第五講切削基本理論的應用(簡版)

金屬切削與機床

MetalCutting&MachineTools第五講切削基本理論的應用切屑控制材料的切削加工性切削液選用已加工表面質(zhì)量刀具幾何參數(shù)的選擇切削用量的選擇切屑控制切屑形狀

常見的切屑形狀有帶狀切屑、管狀切屑、長緊卷屑、發(fā)條狀卷屑、寶塔狀卷屑等。切屑控制切屑形狀帶狀切屑帶狀屑連綿不斷，易纏繞在工件或刀具上，造成劃傷工件表面或打壞刀刃，甚至傷害操作人員。故一般應避免形成帶狀屑。但在某些情況下(如加工盲孔)，為了使切屑順利地排出，希望形成帶狀屑或長緊卷屑。切屑控制切屑形狀寶塔狀狀切屑在自動機床或自動線上，排屑及清除對加工的連續(xù)性很重要，故希望形成不纏繞工件和刀具且易清除的寶塔狀卷屑。切屑控制切屑形狀發(fā)條狀切屑在重型車床上，因切屑又厚又寬，為安全起見，希望形成發(fā)條狀屑，并使其在工件加工表面上頂斷，靠自重墜落。

切屑控制切屑形狀C形切屑

“C”形“6”形屑不會傷工件表面或打刀刃，也不易傷人。多數(shù)是使它碰撞在刀具后刀面或工件表面上而折斷，但這樣會影響切削過程的平穩(wěn)性，也會影響已加工表面粗糙度。

切屑控制切屑形狀不連續(xù)的碎屑，由于在切削過程很不平穩(wěn)，容易破壞刀具，也有損于機床，已加工表面粗糙，在生產(chǎn)中應力求避免。手段：

減小切削厚度，使切屑成針狀或片狀單元切屑；同時適當提高切削速度，增加工件塑性。

切屑流向與折斷切屑的流向1、在直角自由切削時，切屑在正交平面流出。2、在直角非自由切削時，切屑流出方向與正交平面成出屑角η切屑控制切屑流向與折斷影響切屑流向的主要參數(shù)是λs，κr，γo切屑控制切屑流向與折斷影響切屑流向的主要參數(shù)是λs，κr，γo切屑控制切屑流向與折斷斷屑臺工作機理：厚度為hch的切屑受到斷屑臺推力FBn作用產(chǎn)生彎曲，并產(chǎn)生卷曲應變。卷曲半徑由ρ0逐漸增大到ρ，當切屑端部碰到后刀面時，切屑產(chǎn)生反向彎曲應變，最后彎曲應變εmax大于材料極限應變εb時折斷。切屑控制切屑流向與折斷切屑折斷條件：增大切屑的塑性變形和硬脆性，從而促使切屑卷曲并折斷。切屑越厚（hch越大），切屑卷曲半徑ρ越小，材料硬度越高、脆性越大（極限應變值εb越小）時，切屑越容易折斷。

切屑控制切屑控制斷屑措施設置斷屑槽：直線型、全圓弧型、直線圓弧型1、全圓弧形前角=25o～35o。適用于切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料。2、其它兩種前角=5o～15o，適用于切削碳素鋼、合金結構鋼、工具鋼等切屑控制斷屑措施

