機械制造 第一章 切削加工基礎

機械制造技術(shù)基礎張魁榜機械與汽車工程學hangkuibang@第一章切削加工基礎1.1切削加工基本概念1.2

刀具幾何參數(shù)和刀具材料1.3切屑形成機理1.4切削力與切削功率1.5切削熱與切削溫度1.6刀具磨損破損和使用壽命1.1切削加工基本概覽

一、研究究金屬切削過程的意義和方法

1.研究金屬切削過程的意義

金屬切削過程是指刀具從工件表面切除多余材料形成切屑的過程。

切削加工過程中被切除的多余材料稱為切屑，切屑形成過程在不同的切削條件下形成的機理不同，具有不同的切屑形態(tài)。

卡片模型

2.研究金屬切削過程的方法（1）側(cè)面方格變形觀察法（2）高頻攝影法（3）快速落刀法（4）掃描電鏡和透視電鏡顯微觀察法（5）光彈性和光塑性實驗法二、切削運動和切削用量(1)主運動方向切削刃上選定點相對于工件的瞬時主運動方向。

(2)切削速度vc

切削刃上選定點相對于工件的主運動的瞬時速度。1切削運動1）主運動2）進給運動使工件的被切削層不斷投入切削，形成已加工表面。(1)進給運動方向：切削刃上選定點相對于工件的瞬時進給方向。(2)進給速度v?

：切削刃上選定點相對于工件的進給運動的瞬時速度。*切削運動中：主運動的速度最高、消耗的功率最大，一般是連續(xù)運動，可以是工件或刀具，且只有一個。進給運動可以有一個或幾個，可以是刀具或工件,可以是間歇或連續(xù)運動。

主運動和進給運動合成的運動。（1）合成切削運動方向

圖中vc

、v?和ve之間的關系為

ve=vc

+v?

ve=vc

/cosη3）合成切削運動

（2）合成切削速度ve

（3）合成切削速度角η：主運動方同和合成切削運動方向之間的夾角；它在工作進給剖面內(nèi)度量。

（1）待加工表面

加工時即將被切除的表面。2切削中的加工表面（2）己加工表面

已被切去多余金屬而形成符合要求的工件新表面。（3）過渡表面加工時由主切削刃正在切削的那個表面，它是待加工表面和已加工表面之間的表面。2切削用量

切削速度vc

、進給量?和切削深度ap

外圓車削的切削速度vc：

1）切削速度vc

主運動速度，刀刃上速度最高點作為計算依據(jù)。2）進給量f進給量f：刀具在進給運動方向上相對工件的位移量。主運動是回轉(zhuǎn)運動時；

進給速度vf

：單位時間內(nèi)的進給位移量進給速度vf、進給量f和每齒進給量fz之間的關系：

vf＝nf=nzfz多齒旋轉(zhuǎn)刀具每齒進給量fz與進給量f的關系為

：

f=zfz

主運動是直線運動

3）切削深度（背吃刀量）ap

刀具切削刃與工件的接觸長度在同時垂直于主運動和進給運動的方向上的投影值。示例分析：加工過程三表面、進給量f和背吃刀量ap三、切削層參數(shù)1）切削層在各種切削加工中，刀具相對于工件每移動?(mm/r)或?z(mm/z)，刀齒從工件上切下的一層材料。切削層參數(shù)圖(1)切削厚度hD

2）切削層參數(shù)

通常在與主運動方向相垂直的平面內(nèi)度量，它影響切削變形及刀具的負荷。(2)切削寬度bD

(3)切削面積AD

hD＝?sinκr

bD＝αp／sinκrAD＝hDbD=?αp(mm)上面計算出的面積為名義切削面積(圖中的ABCD)。實際切削面積ADE等于名義切削面積AD減去殘留面積△AD，即：ADE＝AD-△AD殘留面積△AD是指切削刃從位置I移至位置II后，殘留在已加工表面上的不平部分的剖面面積(圖中的ABE)。3）切削用量要素與切削層參數(shù)的關系

ap

、?一定：kr越大，hD也越大，但bD越??；kr越小時，切削厚度hD越小越大，切削寬度bD越大。 hD=?sinkr

bD=ap/sinkr

AD=hDbD=ap

?

