金屬切削加工過程中刀具與工件之間相互作用和各自的變化規(guī)律是一門學(xué)科。在設(shè)計(jì)機(jī)床和刀具﹑制訂機(jī)器零件的切削工藝及其定額﹑合理地使用刀具和機(jī)床以及控制切削過程時(shí)﹐都要利用金屬切削原理的研究成果﹐使機(jī)器零件的加工達(dá)到經(jīng)濟(jì)﹑優(yōu)質(zhì)和高效率的目的。
　　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(zhì)量等合乎要求的零件的加工過程。實(shí)現(xiàn)這一切削過程必須具備三個(gè)條件：工件 與刀具之間要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即切削運(yùn)動(dòng)；刀具材料必須具備一定的切削性能；刀具必須具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)，即切削角度等。金屬的切削加工過程是通過機(jī)床或手持 工具來進(jìn)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(xiàn)象和規(guī)律，這些現(xiàn)象和規(guī)律是學(xué)習(xí)各種切削加工方法的共同基礎(chǔ)。
　　發(fā)展簡史
　　
　　金屬切削原理的研究始于19世紀(jì)中葉。1851年，法國人M.科克基拉最早測量了鉆頭切削鑄鐵等材料時(shí)的扭矩，列出了切除單位體積材料所需功的表格1864年，法國人若塞耳首先研究了刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響1870年，俄國人..季梅首先解釋了切屑的形成過程，提出了金屬材料在刀具的前方不僅受擠壓而且受剪切的觀點(diǎn)。1896年，俄國人..布里克斯開始將塑性變形的概念引入金屬切削。至此，切屑形成才有了較完整的解釋。1904年，英國人J.F.尼科爾森制造了第一臺(tái)三向測力儀，使切削力的研究水平跨前了一大步。1907年美國人F.W.泰勒研究了切削速度對(duì)刀具壽命的影響，發(fā)表了著名的泰勒公式。1915年，俄國人..烏薩喬夫?qū)犭娕疾宓娇拷邢魅械男】字袦y得了刀具表面的溫度（常稱人工熱電偶法），并用實(shí)驗(yàn)方法找出這一溫度同切削條件間的關(guān)系1924～1926年，英國人E.G.赫伯特、美國人H.肖爾和德國人K.科特文各自獨(dú)立地利用刀具同工件間自然產(chǎn)生熱電勢的原理測出了平均溫度（常稱自然熱電偶法）。
　　1938～1940年美國人H.厄恩斯特和M.E.麥錢特利用高速攝影機(jī)通過顯微鏡拍攝了切屑形成過程，并且用摩擦力分析和解釋了斷續(xù)切屑和連續(xù)切屑的形成機(jī)理。40年代以來，各國學(xué)者系統(tǒng)地總結(jié)和發(fā)展了前人的研究成果，充分利用近代技術(shù)和先進(jìn)的測試手段，取得了很多新成就，發(fā)表了大量的論文和專著。例如，美國人S.拉馬林加姆和J.T.布萊克于1972年通過掃描電鏡利用微型切削裝置對(duì)切屑形成作了動(dòng)態(tài)觀察，得到用位錯(cuò)力學(xué)解釋切屑形成的實(shí)驗(yàn)根據(jù)。
　　學(xué)科內(nèi)容
　　總述
　　主要內(nèi)容包括金屬切削中切屑的形成和變形、切削力和切削功、切削熱和切削溫度、刀具的磨損機(jī)理和刀具壽命、切削振動(dòng)和加工表面質(zhì)量等。
　　切屑形成機(jī)理
　　
　　從力學(xué)的角度來看，根據(jù)簡化了的模型，金屬切屑的形成過程與用刀具把一疊卡片1、2、3、4、……等推到 1、2、3、4、……等位置（圖1[切屑形成過程示意圖])的情形相似，卡片之間相互滑移即表示金屬切削區(qū)域的剪切變形經(jīng)過這種變形以后，切屑從刀具前面上流過時(shí)又在刀、屑界面處產(chǎn)生進(jìn)一步的摩擦變形。通常，切屑的厚度比切削厚度大，而切屑的長度比切削長度短，這種現(xiàn)象就叫切屑變形。金屬被刀具前面所擠壓而產(chǎn)生的剪切變形是金屬切削過程的特征。由于工件材料刀具和切削條件不同，切屑的變形程度也不同，因此可以得到各種類型的切屑。
　　積屑瘤
