2.2　金属切削基本原理

金属切削加工是利用刀具和工件之间的相对运动切除毛坯上多余金属形成一定形状、尺寸和质量的表面以获得所需的机械零件。

2.2.1　机械零件的表面

机械零件的形状很多，但分析起来，都不外乎是由平面、圆柱面、圆锥面及成形面所组成。这些面的形成是以直线或曲线为母线，以直线或圆为运动轨迹，作旋转或平移运动所形成的表面。

机械零件的任何表面都可看作一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。形成表面的母线和导线统称为发生线。

如图2-4所示，平面可看作是由一根直线（母线）沿着另一根直线（导线）运动而形成［图2-4（a）］；圆柱面和圆锥面可看作是由一根直线（母线）沿着一个圆（导线）运动而形成［图2-4（b）、（c）］；普通螺纹的螺旋面是由“∧”形线（母线）沿螺旋线（导线）运动而形成［图2-4（d）］；直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面是由渐开线（母线）沿直线（导线）运动而形成［图2-4（e）］等。

由图2-4可以看出，有些表面，其母线和导线可以互换，如平面、圆柱面和直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面等，称为可逆表面；而另一些表面，其母线和导线不可互换，如圆锥面和螺旋面等，称为不可逆表面。

2.2.2　机械零件表面的成形方法

切削时，机床使刀具和工件之间产生相对运动，运动的作用是把毛坯切削成要求的形状。因而，若从几何成形的角度，分析刀具与工件之间的相对运动，可称为成形运动。

分析成形运动时，可以把几何学中各种表面的形成规律和切削时刀具与工件之间的相对运动的关系加以联系，由于使用的刀具切削刃形状和采用的加工方法不同，形成发生线的方法也不同，可归纳为以下四种。

（1） 轨迹法　它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切削刃与被加工表面为点接触，发生线为接触点的轨迹线。图2-5（a）中，母线A1（直线）和导线A2（曲线）均由刨刀的轨迹运动形成。采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。

（2） 成形法　它是利用成形刀具对工件进行加工的方法。切削刃的形状和长度与所需形成的发生线（母线）完全重合。图2-5（b）中，曲线形母线由成形刨刀的切削刃直接形成，直线形的导线则由轨迹法形成。

（3） 相切法　它是利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。如图2-5（c）所示，采用铣刀或砂轮等旋转刀具加工时，在垂直于刀具旋转轴线的截面内，切削刃可看作是点，当切削点绕着刀具轴线作旋转运动B1，同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动A2时，切削点运动轨迹的包络线便是所需的发生线。为了用相切法得到发生线，需要两个成形运动，即刀具旋转运动和刀具中心按一定规律运动。

（4） 展成法　它是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。切削加工时，刀具与工件按确定的运动关系作相对运动（展成运动或称范成运动），切削刃与被加工表面相切（点接触），切削刃各瞬时位置的包络线便是所需的发生线。如图2-5（d）所示，用齿条形插齿刀加工圆柱齿轮，刀具沿箭头A1方向所作的直线运动，形成直线形母线（轨迹法），而工件的旋转运动B21和直线运动A22，使刀具能不断地对工件进行切削，其切削刃的一系列瞬时位置的包络线便是所需要渐开线形导线［见图2-5（e）］，用展成法形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。

2.2.3　切削运动

在机床上，为了获得所需的工件表面形状，必须形成一定形状的发生线（母线和导线）。除成形法外，发生线的形成都是靠刀具和工件作相对运动实现的，这种运动称为表面成形运动。此外，还有多种辅助运动。

1.成形运动按其组成情况进行分类

成形运动按其组成情况进行分类，可分为简单的和复合的两种。

如果一个独立的成形运动是由单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。例如，用尖头车刀车削外圆柱面时［如图2-6（a）所示］，工件的旋转运动B1和刀具直线运动A2就是两个简单运动；用砂轮磨削外圆柱面时［如图2-6（b）所示］，砂轮和工件的旋转运动B1、B2以及工件的直线移动A3，也都是简单运动。

