金属切削效益分析

1.4　金属切削效益分析

1.4.1　零件的加工表面质量

加工表面质量（简称表面质量）主要包括：工件表面光洁度的高低；表层残余应力的性质、大小和分布情况；表面冷硬程度、冷硬层深度。

机器零件表面质量的高低，直接影响机器使用的性能。目前，随着生产和科研的发展，对表面质量提出了更高的要求。

1.表面质量对零件使用性能影响

1）表面质量对零件耐磨性能的影响

表面质量的高低，对零件的耐磨性能和装配质量影响很大，切削加工后的零件表面，在微观上是由许多峰谷构成的。两个零件表面相接触，实际上是凸峰最先磨损。在动配合中，由于相互的摩擦作用，表面凸峰先被磨掉，因而逐步失去原有的尺寸精度和形状，使配合间隙加大，改变了原有的配合性质；在静配合中，表面受到挤压后，凸峰便产生弹性变形和塑性变形，凸峰被磨掉，减少了实际过盈量，改变了原有的配合性质。一般来说，光洁度低的零件，装配后接触刚度低、运动平稳性差，机器噪音大、使用寿命低。零件光洁度太差，甚至会使机器达不到预期的性能。但是，光洁度不一定越高越好（如机床导轨以▽6～▽7较为合理），太高的光洁度反而不利于润滑油的贮存，加快机器磨损。另外，零件表面的硬度越高，耐磨性能越好。如果表面过度强化甚至出现裂纹，磨损反而急剧增加，引起断裂。

2）表面质量对疲劳强度的影响

工件表面微观不平度在承受交变载荷的作用下，对疲劳强度影响很大。表面的凹陷越深，底部的半径越小，应力集中现象越强烈，也就越容易在表面凹陷底部开始金属晶体破坏，产生细微的裂纹并逐步扩大加深，直至最后断裂。金属表面光洁度越低，冷硬现象和残余拉应力越大，疲劳强度就越低。表面光洁度越高，因材料的疲劳而引起的表面裂纹机会越少（如研磨、超精加工等），疲劳强度越高。残余应力集中的敏感性以钢材为最强，铸铁和有色金属较弱，所以表面微观不平度对后者的疲劳强度影响不大。

冷硬现象（表面硬化）对疲劳强度的影响很大，它能阻碍表面层疲劳裂纹的出现，从而提高零件疲劳强度。但冷硬程度过大时，反而会产生裂纹，降低零件抵抗疲劳强度的能力，所以冷硬程度和深度要控制在一定的范围内。

残余应力对疲劳强度有极大的影响。表面内有残余压应力，可以部分的抵消交变载荷下所产生的拉应力作用，阻碍裂纹的产生与扩张，疲劳强度提高50%左右。当表面有残余应力时，残余拉应力越大，疲劳强度越低，但降低值与压应力不相对应，仅为30%左右。

3）表面质量对抗腐蚀性的影响

提高表面质量是增加抗腐蚀能力的有效措施，大气里所含的气体和液体金属表面相接触，便凝结在金属表面上，对表面有腐蚀作用。腐蚀的物质沉淀在不平度的凹部，逐渐向表面内侵蚀。当侵蚀的裂缝相交时，凸峰被腐蚀脱落，形成新的凹凸面，这种腐蚀作用是不断重复进行的。表面不平度的形状，对腐蚀作用有很大影响，表面凹陷底部处曲率半径越大，抗腐蚀能力越强。残余应力对表面腐蚀性有一定影响，当零件表面存在残余压应力时，能使表层的显微裂纹合拢，阻碍侵蚀作用的扩张，比存在残余拉应力的表面抗腐蚀性能强。

2.提高表面质量的途径

1）影响表面粗糙度的因素

提高表面质量，首先要分析金属已加工表面的形成过程。在切削过程中，刀具通过刀刃除去毛坯余量，前刀面推挤切屑，后刀面在第三变形区挤压工件，产生变形及硬化，并形成已加工表面。已加工表面的弹性恢复高度越大，后刀面的摩擦面积也就越大，容易擦伤表面。摩擦力增大会使残余应力增加，降低表面质量。已加工表面残留面积高度（刀花深度）越大，表面光洁度也就越低。

