機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)-第4章-0515

1、- 1 -第第 4 章章 金屬切削與磨削原理金屬切削與磨削原理.- 44 -4.1金屬切削與刀具概述 - 44 -4.2刀具材料 - 49 -4.3金屬切削過(guò)程 - 56 -4.4切削力 - 63 -4.5切削熱和切削溫度 - 67 -4.6刀具磨損與刀具使用壽命 - 70 -4.7材料的切削加工性 - 75 -4.8切削液及其應(yīng)用 - 79 -4.9刀具幾何參數(shù)的選擇 - 81 -4.10 切削用量的選擇 - 84 -4.11 砂輪與磨削原理 - 85 - 44 -第第 4 章章 金屬切削與磨削原理金屬切削與磨削原理金屬材料的切削加工是用硬度高于工件材料的刀具，在工件表層切去多余的金屬，使工

2、件達(dá)到尺寸精度、幾何精度、表面質(zhì)量等設(shè)計(jì)要求。研究和掌握切削過(guò)程的基本規(guī)律，對(duì)合理使用和設(shè)計(jì)工藝裝備特別是刀具，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本等方面有著重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)金屬切削過(guò)程，必須滿足以下三個(gè)條件：(1)工件與刀具之間要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即切削運(yùn)動(dòng)；(2)刀具材料必須有定的切削性能；(3)刀具必須具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)。4.1金屬切削金屬切削與刀具概述與刀具概述4.1.1基本概念基本概念1. 切削運(yùn)動(dòng)與切削中的工件表面切削運(yùn)動(dòng)與切削中的工件表面用刀具切除工件材料，刀具和工件之間必須要有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)由主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組成。主運(yùn)動(dòng)是由機(jī)床或人力提供的，促使刀具能夠?qū)ぜa(chǎn)生切削

3、過(guò)程的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是切削中速度最高、消耗功率最大的運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)方向是將工件視為靜止，刀具相對(duì)于工件產(chǎn)生切削運(yùn)動(dòng)的方向。一般情況下，切削中只能有一個(gè)主運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由機(jī)床或人力提供的，促使刀具連續(xù)或周期性地對(duì)工件產(chǎn)生切削過(guò)程的附加相對(duì)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向也是將工件視為靜止，刀具相對(duì)于工件使切削能得以繼續(xù)的運(yùn)動(dòng)方向。主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都可以由工件或刀具的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。切削過(guò)程中，工件上有三個(gè)變化著的表面：待加工表面是工件上有待切除的表面；已加工表面是工件上經(jīng)刀具切削后形成的表面；過(guò)渡表面是工件上由切削刃形成的那部分表面，處于已加工表面和待加工表面之間，將在下一切削行程、刀具或工件下一轉(zhuǎn)里或由下一切削刃切除

4、。圖 4-1 給出了切削運(yùn)動(dòng)與工件表面示意圖。 a) 外圓車(chē)削 b) 平面刨削圖 4-1 切削運(yùn)動(dòng)與工件表面示意圖在圖 4-1 a)所示外圓車(chē)削中，主運(yùn)動(dòng)由工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生；刀具沿工件軸線方向的直線運(yùn)動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在工件旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，刀具將沿軸向連續(xù)進(jìn)給。在圖 4-1b) 所示平面刨削中， 刀具相對(duì)于工件向前的直線運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)；當(dāng)?shù)毒咄瓿梢淮吻邢鞑⒎祷仄瘘c(diǎn)后，刀具相對(duì)于工件向左的直線運(yùn)動(dòng)為間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。切削中，主運(yùn)動(dòng)的速度稱(chēng)為切削速度，用 vc表示；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度稱(chēng)為進(jìn)給速度，用vf表示。主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成后的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為合成切削運(yùn)動(dòng)。在圖 4-1 a)所示外圓車(chē)削中，合成切削運(yùn)動(dòng)速度 ve的大

5、小和方向由下式確定：- 45 - (4-1)ecfvvv2切削用量切削用量切削加工中，根據(jù)加工方法、加工精度、加工效率和加工成本等要求選用適宜的切削速度 vc，進(jìn)給量 f (或進(jìn)給速度 vf)和背吃刀量 ap，三者合稱(chēng)為切削用量，或切削用量三要素。(1) 切削速度 vc (m/min 或 m/s) 主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削速度是刀具與工件之間的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)速度。主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般情況，切削速度是參加實(shí)際切削的切削刃上最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算公式為： (4-2)1000cdnv式中 d工件或刀具的最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)直徑(mm)；n工件(或刀具)的轉(zhuǎn)速(r/min 或 r/s)。(2) 進(jìn)給量 f

6、(mm/r 或 mm/z) 工件或刀具轉(zhuǎn)周(或每往復(fù)一次)，兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移量稱(chēng)為進(jìn)給量。其單位是 mm/r(或 mm/雙行程)：對(duì)于銑刀、鉸刀、拉刀等多齒刀具，還規(guī)定每刀齒進(jìn)結(jié)量 fz，單位是 mm/z。進(jìn)給速度 vf、進(jìn)給量 f 和每齒進(jìn)給量 fz之間的關(guān)系為： (4-3)fzvnfnzf式中 z齒數(shù)。(3) 背吃刀量 ap(mm) 背吃刀量是工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離。外圓車(chē)削中的背吃刀量為： (4-4)2-mwpdda 式中 dw待加工表面的直徑(mm)； dm已加工表面的直徑(mm)。3切削層參數(shù)切削層參數(shù)切削刃在一次走刀中從工件上切下的一層材料稱(chēng)為切削層。切

7、削層的截面尺寸參數(shù)稱(chēng)為切削層參數(shù)。切削層參數(shù)通常在與主運(yùn)動(dòng)方向相垂直的平面內(nèi)觀察和測(cè)量。(1) 切削層公稱(chēng)厚度 hD 垂直于過(guò)渡表面度量的切削層尺寸稱(chēng)為切削層公稱(chēng)厚度 hD，簡(jiǎn)稱(chēng)為切削厚度。如圖 4-2 所示，若車(chē)削中主切削刃為直線刃，切削厚度為： (4-5)rDsinfh 式中 r主偏角()。圖 4-2 切削層參數(shù)(2) 切削層公稱(chēng)寬度 bD 沿過(guò)渡表面度量的切削層尺寸稱(chēng)為切削層公稱(chēng)寬度 bD，簡(jiǎn)稱(chēng)- 46 -為切削寬度。車(chē)削中主切削刃為直線，切削寬度為： (4-6)rpDsinab (3) 切削層公稱(chēng)橫截面積 AD 切削層在切削層尺寸度量平面內(nèi)的橫截面積稱(chēng)為切削層公稱(chēng)橫截面積 AD，簡(jiǎn)稱(chēng)為

8、切削面積。對(duì)于車(chē)削，切削面積為： (4-7)pDDDafbhA4切削方式切削方式(1) 自由切削與非自由切削 只有條切削刃參加切削工作的切削稱(chēng)為自由切削，寬刃刨刀刨削就屬于自由切削，如圖 4-3 所示，此時(shí)切削刃上各點(diǎn)切屑流出方向大致相同。切削層金屬變形基本在二維平面內(nèi)，即為平面變形。反之，像外圓車(chē)削、切槽(切斷)、車(chē)螺紋等。副切削刃也參加已加工表面形成的切削稱(chēng)為非自由切削。(2) 直角切削與斜角切削 切削刃上選定點(diǎn)的切線垂直于該點(diǎn)切削速度的切削稱(chēng)為直角切削，或正切削，如圖 4-4 (a)，否則稱(chēng)為斜角切削，或斜切削，生產(chǎn)中大多屬斜角切削，如圖 4-4 (b)所示。直角切削時(shí)切屑是沿切削刃的法