在切削用量參數(shù)中，對斷屑影響最大的是進給量f。切屑控制斷屑措施切削刃上開分屑槽材料的切削加工性切削加工性指標工件材料的切削加工性是指在一定的加工條件下工件材料被切削的難易程度。1、工件材料的性能指標材料硬度、抗拉強度、伸長率、沖擊刃度、熱導率2、相對加工性指標材料的切削加工性切削加工性指標工件材料加工時的情況和要求不同，材料加工難易程度的評價標準也不同。3、粗加工時用刀具耐用度和切削力作為指標4、精加工時用已加工表面粗糙度作為指標切削加工性是一個相對概念材料的切削加工性加工性等級名稱及種類相對加工性Kv典型材料1很容易切削材料一般有色金屬>3.05-5-5銅鉛合金,9-4鋁銅合金,鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.50～3.00退火15Cr,σb=0.37～0.441GPa自動機鋼,σb=0.393～0.491GPa3較易切削鋼1.60～2.50正火30鋼σb=0.441～0.549GPa4普通材料一般鋼及鑄鐵1.00～1.6045鋼,灰鑄鐵5稍難切削材料0.65～1.002Cr13調(diào)質(zhì),σb=0.834GPa85鋼σb=0.883GPa6難切削材料較難切削材料0.50～0.6565Mn調(diào)質(zhì),σb=1.03GPa

45Cr調(diào)質(zhì),σb=0.932～0.981GPa7難切削材料0.15～0.5050CrV調(diào)質(zhì),1Cr18Ni9Ti,某些鈦合金8很難切削材料<0.15某些鈦合金,鑄造鎳基高溫合金材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素一、工件材料的硬度

一般情況下，加工硬度高的工件材料時，切屑與前刀面的接觸長度減小，前刀面上的法向應力增大，摩擦集中在一小段刀具和切屑接觸面上，使切削溫度增高，摩擦加劇，因此刀尖容易磨損和崩刃。工件材料的硬度越高，所允許的切削速度也越低。材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素二、工件材料的金相組織金屬材料中含有大部分鐵素體和少量珠光體時材料的切削加工性較好。片狀珠光體分布的材料，金屬切削加工性較差；球狀珠光體分布的材料，金屬切削加工性較好；切削馬氏體、回火馬氏體和索氏體等硬度較高的組織時，刀具磨損大，材料切削加工性差材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素三、工件材料的韌性與塑性在強度相同時，塑性大的材料所需切削力大，產(chǎn)生的切削溫度也高，另外還容易發(fā)生粘結現(xiàn)象，切削變形大，因而刀具磨損較大，已加工表面質(zhì)量較差，此材料的切削加工性也較差。材料的韌性對材料加工性的影響與塑性類似。韌性大的工件材料所需切削力較大，刀具易磨損，而且材料的韌性越高，斷屑越困難。材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素四、工件材料的強度工件材料的強度越高，所需的切削力也越大，切削溫度也相應增高，刀具磨損變大。因此，材料的切削加工性是隨著材料的強度增大而降低。

材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素五、工件材料的熱導率熱導率通過對切削溫度的影響而影響材料的加工性。導熱率大的材料，由切屑帶走和工件散出的熱量多，有利于降低切削溫度，使刀具磨損速率減慢，故加工性好。另外，韌性大，與刀具材料的化學親和性強的材料，其加工性也不好。

材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素六、工件材料的化學成分Cr、Ni、V、Mo、W、Mn等元素能提高鋼的強度和硬度；Si和Al等元素容易形成氧化鋁和氧化硅等硬質(zhì)點，增加刀具磨損。這些元素含量較低時（一般0.3％為限），對金屬的切削加工性影響不大，超過這個含量，材料的切削加工性降低。材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素六、工件材料的化學成分鋼中加入少量的硫、硒、鉛、磷等元素后，不但能降低鋼的強度，而且能降低鋼的塑性，因而提高了鋼的切削加工性。鑄鐵中化學元素對切削加工性的影響是通過這些元素對碳石墨化作用而產(chǎn)生的。材料的切削加工性影響材料切削加工性的因素七、工件材料的加工硬化性能A、工件材料的加工硬化性能越高，切削力越大，切削溫度也越高；B、刀具容易被硬化的切屑和已硬化表面磨損，因而，材料的切削加工性越低。一些高錳鋼和奧氏體不銹鋼切削后的表面硬度，比原硬度高1.8倍左右，造成刀具磨損加劇。材料的切削加工性改善切削加工性途徑

