第 1章 金属切削原理与刀具
1.1 切削运动及刀具结构
1.2 金属切削基本规律
1.3 刀具磨损与耐用度
1.4 金属切削效益分析
1.1 切削运动及刀具结构
1.1.1 切削运动及切削用量
1.1.2 刀具材料
1.1.3 车刀的形状及几何角度
1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直时工件角度的变化
1.1.1 切削运动及切削用量
1,零件表面的形成及切削运动
2,切削用量
3,切削层几何参数
1,零件表面的形成及切削运动
机器零件的形状虽很多，但分析起来，主要由下列几种表面组成，即外圆
面、内圆面（孔）、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加工,就基本上能完成所有机器零件的加工。
外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时
所形成的表面。
平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。
成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成 的表面。
上述各种表面，可分别用图 1-1所示的相应的加工方法来获得。由图可知，
要对这些表面进行加工，刀具与工件必须有一定的相对运动，就是所谓切 削运动
? 切削运动包括主运动（图中 Ⅰ ）和进给运
动（图中 Ⅱ ）。主运动是切下切屑最基本
的运动；进给运动是使金属层不断投入切
削，从而加工出完事表面所需的运动。各
种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣
削、磨削和齿轮加工等）都是为了加工某
种表面而发展起来的，因此，也都有其特
定的切削运动。切削运动有旋转的，也有
直行的；有连续的，也有间歇的。
图 1-1 零件不同表面加工时的切削运动
图 1-2 车外圆的切削要素
2,切削用量
（ 1）切削速度 υ 在单位时间内，工件和刀具
沿主运动方向的相对位移。单位为 m/s或
m/min。
（ 2）进给量 工件或刀具运动在一个工作循
环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给
运动方向的相对位移。
（ 3）切削深度 ap 待加工表面与已加工表面
间的垂直距离，单位为 mm。
3,切削层几何参数
切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加
工表面之间的那层材料。以车外圆为例（图 1-2），切削层就是
工件每转一转，切削刃所切下的一层材料。为简化计算工作，
切削层的几何参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度量，
它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。
（ 1）切削厚度 ac 两相邻加工表面间的垂直距离，单位为 mm。
如图 1-2所示，车外圆时,
ac= f·sinkr (mm)
（ 2）切削宽度 aw 沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为 mm。
车外圆时（图 1-2）,
aw= ap/sinkr (mm)
（ 3）切削面积 A 切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单
位为 mm2。
1.1.2 刀具材料
1,刀具材料应具备的性能
2,常用的刀具材料
1,刀具材料应具备的性能
（ 1） 高的硬度和耐磨性
（ 2）足够的强度和韧性
（ 3）高的耐热性（热稳定性）
（ 4）良好的热物理性能和耐热冲击性能
（ 5）良好的工艺性能
（ 6）经济性
2,常用的刀具材料
（ 1）碳素工具钢及合金钢
碳素工具钢是含碳量较高的优质钢（含碳量 0.7%—
1.2% 如 T10,T12A等）淬火后碳度较高的耐热性较
差（表 1-1）。在碳素工具钢中加入少量的 Cr,W、
Mn,Si等元素形成合金工具钢，如（ 9SiCr,CWMn
等）。可适当减少热处理变形和提高耐热性（表 1-
1），由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用来
制造一些切削速度不太高的手动工具，如锉刀、锯
条、铰刀等较少用来制造其它刀具。
（ 2）高速钢
高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合
金工具钢。
高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达到 500~650℃ 时，
尚能进行切削。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提
高切削 1~3倍，提高刀具耐用度 10~40倍，甚至更多。它可以加
工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。
高速钢具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的 2~3倍，为
陶瓷的 5~6倍）和韧性，具有一定的硬度（ 63~70HRC）和耐
磨性，适合于各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机
床上加工。
高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，这
一点对形状复杂及大型成形刀具非常重要，故在复杂刀具（钻
头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）制造中，高速钢仍
占主要地位。
高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用较
可靠
（ 3） 硬质合金
1）硬质合金的特点
硬质合金是由难熔金属碳化物（如 WC,TiC,TaC,NbC等）
和金属粘结剂（如 Co,Ni等）经粉末冶金方法制成的。
由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有
熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好等特点，因此，
硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬
度为 89~93HRA，比高速钢的硬度（ 83~86.6HRA）高。在
800~1000℃ 时尚能进行切削。在 540℃ 时，硬质合金的硬度为
82~87HRA，相当于高速钢的常温硬度，在 760℃ 时仍能保持
77~85HRA。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀
具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可
提高 4~10倍。
常用硬质合金的抗弯强度为 0.9~1.5Gpa，比高速钢的强度低得
多，断裂韧度也较差（见表 1-1）。因此。硬质合金刀具不能像
高速钢刀具那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。
2）常用硬质合金的分类及性能
目前主要应用的硬质合金有下列四类，表 1-3为
其化学成分及性能。
表 1-4 硬质合金的用途
? （ 4） 陶瓷刀具
? 陶瓷刀具的主要成分是 Al2O3，陶瓷刀具的硬度
高、耐磨性好、耐热性高（表 1-1），允许使用较
高的切削速度，加工 Al2O3的价格低廉、原料丰
富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料性脆怕
冲击，切削时易崩刃，所以如何提高其抗弯强度
已成为各国研究的工作重点。近十年来，各国已
先后研制成功“金属陶瓷”，如我国研制成的 AM、
AMF,AMT,AMMC等牌号的金属陶瓷，其成分
除 Al2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度比
普通陶瓷刀片高。
? （ 5） 其它刀具材料
? 1） 人造金刚石
? 人造金刚石硬度极高（ 10000HV），耐热性为 700~800℃ 。
聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒主要制
成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬合金、陶瓷、
玻璃外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工铁族
金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘结作
用而加快刀具磨损。
? 2）立方氮化硼（ CBN）
? 立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度
（ 7300~9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学
稳定性大大高于金刚石，能耐 1300~1500℃ 的高温，并且
与铁族金属的亲和力小，因此它的切削性能好，不但适合
于非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。
1.1.3 车刀的形状及几何角度
1,刀具切削部分的结构要素。
2,刀具角度参考系
3,刀具的标注角度
4,刀具角度的换算
5,刀具工作角度的计算
1,刀具切削部分的结构要素。
图 1-3各种刀具切削部分的形状
图 1-4刀具切削部分的构造要素
2,刀具角度参考系
（ 1）刀具切削角度的参考平面
1）切削平面。
2）基面
（ 2） 刀具标注角度的参考系
图 1-5 刀具切削角度的示意图
图 1-6 横车的基面和切削平面
图 1-7 刀具标注角度的参考系
图 1-8 纵（横）剖面参考系
图 1-9 各参考系的参考平面
3,刀具的标注角度
图 1-10 车刀的标注角度
4,刀具角度的换算
图 1-11法剖面内的角度
图 1-12法向前角 γn
5,刀具工作角度的计算
图 1-13 任意剖面内的角度变换
图 1-14 横向进给运动对工作角度的影响
图 1-15 外圆车刀的工作角度
图 1-16 刀尖安装高低对工件角度的影响
图 1-17 镗刀的工件角度
1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直
时工件角度的变化
如图 1-18所示，车刀刀杆与进给方向不垂直时，
主偏角和副偏角将发生变化,
（ 1-26）
式中 G——进给运动方向的垂直线和刀杆中
心线间的夹角（平面上的安装角）
图 1-18 刀杆中心线不垂直于进给方向
1.2 金属切削基本规律
1.2.1 切屑种类及形成机理
1.2.2 金属切削过程中的变形规律
1.2.3 切削的加工硬化与残余应力
1.2.4 积屑瘤和鳞刺
1.2.5 切削力与切削功率
1.2.6 切削热、切削温度及切削液
1.2.1 切屑种类及形成机理
1,切屑种类及其相互关系
2,切屑形成机理
1,切屑种类及其相互关系
（ 1）带状切屑
（ 2）挤裂切屑
（ 3）单元切屑
（ 4）崩碎切屑
图 1-19 切屑的各种形态
表 1-7切屑形态的影响因素及其对切削加工的影响
2,切屑形成机理
研究切屑形成机理 多采用直角切削方式（ λs= 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（图 1-20a）。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，变成了平得四边形
OMm1a1（图 1-20b）。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，许多梯形选加起来就迫使切屑向逆时针方向转动（图 1-
20c）。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 塑性变形而形成为切屑的过程。
图 1-20 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
2,切削过程变形的表示方法 ——变形系数
3,剪切面与剪切角
4,剪切区的变形
5,变形系数与剪应变的关系
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（图 1-21），即,
（ 1）第一变形区（ Ⅰ ），也就是剪切区。是产生变形的主工
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 1-21切削时的三个变形区
2,切削过程变形的表示方法 ——变形系数
图 1-22 切屑的收缩
3,剪切面与剪切角
（ 1）剪切面与剪切角
图 1-23 作用于切削层的力系与剪切角的关系
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（图 1-23）。 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（图 1-23）。图中 Fn为刀
具作用于切削层的法向力,Ff为切屑沿前刀面的摩
擦力，因而作用在切削层的合力 Fr也就是将切屑切
下的作用力为,
? 此处 Fs与 Fsn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 1-32中,β是 Fr与 Fn的夹角，称为摩擦角（ tgβ =
μ）。（ β–γo）是作用力 Fr与切削速度方向的夹
角，它代表 Fr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。
? （ 2）剪切角与变系数的关系
? 图 1-25 自由 20cr钢，作用角 ω=0时前角对剪切角的影响
? 由式 1-32与图 1-23、图 1-24、图 1-25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。 γo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≈20o~35o，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。
图 1-23 作用于切削层的力系与剪切角的关系
图 1-24 切削条件变化时（ β–γo） ~φ关系图
图 1-25 20cr钢，作用角 ω=0时前角
对剪切角的影响
图 1-26 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。
图 1-27 切削区各部分的滑移线及其分布
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，（ τmax≥τs），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 45o角（图 1-27 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（图 1-27b）。
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 τmax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 τmax
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。
