Transcript 第七章金属切削几个基础知识
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机械制造基础
普通机床零件切削加工及应用
加工质量
切削运动
刀具切削部分的几何角度
刀具材料
金属切削过程
切削力
切削热和切削温度
刀具磨损和刀具寿命
工件材料的切削加工性
金属切削条件的选择
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机械制造基础
第七章
普通机床零件切削加工及应用
金属零件切削加工：是通过刀具与工件之间的相对运
动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的
加工方法。
切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、
刨削、钳工等。
一般情况下，通过铸造、锻造、焊接和各
种轧制的型材毛坯精度低和表面粗糙度大，不能满足
零件要求，必须进行切削加工才能成为零件。金属切
削加工担负着几乎所有零件的加工任务，在机械制造
过程中，处于十分重要的地位。
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机械制造基础
7.1
加工质量
7.1.1 加工精度
1.尺寸精度
是指加工表面本身的尺寸和表面间的尺寸的精确程度，常用
尺寸公差的大小来表示。
2.形状精度
是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度，如
直线度等。
3.位置精度
是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理
想位置接近 的程度。如平行度、垂直度等。
一般机械加工精度越高，加工的成本也越高，所以在设计零件
时，应满足零件使用要求的前提下，选用经济精度。
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机械制造基础
7.1.2 表面质量
1.表面粗糙度
一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能
越好，寿命越长，但零件的制造成本也会相应增加。
常见加工方法一般能达到的表面粗糙度见表7-1。
2.表面层材质变化
零件加工后表面层的力学、物理及化学性能会与基体
材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、疲劳强
度变化及耐腐蚀性下降等，这些将直接影响零件的使
用性能。
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机械制造基础
7.2
切削运动
7.2.2 工件表面
切削过程中，工件上形成三个表面，如
图7-2所示
1.待加工表面——将被切除的表面；
2.过渡表面——正在切削的表面；
3.已加工表面——切除多余金属后形成
的表面。
切削过程中，为了提高生产效率，机床
除切削运动外，还需要有辅助运动，如
切入运动、分度转位运动、空程运动及
送夹料运动等。
图7-2 车削加工工件上的表面
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7.2.1 切削运动
动画演示
切削运动是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相
对运动。切削运动分为主运动和进给运动，如图7-1所示。
1.主运动
主运动是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速
度高、消耗功率大。
2.进给运动
进给运动是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运
动。
3.主运动和进给运动的合成
当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件
的运动为合成运动。切削过程中，主运动、进给运动合理的组
合，便可以加工各种不同的工件表面。
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7.2.3 切削用量
切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。
包括切削速度、进给量、背吃刀量
1.切削速度
切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬时速度。主运动
是旋转运动时，切削速度计算公式如下：
c
式中
πdn
1000
d ——工件加工表面或刀具某一点的回转直径（mm）；
n ——工件或刀具的转速（r/s或r/min）。
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2.进给量 ： 在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时间内，刀具与工件
之间沿进给运动方向的相对位移。通常用 表示，单位为mm/r或mm／行程。
f f n fz z n
3.背吃刀量
：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的
吃刀量，单位为mm，也就是工件待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯
上也将背吃刀量称为切削深度。
外圆车削时
ap
Dd
2
式中 D ——工件待加工表面的直径(mm)；
d ——工件已加工表面的直径(mm)。
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7.3
刀具切削部分的几何角度
7.3.1车刀的组成
车刀由切削部分、刀柄两部分组成。刀具切削部分的结
构要素如图7-3所示。
1）前刀面 A γ
2）主后刀面 A α
3）副后刀面 A '
α
4）主切削刃S
5）副切削刃S
6）刀尖
图7-3车刀切削部分结构要素
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7.3.2 刀具几何角度参考系
刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角度，分别对应
静态参考系和工作参考系。
1.刀具标注角度参考系
（1）假设条件
1）假设运动条件：用主运动向量νC近似地代替相对运动合成速度
νe 。
2）假设安装条件：规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与
工件中心等高。
（2）刀具标注角度参考系种类
刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角度，分别对应
静态参考系和工作参考系。如图7-4所示为静态参考系的各组成平
面。
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1）基面 p r
2）主切削平面 p s
3）主断面 p 0 和主断面参考
系 p r ps p0
4）法断面 p n 和法断面参考
系 pr ps p n
5）进给断面
6）切深断面
进给切深断面参考系
pr pf pp
图7-4 车刀的参考系
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7.3.3 刀具标注角度
如图7-5所示。
1.在基面内测量的角度
主偏角 r
副偏角 r
'
刀尖角 r
2.在主切削刃正交平面
内测量的角度
前角 0
后角 0
楔角
0
图7-5车刀的标注角度
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3.在切削平面内测量的角度（如图7-5所示）
刃倾角 s
s ＝0的切削称为直角切削
s ≠0的切削称为斜角切削
4.在副切削刃正交平面内测量的角度
副后角 0 ' 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。
上述几何角度中，前角、后角、主偏角、副偏角和副后角是最
常用的，通常称之为基本角度。
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oe o
N
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7.3.4 刀具工作角度
切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具与工件间相对运动情
况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这
些角度为工作角度。
1.刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响如图7-6
所示
re r G
re r G
'
'
2.切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响
切削刃安装高于工件中心时： oe o N
oe o N
切削刃安装低于工件中心时： oe o N
oe o N
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7.3.5 切削层参数
切削层是指工件上正被刀具切削