切削过程中产生的积屑瘤、鳞刺和振动，会降低表面光洁度。刀具刃磨质量的高低以及切削方式等（如铣削中的对称端铣和不对称端铣等），都影响已加工表面光洁度。

2）提高表面质量的途径

表面质量是一个涉及面非常广泛的问题，因为凡是参与切削因素，都在不同程度上影响着表面质量。归纳起来，提高表面质量的途径，主要有以下五个方面：

（1）刀具方面。

合理选择刀具几何角度，提高刀具刃磨质量，减小金属变形，是提高表面质量的有效措施。

①加大前角，使刀具锋利，能降低切削力，减小金属塑性变形。

②适当减小主偏角、副偏角，增加过渡刃和修光刃，能有效地降低理论残留高度H，提高表面质量。图1－69为车削残留面积高度示意图，因此κ′_r越小则H越小。

对　　　　　　

图1－69　尖刀车削的残留高度

③采用斜角（刃倾角）切削。由于斜角增大了实际前角，减小了刃口的实际圆弧半径，从而降低了表面残余应力和冷硬程度。大斜度还改变了切削流出的方向，使切屑不与加工表面相碰，避免划伤表面。

④刀具角度确定后，提高刃磨质量、控制刀具磨损量，是提高表面质量的关键。精加工的刀具刃磨后，最好再经过研磨，以提高前、后刀面的表面光洁度。这样能减小摩擦力、切削力和切削温度，抑制积屑瘤和鳞刺的生成。“好刀要看刃”，刀刃磨得越光整，已加工表面质量也就越高。

⑤合理选择刀具材料。在切削过程中，由于刀具材料的耐热性、耐磨性及抗粘结性等，对金属塑性变形、切削热、刀具磨损及刀刃形状的保持都有影响，因此要针对工件材料的性能和加工条件，合理选择刀具材料，这对提高表面质量是有重要意义的。

（2）工件材料方面。

改善工件材料的切削加工性能和力学物理性能，有利于提高表面质量。

①提高坯件质量。铸、锻毛坯的表面要尽量规整，以避免由余量不均或连续冲击而引起的振动。注意坯件的硬度及组织的均匀性，以减少切削力的波动和刀具磨损，提高表面质量。

②通过热处理方法，改善加工性。例如，提高塑性大的工件材料硬度，能减少塑性变形；减小残余应力和冷硬程度，还能抑制积屑瘤、鳞刺的产生，从而提高表面质量。

③切削用量方面。提高切削速度，可以减小金属变形，降低积屑瘤和鳞刺的高度，甚至使其消失。例如，车削端面，从外圆到中心部的切削速度是连续变化的，端面上的光洁度也随着切削速度的高低而变化。因此，要合理地选择切削深度和走刀量。在半精加工和精加工中，采用较小的切削深度和走刀量，能减小理论残留高度和表面实际不平度，提高表面质量。

④冷却润滑液方面。使用冷却润滑液，能够降低切削温度和塑性变形，减少摩擦抑制积屑瘤和鳞刺的产生，降低理论残留高度H。要根据工件材料及所用刀具材料，正确选用冷却润滑液，还要与适当的冷却润滑方式相配合。采用较高的压力强制排屑，能减少擦伤，提高表面质量。

⑤其他方面。提高机床—夹具—刀具—工件的系统刚性及运动精度。如果刚性好，运动精度高，能减少切削力的波动，避免振动，从而保证切削加工的平稳性，以提高表面质量。

1.4.2　材料的切削加工性

1.衡量材料可切削加工性指标

常用切削加工性能指标有以下几个：

（1）一定刀具耐用度T1的切削速度v_T，即刀具耐用度为T（min）时切削某种材料的所允许切削速度。v_T越高，材料的切削加工性越好。若取T＝60min则v_T可写作v₆₀。

（2）相对加工性κ′_r，即各种材料的v₆₀与45＃钢（正火）的v₆₀比值。由于把后者的v₆₀作为比较的基准，故写作（v₆₀）j，于是κ_r＝v₆₀／（v₆₀）j。若κ_r＞1，其切削加工性比45^＃钢好；反之则切削加工性比45^＃钢差。

