第三章 金属切削基本理论
【内容提要】
本章主要介绍切削力、切削热、切削温度、刀具磨损和刀具耐用度的基本概念；切削力、切削热、切削温度和刀具磨损的基本规律；应用上述规律选择刀具材料、几何参数、切削用量、切削液和控制切屑的原则和方法。
【目的要求】
1、了解与掌握金属切削过程的基本物理现象及其变化规律；
2、能根据具体加工情况正确计算切削力、刀具耐用度以及一定刀具耐用度所允许的切削速度。
3、能根据具体加工情况正确选择和确定刀具材料、刀具几何参数、切削用量等；
【本章内容】
第一次课
金属切削理论是从生产实际和切削实验中得来的，总结了关于金属切削过程中的基本物理现象及其变化规律。这些基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损等。为了提高切削加工的生产率，降低加工成本，保证质量，我们来学习和掌握这些规律。
§3-1 切削变形一、切屑的基本形态金属切削时，由于切削用量和刀具几何参数的不同，会出现各种不同形态切屑。从变形角度考虑，切屑的形态归纳为四种基本形态。
1、带状切屑：
切屑呈连续状，与前面接触的底层光滑，背面成毛茸状。一般在加工塑性材料，采用大的前角、小的切削厚度、高的切削速度时形成。变形较小，是比较常见的切屑。
2、节状切屑（挤裂状切屑）
切屑背面呈锯齿形，底层有时有裂纹，切削层变形大，加工硬化严重，使某一局部的应力达到材料的强度极限，从而出现裂纹。
加工塑性材料，采用小的前角、小的切削速度会形成此类切屑。
3、单元状切屑切削塑性很大的材料，发生强度破坏严重，变性大，切削力大，
切削功率大。切屑与前面发生粘结，变形充分，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元。
4、崩碎状切屑切削脆性材料，形状为片状或粒状切屑。工件材料愈硬，刀具前角愈小，愈容易形成此类切屑。
由上述介绍可知，带状切屑形成时，切削力变化较小，切削稳定，已加工表面质量好；节状和单元状切屑形成时切削力有较大的波动，尤其是单元状切屑，在其形成过程中可能产生振动影响加工质量；在切屑铸铁时，由于所形成的崩碎状切屑是经石墨边界处崩裂的，加工表面质量下降。
二、切屑与已加工表面的形成
（一）切屑的形成及三个变形区
1、设切削层厚度，宽度，以切削速度向刀具接近。从OA线开始发生塑性变形，到OM线剪切滑移基本完成。形成AOM塑性变形区。
塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，因此又称为剪切区或第一变形区。
2、当切屑以速度沿前面流出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，变形方向基本上与前面平行（即为晶格变形方向）。由于该变形主要由摩擦引起，因而又称摩擦变形区或第二变形区。
3、已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化，称为第三变形区。
这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中，也比较复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。第一变形区形成切屑，变形最大；第二变形区变形大小主要影响前面的磨损；第三变形区的滑移变形，严重使已加工表面产生变形。
※※剪切滑移区（第一变形区）的变形机理
研究剪切滑移区的变形机理，就是看材料是在该区域内怎样完成变形的。
以切屑为研究对象。
设刀具对切屑的正压力位Fn，摩擦力位Ff，二者合力为Fr，在合理的作用下，在垂直它的横截面上产生正应力σ。，在与该力大致呈45o角的截面上产生最大剪应力τ。
σ。=Fr/A,而τ=σ。/2
（1）若最大剪应力τ≥τs（材料的屈服极限）时，材料就沿剪应力的方向滑移（沿剪切面滑移）；
（2）若最大剪应力τ≥τb（材料的强度极限）时，材料发生剪切强度破坏，切屑断裂。
※※剪切滑移区（第一变形区）的变形过程
在切削层内刃取一点P,当点P为达到剪切滑移区时，只产生弹性变形，一旦达到该区域时，就要产生剪切滑移——塑性变形。
（1）OA线为始滑移线，OM线为终滑移线（都是等剪应力曲线）。当P点到达1点的位置时，剪应力到达材料的屈服极限τs，开始产生剪切滑移，点1在向前移动的同时，也沿OA滑移，其合成运动将使点1流动到点2。2-2ˊ就是滑移量。随着滑移的产生，剪应力将逐渐增加，也就是当P点向1、2、3个点流动时，剪应力不断增加，直到点4位置，此时其流动方向与前面平行，不再沿OM线滑移。
（2）第一变形区（OA～OM之间）其变形的主要特征是：
沿滑移线剪切变形，以及随之产生加工硬化。
（3）切削速度较高时，第一变形区较窄。一般的切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约为0.2～0.02mm。(可用一剪切面来表示)
（4）剪切面OM与切削速度间的夹角φ——剪切角φ。
（5）OA线上的剪应力τ＝τs；OB、OC、OM线上的剪应力由于变形加工硬化而依次升高，在OM线达最大值τmax，若
τmax<τb时，切屑为带状；
τmax≥τb时，切屑为挤裂状；
▼▼思考：
1、切屑的基本形态有几种？
2、第一变形区剪切滑移的机理是什么?( τ≥τs)
（二）衡量变形的方法首先来看一看研究切屑变形有什么意义：
切削过程是复杂的，既有剪切，又有前面对切屑的积压和摩擦作用（第二变形区），衡量变形的方法是在纯剪切的观点上提出来的。
因为切屑变形的大小，会直接影响到切削力的大小，以及切削温度、刀具磨损等物理现象，所以必须研究切削变形的大小。
在金属切削过程中，切屑的变形的大小是怎样衡量的呢？目前衡量切屑变形的方法有三种,①剪切角φ ②变形系数ξ ③相对滑移
1、变形系数ξ
切削层经切削成为切屑，由于变形——变短、变厚。设切削层长度为L，切削厚度为hD，切屑长度为Lc,切屑厚度为hDc，那么一定是L>Lc，hDc>Hd.这说明金属在切削过程中确实存在着变形，与用斧子劈木头是两码事，有本质的不同，不能混为一谈。
设金属在变形前后的体积不变，切削宽度bD不变（直角切削）那么
hd*L*bD=hDc*Lc*bD 则 令 L/Lc=hDc/hd=ξ〉1
即变形系数有着优点：比较直观地反映了变形程度，容易测量，简单可行。但也有不足，那就是精确度低。
ξ的意义：ξ变大，变形就大，表示切除的切屑越厚越短。反之变形小。另外，ξ的表示方法还可以用前角和剪切角来表达。（如图）
ξ=hDc/Hd
上式说明：变形的大小与剪切角φ和前角有关。一般认为前角γo增大，剪切角φ增大则ξ减小。
但前角γo一定时，若剪切角φ增大，
那么切削变形就小。
2、剪切角φ
剪切角φ的大小是怎样确定的呢？
上次课中知道，切削合力与切削速度间的夹角为β-γo，剪切角为φ。
最大剪应力存在的平面OM与作用力方向间的夹角约为45°，那么
φ+β-γo=45° 则 φ=45°-（β-γo） 其中β为摩擦角
（三）第二变形区
1、摩擦区的形成塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区。
摩擦区的特征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。
滞留层的特点：滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/8～1/9。
2、前刀面的摩擦特性实验证明，在第二变形区（摩擦变形区）内，对于塑性金属来讲，切屑与前面间的摩擦不是一般的滑动摩擦。在摩擦区域内分为内摩擦和外摩擦两部分。
粘结部分Lf1为内摩擦；粘结部分之外Lf2为外摩擦。
（1）什么是内摩擦呢？
在切削塑性金属时，由于压力大、温度高，切屑的最底层金属流动速度很慢，甚至粘结到前面上。这一层金属与上层金属之间的摩擦就是内摩擦。内摩擦发生材料内部的滞留层内。
如图，假如刀具绝对锋利，切削厚度hD较小，那么刀尖正应力σ。最大。在内摩擦部分正应力σ。较大，在外摩擦部分正应力σ。较小，逐渐减小为零。
在前面上正应力分析曲线由下式表达：
σr=qxb 其中q—系数，b—指数。均由具体实验条件确定，x以切屑与前面的脱离点为起点。
在前面上，剪应力τr分布曲线为分段函数
τr=τs ——内摩擦部分
τr<τs ——外摩擦部分，τr由τs逐渐减小为零。
（2） 内摩擦力的计算：
粘结部分Lf1内的摩擦力，主要有剪应力τr和接触面积Aα决定，其大小为
Ff=τrAα
（3）内摩擦系数μ值实验测得前面上的摩擦系数是一个变量。因而只能令μ代表前面上的平均摩擦系数。在内摩擦部分有
μ=Ff/Fn≈τrAα/（σrav×Aα）=τr/σrav
Aα—内摩擦部分的接触面积，σrav—内摩擦部分的平均正应力 。
由于各点正应力是个变值，用上式所求的μ值也是一个变量;采用平均正应力σrav求的μ值也为平均摩擦系数。由此 =μ所求得的摩擦角也是平均摩擦角。
（4）内摩擦的特点：
1）发生在材料内部；
2）摩擦力的大小与内摩擦面积成正比。
第二次课
3、积屑瘤在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在刀具前面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。
（1）积屑瘤的成因切屑与刀具前面接触处有摩擦，当两者的接触面积达到一定温度，同时压力又较高时，会产生粘结现象，即所谓的“冷焊”。这时切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。如果温度与压力适当，底层上的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化而被阻滞在底层，粘成一体。这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。
一般来说，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。对于碳素钢来说，约在300℃～350℃时积屑瘤最高，到500℃以上时趋于消失。
（2）积屑瘤的特点
<1> 化学性质与工件材料相同，说明积屑瘤来自于工件材料（切屑底层）逐渐堆积。
<2> 硬度是工件材料的3～4倍，稳定时可代替刀刃进行切削。
<3> 积屑瘤是一个动态结构，不稳定，产生、成长、脱落反复进行。
（3）积屑瘤的利弊
<1> 精加工（不希望产生积屑瘤）
1）积屑瘤会改变切削深度，不能保证加工尺寸精度；
2）积屑瘤使前角变大，由于积屑瘤粘附在刀具前面上，加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，变形小，但积屑瘤消失时，切削力又变大，容易引起振动。
<2> 粗加工
1）硬质合金材料的刀具：在积屑瘤比较不稳定的情况下，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒破落，反而使刀具磨损加剧。
2）高速钢材料的刀具：积屑瘤粘附在刀具前面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提高耐用度的作用。
（4）积屑瘤的控制要控制积屑瘤的产生，根据积屑瘤的成因和实践经验，应从三个方面即工件材料、切削用量、刀具几何参数控制。
<1>工件材料对于塑性材料，如钢材、球墨铸铁、铝合金等只要切削温度和切削速度适宜，便产生积屑瘤。因此在工件材料方面，应提高材料硬度，减少滞留层的形成。
〈2〉切削用量切削用量（ap、f、Vc）中的切削速度vc的影响最大，切削深度ap和进给量f的影响较小。控制了切削速度Vc以控制切削温度。
低速时（Vc=10m/min以下），由于温度低（低于300℃）,不会引起粘附，不会形成积屑瘤。
高速时（Vc=100m/min以上），由于温度高（在500℃～600℃以上），积屑瘤的加工硬化消失，积屑瘤消失。
