切削过程的基本规律

3.3.1 金属切削过程

金属切削过程是工件上多余的金属材料不断地被刀具切下并转变为切屑，从而形成已加工表面的过程。伴随这一过程产生的一系列物理现象（如切削力、切削热、刀具磨损等），将直接或间接影响工件的加工质量和生产率。

1.切屑

（1）切屑的形成 在切削塑性材料时，切屑的形成如图3－14所示，切削层金属受到刀具前刀面的挤压，经弹性形变、塑性形变，然后当挤压应力达到强度极限时材料被挤裂。当以上过程连续进行时，被挤裂的金属脱离工件本体，沿前刀面经剧烈摩擦而离开刀具，从而形成切屑。

（2）切屑的种类 由于工件材料及加工条件的不同，形成的切屑形态也不相同。常见的切屑种类大致有四种，如图3－15所示。

①带状切屑 这种切屑呈连续的带状或螺旋状，与前刀面相邻的切屑底面很光滑，无明显裂痕，顶面呈毛绒状。形成带状切屑时，切削过程平稳，工件表面较光洁，但切屑连续不断，易缠绕工件和刀具，刮伤已加工表面及损坏刀具。应采取断屑措施。

图3－14 切屑形成过程

图3－15 切屑的种类

②节状切屑 它与带状切屑的区别是底面有裂纹，顶面呈锯齿形。形成这类切屑时，切削过程不够平稳，已加工表面的粗糙度较大。

③粒状切屑 切削塑性材料时，若整个切削面上的切应力超过了材料的断裂强度，所产生的裂纹贯穿切削端面时，切屑被挤裂呈粒状。

④崩脆切屑 切削铸铁、青铜等脆性较大的材料时，一般不经过塑性变形就被挤裂而突然崩落形成崩脆切屑。此时，切削力波动较大，并集中在刀刃附近，刀具容易磨损。由于切削过程很不平稳，已加工表面的粗糙度大。

2.积屑瘤

切削塑性好的材料时，在刀具的切削刃附近前刀面上黏结一个金属楔块，称之为积屑瘤。如图3－16所示。

（1）积屑瘤的形成 切削塑性材料时，在一定的切削条件下，随着切屑和刀具前刀面温度的提高，压力的增大，摩擦阻力增大，使切削刃处的切屑底层流速降低，当摩擦阻力超过这层金属与切屑本身分子间的结合力时，这部分金属便黏附在切削刃附近，形成楔形的积屑瘤。

图3－16 积屑瘤

（2）积屑瘤对切削过程的影响 积屑瘤经过强烈的塑性变形而被硬化，其硬度很高，可代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。同时，积屑瘤增大了刀具实际工作前角，使切削轻快，因此，粗加工可利用积屑瘤。但是它很不稳定，不断地产生和脱落，其顶端伸出切削刃之外，使背吃刀量不断变化，影响尺寸精度，并导致切削力变化，引起振动。另外，积屑瘤使表面粗糙度增大，所以，精加工时应避免产生积屑瘤。

（3）避免积屑瘤的措施 采用低速（＜10m／min）或高速（＞100m／min）切削，减小进给量，增大刀具前角，降低前刀面表面粗糙度值，合理使用切削液，适当降低材料塑性等，都是防止积屑瘤产生的有效措施。

3.3.2 切削过程的基本规律

1.切削力与切削功率

1）切削力的形成和分解

在切削过程中，刀具要克服材料的变形抗力，克服与工件及切屑的摩擦力，才能进行切削，这些力的合力就是实际的切削力。

在实际加工中，总的切削力受工艺系统的影响，它的大小和方向都不易测定，为了适应设计和工艺分析的需要，一般不直接研究总切削力，而是研究它在一定方向上的分力。

以外圆切削为例，总切削力Fr可以分解为以下三个相互垂直的分力，如图3－17所示。

图3－17 切削力的分力

（1）切削力FcFc为总切削力Fr在主运动方向上的正投影，它垂直于工作基面，和切削速度方向相同，故又称切向力。其大小占总切削力的80％～90％，消耗的机床功率也最多，占车削总功率的90％以上，是计算机床动力、主传动系统零件强度和刚度的主要依据。作用在刀具上的切削力过大时，可能使刀具崩刃；其反作用力作用在工件上，过大时就发生闷车现象。

