教学课件-数控加工工艺(赵长旭)

第1章金属切削的基础理论1.1切削运动和切削要素

1.2刀具的构造

1.3金属切削过程的基本规律1.4常用刀具材料及其选用1.5刀具几何角度的合理选择1.6切削用量及切削液的选择1.7改善工件材料的切削加工性习题

1.1切削运动和切削要素

1.1.1机械零件表面的形成原理任何机械零件都是由若干表面围成的。一般情况下，这些表面都可以看作是由一条母线沿一条导线运动的轨迹形成的，如图1-1所示。切削加工时，零件的实际表面就是根据这一原理，通过刀具与工件的相对运动和相互作用而形成的。

图1-1零件表面的形成(a）

圆柱面；

(b）

圆锥面；

(c）

平面；

(d）

成型面；

(e）

曲面

1.1.2切削运动及产生的表面

1.切削运动切削加工是靠刀具与工件间的相对运动来实现的，这种相对运动称为切削运动。切削运动包括主运动和进给运动，如图1-2所示。

(1)主运动:进行切削加工最主要的运动,如车削时工件的旋转运动，铣削、钻削和磨削时铣刀、钻头或砂轮的旋转运动。主运动的速度最高，消耗功率最多。各种机床的主运动只有一个。

图1-2各种加工方法的切削运动和工件上形成的三个表面(a）

车削；

(b）

铣削；

(c）

刨削；

(d）

钻削；

(e）磨削

(2)进给运动：使金属层不断投入切削，配合主运动连续加工出整个表面的运动,如车削时车刀的直线运动，铣削时工件的直线运动，钻削时钻头的轴向移动，磨削时工件的往复直线运动。进给运动可以是一个（如车削）、两个（如外圆磨削）或多个，甚至没有（如拉削）；可以是连续的，也可以是间歇的。如车外圆时，纵向进给运动是连续的，横向进给运动是间歇的。

2.切削产生的表面切削加工时，工件上同时存在着三个不断变化的表面，如图1-2所示。

(1)已加工表面：工件上经刀具切削后产生的新表面。

(2)待加工表面：工件上有待切除的表面，即将被切去的余量层的表面。

(3)过渡表面：

工件上由切削刃形成的那部分表面，以前又称加工表面。

1.1.3切削要素图1-3车削时的切削要素

1.切削用量

切削用量是表示机床主运动和进给运动大小的重要参数，包括切削速度、进给量和背吃刀量。

(1)切削速度vc：在进行切削加工时，刀具切削刃的某一点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，也可理解为是主运动的线速度，单位为m/min。当主运动为旋转运动时，

vc可按下式计算：

(1-1)式中:D为工件待加工表面或刀具的最大直径（mm）；n为主运动的转速（rpm或r/min）。

(2)进给量f：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，可用刀具或工件每转（主运动为旋转运动时）或每行程（主运动为直线运动时）的位移量来表述和度量，其单位为mm/r或mm/行程。车削的进给量f为每转一转（单位时间），刀具沿轴线进给所移动的距离（mm/r）；刨削时的进给量f为刨刀（或工件）每往复一次，工件（或刨刀）沿进给方向移动的距离（mm/str）。对于铰刀、铣刀、拉刀等多齿刀具，每转或每行程相对于工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量，记作fz，单位为mm／齿。

显然

(1-2)式中:z为刀齿数。

切削刃上选定点相对工件的进给运动瞬时速度称为进给速度vf，其单位为mm/min。对于连续进给的切削加工（如车削），vf可按下式计算:vf=nf(1-3)

(3)背吃刀量ap：又称切削深度，一般指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。车削外圆柱面的背吃刀量为该次切除余量的一半：(1-4)式中:dw为工件待加工表面直径（mm）；dm

为工件已加工表面直径（mm）。

镗孔时：

(1-5)钻削时：

(1-6)切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap称为切削用量三要素，总称切削用量。

2.切削层参数

切削层是指工件上正在被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料。如图1-3所示。车削时，工件每转一转，车刀主切削刃移动一个距离f，车刀所切下来的金属层即为切削层。切削层参数包括切削宽度bD、切削厚度hD和切削面积AD。

(1)切削宽度bD：刀具主切削刃与工件的接触长度（mm）。若车刀主切削刃与工件轴线之间的夹角为κr，则(1-7)

(2)切削厚度hD:工件或刀具每移动一个进给量f，刀具主切削刃相邻两个位置之间的垂直距离（mm）。车削时：hD=f·sinκr

(1-8)

(3)切削面积AD：工件被切下的金属层沿垂直于主运动方向所截取的面积。其计算公式为

AD=ap·f=bD·hD

(1-9)可见，当ap和f一定时，AD即确定；而κr的大小发生变化时，bD、hD将变化。因此，调整κr的大小，可在保证生产率不变的情况下，通过改变切削刃的负荷来改善切削条件。1.2刀

具

的

构

造1.2.1车刀的组成如图1-5所示，车刀由切削部分(刀头)和夹持部分（刀柄）两大部分组成。刀头承担切削工作，由各种刀具材料制作。刀柄用于将车刀夹持在车床刀架上，常用普通碳钢（45）、球墨铸铁制成。

图1-5车刀的组成车刀的切削部分由三个表面、两条刀刃和一个刀尖组成。

(1)前刀面：直接与切屑接触的表面，用Aγ表示。

(2)主后刀面：与工件上过渡表面相对的表面，用Aα表示。

(3)副后刀面：与工件上已加工表面相对着的表面，用Aα′表示。

(4)主切削刃：

前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作，

用S表示。

(5)副切削刃：前刀面与副刀后面的交线，用S′表示。其靠刀尖处起微量切削作用，具有修光性质。

(6)刀尖：主切削刃和副切削刃的交点，通常以圆弧或短直线形式出现，以提高刀具的使用寿命。不同类型的刀具，其刀面、切削刃的数量不完全相同，如切断刀就有两个副后面、两个副切削刃和两个刀尖。

1.2.2刀具的几何角度

1.刀具角度的参考系切削能否顺利进行，刀具的几何角度起着十分重要的作用。为在设计、绘图、刃磨、测量中正确表示这些角度，须确定一参考坐标平面作为基准。下面介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系，

如图1-6所示。

(1)基面:过主切削刃上的一点，垂直于切削速度方向的平面，用Pr表示。

(2)切削平面:过主切削刃上的一点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面,用Ps表示。

(3)正交平面:垂直于主切削刃在基面上投影的平面，又称主剖面，用Po表示。切削平面、基面、正交平面（主剖面）在空间相互垂直，构成一个空间直角坐标系，是车刀几何角度的测量平面。

图1-6正交平面参考系

2.车刀的基本角度车刀的基本角度如图1-7所示。

1)在正交平面（主剖面）中测量、标注的角度

(1)前角：前刀面（Aγ）与基面（Pr）的夹角，用γo表示。当前刀面与基面的夹角小于90°时，γo为正值；大于90°时，

γo为负值。

图1-7车刀的基本角度

(2)后角：后刀面Aα与切削平面Ps间的夹角，用αo表示。当后刀面与切削平面的夹角小于90°时，αo为正值；大于90°时，αo为负值。前刀面、后刀面间的夹角β称为楔角，有