hD、bD

均與主偏角kr有關；

AD只與hD、bD或ap

、?有關。四、金屬切除率金屬切除率是指刀具在單位時間內(nèi)從工件上切除的金屬的體積，衡量金屬切削加工效率的指標。Zw=1000AD

Vav

（mm3/s）車削：鉆削：擴孔：

一、刀具結(jié)構(gòu)和刀具角度

1刀具的組成及切削部分的結(jié)構(gòu)

(1)前刀面A

：切屑流過的刀面。1）刀面(2)主后面A：與被切削加工的表面(過渡表面)相對的刀面。(3)副后面A’

：與已切削加工的表面相對的刀面。1.2刀具幾何參數(shù)和刀具材料2）刀刃(1)主切削刃S前刀面與主后刀面在空間的交線。(2)副切削刃S’

前刀面與副后刀面在空間的交線。

3）刀尖

在實際應用中，為增加刀尖的強度與耐磨性，一般在刀尖處磨出直線或圓弧形的過渡刃。

2刀具角度的參考系1）刀具角度2）參考系3）刀具標注角度參考系

設計、制造、刃磨和測量刀具角度所使用的幾何參數(shù)，是確定刀具切削部分幾何形狀的重要參數(shù)。

用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準坐標面稱為參考系，可分為:刀具標注角度參考系和刀具工作角度參考系。前者由主運動方向確定，后者由合成切削運動方向確定。

主剖面（正交平面）參考系；法剖面參考系；進給、切深剖面參考系。

前提假設條件對于車刀，為了便于測量，在建立刀具標注角度參考系時，特作如下兩點假設：a.假設運動條件，不考慮進給運動的影響，即VC遠遠大于Vf

；b.假設安裝條件，安裝車刀時應使刀尖與工件中心等高，且車刀刀桿中心線與工件軸心線垂直；主切削刃上選定點與工件中心等高。

（1）主剖面參考系(a)基面pr

通過切削刃上選定點，垂直于該點切削速度方向的平面。(b)切削平面ps

通過切削刃上選定點，垂直于基面并與主切削刃相切的平面。(c)主剖面po

通過主切削刃上選定點，同時垂直于該點基面

和切削平面

的平面。

（2）主剖面（正交平面）參考系的建立(a)確認刀具的主切削刃和副切削刃；(b)在切削刃上確定選定點；(c)確定選定點處主切削運動速度方向；(d)建立正交平面參考系中的基面；(e)建立正交平面參考系中的切削平面；(f)建立正交平面參考系中的主剖面（正交平面）。

（3）法剖面參考系基面Pr和切削平面Ps與主剖面里Pr、Ps相同；

法剖面Pn：過切削刃上選定點垂直于切削刃S或其切線的平面；基面Pr與主剖面里Pr相同；進給剖面Pf：過切削刃上選定點，同時垂直于刀桿中心線與基面Pr的平面，平行于進給運動方向；

切深剖面Pp：過切削刃上選定點，同時平行于刀桿中心線并垂直于基面Pr的平面，垂直于進給運動方向。（4）進給剖面和切深剖面參考系

我國過去多采用主剖面參考系，與歐洲標準相同，近年來參照國際標準ISO的規(guī)定，逐漸兼用主剖面參考系和法剖面參考系。進給、切深剖面參考系則常用于美、日標準中。

（3）刀具工作角度參考系3刀具標注角度

主剖面參考系內(nèi)的標注角度（1）在主剖面Po內(nèi)的標注角度

1）前角：在主剖面Po內(nèi)測量，前刀面A和基面Pr間的夾角。

2）后角：在主剖面Po內(nèi)測量，主后刀面A與切削平面Ps的夾角。（2）在基面Pr內(nèi)的標注角度

1）主偏角：在基面Pr內(nèi)測量，主切削刃S在基面Pr上的投影與進給運動方向的夾角。（3）在切削平面Ps內(nèi)的標注角度

1）刃傾角：在切削平面Ps內(nèi)測量，主切削刃S與基面Pr之間的夾角。對單刃刀具，刃傾角和主偏角確定了主切削刃在空間的方位，而前角和后角分別確定了前刀面A和后刀面A在空間的方位。對于前后刀面為平面型的外圓車刀，副切削刃上獨立的角度是副偏角和副后角，其定義如下：1）副偏角：在基面Pr內(nèi)測量，副切削刃S’在基面Pr上的投影與進給運動反方向的夾角。2）副后角：在副切削刃S’上選定點的副剖面Po’內(nèi)測量，副后刀面Aa’與副切削平面Ps’之間的夾角。