如果一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转运动或（和）直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。例如，车削螺纹时［如图2-7（c）所示］，形成螺旋形发生线所需的刀具和工件之间的相对螺旋轨迹运动。为简化机床结构和较易保证精度，通常将其分解为工件的等速旋转运动B11和刀具的等速直线移动A12。B11和A12不能彼此独立，它们之间必须保持严格的运动关系，即工件每转一转时，刀具直线移动的距离应等于螺纹的导程，从而B11和A12这两个单元运动组成一个复合运动。用轨迹法车回转体成形面时［如图2-7（d）所示］，尖头车刀的曲线轨迹运动通常由相互垂直坐标方向上的、有严格速比关系的两个直线运动A21和A22来实现，A21和A22也组成一个复合运动。

2.切削运动

从几何成形的角度出发分析刀具与工件之间相对运动，目的是把相对运动与形成零件表面的关系联系起来。当我们分析一台具体的机床上能够切削出哪些类型的零件（如轴、箱体），以及哪些类型的表面（如外圆、平面）时，就要考虑机床能够使工件和刀具产生哪些切削运动，如图2-7所示。

成形运动中各单元运动根据其在切削中所起作用的不同进行分类，切削运动分为主运动（v）和进给运动（s）。

（1）主运动　在切削加工中起主要的、消耗动力最多的运动为主运动。它是切除工件上多余金属层所必需的运动。车削外圆时主运动是工件的旋转运动；铣削、钻削和磨削时主运动是刀具的旋转运动；牛头刨床刨削时主运动是刀具的直线运动。一般切削加工中主运动只有一个。

（2）进给运动　在切削加工中为保持切削连续进行，刀具与工件之间的相对运动称为进给运动。进给运动可以是一个或多个。车削时进给运动是刀具的移动；铣削时进给运动是工件的移动；钻削时进给运动是钻头沿其轴线方向的移动；磨削外圆时，除纵向进给外，还有圆周进给，才能切出完整的外圆表面。

主运动和进给运动可由刀具或工件分别完成，也可由刀具单独完成（例如在钻床上钻孔），主运动和进给运动可以是旋转运动，也可以是直线运动。

进给运动的种类很多，一般包括：

①切入运动　刀具相对工件切入一定深度，以保证工件达到要求的尺寸；

②分度运动　多工位工作台和刀架等的周期转位或移位以及多头螺纹的车削等；

③调位运动　加工开始前机床有关部件的移位，调整刀具和工件之间的正确相对位置；

④各种空行程运动　切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动，开车、停车、变速或变向等控制运动，装卸、夹紧或松开工件的运动等。

2.2.4　切削要素

1.切削时产生的表面

在切削运动作用下，工件上的切削层不断地被刀具切削并转变为切屑，从而加工出所需要的新表面。因此，工件在切削过程中形成了三个不断变化着的表面，如图2-8所示。

（1）待加工表面　工件上即将被切去切屑的表面。

（2）加工表面　工件上正被刀刃切削的表面。

（3）已加工表面　工件上已切去切屑的表面。

2.切削用量

切削用量包括切削速度、进给量和背吃刀量（切削深度），俗称切削三要素。它们是表示主运动和进给运动最基本的物理量，是切削加工前调整机床运动的依据，并对加工质量、生产率及加工成本都有很大影响。

（1）切削速度vc　在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离。如主运动为旋转运动时，按下式计算切削速度（m/min）：

vc=πDn/1000

式中　D——工件待加工表面或刀具的最大直径，mm；

n——工件或刀具每分钟转数，r/min。

如主运动为往复直线运动，则其平均切削速度（m/min）：

vc=2Lnr/1000

式中　L——往复直线运动的行程长度，mm；

nr——主运动每分钟的往复次数，即行程数，str/min。

（2）进给量f　在主运动的一个循环（或单位时间）内，刀具和工件之间沿进给运动方向相对运动的距离，又称走刀量。

如车削时，工件每转一转，刀具所移动的距离就是进给量f，单位为mm/r；

如牛头刨床上刨削时，刀具往复一次，工件移动的距离就是进给量，单位为mm/str。

对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每齿进给量fz，单位为mm/z。

进给速度、进给量和每齿进给量之间的关系为：

vc=nf=nzfz

（3）背吃刀量（切削深度）ap　待加工表面和已加工表面之间的垂直距离。

车削时，切削深度是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离，又称吃刀量，单位为mm，其计算式为：