β＝90°－（γo

＋αo

）

（1-10）

2)在基面内测量、标注的角度

(1)主偏角：主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角，用κr表示。它总为正值。

(2)副偏角:副切削刃在基面上的投影与进给运动相反方向的夹角，用κr′表示。主切削刃和副切削刃在基面上的投影的夹角称为刀尖角：

（1-11）

3)在切削平面内测量、标注的角度刃倾角:主切削刃与基面（Pr）之间的夹角，用λs表示。刃倾角也有正负之分，如图1-8所示，当刀尖在切削刃最高点时，刃倾角为正；刀尖在最低点时，刃倾角为负；当主切削刃与基面平行时，刃倾角为0°。

图1-8车刀的刃倾角

4)在副正交平面中测量、标注的角度参照主切削刃的研究方法，在负切削刃上同样可定义一副正交平面（副剖面）Po′。在副正交平面中测量、标注的角度有副后角αo′，它是副后面Aα′与副切削平面Ps′间的夹角。

当副后面与副切削平面的夹角小于90°时，副后角为正值。

3.刀具的工作角度

1)安装位置对工作角度的影响

(1)刀尖高低的影响（见图1-9）。车外圆时，刀尖若安装高于工件中心，则切削平面变为Pse，基面变为Pre，刀具角度也随之变为工作前角γoe和工作后角αoe。在工作切深剖面内,角度变化值τ为(1-12)式中:h为刀尖高于工件中心线的数值（mm）；dw为工件直径（mm）。则工作角度为

（1-13）

（1-14）

刀尖若低于工件中心，上述角度的变化正好相反。同样，当车内孔时，刀尖若高于工件中心，其工作前角会减小，工作后角会增大；刀尖若低于工件中心，工作前角会增大，

工作后角会减小。

图1-9车刀刀尖安装高低对工作角度的影响

(2)刀杆位置的影响（见图1-10）。由于κr和κr′的标注角度是在刀杆垂直于进给方向测定的，因而刀杆偏斜也会引起κr和κr′的变化。

(3)刀杆伸出长短的影响。刀杆伸出过长，会增加弹性变形，造成κr和κr′的变化。图1-10刀杆偏斜对的影响

2)进给运动对工作角度的影响

(1)横向进给。在车床上进行切槽、切断和车断面时，刀具相对于工件的运动是一条阿基米德螺旋线（见图1-11），这时切削运动的方向是阿基米德螺旋面的切线方向，它与主运动方向的夹角为ψ,则工作基面和工作切削平面分别相对于静止基面和切削平面转过ψ，因此其工作前角、后角分别为γoe＝γo＋ψ和αoe＝αo－ψ。图1-11横向进给运动对工作角度的影响

(2)纵向进给。车削时，由于进给运动的影响，工件上的加工表面实际上是一螺旋面，因此实际切削平面相对于静止状态的位置偏离了一个螺旋升角θ，这样实际工作前角增加了一个θ角，而实际工作后角则减少了一个θ角。一般车削时，因为进给量比工件直径小得多，所以进给运动形成的螺旋升角θ很小，对车刀工作角度的影响常可忽略不计。也就是说，在正常安装条件下，刀具的工作角度近似等于静止角度。多数情况下不必进行工作角度的计算，但在车多头螺纹和大螺距螺纹时，因进给量很大，故必须考虑纵向进给对工作角度的影响。1.3金属切削过程的基本规律

1.3.1金属的变形

1.切屑的形成过程切削塑性材料时，切削过程一般分为挤压、滑移、挤裂和切离四个阶段。当刀具与工件开始接触时,接触处的金属发生弹性变形。随着挤压力的增大，材料沿45°的剪切面滑移，即产生塑性变形。刀具继续挤压工件，使金属内应力超过强度极限，这部分金属则沿滑移方向产生裂痕，最终被分离，形成切屑。在切削过程中，滑移变形区也称基本变形区，

即第Ⅰ变形区，

如图1-12所示。

图1-12切削过程的三个变形区

2.切屑的种类切削中因工件材料不同、切削条件不同，其变形程度也就不同，因此会产生不同的切屑。切屑按形态的不同可分为四种，

如图1-13所示。

图1-13切削的种类(a）

带状切屑；

(b）

节状切屑；

(c）

单元切屑；

(d）

崩碎切屑

(1)带状切屑。这种切屑连绵不断，没有裂纹，底面光滑，另一面成毛茸状，无明显裂纹。一般当加工塑性材料（如软钢、铜、铝等）时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的情况下，往往会形成这种切屑。

(2)节状切屑。节状切屑又称挤裂切屑。这种切屑的底面光滑，有时出现裂纹，而外表面呈明显的锯齿状。节状切屑大多在加工塑性较低的金属材料（如黄铜）且切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。特别当工艺系统刚性不足、加工碳素钢材料时，也比较容易产生这种切屑。产生节状切屑时，切削过程不太稳定，切削力波动较大，已加工表面质量较低。

(3)单元切屑。单元切屑又称粒状切屑。当采用小前角或负前角、以较低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属时，会产生这种切屑。产生单元切屑时，切削过程不平稳，切削力波动较大，已加工表面质量较差。上述三种切屑，一般在切削塑性材料时形成。当工件材料一定时，可通过改变切削条件使切屑种类改变，以利于进行切削加工。或者说，同一种材料的切屑，随着切削条件的变化，

会由一种形态向另一种形态变化。

(4)崩碎切屑。切削脆性金属（铸铁、铸造黄铜等）时，由于材料的塑性很小，抗拉强度很低，因而切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就被挤裂，形成不规则形状的碎粒或碎片切屑。工件材料越脆硬、刀具前角越小、切削厚度越大，则越容易产生崩碎切屑。产生崩碎切屑时，切削力波动大，加工质量较差，表面凸凹不平，刀具容易损坏。

3.积屑瘤

在用中等或较低的切削速度切削一般钢料或其它塑性金属材料时，常在前刀面接近刀刃处黏结有一硬度很高（约为工件材料硬度的2～3.5倍）的楔形金属块，这种楔形金属块称为积屑瘤，如图1-14所示。

图1-14积屑瘤

1)积屑瘤的形成切削过程中，由于切屑底面与前刀面间产生挤压和剧烈摩擦，因而切屑底层的金属流动速度低于上层流动速度，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时，滞流层一部分金属在温度和压力适当时就黏结在刀刃附近而形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断增大，达到一定高度后受外力作用和振动而破裂脱落，被切屑或已加工表面带走，故极不稳定。积屑瘤的形成、增大、脱落的过程在切削过程中周期性地不断出现。

2)积屑瘤对切削加工的影响

(1)增大前角。积屑瘤粘附在前刀面上，增大了刀具的实际前角。当积屑瘤最高时，刀具有30°左右的前角，还会减少切削变形，降低切削力。

(2)增大切削厚度。积屑瘤前端伸出于切削刃外，伸出量为Δ，使切削厚度增大了Δ，

影响了加工精度。

(3)增大已加工表面粗糙度。积屑瘤粘附在切削刃上，使实际切削刃运动呈一不规则的曲线，导致在已加工表面上沿着主运动方向刻划出一些深浅和宽窄不同的纵向沟纹。积屑瘤的形成、增大和脱落是一个具有一定周期的动态过程（每秒钟几十至几百次），使切削厚度不断变化，由此可能引起振动。积屑瘤脱落后，其中一部分粘附于切屑底部排出，一部分留在已加工表面上形成鳞片状毛刺。