（3）已加工表面质量。凡较容易获得好的表面质量的材料，其切削加工性较好；反之则较差。精加工时，常以此为衡量指标。

（4）切屑控制或断屑的难易。凡切屑较容易控制或易于断屑的材料，其切削加工性较好；反之较差。在自动机床或自动线上加工时，常以此为衡量指标。

（5）切削力。在相同的切削条件下，凡切削力较小的材料，其切削加工性较好；反之较差。在粗加工中，当机床刚性或动力不足时，常以此为衡量指标。

v_r和κ_r是最常用的切削加工性指标，对于不同的加工条件都能适用。

2.影响材料可切削加工性因素

1）材料的化学成分

（1）碳对切削加工性的影响。碳素钢的强度、硬度随含碳量的增加而提高，而塑性、韧性则随含碳量的增加而降低。低碳钢的塑性、韧性较高，高碳钢的硬度及强度较高，这都给切削加工带来一定的困难。中碳钢的硬度、强度、塑性及韧性居于高碳钢与低碳钢之间，所以切削加工比较容易。

（2）其他合金元素对切削加工性的影响。在金属中加入合金元素，一般将提高材料的力学性能，并改变材料的物理性能，从而提高了金属的反切削能力。故一般降低切削加工性的硅、铬、镍、钒、钼、钨、镉等合金元素的加入均会降低材料的可切削加工性。硫、硒、铅等合金元素的加入可改善材料的可切削加工性。

2）金相组织的影响

一般情况下，塑性、韧性高或硬度、强度高的组织构成的材料，则可切削加工性差。反之则好。

低碳钢铁素体含量较高，所以强度硬度低，延伸率高，易产生塑性变形。奥氏体不锈钢因为高温硬度、强度比低碳钢高，而塑性也高，切削时而容易产生冷硬现象，所以比较难加工。淬火钢的组织以马氏体为主，所以硬度、强度均高，不易加工。中碳钢的金相组织是珠光体加铁素体，具有中等的硬度、强度和塑性，因此容易加工。灰铸铁中游离石墨比冷硬铸铁多，所以加工性好。

3）材料的机械性能对切削加工性之影响

（1）硬度。

硬度是指材料抵制物体压入自己表面的能力，广义地讲，是指材料抵抗塑性变形、划痕、磨损和切割的抗力。因此，硬度是影响工件材料切削加工性的重要因素。

一般说，工件材料的硬度越高，刀具磨损越快，允许的切削速度就相对降低，切削加工性也越差。冷硬铸铁比灰铸铁难加工就是这个原因。因为切削加工时，切削温度很高，所以工件材料的高温硬度对其加工性有着更显著的影响。耐热钢比一般碳素钢难加就是因为耐热钢的高温硬度比碳素钢高。

硬度越高则加工性越差，这是金属材料在切削加工中的一般规律。但也有特殊情况，如磨削时，硬度过低反而容易堵塞砂轮，并使已加工表面热应力增加。因此，要具体问题具体分析，要和工件材料的其他性能联系起来研究。当硬度过低或过高时，在条件允许的情况下，可用不同的热处理工艺改变金相组织，以改善切削加工性。

（2）强度。

强度主要指材料的抗拉强度。工件材料强度越高，切削力越大，消耗的功率也就越多，切削温度越高。因此，一般情况下，加工性随工件材料强度的提高而降低。

工件材料的高温强度越高，加工性越差。

（3）塑性。

塑性是指在外力作用下，产生塑性变形而不被破坏的能力。力学性能中的延伸率和面缩率是表示塑性高低的主要指标，符号各为δ和ψ。

一般情况下，纯金属的塑性比合金高，钢的塑性随含碳量提高而降低。

工件材料的塑性高低，直接影响着被切金属的塑性变形程度，因而，也将影响切削力的大小、切削温度的高低以及积屑瘤生成的难易程度和切屑的形状，从而影响工件材料的切削加工性。在硬度和强度相近的条件下，塑性大的金属在切削过程中产生的切削力大，切削温度高，所以，刀具磨损要比塑性低的快。加工无氧铜时刀具的耐用度低，就是这个道理。另外，工件材料的塑性越大，在一定条件下会增加积屑瘤生成的可能性。同时，塑性高的金属断屑困难，因此，材料塑性越大，可加工性能越差。

