任务1.3　认知切削加工的基本规律

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1.3.1　认知切削变形规律

金属切削过程是通过切削运动由刀具从工件上切下多余的金属材料形成切屑并获得新的加工表面的过程。多余的金属材料通过切削过程的挤压变形而被切除。切削过程实质上是表层金属材料挤压变形的过程。

1.切削过程中的变形

切削加工时金属受刀具作用的情况如图1-3-1所示，当切削层金属受到前刀面挤压时，在与作用力大致成45°角的方向上，剪应力的数值最大，当剪应力的数值达到材料的屈服极限时，将产生滑移。由于CB方向受到下面金属的限制，只能在DA方向上产生滑移。

（1）第Ⅰ变形区（剪切滑移区）

切削加工时，金属塑性变形的情况如图1-3-2所示。切削塑性金属时有3个变形区，OABCDEO区域是基本变形区，即第Ⅰ变形区。切削层金属在OA始滑移线以左发生弹性变形，在OABCDEO区域内发生塑性变形，在OE终滑移线右侧的切削层金属将变成切屑流走。由于这个区域是产生剪切滑移和大量塑性变形的区域，所以切削过程中的切削力、切削热主要来自这个区域。

（2）第Ⅱ变形区（挤压摩擦区）

切屑受到前刀面的挤压，将进一步产生塑性变形，形成前刀面摩擦变形区。该区域的状况对积屑瘤的形成和刀具前刀面磨损有直接影响。

（3）第Ⅲ变形区（挤压摩擦回弹区）

由于刀口的挤压、基本变形区的影响和主后刀面与已加工表面的摩擦等，在工件已加工表面形成。该区域的状况对工件表面的变形强化和残余应力以及刀具后刀面的磨损有很大影响。

第Ⅲ变形区的形成与刀刃钝圆有关。因为刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总会有一钝圆半径rn。一般高速钢刃磨后为3～10μm，硬质合金刀具磨后为18～32μm，如采用细粒金刚石砂轮磨削，rn最小可达到3～6μm。另外，刀刃切削后就会产生磨损，增加刀刃钝圆。

2.切屑的形成与类型

（1）切屑的形成

金属切削过程实质上是挤压过程。在切削塑性金属过程中，金属在受到刀具前刀面的挤压时，将发生塑性剪切滑移变形，当剪应力达到并超过工件材料的屈服极限时，被切金属层将被切离工件形成切屑。简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过剪切滑移变形使之形成了切屑。实际上，这种塑性变形—滑移—切离三个过程，会根据加工材料等条件不同，不完全地显示出来。例如，加工铸铁等脆性材料时，被切层在弹性变形后很快形成切屑离开母材，而加工塑性很好的钢材时，滑移阶段特别明显。

（2）切屑的类型

切屑是切削层金属经过切削过程的一系列复杂的变形过程而形成的。根据切削层金属的特点和变形程度不同，一般切屑形态可分为4类，如图1-3-3所示。这4种切屑形成的形态、变形、形成条件以及对切削过程的影响见表1-3-1。

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（3）切屑的控制

切屑的控制指控制切屑的形状和长短，通过控制切屑的卷曲半径和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半径被迫减小，促使切屑中的应力逐渐增加，直至折断。切屑的卷曲半径可以通过改变切屑的厚度，在刀具前刀面上磨制卷屑槽或断屑台来控制，其排出方向则主要靠选择合理的主偏角和刃倾角来控制。

切屑类型是由材料特性和变形的程度决定的，加工相同塑性材料，在不同加工条件下，可得到不同的切屑。如在形成节状切屑情况下，进一步减小前角，加大切削厚度，就可得到粒状切屑；反之，如加大前角，提高切削速度，减小切削厚度，则可得到带状切屑。生产中常利用切屑类型转化的条件，得到较为有利的切屑类型。

3.积屑瘤的产生及影响

（1）积屑瘤的产生

当以中等切削速度（vc=5～60m/min）切削塑韧性金属材料时，由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，会使切屑底层的流动速度低于其上层的流动速度。当此层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时，切屑底层的一部分新鲜金属就会黏结在刀刃附近，形成一个硬块，称为积屑瘤，如图1-3-4所示。

