金属切削条件的选择技巧

金属切削加工过程中的效率、质量和经济性等问题，除了与机床设备的工作能力、操作者技术水平、工件的形状、生产批量、刀具材料及工件材料的切削加工性有关，还受到切削条件的影响和制约。这些切削条件包括刀具几何参数和刀具的寿命、切削用量及切削过程的冷却润滑等。

合理选择刀具的几何参数，可充分发挥刀具的切削性能、提高刀具寿命、保证加工质量、提高生产效率和降低生产成本。

刀具几何参数包括：切削刃形状，前、后刀面形状及刃区参数和刀具角度等内容。

（1）前角的选择

1）前角γ_o的功用 前角γ_o的大小影响切削刃的锋利程度。增大前角能使切削轻快，从而降减少刀具磨损，还能抑制积屑瘤和鳞刺的产生，提高加工质量。但前角过大，会使刀具楔角变小，削弱刀头强度和散热能力，造成刀具磨损加剧，甚至崩刃等现象。

2）前角选择的原则 在保证加工质量和刀具强度的前提下，尽量选用大的前角。

①根据零件材料选取 加工塑性材料时，一般都采用正前角；加工脆性材料时，前角应选小些；零件材料强度和硬度较高时，前角应选小些。

②根据刀具材料选取 选择强度高和韧性好的刀具材料，可选较大的前角；选择强度和韧性差的刀具材料，应选较小的前角。

③根据加工条件选取 粗加工时，应选取较小的前角；精加工时，应选取较大的前角；有冲击的断续切削比连续切削应取较小的前角；当工艺系统刚度较差或机床功率不足时，应取较大前角。表7-6所示为硬质合金车刀前角的合理值。

（2）前面形式

如图7-17所示为刀具前面的几种形式。

表7-6 硬质合金车刀合理前角的参考值

图7-17 刀具前面形式

1）正前角平面形[图7-17（a）]其特点是结构简单、制造方便、能获得较锋利的刃口，但强度低、传热能力差。一般用于精加工刀具、成形刀具和加工脆性材料的刀具。

2）正前角曲面带倒棱形[图7-17（b）]这种形式是在正前角平面带倒棱形的基础上，在前刀面上又磨出一个曲面并在刃口处做出负倒棱，可以选取较大的前角。一般用于粗加工或精加工塑性材料的刀具上。

3）负前角单面形[图7-17（c）]当磨损主要发生在后刀面上时，常制成负前角单面形。但是负前角会增大切削力和动力消耗。

4）负前角双面形[图7-17（d）]当磨损同时发生在前、后刀面上时，制成负前角双面形，可使刀片的重磨次数增多。

（1）后角的功用

后角α_o的主要作用是减小后刀面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦，配合前角调整切削刃的锋利程度和强度。增大α_o能减小后刀面与过渡表面间的摩擦，使切削刃锋利，还可以减小切削刃的钝圆半径，从而减小已加工表面冷硬程度，提高表面质量和刀具寿命。但后角过大，将削弱切削刃的强度和散热能力，容易崩刃，反而会降低刀具寿命。

（2）后角的选择原则

在粗加工时以确保刀具强度为主；在精加工时以保证加工表面质量为主。

1）根据加工条件选取 粗加工时，应选取较小的后角，一般取4°～6°；精加工时，应选取较大的后角，一般取8°～12°；当工艺系统刚度较差时，应选取较小的后角。

2）根据零件材料选取 加工脆性材料或强度和硬度较高的材料时，应选取较小的后角；加工塑性材料或易产生加工硬化时，应选取较大的后角。

3）综合考虑前角选取 当前角选取较大时，后角应在可选择的范围内取较小值；当采用负前角刀具加工高硬度、高强度材料时，后角应在可选择的范围内取较大值。

（1）主偏角的功用

主偏角κ_r影响各切削分力的比值。当主偏角κ_r增大时，在背吃刀量a_p、进给量f不变的情况下，会使背向力F_P减小，从而避免顶弯工件和工艺系统的振动，提高了工件加工质量和刀具寿命；主偏角κ_r影响切削层的形状，在背吃刀量a_p、进给量f相同的条件下进行切削时，当主偏角κ_r减小时，使切屑变薄，增加散热面积，改善了散热条件。同时作用在主切削刃单位长度上的负荷减轻，刀尖角增大，提高了刀尖强度，也有利于提高刀具寿命；此外，主偏角还影响断屑效果和排屑方向，以及残留面积高度等。

