機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件第二章

1、第二章第二章2.1 2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.2 2.2 刀具材料刀具材料2.3 2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象2.4 2.4 切削力與切削功率切削力與切削功率2.5 2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度2.6 2.6 刀具磨損與刀具壽命刀具磨損與刀具壽命2.7 2.7 切削用量的選擇及工件材料加工性切削用量的選擇及工件材料加工性2.12.1刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.1.1切削運(yùn)動(dòng)與切削要素 金屬切削加工時(shí)，刀具與工件之間的相對運(yùn)動(dòng)，稱為切削運(yùn)動(dòng)。切削運(yùn)動(dòng)可分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。以圖1-1所示車削外圓為例來研究切削運(yùn)動(dòng)。圖1-1 切削運(yùn)動(dòng)和工件表面2.1.1.

2、1 2.1.1.1 主運(yùn)動(dòng)主運(yùn)動(dòng) 主運(yùn)動(dòng)是切削時(shí)的主要運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)可以由刀具完成,也可以由工件完成，其運(yùn)動(dòng)形式通常為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng), 如車削時(shí)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，銑削時(shí)銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鉆削時(shí)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般地講，主運(yùn)動(dòng)的速度最高，消耗的功率也最大，主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)。2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.1.1.2 2.1.1.2 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是將被切削金屬層不斷地投入切削，以切除工件表面上全部余量的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可以有一個(gè)或幾個(gè)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由刀具或工件完成，如車削外圓時(shí)車刀平行于工件軸線的縱向運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)形式一般有直線、旋轉(zhuǎn)或兩者的合成運(yùn)動(dòng)，它可以是連續(xù)的或

3、斷續(xù)的，消耗的功率也比主運(yùn)動(dòng)要小得多。 2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 2.1.2 2.1.2 切削要素切削要素 2.1.2.1切削用量 它包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度三個(gè)要素。 （1）切削速度 切削速度是刀具切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的主運(yùn)動(dòng)的速度。當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀具或工件最大直徑處的切削速度 由下式確定式中 v 切削速度（ m/min ）或（m/s ）； d 完 成 主 運(yùn) 動(dòng) 的 刀 具 或 工 件 的 最 大 直 徑 （mm ）； n 主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速（ r/min ）或（ r/s）。 當(dāng)主運(yùn)動(dòng)為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)（如刨削），則式中 L 往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的行程速度

4、（ mm ）； 主運(yùn)動(dòng)每秒或每分鐘的往復(fù)次數(shù)（st/min）或 （st/s）。1000dnv21 0 0 0rL nvrn2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) （2） 進(jìn)給量 進(jìn)給量是工件或刀具的主運(yùn)動(dòng)每轉(zhuǎn)或每一行程時(shí)，刀具切削刃相對工件在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的移動(dòng)量。車削時(shí)的進(jìn)給量 是工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，切削刃沿進(jìn)給方向的移動(dòng)量，單位為mm/r，其進(jìn)給速度 為 式中 進(jìn)給速(mm/min）或（mm/s）。 對于銑刀、鉸刀等多齒刀具，還規(guī)定每齒進(jìn)給量 ，即多齒刀具每轉(zhuǎn)或每行程中每齒相對于工件在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的相對位移，單位為mm/z 。fffvfvn ffv2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 3）背刀量 背刀量是指待加

5、工表面與已加工表面之間的垂直距 離。車削時(shí) 式中 切削深度（ mm）； 工件待加工表面直徑（mm ）； 工件已加工表面直徑（mm ）。 2.1.2.2 切削層參數(shù) 切削時(shí)，沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量所切除的金屬層稱為金屬切削層。通過切削刃基點(diǎn)（通常指主切削刃工作長度的中點(diǎn)）并垂直于該點(diǎn)主運(yùn)動(dòng)方向的平面，稱為切削層尺寸平面。在切削層尺寸平面內(nèi)測定的切削層尺寸幾何參數(shù)則稱為切削層尺寸平面要素。現(xiàn)將各切削層參數(shù)的定義說明如下：pa2wmpddapawdmd2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)（1）切削寬度 沿主切削方向度量的切削層尺寸。車外圓時(shí) （2）切削層公稱厚度 它是指在同一瞬間的切削層橫截面積與其公

6、稱切削層寬度之比。即rcfasinrpwaasin/（3）切削面積切削層垂直與切削速度截面內(nèi)的面積。pcwfaaaAc2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.1.2 刀具角度 1.刀具切削部分的組成 車刀由切削部分和刀柄組成。其中起切削作用的部分稱切削部分，夾持部分稱刀柄。圖1-4表示了普通外圓車刀的組成情況1-刀柄 2-主切削刃 3-主后刀面 4-切削部分 5-刀尖 6-副后刀面 7-副切削刃 8-前刀面圖1-4 車刀的組成部分及各部分名稱2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 切削部分由不同刀面和切削刃構(gòu)成?，F(xiàn)分述如下： （1）刀具表面 前刀面 刀具上切屑沿其流出的表面。 主后刀面 刀具上同前刀面相交形成主