在积屑瘤形成过程中，积屑瘤不断长大增高，长大到一定程度后容易破裂而被工件或切屑带走，然后又会重复上述过程，因此积屑瘤的形成是一个时生时灭周而复始的动态过程。

（2）积屑瘤的作用

积屑瘤经历了冷变形强化过程，其硬度远高于工件的硬度，从而有保护刀刃及代替刀刃切削的作用，而且积屑瘤增大了刀具的实际工作前角，使切削力减小。但积屑瘤长到一定高度会破裂，又会影响加工过程的稳定性，积屑瘤还会在工件加工表面上划出不规则的沟痕，影响表面质量。因此，粗加工时可利用积屑瘤保护刀尖，而精加工时应避免产生积屑瘤，以保证加工质量。

（3）减小或避免积屑瘤的措施

①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45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。

②采用高润滑性的切削液，使摩擦和黏结减少。

③适当减小进给量，增大刀具前角。

④提高工件的硬度，减小加工硬化倾向。

4.影响切削变形的因素

（1）工件材料

工件材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小。

（2）刀具几何参数

前角增大，则变形系数ξ减小，即切削变形减小。前角对变形系数的影响如图1-3-5所示。

刀尖圆弧半径越大，变形系数ξ越大，切削变形越大。刀尖圆弧半径与变形系数的影响如图1-3-6所示。

（3）切削用量

切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。在积屑瘤增长的速度范围内，因积屑瘤导致实际工作前角增加，剪切角ψ大，变形系数减小。在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小，变形系数ξ不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度越高，变形系数越小。切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐减小，如图1-3-7所示。

当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形量减小，变形系数ξ减小。

1.3.2　认知切削力与切削功率

1.切削力的产生与分解

切削加工时，刀具切除工件材料多余金属所需的力称为切削力，用符号F表示。切削力主要来源于切削过程的三个变形区。一是克服金属、切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形抗力所需要的力；二是克服刀具与切屑、工件表面间摩擦阻力所需要的力，如图1-3-8所示。

在进行工艺分析时，常将切削力F沿主运动方向、进给运动方向和垂直进给运动方向（在水平面内）分解为三个相互垂直的分力，如图1-3-9所示。

（1）主切削力Fc

主切削力是总切削力F在主运动方向上的正投影。方向垂直于基面，它消耗机床功率的95％以上，是计算车刀强度、设计机床零件、确定机床功率所必需的数据。

（2）进给力Ff

进给力是总切削力F在进给运动方向上的正投影。进给力一般只消耗机床功率的1％～5％，它是设计进给机构、计算进给功率所必需的数据。

（3）背向力Fp

背向力是总切削力F在垂直进给运动方向上的正投影。背向力不做功，但由于它作用在工艺系统刚度最薄弱的方向上，会使工件产生弹性弯曲，引起振动，影响加工精度和表面粗糙度。背向力计算公式由：

2.切削功率

切削功率Pm：切削力在切削过程中的做功功率。

式中：υ——切削速度（m/s）；

nw——工件转速（r/s）；

f——进给量（mm/r）。

由于Ff与Fc相比小很多，而且进给速度很小，因此Ff消耗的功率可以忽略不计，则：

Pm=Fcυ×10-3（kW）

由切削功率可以求得机床电机功率PE：

式中：ηm——机床传动效率，一般可以取0.75～0.85。

3.切削力的计算方法

切削力的常用计算方法有两种：一是用指数经验公式法计算；二是用单位切削力法计算。在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。

4.影响切削力的因素

（1）工件材料

影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。工件材料的强度、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，工件材料的塑性、韧性越大，则前刀面上的平均摩擦因数越大，切削力也就越大。

（2）切削用量进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加，但影响程度不同。进给量f增大时，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和前刀面上的摩擦力均成正比地增加。

（3）切削速度

切削速度对切削力的影响较复杂：切削速度在5～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在20～35m/min范围内增加时，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦因数减小，切削力下降；一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc对切削力Fc无明显的影响。所以，在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。

（4）刀具几何参数前角γo对切削力的影响：加工塑性材料时，前角增大，变形程度减小，切削力减小；加工脆性材料时，切削变形很小，前角对切削力影响不显著。主偏角Kr对切削力的影响：对Fc影响较小，但对Fp、Ff影响较大，Fp随Kr增大而减小，Ff随Kr增大而增大。刃倾角λs对切削力的影响：对Fc影响很小，但对Fp、Ff影响较大，Fp随λs增大而减小，Ff随λs增大而增大。刀尖圆弧半径rc对切削力的影响：对Fc影响很小，但随Fp增大而增大，Ff随rc增大而减小。