（2）主偏角的选择原则

1）根据工艺系统刚性选取 工艺系统刚性较好时，应选取较小的主偏角，一般取10°～30°；当工艺系统刚度不足时，应选取较大的主偏角，一般取75°，甚至取κ_r≥90°。

2）根据零件材料选取 当切削强度和硬度较高的材料时，应选取较小的主偏角。

3）根据加工条件选取 粗加工时，应选取较大的主偏角，如强力切削时，常取κ_r=75°；单件小批生产或加工带台阶和倒角的零件时，常选取通用性较好的车刀（如45°、90°的偏刀），以减少换刀次数，提高生产率。

（1）副偏角的功用

副偏角κ′_r主要用来减小副切削刃及副后刀面与已加工表面之间的摩擦。减小副偏角，可降低表面粗糙度值，同时能增大刀尖角，提高刀尖强度和散热能力，延长刀具寿命。但副偏角过小时，会因增大摩擦和背向力而引起振动，降低零件的加工质量。

（2）副偏角的选择原则

1）根据零件材料选取 当切削强度和硬度较高的材料或断续切削时，应选取较小的副偏角，一般取4°～6°；当切削塑性和韧性较大的材料时，应选取较大的副偏角，一般取15°～30°。

2）根据加工条件选取 粗加工时，应选取较大的副偏角；精加工时，应选取较小的副偏角，一般取5°，甚至可取副偏角为0°的修光刀。

3）根据工艺系统刚性选取 工艺系统刚性较好时，应选取较小的副偏角；当工艺系统刚度不足时，为了避免振动，应选取较大的副偏角。

（1）刃倾角的功用

1）影响切屑的流向 当刃倾角λ_s=0°时，切屑垂直于切削刃流出；当刃倾角λ_s为负值时，切屑向已加工表面流出，工件已加工表面易被切屑拉毛，但刀尖强度较高；当刃倾角λ_s为正值时，切屑向待加工表面流出，已加工表面不易被拉毛，但刀尖强度较差，如图7-18所示。

2）影响刀尖强度和抗冲击能力 在切削有断续表面的零件时，若刃倾角λ_s为负值，刀尖为切削刃上最低点，切削刃切入工件时首先与工件接触的点是切削刃，而不是刀尖，这样在切削过程中产生的冲击负荷由切削刃承受，保护刀尖免受冲击，并增强了刀尖强度，如图7-19（a）所示；若刃倾角λ_s为正值，刀尖首先接触工件而受到冲击，可能产生崩刃或打刀现象，如图7-19（b）所示。因此，许多大前角刀具常选用负的刃倾角，但背向力有所增大。

图7-18 刃倾角对切屑流向的影响

3）影响切入切出时的平稳性 在断续切削时，当刃倾角λ_s=0°时，切削刃几乎同时切入和切出工件，切削力突变，冲击较大，会引起振动；当刃倾角λ_s不为零时，切削刃逐渐切入工件和逐渐切出工件，冲击较小，切削较平稳，参见图7-19。

图7-19 刃倾角对切削刃接触零件的影响

（2）刃倾角的选择原则

1）粗加工时，应取负刃倾角，一般取0°～-5°。

2）精加工时，应取正刃倾角，一般取0°～5°。

3）断续切削时，应取负刃倾角，一般取-10°～-15°。

4）在精镗孔、精刨平面时，常常采用很大的刃倾角，一般取30°～75°。

切削用量的合理选择是指在保证加工质量的前提下，能充分发挥机床、刀具的切削性能，获得高的生产效率和低的加工成本的一种切削用量。(www.xing528.com)

