金屬切削加工是用刀具從工件上切除多余材料，從而獲得形狀、尺寸精度及表面質量等合乎要求的零件的加工過程。實現這一切削過程必須具備三個條件：工件與刀具之間要有相對運動，即切削運動；刀具材料必須具備一定的切削性能；刀具必須具有適當的幾何參數，即切削角度等。金屬的切削加工過程是通過機床或手持工具來進行切削加工的，其主要方法有車、銑、刨、磨、鉆、鏜、齒輪加工、劃線、鋸、銼、刮、研、鉸孔、攻螺紋、套螺紋等。其形式雖然多種多樣，但它們有很多方面都有著共同的現象和規律，這些現象和規律是學習各種切削加工方法的共同基礎。?

1.1.1 切削運動及切削用量?

1.零件表面的形成?

各種切削加工的目的都是為了得到合乎要求的零件表面。因此，零件表面的形成問題是切削加工的基礎問題。常見的零件表面有以下幾種：?

(1)圓柱面 是以直線為母線，以和它相垂直的平面上的圓為軌跡，作旋轉運動所形成的表面。?

(2)圓錐面 是以直線為母線，以圓為軌跡，且母線與軌跡平面相交成一定角度作旋轉運動所形成的表面。?

(3)平面 是以直線為母線，以另一直線為軌跡作平移運動所形成的表面，如圖5.1(c)所示。

(4)成形面 是以曲線為母線，以圓為軌跡作旋轉運動或以直線為軌跡作平移運動所形成的表面,此外，其它較為復雜的表面可以用上述各表面組合而成。

2.切削運動?

在金屬切削加工中，為了切除多余的金屬，刀具和工件間必須有相對運動--切削運動。 外圓車削加工中常見的加工方法，如圖5.2所示：工件旋轉，車刀作連續縱向直線進給運動，于是形成工件的外圓柱表面。在其它切削加工方法中，刀具和工件也同樣必須完成一定的切削運動。通常，切削運動包括主運動和進給運動。

(1)主運動 主運動是由機床或人力提供的主要運動，它促使刀具和工件之間產生相對運動，使刀具接近工件，產生切削。通常主運動的速度最高，消耗的功率最大。主運動可以由工件完成，也可以由刀具完成，它是刀具與工件之間主要的相對運動。如圖5.2所示，工件的回轉運動是主運動。

(2)進給運動 進給運動是由機床或人力提供的運動，它使刀具和工件之間產生附加的相對運動，加上主運動，即可連續地或間斷地切除多余材料，獲得已加工表面。進給運動的速度較低，消耗的功率較小。進給運動可以是步進的，也可以是連續進行的。車削時車刀的縱向移動和橫向移動是進給運動。

在這兩個運動的合成作用下，工件表面的一層金屬不斷地被刀具切下來并轉變為切屑，從而加工出所需要的工件新表面。在新表面的形成過程中，工件上有三個依次變化著的表面，即待加工表面、過渡表面和已加工表面。

3.切削用量?

在一般的切削加工中，切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量三個要素。

(1)切削速度（vc）切削速度指切削加工時，刀刃上選定點在工件的主運動方向上相對于工件的瞬時速度。大多數切削加工的主運動采用回轉運動，車削時其切削速度為：?

vc=πdn/1000(m/s或m/min) (5.1)?

式中 d--工件或刀具上某一點的回轉直徑(mm)??

n--工件或刀具的轉速(r/s或r/min)?

由于切削刃上各點相對于工件的旋轉半徑不同，因而刀刃上各點的切削速度也不同，在計算時應取最大的切削速度。外圓車削時計算待加工表面上的速度，內孔車削時計算已加工表面上的速度，鉆削時計算鉆頭外徑處的速度。?

(2)進給量（f） 進給量是工件或刀具每回轉一周時兩者沿進給運動方向的相對位移，單位是mm/r。進給速度(vf)是單位時間內的進給量，單位是mm/s(mm/min)。進給量的大小反映了進給速度的大小。車削時進給速度vf為：?

? vf=n·f(mm/min) (5.2)?

(3)背吃刀量（ap）背吃刀量ap為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，單位為mm.?#p#分頁標題#e#

外圓柱表面車削的背吃刀量為：?

