1.4 切削条件的合理选择

切削条件包括工件材料、刀具参数、切削用量和切削液等。以工件材料为主要依据，合理选择其他切削条件，对加工质量、生产率、加工成本有重要影响。

1.4.1 工件材料的切削加工性

切削加工性是指工件材料被切削加工的难易程度。它是一个相对性的概念，一种材料切削加工性的好坏，是相对另一种材料而言的。在不同的情况下，材料切削加工性的衡量指标可以不同。

1．以相对加工性来衡量

所谓相对加工性，是以切削正火状态下45钢（σb= 0.637 GPa）的ν60作为基准，记做（ν60）j，切削其他工件材料的ν60与之相比的数值，用Kr表示，则

式中 ν60——当刀具耐用度T= 60min时，切削某种材料所允许的切削速度（m/min）；

（ν60）j——当刀具耐用度T= 60min时，切削正火状态下45钢所允许的切削速度（m/min）。

相对加工性Kr是最常用的加工性指标，在不同的加工条件下都适用。通常分为八个等级，如表1-6所示。凡Kr> 1的材料，其加工性比45钢好；凡Kr< 1的材料，其加工性比45钢差。

2．以已加工表面质量来衡量

精加工时，常以已加工表面作为衡量工件材料切削加工性的指标。容易获得较好的已加工表面质量的材料，其切削加工性好，反之较差。

3．以切削力或切削温度来衡量

在粗加工或机床刚度、功率不足时，用此项指标来衡量切削加工性。在相同的切削条件下，产生的切削力小，切削温度低的工件材料，其切削加工性好，反之较差。

4．以切屑控制的难易程度来衡量

在自动机床或自动生产线上，常以此项指标来衡量工件材料的切削加工性。若切屑容易控制，切削加工性好，否则较差。

1.4.2 刀具几何参数的合理选择

1．前角γo的功用及合理选择

1）前角的功用

（1）影响切削力及切削功率。刀具前角增大，可减小切削变形程度，减小切屑与前刀面的挤压与摩擦，使切削力减小，切削功率降低。

（2）影响刀具强度和散热条件。刀具前角增大，会使刀具的楔角减小，刀具强度降低，刀具散热的体积减小，散热条件变差。

（3）影响已加工表面粗糙度。减小刀具前角，易产生积屑瘤，并引起切削振动，增大表面粗糙度。

（4）影响切屑形态和断屑效果。减小刀具前角，切屑的变形程度增大，切屑因加工硬化而变得脆硬，容易折断。

可见，前角的大小对切削过程有利有弊，应根据具体的加工条件合理选择。

2）前角的合理选择

所谓刀具的合理前角，是指在满足加工要求的前提下，使刀具耐用度为最大时所对应的刀具前角，记为γopt。由于刀具材料、工件材料及加工质量等条件不同，刀具的合理前角也不同。如图1-26所示为刀具材料及工件材料不同时刀具的合理前角。因此，应综合考虑各个加工条件，合理选择。

① 当工件材料的强度、硬度较低时，可选择较大的前角；当工件材料的强度、硬度高时，应取较小的前角，甚至选用负前角；加工冷作硬化倾向大的材料时，应选用较大的前角；加工脆性材料时，宜选用较小的前角。

② 刀具材料的强度高、韧性好时，应选用较大的前角，否则选取较小的前角。

③ 粗加工、断续切削或带有硬皮的铸锻件加工时，为保证刀具有足够的强度，应选用较小的前角。

④ 对于成形刀具，为保证刃形与工件廓形尽可能相同，应选用较小的正前角。

⑤ 机床功率不足或工艺系统刚度较差时，为降低切削力及切削功率，应选用较大的前角。

2．后角αo的功用及合理选择

1）后角的功用

（1）影响后刀面与工件加工表面间的摩擦。增大刀具后角，可减小摩擦。从这个作用上来看，后角的增大可提高已加工表面质量，延长刀具耐用度。

（2）影响刀具强度和散热条件。增大刀具后角，使楔角减小，将削弱切削刃和刀头的强度，刀具容热体积减小，散热条件变差。

（3）增大后角，可减小切削刃钝圆半径rn，使切削刃锋利。

（4）当磨钝标准VB相同时，后角大的刀具到达磨钝标准所磨去的金属体积较大，可延长刀具耐用度。但若以刀具的径向磨损量NB作为磨钝标准，则情况相反，如图1-27所示。