式中　dw——工件待加工表面的直径，mm；

dm——工件已加工表面的直径，mm。

切削用量是机械加工中最基本的工艺参数。切削用量的选择，对于机械加工质量、生产率和刀具的使用寿命（耐用度）有着直接而重要的影响。切削用量的选择取决于刀具材料、工件材料、工件表面加工余量、加工精度和表面粗糙度要求、生产方式等，可查阅切削加工手册。

3.切削层参数

切削时，沿进给运动方向移动一个进给量（车削或刨削时为mm/r， mm/双行程；多刃刀具为mm/z）所切除的金属层称为切削层。切削层参数，是指切削层在基面pr内所截得的截面形状和尺寸，即在切削层公称横截面中度量。车削时的切削层公称横截面参数，如图2-9所示，其定义如下。

（1）切削层公称厚度（简称切削厚度）hD（mm）　切削厚度hD是垂直于工件过渡表面度量的切削层横断面尺寸：

hD=fsinκr

（2）切削层公称宽度（简称切削宽度）bD（mm）　切削宽度bD是平行于工件过渡表面度量的切削层横断面尺寸：

bD=ap/sinκr

（3）切削层公称横截面面积（简称切削面积）AD（mm）　切削面积AD是在切削层尺寸平面度量的横截面积（在基面pr内度量的切削层横截面积）：

AD=hDbD=fap

2.2.5　金属切削过程

1.金属切削过程

金属切削过程是指从工件表面切除多余金属形成已加工表面的过程。在切削过程中，工件受到刀具的推挤，通常会产生变形，形成切屑。伴随着切屑的形成，将会产生切削力、切削热与切削温度、刀具磨损、积屑瘤和加工硬化等现象，这些现象将影响到工件的加工质量和生产效率等。因此有必要对其变形过程加以研究，找出其基本规律，对提高金属切削加工质量和生产效率，减少刀具的损耗影响很大。

2.切削变形

（1）切屑的形成过程　切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的，如图2-10所示。

图中未变形的切削层AGHD可看成是由许多个平行四边形组成的，如ABCD、BEFC、EGHF…当这些平行四边形扁块受到前刀面的推挤时，便沿着BC方向向斜上方滑移，形成另一些扁块，即ABCD→AB'C'D 、BEFC→B'E'F'C'、EGHF→E'G'H'F…由此可以看出，切削层不是由刀具切削刃削下来的或劈开来的，而是靠前刀面的推挤，滑移而成的。

（2）切削过程变形区的划分　切削层金属受到刀具前刀面的推挤产生剪切滑移变形后，还要继续沿着前刀面流出变成切屑。在这个过程中，切削层金属要产生一系列变形，通常将其划分为三个变形区，如图2-11所示。

①第一变形区　图中Ⅰ（AOM）为第一变形区，在第一变形区内，当刀具和工件开始接触时，材料内部产生应力和弹性变形，随着切削刃和前刀面对工件材料的挤压作用加强，工件材料内部的应力和变形逐渐增大，当切应力达到材料的屈服强度时，材料将沿着与走刀方向成45°的剪切面滑移，即产生塑性变形，切应力随着滑移量增加而增加，当切应力超过材料的强度极限时，切削层金属便与材料基体分离，从而形成切屑沿前刀面流出。由此可以看出，第一变形区变形的主要特征是沿滑移面的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。

实验证明，在一般切削速度下，第一变形区的宽度仅为0.02～0.2mm，切削速度越高，其宽度越小，故可看成一个平面，称剪切面。

②第二变形区　图中Ⅱ为第二变形区，切屑底层（与前刀面接触层）在沿前刀面流动过程中受到前刀面的进一步挤压与摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，即产生了第二次变形，变形方向基本上与前刀面平行。

③第三变形区　图中Ⅲ为第三变形区，此变形区位于后刀面与已加工表面之间，切削刃钝圆部分及后刀面对已加工表面进行挤压，使已加工表面产生变形，造成纤维化和加工硬化。

3.切屑的类型

由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程度也不同，因而产生的切屑形态也多种多样。从变形的观点来看，可将切屑形态主要分为以下四种类型，如图2-12所示。