中速时，(10m/min<Vc<100m/min)易产生积屑瘤，切削中碳钢时，Vc=20～30m/min,温度适宜（约300℃～400℃），积屑瘤大最高。
<3>刀具几何参数刀具几何参数对积屑瘤的产生影响不大。为减少切屑与刀具前面接触区的压力，增加刀具前角。
<4>加工时用切削液切削液可以减少内摩擦，起到润滑作用，从而抑制积屑瘤的产生。
（四）已加工表面的变形与表面质量（第三变形区）
1、已加工表面的变形
前面在分析第一、第二两个变形区的情况时，假设刀具的刀刃是绝对锋利的，但实际上无论怎样仔细刃磨，刀具都可认为具有一个钝圆半径rn，rn的大小与刃磨质量、刀具材料和刀具的前、后面间的夹角βo有关。
高速钢 3--10μm
刃磨后rn为 硬质合金 18—32μm 磨损时rn将增大金刚石砂轮（细粒）3--6μm
在刀刃钝圆半径作用下，已加工表面是怎样形成的呢？
（1）切削时，当切削层金属以速度逐渐接近刀刃时，便发生压缩与剪切变形，最终沿剪切面OM方向剪切滑移而成为切屑。
（2）在刀刃钝圆半径的作用下，在整个切削层中，由于任何刀具非绝对锋利，总是存在切削刃钝圆半径rn，这样使切削层内厚度为△hD的一层金属未被切掉，而被强行挤压到已加工表面上。
（3）留在已加工表面上的金属经过刀具后面的棱带的挤压并相互摩擦，这种剧烈的摩擦又是工件表层金属受到剪切应力。
（4）随后有一定的弹性恢复高度△h，与后面的接触长度为 CD，那么已加工表面在CD长度上继续与后刀面摩擦。使这层金属再次受到剪应力的作用。
这层受反复应力作用的金属层就成为已加工表面的变质层。
由于变质层受到刀刃的强行挤压，不但在组织上又变化，而且在性质上也引起变化，主要表现为加工硬化和残余应力两个方面。
2、加工硬化已加工表面经过切削加工，是表面硬度提高的现象，称为加工硬化。
已加工表面的硬度是强化和弱化作用的综合结果，凡是增大变形与摩擦的因素都将加剧硬化现象；凡是有利于弱化的因素，如高温、低熔点等，都会减轻硬化现象。
一般情况下，加工硬化可提高硬度20%--30%；
提高刃口的锋利程度可以降低加工硬化现象。
加工硬化有如下特点：（1）硬化程度愈高，硬化层深度也愈深；（2）加工硬化给下一道工序造成困难，刀具易被磨损；（3）硬化层表面常会出现细微裂纹，增大表面粗糙度和降低材料的疲劳强度。
3、残余应力残余应力指切削过程结束后，残存在金属中的应力，有时为残余拉应力，有时也为残余压应力。
<1>产生原因：1）机械应力的作用；2）切削热的作用；3）相变应起的体积变化；
<2>产生后果：1）均会使已加工表面发生裂纹；2）降低零件的疲劳强度；3）影响零件的尺寸和形状，甚至会发生弯曲、凸起变形。
第三次课
§3—2 切削力在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，制定切削用量，监控切削状态，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。因此，研究切削力的规律和计算方法，将有助于分析切削机理，并对生产实际有重要实用意义。
一,切削力的来源?
在刀具作用下，被切削层金属、切屑和已加工表面层金属都要产生弹性变形和塑性变形。如图所示，有法向力FγN和FaN分别作用于前、后刀面。由于切屑沿前刀面流出，故有摩擦力Fγ作用于前刀面；刀具与工件间有相对运动，又有摩擦力Fa作用于后刀面。FγN与Fγ合成为Fγ,γN；FaN与Fa合成为Fa,aN；Fγ,γN与Fa,aNv再合成为F，F就是作用在刀具上的总切削力。对于锐利的刀具，作用在前刀面上的力是主要的。作用在后刀面上的Fa和FaN很小，分析挤问题有时可以略而不计。
综上所述，切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。
二、切削合力和分力
车削外圆时的切削力。如果不考虑副切削刃的切削作用以及其他造成流屑方向改变的因素的影响，合力F就在刀具的主剖面内。为了便于测量和应用，可以将合力F分解为三个互相垂直的分力,
主切削力Fc—它垂直于基面，与切削速度Vc的方向—致，又可以称为切向力；
切深抗力Fp——它在基面内，并与进给方向(即工件轴线方向)相垂直；
进给抗力Ff——它也在基面内，并与进给方向(即工件轴线方向)相平行。
由图可知，合力F先分解为FC和FD，FD再分解为Fp和Ff。因此
/
Fp、Ff与FD又有如下的关系,
Fp＝FDcosκr； Ff＝FDsinκr
一般情况下，切削力Fc最大，Fg、Ff小一些。随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fp、Ff相对于Fc的比值在很大的范围内变化,
Fp＝(0.15—0.7)Fc
Ff＝(0.1—0.6)Fc
在应用中，Fc和Fp很重要。Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。车削外圆时，Fp虽不作功，但能使工件变形或造成振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。Ff作用在机床进给机构上，常用以设计机床进给机构或校核其强度。
三、切削力的经验指数公式利用测力仪测出切削力，再将实验数据加以适当处理，可以得到切削力的经验公式。
切削力的经验公式通常是以切削深度ap和进给量f为变量的幂函数，其形式如下,
式中 CFc、CFp、CFf——系数
xFc、yFc、xFp、yFp、xFf、yFf——指数。
车削常用金属时，主切削力Fc经验公式中的系数、指数值可查书上。利用表中的数据可以计算Fc。必须注意，如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在公式后面乘以相应的修正系数。
在《切削用量手册》中，有比较系统、全面的数据(包括所有的指数)，可以应用指数公式计算出Fc、Fp、Ff。
四、单位切削力和切削功率
单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用κc表示,
/而 AD=ap·f(mm2)
式中 Fc—主切削力，N；
AD—切削面积，mm2
ap—切削深度，mm；
f—进结量，mm／r。
如果已知单位切削力kc，利用下面的公式就可以算出主切削力Fc,
Fc＝kc·AD＝kc·ap·f (N)
式中 kc单位为N／mm2，AD单位为mm2。
功率是力和力作用方向上的运动速度的乘积。切削功率是各切削分力消耗功率的总和。在外圆车削中，Fc方向的运动速度就是切削速度Vc；Fp方向的运动速度等于零；Ff方向的运动速度是转速nω和进给量f的乘积，即nω·f。因此，切削功率Pc可按下式计算,
/ (kw)
式中 Fc—主切削力，N；
Vc—切削速度，m／s；
Ff——进给抗力，N；
nω——工件的转速，r／s；
f——进给量，mm／r。
或 / (kw)
式中 Fc—主切削力，kgf；
Vc—切削速度，m／min；
Ff——进给抗力，kgf
nω——工件的转速，r／min；
f——进给量，mm／r。
1kW＝6120kgf·m／min(或6120×1000kgf·mm／min)。
由于Ff远远小于Fc，而Ff方向的运动速度又很小，因此Ff所消耗的功率，对比于Fc所消耗的功率是微不足道的(一般小于1％)，可以略而不计。一般，切削功率根据Fc和Vc计算就可以了，即
Pc＝Fc·Vc·10-3 (kW)
式中 Fc单位为N，Vc单位为m／s。
根据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率PE应当是 /
式中 /—机床的传动效率，一般取0.75—0.85。
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五、影响切削力的因素影响切削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几何参数及刀具磨损等。
（一）工件材料的影响
被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力是增大的。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，与刀具间的摩擦系数μ和摩擦角β也较大，故切削力增大。切削脆性材料时，得崩碎切屑。塑性变形及与前刀具面的摩擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。例如：45钢（中碳钢）的切削力高于A3钢（低碳钢）；调质钢和淬火钢高于正火钢；1Cr18Ni9Ti不锈高于45钢；铸铁和铜、铝合金低于钢材料；紫铜高于黄铜。在计算某一种工件材料的切削力和切削功率时，必须在资料中查找该材料的切削力有关数据，或借用类别相同、性能相近材料的数据。但是，在各种资料中，工件材料的种类不可能十分齐全，有时可借用现有材料的数据加以适当修正。在《切削用量手册》中有较完整的工件材料机械（力学）性能对切削力的修正系数，可以参考使用。
（二）切削用量的影响
1．切削深度和进给量
切削深度ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。ap加大时，变形系数不变，切削力成正比增大；而加大时，变形系数有所下降，故切削力不成正比增大。在车削力的经验公式中，加工各种材料，ap的指数xFc≈1，而f的指数yFc＝0.75—0.9。即当ap加大一倍时，Fc约增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68—86％。因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。书中列出的kc值是在f＝0.3mm/r时得到的。如果进给量f≠0.3mm/r，则需乘以相应的修正系数。实验表明，yFc的平均值约为0.85，据此算出进给量对切削力的修正系数值kfFc。
2.切削速度
加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小这主要是因为Vc增大，将使切削温度提高，μ下降，从而使变形系数减小。在低速范围内，由于存在着积屑瘤，所以切削速度对于切削力的影响，有著特殊的规律，这里就不再重复了。
切削脆性金属(如灰铸铁、铅黄铜)，因其塑性交形很小，切屑和前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。
（三）刀具几何参数的影响
1．前角γ。
前角γ。加大，被切金属的变形减小，因此切削力显著下降。一般加工塑性较大的金属时，前角对切削力的影响比加工塑性较小的金属更显著。例如，车刀前角每加大10，加工45钢的Fc约降低1%，加工紫铜的Fc约降低2%—3%，而加工铅黄铜的Fc仅降低0.4%。
2．负倒棱
在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刃区的强度，从而提高刀具使用寿命但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。负倒棱是通过它的宽度bγ对进给量f的比值(bγ／f)来影响切削力的。
3.主偏角
(1)当kr加大时，Fp减小，Ff加大。
(2)当加工塑性金属时，随kr加大，Fc减小；约在kr＝60—750之间，Fc减到最小；然后随kr继续加大，Fc又有所增大。Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%以内。
（3）kr加大时，Fp/Fc减小，Ff/Fc加大。在已知Fc之后，可以用这个比值估算Fp和Ff。
4．刃倾角
刃倾角变化时,将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角λs减小时，Fp增大，Ff减小。在非自由切削的情况下，刃倾角在10—45°的范围内变化时，Fc 基本不变。
