC、NbC或TiC的合金/涂层合金；★硬切削材料的加工，如淬硬钢、冷硬铸铁等材料的加工。为了克服硬质合金强度低、韧性差、脆性大、易崩刃的缺点，改善其切削性能，常采用以下措施：（1）调整化学成分，使硬质合金既具有高的硬度，又具有良好的韧性；（2）细化合金晶粒，提高硬度和抗弯强度。2024/1/327第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料3）陶瓷刀具陶瓷刀具分为Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。★硬度达HRA91~95，在1200℃的切削温度下仍可保持HRA80；★刀具寿命长，抗黏结、抗扩散、抗氧化磨损的能力强；★具有较低的摩擦系数，不易产生积屑瘤等；★但抗弯强度和冲击韧性很差，不适于重切削和冲击较大的断续切削，通常用于精加工和半精加工；★Si3N4基陶瓷强度高、韧性好，特别是抗热冲击性大大优于Al2O3基陶瓷。因此，可以加工铸铁及镍基合金等。2024/1/328第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料4）超硬刀具材料超硬刀具材料包括金刚石（天然金刚石和聚晶金刚石刀具）和立方氮化硼（CBN）。天然金刚石★自然界最硬的材料，硬度为HK8000~12000；★耐磨性极好，刃口锋利，刀具寿命可长达数百小时；★但价格昂贵；★主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。2024/1/329第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料4）超硬刀具材料聚晶金刚石（PCD）是由石墨在高温高压下聚合而成，各向同性。★硬度比天然金刚石略低，价格便宜，焊接方便，可磨削性好；★但热稳定性差，不宜进行钢材加工，多用于有色金属及其合金，以及一些非金属材料的加工，是目前超精密切削加工中最主要的刀具材料；★用等离子法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。该方法可在硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等复杂刀具上进行涂层。2024/1/330第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料2.常用刀具材料4）超硬刀具材料立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。★硬度达HV3000~4500，仅次于金刚石；★耐热性及热稳定性好，可承受1200℃左右的切削温度，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应，是理想的刀具材料；★主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等的加工，当用于高精度铣削时，可以代替磨削加工。2024/1/331第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料3.刀具涂层技术涂层刀具是近二十年出现的一种新型刀具，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨性与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。目前，常用涂层刀具有四种，即涂层高速钢刀具、涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料刀片上涂层的刀具，尤其以前两种涂层刀具应用最为广泛。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度（可提高10%以上），减少刀片的崩刃及破损，扩大其应用范围。2024/1/332第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料3.刀具涂层技术刀具涂层制备技术可分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。★CVD技术可实现单成分单层及多成分多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合强度较高，薄膜厚度较厚，具有很好的耐磨性。但CVD工艺温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；涂层内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹。★PVD工艺温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度基本无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层。主要应用于整体硬质合金刀具和高速钢刀具的表面处理。2024/1/333第3章金属切削加工原理与刀具3.3

刀具材料3.刀具涂层技术常用刀具涂层有以下几种：★氮化钛涂层（TiN）★氮碳化钛涂层（TiCN）★氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN）★氮化铬涂层（CrN）★金刚石涂层（Diamond）2024/1/334第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介1.车刀

车刀是金属切削加工中应用最广泛的一种刀具。常用车刀类型孔外圆2024/1/335第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介1.车刀

焊接式车刀机夹式车刀2024/1/336第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（1）麻花钻标准麻花钻的结构如图所示，其带螺旋槽的刀体前端为切削部分，承担主要切削工作；后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分；刀柄有直柄和锥柄两种，起与机床连接的作用。

麻花钻的结构2024/1/337第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（1）麻花钻

麻花钻切削刃长、螺旋槽排屑不畅、横刃部分切削条件差等结构问题，使麻花钻的切削能力受到很大影响，生产中为了提高钻孔精度和效率，常将标准麻花钻按特定形式进行刃磨，形成了所谓的“群钻”。群钻的基本特征为：三尖七刃锐当先，月牙弧槽分两边，一侧外刃开屑槽，横刃磨得低窄尖。