7、切削刃的表面，也是切削過程中與過渡表面相對的刀具表面。 副后刀面 刀具上同前刀面相交形成副切削刃的表面，也是切削過程中與已加工表面相對的刀具表面。rAAA2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) （2）切削刃及刀尖 主切削刃 刀具前刀面與主后刀面的交線。它承擔(dān)著主要的切削工作。 副切削刃 刀具前刀面與副后刀面的交線。它的一小部分也參與切削，主要起修光作用。 刀尖是主切削刃與副切削刃的交點(diǎn)。實(shí)際上刀尖是一段圓弧過渡刃。SA2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.刀具的參考系 （1） 基面,通過主切削刃選定點(diǎn)并垂直于該點(diǎn)切削速度的平面。 （2） 切削平面,通過切削刃選定點(diǎn)與切削刃相切并垂直于基面的平面。對應(yīng)于主切削刃

8、和副切削刃的切削平面分別稱為主切削平面 和副切削平面 。 （3）正交平面, 通過主切削刃選定點(diǎn)并同時(shí)垂直于基面和切削平面的平面。2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)3. 刀具標(biāo)注角度 車刀的主要角度有前角、后角、主偏角、副偏角和刃傾角等，如圖1-6所示圖1-6 車刀的主要角度 2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) （1）前角 , 在正交平面中測量的前刀面與基面之間的夾角。當(dāng)前刀面與切削平面夾角小于90時(shí)，前角為正，大于90時(shí)，前角為負(fù)。主要影響主切削刃的鋒利程度和刃口強(qiáng)度。（2）后角,在正交平面中測量的主后刀面與切削平面間的夾角。當(dāng)后刀面與基面間的夾角小于90時(shí)，后角為正值，大于90時(shí)，后角為負(fù)值。主要影響刀

9、具主后刀面與工件表面之間的摩擦，并配合前角改變切削刃的鋒利程度與刃口強(qiáng)度。（3）主偏角,在基面中測量的主切削平面與假定工作平面間的夾角。主要影響切削刃工作長度和背向力的大小。（4）副偏角, 在基面中測量的副切削平面與假定工作平面間的夾角。主要影響已加工表面的粗糙度。2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)（5）刃傾角,在切削平面中測量的主切削刃與基面之間的夾角。刃傾角主要影響切屑流向及刀尖強(qiáng)度。當(dāng)?shù)都庀鄬嚨兜侗惭b面處于最高點(diǎn)時(shí)，刃傾角為正值；刀尖處于最低點(diǎn)時(shí)，刃傾角為負(fù)值；當(dāng)切削刃平行于刀柄安裝面時(shí)，刃傾角為零度，此時(shí)切削刃在基面內(nèi)。刃傾角對排屑的影響如圖1-7所示。圖1-7 刃傾角及其對排屑方向的影

10、響2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 4.刀具工作角度 工作前角 在工作正交平面 內(nèi)測量的工作基面與前刀面間的夾角。 工作后角 在工作正交平面 內(nèi)測量的工作切削平面與后刀面間的夾角。 工作側(cè)前角 在工作平面 內(nèi)測量的工作基面與刀具前刀面間的夾角。 工作側(cè)后角 在工作平面 內(nèi)測量的工作切削平面與刀具后刀面間的夾角。 oeoePoePoefefePfePfe2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 圖1-8 外圓車刀背平面中刀尖位置對工作角度的影響 a）刀尖高于工件中心 b）刀尖低于工件中心2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu) 車外圓時(shí)，如圖1-8（a）所示，當(dāng)?shù)都獍惭b位置高于工件中心時(shí)，過刀尖M點(diǎn)的工作基面應(yīng)和M點(diǎn)的切削

11、速度方向垂直，而不再平行于刀柄安裝平面。過刀尖M點(diǎn)的工作切削平面應(yīng)和M點(diǎn)的切削速度方向一致，即和過M點(diǎn)的圓周面相切，而不再垂直于刀柄安裝平面。它們相對于刀具靜止參考系中的基面 和切削平面 轉(zhuǎn)過了 角，從而使工作背前角 比背前角 增大 角，工作背后角 比背后角 【 減小 角。當(dāng)?shù)都獍惭b位置低于工作中心時(shí)，則情況相反，【增大 角， 減小 角，如圖1-8（b）所示。2.1 刀具的結(jié)構(gòu)刀具的結(jié)構(gòu)2.1.3 刀具的種類刀具的種類 生產(chǎn)中所使用的刀具種類很多，按加工方式和具體用途分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動(dòng)線及數(shù)控機(jī)床刀具和磨具等幾大類型；按所用材料分為高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀

12、具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金剛石刀具等；按結(jié)構(gòu)分為整體刀具、鑲片刀具、機(jī)夾刀具和復(fù)合刀具等；按是否標(biāo)準(zhǔn)化分為標(biāo)準(zhǔn)刀具和非標(biāo)準(zhǔn)刀具等。常用刀具具體的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及使用等將后續(xù)章節(jié)中介紹。2.2 刀具材料刀具材料 2.2.1 刀具材料刀具材料 刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度、已加工表面質(zhì)量和加工成本等，所以正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一。 2.2.1.1 刀具材料應(yīng)具備的性能 金屬切削時(shí)，刀具切削部分直接和工件及切屑相接觸，承受著很大的切削壓力和沖擊，并受到工件及切屑的劇烈摩擦，產(chǎn)生很高的切削溫度。即刀具切削部分是在高溫、高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下

13、工作的。因此，刀具切削部分材料應(yīng)具備以下基本性能2.2 刀具材料刀具材料 （1） 硬度高 刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料的常溫硬度必須HRC62以上。（2） 足夠的強(qiáng)度和韌性 刀具切削部分的材料在切削時(shí)承受著很大的切削力和沖擊力，因此刀具材料必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性。（3） 耐磨性和耐熱性好 刀具在切削時(shí)承受著劇烈的摩擦，因此刀具材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐磨性。刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關(guān)系，其耐熱性通常用它在高溫下保持較高硬度的能力來衡量（熱硬性）。耐熱性越好，允許的切削速度越高。2.2 刀具材料刀具材料 （4）導(dǎo)熱性好 刀具材料的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率單位為 表示。熱導(dǎo)率

14、大，表示導(dǎo)熱性好，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量就容易傳散出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。（5） 具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、熱處理性能、焊接性能等要好，且又要資源豐富，價(jià)格低廉。2.2 刀具材料刀具材料 2.2.1.2 2.2.1.2 常用刀具材料常用刀具材料 刀具材料可分為工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料等五大類。常用刀具材料的主要性能及用途見表1-1種類常用牌號硬度HRC（HRA）抗彎強(qiáng)度（ GP）熱硬性（C）工藝性能用途碳 素工 具鋼T8A、T10AT12A6064（ 8 1 83）2.452.752 0 0 250可冷熱加工成形，刃磨性能

15、好用于手動(dòng)工具，如銼刀、鋸條、鏨子等合 金工 具鋼9 s i c i 、CiWMn6065（ 8 1 84）2.452.752 5 0 300可冷熱加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于低速成形刀具，如絲錐、板牙、鉸刀等表1-1常用刀具材料的主要性能及用途2.2 刀具材料刀具材料 表1-1常用刀具材料的主要性能及用途高 速鋼W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.434.415 5 0 600可 冷 熱 加 工成 形 ， 刃 磨性 能 好 ， 熱處理變形小用于機(jī)動(dòng)復(fù)雜的中速刀具，如鉆頭、銑刀、齒輪刀具等硬質(zhì)合金（YG類）K類（YT類）P類（YW類）M類6981（8993）

16、1.082.168 0 0 1100粉 未 冶 金 成形 ， 只 能 磨削 加 工 不 能熱 處 理 ， 多鑲 片 使 用 ，較脆 用于機(jī)動(dòng)簡單的高速切削刀具，如車刀、刨刀、銑刀刀片陶瓷S G 4 、AT6（9394）15002100HV0 . 4 1.1151200壓 制 燒 結(jié) 成形 ， 只 能 磨削 加 工 ， 不需 熱 處 理 ，脆 性 略 大 于硬質(zhì)合金多用于車刀，適宜精加工連續(xù)切削2.2 刀具材料刀具材料 表1-1常用刀具材料的主要性能及用途立 方碳 化硼（CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高溫高壓燒結(jié)成形，硬度高于陶瓷，極脆，可用金剛石砂

17、輪磨削，不需熱處理用于加工高硬度、高強(qiáng)度材料（特別是鐵族材料）人 造金 剛石10000HV0.421.07 0 0 800硬度高于CBN，極脆用于有色金屬的高精度、低粗糙度切削，也用于非金屬精密加工，不切削鐵族金屬2.2 刀具材料刀具材料（1） 高速鋼 高速鋼是一種含鎢（W）、鉬（MO）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素較多的高合金工具鋼。由于合金元素與碳原子的結(jié)合力很強(qiáng)，使鋼在550600時(shí)仍能保持高硬度，從而使切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼成倍提高，故得名“高速鋼”，又名“風(fēng)鋼”或“鋒鋼”。 高速鋼刀具制造工藝簡單，容易磨出鋒利的刃口，廣泛用于制造切削速度較高、形狀復(fù)雜的刀具，如鉆頭、絲錐

18、、成形刀具、拉刀及齒輪刀具等。 高速鋼按化學(xué)成分可分為鎢系、鉬系（含MO2%以上）；按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。2.2 刀具材料刀具材料 普通高速鋼 普通高速鋼指用來加工一般工程材料的高速鋼，常用的牌號有：a） W18Cr4V（簡稱W18） 屬鎢系高速鋼，具有較好的切削性能，是我國最常用的一種高速鋼。 b） W6Mo5Cr4V2（簡稱M2） 屬鉬系高速鋼，碳化物分布均勻性、韌性和高溫塑性均超過W18Cr4V，但其磨削性能較差，我國目前主要用于熱軋刀具，如麻花鉆等。c） W9Mo3Cr4V（簡稱W9） 是一種含鎢量較多，含鉬量較少的鎢鉬系高速鋼。其碳化物不均勻性介于W18和M2之間