1.3.3　认知切削热和切削温度

1.切削热来源与传出

如图1-3-10所示，在三个变形区中，变形和摩擦所做的功绝大部分都转化成热能。切削区域产生的热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。切削热传出时由于切削方式的不同，工件和刀具热传导系数的不同等，各传导媒体传出的比例也不同。表1-3-2所示为在车削和钻削时各传热媒体切削热传出的比例。

切削热对切削加工也将产生不利的影响：它传入工件，使工件温度升高，产生热变形，影响加工精度；传入刀具的热量虽然比例较小，但是刀具质量小，热容量小，仍会使刀具温度升高，加剧刀具磨损，同时又会影响工件的加工尺寸。

切削热是通过切削温度对刀具产生作用的，切削温度一般是指切屑与前刀面接触区域的平均温度。

切削塑性材料时，前刀面靠近刀尖处温度最高；而切削脆性材料时，后刀面靠近刀尖处温度最高。

2.影响切削温度的主要因素

（1）工件材料

材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功率越多，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。

（2）切削用量

切削用量中切削速度对切削温度影响最大，切削速度增大，切削温度随之升高；进给量对切削温度影响稍大，背吃刀量的影响最小。

（3）刀具几何参数

前角γo的影响：前角γo增大，塑性变形和摩擦力减小，切削温度降低。但前角不能太大，否则刀具切削部分的楔角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。

主偏角Kr的影响：主偏角Kr增大，切削刃工作接触长度增长，切削宽度bD减小，散热条件变差，故切削温度随之升高。

（4）刀具磨损

刀具主后刀面磨损时，后角减小，后刀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因数，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。

1.3.4　认知刀具磨损与使用寿命

1.刀具磨损的形式

在切削过程中切削区域有很高的温度和压力，刀具在高温和高压条件下，受到工件、切屑的剧烈摩擦，使刀具前刀面和后刀面都会产生磨损，随着切削加工的延续，磨损逐渐扩大，这种现象称为刀具正常磨损。

刀具正常磨损时，按其发生的部位不同可分为三种形态，即前刀面磨损、后刀面磨损、前后刀面同时磨损的边界磨损，如图1-3-11（a）所示。

（1）前刀面磨损

前刀面磨损以月牙洼的深度KT表示（见图1-3-11），用较高的切削速度和较大的切削厚度切削塑性金属时常见这种磨损。

（2）后刀面磨损

后刀面磨损以平均磨损带宽VB表示（见图1-3-11）。切削刃各点处磨损不均匀，刀尖部分（C区）和近工件外表面处（N区）因刀尖散热差或工件外表面材料硬度较高，故磨损较大，中间处（B区）磨损较均匀。加工脆性材料或用较低的切削速度和较小的切削厚度切削塑性金属时常见这种磨损。

（3）边界磨损

在以中等切削用量切削塑性金属时易产生前刀面和后刀面的同时磨损。

2.刀具的磨损程度

刀具允许的磨损限度，通常以后刀面的磨损带宽VB作为标准。但是，在实际生产中，不可能经常测量刀具磨损的程度，而常常是按刀具进行切削的时间来判断的。

刀具磨损到一定程度，将不能使用，这个限度称为磨钝标准。一般以刀具表面的磨损量作为衡量刀具磨钝的标准。因为刀具后刀面的磨损容易测量，所以国际标准中规定以1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽VB作为刀具磨钝标准。具体标准可参考相关手册。实际生产中，考虑到不影响生产，一般根据切削中发生的一些现象来判断刀具是否磨钝，例如是否出现振动与异常噪声等。

3.刀具磨损过程

随着切削时间的延长，刀具的后刀面磨损带宽VB随之增加，如图1-3-12所示，其磨损过程可分为3个阶段。

（1）初期磨损阶段Ⅰ

新刃磨的切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面积小，存在微观不平等缺陷，所以这一阶段磨损很快，其大小与刀面刃磨质量有很大关系。

（2）正常磨损阶段Ⅱ

经前阶段后，刀具的粗糙表面已磨平，承压面积增大，压应力减小，使磨损速度明显减小，所以这一阶段磨损比较缓慢均匀。从图1-3-12中可以看出，后刀面磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加，这是刀具工作的有效阶段。