刃切削着的一层金属。也就是相
邻的两过渡表面之间所夹着的一
层金属，如图7-6所示。
1.切削层公称厚度 ：是相邻两
过渡表面之间的垂直距离。
2.切削公称宽度 ：是沿主切削
刃测量的切削层尺寸。
3.切削公称横截面积 ：切削层
公称横截面积。
图7-6切外圆时的切削层要素
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7.4 刀具材料
7.4.1 刀具材料应当具备的性能
刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、
冲击和振动。因此，刀具材料应具备以下性能：
1.高硬度；
2.耐磨性；
3.足够的强度和韧性；
4.高的耐热性；
5.良好的工艺性；
此外，在选用刀具材料时，还有考虑经济性。经济性差的刀具
材料难以推广使用。
刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、
陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前，刀具材料中使用最广泛
的仍是高速钢和硬质合金。
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7.4.2 高速钢
高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等
合金元素的高合金工具钢。它具有较高的硬度（62～67HRC）和
耐热性（550～6000C），较高的强度和韧性，抗冲击、振动的
能力较强。适用于制造各种形状复杂的刀具（如钻头、丝锥、
成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）。常用的通用型高速钢牌号为
W6M05Cr4V2和W18Cr4V。
高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢、高性能高速钢两类。
1.通用高速钢
是指加工一般金属材料用的高速钢。
2.高性能高速钢
是在通用高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐
热性和耐磨性。
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7.4.3 硬质合金
硬质合金可分为K、P、M三个主要类别，是当今主要的刀具材料
之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。
常用硬质合金可分为四类：
钨钴类硬质合金
钨钴钛类硬质合金
钨钛钽钴类硬质合金
碳化钛基类硬质合金
随着科学技术的发展，新的工程材料不断出现，对刀具材料的要求也不断
提高，在进行切削加工时，我们必须根据具体情况综合考虑，合理的选择刀具材
料，既要充分发挥刀具材料的特性，又要经济性地满足切削加工的需要。
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7.5
金属切削过程
金属切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的
过程和已加工表面形成的过程。
7.5.1 切屑的形成过程
塑性材料的切屑形成过程如图7-7所示：当刀具相对被切削层材料作切削运
动时，在切应力的作用下材料依次错动滑移成切屑，并沿前刀面流出，而其
底面则由于刀具前刀面推挤关系已变得很光滑平整。
切削脆性材料时，由于这类材料的塑性变形能力差，在材料产生明显的塑性
滑移前，内部的张应力已达到破坏强度，于是材料发生崩碎，并沿切削速度
方向飞散，形成崩碎状的切屑。
为了进一步分析切削层变形的规律，通常
把被切削刃作用的金属层划分为三个变区。
第Ⅰ变形区；
第Ⅱ变形区；
第Ⅲ变形区。
图7-7 切屑的形成过程
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7.5.2 第Ⅰ变形区
位于切削刃和前刀面的前方，面积是三个变形区中最大的，
为主变形区。
1.切屑的类型（见图7-8所示） 。
1）带状切屑 ：切屑延续成较长的带状，内表面光滑，而外表
面呈毛茸状。
2)挤裂切屑：切屑内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。
3)粒状切屑：切屑切离成单元切屑。（又称单元切屑）
4)崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。
图7-8切屑形态
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2.变形系数
切削过程中，变形量的大小计算很复杂，所以在研究切削变形规
律时，通常用剪应变或变形系数来衡量切削变形的程度。
剪应变是指切削层在剪切面上的滑移量。
变形系数是根据金属切削过程中，刀具切下的切屑厚度通常大于
工件切削层的厚度，而切屑长度却小于切削层长度这一事实来衡
量切削变形程度。
通过公式推导发现，影响切削变形的主要因素是前角γo和剪切角
Ф。
剪切角Ф减小，切屑就变厚、变短，变形系数增大。剪切角Ф增大，
变形系数减小。
3.剪切角
当前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。
当摩擦角增加时，剪切角随之减小，变形增大。所以采用优质切
削液减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。
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7.5.3 第Ⅱ变形区
1.摩擦系数
切削厚度对切削变形的影响是通过摩擦系数影响的。切削
厚度增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩擦系数减小，从
而使摩擦角减小，剪切角增大，因此切削变形减小。
2.积屑瘤
在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时，
往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。
积屑瘤的产生：切削过程中，刀—屑间的摩擦，使刀具前
刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属与前刀面
接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图7-8所示。
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随后，积屑瘤逐渐长大，直到该处的
温度和压力不足以产生粘结为止。积
屑瘤在形成过程中是一层层增高的，
到一定高度会脱落，经历了一个生成、
长大、脱落的周期性过程。
积屑瘤的作用和影响：
图7-9 积屑瘤的形成
1）保护刀具。 积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，
能代替切削刃和前刀面进行切削，从而减少了刀具磨损，起到保护
刀具的作用。
2）增大前角。 积屑瘤具有30°左右的前角，因而减少了切削变形，
降低了切削力。
3）增大切削厚度。 积屑瘤前端伸出于切削刃之外，使切削厚度增
加了△hD值，且是变化的，因而影响了工件的尺寸精度。
4）增大已加工表面粗糙度值。 积屑瘤高度的周期性变化，使切削
厚度不断变化，以及由此而引起振动，积屑瘤粘附在切削刃上很不
规则，导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹，脱落的
积屑瘤碎片留在已加工表面上。
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7.5.4 第Ⅲ变形区
第Ⅲ变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。
前面在分析第 、第 变形区的情况时，假设刀具的切削
刃是绝对锋利的，实际上任何刀具的切削刃口都很难磨得绝对
锋利。金属被切削时经过切削刃钝圆部分的作用，又受到后刀
面磨损棱带VB的挤压和摩擦后沿刀具后面流出，这样已加工表
面会产生变形，金属晶粒被拉伸的更长更细，其纤维方向平行
于已加工表面，使表层的金属具有不同和基本组织不同的性质，
所以称之为变质层，其表面粗糙度及内部应力、金相组织决定
了已加工表面质量。
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7.6
切削力
7.6.1切削力的来源、合力及其分力
在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及切削表面与刀
具的后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必然要
克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些作用
在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的
总切削力，也称切削合力。
总切削力的方向、大小将
随工件材料的性质、切削
用量的大小及刀具的几何
形状的变化而变化，因此
通常将其分解成几个方向
既定的分力。图7-8所示体
现了切削力的来源。
图7-10 切削力的来源