(4)影响刀具耐用度。积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，可以代替刀刃切削，起着保护刀刃、减小前刀面磨损的作用。但在积屑瘤不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂可能使硬质合金刀具颗粒剥落，

使刀具磨损加剧。

3)影响积屑瘤的主要因素及控制措施

(1)工件材料的塑性。影响积屑瘤形成的主要因素是工件材料的塑性。工件材料的塑性大，很容易生成积屑瘤，因此对于塑性好的碳素钢工件，可先进行正火或调质处理，以提高硬度，

降低塑性。

(2)切削速度。切削条件中对积屑瘤影响最大的是切削速度vc。实验表明，一般钢材在vc等于5～50m/min、切削温度为300℃～380℃左右时最易形成积屑瘤，而在低速（vc＜5m/min)和高速（vc＞100m/min）条件下均不易形成积屑瘤，如图1-15所示。在形成积屑瘤的速度范围内，当速度较低时，积屑瘤高度随vc的增大而增大，至最大高度；进入较高速度后，积屑瘤高度又随vc的增大而减小。图1-15切削速度对积屑瘤的影响

(3)进给量。进给量增大，则切削厚度增大。切削厚度越大，刀与屑之间的接触长度越长，就越容易形成积屑瘤。若适当降低进给量，使切削厚度hD变薄，以减小切屑与前刀面的接触与摩擦，则可减小积屑瘤的形成。

(4)刀具前角。若增大前角，切屑变形减小，则不仅使前刀面的摩擦减小，同时减少了正压力，这就减小了积屑瘤的生成基础。

实践证明，

前角为35°时一般不易产生积屑瘤。

(5)前刀面的粗糙度。前刀面粗糙，摩擦较大，这给积屑瘤的形成创造了条件。若前刀面光滑，则积屑瘤也就不易形成。

(6)切削液。合理使用切削液，可以减小摩擦，也能避免或减少积屑瘤的产生。精加工中，

为降低已加工表面的表面粗糙度，

应尽量避免积屑瘤的产生。

1.3.2切削力

1.切削力的产生切削力产生的直接原因是切削过程中的变形和摩擦。如图1-16(a)所示，前刀面的弹性、塑性变形抗力Fnγ和摩擦力Ffγ的合力为Frγ，后刀面的变形抗力Fnα和摩擦力Ffα的合力为Frα,Frγ和Frα的总合力Fr即为切削力。图1-16切削力(a）

切削力的产生；

(b）

车外圆时切削力的合力与分力

2.切削力的分解

实际生产中,切削力的大小、方向是随切削条件而变化的。为方便分析，可将切削力分解为三个互相垂直的分力：Fc、Fp和Ff，如图1-16(b)所示。

(1)主切削力Fc:在主运动方向上的切削分力，也叫切向力。它是最大的分力，消耗功率最多（占机床功率的90%），是计算机床动力、机床和刀具的强度和刚度、夹具夹紧力的主要依据。

(2)吃刀抗力Fp:在吃刀方向上的分力，又称径向力。它使工件弯曲变形和引起振动，对加工精度和表面粗糙度影响较大。因切削时沿工件直径方向的运动速度为零，所以径向力不做功。

(3)进给抗力Ff:在走刀方向上的分力，又叫轴向力。它与进给方向相反。进给抗力只消耗机床很少的功率（约1%～3%），是计算（或验算）机床走刀机构强度的依据。三个分力与合力的关系如下：

(1-15)根据切削条件的不同，三者的比值变化很大，一般有以下近似关系：

（1-16）

（1-17）

主切削力Fc可用以下公式估算：

车45钢

Fc≈2ap·f

（kN）

（1-18）车中等硬度铸铁

Fc≈1.2ap·f

（kN）（1-19）

切削功率Pm可用以下公式估算：

Pm=Fc·vc×10-3(kW)(1-20)

3.影响切削力的主要因素

1)工件材料的影响工件材料的成分、组织、性能是影响切削力的主要因素。材料的硬度、强度愈高，变形抗力越大，则切削力越大。在材料硬度、强度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则切削力越大。如当切削脆性材料时，切屑呈崩碎状态，塑性变形与摩擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬度与正火45钢大致相等，但由于其塑性、韧性大，

因而其单位切削力比45钢大25%。

(2)主偏角κr的影响。主偏角κr对主切削力Fc的影响不大。κr=60°～75°时，Fc最小；κr

＜60°时，Fc随κr的增大而减小;κr＞75°时，Fc随κr的增大而增大，不过Fc增大或减小的幅度均在10%以内。主偏角κr主要影响Fp和Ff的比值。κr增大时，背向力Fp减小，进给抗力Ff增大。因此，当切削细长轴时应采用较大的κr

（90°）。

(3)刃倾角λs的影响。刃倾角λs对主切削力Fc的影响很小,但对背向力Fp、进给抗力Ff的影响显著。λs减小时，Fp增大，Ff减小。

3)切削用量的影响

(1)进给量f和切削深度ap。ap和f增大时，切削面积AD增大，故切削力增大。ap和f对切削力的影响程度不同。ap增大时，切削力Fc成比例地增大；而f增大时，Fc的增大却不成比例，其影响程度比ap小。根据这一规律可知，在切削面积不变的条件下，采用较大的进给量和较小的切削深度，可使切削力较小。

(2)切削速度vc。切削速度vc主要通过对积屑瘤的影响来影响切削力。如图1-17所示，当vc较低时，随着vc的增大，积屑瘤增高，刀具实际前角增大，故切削力减小。vc较高时，随着vc的增大，积屑瘤逐渐减小，切削力又逐渐增大。在积屑瘤消失后，vc再增大，使切削温度升高，切削层金属的强度和硬度降低，切屑变形减小，摩擦力减小，因此切削力减小。vc达到一定值后再增大，则切削力变化减缓，渐趋稳定。由此可见，在不影响切削效率的前提下，为降低切削力，应增大切削速度同时减小切削深度。图1-17切削速度对切削力的影响

4)其它因素的影响

(1)刀具磨损。刀具磨损后，刀刃变钝会使刀面与加工表面间的挤压和摩擦加剧，使切削力增大。刀具磨损达到一定程度后，

切削力会急剧增加。

(2)切削液和刀具材料。以冷却作用为主的水溶液对切削力的影响很小。以润滑作用为主的切削液能显著地降低切削力，因为润滑作用减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面的摩擦。刀具材料对切削力也有一定的影响，选择与工件材料摩擦系数小的刀具材料，切削力会不同程度地减小。实验结果表明，用YT类硬质合金刀具切钢时的切削力比用高速钢刀具约降低5%~10%。