上述角度中的六個角度（前角go、后角ao、主偏角kr、刃傾角ls、副偏角kr’、副后角ao’）是在主剖面參考系中確定車刀三個刀面（前刀面Ag、主后刀面Aa、副后刀面Aa’）、兩個刀刃（主切削刃S、副切削刃S’）的位置所必需的六個獨立的刀具角度。

4刀具角度換算1）法剖面與主剖面內(nèi)前、后角的關系

2）任意剖面與主剖面內(nèi)角度的關系

任意剖面

內(nèi)的前角

為：?越大大，d越小，η增大，不利切削加工。靠近中心時，η值急劇增大，工作后角變?yōu)樨撝怠τ跈M向切削的刀具，不宜選用過大的進給量，并適當加大后角。5刀具工作角度（1）橫向進給運動對工作前、后角的影響

（2）縱向進給運動對工作前、后角的影響?越大，dw越小，η增大，不利切削加工。一般外圓車削中，可忽略不計。車導程較大的右螺紋時，左側(cè)車刀適當加大后角，右側(cè)車刀適當增大前角。（a）刀尖高于工件軸線（不考慮進給運動）（3）刀具安裝位置對工作角度影響

基面、切削平面的空間位置發(fā)生變化：逆時針旋轉(zhuǎn)θ角。

刀具的工作前角大于標注前角；工作后角小于標注后角。（b）刀尖低于工件軸線（不考慮進給運動）

基面、切削平面的空間位置發(fā)生變化：順時針旋轉(zhuǎn)θ角。

刀具的工作前角小于標注前角；工作后角大于標注后角。（4）刀柄中心線與進給運動方向不垂直

當?shù)稐U中心線與進給運動方向不垂直且逆時針轉(zhuǎn)動G角時，工作主偏角將增大，工作副偏角將減小；順時針相反。二、刀具材料1刀具切削部分材料應具備的性能（1）高的硬度常溫下，一般應該在62HRC以上。（2）高的耐磨性材料硬度越高，耐磨性越好。（3）高的耐熱性刀具切削部分的材料是決定刀具切削性能優(yōu)劣的關鍵因素之一。材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是構(gòu)成刀具切削性能評估的三要素。

相互矛盾：硬度越高，耐磨性越好的材料的韌性和抗破損能力就越差；耐熱性好的材料韌性也較差。實際工作中，應根據(jù)具體的切削對象和條件，選擇最合適的刀具材料。（4）足夠的強度和韌性以防脆性斷裂和崩刃。（5）良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能不會因受到大的熱沖擊，產(chǎn)生刀具內(nèi)部裂紋而導致刀具斷裂。（6）良好的減磨性（7）良好的工藝性和經(jīng)濟性年代刀具材料耐熱性/（℃）切削速度大致比值1850碳素工具鋼200-2500.32-0.401868合金工具鋼300-4000.48-0.601898高速鋼550-6001.00-1.201923-1925鎢鈷硬質(zhì)合金8003.2-4.81929-1931鎢鈦鈷硬質(zhì)合金9004.0-8.01938氧化鋁陶瓷12008.0-12.01968-1970TiC或TiN涂層WC硬質(zhì)合金——1957立方氮化硼1400-1500—1965人造金剛石700-800>25（有色金屬）表

刀具材料發(fā)展概況碳素工具鋼與合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石涂層材料2常用的刀具切削部分材料(1）碳素工具鋼與合金工具鋼手工工具和低速切削刀具。（2）高速鋼高合金工具鋼硬度62～67HRC；耐熱性500～650OC

強度高，韌性好可用在有沖擊、振動的場合；制造工藝性好，易磨出鋒利的切削刃，適于制造各類刀具：鉆頭、拉刀、成形刀具、齒輪刀具等形狀復雜的刀具。

高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝方法可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。①普通高速鋼切削硬度250～280HBs的結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵切削速度40～60m/min600OC48.5HRC