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通常将切削合力分解为互相垂直的三个风力（如图7-11）
1）主切削力（切向力）Fc 。 主运动方向上的切削分力，
切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，它是计算
刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的主要依据。
2）进给力（轴向力）Ff ： 作用在进给方向上的切削分力，
处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀
具进给功率的依据。
3）背向力（径向力或吃刀力）
Fp 。 作用在吃刀方向上的切削
分力，处于基面内并与工件轴线
垂直的力。它是确定与工件加工
精度有关的工件挠度、切削过程
的振动的力。
图7-11 切削力的分解
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7.6.2切削力的计算
为了进行切削力的计算，人们进行了大量的试验和
研究。但所得公式还是不能比较精确地进行切削力
计算。所以，目前生产实际中采用的切削力计算公
式都是通过大量的试验经数据处理后得到的经验公
式。一般可分为：
1.指数形式公式
2.单位切削力形式公式
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7.6.3功率的计算
消耗在切削过程中的功率叫切削功率 Pc，单位是kW，它是
Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在进行外
圆车削时，因Fp方向没有位移，故消耗功率为零。
Ff n w f
3
Pm Fc c
10
1000
式中 Fc——主切削力（N）；
Ff——进给力（N）；
f ——进给量（mm/r）；
c ——切削速度（m/s）；
nw——工件转速（r/s）。
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7.6.4.影响切削力的主要因素
1）工件材料。 材料的强度愈高，硬度愈大，切削力愈大；
在强度、硬度相近的材料中，塑性、韧性大的，或加工硬化
严重的，切削力大。
2）切削用量。 当 a p和 f 增大时，分别会使b D 、h D 增大，即
切削面积 A D增大，从而使变形力、摩擦力增大，引起切削力
增大。
3）刀具几何参数。 0 增大，切削力减小。主偏角 r 适当增
大，使切削厚度 h D 增加，单位切削面积上的切削力F 减小。
在切削力不变的情况下，当主偏角 r 增大，背向力F p 减少；
当主偏角 r 90 0 时，背向力Fp 0 ，对防止加工细长轴类零
件弯曲变形、减少振动十分有利。
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7.7
切削热和切削温度
切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削过程中的切削热
和由它引起的切削温度升高，直接影响刀具的磨损和寿命，并影响
工件的加工精度和已加工表面质量。
7.7.1切削热的产生和传出
在切削加工中，切削变形与摩擦
所消耗的能量几乎全部转换为热能。
所以三个变形区就是三个发热源，
如图7-12所示。
产生的热由切屑、刀具、工件和周围
介质传导出去。影响热传导的主要因
素是工件和刀具材料的热导率、加工
方式和周围介质的状况。
图7-12 切削热的产生和传出
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7.7.2 切削温度的分布
在切削过程中，切屑、刀具和工件上不同部位的切
削温度分布是不均匀的。在前刀面和后刀面上，最
高温度点都不在切削刃上，而是在离切削刃有一定
距离的地方。在靠近前刀面的切屑底层上，温度变
化很大，说明前刀面上的摩擦热集中在切屑底层。
在已加工表面上，较高温度仅存在切削刃附近的一
个很小的范围，说明温度的升降是在极短的时间内
完成的。
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7.7.3
影响切削温度的主要因素
1.工件材料。：当工件材料的强度、硬度、塑性增加时，切
削中消耗的功率增多，产生的热量多，使切削温度升高。热
导率大时则热量传出多，使切削温度降低。
2.刀具几何参数： 前角增大，切削热减小，使切削温度降低；
主偏角减小，使切削厚度减小，切削宽度增大，刀刃散热条
件得到改善，故切削温度下降。
3.切削用量： 当 、f、ap增大时，单位时间金属切除量增
多，变形和摩擦加剧，切削中消耗的功率增大，产生的热量
多。
4.其他因素： 刀具后刀面磨损时，使刃前区塑性变形增加，
刀具与工件间的摩擦加剧，均使切削温度升高。在切削中使
用切削液，可降低切削温度。
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7.8
刀具磨损和刀具寿命
磨损是在切削过程中，由于在工件—刀具—切屑的接触
区里发生着强烈的摩擦，以致刀具表面某些部位(如前、后刀面)
的材料被切屑或工件逐渐带走。刀具的磨损影响加工质量、生
产率及加工成本。
7.8.1 刀具的磨损形式
切削时刀具的前、后刀面在高温、高压下，
与切屑、工件相互接触，产生剧烈摩擦，
因而在前、后刀面上产生磨损，如图7-13所示。
刀具的磨损有三种形式：
1.前刀面磨损
2.后刀面磨损
3.前后刀面同时磨损
图7-13 刀具的磨损形式
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7.8.2 刀具磨损的原因
刀具磨损不同于一般的机械零件的磨损，因为刀具表面接
触的切屑底面是活性很高的新鲜表面，刀面上的接触压力很大，接
触温度很高，所以刀具磨损存在这机械的、热的和化学的作用。主
要有以下几点：
1.磨料磨损
2.粘结磨损
3.扩散磨损
4.氧化磨损
5.相变磨损
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7.8.3 刀具的磨损过程及磨钝标准
1.刀具的磨损过程
刀具磨损过程可分为三个阶段（如图7-14）：
1）.初期磨损阶段：磨损速度较快；
2）.正常磨损阶段：正常切削时，这个
阶段时间较长，是刀具的有效工作时期。
图7-14 刀具的磨损过程
3）.急剧磨损阶段：生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应
该在发生急剧磨损之前就及时换刀。
2.刀具的磨钝标准
刀具磨损到一定程度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标
准。高速钢、硬质合金刀具的磨钝标准见表7-2。
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机械制造基础
7.8.4 刀具寿命
刀具寿命是指刀具新刃磨之后，从开始使用起到刀具磨
损至规定的磨损限度为止的实际切削时间。
在磨损限度已确定后，刀具寿命与磨损速度有关。磨损速度愈慢，
刀具寿命愈高。为了提高刀具寿命，一般可从改善工件材料的可
加工性、合理设计刀具的几何参数、改进刀具材料的切削性能、
采用性能优良的切削液及合理选择切削用量等多方面着手。
在实际使用中，在使刀具寿命降低较少而又不影响生产率的前提
下，应尽量选取较大的背吃刀量和较小的切削速度，使进给量大
小适中。
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7.9
工件材料的切削加工性
工件材料的切削加工性是指将其加工成合格零件的难易程
度。
7.9.1 工件材料的切削加工性的评定
常用的评定指标有下面几种：
1.刀具寿命指标
60
Kr
在相同的切削条件下，使刀具寿命高的工件材料，其切削加工性好。
60 j
切削加工性
Kr
60
60
60 j
60
Kr ＜1的材
凡是 Kr ＞1的材料，比45钢容易切削；凡是
60 j
60 j
料，比45钢难切削。常用金属材料的相对加工性等级见表7-3。
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2.已加工表面质量指标
以常用材料是否容易保证得到所要求的已加工表面质量，作
为评定材料完成加工性 的指标。一般精加工的零件可用表面粗糙
度值来评定材料的切削加工性。对某些有特殊要求的零件，在评定
材料切削加工性时，不仅用表面粗糙度值指标还要用表面材质的变
化指标来全面评定。
3.切削力或切削温度指标
在相同的切削条件下，凡使切削力加大、切削温度升高的工件材料，
其切削加工性就差，反之，其切削加工性就好，在粗加工或机床动
力不足时，常以此指标来评定材料的切削加工性。
4.切削性能指标
在自动机床或自动生产线，常用切屑控制的难易程度来评定材料的
切削加工性。在一般的生产中，常以保证一定的刀具寿命所允许的
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机械制造基础
7.9.2影响材料切削加工性的主要因素
1.材料的强度和硬度
工件材料的强度和硬度越高，切削力就越大，消耗的功率也越大，切削温度也
越高，使刀具的磨损加剧，切削加工性就越差。
2.材料的塑形
材料的塑形越大，切削时的塑形变形就越大，切削温度就越高，刀具容易出现粘
结磨损和扩散磨损。
3.材料的韧性
韧性较大的材料，在切削变形时吸收的功较多，于是切削力和切削温度也越高，
并且不易断屑，影响切削加工性。
4.材料的导热性