1.3.3切削热和切削温度

1.切削热的产生和传散

1)切削热的产生切削热主要来自工件材料在切削过程中的变形（弹性变形、塑性变形）和摩擦（前刀面与切屑、后刀面与工件），即三个变形区是切削热的热源。在第Ⅰ变形区，切削热主要是切削层的变形热；在第Ⅱ变形区，主要是切屑与前刀面的摩擦热；在第Ⅲ变形区，主要是后刀面与工件的摩擦热。切削塑性材料时，若vc不高，则切削热主要是弹性变形热和塑性变形热；若vc较高，则主要是摩擦热。切削脆性材料时，因无塑性变形，故切削热主要是弹性变形热和后刀面与工件的摩擦热。

2)切削热的传散切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。切削热产生与传散的关系为

Q=Q变+Q摩=Q屑+Q工+Q刀+Q介(Q空气)随着加工方法的不同，切削热传散的情况也不同。当不用切削液时，切削热传散的比例大致为：

(1)车削时，Q屑最多（60%以上），Q工次之（10%～40%），Q刀最少（10%以下），Q空气仅1%左右。切削速度越高，切削厚度越大，Q屑越多。

(2)钻削时，Q工最高（50%以上），Q屑30%左右，Q刀15%左右，Q气5%。

2.切削温度及其影响因素通常所说的切削温度，如无特别说明，均指切削区域（即切屑、工件、刀具接触处）的平均温度。切削温度的高低取决于切削热产生的多少和切削热传散的情况。生产中常以切屑的颜色判断切削温度的高低。如切削碳素结构钢时，切屑颜色与切削温度的关系如下：银白色-约200℃以下；淡黄色-约220℃；深蓝色-约300℃；淡灰色-约400℃；紫黑色-大于500℃。

对于每种刀具和工件材料的组合，理论上都有一个最佳切削温度，在这一温度范围内，工件材料的硬度和强度相对于刀具下降较多，使刀具的切削能力相对提高，磨损相对减缓。例如：切削高强度钢时，用高速钢刀具，其最佳切削温度为480～650℃；用硬质合金刀具，其最佳切削温度为750～1000℃。切削不锈钢时，用高速钢刀具，其最佳切削温度为280～480℃；用硬质合金刀具，其最佳切削温度小于650℃。

1)切削温度对切削过程的影响

(1)切削温度对切削过程的不利影响有：①加剧刀具磨损，降低刀具耐用度。②使工件、刀具变形，影响加工精度。温度升高，工件受热会发生变形。例如，车长轴的外圆时，工件的热伸长使加工出的工件呈鼓形；车中等长轴时，由于车刀可伸长0.03～0.04mm（刀具热伸长始终大于刀具的磨损），因而工件会产生锥度。③

工件表面产生残余应力或金相组织发生变化，

产生烧伤退火。

(2)切削温度对切削过程的有利影响有：①使工件材料软化，变得容易切削。②改善刀具材料的脆性和韧性，减少崩刃。③

较高的切削温度有利于阻止积屑瘤的生成。

2)影响切削温度的主要因素

(1)切削用量对切削温度的影响包括以下三个方面。①切削速度。切削用量中对切削温度影响最大的是切削速度vc。随着vc的提高，切削温度显著提高。当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈摩擦，会产生大量的热量。但由于切屑带走热量的比例也随之增大，故切削温度并不随vc的增大成比例地提高。②进给量。进给量f增大时，切削温度随之升高，但其影响程度不如vc大。这是因为f增大时，切削厚度增加，切屑的平均变形减小；加之进给量增加会使切屑与前刀面的接触区域增加，即散热面积AD略有增大。③切削深度。切削深度ap对切削温度的影响最小。这是因为ap增加时，刀刃工作长度成比例增加，即散热面积AD也成正比增加，但切屑中部的热量传散不出去，所以切削温度略有上升。实验得出，vc增加一倍，切削温度大约增加20%～33%；f增加一倍，切削温度大约增加10%；ap增加一倍，切削温度大约只增加3%。

(3)工件材料影响切削温度的因素主要有强度、硬度、塑性及导热性能。工件材料的强度与硬度越高，切削时消耗的功越多，产生的切削热越多，切削温度就越高。在强度、硬度大致相同的条件下，塑性、韧性好的金属材料塑性变形较严重，因变形而转变成的切削热较多，因此切削温度也较高。工件材料的导热性能好，有利于切削温度的降低。例如，不锈钢1Cr18Ni9Ti的强度、硬度虽低于45钢，但其导热系数小于45钢（约为45钢的1/4），切削温度却比45钢高40%。

(4)刀具磨损后切削刃变钝，刀具与工件间的挤压力和摩擦力增大，功耗增加，产生的切削热增多，切削温度因而提高。

(5)切削液可减小刀－屑和刀-工件间的摩擦并带走大量切削热，因此，可有效地降低切削温度。

1.3.4刀具的磨损和耐用度

1.刀具磨损形式

(1)后刀面磨损。当切削脆性金属材料或以较小的切削厚度(hD<0.1mm)切削塑性材料时，前刀面承受的压力、摩擦力不大，温度较低，磨损主要发生在后刀面上。后刀面磨损后，在毗邻主切削刃的部位形成后角等于零的小棱面，根据棱面各部位磨损的特点，可分为如图1－18(a)所示的三个区域：靠近刀尖部分的C区，由于散热条件差，因而磨损比较严重，其最大宽度用VC表示；靠近工件待加工表面处的N区，往往磨出较深的沟痕，这是由毛坯表面的氧化皮或上道工序加工硬化层的影响造成的，称为边界磨损，其宽度用VN表示；磨损棱面中间部位的B区，磨损比较均匀，用VB表示其平均宽度，用VBmax表示其最大磨损宽度。

(2)前刀面磨损。当以较高的切削速度和较大的切削厚度(hD>0.5mm)切削塑性金属材料时，切屑对前刀面的压力很大，摩擦剧烈，前刀面的温度较高，故在前刀面切削刃口附近磨出月牙洼。月牙洼中心距主切削刃的距离KM的值与切削厚度有关，约为1～3mm。前刀面的磨损程度用月牙洼的最大深度KT表示，如图1－18所示。图1-18刀具的磨损形式

(3)前、后刀面同时磨损，表现为上述两种现象同时存在。前、后刀面同时磨损发生于切削塑性材料且0.1＜hD＜0.5mm的情况下。VB的大小对加工精度和表面粗糙度影响较大，加之测量方便，故常用来表示刀具的磨损程度（磨钝指标）。

2.磨损过程及磨钝标准

1)刀具磨损过程无论何种磨损形式，刀具的磨损过程和一般机器零件的磨损规律相同，如图1-19所示，可分为三个阶段。

(1)初期磨损阶段。这一阶段磨损速率大，这是因为新刃磨的刀具后刀面存在凹凸不平、氧化或有脱碳层等缺陷，使刀面表层上的材料耐磨性较差。

图1-19刀具的磨损过程

(2)正常磨损阶段。经过初期磨损后，刀具后刀面的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，压应力减小，从而使磨损速率明显减小且比较稳定，即刀具进入正常磨损阶段。

