《工程实践训练基础》课件第5章

5.1切削运动及切削要素

5.2切削刀具及其材料 5.3切削过程及控制

5.4工件材料的切削加工

5.1.1零件表面的形成

零件表面的形状虽然很多，但分析起来主要包括两大类：基本表面和成形面。

基本表面包括：外圆面、内圆面(孔)和平面。成形面包括：螺纹、齿轮的齿形沟槽等。这些表面可分别用图5-1所示的相应加工方法来获得。5.1切削运动及切削要素图5-1零件不同表面加工时的切削运动(a)车外圆面；(b)磨外圆面；(c)钻孔；(d)车床上镗孔；(e)刨平面；(f)铣平面；(g)车成形面；(h)铣成形面5.1.2切削运动

无论在哪一种机床上进行切削加工，刀具和工件间必须有一定的相对运动，即切削运动(cuttingmotions)。切削运动可以是旋转运动或直线运动，也可以是连续的或间歇的。切削运动(如图5-1所示)包括主运动(图中Ⅰ)和进给运动(图中Ⅱ)。

主运动(primarymotion)是使刀具和工件之间产生相对运动，促使刀具接近工件而实现切削的运动。如图5-2所示工件的旋转运动即为主运动。主运动速度最高，消耗功率最大。主运动只能有一个。

进给运动(feedmovement)使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动，即可连续地切除余量。如图5-2所示车刀的移动即为进给运动。进给运动可能是一个或多个。图5-2切削运动和加工表面5.1.3切削用量

在机械加工中，工件上同时形成三个表面，即待加工表面、加工表面和已加工表面，如图5-2所示。待加工表面是指工件上待切除的表面。加工表面是指工件上切削刃正在切削的表面。已加工表面是指工件上已加工好的表面。

切削用量(cuttingconditions)包括切削速度vc、进给量f(或进给速度vf)和背吃刀量ap三要素。

1.切削速度

单位时间内刀具和工件上已加工好的表面之间的相对位移称为切削速度(cuttingspeed)，以vc表示，单位为m/s或m/min。

若主运动为旋转运动(如车削、铣削等)，则切削速度一般为其最大线速度，即式中：d——工件(或刀具)的直径，单位为mm；

n——工件(或刀具)的转速，单位为r/s或r/min。

若主运动为往复直线运动(如刨削、插削等)，则常以其平均速度为切削速度，即式中：L——往复行程长度，单位为mm；

nr——主运动每秒或每分钟的往复次数，单位为str/s或str/min(str为往复运动次数)。

2.进给量

单位时间内刀具和工件在进给运动方向上的相对位移称为进给量(feedrate)。

当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r；当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；用单齿刀具(如车刀、刨刀等)加工时，进给量常用刀具或工件每转或每行程中刀具在进给运动方向上相对工件的位移量来度量，称为每转进给量或每行程进给量，以f表示，单位为mm/r或mm/str。用多齿刀具(如铣刀、钻头等)加工时，进给运动的瞬时速度称进给速度，以vf表示，单位为mm/s或mm/min。刀具每转或每行程中每齿相对工件进给运动方向上的位移量，称为每齿进给量，以fz表示，单位为mm/z。

fz、f、vf之间有如下关系：

vf = fn = fzzn式中：n——刀具或工件的转速，单位为r/s或r/min；

z——刀具的齿数。

3.背吃刀量

工件上待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，称为背吃刀量(backengagementofthecuttingedge)，以ap表示，单位为mm。如图5-3所示，车外圆时，ap可用下式计算：式中：dw、dm——工件待加工和已加工表面直径，单位为mm。工件上由主切削刃形成的那部分表面是过渡表面。

4.切削用量的选择

切削用量选择的基本原则是：粗加工时在保证合理的刀具寿命的前提下，首先选尽可能大的背吃刀量ap，其次选尽可能大的进给量f，最后选取适当的切削速度vc；精加工时，主要考虑加工质量，常选用较小的背吃刀量和进给量，较高的切削速度。只有在受到刀具等工艺条件限制不宜采用高速切削时才选用较低的切削速度，例如用高速钢铰刀铰孔，切削速度受刀具材料耐热性的限制，并为了避免积屑瘤的影响，采用较低的切削速度。5.1.4切削层参数