中型标准群钻2024/1/338第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（2）中心钻

中心钻用于中心孔加工，在结构上与麻花钻类似，排屑槽一般为直槽，有三种形式：中心钻、无护锥60°复合中心钻及带护锥60°复合中心钻。钻孔之前，钻中心孔的主要作用是有利于钻头导向，防止钻孔偏斜。中心钻2024/1/339第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（3）深孔钻

深孔钻是进行深孔加工的刀具。深孔刀具的关键技术是要有较好的冷却润滑、合理的排屑结构以及导向措施。典型的深孔刀具外排屑深孔钻（枪钻）、错齿内排屑深孔钻（BTA深孔钻）及双管喷吸钻。外排屑深孔钻（枪钻）2024/1/340第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（3）深孔钻

BTA深孔钻喷吸钻2024/1/341第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（4）扩孔钻

扩孔钻是对已有孔进一步加工，以扩大孔径或提高孔的加工质量的刀具。扩孔钻2024/1/342第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（5）铰刀

铰刀用于中、小尺寸孔的半精加工和精加工，也可用于磨孔或研孔前的预加工。铰刀2024/1/343第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（5）铰刀

铰刀由柄部、颈部和工作部分组成，工作部分包括切削部分和校准部分，切削部分用于切除加工余量；校准部分起导向、校准与修光作用。铰刀的基本结构2024/1/344第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（6）镗刀

镗刀多用于箱体孔的粗、精加工，一般分为单刃镗刀和多刃镗刀两大类。单刃镗刀2024/1/345第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（6）镗刀

微调镗刀浮动镗刀2024/1/346第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介2.孔加工刀具（7）锪钻锪钻主要用于加工各种埋头螺钉沉孔、锥孔及凸台等。锪钻2024/1/347第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介3.铣刀铣刀是刀齿分布在圆周表面或端面上的多刃回转刀具，其种类很多。铣刀种类2024/1/348第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介3.铣刀

铣刀种类2024/1/349第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介4.拉刀拉刀是一种高生产率、高精度的多齿刀具，广泛用于大批量生产中。外拉刀内拉刀2024/1/350第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介5.螺纹刀具

螺纹可用切削法和滚压法进行加工。

切削法螺纹加工可以在车床上车削完成，也可手动或在钻床上用丝锥或板牙进行加工。切削法螺纹刀具2024/1/351第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介5.螺纹刀具滚压法需要在专用滚丝设备上完成。滚压法螺纹刀具2024/1/352第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介6.齿轮刀具

齿轮刀具是用于切削齿轮齿形的刀具。齿轮刀具按其工作原理，分为成形法齿轮刀具和展成法齿轮刀具两大类。成型法齿轮刀具成形法齿轮刀具切削刃的廓形与被切齿轮齿槽的廓形相同或相似。常用的有盘形齿轮铣刀和指状齿轮铣刀。2024/1/353第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介6.齿轮刀具

展成法齿轮刀具是利用齿轮的啮合原理进行齿轮加工的刀具。加工时，刀具本身就相当于一个齿轮，它与被切齿轮做无侧隙啮合，工件齿形由刀具切削刃在展成过程中逐渐切削包络而成。常用的有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀等。插齿刀2024/1/354第3章金属切削加工原理与刀具3.4

常用刀具简介选用插齿刀和齿轮滚刀时，应注意以下几点：刀具基本参数（模数、齿形角、齿顶高系数等）应与被加工齿轮相同；刀具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当；刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向相同；滚切直齿轮时，一般用左旋齿刀。滚齿刀剃齿刀2024/1/355第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程1.切削变形及变形区划分1）切削变形金属挤压与金属切削2024/1/356第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程1.切削变形及变形区划分2）金属切削层的三个变形区★第一变形区：特点是晶格间的剪切滑移，又称为剪切滑移区；★第二变形区：特点是前刀面与切屑之间间强烈的挤压和摩擦，又称为前刀面挤压摩擦区；★第三变形区：特点是后刀面与已加工表面之间的挤压和摩擦，又称为已加工表面变形区。金属切削过程中的滑移线和流线示意图2024/1/357第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程2.切屑形成过程切屑形成过程理论很多，最简单而形象化的模型是将切屑的形成比拟为推挤一叠卡片的情况。切屑形成过程模型2024/1/358第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程3.切屑变形的表示方法研究切削变形的规律时，通常用相对滑移

