第3章金屬切削原理與刀具第3節(jié)

2023/2/31第3章

金屬切削原理與刀具

本章要點(diǎn)金屬切削刀具金屬切削的基本規(guī)律金屬切削基本規(guī)律的應(yīng)用刀具磨損與刀具壽命切削用量的選擇23.1刀具磨損與刀具壽命一、刀具磨損的形態(tài)1——正常磨損二、刀具磨損的形態(tài)2——非正常磨損（刀具破損）三、刀具磨損的原因四、刀具磨損過程五、刀具壽命（耐用度）及其經(jīng)驗(yàn)公式1.刀具壽命定義2.刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗(yàn)公式3.影響刀具壽命的因素4.刀具壽命的選擇第三節(jié)金屬切削基本規(guī)律的應(yīng)用33.2切削用量的選擇一、影響切削變形因素二、切削用量對(duì)切削加工的影響三、切削用量制定的步驟——傳統(tǒng)方法四、提高切削用量的途徑五、改善切削加工性的途徑第三節(jié)金屬切削基本規(guī)律的應(yīng)用43.1刀具磨損與刀具壽命一、刀具磨損的形態(tài)1——正常磨損1.前刀面磨損2.后刀面磨損3.邊界磨損51.前刀面磨損(月牙洼磨損)形成條件：切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，切屑與前面完全是新鮮表面相互接觸和摩擦，化學(xué)活性很高，反應(yīng)劇烈，在接觸面很大，切削液難以滲入。前刀面在高溫高壓由于切屑的作用形成月牙洼。形式：前刀面磨出月牙洼，月牙洼的位置發(fā)生在刀具前刀面上切削溫度最高的地方。影響：削弱刀刃強(qiáng)度，降低加工質(zhì)量。61.前刀面磨損(月牙洼磨損)影響：削弱刀刃強(qiáng)度，降低加工質(zhì)量。

月牙洼和切削刃之間有一條小棱邊。在磨損過程中，月牙洼的寬度、深度不斷增大，當(dāng)月牙洼擴(kuò)展到使棱邊很窄時(shí)，切削刃的強(qiáng)度大為削弱，極易導(dǎo)致崩刃。2023/2/372.后刀面磨損形成條件：在切削速度較低、切削厚度較小的情況下切削塑性材料或加工脆性材料時(shí)，主要發(fā)生后刀面磨損。形式：由于加工表面和刀具后刀面間存在著強(qiáng)烈的摩擦，在后刀面上毗鄰切削刃的地方很快被磨出后角為零的小棱面，這就是后刀面磨損。影響：切削力↑,切削溫度↑,產(chǎn)生振動(dòng)，降低加工質(zhì)量。2023/2/383.邊界磨損形成條件：切削鋼料，或加工鑄、鍛等外表皮粗糙的工件時(shí)，常在主切削刃靠近工件外表皮處以及副切削刃靠近刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋，這就是邊界磨損。9刀具磨損的形態(tài)

10二、刀具磨損的形態(tài)2——非正常磨損（刀具破損）

刀具破損的主要形式：脆性破損和塑性破損。脆性破損：裂紋、崩刃、破碎等，塑性破損：卷刃（刀刃塑性變形）。用陶瓷、超硬刀具材料制成的刀具進(jìn)行斷續(xù)切削，或者加工高硬度材料時(shí)，刀具的脆性破損就更加嚴(yán)重。3.1刀具磨損與刀具壽命11形式狀況實(shí)例脆性破損硬質(zhì)合金和陶瓷刀具在機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊作用下常發(fā)生。1)崩刃切削刃上產(chǎn)生小的缺口。缺口尺寸較小時(shí)，刀刃還能繼續(xù)切削。但在繼續(xù)切削過程中，刃區(qū)崩損部分會(huì)迅速擴(kuò)大，可能使刀具完全失效。陶瓷刀具切削時(shí)；硬質(zhì)合金刀具斷續(xù)切削時(shí)2)破碎切削刃上發(fā)生小塊碎裂或大塊斷裂，不能繼續(xù)正常切削。硬質(zhì)合金和陶瓷刀具斷續(xù)切削時(shí)3)剝落在前、后刀面上幾乎平行于切削刃而剝下一層碎片，經(jīng)常連切削刃一起剝落。陶瓷刀具端銑時(shí)4)裂紋較長時(shí)間連續(xù)切削后，由于疲勞而引起裂紋的一種破損。有熱裂紋；機(jī)械疲勞裂紋，當(dāng)這些裂紋不斷擴(kuò)展合并，就會(huì)引起切削刃的碎裂或斷裂。塑性破損由于高溫和高壓的作用，在前、后刀面和切屑、工件的接觸層上，刀具表層材料發(fā)生塑性流動(dòng)而喪失切削能力。高速鋼刀具因其耐熱性較差，易出現(xiàn)12三、刀具磨損的原因