　　在用低、中速連續(xù)切削一般鋼材或其他塑性材料時(shí)，切屑同刀具前面之間存在著摩擦，如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強(qiáng)和溫度的作用下，同切屑基體分離而粘結(jié)在刀具前面上，再經(jīng)層層重疊粘結(jié)，在刀尖附近往往會(huì)堆積成一塊經(jīng)過劇烈變形的楔狀切屑材料，叫做積屑瘤。積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上，實(shí)際上可代替刀刃切削。積屑瘤的底部較穩(wěn)定，頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線，容易破碎和脫落，一部分隨切屑帶走，一部分殘留在加工表面上，從而使工件變得粗糙。所以在精加工時(shí)一定要設(shè)法避免或抑制積屑瘤的形成。積屑瘤的產(chǎn)生、成長和脫落是一個(gè)周期性的動(dòng)態(tài)過程（據(jù)測定，它的脫落頻率為30～170次/秒），它使刀具的實(shí)際前角和切削深度也隨之發(fā)生變化，引起切削力波動(dòng)，影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下，當(dāng)切削速度很低或很高時(shí)，因沒有產(chǎn)生積屑瘤的必要條件（較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度），不產(chǎn)生積屑瘤。
　　技術(shù)要點(diǎn)
　　切削力
　　
　　切削時(shí)刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力F,在外圓車削時(shí)，一般將這個(gè)切削合力F分解成三個(gè)互相垂直的分力（圖3[切削合力和分力])：切向力F──它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力F──在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向垂直，又稱推力；軸向力F──在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向平行，又稱進(jìn)給力。一般情況下,F最大,F和F較小，由于刀具的幾何參數(shù)刃磨質(zhì)量和磨損情況的不同和切削條件的改變,F、F對(duì)F的比值在很大的范圍內(nèi)變化。
　　切削過程中實(shí)際切削力的大小，可以利用測力儀測出。測力儀的種類很多，較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測力儀。測力儀經(jīng)過標(biāo)定以后就可測出切削過程中各個(gè)分力的大小。
　　切削熱
　　切削金屬時(shí)，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔@種熱叫切削熱。使用切削液時(shí)，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，其中切屑帶走的熱量最大，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。
　　切削溫度
　　切削過程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個(gè)溫度場切屑和工件的溫度分布，這個(gè)溫度場影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說來，切削區(qū)的金屬經(jīng)過剪切變形以后成為切屑，隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦，所以溫度場中溫度分布的最高點(diǎn)不是在正壓力最大的刃口處，而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況，須用人工熱電偶法或紅外測溫法等測出。用自然熱電偶法測出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度。
　　刀具磨損
　　
　　具在切削時(shí)的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。刀具磨損表現(xiàn)為在刀具后面上出現(xiàn)的磨損帶、缺口和崩刃等，前面上常出現(xiàn)的月牙洼狀的磨損，副后面上有時(shí)出現(xiàn)的氧化坑和溝紋狀磨損等。當(dāng)這些磨損擴(kuò)展到一定程度以后就引起刀具失效，不能繼續(xù)使用。刀具逐漸磨損的因素，通常有磨料磨損、粘著磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下，尤其是在不同切削速度的條件下，刀具受上述一種或幾種磨損機(jī)理的作用。例如，在較低切削速度下，刀具一般都因磨料磨損或粘著磨損而破損；在較高速度下，容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損、氧化磨損和塑性變形。