5．刀尖圆弧半径
在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径rε对Fp,Ff的影响较大，对Fc 的影响较小。当刀尖圆弧半径在0.25—2mm范围内变化时，随着rε的加大，Fp增大，Ff减小，Fc仅略有增大。
（四）刀具磨损的影响
后刀面磨损后，形成了后角等于零、高度为VB的小棱面，作用在后刀面上的法向力FaN 和摩擦力Fa都将增大，故切削力加大。当VB加大时，Fp和Ff 的增大比Fc要显著一些。在现代加工机床上，有时用切削力、切削功率的增大或切削分力之间比值的变化来实现刀具磨损在线检测。
（五）切削液的影响
以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力，这是由于它的润滑作用，减小了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减小被加工金属的塑性变形。例如，在车削中使用极压乳化液，比干切时的切削力降低10%—20%；攻丝时使用极压切削油，比使用5号高速机油时的扭矩降低20%—30%。
（六）刀具材料的影响
刀具材料不是硬削切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一些影响。如用YT类硬质合金刀具切削钢料时的Fc比用高速钢刀具约降低5％—10％；用YG类硬质合金刀具和高速钢刀具切削铸铁，切削力基本相同。
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3-3 切削温度
（一）切削热的来源在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形，这是切削热的一个来源。同时，切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的摩擦功，也将转化为热能，这是切削热的又一个来源。
切削热的传散的传散渠道：工件、切屑、刀具与介质（空气、切削热）
（二）切削温度
切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。
实际上，在主剖面内前面切削温度分布是不同的。最高度不再人口处，而是距切削刃有一小段距离。
（三）影响切削温度的主要因素
1.切削用量对切削温度的影响
(1)切削速度
切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。其原因如下：当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，因而产生很多的热量。而这摩擦热主要是在切屑很薄的底层里产生的。如果在连续流出的切屑中截取极短的一段作为一个单元来考察，当这个功屑单元沿前刀面流出时，摩擦热是一边生成而又一边向切屑的顶面方向和刀具内部传导的。如果切削速度提高，则摩擦热生成的时间很短，而切屑底层产生的切削热向切屑内部和刀具内部传导都需要一定的时间。因此，提高切削速度的结果是，摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切削温度升高。
此外，随着切削速度的提高，单位时间内的金属切除量成正比例地增多，消耗的功增大了，所以切削热也会增加。而随着切削速度的提高，单位切削力和单位切削功率却有所减小，故切削热和切削温度不与切削速度成正比例地增加。
(2)进给量
进给量f对切削温度也有一定的影响。随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。这是因为单位切削力和单位切削功率随进给量增大而减小，切除单位体积金属产生的热量也减小，所以增大进给量时，所产生的切削热不与金属切除量成正比例地增加，而是前者增加得慢一些。此外，当进给量增大后，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量也增多。故切削区的平均温度的上升不甚显著。
(3)切削深度
切削深度ap，对切削温度的影响很小。因为切削深度ap增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因切削刃参加切助工作的长度也成正比例地增长，改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。
切削温度对刀具磨损和刀具使用寿命有直接影响。由以上规律可以看到，为了有效地控制切削温度以延长刀具使用寿命，在机床条件允许下，选用大切削深度和进给量，比选用大的切削速度有利。
2.刀具几何参数对切削温度的影响?
(1) 前角对切削温度的影响
前角γ。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。如前角进一步加大，则因刀具的散热体积减小，热容量也减小，切削温度不会进一步降低。
(2)主偏角对切削温度的影响
随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。这是因为主偏角加大后，切削刃工作长缩短，使切削热相对的集中，而且主偏角加大，那么刀尖角减小，使散热条件变差，从而提高了切削温度。反之，若适当减小主偏角，则使刀尖角加大，切削刃工作长度也加长，散热条件得到改善，从而使切削温度降低。
(3)负倒棱对切削温度的影响
负倒棱宽度bγ1在(0—2)f范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱的存在，一方面使切削区的塑性变形增大，切削热也随之增多，但另一方面却又使刀具的散热条件有所改善。两者平衡的结果，使切削温度基本不变。
(4)刀尖圆弧半径对切削温度的影响
刀尖圆弧半径rε在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响平均切削温度。因为随着刀尖圆弧半径的加大，切削区的塑性变形要增大，切削热也随之增多，但加大刀尖圆弧半径又改善了刀具本身的散热条件，两者互相抵消的结果，使平均切削温度基本不变。但rε对刀尖处局部切削温度影响较大，rε加大，有利于刀尖处局部切削温度的降低。
3.刀具磨损对切削温度的影响
刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，两者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。
切削合金钢时，由于合金钢的强度和硬度比较高，而导热系数又较低，所以刀具磨损对切削温度的影响显著。例如，车削38CrMoAlA合金钢的初期试验表明，当后刀面磨损值达到0.4mm时，切削温度已上升13％。所以切削合金钢的刀具，仅允许有较小的磨损量。
4.工件材料对切削温度的影响?
(1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。如45钢由于在正火、调质和淬火状态下的强度与硬度不同，正火状态σb≈0.589GPa(60kgf／mm2)，HB＝187；调质状态σb＝0.736GPa(75kgf／mm2)，硬度为HB229；淬火状态σb＝1.452GPa(148kgf/mm2)，硬度为HRC44。三者切削温度相差悬殊，与正火状态相比较，调质状态的切削温度约增高20％—25％，淬火状态的切削温度约增高40％—45％。
(2)合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。
(3)不锈钢lCrl8Ni9Ti和高温合金GHl3l不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。必须尽可能采用导热性和耐热性都较好的刀具材料，并加注充分的切削液冷却。
(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。同切削45钢相比较，切削灰铸铁HT20—40时的切削温度大约低20％—30％。
第五次课
§3-4 刀具磨损与刀具耐用度刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。此时，必须对刀具进行重磨或更换新刀。有时，刀具也可能在切削过程中会突然损坏而失效，造成刀具破损。刀具的磨损、破损及其使用寿命(也称耐用度)关系到切削加工的效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。
一、刀具磨损的方式
1．前刀面磨损(月牙洼磨损)
在切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。在前刀面上相应于产生月牙洼的地方，其切削温度最高，因此磨损也最大，从而形成一个凹窝(月牙洼)。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损的过程中，月牙洼宽度逐渐扩展。当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。
2．后刀面磨损
由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性金属以及加工脆性金属时，一般不产生月牙洼磨损，但都存在着后刀面磨损。
在切削刃参加切削工作的各点上，后刀面磨损是不均匀的。在刀尖部分(即图a中的C区)由于强度和散热条件较差，因此磨损较为剧烈，其最大值为VC。在切削刃上靠近工件外表面处(N区)，由于上道工序的加工硬化层或毛坯表面硬层的影响及该区刀具上因有急剧的应力梯度和温度梯度[143]等原因，往往使该区切削刃连同后刀面产生较大的磨损沟，而形成缺口。该区域的磨损量以VN表示。在很多文献]中，称刀具在N区的磨损为边界磨损。在参与切削的切削刃中部(B区)，其磨损比较均匀。在B区，以VB表示平均磨损值，以VBmax表示最大磨损值。
3．前刀面和后刀面同时磨损
这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。
二,刀具磨损的原因为了减小和控制刀具的磨损，为了研制新的刀具材料，必须研究刀其磨损的原因和本质。切削过程中的刀具磨损具有下列特点,
(1)刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。
(2)接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。
(3)接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800—1000℃，对于高速钢刀具可达300—600℃。
在上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果，可以产生磨料磨损、冷焊磨损(有的文献称为粘结磨损，关于冷焊的概念参阅第三章有关叙述)、扩散磨损和氧化磨损等。
1.磨料磨损
切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬质点有碳化物(如Fe3C、TiC、VC等)、氮化物(如TiN、Si3N4等)、氧化物(如Si02、A12O3等)和金属间化合物。
磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具(如拉刀、板牙等)，磨料磨损是磨损的主要原因。这是因为低速切削时，切削温度比较低，由于其他原因产生的磨损尚不显著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。
2.冷焊磨损
