第三章 金属切削过程的基本规律
第一节 金属的切削过程
第二节 切削力与切削功率
第三节 切削热与切削温度
第四节 刀具的磨损及使用寿命
第五节 刀具合理几何参数的选择
第六节 工件材料的切削加工性
第一节 金属的切削过程
一、概述
1.刀具挤压工件，产生变形
2.滑移
3.挤裂
4.切离
二、切削变形区
第一变形区,（ 基本变形区 ）
OA~OM之间的区域, 是切削
过程中的主要变形区, 是切削
力和切削热的主要来源 。
主要特征,
剪切面的滑移变形
第二变形区,
切屑底层与前刀面之间的摩擦
变形区 。 主要影响切屑的变形
和积屑瘤的产生 。
第三变形区
第二变形区 第一变形区
第三变形区,
工件已加工表面与刀具后刀面之
间的挤压, 摩擦变形区域 。
造成工件表面的纤维化与加工硬
化 。
该区域对工件表面的残余应力以
及后刀面的磨损有很大的影响 。
三、切屑的类型
1,带状切屑,
产生条件,
切削塑性材料、切削
速度高、切削厚度较
小、前角大。
形状,
连绵不断呈带状, 切
屑底面很光滑而背面
呈毛茸状 。
形成原因,
切速高，切削层未及充
分变形即变为切屑，剪
切面上的应力还未达到
破坏值，因此只有塑性
滑移而无断裂；前角大，
则刀具锋利； hD小则切
削力小。故易得带状切
屑。
特点：
切削过程变形小, 切
削力小且稳定；已加
工表面粗糙度低 。 对
生产安全有危害 。
三、切屑的类型
2,挤裂切屑：（节状切屑）
形状,
宏观上自然连接,
但外表面呈锯齿形,
如竹节状 。
产生条件,
切削塑性材料、切
削速度中等、切削
厚度较厚、前角较
小。
形成原因,
切削层经过充分变
形全过程, 最后被
挤裂 。
特点,
切屑冷硬度高，脆且
易断，便于处理；
变形相对较大，切削
力波动较大，易产生
振动；
已加工表面粗糙度较
高。
三、切屑的类型
3,单元切屑,
形状,
切屑沿挤裂面
完全断开成单元
状 。
产生条件,
材料塑性很差,
切速低, hD大,
前角小 。
形成原因,
整个剪切面上剪
应力超过材料的
破坏强度极限 。
特点,
切削力波动很大,
有振动；已加工
表面非常粗糙,
且有振纹 。
三、切屑的类型
4,蹦碎切屑,
形状,
切 屑 呈不 规则
的碎块状 。
产生条件,
切削脆性材料 。
形成原因,
材料塑性差, 抗拉
强度低, 受前刀面
挤压时几乎没有塑
性变形便脆断成不
规则的碎块 。
特点,
切削过程不平稳,
切削力波动大, 有
冲击, 振动大, 已
加工表面粗糙 。
四、切削的变形及影响因素
1,变形系数,
D
ch
h h
h??厚度变形系数,
长度变形系数,
ch
c
l l
l??
根据体积不变原理数,1lh ??????
?
????
?
??????