、变形系数

和剪切角

的大小来衡量切削变形程度。相对滑移相对滑移（或称剪切应变）

是用来量度切削变形程度的参数。

的大小能比较真实地反映切削过程变形的程度。2024/1/359第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程3.切屑变形的表示方法

切屑的收缩变形系数

切削层加工前后的长度比或厚度比。剪切角

越小，变形系数

越大，切屑变形越大。2024/1/360第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程3.切屑变形程度的表示方法

影响切屑变形的因素

工件材料（材料强度和硬度）

刀具几何参数（刀具前角）

切削速度

切削厚度2024/1/361第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程4.切屑类型及控制根据剪切滑移后形成切屑的外形不同，切屑分为带状切屑、挤裂切屑、单元切屑和崩碎切屑四种类型。切屑类型说明四种切屑的产生条件2024/1/362第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程4.切屑类型及控制切屑控制—是指在切削过程中采用适当的工艺措施来控制切屑的卷曲、流出方向及有效折断，以形成便于处理和控制的屑形和大小。切屑控制的方法：

在前刀面上磨出断屑槽或使用压块式断屑器，使切屑经二次变形折断；

合理选用切削用量及刀具角度，以形成所需的切屑形状；

采用变进给切削或振动切削是强制断屑的有效工艺方法。2024/1/363第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程4.切屑类型及控制衡量切屑控制的主要标准：

不妨碍正常加工，即不缠绕在工件、刀具上，不飞溅到机床运动部件中；

不影响操作者的安全；

易于清理、存放和搬运。2024/1/364第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程5.积屑瘤的形成及其对加工过程的影响积屑瘤（BUG）的成因积屑瘤：在切削速度不高的情况下，连续切削一般钢料或其他塑性材料时，常在刀具的前刀面刀尖附近形成剖面呈三角状的硬块。其硬度通常是工件材料硬度的2~3倍，能够代替切削刃进行切削。积屑瘤2024/1/365第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程5.积屑瘤的形成及其对加工过程的影响积屑瘤的成因

形成积屑瘤的条件主要取决于切削温度；

在背吃刀量和进给量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系；

接触面间压力、刀具表面粗糙程度、黏结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。积屑瘤高度与切削速度关系2024/1/366第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程5.积屑瘤的形成及其对加工过程的影响积屑瘤对加工过程的影响

使实际前角增大，切削力减小，这对切削过程起积极作用；

使切削厚度增大；

使加工表面粗糙度增大；

影响刀具寿命。积屑瘤前角和伸出量2024/1/367第3章金属切削加工原理与刀具3.5切削变形与切屑的形成过程5.积屑瘤的形成及其对加工过程的影响抑制或消除积屑瘤的措施

采用低速或高速切削；

采用高润滑性的切削液，使刀-屑之间的摩擦和黏结减小；

适当减小进给量、增大刀具前角；

适当提高工件材料的硬度；

提高刀具的刃磨质量，减小表面粗糙度值；

合理调节各切削参数间的关系，以防止形成中温区。2024/1/368第3章金属切削加工原理与刀具3.6切削力1.切削力的来源及分解切削力—切削过程中，刀具作用于工件材料上使其产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力。切削抗力—工件抵抗变形施加于刀具上的力。切削力的来源：