2）后角的合理选择

所谓刀具的合理后角，是指在满足加工要求的前提下，使刀具耐用度为最大时所对应的刀具后角，记为αopt。合理后角的选择与刀具材料、工件材料、切削厚度及其他加工条件等因素有关，应针对具体情况，具体分析。

① 其他加工条件相同时，高速钢刀具材料的合理后角要小于硬质合金的。原因是：相同条件下，高速钢刀具的合理前角大于硬质合金刀具的前角，为保证高速钢刀具有足够的强度，其后角应小一些。

② 工件材料的强度、硬度较高或脆性较大时，为保证刀具有足够的强度，宜取较小的后角。工件材料的塑性大，易发生加工硬化时，为减小刀具的磨损及提高已加工表面质量，应选较大的后角。

③ 当切削厚度增大时，对刀具的作用力增大，为提高刀具强度，应选较小的后角。

④ 粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具，要求刀具有足够的强度，应取较小的后角；而精加工时，为减小后刀面的摩擦，提高已加工表面质量，应取较大的后角。

⑤ 当工艺系统刚度较差时，应适当减小后角，以减小或消除易产生的切削振动。通常，在刀具后刀面沿切削刃方向磨出后角为零度的窄棱面（刃带）或后角为负值的窄棱面（消振棱），这样既可以起到消振作用，又对已加工表面起到熨压作用，可提高已加工表面质量。但需要指出的是，对上述窄棱面的宽度应控制合理。

⑥ 对于定尺寸刀具，如铰刀、圆孔拉刀等，后角值应取小一些，以增加刀具的重磨次数，提高刀具的寿命。

3．主偏角κr、副偏角κr＇的功用及合理选择

1）主偏角、副偏角的功用

（1）影响切削层参数的大小。当进给量f和背吃刀量ap不变时，主偏角增大，则切削厚度hD增大，切削宽度bD减小，即切屑变得窄而厚。此时切屑变形增大，容易折断。

（2）影响残留面积的高度。减小主偏角、副偏角，可降低残留面积的高度，使已加工表面粗糙度减小。

（3）影响切削刃、刀尖的强度和散热条件。减小主偏角、副偏角，可使刀尖角εγ增大，提高刀尖强度，改善散热条件；同时减小主偏角，参加工作的主切削刃长度增大，单位长度切削刃上所受到的切削力减小，间接提高了切削刃的强度。

（4）影响切削分力的大小。增大主偏角，使进给力Ff增大，背向力Fp减小。

2）主偏角的合理选择

① 当工艺系统刚度较好时，主偏角通常取较小的数值；但工艺系统刚度不足时易产生振动，对刀具的冲击较大。因此，对于脆性相对较大的硬质合金刀具，在粗加工和半精加工时，主偏角取60°～75°。

② 加工高硬的材料，如冷硬铸铁、淬硬钢等，为提高切削刃的强度，宜取较小的主偏角。

③ 工艺系统刚性较好时，减小主偏角可降低切削温度，提高刀具耐用度；工艺系统刚性不好时，如切削细长轴时，为减小工件变形，避免产生振动，应尽量减小背向力Fp，主偏角较大，甚至可取到90°～93°。

④ 选择刀具主偏角，还与其他具体加工条件有关。如单件小批生产，应选择可通用性好的45°车刀；加工阶梯轴时，选用90°车刀等。

3）副偏角的合理选择

在不引起切削振动的情况下，副偏角的数值尽量选取得小一些。

加工高硬材料及断续切削时，为提高刀具强度，应取较小的副偏角，通常κr＇=4°～6°；对于车刀、刨刀、硬质合金面铣刀等一般刀具，副偏角可取5°～10°；对于切断刀、锯片铣刀及＇=1沟槽铣刀等，为保证刀具强度，副偏角很小，一般为κr°2～°；对于精加工刀具，为提高表面质量，可磨出κr＇=0°的一段副切削刃（修光刃），但其长度应选取适当，否则将引起切削振动。