9、向流出的。只將工件斜置，vc方向不變的切削仍屬直角切削。 刀具工件切屑vcO-O平面視圖圖 4-3 寬刃刨削 圖 4-4 直角切削與斜角切削4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度刀具構(gòu)造及刀具角度金屬切削刀具上承擔(dān)切削工作的部分稱(chēng)為刀具的切削部分，刀具的種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)各異，但切削部分具有相同或相近的特征。外圓車(chē)刀是最基本、最典型的形態(tài)。1刀具切削部分的構(gòu)造刀具切削部分的構(gòu)造外圓車(chē)刀由刀柄和切削部分(也稱(chēng)刀頭)組成，如圖 4-5 所示。刀柄是用于夾持刀具的部分，一般為長(zhǎng)方體或圓柱體。切削部分是刀具上起切削作用的部分，其結(jié)構(gòu)和定義為：(1) 前面 A 刀具上切屑流過(guò)的表面，也稱(chēng)前刀面。(2) 主后面 A 刀

10、具上與過(guò)度表面相對(duì)的表面，也稱(chēng)主后刀面。(3) 副后面 A刀具上與已加工表面相對(duì)的表面，也稱(chēng)副后刀面。當(dāng)?shù)毒咔邢鞑糠譀](méi)有副后刀面時(shí)，主后刀面可直接稱(chēng)為后面或后刀面。(4) 主切削刃 S 刀具上前刀面與主后刀面的交線。(5) 副切削刃 S 刀具上前刀面與副后刀面的交線。(6) 刀尖 連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，可以是一段小的圓弧，也可以是一段直線，在一定條件下可簡(jiǎn)化為一交點(diǎn)。2刀具的標(biāo)注角度刀具的標(biāo)注角度(1) 刀具靜止參考系 刀具要從工件上切下金屬材料，就必須具有一定的切削角度，- 47 -這些角度能決定刀具切削部分各表面的相對(duì)位置。為了確定和測(cè)量刀具的角度，需要建立一個(gè)空間坐標(biāo)參考系，

11、這個(gè)參考系由三個(gè)參考平面組成，定義如下：1) 基面 Pr 通過(guò)主切削刃上的某選定點(diǎn)，與該點(diǎn)假定主方向相垂直的平面。2) 切削平面 Ps 通過(guò)主切削刃上某選定點(diǎn)，與主切削刃相切并垂直于該點(diǎn)基面的平面。3) 正交平面 Po 通過(guò)主切削刃上某選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于該點(diǎn)基面和切削平面的平面?？梢?jiàn)，這三個(gè)參考平面是互相垂直的，由它們組成的刀具標(biāo)注角度參考系稱(chēng)為正交平面參考系，如圖 4-6 所示。除正交平面參考系外，常用的標(biāo)注刀具角度的參考系還有法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。 圖 4-5 外圓車(chē)刀的構(gòu)造 圖 4-6 正交平面參考系(2) 刀具的標(biāo)注角度 在刀具標(biāo)注角度參考系中測(cè)得的角度稱(chēng)為刀具的標(biāo)

12、注角度。標(biāo)注角度應(yīng)標(biāo)注在刀具的設(shè)計(jì)圖中，用于刀具制造、刃磨和測(cè)量。如圖 4-7 所示，在正交平面參考系中，刀具的主要標(biāo)注角度有以下 6 個(gè)，其定義如下：o0基面Pr前刀面切削平面Ps主后刀面ofSorrOOOOsS向O-OO-O圖 4-7 車(chē)刀在正交平面參考系中的標(biāo)注角度1) 前角 o 在正交平面內(nèi)測(cè)量的前刀面和基面間的夾角。前刀面在基面之下時(shí)前角為正值，前刀面在基面之上時(shí)前角為負(fù)值。2) 后角 o 在正交平面內(nèi)測(cè)量的主后刀面與切削平面間的夾角，一般為正值。3) 主偏角 r 在基面內(nèi)測(cè)量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向間的夾角。- 48 -4) 副偏角 r 在基面內(nèi)測(cè)量的副切削刃在基面上

13、的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向間的夾角。5) 刃傾角 s 在切削平面內(nèi)測(cè)量的主切削刃與基面之間的夾角。在主切削刃上，刀尖為最高點(diǎn)時(shí)刃傾角為正值，刀尖為最低點(diǎn)時(shí)刃傾角為負(fù)值。主切削刃與基面平行時(shí)，刃傾角為零，此時(shí)主切削刃與切削速度方向垂直，即直角切削。6) 副后角 o 要完全確定車(chē)刀切削部分所有表面的空間位置，還需標(biāo)注副后角 o，副后角 o確定副后刀面的空間位置。 (3) 刀具的工作角度 上面討論的外圓車(chē)刀的標(biāo)注角度，是在忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響并假定刀桿軸線與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向垂直以及切削刃上選定點(diǎn)與工件中心等高的條件下確定的。如果考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具實(shí)際安裝情況的影響，參考平面的位置應(yīng)按合成切削運(yùn)動(dòng)方向來(lái)確定

14、，這時(shí)的參考系稱(chēng)為刀具工作角度參考系。在工作角度參考系中確定的刀具角度稱(chēng)為刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的實(shí)際工作狀態(tài)。1) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響 當(dāng)?shù)毒邔?duì)工件作切斷或切槽工作時(shí)，刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是沿橫向進(jìn)行的，如圖 4-8 所示，當(dāng)不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，按切削速度 c的方向確定的基面和切削平面分別為 Pr和 Ps?？紤]進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響后，刀具在工件上的運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線，按合成切削速度 e的方向確定的工作基面和工作切削平面分別為 Pre和 Pse。工作前角 oe和工作后角 oe為： (4-8)oeo+oeo- 式中 。fc=arctan=arctanvfvd切分析上式可知，進(jìn)給量

15、f 越大， 值越大；工件切削直徑 d切越小， 值越大。過(guò)大的 值有可能使 oe變?yōu)樨?fù)值，后刀面將與工件相碰，這是不允許的。切斷刀應(yīng)選用較大的標(biāo)注后角 o，進(jìn)給量 f 的取值也不宜過(guò)大。圖 4-8 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響刀具沿縱向進(jìn)給且進(jìn)給量 f 的取值較大時(shí)，例如車(chē)螺紋，螺紋車(chē)刀的工作前角oe=o+，大于標(biāo)注前角 o；工作后角 oe=o-，小于標(biāo)注后角 o，其中tan=tanfsinr，f=arctan(vf/vc)。2) 刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響 安裝刀具時(shí)，如刀尖高于或低于工件中心，會(huì)引起刀具工作角度的變化，如圖 4-9 所示，若不考慮車(chē)刀橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響，如果刀尖安裝得高于工