切屑形成过程中弹性变形及塑性变形产生的抗力；

刀具与切屑及工件表面之间的摩擦阻力。2024/1/369第3章金属切削加工原理与刀具3.6切削力1.切削力的来源及分解切削力F的分解：主切削力Fc是垂直于基面并平行于主运动方向的分力；进给力Ff是在基面内并与进给方向平行但方向相反的分力；背向力Fp是基面内与进给方向垂直的分力。2024/1/370第3章金属切削加工原理与刀具3.6切削力2.切削功率切削功率Pm—消耗在切削过程中的功率。获得切削功率Pm之后，为了计算机床电机功率PE，还应考虑机床的传动效率ηc，故机床电机功率应满足：2024/1/371第3章金属切削加工原理与刀具3.6切削力3.切削力计算及测量（1）切削力计算方法

指数公式

单位切削力法

有限元计算有限元方法除了可以计算切削力外，还可以对切削温度、残余应力、刀具磨损等进行分析，优化切削参数。2024/1/372第3章金属切削加工原理与刀具3.6切削力3.切削力计算及测量（2）切削力测量

由于切削过程的复杂性及切削条件的多变性，因此理论公式都是在许多假设条件的基础上获得的，与实验结果相差较大。工程上一般多使用由实验建立的经验公式进行切削力计算。在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量，目前采用的切削力测量手段主要有以下几种。测量机床功率，计算切削力测力仪测量获得切削力2024/1/373第3章金属切削加工原理与刀具3.6切削力4.影响切削力的因素

工件材料

切削用量：切削速度vc对切削力的影响不明显，ap

要比f

对切削力的影响要大。

刀具几何参数

刀具磨损

刀具材料

切削液2024/1/374第3章金属切削加工原理与刀具3.7切削热与切削温度1.切削热的产生和传出切削热的来源切削层金属发生弹性、塑性变形所产生的热和切屑与前刀面、工件与后刀面间的摩擦热。切削热由切屑、刀具、工件和周围介质传出的大致比例：车削，50％~86％由切屑带走，40％~10％由车刀传出，9％~3％传入工件，1％传入介质（空气）；钻削，28％由切屑带走，14.5％传给刀具，52.5％传入工件，5％传给周围介质；磨削，约有70％以上的热量进入工件。切削热的产生与传导2024/1/375第3章金属切削加工原理与刀具3.7切削热与切削温度2.切削温度及其对切削过程的影响切削热是通过切削温度而对工件和刀具产生作用的。切削温度一般是指切削区域的平均温度，切削温度对工件、刀具及切削过程将产生一定的影响：

对工件材料强度和切削力的影响

对刀具材料的影响

对工件尺寸精度的影响

利用切削温度自动控制切削速度或进给量

利用切削温度与切削力控制刀具磨损2024/1/376第3章金属切削加工原理与刀具3.7切削热与切削温度3.切削温度的测量及其分布测量切削温度的方法很多，常用的有热电偶法、热辐射法以及其它方法。热电偶法用得较多，其测温装置的方法简单。

自然热电偶法

人工热电偶法热电偶测量原理1-顶尖；2-铜塞；3-主轴；4-导线；5-绝缘层；6-工件；7-刀具2024/1/377第3章金属切削加工原理与刀具3.7切削热与切削温度3.切削温度的测量及其分布应用人工热电偶法测温，并辅以传热学的计算可得到刀具、切屑和工件的切削温度分布情况

前刀面和主后刀面上的最高温度都处于离主切削刃一定距离处；

切屑底层温度最高，离底层愈远温度愈低；

剪切平面上各点的温度变化不大；

切削塑性材料时，一般情况下前刀面的切削温度高于主后刀面。2024/1/378第3章金属切削加工原理与刀具3.7切削热与切削温度4.影响切削温度的主要因素切削区域温度的高低是产生热量多少和传散热量快慢两方面综合影响的结果。产生的热量越多而传散的热量越少时，则切削温度越高。在切削时影响产生热量和传散热量的主要因素有切削用量、工件材料、刀具几何参数和切削液等。