应根据不同的加工条件和加工要求综合考虑，合理选择切削用量。

1）生产效率 当背吃刀量a_p、进给量f、切削速度v_c增大时，都能使切削时间减小。但一般情况下应优先增大背吃刀量a_p，以求一次进刀切除全部加工余量，提高生产效率。

2）机床功率 在粗加工时，应尽量增大进给量f，合理使用机床功率。

3）刀具耐用度 对刀具耐用度影响最大的是切削速度v_c，其次是进给量f，影响最小的是背吃刀量a_p，所以优先增大背吃刀量a_p，不但能达到高的生产效率，相对于切削速度v_c与进给量f来说，还能更好地发挥刀具切削性能、降低加工成本。

4）表面粗糙度 在半精加工、精加工时，保证加工质量是确定切削用量应考虑的主要原则。如果提高背吃刀量a_p和进给量f，切削力会变大，容易引起变形和振动；增大进给量f时，还会使已加工表面粗糙度值变大；但背吃刀量a_p、进给量f也不能选得过小，否则会不利于加工表面质量的提高；而提高切削速度v_c，不会增大切削力，并且增大到一定程度后，还会抑制积屑瘤、加工硬化等现象的产生，有利于加工表面质量的提高。

综上所述，粗加工时切削用量选择的原则是：首先选择一个尽量大的背吃刀量a_p，其次选择一个较大的进给量f，最后根据已确定的背吃刀量a_p和进给量f，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下，选择一个合理的切削速度v_c；精加工时切削用量选择的原则是：采用较小的背吃刀量a_p和进给量f，在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，尽可能采用大的v_c。

（1）背吃刀量a_p的选择

1）粗加工时 除留给下道工序的余量外，应尽可能将其余的粗加工余量一次切除，以使走刀次数最少。在中等功率机床上，背吃刀量a_p可达8～10mm。如果加工余量太大或加工余量不均匀、机床功率与刀具强度等工艺系统刚性不足时，为了避免振动才分几次走刀分切。通常使：

第一次走刀的背吃刀量a_p1为a_p1=（2/3～3/4）Z

第二次走刀的背吃刀量a_p2为a_p2=（1/4～1/3）Z

2）精加工时 背吃刀量的选择，原则上一次进给切除全部余量。半精加工时，通常取a_p=0.5～2mm，精加工时，通常取a_p=0.1～0.4mm。但当使用硬质合金刀具时，考虑到刀尖圆弧半径与刃口圆弧半径的挤压和摩擦作用，背吃刀量不宜过小，一般大于0.5mm。

（2）进给量f的选择

1）粗加工时 当背吃刀量a_p确定以后，在不损坏刀具的刀片和刀杆，不超出机床进给机构强度，不顶弯工件和不产生振动等条件下，应选取一个最大的进给量f，见表7-7。

2）精加工时 进给量f的大小主要受表面粗糙度的限制。在预定切削速度v_c、刀尖圆弧半径的情况下，按照图样要求的表面粗糙度值的大小，选择进给量f，然后对照机床说明书上的进给量，选取相等的或低挡相近的进给量，见表7-8。