切削层是指切削过程中，由刀具切削部分的一个单一动作(如车削时工件转一圈，车刀主切削刃移动一段距离)所切除的工件材料层。它决定了切屑的尺寸及刀具切削部分的

载荷。

切削层的尺寸和形状，通常是在切削层尺寸平面中测量的，如图5-3所示为车削时的切削层尺寸。车前的内容将在后面的章节中予以介绍。图5-3车削时切削层尺寸

(1)切削层公称横截面积AD是指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位为mm2。

(2)切削层公称宽度bD是指在给定瞬间，作用于主切削刃截形上两个极限点间的距离，在切削层尺寸平面中测量，单位为mm。

(3)切削层公称厚度hD是指同一瞬间切削层公称横截面积与其公称宽度之比，单位为mm。由定义可知

AD=bDhD

因AD不包括残留面积，而且在各种加工方法中AD与进给量和背吃刀量的关系不同，所以AD不等于f和ap的积。只有在车削加工中，当残留面积很小时才能近似地认为它们相

等，即

AD≈fap5.2.1切削刀具

切削刀具的种类繁多，形状各异，但不管它们的结构多么复杂，切削部分总是近似地以外圆车刀的切削部分为基础形态，所以，研究切削刀具时，总是以车刀为基础。

1.车刀切削部分的组成

车刀由工作部分和非工作部分构成，车刀的工作部分比较简单，只由切削部分构成，非工作部分就是车刀的柄部(或刀杆)。

车刀(turningtools)切削部分(如图5-4)由下列要素组成：三面、两刃、一尖。5.2切削刀具及其材料图5-4外圆车刀切削部分

1)刀面

刀面主要由前刀面、主后刀面和副后刀面组成。

(1)前刀面：刀具上切屑流过的表面。

(2)主后刀面：与工件正在被切削加工的表面(过渡表面)相对的刀面。

(3)副后刀面：与工件已切削加工的表面相对的刀面。

2)刀刃

刀刃主要由主切削刃和副切削刃组成。

(1)主切削刃：前刀面与主后刀面在空间的交线。

(2)副切削刃：前刀面与副后刀面在空间的交线。

3)刀尖

刀尖：主切削刃与副切削刃的连接处相当少的一部分切削刃。实际刀具的刀尖并非绝对尖锐，而是一小段曲线或直线，分别称为修圆刀尖和倒角刀尖。

2.车刀切削部分的主要角度

刀具要从工件上切除余量，就必须使它的切削部分具有一定的切削角度。用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面，称为参考系。其中刀具设计、制造、刃磨和测量几何参数时用的参考系，称为刀具静止参考系；规定刀具进行切削加工时几何参数的参考系，称为刀具工作参考系。

1)刀具静止参考系

刀具静止参考系(如图5-5所示)由基面、切削平面、正交平面和假定工作平面组成。图5-5刀具静止参考系的平面

(1)基面：过切削刃选定点，垂直于该点假定主运动方向的平面，以pr表示。

(2)切削平面：过切削刃选定点，与切削刃相切，并垂直于基面的平面。主切削平面以ps表示。

(3)正交平面：过切削刃选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面，以po表示。

(4)假定工作平面：过切削刃选定点，垂直于基面并平行于假定进给运动方向的平面，以pf表示。

2)车刀的主要角度

车刀的主要角度(如图5-6)由主偏角、副偏角、前角、后角和刃倾角组成。图5-6车刀的主要角度

(1)主偏角：在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。

(2)副偏角：在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角。

主偏角主要影响切削层截面的形状和参数，影响切削分力的变化，并和副偏角一起影响已加工表面的粗糙度；副偏角还有减小副后刀面与已加工表面间摩擦的作用。当背吃刀量和进给量一定时，主偏角愈小，切削层公称宽度愈大而公称厚度愈小，即切下宽而薄的切屑。这时，主切削刃单位长度上的负荷较小，并且散热条件较好，有利于刀具寿命的提高。

由图5-7可以看出，当主、副偏角小时，已加工表面残留面积的高度hc亦小，因而可减小表面粗糙度的值，并且刀尖强度和散热条件较好，有利于提高刀具寿命。但是，当主偏角减小时，背向力将增大，若加工刚度较差的工件(如车细长轴)，则容易引起工件变形，并可能产生振动。图5-7主、副偏角对残留面积的影响(a)主偏角对残留面积的影响；(b)副偏角对残留面积的影响主、副偏角应根据工件的刚度及加工要求选取合理的数值。一般车刀常用的主偏角有45°、60°、75°、90°等几种；副偏角为5°～15°，粗加工时取较大值。