典型牌號有W18Cr4V（W18）和W6Mo5Cr4V2（M2)。

②高性能高速鋼在普通高速鋼中加入一些合金元素，提高耐熱和耐磨性

630～650OC60HRC

加工高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、高強度鋼等難加工材料典型牌號有W2Mo9Cr4VCo8(M42)——鈷高速鋼和W6Mo5Cr4V2Al(501)——鋁高速鋼。ISO分為三類：K類、P類和M類。P類(相當于YT類)：稱鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。主要用于加工鋼料；常用牌號有YT5、YTl5。不宜加工不銹鋼和鈦合金。K類(相當于YG類)：稱鎢鈷類硬質(zhì)合金。主要用來加工鑄鐵、有色金屬及其合金：常用牌號YG6、YG8。M類(相當于YW類)：鎢鈦鈷＋碳化鉭(或碳化鈮)?？杉庸よT鐵、有色金屬、鋼料、高溫合金和不銹鋼等難加工材料。常用牌號有YWl和YW2等。（3）硬質(zhì)合金由硬度很高的難熔金屬碳化物（WC、TiC、TaC和NbC等）和金屬粘結(jié)劑（Co、Ni和Mo）用粉末冶金方法制成的。硬度89～93HRA切削溫度800～1000

強度和韌性差，承受切削振動和沖擊的能力較差。（4）陶瓷用于高速切削加工和精加工。（5）立方氮化硼

硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性好，可加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其它難加工材料的高速切削。（6）人造金剛石熱穩(wěn)定性差，不宜加工鋼鐵件。主要用作模具磨料，高速下精車或鏜削非鐵金屬及非金屬材料刀具。加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金及高硬度、高耐磨性材料。

（7）涂層刀具材料常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3及其復合材料等。

TiC涂層硬度高，耐磨性好、抗氧化性好，切削時能產(chǎn)生氧化鈦膜，減小摩擦及刀具磨損，刀片脆性大。TiN涂層硬度較低，導熱性好，抗氧化性好，與鐵基材料摩擦系數(shù)較小，粘結(jié)性能差，抗月牙洼磨損性能好。Al2O3涂層高溫硬度高，粘結(jié)性能差TiC—TiN復合涂層第一層涂TiC，第二層涂TiN，減少表面層與工件間的摩擦。TiC—Al2O3復合涂層第一層涂TiC，第二層涂Al2O3，可使刀具表面具有良好的化學穩(wěn)定性和抗氧化性能。

目前單涂層刀片已很少應用，大多采用TiC-TiN復合涂層或TiC—Al2O3-TiN三復合涂層。

選用刀具材料的注意點加工一般材料：選用普通高速鋼及硬質(zhì)合金；加工難加工材料：選用新牌號硬質(zhì)合金或高性能高速鋼；加工高硬度材料或精密加工：選用超硬材料。3刀具的分類（4）按是否標準化，可分為標準刀具和非標準刀具等。（1）按加工方式和具體用途，可分為車刀、孔加工刀具、銑刀、拉刀、螺紋刀具、齒輪刀具、自動線及數(shù)控機床刀具和磨具等幾大類型。（2）按所用材料性質(zhì)，可分為高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金剛石刀具等；（3）按結(jié)構(gòu)形式，可分為整體刀具、鑲片刀具、機夾刀具和復合刀具等；

4刀具切削部分材料與工件材料的性能匹配刀具材料與加工工件材料存在一個合理匹配問題，它主要指兩者的力學性能、物理性能和化學性能相匹配，以獲得最長的刀具壽命和最大的切削加工效率。

（1）刀具材料與工件材料的力學性能匹配

（2）刀具材料與工件材料的物理性能匹配

（3）刀具材料與工件材料的化學性能匹配表各種刀具材料所適合加工的工件材料

FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削

正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應力方向與作用力方向約成45°

偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移

切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應力增大，達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應力與滑移量繼續(xù)增大，達到斷裂強度→切屑與母體脫離。

金屬擠壓與切削比較一、金屬切削變形過程1.3切屑形成機理1切屑形成過程

三個變形區(qū)第一變形區(qū)第二變形區(qū)第三變形區(qū)2變形區(qū)的劃分

以塑性材料的切屑形成為例，金屬切削區(qū)可大致劃分為：OA—始滑移線:塑性變形開始；OM—終滑移線：金屬晶粒的剪切滑移基本完成，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。變形的主要特征：

剪切滑移變形加工硬化一般速度范圍內(nèi)Ⅰ區(qū)寬度為0.02～0.2mm，速度越高，寬度越小，可看作一個剪切平面（1）第一變形區(qū)（剪切滑移區(qū)）