（4）韧性及弹性模量。

韧性在力学性能中以冲击值表示，符号为a_k，单位为kg／cm²（公斤·米／厘米2），是反映工件材料在破断之前吸收的能量和进行塑性变形的能力。因此，材料的强度和塑性对其韧性都有影响。

工件材料的韧性越高，切削加工中切削力越大，切削温度越高，加工越困难，加工性越差。

弹性模量越小，在一定的应力作用下弹性变形越大。不同工件材料的弹性模量差别很大。在切削过程中，存在着弹性变形。弹性模量小的工件材料，在已加工表面形成过程中的弹性恢复大，引起后刀面和已加工表面之间的强烈摩擦，因此切削加工性差。

（5）导热系数与线膨胀系数。

切削过程中产生的切削热，主要由切屑、工件及刀具等传导出去，而大部分热量是由切屑带走的。切屑带走的热量越多，切削温度就越低，对提高刀具的耐用度及减小工件的热变形都有好处。切屑带走热量的多少，和工件材料的导热系数有关。导热系数高，切屑带走的热量多，因此切削加工性好。

一般线膨胀系数的材料尺寸变化范围较大，加工质量难以保证故切削加工性差。

改善工件材料的切削加工性通常可通过以下三个途径：

①选择加工性好的存在状态。低碳钢以冷拔及热轧状态最好加工；中碳钢以部分球化的珠光体组织最好加工；高碳钢则以完全球化的退火状态加工性最好。

②通过热处理改善加工性。例如工具钢，一般经退火处理可降低硬度、强度、提高加工性。白口铸铁可以加热到950～1100℃，通过保温、退火来提高加工性。

有的工件材料通过调质处理，提高硬度、强度，降低塑性来改善加工性。例如车制不锈钢2Cr13螺纹时，由于硬度太低，塑性较大，光洁度不易提高，当经调质处理后，硬度提高到HRC28时，塑性下降，光洁度可以改善，生产效率也相应提高。

还有一些工件材料，例如氮化钢，为了减小工件已加工表面的残余应力，可采取去应力退火。

时效处理也是改善加工性的方法。例如加工Cr20Ni80Ti3之前，先加热到1000℃保持2～4h，然后在900～950℃温度下时效处理16h，再在空气中冷却，这样处理可以提高切削加工性。

用热处理的方法改善加工性，要在工艺允许范围内进行，而且具体采用那一种热处理规范，要根据工厂的条件而定。

③在工艺要求许可的范围内，选用加工性好的工件材料。例如机床用的某些丝杠，可以选用易切钢。自动机、自动线生产中使用易切材料，对提高刀具耐用度及保证稳定生产有重要作用。这是由于易切钢中的金属夹杂物（如MnS）具有润滑与脆化的作用，可以降低切削力，克服粘刀现象，并使切屑容易折断。

我国常用的易切钢是硫易切钢，其力学性能及切削加工性分级列于表1－11。

表1－11　　　　　易切钢力学、物理性能及切削加工性分级表

随着切削加工技术和刀具材料的发展，工件材料的加工性也会发生变化。例如电加工的出现，使一些原来认为难加工的材料，变得不难加工；“群钻”的发展，使碳素结构钢和合金结构钢钻孔的加工性差距缩小了。

1.4.3　刀具几何参数的合理选择

在切削加工过程中，作为刀具必须具备一定的切削性能，才能顺利地切除多余的金属，形成已加工表面。刀具的切削性能主要决定于制造刀具的材料、刀具的结构、刀具切削部分的几何参数。其中，刀具材料固然是最重要的因素，但当刀具材料和刀具结构选定之后，刀具切削部分的几何参数对切削性能的影响就成为十分重要的因素。切削过程中，切削力的大小，切削温度的高低，切屑的连续与碎断，刀具耐用度的高低，加工质量的好坏，生产效率和生产成本的高低，都与刀具几何参数的选择有很大关系。刀具几何参数选得合理，就能充分发挥刀具材料的性能，有效地进行切削加工；反之，如果刀具几何参数选得不合理，即使刀具材料很好，也不能充分发挥它的效能。

合理选择刀具几何参数的出发点，应该是力求达到既能保证加工质量好，刀具耐用度高，又能提高生产效率，降低生产成本的目标。其中，究竟哪项要求是主要的，还要根据具体的加工情况，进行具体的分析。一般来说：粗加工或半精加工时，应着重考虑提高生产效率和刀具耐用度，来合理选择刀具的几何参数；而精加工时，就要着重考虑保证加工质量的要求。