(3)前角γo：在正交平面中测量的前刀面与基面间的夹角，包括正前角、零度前角和负前角，如图5-8所示。图5-8前角和后角若取较大的前角，切削刃锋利，切削轻快，即切削层材料变形小，切削力也小。但当前角过大时，切削刃和刀头的强度、散热条件和受力状况变差，将使刀具磨损加快，刀具寿命降低，甚至崩刃损坏。

若取较小的前角，虽切削刃和刀头强度较好，散热条件和受力状况也较好，但切削刃不够锋利，对切削加工不利。前角的大小常根据工件材料、刀具材料和加工性质来选择。工件材料的强度和硬度较低时，应取较大的前角，反之，则应取较小的前角。加工塑性材料时，应取较大的前角；加工脆性材料时，应取较小的前角。刀具材料韧性好(高速钢)，取较大的前角，反之，(硬质合金)取较小的前角。粗加工时，取较小的前角；精加工时，取较大的前角。

(4)后角αo：在正交平面中测量的后刀面与切削平面间的夹角，如图5-8所示。

后角的主要作用是减少刀具后刀面与工件表面间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利与强度。后角只能是正值，后角大，摩擦小，切削刃锋利。但后角过大，将使切削刃强度变弱，散热条件变差，加速刀具磨损。反之，后角过小，虽切削刃强度增加，散热条件变好，但摩擦加剧。

后角的大小常根据加工的种类和性质来选择。粗加工或工件材料较硬，后角取较小值；工件材料越软、塑性越大，则后角越大；工艺系统刚度较差时，应适当减小后角。

(5)刃倾角λs：在主切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。刃倾角也有正、负和零值之分，如图5-9所示。图5-9刃倾角及其对排屑方向的影响刃倾角主要影响刀头的强度、切削分力和排屑方向。

负的刃倾角起到增强刀头的作用，但会使背向力增大，有可能引起振动，而且还会使切屑排向已加工表面，划伤和拉毛已加工表面。因此，粗加工时为了增强刀头，λs常取负值；精加工时为了保护已加工表面，λs常取正值或零值。车刀的刃倾角一般在- 5°～+5°之间选取，有时为了提高刀具耐冲击的能力，λs也可取较大的负值。

3)刀具的工作角度

这是指在工作参考系中定义的刀具角度。刀具工作角度考虑了合成运动和刀具安装条件的影响。

刀具安装位置对车刀工作角度的影响：如图5-10所示，车外圆时，若刀尖高于工件的回转轴线，则工作前角γoe＞γo，而工作后角αoe＜αo；反之，若刀尖低于工件的回转轴线，则γoe＜γo，αoe＞αo。镗孔时的情况正好与此相反。

当车刀刀柄的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起主偏角和副偏角的变化，如图5-11所示。图5-10车刀安装高度对前角和后角的影响(a)偏高；(b)等高；(c)偏低图5-11车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响

3.刀具结构(以车刀为例)

(1)整体式车刀：切削部分与夹持部分材料相同，对贵重的刀具材料消耗较大，常用高速钢制造。

(2)焊接式车刀：将硬质合金刀片用紫铜、黄铜等焊接在开有刀槽的刀杆上。

焊接式车刀结构简单、紧凑，刚性好，灵活性大，应用十分普遍。但焊接式车刀的硬质合金刀片经过高温焊接和刃磨后，会产生内应力和裂纹，使切削性能下降，对提高生产效率不利。

(3)机夹重磨式车刀：避免了焊接引起的缺陷，提高了刀具耐用度；刀杆可重复使用，利用率较高。但这种车刀结构复杂，不能完全避免刃磨而可能引起刀片的裂纹。

(4)机夹可转位式车刀(如图5-12所示)：将压制有一定几何参数的多边形刀片，用机械夹固的方法装夹在标准的刀体上。使用时，刀片上一个切削刃用钝后，只需松开夹紧机构，将刀片转位换成另一个新的切削刃便可继续切削。因机械夹固车刀的切削性能稳定，又不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。机夹可转位式车刀具有以下优点：