4．刃倾角λs的功用及合理选择

1）刃倾角的功用

（1）影响切屑流出方向。如图1-28所示，当λs=0°时，切屑流向过渡表面；当λs＜0°时，切屑流向待加工表面；当λ0s＞ °时，切屑流向已加工表面。

（2）影响刀具强度和容热条件。减小刃倾角，刀具强度增大，散热条件得以改善，有利于提高刀具的耐用度；同时，在背吃刀量不变的情况下增大λs，则参加工作的主切削刃长度增大，单位长度切削刃所承受的负荷减小，这样就间接增大了切削刃强度。

（3）影响切削刃的锋利程度。与直角切削（λ0s= °时）相比较，斜角切削（λs≠0°时）使实际起作用的切削刃钝圆半径减小，切削刃变得锋利。

（4）影响切削分力的大小。如前所述，增大刃倾角，使进给力增大，背向力减小。

2）刃倾角的合理选择

加工一般钢料和灰铸铁，粗车时取λs=-5°～0°，精车时取λs=0°～5°，有冲击载荷时取λs=-15°～-5°，冲击特别大时可取λs=-45°～-30°；车削淬硬钢，λs=-12°～-5°；强力刨削，取λs=-20°～-10°；微量精车时，为提高刀具的锋利程度，可取λs=45°～75°；工艺系统刚度不足时，为尽量减小背向力，可适当增大刃倾角；金刚石和立方氮化硼车刀，为提高刀具强度，刃倾角可取负值。

1.4.3 切削用量的选择

在工艺系统确定的前提下，切削用量就是切削加工过程中最为“活跃”的要素。切削用量选择得合理与否，对于提高生产率，保证加工质量和延长刀具耐用度均有重要影响。所谓合理的切削用量，是指能够获得较高的生产率、较长刀具耐用度和较好的加工质量所对应的切削用量。

1．切削用量的作用

1）对切削加工生产率的影响

生产率可用材料切除率QZ来表示。所谓金属切除率，即单位时间内切除金属材料的体积。显而易见，材料切除率QZ与切削用量三要素之间的关系为

式中QZ——金属切除率（mm3/s）；

νc——切削速度（m/s）；

f ——进给量（mm/r）；

ap——背吃刀量（mm）。

可见，切削用量中三个要素与生产率均呈线性关系，增大每一要素都可使生产率成正比例增大。

2）对加工质量的影响

当增大背吃刀量或进给量时，都可使切削力增大，因易产生切削振动而降低零件的加工精度和表面质量，并且进给量增大还会使已加工表面的残留面积高度增大，严重影响表面粗糙度；当采用高速切削时，可降低切削力，并能减小或避免积屑瘤和鳞刺的产生，有利于提高加工质量。

3）对刀具耐用度的影响

如1.3.4节中所述，切削速度对刀具耐用度影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。

所以，在优选切削用量以提高生产率时，首选大的背吃刀量，然后选大的进给量，最后选大的切削速度。

2．切削用量的选择原则

1）背吃刀量的选择

粗加工时，加工余量尽量一次走刀切除。例如，在中等功率的普通车床（C620）上加工时，背吃刀量可达8～10mm。但对于以下情况，可分几次走刀：

① 工艺系统刚度不足或加工余量不均匀时，易产生较大的切削振动；

② 加工余量太大，易导致机床功率或刀具强度不足；

③ 断续切削时，刀具受到较大冲击而易造成损坏。

半精加工时，若单边余量Δ> 2mm，应分两次走刀切除：第一次切除（2/3～3/4）Δ，第二次切除（1/3～1/4）Δ；若单边余量Δ≤2mm，则可一次走刀切除。

精加工时，应一次走刀切除所有精加工工序余量，一般为0.1～0.4mm。

2）进给量的选择

粗加工时，在工艺系统强度、刚度及机床功率允许的情况下，选用尽可能大的进给量；半精加工或精加工时，在能够满足加工精度和表面质量的前提下，选用较大的进给量。

3）切削速度的选择

① 粗加工时，由于背吃刀量和进给量均较大，为降低切削温度，保证刀具耐用度，应选取较低的切削速度；相反，精加工时，为提高加工质量，应尽量避开形成积屑瘤和鳞刺的速度区域，采用高速切削。