s in
)c o s (
s inOM
)c o s (OM
h
h oo
D
ch
2,影响切削变形的因素,
① 工件材料,
② 刀具角度,
③ 切削速度,
工件塑性 ↗ 延伸率 δ ↗ ξ ↗
γ O ↗ 刀具锋利 塑性变形 ↙ ξ ↙
vc ↗ ξ ↙
五、积屑瘤
“在一定的温度和压力
下,切削塑性金属时,切
屑底层与前刀面嵌入式
结合发生冷焊现象,使一
部分切屑粘结在前刀面
上,形成积屑瘤, 。
1.特点,
① 硬度是工件材料的
2~3.5倍, 可以代替
刀具切削 。
② 周而复始的生长, 脱
落 。
2.产生条件,
① 切削塑性材料 。
② 切削区的温度, 压力
和界面状况符合在刀
面上发生冷焊的条件 。
3,对切削过程的影响,
① 积屑瘤代替刀刃进行切削, 保护
了刀刃, 增大了前角 。
② 积屑瘤形状不规则, 频繁生长脱
落, 影响尺寸精度和表面质量 。
故,
? 粗加工时可人为控制积屑瘤的生
长, 使积屑瘤能稳定存在 。
? 精加工时应抑制积屑瘤的产生 。
4,控制措施,
① 提高前刀面的光滑程度；
② 提高工件的硬度，降低塑性；
③ 采用合适的切削液；
④ 避开积屑瘤产生的速度范围。
第二节 切削力与切削功率
一、切削力的来源,
1,工件、切屑的变形抗力
2,刀具与切屑, 工件与
刀具之间的摩擦阻力
二、切削力的分解
1.主切削力,FC
在主运动方向的分力 。 FC
与切削速度方向一致, 又
称切向抗力 。 是计算机床
切削功率的主要依据 。
2.背向力,FP
总切削力在切深方向
的分力 。 FP在基面
内, 与进给方向垂直 。 3.进给抗力,Ff
在进给方向的分力 。
是计算或校核机床
进给机构强度的依
据 。
?? ??????
???
c o sFFs inFF
FFFF
DpDf
2
p
2
f
2
c
切削力的测量原理
三、切削力的计算
由实验获得经验公式,
)(
)(
)(
NKfaCF
NKfaCF
NKfaCF
f
f
F
f
F
f
p
p
F
p
F
p
c
c
F
c
F
c
F
yx
pFf
F
yx
pFp
F
yx
pFc
????
????
????
注意,
① 计算公式由实验测得，式中的各项应按照实验时的单
位计算。即,aP,mm,f,mm/r
② 手册中的数据为特定切削条件下测得的数据，当实际
的条件与实验公式条件不符时，应加修正系数。
ccccccccc VBFrFFFb r FFvFfFF KKKKKKKKK ???????? ???
四、单位切削力
“单位面积上的主切削力”,
)/( 2mmN
af
F
A
F
K
p
c
D
c
C ???
估算切削力,
pCDCc afKAKF ?????
五、切削功率
)(
1000
kw
vF
P ccc
?
?
机床总功率,
85.0~75.0?? ?
?
c
E
PP
单位切削功率
“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”
)/(
)/(
3
13
smmvfaQ
smmkw
Q
P
P
cpz
z
c
s
???
??
?
第三节 切削热与切削温度
一、产生原因,
① 切削层的弹性及塑性
变形。
② 切屑与前刀面，工件
与后刀面的摩擦。
第一变形区,
60%的热量
第二变形区,
30%的热量
第三变形区,
10%的热量
二、切削热的传递,
Q=Q屑 +Q刀 +Q工 +Q介
在不使用冷却液的情况下,
Q屑 >Q刀 >Q工 >Q介
三、切削温度
1,切削温度分布,
切削脆性材料时
最高温度区域
切削塑性材料时
最高温度区域
2,切削温度,
“指切削区 （ 切屑与
前刀面接触区 ） 的
平均温度
200℃ 以下 切屑呈银白色
220℃ 切屑呈淡黄色
270℃ 切屑呈暗红色
290~300 ℃ 切屑呈暗蓝色
320 ℃ 切屑呈蓝色
350 ℃ 切屑呈蓝灰色
400 ℃ 切屑呈灰白色
>500 ℃ 切屑呈紫黑色
切削碳钢时,
四、影响切削温度的因素分析
1,工件材料,
HB,σ b↗ 切削抗力 ↗ 功耗 ↗ θ℃ ↗
热处理 HB σ b θ ℃
正火 187 60 100%
调质 229 75 125%
淬火 44HRC 148 145%
45#钢为例,
四、影响切削温度的因素分析
2,切削用量对切削温度的影响,
vc,f,ap↗ θ ℃ ↗
???
??
z
p
yx
c afvC ????
用 YT15刀具, 切削 45#钢时 ( σ b=75kg/cm2)
04.014.04.03 1 4
pc afv ????