工件的导热性越好，由切屑带走和由工件散出的热量就越多，越有利于降低切削
区的温度，减小刀具的磨损，切削加工性好。
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机械制造基础
7.9.3 常用材料的切削加工性
1.结构钢
普通碳素钢是应用最广泛的金属材料，根据切削加工性来看，它属
于普通材料。
1）低碳钢：切削加工性较差。
2）中碳钢：切削加工性好，还可通过热处理改善其切削加工性。
3）高碳钢：其切削加工性不如中碳钢。
通常碳素钢的切削加工性在170~230HBS范围内切削加工性较好。
合金结构钢的切削加工性一般低于含碳量相近的碳素结构钢。
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机械制造基础
2.铸铁
普通铸铁的塑形和硬度都较低，切屑易断，切削时摩擦系数小，切
削力小，功率消耗少，所以并不难加工。
3.有色金属
普通铝及铝合金的硬度和强度都低，属于易切削材料。
铜及铜合金的硬度和强度都较低，导热性也好，属于易切削材料。
4.难加工材料
诸如高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及
其合金等难加工材料的切削加工性很差。
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机械制造基础
7.9.4 改善工件材料切削加工性的途径
1.通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切
削加工性得到改善，这是生产中改善金属工件材料切削加工性
最常用的方法之一。
2.在满足工件使用要求的前提下，应尽可能选择切削加工性能
较好的工件材料，同时还应注意合理选择材料的供应状态。
3.选用合适的刀具材料，确定合理的刀具角度和切削用量，安
排适当的加工方法和加工顺序，也可以改善材料的切削加工性。
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机械制造基础
7.10
金属切削条件的选择
7.10.1 刀具几何参数的选择
1.前角0的选择
作用
所以
① 减小切屑的变形；
② 减小前刀面与切屑之间的摩擦力。
0
a .减小切削力和切削热；
：b .减小刀具的磨损；
c .提高工件的加工精度和表面质量。
0
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机械制造基础
选择：
加工塑性材料和精加工—取大前角（ 0
）
加工脆性材料和粗加工—取小前角（ 0
）
前角（0）可正、可负、也可以为零。
高速钢车削碳钢： 0=200~300
硬质合金车削碳钢： 0=100~200
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机械制造基础
2.后角、副后角的选择
后角
0
(一般刀具的副后角等于后角)
作用： 减小工件加工表面与主后刀面之间的摩擦力。
所以
0
a .减小切削力和切削热；
b .减小刀具的磨损；
c .提高工件的加工精度和表面质量。
0
0
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机械制造基础
选择：
加工塑性材料和精加工—取大后角（
加工脆性材料和粗加工—取小后角（
后角（ 0）只能是正的。
精加工： 0= 80~120
粗加工： 0= 40~80
3. 主偏角、副偏角的选择 动画演示
1）主偏角kr
作用： 改善切削条件，提高刀具寿命。
减小kr：当ap、f 不变时， 则 bD、
hD
使切削条件得到改善，提高了刀具寿命。
0
0
）
）
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机械制造基础
dm
ap
n
dw
但减小kr，加大工件
的变形挠度，使工件
精度降低。同时，容
易引起系统振动。
kr’
f
选择
kr
系统刚性好：取较小的kr。100~300、450。
系统刚性差：取较大的kr。600、750、900。
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机械制造基础
2） 副偏角（kr’）
作用： 最终形成已加工表面。
Kr’：使已加工表面残留密集的高度减小，降低工
件的表面粗糙度。
选择：在不产生振动的前提下，取小值。
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机械制造基础
4 . 刃倾角S的选择
① 影响切削刃的锋利程度；
作用
②影响切屑流出方向；
③影响刀头强度和散热条件；
④影响切削力的大小和方向。
选择：
精加工：取 正（+S ）
粗加工：可取零或负（ S =0、- S ）
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机械制造基础
7.10.2. 刀具寿命的选择
刀具寿命对切削加工的生产率和生产成本有较大的影响。
确定合理的刀具寿命的方法有三种：
1.根据单件平均生产时间最短的指标计算出来的最大生产率刀具
寿命；
2.根据单件平均加工成本最低指标计算出来的最低成本刀具寿命；
3.根据平均利润率最大的指标计算出来的最大利润刀具寿命。
在选择刀具耐用度时，通常依据具体情况下的产品销路情况来考
虑。
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机械制造基础
7.10.3. 切削用量的选择
合理的选择切削用量，能够保证工件加工质量，提高切削效率，
延长刀具使用寿命和降低加工成本。
1.背吃刀量的选择
粗加工：根据工件的加工余量确定，应尽量用一次走刀就全部切
除全部加工余量。
半精加工和精加工：加工余量一般较少，可一次切除。
2.进给量的选择
粗加工：受切削力的限制，可选用较大的进给量值。
半精加工和精加工：进给量一般取得较小。
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机械制造基础
3.切削速度的选择
粗加工：背吃刀量和进给量都较大，切削速度受刀具寿命和机床
功率的限制，一般较低。
精加工：背吃刀量和进给量都较小，切削速度受刀具寿命和工件
加工质量的限制，一般取得较高。
7.10.4 切削液的选择
1.切削液的作用
在切削过程中，正确的选择和使用切削液。对降低切削温度、
减小刀具磨损，提高生产率和加工质量有着重要的意义。
a . 冷却作用：
b . 润滑作用：
c . 洗涤与排屑作用：
d . 防锈作用：
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机械制造基础
2.切削液添加剂
为改善切削液的各种性能常在其中加入添加剂。常用添加剂有以
下几种：
1）油性添加剂 2）极压添加剂
剂
3）表面活性剂
4）防锈添加
① 水溶液：水+防锈剂等；呈透明状。
3.常用切削液的种类与选用
1) 切削液的种类
② 乳化液：乳化油+水；呈乳白色。应用最广泛。
③ 切削油：矿物油；润滑作用。
2) 切削液的选用
粗加工：以冷却为主。 如水溶液、低浓度的乳化液等。
精加工：以润滑为主。 高浓度的乳化液、切削油等。
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表7-1 各种加工方法所能达到的公差等级和表面粗糙度
表面微观特征
不加工
Ra/μm
清除毛刺
精加工
超精加
工
加工方法
应用
锻件、铸件、焊接件、冲压件
IT16~IT14
明显可见刀痕
≤80
可见刀痕
≤40
微见刀痕
≤20
IT13~IT10 粗车、粗刨、 用于非配合尺寸或不重要的配
粗铣、钻、 合
毛锉、锯断
IT10
用于一般要求，主要用于长度
尺寸的配合
IT10~IT8
可见加工痕迹
≤10
IT10~IT8
微见加工痕迹
≤5
IT8~IT7
不见加工痕迹
≤2.5
IT8~IT7
粗加工
半精加
工
加工精度
可辨加工痕迹方向 ≤1.25
IT8~IT6
微辩加工痕迹方向 ≤0.63
IT7~IT6
不辨加工痕迹方向 ≤0.32
IT7~IT6
暗光泽面
≤0.16
IT6~IT5
亮光泽面
≤0.08
IT6~IT5
镜状光泽面
≤0.04
雾状光泽
≤0.02
镜面
≤0.01
半精车、精
车、精刨、
精铣、粗磨
精车、精刨、
精磨、绞
用于重要配合
用于精密配合
精磨、研磨、 量块、量仪和精密仪表、精密
镜面磨、超 零件的广整加工
精加工
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表7-2 高速钢、硬质合金刀具的磨钝标准
磨钝标准VB/mm
工件材料
碳钢、合金钢
加工性质
高速钢
硬质合金
粗车
1.5~2.0
1.0~1.4
精车
1.0
0.4~0.6
粗车
2.0~3.0
0.8~1.0
1.5~2.0
0.6~0.8
灰铸铁、可锻铸铁 半精车
耐热钢
粗车、精车 1.0
1.0
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表7-3 工件材料的相对切削加工性及分级
名称及种类
加工性
等级
相对加
工性
代表性材料
1
很容易切削材料
一般有色金属
＞3.0
5-5-5铜铝合金，铜铝合金，铝镁合金
2
容易切削易切钢
易削钢
2.5~3.0
退火1.5Crσb=0.372~0.441GPa
自动机钢σb=0.392~0.490GPa
3
较易削钢
1.6~2.5
正火30钢σb=0.441~0.549GPa
4
一般钢及铸铁