（1）带状切屑　如图2-12（a）所示。切屑延续成较长的带状，这是一种最常见的切屑形状。一般情况下，当加工塑性材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时，往往会得到此类屑型。此类屑型底层表面光滑，上层表面毛茸；切削过程较平稳，已加工表面粗糙度值较小。

（2） 节状切屑（又称挤裂切屑）　如图2-12（b）所示。切屑底层表面有裂纹，上层表面呈锯齿形。大多在加工塑性材料，切削速度较低，切削厚度较大，刀具前角较小时，容易得到此类屑型。

（3） 粒状切屑（又称单元切屑）　如图2-12（c）所示。当切削塑性材料，剪切面上剪切应力超过工件材料破裂强度时，挤裂切屑便被切离成粒状切屑。切削时采用较小的前角或负前角、切削速度较低、进给量较大，易产生此类屑型。

以上三种切屑均是切削塑性材料时得到的，只要改变切削条件，三种切屑形态是可以相互转化的。

（4） 崩碎切屑　如图2-12（d）所示。在加工铸铁等脆性材料时，由于材料抗拉强度较低，刀具切入后，切削层金属只经受较小的塑性变形就被挤裂，或在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切削。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角越小，越容易产生这种切屑。

4.摩擦特性与积屑瘤

（1）前刀面上的摩擦特性　 切屑从工件上分离流出时与前刀面接触产生摩擦，接触长度lf如图2-13所示。在近切削刃长度lf1内，由于摩擦与挤压作用产生高温和高压，使切屑底面与前面的接触面之间形成黏结，亦称冷焊，黏结区或称冷焊区内的摩擦属于内摩擦，是前面摩擦的主要区域。在内摩擦区外的长度lf2内的摩擦为外摩擦。

内摩擦力使黏结材料较软的一方产生剪切滑移，使得切屑底层很薄的一层金属晶粒出现拉长的现象。由于摩擦对切削变形、刀具寿命和加工表面质量有很大影响，因此，在生产中常采用减小切削力、缩短刀-屑接触长度、降低加工材料屈服强度、选用摩擦系数小的刀具材料、提高刀面刃磨质量和浇注切削液等方法，来减小摩擦。

（2）积屑瘤　在切削塑性材料时，如果前刀面上的摩擦系数较大，切削速度不高又能形成带状切屑的情况下，常常会在切削刃上黏附一个硬度很高的鼻形或楔形硬块，称为积屑瘤。如图2-14所示，积屑瘤包围着刃口，将前刀面与切屑隔开，其硬度是工件材料的2～3倍，可以代替刀刃进行切削，起到增大刀具前角和保护切削刃的作用。

积屑瘤是切屑底层金属在高温、高压作用下，在刀具前表面上黏结并不断层积的结果。当积屑瘤层积到足够大时，受摩擦力的作用会产生脱落，因此，积屑瘤的产生与大小是周期性变化的。积屑瘤的周期性变化对工件的尺寸精度和表面质量影响较大，所以，在精加工时应避免积屑瘤的产生。

5.影响切削变形的主要因素

影响切削变形的因素很多，归纳起来主要有四个方面，即工件材料、刀具前角、切削速度和进给量。

（1）工件材料　工件材料的强度和硬度越高，则摩擦系数越小，变形越小。因为材料的强度和硬度增大时，前刀面上的法向应力增大，摩擦系数减小，使剪切角增大，变形减小。

（2）刀具前角　刀具前角越大，切削刃越锋利，前刀面对切削层的挤压作用越小，则切削变形越小。

（3）切削速度　在切削塑性材料时，切削速度对切削变形的影响比较复杂，如图2-15所示。在有积屑瘤的切削范围内（vc≤400m/min），切削速度通过积屑瘤来影响切屑变形。在积屑瘤增长阶段，切削速度增大，积屑瘤高度增大，实际前角增大，从而使切削变形减少；在积屑瘤消退阶段，切削速度增大，积屑瘤高度减小，实际前角减小，切削变形随之增大。积屑瘤最大时切削变形达最小值，积屑瘤消失时切削变形达最大值。

在无积屑瘤的切削范围内，切削速度越大，则切削变形越小。这有两方面原因：一方面是由于切削速度越高，切削温度越高，摩擦系数降低，使剪切角增大，切削变形减小；另一方面，切削速度增高时，金属流动速度大于塑性变形速度，使切削层金属尚未充分变形，就已从刀具前刀面流出成为切屑，从而使第一变形区后移，剪切角增大，切削变形进一步减小。