3,刀具几何参数对切削温度的影响
四、影响切削温度的因素分析
γ O ↗ θ ℃ ↙
θ ℃ ↗ κ r ↗
五、控制切削温度的措施
1,正确使用切削液,
2.合理选择切削用量,
在满足工艺要求的前提下，取小的 vc较大的 ap,f
3.改善刀具几何条件,
θ ℃ ↙ γ O↗
第四节 刀具的磨损及使用寿命
一、刀具的磨损形式,
二、刀具磨损机理
1,磨料磨损
工件和切屑中的硬质点 （ 如炭化物 ） 以及不断脱落
的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损 。
2,冷焊磨损
切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结, 然后相
互被拉开, 产生表面破坏伤痕 。
二、刀具磨损机理
3,扩散磨损,
工件材料和刀具在高温下 （ 900~1000℃ ） 相互
扩散造成的磨损 。
二、刀具磨损机理
4,氧化磨损,
刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后, 在高温
下 （ 700~800℃ ） 与空气中的氧作用产生松脆氧化物,
造成刀具磨损 。
综上所述,
三、磨损过程
四、刀具的磨钝标准
“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的
最大磨损尺寸, 。 以 VB表示
五、刀具的使用寿命
“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总
的切削时间”。记为,T
切削用量与刀具使用寿命的关系,
p
p
nm
c
T
afv
C
T
111 ??
?
75.025.25
pc
T
afv
C
T
??
?
可见,
vc对 T的影响最大, f次之, aP最小 。 在优选切
削用量以提高生产率时, 首先应尽量选大的 aP，
然后根据加工条件和要求选允许最大的 f,最后
根据 T选取合理的 vc。
六、刀具合理使用寿命的选择
1,最大生产率使用寿命,TP
“根据单件工序工时最短的原则来确定 T”。
ctp tm
mT )1( ??
2,经济使用寿命,Tc
“根据单件工序成本最低的原则来确定 T”。
)(1
M
Ct
m
mT t
ctc ?
??
式中,m：指数 。 对于高速钢,m=0.1~0.125,
硬质合金,m=0.1~0.4,陶瓷刀具,m=0.2~0.4
tct：换刀一次所需时间； Ct：刀具成本；
M：该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支 。
第五节 刀具合理几何参数的选择
一、前角的作用
1.直接影响刀具的锋利程度
刀具锋利 ↗ 切屑变形程度 ↙ 切削力 ↙ 前角 ↗
2.直接影响切削刃的强度和刀头强度
前角 ↗ 刀刃及刀头强度 ↙ 易蹦刃 楔角 ↙
3.直接影响切屑的形状和断屑效果
前角 ↙ 切屑变形程度 ↗ 易断屑
选择原则
1,工件材料,
脆性材料,γ O小，塑性材料,γ O大
2,刀具材料,
刀具的 σ b,α k较大，则 γ O可选大值
3,加工条件,
粗加工时,γ O小，精加工时,γ O大
“锐字当先、锐中求固,
二、后角的作用
后角的主要作用是减少后刀面与加工工
件之间的摩擦和磨损。后角过大，会削弱切
削刃和刀头的强度。通常 α O=5— 12°
选择原则
1,工件材料,
2,刀具材料,
刀具的 σ b,α k较大，则 α O可选大值
3,加工条件,
粗加工时,α O小，精加工时,α O大
工件的 σ b,HB较大，则 α O可选小值
三、主偏角、副偏角的作用
1,影响残留面积的高度
Кγ, Кγ ’↗ Rmax↗
2,影响三个切削分力的大小和比例关系
?
?
???
???
c o sFF
s inFF
Dp
Df
三、主偏角、副偏角的作用
3,主偏角影响切屑层的形状
在 f,ap相同的情况下,
Кγ ↙ bD ↗
刀刃工作长度 ↗ 单位负荷 ↙
选择原则
1,工件材料,
Кγ ↙
2,工艺系统刚性,
刚性好，则 Кγ 取小值。
3,加工条件,
粗加工时,Кγ 大，精加工时,Кγ 小
HB ↗
Кr,Кr’选择总原则,
在不产生振动的条件下，
取小值。
四、刃倾角的作用
影响刀尖的强度以及切屑的流向,
λ s > 0，切屑流向待加工面；
λ s < 0，切屑流向已加工面；
一般情况下,
粗加工时,λs=0~-5°
精加工时,λs=0~+5 °
工艺系统刚性不足，则 λs > 0
第六节 工件材料的切削加工性
“指对某种材料进行加工的难易程度”
相对加工性,Kr
j
r V
V
K
)( 60
60?