表7-7 硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量

注：1.加工断续表面及有冲击的零件时，表内进给量应乘系数K=0.75～0.85；

2.在无外皮加工时，表内进给量应乘系数K=1.1；

3.加工耐热钢及其合金时，进给量不大于1mm/r；

4.加工淬硬钢，进给量应减小。当钢的硬度为44～56HRC时，乘系数0.8；当钢的硬度为57～62HRC时，乘系数0.5。

表7-8 按表面粗糙度值选择进给量的参考值

续表

（3）切削速度v_c的选择

粗加工时，切削速度v_c受刀具耐用度和机床功率的限制；精加工时，主要考虑加工精度和表面质量，要避开易产生积屑瘤和鳞刺的中低速，一般采用高速。

在背吃刀量a_p和进给量f确定以后，根据规定达到的合理刀具耐用度值，可以由有关公式计算或查有关手册来确定切削速度v_c。

（4）机床功率校验

切削加工时，切削用量还受到机床功率的限制。因此，选定了切削用量a_p、f和v_c后，尚需校验机床功率是否足够。机床有效功率P′_E可按式（7-10）计算。

式中 P_E——机床电动机功率（kW）；

η_m——机床传动效率，一般取0.75～0.85。

如果P_c＜P′_E，则所选切削用量可在指定机床上使用；如果P_c≪P′_E，则机床功率未充分发挥，这时可规定较小的刀具耐用度或采用切削性能更好的刀具材料，以提高切削速度使切削功率增大；如果P_c＞P′_E，则所选切削用量不能在指定的机床上使用，此时应更换功率较大的机床，或者根据所限制的机床功率降低切削用量，这时机床功率虽然得到充分利用，但刀具材料的切削性能未能充分发挥。

合理地选择与使用切削液，可以改善刀具与工件、切屑之间的摩擦状况，降低切削力和切削温度，减少刀具磨损，从而提高刀具耐用度，改善已加工表面质量和提高加工精度。

（1）切削液的作用

切削液在加工中起冷却、润滑、排屑、清洗和防锈作用。

（2）切削液的种类

1）水溶液 是指以水为主要成分的切削液，冷却性能最好，但其润滑性能差，又易使金属材料生锈。所以在实际使用中常加入一定的添加剂（如亚硝酸钠、硅酸钠、皂类等），使其具有良好的防锈性能和一定的润滑性能，以增加水溶液的润滑作用。

2）乳化液 是指用乳化油加95%～98%的水稀释而成的一种切削液，乳化油由矿物油、乳化剂配制而成。其外观呈乳白色或半透明状，具有良好的冷却性能。但因含水量较大，润滑、防锈性能较差，故应加入一定量的油性、极压和防锈添加剂，以提高其润滑和防锈性能。

3）切削油 其主要成分是矿物油。在实际使用中，由于其不能形成牢固的吸附膜，润滑能力较差，所以在低速切削有色金属及磨削中，加入油性添加剂；在重切削及难加工材料的切削加工中，加入极压添加剂。

（3）切削液的选用

切削液种类很多，性能各异，应根据工件材料、刀具材料、加工方法和技术要求合理选择，才能收到良好的效果。

1）粗加工时切削液的选择 粗加工时，应选用以冷却为主的切削液。高速钢刀具的红硬性差，所以其在切削时必须使用切削液，如可选用3%～5%的乳化液和水溶液；硬质合金刀具的耐热性好，热裂较敏感，一般不用切削液，若要使用切削液，可用低浓度的乳化液或水溶液，并且必须连续、充分地浇注，否则因骤冷骤热，产生的内应力使刀片产生裂纹；陶瓷刀具因热裂很敏感，一般不用切削液。

2）精加工时切削液的选择 精加工时，使用切削液的主要目的是减小工件表面粗糙度和提高加工精度，降低刀具磨损。如高速钢刀具在中、低速切削时，因摩擦较严重，应选用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液；硬质合金刀具在高速切削时，应选用以冷却为主的低浓度乳化液，改善润滑效果。

3）切削难加工材料时切削液的选择 切削高强度钢、高温合金等难加工材料时，由于这些材料硬质点多，热导率低，切削热不易散出，刀具磨损较快。所以对切削液的要求以冷却、润滑为主，应选用极压切削油或极压乳化液。

4）切削铜和铜合金时切削液的选择 因硫会腐蚀铜，所以切削铜和铜合金时一般不用含硫的切削液。

5）切削铝和铝合金时切削液的选择 切削铝和铝合金时不宜用水溶液和硫化切削油及含氯的切削液。因高温时水会使铝产生针孔；硫化切削油与铝形成强度高于铝本身的化合物，会增大刀具和切屑间的摩擦，不能起到润滑作用。

6）切削镁合金时切削液的选择 因镁和水作用会产生氢气，在切削高温中会燃烧，甚至发生爆炸引起大型事故。所以在切削镁合金时严禁用水溶液和乳化液，一般可用矿物油。

常用切削液的种类和选用如表7-9所示。

表7-9 切削液的种类和选用

续表