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（图 1-28），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 τs，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。 2ˊ —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 1-27 切削区各部分的滑移线及其分布
图 1-28剪切区金属剪切滑移情况
图 1-29 切削速度、切屑流出速度与
剪切速度间的关系
图 1-30 剪切角 φ、剪应变 ε与前角 γo
的关系
5,变形系数与剪应变的关系
图 1-31不同前角时变形系数与剪应
变的关系
图 1-32 剪切面上应力分布情况
1.2.3 切削的加工硬化与残余应力
1,加工硬化
2,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
1-34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,υ
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 αc太小时（如铰削），硬化现象反会随 αc的减小
而上升。减小前角，增大刀具的钝圆半径 rn与刀具磨损时，均会使硬化
程度及硬化层深度增大。
图 1-33 塑性变形区加工硬化情况
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。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
? 图 1-35 已加工表面层内残余应力的变化
? 刀 ~工接触区经强烈的变形与使表层温度很
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，
受热温度较浅。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 （ 图 1-35）,
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 882~980 N/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 1-34 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
2,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（图 1-36）。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。
（ 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（图 1-36b）；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，即是粗加工，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的积屑瘤的起着实
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。
? 图 1-37积屑瘤与滞流层形成示意图
? （ 3）成因
? 图 1-38刀 ~屑接触长度
? 在刀 ~屑接触长度 lf内 lf1接触区间（图 1-38），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 1-37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 τs滞流层与前刀面接触处的金属步不
会发生剪切滑移而停留在前刀面上，沿滞流层内
部某一表面作相对移动，这样越积越大，便形成
了积屑瘤。
? （ 4）影响因素
? 影响积屑瘤的主要因素是工件材料，刀具前角 γo。切削速
度 υ，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（图 1-39a）。刀具材料与工件材料之间的粘结性
好，也易产生积屑瘤。
? 图 1-39 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
? 切削速度 υ主要通过切削温度影响积屑瘤。温度适当时，
（如切削中碳钢时约为 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 τs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 ac与刀 ~屑接触长度 lf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。
（图 1-39b）
? 前角 γo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（图 1-39c）。采用润滑性能优良的
切削液可减小甚至消除积屑瘤。
? （ 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 υ=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 υ=0.0165~0.083m/s (1~5m/min)的低速。在车削精
密丝杆时，采用 γo=0o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 υ增至一定
值时可使积屑瘤完全消失。例如切软钢时一般 υ>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 γo >35o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
图 1-35 刀具上的积屑瘤及其使前角增大的情况
图 1-36积屑瘤与滞流层形成示意图
图 1-37刀 ~屑接触长度
图 1-38 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
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
根据国内的研究，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，生成鳞剌。
由图 1-40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
? 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
（图 ）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剌现象有密切联系，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
图 1-39 鳞刺形成的四个阶段
1.2.5 切削力与切削功率
1,切削力及研究切削力的意义
2,切削合力、分力和切削功率
3,切削力的测量与计算
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，并引进工艺系统的变
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，之所以发会产生切削力，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 1-41，前刀面上的正压力 FrN和 Fr合成前刀面合力 Fr,rN，后刀面上
的正压力与摩擦力合成后刀面合力 Fa,aN,Fr,rN与 Fa,aN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。
? （ 1）切削合力和切削分力
? 图 1-41中刀具（或工件）是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 Fz——是沿切削速度方向上的分力，又
称为切向力。
? 进给抗力 Fx——是 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 Fy——是 F在切深方向上的分力，外圆
车削中，又叫径向力。
? 三个分力中，主切削力 Fz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。
? Fx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。
? Fy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,Fx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,Ff,Fy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,Fx,Fy,Fz =(0.1~0.6)：
（ 0.15~0.7）,1。
图 1-41 作用在刀具上的力
图 1-42 外圆车削时的切削合力与分力
? （ 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 Pc表示。车削中，切深
抗力 Fy不消耗功率,Ff远小于 Fz,υx远小于 υz，
故计算切削功率时常忽略 Fx所消耗的功率，故有
? 式中 Fz—— 主切削力；
? υ——切削速度。
? 由此，可计算出机床主电机所需功率 PE。
?
? 式中 η——机床传动效率，一般 η=0.75~0.85。
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。 a.用测力
仪进行测量。 b.用经验公式计算。 c.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 1-43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。
利用这种传感器可同时测量 Fz,Fy和 Fx，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（图 1-44），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 1-44 电阻应变片
图 1-43 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，通常多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 ap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 ap,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 Fc与 ap,f之关系的主要步骤如下,
? 首先建立 Fz与 ap,f之单元关系。为此，实验时，
固定 ap以外的所有其他切削条件，选取若干个 ap
进行切削实验，用测力仪量取不同 ap时的切削力
Fz，得到若干组 Fc与 ap的对应数据，经数据处理，
得到 Fz与 ap之间的单元关系式。然后，用同样方
法 Fc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 Fz与 ap,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,
表 1-7 主切削力经验公式中的系数、指数值（车外圆）
4,切削力理论公式
1.2.6 切削热、切削温度及切削液
1,切削热及切削温度
2,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，对切削过程影
响有多方面影响。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 1-45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 1-46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 1-44 切削热的产生与传出
图 1-45 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
? 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 υ对各途径传热比例也有一定的影
响。切削速度 υ越高，切屑带走的热量则更少，图
1-47示出了 υ对热量传散情况的影响规律。
图 1-46υ 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
ap=1.5mm f=0.12mm·r-1 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
? 图 1-48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— 毫伏法 6—铜顶尖（与支架绝缘）
? 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 1-48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。
? 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-
49，这样在测量实际切削时的切削温度时，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。
? 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 1-50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,见图 1-51。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
? 图 1-51 刀具、切屑和工件上温度分布工件材料,GCr15 刀具,YT14
? γo=0o,bD=5.8mm,hD=0.35mm,
? υc=1.33m·s-1
? （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。
? 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
图 1-50 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— 毫伏法 6—铜顶尖（与支架绝缘）
图 1-49 热电偶标定曲线
图 1-50 刀具、切屑和工件上温度分布工件材料,
GCr15 刀具,YT14
γo=0o,bD=5.8mm,hD=0.35mm,
υc=1.33m·s-1
图 1-51切削量对温度影响
? 2）刀具角度
? ① 前角 前角 γo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，则会由
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 1-53示出了 θ随 γo增加而
变化的规律。
? 图 1-53 主偏角对切削温度的影响
? ap=2mm,rε=20mm
? ② 主偏角 在切削深度 ap不变时，减小主偏角 κr,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 κr的减小而降低。图 1-54示
出了主偏角对 θ的影响规律。