切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊结特产生破裂被一方带定，从而造成冷焊磨损。
一般说来，工件材科或切屑的硬度较刀具材料的硬度为低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这—方，这时，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。
冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；相同的金属或晶格类型、晶格间距、电子密以、电化学性质相近的金属，其冷焊倾向大；多相金属比单相金属冷焊倾向小；金屑化合物比单相固溶体冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。
在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金刀具偏低的切削速度下，正能满足产生 冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的出重较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。
3.扩散磨损
扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素 在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。例如用硬质合金切钢时，从800℃开始，硬质合金中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳后扩散到钢中。因切屑、工件都在高速运动；它们和刀具的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相钴的减少，又使硬质合金中硬质相(WC，TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的铁和碳则向硬质合金中扩散，形成新的低硬度、高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。
硬质合金中，钛元素的扩散率远低于钴、钨，TiC又不易分解，故在切钢时YT类合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金。TiC基、Ti(C，N)基合金和涂层合金(涂覆TiC或TiN)则更佳；硬质合金中添加钽、铌后形成固镕体(W，Ti，Ta，Nb)C，也不易扩散，从而提高了刀具的耐磨性。
扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生，此时磨损率很高。前刀面上离切削刃有一定距离处的温度最高；该处的扩散作用最强烈；于是在该处形成月牙洼。高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。
用金刚石刀具切削钢、铁材料，当切削温度高于700℃时，金钢石中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面层形成新的铁碳合金，而刀具表面石墨化，从而形成严重的扩散磨损。但金刚石刀具与钛合金之间的扩散作用较小。
用氧化铝陶瓷和立方氮化硼刀具切削钢材，当切削温度高达1000—1300℃时，扩散磨损尚不显著。
4.氧化磨损
当切削温度达700—800℃时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co304、Co0、W03、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损。一般空气不易进入刀—屑接触区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，在这里的后刀面(有时在前刀面)上划出较深的沟槽，这是造成“边界磨损”的原因之一。
5.热电磨损
工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热电磨损”。 试验证明，若在刀—工接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电磨损。
总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散和氧化磨损强度高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；磨料磨损则在不同的切削温度下都存在。
三、刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损到一定程度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和已加工表面质量，同时也要增加刀具的消耗和加工成本。那么，刀具磨损到什么程度就不能使用呢？这需要制订一个磨钝标准。为此，先研究刀具的磨损过程。
（一）刀具磨损过程
后刀面磨损量VB随切削时间t的延长而增大。下图为典型的刀具磨损曲线；其磨损过程分三个阶段,
1．初期磨损阶段
这一阶段磨损曲线的斜率较大。由于刃磨后的新刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。新刃磨后的刀面上的微观粗糙度也加速了磨损。初期磨损量的大小与刀具刃磨质量有很大关系，通常在VB＝0.05—0.1mm之间。经过研磨的刀具，其初期磨损量小，而且要耐用得多。
2.正常磨损阶段
经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面；压强减小，故磨损量的增加也缓慢下来，并且比较稳定。这就是正常磨损阶段，也是刀具工作的有效阶段。这一阶段中磨损曲线基本上是一条向上的斜线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之一。
3.剧烈磨损阶段
刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。这时刀具的磨损情况发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。这一阶段的磨损曲线斜率很大，即磨损强度很大。此时刀具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且刀具材料消耗多，经济上是不合算的。故应当使刀具避免发生剧烈磨损。
观测前刀面磨损量(月牙洼深度KT)，其磨损曲线也可出现类似上述伪三个磨损阶段。
（二）刀具的磨钝标准
刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，因此必须根据加工情况规定一个最大的允许磨损值，这就是刀具的磨钝标准。一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。
制订磨钝标准需考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况。
工艺系统的刚性较差时应规定较小的磨钝标准。因为当后刀面磨损后，切削力将增大，尤以切深抗力Fp最为显著。与新磨过的车刀相比，VB＝0.4mm时，Fp增加12％—30％；VB＝0.8mm时，Fp增加30％—50％。故车削刚性差的工件时，应控制在VB＝0.3mm左右；而车削刚性好的工件时，磨钝标准可取得大一些。
后刀面磨损后，切削温度升高。加工不同的工件材料，切削温度的升高也不相同。在相同的切削条件下，加工合金钢的切削温度高于碳素钢，加工高温合金及不锈钢的切削温度又高于一般合金钢。在切削难加工材料时，一般应选用较小的磨钝标推；加工一般材料，磨钝标准可以大一些。
加工精度及表面质量要求较高时，应当减小磨钝标准，以确保加工质量。例如在精车时，应控制VB＝0.1—0.3mm的范围内。
加工大型工件，为避免中途换刀，一般采用较低的切削速度以延长刀具使用寿命。此时切削温度较低，故可适当加大磨钝标准。在自动化生产中使用的精加工刀具，一般都根据工件精度要求制订刀具磨钝标准。在这种情况下，常以刀具的径向磨损量NB作为衡量标准。此外还需考虑工艺系统的弹性变形、刀具调整误差、工件尺寸的分布规律以及工件材料性质不均匀等因素。因此要用数理统计方法来确定刀具的磨钝标准。
（三）刀具耐用度
1．刀具耐用度的定义
刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具耐用度，以T表示。它是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。
也有用达到磨钝标准前的切削路程lm。来定义刀具使用寿命的。lm等于切削速度Vc和刀具使用寿命(时间)T的乘积，即
刀具耐用度是很重要的数据。在同一条件下切削同一工件材料时，可以用刀具耐用度来比较不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，又可以用刀具耐用度来比较工件材料的切削加工性；也可以用刀具耐用度来判断刀具几何参数是否合理。工件材料、刀具材料的性能对刀具耐用度影响最大。在切削用量中，影响刀具耐用度最主要的因素是切削速度，其次是进给量、切削深度。此外，刀具几何参数对刀具耐用度也有重要影响。
2．切削用量对刀具耐用度的影响
①切削速度与刀具耐用度的关系
切削速度与刀具耐用度的关系是用实验方法求得的。实验前先选定刀具后刀面的磨钝标准。为了节约材料，同时又要能反映刀具在正常工作情况下的磨损强度，按照IS0的规定：当主切削刃参加工作部分的中部磨损均匀时，磨钝标准取VB＝0.3mm；在磨损不均匀时，取VBmax＝0.6mm。
选定好磨钝标准后，在固定其他切削条件的情况下，只改变切削速度（如取V=Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，…等）作磨损试验，得出在各种速度下的刀具磨损曲线；再根强选定的磨钝标准VB求出在各切削速度下所对应的刀具使用寿命T1，T2，T3，T4，…等。然后在对数坐标纸上定出(T1，Vc1)；(T2，Vc2)；（T3，Vc3），(T4，Vc4)；…等点。在一定的切削速度范围内，这些点基本上分布在一条直线上。这条在双对数坐标图上的直线可用下列方程式表示,
lgVc=-mlgT+lgA
式中m＝tgφ，即该直线的斜率；A为当T=1s(或1min)时直线在纵坐标上的截距。m及A均可从图中实测。因此Vc—T(或T—Vc)关系可写成,
Vc＝A／Tm
或 / (z＝1／m)
这个关系式是20世纪初由美国工程师泰勒(F．W．Taylor)建立的，人们常称之为泰勒公式。上式表示了切削速度与刀具使用寿命之间的关系，它是选择切削速度的重要依据。指数m或z，表示切削速度对刀具使用寿命的影响程度。对于高速钢刀具，m= 0.1—0.125；对于硬质合金刀具，m＝0.1—0.4；对于陶瓷刀具，m＝0.2—0.4。m大或z小，表明切削速度对使用寿命的影响小，即刀具的切削性能较好。
m值只是近似地为常数。当切削速度变化范围较大时，m值是变动的。切削速度高时，m值有减小的趋势。
②进给量、切削深度与刀具耐用度的关系
按照求Vc—T关系式的方法，同样可以求得f—T和ap—T关系式,
f＝B／Tn
ap＝C／Tp
式中 B、C——系数；
n、p——指数。
综合以上各式可以得到刀具使用寿命的三因素公式,
/
或 /
式中 CT，Cv—与工件材料、刀具材料和其他切削条件有关的系数；
指数xv＝m／p，yv=m/n。