1.0~1.6
45钢，灰铸铁，结构钢
稍难切削材料
0.65~1.0
2Cr13调质σb=0.8288GPa
85钢轧制σb=8829GPa
较难切削材料
0.5~0.65
45Cr调质σb=1.03GPa
602Cr调质σb=0.9319~0.981GPa
难切削材料
0.15~0.5
502CrV调质，1Cr18Ni9Ti未淬火
α相钛合金
很难切削材料
＜0.15
β相铁合金,镍基高温合金
5
普通材料
6
7
8
难切削材料
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图7-1 切削运动和加工表面
a）车削 b）铣削 c）刨削 d）钻削 e）磨削
1—主运动 2—进给运动 3—待加工表面 4—过渡表面 5—已加工表面
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图7-5 刃倾角（S）
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机械制造基础
普通机床零件切削加工及应用
加工质量
切削运动
刀具切削部分的几何角度
刀具材料
金属切削过程
切削力
切削热和切削温度
刀具磨损和刀具寿命
工件材料的切削加工性
金属切削条件的选择
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机械制造基础
第七章
普通机床零件切削加工及应用
金属零件切削加工：是通过刀具与工件之间的相对运
动，从毛坯上切除多余的金属，从而获得合格零件的
加工方法。
切削加工的基本形式有车削、铣削、钻削、
刨削、钳工等。
一般情况下，通过铸造、锻造、焊接和各
种轧制的型材毛坯精度低和表面粗糙度大，不能满足
零件要求，必须进行切削加工才能成为零件。金属切
削加工担负着几乎所有零件的加工任务，在机械制造
过程中，处于十分重要的地位。
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机械制造基础
7.1
加工质量
7.1.1 加工精度
1.尺寸精度
是指加工表面本身的尺寸和表面间的尺寸的精确程度，常用
尺寸公差的大小来表示。
2.形状精度
是指零件加工后的表面与理想表面在形状上相接近的程度，如
直线度等。
3.位置精度
是指零件加工后的表面、轴线或对称平面之间的实际位置与理
想位置接近 的程度。如平行度、垂直度等。
一般机械加工精度越高，加工的成本也越高，所以在设计零件
时，应满足零件使用要求的前提下，选用经济精度。
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机械制造基础
7.1.2 表面质量
1.表面粗糙度
一般来说，零件的表面粗糙度越小，零件的使用性能
越好，寿命越长，但零件的制造成本也会相应增加。
常见加工方法一般能达到的表面粗糙度见表7-1。
2.表面层材质变化
零件加工后表面层的力学、物理及化学性能会与基体
材料不同，表现为加工硬化、残余应力产生、疲劳强
度变化及耐腐蚀性下降等，这些将直接影响零件的使
用性能。
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7.2
切削运动
7.2.2 工件表面
切削过程中，工件上形成三个表面，如
图7-2所示
1.待加工表面——将被切除的表面；
2.过渡表面——正在切削的表面；
3.已加工表面——切除多余金属后形成
的表面。
切削过程中，为了提高生产效率，机床
除切削运动外，还需要有辅助运动，如
切入运动、分度转位运动、空程运动及
送夹料运动等。
图7-2 车削加工工件上的表面
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7.2.1 切削运动
动画演示
切削运动是为了形成工件表面所必需的、刀具与工件之间的相
对运动。切削运动分为主运动和进给运动，如图7-1所示。
1.主运动
主运动是切除工件多余金属所需要的最基本的运动，主运动速
度高、消耗功率大。
2.进给运动
进给运动是使金属层连续投入切削，从而加工出完整表面的运
动。
3.主运动和进给运动的合成
当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件
的运动为合成运动。切削过程中，主运动、进给运动合理的组
合，便可以加工各种不同的工件表面。
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7.2.3 切削用量
切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。
包括切削速度、进给量、背吃刀量
1.切削速度
切削刃的选定点相对于工件主运动的瞬时速度。主运动
是旋转运动时，切削速度计算公式如下：
c
式中
πdn
1000
d ——工件加工表面或刀具某一点的回转直径（mm）；
n ——工件或刀具的转速（r/s或r/min）。
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2.进给量 ： 在工件或刀具的每一转或每一往复行程的时间内，刀具与工件
之间沿进给运动方向的相对位移。通常用 表示，单位为mm/r或mm／行程。
f f n fz z n
3.背吃刀量
：背吃刀量是在通过切削刃基点并垂直于工作平面方向上测量的
吃刀量，单位为mm，也就是工件待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，习惯
上也将背吃刀量称为切削深度。
外圆车削时
ap
Dd
2
式中 D ——工件待加工表面的直径(mm)；
d ——工件已加工表面的直径(mm)。
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机械制造基础
7.3
刀具切削部分的几何角度
7.3.1车刀的组成
车刀由切削部分、刀柄两部分组成。刀具切削部分的结
构要素如图7-3所示。
1）前刀面 A γ
2）主后刀面 A α
3）副后刀面 A '
α
4）主切削刃S
5）副切削刃S
6）刀尖
图7-3车刀切削部分结构要素
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7.3.2 刀具几何角度参考系
刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角度，分别对应
静态参考系和工作参考系。
1.刀具标注角度参考系
（1）假设条件
1）假设运动条件：用主运动向量νC近似地代替相对运动合成速度
νe 。
2）假设安装条件：规定刀杆中心线与进给运动方向垂直；刀尖与
工件中心等高。
（2）刀具标注角度参考系种类
刀具几何角度可分为静态角度（标注角度）和工作角度，分别对应
静态参考系和工作参考系。如图7-4所示为静态参考系的各组成平
面。
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1）基面 p r
2）主切削平面 p s
3）主断面 p 0 和主断面参考
系 p r ps p0
4）法断面 p n 和法断面参考
系 pr ps p n
5）进给断面
6）切深断面
进给切深断面参考系
pr pf pp
图7-4 车刀的参考系
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机械制造基础
7.3.3 刀具标注角度
如图7-5所示。
1.在基面内测量的角度
主偏角 r
副偏角 r
'
刀尖角 r
2.在主切削刃正交平面
内测量的角度
前角 0
后角 0
楔角
0
图7-5车刀的标注角度
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机械制造基础
3.在切削平面内测量的角度（如图7-5所示）
刃倾角 s
s ＝0的切削称为直角切削
s ≠0的切削称为斜角切削
4.在副切削刃正交平面内测量的角度
副后角 0 ' 副后刀面与副切削刃切削平面间的夹角。
上述几何角度中，前角、后角、主偏角、副偏角和副后角是最
常用的，通常称之为基本角度。
Slide 14
oe o
N
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7.3.4 刀具工作角度
切削过程中，由于刀具的安装位置、刀具与工件间相对运动情
况的变化，实际起作用的角度与标注角度有所不同，我们称这
些角度为工作角度。
1.刀柄中心线与进给方向不垂直时对主、副偏角的影响如图7-6
所示
re r G
re r G
'
'
2.切削刃安装高于或低于工件中心时，对前角、后角的影响
切削刃安装高于工件中心时： oe o N
oe o N
切削刃安装低于工件中心时： oe o N
oe o N
Slide 15
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7.3.5 切削层参数
切削层是指工件上正被刀具切削
刃切削着的一层金属。也就是相
邻的两过渡表面之间所夹着的一
层金属，如图7-6所示。
1.切削层公称厚度 ：是相邻两
过渡表面之间的垂直距离。
2.切削公称宽度 ：是沿主切削
刃测量的切削层尺寸。
3.切削公称横截面积 ：切削层
公称横截面积。
图7-6切外圆时的切削层要素
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机械制造基础
7.4 刀具材料
7.4.1 刀具材料应当具备的性能
刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、