刀具與切屑、工件間的接觸表面經(jīng)常是新鮮表面；前、后刀面上的接觸壓力很大，有時(shí)超過被切材料的屈服強(qiáng)度；接觸面的溫度也很高，如硬質(zhì)合金加工鋼料時(shí)可達(dá)800~1000℃。因此，刀具磨損是機(jī)械的、熱的和化學(xué)的三種作用的綜合結(jié)果。3.1刀具磨損與刀具壽命2023/2/313形式狀況實(shí)例1.磨粒磨損碳化物（Fe3C、TiC等）、氮化物（AlN、Si3N4等）和氧化物（SiO2、Al2O3等）等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等，在刀具表面刻劃出溝紋。在各種切削速度下都存在，它是低速刀具(如拉刀、板牙等)磨損的主要原因。2.粘結(jié)磨損切屑、工件與前、后刀面之間，存在著很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，形成新鮮表面接觸而發(fā)生冷焊粘結(jié)。刀具表面上的微粒逐漸被切屑或工件粘走。高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具都可能發(fā)生。硬質(zhì)合金具在中等偏低的切削速度下切削塑性金屬時(shí)，磨損比較嚴(yán)重。3.擴(kuò)散磨損高溫下，刀具和工件、切屑雙方的化學(xué)元素互相擴(kuò)散到對(duì)方去，改變了原來材料的成分與結(jié)構(gòu)，削弱了刀具材料的性能，加速磨損過程。擴(kuò)散磨損的快慢和程度與刀具材料中化學(xué)元素的擴(kuò)散速率關(guān)系密切。4.化學(xué)磨損較高溫度下，刀具材料與某些周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨損?？諝獠灰走M(jìn)入刀—屑接觸區(qū)，化學(xué)磨損中因氧化而引起的磨損最容易在主、副切削刃的工作邊界處形成，從而產(chǎn)生較深的磨損溝紋。5.相變磨損刀具材料（高速鋼）因切削溫度升高達(dá)到相變溫度（550~600°C）時(shí)，使金相組織發(fā)生變化，硬度降低而造成磨損。14溫度對(duì)磨損的影響