选择刀具几何参数时，还必须指出，刀具切削部分的几何参数是一个统一的整体，各个参数之间是互相联系的，应该根据具体情况综合考虑。因为每一个几何参数的变更，都对刀具的切削性能有直接的影响，但影响往往是两方面的——有利的一面和不利的一面。而各个几何参数所起的作用和影响又往往各不相同。因此，应该根据具体的情况，综合考虑它们的作用与影响，合理地选择它们的具体数值。不仅考虑每一参数的作用，还要考虑各参数之间的相互影响。这样，才能充分发挥它们的有利作用，克服不利的影响，从而更充分地发挥刀具的切削性能。下面分别介绍各个几何参数的选择原则。

1.前角的功用及选择

1）前角对切削过程之影响

前角是刀具上最重要的几何参数之一，它的主要功用为：

（1）增大前角能减小切屑的变形，减少切削力，降低切削温度和动力消耗。

（2）增大前角能改善切屑对前刀面的摩擦，减少刀具磨损，提高刀具耐用度。

（3）增大前角能改善加工表面质量，抑制积屑瘤与鳞刺的产生，减少切削振动。

（4）前角过大，将削弱刃口强度，减少散热体积，影响刀片受力情况，容易造成崩刀。

2）前角的合理选择

根据前角对切削过程的影响可知，前角既不能太大，也不宜过小，应有一个合理的数值。

一般地，前角的合理值取决于工件材料、刀具材料及加工性质。

工件材料的塑性越大，前角合理的数值越大；塑性越小，前角的合理数值就越小。这是因为切削塑性大的材料时，增大前角能显著减少切屑的变形，减少切削力与切削热，同时切削塑性材料时常得到带状切屑，切屑与前刀面的接触面积较大，刃口受力与散热条件较好，因而应取较大的前角。加工脆性材料时，一般得到崩碎切屑，切屑的变形很小，增大前角意义不大，切削力和切削热集中在刃口附近，受力及散热情况较差，为避免崩刃，应取较小的前角。工件材料的强度、硬度越大，合理的前角数值越小；反之则前角的合理数值就越大。这是因为工件材料强度、硬度越大，产生的切削力越大，切削热越多，为了使切削刃具有足够的强度和散热体积，以防崩刃和迅速磨损，因此应取较小的前角。对于抗弯强度及抗冲击韧性比较好的刀具材料，可选较大前角。粗加工时，切削深度、进给量比较大，为了减少切屑的变形，提高刀具耐用度，希望选取较大的前角，但考虑到毛坯形状不规则，可能有表层硬皮，加工余量不均匀，为保证切削刃有足够的强度，前角就要选得小些。精加工时，进给量小，为使刃口锋利，以提高加工表面质量，应取较大的前角。

另外，机床、工件、刀具的系统刚度也对选取前角有一定的影响，刚度差时，一般应选取较大的前角。表1－12为硬质合金车刀合理前角参考值。

表1－12　硬质合金车刀合理前角参考值

注：1.粗加工用的硬质合金车刀，通常都磨有负倒棱及负刃倾角。

　　2.高速钢车刀的前角，一般可比上表数值大些。

2.后角对切削过程的影响及合理选择

1）后角对切削过程的影响

（1）增大后角能减少后刀面与工件加工表面之间的摩擦。从而减少刀具的磨损，提高加工表面质量和刀具耐用度。并可减少刃口钝圆半径r_n（见图1－70）使刃口锋利，这样就使摩擦进一步减少，降低磨损，从而可提高刀具耐用度，改善加工表面质量。

图1－70　后角对刃口钝圆半径及接触情况的影响

（2）增大后角，在同样的磨钝标准VB条件下，刀具由新刃磨用到磨钝，允许磨去的金属体积较大，（见图1－71）因而有利于提高刀具耐用度。但后角越大，在同样的磨钝标准条件下，刀具的径向磨损值NB增大，因此一些精加工刀具，当尺寸精度要求高时，就不宜按一般原则采用大的后角。