? ap=（dw-dm)/2(mm) (5.3)?

鉆孔加工的背吃刀量為：?

? ap=dm/2(mm) (5.4)?

式中dm--已加工表面直徑(mm);?

? dw--待加工表面直徑(mm)。

4.切削層參數?

切削層是指工件上正被切削刃切削的一層材料，即兩個相鄰加工表面之間的那層材料。仍以外圓車削為例，切削層就是工件每轉一周，切削刃所切下的一層材料。切削層參數一般在垂直于切削速度的平面內觀察和度量，它們包括切削厚度、切削寬度和切削面積。

(1)切削厚度?垂直于加工表面度量的切削層尺寸，稱為切削厚度，以hD表示。它是刀具或工件每移動一個進給量f，刀具主切削刃相鄰兩個位置間的垂直距離。在外圓縱車時：?

hD=f·sinkr? (5.5)?

式中kr--車刀主切削刃與工件軸線之間的夾角。?

(2)切削寬度?沿加工表面度量的切削層尺寸，稱為切削寬度，以bD表示。它是刀具主切削刃與工件實際接觸的長度。在外圓縱車時：?

bD=ap/sinkr? (5.6)?

(3)切削面積?工件被切下的金屬層在垂直于主運動方向上的截面面積，稱為切削面積，以AD表示。對于車削來說，它是背吃刀量和進給量的乘積或是切削寬度和切削厚度的乘積：? AD=ap·f= bD·hD? (5.7)?

1.1.2 刀具材料及刀具結構?

1.刀具材料?

在切削過程中，刀具直接完成切除余量和完成已加工表面的任務。刀具切削性能的優劣，取決于構成切削部分的材料、幾何形狀和刀具結構。通常情況下，刀具材料的重要性居于首位，它對刀具耐用度、加工效率、加工質量和加工成本影響極大。?

1）對刀具材料的基本要求?

(1)高硬度，常溫硬度應在60HRC以上；?

(2)足夠的強度和韌性，以承受切削力、沖擊和振動；?

(3)高耐磨性，以抵抗切削過程中的磨損，維持一定的切削時間；?

(4)較高的耐熱性(又稱為紅硬性或熱硬性)，即在高溫下仍能保持較高硬度的性能；?

(5)較好的工藝性，以便于制造各種刀具。?

實際上在選擇刀具材料時，很難找到上述幾方面性能都是最佳的，因為材料性能之間往往相互矛盾。如硬度高，韌性就低；耐磨性好，則可磨削性就差等。?

2）常用的刀具材料?

目前常用的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石、立方氮化硼等。碳素工具鋼和合金工具鋼因耐熱性較差，僅用于手工工具及切削速度較低的刀具。陶瓷、金剛石和立方氮化硼等僅用于特殊場合。用得最多的材料是高速鋼和硬質合金。

(1)高速鋼 高速鋼是在碳素工具鋼中加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素所構成的高合金工具鋼。其強度和沖擊韌度較好，具有一定的硬度和耐磨性，刃磨后切削刃鋒利，耐熱性在600～700℃。按照用途的不同，高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。在工廠中，高速鋼亦被稱為"風鋼"或"鋒鋼"，磨光的高速鋼亦被稱為"白鋼"。我國最常用的高速鋼牌號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V3等。?

(2)硬質合金 硬質合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物的粉末和金屬粘結劑在高壓下成形后，在高溫下燒結而成的粉末冶金材料。其硬度、耐磨性、耐熱性都很高，許用的切削速度遠遠超過高速鋼，加工效率高，能切削諸如淬火鋼一類的硬材料，因而被廣泛用做刀具材料。ISO標準將切削用硬質合金分為P、K、M三類。

2.刀具結構?

1）刀具切削部分的結構要素?

金屬切削刀具的種類很多，各種刀具的結構大不相同。不論刀具結構如何復雜，但它們切削部分的幾何形狀大致相同，都是以普通外圓車刀切削部分的幾何形狀為基本形狀，如圖5.4所示。?

刀具切削部分的結構要素定義如下：?