①磨粒磨損②粘結(jié)磨損③擴(kuò)散磨損④化學(xué)磨損在低速(低溫)區(qū)以磨粒磨損和粘結(jié)磨損為主；在高速(高溫)區(qū)以擴(kuò)散磨損和化學(xué)磨損為主。15四、刀具磨損過程刀具磨損過程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時(shí)間3.1刀具磨損與刀具壽命16階段原因特點(diǎn)初期磨損1）新刃磨的刀具切削刃較鋒利，其后刀面與加工表面接觸面積很小，壓應(yīng)力較大；2）后刀面存在微觀不平等缺陷。磨損很快。一般初期磨損量為0.05-0.10mm。正常磨損經(jīng)初期磨損后，刀具的粗糙表面已經(jīng)磨平，承壓面積增大，壓應(yīng)力減小，磨損速率明顯減小磨損比較緩慢均勻。后刀面磨損量隨切削時(shí)間延長而近似地成比例增加。刀具工作的有效階段。急劇磨損刀具經(jīng)過正常磨損階段后，切削刃變鈍，切削力、切削溫度迅速升高，磨損速度急劇增加，以致刀具損壞而失去切削能力。磨損強(qiáng)度很大，生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)避免達(dá)到這個(gè)磨損階段，要在這個(gè)階段到來之前，及時(shí)更換刀具或重新刃磨刀具。17硬質(zhì)合金車刀的典型磨損曲線YD05-30CrMnSiA；go=4o，ao=8o，kr=45o，ls=-4o；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm18五、刀具壽命（耐用度）及其經(jīng)驗(yàn)公式1.定義（1）刀具壽命：刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)（刀具磨損到不能繼續(xù)使用的限度，常取后刀面最大允許磨損量VB）為止的切削時(shí)間稱為刀具壽命（耐用度）。（2）刀具總壽命：一把新刀從投入切削開始至報(bào)廢為止的總切削時(shí)間，其間包括多次重磨。3.1刀具磨損與刀具壽命192.刀具壽命（耐用度）經(jīng)驗(yàn)公式式中CT

、m、n、p

為與工件、刀具材料等有關(guān)的常數(shù)。五、刀具壽命（耐用度）及其經(jīng)驗(yàn)公式20刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用用硬質(zhì)合金刀具切削碳鋼（=0.763GPa）時(shí)，有

可知：v

的影響最顯著；f次之；ap

影響最小。213.影響刀具壽命的因素1）切削用量2）工件材料3）刀具幾何角度4）刀具材料五、刀具壽命（耐用度）及其經(jīng)驗(yàn)公式22切削用量切削用量對(duì)刀具壽命Ｔ的影響規(guī)律如同對(duì)切削溫度的影響。切削速度vc、背吃刀量ap、進(jìn)給量f增大，使切削溫度提高，刀具壽命Ｔ下降。Vc影響最大、進(jìn)給量f其次，ap影響最小。工件材料1）工件材料的硬度或強(qiáng)度提高，使切削溫度提高，刀具磨損加大，刀具壽命Ｔ下降。2）工件材料的延伸率越大或?qū)嵯禂?shù)越小，切削溫度越高，刀具壽命Ｔ下降。刀具幾何角度1）前角對(duì)刀具壽命的影響呈“駝峰形”。2）主偏角Κr減小時(shí)，使切削寬度增大，散熱條件改善，故切削溫度下降，刀具壽命Ｔ提高。刀具材料刀具材料的高溫硬度越高、越耐磨，刀具壽命Ｔ越高。23不同刀具材料的耐用度比較

不同刀具材料的耐用度比較硬質(zhì)合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。最高生產(chǎn)率刀具壽命：單位時(shí)間生產(chǎn)最高數(shù)量產(chǎn)品或加工每個(gè)零件所消耗的生產(chǎn)時(shí)間為最少。最低成本刀具壽命：以每件產(chǎn)品（或工序）的加工費(fèi)用最低為原則。多采用最低成本刀具壽命。五、刀具壽命（耐用度）及其經(jīng)驗(yàn)公式4.刀具壽命的選擇25式中to

、tm

、ta

、tc

分別為工序時(shí)間、基本時(shí)間、輔助時(shí)間和換刀時(shí)間；T

為刀具壽命。令f，ap為常數(shù)，有：使工序時(shí)間最短的刀具壽命。以車削為例，工序時(shí)間：將上式代入式（4-1），對(duì)T求導(dǎo)，并令其為0，可得到最大生產(chǎn)率刀具壽命為：又：最高生產(chǎn)率壽命式（4-1）26式中C0——工序成本；