由上式可知，切削速度对刀具使用寿命的影响最大，其次是进给量，切削深度影响最小。所以在优选切削用量以提高生产率时，其选择先后顺序应为：首先尽量选用大的切削深度ap，然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量f，最后才在刀具使用寿命或机床功率所允许的情况下选取最大的切削速度Vc 。
【内容提要】
本章主要介绍切削力、切削热、切削温度、刀具磨损和刀具耐用度的基本概念；切削力、切削热、切削温度和刀具磨损的基本规律；应用上述规律选择刀具材料、几何参数、切削用量、切削液和控制切屑的原则和方法。
【目的要求】
1、了解与掌握金属切削过程的基本物理现象及其变化规律；
2、能根据具体加工情况正确计算切削力、刀具耐用度以及一定刀具耐用度所允许的切削速度。
3、能根据具体加工情况正确选择和确定刀具材料、刀具几何参数、切削用量等；
【本章内容】
第一次课
金属切削理论是从生产实际和切削实验中得来的，总结了关于金属切削过程中的基本物理现象及其变化规律。这些基本物理现象包括：切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损等。为了提高切削加工的生产率，降低加工成本，保证质量，我们来学习和掌握这些规律。
§3-1 切削变形一、切屑的基本形态金属切削时，由于切削用量和刀具几何参数的不同，会出现各种不同形态切屑。从变形角度考虑，切屑的形态归纳为四种基本形态。
1、带状切屑：
切屑呈连续状，与前面接触的底层光滑，背面成毛茸状。一般在加工塑性材料，采用大的前角、小的切削厚度、高的切削速度时形成。变形较小，是比较常见的切屑。
2、节状切屑（挤裂状切屑）
切屑背面呈锯齿形，底层有时有裂纹，切削层变形大，加工硬化严重，使某一局部的应力达到材料的强度极限，从而出现裂纹。
加工塑性材料，采用小的前角、小的切削速度会形成此类切屑。
3、单元状切屑切削塑性很大的材料，发生强度破坏严重，变性大，切削力大，
切削功率大。切屑与前面发生粘结，变形充分，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元。
4、崩碎状切屑切削脆性材料，形状为片状或粒状切屑。工件材料愈硬，刀具前角愈小，愈容易形成此类切屑。
由上述介绍可知，带状切屑形成时，切削力变化较小，切削稳定，已加工表面质量好；节状和单元状切屑形成时切削力有较大的波动，尤其是单元状切屑，在其形成过程中可能产生振动影响加工质量；在切屑铸铁时，由于所形成的崩碎状切屑是经石墨边界处崩裂的，加工表面质量下降。
二、切屑与已加工表面的形成
（一）切屑的形成及三个变形区
1、设切削层厚度，宽度，以切削速度向刀具接近。从OA线开始发生塑性变形，到OM线剪切滑移基本完成。形成AOM塑性变形区。
塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，因此又称为剪切区或第一变形区。
2、当切屑以速度沿前面流出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，变形方向基本上与前面平行（即为晶格变形方向）。由于该变形主要由摩擦引起，因而又称摩擦变形区或第二变形区。
3、已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化，称为第三变形区。
这三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中，也比较复杂，金属的被切削层就在此处与工件本体材料分离，一部分变成切屑，很小一部分留在已加工表面上。第一变形区形成切屑，变形最大；第二变形区变形大小主要影响前面的磨损；第三变形区的滑移变形，严重使已加工表面产生变形。
※※剪切滑移区（第一变形区）的变形机理
研究剪切滑移区的变形机理，就是看材料是在该区域内怎样完成变形的。
以切屑为研究对象。
设刀具对切屑的正压力位Fn，摩擦力位Ff，二者合力为Fr，在合理的作用下，在垂直它的横截面上产生正应力σ。，在与该力大致呈45o角的截面上产生最大剪应力τ。
σ。=Fr/A,而τ=σ。/2
（1）若最大剪应力τ≥τs（材料的屈服极限）时，材料就沿剪应力的方向滑移（沿剪切面滑移）；
（2）若最大剪应力τ≥τb（材料的强度极限）时，材料发生剪切强度破坏，切屑断裂。
※※剪切滑移区（第一变形区）的变形过程
在切削层内刃取一点P,当点P为达到剪切滑移区时，只产生弹性变形，一旦达到该区域时，就要产生剪切滑移——塑性变形。
（1）OA线为始滑移线，OM线为终滑移线（都是等剪应力曲线）。当P点到达1点的位置时，剪应力到达材料的屈服极限τs，开始产生剪切滑移，点1在向前移动的同时，也沿OA滑移，其合成运动将使点1流动到点2。2-2ˊ就是滑移量。随着滑移的产生，剪应力将逐渐增加，也就是当P点向1、2、3个点流动时，剪应力不断增加，直到点4位置，此时其流动方向与前面平行，不再沿OM线滑移。
（2）第一变形区（OA～OM之间）其变形的主要特征是：
沿滑移线剪切变形，以及随之产生加工硬化。
（3）切削速度较高时，第一变形区较窄。一般的切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约为0.2～0.02mm。(可用一剪切面来表示)
（4）剪切面OM与切削速度间的夹角φ——剪切角φ。
（5）OA线上的剪应力τ＝τs；OB、OC、OM线上的剪应力由于变形加工硬化而依次升高，在OM线达最大值τmax，若
τmax<τb时，切屑为带状；
τmax≥τb时，切屑为挤裂状；
▼▼思考：
1、切屑的基本形态有几种？
2、第一变形区剪切滑移的机理是什么?( τ≥τs)
（二）衡量变形的方法首先来看一看研究切屑变形有什么意义：
切削过程是复杂的，既有剪切，又有前面对切屑的积压和摩擦作用（第二变形区），衡量变形的方法是在纯剪切的观点上提出来的。
因为切屑变形的大小，会直接影响到切削力的大小，以及切削温度、刀具磨损等物理现象，所以必须研究切削变形的大小。
在金属切削过程中，切屑的变形的大小是怎样衡量的呢？目前衡量切屑变形的方法有三种,①剪切角φ ②变形系数ξ ③相对滑移
1、变形系数ξ
切削层经切削成为切屑，由于变形——变短、变厚。设切削层长度为L，切削厚度为hD，切屑长度为Lc,切屑厚度为hDc，那么一定是L>Lc，hDc>Hd.这说明金属在切削过程中确实存在着变形，与用斧子劈木头是两码事，有本质的不同，不能混为一谈。
设金属在变形前后的体积不变，切削宽度bD不变（直角切削）那么
hd*L*bD=hDc*Lc*bD 则 令 L/Lc=hDc/hd=ξ〉1
即变形系数有着优点：比较直观地反映了变形程度，容易测量，简单可行。但也有不足，那就是精确度低。
ξ的意义：ξ变大，变形就大，表示切除的切屑越厚越短。反之变形小。另外，ξ的表示方法还可以用前角和剪切角来表达。（如图）
ξ=hDc/Hd
上式说明：变形的大小与剪切角φ和前角有关。一般认为前角γo增大，剪切角φ增大则ξ减小。
但前角γo一定时，若剪切角φ增大，
那么切削变形就小。
2、剪切角φ
剪切角φ的大小是怎样确定的呢？
上次课中知道，切削合力与切削速度间的夹角为β-γo，剪切角为φ。
最大剪应力存在的平面OM与作用力方向间的夹角约为45°，那么
φ+β-γo=45° 则 φ=45°-（β-γo） 其中β为摩擦角
（三）第二变形区
1、摩擦区的形成塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区。
摩擦区的特征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。
滞留层的特点：滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/8～1/9。
2、前刀面的摩擦特性实验证明，在第二变形区（摩擦变形区）内，对于塑性金属来讲，切屑与前面间的摩擦不是一般的滑动摩擦。在摩擦区域内分为内摩擦和外摩擦两部分。
粘结部分Lf1为内摩擦；粘结部分之外Lf2为外摩擦。
（1）什么是内摩擦呢？
在切削塑性金属时，由于压力大、温度高，切屑的最底层金属流动速度很慢，甚至粘结到前面上。这一层金属与上层金属之间的摩擦就是内摩擦。内摩擦发生材料内部的滞留层内。
如图，假如刀具绝对锋利，切削厚度hD较小，那么刀尖正应力σ。最大。在内摩擦部分正应力σ。较大，在外摩擦部分正应力σ。较小，逐渐减小为零。
在前面上正应力分析曲线由下式表达：
σr=qxb 其中q—系数，b—指数。均由具体实验条件确定，x以切屑与前面的脱离点为起点。
在前面上，剪应力τr分布曲线为分段函数
τr=τs ——内摩擦部分
τr<τs ——外摩擦部分，τr由τs逐渐减小为零。
（2） 内摩擦力的计算：
粘结部分Lf1内的摩擦力，主要有剪应力τr和接触面积Aα决定，其大小为
Ff=τrAα
（3）内摩擦系数μ值实验测得前面上的摩擦系数是一个变量。因而只能令μ代表前面上的平均摩擦系数。在内摩擦部分有
μ=Ff/Fn≈τrAα/（σrav×Aα）=τr/σrav
Aα—内摩擦部分的接触面积，σrav—内摩擦部分的平均正应力 。
由于各点正应力是个变值，用上式所求的μ值也是一个变量;采用平均正应力σrav求的μ值也为平均摩擦系数。由此 =μ所求得的摩擦角也是平均摩擦角。
（4）内摩擦的特点：
1）发生在材料内部；
2）摩擦力的大小与内摩擦面积成正比。
第二次课
3、积屑瘤在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2～3倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在刀具前面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。
（1）积屑瘤的成因切屑与刀具前面接触处有摩擦，当两者的接触面积达到一定温度，同时压力又较高时，会产生粘结现象，即所谓的“冷焊”。这时切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。如果温度与压力适当，底层上的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化而被阻滞在底层，粘成一体。这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。所以积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化性质有关，也与刃前区的温度和压力分布有关。
一般来说，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。对于碳素钢来说，约在300℃～350℃时积屑瘤最高，到500℃以上时趋于消失。
（2）积屑瘤的特点
<1> 化学性质与工件材料相同，说明积屑瘤来自于工件材料（切屑底层）逐渐堆积。
<2> 硬度是工件材料的3～4倍，稳定时可代替刀刃进行切削。
<3> 积屑瘤是一个动态结构，不稳定，产生、成长、脱落反复进行。
（3）积屑瘤的利弊
<1> 精加工（不希望产生积屑瘤）
1）积屑瘤会改变切削深度，不能保证加工尺寸精度；
2）积屑瘤使前角变大，由于积屑瘤粘附在刀具前面上，加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，变形小，但积屑瘤消失时，切削力又变大，容易引起振动。
<2> 粗加工
1）硬质合金材料的刀具：在积屑瘤比较不稳定的情况下，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒破落，反而使刀具磨损加剧。
2）高速钢材料的刀具：积屑瘤粘附在刀具前面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减小刀具磨损，提高耐用度的作用。
（4）积屑瘤的控制要控制积屑瘤的产生，根据积屑瘤的成因和实践经验，应从三个方面即工件材料、切削用量、刀具几何参数控制。