ⅠⅢⅡ

前刀面擠壓與摩擦，金屬纖維化的二次變形。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。（2）第二變形區(qū)（擠壓摩擦區(qū)）（3）第三變形區(qū)

切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，并進一步產(chǎn)生彈、塑性變形，造成纖維化和加工硬化，影響巳加工表面質(zhì)量。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應力的主要原因。刃前區(qū)：三個變形區(qū)匯集在切削刃附近，此處的應力集中而復雜，被切削層在此與工件本體材料分離（擠壓摩擦回彈區(qū)）

切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角3切屑的受力分析

4剪切角φ

（1）根據(jù)材料力學平面應力狀態(tài)理論

（2）根據(jù)合力學最小理論：

分析上式可知：

1）前角增大時，剪切角隨之增大，變形減小。這表明，在保證切削刃強度的前提下，增大刀具前角可減少切削變形，對改善切削過程有利。

2）摩擦角增大時，剪切角隨之減小，變形增大。提高刀具刃磨質(zhì)量、采用潤滑性能好的切削液可以減小前刀面和切屑之間的摩擦系數(shù)，有利于改善切削過程。切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變?？捎闷浔硎厩邢鲗拥淖冃纬潭?。lchhDhchlC

切屑與切削層尺寸◆厚度變形系數(shù)◆長度變形系數(shù)變形系數(shù)*變形系數(shù)值Λh是大于1的數(shù)；值越大，變形越大；可實測；Λh與剪切角Ф有關，Ф增大，Λh減小，切削變形減小。

相對滑移模型：平行四邊形OHNM發(fā)生剪切變形后，變?yōu)槠叫兴倪呅蜲GPM，其相對滑移相對滑移ε二、切屑種類和卷斷屑機理1切屑形態(tài)（從變形觀點出發(fā)）1帶狀切屑2擠裂(節(jié)狀)切屑。產(chǎn)生條件：加工塑性金屬，且切削厚度較小，切削速度較高、刀具前角較大。優(yōu)點：切削過程平穩(wěn)，切削力波動范圍小，已加工表面粗糙度較小。缺點：容易纏繞刀具或工件，影響加工過程。產(chǎn)生條件：加工塑性金屬，在低速、切削厚度較大、刀具前角較小特點：切削過程不平穩(wěn)，切削力有波動，已加工表面粗糙度較大。帶狀切屑Real擠裂切屑Real3單元(粒狀)切屑產(chǎn)生條件：加工塑性金屬，切削速度極低時，增大進給量，減小前角。特點：切削過程不平穩(wěn)，切削力波動大，已加工表面粗糙度大。粒狀切屑Real切塑性材料

帶狀切屑擠裂切屑單元切屑

4崩碎切屑

切脆性材料，工件材料越是脆硬、進給量越大則越容易產(chǎn)生這種切屑。

切削力的幅度小，但波動大，切削過程不平穩(wěn)，易損壞刀具，已加工表面粗糙。應↑γ0↑v↓hD崩碎切屑Real2.切屑的控制（1）切屑形狀的分類切屑按照其形成機理可分為上述4種形態(tài)，但有時為了滿足切屑的處理及運輸要求，還需按照切屑形狀進行分類。切屑的形狀大體有帶狀切屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、長緊卷屑、發(fā)條狀卷屑、寶塔狀卷屑等，如圖所示：（2）卷屑機理自然卷屑。利用前刀面上形成的積屑瘤使切屑自然卷曲。如圖1-27所示。2）卷屑槽與卷屑臺。生產(chǎn)中常用的一種強迫卷屑方法，即在前刀面上磨出或在可轉(zhuǎn)位刀片上制出合適的卷屑槽或按照附加的卷屑臺，切屑與卷屑槽或卷屑臺相互作用碰撞來達到卷曲的目的，如圖1-28、圖1-29所示。圖1-27自然卷屑機理圖1-28卷屑槽卷屑機理圖1-29卷屑臺的卷屑機理（3）斷屑機理加工過程中為了避免形成過長的切屑，最好是使切屑在一定的長度范圍內(nèi)就發(fā)生折斷，從而來控制切屑的長度。常用的方法有：（1）使切屑卷曲后與工件表面相碰而折斷。這種斷屑方法可得到C形屑、發(fā)條狀卷屑或?qū)毸罹硇?，如圖1-30、圖1-31所示。（2）使切屑卷曲后與刀具后刀面相碰而折斷，可形成C形屑，如圖1-32所示。圖1-30發(fā)條狀切屑碰到工件圖1-31C形屑撞在工件圖1-32切屑碰到后刀面上折斷的機理上折斷的機理上折斷的機理因此控制切屑的方法有（1）