图 1-52前角对切削温度的影响
工件材料,45钢 刀具材料：高速钢
ap=1.5mm,f = 0.2mm· r-1,υc=20m·min-1
图 1-53 主偏角对切削温度的影响
ap=2mm,rε=20mm
? 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、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 1-55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。
? 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 1-54 45钢不同热处理状态下对切削温度的影响
刀具,YT15 γo=15o
ap=3mm,f=0.1mm·r-1
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。
通常要求切削液具有以下四方面作用。
1）冷却作用
由第五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，要求它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 1-56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。
? 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
能的好环与切削液的渗透性、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。
图 1-55 切削界面上的粘结和边缘区
? 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，形成化学吸咐膜，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 1-57a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 1-57b所示。
金属切削中应用的是水包油乳化液。
? 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
图 1-57乳化液示意图
? 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
? 1）切削液的种类
? 金属切削加工中学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、棉子油、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腊做成腊笔，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 1-8
表 1-8 切 削 液 选 用 推 荐 表
? （ 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（图 1-58）
? 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 0.17~0.33 l/s (10~20 l/
min)。
图 1-57浇注法冷却示意图
? 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 (50~150 l/ 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直径的喷咀将切削
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 (0.75~1 l/ 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。
? 图 1-59喷雾冷却示意图
? 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
咀，高速喷射到切削区，见图 1-59。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 1-58喷雾冷却示意图
1.3 刀具磨损与耐用度
1.3.1 刀具磨损形式及过程
1.3.2 刀具磨损的原因及本质
1.3.3 切削用量与耐用度的关系
1.3.4 刀具破损
1.3.1 刀具磨损形式及过程
1,刀具磨损形式
2,刀具磨损过程
3,刀具磨钝标准
1,刀具磨损形式
刀具磨钝后往往会产生一些直觉的变化，例如已加工表面光洁面恶化或在工件
上出现挤亮的表面；切屑的形状和颜色发生变化；切削的声音发生变化，产生
一种沉重的感觉，甚至出现振动等等。在刀具上，切削刃钝圆半径增大，后刀
面上出现磨损带，前刀面上可能出现月牙状的凹坑。刀具磨损的一般形态如图
1-60所示。
刀具的磨损形式有下面三种,
（ 1）前刀面磨损（月牙洼磨损）
加工塑性金属时，如果切削速度较高和切削厚度较大，切屑会逐渐在前刀面上
磨出一个月牙状的小凹坑（图 1-61）。随着切削时间的增加，月牙洼的深度逐
渐增大，而宽度的变化较小。在前刀面磨损部位的中间处垂直切削刃作一法剖
面，在这剖面内月牙洼在不同切削时间的变化如图 1-63所示。月牙洼的表示方
法如图 1-61中的 A—A剖面所示
图 1-59刀具磨损的一般状态
图 1-60外圆车刀典型的磨损形式示意图
? 刀具材料：硬质合金；工件材料：含硫易切钢（ 0.08%C,0.25%S）
切削用量,υ=305m/min,f=0.117mm/rev,ap=2.54mm
? 图 1-63前刀面月牙洼的磨损过程
? （ 2）后刀面磨损
? 由于切削刃钝圆半径部位对加工表面的挤压与摩擦，在切削刃下方会
磨出一狭条后角等于零的棱面，这就是后刀面磨损。切削塑性金属，
如果切削厚度较小和切削速度低；或者切削脆性金属，一般不产生月
牙洼磨损。但在一般情况下都有后刀面磨损。后刀面磨损平均值以 VB表示（图 1-62），以 VBmax表示切削刃中部的最大磨损值。在刀
尖部位 C区及切削刃靠近工件外表面的 N区，由于和周围介质（空气
或切削液）接触与切削刃中间的 B区不同，氧化或与切削液中活泼元
素的化学反应比较严重，以及其他原因，往往使后刀面的磨损量大于 VB或 VBmax，分别以 VC及 VN表示。
? 由于在各类刀具上都有后刀面磨损，而且容易测量，故通常以它表示
磨损的大小。但当前刀面磨损较后刀面严重时，应以月牙磨损量表示 磨损的大小。
? （ 3）前刀面和后刀面同时磨损
? 这是一种兼有前两种磨损的形式。切削塑性金属时，经常会发生这种
磨损
2,刀具磨损过程
? 随着切削时间的延长，刀具的磨损也逐渐增大。
磨损的速度主要取决于刀具材料、工件材料与切
削速度。图 1-64中曲线 a是切削性能较好的刀具材
料加工容易切削的工件材料，或者切削速度不太
高、刀具磨损很缓慢时的磨损曲线。图中曲线 C
是耐热性较差的刀具材料（例如高速钢）以较高
的切削速度切削黑色金属，或者切削速度很高刀
具很快磨损的磨损曲线。如果刀具材料是高速钢，
而切削区的平均温度超过了高速钢的允许温度
（一般在 600~700℃ 左右），则刀具切削区的硬
度很快下降，使刀具在短时间内就已磨损。
? 图中 b是典型的磨损曲线，常见于一般切削情况中。
这条曲线可划分为三个阶段,
? （ 1）初期磨损阶段（ OH段）这一阶段磨损速度
较快，达到不大的值（通常 VB=0.05~0.1mm）后
即稳定下来。
? （ 2）正常磨损阶段（ HI段）这一阶段磨损速度较
慢,VB随切削时间的延长而均匀增加。对粗加工
刀具，常充分利用这一阶段。
? （ 3）剧烈磨损阶段（ IJ段）当正常磨损达到一定
限度后，磨损速度有时会突然加快。在这种情况
下，应在 VB到达 I点前就终止切削，取下重磨。在
正常的切削速度下用硬质合金切削灰铸铁，当 VB
相当大时，可能也不出现这一阶段。这时 VB也不
应过大，以免造成重磨困难。
图 1-61后刀面磨损
图 1-62前刀面月牙洼的磨损过程
图 1-63 几种类型的磨损曲线
3,刀具磨钝标准
? 刀具磨损到一定程度应该取下重磨，一般以后刀面磨损值
VB达到一定数值作为磨钝标准。粗加工时，一般将磨钝
标准定在正常磨损阶段的后期临近剧烈磨损阶段以前。随
着后刀面磨损值的加大，切削力将增大，尤以走刀抗力 Fx
与吃刀抗力 Fy增大得更为显著（见切削力一章），所以当
机床 ——刀具 ——工件系统刚度差时，刀具磨钝标准应适
当减小。
? 刀具磨损后将恶化加工零件的表层质量，降低尺寸精度，
故半精加工与精加工的磨钝标准一般低于粗加工的，并且
应根据零件表层质量及精度的要求确定。对表层质量要求
严格（特别是防止出现过大的残余拉应力或避免在表层出
现微裂纹等缺陷）的重要零件，对后刀面的磨损量应该严
格控制。表 1-9是硬质合金车刀的磨钝标准参考值。
表 1-10 硬 质 合 金 车 刀 的 磨 钝 标 准
1.3.2 刀具磨损的原因及本质
1,粘结磨损
2,扩散磨损
3,磨料磨损
4,其它类型的磨损
5,磨损原因综述
1,粘结磨损
? 粘附是金属切削中的一个普遍现象。当切屑流出时，切削、切屑底层 粘附在前刀面上，迫使较软的一方 ——切屑底层内部发生很大的剪切
变形。刀具材料的硬度总是超过切屑的硬度。但连续不断流出的切屑
始终作用在一块不大的刀具表面上，粘附层周期性地局部破坏，导致
了刀具表层材料内的交变应力，使粘附的刀具表层内也会发生塑性变 形。
? 当塑性变形进一步加大，粘结点处刀具材料会产生破裂，使刀具前刀 面上出现凸坑。
? 粘结磨损速度与下列因素有关；
? （ 1）刀具材料与工件材料粘结的牢固程度，粘结截止牢越易磨损。
? （ 2）刀具材料表层的微观强度，如微裂纹、空隙、杂质、残余应力
等等。显然，随着表层缺陷的增多，粘蚀磨损也随之增加。
? （ 3）刀具材料与工件材料的硬度比 假如刀具材料与工件材料都不变
化，仅改变切削速度，则刀具材料与工件材料的硬度都随之变化。假
如切削速度的变化使工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度基本没有 下降，则粘蚀磨损会减少。
图 1-64硬质合金 YG8在磨损的 WC晶
2,扩散磨损
? 扩散磨损是在更高温度下产生的一种现象。
? 当温度足够高时，相互间有亲和作用的元素原子从浓度高处向浓度低处迁移，这种现
象称为扩散。例如高速切削时，硬质合金中的 C,W,Co向钢中扩散，而钢中的 Fe 向
硬质合金中扩散。图 1-66是 YT15硬质合金刀具切削 40钢时前刀面接触区斜切面的照片，
在硬质合金与切屑之间可以看到一层黑色的富碳层，还可以看到一些刀具的碳化物晶
粒已嵌在富碳层中间。
? 刀具的扩散磨损除了刀具材料的组成元素在高温作用下直接扩散到工件材料中去以外，
还会由于相互扩散使刀具表层的强度下降，使碳化物晶粒从刀具基体中被切屑带走，
从而加剧了粘蚀磨损。因此扩散磨损往往同粘结磨损一起发生。
? 切削用量,υ=260m/min,f=2.17mm/r,ap=1mm；与前成面倾斜 5~6o；放大倍数：
1140
? 图 1-66 WC—TiC—Co硬质合金车刀切钢时前刀面接触区的斜切面
? 扩散磨损的速度与下列因素有关,
? （ 1）刀具与工件两种材料之间是否容易起化学反应 不同材料之间有不同的化学亲和
性，有的材料之间在相当高的温度下会发生激烈的化学反应，例如 WC与碳钢之间。在
相同的条件下，有的则不发生反应，例如 Al2O3与碳钢之间。有的则发生轻微反应，例
如 TiC与碳钢之间。这个静态时所做的试验与切削时刀具的磨损规律基本上是一致的。
也就是：切削碳钢时在相同的条件下,WC—Co硬质合金刀具的磨损最快,Al2O3陶瓷
刀具磨损最慢，而 WC—TiC—Co硬质合金刀具介于二者之间
? （ 2）接触面的温度
? 由扩散定律可知，单位时间内通过横截面
扩散量与温度之间成的关系，其中 θ——绝
对 c—随材料而异的常数。这表明对一定材
料，随着温度的上升，扩散量先是较缓慢
地增大，而后则越来越迅猛地增大。
图 1-65 WC—TiC—Co硬质合金车刀
切钢时前刀面接触区的斜切面
3,磨料磨损
? 工件材料中含有一些氧化物（ SiO2,Al2O3,TiO
等），碳化物（ Fe3C,Cr23C6,Fe3W3C，
Fe3MO3C,VC,TiC,Fe3(C,B)等）及氮化物
（ Si2N4,Cr2N,TiN,VN,BN,AlN）等硬质
点。这些合金元素有些是杂质，有些是在炼钢时
作为还原剂加进去的，有些是为改善钢的性能有
意识添加进去的。这些硬质点的硬度如果超过了
刀具材料基体的硬度，当进入刀 ——屑接触面时，
就会象磨料一样在刀具表面上划出一条条沟槽，
称为磨粒磨损。图 1-66表示奥氏体不锈钢中的 Ti
（ C,N）硬质点从左向右移动时，在高速钢前刀
面上划出了沟槽。
图 1-66切削 Ti奥氏体不锈钢时高速钢
前刀面的磨粒磨损
4,其它类型的磨损
? （ 1）塑性变形
? 高速钢刀具只能耐 600~700℃ 的高温，温度再高，高速钢的金相组织发生变化，硬度
下降，就会产生塑性变形而形成磨损。换言之，在切削的重负荷与高温作用下，刀具
切削部分的局部形状发生了变化，这种磨损称为由塑性变形造成的磨损。
? （ 2）周围介质化学作用引起的磨损
? 周围介质指切削液或不加切削液时空气中的氧。由于周围介质的化学作用，在刀具表
面形成一层硬度较低的化合物，容易被擦去，加剧了磨损。这就是由于周围介质化学
作用引起的磨损。
? 一般情况下，周围介质不容易进入后刀面与加工表面接触区的中央部分，但是容易与
接触区的边缘部分起化学反应，故介质化学磨损容易表现为边缘部分的沟槽磨损。
? （ 3）热电磨损
? 在切削区高温作用下刀具与工件这两种不同材料之间会产生一种热电势，大约在
1~20mv之间。这个数值根据不同的刀具 ——工件材料副及不同的切削温度而异。如果
机床与工件之间或机床与刀具之间没有绝缘，则在机床 ——工件 ——刀具 ——机床回
路中会产生一个微弱的电流。这个电流的大小除与热电势有关外，还与这一回路中的
电阻（称为机床电阻）有关。静态的机床电阻都很小，一般小于 1欧。切削时，机床电
阻与转速有关，不同机床的变化规律并不相同。试验表明，热电势产生的电流在几十
毫安以内，这个热电流会加速刀具的磨损。这种磨损就是热电化学磨损
5,磨损原因综述
? 磨损的原因很多，但是，不同的刀具材料切削不同的工件
材料，在不同的切削条件下，某几种原因会显得更加重要，
因其他原因仅仅起次要作用。此外，各种磨损原因相互间
也有影响，例如由于扩散磨损使刀具表层的硬度下降，则
粘蚀磨损、塑性变形与磨粒磨损也会加剧。图 1-68是硬质
合金刀具切削钢及其合金时五种磨损原因在总的相对磨损
（即单位切削路程的刀具磨损量）中所占比例的示意图。
低速时，硬质合金容易碎裂，形成不正常磨损，在图未画
出。高速时主要磨损原因是粘蚀磨损与扩散磨损。在高速
区域，扩散磨损增加很快，粘蚀磨损仍有相当比例，总的
相对磨损随切削速度或温度的增加而增加。在中速区域，
当扩散磨损还没有急剧增加以前，假如工件材料的硬度下
降而硬质合金的硬度基本没有下降，则粘蚀磨损会相应减
少，于是在总的相对磨损曲线上出现一个最低点，关于这
一点在切削用量选择一章中还会讲到
? 此外，关于各种磨损原因还可归纳成下列几点,
? （ 1）高速钢刀具的耐热性及硬度比硬质合金低，故塑性
变形（当切削温度超过高速钢的回火温度后，金相组织变
化，硬度下降，塑性变形增大，也可称为相变磨损）、粘
蚀磨损及磨粒磨损占的比例大，而扩散磨损占的比例不大。
当用高速钢切削高温合金等难切削材料时，应选用提高耐
热性与提高硬度的高性能高速钢。
? （ 2）刀具与工件材料粘结强烈，则粘蚀磨损占的比例增
大。
? （ 3）工件中硬质点数增加，则磨粒磨损占的比例增大。
? （ 4）周围介质化学作用容易引起切削刃边缘部位的沟槽
磨损。
? （ 5）切削一些难加工材料时热电磨损占有一定比例。