16、件中心，基面由 Pr變?yōu)?Pre，切削平面由 Ps變?yōu)?Pse，工作前角 oe將大于標(biāo)注前角 o，工作后角 oe將小于標(biāo)注后角 o。如果刀尖安裝低于工件中心，則工作角度的變化情況恰好相反，oe將小于 o，oe將大于 o。- 49 -車(chē)刀刀柄中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)，如圖 4-10 所示，會(huì)引起工作主偏角 r和工作副偏角 r的變化，即，A是刀柄中心線與進(jìn)給方向的夾角。rerA=rerA= 圖 4-9 刀具安裝高低對(duì)工作角度的影響 圖 4-10 刀柄中心線與與進(jìn)給方向不垂直對(duì)工 作角度的影響4.2刀具材料刀具材料金屬切削刀具性能的優(yōu)劣取決于刀具材料、切削部分幾何形狀以及刀具的結(jié)構(gòu)。刀具材料的選擇對(duì)

17、刀具壽命、加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率影響極大。根據(jù)刀具材料的發(fā)展歷程，在切削加工中常用的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。目前，在生產(chǎn)中所用的刀具材料主要是高速鋼和硬質(zhì)合金兩類(lèi)。4.2.1刀具材料的性能要求刀具材料的性能要求切削時(shí)刀具要承受高溫、高壓、摩擦和沖擊的作用，刀具材料須滿足以下基本要求：(1) 較高的硬度和耐磨性 刀具的硬度必須比工件高，這是刀具材料最基本的性能。一般情況，刀具材料的硬度應(yīng)是工件材料的 1.31.5 倍。刀具材料還要具有良好的耐磨性，可以經(jīng)受切削過(guò)程中的劇烈摩擦，一般來(lái)說(shuō)，刀具硬度越高，耐磨性越好。(2) 足夠的強(qiáng)度和韌性 刀具材

18、料要能夠承受切削過(guò)程中的沖擊和振動(dòng)，不產(chǎn)生崩刃和斷裂，刀具材料必須具有足夠的抗彎強(qiáng)度 bb和沖擊韌性 k。一般情況，刀具材料的硬度越高，bb和 k值越低。在刀具材料選用時(shí)，應(yīng)給予硬度與韌性之間的平衡關(guān)系。(3) 較高的耐熱性 耐熱性也稱(chēng)為熱穩(wěn)定性，是指刀具材料在高溫作用下應(yīng)具有足夠的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性。耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要指標(biāo)，一般用保持其常溫下切削性能的溫度來(lái)表示耐熱性。(4) 良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能 刀具材料的導(dǎo)熱性要好，可以加快切削熱向外傳導(dǎo)，有利于降低切削溫度，否則內(nèi)部會(huì)承受熱沖擊作用而產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致刀具斷裂。在斷續(xù)切削(如銑削)中，刀具常常受到很大的熱沖

19、擊，易出現(xiàn)裂紋。(5) 工藝性 刀具材料應(yīng)具有良好的可制造性，即工藝性，包括鍛造性能、切削磨削加工性、焊接性能、熱處理性能、高溫塑性及刃磨性能等，從而便于刀具制造。(6) 經(jīng)濟(jì)性 應(yīng)理解為整體上的經(jīng)濟(jì)性，好的經(jīng)濟(jì)性是刀具材料價(jià)格及刀具制造成本不高，使分?jǐn)偟矫總€(gè)工件的成本不高。值得注意的是。有些刀具材料雖然單價(jià)很高，但因其使用壽命長(zhǎng)，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的成本不定很高，仍有好的經(jīng)濟(jì)性。4.2.2碳素工具鋼與合金工具鋼碳素工具鋼與合金工具鋼碳素工具鋼指含碳量在 0.65%1.35%的優(yōu)質(zhì)高碳鋼，常用牌號(hào)有 T8A、T10A 和- 50 -T12A，以 T12A 應(yīng)用最多，其含碳量為 1.15%1.2%，

20、淬火后硬度可達(dá) 6366 HRC，紅硬性為 250300。當(dāng)切削溫度過(guò)高，馬氏體組織要分解，使得硬度降低；碳化物分布不均勻，淬火后變形較大，易產(chǎn)生裂紋；淬透性差，淬硬層薄，故允許的切削速度vc=510m/min，從而只適于制造手用和切削速度很低的工具，如銼刀、手用鋸條、絲錐和板牙等。針對(duì)碳素工具鋼的耐熱性差、淬透性差、淬火后變形大的缺點(diǎn)，在高碳鋼中加入合金元素 Si、Cr、W、Mn 等，總量不宜超過(guò) 3%5%，可提高淬透性和回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒，減小變形，成為合金工具鋼，常用牌號(hào)有 9SiCr、CrWMn 等。紅硬性為 325400，允許的切削速度為 vc=1015m/min。合金工具鋼主要用

21、于低速工具，如絲錐、板牙、鉸刀、滾絲輪、搓絲板等。4.2.3高速鋼高速鋼高速鋼是合金工具鋼之一，是含有 C、W、Mo、Cr、V、Co、Al 等元素的鐵基合金，全稱(chēng)為高速工具鋼，也稱(chēng)白鋼或鋒鋼。碳和合金含量平衡配置，以獲得切削所需的高淬硬性、高耐磨性、高紅硬性和良好的韌性。高速鋼在工具鋼中且有最高的高溫硬度和紅硬性。高速鋼具有較高的硬度和耐熱性，切削溫度在 500650時(shí)仍能進(jìn)行切削；高速鋼強(qiáng)度高、韌性好，適用于有沖擊、振動(dòng)的切削加工；高速鋼的工藝性好，容易磨出鋒利切削刃，適用于制造各類(lèi)刀具，尤其是鉆頭、銑刀、成形刀具等；高速鋼刀具可加工結(jié)構(gòu)鋼、鑄鐵、有色金屬、鈦合金、不銹鋼、高溫合金等金屬材料

22、。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T17111-2008切削刀具 高速鋼分組代號(hào)中有 19 種高速鋼牌號(hào)，按生產(chǎn)工藝分為常規(guī)高速鋼和粉末冶金高速鋼，表 4-1 給出了高速鋼分組方法及代號(hào)。表 4-1 高速鋼分組方法及代號(hào)生產(chǎn)工藝名稱(chēng)代號(hào)分組方法高性能高速鋼HSS-E含 Co 量4.5%或含 V 量2.6%或含 Al量為 0.8%1.2%的高速鋼普通高速鋼HSS含 Co 量4.5%和含 V 量2.6%，且鎢當(dāng)量W11.75 的高速鋼常規(guī)高速鋼低合金高速鋼HSS-L鎢當(dāng)量W11.75，且6.5 的高速鋼高性能粉末高速鋼HSS-E-PM含 Co 量4.5%或含 V 量2.6%的粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼普通粉末高

23、速鋼HSS-PM含 Co 量4.5%和含 V 量o，可達(dá) 30，從而切削變形減小，切削力減小。積屑瘤越高，工作前角越大。(2) 切削厚度增加 積屑瘤前端伸出了切削刃，使切削厚度增大，其增量為 hD，將隨著積屑瘤的成長(zhǎng)逐漸增大。(3) 切削過(guò)程不穩(wěn)定 積屑瘤是逐層粘結(jié)而成，底部接觸面積較大，受力較均勻，相對(duì)穩(wěn)定。但積屑瘤頂部接觸面積較小，受力不均勻，從而不穩(wěn)定，易出現(xiàn)周期性地生長(zhǎng)和脫落，從而使工作前角和切削厚度都隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力也變化，從而切削過(guò)程不穩(wěn)定。(4) 加工表面質(zhì)量下降 積屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平，形狀也不規(guī)則，會(huì)使加工表面粗糙度增大；破裂脫落的積屑瘤也有可能嵌入加工表