采用斷屑槽

對流動中的切屑施加一定的約束力，使切屑應變增大，切屑卷曲半徑減小。增大刀具主偏角切削厚度變大，有利于斷屑。（2）

改變刀具角度（3）調(diào)整切削用量減小刀具前角可使切屑變形加大，切屑易于折斷。

即據(jù)實際條件適當選擇切削用量。

刃傾角

正值切屑常卷曲后碰到后刀面折斷負值切屑常卷曲后碰到已加工表面折斷

進給量切削厚度對斷屑有利加工表面粗糙度

切削速度切削變形利于斷屑切除效率三、

前刀面上的摩擦和積屑瘤摩擦的類型（1）峰點接觸型（外摩擦）

接觸點的應力達到屈服極限，發(fā)生了塑性變形，形成滑動接觸。服從古典摩擦法則。實際接觸面積：摩擦系數(shù)：（2）緊密接觸型（內(nèi)摩擦）

接觸點發(fā)生強烈的塑性變形，氧化膜和吸附膜被破壞，金屬對金屬的直接接觸，發(fā)生冷焊粘結(jié)。摩擦力就是破壞冷焊粘結(jié)的抗剪力和犁耕力（滑移剪切），不服從古典摩擦法則。摩擦力：摩擦系數(shù)：1前刀面上的摩擦切塑性金屬時前刀面上應力分布情況：刀-屑接觸區(qū)摩擦可分兩部分：OA段粘接區(qū):形成緊密接觸型摩擦，剪切滑移，內(nèi)摩擦AB段滑動區(qū):形成峰點接觸型滑動摩擦，外摩擦一般內(nèi)摩擦力約占總摩擦力的85%

影響前刀面上的摩擦的主要因素（1）工件材料（相同的切削條件）材料的強度和硬度越大，摩擦系數(shù)略有減小；是因為切削速度不變時，溫度增高，導致摩擦系數(shù)減小。（2）切削厚度切削厚度越大，正壓力增大，摩擦系數(shù)略有減小。（3）切削速度（4）刀具前角

2.積屑瘤的形成及其對切削過程的影響

1．積屑瘤的形成及其成因

速度不高、切削塑性金屬、形成帶狀切屑，刀具和切屑間的壓力和摩擦，使得切屑冷焊并層積在前刀面上，形成硬度很高的一塊剖面呈三角狀的硬塊，其硬度是工件材料硬度的2～3倍，能夠代替刀刃進行切削，并以一定的頻率生長和脫落。這硬塊稱為積屑瘤。1）積屑瘤的形成（1）工件材料的性質(zhì)塑性材料的加工硬化傾向越強，越易產(chǎn)生積屑瘤；

切削區(qū)的溫度和壓力很低時，不會產(chǎn)生積屑瘤；切削區(qū)的溫度太高時，由于材料變軟，也不會產(chǎn)生積屑瘤。2）積屑瘤的成因（2）切削區(qū)的溫度分布和壓力分布有關。（3）刀具前角增大刀具前角可以有效抑制積屑瘤的形成。（4）冷卻潤滑條件加注切削液可以有效抑制積屑瘤的形成。

根據(jù)積屑瘤的有無及生長高度Hb與切削速度關系，可分為四個區(qū)：（5）切削速度I區(qū)：切削速度很低，形成粒狀或節(jié)狀切屑，沒有積屑瘤生成；Ⅱ區(qū)：形成帶狀切屑，冷焊條件逐漸形成，隨著切削速度的提高，積屑瘤高度也增加。摩擦阻力Ff與切削流動推力T：Ff>T積屑瘤高度增大；Ff<T積屑瘤被推走；Ff＝T積屑瘤達到臨界高度。Ⅲ區(qū)：積屑瘤的高度隨切削速度的增加而減小，當?shù)竭_邊界時，積屑瘤消失。速度高，切屑溫度高被軟化，摩擦阻力下降，滯留傾向減弱。Ⅳ區(qū)：切削速度進一步提高，由于切削速度較高而冷焊消失，此時積屑瘤不再存在，當切屑底部的纖維化依然存在，切屑的滯留傾向也依然存在。