? 从各种磨损原因中还可以看到，在多数原因中都是随着切
削温度的升高而加剧磨损，例如扩散磨损、塑性变形、热
电磨损及磨粒磨损等。所以切削温度是确定磨损快慢的一
个重要指标。当达到一定温度后，温度越高，磨损越快
图 1-68不同切削速度时硬质合金刀具磨损原因
在总的相对磨损中所占比例的示意图
1—粘蚀磨损,2—扩散,3—磨粒磨损,4—塑性变形,5—氧化磨损。
1.3.3 切削用量与耐用度的关系
1,刀具耐用度
2,切削用量与耐用度之间的关系
1,刀具耐用度
? 刀具由刃磨后开始切削一直到磨损量达到
磨钝标准的总切削时间为刀具耐用度（用 T
表示）。一般地，磨钝标准为后刀面磨损
高度 VB。
2,切削用量与耐用度之间的关系
图 1-68切削时间与后刀面磨损之间的关系
图 1-70双对数坐标中刀具耐用度与切削速度的关系
1.3.4 刀具破损
1,刀具破损形成
2,刀具破损的原因
1,刀具破损形成
? 上面叙述的刀具磨损是逐渐增加的。但生
产中常常会出现刀具的突然损坏，俗称崩
刃或打刀，可统称为破损。破损较多在硬
质合金、陶瓷刀等脆性材料中发生，特别
在铣削等断续切削的场合，当工件材料是
硬度较高的钢件时更为常见。破损的刀具
修磨困难，甚至不可能修复。对破损的研
究在生产中有很大意义
? （ 1）崩刃 这是指刀片表面较薄的一层材料剥离基体，或者沿前刀面，
或者沿后刀面（图 1-71）。一般是早期破损，即刚刃磨过的刀具切削
不久就会发生。硬质合金刀具低速断续切削时容易发生这种破坏形式，
特别是切屑粘在刀齿上再切入时更易发生。
? 工件材料：灰铸铁 HB184；工件宽,40mm；铣削用量：
υ=420m/min,af=0.4mm/Z，铣削深度 ap/2mm；铣刀：单齿端铣刀，
直径 φ150mm，进给平面前角（径向前角） γf =5o,切深平面前角
（轴向前角） γp=5o；铣削方式：对称铣
? 图 1-72 TiC基硬质合金铣灰铸铁时的热裂
? （ 2）碎裂 刀具较大块的碎裂，有时在使用不长时间发生，也有时在
使用了长时间后突然发生，属于脆性材料以较大的进给量断续切削，
在较大的冲击载荷下容易发生这种破坏形式。连续切削时，如进给量 过大，也会发生这种破坏。
? （ 3）裂纹 这是一种在较高切削速度下硬质合金刀具的疲劳破坏。一
般在断续切削相当时间后出现。疲劳破坏或是由于热应力引起，或是
由于变化的机械负载造成。前者主要产生垂直切削刃的梳状裂纹，如 图 1-72所示。但也会有少量平行切削刃方向的裂纹。后者主要是平行
切削刃方向的裂纹。其中以热裂更为常见。
? （ 4）塌陷 这是一种塑性变形的磨损形式。
图 1-70 硬质合金铣刀铣钢时沿后刀面的崩刃
刀具材料,YT15；工件材料,1%C碳钢；铣削用量：
υ=56m/min,af=0.21mm/Z，铣削深度 ap=2mm；铣刀直径：
φ177mm；工件宽度,82；切削次数,50次。
图 1-71 TiC基硬质合金铣灰铸铁时的热裂
工件材料：灰铸铁 HB184；工件宽,40mm；铣削用量,υ=420m/min,
af=0.4mm/Z，铣削深度 ap/2mm；铣刀：单齿端铣刀，直径 φ150mm，
进给平面前角（径向前角） γf =5o,切深平面前角（轴向前角） γp=5o；
铣削方式：对称铣
2,刀具破损的原因
? （ 1）机械破损
? 刀具切削的受力过程是一个动载过程，当刀具内的最大应
力超过了强度极限，就会产生裂纹而引起破损。
? （ 2）热应力引起的裂纹
? 在断续切削的情况下，刚切入时，前刀面接触区的几毫秒
至几十毫秒的瞬间内升高到稳态时的切削温度；但离前刀
面稍深处的温度还是切入前的温度，因此存在很大的温度
梯度，使前刀面不能自由膨胀，这时前刀面受压应力。切
出后前刀面很快冷却，到第二次切入前已经冷却到相当低
的温度；但这时稍离前刀面下层的温度却没有表层冷得这
样快，故前刀面不能自由收缩，这时前刀面受拉应力。当
切削速度很高时，切削温度很高，热应力达到相当高的数
值。每一切入切出过程，应力就变化一次。频繁变化的应
力如果超过了疲劳极限，就会产生热裂纹。
1.4 金属切削效益分析
1.4.1 零件的加工表面质量
1.4.2 材料的切削加工性
1.4.3 刀具几何参数的合理选择
1.4.4 切削用量的合理选择
1.4.1 零件的加工表面质量
1,表面质量对零件使用性能影响
2,提高表面质量的途径
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
? 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 1-72为车削残留面积高度示意图，因此越
小则 H越小 。
图 1-72 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）其它方面
? 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
2,影响材料可切削加工性因素
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 VT，即刀具耐用度为 T（ min）时切削某种材
料的所允许切削速度。 VT越高，材料的切削加工性越好。若取 T=60min则 VT可写
作 V60。
（ 2）相对加工性 κr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 κr= V60/（ V60） j。若 κr>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。
υr和 κr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，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有难易和切屑的形状，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 aκ，单位为公斤 ·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
? 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℃,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。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，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，如加工 Cr20Ni80Ti3之前。先加热到 1000℃ 保持小时，
然后在 900~950℃ 温度下时效处理 16小时，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
? 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
1.4.3 刀具几何参数的合理选择
1,前角的功用及选择
2,后角对切削过程的影响及合理选择
3,主偏角及副偏角对切削过程的影响和选用
4,刃倾角 λs对切削过程的影响及选择
? 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等要求。中其，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。一般地说：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
个参数之间的互相联系的，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，我们应该根据具体
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。即不仅考虑每一
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，也不宜太小，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。
当工件材料的塑性越大时，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。当工件材料的强度、硬度越大时，合理的前角数值越小；反
之则前角的合理数值越大。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。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
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 rn（图 1-
73）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。
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，（图 1-74）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
图 1-73 后角对刃口钝圆半径及接触情况的影响
图 1-74 后角对磨损量的影响
? （ 2）后角的合理选择
? 图 1-75切削厚度对合理后角的影响
? 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 rn，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 1-75为
不同切削厚度时的合理后角值 αopt。
? 由图 1-75可看出，切削厚度越小，后角越大，反之，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、强度愈高时，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 1-75切削厚度对合理后角的影响
表 1-13 硬质合金车刀合理后角参考值
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 κr也是刀具切削部分重要的几何参数之一，对切削过程的主要影响是,
① 主偏角 κr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 κr，则吃力抗力 Fy增大，走刀抗力 Fx减小，反之加大主偏角 κr，则可使 Fy减小，
Fx增大。当工艺系统刚度较差时，若过于减小 κr,Fy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 κr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 κr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 κr影响工件表面形状，当车削阶梯轴时，应选用 κr=90o，而当车削外圆
端面及倒角时，则可选 κr=45o。
④ 主偏角 κr的大小，还影响断屑的效果。 κr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 κr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 κr，可提高加工表面光洁度。
2）选用一般地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 κr=10o~30o。在高速强力切削时，为防止振动
应选用较大的主偏角，一般 κr>15o。
? （ 2）副偏角 κr? 对切削过程的影响及选择
? 副偏角 κr? 对切削过程的影响是,
? 减小副偏角 κr?,则可以显著减少切削后的残留面
积（图 1-76），提高表面光洁度。且可增强刀尖
强度。但 κr? 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 κr? 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 κr? = 5o~15o。但当加
工中间切入的工件时，取 κr? = 30o~45o；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 κr? =1o~2o。
图 1-76 副偏角对残留面积的影响
4,刃倾角 λs对切削过程的影响及选择
（ 1）刃倾角 λs对切削过程的影响
1）刃倾角 λs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 1-77所示为外圆车刀刃倾
角 λs对流屑方向的影响，当 λs为负值时，切屑流向已加工表面，容易将已
加工表面划伤；当 λs为正值时，切屑则朝着待加工表面流出。
2）刃倾角 λs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 λs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 λs=0o时，整个切削刃上各点同时切入和切出，冲击大；当刃倾角 λs ≠
0o时，切削刃逐渐切入工件，冲击小，使切入切出平稳。且刃倾角 λs越大，
切削刃越长，切削过程越平稳。
4）刃倾角 λs的正负和大小，影响各切削分力的比值。负值 λs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 λs的主要原因。
图 1-77 刃倾角对流屑方向的影响
? （ 2）刃倾角的合理选择及参考值
? 综合以上分析。刃倾角 λs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 λs=0o~+4o，粗车时，为了提高刃口强度，常取
λs=0o~ – 4o。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 λs= –5o~ – 15o。
车削淬硬钢时，取 λs= –5o~ – 12o。
? 合理选择刃倾角 λs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
2,选择步骤
3,举例
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（见式 1-54），刀具耐用度与切
削用量关系式（式 1-64）及切削功率与切削用量之关系式。
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
? 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 ap
? 一般根据加工性质与加工余量确定 ap。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 ap=2~6mm，半精加工时常取 ap=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 υ与机床主轴转数 n
? ap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 tm
是否满足要求
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 ap
一般根据加工性质与加工余量确定 ap。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 ap=2~6mm，半精加
工时常取 ap=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 υ与机床主轴转数 n
ap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 tm是否满足要