影响材料切削加工性的因素
?金属材料物理和机械性能的影响
?化学成分的影响
?热处理状态和金相组织的影响
改善材料切削加工性的主要途径
?热处理，改变材料的组织和机械性能
?调整材料的化学成分
第一节 金属的切削过程
第二节 切削力与切削功率
第三节 切削热与切削温度
第四节 刀具的磨损及使用寿命
第五节 刀具合理几何参数的选择
第六节 工件材料的切削加工性
第一节 金属的切削过程
一、概述
1.刀具挤压工件，产生变形
2.滑移
3.挤裂
4.切离
二、切削变形区
第一变形区,（ 基本变形区 ）
OA~OM之间的区域, 是切削
过程中的主要变形区, 是切削
力和切削热的主要来源 。
主要特征,
剪切面的滑移变形
第二变形区,
切屑底层与前刀面之间的摩擦
变形区 。 主要影响切屑的变形
和积屑瘤的产生 。
第三变形区
第二变形区 第一变形区
第三变形区,
工件已加工表面与刀具后刀面之
间的挤压, 摩擦变形区域 。
造成工件表面的纤维化与加工硬
化 。
该区域对工件表面的残余应力以
及后刀面的磨损有很大的影响 。
三、切屑的类型
1,带状切屑,
产生条件,
切削塑性材料、切削
速度高、切削厚度较
小、前角大。
形状,
连绵不断呈带状, 切
屑底面很光滑而背面
呈毛茸状 。
形成原因,
切速高，切削层未及充
分变形即变为切屑，剪
切面上的应力还未达到
破坏值，因此只有塑性
滑移而无断裂；前角大，
则刀具锋利； hD小则切
削力小。故易得带状切
屑。
特点：
切削过程变形小, 切
削力小且稳定；已加
工表面粗糙度低 。 对
生产安全有危害 。
三、切屑的类型
2,挤裂切屑：（节状切屑）
形状,
宏观上自然连接,
但外表面呈锯齿形,
如竹节状 。
产生条件,
切削塑性材料、切
削速度中等、切削
厚度较厚、前角较
小。
形成原因,
切削层经过充分变
形全过程, 最后被
挤裂 。
特点,
切屑冷硬度高，脆且
易断，便于处理；
变形相对较大，切削
力波动较大，易产生
振动；
已加工表面粗糙度较
高。
三、切屑的类型
3,单元切屑,
形状,
切屑沿挤裂面
完全断开成单元
状 。
产生条件,
材料塑性很差,
切速低, hD大,
前角小 。
形成原因,
整个剪切面上剪
应力超过材料的
破坏强度极限 。
特点,
切削力波动很大,
有振动；已加工
表面非常粗糙,
且有振纹 。
三、切屑的类型
4,蹦碎切屑,
形状,
切 屑 呈不 规则
的碎块状 。
产生条件,
切削脆性材料 。
形成原因,
材料塑性差, 抗拉
强度低, 受前刀面
挤压时几乎没有塑
性变形便脆断成不
规则的碎块 。
特点,
切削过程不平稳,
切削力波动大, 有
冲击, 振动大, 已
加工表面粗糙 。
四、切削的变形及影响因素
1,变形系数,
D
ch
h h
h??厚度变形系数,
长度变形系数,
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根据体积不变原理数,1lh ??????