（3）如后角α过大，楔角β减小，则将削弱刃口强度，减少散热体积，磨损反而加剧，导致刀具耐用度下降，且易发生颤振。

2）后角的合理选择

从以上分析可以看出，后角增大虽可减少后刀面与加工表面之间的摩擦。减小刃口钝圆半径r_n，减少磨损，提高刀具耐用度和加工表面质量，但后角过大则将削弱刃口强度，恶化散热条件，刀具耐用度反而降低。因此，后角α过大、过小，对切削过程和刀具耐用度都是不利的。在一定的切削条件下，它有一个合理的数值。通常合理的后角值是根据切削原理来选择的，图1－72为不同切削厚度时的合理后角值α_opt。

由图1－72可看出，切削厚度越小，后角越大；切削厚度越大，则后角越小。这是因为切削厚度较小时，后刀面的磨损比较显著，而前刀面上的月牙洼磨损较轻微，增大后角可以减少后刀面磨损。相反，切削厚度较大时，前刀面月牙洼磨损较显著，而后刀面磨损相对下降，这时用较小的后角可以增大刀头散热体积，减少前刀面月牙洼磨损。粗加工时切削厚度较大，宜选用较小的后角；精加工时，切削厚度较小，则应选用较大的后角。合理选取刀具的后角，除在一定的条件下主要取决于切削厚度外，还同工件材料、刀具材料及加工条件有关。例如，工件材料硬度、强度较高时，为保证刃口强度，宜取较小的后角；工件材料较软、塑性较大时，为减少后刀面的摩擦磨损，应取较大的后角；加工脆性材料时，切削力集中在刃口附近，宜取较小后角。工艺系统刚度较差时，为适当增大刀具后刀面和加工表面之间的接触面积，以达到阻尼消振的目的，也应取较小的后角。对于尺寸精度要求高的精加工用刀具（如拉刀、铰刀等）为了保证较高的尺寸耐用度，后角也应取得较小。

图1－71　后角对磨损量的影响

图1－72　切削厚度对合理后角的影响

表1－13列出了硬质合金车刀常用后角的合理数值，供参考。

表1－13　　　　　硬质合金车刀合理后角参考值

3）副后角的作用

副后角α′_o的作用与后角α_o类似，副后角是用来减少副后刀面同已加工表面之间的摩擦。副后角对刀尖强度刀有一定的影响。一般对于车刀、端铣刀等的副后角磨成与后角α_o相等。但在某些特殊情况下，如切断刀，为了保证刀尖的强度或保持重磨后的精度等原因，α′_o应选很小的值，通常α′_o＝1°～2°。

3.主偏角及副偏角对切削过程的影响和选用

1）主偏角对切削过程的影响及选用

（1）主偏角对切削过程的影响。

主偏角κ_r也是刀具切削部分的重要几何参数之一，对切削过程的主要影响是：

①主偏角κ_r的变化，影响各切削分力的大小比值与产生振动的可能性。减小主偏角κ_r，则吃力抗力Fy增大，走刀抗力Fx减小；反之加大主偏角κ_r，则可使Fy减小，Fx增大。当工艺系统刚度较差时，若过于减小κ_r，F_y显著减小，就可能引起振动，造成损坏刀具，顶弯工件。

②主偏角κ_r的变化，影响切削截面的形状。在切削深度和进给量一定的情况下，随着κ_r角的减小，切削厚度将减小，切削宽度增加，切削刃参加工件的长度增加，切削刃单位长度的负荷减轻，刀尖角增大，这就会提高刀尖强度，改善散热条件，因而可提高刀具耐用度。

③主偏角κ_r影响工件表面形状。当车削阶梯轴时，应选用κ_r＝90°；而当车削外圆端面及倒角时，则可选κ_r＝45°。

④主偏角κ_r的大小，还影响断屑的效果。κ_r越大时，切削厚度越大，切削宽度越小，越容易断屑。

此外主偏角κ_r的大小，还可能影响残留面积的高度，当主切削刃的直线部分参与形成残留面积时，减小κ_r，可提高加工表面光洁度。

（2）一般在机床工艺系统刚度允许的情况下，选用较小的主偏角，加工高强、高硬材料时，为减轻单位切削刃上的负荷，增强刀尖强度，改善散热条件，以提高刀具耐用度就要取较小的主偏角，κ_r＝10°～30°。在高速强力切削时，为防止振动应选用较大的主偏角，一般κ_r＞15°。