冲击和振动。因此，刀具材料应具备以下性能：
1.高硬度；
2.耐磨性；
3.足够的强度和韧性；
4.高的耐热性；
5.良好的工艺性；
此外，在选用刀具材料时，还有考虑经济性。经济性差的刀具
材料难以推广使用。
刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、
陶瓷、金刚石、立方氮化硼等。目前，刀具材料中使用最广泛
的仍是高速钢和硬质合金。
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机械制造基础
7.4.2 高速钢
高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等
合金元素的高合金工具钢。它具有较高的硬度（62～67HRC）和
耐热性（550～6000C），较高的强度和韧性，抗冲击、振动的
能力较强。适用于制造各种形状复杂的刀具（如钻头、丝锥、
成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）。常用的通用型高速钢牌号为
W6M05Cr4V2和W18Cr4V。
高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢、高性能高速钢两类。
1.通用高速钢
是指加工一般金属材料用的高速钢。
2.高性能高速钢
是在通用高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐
热性和耐磨性。
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机械制造基础
7.4.3 硬质合金
硬质合金可分为K、P、M三个主要类别，是当今主要的刀具材料
之一，大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。
常用硬质合金可分为四类：
钨钴类硬质合金
钨钴钛类硬质合金
钨钛钽钴类硬质合金
碳化钛基类硬质合金
随着科学技术的发展，新的工程材料不断出现，对刀具材料的要求也不断
提高，在进行切削加工时，我们必须根据具体情况综合考虑，合理的选择刀具材
料，既要充分发挥刀具材料的特性，又要经济性地满足切削加工的需要。
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7.5
金属切削过程
金属切削过程是指工件上一层多余的金属被刀具切除的
过程和已加工表面形成的过程。
7.5.1 切屑的形成过程
塑性材料的切屑形成过程如图7-7所示：当刀具相对被切削层材料作切削运
动时，在切应力的作用下材料依次错动滑移成切屑，并沿前刀面流出，而其
底面则由于刀具前刀面推挤关系已变得很光滑平整。
切削脆性材料时，由于这类材料的塑性变形能力差，在材料产生明显的塑性
滑移前，内部的张应力已达到破坏强度，于是材料发生崩碎，并沿切削速度
方向飞散，形成崩碎状的切屑。
为了进一步分析切削层变形的规律，通常
把被切削刃作用的金属层划分为三个变区。
第Ⅰ变形区；
第Ⅱ变形区；
第Ⅲ变形区。
图7-7 切屑的形成过程
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机械制造基础
7.5.2 第Ⅰ变形区
位于切削刃和前刀面的前方，面积是三个变形区中最大的，
为主变形区。
1.切屑的类型（见图7-8所示） 。
1）带状切屑 ：切屑延续成较长的带状，内表面光滑，而外表
面呈毛茸状。
2)挤裂切屑：切屑内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。
3)粒状切屑：切屑切离成单元切屑。（又称单元切屑）
4)崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。
图7-8切屑形态
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机械制造基础
2.变形系数
切削过程中，变形量的大小计算很复杂，所以在研究切削变形规
律时，通常用剪应变或变形系数来衡量切削变形的程度。
剪应变是指切削层在剪切面上的滑移量。
变形系数是根据金属切削过程中，刀具切下的切屑厚度通常大于
工件切削层的厚度，而切屑长度却小于切削层长度这一事实来衡
量切削变形程度。
通过公式推导发现，影响切削变形的主要因素是前角γo和剪切角
Ф。
剪切角Ф减小，切屑就变厚、变短，变形系数增大。剪切角Ф增大，
变形系数减小。
3.剪切角
当前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。
当摩擦角增加时，剪切角随之减小，变形增大。所以采用优质切
削液减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。
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机械制造基础
7.5.3 第Ⅱ变形区
1.摩擦系数
切削厚度对切削变形的影响是通过摩擦系数影响的。切削
厚度增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩擦系数减小，从
而使摩擦角减小，剪切角增大，因此切削变形减小。
2.积屑瘤
在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时，
往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。
积屑瘤的产生：切削过程中，刀—屑间的摩擦，使刀具前
刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属与前刀面
接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图7-8所示。
Slide 23
机械制造基础
随后，积屑瘤逐渐长大，直到该处的
温度和压力不足以产生粘结为止。积
屑瘤在形成过程中是一层层增高的，
到一定高度会脱落，经历了一个生成、
长大、脱落的周期性过程。
积屑瘤的作用和影响：
图7-9 积屑瘤的形成
1）保护刀具。 积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面，
能代替切削刃和前刀面进行切削，从而减少了刀具磨损，起到保护
刀具的作用。
2）增大前角。 积屑瘤具有30°左右的前角，因而减少了切削变形，
降低了切削力。
3）增大切削厚度。 积屑瘤前端伸出于切削刃之外，使切削厚度增
加了△hD值，且是变化的，因而影响了工件的尺寸精度。
4）增大已加工表面粗糙度值。 积屑瘤高度的周期性变化，使切削
厚度不断变化，以及由此而引起振动，积屑瘤粘附在切削刃上很不
规则，导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹，脱落的
积屑瘤碎片留在已加工表面上。
Slide 24
机械制造基础
7.5.4 第Ⅲ变形区
第Ⅲ变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。
前面在分析第 、第 变形区的情况时，假设刀具的切削
刃是绝对锋利的，实际上任何刀具的切削刃口都很难磨得绝对
锋利。金属被切削时经过切削刃钝圆部分的作用，又受到后刀
面磨损棱带VB的挤压和摩擦后沿刀具后面流出，这样已加工表
面会产生变形，金属晶粒被拉伸的更长更细，其纤维方向平行
于已加工表面，使表层的金属具有不同和基本组织不同的性质，
所以称之为变质层，其表面粗糙度及内部应力、金相组织决定
了已加工表面质量。
Slide 25
机械制造基础
7.6
切削力
7.6.1切削力的来源、合力及其分力
在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及切削表面与刀
具的后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必然要
克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些作用
在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的
总切削力，也称切削合力。
总切削力的方向、大小将
随工件材料的性质、切削
用量的大小及刀具的几何
形状的变化而变化，因此
通常将其分解成几个方向
既定的分力。图7-8所示体
现了切削力的来源。
图7-10 切削力的来源
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机械制造基础
通常将切削合力分解为互相垂直的三个风力（如图7-11）
1）主切削力（切向力）Fc 。 主运动方向上的切削分力，
切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，它是计算
刀具强度、设计机床零件、确定机床功率的主要依据。
2）进给力（轴向力）Ff ： 作用在进给方向上的切削分力，
处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀
具进给功率的依据。
3）背向力（径向力或吃刀力）
Fp 。 作用在吃刀方向上的切削
分力，处于基面内并与工件轴线
垂直的力。它是确定与工件加工
精度有关的工件挠度、切削过程
的振动的力。
图7-11 切削力的分解