24、面，使加工表面質(zhì)量下降。(5) 影響刀具壽命 積屑瘤穩(wěn)定時(shí)，可代替切削刃切削，有減小刀具磨損、提高刀具壽命的作用。但如果積屑瘤不穩(wěn)定，從前刀面上頻繁生長(zhǎng)和脫落，可能會(huì)把前刀面上刀具材料顆粒粘結(jié)帶走，反而使刀具壽命下降，這種現(xiàn)象易發(fā)生在硬質(zhì)合金刀具上。3. 抑制積屑瘤的措施抑制積屑瘤的措施積屑瘤對(duì)切削過(guò)程的影響雖有積極的一面，但更多的是消極的一面，即弊大于利。精加工時(shí)必須防止積屑瘤的產(chǎn)生，可采取的控制措施有：(1) 正確選用切削速度，使切削速度避開(kāi)產(chǎn)生積屑瘤的區(qū)域；適當(dāng)減小進(jìn)給量(或切削厚度)，從而減前刀面上的正壓力。(2) 使用潤(rùn)滑性能好的切削液，目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦。

25、(3) 增大刀具前角 o，減小刀具前刀面與切屑之間的壓力，增強(qiáng)切屑的流動(dòng)性。(4) 通過(guò)熱處理，適當(dāng)減小工件材料的塑性，從而減小加工硬化傾向。4.3.4影響切削變形的主要因素影響切削變形的主要因素研究分析切削過(guò)程變形規(guī)律可知，影響切削變形的主要因素有工件材料、刀具幾何參數(shù)、切削厚度、切削速度，影響規(guī)律可由前面提到的以下 4 個(gè)關(guān)系式進(jìn)行解釋。 sav=arctano4ho=cot cos+sin1工件材料工件材料工件材料強(qiáng)度、硬度越高，前刀面上的正應(yīng)力 av越大，摩擦系數(shù) 越小，摩擦角 越小，剪切角越大，從而切削變形 h越小。2刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)- 62 -刀具前角 o越大，剪切角越大，

26、變形系數(shù) h越??；但 o增大時(shí)，切屑作用在前刀面上的正應(yīng)力 av減小，使摩擦角 和摩擦系數(shù) 增大，導(dǎo)致減小，又使變形系數(shù) h越小。由于后者影響較小，h還是隨 o的增大而減小。有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng) o從 0增大到 20時(shí)，由剪切角公式可知增大 20；但由于 o增大， 從 0.66 增大至 0.8，相當(dāng)于 從 33增大到 39，使減小了 6，綜合結(jié)果是增大 14。3切削層公稱(chēng)厚度切削層公稱(chēng)厚度在無(wú)積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削層公稱(chēng)厚度 hD越大，前刀面上的正應(yīng)力 av越大，摩擦系數(shù) 越小，剪切角越大，從而變形系數(shù) h越小。4切削速度切削速度在無(wú)積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削速度 vc越大，變形系數(shù) h越小

27、。主要原因是：1)塑性變形的傳播速度較彈性變形慢，切削速度越高，切削變形越不充分，導(dǎo)致變形系數(shù) h減小；2)提高切削速度使切削溫度增高，切屑底層材料的剪切屈服強(qiáng)度 s，因溫度增高而略有下降，導(dǎo)致前刀面摩擦系數(shù) 減小，使變形系數(shù) h減小。4.3.5切屑的類(lèi)型及其控制切屑的類(lèi)型及其控制1. 切屑的類(lèi)型切屑的類(lèi)型由于工件材料不同，切削條件各異，切削過(guò)程中生成的切屑形狀是多種多樣的。切屑的形狀有帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎四種類(lèi)型，如圖 4-22 所示。1) 帶狀切屑 這是最常見(jiàn)的一種切屑，其內(nèi)表面是光滑的，外表面呈毛茸狀。加工塑性金屬時(shí)，在切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大的工況條件下常形成此類(lèi)切屑

28、。(a)帶狀切屑 (b)節(jié)狀切屑 (c)粒狀切屑 (d)崩碎切屑圖 4-22 切屑類(lèi)型2) 節(jié)狀切屑 又稱(chēng)擠裂切屑。它的外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時(shí)有裂紋。在切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時(shí)常產(chǎn)生此類(lèi)切屑。3) 粒狀切屑 又稱(chēng)單元切屑。在切屑形成過(guò)程中，如剪切面上的切應(yīng)力超過(guò)了材料的斷裂強(qiáng)度，則切屑單元便從被切材料上脫落，形成粒狀切屑。4) 崩碎切屑 切削脆性金屬時(shí)，由于材料塑性很小、抗拉強(qiáng)度較低，刀具切削時(shí)，切削層金屬在刀具前刀面的作用下，未經(jīng)明顯的塑性變形就在拉應(yīng)力作用下脆斷，形成形狀不規(guī)則的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到這類(lèi)切屑。 前三種切屑是加工塑性金屬時(shí)常見(jiàn)的三

29、種切屑類(lèi)型。形成帶狀切屑時(shí)，切削過(guò)程最平穩(wěn)，切削力波動(dòng)小，加工表面粗糙度較??；形成粒狀切屑時(shí)，切削過(guò)程中的切削力波動(dòng)最大。前三種切屑類(lèi)型可以隨切削條件變化而相互轉(zhuǎn)化，例如，在形成節(jié)狀切屑工況條件下，如進(jìn)一步減小前角，或加大切削厚度，就有可能得到粒狀切屑；反之，加大前角，減小切削厚度，就可得到帶狀切屑。2. 切屑類(lèi)型的控制切屑類(lèi)型的控制在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們會(huì)看到不同的排屑情況，有的切屑打成螺卷狀，達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)自行折斷；有的切屑折斷成 C 形、6 字形；有的呈發(fā)條狀卷屑；有的碎成針狀或小片，四- 63 -處飛濺，影響安全；有的帶狀切屑纏繞在刀具和工件上，易造成事故。不良的排屑狀態(tài)會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)

30、行，因此控制切屑類(lèi)型和流向具有重要意義，這在自動(dòng)化生產(chǎn)線上加工時(shí)尤為重要。切屑經(jīng)第 I、第變形區(qū)的劇烈變形后，硬度增加，塑性下降，性能變脆。在切屑排出過(guò)程中，當(dāng)碰到刀具后刀面、工件上過(guò)渡表面或待加工表面等障礙時(shí)如某一部位的應(yīng)變超過(guò)了切屑材料的斷裂極限值，切屑就會(huì)折斷。圖 4-23 所示為切屑碰到工件或刀具后刀面折斷的情況。(a) 切屑碰工件折斷 (b) 切屑碰刀具后刀面折斷圖 4-23 切屑碰到工件或刀具后刀面折斷的情況研究表明，工件材料脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半徑越小，切屑就越容易折斷。通?？刹扇∫韵麓胧?duì)切屑實(shí)施控制。(1)采用斷屑槽 通過(guò)設(shè)置斷屑槽對(duì)流動(dòng)中的切屑施加一定的約束力，