（3）急剧磨损阶段Ⅲ

到这一阶段，刀具切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。所以在生产中要在这个阶段到来之前，及时更换刀具。

4.刀具耐用度

刃磨后的刀具从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间称为刀具耐用度，用T表示；也可用达到磨钝标准前的切削路程长度或加工出的零件数来表示。

刀具耐用度是确定换刀时间的重要依据，也是衡量工件材料切削加工性和刀具切削性能优劣，以及刀具几何参数和切削用量选择是否合理的重要指标。

刀具耐用度与刀具寿命的概念不同。所谓刀具寿命，是指一把新刀从投入使用到报废为止总的切削时间，它等于刀具耐用度乘以刃磨次数（包括新刀开刃）。

刀具耐用度标志刀具磨损的快慢程度，刀具耐用度高，即刀具磨损的速度慢；刀具耐用度低，即刀具磨损的速度快。凡是影响切削温度和刀具磨损的因素，都影响刀具耐用度。其中切削速度的影响最明显。

5.刀具使用寿命

从生产效率考虑，刀具使用寿命越高，允许采用的切削速度就越低，从而使生产效率降低；刀具使用寿命规定过低，装刀、卸刀及调整机床的时间增多，生产效率也降低。这就存在一个最大生产效率刀具使用寿命，从加工成本考虑，刀具使用寿命过低，换刀时间增多，刀具消耗及磨刀成本均提高，成本也增高。因此使刀具存在经济刀具使用寿命。

合理的刀具使用寿命的确定，要综合考虑各种因素的影响。一般刀具使用寿命制订可遵循以下原则：第一，根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本的高低来选择。复杂刀具制造、刃磨成本高，换刀时间长，刀具使用寿命要选高些；简单刀具使用寿命可取低些。如齿轮刀具大致为T=200～300min，硬质合金端铣刀大致为T=120～180min，可转位车刀大致为T=15～30min。第二，对机床、组合机床以及数控机床上的刀具，刀具使用寿命应选得高些。第三，精加工大型工件时，刀具使用寿命应规定至少能完成一次走刀。

1.3.5　切削液的合理选择

1.切削液的作用

①冷却作用：切削液能将产生的热量从切削区带走，使刀具切削部分和工件的表面及其总体的温度降低，从而有利于延长刀具耐用度和减小工件的热变形以提高加工精度。

②润滑作用：通过切削液的渗入，可在刀具、切屑、工件表面之间，形成润滑性能较好的油膜，起润滑作用。

③清洗作用：可消除黏附在机床、刀具、夹具和工件上的切屑，以防止划伤已加工表面和机床导轨等。

④防锈作用：在切削液中加入防锈添加剂，能在金属表面形成保护膜，起防锈作用。

2.切削液的种类

常用的切削液可分为：水溶液、乳化液和切削油三大类。

①水溶液：水是热容量很大而又最容易得到的液体，它的冷却作用最好。为了防止它对钢铁的锈蚀作用，常常添加易溶于水的硝酸钠、碳酸钠等防锈剂。水溶液广泛用于磨削和粗加工。

②乳化液：它是由矿物油加乳化剂配制而成乳化油。乳化剂的分子具有亲水亲油性，它能使水和油均匀混合，既具有良好的冷却作用，又有一定的润滑作用。低浓度乳化液主要起冷却作用，高浓度乳化液主要起润滑作用。乳化液主要用于车削、钻削、攻螺纹。

③切削油：切削油的主要成分是矿物油（机油、轻柴油、煤油），生产中用得最多的是煤油，它与水相比热容量较小，冷却作用不如水好。切削油一般用于滚齿、插齿、铣削、车螺纹及一般材料的精加工。

3.切削液的合理选择

选用切削液必须根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求等具体情况确定。如高速钢刀具耐热性差，需采用切削液。粗加工时，主要以冷却为主，同时如需减少切削力和降低功率消耗，可采用3％～5％的乳化液；精加工时，主要目的是改善加工表面质量，降低刀具磨损，减少积屑瘤，此时可以采用15％～20％的乳化液。而硬质合金刀具耐热性高，一般不用切削液，若要用，必须连续、充分地使用，否则因骤冷骤热，产生的内应力易导致刀片产生裂纹。