（2）进给力FfFf为总切削力Fr在进给运动方向上的正投影。它投影在工作基面上，并与工件轴线平行，故又称为轴向力。Ff是设计和验算进给机构所必需的数据，一般消耗总功率的1％～5％。

（3）背向力FpFp为总切削力Fr在垂直于工作平面方向上的分力，投影在工作基面上，并与工件轴线垂直，故又称为径向力。因为切削时这个方向上的运动速度为零，所以Fp不做功。但其反作用力作用在工件上，容易使工件弯曲变形，特别是对于刚性较弱的工件尤为明显，所以，应当设法减少或消除Fp的影响。如车削细长轴时，常用κr＝90℃的偏刀，就是为了减小Fp。

总切削力Fr和三个相互垂直的切削分力之间的关系为

2）切削力和切削功率的计算

在实际应用中，切削力Fc可用测力仪直接测量，也可用经验公式来计算。经验公式是建立在大量实验基础上，并根据影响主切削力的各个因素，总结出各种修正系数。如果给出单位切削面积Ac上的切削力F（单位N／mm2，其数值可从有关切削手册中查得），可用下式估计切削力Fc的大小：

Fc＝FAc＝Fapf（N） （3－11）

切削功率应是三个切削分力消耗功率的总和。但在车削外圆时，Fp不做功，Ff所消耗的功率也可忽略不计，因此，切削功率Pm（单位k W）可用下式计算：

Pm＝Fcvc10－3（vc的单位为m／s） （3－12）

或 Pm＝Fcvc／（1 000×60）（vc的单位为m／min） （3－13）

2.切削热与切削温度

1）切削热的产生和传播

在切削过程中，绝大多数的切削功都转变为热，这些热称为切削热。切削热的主要来源是被切削层金属的变形、切屑与刀具前刀面的摩擦和工件与刀具后刀面的摩擦。

切削热通过切屑、刀具、工件和周围的介质传散。各部分传热的比例取决于工件材料、切削速度、刀具材料及其几何形状、加工方式及其是否使用切削液等。例如，不用切削液车削钢料外圆时，由切屑传出的热占50％～80％，刀具吸收的热占4％～10％，工件吸收的热占9％～30％，由周围介质传出的热量约占1％；而钻削钢料时切削热的52％传入钻头。

2）切削温度及其影响因素

切削温度是指切削区的平均温度。切削温度的高低取决于单位时间内切削热的产生和传散情况。

（1）切削用量的影响 增大切削用量，单位时间内的金属切除量增加，产生的切削热也相应增多，切削温度上升。有资料表明，切削速度增加1倍，切削温度升高20％～30％；进给量增大1倍，切削温度约增大10％；背吃刀量增大1倍，切削温度约增大3％。所以在切削用量三要素中，切削速度对切削温度影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。因此为有效提高刀具使用寿命，应优先选用大的背吃刀量、较小的进给量和较低的切削速度。

（2）工件材料的影响 工件材料的强度和硬度越高，切削中消耗的功越大，产生的切削热就越多；材料的塑性越大，变形就越大，产生的切削热也越多，切削温度就越高；材料的导热性好，可以使切削温度降低。

（3）刀具角度的影响 前角和主偏角对切削温度的影响较大。增大前角，切屑变形和摩擦减小，因而切削热减少，但前角过大会使散热面积减小，切削温度反而会上升。减小主偏角，将使刀刃工作长度增加，散热条件改善，因而使切削温度降低。

（4）刀具磨损程度的影响 刀具磨损后，切削刃变钝，切削加工时被切金属的塑性变形增加，同时后刀面与零件的摩擦会增大，因而切削温度会上升。这其中，后刀面上的磨损量越大，切削温度上升越快。

（5）切削液的影响 为了降低刀具和工件的温度，不仅要减少切削热的产生，而且要改善散热条件。合理使用切削液可以有效降低温度，同时还可以起润滑、清洗、防锈的作用。

3.刀具磨损与刀具耐用度

在切削过程中，刀具使用一段时间，切削刃与刀尖由锋利变钝，以致降低生产效率、恶化加工质量，但是经过重新刃磨之后，切削刃恢复锋利，仍可继续使用。刀具从开始切削到完全报废实际切削时间的总和称为刀具寿命。