求
3,举例
1.1 切削运动及刀具结构
1.2 金属切削基本规律
1.3 刀具磨损与耐用度
1.4 金属切削效益分析
1.1 切削运动及刀具结构
1.1.1 切削运动及切削用量
1.1.2 刀具材料
1.1.3 车刀的形状及几何角度
1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直时工件角度的变化
1.1.1 切削运动及切削用量
1,零件表面的形成及切削运动
2,切削用量
3,切削层几何参数
1,零件表面的形成及切削运动
机器零件的形状虽很多，但分析起来，主要由下列几种表面组成，即外圆
面、内圆面（孔）、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加工,就基本上能完成所有机器零件的加工。
外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时
所形成的表面。
平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。
成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成 的表面。
上述各种表面，可分别用图 1-1所示的相应的加工方法来获得。由图可知，
要对这些表面进行加工，刀具与工件必须有一定的相对运动，就是所谓切 削运动
? 切削运动包括主运动（图中 Ⅰ ）和进给运
动（图中 Ⅱ ）。主运动是切下切屑最基本
的运动；进给运动是使金属层不断投入切
削，从而加工出完事表面所需的运动。各
种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣
削、磨削和齿轮加工等）都是为了加工某
种表面而发展起来的，因此，也都有其特
定的切削运动。切削运动有旋转的，也有
直行的；有连续的，也有间歇的。
图 1-1 零件不同表面加工时的切削运动
图 1-2 车外圆的切削要素
2,切削用量
（ 1）切削速度 υ 在单位时间内，工件和刀具
沿主运动方向的相对位移。单位为 m/s或
m/min。
（ 2）进给量 工件或刀具运动在一个工作循
环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给
运动方向的相对位移。
（ 3）切削深度 ap 待加工表面与已加工表面
间的垂直距离，单位为 mm。
3,切削层几何参数
切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加
工表面之间的那层材料。以车外圆为例（图 1-2），切削层就是
工件每转一转，切削刃所切下的一层材料。为简化计算工作，
切削层的几何参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度量，
它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。
（ 1）切削厚度 ac 两相邻加工表面间的垂直距离，单位为 mm。
如图 1-2所示，车外圆时,
ac= f·sinkr (mm)
（ 2）切削宽度 aw 沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为 mm。
车外圆时（图 1-2）,
aw= ap/sinkr (mm)
（ 3）切削面积 A 切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单
位为 mm2。
1.1.2 刀具材料
1,刀具材料应具备的性能
2,常用的刀具材料
1,刀具材料应具备的性能
（ 1） 高的硬度和耐磨性
（ 2）足够的强度和韧性
（ 3）高的耐热性（热稳定性）
（ 4）良好的热物理性能和耐热冲击性能
（ 5）良好的工艺性能
（ 6）经济性
2,常用的刀具材料
（ 1）碳素工具钢及合金钢
碳素工具钢是含碳量较高的优质钢（含碳量 0.7%—
1.2% 如 T10,T12A等）淬火后碳度较高的耐热性较
差（表 1-1）。在碳素工具钢中加入少量的 Cr,W、
Mn,Si等元素形成合金工具钢，如（ 9SiCr,CWMn
等）。可适当减少热处理变形和提高耐热性（表 1-
1），由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用来
制造一些切削速度不太高的手动工具，如锉刀、锯
条、铰刀等较少用来制造其它刀具。
（ 2）高速钢
高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合
金工具钢。
高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达到 500~650℃ 时，
尚能进行切削。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提
高切削 1~3倍，提高刀具耐用度 10~40倍，甚至更多。它可以加
工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。
高速钢具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的 2~3倍，为
陶瓷的 5~6倍）和韧性，具有一定的硬度（ 63~70HRC）和耐
磨性，适合于各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机
床上加工。
高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，这
一点对形状复杂及大型成形刀具非常重要，故在复杂刀具（钻
头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）制造中，高速钢仍
占主要地位。
高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用较
可靠
（ 3） 硬质合金
1）硬质合金的特点
硬质合金是由难熔金属碳化物（如 WC,TiC,TaC,NbC等）
和金属粘结剂（如 Co,Ni等）经粉末冶金方法制成的。
由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有
熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好等特点，因此，
硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬
度为 89~93HRA，比高速钢的硬度（ 83~86.6HRA）高。在
800~1000℃ 时尚能进行切削。在 540℃ 时，硬质合金的硬度为
82~87HRA，相当于高速钢的常温硬度，在 760℃ 时仍能保持
77~85HRA。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀
具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可
提高 4~10倍。
常用硬质合金的抗弯强度为 0.9~1.5Gpa，比高速钢的强度低得
多，断裂韧度也较差（见表 1-1）。因此。硬质合金刀具不能像
高速钢刀具那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。
2）常用硬质合金的分类及性能
目前主要应用的硬质合金有下列四类，表 1-3为
其化学成分及性能。
表 1-4 硬质合金的用途
? （ 4） 陶瓷刀具
? 陶瓷刀具的主要成分是 Al2O3，陶瓷刀具的硬度
高、耐磨性好、耐热性高（表 1-1），允许使用较
高的切削速度，加工 Al2O3的价格低廉、原料丰
富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料性脆怕
冲击，切削时易崩刃，所以如何提高其抗弯强度
已成为各国研究的工作重点。近十年来，各国已
先后研制成功“金属陶瓷”，如我国研制成的 AM、
AMF,AMT,AMMC等牌号的金属陶瓷，其成分
除 Al2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度比
普通陶瓷刀片高。
? （ 5） 其它刀具材料
? 1） 人造金刚石
? 人造金刚石硬度极高（ 10000HV），耐热性为 700~800℃ 。
聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单晶微粒主要制
成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的硬合金、陶瓷、
玻璃外，还可以加工有色金属及其合金，但不宜加工铁族
金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较强，易产生粘结作
用而加快刀具磨损。
? 2）立方氮化硼（ CBN）
? 立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度
（ 7300~9000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学
稳定性大大高于金刚石，能耐 1300~1500℃ 的高温，并且
与铁族金属的亲和力小，因此它的切削性能好，不但适合
于非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。
1.1.3 车刀的形状及几何角度
1,刀具切削部分的结构要素。
2,刀具角度参考系
3,刀具的标注角度
4,刀具角度的换算
5,刀具工作角度的计算
1,刀具切削部分的结构要素。
图 1-3各种刀具切削部分的形状
图 1-4刀具切削部分的构造要素
2,刀具角度参考系
（ 1）刀具切削角度的参考平面
1）切削平面。
2）基面
（ 2） 刀具标注角度的参考系
图 1-5 刀具切削角度的示意图
图 1-6 横车的基面和切削平面
图 1-7 刀具标注角度的参考系
图 1-8 纵（横）剖面参考系
图 1-9 各参考系的参考平面
3,刀具的标注角度
图 1-10 车刀的标注角度
4,刀具角度的换算
图 1-11法剖面内的角度
图 1-12法向前角 γn
5,刀具工作角度的计算
图 1-13 任意剖面内的角度变换
图 1-14 横向进给运动对工作角度的影响
图 1-15 外圆车刀的工作角度
图 1-16 刀尖安装高低对工件角度的影响
图 1-17 镗刀的工件角度
1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直
时工件角度的变化
如图 1-18所示，车刀刀杆与进给方向不垂直时，
主偏角和副偏角将发生变化,
（ 1-26）
式中 G——进给运动方向的垂直线和刀杆中
心线间的夹角（平面上的安装角）
图 1-18 刀杆中心线不垂直于进给方向
1.2 金属切削基本规律
1.2.1 切屑种类及形成机理
1.2.2 金属切削过程中的变形规律
1.2.3 切削的加工硬化与残余应力
1.2.4 积屑瘤和鳞刺
1.2.5 切削力与切削功率
1.2.6 切削热、切削温度及切削液
1.2.1 切屑种类及形成机理
1,切屑种类及其相互关系
2,切屑形成机理
1,切屑种类及其相互关系
（ 1）带状切屑
（ 2）挤裂切屑
（ 3）单元切屑
（ 4）崩碎切屑
图 1-19 切屑的各种形态
表 1-7切屑形态的影响因素及其对切削加工的影响
2,切屑形成机理
研究切屑形成机理 多采用直角切削方式（ λs= 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（图 1-20a）。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，变成了平得四边形
OMm1a1（图 1-20b）。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，许多梯形选加起来就迫使切屑向逆时针方向转动（图 1-
20c）。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 塑性变形而形成为切屑的过程。
图 1-20 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
2,切削过程变形的表示方法 ——变形系数
3,剪切面与剪切角
4,剪切区的变形
5,变形系数与剪应变的关系
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（图 1-21），即,
（ 1）第一变形区（ Ⅰ ），也就是剪切区。是产生变形的主工
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 1-21切削时的三个变形区
2,切削过程变形的表示方法 ——变形系数
图 1-22 切屑的收缩
3,剪切面与剪切角
（ 1）剪切面与剪切角
图 1-23 作用于切削层的力系与剪切角的关系
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（图 1-23）。 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（图 1-23）。图中 Fn为刀
具作用于切削层的法向力,Ff为切屑沿前刀面的摩
擦力，因而作用在切削层的合力 Fr也就是将切屑切
下的作用力为,
? 此处 Fs与 Fsn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 1-32中,β是 Fr与 Fn的夹角，称为摩擦角（ tgβ =
μ）。（ β–γo）是作用力 Fr与切削速度方向的夹
角，它代表 Fr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。
? （ 2）剪切角与变系数的关系
? 图 1-25 自由 20cr钢，作用角 ω=0时前角对剪切角的影响
? 由式 1-32与图 1-23、图 1-24、图 1-25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。 γo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≈20o~35o，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。
图 1-23 作用于切削层的力系与剪切角的关系
图 1-24 切削条件变化时（ β–γo） ~φ关系图
图 1-25 20cr钢，作用角 ω=0时前角
对剪切角的影响
图 1-26 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。
图 1-27 切削区各部分的滑移线及其分布
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，（ τmax≥τs），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 45o角（图 1-27 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（图 1-27b）。
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 τmax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 τmax
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。