切削用量；vc影响最大，f次之，ap最小；

工件材料；

刀具几何参数；

刀具磨损；

切削液。2024/1/379第3章金属切削加工原理与刀具

1.刀具磨损形式刀具的损坏形式主要有磨损和破损两种类型。◆

刀具磨损是连续式、渐进式磨损3.8刀具磨损与刀具寿命1.前刀面磨损2.后刀面磨损2024/1/380第3章金属切削加工原理与刀具

1.刀具磨损形式◆

刀具破损是崩刃、折断、剥落及裂纹等脆性或塑性破坏。脆性破损是指在振动、冲击切削作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB≤0.1mm），但刀具切削部分却出现了微崩刃或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作。塑性破损是指刀具受到高温高压的作用，使刀具前刀面和后刀面的材料发生塑性变形，导致刀具丧失切削能力。

3.8刀具磨损与刀具寿命2024/1/381第3章金属切削加工原理与刀具

2.刀具磨损机理刀具磨损是在机械、热和化学三种因素下的综合结果。

◆

磨粒磨损

◆

黏结磨损

◆

扩散磨损

◆

氧化磨损

◆

相变磨损防止刀具过早磨损和避免刀具破损的主要措施：◆

合理选择刀具材料，充分发挥刀具材料的性能；◆

选择合理的刀具角度，提高刀具强度；◆

选择合理的切削用量，控制切削速度对刀具磨损的影响；◆

提高刀具刃磨质量，合理使用切削液；◆

增加刀片和刀具强度，提高工艺系统刚性等。3.8刀具磨损与刀具寿命2024/1/382第3章金属切削加工原理与刀具

3.刀具磨损过程及磨钝标准

◆

刀具磨损过程3.8刀具磨损与刀具寿命◆

刀具磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为刀具磨钝标准。经济磨钝标准是尽可能充分利用刀具的正常磨损阶段和刀具材料，减少换刀次数，获得高生产率和低成本，这样规定的磨钝标准。工艺磨钝标准是根据加工精度和表面质量要求确定的磨钝标准。

2024/1/383第3章金属切削加工原理与刀具

4.刀具寿命刀具寿命也称为刀具耐用度，是指刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到刀具磨钝标准为止的实际切削时间，以T表示，单位为min。刀具总寿命是指刀具从第一次投入使用直至完全报废时所经历的实际切削时间。

◆

刀具寿命与切削用量之间的关系

刀具寿命与切削用量之间的关系通常是由实验方法获得的。

下面是著名的泰勒经验公式3.8刀具磨损与刀具寿命切削用量对刀具寿命的影响：vc最大，f次之，ap最小2024/1/384第3章金属切削加工原理与刀具

4.刀具寿命◆

刀具寿命合理数值的确定

最高生产率刀具寿命TP，根据加工一个零件的生产时间最少或单位时间内加工出的零件最多而确定。最低生产成本刀具寿命TC，根据加工每个零件的工序成本最低原则确定。

3.8刀具磨损与刀具寿命2024/1/385第3章金属切削加工原理与刀具

4.刀具寿命◆

刀具寿命合理数值的确定

确定各种刀具寿命时的准则：（1）复杂、高精度、多刃刀具的寿命应比简单、低精度、单刃刀具的高。（2）机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具寿命可选得低些。（3）精加工刀具切削负荷小，刀具寿命可选高一些。（4）对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具和自动线刀具，及多刀加工时，刀具寿命应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。（5）大件加工时，为避免中途换刀，刀具寿命应选得高些。3.8刀具磨损与刀具寿命2024/1/386第3章金属切削加工原理与刀具

1.工件材料加工性的衡量方法

工件材料的切削加工性是指在一定的切削条件下，材料切削加工的难易程度，简称加工性。通常用一定刀具寿命T下的切削速度υT或相对加工性指标来衡量。3.9工件材料的切削加工性