2．積屑瘤對切削過程的影響及其控制（1）增大刀具前角

減小了切屑變形，降低切削力，使切削過程容易進行。（2）增大切削厚度

ΔhD的變化導致切削厚度的變化，從而導致切削力的波動和影響加工質(zhì)量。（3）增大已加工表面粗糙度

積屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平，外形極不規(guī)則，增大了已加工表面的粗糙度，降低了表面加工質(zhì)量。1）積屑瘤對切削過程的影響（4）對刀具壽命的影響

積屑瘤如生長穩(wěn)定，起到了保護了刀具，提高了刀具的使用壽命的作用；如頻繁脫落，則加劇了刀具的磨損，降低了刀具的使用壽命。

積屑瘤對切削過程的影響有積極的一面，也有消極的一面。在粗加工時，可充分利用積屑瘤,精加工時必須防止積屑瘤的產(chǎn)生，可采取的控制措施有：

（2）使用潤滑性能好的切削液，目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦。

（1）合理選用切削速度，使切削速度避開產(chǎn)生積屑瘤的區(qū)域。

（3）增大刀具前角，減小刀具前刀面與切屑之間的壓力。

（4）降低工材塑性，適當提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。2）控制措施（5）減小進給量。四、

影響切屑變形的因素1．工件材料的影響工件材料的硬度和強度越大，剪切角將隨之越大，變形系數(shù)越小，切屑的變形越小。

刀具前角增大，剪切角將隨之增大；變形系數(shù)隨著刀具的前角增大而減小。切屑的變形減小。2刀具前角的影響3．切削速度的影響A段：

積屑瘤隨著切削速度的增大逐漸形成，前角逐漸增大，所以變形系數(shù)減小。B段：

積屑瘤隨著vc的增大逐漸消失，前角逐漸減小，所以變形系數(shù)增大。

積屑瘤消失，隨著vc的增大，切削溫度增高，使切屑底層材料的剪切屈服強度τs下降，導致前刀面摩擦系數(shù)μ減小，摩擦角隨之減小，剪切角增大，故變形系數(shù)減小。C段：切削塑性金屬時vc是通過積屑瘤的生長消失過程影響切削變形大小的。切削鑄鐵等脆性金屬時，一般不產(chǎn)生積屑瘤。隨著切削速度增大，變形系數(shù)逐漸地減小。

4．切削層公稱厚度的影響

進給量增大，切削層厚度增大;在無積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)(Vc=200)，切削厚度越大，變形系數(shù)越小。5．刀尖圓弧半徑的影響

刀尖圓弧半徑r

越大，變形系數(shù)越大，切削變形越大。l）克服切削層材料和工件表面層材料對彈性變形、塑性變形的抗力。

1.切削力的來源于：

（一）切削力的來源、分力和作用1.4切削力與切削功率2）克服刀具與切屑、刀具與工件表面間摩擦阻力所需的力。κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv切削力的分解F切削合力Fc主切削力Fp背向力Ff進給力2切削合力及分解切削力Fc

最大，進給力Ff

次之，背向力Fp

最小

主偏角Kr的大小影響Fp

和Ff

的配置。當工藝系統(tǒng)剛性較差時，應盡可能使用大的主偏角刀具進行切削。（二）切削力的測量及切削力經(jīng)驗公式目前常用的測力儀有電阻式測力儀和壓電式測力儀。2．切削力的經(jīng)驗公式1．切削力的理論公式1）切削力的測量2）切削力的經(jīng)驗公式的建立（參馮之敬書）

測量儀測出切削力后，再將實驗數(shù)據(jù)用圖解法、線性回歸等進行處理，其實質(zhì)就是測定FC、

FP、

Ff后，如何確定3個系數(shù)和6個指數(shù)。圖解法3）切削力經(jīng)驗公式應用(指數(shù)公式)