1）刀具磨损

刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损两大类。

非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象，如刀具突然崩刃、刀片破碎、卷刃等，这主要是刀具材料、刀具角度及切削用量选择不合理所引起的。

图3－18 刀具磨损的形成

刀具正常磨损时，按照其发生的部位不同可分为三种形式，即后刀面磨损、前刀面磨损、前刀面和后刀面同时磨损，如图3－18所示。切削弹性材料时，如果用较高的切削速度和较大的背吃刀量进行切削，刀具后刀面还未出现明显的磨损痕迹时，在前刀面距离切削刃一定距离处会磨出一个月牙洼。月牙洼是切削温度最高的地方，它随着切削的进行，宽度、深度逐渐扩大，直至崩刃。当以较低的切削速度和较小的背吃刀量切削塑性材料或脆性金属时，因前刀面摩擦小，刀具的磨损主要发生在后刀面。当采用中等切削速度和中等背吃刀量切削塑性金属时，则经常会发生前、后刀面同时磨损的情况。

如图3－19所示，刀具的磨损过程通常分为三个阶段：第一阶段（OA段）称为初期磨损阶段；第二阶段（AB阶段）称为正常磨损阶段；第三阶段（BC阶段）称为急剧磨损阶段。新刃磨的刀具在开始切削的短时间内磨损较快，进入初期磨损阶段。这是因为其切削刃锋利，主后刀面与过渡表面之间的实际接触面积很小，表面压强很大，加之新刃磨的刀具表面存在表面粗糙和表层组织不耐磨等缺陷。经过初期磨损后，刀具磨损变慢，进入正常磨损阶段，这是由于刀具的粗糙表面已经磨平，与过渡表面之间的实际接触面积增大，表面压强减小所致。正常磨损阶段是刀具工作的有效阶段。刀具经过正常磨损阶段，后刀面磨损量已经达到较大的数值后，切削刃变钝，使切削力和切削温度迅速升高，磨损急剧增加，直至失去切削能力。

图3－19 刀具磨损过程

实践证明，在刀具正常磨损阶段后期、急剧磨损阶段之前，最好进行换刀或重磨。

2）刀具耐用度

刀具耐用度是指两次刃磨之间实际进行切削的时间，以T（单位为min）表示。一般情况，刀具材料的高温硬度越高，则刀具耐用度越大。如硬质合金焊接车刀的耐用度大致为60min，高速钢钻头的耐用度为80～120min；硬质合金端铣刀的耐用度为120～180min；齿轮刀具的耐用度为200～300min。

3.3.3 切削过程规律的应用

1.切屑的控制

在金属的切削过程中，必然会产生切屑，如不能有效控制，轻者将划伤工件已加工表面，重者会危害操作者的人身安全和机床设备的正常运行。因此，要采取一定的措施提高其断屑能力，主要从以下几个方面着手控制。

1）磨制断屑槽

磨制断屑槽是焊接硬质合金车刀常用的一种断屑方式。常用的断屑槽形式有直线圆弧形、直线形、全圆弧形，如图3－20所示。

直线形和直线圆弧形断屑槽适用于切削碳素钢、合金结构钢和工具钢等，一般前角γo＝5°～15°。全圆弧形前角比较大，γo＝25°～35°，适用于切削紫铜、不锈钢等高塑性材料。

图3－20 断屑槽形式

断屑槽的参数对其断屑性能和断屑范围有密切关系。影响断屑的主要参数有：槽宽LBn，槽深h Bn。槽宽应保证切屑在流出槽时碰到断屑台，以使切屑卷曲折断。如进给量大，切削厚时，可以适当增大槽宽。