Cm

——機(jī)時(shí)費(fèi)；

Ct——刀具費(fèi)用

使工序成本最小的刀具壽命。以車削為例，工序成本為：仍令f，ap為常數(shù)，采用相同方法，可得到經(jīng)濟(jì)壽命為tmCm刀具費(fèi)用taCmC0刀具耐用度Top成本經(jīng)濟(jì)壽命最低成本壽命27刀具壽命的選擇1)刀具的復(fù)雜程度和制造、重磨的費(fèi)用簡單的刀具如車刀、鉆頭等壽命選得低些；結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精度高的刀具，如拉刀、齒輪刀具等，壽命選得高些；同一類刀具，尺寸大的，制造和刃磨成本均較高，壽命規(guī)定得高些。2)裝卡、調(diào)整比較復(fù)雜的刀具多刀車床上的車刀，組合機(jī)床上的鉆頭、絲錐、銑刀以及自動(dòng)機(jī)及自動(dòng)線上的刀具，壽命應(yīng)選得高一些，一般為通用機(jī)床上同類刀具的2-4倍。3)生產(chǎn)線上的刀具壽命應(yīng)規(guī)定為一個(gè)班或兩個(gè)班，以便能在換班時(shí)間內(nèi)換刀。4)精加工尺寸很大的工件為避免在加工同一表面時(shí)中途換刀，壽命應(yīng)規(guī)定得至少能完成一次走刀。28切削用量選擇原則：能達(dá)到零件的質(zhì)量要求在工藝系統(tǒng)強(qiáng)度和剛性允許下充分利用機(jī)床功率和發(fā)揮刀具切削性能的前提下選取一組最大的切削用量

3.2切削用量的選擇29一、影響切削變形因素1.工件材料2.刀具前角3.切削用量3.2切削用量的選擇30二、切削用量對(duì)切削加工的影響

加工質(zhì)量精加工時(shí)，提高切削速度Vc，能降低表面粗糙度值；增大進(jìn)給量將增大加工表面粗糙度值；背吃刀量ap對(duì)表面粗糙度的影響較小。

生產(chǎn)率在切削加工中，金屬切除率與切削用量三要素ap、f、v均保持線性關(guān)系，即其中任一參數(shù)增大一倍，都可使生產(chǎn)率提高一倍。由于刀具壽命的制約，當(dāng)任一參數(shù)增大時(shí)，其它二參數(shù)必須減小。在制訂切削用量時(shí)，三要素獲得最佳組合，高生產(chǎn)率才是合理的。原則：優(yōu)先增大ap，以求一次進(jìn)刀全部切除加工余量。刀具壽命切削用量三要素對(duì)刀具壽命影響的大小，按順序?yàn)閂c、f、ap遞減。原則：采用盡可能大的背吃刀量ap→大的進(jìn)給量f→求出切削速度Vc。31二、切削用量對(duì)切削加工的影響

合理選擇切削用量，應(yīng)該：首先選擇一個(gè)盡量大的背吃刀量ap，其次選擇一個(gè)大的進(jìn)給量f。最后根據(jù)已確定的ap和f，并在刀具壽命和機(jī)床功率允許條件下選擇一個(gè)合理的切削速度Vc。3.2切削用量的選擇32三、切削用量制定的步驟——傳統(tǒng)方法

1.背吃刀量ap的選擇背吃刀量的選擇

：根據(jù)加工余量確定粗加工（Ra50~12.5）8~10mm半精加工（Ra6.3~3.2）0.5~2mm精加工（Ra1.6~0.8）0.1~0.4mm3.2切削用量的選擇33三、切削用量制定的步驟——傳統(tǒng)方法

2.進(jìn)給量f的選擇粗加工時(shí)，進(jìn)給量f的選擇主要受切削力的限制；半精加工和精加工時(shí)，進(jìn)給量的選擇主要受加工表面質(zhì)量的限制。3.2切削用量的選擇3.切削速度Vc的確定

：當(dāng)背吃刀量aP與進(jìn)給量f選定后，即可按下式計(jì)算切削速度v：切削速度確定之后，即可算出機(jī)床轉(zhuǎn)速n：n＝1000v/πdwr／s式中dw——工件未加工前的直徑。所選定的轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)機(jī)床說明書最后確定(取較低而相近的機(jī)床轉(zhuǎn)速n)，最后應(yīng)根據(jù)選定的轉(zhuǎn)速來計(jì)算出實(shí)際切削速度。三、切削用量制定的步驟——傳統(tǒng)方法