2）副偏角κ′_r对切削过程的影响及选择

副偏角κ′_r对切削过程的影响是：减小副偏角κ′_r，则可以显著减少切削后的残留面积（见图1－73），提高表面光洁度。且可增强刀尖强度。但κ′_r太小就会增加副后刀面同已加工表面之间的摩擦，从而可能引起振动。副偏角κ′_r的合理数值主要是根据工件加工表面光洁度和具体的加工情况而定的，一般取κ′_r为5°～15°。但当加工中间切入的工件时，取κ′_r为30°～45°；而切断刀、槽铣刀等，为了保证刀头强度和重磨后宽度变化较小，只能取很小的副偏角，κ′_r＝1°～2°。

图1－73　副偏角对残留面积的影响

4.刃倾角λ_s对切削过程的影响及选择

1）刃倾角λ_s对切削过程的影响

（1）刃倾角λ_s正负的变化，直接控制切屑的卷曲和流出的方向。直接确定着流屑角ψλ的大小和正负。（见前所述）。图1－74所示为外圆车刀刃倾角λ_s对流屑方向的影响，当λ_s为负值时，切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤；当λ_s为正值时，切屑则朝着待加工表面流出。

图1－74　刃倾角对流屑方向的影响

（2）刃倾角λ_s的正负影响刀尖强度，在非自由切削断续表面时，负的刃倾角使刀尖位于切削刃的最低点，切入工件时，首先是切削刃上离刀尖较远的部分先接触工件，这样就可以起到保护刀尖的作用，增强了刃口的强度，有利于承受冲击载荷。

（3）刃倾角λ_s的大小影响切削过程的平稳性，在断续切削情况下，当刃倾角λ_s＝0°时，整个切削刃上各点同时切入和切出，冲击大；当刃倾角λ_s≠0°时，切削刃逐渐切入工件，冲击小，使切入切出平稳。且刃倾角λ_s越大，切削刃越长，切削过程越平稳。

（4）刃倾角λ_s的正负和大小，影响各切削分力的比值。负值λ_s越大，吃刀抗力Fy越大，当工艺系统刚度较差时，容易引起振动。这是非自由切削刀具，限制选取过大λ_s的主要原因。

2）刃倾角的合理选择及参考值

综合以上分析。刃倾角λ_s的合理数值及其正负，主要是根据工作条件来选取的。通常加工钢和铸铁，精车时，为了避免切屑划伤已加工表面，常取λ_s＝0°～＋4°；粗车时，为了提高刃口强度，常取λ_s＝0°～－4°。当切削断续表面承受冲击载荷时，为保护刀尖，常取较大的负刃倾角λ_s＝－5°～－15°。车削淬硬钢时，取λ_s＝－5°～－12°。

合理选择刃倾角λ_s对改革刀具的作用很大，刃倾角在多刃刀具上的应用也越来越多，目前具有大刃倾角的刀具在生产中获得了日益广泛的应用，如大刃倾角外圆精车刀、大刃倾角精刨刀、大螺旋角圆柱铣刀、大螺旋角立铣刀、大螺旋角立铰刀及大螺旋角丝锥等。

1.4.4　切削用量的合理选择

1.切削用量合理选择方法

1）计算法

由切削力与切削用量关系式（式1－38），刀具耐用度与切削用量关系式（式1－48）及切削功率与切削用量之关系式可知，根据已知条件，通过实验求出或表格中查到公式中的系数与指数后，即可大致计算出所需的切削用量。当切削深度选定后，粗加工时限制进给量增大的主要约束条件是工艺系统的强度与刚度；因此，可通过切削力公式计算出容许的半精与精加工时限制进给量增大的主要约束条件是加工表面光洁度与加工精度，也可按经验公式计算，但根据加工要求直接从表格中查出更为方便。限制切削速度提高的主要约束条件是刀具耐用度与机床功率，因此当耐用度选定后，即可由耐用度与切削用量的关系式计算切削速度v，再通过功率公式校检机床功率是否允许。

2）查表法

对切削加工生产现场来说，最方便的是根据手册选择切削用量。手册中的数据是在积累了大量的生产经验及试验研究工作的基础上，经过科学的数据处理方法，建立起上述诸方程后制定出来的。