31、可使切屑應(yīng)變?cè)龃?，切屑卷曲半徑減小。斷屑槽的尺寸參數(shù)應(yīng)與切削用量的大小相適應(yīng)，否則會(huì)影響斷屑效果。常用的斷屑槽截面形狀有折線形、直線圓弧形和全圓弧形，如圖 4-24 所示。前角較大時(shí)，采用全圓弧形斷屑槽刀具的強(qiáng)度較好。斷屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、內(nèi)斜三種，如圖 4-25 所示。外斜式常形成 C 形屑和 6 字形屑，能在較寬的切削用量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)斷屑；內(nèi)斜式常形成長(zhǎng)緊螺卷形屑，只能在較窄的切削用量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)斷屑；平行式斷屑槽的斷屑范圍介于上述兩者之間。(a)折線形 (b)直線圓弧形 (c)全圓弧形圖 4-24 斷屑槽截面形狀(a)平行式 (b)外斜式 (c)內(nèi)斜式圖 4-25 前刀面上的

32、斷屑槽形狀(2)改變刀具角度 增大刀具主偏角 r，切削厚度 hD增大，有利于斷屑。減小刀具前角- 64 -o，可使切屑變形加大，切屑易于折斷。刃傾角 s可以控制切屑的流向，s為正值時(shí)，切屑卷曲后流向主后刀面，折斷成 c 形屑或自然流出形成螺卷屑；s為負(fù)值時(shí)，切屑卷曲后流向已加工表面，折斷成 c 形屑或 6 字形屑。 (3)調(diào)整切削用量 提高進(jìn)給量 f 使切削厚度 hD增大，對(duì)斷屑有利，但增大 f 會(huì)增大加工表面粗糙度。適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣?vc可使變形系數(shù) h增大，也有利于斷屑，但這會(huì)降低材料切除效率。因此須根據(jù)實(shí)際條件適當(dāng)選擇切削用量。4.4切削力切削力在切削加工中，切削力是一個(gè)非常重要的參數(shù)

33、，對(duì)研究切削機(jī)理，計(jì)算切削功率，設(shè)計(jì)刀具、夾具、機(jī)床，制訂合理切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等都具有重要意義，還與切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象有關(guān)。4.4.1切削力的來(lái)源切削力的來(lái)源金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力，稱(chēng)為切削力。由前述的切削過(guò)程，如圖 4-26 所示，不難理解切削力的來(lái)源主要是：1) 切削層金屬對(duì)彈性變形、塑性變形的抗力；2) 工件表面金屬對(duì)彈性變形、塑性變形的抗力；3) 刀具前刀面與切屑間的摩擦阻力；4) 刀具后刀面與工件表面間的摩擦阻力。4.4.2切削合力與分力切削合力與分力上述各力的總和形成作用在刀具切削部位上的合力 F，即切削合力?？蓪⑶邢骱狭?

34、F分解為 Fc，F(xiàn)p和 Ff三個(gè)互相垂直的切削分力，如圖 4-27 所示。 圖 4-26 切削力的來(lái)源 圖 4-27 切削合力和分力Fc垂直于基面，稱(chēng)為主切削力，或稱(chēng)為切向力、切削力。Fc是計(jì)算切削功率和設(shè)計(jì)機(jī)床的主要參數(shù)。Fp平行于基面，且垂直進(jìn)給方向，稱(chēng)為背向力，或稱(chēng)為徑向力、切深抗力、吃刀力。Fp用來(lái)確定與工件加工精度有關(guān)的工件撓度，計(jì)算機(jī)床零件和刀具強(qiáng)度。Fp用是使工件在切削中產(chǎn)生振動(dòng)的力。Ff平行于基面，且與進(jìn)給方向平行，稱(chēng)為進(jìn)給力，或稱(chēng)為軸向力、走刀力。Ff是計(jì)算進(jìn)給功率和設(shè)計(jì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的重要參數(shù)。由圖 4-28 可知 (4-23)22222cNcpfFFFFFF pNrcosFFf

35、NrsinFF由上式可知，在理論上，當(dāng) r=0時(shí)，F(xiàn)p=FN，F(xiàn)f=0；當(dāng) r=90時(shí)，F(xiàn)p=0，F(xiàn)f= FN。車(chē)- 65 -削加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，應(yīng)選用較大的主偏角 r，甚至 90偏刀(r=90)，以減小 Fp，從而減小工件變形和振動(dòng)。在三個(gè)切削分力中，F(xiàn)c值最大。在一定實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)p為(0.150.7) Fc，F(xiàn)f為(0.10.6) Fc。但隨著刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量、工件材料和刀具磨損等因素的不同，F(xiàn)c，F(xiàn)p和 Ff之間的比例可在較大范圍內(nèi)變化。4.4.3切削功率切削功率切削過(guò)程中的所消耗功率稱(chēng)為切削功率，用 Pc(kw)表示。由于在 Fp方向的位移極小，可以近似認(rèn)為 Fp不做功，

36、不消耗功率。從而切削功率 (4-24)3fccc10 kW1000F n fPF v 上式中括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)是 Ff消耗的功率，與第一項(xiàng)相比很小(一般小于 1%2%)，可以忽略不計(jì)，從而可認(rèn)為 (4-25)3ccc10 kWPF v 根據(jù)切削功率選擇機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率 PE時(shí)，還要考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率。機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率 PE 應(yīng)為 (4-26)cEmPP式中 m機(jī)床傳動(dòng)效率，一般取為 0.750.85，大值適用于新機(jī)床，小值適用于舊機(jī)床。4.4.4單位切削力的概念單位切削力的概念 單位切削面積上的切削力 kc(N/mm2)稱(chēng)為單位切削力，即 (4-27)ccccDDDpFFFkAhbaf 若已知單位切削

37、力 kc，即可通過(guò)上式計(jì)算切削力 Fc。4.4.5切削力的測(cè)量與經(jīng)驗(yàn)公式的建立切削力的測(cè)量與經(jīng)驗(yàn)公式的建立1. 切削力的測(cè)量切削力的測(cè)量切削力的測(cè)量可通過(guò)測(cè)量機(jī)床電動(dòng)機(jī)在切削過(guò)程中的功率，再通過(guò)計(jì)算得出切削力的大小，但測(cè)量精度較低。目前常用測(cè)量方法是采用測(cè)力儀直接測(cè)量切削力。測(cè)力儀是測(cè)量切削力的專(zhuān)用儀器，測(cè)力儀有電阻式測(cè)力儀和壓電式測(cè)力儀。圖 4-28 所示為切削力測(cè)量系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)采集卡打印機(jī)繪圖儀顯示器刀具測(cè)力儀工件- 66 -圖 4-28 切削力測(cè)量系統(tǒng)切削刀具安裝在測(cè)力儀上，切削過(guò)程中作用在刀具上的切削力，通過(guò)測(cè)力儀輸出的模擬信號(hào)經(jīng)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處