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2,影响切削变形的因素,
① 工件材料,
② 刀具角度,
③ 切削速度,
工件塑性 ↗ 延伸率 δ ↗ ξ ↗
γ O ↗ 刀具锋利 塑性变形 ↙ ξ ↙
vc ↗ ξ ↙
五、积屑瘤
“在一定的温度和压力
下,切削塑性金属时,切
屑底层与前刀面嵌入式
结合发生冷焊现象,使一
部分切屑粘结在前刀面
上,形成积屑瘤, 。
1.特点,
① 硬度是工件材料的
2~3.5倍, 可以代替
刀具切削 。
② 周而复始的生长, 脱
落 。
2.产生条件,
① 切削塑性材料 。
② 切削区的温度, 压力
和界面状况符合在刀
面上发生冷焊的条件 。
3,对切削过程的影响,
① 积屑瘤代替刀刃进行切削, 保护
了刀刃, 增大了前角 。
② 积屑瘤形状不规则, 频繁生长脱
落, 影响尺寸精度和表面质量 。
故,
? 粗加工时可人为控制积屑瘤的生
长, 使积屑瘤能稳定存在 。
? 精加工时应抑制积屑瘤的产生 。
4,控制措施,
① 提高前刀面的光滑程度；
② 提高工件的硬度，降低塑性；
③ 采用合适的切削液；
④ 避开积屑瘤产生的速度范围。
第二节 切削力与切削功率
一、切削力的来源,
1,工件、切屑的变形抗力
2,刀具与切屑, 工件与
刀具之间的摩擦阻力
二、切削力的分解
1.主切削力,FC
在主运动方向的分力 。 FC
与切削速度方向一致, 又
称切向抗力 。 是计算机床
切削功率的主要依据 。
2.背向力,FP
总切削力在切深方向
的分力 。 FP在基面
内, 与进给方向垂直 。 3.进给抗力,Ff
在进给方向的分力 。
是计算或校核机床
进给机构强度的依
据 。
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切削力的测量原理
三、切削力的计算
由实验获得经验公式,
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注意,
① 计算公式由实验测得，式中的各项应按照实验时的单
位计算。即,aP,mm,f,mm/r
② 手册中的数据为特定切削条件下测得的数据，当实际
的条件与实验公式条件不符时，应加修正系数。
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四、单位切削力
“单位面积上的主切削力”,
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估算切削力,
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五、切削功率
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机床总功率,
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单位切削功率
“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”
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第三节 切削热与切削温度
一、产生原因,
① 切削层的弹性及塑性
变形。
② 切屑与前刀面，工件
与后刀面的摩擦。
第一变形区,
60%的热量
第二变形区,
30%的热量
第三变形区,
10%的热量
二、切削热的传递,
Q=Q屑 +Q刀 +Q工 +Q介
在不使用冷却液的情况下,
Q屑 >Q刀 >Q工 >Q介
三、切削温度
1,切削温度分布,
切削脆性材料时
最高温度区域
切削塑性材料时
最高温度区域
2,切削温度,
“指切削区 （ 切屑与
前刀面接触区 ） 的
平均温度
200℃ 以下 切屑呈银白色
220℃ 切屑呈淡黄色
270℃ 切屑呈暗红色
290~300 ℃ 切屑呈暗蓝色
320 ℃ 切屑呈蓝色
350 ℃ 切屑呈蓝灰色
400 ℃ 切屑呈灰白色
>500 ℃ 切屑呈紫黑色
切削碳钢时,
四、影响切削温度的因素分析
1,工件材料,
HB,σ b↗ 切削抗力 ↗ 功耗 ↗ θ℃ ↗
热处理 HB σ b θ ℃
正火 187 60 100%
调质 229 75 125%
淬火 44HRC 148 145%
45#钢为例,
四、影响切削温度的因素分析
2,切削用量对切削温度的影响,
vc,f,ap↗ θ ℃ ↗
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用 YT15刀具, 切削 45#钢时 ( σ b=75kg/cm2)
04.014.04.03 1 4
pc afv ????
