金属切削基本规律

1.2　金属切削基本规律

1.2.1　切屑种类及形成机理

1.切屑种类及其相互关系

在生产现场看到的切屑形式、种类繁多，原因是工件材料不同，切屑条件不同。

从变形观点出发，可将切屑归纳为以下四种形态。

1）带状切屑（见图1－16（a））

切屑延续成带状，与刀具接触的底层光滑，背面呈微小的锯齿形，可以看出一个个的切屑单元。一般加工塑性金属（如软钢、铜、铝等）时形成此类切屑，必要时需采取断屑措施。带状切屑是在正常情况下最常见的切屑形态。许多金属切削的研究工作均以带状切屑的形成作为基础。

2）挤裂切屑（见图1－16（b））

切屑背面呈较大的锯齿形，切屑单元厚度较大，内表面有时也形成裂纹。这种形态的切屑常发生在切削微脆而易于引起剪切滑移的金属材料（如黄铜）。此外，在采用较大的切削厚度，较小的刀具前角，特别是当系统刚度不足，加工碳素钢等材料时也易得挤裂切屑。

3）单元切屑（见图1－16（c））

切屑塑性很大的材料（如铅、退火的纯铝和纯铜、橡胶），前刀面上润滑条件不好，刀－屑间粘附很严重时，剪切滑移已不连续；并且切屑向两侧膨胀（侧流），呈现不规则的形状。采用小前角或负前角的刀具以极低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属（延伸率较低的结构钢）时，也会产生这种类型的切屑。

图1－16　切屑的各种形态

由表1－7可清楚地看出切削塑性金属时形成各种形态切屑的切削条件与对切削加工的影响。

表1－7　　　　　切屑形态的影响因素及其对切削加工的影响

4）崩碎切屑（见图1－16（d））

切屑铸铁等脆性金属时易崩碎切屑。崩碎切屑是不规则的块状。

2.切屑形成机理

研究切屑形成机理多采用直角切削方式（λ_s＝0）

有关切屑形成过程的理论很多，最简单而形象化的模型是将切屑形成比拟为推挤一叠卡片的情况（见图1－17（a））。当刀具作用于切屑层，切削刃由a至O时，整个切削层单元OMma就沿着OM面发生剪切滑移；或者OM不动，平行四边形OMma受到剪应力的作用，变成了平行四边形OMm1a₁（见图1－17（b））。实际上，切屑单元在刀具前刀面的作用下还受到了塑性挤压，因而形成了底边膨胀为Oa₂，近似梯形的切屑单元OMm2a₂，许多梯形叠加起来就迫使切屑向逆时针方向转动（见图1－17（c））。从力学观点来看，刀具前刀面对切削层金属所作用的压力对切屑产生一个弯曲力矩，迫使切屑卷曲。

由以上切屑形成过程的典型模型可以看出，切屑形成过程是切削层金属在刀具的挤压作用下产生塑性压缩，主要是以剪切滑移的方式产生塑性变形而形成切屑的过程。

图1－17　切屑形成过程的典型模型

1.2.2　金属切削过程中的变形规律

1.切削区的变形范围

一般地将整个切削区切分为三个变形区（见图1－18），即：

（1）第一变形区（Ⅰ），也就是剪切区，是产生变形的主要区域。此区涉及变形的种类与状态，也即被切削材料应力－应变特性和强度的问题，因此直接与切削过程中的切削力及所消耗的功率有关。

（2）第二变形区（Ⅱ），也就是刀－屑接触区。是前刀面与切屑产生摩擦的区域。此区涉及摩擦、润滑和磨损等问题。由第一变形区的变形与第二变形区的摩擦所产生的切削热直接影响了刀具的磨损与耐用度。

（3）第三变形区（Ⅲ），也就是刀－工热接触区。是后刀面与已加工表面间产生摩擦的区域。此区涉及刀具的磨损，工件的尺寸精度，加工表面光洁度与表面质变层等问题，因而直接与加工表面的质量有关。

由此可知，完整的金属切削过程包括三个变形区，它们汇集在切削附近，应力状况复杂、应力大而集中，切削层金属就在此处分离。此外，必须指出，三个变形区互有影响，密切相关。例如第二变形区即刀－屑接触区的摩擦状况对第一变形区的剪切面位置有很大影响，而第三变形区却受到延伸至已加工表面下的第一变形区的影响等等。

图1－18　切削时的三个变形区

图1－19　切屑的收缩

2.切削过程变形的表示方法——变形系数

如果仔细观察一下金属切削加工，就会发现刀具切下的切屑长度l_c通常均小于切削层生长度l，而切屑厚度a_o却大于切削厚度a_c。由于受到工件基本的牵制，切屑宽度a_wc与切削宽度a_w间的变化甚小（见图1－19），可忽略不计。

设切削前后金属的体积不变，即

a_c·a_w·l＝a_o·a_wc·l_c　　　　　　　（1－11）

切削后切屑在长度上产生收缩而在厚度上产生膨胀，据此可衡量切削时金属变形程度的大小，称为变形系数ξ（苏联称为切屑收缩系数k₁，英美则以其倒数称为切削比r_c）。

变形系数ξ的最大优点是比较直观，而且测量方便。只要用细铜丝测出切屑的长度l_c，便可由已知的切削层长度l算出ξ值，如果结合现场条件，要在车床上测定变形系数ξ时，由于切削层长度并不一定；又如在切削塑性较低的金属得到挤裂切屑时，均可用重量法首先折算出l。这时只要任取一段切屑，量其长（mm），称其重（g），然后按下式即可求出变形系数ξ。

因切屑重量可写成

式中：ρ——金属的密度，kg／m³，如碳素钢为7850kg／m³。

3.剪切面与剪切角

1）剪切面与剪切角

由切屑形成过程可知，当切削层受塑性压缩达一定程度后，会以单元形式沿OM面剪切，现OM面称为剪切面，而φ称为剪切角（见图1－20）。φ角指出了切屑单元剪切的方向，是说明切削变形的重要参数之一。在一定的简化情况下，可从作用于切削层的力系来确定剪切角φ的大小（见图1－20）。图中F_n为刀具作用于切削层的法向力，F_f为切屑沿前刀面的摩擦力，因而作用在切削层的合力F_r也就是将切屑切下的作用力为

F_r＝F_n＋F_f＝F_s＋F_ns　　　　（1－15）

图1－20　作用于切削层的力系与剪切角的关系

此处F_s与F_ns分别为作用于剪切面上的剪切力与法向力。由金属塑性变形理论可知，作用力与最大剪应力方向间的夹角χ约成。因此：

式中，β是Fr与F_n的夹角，称为摩擦角（tanβ＝μ）；（β–γ_o）是作用力F_r与切削速度方向的夹角，它代表F_r作用于切削层的方向，称为作用角ω。其大小直接影响着切削过程。

图1－21　切削条件变化时（β–γ_o）～φ关系图

2）剪切角与变系数的关系

由式1－16与图1－20、图1－21、图1－22可知：如工件材料一定，φ值主要与刀具前角γo，前刀面与切屑间的摩擦系数μ有关。γ_o越大，切屑流出方向与原切削速度方向改变越小，从而使剪切面OM减小，φ角增大，故变形较小；反之，变形增大。一般切削钢时φ≈20°～35°，这时φ越大，变形越小。可见，增大前角可减小变形，有利于改善切削过程。此外，当前刀面与切屑间的摩擦系数μ越大时，摩擦角β越大，φ越小，剪切面OM增大。可见，提高刀具的刃磨质量以及采用切削液等措施，均可减小摩擦系数，有利于改善切削过程，使变形减小。其他如在一定条件下增大切削速度，也会使摩擦角β减小而剪切角φ增大，有利于切削变形。

由上可知，剪切角φ的大小可用来衡量切削过程中变形程度的大小。要直接测出φ的大小，必须采用快速落刀装置取得切屑根部，制成金相磨片。但是，如果先测出变形系数ξ，按下式即可方便地求出剪切角φ。

