第 6章 金属切削加工的基础知识
主要内容
1,切削运动及切削要素
2,刀具
3,金属的切削过程
4,金属切削过程的规律
本章重难点
1,金属切削过程中的各种物理现象
2,刀具角度的标注
6.1
1.切削运动与工件上形成的表面
2.切削用量
3.切削层参数
6.2
1.刀具材料
2.刀具切削部分的几何参数
3.刀具结构
内容介绍
6.3
1.切削的形成过程及切削的种类
2.切削瘤
3.切削力及切削功率
6.4 2.已加工表面质量
3.切削用量的合理选择
1.金属材料的切削加工性
4.切削热和切削温度
5.刀具的磨损与刀具的耐用度
? 金属切削加工 是用切削工具将坯料或工件上的多
余材料切除，以获得所要求的尺寸、形状、位置
精度和表面质量的加工方法。
金属切
削加工
钳工
机械加工
加工方法有划线、
錾、锯、刮、研、
攻螺丝、套螺丝等
通过操作机床来完成
切削加工的，如车、
钻、刨、磨、齿轮加
工等
6.1.1 切削运动与工件上形成的表面
机床为实现切削加工所必需具有的加工工件与
工件间的相对运动。它包括 主运动 和 进给运动 。
? 主运动,是指在切削加工中形成机床切削速度或消
耗主要动力的工作运动。
? 进给运动,是指在切削加工中，时工件的多余材料
不断被去除的工作运动。
6.1 切削运动及切削要素
待加工表面,指加工时工件上有待切除的表面；
已加工表面,指工件上经刀具切削后产生的表面 ;
加工表面, 指工件上由刀具切削刃形成的表面。
6.1.2 切削用量
切削三要素
切削速度
进给量
切削深度
指在主运动一个循环内，刀
具与工件在进给方向上的相
对位移
指在单位时间内工件和刀具
沿主运动方向的相对位移
待加工表面到已加工表
面间的垂直距离
注释,
1,主运动可以使旋转运动，也可以是往复运动；
2,主运动可以是工件来实现（车外圆）,主运动 也可以是刀具来实现
（切断、刨、铣加工） ;
3,主运动只有一个，进给运动可以一个以上。
6.1.3 切削层参数
切削厚度,垂直于加工表面度量的切削层尺寸；
切削宽度,沿主切削刃度量的切削层尺寸；
切削面积,切削层在垂直于切削速度截面内的面积。
不同
切削
工艺
的进
给量
和被
吃刀
量
6.2 刀具
6.2.1 刀具材料
1,刀具材料应具备的基本性能
高硬度、高耐磨性
良好的工艺性
一定的强度和韧性、
热硬性
2,常用刀具材料的种类与特性
其它刀具材料
硬质合金
高速钢
6.2.2 刀具切削部分的几何参数
1.刀具切削部分的组成要素
刀杆：起夹持作用
刀头,(三面 )
前刀面：切屑流过的表面
主后刀面：刀具上与加工表面相对的表面
副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面
(两刃 )
主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线
副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线
(一尖 )
主切削刃与副切削刃的交点
２,车刀切削角度 的坐标平面
基 面
切削平面
正交平面
通过主切削刃上的某
一点，与主运动方向
相垂直的平面
通过主切削刃上的某一
点，于加工表面相切并
垂直于基面的平面
通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基
面和切削平面的平面
3,刀具的标注角度
正交平面内
前角
后角
主偏角
副偏角
主切削刃与进给方向
间的夹角
前刀面与基面间的夹角
主后刀面与切削平面
间的夹角
负切削刃与进给方向
的夹角
切削平面内 刃倾角 主切削刃与基面间的夹角
切削平面说明 刀具角度说明
前角 γ0―― 前刀面与基面间的
夹角
前角大，刃口锋利，切屑变
小，切削力小，切削轻快。但
易产生崩刃。
后角 α0―― 主后刀面与切削平
面间的夹角
增大后角可减少摩擦，提高工
件加工质量和刀具耐用度，并
使切削刃锋利。
P o P
r
P s
γ o
α
0
κ
r
已加工面
加工面待加工面
κ
'r
主偏角 κr―― 主切削刃与进给方向间的
夹角
影响切削层的形状，切削刃的工作
长度和单位切削刃上的负荷。减少 κr，
主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具
磨损小，耐用。
副偏角 κr′―― 副切削刃与进给方向
间的夹角
影响已加工表面的粗糙度和刀尖