3,刀具几何参数对切削温度的影响
四、影响切削温度的因素分析
γ O ↗ θ ℃ ↙
θ ℃ ↗ κ r ↗
五、控制切削温度的措施
1,正确使用切削液,
2.合理选择切削用量,
在满足工艺要求的前提下，取小的 vc较大的 ap,f
3.改善刀具几何条件,
θ ℃ ↙ γ O↗
第四节 刀具的磨损及使用寿命
一、刀具的磨损形式,
二、刀具磨损机理
1,磨料磨损
工件和切屑中的硬质点 （ 如炭化物 ） 以及不断脱落
的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损 。
2,冷焊磨损
切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结, 然后相
互被拉开, 产生表面破坏伤痕 。
二、刀具磨损机理
3,扩散磨损,
工件材料和刀具在高温下 （ 900~1000℃ ） 相互
扩散造成的磨损 。
二、刀具磨损机理
4,氧化磨损,
刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后, 在高温
下 （ 700~800℃ ） 与空气中的氧作用产生松脆氧化物,
造成刀具磨损 。
综上所述,
三、磨损过程
四、刀具的磨钝标准
“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的
最大磨损尺寸, 。 以 VB表示
五、刀具的使用寿命
“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总
的切削时间”。记为,T
切削用量与刀具使用寿命的关系,
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75.025.25
pc
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可见,
vc对 T的影响最大, f次之, aP最小 。 在优选切
削用量以提高生产率时, 首先应尽量选大的 aP，
然后根据加工条件和要求选允许最大的 f,最后
根据 T选取合理的 vc。
六、刀具合理使用寿命的选择
1,最大生产率使用寿命,TP
“根据单件工序工时最短的原则来确定 T”。
ctp tm
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2,经济使用寿命,Tc
“根据单件工序成本最低的原则来确定 T”。
)(1
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式中,m：指数 。 对于高速钢,m=0.1~0.125,
硬质合金,m=0.1~0.4,陶瓷刀具,m=0.2~0.4
tct：换刀一次所需时间； Ct：刀具成本；
M：该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支 。
第五节 刀具合理几何参数的选择
一、前角的作用
1.直接影响刀具的锋利程度
刀具锋利 ↗ 切屑变形程度 ↙ 切削力 ↙ 前角 ↗
2.直接影响切削刃的强度和刀头强度
前角 ↗ 刀刃及刀头强度 ↙ 易蹦刃 楔角 ↙
3.直接影响切屑的形状和断屑效果
前角 ↙ 切屑变形程度 ↗ 易断屑
选择原则
1,工件材料,
脆性材料,γ O小，塑性材料,γ O大
2,刀具材料,
刀具的 σ b,α k较大，则 γ O可选大值
3,加工条件,
粗加工时,γ O小，精加工时,γ O大
“锐字当先、锐中求固,
二、后角的作用
后角的主要作用是减少后刀面与加工工
件之间的摩擦和磨损。后角过大，会削弱切
削刃和刀头的强度。通常 α O=5— 12°
选择原则
1,工件材料,
2,刀具材料,
刀具的 σ b,α k较大，则 α O可选大值
3,加工条件,
粗加工时,α O小，精加工时,α O大
工件的 σ b,HB较大，则 α O可选小值
三、主偏角、副偏角的作用
1,影响残留面积的高度
Кγ, Кγ ’↗ Rmax↗
2,影响三个切削分力的大小和比例关系
?
?
???
???
c o sFF
s inFF
Dp
Df
三、主偏角、副偏角的作用
3,主偏角影响切屑层的形状
在 f,ap相同的情况下,
Кγ ↙ bD ↗
刀刃工作长度 ↗ 单位负荷 ↙
选择原则
1,工件材料,
Кγ ↙
2,工艺系统刚性,
刚性好，则 Кγ 取小值。
3,加工条件,
粗加工时,Кγ 大，精加工时,Кγ 小
HB ↗
Кr,Кr’选择总原则,
在不产生振动的条件下，
取小值。
四、刃倾角的作用
影响刀尖的强度以及切屑的流向,
λ s > 0，切屑流向待加工面；
λ s < 0，切屑流向已加工面；
一般情况下,
粗加工时,λs=0~-5°
精加工时,λs=0~+5 °
工艺系统刚性不足，则 λs > 0
第六节 工件材料的切削加工性
“指对某种材料进行加工的难易程度”
相对加工性,Kr
j
r V
V
K
)( 60
60?
影响材料切削加工性的因素
?金属材料物理和机械性能的影响
?化学成分的影响
?热处理状态和金相组织的影响
改善材料切削加工性的主要途径
?热处理，改变材料的组织和机械性能
?调整材料的化学成分