　　刀具壽命
　　刀具由開始切削達(dá)到刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過的切削時(shí)間叫做刀具壽命（曾稱刀具耐用度），刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個(gè)預(yù)定值，也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)，如振動(dòng)激化、加工表面粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。達(dá)到刀具壽命后，應(yīng)將刀具重磨、轉(zhuǎn)位或廢棄。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。
　　生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按最低生產(chǎn)成本或最高生產(chǎn)率的原則，來確定刀具壽命和擬定工時(shí)定額。
　　切削加工性
　　指零件被切削加工成合格品的難易程度。它根據(jù)具體加工對(duì)象和要求，可用刀具壽命的長短、加工表面質(zhì)量的好壞、金屬切除率的高低、切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據(jù)。在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，常以作為某種材料的切削加工性的指標(biāo)，它的含義是：當(dāng)?shù)毒邏勖鼮榉昼姇r(shí)，切削該材料所允許的切削速度。越高，表示加工性越好，一般取60、30、20或10分鐘。
　　加工表面質(zhì)量
　　
　　通常包括表面粗糙度加工硬化殘余應(yīng)力、表面裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多，例如刀具的刀尖圓弧半徑進(jìn)給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素；刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的主要因素。因此，生產(chǎn)中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工表面質(zhì)量。
　　切削振動(dòng)
　　切削過程中，刀具與工件之間經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)（顫振）等類型的機(jī)械振動(dòng)。自由振動(dòng)是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊所引起，它會(huì)逐漸衰減。強(qiáng)迫振動(dòng)是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力（如不平衡的機(jī)床運(yùn)動(dòng)件、斷續(xù)切削等）所引起，它對(duì)切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力的大小及其頻率。自激振動(dòng)是由于刀具與工件之間受到突然干擾力（如切削中遇到硬點(diǎn)）而引起初始振動(dòng)，使刀具前角、后角和切削速度等發(fā)生變化，以及產(chǎn)生振型耦合等，并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源，促進(jìn)并維持振動(dòng)。通常，根據(jù)切削條件可能產(chǎn)生各種原生型自激振動(dòng)，從而在加工表面上留下的振紋，又會(huì)產(chǎn)生更為常見的再生型自激振動(dòng)。上述各種振動(dòng)通常都會(huì)影響加刀表面質(zhì)量，降低機(jī)床和刀具的壽命，降低生產(chǎn)率，并引起噪聲，極為有害，必須設(shè)法消除或減輕。
　　切屑控制