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（图 1-28），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 τs，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。 2ˊ —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 1-27 切削区各部分的滑移线及其分布
图 1-28剪切区金属剪切滑移情况
图 1-29 切削速度、切屑流出速度与
剪切速度间的关系
图 1-30 剪切角 φ、剪应变 ε与前角 γo
的关系
5,变形系数与剪应变的关系
图 1-31不同前角时变形系数与剪应
变的关系
图 1-32 剪切面上应力分布情况
1.2.3 切削的加工硬化与残余应力
1,加工硬化
2,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
1-34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,υ
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 αc太小时（如铰削），硬化现象反会随 αc的减小
而上升。减小前角，增大刀具的钝圆半径 rn与刀具磨损时，均会使硬化
程度及硬化层深度增大。
图 1-33 塑性变形区加工硬化情况
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。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
? 图 1-35 已加工表面层内残余应力的变化
? 刀 ~工接触区经强烈的变形与使表层温度很
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，
受热温度较浅。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 （ 图 1-35）,
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 882~980 N/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 1-34 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
2,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（图 1-36）。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。
（ 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（图 1-36b）；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，即是粗加工，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的积屑瘤的起着实
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。
? 图 1-37积屑瘤与滞流层形成示意图
? （ 3）成因
? 图 1-38刀 ~屑接触长度
? 在刀 ~屑接触长度 lf内 lf1接触区间（图 1-38），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 1-37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 τs滞流层与前刀面接触处的金属步不
会发生剪切滑移而停留在前刀面上，沿滞流层内
部某一表面作相对移动，这样越积越大，便形成
了积屑瘤。
? （ 4）影响因素
? 影响积屑瘤的主要因素是工件材料，刀具前角 γo。切削速
度 υ，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（图 1-39a）。刀具材料与工件材料之间的粘结性
好，也易产生积屑瘤。
? 图 1-39 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
? 切削速度 υ主要通过切削温度影响积屑瘤。温度适当时，
（如切削中碳钢时约为 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 τs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 ac与刀 ~屑接触长度 lf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。
（图 1-39b）
? 前角 γo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（图 1-39c）。采用润滑性能优良的
切削液可减小甚至消除积屑瘤。
? （ 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 υ=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 υ=0.0165~0.083m/s (1~5m/min)的低速。在车削精
密丝杆时，采用 γo=0o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 υ增至一定
值时可使积屑瘤完全消失。例如切软钢时一般 υ>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 γo >35o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
图 1-35 刀具上的积屑瘤及其使前角增大的情况
图 1-36积屑瘤与滞流层形成示意图
图 1-37刀 ~屑接触长度
图 1-38 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
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
根据国内的研究，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，生成鳞剌。
由图 1-40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
? 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
（图 ）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剌现象有密切联系，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
图 1-39 鳞刺形成的四个阶段
1.2.5 切削力与切削功率
1,切削力及研究切削力的意义
2,切削合力、分力和切削功率
3,切削力的测量与计算
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，并引进工艺系统的变
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，之所以发会产生切削力，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 1-41，前刀面上的正压力 FrN和 Fr合成前刀面合力 Fr,rN，后刀面上
的正压力与摩擦力合成后刀面合力 Fa,aN,Fr,rN与 Fa,aN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。
? （ 1）切削合力和切削分力
? 图 1-41中刀具（或工件）是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 Fz——是沿切削速度方向上的分力，又
称为切向力。
? 进给抗力 Fx——是 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 Fy——是 F在切深方向上的分力，外圆
车削中，又叫径向力。
? 三个分力中，主切削力 Fz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。
? Fx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。
? Fy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,Fx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,Ff,Fy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,Fx,Fy,Fz =(0.1~0.6)：
（ 0.15~0.7）,1。
图 1-41 作用在刀具上的力
图 1-42 外圆车削时的切削合力与分力
? （ 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 Pc表示。车削中，切深
抗力 Fy不消耗功率,Ff远小于 Fz,υx远小于 υz，
故计算切削功率时常忽略 Fx所消耗的功率，故有
? 式中 Fz—— 主切削力；
? υ——切削速度。
? 由此，可计算出机床主电机所需功率 PE。
?
? 式中 η——机床传动效率，一般 η=0.75~0.85。
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。 a.用测力
仪进行测量。 b.用经验公式计算。 c.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 1-43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。
利用这种传感器可同时测量 Fz,Fy和 Fx，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（图 1-44），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 1-44 电阻应变片
图 1-43 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，通常多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 ap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 ap,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 Fc与 ap,f之关系的主要步骤如下,
? 首先建立 Fz与 ap,f之单元关系。为此，实验时，
固定 ap以外的所有其他切削条件，选取若干个 ap
进行切削实验，用测力仪量取不同 ap时的切削力
Fz，得到若干组 Fc与 ap的对应数据，经数据处理，
得到 Fz与 ap之间的单元关系式。然后，用同样方
法 Fc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 Fz与 ap,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,
表 1-7 主切削力经验公式中的系数、指数值（车外圆）
4,切削力理论公式
1.2.6 切削热、切削温度及切削液
1,切削热及切削温度
2,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，对切削过程影
响有多方面影响。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 1-45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 1-46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 1-44 切削热的产生与传出
图 1-45 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
? 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 υ对各途径传热比例也有一定的影
响。切削速度 υ越高，切屑带走的热量则更少，图
1-47示出了 υ对热量传散情况的影响规律。
图 1-46υ 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
ap=1.5mm f=0.12mm·r-1 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
? 图 1-48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— 毫伏法 6—铜顶尖（与支架绝缘）
? 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 1-48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。
? 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-
49，这样在测量实际切削时的切削温度时，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。
? 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 1-50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,见图 1-51。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
? 图 1-51 刀具、切屑和工件上温度分布工件材料,GCr15 刀具,YT14
? γo=0o,bD=5.8mm,hD=0.35mm,
? υc=1.33m·s-1
? （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。
? 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
图 1-50 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— 毫伏法 6—铜顶尖（与支架绝缘）
图 1-49 热电偶标定曲线
图 1-50 刀具、切屑和工件上温度分布工件材料,
GCr15 刀具,YT14
γo=0o,bD=5.8mm,hD=0.35mm,
υc=1.33m·s-1
图 1-51切削量对温度影响
? 2）刀具角度
? ① 前角 前角 γo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，则会由
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 1-53示出了 θ随 γo增加而
变化的规律。
? 图 1-53 主偏角对切削温度的影响
? ap=2mm,rε=20mm
? ② 主偏角 在切削深度 ap不变时，减小主偏角 κr,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 κr的减小而降低。图 1-54示