19、，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度高于M2。具有較好的硬度和韌性，其熱塑性也很好，可用于制造各種刀具（如鋸條、鉆頭、拉刀、銑刀、齒輪刀具等）。 2.2 刀具材料刀具材料高性能高速鋼 高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本化學(xué)成分和添加一些其它合金元素（如釩、鈷、鉛、硅、鈮等）的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的。它主要用來加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。主要有以下幾種：a）鈷高速鋼鈷高速鋼是在高速鋼中加入鈷，常用牌號是W2Mo9Cr4Co8（簡稱M42），具有良好的綜合性能，允許的切削速度較高，有一定的韌性，可磨削性好，可用于切削高溫合金、不銹鋼等難加工材料。2.2

20、 刀具材料刀具材料b）鋁高速鋼 是我國獨(dú)創(chuàng)的鋼種，加入了少量的鋁不但提高了鋼的耐熱性和耐磨性，而且還能防止含碳量高引起的強(qiáng)度、韌性下降。但由于含釩量較多，其磨削加工性較差，過熱敏感性強(qiáng)，氧化脫碳傾向較大，使用時(shí)要嚴(yán)格掌握熱處理工藝。常用牌號有W6Mo5Cr4V2Al（簡稱501）和W10Mo4Cr4V3Al（簡稱5F6）（2） 硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）作硬質(zhì)相，用鈷、鉬或鎳等作粘結(jié)相，研制成粉末，按一定比例混合，壓制成型，在高溫高壓下燒結(jié)而成。 2.2 刀具材料刀具材料 鎢鈷類硬質(zhì)合金 由WC和Co組成，代號為YG。常溫硬度為8991H

21、RA，耐熱性達(dá)800900，適用于加工切屑呈崩碎狀的脆性材料。常用牌號有YG3、YG6和YG8等，其中數(shù)字表示含Co的百分比，其余為含WC的百分比。鈷在硬質(zhì)合金中起粘結(jié)作用，含Co愈多的硬質(zhì)合金韌性愈好，所以YG8適于粗加工和斷續(xù)切削，YG6適于半精加工，YG3適于精加工和連續(xù)切削。2.2 刀具材料刀具材料 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金 由WC、TiC和Co組成，代號為YT。此類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性（9001000）均比YG類合金高，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度降低。主要適于加工切屑呈帶狀的鋼料等韌性材料。常用牌號有YT30、YT15和YT5等，數(shù)字表示含TiC的百分比。故YT30適于對鋼料的精加工和連

22、續(xù)切削，YT15適于半精加工，YT5適于粗加工和斷續(xù)切削。2.2 刀具材料刀具材料 （3） 其它刀具材料 陶瓷材料 陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點(diǎn)都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑。也是采用粉末冶金工藝方法經(jīng)制粉，壓制燒結(jié)而成。 陶瓷刀具有很高的硬度（9195HRA）和耐磨性，刀具耐用度高；有很好的高溫性能，化學(xué)穩(wěn)定性好，與金屬親和力小，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力好；具有較低的摩擦系數(shù)，在高速精車和精密銑削時(shí)，被加工工件可獲得鏡面效果。陶瓷刀具的最大缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度低，承受沖擊負(fù)荷的能力差。 主要用于對鋼料、鑄鐵、高硬材料

23、（如淬火鋼等）連續(xù)切削的半精加工或精加工。2.2 刀具材料刀具材料 人造金剛石 人造金剛石是在高溫高壓和金屬觸媒作用的條件下，由石墨轉(zhuǎn)化而成。 金剛石刀具的性能特點(diǎn)是：有極高的硬度和耐磨性，切削刃非常鋒利，有很高的導(dǎo)熱性。但耐熱性較差，且強(qiáng)度很低。 主要用于高速條件下精細(xì)車削及鏜削有色金屬及其合金和非金屬材料。但由于金剛石中的碳原子和鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，故金剛石刀具不適合加工鐵族材料。 2.2 刀具材料刀具材料 立方氮化硼（簡稱CBN） 是用六方氮化硼（俗稱白石墨）為原料，利用超高溫高壓技術(shù)，繼人造金剛石之后人工合成的又一種新型無機(jī)超硬材料。 其主要性能特點(diǎn)是：硬度高（高達(dá)80009000H