加工等级名称及种类相对加工性Kr典型材料1很容易切削材料一般有色金属>3.00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，

b=0.37～0.441GPa自动机钢，

b=0.393～0.491GPa3较易切削钢1.60～2.50正火30号钢，

b=0.441～0.549GPa4普通切削材料一般钢及铸铁1.00～1.6045号钢，灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.002Cr13调质，

b=0.834GPa85号钢，

b=0.883GPa6难切削材料较难切削材料0.50～0.6545Cr调质，

b=1.03GPa65Mn调质，

b=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镍基高温合金材料切削加工性等级2024/1/387第3章金属切削加工原理与刀具

2.影响材料加工性的因素

1）材料的物理力学性能

◆

材料的硬度和强度越高，切削加工性越差；

◆

材料的塑性越大，切削加工性越差；

◆

材料韧性越高，切削加工性越差；

◆

材料的导热率越低，切削加工性越差。2）材料的化学成分

调整材料的化学成分是通过对材料的物理力学性能的影响而影响切削加工性的。3）材料金相组织的影响

采用热处理改善材料的切削加工性(调整金相组织)低碳钢正火，高碳钢球化退火或退火。3.9工件材料的切削加工性

2024/1/388第3章金属切削加工原理与刀具

3.改善材料加工性的途径1）合理选择材料的供应状态2）进行热处理

通过适当的热处理使材料尽可能在最适宜的组织状态下切削，是改善加工性的主要方法3）调整化学成分必须认识到工件材料的加工性并非单指材料本身的性能，而是工件材料与一定的切削条件组合在一起时的切削加工难易程度。加工确定的工件材料时，与一定的切削条件相配，可以得到优化的切削效果。3.9工件材料的切削加工性

2024/1/389第3章金属切削加工原理与刀具

合理使用切削液能有效地减小切削力，降低切削温度，从而能提高刀具寿命，防止工件热变形和改善已加工表面质量。1.切削液的作用◆

冷却作用◆

润滑作用◆

清洗和排屑作用◆

防锈作用3.10切削液2024/1/390第3章金属切削加工原理与刀具

2.切削液的种类◆

水溶液◆

乳化液◆

切削油3.切削液的选用（1）根据加工性质选用◆

粗加工时，选用以冷却为主的乳化液或水溶液◆

精加工时，选用切削油或高浓度的乳化液。◆

钻削、铰削和深孔加工时，选用黏度较小的极压乳化液，并应增加压力和流量。◆

磨削中常用的切削液为乳化液，但选用极压型合成切削液和多效型合成切削液效果更好。3.10切削液2024/1/391第3章金属切削加工原理与刀具

3.切削液的选用（2）根据工件材料选用◆切削钢件等塑性材料时，粗加工一般用乳化液，精加工用极压切削油。◆

铸铁、铜及铝等脆性材料精加工时，为了得到较高的表面质量，可采用黏度较小的煤油。◆

切削有色金属和铜合金时，可使用煤油和黏度较小的切削油，但不宜采用含硫的切削液，以免腐蚀工件。切削镁合金时，不能用切削液，以免燃烧起火，必要时，可使用压缩空气。（3）根据刀具材料选用◆

高速钢刀具粗加工时，用极压乳化液。对钢料精加工时，用极压乳化液或极压切削油。◆

硬质合金刀具一般不加切削液。但在加工某些硬度高、强度大、导热性差的特种材料或细长工件时，可选用以冷却为主的切削液，如乳化液。3.10切削液2024/1/392第3章金属切削加工原理与刀具

4.切削液的使用方法◆

浇注法◆

内冷却法◆

微量润滑法，MQL需要指出的是随着环保法规的要求日趋严格，切削液的负面影响越来越受到重视，不使用切削液的干式切削技术已成为一种趋势。3.10切削液内冷却刀具MQL法原理图2024/1/393第3章金属切削加工原理与刀具