1.3.6　刀具几何参数的选择

切削力的大小、切削温度的高低、切屑的连续与碎断、加工质量的好坏以及刀具寿命、生产效率、生产成本的高低等都与刀具几何参数有关。

合理选择刀具几何参数的原则是在保证加工质量的前提下，尽可能地使刀具寿命高、生产效率高和生产成本低。但在生产中应根据具体情况决定哪一项是主要目标，如粗加工和半精加工时，主要考虑生产率和刀具寿命；精加工时，主要考虑保证加工质量。刀具几何参数之间相互影响又相互联系。一个参数可改变对刀具切削性能的影响，这样既有有利方面，也有不利方面，应根据具体情况选取合理值。

1.前角及前刀面形式的选择

（1）前角的功用及选择

①前角的功用。前角是刀具上重要的几何参数之一，它决定切削刃的锋利程度和刀尖的坚固程度。除此之外，前角对切削过程有如下影响：

a.增大前角能减小切屑变形，减小切削力和切削功率；

b.增大前角能改善刀、屑接触面上的摩擦状况，降低切削温度和刀具磨损，延长刀具寿命；

c.增大前角能减小或抑制积屑瘤，减少振动，从而改善加工表面质量。

但是，增大前角使刀楔角减小，散热条件和刀尖的强度削弱，引起刀具寿命下降。因此，在一定的切削条件下，存在着一个刀具寿命最大的前角值，这个前角称为合理前角，用γopt表示，如图1-3-13、图1-3-14所示。

②前角的选择。实验证明，合理的前角主要取决于工件材料和刀具材料的种类和性质。

a.工件材料塑性越大，前角合理值越大；塑性越小，前角合理值越小（见图1-3-13）。这是由于切削塑性大的材料时，前角对切屑变形影响显著，所以增大前角后切削力减小，刀具磨损小。加工脆性材料时，由于产生崩碎切屑，切削力集中在切削刃附近，前角对切屑变形影响不大，同时为了防止崩刃，应选择较小的前角。当工件材料的强度、硬度大时，为保证刀尖的强度，前角应选择较小些。

b.刀具材料抗弯强度和冲击韧性越大，合理前角越大（如图1-3-14中的高速钢），抗弯强度低、韧性低则合理前角越小（如图1-3-14中的硬质合金）。

c.粗加工时切削力大，特别是断续切削时冲击力较大，合理前角小；精加工时切削力小，要求刃口锋利，合理前角大。工艺系统刚性较差或机床功率小时，前角应大些。自动机床刀具前角取小些，以提高切削性能的稳定性和刀具寿命。

（2）前刀面形式的选择

常见的前刀面形式如图1-3-15所示。

①正前角平面型[见图1-3-15（a）]这是前刀面的最基本形式，其制造简单、刀刃锋利，但刀尖强度较差，对卷屑的断屑能力差，常用于精加工。

②正前角平面带倒棱型[见图1-3-15（b）]，这种前刀面是在正前角平面型基础上沿切削刀磨出很窄的棱边（负倒棱）而形成的。刀刃强度增强，用于脆性大的刀具材料，如陶瓷刀具、硬质合金刀具，适于在断续切削时使用。负倒棱宽度必须选择适当，否则就会变成负前角切削了。负倒棱宽度br1=（0.3～0.8）f，粗加工时取大值，精加工时取小值；负倒棱前角γol=-10°～-5°（硬质合金刀具）。

ol③正前角曲面带倒棱型[见图1-3-15（c）]这种前刀面是在正前角平面带倒棱型基础上磨出一定曲面形成的。这个曲面起卷屑作用，并增大前角，改善切削条件，主要用于粗加工和半精加工塑性材料。

④负前角单平面型[见图1-3-15（d）]。用硬质合金刀具切削高强度、高硬度材料，如切削淬火钢或带硬皮并有冲击的粗加工时采用此种形式的前刀面。其最大特点是抗冲击能力强。

⑤负前角双平面型[见图1-3-15（e）]。当刀具磨损同时发生在前、后刀面时，为了减少前刀面刃磨面积，充分利用刀片材料，可采用负前角双平面型。

（3）切屑控制

在金属切削加工的过程中，刀具切除工件上的多余金属层，被切离工件的金属以切屑的形式与工件分离。

研究切屑的控制（卷屑和断屑）方法和机理对高速切削或自动化生产是十分重要的。切屑的控制问题主要取决于前刀面的形式与尺寸参数。

①切屑的控制要求。

切屑按几何形状和处理要求大体分为带状屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、宝塔状卷屑和发条状卷屑等，如图1-3-16所示。