表3－2所示的是在一定的进给量和背吃刀量下槽宽的参考值。对于圆弧形断屑槽，当背吃刀量ap＝2～6mm时，一般断屑槽宽圆弧半径rn＝（0.4～0.7） LBn。

表3－2 断屑槽宽度LBn

如图3－21所示，断屑槽在前刀面的位置有平行式、外斜式和内斜式三种形式。其中，外斜式最常用，平行式次之。内斜式主要用于背吃刀量ap较小的半精加工和精加工。

2）选择合适的切削用量

切削用量的变化会对断屑产生影响，选择合适的切削用量，能增强断屑效果。在切削用量参数中，进给量对断屑影响最大。进给量增大，切削厚度也增大，碰撞时容易折断。切削速度和背吃刀量对断屑影响较小。不过，背吃刀量增加，断屑困难增大；切削速度提高，断屑效果下降。

图3－21 断屑槽前刀面所处的位置

3）选择合适的刀具几何参数

在刀具几何参数中，对断屑影响较大的是主偏角。因为在进给量不变的情况下，主偏角增大，切削厚度相应增大，切屑也容易折断。因此，在生产中希望有较好的断屑效果时，应选择较大的主偏角，一般κr＝60°～90°。

刃倾角的变化对切屑的流向也产生一定的影响，刃倾角为负值时，切屑流向已加工表面折断；刃倾角为正值时，切屑流向待加工表面折断。因此，在精加工时，应取非负值刃倾角。

2.材料的切削加工性

1）切削加工性的概念及衡量指标

工件材料的切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。而难易程度又随具体加工要求及切削条件的不同而不同，切削加工性的概念具有相对性。因此，它的描述方法有很多种，主要考虑以下几个方面。

（1）考虑生产效率和刀具耐用度 在保证高生产率的条件下，加工某种材料时，刀具耐用度越高，则表明该材料的切削加工性越好。在保证相同耐用度的前提下，加工某种材料所允许的最大切削速度越高，则表明该材料的切削加工性越好。在相同的条件下，达到刀具磨钝标准时所能切除的金属体积越大，则表明该材料的切削加工性越好。

（2）考虑已加工表面质量 在一定的切削条件下，以加工某种材料是否容易达到所要求的加工表面质量的各项指标来衡量切削加工性的好坏。切削加工中，表面质量主要是对工件表面所获得的表面粗糙度而言的。在合理选择加工方法的前提下，容易获得较小的表面粗糙度的材料，其切削加工性为好。

（3）考虑安全生产和工作稳定性 在相同的切削条件下，单位切削力较小的材料，其切削加工性较好。在重型机床或刚性不足的机床上，考虑到人身和设备的安全，切削力的大小是衡量材料切削加工性的一个重要标志。在自动化生产或深孔加工中，工件材料在切削加工中越容易断屑，其切削加工性越好。

由此可知，某材料被切削时，刀具的耐用度大，允许的切削速度高，表面质量易保证，切削力小，易断屑，则这种材料的切削加工性好。反之，切削加工性差。但是同一种材料很难在各项加工性的指标中同时获得良好评价，很难找到一个简单的物理量来精确地规定和测量它。因此，在实际生产中，常常只取某一项指标，来反映材料的切削加工性的某一个侧面。

常用的衡量材料切削加工性的指标v T的含义是：当刀具耐用度为T（单位为min）时，切削某种材料所允许的切削速度。v T越高，加工性越好。通常取T＝60 min，此时v T写作v60；对于一些难加工的材料，可取T＝30min或15min，则v T写作v30或v15。

如果以强度Rm＝0.637GPa的45钢的v60作为基准，写作（v60）j；而把其他材料的v60同它相比，这个比值Kv称为相对加工性，即

Kv＝v60／（v60）j （3－14）

当Kv＞1时，表示该材料比45钢易切削；

当Kv＜1时，表示该材料比45钢难切削。

各种材料的相对加工性Kv乘以45钢的切削速度，即可得出切削各种材料的可用速度。

目前，常用的工件材料的切削加工性如表3－3所示。

表3－3 材料切削加工性等级Kv

2）影响切削加工性的因素及其改善途径

（1）影响金属材料切削加工性的主要因素。

一是材料的硬度和强度。工件材料在高温和常温下的硬度、强度越高，则在加工中产生的单位切削力越大、切削温度越高、刀具磨损越快，因而其切削加工性越差。

二是材料的塑性和韧性。材料的塑性用断后伸长率表示，韧性用冲击韧度表示，工件材料的塑性越大、韧性越强，所消耗的功也越多、切削力也越大、切削温度越高、刀具表面冷焊现象也越严重，产生刀具磨损，且不易断屑，不易获得好的已加工表面质量，故切削加工性就越差。材料的塑性及韧性过低，使切屑与前刀面接触面过小，切削力和切削热集中在刀刃附近，导致刀具切削刃破损和表面质量下降。因此材料的塑性和韧性过大或过小，都将使其切削加工性下降。