24、V），耐磨性好，能在較高切削速度下保持加工精。熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，且有較高的熱導(dǎo)率和較小的摩擦系數(shù)，但其強(qiáng)度和韌性較差。 主要用于對高溫合金、淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料進(jìn)行半精加工和精加工。2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 2.3.1 金屬切削過程的變形區(qū) 實(shí)驗(yàn)表明，金屬的切削過程實(shí)質(zhì)上是被切削金屬層在刀具前刀面擠壓作用下產(chǎn)生剪切滑移的塑性變形過程。 通常把切削過程的塑性變形劃分為三個(gè)變形區(qū)，如圖2-13 所示。2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 2.3.1.1 第變形區(qū) 切削刃前方的變形區(qū)。被切削金屬層在刀具前面的擠壓作用下，即沿圖1-13中的

25、OA曲線發(fā)生剪切滑移，直至OM曲線滑移終止，被切削金屬層與材料母體脫離而成為切屑沿刀具前面流出。曲線OAMO所包圍的區(qū)域就稱為第一變形區(qū)（又稱剪切滑移區(qū)）。它是金屬切削過程中主要的變形區(qū)，消耗大部分功率并產(chǎn)生大量的切削熱，常用它來說明切削過程的變化情況。2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 2.3.1.2 第變形區(qū) 與刀具前刀面接觸的切屑底層變形區(qū)。切屑沿前刀面滑移排出時(shí)緊貼前刀面的底層金屬進(jìn)一步受到前刀面的擠壓阻滯和摩擦，再次產(chǎn)生剪切滑移變形而纖維化。由于受前刀面的擠壓和摩擦，該區(qū)域金屬流動(dòng)速度較上層略緩，甚至?xí)粼谇暗睹嫔希纬煞e屑瘤。 2.3.1.3 第變形區(qū) 第變

26、形區(qū)是指工件過渡表面和已加工表面金屬層受切削刃鈍圓部分和刀具后刀面的擠壓和摩擦產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域，造成表層金屬的纖維化和加工硬化。該區(qū)的擠壓和摩擦狀況與工件已加工表面質(zhì)量密切相關(guān)。2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 以上分別討論了三個(gè)變形區(qū)各自的特征，但是，三個(gè)變形區(qū)之間是互相聯(lián)系又互相影響的。金屬切削過程中的許多物理現(xiàn)象都各三個(gè)變形區(qū)的變形密切相關(guān)。 1.3.2 切屑種類切屑種類 常見的切屑有四種，如圖1-14所示 圖1-14 切屑形態(tài)（a）帶狀切屑 （b）節(jié)狀切屑 （c）單元切屑 （d）崩碎切屑2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 2.3.2.1

27、帶狀切屑 這是一種最常見的連續(xù)狀切屑。其底面光滑，上表面呈毛茸狀。一般切削塑性較好的金屬材料，采用較大的前角、較高的切削速度、較小的進(jìn)給量和吃刀深度時(shí)，容易形成帶狀切屑，如圖1-14（a）所示。形成帶狀切屑時(shí)，切削力比較穩(wěn)定，加工表面比較光潔，但切屑連續(xù)不斷，會纏繞在刀具或工件上，不夠安全或可能劃傷已加工表面，因此要注意采取斷屑措施。2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 2.3.2.2 節(jié)狀切屑 這類切屑的上表面呈鋸齒狀，底面有時(shí)出現(xiàn)裂紋，如圖1-14（b）所示。一般在采用較低的切削速度和較大的進(jìn)給量粗加工中等硬度的鋼材時(shí)，容易得到節(jié)狀切屑。由于形成這類切屑時(shí)變形較大，切削

28、力波動(dòng)較大，因此，工件表面比較粗糙。 2.3.2.3 單元切屑（又稱粒狀切屑） 切削塑性很大的材料時(shí)（如鉛、退火鋁、紫銅等），切屑易粘在刀具的前刀面上，不易流出，裂紋擴(kuò)展到整個(gè)剪切面上，使整個(gè)單元被切斷，而形成此類切屑，如圖1-14（C）所示。當(dāng)出現(xiàn)這類切屑時(shí)，切削力波動(dòng)很大，切削過程不平穩(wěn)，已加工表面的粗糙度值增加。 2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 2.3.2.4 崩碎切屑 在切削脆性金屬材料（如鑄鐵、黃銅等）時(shí)，由于材料的塑性很小，切削層金屬崩碎而成為不規(guī)則的切屑，即為崩碎切屑，如圖1-14（d）所示。工件材料越硬，切削層公稱厚度越大就越容易形成崩碎切屑，這時(shí)的切

29、削力變化較大。同時(shí)，由于刀具與切屑之間接觸長度短，切削力和切削熱都主要集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨損，并易產(chǎn)生振動(dòng)，影響表面質(zhì)量。2.3 金屬切削過程及其物理現(xiàn)象金屬切削過程及其物理現(xiàn)象 前三種類型的切屑，一般是在切削塑性金屬材料時(shí)產(chǎn)生的，在形成節(jié)狀切屑條件下，減小刀具前角或增大切削層公稱厚度，并采用很低的切削速度就可形成單元切屑；反之，增大刀具前角、提高切削速度、減小切削層公稱厚度則可形成帶狀切屑，使加工表面較為光潔。也就是說，切屑的形態(tài)是可以隨切削條件的不同而轉(zhuǎn)化的。在生產(chǎn)中，常根據(jù)具體情況采取不同的措施來得到需要的切屑，以保證切削加工的順利進(jìn)行。2.4 切削力與切削功率切削力與切