（4）进给量　进给量对切削速度的影响是通过摩擦系数影响的。进给量增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩擦系数减小，从而使摩擦角减小，剪切角增大，因此切削变形减小。

2.2.6　切削力

金属切削时，切削力是被加工材料抵抗刀具切入所产生的阻力。切削力是影响工艺系统强度、刚度和加工工件质量的重要因素；也是设计机床、刀具和夹具、计算切削动力消耗的主要依据。

1.切削力的来源、合力与分力

金属切削时刀具在切削工件，由于切屑与工件内部产生弹、塑性变形抗力，切屑与工件对刀具产生摩擦阻力，形成了作用在刀具上的合力F，在切削时合力F作用在近切削刃空间某方向，由于大小与方向都不易确定，因此，为便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F分解为相垂直的三个分力Fc、Fp、Ff，如图2-16所示。

（1）切削力Fc（主切削力Fz）　在主运动方向上分力，它切于加工表面，并垂直于基面。Fc是计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率等的主要依据。

（2）背向力Fp（切深抗力Fy）　在进给运动方向上的分力，它处于基面内在进给方向上。Fp是设计机床进给机构和确定进给功率等的主要依据。

（3）进给力Ff（进给抗力Fx）　在进给运动方向上的分力，它处于基面内并垂直于进给运动方向。Ff是计算工艺系统刚度的主要依据。它也是使工件在切削过程中产生振动的力。

背向力Fp与进给力Ff的合力（推力）FD是作用在切削层平面上且垂直于主切削刃。

合力F、推力FD与各分力之间关系为：

Fp=FDcosκr
Ff=FDsinκr

上式表明，当κr=0°时，Fp≈FD、Ff≈0；当κr=90°时，Fp≈0、Ff≈FD，各分力的大小对切削过程会产生明显不同的作用。

2.切削功率

在切削过程中消耗的功率叫切削功率Pc，单位为kW，它是Fc、Fp、Ff在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。

Pc=10-3Fcvc

式中　vc——主运动的切削速度。

计算切削功率Pc是为了核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床电机功率。机床电机的功率PE可按下式计算。

PE=Pc/ηc

式中　ηc——机床传动效率，一般取ηc=0.75～0.85。

3.影响切削力的主要因素

影响切削力因素主要包括工件材料、切削用量和刀具几何参数三个方面。

（1） 工件材料　工件材料是通过材料的剪切屈服强度、塑性变形程度与刀具间的摩擦条件影响切削力的。一般来说，材料的强度和硬度越高，切削力越大。

（2）切削用量　切削三要素对切削力均有一定的影响，但影响程度不同，其中背吃刀量ap和进给量f影响较明显。若f不变，当ap增加一倍时，切削厚度ac不变，切削宽度aw增加一倍，因此，刀具上的负荷也增加一倍，即切削力增加约一倍；若ap不变，当f增加一倍时，切削宽度aw保持不变，切削厚度ac增加约一倍，在刀具刃圆半径的作用下，切削力只增加68%～86%。

（3）刀具几何参数　在刀具几何参数中刀具的前角γo和主偏角κs对切削力的影响较明显。当加工钢时γo增大，切削变形明显减小，切削力减小得较多。κs适当增大，使切削厚度ac增加，单位面积上的切削力P减小。在切削力不变的情况下，主偏角大小将影响背向力和进给力的分配比例，当κs增大，背向力Fp减小，进给力Ff增加。

2.2.7　切削热与切削温度

切削热和切削温度是切削过程中产生的另一个物理现象。切削区域的平均温度称为切削温度。所以，研究切削热和切削温度对提高刀具的使用寿命、工件的加工精度和表面质量具有重要的实际意义。

1.切削热的产生和传散

在切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量（98%～99%）几乎全部转换为热能，即切削热。切削区产生的切削热，是在切削过程中通过切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）向外传散，同时使切削区域的温度升高。例如在空气冷却条件下车削时，切削热50%～86%由切屑带走，10%～40%传入工件，3%～9%传入刀具，1%左右通过辐射传入空气。