由图1－23可写出

图1－22　自由20Cr钢，作用角ω＝0时前角对剪切角的影响

图1－23　变形系数ξ的确定

4.剪切区的变形

1）剪切区形成机理

前述已知，刀具作用于切削层金属，使切屑单元通过塑性压缩，以剪切滑移方式为主发生变形。现在将进一步阐明剪切区变形的情况。

当切削层金属未达到剪切区之前，基本上只产生弹性变形。在刀具切削刃与前、后刀面的挤压作用下，在刃前区某一范围内所产生的剪应力超过材料的屈服强度时，（τ_max≥τ_s），便开始以剪切滑移为主的方式变形。因此将分别在M1OM2与M3OM4范围内产生两组相互正交，呈直线形的滑移线（即最大剪应力线），它们分别与前后刀面相交成45°角（见图1－24（a））。由于前刀面与切屑间、后刀面与已加工表面间均存在着摩擦，在摩擦力作用下，M1OM2与M3OM4范围内的剪切滑移线，已分别向逆时针方向与顺时针方向偏转一个摩擦角。同样，切削刃前M2OM3范围内的金属中也有两组相互正交的剪切滑移线，它们分别是通过O点的许多辐射线以及与之正交的同心圆弧。切削层经过塑性变形转变为切屑的自由边界，过渡曲线AM上每点的法线与主应力之一的方向重合，也存在两组相互正交，呈曲线形的剪切滑移线，它们与过渡曲线相交并与法线方向成45°角。

将上述几组剪切滑移线连接起来，被切削金属将沿着这些线剪切滑移（见图1－24（b））。图中每条曲线代表主应力之差等于常数，也就是剪应力相等的曲面；但不同线上剪应力的大小不同。OA上的剪应力值等于被切削金属的屈服强度，称为始剪切面（或始滑移面）；OB，OC，OD线上的剪应力则由于变形强化而依次升高。也就是说，随着刀具相对于工件的连续运动，原处于始剪切线上的金属不断向刀具靠拢，应力和应变也逐渐增大，当到达OM线时，剪应力和剪应变达到最大，基本变形到此结束。OM即称为终剪切面（或终滑移面）。在OA到OM之间整个剪切区内，变形的主要特征就是沿剪切面的剪切滑移变形，并伴生有加工硬化现象。当最大剪应力τ_max达到金属的破裂强度时形成挤裂切屑，因而出现明显的裂口；当τ_max未达到破裂强度时形成带状切屑，因而切屑顶面较平整而呈微小的锯齿形。

图1－24　切削区各部分的滑移线及其分布

由此可知，剪切面实际上不是一个平面，而是由许多曲面所构成的剪切区。要研究剪切区任意一点的剪切滑移过程，可跟踪切削层金属中某点P进行观察。当P点向切削刃逼近（见图1－25），到达点1位置时，若通过点1的等剪应力曲线OA，其剪应力达到材料的屈服强度τ_s，则点1在向前移动的同时，也沿OA面剪切滑移，其合成运动将使点1流动到点2。2′—2就是其滑移量或剪切距离。随着剪切滑移线的产生，剪应力将逐渐增加，直到点4位置，其流动方向与前刀面平行，不再进行剪切滑移。同理，从切削层至切屑的外边界上也可看出切削层金属是通过剪切区后逐渐转变而成为切屑的。剪切区的形状与范围的大小与工件材料的塑性、切削速度、切削厚度、前角、前刀面摩擦条件等有关。当工件材料很软（如纯铁、铜或铝），切削厚度较大，前角较小，前刀面摩擦较大，切削速度较低，则剪切区延伸范围较大。

图1－25　剪切区金属剪切滑移情况

2）剪切区的应力与应变

（1）剪切面上的应力。

切削时，刀具作用于切削层（见图1－20），使其产生应力与应变，随着切削层金属向刀具逼近，剪应力τ不断增大，至终剪切面时达最大值。

通常情况下剪切面近似为一平面，剪切面面积

则剪切面上的平均正应力

剪切面上的平均剪应力

实际上，剪切面的应力分布并不均匀，其大小及方向沿剪切面而变化（可参看图1－20）

（2）剪切速度。

由于切削时在长度方向上产生收缩现象，使切屑沿前刀面流出时的速度v_c低于原来的切削速度v。切削层以速度v被切除，以速度v_s沿剪切面剪切滑移。v和v_s合成后形成切屑，以v_c流出。v、v_c与v_s三个向量组成一封闭三角形（见图1－26），即

v＋v_s＝v_c　　　　　　（1－22）

根据正弦定律

可见只要知道刀具前角γ_o、切削速度v与剪切角φ（或变形系数ξ），就可求出切屑速度v_c与剪切速度v_s。

（3）剪应变。

前面已讲过，切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移。因此，通常采用剪应变ε作为衡量塑性变形程度的指标。切削时可近似地将剪应变看成是发生在剪切面上。由图1－17（b）可知，当刀具向前移动时，切削层单元OMma被剪切到OMm1a₁位置。图1－26中的△AOM与图1－17（b）中的△Mmm1相似，再参看式（1－25），即可写出剪应变的公式

图1－26　切削速度、切屑流出速度与剪切速度间的关系

由此可知，剪切角φ可以反映剪切应变的大小，在通常的φ与γo范围内（φ＝5°～30°，γ_o＝－10°～30°），φ改变引起sinφ的变化比cos（φ－γ_o）的变化要大。因此φ越大，ε越小。此外，增大前角γ_o也可减小剪应变ε（见图1－27）。

由式（1－25）与式（1－26）又可将剪切速度v_s写成

v＝v·ε·sinφ　　　　　　　　（1－27）

5.变形系数与剪应变的关系

由式（1－17）与式（1－26）可知，变形系数ξ与剪应变ε均与剪切角φ有关。如将式（1－17）代入式（1－26），可写直角自由切削时的剪应变

图1－27　剪切角φ、剪应变ε与前角γ_o的关系

图1－28　不同前角时变形系数与剪应变的关系

碳素钢（0.14%C）；硬质合金刀具YT14；切削宽度a_w＝2.0mm

切削厚度a_c＝0.26mm；切削速度v＝2.5m／s；干切削

将式（1－28）计算结果绘成图1－28，由式（1－28）及图1－28可知：

（1）当ξ≥1.5时，ξ越大，ε也越大。当γ_o＝0°～30°之间，ξ的值与ε还比较接近，这时采用变形系数ξ表示切削层金属的平均变形程度基本上接近实际情况，在一定程度上可表示剪应变的大小。

（2）当ξ＜1.5时，特别是ξ接近于1时，当前角甚大或为负值时，ε与ξ相差很大，因而不能用ξ表示变形程度。例如γ_o＝－15°时，ξ＝1但ε＝2.61，说明从切屑的外形尺寸来看，变形很小，甚至没有变形，但实际上切屑内部的应力、应变与晶粒的变形仍然很大。又以切削钛合金为例，在高温条件下钛合金强烈地从周围大气中吸收氢、氧和氮等元素，使塑性降低而脆化，形成伸长了的挤裂切屑，这时就可能使变形系数ξ＝1，甚至小于1，产生负收缩现象。

切屑收缩与变形系数是建立在将金属切削看成是纯挤压的观点上的。由图1－29可知，当切削层通过剪切面转变成切屑的瞬间，垂直于剪切面流出的切屑，始终受到法向力Fns的压缩作用以及前刀面的摩擦作用，因而使切屑的长度缩短，厚度膨胀。但实际上切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，压缩变形在金属切削总变形中所占比重不大。因此变形系数ξ只能在一定条件下粗略地反映切削层金属的变形程度。要求较高时，采用剪应变ε作为衡量变形程度的指标比较合理。但即使是剪应变，由于是建立在纯剪切的观点上，对既有剪切滑移，还挤压作用的切削过程来说，也只能说是比较合理的近似计算。