在不同的切削加工条件下，对切屑的形状要求也不同。产生带状屑时虽然切削平稳，但易缠绕在工件或刀具上，会划伤工件表面、损伤刀具甚至伤人。为了清除方便，人们常常将带状屑转变成螺卷屑或长紧卷屑。C形屑不缠绕工件，也不易伤人，是一种比较好的屑形，但其高频率的碰撞和折断会影响切削过程的平稳性，影响已加工表面粗糙度，所以精车时形成长螺卷屑较好。在重型车床上采用大的切削厚度和大的进给量车削钢件时，C形屑易损坏切削刃和崩飞伤人，则希望得到发条状卷屑。在自动化生产中，宝塔状卷屑是理想的。加工脆性金属（如铸铁、黄铜）时，为避免碎屑飞溅或磨损导轨，应设法使切屑连成卷状，形成假带状屑。

②卷屑机理。

卷屑的基本原理是：设法使切屑在沿前刀面流出时，受到额外的作用力而产生附加的变形而卷曲。

a.自然卷屑机理。切屑沿正前角平面型前刀面流出时，在切削速度v不是很高时，在积屑瘤的作用下，切屑往往自行曲卷[见图1-3-17（a）]。

b.卷屑槽卷屑机理。前刀面上磨出卷屑槽或选择带卷屑槽的刀片，当切屑流出并受附加力后产生卷曲[见图1-3-17（b）]。

③断屑原理。

切屑在切削过程中受到较大变形（基本变形）后，其硬度提高、塑性降低、材质变脆，从而为切屑的折断创造了条件。切屑流出时，受到卷屑槽或断屑台的阻挡，再次产生变形（附加变形），进一步脆化，当它碰到后刀面或过渡表面时便会折断[见图1-3-17（c）～（f）]。

2.后角的功用及选择

（1）后角的功用

后角的大小影响后刀面与工件加工表面之间的摩擦，影响刀楔角的大小，因此，后角的主要功用是：

①增大后角可以减少刀具的磨损，提高加工表面质量。

②增大后角，在VB相同时，达到磨钝标准磨去金属体积多，刀具寿命高；但在NB相同时，则磨去的金属体积少，刀具寿命低（见图1-3-18）。

③后角增大，刀楔角减小，刀尖圆弧半径减小，刀尖锋利，易切入工件，使变质层深度减小。但后角太大时，刀楔角显著减小，散热条件变差，同时削弱刀尖强度，使刀具寿命降低或者发生刀具破损。

（2）后角的选择

刀具后角主要依据切削厚度（或按粗、精加工）选择。精加工时切削厚度小，主要是后刀面磨损，为了使刀尖锋利应取较大后角；粗加工时，切削厚度大、切削力大、切削温度高，应取较小的后角，以增大刀尖的强度和改善散热条件。此外，工件材料的强度、硬度高时宜选小的后角；材料的韧性大时宜选大的后角。工艺系统刚性差时为防止振动，宜选小的后角，可增加阻尼，甚至磨出消振棱（见图1-3-19）。对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，宜选择较小的后角。