强度，减少 κr′，减少表面的粗糙度
的数值，还可提高刀具强度。过小，
会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，
引起震动，降低表面质量。
主偏角、
副偏角对
残留面积
的影响
P o
P r
P s
γ
o
α
0
κ
r
已加工面
加工面
待加工面
κ
'r
α
ο
f
n
P s
P rP o
γ 0
κ
' r
已加工面
κ
r
注意：车外
圆与车端面
主、副偏角
的变化
刀具的工作角度
车外圆时车刀安
装的 高低,对前
角、后角有影响
车外圆时车刀安
装的 偏斜,对主
偏角、副偏角有
影响
6.2.3．刀具结构
刀具的
结构形式
整体式
焊接式
机夹不
重磨式
多为高速钢车刀，
其结构简单，制
造、使用都方便
不需焊接和刃磨，避
免了焊接和刃磨引起
的缺陷，保持了硬质
合金的原有性能，提
高了刀具的耐用度
结构简单、紧凑、
刚性好，可磨出
各种所需角度，
应用广泛
常见刀具的结构形式
6.3 金属的切削过程
金属在切削过程中，会出现一系列物理现象，如
金属变形、切削力、切削热、刀具磨损等，这些都是
以切屑形成过程为基础而生产中出现的许多问题，如
积屑瘤、振动、卷屑、断屑等，都与切削过程密切相
关。
6.3.1 切屑的形成过程及切屑种类
1,切屑形成过程
切削层
的金属 弹性变形 塑性变形 挤裂 切离
切
屑
切削层的金
属受到刀具
前刀面的推
挤后产生弹
性变形
随着切应力、切应变
逐渐增大，达到其屈
服强度时，产生塑性
变形而滑移
刀具继续切入时，材
料内部的应力、应变
继续增大，当切应力
达到其断裂强度时，
金属材料被挤裂
沿刀
具前
刀面
流出
2,切屑的种类
切屑
带状切屑挤裂切屑
单元切屑 崩碎切屑
呈连绵不断的带状或螺旋
状,与刀具接触的底层光滑，
背面呈毛绒在状
带状
切屑
切削过程平稳，
切削力变化小，
工件表面光洁 ; 必
须采取断屑措施
挤裂
切屑
切屑背面呈较大的锯齿状，
底面有不贯穿的裂纹
一般加工中等硬度
钢材时，切削速度
较低，切削深度和
进给量较大时产生
单元
切屑
在节状切屑的整个剪切面
上，切应力超过了材料的
破裂强度时，整个单元被
切离形成粒状切屑
在加工塑性较差
的材料时，采用
较小的前角或负
前角的刀具并以
极低的切削速度、
大的切削深度和
进给量进行切削
时形成的
崩碎
切屑
切削层金属发生弹性变形
后，一般不经过塑性变形
就突然崩裂而形成形状不
规则的崩碎切屑
工件材料脆性越大，
刀具前角越小，切削
深度和进给量越大，
越易产生此类切削
(1)切屑的形态可随切削条件不同而改变
(2)可控制切削条件，使切屑形态向有利于生产的
方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工
质量
增大前角
提高切
削速度
减小进给量
有利于
使粒状切屑、
节状切屑向带
状切屑转化
使切削过
程平稳
降低加工表面
粗造度数值
6.3.2 积屑瘤
1,积屑瘤的形成
切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切
屑与前刀面之间产生很大的应力和很高的切削温度。
当应力和温度条件适当时，切屑底层与前刀面之间的
摩擦力很大，使得切屑底层流出速度变得缓慢，形成
一层很薄的“滞流层”，当滞流层与前刀面的摩擦阻
力超过切屑内部的结合力时，滞流层的金属与切屑分
离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤,
切削与积 屑 瘤
２．积屑瘤对切削加工的影响
有利方面
保护刀具
增加工
作前角
积屑瘤硬
度很高
可代替切削刃
进行切屑，减
少刀具的磨损
积屑瘤的存在，
使刀具的实际工
作前角增大
可减小切削变
形和切削力，
使切削轻快
不利方面
影响工件尺
寸精度
影响工件表
面粗造度
积屑瘤破裂后会划伤表面，加
快刀具磨损
会形成硬点和毛刺，使工件表面粗
造度值增大
时大时小，时有时无，使切削
力产生波动而引起振动
积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，
使实际的切削深度不断变化
3,积屑瘤的控制
影响积屑瘤
的因素
工件材料
切削用量
刀具角度
切削液等
控制措施
要避免在中温、中速加工塑性材料
增大前角可减小切削变形，降低切削
温度，减小积屑瘤的高度