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机械制造基础
7.6.2切削力的计算
为了进行切削力的计算，人们进行了大量的试验和
研究。但所得公式还是不能比较精确地进行切削力
计算。所以，目前生产实际中采用的切削力计算公
式都是通过大量的试验经数据处理后得到的经验公
式。一般可分为：
1.指数形式公式
2.单位切削力形式公式
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机械制造基础
7.6.3功率的计算
消耗在切削过程中的功率叫切削功率 Pc，单位是kW，它是
Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在进行外
圆车削时，因Fp方向没有位移，故消耗功率为零。
Ff n w f
3
Pm Fc c
10
1000
式中 Fc——主切削力（N）；
Ff——进给力（N）；
f ——进给量（mm/r）；
c ——切削速度（m/s）；
nw——工件转速（r/s）。
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7.6.4.影响切削力的主要因素
1）工件材料。 材料的强度愈高，硬度愈大，切削力愈大；
在强度、硬度相近的材料中，塑性、韧性大的，或加工硬化
严重的，切削力大。
2）切削用量。 当 a p和 f 增大时，分别会使b D 、h D 增大，即
切削面积 A D增大，从而使变形力、摩擦力增大，引起切削力
增大。
3）刀具几何参数。 0 增大，切削力减小。主偏角 r 适当增
大，使切削厚度 h D 增加，单位切削面积上的切削力F 减小。
在切削力不变的情况下，当主偏角 r 增大，背向力F p 减少；
当主偏角 r 90 0 时，背向力Fp 0 ，对防止加工细长轴类零
件弯曲变形、减少振动十分有利。
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7.7
切削热和切削温度
切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削过程中的切削热
和由它引起的切削温度升高，直接影响刀具的磨损和寿命，并影响
工件的加工精度和已加工表面质量。
7.7.1切削热的产生和传出
在切削加工中，切削变形与摩擦
所消耗的能量几乎全部转换为热能。
所以三个变形区就是三个发热源，
如图7-12所示。
产生的热由切屑、刀具、工件和周围
介质传导出去。影响热传导的主要因
素是工件和刀具材料的热导率、加工
方式和周围介质的状况。
图7-12 切削热的产生和传出
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7.7.2 切削温度的分布
在切削过程中，切屑、刀具和工件上不同部位的切
削温度分布是不均匀的。在前刀面和后刀面上，最
高温度点都不在切削刃上，而是在离切削刃有一定
距离的地方。在靠近前刀面的切屑底层上，温度变
化很大，说明前刀面上的摩擦热集中在切屑底层。
在已加工表面上，较高温度仅存在切削刃附近的一
个很小的范围，说明温度的升降是在极短的时间内
完成的。
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7.7.3
影响切削温度的主要因素
1.工件材料。：当工件材料的强度、硬度、塑性增加时，切
削中消耗的功率增多，产生的热量多，使切削温度升高。热
导率大时则热量传出多，使切削温度降低。
2.刀具几何参数： 前角增大，切削热减小，使切削温度降低；
主偏角减小，使切削厚度减小，切削宽度增大，刀刃散热条
件得到改善，故切削温度下降。
3.切削用量： 当 、f、ap增大时，单位时间金属切除量增
多，变形和摩擦加剧，切削中消耗的功率增大，产生的热量
多。
4.其他因素： 刀具后刀面磨损时，使刃前区塑性变形增加，
刀具与工件间的摩擦加剧，均使切削温度升高。在切削中使
用切削液，可降低切削温度。
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7.8
刀具磨损和刀具寿命
磨损是在切削过程中，由于在工件—刀具—切屑的接触
区里发生着强烈的摩擦，以致刀具表面某些部位(如前、后刀面)
的材料被切屑或工件逐渐带走。刀具的磨损影响加工质量、生
产率及加工成本。
7.8.1 刀具的磨损形式
切削时刀具的前、后刀面在高温、高压下，
与切屑、工件相互接触，产生剧烈摩擦，
因而在前、后刀面上产生磨损，如图7-13所示。
刀具的磨损有三种形式：
1.前刀面磨损
2.后刀面磨损
3.前后刀面同时磨损
图7-13 刀具的磨损形式
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7.8.2 刀具磨损的原因
刀具磨损不同于一般的机械零件的磨损，因为刀具表面接
触的切屑底面是活性很高的新鲜表面，刀面上的接触压力很大，接
触温度很高，所以刀具磨损存在这机械的、热的和化学的作用。主
要有以下几点：
1.磨料磨损
2.粘结磨损
3.扩散磨损
4.氧化磨损
5.相变磨损
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7.8.3 刀具的磨损过程及磨钝标准
1.刀具的磨损过程
刀具磨损过程可分为三个阶段（如图7-14）：
1）.初期磨损阶段：磨损速度较快；
2）.正常磨损阶段：正常切削时，这个
阶段时间较长，是刀具的有效工作时期。
图7-14 刀具的磨损过程
3）.急剧磨损阶段：生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应
该在发生急剧磨损之前就及时换刀。
2.刀具的磨钝标准
刀具磨损到一定程度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标
准。高速钢、硬质合金刀具的磨钝标准见表7-2。
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7.8.4 刀具寿命
刀具寿命是指刀具新刃磨之后，从开始使用起到刀具磨
损至规定的磨损限度为止的实际切削时间。
在磨损限度已确定后，刀具寿命与磨损速度有关。磨损速度愈慢，
刀具寿命愈高。为了提高刀具寿命，一般可从改善工件材料的可
加工性、合理设计刀具的几何参数、改进刀具材料的切削性能、
采用性能优良的切削液及合理选择切削用量等多方面着手。
在实际使用中，在使刀具寿命降低较少而又不影响生产率的前提
下，应尽量选取较大的背吃刀量和较小的切削速度，使进给量大
小适中。
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7.9
工件材料的切削加工性
工件材料的切削加工性是指将其加工成合格零件的难易程
度。
7.9.1 工件材料的切削加工性的评定
常用的评定指标有下面几种：
1.刀具寿命指标
60
Kr
在相同的切削条件下，使刀具寿命高的工件材料，其切削加工性好。
60 j
切削加工性
Kr
60
60
60 j
60
Kr ＜1的材
凡是 Kr ＞1的材料，比45钢容易切削；凡是
60 j
60 j
料，比45钢难切削。常用金属材料的相对加工性等级见表7-3。
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2.已加工表面质量指标
以常用材料是否容易保证得到所要求的已加工表面质量，作
为评定材料完成加工性 的指标。一般精加工的零件可用表面粗糙
度值来评定材料的切削加工性。对某些有特殊要求的零件，在评定
材料切削加工性时，不仅用表面粗糙度值指标还要用表面材质的变
化指标来全面评定。
3.切削力或切削温度指标
在相同的切削条件下，凡使切削力加大、切削温度升高的工件材料，
其切削加工性就差，反之，其切削加工性就好，在粗加工或机床动
力不足时，常以此指标来评定材料的切削加工性。
4.切削性能指标
在自动机床或自动生产线，常用切屑控制的难易程度来评定材料的
切削加工性。在一般的生产中，常以保证一定的刀具寿命所允许的
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7.9.2影响材料切削加工性的主要因素
1.材料的强度和硬度
工件材料的强度和硬度越高，切削力就越大，消耗的功率也越大，切削温度也
越高，使刀具的磨损加剧，切削加工性就越差。
2.材料的塑形
材料的塑形越大，切削时的塑形变形就越大，切削温度就越高，刀具容易出现粘
结磨损和扩散磨损。
3.材料的韧性
韧性较大的材料，在切削变形时吸收的功较多，于是切削力和切削温度也越高，
并且不易断屑，影响切削加工性。
4.材料的导热性
工件的导热性越好，由切屑带走和由工件散出的热量就越多，越有利于降低切削
区的温度，减小刀具的磨损，切削加工性好。
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7.9.3 常用材料的切削加工性
1.结构钢
普通碳素钢是应用最广泛的金属材料，根据切削加工性来看，它属
于普通材料。
1）低碳钢：切削加工性较差。
2）中碳钢：切削加工性好，还可通过热处理改善其切削加工性。
3）高碳钢：其切削加工性不如中碳钢。
通常碳素钢的切削加工性在170~230HBS范围内切削加工性较好。
合金结构钢的切削加工性一般低于含碳量相近的碳素结构钢。
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2.铸铁
普通铸铁的塑形和硬度都较低，切屑易断，切削时摩擦系数小，切
削力小，功率消耗少，所以并不难加工。
3.有色金属