副后角的功用与主后角基本相同，如车刀的副后角与主后角相同，为4°～6°。切断刀和切槽刀受结构强度的影响，副后角只能取l°～2°（见图1-3-20）。

3.主、副偏角的功用及选择

主偏角、副偏角及刀尖形状的共同点是影响刀尖强度、散热面积、热容量以及刀具寿命和已加工表面的质量。

（1）主偏角的功用及选择

①主偏角的功用。

a.主偏角减小时，刀尖角增大，提高刀尖强度，散热体积增大，刀具寿命提高；

b.主偏角减小时，切削宽度bD增大，切削厚度hD减小，切削刃工作长度增大，单位切削刃负荷减小，有利于提高刀具寿命；

c.主偏角减小时，使FD分力增大，易引起振动，使工件弯曲变形，降低加工精度；

d.主偏角影响切屑形状、流出方向和断屑性能；

e.主偏角影响加工表面的残留高度。

②主偏角的选择。

a.工件材料的强度、硬度高时，选用较小的主偏角可以增大刀尖强度、散热体积及单位切削负荷；

b.硬质合金刀具粗加工和半精加工时应选择较大的主偏角，有利于减少振动和断屑；

③工艺系统刚性好时，宜选取较小的主偏角，以提高刀具寿命；刚度不足，如加工细长轴时，宜取较大的主偏角，甚至取κr≥90°，以减小径向力。

（2）副偏角的功用及选择

副偏角的功用与主偏角基本相同，选择副偏角时应考虑以下因素：

①已加工表面粗糙度值小时，应选择小的副偏角，有时磨出修光刃（见图1-3-21）。

②工艺系统刚性较差时，副偏角不宜选择太小，以不致引起振动为原则。

③切断刀、切槽刀考虑结构强度，一般取1°～3°。

主副偏角的选择可参照表1-3-3。

4.刃倾角的功用及选择

刃倾角主要影响刀尖强度和切屑流动的方向。在加工一般钢料和铸铁时，无冲击的粗车取λs=0°～-5°，精车取λs=0°～+5°；有冲击负荷时，取λs=-15°～-5°；冲击特别大时，取λs=-45°～-30°。切削高强度钢、冷硬钢时，为提高刀头强度，可取λs=-30°～-10°。

当λs为负值时，切屑流向已加工表面，易划伤已加工表面；λs为正值时，切屑流向待加工表面。精加工时，常取正刃倾角。微量极薄切削时，取大正刃倾角。刃倾角对切屑流向的影响如图1-3-22所示。刃倾角的选择可参照表1-3-4。

1.3.7　认知工件材料的切削加工性

材料的切削加工性指在一定的切削条件下，工件材料切削加工的难易程度。切削加工性是一个相对的概念，如低碳钢，从切削力和切削功率方面来衡量，则加工性好；如果从已加工表面粗糙度方面来衡量，则加工性不好。

1.衡量切削加工性的指标

切削过程的要求不同，切削加工性的衡量指标也不同。

（1）以刀具寿命T或一定刀具寿命下允许的切削速度υT衡量

在相同的切削条件下加工不同的材料时，在一定的切削速度下刀具寿命T越大或一定刀具寿命下所允许的切削速度越高，加工性越好；反之，加工性越差。

在一定刀具寿命下，某种材料允许的切削速度υT是最常用的衡量加工性的指标。通常以σb=0.735GPa的正火状态下45钢的刀具寿命T=60min允许的切削速度υ60为基准，记作（υ60）j，其他各种材料的υ60与之相比，比值Kυ即为这种材料的相对加工性。即

Kυ=υ60/（υ60）j

Kυ>1，说明该材料的加工性比45钢好；Kυ<1，说明该材料的加工性比45钢差。常用工件材料相对加工性Kυ可分为8级，如表1-3-5所示。

续表

（2）以已加工表面质量衡量

如果切削加工时容易获得好的加工质量（包括表面粗糙度、加工硬化程度和表面残余应力等），材料的切削加工性就好；反之则差。精加工时常以此作为衡量加工性的指标。

（3）以切削力或切削功率衡量

在相同切削条件下加工不同材料时，切削力或切削功率越大，切削温度越高，则材料的切削加工性越差；反之，切削加工性越好。在粗加工或机床的刚性、动力不足时，可采用切削力或切削功率作为衡量切削加工性的指标。

（4）以切屑的处理性能衡量

切削加工时切屑的处理性能（指切屑的卷曲、折断和清理等）越好，则材料的加工性越好；反之，加工性越差。数控机床、组合机床、自动机床或自动线加工时，常以此作为衡量切削加工性的指标。

2.影响材料加工性的因素

影响材料加工性的因素主要有化学成分、金相组织、力学性能、物理性能及化学性能等，其中材料的力学性能、物理性能及化学性能是由化学成分和金相组织决定的。

（1）工件材料的力学性能

一般情况下，工件材料的硬度（包括常温硬度、高温硬度、硬质点和加工硬化等方面）、强度越高，塑性、韧性越大，弹性模量越小，其加工性越差；反之，则越好。但在生产实际中不能孤立地考虑这些因素，而应根据不同的材料，对多种影响因素进行综合考虑，如低碳钢，虽然其硬度很低，但塑性很大，其加工性并不是很好。