(1)前刀面 切削時直接作用于被切金屬層且切屑沿其排出的刀面；?

(2)后刀面 同工件上的過渡表面相互作用和相對著的刀面。與過渡表面相對的刀面是主后刀面，與工件上已加工表面相對的刀面是副后刀面；?#p#分頁標題#e#

(3)切削刃 切削刃是前刀面上直接進行切削的邊鋒，有主切削刃和副切削刃之分；?

(4)刀尖 刀尖可以是主、副切削刃的實際交點，也可以是主、副兩條切削刃連接起來的一小段過渡刃，它可以是圓弧，也可以是直線。?

2）刀具的結構形式?

刀具的結構形式對刀具的切削性能、切削加工的生產率和經濟效益有著重要的影響。切削刀具的種類很多，形狀多種多樣，但其結構有共性。外圓車刀是最基本、最典型的刀具，由刀頭和刀體組成，如圖5.4所示。車刀常用的結構形式有焊接式、整體式、機械夾固式。? 3）刀具角度?

刀具的角度可分為標注角度和工作角度兩類。?

(1)刀具的標注角度 在設計和制造刀具時，圖樣上標注的角度、刃磨刀具時測量的角度統稱為刀具的標注角度。?

這里我們僅以外圓車刀的標注角度為例作一下介紹。?

為了確定上述刀面和切削刃的空間位置，首先要建立起由三個輔助平面組成的坐標參考系，如圖5.5(a)所示。并以它為基準，用角度值來反映刀面和切削刃的空間位置。

①輔助平面包括基面、切削平面和正交平面。?

基面 通過主切削刃上某一點，垂直于假定主運動方向的平面；?

切削平面 通過主切削刃上某一點，也與該點所在的過渡表面相切并垂直于基面的平面；

正交平面 通過主切削刃上某一點，同時垂直于基面和切削平面的平面。?

這三個輔助平面互相垂直。?

②標注角度 如圖5.5(b)所示。?

前角γ0 在正交平面中，前刀面與基面之夾角；?

后角α0 在正交平面中，主后刀面與切削平面之夾角；?

主偏角κr 在基面上，主切削刃的投影與進給方向之夾角；?

副偏角κ′r 在基面上，副切削刃的投影與進給反方向之夾角；?

刃傾角λs 在切削平面中，主切削刃與基面之夾角。?

(2)刀具的工作角度 在實際切削加工時，由于車刀裝夾位置和進給運動的影響，確定刀具角度坐標平面的位置將發生變化，使得刀具實際切削時的角度值與其標注角度值不同。這里我們就不再詳細介紹了。?

1.1.3 金屬切削過程?

金屬切削過程就是刀具從工件表面上切除多余金屬，從切屑形成開始到已加工表面形成為止的完整過程。要提高切削加工生產率，保證零件的加工質量，降低生產成本，必須研究金屬切削過程的物理本質及金屬變形規律。?

通過實驗發現，切削過程中的各種物理現象都以切屑形成過程為基礎，都與金屬變形規律有關，所以切屑形成過程及其變化規律是研究金屬切削過程的基礎。?

1.切屑形成過程及種類?

1）切屑的形成?

切屑的形成過程如圖5.6所示。當刀具和被切金屬開始接觸的最初瞬間，切削刃在與被切金屬的接觸線下擠壓被切金屬，使之產生彈性變形。隨著切削運動的繼續，刀具對被切金屬的擠壓作用加強，使被切金屬的彈性變形及其應力逐漸增大，當應力達到被切金屬材料的屈服強度σs時，被切金屬在前刀面和切削刃的擠壓作用下開始發生塑性變形，這種塑性變形也稱為剪切滑移。隨著切削運動的繼續，被切金屬的應力不斷增大，當應力達到其強度極限時，被切金屬(平行四邊形CDEF)與基體分開成為一個切屑單元(平行四邊形C′D′E′F′)。隨著切削運動的繼續，前刀面又擠壓另一部分金屬(BCFG)，使這部分金屬重復上述過程成為一個切屑單元(B′C′F′G′)。若切削運動繼續下去，被切金屬就變成由若干個金屬單元組成的一條完整的切屑了。?

2）切屑的種類?