1、調(diào)整工件材料的化學成分目前，生產(chǎn)上使用的易切鋼就是在鋼中加入適量的易切削元素S、P、Pb、Ca等制成的。這些元素在鋼中使材料組織結構不連續(xù)，有利于切削，鉛華能形成潤滑膜，起到一定的潤滑作用并增加材料的熱脆性。材料的切削加工性改善切削加工性途徑

2、通過熱處理改變材料金相組織和力學性能高碳鋼通過球化退火處理，使片狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，降低了材料的硬度，從而可改善了其加工性?/p>

低碳鋼通過正火處理，可減小其塑性，提高硬度，使加工性得到改善。

馬氏體不銹鋼塑性也較高，一般通過調(diào)質(zhì)處理，降低塑性，提高其加工性。切削液選用切削液功能1、冷卻作用切削液的冷卻作用主要靠熱傳導帶走大量的熱來降低切削溫度，冷卻性能取決于它有導熱系數(shù)、比熱容、汽化熱、汽化速度、流量、流速等。水溶液的冷卻性能最好，切削油較差。切削液選用切削液功能金屬切削時切屑、工件與刀具界面的摩擦可分為干摩擦、液體潤滑摩擦和邊界潤滑摩擦三類。2、潤滑作用切削液的潤滑作用是通過切削液的滲透作用到達切削區(qū)后，在刀具、工件、切屑界面上形成吸附膜實現(xiàn)的。切削液選用切削液功能3、排屑和洗滌作用切削液具有沖刷切削中產(chǎn)生的碎屑（如磨削）的作用。清洗性能的好壞，與切削液的滲透性、流動性和使用的壓力有關。切削液選用切削液功能4、防銹作用一些切削液中加入了防銹添加劑，它能與金屬表面起化學反應而生成一層保護膜，從而起到防銹的作用。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)。切削液選用切削液添加劑及分類

1）油性添加劑

單純礦物油與金屬的吸附力差，潤滑效果不好，如在礦物油中添加油性添加劑，將改善潤滑作用。動植物油、皂類、胺類等與金屬吸附力強，形成的物理吸附油膜較牢固，是理想的油性添加劑。不過物理吸附油膜在溫度較高時將失去吸附能力。200℃以下使用

切削液選用切削液添加劑及分類

2）極壓添加劑

利用添加劑中的化合物，在高溫下與加工金屬快速反應形成化學吸附膜，從而起固體潤滑劑作用。目前常用的添加劑中一般含氯、硫和磷等化合物。由于化學吸附膜與金屬結合牢固，一般在400℃～800℃高溫仍起作用。硫與氯的極壓切削油分別對有色金屬和鋼鐵有腐蝕作用，應注意合理使用。

切削液選用切削液添加劑及分類

3）表面活性劑表面活性劑是一種有機化合物，它使礦物油微小顆粒穩(wěn)定分散在水中，形成穩(wěn)定的水包油乳化液。表面活性劑除起乳化作用外，還能吸附在金屬表面，形成潤滑膜，起潤滑作用。

切削液選用切削液添加劑及分類常用切削液可分為三類：

水溶液、切削油、乳化液1、水溶液

水溶液的主要成分是水，為具有良好的防銹性能和一定的潤滑性能，常加入一定的添加劑（如亞硝酸鈉、硅酸鈉等）。常用水溶液：電介質(zhì)水溶液、表面活性水溶液切削液選用切削液添加劑及分類常用切削液可分為三類：

水溶液、切削油、乳化液2、切削油以礦物油為基體加入油性添加劑的混和油，一般用于低速切削有色金屬及磨削中；極壓切削油，是在礦物油中添加極壓添加劑制成，適用于重切削和難加工材料的切削。切削液選用切削液添加劑及分類常用切削液可分為三類：