（2）工件材料的物理性能

在材料的物理性能中，导热系数对切削加工性有直接的影响。切削过程中所产生的切削热分别从切屑、工件及刀具传出。工件材料的导热系数越高，刀具与工件及切屑摩擦面上的温度越低，刀具磨损越小，刀具寿命越高，工件切削性好。反之，则越差。

（3）工件材料的化学性能

某些材料在切削温度高时，容易引起化学反应：如镁合金易燃烧；钛合金在切削时与空气中的氧气和氮气发生反应，形成硬脆的化合物，使切屑呈短碎片状，切削力和切削热集中在切削刃附近；切削液有时会和某些材料起化学反应等。这些都对材料的切削性能有一定的影响。

3.改善切削加工性的途径

在保证产品使用性能的前提下，可以通过多种方法改善材料的切削加工性。

（1）采用热处理措施

通过热处理可以改善材料的金相组织和物理力学性能，这是生产实践中最常用的方法。如高碳钢和工具钢硬度高，有较多的网状、片状渗碳体组织，通过球化退火可以降低其硬度。热轧状态的中碳钢组织不均匀，有时表面有硬皮，经过正火可使其组织均匀，硬度适中，改善其切削加工性。低碳钢塑性过高，可通过冷拔或正火适当降低其塑性，提高硬度，改善其切削加工性。

（2）调整材料的化学成分

在钢中适当添加一些元素如硫、钙、铅等，这些添加元素几乎不能与钢的基体固溶，而以金属或金属夹杂物的状态分布，在切削过程中起到减小变形和摩擦的作用，使钢的切削性能得到改善，这样的钢称为易切钢。它具有良好的加工性，使刀具寿命提高，切削力减小，切屑易折断等。

任务练习

1.填空题

（1）金属切削过程的实质是____________________________________________________________。

（2）由于工件材料和加工条件的不同，切削加工常见的四种切屑有__________、__________、__________和__________。其中前三种切屑形成特点是__________，第四种切屑所加工工件材料通常是__________。

（3）积屑瘤的产生条件是切屑的__________和__________。

（4）积屑瘤的产生将刀具的实际工作前角__________，切削力__________。积屑瘤的脱落将影响__________。

（5）切削加工时，刀具切除工件材料多余金属所需的力称为切削力，在进行工艺分析时，常将切削力F沿主运动方向、进给运动方向和垂直进给运动方向（在水平面内）分解为三个相互垂直的分力，分别是__________、__________和__________。在进行切削功率计算时主要应考虑__________。

（6）切削用量三要素中对切削力影响最直接的是________________________________________。

（7）加工塑性材料时刀具前角对切削力的影响是________________________________________。

（8）切削热对切削加工的主要影响体现在________________________________________。

（9）切削用量三要素中对切削温度影响最大的是________________________________________。

（10）工件材料的强度和硬度升高会导致切削温度________________________________________。

（11）刀具的磨损将导致切削温度__________________________________________________。

（12）刀具正常磨损按其发生部位分为三种形式，是__________、__________和__________。

（13）前刀面磨损通常用______________________________衡量磨损程度。

（14）后刀面磨损的常见形成条件是__________________________________________________。

（15）国际标准规定以__________________________________________________作为刀具磨钝标准。

（16）刀具耐用度是指__________________________________________________。刀具寿命指__________________________________________________。

（17）常用切削液的种类有__________、__________和__________三大类；切削液的重要作用为__________、__________、__________和__________。

（18）影响材料切削加工性的因素有__________、__________、__________、__________等。

（19）改善材料切削加工性的途径有__________和__________。

（20）如何控制切削形状____________________________________________________________。

2.判断题

（1）采用低速或高速切削都有利于避免产生积屑瘤。（　）

（2）减小进给量、增大刀具前角有利于控制积屑瘤的产生。（　）

（3）提高工件硬度有利于控制积屑瘤的产生。（　）

（4）前角增大，则变形系数ξ减小，即切削变形减小。（　）

（5）进给量和切削厚度增大时，切削变形减小。（　）

（6）工件材料的强度和硬度越大，所需切削力越大。（　）

（7）工件材料强度和硬度接近，塑性和韧性越大，所需切削力越大。（　）

（8）加工塑性材料时刀具前刀面刀尖处温度最高，加工脆性材料时刀具后刀面刀尖处温度最高。（　）

（9）对切削变形的影响塑性越大，变形越小。（　）

（10）切削变形基本没有影响。（　）