38、理后即可得到切削力。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，可以用測(cè)得的切削力信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化切削過(guò)程。2. 切削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立切削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立通過(guò)實(shí)際測(cè)量不同切削條件下的切削力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可求得以下切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式： (4-28)FFFcccccFFFpppppFFFfffffcFpcFpFpcFfFpcFxynxynxynFC afvKFC afvKFC afvK式中 、取決于被加工材料和切削條件的切削力系數(shù)；cFCpFCfFC、，、，、三個(gè)分力公式中，背吃刀量cFxpFxfFxcFypFyfFycFnpFnfFnap、進(jìn)給量 f 和切削速度 vc的指數(shù)；、實(shí)際加工條件與建立經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的試驗(yàn)條件不相

39、符時(shí)，計(jì)算cFKpFKfFK三個(gè)分力的修正系數(shù)。試驗(yàn)條件(包括工件材料的強(qiáng)度和硬度、刀具幾何參數(shù)等)對(duì)切削力影響的修正系數(shù)可查閱其他有關(guān)機(jī)械加工工藝手冊(cè)。表 4-4 為車(chē)削力公式中的系數(shù)和指數(shù)。表 4-4 車(chē)削力公式中的系數(shù)和指數(shù)公式中的系數(shù)及指數(shù)主切削力 Fc背向力 Fp進(jìn)給力 Ff加工材料刀具加工形式cFCcFxcFycFnpFCpFxpFypFnfFCfFxfFyfFn外圓縱車(chē)、橫車(chē)及鏜孔2795 1.00.75 -0.15 19400.90.6-0.3 2880 1.00.5 -.04硬質(zhì)合金切槽及切斷 3600 0.720.801390 0.73 0.670外圓縱車(chē)、橫車(chē)及鏜孔177

40、0 1.00.75011000.90.750590 1.2 0.650切槽及切斷 2160 1.01.00結(jié)構(gòu)鋼及鑄鋼 650MPa高速鋼成形車(chē)削1855 1.00.750硬質(zhì)合金外圓縱車(chē)、橫車(chē)及鏜孔9001.00.7505300.90.750450 1.00.40外圓縱車(chē)、橫車(chē)及鏜孔1120 1.00.75011650.90.750500 1.2 0.650灰鑄鐵190HBS高速鋼切槽及切斷 1550 1.01.004.4.6影響切削力的因素影響切削力的因素1.工件材料的影響工件材料的影響工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料時(shí)，被切材料的塑性變形及它與前刀面的摩擦都比較小，故其

41、切削力相對(duì)較小。2.切削用量的影響切削用量的影響(1)背吃刀量 ap和進(jìn)給量 f 的影響。ap和 f 增大，都會(huì)使切削面積 AD (AD =ap f )增大，- 67 -進(jìn)而使切削力增大，但兩者的影響程度不同。ap增大時(shí)，切削寬度 bD隨之正比增大，變形系數(shù)h不變，故此切削力隨 ap成正比增大；f 增大時(shí)，h有所下降，故切削力不成正比增大。在車(chē)削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式中，ap的指數(shù) xFc近似等于 1，f 的指數(shù) yFc小于。在切削層面積相同的條件下，采用大的進(jìn)給量 f 比采用大的背吃刀量 ap的切削力要小。 (2)切削速度 vc的影響。切削塑性金屬和脆性金屬時(shí)，vc對(duì)切削力的影響不同。如圖 4-2

42、9 所示，切削塑性材料時(shí)，在無(wú)積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)(圖 4-21 的I、區(qū))，隨著 vc的增大，切削溫度升高，摩擦因數(shù) 減小，使h減小，從而切削力緩慢減小。在產(chǎn)生積屑瘤的情況下，刀具的實(shí)際前角是隨積屑瘤的成長(zhǎng)與脫落變化的。在積屑瘤增長(zhǎng)期(圖 4-21 的區(qū))，vc增大，積屑瘤高度增大，實(shí)際前角增大，h減小，切削力下降；在積屑瘤消退期(圖 4-21 的區(qū))，vc增大，積屑瘤減小，實(shí)際前角變小，h增大，切削力上升。在圖 4-29 給定的切削條件下，產(chǎn)生積屑瘤的區(qū)域?yàn)?5m/minvclf時(shí)，相當(dāng)于用負(fù)前角為o1的車(chē)刀進(jìn)行切削，與不設(shè)負(fù)倒棱相比，切削力將顯著增大。4刀具磨損刀具磨損后刀面磨損增

43、大時(shí)，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。5切削液切削液使用以冷卻作用為主的切削液(如水溶液)對(duì)切削力影響不大，使用潤(rùn)滑作用強(qiáng)的切削液(如切削油)可使切削力減小。6刀具材料刀具材料刀具材料與工件材料間的摩擦因數(shù)影響摩擦力的大小，導(dǎo)致切削力變化。在其他切削條件完全相同的條件下，用陶瓷刀具切削比用硬質(zhì)合金刀具切削的切削力小，用高速鋼刀具進(jìn)行切削的切削力大于硬質(zhì)合金刀具。無(wú)論是從降低機(jī)床動(dòng)力消耗考慮，還是從降低工藝系統(tǒng)的變形考慮，通常希望能以較小的切削力完成預(yù)定的切削加工任務(wù)，這在工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)尤為重要。讀者可以參照上述影響切削力諸多因素的分析，根據(jù)具體工況確定降低切削力的途徑和方法。

44、4.5切削熱和切削溫度切削熱和切削溫度切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱使切削溫度升高，對(duì)刀具磨損和刀具壽命具有重要影響，切削熱還會(huì)使工件和刀具產(chǎn)生變形、殘余應(yīng)力而影響加工精度和表面質(zhì)量。4.5.1切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)切削熱來(lái)源于兩個(gè)方面，一是切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形所消耗的能量轉(zhuǎn)換為熱能；二是切屑與前刀面、工件與后刀面之間產(chǎn)生的摩擦熱。切削過(guò)程中的三個(gè)變形區(qū)就是三個(gè)發(fā)熱區(qū)域，如圖 4-31 所示。圖 4-31 切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)切削過(guò)程中所消耗能量的 98%99%都將轉(zhuǎn)化為切削熱。如忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)所消耗的能量，則單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱 (4-29)cccQF v式中 Qc單位時(shí)間產(chǎn)生的切

45、削熱(J/s)； Fc切削力(N)； vc切削速度(m/s)。切削熱由切屑、工件、刀具及周?chē)慕橘|(zhì)(空氣，切削液)向外傳導(dǎo)。影響散熱的主要因素是：- 69 -(1)工件材料的導(dǎo)熱系數(shù) 工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，由工件和刀具傳導(dǎo)出去的熱量增多，切削區(qū)溫度就低。工件材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削熱傳導(dǎo)慢，切削區(qū)溫度就高，刀具磨損就快。(2)刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù) 刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切削區(qū)的熱量向刀具內(nèi)部傳導(dǎo)快，可以降低切削區(qū)的溫度。(3)周?chē)橘|(zhì) 采用冷卻性能好的切削液能有效地降低切削區(qū)的溫度。車(chē)削時(shí)，約有 50%80%的切削熱被切屑帶走，切削速度越高，切削厚度越大，切屑帶走的熱量越多；約有 10%40%的切削