<1>工件材料对于塑性材料，如钢材、球墨铸铁、铝合金等只要切削温度和切削速度适宜，便产生积屑瘤。因此在工件材料方面，应提高材料硬度，减少滞留层的形成。
〈2〉切削用量切削用量（ap、f、Vc）中的切削速度vc的影响最大，切削深度ap和进给量f的影响较小。控制了切削速度Vc以控制切削温度。
低速时（Vc=10m/min以下），由于温度低（低于300℃）,不会引起粘附，不会形成积屑瘤。
高速时（Vc=100m/min以上），由于温度高（在500℃～600℃以上），积屑瘤的加工硬化消失，积屑瘤消失。
中速时，(10m/min<Vc<100m/min)易产生积屑瘤，切削中碳钢时，Vc=20～30m/min,温度适宜（约300℃～400℃），积屑瘤大最高。
<3>刀具几何参数刀具几何参数对积屑瘤的产生影响不大。为减少切屑与刀具前面接触区的压力，增加刀具前角。
<4>加工时用切削液切削液可以减少内摩擦，起到润滑作用，从而抑制积屑瘤的产生。
（四）已加工表面的变形与表面质量（第三变形区）
1、已加工表面的变形
前面在分析第一、第二两个变形区的情况时，假设刀具的刀刃是绝对锋利的，但实际上无论怎样仔细刃磨，刀具都可认为具有一个钝圆半径rn，rn的大小与刃磨质量、刀具材料和刀具的前、后面间的夹角βo有关。
高速钢 3--10μm
刃磨后rn为 硬质合金 18—32μm 磨损时rn将增大金刚石砂轮（细粒）3--6μm
在刀刃钝圆半径作用下，已加工表面是怎样形成的呢？
（1）切削时，当切削层金属以速度逐渐接近刀刃时，便发生压缩与剪切变形，最终沿剪切面OM方向剪切滑移而成为切屑。
（2）在刀刃钝圆半径的作用下，在整个切削层中，由于任何刀具非绝对锋利，总是存在切削刃钝圆半径rn，这样使切削层内厚度为△hD的一层金属未被切掉，而被强行挤压到已加工表面上。
（3）留在已加工表面上的金属经过刀具后面的棱带的挤压并相互摩擦，这种剧烈的摩擦又是工件表层金属受到剪切应力。
（4）随后有一定的弹性恢复高度△h，与后面的接触长度为 CD，那么已加工表面在CD长度上继续与后刀面摩擦。使这层金属再次受到剪应力的作用。
这层受反复应力作用的金属层就成为已加工表面的变质层。
由于变质层受到刀刃的强行挤压，不但在组织上又变化，而且在性质上也引起变化，主要表现为加工硬化和残余应力两个方面。
2、加工硬化已加工表面经过切削加工，是表面硬度提高的现象，称为加工硬化。
已加工表面的硬度是强化和弱化作用的综合结果，凡是增大变形与摩擦的因素都将加剧硬化现象；凡是有利于弱化的因素，如高温、低熔点等，都会减轻硬化现象。
一般情况下，加工硬化可提高硬度20%--30%；
提高刃口的锋利程度可以降低加工硬化现象。
加工硬化有如下特点：（1）硬化程度愈高，硬化层深度也愈深；（2）加工硬化给下一道工序造成困难，刀具易被磨损；（3）硬化层表面常会出现细微裂纹，增大表面粗糙度和降低材料的疲劳强度。
3、残余应力残余应力指切削过程结束后，残存在金属中的应力，有时为残余拉应力，有时也为残余压应力。
<1>产生原因：1）机械应力的作用；2）切削热的作用；3）相变应起的体积变化；
<2>产生后果：1）均会使已加工表面发生裂纹；2）降低零件的疲劳强度；3）影响零件的尺寸和形状，甚至会发生弯曲、凸起变形。
第三次课
§3—2 切削力在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，制定切削用量，监控切削状态，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。因此，研究切削力的规律和计算方法，将有助于分析切削机理，并对生产实际有重要实用意义。
一,切削力的来源?
在刀具作用下，被切削层金属、切屑和已加工表面层金属都要产生弹性变形和塑性变形。如图所示，有法向力FγN和FaN分别作用于前、后刀面。由于切屑沿前刀面流出，故有摩擦力Fγ作用于前刀面；刀具与工件间有相对运动，又有摩擦力Fa作用于后刀面。FγN与Fγ合成为Fγ,γN；FaN与Fa合成为Fa,aN；Fγ,γN与Fa,aNv再合成为F，F就是作用在刀具上的总切削力。对于锐利的刀具，作用在前刀面上的力是主要的。作用在后刀面上的Fa和FaN很小，分析挤问题有时可以略而不计。
综上所述，切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。
二、切削合力和分力
车削外圆时的切削力。如果不考虑副切削刃的切削作用以及其他造成流屑方向改变的因素的影响，合力F就在刀具的主剖面内。为了便于测量和应用，可以将合力F分解为三个互相垂直的分力,
主切削力Fc—它垂直于基面，与切削速度Vc的方向—致，又可以称为切向力；
切深抗力Fp——它在基面内，并与进给方向(即工件轴线方向)相垂直；
进给抗力Ff——它也在基面内，并与进给方向(即工件轴线方向)相平行。
由图可知，合力F先分解为FC和FD，FD再分解为Fp和Ff。因此
/
Fp、Ff与FD又有如下的关系,
Fp＝FDcosκr； Ff＝FDsinκr
一般情况下，切削力Fc最大，Fg、Ff小一些。随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fp、Ff相对于Fc的比值在很大的范围内变化,
Fp＝(0.15—0.7)Fc
Ff＝(0.1—0.6)Fc
在应用中，Fc和Fp很重要。Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。车削外圆时，Fp虽不作功，但能使工件变形或造成振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。Ff作用在机床进给机构上，常用以设计机床进给机构或校核其强度。
三、切削力的经验指数公式利用测力仪测出切削力，再将实验数据加以适当处理，可以得到切削力的经验公式。
切削力的经验公式通常是以切削深度ap和进给量f为变量的幂函数，其形式如下,
式中 CFc、CFp、CFf——系数
xFc、yFc、xFp、yFp、xFf、yFf——指数。
车削常用金属时，主切削力Fc经验公式中的系数、指数值可查书上。利用表中的数据可以计算Fc。必须注意，如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在公式后面乘以相应的修正系数。
在《切削用量手册》中，有比较系统、全面的数据(包括所有的指数)，可以应用指数公式计算出Fc、Fp、Ff。
四、单位切削力和切削功率
单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用κc表示,
/而 AD=ap·f(mm2)
式中 Fc—主切削力，N；
AD—切削面积，mm2
ap—切削深度，mm；
f—进结量，mm／r。
如果已知单位切削力kc，利用下面的公式就可以算出主切削力Fc,
Fc＝kc·AD＝kc·ap·f (N)
式中 kc单位为N／mm2，AD单位为mm2。
功率是力和力作用方向上的运动速度的乘积。切削功率是各切削分力消耗功率的总和。在外圆车削中，Fc方向的运动速度就是切削速度Vc；Fp方向的运动速度等于零；Ff方向的运动速度是转速nω和进给量f的乘积，即nω·f。因此，切削功率Pc可按下式计算,
/ (kw)
式中 Fc—主切削力，N；
Vc—切削速度，m／s；
Ff——进给抗力，N；
nω——工件的转速，r／s；
f——进给量，mm／r。
或 / (kw)
式中 Fc—主切削力，kgf；
Vc—切削速度，m／min；
Ff——进给抗力，kgf
nω——工件的转速，r／min；
f——进给量，mm／r。
1kW＝6120kgf·m／min(或6120×1000kgf·mm／min)。
由于Ff远远小于Fc，而Ff方向的运动速度又很小，因此Ff所消耗的功率，对比于Fc所消耗的功率是微不足道的(一般小于1％)，可以略而不计。一般，切削功率根据Fc和Vc计算就可以了，即
Pc＝Fc·Vc·10-3 (kW)
式中 Fc单位为N，Vc单位为m／s。
根据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率PE应当是 /
式中 /—机床的传动效率，一般取0.75—0.85。
第四次课
五、影响切削力的因素影响切削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几何参数及刀具磨损等。
（一）工件材料的影响
被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力是增大的。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，与刀具间的摩擦系数μ和摩擦角β也较大，故切削力增大。切削脆性材料时，得崩碎切屑。塑性变形及与前刀具面的摩擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。例如：45钢（中碳钢）的切削力高于A3钢（低碳钢）；调质钢和淬火钢高于正火钢；1Cr18Ni9Ti不锈高于45钢；铸铁和铜、铝合金低于钢材料；紫铜高于黄铜。在计算某一种工件材料的切削力和切削功率时，必须在资料中查找该材料的切削力有关数据，或借用类别相同、性能相近材料的数据。但是，在各种资料中，工件材料的种类不可能十分齐全，有时可借用现有材料的数据加以适当修正。在《切削用量手册》中有较完整的工件材料机械（力学）性能对切削力的修正系数，可以参考使用。
（二）切削用量的影响
1．切削深度和进给量
切削深度ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。ap加大时，变形系数不变，切削力成正比增大；而加大时，变形系数有所下降，故切削力不成正比增大。在车削力的经验公式中，加工各种材料，ap的指数xFc≈1，而f的指数yFc＝0.75—0.9。即当ap加大一倍时，Fc约增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68—86％。因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。书中列出的kc值是在f＝0.3mm/r时得到的。如果进给量f≠0.3mm/r，则需乘以相应的修正系数。实验表明，yFc的平均值约为0.85，据此算出进给量对切削力的修正系数值kfFc。
2.切削速度
加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小这主要是因为Vc增大，将使切削温度提高，μ下降，从而使变形系数减小。在低速范围内，由于存在着积屑瘤，所以切削速度对于切削力的影响，有著特殊的规律，这里就不再重复了。
切削脆性金属(如灰铸铁、铅黄铜)，因其塑性交形很小，切屑和前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。
（三）刀具几何参数的影响
1．前角γ。
前角γ。加大，被切金属的变形减小，因此切削力显著下降。一般加工塑性较大的金属时，前角对切削力的影响比加工塑性较小的金属更显著。例如，车刀前角每加大10，加工45钢的Fc约降低1%，加工紫铜的Fc约降低2%—3%，而加工铅黄铜的Fc仅降低0.4%。
2．负倒棱
在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刃区的强度，从而提高刀具使用寿命但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。负倒棱是通过它的宽度bγ对进给量f的比值(bγ／f)来影响切削力的。
3.主偏角
(1)当kr加大时，Fp减小，Ff加大。