①不需刃磨，刀片材料能较好地保持原有力学性能、切削性能、硬度和抗弯强度。

②减少了刃磨、换刀、调刀所需的辅助时间，提高了生产效率。

③可使用涂层刀片，提高了刀具耐用度。图5-12可转位式车刀的组成5.2.2刀具材料

1.刀具材料应具备的性能

刀具材料(cuttingtoolmaterials)在切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动，因此应具备以下基本性能：

(1)较高的硬度和耐磨性。刀具材料硬度必须高于工件材料硬度。刀具材料常温硬度一般要求在60 HBS以上。一般刀具材料的硬度越高，晶粒越细，分布越均匀，耐磨性就越好。

(2)足够的强度和韧度。刀具材料必须具备足够的强度和韧度，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。

(3)较高的耐热性。刀具材料应具有较高的耐热性，以便在高温下仍能保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧度。耐热性又称为红硬性或热硬性。

(4)良好的工艺性和经济性。刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、焊接性能和磨削加工性能等，以便制造成各种刀具，而且要追求高的性能价格比。

2.常用的刀具材料

1)碳素工具钢

碳素工具钢(carbontoolsteel)是含碳量较高的优质钢(含碳量为0.7％～1.2％，如T10A等)，其淬火后硬度较高，价格低廉，但耐热性较差。

2)合金工具钢

在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，便形成合金工具钢(alloytoolsteel)(如9SiCr等)。它可适当减少热处理变形和提高耐热性。

这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等，较少用于制造其他刀具。

3)高速钢

高速钢(highspeedsteel)是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。高速钢按用途可分为通用高速钢和高性能高速钢；按制造工艺可分为熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢；按基本化学成分可分为钨系和钼系。高速钢在热处理后硬度可达62～66HBS，抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性和耐热性。它的切削温度在500～650℃时仍能进行切削，适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。硬质合金(carbides)是由高硬度和高熔点的金属碳化物(如碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(如Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成的一种合金。它的硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍，但其强度和韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。因此常制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄(刀体)上使用。

按ISO标准，硬质合金可分为K、M、P三个主要类别。

(1) K类(YG)(钨钴类)硬质合金(红色)：适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。其代号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用K01；半精加工可用K10、K20；粗加工可用K30。

(2) P类(YT)(钨钛钴类)硬质合金(蓝色)：以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。该类硬质合金适合于精加工，适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。其代号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用P01；半精加工可用P10、P20；粗加工可用P30。

(3) M类(YW)(钨钛钽(铌)类)硬质合金(黄色)：在YT(P)类硬质合金中加入TaC或NbC形成。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料，还适合加工长(短)切屑的金属材料，如钢、铸钢、不锈钢等难切削材料等。其代号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工可用M30。

3.新型刀具材料

1)涂层刀具材料

涂层(coated)刀具材料是指通过气相沉积或其他技术方法，在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物而构成的刀具材料。主要涂层材料有TiC、TiN、TiC+TiN、TiC+Al2O3、TiC+TiN+Al2O3或金刚石等多种。采用多涂层可使涂层具有更高的结合强度，并使刀片具有更好的切削性能。涂层硬质合金刀具的寿命比不涂层的可提高1～3倍，涂层高速钢刀具的寿命比不涂层的可提高2～10倍。目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC+TiN复合涂层或TiC+Al2O3+TiN三复合涂层。

2)陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料有Al2O3基和Si3N4基两类。它是指以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。其优点是：硬度高，耐磨性和耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小，抗粘结和抗扩散能力强，缺点是脆性大，抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃。所以其使用范围受到限制，可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。

3)超硬刀具材料

超硬(superhard)刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。

(1)天然金刚石：自然界中最硬的材料，其硬度范围在HK8000～HK12000(HK，Knoop硬度，单位为kgf/mm2)，耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，但价格昂贵，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。其主要缺点是与铁族材料有亲和作用，不宜加工钢和铸铁。

(2)聚晶金刚石：碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬的物质。由于其硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，因而可在大部分场合替代天然金刚石，可制成各种车刀、镗刀、铣刀等刀片。它既可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度为65～70HBS的材料，也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、合成纤维、强化塑料和硬橡胶玻璃等，还可用于加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。其缺点是热稳定性差，强度低，脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。

(3)聚晶立方氮化硼(CBN)：一种人工合成的新型刀具材料，由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。它有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300℃时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。因此，可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。5.3.1切屑的形成过程及切屑类型