46、熱傳給工件；傳給刀具的切削熱為 5%左右；周?chē)橘|(zhì)傳導(dǎo) 1%左右。鉆削時(shí)，由于切屑不易從孔中排出，故被切屑帶走的熱量相對(duì)較少，為30%左右；約有 50%的切削熱被工件吸收；刀具傳導(dǎo) 15%左右；周?chē)橘|(zhì)傳導(dǎo) 5%左右。4.5.2切削溫度及其測(cè)量切削溫度及其測(cè)量1切削溫度切削溫度切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)的平均溫度，也可用切削區(qū)的點(diǎn)溫度來(lái)表示，特定條件下還可用刀具或工件上切削區(qū)附近的某點(diǎn)溫度來(lái)表示。2切削溫度的測(cè)量切削溫度的測(cè)量測(cè)量切削溫度的方法很多，有熱電偶法、輻射熱計(jì)法、熱敏電阻法等。目前常用的是熱電偶法，其簡(jiǎn)單、可靠、使用方便。熱電偶法測(cè)量切削溫度分為切削溫度的測(cè)量自然熱電偶和人工熱

47、電偶兩種方法。(1)自然熱電偶法 圖 4-32 為用自然熱電偶法測(cè)量切削溫度的示意圖，利用工件材料和刀具材料化學(xué)成分不同組成熱電偶的兩極。切削區(qū)溫度升高后，形成熱電偶的熱端；刀具尾端及工件引出端保持室溫，形成熱電偶的冷端。熱端和冷端之間有熱電勢(shì)產(chǎn)生，熱電勢(shì)的大小與切削溫度高低有關(guān)，因此可通過(guò)測(cè)量熱電勢(shì)來(lái)測(cè)量切削溫度。測(cè)量前，須對(duì)該熱電偶輸出電壓與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系作出標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定曲線，即可由毫伏計(jì)的輸出電壓讀數(shù)求得與之相對(duì)應(yīng)的切削溫度值。用自然熱電偶法測(cè)得的溫度是切削區(qū)的平均溫度。 圖 4-32 用自然熱電偶法測(cè)量切削溫度的示意圖l-工件 2-車(chē)刀 3-主軸尾部 4-銅接線柱 5-銅頂尖 6

48、-絕緣支架 7-毫伏計(jì)(2)人工熱電偶法 圖 4-33a)、b)為用人工熱電偶法測(cè)量切削溫度的示意圖。用兩種預(yù)先經(jīng)過(guò)標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶，它的熱端焊接在測(cè)溫點(diǎn)上，冷端接在毫伏表上。用這種方法測(cè)得的是某一點(diǎn)的溫度。圖 4-33c)所示為采用人工熱電偶法測(cè)量并輔以傳熱學(xué)計(jì)算得到的刀具、切屑和工件的切削溫度(單位為)分布圖，可以看出：剪切面上各點(diǎn)溫度幾乎相同，說(shuō)明剪切面上各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布基本相同。溫度最高點(diǎn)不在切削刃上，而是在離切削刃有一定距離的區(qū)域。- 70 - a)測(cè)量刀具 b)測(cè)工件 c)溫度分布圖 4-33 用人工熱電偶法測(cè)量切削溫度的示意圖4.5.3影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的

49、主要因素1工件材料工件材料工件材料的強(qiáng)度和硬度高，產(chǎn)生的切削熱多，切削溫度就高。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)小時(shí)，切削熱不易散出，切削溫度相對(duì)較高。切削灰鑄鐵等脆性材料時(shí)，切屑變形小，摩擦小，切削溫度一般較切削鋼時(shí)低。2切削用量切削用量用實(shí)驗(yàn)方法求得的刀具與切屑接觸區(qū)平均切削溫度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為 (4-30)zyxcpC vfa式中 刀具與切屑接觸區(qū)平均溫度()； C切削溫度系數(shù)； vc切削速度(m/min)； f進(jìn)給量(mm/r)； ap背吃刀量(mm)；、vc、f、ap的指數(shù)；zyx用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具切削中碳鋼時(shí)，式(4-30)中的系數(shù)和指數(shù)值參見(jiàn)表 4-5。表 4-5 切削溫度的系數(shù)和指數(shù)刀具

50、材料加工方法Czyx車(chē) 削140170銑 削80高 速 鋼鉆 削1500.350.450.20.30.080.10f/mmr-1硬質(zhì)合金車(chē) 削3200.10.20.30.410.310.260.150.05分析式(4-30)及表 4-4 中的系數(shù)和指數(shù)值可知，vc、f、ap對(duì)切削溫度的影響程度不同。三者比較，vc對(duì) 的影響最大，f 對(duì) 的影響次之，ap對(duì) 的影響最小。原因是：vc增大，前刀面的摩擦熱來(lái)不及向切屑和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)，所以 vc對(duì)切削溫度影響最大；f 增大，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，所以 f 對(duì)切削溫度的影響不如vc；ap增大，切削面積隨之增大，產(chǎn)生的切削熱和散

51、熱面積也隨之增大，故 ap對(duì)切削溫度- 71 -的影響很小。從盡量降低切削溫度角度考慮，在保持切削效率不變的條件下，選用較大的ap和 f 比選用較大的 vc更有利。3刀具幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù) (1)前角 o對(duì)切削溫度的影響 o增大，切削變形減小，切削力減小，切削溫度下降。前角超過(guò) 1820后，o對(duì)切削溫度的影響減弱，這是因?yàn)榈毒咝ń?前、后刀面的夾角)減小而使散熱條件變差的緣故。 (2)主偏角 r對(duì)切削溫度的影響 減小 r，使切削寬度增大，切削厚度減小，散熱條件變好，切削溫度下降。4刀具磨損刀具磨損刀具磨損使切削刃變鈍，切削時(shí)變形增大，摩擦加劇，切削溫度上升。切削速度越高，刀具磨損對(duì)切削溫度的

52、影響越明顯。5切削液切削液使用切削液可以從切削區(qū)帶走大量的熱量，可以降低切削溫度，提高刀具壽命。切削液對(duì)切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、使用方式及本身溫度等因素有關(guān)。4.6刀具磨損與刀具使用壽命刀具磨損與刀具使用壽命4.6.1刀具磨損的形式刀具磨損的形式1前刀面磨損前刀面磨損(月牙洼磨損月牙洼磨損)切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，切屑在前刀面上經(jīng)常會(huì)磨出一個(gè)月牙洼，如圖 4-34 所示，稱(chēng)作前刀面磨損。出現(xiàn)月牙洼的部位就是切削溫度最高的部位。月牙洼和切削刃之間有一條小棱邊，月牙洼隨著刀具磨損不斷變大，當(dāng)月牙洼擴(kuò)展到使棱邊變得很窄時(shí)，切削刃強(qiáng)度降低，極易導(dǎo)致崩刃。月牙

53、洼磨損量以其深度 Kr表示(圖 4-35)。圖 4-34 刀具的磨損形態(tài)2后刀面磨損后刀面磨損由于后刀面和加工表面間的強(qiáng)烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位會(huì)逐漸地被磨成后角為零的小棱面，稱(chēng)作后刀面磨損(圖 4-35)。切削鑄鐵和以較小的切削厚度、較低的切削速度切削塑性材料時(shí)，后刀面磨損是主要形態(tài)。后刀面上的磨損棱帶往往不均勻，刀尖附近(C區(qū))因強(qiáng)度較差，散熱條件不好，磨損較大；中間區(qū)域(B 區(qū))磨損較均勻，其平均磨損寬度以 VB 表示，如圖 4-35 所示。3邊界磨損邊界磨損切削鋼料時(shí)，常在主切削刃靠近工件外皮處(圖 4-35 中的 N 區(qū))出現(xiàn)邊界磨損。- 72 -圖 4-35 刀具磨損的測(cè)量位置