3）图解法

利用上述六个公式可以绘制成各种图表，直接从图表上选择切削用量。特别是针对具体机床制成的切削用量图表，更适合于生产现场使用。

2.选择步骤

在选择切削用量时，首先应根据给定的条件，与前面各章推荐的表格与切削用量手册，确定刀具的类型、结构、刀具材料，刀杆与刀片的形状、尺寸，刀具切削部分的几何参数，断屑槽尺寸，刀具的磨损限度与刀具耐用度。

1）确定切削深度a_p

一般根据加工性质与加工余量确定a_p。在保留半精与精加工余量的前提下将粗加工余量一次切掉。采用硬质合金车刀车外圆时，一般粗车取a_p＝2～6mm，半精加工时常取a_p＝0.3～2.0mm。

2）确定进给量f

进给量可由查表法初选。粗车时，根据工件材料、刀杆尺寸、工件直径与选定的切削深度进行选择，一般f＝0.3～0.6mm／r；半精车与精车时，根据工件材料、加工光洁度要求，预先估计的切削速度与刀尖圆弧半径进行选择，常取f＝0.08～0.3mm／r。此外，还需要考虑到所选的进给量能满足加工精度，甚至卷屑、断屑的要求。

3）确定切削速度v与机床主轴转数n

a_p与f选定后，即可按式（1－64）计算v，根据工件尺寸计算工件转数n，然后根据机床说明书取较低而相近的机床主轴转数n，最后再计算一下实际切削速度。

切削用量选择完成后还需校检机床功率PE，主轴扭矩M及机动时间t_m是否满足要求。

3.举例

1）已知条件

工件材料：45钢，锻件，正火，σ_b＝0.637GPa（65kgf／mm²）。工件形状与尺寸：见图1－75。加工要求：粗车外圆。粗糙度为12.6。机床：C620－3型普通车床。

2）确定刀具

根据工件尺寸与表面光洁度的要求，采用粗车与半精车两道工序。为此，理应选取不同的刀具材料与不同的几何参数，但为了减少换刀时的辅助时间，决定采用同一把机夹硬质合金外圆车刀加工，刀杆尺寸16mm×25mm，刀片材料为YT15，几何参数粗、半精加工兼顾，取γ_o＝15°，α_o＝6°，κ_r＝75°，κ′_r＝15°，λ_s＝0°，r_ε＝1.0mm，γ_o1＝－10°，b_r1＝0.3mm。

3）确定粗车时的切削用量

（1）确定切削深度a_p。由图1－75知，单边总余量，留1mm作为半精车余量，粗车时取a_p＝3mm。

图1－75　工件尺寸图

（2）确定进给量f。由切削手册查得f＝0.5～0.7mm／r，根据机床说明书，初步选定f＝0.57mm／r。

（3）确定切削速度v与机床主轴转数ns。取车刀耐用度T＝36000s（60min），根据耐用度公式大致计算出切削速度（详细计算时就考虑到每件变化时进行修正，修正系数k_v可由切削用量手册查得）：

由此可计算出工件转数：

根据机床说明书，取n_s＝8.333r／s（500r／min），因而实际的切削速度为

（4）校验机床功率p_ε与主轴扭矩Ms，首先计算出主切削力F_z＝9.81×60^－0.15×270×3×0.57^0.75×1.832^－0.15＝2574.696N（262.456kgf）（详细计算时应根据切削手册查出修正系数k_Fz，乘入计算公式）。计算出切削功率pm＝2574.696×1.832×10^－3＝4.717kW。由机床说明书查得电动机功率p_E＝10kW，当n_s＝500r／min时ηm＝0.79，pm／ηm＝5.971kW＜pE，机床功率足够。切削扭矩，由机床说明书查得n_s＝500r／min时，Ms＝151.022N·m（15.4kgf·m），满足M＜Ms的要求。

（5）计算机动时间t_m。由切削用量手册查得y＋Δ＝2.8mm，故＝63.747s（1.062min）。

机动时间可由下式计算　　　　

式中，n为转速，r／s；f为进给量，mm／r；

L_w为加工长度，mm；y为入切量，mm；Δ为超切量，mm。