所谓合理的刀具几何参数，是指在保证加工质量的前提下，能获得最高的刀具寿命，从而达到提高切削效率，降低生产成本的刀具几何参数。

1.前角和前刀面型式的选择1）前角的功用

◆

影响切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损和刀具寿命

◆

影响切屑形态和断屑效果

◆

影响已加工表面质量

◆

影响切削刃及刀头强度、受力性质和散热条件3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/394第3章金属切削加工原理与刀具

2）前角的选择原则◆

工件材料的强度、硬度低，可取较大的前角；工件材料强度、硬度高，应取较小的前角；加工特别硬的材料时，前角很小甚至取负值。◆

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。

◆

粗加工，特别断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗加工时，应减小前角；但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的数值。◆

成形刀具及展成法刀具，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，如大前角螺纹车刀、大前角齿轮滚刀等。◆

刀具材料的抗弯强度低、韧性较差时，应选较小的前角。◆

工艺系统刚性差、机床功率不足时，应选取较大的前角。◆

数控机床和自动机、自动线用刀具，应考虑刀具寿命及工作稳定性，而选较小的前角。

3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/395第3章金属切削加工原理与刀具

3）前刀面型式及选择◆

正前角平面型◆

正前角带倒棱型◆

负前角型◆

曲面型3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/396第3章金属切削加工原理与刀具

2.后角和后刀面型式的选择1）后角的功用

◆

减小后刀面与工件加工表面之间的摩擦；◆

后角越大，切削刃钝圆半径值越小，切削刃越锋利；◆

在同样的磨钝标准VB下，后角大的刀具由新用到磨钝，所磨去的金属体积较大，这也是增大后角可以延长刀具寿命的原因之一；3.11刀具几何角度的合理选择◆

后角太大时，刀具楔角太小，散热体积小，刀刃强度差；并且在径向磨损量一定时，增大后角，刀具磨钝时磨去的体积减小，使刀具寿命缩短。

2024/1/397第3章金属切削加工原理与刀具

2）后角的选择原则◆

粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具，要求切削刃强固，应取较小的后角；精加工时，刀具磨损主要发生在切削刃区和后刀面上，增大后角可提高刀具寿命和加工表面质量。

◆

工件材料强度、硬度较高时，为保证切削刃强度，宜取较小的后角；工件材质较软、塑性较大或者加工硬化时，后刀面的摩擦对加工表面质量及刀具磨损影响较大，应适当加大后角；加工脆性材料，切削力集中在刃区附近，宜取较小的后角；但加工特别硬而脆的材料（如铸造碳化钨、淬硬钢等），在采用负前角的情况下，必须加大后角才能造成切削刃切入的条件。

◆

工艺系统刚性差，容易出现振动时，应适当减小后角

。◆

各种有尺寸精度要求的刀具，为了限制重磨后刀具尺寸的变化，宜取较小的后角。

3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/398第3章金属切削加工原理与刀具

3）副后角的选择原则为便于制造，一般车刀和面铣刀上的副后角α′o做成与主后角相等；切断刀、三面刃铣刀等刀具为增强刀齿强度，副后角做成很小，α′o取1°～2°。4）后刀面型式及选择◆

单面型后刀面上只有一个后角的称单面型◆

双面型为了增强切削刃、减小切削振动，常在后刀面上磨出双重后角，而成为双面型3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/399第3章金属切削加工原理与刀具

3.主、副偏角的选择

1）主、副偏角的功用

◆

影响切削加工残留面积高度；◆

影响切削层的形状；◆

影响切削力的大小和方向；◆

影响刀具寿命；◆

影响断屑效果。3.11刀具几何角度的合理选择主偏角和副偏角对残留面积的影响2024/1/3100第3章金属切削加工原理与刀具

3.主、副偏角的选择

2）主偏角的选择

粗加工和半精加工，硬质合金车刀一般选用较大的主偏角；

加工很硬的材料，宜取较小的主偏角；

工艺系统刚性较好时，宜取小主偏角；刚性不足时，应取大的主偏角；

需要从中间切入的以及仿形加工的车刀，应增大主偏角和副偏角；

单件小批生产，希望一两把刀具加工出工件上所有的表面，则选取通用性较好的45°车刀或90°偏刀。3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/3101第3章金属切削加工原理与刀具