54、4.6.2刀具磨損的原因刀具磨損的原因1硬質(zhì)點(diǎn)劃痕硬質(zhì)點(diǎn)劃痕由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等在刀具表面上劃出一條條溝紋，造成機(jī)械磨損。硬質(zhì)點(diǎn)劃痕在各種切削速度下都存在，它是低速切削刀具(如拉刀、板牙等)產(chǎn)生磨損的主要原因。2冷焊粘結(jié)冷焊粘結(jié)切削時(shí)，切屑與前刀面之間由于高壓力和高溫度的作用，切屑底面材料與前刀面發(fā)生冷焊粘結(jié)形成冷焊粘結(jié)點(diǎn)，在切屑相對(duì)于刀具前刀面的運(yùn)動(dòng)中，冷焊粘結(jié)點(diǎn)處刀具材料表面微粒會(huì)被切屑粘走，造成粘結(jié)磨損。上述冷焊粘結(jié)磨損機(jī)制在工件與刀具后刀面之間也同樣存在。在中等偏低的切削速度條件下，冷焊粘結(jié)是產(chǎn)生磨損的主要原因。3擴(kuò)散磨損擴(kuò)散磨損切削過(guò)程中，

55、刀具后刀面與已加工表面、刀具前刀面與切屑底面相接觸，在高溫和高壓的作用下，刀具材料和工件材料中的化學(xué)元素相互擴(kuò)散，使刀具材料化學(xué)成分發(fā)生變化，耐磨性能下降，造成擴(kuò)散磨損。例如用硬質(zhì)合金刀具切削鋼料時(shí)，切削溫度超過(guò) 800，硬質(zhì)合金刀具中的 Co、C、W 等元素就會(huì)擴(kuò)散到切屑和工件中去，由于 Co 元素減少，硬質(zhì)相(WC、TiC)的粘結(jié)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致刀具磨損加快。擴(kuò)散磨損在高溫下產(chǎn)生，且隨溫度升高而加劇。 4化學(xué)磨損化學(xué)磨損在一定溫度作用下，刀具材料與周?chē)橘|(zhì)(例如空氣中的氧，切削液中的極壓添加劑硫、氯等)起化學(xué)作用，在刀具表面形成硬度較低的化合物，易被切屑和工件摩擦掉，造成刀具材料損失，由此產(chǎn)

56、生的刀具磨損稱(chēng)為化學(xué)磨損?；瘜W(xué)磨損主要發(fā)生在較高的切削速度條件下。4.6.3刀具磨損過(guò)程與磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損過(guò)程與磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1刀具磨損過(guò)程刀具磨損過(guò)程刀具磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具磨損過(guò)程可以分為圖 2-36 所示的三個(gè)階段：(1)初期磨損階段 新刃磨的刀具剛投入使用，后刀面與工件的實(shí)際接觸面積很小，再加上剛?cè)心ズ蟮暮蟮睹嫖⒂^凸凹不平，單位接觸面積上承受的后如能用細(xì)粒度磨粒的油石對(duì)刃磨面進(jìn)行研磨，可以顯著降低刀具的初期磨損量。(2)正常磨損階段 經(jīng)過(guò)初期磨損后，刀具后刀面與工件的接觸面積逐漸增大，單位接觸面積上承受的壓力逐漸減小，刀具后刀面的微觀粗糙表面已經(jīng)磨平，磨損速度趨緩，此階段的刀具磨損稱(chēng)為正常

57、磨損階段。它是刀具的有效工作階段。(3)急劇磨損階段 當(dāng)?shù)毒吣p量增加到一定限度時(shí)，切削力、切削溫度將急劇增高，刀具磨損速度加快，直至喪失切削能力，此階段稱(chēng)為刀具的急劇磨損階段。在急劇磨損階段讓刀具繼續(xù)工作是一件得不償失的事情，這時(shí)既不能保證加工質(zhì)量，又將大量消耗刀具- 73 -材料，如出現(xiàn)切削刃崩裂的情況，損失就更大。刀具在進(jìn)入急劇磨損階段之前必須更換。2刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度就不能再繼續(xù)使用了，這個(gè)磨損限度稱(chēng)為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐话愕毒叩暮蟮睹娑紩?huì)發(fā)生磨損，而且測(cè)量也較方便，因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 統(tǒng)一規(guī)定，以1/2 背吃刀量處后刀面上測(cè)量的磨損帶寬度 VB 作為刀

58、具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化生產(chǎn)中使用的精加工刀具，從保證工件尺寸精度考慮，常以刀具的徑向尺寸磨損量 NB(圖 4-37)作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。制訂刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，既要考慮充分發(fā)揮刀具的切削能力，又要考慮保證工件的加工質(zhì)量。精加工時(shí)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值，粗加工時(shí)取較大值；工藝系統(tǒng)剛性差時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值；切削難加工材料時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也要取較小值。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 推薦硬質(zhì)合金車(chē)刀刀具壽命試驗(yàn)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，有下列三種可供選擇：1)VB=0.3mm。2)如果主后刀面為無(wú)規(guī)則磨損，取 VBmax=0.6mm。3)前刀面磨損量 KT=(0.06+0.3f)mm，式中 f 為以 mm/r 為單位的進(jìn)給量值。圖 4

59、-36 磨損過(guò)程曲線 圖 4-37 刀具的磨損了 VB 與 NB4.6.4刀具壽命及其選擇原則刀具壽命及其選擇原則1刀具壽命的定義及經(jīng)驗(yàn)公式刀具壽命的定義及經(jīng)驗(yàn)公式刀具壽命(舊稱(chēng)刀具耐用度)是指新刀或刃磨后的刀具，從開(kāi)始切削直至磨損值達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間的總和，用 T 表示。對(duì)于可刃磨的刀具，刀具壽命指的是兩次刃磨之間所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間的總和，這樣的一把新刀通常要經(jīng)過(guò)多次重磨，才會(huì)報(bào)廢。在一些情況下，刀具壽命也可用達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所經(jīng)歷的切削路程的總和表示；精加工時(shí)，也可用加工零件的數(shù)量或切削次數(shù)表示。刀具總壽命是指新刀從開(kāi)始切削直至報(bào)廢為止所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間的總和。對(duì)于不可

60、刃磨的刀具，刀具總壽命就等于刀具壽命。對(duì)于可刃磨的刀具，刀具總壽命等于刀具壽命乘以刃磨次數(shù)。刀具壽命是表征刀具材料切削性能或工件材料切削加工性?xún)?yōu)劣的綜合指標(biāo)。在相同的切削條件下用不同的刀具材料切削時(shí)，刀具壽命越長(zhǎng)，表明該刀具材料的切削性能越好。當(dāng)工件材料、刀具材料及幾何參數(shù)確定后，切削速度是影響刀具壽命的最主要因素，提高切削速度，刀具壽命就降低，其關(guān)系可根據(jù) ISO 標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)刀具磨損實(shí)驗(yàn)得出，即：c0mv TC (4-31)式中 vc切削速度(m/min)； T刀具壽命(min)；- 74 - m指數(shù)，與切削速度、刀具材料、工件材料及切削液有關(guān)； C0系數(shù)，與刀具、工件材料及切削條