由于切削條件不同，切屑的變形程度也不同，從而切屑形狀也不同。歸納起來，可分為以下四種類型(圖5.7)。

(1)帶狀切屑 它的內表面是光滑的，外表面是毛糙的，若在顯微鏡下觀察其側表面，可以看到許多剪切面的條紋，其內部應力還沒有達到材料的強度極限，所以切屑延續很長呈帶狀。一般在加工塑性金屬、切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時，易得到這種刀屑。形成帶狀切屑時，切削過程平穩，切削力波動很小，工件已加工表面粗糙度值小。#p#分頁標題#e#

(2)節狀切屑 這類切屑的外形與帶狀切屑的不同之處在于外表面呈鋸齒形，內表面有時有裂紋。一般在加工塑性金屬、切削厚度較大、切削速度較低、刀具前角較小時，易得到這種切屑。形成擠裂切屑時，由于切屑局部斷裂，切削力波動較大，切削過程欠平穩，工件已加工表面粗糙度值也較大。?

(3)單元切屑 如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴展到整個面上，則整個單元被分離，于是形成了大致為梯形的單元切屑。一般在切削塑性金屬、切削厚度大、切削速度低、刀具前角小時，易得到這種切屑。形成單元切屑時，切削力波動很大，切削過程不平穩，工件已加工表面粗糙度值大。在生產中應避免出現此種切屑。?

以上三種切屑中，帶狀切屑的切削過程最平穩，單元切屑的切削力波動最大。在生產中最常見的是帶狀刀屑，有時得到擠裂切屑。?

(4)崩碎切屑 切削脆性材料時，由于材料的塑性很差且抗拉強度低，切削時，切削刃前方金屬在塑性變形很小時就被擠裂或在拉應力狀態下脆斷，形成不規則的碎塊狀切屑，它與工件母體分離的表面很不規則，已加工表面粗糙度值很大，切削力變化很大。工件材料越是硬脆，刀具前角越小，切削厚度越大時，越容易產生這種切屑。?

2.積屑瘤現象?

在一定的切削速度下切削諸如鋼、球墨鑄鐵、鋁合金等塑性金屬時，常發現在刀具的前刀面靠近切削刃的部位粘附著一小塊很硬的金屬，這就是切削過程所產生的積屑瘤，或稱刀瘤，如圖5.8所示。?

1）積屑瘤的形成?

當切屑沿刀具的前刀面流出時，在一定的溫度與壓力作用下，與前刀面接觸的切屑底層受到很大的摩擦阻力，致使這一層金屬的流出速度減慢，形成一層很薄的"滯流層"。當前刀面對滯流層的摩擦阻力超過切屑材料的內部結合力時，就會有一部分金屬粘附在切削刃附近，形成積屑瘤。積屑瘤形成后不斷長大，達到一定高度就會破裂而被切屑帶走或嵌附在工件表面上。上述過程是反復進行的。?

2）積屑瘤對切削加工的影響?

積屑瘤在形成過程中，金屬材料因塑性變形而被強化。因此，積屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃進行切削，起到保護切削刃的作用。同時，由于積屑瘤的存在，增大了刀具實際工作前角，使切削輕快。所以，粗加工時，希望產生一定的積屑瘤。但是，積屑瘤的頂端伸出切削刃之外，而且在不斷的產生和脫落，使實際背吃刀量和切削厚度不斷變化，影響尺寸精度，并會導致切削力的變化，引起振動；還會有一些積屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，使表面變得粗糙。因此，精加工時，應盡量避免積屑瘤產生。?

3）積屑瘤的控制?

根據積屑瘤的變化規律，可以通過控制切削速度，即盡量使用很低或很高的切削速度，來避開產生積屑瘤的速度范圍，這是降低表面粗糙度值的好方法。減少切削厚度，即采用少的進給量，一般可以減小刀屑接觸的面積，從而能減少積屑瘤。使用高效率切削劑、降低刀具表面粗糙度值、減少磨擦，或增大前角、減少刀屑接觸面積和減少變形，這些都可以減少或消除積屑瘤。工件材料硬度太低、塑性過高時，可進行預處理或進行熱處理提高硬度，以減少積屑瘤。