公式（3－1）在選擇切削速度時(shí)，還應(yīng)注意考慮以下幾點(diǎn)(1)精加工時(shí)．應(yīng)盡量避免積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生區(qū)域；(2)斷續(xù)切削時(shí)，宜適當(dāng)降低切削速度，以減小沖擊和熱應(yīng)力；(3)加工大型、細(xì)長、薄壁工件時(shí)，應(yīng)選用較低的切削速度；(4)在易發(fā)生振動(dòng)的情況下，切削速度應(yīng)避開自激振動(dòng)的臨界速度；(5)加工帶外皮的工件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低切削速度36三、切削用量制定的步驟——傳統(tǒng)方法

4.校驗(yàn)機(jī)床功率(僅對(duì)粗加工)

首先根據(jù)所選定的切削用量，計(jì)算出切削功率P：P＝Fv10-3kw

然后根據(jù)機(jī)床說明書，查出機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率PE,校驗(yàn)下列條件是否滿足：

P＜PEηm式中ηm

———機(jī)床傳動(dòng)效率如不能滿足上式，要進(jìn)行分析，適當(dāng)減小所選的切削用量。公式（3－2）37已知條件：工件材料為45鋼（熱軋），σb=0.637GPa。毛坯尺寸φ50×350mm，加工要求為外圓車削至φ44mm，Ra3.2μm，加工長度300mm。CA6140臥車。刀具為焊接式硬質(zhì)合金外圓車刀，刀片材料為YT15，刀桿截面尺寸為16mm×25mm；幾何參數(shù)為γo=15°，αo=8°，κr=75°，κr′=10°，λs=6°，rε=1mm，bγ1′=0.3mm,γo1=-10°。試確定車削外圓的切削用量？解：因表面粗糙度有一定要求，所以分粗車、半精車兩個(gè)工步加工。1.粗車工步：（1）確定背吃刀量ap單邊余量共3mm，粗車選ap1=2.5mm;半精車選ap2=0.5mm；（2）確定進(jìn)給量：從表1-7查得f=0.4—0.5mm/r，按實(shí)際說明書查得f=0.51mm/r；（3）確定切削速度由表3-6查得或由公式（3-1）計(jì)算，由表查得：v=90m/min，再由（3-2）求出機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速：

n=1000v/πdw=1000X90/3.14X50=573r/min按機(jī)床說明書選取實(shí)際機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速為560r/min，所以實(shí)際轉(zhuǎn)速為：Vc=πdwn/1000=87.9m/min（4）校驗(yàn)機(jī)床功率（略）

最終選配的粗車切削用量為Vc=87.9m／min，f=0.51mm/r，ap=2.5mm。2.半精車工步：（1）確定背吃刀量ap=0.5mm；（2）確定進(jìn)給量：根據(jù)表面粗糙Ra3.2μm,rε=1mm，從表3-4查得f=0.3—0.35,按說明書實(shí)際進(jìn)給量確定f=0.3mm/r；（3）確定切削速度：從表3-6選?。篤c=130m/min，再計(jì)算機(jī)床轉(zhuǎn)速：按機(jī)床說明書選取實(shí)際機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速為900r/min，所以實(shí)際轉(zhuǎn)速為：Vc=πdwn/1000=127.2m/min（4）校驗(yàn)機(jī)床功率（略）最終選配的半精車切削用量為：ap=0.5mm，f=0.3mm/r，Vc=127.2m/min。42四、提高切削用量的途徑1.采用切削性能更好的新型刀具材料；在ap=1mm，f=0.18mm/r的條件下，車削

350～400HBS的高強(qiáng)度鋼時(shí)，普通高速鋼車刀：υc＝15m/min，硬質(zhì)合金車刀：υc＝76m/min，涂層硬質(zhì)合金車刀：υc=130m/min，陶瓷刀具：υc＝335m/min。3.2切削用量的選擇43四、提高