② 工件材料的强度、硬度较高时，应选较低的切削速度；反之，则选较高的切削速度。

③ 和高速钢刀具相比较，硬质合金刀具的切削性能较好，允许的切削速度较高。

④ 断续切削时，为减小冲击，应适当降低切削速度。

1.4.4 切削液的选择

合理选用切削液可以改善切屑、工件与刀具间的摩擦情况，可以散热降温，对于提高刀具耐用度，提高加工精度和改善已加工表面质量均有重要影响。

1．切削液的种类

切削加工中最常用的切削液，有水溶性和非水溶性两大类。

1）水溶性切削液

主要有水溶液和乳化液。

（1）水溶液。在水中加入防锈剂、清洗剂、油性添加剂。其冷却、清洗作用较好，并且也具有一定的润滑作用。

（2）乳化液。在水中加乳化油搅拌而成的乳白色液体。乳化油是由矿物油与表面活性乳化剂配制成的一种油膏，按乳化油的含量可配制不同浓度的乳化液。低浓度乳化液主要起冷却作用，适用于粗加工；高浓度乳化液主要起润滑作用，适用于精加工和复杂工序加工。乳化油中也常添加防锈剂、极压添加剂，来提高乳化液的防锈、润滑性能。

2）非水溶性切削液

主要是切削油，其中包括矿物油、动植物油和加入油性、极压添加剂配制的混合油。主要起到润滑作用。

2．切削液的作用机理

1）冷却作用

切削液浇注到切削区域后，可以带走大量切削热，降低切削温度，从而提高刀具耐用度和加工质量。特别在刀具材料的耐热性和导热性较差，以及工件材料的热膨胀系数较大，导热性较差的情况下，切削液的冷却作用显得尤为重要。

2）润滑作用

当切屑、工件与刀具界面间存在切削液油膜，形成流体润滑摩擦时，能得到比较好的效果。但在很多情况下，刀面与工件及切屑之间由于载荷作用、温度的影响，油膜厚度变薄，使金属表面凸起的峰点相接触，但由于润滑液的渗透和吸附作用，仍存在着润滑液的吸附膜，也能起到减小摩擦的作用，这种状态称为边界润滑摩擦。此时摩擦系数值大于流体润滑摩擦系数，但小于干切削时的干摩擦系数。在金属切削加工中，大多属于边界润滑。一般的切削润滑油在200℃左右即失去流体润滑能力，此时形成低温低压边界润滑摩擦；而在某些切削条件下，切屑、刀具界面间可达600～1000℃左右高温和1.47～1.96 GPa的高压，形成了高温高压边界润滑，或称极压润滑。在切削液中加入极压添加剂可形成极压化学吸附膜。

3）清洗作用

在切削过程中所产生的一些碎屑，易划伤加工表面和机床导轨面，因而要求切削液具有良好的清洗作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。加入大剂量的表面活性剂和少量矿物油，可提高其清洗效果。

4）防锈作用

为了减小工件、机床、刀具等受周围介质（空气、水分等）的腐蚀，要求切削液具有一定的防锈作用。其作用的好坏取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的作用。在气候潮湿地区，对防锈作用的要求显得更为突出。

3．切削液的选用

应当根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求来选择不同的切削液。

① 粗加工时，对于高速钢刀具，为降低切削温度，应选冷却效果好的切削液；对于硬质合金刀具，因其耐热性相对较好，可不用切削液，也可使用低浓度的乳化液和水溶液连续浇注。

② 精加工时，为改善已加工表面质量并提高刀具耐用度，对于高速钢刀具，应选用润滑性好的极压切削油或高浓度的极压乳化液；硬质合金刀具在粗加工所选切削液的基础上，适当提高切削液的润滑性能即可。

③ 对于难加工材料，如高强度钢、高温合金等，对切削液的冷却、润滑作用要求较高，此时应尽可能选用极压切削油或极压乳化液。