　　指控制切屑的形狀和長短。通過控制切屑的卷曲半徑和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半徑被迫加大，促使切屑中的應(yīng)力也逐漸增加，直至折斷切屑的卷曲半徑可以通過改變切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或斷屑臺(tái)來控制，其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來控制�，F(xiàn)代人們已能用兩位或三位數(shù)字編碼的方式來表示各種切屑的形狀，通常認(rèn)為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。
　　切削液
　　
　　也稱冷卻潤滑液，用于減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度，以提高刀具壽命、加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。常用的切削液有切削油、乳化液和化學(xué)切削液3類。
　　生產(chǎn)應(yīng)用
　　在設(shè)計(jì)和使用機(jī)床和刀具時(shí)，需要應(yīng)用切削原理中有關(guān)切削力、切削溫度和刀具切削性能方面的數(shù)據(jù)。例如，在確定機(jī)床主軸的最大扭矩和剛性等基本參數(shù)時(shí)，要應(yīng)用切削力的數(shù)據(jù)；在發(fā)展高切削性能的新材料時(shí)，需掌握刀具磨損和破損的規(guī)律；在切削加工中分析熱變形對(duì)加工精度的影響時(shí)，要研究切削溫度及其分布；在自動(dòng)生產(chǎn)線和數(shù)字控制機(jī)床上，為了使機(jī)床能正常地穩(wěn)定工作，甚至實(shí)現(xiàn)無人化操作，更要應(yīng)用有關(guān)切屑形成及其控制方面的研究成果，并在加工中實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動(dòng)補(bǔ)償和刀具破損的自動(dòng)報(bào)警。為此，各國研制了品種繁多的在線檢測刀具磨損和破損的傳感器，其中大多數(shù)是利用切削力或扭矩、切削溫度、刀具磨損作為傳感信號(hào)。此外，為了充分利用機(jī)床，提高加工經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，常需要應(yīng)用切削條件、刀具幾何形狀和刀具壽命等的優(yōu)化數(shù)據(jù)。因此，金屬切削原理這門學(xué)科在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，各國都通過切削試驗(yàn)或現(xiàn)場采集積累了大量的切削數(shù)據(jù)，并用數(shù)學(xué)模型來表述刀具壽命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削條件之間的關(guān)系，然后存入計(jì)算機(jī),建立金屬切削數(shù)據(jù)庫或編制成切削數(shù)據(jù)手冊，供用戶查用。
　　通用操作規(guī)程
　　一、操作者必須經(jīng)過考試合格，持有本機(jī)床的《設(shè)備操作證》方可操作本機(jī)床。
　　二、工作前認(rèn)真作到：
　　1、仔細(xì)閱讀交接班記錄，了解上一班機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和存在問題。
　　2、檢查機(jī)床、工作臺(tái)、導(dǎo)軌以及各主要滑動(dòng)面，如有障礙物、工具、鐵屑、雜質(zhì)等，必須清理、擦拭干凈、上油。
　　3、檢查工作臺(tái)，導(dǎo)軌及主要滑動(dòng)面有無新的拉、研、碰傷，如有應(yīng)通知班組長或設(shè)備員一起查看，并作好記錄。
　　4、檢查安全防護(hù)、制動(dòng)（止動(dòng)）、限位和換向等裝置應(yīng)齊全完好。
　　5、檢查機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等操作手柄、伐門、開關(guān)等應(yīng)處于非工作的位置上。
　　6、檢查各刀架應(yīng)處于非工作位置。
　　7、檢查電器配電箱應(yīng)關(guān)閉牢靠，電氣接地良好。
　　8、檢查潤滑系統(tǒng)儲(chǔ)油部位的油量應(yīng)符合規(guī)定，封閉良好。油標(biāo)、油窗、油杯、油嘴、油線、油氈、油管和分油器等應(yīng)齊全完好，安裝正確。按潤滑指示圖表規(guī)定作人工加油或機(jī)動(dòng)（手位）泵打油，查看油窗是否來油。
　　9、停車一個(gè)班以上的機(jī)床，應(yīng)按說明書規(guī)定及液體靜壓裝置使用規(guī)定（詳見附錄Ⅰ）的開車程序和要求作空動(dòng)轉(zhuǎn)試車3~5分鐘。檢查：