(3)急剧磨损阶段。在磨损量VB增大到一定程度后，摩擦力增大，切削力和切削温度急剧上升，刀具磨损速率增大，以致刀具迅速损坏而失去切削能力。实际生产中，

在正常磨损后期、

急剧磨损前进行刃磨和换刀。

2)刀具的磨钝标准从刀具磨损过程可见，刀具不可能无休止地使用，磨损量达到一定程度就要重磨和换刀，这个允许的限度称为磨钝标准。由于后刀面磨损最常见，且易于控制和测量，因而通常以后刀面中间部分的平均磨损量VB作为磨钝标准。当刀具以月牙洼磨损为主要形式时，可用月牙洼深度KT规定磨钝标准。对于一次性对刀的自动化精加工刀具，则用径向磨损量NB（见图1-20）作为指标。根据生产实践的调查资料，硬质合金车刀磨钝标准推荐值见表1-1。

图1-20车刀的径向磨损

表1-1硬质合金车刀磨钝标准

单位：

mm

3.刀具的耐用度

1)刀具耐用度的概念刀具耐用度是指刀具刃磨后，从开始切削到磨损量达到磨钝标准所经过的切削时间，即两次刃磨间的总切削时间，用T表示，单位为min。它不包括对刀、夹紧、测量、快进、回程等辅助时间。

2)刀具耐用度的确定刀具耐用度对切削加工的生产率和成本都有直接的影响，不能规定得太高或太低。如果定得太高，切削时势必选用较小的切削用量，这就降低了生产率，增加了成本；定得太低，虽然允许采用较高的切削速度，使机动时间减少，但会增加换刀、磨刀或调整机床所用的辅助时间，生产率也会降低，同样会增大成本。因此，耐用度应规定得合理。目前生产中常用的刀具耐用度参考值见表1-2。

表1-2刀具耐用度参考值

确定刀具耐用度还应考虑以下几点：

(1)复杂、高精度、多刃的刀具耐用度应比简单、低精度、单刃刀具高。

(2)可转位刀具因换刃、换刀片快捷，故为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可规定得低一些。

(3)精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高一些。

(4)精加工大件时，为避免中途换刀，耐用度应选得高一些。

(5)数控加工中，刀具耐用度应大于一个工作班的时间，至少应大于一个零件的切削时间。

1.4常用刀具材料及其选用

1.4.1对刀具材料的基本要求(1)高硬度和耐磨性。(2)足够的强度和韧性。

(3)良好的耐热性和导热性。

(4)良好的工艺性。

1.4.2常用刀具材料

1．高速钢

高速钢是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性，是目前应用最广泛的刀具材料。因刃磨时易获得锋利的刃口，故高速钢又称“锋钢”。高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢。（1）普通高速钢具有一定的硬度（62～67HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性，切削钢料时切削速度一般不高于50～60m/min，不适合高速切削和硬材料的切削。常用的普通高速钢牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。其中，W18Cr4V具有较好的综合性能，可用于制造各种复杂刀具；W6Mo5Cr4V2的强度和韧性高于W18Cr4V，并具有热塑性好和磨削性能好等优点，但热稳定性低于W18Cr4V，

常用于制造麻花钻。

（2）在普通高速钢中增加碳、钒或加入一些其它合金元素（如钴、铝等）而得到耐热性、耐磨性更高的高性能高速钢，它能在630～650℃时仍保持60HRC的硬度。这类高速钢刀具主要用于加工奥氏体不锈钢、高强度钢、高温合金、钛合金等难加工的材料。这类钢的综合性能不如普通高速钢，不同的材料只有在各自规定的切削条件下才能达到良好的加工效果，

因此其使用范围受到限制。常用的高性能高速钢牌号有9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3、W6Mo5Cr4V2Co8及W6Mo5Cr4V2Al等。

2．硬质合金硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等），用Co、Mo、Ni作黏结剂烧结而成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78～82HRC，能耐850～1000℃的高温，切削速度比高速钢高4～10倍，但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差，因此很少做成整体式刀具。实际使用中，常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。我国目前生产的硬质合金主要分为三类。

（1）K类（YG）：即钨钴类硬质合金，由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料。常用的K类硬质合金牌号有YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。其中的数字表示Co含量的百分数，如YG6即含Co6%。含Co越多，则韧性越好。（2）P类（YT）：即钨钴钛类硬质合金，由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金的耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差，适用于加工钢料等韧性材料。常用的P类硬质合金牌号有YT5、YT15、YT30等，其中的数字表示碳化钛含量的百分数。碳化钛的含量越高，则耐磨性较好，韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。

（3）M类（YW）：即钨钴钛钽铌类硬质合金，是在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物（TaC或NbC）组成的。它具有前两类硬质合金的优点，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韧性材料，同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工的材料。常用的M类硬质合金牌号有YW1、

YW2。

1.4.3其他刀具材料简介（1）涂层硬质合金。这种材料是在韧性、强度较好的硬质合金基体上或高速钢基体上，采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂覆一层极薄的、硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法，使刀具既具有基体材料的强度和韧性，又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韧性和耐磨性好；TiN的抗氧化、抗黏结性好；Al2O3的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。

（2）陶瓷。其主要成分是Al2O3，刀片硬度可达78HRC以上，能耐1200～1450℃的高温，故能承受较高的切削速度。但陶瓷的抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃。陶瓷刀具主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。（3）金刚石。金刚石分人造和天然两种，做切削刀具的材料大多数是人造金刚石，其硬度极高，可达10000HV（硬质合金仅为1300～1800HV）。金刚石的耐磨性是硬质合金的80～120倍，但韧性差，对铁族材料亲和力大，因此一般不宜加工黑色金属，主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等材料的高速精加工。（4）立方氮化硼（CNB）。这是人工合成的超硬刀具材料，其硬度可达7300～9000HV，仅次于金刚石。立方氮化硼的热稳定性好，可耐1300～1500℃高温，与铁族材料亲和力小，但强度低，焊接性差，目前主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工的材料。各类刀具材料的主要性能和使用场合见表1-3。

表1-31.5刀具几何角度的合理选择

1.5.1前角的选择

1．前角的作用前角主要影响切屑变形和切削力的大小、刀具耐用度和加工表面的质量。增大γo，可减小切屑变形和摩擦，故切削力小，切削热少，加工表面质量高。但γo过大，会降低刀刃强度，使散热体积减小，刀具耐用度下降。减小γo

，刀具强度提高，切屑变形增大，易断屑。但γo过小，会使切削力和切削热增加，刀具耐用度降低。

2．前角的选择原则

(1)根据工件材料选择前角。加工塑性材料时，特别是硬化严重的材料（如不锈钢等），为了减小切屑变形和刀具磨损，应选用较大的γo；加工脆性材料时，由于产生的切屑为崩碎切屑，切屑变形小，因而增大γo的意义不大，而这时刀-屑间的作用力集中在切削刃附近，为保证切削刃具具有足够的强度，

应采用较小的γo

。

工件的强度和硬度低时，由于切削力不大，为使切削刃锋利，可选用较大的甚至很大的γo

。工件材料的强度高时，应选用较小的γo；加工特别硬的工件材料（如淬火钢）时，应选用很小的γo，甚至选用负前角。这是因为工件的强度、硬度愈高，产生的切削力愈大，切削热愈多，为了使切削刃具有足够的强度和散热容量，防止崩刃和迅速磨损，所以应选用较小的γo

。

(2)根据刀具材料选择前角。刀具材料的抗弯强度和冲击韧性较低时应选较小的γo。高速钢刀具比硬质合金刀具的合理前角约大5°～10°。陶瓷刀具的合理前角应选得比硬质合金刀具更小一些。