出了主偏角对 θ的影响规律。
图 1-52前角对切削温度的影响
工件材料,45钢 刀具材料：高速钢
ap=1.5mm,f = 0.2mm· r-1,υc=20m·min-1
图 1-53 主偏角对切削温度的影响
ap=2mm,rε=20mm
? 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、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 1-55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。
? 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 1-54 45钢不同热处理状态下对切削温度的影响
刀具,YT15 γo=15o
ap=3mm,f=0.1mm·r-1
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。
通常要求切削液具有以下四方面作用。
1）冷却作用
由第五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，要求它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 1-56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。
? 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
能的好环与切削液的渗透性、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。
图 1-55 切削界面上的粘结和边缘区
? 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，形成化学吸咐膜，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 1-57a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 1-57b所示。
金属切削中应用的是水包油乳化液。
? 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
图 1-57乳化液示意图
? 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
? 1）切削液的种类
? 金属切削加工中学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、棉子油、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腊做成腊笔，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 1-8
表 1-8 切 削 液 选 用 推 荐 表
? （ 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（图 1-58）
? 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 0.17~0.33 l/s (10~20 l/
min)。
图 1-57浇注法冷却示意图
? 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 (50~150 l/ 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直径的喷咀将切削
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 (0.75~1 l/ 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。
? 图 1-59喷雾冷却示意图
? 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
咀，高速喷射到切削区，见图 1-59。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 1-58喷雾冷却示意图
1.3 刀具磨损与耐用度
1.3.1 刀具磨损形式及过程
1.3.2 刀具磨损的原因及本质
1.3.3 切削用量与耐用度的关系
1.3.4 刀具破损
1.3.1 刀具磨损形式及过程
1,刀具磨损形式
2,刀具磨损过程
3,刀具磨钝标准
1,刀具磨损形式
刀具磨钝后往往会产生一些直觉的变化，例如已加工表面光洁面恶化或在工件
上出现挤亮的表面；切屑的形状和颜色发生变化；切削的声音发生变化，产生
一种沉重的感觉，甚至出现振动等等。在刀具上，切削刃钝圆半径增大，后刀
面上出现磨损带，前刀面上可能出现月牙状的凹坑。刀具磨损的一般形态如图
1-60所示。
刀具的磨损形式有下面三种,
（ 1）前刀面磨损（月牙洼磨损）
加工塑性金属时，如果切削速度较高和切削厚度较大，切屑会逐渐在前刀面上
磨出一个月牙状的小凹坑（图 1-61）。随着切削时间的增加，月牙洼的深度逐
渐增大，而宽度的变化较小。在前刀面磨损部位的中间处垂直切削刃作一法剖
面，在这剖面内月牙洼在不同切削时间的变化如图 1-63所示。月牙洼的表示方
法如图 1-61中的 A—A剖面所示
图 1-59刀具磨损的一般状态
图 1-60外圆车刀典型的磨损形式示意图
? 刀具材料：硬质合金；工件材料：含硫易切钢（ 0.08%C,0.25%S）
切削用量,υ=305m/min,f=0.117mm/rev,ap=2.54mm
? 图 1-63前刀面月牙洼的磨损过程
? （ 2）后刀面磨损
? 由于切削刃钝圆半径部位对加工表面的挤压与摩擦，在切削刃下方会
磨出一狭条后角等于零的棱面，这就是后刀面磨损。切削塑性金属，
如果切削厚度较小和切削速度低；或者切削脆性金属，一般不产生月
牙洼磨损。但在一般情况下都有后刀面磨损。后刀面磨损平均值以 VB表示（图 1-62），以 VBmax表示切削刃中部的最大磨损值。在刀
尖部位 C区及切削刃靠近工件外表面的 N区，由于和周围介质（空气
或切削液）接触与切削刃中间的 B区不同，氧化或与切削液中活泼元
素的化学反应比较严重，以及其他原因，往往使后刀面的磨损量大于 VB或 VBmax，分别以 VC及 VN表示。
? 由于在各类刀具上都有后刀面磨损，而且容易测量，故通常以它表示
磨损的大小。但当前刀面磨损较后刀面严重时，应以月牙磨损量表示 磨损的大小。
? （ 3）前刀面和后刀面同时磨损
? 这是一种兼有前两种磨损的形式。切削塑性金属时，经常会发生这种
磨损
2,刀具磨损过程
? 随着切削时间的延长，刀具的磨损也逐渐增大。
磨损的速度主要取决于刀具材料、工件材料与切
削速度。图 1-64中曲线 a是切削性能较好的刀具材
料加工容易切削的工件材料，或者切削速度不太
高、刀具磨损很缓慢时的磨损曲线。图中曲线 C
是耐热性较差的刀具材料（例如高速钢）以较高
的切削速度切削黑色金属，或者切削速度很高刀
具很快磨损的磨损曲线。如果刀具材料是高速钢，
而切削区的平均温度超过了高速钢的允许温度
（一般在 600~700℃ 左右），则刀具切削区的硬
度很快下降，使刀具在短时间内就已磨损。
? 图中 b是典型的磨损曲线，常见于一般切削情况中。
这条曲线可划分为三个阶段,
? （ 1）初期磨损阶段（ OH段）这一阶段磨损速度
较快，达到不大的值（通常 VB=0.05~0.1mm）后
即稳定下来。
? （ 2）正常磨损阶段（ HI段）这一阶段磨损速度较
慢,VB随切削时间的延长而均匀增加。对粗加工
刀具，常充分利用这一阶段。
? （ 3）剧烈磨损阶段（ IJ段）当正常磨损达到一定
限度后，磨损速度有时会突然加快。在这种情况
下，应在 VB到达 I点前就终止切削，取下重磨。在
正常的切削速度下用硬质合金切削灰铸铁，当 VB
相当大时，可能也不出现这一阶段。这时 VB也不
应过大，以免造成重磨困难。
图 1-61后刀面磨损
图 1-62前刀面月牙洼的磨损过程
图 1-63 几种类型的磨损曲线
3,刀具磨钝标准
? 刀具磨损到一定程度应该取下重磨，一般以后刀面磨损值
VB达到一定数值作为磨钝标准。粗加工时，一般将磨钝
标准定在正常磨损阶段的后期临近剧烈磨损阶段以前。随
着后刀面磨损值的加大，切削力将增大，尤以走刀抗力 Fx
与吃刀抗力 Fy增大得更为显著（见切削力一章），所以当
机床 ——刀具 ——工件系统刚度差时，刀具磨钝标准应适
当减小。
? 刀具磨损后将恶化加工零件的表层质量，降低尺寸精度，
故半精加工与精加工的磨钝标准一般低于粗加工的，并且
应根据零件表层质量及精度的要求确定。对表层质量要求
严格（特别是防止出现过大的残余拉应力或避免在表层出
现微裂纹等缺陷）的重要零件，对后刀面的磨损量应该严
格控制。表 1-9是硬质合金车刀的磨钝标准参考值。
表 1-10 硬 质 合 金 车 刀 的 磨 钝 标 准
1.3.2 刀具磨损的原因及本质
1,粘结磨损
2,扩散磨损
3,磨料磨损
4,其它类型的磨损
5,磨损原因综述
1,粘结磨损
? 粘附是金属切削中的一个普遍现象。当切屑流出时，切削、切屑底层 粘附在前刀面上，迫使较软的一方 ——切屑底层内部发生很大的剪切
变形。刀具材料的硬度总是超过切屑的硬度。但连续不断流出的切屑
始终作用在一块不大的刀具表面上，粘附层周期性地局部破坏，导致
了刀具表层材料内的交变应力，使粘附的刀具表层内也会发生塑性变 形。
? 当塑性变形进一步加大，粘结点处刀具材料会产生破裂，使刀具前刀 面上出现凸坑。
? 粘结磨损速度与下列因素有关；
? （ 1）刀具材料与工件材料粘结的牢固程度，粘结截止牢越易磨损。
? （ 2）刀具材料表层的微观强度，如微裂纹、空隙、杂质、残余应力
等等。显然，随着表层缺陷的增多，粘蚀磨损也随之增加。
? （ 3）刀具材料与工件材料的硬度比 假如刀具材料与工件材料都不变
化，仅改变切削速度，则刀具材料与工件材料的硬度都随之变化。假
如切削速度的变化使工件材料的硬度下降而硬质合金的硬度基本没有 下降，则粘蚀磨损会减少。
图 1-64硬质合金 YG8在磨损的 WC晶
2,扩散磨损
? 扩散磨损是在更高温度下产生的一种现象。
? 当温度足够高时，相互间有亲和作用的元素原子从浓度高处向浓度低处迁移，这种现
象称为扩散。例如高速切削时，硬质合金中的 C,W,Co向钢中扩散，而钢中的 Fe 向
硬质合金中扩散。图 1-66是 YT15硬质合金刀具切削 40钢时前刀面接触区斜切面的照片，
在硬质合金与切屑之间可以看到一层黑色的富碳层，还可以看到一些刀具的碳化物晶
粒已嵌在富碳层中间。
? 刀具的扩散磨损除了刀具材料的组成元素在高温作用下直接扩散到工件材料中去以外，
还会由于相互扩散使刀具表层的强度下降，使碳化物晶粒从刀具基体中被切屑带走，
从而加剧了粘蚀磨损。因此扩散磨损往往同粘结磨损一起发生。
? 切削用量,υ=260m/min,f=2.17mm/r,ap=1mm；与前成面倾斜 5~6o；放大倍数：
1140
? 图 1-66 WC—TiC—Co硬质合金车刀切钢时前刀面接触区的斜切面
? 扩散磨损的速度与下列因素有关,
? （ 1）刀具与工件两种材料之间是否容易起化学反应 不同材料之间有不同的化学亲和
性，有的材料之间在相当高的温度下会发生激烈的化学反应，例如 WC与碳钢之间。在
相同的条件下，有的则不发生反应，例如 Al2O3与碳钢之间。有的则发生轻微反应，例
如 TiC与碳钢之间。这个静态时所做的试验与切削时刀具的磨损规律基本上是一致的。
也就是：切削碳钢时在相同的条件下,WC—Co硬质合金刀具的磨损最快,Al2O3陶瓷
刀具磨损最慢，而 WC—TiC—Co硬质合金刀具介于二者之间
? （ 2）接触面的温度
? 由扩散定律可知，单位时间内通过横截面
扩散量与温度之间成的关系，其中 θ——绝
对 c—随材料而异的常数。这表明对一定材
料，随着温度的上升，扩散量先是较缓慢
地增大，而后则越来越迅猛地增大。
图 1-65 WC—TiC—Co硬质合金车刀
切钢时前刀面接触区的斜切面
3,磨料磨损
? 工件材料中含有一些氧化物（ SiO2,Al2O3,TiO
等），碳化物（ Fe3C,Cr23C6,Fe3W3C，
Fe3MO3C,VC,TiC,Fe3(C,B)等）及氮化物
（ Si2N4,Cr2N,TiN,VN,BN,AlN）等硬质
点。这些合金元素有些是杂质，有些是在炼钢时
作为还原剂加进去的，有些是为改善钢的性能有
意识添加进去的。这些硬质点的硬度如果超过了
刀具材料基体的硬度，当进入刀 ——屑接触面时，
就会象磨料一样在刀具表面上划出一条条沟槽，
称为磨粒磨损。图 1-66表示奥氏体不锈钢中的 Ti
（ C,N）硬质点从左向右移动时，在高速钢前刀
面上划出了沟槽。
图 1-66切削 Ti奥氏体不锈钢时高速钢
前刀面的磨粒磨损
4,其它类型的磨损
? （ 1）塑性变形
? 高速钢刀具只能耐 600~700℃ 的高温，温度再高，高速钢的金相组织发生变化，硬度
下降，就会产生塑性变形而形成磨损。换言之，在切削的重负荷与高温作用下，刀具
切削部分的局部形状发生了变化，这种磨损称为由塑性变形造成的磨损。
? （ 2）周围介质化学作用引起的磨损
? 周围介质指切削液或不加切削液时空气中的氧。由于周围介质的化学作用，在刀具表
面形成一层硬度较低的化合物，容易被擦去，加剧了磨损。这就是由于周围介质化学
作用引起的磨损。
? 一般情况下，周围介质不容易进入后刀面与加工表面接触区的中央部分，但是容易与
接触区的边缘部分起化学反应，故介质化学磨损容易表现为边缘部分的沟槽磨损。
? （ 3）热电磨损
? 在切削区高温作用下刀具与工件这两种不同材料之间会产生一种热电势，大约在
1~20mv之间。这个数值根据不同的刀具 ——工件材料副及不同的切削温度而异。如果
机床与工件之间或机床与刀具之间没有绝缘，则在机床 ——工件 ——刀具 ——机床回
路中会产生一个微弱的电流。这个电流的大小除与热电势有关外，还与这一回路中的
电阻（称为机床电阻）有关。静态的机床电阻都很小，一般小于 1欧。切削时，机床电
阻与转速有关，不同机床的变化规律并不相同。试验表明，热电势产生的电流在几十
毫安以内，这个热电流会加速刀具的磨损。这种磨损就是热电化学磨损
5,磨损原因综述
? 磨损的原因很多，但是，不同的刀具材料切削不同的工件
材料，在不同的切削条件下，某几种原因会显得更加重要，
因其他原因仅仅起次要作用。此外，各种磨损原因相互间
也有影响，例如由于扩散磨损使刀具表层的硬度下降，则
粘蚀磨损、塑性变形与磨粒磨损也会加剧。图 1-68是硬质
合金刀具切削钢及其合金时五种磨损原因在总的相对磨损
（即单位切削路程的刀具磨损量）中所占比例的示意图。
低速时，硬质合金容易碎裂，形成不正常磨损，在图未画
出。高速时主要磨损原因是粘蚀磨损与扩散磨损。在高速
区域，扩散磨损增加很快，粘蚀磨损仍有相当比例，总的
相对磨损随切削速度或温度的增加而增加。在中速区域，
当扩散磨损还没有急剧增加以前，假如工件材料的硬度下
降而硬质合金的硬度基本没有下降，则粘蚀磨损会相应减
少，于是在总的相对磨损曲线上出现一个最低点，关于这
一点在切削用量选择一章中还会讲到
? 此外，关于各种磨损原因还可归纳成下列几点,
? （ 1）高速钢刀具的耐热性及硬度比硬质合金低，故塑性
变形（当切削温度超过高速钢的回火温度后，金相组织变
化，硬度下降，塑性变形增大，也可称为相变磨损）、粘
蚀磨损及磨粒磨损占的比例大，而扩散磨损占的比例不大。
当用高速钢切削高温合金等难切削材料时，应选用提高耐
热性与提高硬度的高性能高速钢。
? （ 2）刀具与工件材料粘结强烈，则粘蚀磨损占的比例增
大。
? （ 3）工件中硬质点数增加，则磨粒磨损占的比例增大。
? （ 4）周围介质化学作用容易引起切削刃边缘部位的沟槽
磨损。
? （ 5）切削一些难加工材料时热电磨损占有一定比例。
? 从各种磨损原因中还可以看到，在多数原因中都是随着切
削温度的升高而加剧磨损，例如扩散磨损、塑性变形、热