三是材料的导热性。被加工材料的热导率越大，由切屑带走和传入工件的热量就越大，越有利于降低切削区的温度，故切削加工性好。但在加工中工件温升较高，这对控制加工尺寸造成一定困难，应加以注意。

（2）改善切削加工性的途径。

一种方法是采用热处理改善材料切削加工性能。生产中通常用热处理方法来改变材料的金相组织，以达到改善切削加工性的目的。例如，对低碳钢进行正火处理，能适当降低其塑性和韧性，使加工性能提高；对高碳钢或工具钢进行球化退火，使其金相组织中片状或网状渗碳体转变为球状渗碳体，从而降低其硬度，改善切削加工性。

另一种方法是通过调整材料的化学成分改善材料的切削加工性。例如在钢中加入少量硫、铅、钙、磷等元素，略微降低其强度和韧性，可提高其切削加工性；在铸铁中加入少量硅、铝等元素，可促进碳元素的石墨化，使其硬度降低，切削加工性得到改善。此外，也可采用合适的刀具材料，选择刀具合理的几何参数，制定合理的切削用量，选用恰当的切削液等措施来改善难切削材料的切削加工性。

3.切削液

切削液的主要功能是润滑和冷却作用，此外还具有清洗和防锈作用（加入防锈添加剂）。它对于减少刀具磨损，提高加工表面质量，降低切削区温度，提高生产率都有非常重要的作用。

切削液的种类有水溶液、切削油和乳化液。水溶液是以水为主要成分并加入防锈添加剂的切削液，水溶液主要起冷却作用，多用于粗加工和普通磨削加工中；切削油是以矿物油为主要成分并加入一定的添加剂而构成的切削液，主要起润滑作用；乳化液是乳化油加95％～98％水稀释成的一种切削液，由矿物油、乳化剂配制而成，乳化剂可使矿物油与水乳化形成稳定的切削液。

切削液的效果除由本身的性能决定外，还与工件材料、刀具材料、加工方法等因素有关，应该综合考虑，合理选择，以达到良好的效果，表3－4为常用切削液选用表。切削液的一般选用原则包括以下几个方面。

表3－4 常用切削液选用表

续表

1）粗加工时切削液的选择

粗加工切削用量大，产生的切削热多，容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却为主的切削液，如离子型切削液或3％～5％乳化液。切削速度较低时，刀具以机械磨损为主，可选用润滑为主的切削液；速度较高时，刀具主要是热磨损，应选用冷却为主的切削液。

硬质合金刀具耐热性好，热裂敏感，可以不用切削液。如采用切削液，必须连续、充分浇注，以免冷热不均产生热裂纹而损伤刀具。

2）精加工时切削液的选择

精加工中切削液的主要作用是提高工件表面加工质量和加工精度。加工一般钢件，在较低的速度（6.0～30m／min）情况下，宜选用极压切削油或10％～12％极压乳化液，以减小刀具与工件之间的摩擦和黏结，抑制积屑瘤。

精加工铜及铜合金、铝及铝合金或铸铁时，宜选用粒子型切削液或10％～12％乳化液，以降低加工表面粗糙度。注意，加工铜材料时不宜采用含硫切削液，因为硫对铜有腐蚀作用。另外，加工铝时，不适于采用含硫或氯的切削液，因为这两种元素易与铝形成强度高于铝的化合物，反而增大刀具与切屑间的摩擦；也不宜采用水溶液，因高温时水会使铝产生针孔。

3）切削难加工材料时切削液的选择

难加工材料硬质点多，热导率低，切削液不易散出，刀具磨损较快。此类加工一般处于高温高压的边界润滑摩擦状态，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液。当用硬质合金刀具高速切削时，可选用冷却作用为主的低浓度乳化液。