　�、� 操縱手柄、伐門、開關(guān)等是否靈活、準(zhǔn)確、可靠。
　�、� 安全防護(hù)、制動(dòng)（止動(dòng)）、聯(lián)鎖、夾緊機(jī)構(gòu)等裝置是否起作用。
　�、� 校對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否有足夠行程，調(diào)正并固定限位、定程擋鐵和換向碰塊等。
　�、� 由機(jī)動(dòng)泵或手拉泵潤滑部位是否有油，潤滑是否良好。
　�、� 機(jī)械、液壓、靜壓、氣動(dòng)、靠模、仿形等裝置的動(dòng)作、工作循環(huán)、溫升、聲音等是否正常。壓力（液壓、氣壓）是否符合規(guī)定。確認(rèn)一切正常后，方可開始工作。
　　凡連班交接班的設(shè)備，交接班人應(yīng)一起按上述(9條）規(guī)定進(jìn)行檢查，待交接班清楚后，交班人方可離去。凡隔班接班的設(shè)備，如發(fā)現(xiàn)上一班有嚴(yán)重違犯操作規(guī)程現(xiàn)象，必須通知班組長或設(shè)備員一起查看，并作好記錄，否則按本班違犯操作規(guī)程處理。
　　在設(shè)備檢修或調(diào)整之后，也必須按上述(9條）規(guī)定詳細(xì)檢查設(shè)備，認(rèn)為一切無誤后方可開始工作。
　　三、工作中認(rèn)真作到：
　　1、 堅(jiān)守崗位，精心操作，不做與工作無關(guān)的事。因事離開機(jī)床時(shí)要停車，關(guān)閉電源、氣源。
　　2、 按工藝規(guī)定進(jìn)行加工。不準(zhǔn)任意加大進(jìn)刀量、磨削量和切（磨）削速度。不準(zhǔn)超規(guī)范、超負(fù)荷、超重量使用機(jī)床。不準(zhǔn)精機(jī)粗用和大機(jī)小用。
　　3、 刀具、工件應(yīng)裝夾正確、緊固牢靠。裝卸時(shí)不得碰傷機(jī)床。找正刀具、工件不準(zhǔn)重錘敲打。不準(zhǔn)用加長搬手柄增加力矩的方法緊固刀具、 工件。
　　4、 不準(zhǔn)在機(jī)床主軸錐孔、尾座套筒錐孔及其他工具安裝孔內(nèi)，安裝與其錐度或孔徑不符、表面有刻痕和不清潔的頂針、刀具、刀套等。
　　5、 傳動(dòng)及進(jìn)給機(jī)構(gòu)的機(jī)械變速、刀具與工件的裝夾、調(diào)正以及工件的工序間的人工測量等均應(yīng)在切削、磨削終止，刀具、磨具退離工件后停車進(jìn)行。
　　6、 應(yīng)保持刀具、磨具的鋒利，如變鈍或崩裂應(yīng)及時(shí)磨鋒或更換。
　　7、 切削、磨削中，刀具、磨具未離開工件，不準(zhǔn)停車。
　　8、 不準(zhǔn)擅自拆卸機(jī)床上的安全防護(hù)裝置，缺少安全防護(hù)裝置的機(jī)床不準(zhǔn)工作。
　　9、 液壓系統(tǒng)除節(jié)流伐外其他液壓伐不準(zhǔn)私自調(diào)整。
　　10、機(jī)床上特別是導(dǎo)軌面和工作臺(tái)面，不準(zhǔn)直接放置工具，工件及其他雜物。
　　11、經(jīng)常清除機(jī)床上的鐵屑、油污，保持導(dǎo)軌面、滑動(dòng)面、轉(zhuǎn)動(dòng)面、定位基準(zhǔn)面和工作臺(tái)面清潔。
　　12、密切注意機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)情況，潤滑情況，如發(fā)現(xiàn)動(dòng)作失靈、震動(dòng)、發(fā)熱、爬行、噪音、異味、碰傷等異�，F(xiàn)象，應(yīng)立即停車檢查，排除故障后，方可繼續(xù)工作。
　　13、機(jī)床發(fā)生事故時(shí)應(yīng)立即按總停按鈕，保持事故現(xiàn)場，報(bào)告有關(guān)部門分析處理。
　　14、不準(zhǔn)在機(jī)床上焊接和補(bǔ)焊工件。
四、工作后認(rèn)真作到：
　　1、 將機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等操作手柄、伐門、開關(guān)等板到非工作位置上。
　　2、 停止機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電源、氣源。
　　3、 清除鐵屑，清掃工作現(xiàn)場，認(rèn)真擦凈機(jī)床。導(dǎo)軌面、轉(zhuǎn)動(dòng)及滑動(dòng)面、定位基準(zhǔn)面、工作臺(tái)面等處加油保養(yǎng)。
　　4、 認(rèn)真將班中發(fā)現(xiàn)的機(jī)床問題，填到交接班記錄本上，做好交班工作。