(3)根据加工性质选择前角。粗加工时，特别是断续切削或加工有硬皮的铸、锻件时，不仅切削力大，切削热多，而且承受冲击载荷，为保证切削刃有足够的强度和散热面积，应适当减小γo。精加工时，对切削刃强度要求较低，为使切削刃锋利，减小切屑变形和获得较高的表面质量，γo应取得较大一些。数控机床和自动机、自动线用的刀具，为保证刀具工作的稳定性（不发生崩刃和破损），通常选用较小的γo

。在一般情况下，前角γo主要根据被加工材料来选择。硬质合金车刀前角γo的选择参考值见表1-4。

表1-4硬质合金车刀的合理前角参考值

1.5.2后角的选择

1．后角的作用后角的主要作用是减小主后刀面与过渡表面的弹性恢复层之间的摩擦，减轻刀具磨损。αo小，使主后刀面与工件表面的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差；尤其当切削厚度较小时，上述情况更严重。αo增大，摩擦减小，也减小了刃口钝圆半径，这对切削厚度较小的情况有利，但使刀刃强度和散热情况变差。

2．后角的选择原则

(1)根据切削厚度选择后角。切削厚度hD愈大，则αo应愈小；反之亦然。如进给量较大的外圆车刀αo＝6°～8°；每齿进刀量很小的立铣刀αo

＝6°；而每齿进刀量不超过0.01mm的圆盘铣刀αo＝30°。这是因为切削厚度较大时，切削力较大，切削温度也较高，为了保证刃口强度和改善散热条件，所以应取较小的αo

。切削厚度愈小，切削层上被切削刃的钝圆半径挤压而留在已加工表面上并与主后刀面挤压摩擦的这一薄层金属占切削厚度的比例就越大。若增大αo

，就可减小刃口钝圆半径，使刃口锋利，便于切下薄切屑，可提高刀具耐用度和加工表面质量。

(2)适当考虑被加工材料的力学性能。工件材料的硬度、强度较高时，为保证切削刃强度，宜选取较小的αo；工件材料的硬度较低、塑性较大以及易产生加工硬化时，主后刀面的摩擦对已加工表面质量和刀具磨损影响较大，此时应取较大的αo

；加工脆性材料时，切削力集中在刀刃附近，为强化切削刃，宜选取较小的αo

。

(3)考虑工艺系统的刚性。工艺系统刚性差，易产生振动，为增强刀具对振动的阻尼，应选取较小的αo。

(4)考虑加工精度。对于尺寸精度要求高的精加工刀具（如铰刀等），为减小重磨后刀具尺寸的变化，保证有较高的耐用度，αo应取得较小。表1-5硬质合金车刀后角参考值

1.5.3主偏角及副偏角的选择

1．主偏角的作用及选择原则主偏角κr的作用是影响刀尖部分的强度、散热条件、径向力和轴向力的比例等；当加工台阶或倒角时，还决定着工件表面的形状。减小κr会使刀尖强度增加，散热条件得到改善，切削厚度减小，切削宽度增加，单位长度刀刃上的负荷减轻，这些都有利于提高刀具的耐用度。而加大κr

，则有利于减小径向力κr

，防止工件变形和减小加工中的振动。主偏角主要根据工艺系统的刚度来选择。当工艺系统的刚性低（如车细长轴、薄壁套筒）时，须取较大的κr

，甚至取κr≥90°，以减小Fp；工艺系统的刚性足够时，应采用较小的κr

，以提高刀具的耐用度。例如，车削细长轴时，常取κr=90°；车削高强度、高硬度的冷硬轧辊时，常取κr≤15°。

2．副偏角的作用及选择原则副偏角κr/的作用主要是减少刀具副切削刃、副刀面与已加工表面的摩擦。减小会使刀尖角加大，提高刀尖部分的强度，并且有利于降低残留面积的高度，降低已加工表面的表面粗糙度。但是，小的κr/会使刀具与工件之间的摩擦和径向力增加。增大κr/时，其结果正好相反。表1-6硬质合金车刀主偏角和副偏角的参考值

1.5.4刃倾角的选择

1．刃倾角的作用刃倾角主要影响切屑流向（如图1-21所示）和刀尖强度（如图1-22所示）。λs为正时，刀尖部分强度较差，切削时刀尖先与工件接触，容易打刀。正的刃倾角使切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面。λs为负时，切削时刀刃先接触工件，不容易打刀，对刀尖起保护作用。负的刃倾角使切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤。λs还将导致实际工作前角增大，切削力减小，切削轻快、平稳。图1-21刃倾角对切屑流向的影响

图1-22刃倾角对刀尖强度的影响

2．刃倾角的选择原则

λs主要根据刀尖强度、切屑流向和工艺系统的刚性来选择，一般遵循以下原则：

(1)粗加工时取负值，精加工时取正值。λs＜0°时，刀具具有较高的强度和散热条件，切入工件时刀尖免受冲击；λs＞0°时，使切屑流向待加工表面，以提高表面质量。

(2)断续切削、加工不规则表面时取负值。因断续切削、加工不规则表面时冲击力大，

所以负的刃倾角可提高刀尖强度。

(3)工件材料硬度高时取负值。切削硬度很高的材料（如淬火钢），应取绝对值较大的负刃倾角，以使刀具有足够的强度。

(4)加工艺系统刚性差的工件时取正值。因为λs＞0°时，可减小径向力Fp，从而避免切削中的振动。硬质合金车刀刃倾角的参考值见表1-7。表1-7硬质合金车刀刃倾角的参考值

1.5.5其它几何参数的选择

1．负倒棱及其参数的选择在粗加工钢和铸铁的硬质合金刀具上，常在主切削刃上磨出一个前角为负值的倒棱面（如图1-23所示），称为负倒棱。其作用是增加刀刃强度，改善刃部散热条件，避免崩刃，并提高刀具耐用度。由于倒棱宽度很窄（0.2～1mm），故不会改变刀具前角的作用。图1-23负倒棱负倒棱参数（包括倒棱宽度br1和倒棱角γo1）应适当选择。参数太小，起不到应有的作用；太大则又会增大切削力和切削变形。一般情况下,工件材料强度、硬度高,而材料的抗弯强度低且进给量大时,br1和γo1应较大；加工钢料时，若ap＜0.2mm，f＜0.3mm/r，可取br1=（0.3～0.8）f，γo1=－5°～－10°；当ap≥2mm，f≤0.7mm/r时，br1=（0.3～0.8）f，γo1=－25°。

2．过渡刃及其参数的选择连接刀具主、副切削刃的刀尖通常磨成一段圆弧或直线刃，它们统称为过渡刃，如图1-24所示。

在刀具上刃磨过渡刃有利于加强刀尖强度，改善散热条件，提高刀具耐用度，减小已加工表面粗糙度和提高已加工表面的质量。

图1-24过渡刃(a)圆弧过渡刃；

(b)直线过渡刃

直线过渡刃多用在粗加工和强力切削车刀、切断刀以及钻头等多刃刀具上，其过渡刃偏角κrε=κr/2，过渡刃长度bε=（0.2～0.25）ap。圆弧过渡刃多用在精加工刀具上，可减小已加工表面粗糙度，提高刀具耐用度。圆弧过渡刃的圆弧半径rε在高速钢刀具上可取为0.5～5mm，在硬质合金刀具上可取为0.2～2mm。过渡刃参数必须选择适当，若κrε太小或bε、rε太大，则会使切屑变形和切削力增大过多。相反，κrε太大或bε、rε太小，则过渡刃起不到应有的作用。1.5.6刀具几何参数选择示例