影响热传散的主要因素是工件和刀具材料的热导率、加工方式和周围介质的状况。热量传散的比例与切削速度有关，切削速度增加时，由摩擦生成的热量增多，但切屑带走的热量也增加，在刀具中热量减少，在工件中热量更少。

2.影响切削温度的主要因素

切削温度的高低主要取决于切削加工过程中产生热量的多少和向外传散的快慢。产生的切削热越多，传出的越慢，切削温度越高；反之，切削温度越低。影响切削热量产生和传散的主要因素有切削用量、工件材料、刀具几何参数和切削液等。

（1） 切削用量　对切削温度影响最大的切削用量是切削速度，其次是进给量，而背吃刀量影响最小。当vc、f和ap增加时，由于切削变形和摩擦所消耗的功增大，故切削温度升高。vc增加使摩擦生热增多；f增加时，因切削变形增加较少，故热量增加不多，此外，使刀-屑接触面积增大，改善了散热条件；ap增加使切削宽度增加，显著增大了热量的传散面积。

（2）工件材料　工件材料主要是通过硬度、强度和热导率影响切削温度的。工件材料的硬度、强度越高，切削时消耗的功率越多，产生的切削热越多，切削温度就越高。加工低碳钢，材料的强度和硬度低，热导率大，故产生的切削温度低；加工高碳钢，材料的强度和硬度高，热导率小，故产生的切削温度高。

（3）刀具几何参数　在刀具几何参数中，影响切削温度最明显的因素是前角γo和主偏角κr，其次是刀尖圆弧半径rε。前角γo增大，切削变形和摩擦产生的热量均较少，故切削温度下降。但前角γo过大，散热变差，使切削温度升高，因此在一定条件下，均有一个产生最低切削温度的最佳前角γo值（20°～25°）。

（4）切削液　切削时使用切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高零件加工质量有明显的效果。切削液有两个作用：一方面可以减小切屑与前刀面、工件与后刀面的摩擦，起到润滑作用；另一方面可以吸收大量切削热，降低切削区的温度，起到冷却作用。

2.2.8　刀具磨损与刀具耐用度

在切削过程中，刀具在高压、高温和强烈摩擦条件下工作，一方面切下切屑，另一方面刀具本身切削刃由锋利逐渐变钝以致失去正常切削能力。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。

1.刀具磨损形式

刀具磨损形式可分为正常磨损和非正常磨损两种形式。

（1） 正常磨损　正常磨损是指随着切削时间的增加，磨损逐渐扩大的磨损。磨损主要发生在前、后两个刀面上。

刀具正常磨损，按磨损部位不同，刀具磨损形式可分为前刀面磨损、主后面磨损、前刀面和主后面同时磨损三种形式。如图2-17所示。

①前刀面磨损　在高温、高压条件下，切屑流出时与前面产生摩擦，在前面形成月牙洼磨损，磨损量通常用深度KT和宽度KB测量，如图2-17（a）所示。

②主后面磨损　切削脆性材料或以较低的切削速度和较小的切削层公称厚度切削塑性材料时，前刀面上的压力和摩擦力不大，温度较低，这时磨损主要发生在主后面上。磨损程度用平均磨损高度VB表示。如图2-18所示，可将磨损划分为三个区域。

a.刀尖磨损C区　在倒角刀尖附近，因强度低，温度集中造成，磨损比较严重，其最大值为VC。

b.中间磨损B区　在切削刃的中间位置，存在着均匀磨损量VB，局部出现最大磨损量VBmax。

c.边界磨损N区　在切削刃与带加工表面相交处，因高温氧化，表面硬化层作用造成最大磨损量VNmax。

刀面磨损形式可随切削条件变化而发生转化，但在大多数情况下，刀具的后面都发生磨损，而且测量也比较方便，因此常以平均宽度VB值表示刀具刀面磨损程度。

（2）非正常磨损　非正常磨损亦称破坏。常见形式有脆性破坏（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破坏等）和塑性破坏（如塑性流动等）。其主要是由于刀具材料选择不合理，刀具结构、制造工艺不合理，刀具几何参数不合理，切削用量选择不当，刃磨和操作不当等造成。