30、削功率 2.4.1 2.4.1 切削力切削力 在金屬切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力稱為切削力。 2.4.1.1 切削力的來源 切削時(shí)作用在刀具上的力主要來自兩個(gè)方面：（1） 克服被加工材料對前、后刀面彈性、塑性變形抗力；（2）克服切屑、工件與前、后刀面間的摩擦力。圖1-15 外圓車削時(shí)總切削力的分解2.4 切削力與切削功率切削力與切削功率 （1）主切削力（切向力） 總切削力 在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力，它與切削速度方向一致，大小約占總切削力的8090。是計(jì)算機(jī)床動(dòng)力、主傳動(dòng)系統(tǒng)零件和刀具強(qiáng)度及剛度的主要依據(jù)。（2）進(jìn)給力（軸向力） 總切削力 在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，是設(shè)計(jì)和驗(yàn)算機(jī)床進(jìn)給

31、機(jī)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)。進(jìn)給力也做功，但只占總功率的15。 2.4 切削力與切削功率切削力與切削功率（3）背向力（徑向力） 總切削力 在吃刀深度方向上的分力，它一般作用在工件剛性系統(tǒng)較弱的方向上，容易使工件彎曲變形，對工件精度影響較大，且 大時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)。 由于 、 、 三者互相垂直，所以總切削力與它們之間的關(guān)系為cFfFpFpFFpF222cpfFFFF2.4 切削力與切削功率切削力與切削功率 2.4.1.2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式 目前在生產(chǎn)實(shí)際中切削力的計(jì)算公式可分為兩類：一類是指數(shù)公式；一類是按單位切削力進(jìn)行計(jì)算的公式?，F(xiàn)分述如下：（1）計(jì)算切削力的指數(shù)公式 主切削力 的實(shí)驗(yàn)公式 式中 吃刀深度 對切

32、削力 的影響指數(shù)； 進(jìn)給量 對切削力 的影響指數(shù)； 實(shí)際切削條件與實(shí)驗(yàn)條件不同時(shí)的總修正系數(shù)，它是各項(xiàng)條件修正系數(shù)的乘積； 在一定切削條件下與工件材料有關(guān)的系數(shù)。FFCCCCXYcFPFFC afKcFCFXCFYCFKCFCPacFf2.4 切削力與切削功率切削力與切削功率 同樣，分力 、 等也可寫成上式的形式。但一般多根據(jù) 進(jìn)行估算。當(dāng) 、 、 時(shí)，有以下近似關(guān)系 =（0.40.5） = （0.30.4） （2）用單位切削力估算切削力的方法 所謂單位切削力,就是指切削單位面積所需要的切削力,用 表示,單位來Mpa（即N/mm2）。 pFpFfFfFcFcF45r0S 015CKCCPFK

33、a f2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 2.5.1 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 2.5.1.1 切削熱 金屬切削中所消耗的功絕大部分（9899）轉(zhuǎn)換為熱能，稱之為切削熱。切削熱來自三個(gè)變形區(qū)域，如圖1-17所示。圖1-17 切削熱的來源與傳散2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 zxy 隨著刀具材料、工件材料、切削條件的不同，三個(gè)熱源的發(fā)熱量亦不相同。第一變形區(qū)（剪切區(qū)）產(chǎn)生的熱量最多，約占7080。第二變形區(qū)產(chǎn)生的熱量約占2030。刀具后刀面與過渡表面和已加工表面的摩擦產(chǎn)生的熱量較小，但是當(dāng)?shù)毒吣モg后產(chǎn)生的摩擦熱將急劇增加。 切削熱產(chǎn)生以后，由切屑、工件、刀具及周圍的介質(zhì)（

34、如空氣等）傳散出去。各部分傳熱的比例取決于工件材料、切削速度、刀具材料及刀具幾何形狀等。實(shí)驗(yàn)顯示，車削時(shí)的切削熱主要是由切屑傳出的。傳入切屑及周圍介質(zhì)的熱量對加工沒有影響，越多越好。傳入刀具的熱量雖不是很多，但由于刀頭體積小，特別是在高速切削時(shí)，切屑與前刀面發(fā)生連續(xù)且強(qiáng)烈的摩擦，因此刀2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度頭上局部的溫度最高可達(dá)1000以上，使刀頭材料軟化，加速磨損，縮短刀具使用壽命，影響加工質(zhì)量。傳入工件的熱量，可能使工件變形，產(chǎn)生形狀和尺寸誤差，對于細(xì)長軸及薄壁零件的影響尤為顯著。 2.5.1.2 切削溫度 切削熱是通過切削溫度對工件和刀具產(chǎn)生作用的。通常所說的切削溫度，