水溶液、切削油、乳化液3、乳化液用乳化油加70％～98％的水稀釋而成的乳白色或半透明狀液體，它由切削油加乳化劑制成。。濃度高，潤滑效果好，冷卻效果差；濃度低，冷卻效果好，潤滑效果差。切削液選用切削液添加劑及分類4、固體潤滑劑固體潤滑劑中使用最多的是二硫化鉬(MoS2)。由形成的潤滑膜具有0.05～0.09很小的摩擦因數(shù)和攝氏1185度高的熔點。使用時可將涂刷在刀面上和工作表面上，也可添加在切削油中。切削液選用切削液選用原則（1）粗加工切削用量大，產(chǎn)生的切削熱量多，容易使刀具迅速磨損。此類加工一般采用冷卻作用為主的切削液，如離子型切削液或3％～5％乳化液。速度較低時，刀具以機械磨損為主，宜選用潤滑性能為主的切削液；速度較高時，刀具主要是熱磨損，應選用冷卻為主的切削液。切削液選用切削液選用原則（2）精加工加工一般鋼件，在較低的速度（6.0m/min～30m/min）情況下，宜選用極壓切削油或10％～12％極壓乳化液，以減小刀具與工件之間的摩擦和粘結，抑制積屑瘤。精加工銅及其合金、鋁及合金或鑄鐵時：宜選用粒子型切削液或10％～12％乳化液，以10％～12％極壓乳化液，以降低加工表面粗糙度。切削液選用切削液選用原則（3）難加工材料一般處于高溫高壓的邊界潤滑摩擦狀態(tài)，應選用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液。當用硬質(zhì)合金刀具高速切削時，可選用冷卻作用為主的低濃度乳化液。已加工表面質(zhì)量加工表面形成過程已加工表面的形成與第三變形區(qū)的關系密切已加工表面質(zhì)量表面層加工質(zhì)量對零件的性能影響1、表面層質(zhì)量對耐磨性能的影響；2、表面層質(zhì)量對疲勞強度的影響；3、表面層質(zhì)量對抗腐蝕性的影響；4、影響配合性質(zhì)已加工表面質(zhì)量加工表面層質(zhì)量衡量指標1、幾何方面的質(zhì)量

表面粗糙度2、材料特性方面的質(zhì)量

加工硬化、表層殘余應力

表層微裂紋、表層金相組織已加工表面質(zhì)量加工表面層質(zhì)量衡量指標表面粗糙度1、理論粗糙度2、實際粗糙度

已加工表面質(zhì)量加工表面層質(zhì)量衡量指標表面粗糙度成因1、理論粗糙度

加工表面層質(zhì)量衡量指標表面粗糙度成因1、實際粗糙度

積屑瘤、鱗刺、刀具磨痕、切削振紋等

已加工表面質(zhì)量已加工表面質(zhì)量表面粗糙度影響因素1、切削用量的影響低速易形成積屑瘤與鱗刺已加工表面質(zhì)量表面粗糙度影響因素2、刀具幾何參數(shù)的影響前角γo

增大前角，減小摩擦削弱強度，不利于散熱已加工表面質(zhì)量表面粗糙度影響因素2、刀具幾何參數(shù)的影響后角αo

增大后角，減少摩擦，減少對加工表面的擠壓緩解硬化與鱗刺。

精加工時或采用負后角，擠壓已加工表面，提高表面質(zhì)量。

已加工表面質(zhì)量表面粗糙度影響因素2、刀具幾何參數(shù)的影響偏角κr與刀尖圓弧半徑rε

已加工表面質(zhì)量表面粗糙度影響因素3、刀具材料的影響刀具材料對加工表面質(zhì)量的影響，主要取決于他們與加工材料間的摩擦因數(shù)、親和程度、材料耐磨性與可刃磨性。表面粗糙度影響因素4、切削液的影響低速切削時切削液的影響明顯高速切削時切削液影響不明顯已加工表面質(zhì)量加工硬化影響因素1、硬化程度表示方法