下面以图1-25所示的加工细长轴的银白屑车刀（因切屑呈银白色而得名）为例来进行分析。

(1)加工对象：中碳钢光杠、丝杠等细长轴零件（d=10～30mm）。

(2)使用机床:中等功率、刚性一般的数控车床。

(3)刀具材料:刀片材料为YT15，刀杆材料为45钢。

(4)刀具几何参数的选择与分析:工件材料的切削加工性较好，切削时主要考虑防止工件弯曲变形，因此要尽量减小径向力，

增强工艺系统的刚性，

防止产生振动。

图1-25车细长轴的银白屑车刀

①采用较大的前角γo=20°～30°，以减小切屑变形，减小切削力，使切削轻快。②采用较大的主偏角κr=90°，以减小径向力，避免加工时工件弯曲变形和振动。③沿主切削刃磨出br1=0.15～0.2mm，γo1=－20°～－30°的倒棱。在切削过程中，负倒棱作为产生积屑瘤的基座并能提高切削刃的强度。由于负倒棱的存在，因而切削时产生的积屑瘤比较稳定，可代替切削刃进行切削，并使实际工作前角增大到35°~45°。④采用刃倾角λs=+3°，使切屑流向待加工表面，不致划伤已加工表面。⑤

前刀面上磨出宽度为4~6mm的直线圆弧型卷屑槽，以提高排屑卷屑效果。

(5)切削用量。①粗车时：ap=1～3mm，f=0.3～0.6mm/r，vc=60m/min。②半精车时：ap=1～1.5mm，f=0.3～0.4mm/r，vc=60～120m/min。③精车时：ap=0.5～1mm，f=0.08～0.2mm/r，vc=100～120m/min。采用上述几何参数的银白屑车刀和切削用量车削细长轴与用一般外圆车刀相比，生产效率提高2倍以上，能耗比降低15%，刀具寿命可延长20%。1.6切削用量及切削液的选择

1.6.1合理选择切削用量

1.切削用量对机械加工的影响

1)对加工质量的影响

(1)vc的影响。因为vc对切削温度θ影响最大，所以vc主要是通过θ来影响加工质量的。随着vc的增加,θ上升，工件的温升变形和刀具磨损加快,使误差加大。同时，工件表面层的热应力、金相组织也发生变化，使工件表面质量下降。

(2)f的影响。f主要是通过已加工表面的残留面积来影响表面粗糙度的。在中等以上f时，降低f可降低表面粗糙度值；但当低速切削（0.05~0.15mm/r）时，由于存在塑性变形故可使Ra增大。

(3)ap的影响。ap主要是通过切削力来影响加工质量的。随着ap的加大，切削力成正比地增加，工艺系统发生变形、振动等，使加工精度和表面粗糙度下降。

2)对刀具使用寿命的影响刀具耐用度T与刀具总刃磨次数n的乘积称为刀具寿命。它是一把刀从开始使用到完全报废所经过的切削时间。对刀具寿命的影响主要从对耐用度的影响来分析。

vc、f、ap增加时，刀具磨损加剧，耐用度降低，其中影响最大的是vc，其次是f，影响最小的是ap，因此，贵重、精密的刀具是不宜采用高速切削和大进给量切削的。

3)对生产效率的影响在一定的切削条件下，合理选择切削用量是提高切削效率、保证刀具耐用度和加工质量的主要手段。

2.提高生产率的途径在切削加工中,单件时间内生产的零件数量是生产率的常用表示方法。生产率Q可以用计算式表示如下：(1-21)式中：td为生产一个零件所需的总时间。在机床上加工一个零件所需的总时间包括三个部分：

td=tj+tf+tt

(1-22)式中：tj为基本时间，即直接改变生产对象的尺寸、形状、相对位置、表面状态或材料性质等工艺过程所消耗的时间,对切削加工来说，包括切入和切出时间，又称机动时间,单位为min;tf为辅助时间，即为实现工艺过程所必须进行的各种辅助动作所消耗的时间，包括开机、停机、装卸工件、换刀、引刀、退刀、试切和测量工件等所消耗的时间；tt为其它时间，包括润滑机床、清扫切屑及满足生理需要所消耗的时间。因此，生产率Q为

可见，要提高生产率，实际上就是要设法减少加工零件时所用的基本时间、辅助时间及其它时间。

生产中，采用自动化生产过程和先进刀具、量具、装夹机构可减少辅助时间；改进管理，妥善安排生产等可减少其它时间；要想缩短零件的基本时间，则与选用切削用量有密切关系：

式中：L为刀具行程长度，包括工件长度、切入行程和切出行程，单位为mm；i为进给次数；n为工件（刀具）转速，单位为r/min；f为进给量，单位为mm/r；D为工件（铣刀、钻头）直径，单位为mm；vc为切削速度，单位为m/min；ap为背吃刀量，单位为mm；Z为单边加工余量，单位为mm。3.切削用量的选择原则

1)ap的选择

ap主要根据加工余量和工艺系统的刚度确定。

(1)粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若余量过大不能一次切除，也应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。

(2)当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap，使切削力减小。

(3)精加工时，ap应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap的方法，逐步提高加工精度和表面质量。

(4)一般精加工时，取ap=0.05～0.8mm；半精加工时，取ap=1.0~3.0mm。

2)f的选择

(1)粗加工时，f主要受刀杆、刀片、机床、工件等的强度和刚度所承受的切削力限制，一般根据刚度来选择。工艺系统刚度好时，可用大些的f；反之，适当降低f

。（2）精加工、半精加工时，f应根据工件的Ra要求选择。Ra要求小的，取较小的f，但又不能过小，因为f过小，切削厚度hD过薄，Ra反而增大，且刀具磨损加剧。刀具的愈大，刀尖圆弧半径γε愈大，则f可选较大值。大多数的数控车床、铣床、镗床和钻床等，都规定了其进给速度。每转进给速度（mm／r）与每分钟进给速度可以相互进行换算，其换算式为（1-23）

3)vc的选择

vc主要根据工件材料、刀具材料和机床功率来选择。

(1)刀具材料好，vc可选得高些。

(2)Ra要求小的，要避开积屑瘤、鳞刺产生的vc

，高速钢刀取小vc（小于5m／min），硬质合金取较高的vc（130~160m/min）。

(3)表面有硬皮或断续切削时，应适当降低vc

。

(4)工艺系统刚性差的，vc应减小。表1-8常用切削速度vc

单位：

m/min1.6.2正确使用切削液

1．乳化液乳化液由水、油、乳化剂组成，通常是由一定比例的油和乳化剂制成的乳化膏。使用时根据需要将乳化膏按重量稀释成一定浓度的水溶液。低浓度的乳化液主要起冷却作用，用于粗加工和磨削加工；高浓度的乳化液主要起润滑作用，用于精加工。