35、是指刀具前刀面與切屑接觸區(qū)的平均溫度，該區(qū)域溫度的高低既取決于單位時(shí)間內(nèi)切削熱量產(chǎn)生的多少，又與單位時(shí)間傳散出去熱量的多少有關(guān)。研究切削溫度的目的在于設(shè)法控制刀具上的最高溫度，以延長刀具的使用壽命。2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 圖2-18（a）所示為某切削條件時(shí)用人工熱電偶法測得的溫度分布場。由圖可見，切削溫度分布極不均勻，在切屑中，底層溫度最高；在刀具中，靠近切削刃處（約1mm）溫度最高；在工件中，切削刃附近溫度最高。如圖1-18（b）所示為刀具前刀面上的切削溫度分布圖。（a） （b） 圖1-18 切削溫度的分布（圖中數(shù)字為溫度，單位為）（a）刀具、切屑和工件的溫度分布 （b）刀

36、具前刀面上的溫度分布2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 切削鋼料時(shí)，切屑表層產(chǎn)生一層氧化膜，它的顏色隨切削溫度的高低而變化，可從切屑的顏色大致判斷切削溫度的高低。300以下切屑呈銀白色；400左右呈黃色；500左右呈深蘭色；600左右呈紫黑色。2.5.2 影響切削溫度的因素 （1） 工件材料的影響 工件材料的強(qiáng)度和硬度愈高，切削力愈大，產(chǎn)生的熱量多，切削溫度自然會升高。此外，工件材料的熱導(dǎo)率越低，散給切屑和工件本體的熱量越少，而傳給刀具的熱量就越多，切削溫度也就越高。2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度（2）切削用量的影響 切削用量對切削溫度的影響規(guī)律是：切削用量增加，切削溫度增高。

37、切削速度 對切削溫度影響最大；進(jìn)給量次之；吃刀深度 影響最小。這是因?yàn)?增大后，切屑與刀具接觸面積以相同比例增大，散熱條件改善明顯； 增大后，使切屑與刀具前刀面接觸長度增加，散熱條件也有所改善； 增大后，刀具前、后刀面與切屑、工件之間的摩擦工件之間的摩擦劇增，切屑與前刀面接觸長度減小且時(shí)間減少，故散熱狀況較差。2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 （3）刀具幾何參數(shù)的影響 刀具前角增大時(shí)刀-屑界面的摩擦減輕，滯流層的應(yīng)變和應(yīng)變速度都減小，故產(chǎn)生的熱量減小，切削溫度降低。切削中碳鋼，當(dāng)前角從10增至18時(shí)，切削溫度約下降15。但若繼續(xù)增大前角時(shí)效果不明顯，甚至?xí)虻毒咝ń沁^小導(dǎo)致散熱條件變差

38、而出現(xiàn)切削溫度反彈現(xiàn)象。 刀具主偏角的改變是通過切削層公稱厚度 和切削層公稱寬度 的改變而影響切削溫度的。主偏角增大時(shí)， 減小， 增大，單位長度作用主切削刃上的負(fù)荷增加，同時(shí)刀尖角 相應(yīng)減小，導(dǎo)致刀尖的散熱條件變差，使切削溫度升高，甚至?xí)a(chǎn)生局部高溫，加劇刀具的磨損。 刀尖圓弧半徑增大，切削刃上的平均主偏角減小，切削溫度降低。 2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 （4）其它因素的影響 后刀面的磨損對切削溫度有重要影響。沒有磨損的新刀具，主后刀面與過渡表面的接觸長度通常為刀-屑接觸長度的以下，其摩擦功在整個(gè)切削功中所占比例較小。但當(dāng)磨損量達(dá)到一定值后，摩擦功增大較快，切削溫度升高迅速，且它

39、的摩擦速度就是切削速度，是刀-屑界面摩擦速度的25倍。 使用切削液可使切削溫度降低。2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 2.5.3 切削液的影響切削液對降低切削溫度有明顯的效果。在金屬切削過程中，正確使用切削液，可以減少切屑、工件與刀具的摩擦，降低切削溫度和切削力，減緩刀具磨損。切削液還可以減少刀具與切屑粘結(jié)，抑制積屑瘤和鱗刺的生長；減小已加工表面粗糙度值，減少工件熱變形，保證加工精度和提高生產(chǎn)效率。1. 切削液的作用（1）冷卻作用 使用切削液能降低切削溫度，從而提高刀具使用壽命和加工質(zhì)量。在切削速度高，刀具、工件材料導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)較大的情況下，切削液的冷卻作用尤顯重要。2.5 切