(2)当加工塑性金属时，随kr加大，Fc减小；约在kr＝60—750之间，Fc减到最小；然后随kr继续加大，Fc又有所增大。Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%以内。
（3）kr加大时，Fp/Fc减小，Ff/Fc加大。在已知Fc之后，可以用这个比值估算Fp和Ff。
4．刃倾角
刃倾角变化时,将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角λs减小时，Fp增大，Ff减小。在非自由切削的情况下，刃倾角在10—45°的范围内变化时，Fc 基本不变。
5．刀尖圆弧半径
在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径rε对Fp,Ff的影响较大，对Fc 的影响较小。当刀尖圆弧半径在0.25—2mm范围内变化时，随着rε的加大，Fp增大，Ff减小，Fc仅略有增大。
（四）刀具磨损的影响
后刀面磨损后，形成了后角等于零、高度为VB的小棱面，作用在后刀面上的法向力FaN 和摩擦力Fa都将增大，故切削力加大。当VB加大时，Fp和Ff 的增大比Fc要显著一些。在现代加工机床上，有时用切削力、切削功率的增大或切削分力之间比值的变化来实现刀具磨损在线检测。
（五）切削液的影响
以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力，这是由于它的润滑作用，减小了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减小被加工金属的塑性变形。例如，在车削中使用极压乳化液，比干切时的切削力降低10%—20%；攻丝时使用极压切削油，比使用5号高速机油时的扭矩降低20%—30%。
（六）刀具材料的影响
刀具材料不是硬削切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一些影响。如用YT类硬质合金刀具切削钢料时的Fc比用高速钢刀具约降低5％—10％；用YG类硬质合金刀具和高速钢刀具切削铸铁，切削力基本相同。
第五次课
3-3 切削温度
（一）切削热的来源在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形，这是切削热的一个来源。同时，切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的摩擦功，也将转化为热能，这是切削热的又一个来源。
切削热的传散的传散渠道：工件、切屑、刀具与介质（空气、切削热）
（二）切削温度
切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。
实际上，在主剖面内前面切削温度分布是不同的。最高度不再人口处，而是距切削刃有一小段距离。
（三）影响切削温度的主要因素
1.切削用量对切削温度的影响
(1)切削速度
切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。其原因如下：当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，因而产生很多的热量。而这摩擦热主要是在切屑很薄的底层里产生的。如果在连续流出的切屑中截取极短的一段作为一个单元来考察，当这个功屑单元沿前刀面流出时，摩擦热是一边生成而又一边向切屑的顶面方向和刀具内部传导的。如果切削速度提高，则摩擦热生成的时间很短，而切屑底层产生的切削热向切屑内部和刀具内部传导都需要一定的时间。因此，提高切削速度的结果是，摩擦热来不及向切屑和刀具内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切削温度升高。
此外，随着切削速度的提高，单位时间内的金属切除量成正比例地增多，消耗的功增大了，所以切削热也会增加。而随着切削速度的提高，单位切削力和单位切削功率却有所减小，故切削热和切削温度不与切削速度成正比例地增加。
(2)进给量
进给量f对切削温度也有一定的影响。随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。这是因为单位切削力和单位切削功率随进给量增大而减小，切除单位体积金属产生的热量也减小，所以增大进给量时，所产生的切削热不与金属切除量成正比例地增加，而是前者增加得慢一些。此外，当进给量增大后，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量也增多。故切削区的平均温度的上升不甚显著。
(3)切削深度
切削深度ap，对切削温度的影响很小。因为切削深度ap增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因切削刃参加切助工作的长度也成正比例地增长，改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。
切削温度对刀具磨损和刀具使用寿命有直接影响。由以上规律可以看到，为了有效地控制切削温度以延长刀具使用寿命，在机床条件允许下，选用大切削深度和进给量，比选用大的切削速度有利。
2.刀具几何参数对切削温度的影响?
(1) 前角对切削温度的影响
前角γ。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。如前角进一步加大，则因刀具的散热体积减小，热容量也减小，切削温度不会进一步降低。
(2)主偏角对切削温度的影响
随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。这是因为主偏角加大后，切削刃工作长缩短，使切削热相对的集中，而且主偏角加大，那么刀尖角减小，使散热条件变差，从而提高了切削温度。反之，若适当减小主偏角，则使刀尖角加大，切削刃工作长度也加长，散热条件得到改善，从而使切削温度降低。
(3)负倒棱对切削温度的影响
负倒棱宽度bγ1在(0—2)f范围内变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱的存在，一方面使切削区的塑性变形增大，切削热也随之增多，但另一方面却又使刀具的散热条件有所改善。两者平衡的结果，使切削温度基本不变。
(4)刀尖圆弧半径对切削温度的影响
刀尖圆弧半径rε在0—1.5mm范围内变化，基本上不影响平均切削温度。因为随着刀尖圆弧半径的加大，切削区的塑性变形要增大，切削热也随之增多，但加大刀尖圆弧半径又改善了刀具本身的散热条件，两者互相抵消的结果，使平均切削温度基本不变。但rε对刀尖处局部切削温度影响较大，rε加大，有利于刀尖处局部切削温度的降低。
3.刀具磨损对切削温度的影响
刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，两者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。
切削合金钢时，由于合金钢的强度和硬度比较高，而导热系数又较低，所以刀具磨损对切削温度的影响显著。例如，车削38CrMoAlA合金钢的初期试验表明，当后刀面磨损值达到0.4mm时，切削温度已上升13％。所以切削合金钢的刀具，仅允许有较小的磨损量。
4.工件材料对切削温度的影响?
(1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。如45钢由于在正火、调质和淬火状态下的强度与硬度不同，正火状态σb≈0.589GPa(60kgf／mm2)，HB＝187；调质状态σb＝0.736GPa(75kgf／mm2)，硬度为HB229；淬火状态σb＝1.452GPa(148kgf/mm2)，硬度为HRC44。三者切削温度相差悬殊，与正火状态相比较，调质状态的切削温度约增高20％—25％，淬火状态的切削温度约增高40％—45％。
(2)合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。
(3)不锈钢lCrl8Ni9Ti和高温合金GHl3l不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。必须尽可能采用导热性和耐热性都较好的刀具材料，并加注充分的切削液冷却。
(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。同切削45钢相比较，切削灰铸铁HT20—40时的切削温度大约低20％—30％。
第五次课
§3-4 刀具磨损与刀具耐用度刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。此时，必须对刀具进行重磨或更换新刀。有时，刀具也可能在切削过程中会突然损坏而失效，造成刀具破损。刀具的磨损、破损及其使用寿命(也称耐用度)关系到切削加工的效率、质量和成本，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。
一、刀具磨损的方式
1．前刀面磨损(月牙洼磨损)
在切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。在前刀面上相应于产生月牙洼的地方，其切削温度最高，因此磨损也最大，从而形成一个凹窝(月牙洼)。月牙洼和切削刃之间有一条小棱边。在磨损的过程中，月牙洼宽度逐渐扩展。当月牙洼扩展到使棱边变得很窄时，切削刃的强度大为削弱，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT表示。
2．后刀面磨损
由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这种磨损形式叫做后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性金属以及加工脆性金属时，一般不产生月牙洼磨损，但都存在着后刀面磨损。
在切削刃参加切削工作的各点上，后刀面磨损是不均匀的。在刀尖部分(即图a中的C区)由于强度和散热条件较差，因此磨损较为剧烈，其最大值为VC。在切削刃上靠近工件外表面处(N区)，由于上道工序的加工硬化层或毛坯表面硬层的影响及该区刀具上因有急剧的应力梯度和温度梯度[143]等原因，往往使该区切削刃连同后刀面产生较大的磨损沟，而形成缺口。该区域的磨损量以VN表示。在很多文献]中，称刀具在N区的磨损为边界磨损。在参与切削的切削刃中部(B区)，其磨损比较均匀。在B区，以VB表示平均磨损值，以VBmax表示最大磨损值。
3．前刀面和后刀面同时磨损
这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。
二,刀具磨损的原因为了减小和控制刀具的磨损，为了研制新的刀具材料，必须研究刀其磨损的原因和本质。切削过程中的刀具磨损具有下列特点,
(1)刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。
(2)接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。
(3)接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达800—1000℃，对于高速钢刀具可达300—600℃。
在上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果，可以产生磨料磨损、冷焊磨损(有的文献称为粘结磨损，关于冷焊的概念参阅第三章有关叙述)、扩散磨损和氧化磨损等。
1.磨料磨损
切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。硬质点有碳化物(如Fe3C、TiC、VC等)、氮化物(如TiN、Si3N4等)、氧化物(如Si02、A12O3等)和金属间化合物。