根据最新的研究认为：切屑形成过程的本质是剪切滑移与弯曲的联合作用。这是根据在极低速直角自由切削时得到的滑移线场，考虑了强化的因素，采用图像－塑性法计算出沿剪切滑移线的应力分布情况而得。由图1－30可知，剪切面上的应力分布在工件自由表面处为压应力。向切削刃方向逐渐减小，到接近切削刃附近变为拉应力。最后由于受刃口的挤压又变为压应力。研究还证实了前刀面上的切削合力与剪切面上的抵抗合力并不共线。从而使切屑产生卷曲并认为切屑形成过程的本质除了剪切滑移外，同时还有弯曲作用。

图1－29　剪切面上的应力分布情况

图1－30　塑性变形区加工硬化情况

1.2.3　切削的加工硬化与残余应力

1.加工硬化

经过切削加工，会使工件表层的硬度提高，这一现象称为加工硬化。变形程度越大，则已加工表面的硬化程度越高，硬化层的深度也越大。工件表面的加工硬化将给后继工序的切削加工增加困难，如增大切削力，加速刀具的磨损。更重要的是影响了零件的加工表面质量。加硬化在提高工件耐磨性的同时也增大了表面层的脆性，往往会降低零件的抗冲击能力。

产生加工硬化的原因是在已加工表面形成过程中表层因经受复杂的塑性变形，使金属的晶格发生拉长、扭曲与破碎，阻碍了进一步的塑性变形而使金属强化；另一方面切削温度（低于Ac1点时）使金属弱化；更高的温度将引起相变。已加工表面的硬化就是这种强化、弱化和相变作用的综合结果。

加工硬化通常以硬化程度N及硬化层深度h表示。硬化程度N是已加工表面的显微硬度增加值对原始显微硬度的百分数。

硬化深度层h是已加工表面与金属基本未硬化处的垂直距离。表面层硬化程度往往可达成180%～200%。硬化层尝试可达几十至几百微米厚。图1－30表示切削变形区加工硬化情况的典型实例。由图可见，根据变形程度的不同，切削区各分部的硬化程度也不同。其中以积屑瘤区的硬度为最高，切屑中的硬度次之，其次是已加工表面。而切屑底层的硬度又高于上层。

工件材料的塑性越大，强化指数越大，则硬化越严重。碳钢中含碳量越大，则强度越高，硬化越小，切削速度对硬化现象的影响是双重的：v的增高使切削温度升高，从而加速了恢复（软化）的过程；但同时v增高后变形时间缩短，又使恢复过程进行不充分。一般来说，v增大时，由于变形传播的时间较短，使硬化层深度减小，但硬化程度则随工件材料的性能而不同。当进给量增大时，切削厚度增大，硬化程度及硬化层深度均有所增大。但α_c太小时（如铰削），硬化现象反而会随α_c的减小而上升。减小前角，增大刀具的钝圆半径r_n与刀具磨损时，均会使硬化程度及硬化层深度增大。

例如，用YT15车刀车削10号钢，a_p＝0.5mm，f＝0.21mm／r，v＝6.5m／s（390m／min），θ＝890℃，硬化层深度h＝55μm，硬化程度N＝40%；车削T12A时，v＝2.12m／s（127m／min），θ＝1000℃，h＝32μm，N＝15%。高锰钢Mn12的强化指数很大，切削后已加工表面的硬化程度可达200%以上。有色金属的熔点较低，容易软化，加工硬化比结构钢小得多。例如，铜件比钢件要小30%，铝件比钢件要小75%左右。

当我们认识了加工表面硬化现象的规律后，也可化弊为利；例如在一定条件下，采用滚压加工，即可利用这一现象在一定程度上改善零件的使用性能。

2.残余应力

残余应力是不需外力平衡而能存在于金属中的内应力。已加工表面经常存在残余应力。残余拉应力往往使已加工表面发生裂纹，使零件的疲劳强度降低；残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度。例如，加工表面的残余应力分布不均匀，便会使工件发生变形，影响工件的形状和尺寸精度。

1）切削力和塑性变形的作用

由前所述，已加工表面在形成过程中由于切削力的作用而受到拉伸、挤压与强烈的摩擦使表层金属产生拉应力。切削时，一方面表层金属处于塑性变形状态，里层金属却处于弹性变形状态。已加工表面形成后，切削力突然消失，弹性变形趋向复原，但受到表层金属的牵制，在表层与里层造成应力状态。另一方面，表层金属经受塑性变形后由于晶内遭受破坏而使空位缺陷增加，因而使比容增大，但同时却受到连成一体的里层金属的阻碍，因而表层产生压应力（－σ）里层产生拉应力（＋σ）。

2）切削热的作用

刀－工接触区经强烈的变形而使表层温度很高，而已加工表面的形成又是在极短的瞬间完成，因此表层金属受到热冲击作用，受热温度较低。由于表层温度较高，里层（基体）温度较低，因此，表层体积膨胀，但受到里层金属的牵制，使表层产生压应力，里层则产生拉应力。切削后，表层金属因散热快而收缩，但同时却受到里层金属的牵制，因而最后使表层产生拉应力，里层产生压应力。

3）相变作用

切削时，在高温作用下表层组织可能发生相变，由于各种金相组织的体积不同而产生残余应力。例如，高速切削碳钢时，刀－工接触区温度可达600～800℃，而碳钢相变温度为720℃而形成奥氏体，冷却后转变为马氏体，比容增大。因而使表层金属膨胀，但受到里层金属的牵制，从而表面产生压应力，里层则产生拉应力。

加工过程中，已加工表面层内呈现的残余应力，是上述诸因素综合作用的结果，最终可能存在残余拉应力或残余压应力，加工大部分塑性金属时，一般形成切向（切削速度方向）残余应力，表面层深度内的残余应力可分为三个区（见图1－31）：Ⅰ区，在0.001～0.004mm的极薄表面层内作用着残余应力。Ⅱ区，根据切削用量与刀具前角，其范围比Ⅰ区要大10倍以上。此层内作用着残余拉应力。实际上，Ⅱ区内应力的性质与大小对表面层的状态起决定性的作用。Ⅲ区，此区作用着残余压应力，与Ⅰ、Ⅱ区的应力相均衡。由此图还可看出加工后表面层内硬度变化的情况。一般情况下，表层是拉应力，最大可达882～980N／mm²（90～100kgf／mm²），因此表面往往出现一些裂缝，对工件的耐磨性与疲劳强度都不利。

图1－31　已加工表面层内残余应力的变化

1.2.4　积屑瘤和鳞刺

1.积屑瘤

1）现象

在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金与球墨铸铁等塑性金属时，由于前刀面上挤压和摩擦的作用，使切屑底层中的一部分材料停滞和堆积在刃口附近，形成积屑瘤（见图1－32）。经变形强化，积屑瘤的硬度很高，可达工件材料硬度的2～3.5倍，可代替切削刃切削。

图1－32　刀具上的积屑瘤及其使前角增大的情况

2）作用

积屑瘤对切削加工的影响，概括起来可分为两个方面：

不利的方面有：

（1）当积屑瘤突出于切削刃之外时，会造成一定的过切量，从而使切削力增大，在工件表面划出沟纹并影响到零件加工的尺寸精度。

（2）由于积屑瘤局部不稳定，容易使切削力产生波动而引起振动。

（3）积屑瘤形状不规则，使切削刃形状发生畸变，直接影响加工精度。

（4）积屑瘤被撕裂后，若被切屑带走，会划伤刀面，加快刀具的磨损；若留在已加工表面上，会形成毛刺，影响工件表面质量。

有利的方面有：

（1）积屑瘤包覆在切削刃上，代替刀具进行切削，对切削刃起到一定的保护作用。

（2）形成积屑瘤时，增大了实际工件前角，可使切削力减小（见图1－33）。其中形成楔形积屑瘤时前角增大较多，形成鼻形积屑瘤时使刀－屑实际接触长度减小，也可使切削力减小。