硬化程度是指已加工表面的顯微硬度增加值，對原始顯微硬度的百分比。

硬化層深度是指已加工表面至未硬化處的垂直距離Δhd，單位為μm。已加工表面質(zhì)量已加工表面質(zhì)量鋼件表面的硬化深度Δhd和硬化程度N

加

工

方

法平均硬化深度Δhdμm平均硬化程度N/(%)高速車削30～50120～150精車20～60140～180鉆孔180～200160～170拉削20～75150～200滾(插)齒120～150160～200外圓磨削(未淬火)30～60140～160研磨3～7110～117加工硬化影響因素1、工件材料硬度低、塑性高，熔點越高、硬化越嚴重。2、刀具前角γo已加工表面質(zhì)量

加工硬化影響因素3、切削刃鈍圓半徑半徑越大，擠壓與摩擦越嚴重，硬化也越嚴重。已加工表面質(zhì)量

加工硬化影響因素4、刀具磨損量VBVB越大，后刀面摩擦越嚴重，硬化也越嚴重。已加工表面質(zhì)量

加工硬化影響因素5、刀具切削速度Vc切削速度v對加工硬化的影響是多方面的，已加工表面質(zhì)量

加工硬化影響因素6、切削進給量f切削進給量增加，硬化層度加劇。已加工表面質(zhì)量

刀具幾何參數(shù)合理選擇

刀具合理的幾何參數(shù)，是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠滿足刀具使用壽命長、較高生產(chǎn)率、較低加工成本的刀具幾何參數(shù)。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容

一、刃形刃形是指切削刃的形狀，有直線刃、折線刃、圓弧刃、月牙弧刃、波形刃、階梯刃及其他適宜的空間曲線刃等。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容

二、切削刃刃區(qū)剖面型式及參數(shù)

通常將切削刃的剖面型式簡稱為刃區(qū)型式。針對不同的加工條件和技術要求，選擇合理的刃區(qū)型式及其合理的參數(shù)值，是選擇刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容

三、刀面型式及參數(shù)選擇合理的刀面型式及其參數(shù)值，對切屑的變形、卷曲和折斷，對切削力、切削熱、刀具磨損及使用壽命，有著直接的影響，其中前刀面的影響和作用更大。刀具幾何參數(shù)選擇刀具合理幾何參數(shù)的基本內(nèi)容四、刀具角度刀具角度包括主切削刃的前角γo、后角αo、主偏角主偏角κr、刃傾角λs和副切削刃的副后角αo’、副偏角κr’等。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具前角及前刀面形狀選擇前角功能：(1)影響切削區(qū)域的變形程度(2)影響切削刃與刀頭的強度、受力性

質(zhì)和散熱條件(3)影響切屑形態(tài)和斷屑效果(4)影響已加工表面質(zhì)量

刀具幾何參數(shù)選擇刀具前角及前刀面形狀選擇合理前角γo

刀具前角及前刀面形狀選擇合理前角選用原則：(1)工件材料的強度、硬度低，可以取較大的甚至很大的前角；加工特別硬的工件(如淬硬鋼)時，前角很小甚至取負值；

刀具幾何參數(shù)選擇刀具前角及前刀面形狀選擇合理前角選用原則：(2)加工塑性材料時，尤其是冷加工硬化嚴重的材料，應取較大的前角；加工脆性材料時，可取較小的前角；(3)粗加工，特別是斷續(xù)切削，承受沖擊性載荷，或?qū)τ杏财さ蔫T鍛件粗切時，為保證刀具有足夠的強度，應適當減小前角；

刀具幾何參數(shù)選擇刀具前角及前刀面形狀選擇合理前角選用原則：(4)成形刀具和前角影響刀刃形狀的其它刀具，為防止刃形畸變，常取較小的前角，甚至取0°，但這些刀具的切削條件不好，應在保證切削刃成形精度的前提下，設法增大前角；(5)刀具材料的抗彎強度較大、韌性較好時，應選用較大的前角，如高速鋼刀具比硬質(zhì)合金刀具，允許選用較大的前角；