磨料磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具(如拉刀、板牙等)，磨料磨损是磨损的主要原因。这是因为低速切削时，切削温度比较低，由于其他原因产生的磨损尚不显著，因而不是主要的。高速钢刀具的硬度和耐磨性低于硬质合金、陶瓷等，故其磨料磨损所占的比重较大。
2.冷焊磨损
切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦副之间有相对运动，冷焊结特产生破裂被一方带定，从而造成冷焊磨损。
一般说来，工件材科或切屑的硬度较刀具材料的硬度为低，冷焊结的破裂往往发生在工件或切屑这一方。但由于交变应力、接触疲劳、热应力以及刀具表层结构缺陷等原因，冷焊结的破裂也可能发生在刀具这—方，这时，刀具材料的颗粒被切屑或工件带走，从而造成刀具磨损。
冷焊磨损一般在中等偏低的切削速度下比较严重。研究表明：脆性金属比塑性金属的抗冷焊能力强；相同的金属或晶格类型、晶格间距、电子密以、电化学性质相近的金属，其冷焊倾向大；多相金属比单相金属冷焊倾向小；金屑化合物比单相固溶体冷焊倾向小；化学元素周期表中B族元素与铁的冷焊倾向小。
在高速钢刀具正常工作的切削速度和硬质合金刀具偏低的切削速度下，正能满足产生 冷焊的条件，故此时冷焊磨损所占的出重较大。提高切削速度后，硬质合金刀具冷焊磨损减轻。
3.扩散磨损
扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素 在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。例如用硬质合金切钢时，从800℃开始，硬质合金中的钴便迅速地扩散到切屑、工件中去，WC分解为钨和碳后扩散到钢中。因切屑、工件都在高速运动；它们和刀具的表面在接触区保持着扩散元素的浓度梯度，从而使扩散现象持续进行。于是，硬质合金表面发生贫碳、贫钨现象。粘结相钴的减少，又使硬质合金中硬质相(WC，TiC)的粘结强度降低。切屑、工件中的铁和碳则向硬质合金中扩散，形成新的低硬度、高脆性的复合碳化物。所有这些，都使刀具磨损加剧。
硬质合金中，钛元素的扩散率远低于钴、钨，TiC又不易分解，故在切钢时YT类合金的抗扩散磨损能力优于YG类合金。TiC基、Ti(C，N)基合金和涂层合金(涂覆TiC或TiN)则更佳；硬质合金中添加钽、铌后形成固镕体(W，Ti，Ta，Nb)C，也不易扩散，从而提高了刀具的耐磨性。
扩散磨损往往与冷焊磨损、磨料磨损同时产生，此时磨损率很高。前刀面上离切削刃有一定距离处的温度最高；该处的扩散作用最强烈；于是在该处形成月牙洼。高速钢刀具的工作温度较低，与切屑、工件之间的扩散作用进行得比较缓慢，故其扩散磨损所占的比重远小于硬质合金刀具。
用金刚石刀具切削钢、铁材料，当切削温度高于700℃时，金钢石中的碳原子将以很大的扩散强度转移到工件表面层形成新的铁碳合金，而刀具表面石墨化，从而形成严重的扩散磨损。但金刚石刀具与钛合金之间的扩散作用较小。
用氧化铝陶瓷和立方氮化硼刀具切削钢材，当切削温度高达1000—1300℃时，扩散磨损尚不显著。
4.氧化磨损
当切削温度达700—800℃时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如Co304、Co0、W03、TiO2等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。氧化磨损与氧化膜的粘附强度有关，粘附强度越低，则磨损越快；反之则可减轻这种磨损。一般空气不易进入刀—屑接触区，氧化磨损最容易在主、副切削刃的工作边界处形成，在这里的后刀面(有时在前刀面)上划出较深的沟槽，这是造成“边界磨损”的原因之一。
5.热电磨损
工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种热电势的作用下产生的扩散磨损，称为“热电磨损”。 试验证明，若在刀—工接触处通以与热电势相反的电动势，可减少热电磨损。
总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损原因和磨损强度是不同的。对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散和氧化磨损强度高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；磨料磨损则在不同的切削温度下都存在。
三、刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损到一定程度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和已加工表面质量，同时也要增加刀具的消耗和加工成本。那么，刀具磨损到什么程度就不能使用呢？这需要制订一个磨钝标准。为此，先研究刀具的磨损过程。
（一）刀具磨损过程
后刀面磨损量VB随切削时间t的延长而增大。下图为典型的刀具磨损曲线；其磨损过程分三个阶段,
1．初期磨损阶段
这一阶段磨损曲线的斜率较大。由于刃磨后的新刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。新刃磨后的刀面上的微观粗糙度也加速了磨损。初期磨损量的大小与刀具刃磨质量有很大关系，通常在VB＝0.05—0.1mm之间。经过研磨的刀具，其初期磨损量小，而且要耐用得多。
2.正常磨损阶段
经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面；压强减小，故磨损量的增加也缓慢下来，并且比较稳定。这就是正常磨损阶段，也是刀具工作的有效阶段。这一阶段中磨损曲线基本上是一条向上的斜线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之一。
3.剧烈磨损阶段
刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。这时刀具的磨损情况发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。这一阶段的磨损曲线斜率很大，即磨损强度很大。此时刀具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且刀具材料消耗多，经济上是不合算的。故应当使刀具避免发生剧烈磨损。
观测前刀面磨损量(月牙洼深度KT)，其磨损曲线也可出现类似上述伪三个磨损阶段。
（二）刀具的磨钝标准
刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，因此必须根据加工情况规定一个最大的允许磨损值，这就是刀具的磨钝标准。一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以VB表示。
制订磨钝标准需考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况。
工艺系统的刚性较差时应规定较小的磨钝标准。因为当后刀面磨损后，切削力将增大，尤以切深抗力Fp最为显著。与新磨过的车刀相比，VB＝0.4mm时，Fp增加12％—30％；VB＝0.8mm时，Fp增加30％—50％。故车削刚性差的工件时，应控制在VB＝0.3mm左右；而车削刚性好的工件时，磨钝标准可取得大一些。
后刀面磨损后，切削温度升高。加工不同的工件材料，切削温度的升高也不相同。在相同的切削条件下，加工合金钢的切削温度高于碳素钢，加工高温合金及不锈钢的切削温度又高于一般合金钢。在切削难加工材料时，一般应选用较小的磨钝标推；加工一般材料，磨钝标准可以大一些。
加工精度及表面质量要求较高时，应当减小磨钝标准，以确保加工质量。例如在精车时，应控制VB＝0.1—0.3mm的范围内。
加工大型工件，为避免中途换刀，一般采用较低的切削速度以延长刀具使用寿命。此时切削温度较低，故可适当加大磨钝标准。在自动化生产中使用的精加工刀具，一般都根据工件精度要求制订刀具磨钝标准。在这种情况下，常以刀具的径向磨损量NB作为衡量标准。此外还需考虑工艺系统的弹性变形、刀具调整误差、工件尺寸的分布规律以及工件材料性质不均匀等因素。因此要用数理统计方法来确定刀具的磨钝标准。
（三）刀具耐用度
1．刀具耐用度的定义
刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为刀具耐用度，以T表示。它是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。
也有用达到磨钝标准前的切削路程lm。来定义刀具使用寿命的。lm等于切削速度Vc和刀具使用寿命(时间)T的乘积，即
刀具耐用度是很重要的数据。在同一条件下切削同一工件材料时，可以用刀具耐用度来比较不同刀具材料的切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，又可以用刀具耐用度来比较工件材料的切削加工性；也可以用刀具耐用度来判断刀具几何参数是否合理。工件材料、刀具材料的性能对刀具耐用度影响最大。在切削用量中，影响刀具耐用度最主要的因素是切削速度，其次是进给量、切削深度。此外，刀具几何参数对刀具耐用度也有重要影响。
2．切削用量对刀具耐用度的影响
①切削速度与刀具耐用度的关系
切削速度与刀具耐用度的关系是用实验方法求得的。实验前先选定刀具后刀面的磨钝标准。为了节约材料，同时又要能反映刀具在正常工作情况下的磨损强度，按照IS0的规定：当主切削刃参加工作部分的中部磨损均匀时，磨钝标准取VB＝0.3mm；在磨损不均匀时，取VBmax＝0.6mm。
选定好磨钝标准后，在固定其他切削条件的情况下，只改变切削速度（如取V=Vc1，Vc2，Vc3，Vc4，…等）作磨损试验，得出在各种速度下的刀具磨损曲线；再根强选定的磨钝标准VB求出在各切削速度下所对应的刀具使用寿命T1，T2，T3，T4，…等。然后在对数坐标纸上定出(T1，Vc1)；(T2，Vc2)；（T3，Vc3），(T4，Vc4)；…等点。在一定的切削速度范围内，这些点基本上分布在一条直线上。这条在双对数坐标图上的直线可用下列方程式表示,
lgVc=-mlgT+lgA
式中m＝tgφ，即该直线的斜率；A为当T=1s(或1min)时直线在纵坐标上的截距。m及A均可从图中实测。因此Vc—T(或T—Vc)关系可写成,
Vc＝A／Tm
或 / (z＝1／m)
这个关系式是20世纪初由美国工程师泰勒(F．W．Taylor)建立的，人们常称之为泰勒公式。上式表示了切削速度与刀具使用寿命之间的关系，它是选择切削速度的重要依据。指数m或z，表示切削速度对刀具使用寿命的影响程度。对于高速钢刀具，m= 0.1—0.125；对于硬质合金刀具，m＝0.1—0.4；对于陶瓷刀具，m＝0.2—0.4。m大或z小，表明切削速度对使用寿命的影响小，即刀具的切削性能较好。
m值只是近似地为常数。当切削速度变化范围较大时，m值是变动的。切削速度高时，m值有减小的趋势。
②进给量、切削深度与刀具耐用度的关系
按照求Vc—T关系式的方法，同样可以求得f—T和ap—T关系式,
f＝B／Tn
ap＝C／Tp
式中 B、C——系数；
n、p——指数。
综合以上各式可以得到刀具使用寿命的三因素公式,
/
或 /
式中 CT，Cv—与工件材料、刀具材料和其他切削条件有关的系数；
指数xv＝m／p，yv=m/n。
由上式可知，切削速度对刀具使用寿命的影响最大，其次是进给量，切削深度影响最小。所以在优选切削用量以提高生产率时，其选择先后顺序应为：首先尽量选用大的切削深度ap，然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量f，最后才在刀具使用寿命或机床功率所允许的情况下选取最大的切削速度Vc 。