由上可知，积屑瘤对切削加工弊多利少。精加工时一定要设法避免，即使粗加工，采用硬质合金刀具时一般也并不希望产生积屑瘤，但是只要掌握其形成及变化的规律，仍可化弊为利，有益于切削加工，如有名的银白屑切削法就是一例。负倒棱给形成积屑瘤创造了基础，积屑瘤起着实际切削作用，切削时排出副屑，有助于散热。且可选取较大前角以减小切削力。

3）成因

在刀－屑接触长度l_f内l_f1接触区间（见图1－34），由于粘结作用，使得切屑底层流动速度变得很慢而产生“滞流”，切屑底层的晶粒纤维化程度很高，几乎和前刀平行。滞流层（即流变层）金属因经受强烈的剪切滑移作用而产生加工硬化，其抗剪强度也随之提高。如图1－34所示，滞流层中最大剪应力为，式中σ₂是由摩擦力所产生的主应力。当σ₂甚大时，最大剪应力就可能小于滞流层金属的剪切强度τ_s，滞流层与前刀面接触处的金属屑不会发生剪切滑移而停留在前刀面上，沿滞流层内部某一表面做相对移动，这样越积越大，便形成了积屑瘤。

图1－33　积屑瘤与滞流层形成示意图

图1－34　刀－屑接触长度

4）影响因素

影响积屑瘤的主要因素是工件材料，刀具前角γ_o。切削速度v，进给量f以及切削液等。

工件材料硬度低，塑性大时，切削时金属变形大，易产生积屑瘤（见图1－35（a））。刀具材料与工件材料之间的粘结性好，也易产生积屑瘤。

切削速度v主要通过切削温度影响积屑瘤。温度适当时，（如切削中碳钢时为300～380℃），刀－屑间的摩擦系数μ最大，容易产生积屑瘤，因而在某一适中的切削速度范围内积屑瘤长得最大。很低速切削时温度低，切屑底层塑性状态变化不大，刀－屑间呈点接触，以滑动摩擦为主，可能不产生积屑瘤；或在刀刃处产生很小的积屑瘤。高速时，一般当切削温度大于500～600℃时，由于材料的剪切屈服强度τ_s降低，切屑底层金属因温度高而软化，甚至呈滞流状态，所以也不会产生积屑瘤。

由于进给量f与刀具前角γo影响切削温度与刀－屑接触长度，因而也影响积屑瘤。f增大时，切削厚度a_c与刀－屑接触长度l_f随之增大，产生积屑瘤的切削速度区域向低速方向移动，所生积屑瘤的最大高度增大（见图1－35（b））。

前角γ_o增大时，前刀面上的法向力减小，切削温度降低，切削变形减小，使积屑瘤的高度减小，提高了产生积屑瘤的临界切削速度（见图1－35（c））。采用润滑性能优良的切削液可减小甚至消除积屑瘤。

图1－35　切削速度变化时，工件材料塑性，切削厚度前角对积屑瘤高度的影响

5）控制措施

既然积屑瘤的形成是切屑底层中的金属由于前刀面的摩擦所引起的，因而要减小或避免积屑瘤的产生必须从减小变形与刀－屑间的摩擦入手。

（1）对塑性金属材料来说，可采取适当的热处理，改变其金相组织，例如，低碳钢通过正火、调质处理后，能提高其硬度，降低其塑性，减小积屑瘤生长。

（2）避开积屑瘤的生长速度范围。为此，采用高速钢刀具精加工时，为了获得较高的表面光洁度，总是采用低速。如铰精密孔（2级精度▽6～▽7时），一般可取v＝0.033～0.083m／s（2～5m／min），并添加切削液，减少摩擦，以避免积屑瘤的产生。拉削时采用v＝0.0165～0.083m／s（1～5m／min）的低速。在车削精密丝杆时，采用γ_o＝0°的车刀，取低于0.018m／s（1.1m／min）的切削速度，可得到▽8～▽9时级光洁度。另一方面可采用高速切削，当切削速度v增至一定值时可使积屑瘤完全消失。例如切软钢时一般v＞1.67m／s（100m／min）相当于已超过形成积屑瘤上限的温度（约560℃），积屑瘤的变形强化能力消失，也不会产生积屑瘤。

（3）采用润滑性能好的切削液可以抑制积屑瘤。

（4）增大前角也可抑制积屑瘤，当γ_o＞35°时，一般即不再产生积屑瘤。

（5）其他如减小切削厚度，采用人工加热切削区等措施，也可以减小甚至消除积屑瘤。

2.鳞刺

1）现象与作用

在较低的切削速度下，用高速钢、硬质合金刀具切削低、中碳钢，铬钢（20Cr，40Cr），不锈钢，铝合金及紫铜等塑性金属时，在工件的已加工表面常会出现一种鳞片状的毛刺称为鳞刺。拉削、插齿、滚齿与螺纹切削时经常会产生鳞刺。它严重地影响了加工表面光洁度，往往使光洁度降低2～4级。为此，我们必须认识鳞刺产生的原因和规律，以便对它进行主动的控制。

2）成因

国内的研究认为，鳞刺形成的原因是在较低的切削速度下形成挤裂切屑或单元切屑时，刀－屑间的摩擦力发生周期性的变化，促使切屑在前刀面上周期性地停留，代替刀具推挤切削层，造成金属的积聚，已加工表面出现拉应力而发生导裂，并使切削厚度向切削线以下增大，生成鳞刺。

由图1－36可知，鳞刺的形成过程是：当切屑从前刀面流出时，逐渐把摩擦面上有润滑作用的吸附膜擦拭干净，使摩擦系数逐渐增大，刀－屑实际接触面积增大，在刀－屑间巨大压力的作用下，使切屑单元在瞬间内粘结在前刀面上，暂时不沿前刀面流出。这时，切屑以圆钝的外形代替前刀面进行挤压，使切削刃前下方，屑－工之间产生裂口（称为导裂）。继续切削时，使受到挤压的金属不断地层积在切屑单元下面，一起参加切削，使裂口扩大，切削厚度与切削力随之增大。当层积到某一高度后，增大了切削力Fy克服了刀－屑间的粘结和摩擦，推动切屑单元重新沿前刀面滑动，这时切削刃过去便形成一个鳞刺。接着又开始另一个新鳞刺的形成过程。如此周而复始，在已加工表面上不断生成一系列的鳞刺。

图1－36　鳞刺形成的四个阶段

鳞刺因塑性变形而硬化，由于它是因切屑滞流或停留，导致切削应力的变化，引起工件材料的撕裂和剪切，故它的表面微观特征是鳞片状的凹凸不平，且接近于沿整个切削刃宽度并垂直于切削速度方向，它不同于粘附在前刀面上的积屑瘤，由于积屑瘤是随机的局部破碎，故它的表面特征是不规则的纵向犁沟。

鳞刺的形成除了与切削速度、切削厚度等因素有关外，还决定于被加工材料的性能和它的金相组织，材料的变形强化越大以及它与刀具间的摩擦越大，越易形成鳞刺。国外一些学者认为，鳞刺就是积屑瘤的碎片。国内的研究指出，鳞刺是切削过程中的一个独特现象，其生成可以不依赖于积屑瘤，根据我们试验所作鳞刺纵剖面显微照片上可看出鳞刺和工件的晶粒相互交错，鳞刺与工件母体间没有分界线，与嵌入已加工表面的积屑瘤碎片不同。也有研究认为积屑瘤和鳞刺现象有密切联系，认为切屑底层金属发生严重停滞是形成鳞刺的先决条件。积屑瘤是切屑底层最严重的停滞，此时鳞刺也最显著。要避免鳞刺就要消除积屑瘤。由此可见，关于鳞刺的成因及其与积屑瘤的关系等问题还值得进一步研究与探讨。