1．切屑的形成过程

切屑(chips)的形成过程是当切削塑性金属时，被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形。随着刀具继续切入，金属内部应力、应变继续加大，当剪切应力达到金属材料的屈服强度时，就产生了塑性变形。随着刀具前刀面相对工件的继续推挤，与切削刃接触的材料发生断裂而使切削层材料变为切屑流出。切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。5.3切削过程及控制

2．切屑的类型

由于工件材料的塑性不同、刀具的前角不同或采用不同的切削用量等，会形成不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影响。常见的切屑有如下几种，如图5-13所示。

1)带状切屑

带状切屑的特点是内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量切削塑性材料时容易得到带状切屑。形成带状切屑时切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小，但切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。图5-13切屑的类型(a)带状切屑；(b)挤裂切屑；(c)崩碎切屑

2)挤裂(节状)切屑

挤裂切屑的特点是刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。采用较低的切削速度、较大的进给量、较小的刀具前角、粗加工中等硬度的钢材料时容易得到挤裂切屑。形成挤裂切屑时切削力波动较大，工件表面较粗糙。

3)崩碎切屑

在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃，刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。

3．积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时，常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料，形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤(thebuilt-upedge)，或称刀瘤。

积屑瘤的形成如图5-14所示。当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度又会破裂，而被切屑带走或嵌附在工件表面上。上述过程是反复进行的。图5-14积屑瘤的形成与脱落积屑瘤对切削过程会产生一定的影响。积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。而且积屑瘤的存在，使实际前角增大，切削轻快。因此，粗加工时可采用积屑瘤。但积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。此外，它还会导致切削力的变化，引起振动，并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大工件表面粗糙度和导致刀具磨损，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。抑制或消除积屑瘤可采取以下措施：采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削T45钢为例，在低速vc＜3m/min和较高速度vc≥60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当减少进给量，增大刀具前角，减小切削变形；适当地应用热处理来提高工件材料的硬度，降低塑性，减小加工硬化倾向。5.3.2切削力

切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力(cuttingforce)。

1.切削力的来源

切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间的摩擦阻力，如图5-15所示。图5-15切削力来源

2.切削力的分解

以车外圆为例，通常将总切削力F分解为相互垂直的三个分力：切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp，如图5-16所示。

(1)切削力Fz(Fc)：总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80％～90％。Fc消耗的功率最多，约占总功率的90％左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。图5-16车外圆时力的分解

(2)进给力Fx(Ff)：总切削力在进给方向的分力。进给力也作功，但只占总功的1％～5％，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数。

(3)背向力Fy(Fp)：总切削力在垂直于工作平面方向的分力。Fp不消耗功率，但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时所必需的参数。

三个切削分力与总切削力F有如下关系：

3．切削功率

计算切削功率(cuttingpower)Pm是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时来选择机床主电动机功率的根据。

切削功率Pm应是三个切削分力消耗功率的总和，但背向力Fp消耗的功率为零，进给力Ff消耗的功率很小，一般可忽略不计。因此，切削功率Pm(单位为kW)可用下式计算

Pm=10－3·Fc·vc式中：Fc——切削力，单位为N；

vc——切削速度，单位为m/s。

机床电动机的功率PE(单位为kW)可用下式计算式中：ηm——机床传动效率，一般取0.75～0.85。对切削力影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。另外，切削用量、刀具材料、刀具几何参数、刀具磨损、切削液的使用与否都直接影响着切削力的变化。5.3.3切削热和切削温度

1.切削热的产生与传导

金属切削过程的三个变形区就是产生切削热(cuttingheat)的三个热源(如图5-17所示)：切屑变形所产生的热量(是切削热的主要来源)；切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。图5-17切削热的来源切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度(cuttingtemperatures)上升。

用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时，切削热传出的比例是：切屑传出的热约为50％～86％；工件传出的热约为10％～40％；刀具传出的热约为3％～9％；周围介质传出的热约为1％。传入切屑及介质中的热量越多，对加工越有利。传入工件的切削热，使工件产生热变形，影响加工精度，特别是加工薄壁零件、细长零件和精密零件时，热变形的影响更大。磨削淬火钢件时，切削温度过高，往往使工件表面产生烧伤和裂纹，影响工件的耐磨性和使用寿命。传入刀具的切削热，比例虽然不大，但由于刀具的体积小，热容量小，因而温度高，高速切削时，切削温度可达1000℃，加速了刀具的磨损。