2.刀具磨损的原因

造成刀具磨损有以下几种原因。

（1） 磨粒磨损　在工件材料中含有氧化物、碳化物和氮化物等硬质点，在铸、锻工件表面存在着硬夹杂物，在切屑和工件表面黏附着硬的积屑瘤残片，这些硬质点在切削时像“磨粒”一样对刀具表面摩擦和刻划，致使刀具表面磨损。

（2） 黏结磨损　黏结磨损亦称冷焊磨损。切削塑性材料时，在很大压力和强烈摩擦作用下，切屑、工件与前、后刀面间的吸附膜被挤破，形成新的表面紧密接触，因而发生黏结现象。刀具表面局部强度较低的微粒被切屑和工件带走，这样形成的磨损称为黏结磨损。黏结磨损一般在中等偏低的切削速度下较严重。

（3） 扩散磨损　在高温作用下，工件与刀具材料中合金元素相互扩散，改变了原来刀具材料中化学成分的比值，使其性能下降，加快了刀具的磨损。因此，切削加工中选用的刀具材料，应具有高的化学稳定性。

（4） 化学磨损　化学磨损亦称氧化磨损。在一定温度下，刀具材料与周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切屑带走；或因刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具的化学磨损。

3.刀具的磨损过程

刀具的磨损过程一般分成三个阶段，如图2-19所示。

（1） 初期磨损阶段（OA段）　将新刃磨刀具表面存在的凸凹不平及残留砂轮痕迹很快磨去。初期磨损量的大小，与刀具刃磨质量相关，一般经研磨过的刀具，初期磨损量较小。

（2） 正常磨损阶段（AB段）　经初期磨损后，刀面上的粗糙表面已被磨平，压强减小，磨损比较均匀缓慢。后刀面上的磨损量将随切削时间的延长而近似成正比例增加。此阶段是刀具的有效工作阶段。

（3） 急剧磨损阶段（BC段）　当刀具磨损达到一定限度后，已加工表面粗糙度变差，摩擦加剧，切削力、切削温度猛增，磨损速度增加很快，往往产生振动、噪声等，致使刀具失去切削能力。

因此，刀具应避免达到急剧磨损阶段，在这个阶段到来之前，就应更换新的刀具。

4.刀具的磨钝标准

刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。国际标准ISO规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB值作为刀具的磨钝标准。

根据加工条件的不同，磨钝标准应有变化。粗加工应取大值，工件刚性较好或加工大件时应取大值，反之应取小值。

自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量NB值。

目前，在实际生产中，常根据切削时突然发生的现象，如振动产生、已加工表面质量变差、切屑颜色改变、切削噪声明显增加等来决定是否更换刀具。

5.刀具寿命

刀具寿命是指一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者说是刀具两次刃磨之间总的切削时间，用T表示，单位为min。刀具总寿命应等于刀具耐用度乘以重磨次数。刀具两次刃磨之间实际切削的时间，称为刀具的耐用度。实际生产中，一般用刀具的使用时间作耐用度，例如：硬质合金车刀，耐用度大致为60～90min；麻花钻头的耐用度大致为80～120min；硬质合金端铣刀的耐用度大致为90～180min；齿轮刀具的耐用度大致为200～300min；立方氮化硼车刀耐用度大致为120～150min；金刚石车刀耐用度大致为600～1200min。

在工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，刀具耐用度由切削用量三要素来决定。刀具寿命T与切削用量三要素之间的关系可由下面经验公式来确定：

式中　Cr——与刀具、工件材料，切削条件有关的系数；

m、n、p——寿命指数，分别表示切削用量三要素vc、f、ap对寿命T的影响程度。

参数Cr、m、n、p均可由有关切削加工手册查得。例如，当用硬质合金车刀切削碳素钢（σb=0.736GPa）时，车削用量三要素（vc、f、ap）与刀具寿命T之间的关系为

在切削用量三要素中，切削速度vc对刀具寿命的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。

6.合理寿命的选择

由于切削用量与刀具寿命密切相关，那么，在确定切削用量时，就应选择合理的刀具寿命。但在实践中，一般是先确定一个合理的刀具寿命T值，然后以它为依据选择切削用量，并计算切削效率和核算生产成本。确定刀具合理寿命有两种方法：最高生产率寿命和最低生产成本寿命。