刀具幾何參數(shù)選擇刀具前角及前刀面形狀選擇合理前角選用原則：(6)工藝系統(tǒng)剛性差和機床功率不足時，應選取較大的前角；(7)數(shù)控機床和自動機床、自動線用刀具，應考慮保障刀具尺寸公差范圍的使用壽命及工作的穩(wěn)定性，而選用較小的前角。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具前角及前刀面形狀選擇強化切削刃在切削加工中，增大刀具前角，有利于切屑形成和減小切削力；但增大前角，又使切削刃強度減弱。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具幾何參數(shù)選擇刀具后角及后刀面形狀選擇后角的功能：(1)后角的主要功用是減小后刀面與過渡表面之間的摩擦。(2)后角越大，切削刃鈍圓半徑rβ值越小，刀刃易切入工件，切削刃越鋒利；(3)在同樣的磨鈍標準VB下，后角大的刀具用到磨鈍時，所磨去的金屬體積較大(4)如果后角過大，楔角減小，將削弱切削刃的強度，減少散熱體積。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具后角及后刀面形狀選擇后角的選擇原則：(1)實驗證明，合理的后角主要取決于切削厚度(或進給量)。車刀合理后角在f≤0.25mm/r時可選為10°～12°，在f>0.25mm/r時取為5°～8°。(2)工件的強度、硬度較高時，為增加切削刃的強度，應選擇較小的后角。(3)粗加工或斷續(xù)切削時，為了強化切削刃，應選較小的后角。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具后角及后刀面形狀選擇后角的選擇原則：(4)當工藝系統(tǒng)剛性較差，容易出現(xiàn)振動時，應適當減小后角。為了減小或消除切削時的振動，還可以在車刀后面上磨出bαl=0.1～0.2mm，αo1=0°的刃帶。(5)在尺寸精度要求較嚴的情況下，為限制重磨后刀具尺寸變化，一般選用較小的后角。

刀具幾何參數(shù)選擇刀具主偏角選擇1)工藝系統(tǒng)的剛度較好時，主偏角可取小值，如κr＝30～45，在加工高強度，高硬度的工件時，可取κr＝10～30，以增加刀頭的強度。當工藝系統(tǒng)的剛度較差或強力切削時，一般取κr＝60～75。

2)車削細長軸時，為了減小徑向力，取κr＝90～93；車削階梯軸時，可取κr＝90；用一把車刀車削外圓、端面和倒角時，可取κr＝45～60；鏜盲孔時κr>90。對于切削屑控制嚴格的自動化加工，宜取較大的主偏角。刀具副偏角選擇1）副偏角κrˊ的大小主要根據(jù)工件已加工表面的粗糙度要求和刀具強度來選擇，在不引起振動的情況下，盡量取小值。2）精加工時，一般取κrˊ＝5°～10°；粗加工時，取κr’＝10°～15°。刀具幾何參數(shù)選擇刀具幾何參數(shù)選擇刀具過度刃的選擇1）硬質(zhì)合金及陶瓷等脆性較大的刀具材料，因其對振動較敏感，刀具的刀尖圓弧半徑rε取得較??；刀具幾何參數(shù)選擇刃傾角的功能與選擇刃傾角的功能(1)影響切削力的大小與方向(2)影響刀尖強度和散熱條件(3)影響切屑的流出方向(4)影響切削刃的鋒利程度刀具幾何參數(shù)選擇刃傾角的功能與選擇刃傾角的選擇在加工鋼件或鑄鐵件時，粗車取λs＝－5°～0°，精車取λs＝0°～5°；有沖擊負荷或斷續(xù)切削取λs＝－15°～－5°。加工高強度鋼、淬硬鋼或強力切削時，為提高刀頭強度，取λs＝－30°～－10°。當工藝系統(tǒng)剛度較差時，一般不宜采用負刃傾角，以避免徑向力的增加。切削用量的合理選擇

合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和機床性能（功率、扭矩），在保證質(zhì)量的前提下，使得切削效率最