2．切削油

切削油的主要成分是矿物油，有时采用动、植物油或复合油。它具有良好的润滑性能，对于提高零件表面的加工质量有重要作用。切削油一般用于低速精加工，如精车丝杠、螺纹及齿轮加工等。需要注意的是，加工铸铁件一般不用切削液。这是因为铸铁件的崩碎切屑冲入导轨会加大磨损，清理和维护也不方便。采用硬质合金刀具加工可以不使用切削液，这是因为硬质合金耐热性好，一般不需要使用切削液。若要使用切削液，则必须大量连续注射，以免硬质合金刀片因冷热不均产生裂纹。1.7改善工件材料的切削加工性能

1.7.1工件材料切削加工性能的分类比较

为便于比较各种工件材料的切削加工性能，通常以正火状态45钢（σb=0.735GPa）的v60作为基准，记作(v60)j，而把其它材料的v60与之相比，其比值Kr称为该材料的相对加工性能，即(1-24)凡Kr大于1的材料，其加工性能比45钢好。Kr越大，加工性能越好；反之亦然。常用金属材料的相对切削加工性能分为8级，见表1-9。表1-9金属材料的切削加工性能等级

1.7.2影响工件材料切削加工性能的因素

1．材料的物理机械性能材料的物理机械性能中，对加工性能影响较大的是硬度、强度、塑性和热导率。材料的硬度高，切削时刀-屑接触长度小，切削力和切削热集中在刀刃附近，刀具易磨损且耐用度低，因此加工性不好。有些材料如高温合金、耐热钢，由于高温硬度高，高温下切削时，刀具材料与工件材料的硬度比降低，使刀具磨损加快，加工性能也不好。另外，硬质点多和加工硬化严重的材料，

加工性能也都较差。

强度高的材料，切削时，切削力大，切削温度高，刀具易磨损，加工性不好。有些材料如1Cr18Ni9Ti,其常温硬度虽然不太高，但高温下仍能保持较高强度，因此加工性能也不好。强度相近的同类材料，塑性越大，切削中的塑性变形和摩擦就越大，故切削力大，切削温度高，刀具容易磨损；在较低切削速度下切削时，还易产生积屑瘤和鳞刺，使加工表面粗糙度增大，另外断屑也较困难，故加工性能也不好。

另一方面，塑性太小的材料，切削时切削力、切削热集中在刀刃附近，刀具易产生崩刃，加工性也较差。在碳素钢中，低碳钢的塑性过大，高碳钢的塑性太小且硬度高，故它们的加工性都不如硬度和塑性都适中的中碳钢好。热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性能。热导率大的材料，由切屑带走和工件传散出的热量多，有利于降低切削温度，使刀具磨损速率减小，故加工性能好。另外，材料的韧性大，与刀具材料的化学亲和性强，其加工性能也差。

2．材料的化学成分

材料的化学成分直接影响到材料的物理力学性能，进而影响切削加工性能。其中钢的含碳量对加工性能影响很大，含碳量在0.4%左右的中碳钢加工性能最好，而含碳量低或较高的低、高碳钢均不如中碳钢。另外，钢中的各种合金元素Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等虽能提高钢的强度和硬度，但却使钢的切削加工性能降低。钢中Si和Al的含量大于0.3%时，易形成Al2O3和SiO2等硬质点，加剧刀具磨损，使切削加工性能变差。钢中添加少量的S、P、Pb、Ca等能改善其加工性能。铸铁中的化学元素对切削加工性能的影响，主要取决于这些元素对碳的石墨化作用。铸铁元素以两种形式存在，与铁化合成Fe3C或成为游离石墨。石墨很软，而且具有润滑作用，铸铁中的石墨愈多，愈容易切削，因此，铸铁中如含有Si、Al、Ni、Cu、Ti等促进石墨化的因素，就能改善其加工性；如含有Cr、Mn、V、Mo、Co、S、P等阻碍石墨化的元素，则会使铸铁的切削加工性变差。当碳以Fe3C的形式存在时，因Fe3C硬度很高，故会加快刀具的磨损。

3．材料的金相组织材料中不同的金相组织具有不同的机械性能，见表1-10。

因此，工件材料的金相组织及其含量不同，则其加工性能也不同。

表1-10各种金相组织的物理机械性能

1.7.3改善工件材料切削加工性能的途径

改善材料切削加工性能的主要途径包括调整材料的化学成分和通过适当的热处理来改变材料的金相组织。但在加工时工件材料已定且不能改变，因此只能通过适当的热处理来改变材料的金相组织，以改善其加工性能。对于低碳钢，进行正火处理，适当提高硬度，降低塑性；对于高碳钢，进行退火处理，以降低其硬度、强度；对于有白口组织的铸铁件，常采用退火的方法来降低硬度等。这些方法都能改善材料的切削加工性能。

有的工件材料则可通过调质处理，提高硬度、强度，降低塑性来改善切削加工性能。如对不锈钢2Cr13车螺纹时，常采用调质处理使工件的表面粗糙度得到改善，生产效率也相应提高。有的工件材料如氮化钢，为了减少工件已加工表面的残余应力，常采用去应力退火（或时效处理），以改善材料的切削加工性能。此外，毛坯精度、硬度、组织均匀，都有利于降低切削力的波动，减小加工时的振动和刀具的磨损，从而有利于加工质量特别是表面质量的提高。例如，冷拔料毛坯优于热轧料毛坯，热轧料毛坯优于锻件。因此，提高毛坯质量，对改善材料的切削加工性能也有一定的效果。

习

题

1-1在实心材料上钻孔时，哪个表面是待加工表面？

1-2外圆车刀有哪几个主要角度？各自的定义及主要作用是什么？

1-3在图1-26中加画视图和剖面，以表达45°弯头刀车削端面时的基本角度。

1-4在图1-27中加画视图和剖面，

以表达通孔镗刀镗孔时的基本角度。

图1-2645°弯头刀车削端面

图1-27通孔镗刀镗孔

1-5什么是积屑瘤？它对切削加工有什么影响？如何避免积屑瘤？

1-6车削分力Fc、Fp、Ff大小的大致比例如何？Fc如何估算？切削功率如何计算？

1-7切削热从何而来，向何处传散？什么是切削温度？切削热与切削温度有什么关系，它们对切削加工有什么影响？切削用量对切削温度的影响如何？

1-8切削液的作用是什么？常用切削液有哪两大类，每类的主要作用是什么，各用于何种场合？在何种情况下不加切削液？为什么？

1-9哪些因素对刀具耐用度有影响？怎样延长刀具的使用寿命？

1-10数控加工对刀具有哪些要求？常用刀具材料的性能特点和使用范围是什么？

1-11刀具前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角应如何选择？

1-12为什么选择切削用量的次序是先选ap，再选择f，最后选vc？粗车、精车时的切削用量应如何选择？

1-13材料的切削加工性能如何评定？如何改善材料的切削加工性能？

第2章工件的装夹与夹具设计基础2.1工件的装夹方法与定位原理

2.2常见定位方式和定位元件2.3定位误差2.4工件的夹紧2.5数控机床夹具介绍2.6组合夹具简介习题

2.1工件的装夹方法与定位原理

2.1.1工件