3）控制措施

认识了鳞刺形成过程的规律性后，我们就可以采取有效的措施来控制鳞刺的产生。因为鳞刺是切削过程中变形与摩擦的产物，是一种重要的物理现象，它产生于刀－工接触区，但与刀－屑接触区的摩擦密切有关。为此便可从减小刀－屑，刀－工间的摩擦入手，使挤裂切屑转化为带状切屑。具体地说，如适当地提高工件材料的硬度，增大刀具的后角，减小切削厚度，采用润滑性能较好的切削液，采用人工加热切削；在较低切削速度下适当增大前角，在较高切削速度下适当减小前角等，均有利于抑制鳞刺的产生，提高加工表面的光洁度。

1.2.5　切削力与切削功率

1.切削力及研究切削力的意义

切削力是指由于刀具切削工件（试件）而产生的工件和刀具之间的相互作用力。

切削力是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有着多方面的重要影响：它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并造成工艺系统的变形和振动。切削力过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程中消耗功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工艺系统产生热变形并恶化已加工表面质量。所以，掌握切削力的变化规律，计算切削力的数值，不仅是设计机床、刀具、夹具的重要依据，而且对分析、解决切削加工生产中的实际问题有重要的指导意义。

刀具切削工件时，之所以会产生切削力，根本原因是切削过程中产生的变形和摩擦引起的。对刀具来说，它受到的切削力来自两个方面：一是三个变形区内工件材料的弹、塑性变形产生的抗力；二是工件、切屑与刀具摩擦产生的阻力。从产生的部位来说，切削力产生于刀具的前、后刀面，见图1－37，前刀面上的正压力F_γN和Fγ合成前刀面合力Fγ，γN，后刀面上的正压力与摩擦力合成后刀面合力F_α，αN，F_γ，γN与Fα，αN又可合成为总合力F，F就是作用在刀具上的总切削力。一般切削条件下，如果刀具比较锋利，前刀面上的切削力是主要的，后刀面上的切削力相对较小。在研究有些具体问题时，为了使问题简化，常忽略后刀面上的作用力的影响，但在刀具磨损大时，则不容忽视。

图1－37　作用在刀具上的力

2.切削合力、分力和切削功率

1）切削合力和切削分力

图1－38中刀具（或工件）上作用的切削力的总合力F称为切削合力，由于切削合力的大小和方向是随切削条件而变化的一个空间力，不便于计算与测量，在研究和分析实际问题难以直接应用，为适应解决问题的需要，又便于测量与计算，常将F分解为某几个方向上的分力，称为切削分力。车削中常将F分解为以下三个分力。

·主切削力F_z——沿切削速度方向上的分力，又称为切向力。

·进给抗力F_x——F在进给运动方向上的分力，外圆车削中又叫轴向力。

·切深抗力F_y——F在切深方向上的分力，外圆车削中，又叫径向力。

上述三个分力相互垂直，其数值可用测力仪量得，也可根据切削条件用有关经验公式计算。

图1－38　外圆车削时的切削合力与分力

三个分力中，主切削力F_z最大，消耗功率也最多，约占总功率的95%。它是决定机床主电机功率、设计与校验主传动系统各零件以及夹具、刀具强度、刚度的重要依据。

F_x作用在进给运动方向上，是设计与校验机床进给系统各零、部件强度的依据，也消耗一定的功率。

F_y同时垂直于主运动和进给运动方向，不消耗功率。但在车削轴类零件时，易引起工艺系统的变形和振动，对加工精度和表面质量有较大影响。

通过情况下，F_x和Fy都小于Fz，随着刀具几何参数、刀具磨损情况、切削用量的不同，F_x、F_y相对于Fz的比值在很大范围内变化，三者之间的比例大致为：F_x∶F_y∶F_z＝（0.1～0.6）∶（0.15～0.7）∶1。

三个分力与合力之间的关系如下：

2）切削功率

切削过程中消耗的总功率为各分力所消耗功率的总和，称为切削功率，用P_c表示。车削中，切深抗力F_y不消耗功率，F_f远小于Fz，v_x远小于v_z，故计算切削功率时常忽略F_x所消耗的功率，故有

P_z＝F_zv　　　　　（1－32）

式中：F_z——主切削力；

　　　v——切削速度。

　　　由此，可计算出机床主电机所需功率PE。

PE≥P_z／η　　　　　　　　　　（1－33）

式中：η——机床传动效率，一般η为0.75～0.85。

3）单位切削力和单位切削功率

单位切削面积上作用的主切削力称为单位切削力，用k_z表示。即

k_z＝F_z／A_c　　　（1－34）

单位切削力可通过切削实验求得。若已知单位切削力k_z和切削面积Ac，方便地计算出主切力F_z。

F_z＝k_zA_c　　　（1－35）

单位切削功率是指单位时间内切除单位体积的工件材料所消耗的功率，用p表示。

p＝P／Q　　　　　　　　（1－36）

式中，Q为金属切除率，即单位时间内切除金属材料的体积。

Q与切削用量关系为Q＝v_ca_pf　　　　（1－37）

3.切削力的测量与计算

在研究切削力变化规律和解决切削加工生产中的实际问题时，有时需要知道在一定切削条件下的切削力数值，对此，可有三种解决方法。①用测力仪进行测量。②用经验公式计算。③用切削力理论公式估算。

1）切削力测量

为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可用一种专门用于测量切削力的装置——测力仪进行测量。测力仪的种类很多，按工作原理的不同，可分为机械式、电阻式、电感式、压电式等，目前使用较为普遍的是电阻应变式测力仪。压电式测力仪精度高，但价格昂贵，应用也在不断增加。下面介绍电阻应变式测力仪的工作原理及其测力方法。

电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录仪组成。传感器是一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性元件，其结构有多种形式，目前使用较多的是八角环式，其结构形状如图1－39所示。中部八角环形部分为弹性元件，分为上环和下环，前端有安装车刀用的方孔，后部的圆孔用于在车床刀架上安装紧固。

图1－39　八角环测力传感器

利用这种传感器可同时测量F_z、F_y和F_x，也可单测某一分力。测量时，要在弹性元件部分的适当部位，粘贴若干片电阻值可随弹性元件变形而变化的电阻应变片（见图1－40），并把它们联入电桥电路，以便于将电阻值的变化转换成可读的电信号（电流或电压）后输出。

测力时，当紧固在传感器刀孔内的车刀受到切削力作用时，应变片中电阻丝的直径和长度将随弹性元件的变形而发生变化，因而其阻值将发生微小变化，受拉伸时阻值增大，受压缩时阻值减小，其变化量随变形量的大小而变化。为便于测量，通常采用电桥电路将其转化为电压（或电流）信号，再由应变仪放大后，由记录仪输出。在传感器元件允许的范围内，输出电信号与切削力的大小成正比，通过标定可得到切削力与电信号之间的关系曲线（标定曲线），进行实际切削时，通过测量得到的电信号便可在曲线上找到其对应的切削力数值。

图1－40　电阻应变片

2）车削力经验公式及切削分力计算

（1）经验公式及建立方法简介。切削力经验公式是在通过切削实验取得大量数据的基础上，经适当的数据处理后得到的关于切削力与可变因素（切削条件）之间的定量关系式。由于建立这种关系的依据是经验数据，故称为经验公式。目前，在计算一定切削条件下的切削力数值时，多采用经验公式。

建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经验公式的可靠性，通常采用单因素实验法或正交实验法，而在处理数据时采用图解法或线性回归法。

下面将单因素实验法建立车削力经验公式的主要过程作一简要介绍。

在影响车削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深度a_p和进给量f。其他因素则主要通过对切屑变形和摩擦的影响而影响切削力。因此，目前，普遍使用的车削力经验公式的基本形式均采用各切削分力与a_p、f之关系的形式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。