2.影响切削温度的因素

切削温度一般是指切削区的平均温度。它可用热电偶或其他仪器进行测定，生产中常根据切屑的颜色进行大致的判别。如切削碳素结构钢时，切屑呈银白色或淡黄色说明切削温度不高；切屑呈深蓝色或蓝黑色则说明切削温度很高。

切削温度的高低取决于切削热的产生和传散情况。影响切削温度的主要因素有以下几点。

1)工件材料

材料的强度和硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多；导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。切削脆性材料时，由于塑性变形很小，崩碎切屑与前刀面的摩擦也小，则产生的切削热较少。热处理状态不同，切削温度也不相同。

2)切削用量

在切削用量三要素中切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。

3)刀具几何参数

前角γo增大，塑性变形和摩擦减小，则切削温度下降。但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。

主偏角κr增大，切削刃工作接触长度减少，切削宽度减小，散热条件变差，故切削温度升高。

4)刀具磨损

刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。

5)切削液

利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，可减少切削热的产生，也可利用它的冷却功能吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。

3.切削液

切削过程中，喷注足够数量的切削液(cuttingfluid)，能减小摩擦和改善散热条件，带走大量的切削热，可降低切削温度100～150℃。切削液具有冷却、润滑和清洗的作用。

切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。

常用的切削液分为以下几种。常用的切削液分为以下几种。

(1)水溶液：主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂。水溶液具有良好的冷却作用，可以大大降低切削温度，但润滑性能较差。

(2)乳化液：将乳化油用水稀释而成。乳化液具有良好的流动性和冷却作用，并有一定的润滑作用。低浓度的乳化液用于粗车和磨削；高浓度的乳化液用于精车、精铣、精镗和拉削等。

(3)切削油：主要用矿物油，少数采用动植物油或混合油。其润滑作用良好，而冷却作用小，多用以减小摩擦和工件表面的粗糙度。切削油常用于精加工工序，如精刨、珩磨和超精加工等。常使用煤油作切削液，而攻螺纹、精车丝杠可用菜油之类的植物油等。5.3.4刀具磨损和刀具耐用度

在切削过程中，刀具切削部分由于磨损或局部破损而逐渐发生变化，最终会失去切削性能。刀具磨损(toolwear)到一定程度后，切削力明显增大，切削温度上升，甚至产生振动，影响工件的加工精度和表面质量。因此，刀具磨损到一定程度后，必须重磨或更换新刀。

1．刀具磨损形态

1)后刀面磨损

当切削脆性材料或以较小的背吃刀量切削塑性材料时，由于刀具主后刀面与工件过渡表面间存在着强烈的摩擦，会将后刀面毗邻切削刃的部位磨损成小棱面。后刀面磨损量以后刀面上的磨损宽度值VB表示，如图5-18(a)所示。

2)前刀面磨损

在切削速度较高、背吃刀量较大且不用切削液的情况下加工塑性材料时，切屑将在前刀面磨出月牙洼。前刀面的磨损量以月牙洼的最大深度KT表示，如图5-18(b)所示。

3)前、后刀面同时磨损

在常规条件下加工塑性金属时，常出现如图5-18(c)所示的前、后刀面同时磨损的形态。图5-18刀具磨损形态

2.刀具磨损过程

在一定切削条件下，不论何种磨损的形态，其磨损量都将随时间的延长而增大。如图5-19所示为硬质合金车刀主后刀面磨损量VB与切削时间之间的关系，即磨损曲线。

由图5-19可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：

AB段——初期磨损阶段，刀刃锋尖迅速被磨掉，即磨成一个窄面。

BC段——正常磨损阶段，磨损量随切削时间的延长而近似成比例增加，而磨损速度随时间延长减慢。刀具的使用不应超过这一有效工作阶段的范围。图5-19刀具磨损过程

CD段——急剧磨损阶段，刀具变钝，切削力增大，切削温度急剧上升，磨损加快，出现振动、噪声，已加工表面质量明显恶化，刀具在使用中应避免进入该段。

经验表明，在刀具正常磨损阶段的后期至急剧磨损阶段之前，换刀重磨为最好。这样，既可保证加工质量又能充分利用刀具材料。