40、削熱與切削溫度切削熱與切削溫度 （2）潤滑作用 金屬切削加工時(shí)，切屑、工件和刀具表面的摩擦可以分為干摩擦、流體潤滑摩擦和邊界潤滑摩擦三類。不加切削液時(shí)，就是金屬與金屬接觸的干摩擦，摩擦系數(shù)最大。 （3）清洗作用 切削液能沖刷掉切削中產(chǎn)生的碎屑或磨粉，避免劃傷已加工表面和機(jī)床導(dǎo)軌。清洗性能的好壞，與切削液的滲透性、流動(dòng)性和使用的壓力有關(guān)。切削液的清洗作用對于磨削精密加工和自動(dòng)線加工十分重要，而深孔加工時(shí)，常常利用高壓切削液來進(jìn)行排屑。（4）防銹作用 為減少工件、機(jī)床、刀具的腐蝕，要求切削液具有一定的防銹作用。其防銹作用的好壞，取決于切削液本身的性能和加入的防銹添加劑的性質(zhì)。2.5 切削熱與切削溫

41、度切削熱與切削溫度 2. 切削液的種類及選用（1）水溶液 主要成分為水并加入防銹劑和添加劑，使其既有良好的冷卻、防銹性能，又有一定的潤滑作用。適合于磨削加工。（2）乳化液 主要成分為水（9598），加入適量的礦物油、乳化劑和其它添加劑配制而成的乳白色切削液。低濃度乳化液主要起冷卻作用；高濃度乳化液主要起潤滑作用。乳化液主要用于車削、鉆削、攻螺紋。（3）切削油 主要成分是礦物油(機(jī)油、輕柴油、煤油)，少數(shù)采用動(dòng)植物油(豆油、菜油、蓖麻油、棉子油、豬油、鯨油)等。切削油一般用于滾齒、插齒、銑削、車螺紋及一般材料的精加工。 機(jī)油用于普通車削、攻螺紋；煤油或與礦物油的混合油用于精加工有色金屬和鑄鐵；煤

42、油或與機(jī)油的混合油用于普通孔或深孔精加工；蓖麻油或豆油也用于螺紋加工；輕柴油用于自動(dòng)機(jī)床上，做自身潤滑液和切削液用。2.5 切削熱與切削溫度切削熱與切削溫度2.6 刀具磨損與刀具壽命刀具磨損與刀具壽命 2.6 刀具的磨損與刀具耐用度2.6.1.1 刀具的磨損形態(tài) 刀具磨損是指刀具摩擦面上的刀具材料逐漸損失的現(xiàn)象。刀具磨損分為正常磨損與非正常磨損兩類。正常磨損是在刀具設(shè)計(jì)與使用合理，制造與刃磨質(zhì)量符合要求的情況下，刀具在切削過程中逐漸產(chǎn)生的磨損。刀具正常磨損的形態(tài)一般有以下三種，如圖6-11所示。 圖1-11 刀具磨損形態(tài)2.6 刀具磨損與刀具壽命刀具磨損與刀具壽命 （1） 前刀面磨損 切屑沿前

43、刀面流出時(shí)，由于摩擦、高壓、高溫的作用，使刀具前刀面上靠近主切削刃處磨損出洼凹（稱為月牙洼），月牙洼產(chǎn)生的地方是在切削溫度最高的地方。磨損量的大小用月牙洼的寬度KB和深度KT表示，如圖1-11b、c所示，它是在高速、大進(jìn)給量切削塑性材料時(shí)產(chǎn)生的。 （2）后刀面磨損 由于切削刃的刃口鈍圓半徑對加工表面的擠壓和摩擦，在連接切削刃的的后刀面上磨出一后角等于零的小棱面，這就是后刀面磨損，磨損量只用VB表示，如圖1-11（ a）所示。它是在切削速度較低、切削厚度較小的情況下，切削脆性材料時(shí)產(chǎn)生的。2.6 刀具磨損與刀具壽命刀具磨損與刀具壽命 （3）前、后刀面同時(shí)磨損 在切削過程中，由于振動(dòng)、沖擊、熱效應(yīng)

44、等異常原因，導(dǎo)致刀具突然損壞的現(xiàn)象（如崩刃、碎裂等）稱為非正常磨損。 2.6.1.2 刀具磨損的原因及減輕措施 （1） 磨料磨損 在車削過程中，工件材料中的碳化物、氧化物、氮化物和積屑瘤碎片等硬質(zhì)點(diǎn)，在刀具表面上劃出溝紋造成的刀具磨損。減輕磨損的措施可以采取熱處理使工件材料所含硬質(zhì)點(diǎn)減小、變軟，或選用硬度高、晶粒細(xì)的刀具材料。（2） 粘結(jié)磨損 刀具表面與切屑、加工表面形成的摩擦副，在切削壓力和摩擦力作用下，使接觸面間微觀不平度的凸出點(diǎn)處發(fā)生2.6 刀具磨損與刀具壽命刀具磨損與刀具壽命 劇烈塑性變形，溫度升高而造成粘結(jié)。接觸面滑動(dòng)時(shí)粘結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生剪切破裂而造成的磨損稱為粘結(jié)磨損，當(dāng)顆粒大時(shí)稱為剝落。 粘結(jié)磨損主要發(fā)生在中等切削速度范圍內(nèi)，磨損程度主要取決于工件材料與刀具材料間的親和力、兩者的硬度比等。增加系統(tǒng)的剛度，減