建立F_c与a_p、f之关系的主要步骤如下：

首先建立F_z与ap、f之单元关系。为此，实验时，固定a_p以外的所有其他切削条件，选取若干个a_p进行切削实验，用测力仪量取不同a_p时的切削力F_z，得到若干组F_c与a_p的对应数据，经数据处理，得到F_z与a_p之间的单元关系式。然后，用同样方法得到F_c与f的单元定量关系式。最后，将两单元关系式加以综合，便可得到F_z与a_p、f之间的多元定量关系式。

（2）车削力经验公式及切削分力计算。车削力经验公式有两种形式：一种是指数形式，一种是单位切削力形式。指数形式的车削力经验公式如下：

式中：C_Fz、C_Fx、C_Fy——与工件材料和其他切削条件有关的系数；

xFz、xFx、xFy、yFz、yFx、yFy——这反映a_p和f对切削力影响程度的指数；

K_Fz、K_Fx、K_Fy——修正系数，分别为a_p和f以外的其他因素对F_z、F_x、F_y的修正系数的连乘积。

上述各系数和指数均可通过实验求得，其数值见表1－8，单位切削力形式的主切削力经验公式如下：

F_z＝k_zA_cK_Fz　　　　（1－39）

式中：k_z——在一定实验条件下得到的单位切削力；

　　　K_Fz——修正系数，同指数公式中的K_Fz。

表1－8　　　　　　　主切削力经验公式中的系数、指数值（车外圆）

注：切削条件　切钢用YT15刀片，切铸铁、铜铝合金用YG6刀片；

　　　　　　　v_c≈1.67m·s^－1（100m·min^－1）；VB＝0

　　　　　　　γ₀＝15°，κ_r＝75°，λ_s＝0°，b_γ1＝0，r_ε＝0.2～0.25mm

用指数公式计算切削分力时，可根据已知的条件在有关资料中查得公式中的系数和指数，将已知条件代入相应公式，便可计算出切削分力的数值。

4.切削力理论公式

为了从理论上解决切削力的计算问题，国内外许多学者进行了大量的研究工作也得出了若干种形式的计算公式。但由于切削过程十分复杂，影响因素太多，迄今为止，还不能说已经得出了与实验结果足够吻合的切削力理论公式。我国科学工作者在前人研究工作的基础上，从切屑的受力分析入手，根据力的平衡原理和材料的应力应变规律推导出了形式较为简单、有一定应用价值的理论公式，（推导从略）形式如下。

F_z＝τ_shDbD（1.4Λ_h＋C）　　　（1－40）

式中：τ_s——工件材料的剪切屈服极限；

　　　h_D——切削厚度；

　　　b_D——切削宽度；

　　　Λ_h——变形系数；

　　　C——常数，随前角不同而不同，其数值可查切削手册。

1.2.6　切削热、切削温度及切削液

1.切削热及切削温度

1）切削热及其对切削过程的影响

用刀具切削工件而产生的热称为切削热。切削热也是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有多方面的影响。切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量。传散到刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因。切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生影响。总之，切削热对切削加工的质量、生产率和成本都有直接、间接的影响，研究和掌握切削热产生和变化的一般规律，把切削热的不利影响限制在允许的范围之内，对切削加工生产是有重要意义的。

2）切削热的产生与传出

（1）切削热的产生。

切削热产生于三个变形区，切削过程中，三个变形区内的金属变形与摩擦产生切削热的根本原因，切削过程中变形与摩擦所消耗的功，绝大部分转化为切削热。图1－41为切削热产生的部位及传散情况示意图。

切削热产生的多少及三个变形区产生热量的比例随切削条件不同而不同。加工塑性金属材料时，当后刀面磨损量不大，而切削厚度又较大时，第一变形区内产生的热量最多；当刀具磨损量较大，而切削厚度较小时，第三变形区生热的比例将增大。图1－42为用硬质合金刀具加工镍、铬、钼、钒、钢时，三个变形区产生热量的比例与切削厚度有关系。加工铸铁等脆性材料时由于形成崩碎切屑，刀－屑接触长度小，前刀面上的摩擦小，第一、第二变形区生热比例下降，第三变形区产生切削热的比重会相对增加。

图1－41　切削热的产生与传出

图1－42　三个变形区产生热量的比例

1—第一变形区　2—第二变形区　3—第三变形区

切削过程中产生的总热量可通过各切削分力所消耗的功计算，一般切削条件下，F_f远小于Fz，v_f又远小于v_c，如果忽略进给运动所消耗的功，并假定主运动消耗的功全部转化为热，单位时间内产生的切削热可由下式算出：

Q＝F_zV　　　　　　　　　（1－41）

式中：Q——单位时间内产生的切削热，J·s^－1；

　　　F_z——主切削力，N；

　　　V——切削速度，m／s。

（2）切削热的传出。

切削过程中产生的切削热，将通过切屑、工件、刀具和周围介质向切削区外传散。各途径传散热量的比例与切削形式、刀具、工件材料及周围介质有关。车削加工中50%～86%的热量由切屑带走，40%～10%传入车刀，9%～3%传入工件，1%左右传入空气。钻孔时，28%的热由切屑带走，14.5%传入刀具，52.5%传入工件，5%左右传入周围介质。

另外，切削速度v对各途径传热比例也有一定的影响。切削速度v越高，切屑带走的热量越少，图1－43示出了v对热量传散情况的影响规律。

图1－43　v对切削热传散的影响

Ⅰ—刀具　Ⅱ—工件　Ⅲ—切屑工件材料：40Cr　刀具材料：硬质合金a_p＝1.5mm　f＝0.12mm／r 干切削

3）切削温度及其测量方法

（1）切削温度的概念。

通常所说的切削温度，如不加特别指明，均指切屑、工件和刀具接触区的平均温度，用θ表示切削温度的高低，一方面取决于切削过程中产生热量的多少，另外，还与切削热向外传散的快慢有很大关系。

（2）切削温度的测量。

测量切削温度有多种方法。目前应用较广的是热电偶法。热电偶法测量温度的原理如下：

把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的另一端处于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的一端受热时（称为热端）在冷热端之间就会产生一定的电动势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间便可测量出热电势的值。实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的化学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料一定时，经过标定可得到热电势的值与冷热端温度差之间的关系。

①自然热电偶法测切削区平均温度。自然热电偶法测切削温度方法如图1－44所示，刀具与工件是化学成分不同的两种导体材料，自然地组成一个热电偶。切削时，切削区的高温使刀具与工件的接触端成为热端，处于室温状态的刀具、工件的另一端则成为冷端，用导线将刀具和工件的冷端连接到毫伏表或电位差计上，即可将切削时产生的热电势值测量出来。

图1－44　自然热电偶法测切削温度

1—铜销　2—车床主轴尾部　3—工件　4—刀具　5—毫伏表　6—铜顶尖（与支架绝缘）

自然热电偶法测切削温度时，须事先对刀具和工件两种材料组成的热电偶进行标定，求得热端温度与毫伏表读数值之间关系的标定曲线，见图1－45，这样在测量实际切削温度时，便可根据毫伏表上的读数从标定的曲线上查出其对应的温度值。

图1－45　热电偶标定曲线

②人工热电偶法测工件或刀具上各点的温度。在研究工件、刀具、刀屑上各点温度分布规律时，往往需要了解切削区内各点的切削温度。为此，可采用人工热电偶法进行测量。

人工热电偶法是利用事先标定的两种不同材料的金属丝组成的热电偶来测量工件、刀具上某些点的温度。图1－46为用人工热电偶测工件和刀具上各点温度的示意图。

测量时，将热端通过工件（或刀具）上的小孔固定在被测点上，冷端用导线串接在毫伏表上，由于两金属丝组成的人工热电偶已事先经过标定，所以在实际测温时，根据毫伏表中的数值便可从标定曲线上查得其对应的温度值，即工件或刀具上被测点的温度值。改变测量小的位置并利用传热学原理进行推算，可得出刀具或工件上温度分布的情况，如图1－47所示。从图中可以看出，前、后刀面上的最高温度都在离开切削刃一段距离处（该处称为温度中心）。这是由于切削塑性金属材料时，切屑在沿前刀面流出过程中，摩擦热逐渐增加积累，至粘结区和滑动区交界处，达到最大值。之后摩擦逐渐减小，加工散热条件改善，切削温度又逐渐降低。