采用润滑性能优良的切削液可减少
甚至消除积屑瘤
6.3.3 切削力及切削功率
１．切削合力的构成与分解
切削合力,
前刀面受到切屑的压力和摩擦力
后刀面受到工件表面的压力和摩擦力
主切削力, 切削合力在切削速度方向上的分力，垂直于基面，其大小约占总
的切削合力的８５％～９０％
背向力, 切削合力在切削深度方向上的分力 ;它在基面内，与切深方向相反
进给力：
切削合力在进给方向上的分力 ;
它在基面内，与进给方向平行，
但方向相反
2,影响切削合力的因素
3,切削功率
切削功率是各切削分力消耗功率的总和
工件材料
切削用量
刀具角度
强度、硬度高、塑性、韧性
大，合力大
切削深度、进给量、切削速度
前角越大，切屑变形越小，
切削合力越小
6.3.4 切削热和切削温度
1,切削热的产生传 出及影响
ａ．切削热的来源
切屑层的金属发生弹性变形、
塑性变形而产 生大量的热
切屑与刀具前刀面产
生的摩擦
工件与刀具后刀面产生的摩擦
切削热与切削温度
ｂ．切削热的传导
传入切屑,约占总热量的５０％～８６
％，对切削加工无不利影响
传入工件,约占总热量的４０％～１０％，
会使工件膨胀或伸长，产生尺寸和形状误
差，影响加工精度
传入刀具,约占总热量的９％～３％，使刀具
温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度降
传入周围介质,约占总热量的１％，对切削
加工无不利影响
2,切削温度及其影响因素
3,降低切削温度的措施
切削温度：是指刀具、切屑、工件接触面上的平均温度。
(1) 选择合理的几何角度和切削用量
(2) 使用切削液
其高低取决于切削时产生热量的多少和传导条件的好
坏，切削用量、工件材料、刀具材料及角度等对切削
温度均有影响
6.3.5 刀具的磨损及刀具的耐用度
１．刀具的磨损形式及过程
刀具的磨损形式, 前刀面磨损；后刀面磨损；前,后刀面同时磨损,
刀具的磨损过程,
初期磨损阶段
正常磨损阶段
急剧磨损阶段
刃磨后的刀具起前、后刀面
上的高低不平，受到切屑的
冲击和摩擦时，将“凸峰”
很快磨去，时间很短
刀具上的高低不平已被磨去，
磨损量增加缓慢且比较稳定
切削刃变钝，刀具与工件之间
的摩擦变大，切削力增大，切
削温度上升，磨损加剧，刀具
失去正常的切削能力
２．刀具耐用度
刀具允许的磨损限度通常用后刀面的磨损高度ＶＢ表
示。但这种磨损标准很难掌握,而引入 刀具耐用度 的概念。
指刀具刃磨后从开始切削直到磨损量达到磨损标准为止的
切削时间用Ｔ表示。
6.4 金属切削过程基本规律的应用
6.4.1 金属材料的切削加工性
切削加工性 (cutting behavior)是指材料加工
的难易程度。它主要取决于材料的力学性能且与
材料的热处理状态有关。
6.4.2 已加工表面质量
ａ．加工精度
１,尺寸精度 ２．形位精度
ｂ．表面质量
表面
质量
表面粗
造度
加工
硬化
残余
应力
加工表面的微观几何误差，一般是
由于切削过程中，刀具相当于零件
的运动轨迹、刀具和零件表面的摩
擦、切削层金属的撕裂以及工业系
统的振动等原因所致
工件表层金属在形成已加工表面的过
程中经过强烈的塑性变形，使其晶粒
伸长、扭曲和破碎而被强化的现象
在没有外力作用的情况下，零件内
部残存的应力,可分为残余拉应力和
残余压应力 ;前者降低零件的疲劳强
度，后者可提高零件的疲劳强度
6.4.3 切削用量的合理选择
1,切削用量同加工生产率的关系
2,切削用量的选用原则
1) 切削用量
对加工质
量的影响
当切削速度增大时，
切削力减小，
可减小或避免积
屑瘤，有利于提
高加工质量
进给量增大使工
件残留面积的高
度显著增大
表面更粗糙
切削深度增大，
时切削力和工件
变形增大
可能引起振
动，使零件
的加工精度
和表面质量
下降
2) 切削用量对刀具耐用度的影响
在切削用量中，切削速度对刀具耐用度的影响
最大，进给量次之，切削深度影响最小
3) 选择切削用量的原则
粗加工 较大的切削深度和进给量，取尽可能大的的切削切削速度
精加工 一般取较大的切削速度，较小的切削深度和进给量以保证加工质量
3,切削用量的选定
切削深度的选择
进给量的选择
切削速度的选择
粗加工时尽可能一次去除
加工余量；精加工时应一
次切除精加工工序余量
粗加工时的进给量应
根据机床系统的强度
和刀具强度选择
精加工时，一般切削深
度不大，切削力较小
粗加工时切削速度受机床
功率限制；而精加工时，
主要受刀具耐用度的限制