电磨损及磨粒磨损等。所以切削温度是确定磨损快慢的一
个重要指标。当达到一定温度后，温度越高，磨损越快
图 1-68不同切削速度时硬质合金刀具磨损原因
在总的相对磨损中所占比例的示意图
1—粘蚀磨损,2—扩散,3—磨粒磨损,4—塑性变形,5—氧化磨损。
1.3.3 切削用量与耐用度的关系
1,刀具耐用度
2,切削用量与耐用度之间的关系
1,刀具耐用度
? 刀具由刃磨后开始切削一直到磨损量达到
磨钝标准的总切削时间为刀具耐用度（用 T
表示）。一般地，磨钝标准为后刀面磨损
高度 VB。
2,切削用量与耐用度之间的关系
图 1-68切削时间与后刀面磨损之间的关系
图 1-70双对数坐标中刀具耐用度与切削速度的关系
1.3.4 刀具破损
1,刀具破损形成
2,刀具破损的原因
1,刀具破损形成
? 上面叙述的刀具磨损是逐渐增加的。但生
产中常常会出现刀具的突然损坏，俗称崩
刃或打刀，可统称为破损。破损较多在硬
质合金、陶瓷刀等脆性材料中发生，特别
在铣削等断续切削的场合，当工件材料是
硬度较高的钢件时更为常见。破损的刀具
修磨困难，甚至不可能修复。对破损的研
究在生产中有很大意义
? （ 1）崩刃 这是指刀片表面较薄的一层材料剥离基体，或者沿前刀面，
或者沿后刀面（图 1-71）。一般是早期破损，即刚刃磨过的刀具切削
不久就会发生。硬质合金刀具低速断续切削时容易发生这种破坏形式，
特别是切屑粘在刀齿上再切入时更易发生。
? 工件材料：灰铸铁 HB184；工件宽,40mm；铣削用量：
υ=420m/min,af=0.4mm/Z，铣削深度 ap/2mm；铣刀：单齿端铣刀，
直径 φ150mm，进给平面前角（径向前角） γf =5o,切深平面前角
（轴向前角） γp=5o；铣削方式：对称铣
? 图 1-72 TiC基硬质合金铣灰铸铁时的热裂
? （ 2）碎裂 刀具较大块的碎裂，有时在使用不长时间发生，也有时在
使用了长时间后突然发生，属于脆性材料以较大的进给量断续切削，
在较大的冲击载荷下容易发生这种破坏形式。连续切削时，如进给量 过大，也会发生这种破坏。
? （ 3）裂纹 这是一种在较高切削速度下硬质合金刀具的疲劳破坏。一
般在断续切削相当时间后出现。疲劳破坏或是由于热应力引起，或是
由于变化的机械负载造成。前者主要产生垂直切削刃的梳状裂纹，如 图 1-72所示。但也会有少量平行切削刃方向的裂纹。后者主要是平行
切削刃方向的裂纹。其中以热裂更为常见。
? （ 4）塌陷 这是一种塑性变形的磨损形式。
图 1-70 硬质合金铣刀铣钢时沿后刀面的崩刃
刀具材料,YT15；工件材料,1%C碳钢；铣削用量：
υ=56m/min,af=0.21mm/Z，铣削深度 ap=2mm；铣刀直径：
φ177mm；工件宽度,82；切削次数,50次。
图 1-71 TiC基硬质合金铣灰铸铁时的热裂
工件材料：灰铸铁 HB184；工件宽,40mm；铣削用量,υ=420m/min,
af=0.4mm/Z，铣削深度 ap/2mm；铣刀：单齿端铣刀，直径 φ150mm，
进给平面前角（径向前角） γf =5o,切深平面前角（轴向前角） γp=5o；
铣削方式：对称铣
2,刀具破损的原因
? （ 1）机械破损
? 刀具切削的受力过程是一个动载过程，当刀具内的最大应
力超过了强度极限，就会产生裂纹而引起破损。
? （ 2）热应力引起的裂纹
? 在断续切削的情况下，刚切入时，前刀面接触区的几毫秒
至几十毫秒的瞬间内升高到稳态时的切削温度；但离前刀
面稍深处的温度还是切入前的温度，因此存在很大的温度
梯度，使前刀面不能自由膨胀，这时前刀面受压应力。切
出后前刀面很快冷却，到第二次切入前已经冷却到相当低
的温度；但这时稍离前刀面下层的温度却没有表层冷得这
样快，故前刀面不能自由收缩，这时前刀面受拉应力。当
切削速度很高时，切削温度很高，热应力达到相当高的数
值。每一切入切出过程，应力就变化一次。频繁变化的应
力如果超过了疲劳极限，就会产生热裂纹。
1.4 金属切削效益分析
1.4.1 零件的加工表面质量
1.4.2 材料的切削加工性
1.4.3 刀具几何参数的合理选择
1.4.4 切削用量的合理选择
1.4.1 零件的加工表面质量
1,表面质量对零件使用性能影响
2,提高表面质量的途径
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
? 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 1-72为车削残留面积高度示意图，因此越
小则 H越小 。
图 1-72 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）其它方面
? 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
2,影响材料可切削加工性因素
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 VT，即刀具耐用度为 T（ min）时切削某种材
料的所允许切削速度。 VT越高，材料的切削加工性越好。若取 T=60min则 VT可写
作 V60。
（ 2）相对加工性 κr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 κr= V60/（ V60） j。若 κr>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。
υr和 κr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，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有难易和切屑的形状，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 aκ，单位为公斤 ·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
? 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℃,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。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，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，如加工 Cr20Ni80Ti3之前。先加热到 1000℃ 保持小时，
然后在 900~950℃ 温度下时效处理 16小时，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
? 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
1.4.3 刀具几何参数的合理选择
1,前角的功用及选择
2,后角对切削过程的影响及合理选择
3,主偏角及副偏角对切削过程的影响和选用
4,刃倾角 λs对切削过程的影响及选择
? 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等要求。中其，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。一般地说：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
个参数之间的互相联系的，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，我们应该根据具体
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。即不仅考虑每一
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，也不宜太小，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。
当工件材料的塑性越大时，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。当工件材料的强度、硬度越大时，合理的前角数值越小；反
之则前角的合理数值越大。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。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
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 rn（图 1-
73）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。
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，（图 1-74）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
图 1-73 后角对刃口钝圆半径及接触情况的影响
图 1-74 后角对磨损量的影响
? （ 2）后角的合理选择
? 图 1-75切削厚度对合理后角的影响
? 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 rn，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 1-75为
不同切削厚度时的合理后角值 αopt。
? 由图 1-75可看出，切削厚度越小，后角越大，反之，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、强度愈高时，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 1-75切削厚度对合理后角的影响
表 1-13 硬质合金车刀合理后角参考值
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 κr也是刀具切削部分重要的几何参数之一，对切削过程的主要影响是,
① 主偏角 κr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 κr，则吃力抗力 Fy增大，走刀抗力 Fx减小，反之加大主偏角 κr，则可使 Fy减小，
Fx增大。当工艺系统刚度较差时，若过于减小 κr,Fy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 κr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 κr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 κr影响工件表面形状，当车削阶梯轴时，应选用 κr=90o，而当车削外圆
端面及倒角时，则可选 κr=45o。
④ 主偏角 κr的大小，还影响断屑的效果。 κr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 κr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 κr，可提高加工表面光洁度。
2）选用一般地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 κr=10o~30o。在高速强力切削时，为防止振动
应选用较大的主偏角，一般 κr>15o。
? （ 2）副偏角 κr? 对切削过程的影响及选择
? 副偏角 κr? 对切削过程的影响是,
? 减小副偏角 κr?,则可以显著减少切削后的残留面
积（图 1-76），提高表面光洁度。且可增强刀尖
强度。但 κr? 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 κr? 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 κr? = 5o~15o。但当加
工中间切入的工件时，取 κr? = 30o~45o；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 κr? =1o~2o。
图 1-76 副偏角对残留面积的影响
4,刃倾角 λs对切削过程的影响及选择
（ 1）刃倾角 λs对切削过程的影响
1）刃倾角 λs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 1-77所示为外圆车刀刃倾
角 λs对流屑方向的影响，当 λs为负值时，切屑流向已加工表面，容易将已
加工表面划伤；当 λs为正值时，切屑则朝着待加工表面流出。
2）刃倾角 λs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 λs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 λs=0o时，整个切削刃上各点同时切入和切出，冲击大；当刃倾角 λs ≠
0o时，切削刃逐渐切入工件，冲击小，使切入切出平稳。且刃倾角 λs越大，
切削刃越长，切削过程越平稳。
4）刃倾角 λs的正负和大小，影响各切削分力的比值。负值 λs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 λs的主要原因。
图 1-77 刃倾角对流屑方向的影响
? （ 2）刃倾角的合理选择及参考值
? 综合以上分析。刃倾角 λs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 λs=0o~+4o，粗车时，为了提高刃口强度，常取
λs=0o~ – 4o。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 λs= –5o~ – 15o。
车削淬硬钢时，取 λs= –5o~ – 12o。
? 合理选择刃倾角 λs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
2,选择步骤
3,举例
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（见式 1-54），刀具耐用度与切
削用量关系式（式 1-64）及切削功率与切削用量之关系式。
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
? 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 ap
? 一般根据加工性质与加工余量确定 ap。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 ap=2~6mm，半精加工时常取 ap=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 υ与机床主轴转数 n
? ap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 tm
是否满足要求
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 ap
一般根据加工性质与加工余量确定 ap。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 ap=2~6mm，半精加
工时常取 ap=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 υ与机床主轴转数 n
ap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 tm是否满足要
求
3,举例