图1－46　人工热电偶法测刀具和工件上各点温度1—工件 2—刀具 3—毫伏表

图1－47　刀具、切屑和工件上温度分布工件材料：GCr15 刀具：YT14γ₀＝0°，b_D＝5.8mmh_D＝0.35mm，v_c＝1.33m／s

测量切削温度，除以上两种方法外，还有红外线辐射测量法，显微硬度分析法，金相结构分析法等。

4）影响切削温度的主要因素

切削温度的高低，一方面取决于切削时产生的切削热的多少，同时也取决于切削热传散的快慢。切削条件中对切削温度影响较大的因素有切削用量、刀具角度、工件材料和冷却条件等。

（1）切削用量。

切削用量V，f，a_p对温度Q的影响可用下列经验公式表示：

式中：CQv、CQf、CQap为试验常数，X、Y、Z为试验指数，各常数和指数均大于零。

图1－48为切削45钢时的试验曲线，结果看出，V对温度影响最大，f影响次之，a_p影响最小。

图1－48　切削量对温度的影响

（2）刀具角度。

①前角。前角γ_o增大，切削力减小，消耗的功率及产生的切削热相应减少，故前角在一定范围内增大时，切削温度随前角增大而降低，但当前角增大到一定程度后，则会因刀尖契角减小使散热条件变差的作用变得突出，继续增大刀具反而会使切削温度升高。图1－49示出了θ随γo增加而变化的规律。

②主偏角。在切削深度a_p不变时，减小主偏角κ_r，将使刀刃工作长度增加，散热条件得到改善，但同时，切屑会变得薄而宽，使切屑平均变形增大面是导致生热增加。由于散热作用更大，故θ还是随κ_r的减小而降低。图1－50示出了主偏角对θ的影响规律。

（3）工件材料。

工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。

工件强度大、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的切削热多，故切削温度高。图1－51为切削热处理状态不同的45钢工件时，切削温度的变化情况。

图1－49　前角对切削温度的影响工件材料：45钢 刀具材料：高速钢a_p＝1.5mm，f＝0.2mm／r，v_c＝20m／min

图1－50　主偏角对切削温度的影响a_p＝2mm，r_ε＝20mm

由于45钢在正火、调质和淬火状态下的强度、硬度差别较大，故三者的切削温度差别也相当明显。

工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢（1Cr18Ni9Ti）的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系数小于45钢（约为45钢的1／3）切削温度比45钢高40%。

切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明，切灰铸铁HT200时的切削温度比切45钢大约低25%。

图1－51　45钢不同热处理状态下对切削温度的影响刀具：YT15 γ_o＝15°a_p＝3mm，f＝0.1mm／r

2.切削液

在金属切削过程中合理选用切削液，可以改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦情况，改善散热条件，从而降低切削力、切削温度和刀具磨损。切削液还可以减少刀具与切屑的粘结，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，提高已加工表面质量，可以减少工件热变形，保证加工精度。

1）切削液的作用

通常要求切削液具有以下四方面作用。

（1）冷却作用。

由第5章可知金属切削过程中，三个变形区就是三个热源区，虽然切削液不能阻止热量的产生，也不能直接进入热源区，但是它能从它所能达到的最靠近热源的刀具、切屑和工件表面上带走热量，使刀具最高温度区体积缩小。它的冷却作用，早已被人们所认识，在19世纪末，人们发现用普通的苏打水作为金属切削的冷却液，平均可以提高切削速度30%～40%。

切削液的冷却主要靠热传导，要求它有较高的导热系数和比热。切削液本身的温度也影响它的冷却性能，使用时，要求他有一定的流量和流速。由于切削温度很高，切削液将汽化而大量吸热，因此也要求有较高的汽化热。水的导热系数为油的3～5倍，比热约大1倍，汽化热要大6～12倍，故其冷却性能最好，油类最差，乳化液则介乎二者之间而接近于水。

（2）润滑作用。

金属切削过程中，通常在粘结条件下，切削液是很难进入切屑工件与刀具的界面起润滑作用的。但在粘结面积的周围，总有一个具有部分和断续接触的滑动摩擦区，见图1－52中CD部分。这里的压应力较低，切削液可以迅速渗透，流入切削区，在金属表面上展开和粘附，形成一层牢固的、有一定强度的润滑膜。不仅使金属表面与刀具的粘结局限于小的面积内，减小积屑瘤、抑制鳞刺，提高加工表面光洁度，而且可避免或减小金属和刀具直接接触，起到润滑作用减小切削力。

图1－52　切削界面上的粘结和边缘区

（3）清洗作用。

金属切削过程中，有时产生一些细小的切屑，如切屑铸铁或磨削。为了防止碎屑或磨粉划伤工件已加工表面和机床导轨面，防止磨屑嵌在砂轮空隙中降低磨削性能，要求切削液具有良好的清洗作用。清洗性能的好坏与切削液的渗透性、流动性和使用压力有关。提高乳化液中表面活性剂的含量，然后再以大稀释比制成半透明的乳化液可提高清洗能力。高速磨削与强力磨削时，可用高压提高冲刷能力，及时冲走磨粉。

（4）防锈作用。

为了防止工件、机床、刀具受周围介质腐蚀，要求切削液具有良好的防锈作用。防锈作用取决于切削液本身性能，加入防锈添加剂，可在金属表面吸附或化合，形成保护膜，防止与腐蚀介质接触而起到防锈作用。

除上述作用外，还要求切削液价廉、配制方便、稳定性好、不污染环境和不影响人体健康。以上要求对一种切削液很难全面满足。因此，要根据具体切削条件和使用要求，合理选用。

2）切削液中的添加剂

为了改善切削液的性能而加入的化学物质称为添加剂。常见的有油性、极压添加剂，乳化剂（表面活性剂），防锈添加剂等。

（1）油性、极压添加剂。

油性添加剂主要起渗透和润滑作用。它降低油与金属的界面张力，使切削油很快渗透到切削区，在一定的切削温度下形成物理吸附膜，减小切屑、工件和刀具界面的摩擦。它主要用于一般金属低速精加工时温度和压力较低的边界润滑状态，高温高压时将被破坏。常用的油性添加剂为动、植物油及油酸、胺类、醇类及酯类等。

在极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂来维持润滑膜的强度。它与金属表面起化学反应，形成化学吸附膜，熔点高得多，可防止极压状态下金属摩擦面直接接触，减小摩擦。多数难切削金属的加工，属于极压润滑状态，需加极压添加剂，制成极压切削油应用。常用的极压添加剂为含硫、磷、氯等有机化合物，与金属生成氯化铁、硫化铁、磷酸铁等化学吸附膜，能在高温下保持润滑作用。

（2）乳化剂。

乳化剂是使用矿物油和水乳化，形成稳定乳化液的添加剂。它是一种表面活性剂，它的分子是由极性基团和非极性基团两部分组成。极性基团是亲水的，可溶于水，非极性基团是亲油的，可溶于油，油水本来是互不相溶的，加入乳化剂后，它能定向地排列，吸附在油水两相界面上，极性端向水，非极性端向油，把油和水连接起来，降低油－水界面张力，使油以微小的颗粒稳定地均匀分散在水中，形成水包油（O／W）乳化液，如图1－53（a）所示。这时，水为连续相或外相，油为不连续相或内相。反之就是油包水（W／O）乳化液，如图1－53（b）所示。金属切削中应用的是水包油乳化液。