3.主、副偏角的选择

3）副偏角的选择

一般刀具在不引起振动的情况下，可取较小的值；

精加工刀具，

应取小一些；

加工高强度、高硬度材料或断续切削时，应取小些；

切断刀、切槽刀、锯片铣刀等，为保证刀头强度和重磨后刀头宽度的较小变化，只能取得很小。3.11刀具几何角度的合理选择2024/1/3102第3章金属切削加工原理与刀具

3.11刀具几何角度的合理选择4.刃倾角的选择

1）刃倾角的功用

◆

影响切屑流出方向◆

影响切削刃的锋利性◆

影响刀头强度及断续切削时切削刃上受冲击的位置◆

影响切削力的大小和方向◆

影响切削过程的平稳性◆

影响切削刃的工作长度2024/1/3103第3章金属切削加工原理与刀具

3.11刀具几何角度的合理选择4.刃倾角的选择

2）刃倾角的选择

原则刃倾角主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。一般情况下选正刃倾角，当有冲击时采用负刃倾角。合理刃倾角的参考值刀具各参数之间既有联系又有制约，各参数在切削过程中对切削性能的影响既存在有利的一面，又有不利的一面。因此，在选择刀具角度时，应根据具体情况，综合考虑和分析各参数之间的相互关系。2024/1/3104第3章金属切削加工原理与刀具

1.切削用量的优化目标与目标函数

1）最大生产率（最短的单件工时）

3.12切削用量的合理选择及提高切削用量的途径2）最低成本（最小的单件加工成本）

2024/1/3105第3章金属切削加工原理与刀具

2.限制切削用量提高的约束条件

根据机床、刀具、工件三方面建立的约束条件

3.12切削用量的合理选择及提高切削用量的途径2024/1/3106第3章金属切削加工原理与刀具

3.切削用量的选择原则

在前述主要约束条件中，关键的约束条件应该是以刀具寿命表示的刀具切削性能和以功率表示的机床工作性能。◆

当切削用量受到刀具寿命的限制时，应当先取大的ap，其次取大的f，最后再尽量取大的υc

；◆当切削用量受到机床功率的限制时，应尽量选取大的f，其次再取大的υc与ap。但考虑到ap较小时会增加走刀次数，增加辅助工时，因此一般是先取大的ap，其次取大的f，最后取大的υc只有当取大的f后，包括辅助工时在内也比取大的ap合算时，才优先取大的f。

3.12切削用量的合理选择及提高切削用量的途径2024/1/3107第3章金属切削加工原理与刀具

4.提高切削用量的途径◆采用切削性能更好的新型刀具材料；◆采用合理的刀具结构、简化装夹和调整;◆

采用合理的刀具几何参数；◆采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却润滑方法;◆

采用热处理方法等改善工件材料的切削加工性。3.12切削用量的合理选择及提高切削用量的途径2024/1/3108第3章金属切削加工原理与刀具

1.砂轮的特性和选择

砂轮是最重要的磨削工具，它由磨料加结合剂采用陶瓷制造工艺方法制成。

砂轮的特性：磨料、粒度、结合剂、硬度和组织。◆

磨料3.13磨削原理

系别磨料名称代号颜色硬度韧性适

用

范

围氧化物棕刚玉A棕褐色低高大小

磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁等白刚玉WA白色

磨削淬硬钢、高碳钢、高速钢等铬刚玉PA紫红色

磨削高速钢、高强度钢，特别适于成形磨削碳化物黑碳化硅C黑色

磨削铸铁、黄铜、耐火材料及非金属材料绿碳化硅GC绿色

磨削硬质合金、宝石、陶瓷、玻璃等碳化硼BC黑色

研磨硬质合金高硬磨料立方氮化硼CBN黑色

磨削高性能高速钢、不锈钢、耐热钢及其他