普通铝及铝合金的硬度和强度都低，属于易切削材料。
铜及铜合金的硬度和强度都较低，导热性也好，属于易切削材料。
4.难加工材料
诸如高锰钢、高强度钢、不锈钢、高温合金、钛合金、难熔金属及
其合金等难加工材料的切削加工性很差。
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7.9.4 改善工件材料切削加工性的途径
1.通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切
削加工性得到改善，这是生产中改善金属工件材料切削加工性
最常用的方法之一。
2.在满足工件使用要求的前提下，应尽可能选择切削加工性能
较好的工件材料，同时还应注意合理选择材料的供应状态。
3.选用合适的刀具材料，确定合理的刀具角度和切削用量，安
排适当的加工方法和加工顺序，也可以改善材料的切削加工性。
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7.10
金属切削条件的选择
7.10.1 刀具几何参数的选择
1.前角0的选择
作用
所以
① 减小切屑的变形；
② 减小前刀面与切屑之间的摩擦力。
0
a .减小切削力和切削热；
：b .减小刀具的磨损；
c .提高工件的加工精度和表面质量。
0
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机械制造基础
选择：
加工塑性材料和精加工—取大前角（ 0
）
加工脆性材料和粗加工—取小前角（ 0
）
前角（0）可正、可负、也可以为零。
高速钢车削碳钢： 0=200~300
硬质合金车削碳钢： 0=100~200
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2.后角、副后角的选择
后角
0
(一般刀具的副后角等于后角)
作用： 减小工件加工表面与主后刀面之间的摩擦力。
所以
0
a .减小切削力和切削热；
b .减小刀具的磨损；
c .提高工件的加工精度和表面质量。
0
0
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机械制造基础
选择：
加工塑性材料和精加工—取大后角（
加工脆性材料和粗加工—取小后角（
后角（ 0）只能是正的。
精加工： 0= 80~120
粗加工： 0= 40~80
3. 主偏角、副偏角的选择 动画演示
1）主偏角kr
作用： 改善切削条件，提高刀具寿命。
减小kr：当ap、f 不变时， 则 bD、
hD
使切削条件得到改善，提高了刀具寿命。
0
0
）
）
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dm
ap
n
dw
但减小kr，加大工件
的变形挠度，使工件
精度降低。同时，容
易引起系统振动。
kr’
f
选择
kr
系统刚性好：取较小的kr。100~300、450。
系统刚性差：取较大的kr。600、750、900。
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2） 副偏角（kr’）
作用： 最终形成已加工表面。
Kr’：使已加工表面残留密集的高度减小，降低工
件的表面粗糙度。
选择：在不产生振动的前提下，取小值。
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4 . 刃倾角S的选择
① 影响切削刃的锋利程度；
作用
②影响切屑流出方向；
③影响刀头强度和散热条件；
④影响切削力的大小和方向。
选择：
精加工：取 正（+S ）
粗加工：可取零或负（ S =0、- S ）
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7.10.2. 刀具寿命的选择
刀具寿命对切削加工的生产率和生产成本有较大的影响。
确定合理的刀具寿命的方法有三种：
1.根据单件平均生产时间最短的指标计算出来的最大生产率刀具
寿命；
2.根据单件平均加工成本最低指标计算出来的最低成本刀具寿命；
3.根据平均利润率最大的指标计算出来的最大利润刀具寿命。
在选择刀具耐用度时，通常依据具体情况下的产品销路情况来考
虑。
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7.10.3. 切削用量的选择
合理的选择切削用量，能够保证工件加工质量，提高切削效率，
延长刀具使用寿命和降低加工成本。
1.背吃刀量的选择
粗加工：根据工件的加工余量确定，应尽量用一次走刀就全部切
除全部加工余量。
半精加工和精加工：加工余量一般较少，可一次切除。
2.进给量的选择
粗加工：受切削力的限制，可选用较大的进给量值。
半精加工和精加工：进给量一般取得较小。
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3.切削速度的选择
粗加工：背吃刀量和进给量都较大，切削速度受刀具寿命和机床
功率的限制，一般较低。
精加工：背吃刀量和进给量都较小，切削速度受刀具寿命和工件
加工质量的限制，一般取得较高。
7.10.4 切削液的选择
1.切削液的作用
在切削过程中，正确的选择和使用切削液。对降低切削温度、
减小刀具磨损，提高生产率和加工质量有着重要的意义。
a . 冷却作用：
b . 润滑作用：
c . 洗涤与排屑作用：
d . 防锈作用：
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2.切削液添加剂
为改善切削液的各种性能常在其中加入添加剂。常用添加剂有以
下几种：
1）油性添加剂 2）极压添加剂
剂
3）表面活性剂
4）防锈添加
① 水溶液：水+防锈剂等；呈透明状。
3.常用切削液的种类与选用
1) 切削液的种类
② 乳化液：乳化油+水；呈乳白色。应用最广泛。
③ 切削油：矿物油；润滑作用。
2) 切削液的选用
粗加工：以冷却为主。 如水溶液、低浓度的乳化液等。
精加工：以润滑为主。 高浓度的乳化液、切削油等。
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表7-1 各种加工方法所能达到的公差等级和表面粗糙度
表面微观特征
不加工
Ra/μm
清除毛刺
精加工
超精加
工
加工方法
应用
锻件、铸件、焊接件、冲压件
IT16~IT14
明显可见刀痕
≤80
可见刀痕
≤40
微见刀痕
≤20
IT13~IT10 粗车、粗刨、 用于非配合尺寸或不重要的配
粗铣、钻、 合
毛锉、锯断
IT10
用于一般要求，主要用于长度
尺寸的配合
IT10~IT8
可见加工痕迹
≤10
IT10~IT8
微见加工痕迹
≤5
IT8~IT7
不见加工痕迹
≤2.5
IT8~IT7
粗加工
半精加
工
加工精度
可辨加工痕迹方向 ≤1.25
IT8~IT6
微辩加工痕迹方向 ≤0.63
IT7~IT6
不辨加工痕迹方向 ≤0.32
IT7~IT6
暗光泽面
≤0.16
IT6~IT5
亮光泽面
≤0.08
IT6~IT5
镜状光泽面
≤0.04
雾状光泽
≤0.02
镜面
≤0.01
半精车、精
车、精刨、
精铣、粗磨
精车、精刨、
精磨、绞
用于重要配合
用于精密配合
精磨、研磨、 量块、量仪和精密仪表、精密
镜面磨、超 零件的广整加工
精加工
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表7-2 高速钢、硬质合金刀具的磨钝标准
磨钝标准VB/mm
工件材料
碳钢、合金钢
加工性质
高速钢
硬质合金
粗车
1.5~2.0
1.0~1.4
精车
1.0
0.4~0.6
粗车
2.0~3.0
0.8~1.0
1.5~2.0
0.6~0.8
灰铸铁、可锻铸铁 半精车
耐热钢
粗车、精车 1.0
1.0
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表7-3 工件材料的相对切削加工性及分级
名称及种类
加工性
等级
相对加
工性
代表性材料
1
很容易切削材料
一般有色金属
＞3.0
5-5-5铜铝合金，铜铝合金，铝镁合金
2
容易切削易切钢
易削钢
2.5~3.0
退火1.5Crσb=0.372~0.441GPa
自动机钢σb=0.392~0.490GPa
3
较易削钢
1.6~2.5
正火30钢σb=0.441~0.549GPa
4
一般钢及铸铁
1.0~1.6
45钢，灰铸铁，结构钢
稍难切削材料
0.65~1.0
2Cr13调质σb=0.8288GPa
85钢轧制σb=8829GPa
较难切削材料
0.5~0.65
45Cr调质σb=1.03GPa
602Cr调质σb=0.9319~0.981GPa
难切削材料
0.15~0.5
502CrV调质，1Cr18Ni9Ti未淬火
α相钛合金
很难切削材料
＜0.15
β相铁合金,镍基高温合金
5
普通材料
6
7
8
难切削材料
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机械制造基础
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图7-1 切削运动和加工表面
a）车削 b）铣削 c）刨削 d）钻削 e）磨削
1—主运动 2—进给运动 3—待加工表面 4—过渡表面 5—已加工表面
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图7-5 刃倾角（S）
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