图1－53　乳化液示意图

表面活性剂在乳化液中，除了起乳化作用外，还能吸附在金属表面上，形成润滑膜，起油性添加剂的作用。

表面活性剂种类很多，配制乳化液时，应用最广的是阴离子型和非离子型。

有时乳化液中还加适量乳化稳定剂如乙醇、乙二醇等，以改善与提高乳化液的稳定性。

（3）防锈添加剂。

它是一种极性很强的化合物，与金属表面有很强的附着力，吸附在金属表面形成保护膜，或与金属表面化合形成钝化膜，起防锈作用。

常用的防锈添加剂有水溶性类和油溶性类。前者以碳酸钠、三乙醇胺等，后者如石油磺酸钠、石油磺酸钡等，应用较广。

除上述添加剂外，有时还可添加抗泡沫剂，防止表面活性剂加入切削液时增多空气混入形成泡沫机会，降低切削效果，有时也可添加防霉添加剂，防止乳化液使用久后变质发臭。

生产中根据具体切削条件和使用要求，综合添加几种添加剂，以得到效果较好的切削液。

3）切削液的种类和选用

（1）切削液的种类。

金属切削加工中常用的切削液可分三大类：水溶液、乳化液、切削油。

①水溶液。水溶液主要成分是水，最简单的是在水中加入一定防锈添加剂，为了具有一定的润滑性能，可加入一定量表面活性物质和油性添加剂。这样就使水溶液既有良好冷却性，又有一定润滑性，同时又透明，操作者便于观察，某些情况下可代替乳化液，多用于磨削，也可用于切削。

②乳化液。乳化液是乳化油用水稀释而成。乳化油是由矿物油、乳化剂及添加剂配成，用95%～98%水稀释成乳白色的或半透明的乳化液。它有良好的冷却作用，但润滑、防锈性能较差，可再加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配成极压乳化液和防锈乳化液。前者适用于极压边界摩擦，可代替植物油，后者适用于防锈性能要求较高的加工。

③切削油。主要成分是矿物油。常用的有5^＃、7^＃、10^＃、20^＃、30^＃机械油和轻柴油、煤油等，但不适用于边界润滑，边界润滑需要加入油性、极压添加剂。

也有少数采用动植物油，如豆油、菜油、棉籽油、蓖麻油、猪油等。

复合油是将植物油或动物油脂与矿物油混合制成。它们在边界润滑状态下具有良好的润滑作用，适用于低速精加工。但它们是食用油，又容易变质，故最好不用或少用，由含硫、氯等极压添加剂的矿物油代用。

常用的切削液配方可参考《机械工程手册》第46篇。

此外，也有采用固体润滑剂的，如二硫化钼，其摩擦系数很小，有很高的抗压能力和附着能力，不与酸碱起作用，温度稳定性好，40℃左右才开始分解。将二硫化钼与硬脂酸及石蜡做成蜡笔，涂于刀具表面，或混合在水中或油中，涂抹在刀具表面，可提高刀具耐用度和加工表面光洁度。如对钢件30CrMnSiA攻丝，效果显著。

（2）切削液的合理选用。

切削液应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求的具体情况选用，否则不能取得应有的效果。

高速钢刀具耐热性差，故应采用切削液。粗加工时，金属切除量多，产生热量大，刀具容易磨损。使用切削液的主要目的为降低切削温度，可选用以冷却为主的切削液，如3%～5%乳化液或水溶液。精加工时主要改善加工表面质量，应选用润滑性好的极压切削油或高浓度极压乳化液。

硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液，必要时也可采用低浓度乳化液或水溶液，但必须连续，充分地供应，否则高温下刀片冷热不匀，容易产生很大内应力而导致裂纹。

从加工材料考虑，切削钢料等塑性材料，需用切削液。切削铸铁等脆性材料，则一般可不用切削液，因为作用不如切钢时明显，且容易搞脏工作地。对于高强度钢、高温合金等难加工材料，对切削液的冷却、润滑等方面，均有较高要求。这类材料的切削加工均处于极压润滑摩擦状态，故应选用极压切削油或极压乳化液，有时还需专门配制特殊的切削液以适应其切削要求。对于铜、铝及铝合金，为了得到较高表面质量和精度，可采用10%～20%乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合。但要注意硫会腐蚀铜，故切铜时不用含硫的切削液。铝的强度低，如果极压添加剂与金属形成的化合物强度超过金属本身，这种切削液将带来相反效果，故切铝时也不宜用硫化切削油。

再从加工方法考虑，钻孔、攻丝、铰孔和位削等，其排屑方式为半封闭状态，导向部分或校正部分与已加工表面的摩擦也严重，对硬度高、强度大、韧性大、冷硬严重的难切削材料尤为突出，宜用乳化液、极压乳化液和极压切削油。成形刀具、螺纹和齿轮刀具要求保持形状、尺寸精度，且其加工成本高，刃磨复杂，要求较高耐用度，也应采用润滑性较好的极压切削油或高浓度极压切削液。磨削加工温度很高，且细小磨屑会破坏工件表面质量，要求切削液具有较好冷却性能和清洗性能，常用半透明或透明的水溶液和普通乳化液。磨削不锈钢、高温合金则宜用润滑性能较好的水溶液和极压乳化液。

常用的切削液选用参考表1－9。

表1－9　　　切削液选用推荐表

＊本表中数字的意义如下：

　　0—干切削；　　　　　　　　5—普通矿物油；

　　1—润滑性不强的水溶液；　　6—煤油；

　　2—润滑性较好的水溶液；　　7—含硫、含氯的极压切削油，或动植物油与矿物油的复合油；

　　3—普通乳化液；　　　　　　8—含硫氯、氯磷或氯磷的极压切削油。

　　4—极压乳化液；

4）切削液的使用方法

常见的切削液使用方法有浇注法、高压冷却法和喷雾冷却法：

（1）浇注法（见图1－54）。

浇注法使用方便，应用广泛，但流量慢、压力低，较难直接进入刀刃最高温度处，故效果较差。使用时应使切削液尽量接近切削区。E.M.Trent等的试验表明：切削液喷注于副后刀面能有效地降低刀具中受到过热严重影响的体积的温度。筱崎的试验表明：切削液从刀－屑接触界面的侧面供给，能提高加工表面质量。M.C.Shaw认为切削液从侧面浸入是依靠毛细管现象和刀屑间相对振动所产生的泵吸作用。

另外当用不同刀具切削时，最好能根据刀具的形状和切削刃的数目，相应地改变浇注口的形式和数目。浇注切削液的流量在车、铣时约为0.17～0.33L／s（10～20L／min）。

（2）高压冷却法。

深孔加工时，利用高压的切削液，可以直接接近切削区起冷却、润滑作用，并将碎断的切屑随液流带出孔外。工作压力约为0.891～9.81MPa（10～100kgf／cm²），流量约为0.83～2.5L／s（50～150L／min）。

高压冷却法还可用于高速钢车刀进行难切削材料的车削，可显著提高刀具耐用度。一般以1.47～1.96MPa（15～20kgf／cm²）的高压从0.5～0.7mm直径的喷嘴将切削液从后刀面喷射到与工件间的接触区。切削液可用一般乳化液也可用切削油，流量为0.013～0.017L／s（0.75～1L／min）由于切削液的高速流动，改善了渗透性，易于达到切削区，提高了冷却效果。缺点是飞溅严重，需加护罩。

（3）喷雾冷却法。

喷雾冷却法是以压力为0.29～0.59MPa（3～6kgf／cm²）的压缩空气，借助喷雾器使切削液雾化，经直径1.5～3mm的喷嘴，高速喷射到切削区，见图1－55。高速气流带着雾化成细小液滴的切削液能渗透到切削区接触面间。遇到灼热的表面时，很快汽化，吸收大量热量。

图1－54　浇注法冷却示意图

图1－55　喷雾冷却示意图