與實驗條件不符的要考慮修正系數(shù)，切削力的獲得是通過查表所得，是建立在前人實驗的基礎之上。式中CFc,CFp,CFf

——與工件、刀具材料有關系數(shù)；

xFc,xFp,xFf

——切削深度對切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf

——進給量對切削力影響指數(shù)；

nFc,nFp,nFf

——切削速度對切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf

——考慮刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。（3）單位切削力單位切削力p是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力的大小上式表明，單位切削力p與進給量f有關，它隨著進給量f增大而減小。單位切削力不受切削深度

的影響，這是因為切削深度改變后，切削力Fc與切削層面積AD以相同的比例隨著變化。而進給量f增大，切削面積AD隨之增大，由于切削變形減小，而切削力Fc增大不多，利用單位切削力p來計算主切削力Fc較為簡易直觀。

強度、硬度越高，塑性、韌性越大，切屑變形略小，總切削力越大。

（三）

影響切削力的因素1．工件材料的影響2．切削用量的影響1）背吃刀量和進給量

反映在經(jīng)驗公式中，ap的指數(shù)近似為1，而f的指數(shù)為0.75~0.9，從切削力和切削功率的角度考慮，切削面積相同，加大f比加大ap有利。f↑→AD成正比↑，但kc略減小，變形系數(shù)減小，

切削力增加但與f不成正比。ap↑→AD成正比↑，kc不變，

變形系數(shù)不變，

切削力成正比增加；

（1）在積屑瘤增長階段

隨v↑→積屑瘤高度↑→變形程度↓，F(xiàn)↓

（2）在積屑瘤減小階段

v↑→

變形程度↑，F(xiàn)↑（3）在無積屑瘤階段

隨v↑，溫度升高，摩擦系數(shù)↓變形程度↓→F↓

2）切削速度塑性材料切削速度對切削力沒有顯著影響。脆性材料：

在生產(chǎn)實踐中，盡可能采用高速切削，既能提高生產(chǎn)效率，又能減小切削力。3．刀具幾何參數(shù)的影響

1）前角

增大前角γo

，可以減小切削變形，減小變形抗力，切削力減小。加工塑性材料γ0↑→Φ↑→變形程度↓→F↓加工脆性材料切削變形很小，γ0對F

影響不顯著;γ0＞30°或高速切削時，

γ0對F

影響不顯著2）主偏角3）刃傾角（1）κr對Fc影響較小，

影響程度不超過10%;κr在60°～75°之間時，F(xiàn)c最小。（2）κr對Fp、Ff影響較大

Fp＝FDcosκr

Ff＝FDsinκr

Fp隨κr增大而減小，

Ff隨κr增大而增大（1）λs對Fc影響很?。?）λs對Fp、Ff影響較大

Fp隨λs增大而減小，

Ff隨λs增大而增大4）負倒棱5）過渡圓弧刃半徑bγ1與f之比增大,切削力隨之增大。當切鋼bγ1/f≥5或切鑄鐵bγ1/f≥3時，切削力趨于穩(wěn)定，接近于負前角的狀態(tài)。rε增大相當于κr減小的影響（1）rε對Fc影響很?。?）Fp隨rε增大而增大；Ff隨rε增大而減?。╮ε

↑——Fp↑，F(xiàn)f↓）

4．刀具磨損

5．切削液

6．刀具材料

以潤滑為主的切削液能減小切削力。以冷卻為主的對切削力的影響不大。

親合力和摩擦系數(shù)；切削條件完全相同的情況下：立方氮化硼<陶瓷<涂層<硬質(zhì)合金<高速鋼

后刀面平均磨損帶寬度VB越大，摩擦越強烈，切削力也越大。

VB對背向力Fp影響最顯著二、切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的總和。在車外圓時，F(xiàn)p不做工，只有Fc和Ff做功（KW）式中Fc為主切削力，N；

為切削速度，m/s；Ff為進給抗力，N；nw為工件轉(zhuǎn)速，r/s；f為進給量，mm/r由于車外圓時，F(xiàn)f消耗的功率，與Fc相比很?。ㄒ话阈∮?％），可忽略不計。因此上式可改寫為：根據(jù)切削功率選擇機床主電動機時，還要考慮機床的傳動效率。機床電機的功率PE應為：式中η為機床傳動效率，通常η=0.75～0.851.5

切削熱與切削溫度一、

切削熱的產(chǎn)生與傳導1切削熱的來源1)切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形所消耗的能量（三個區(qū)）；2)切屑與前刀面、工件與后刀面間產(chǎn)生的摩擦熱。單位時間產(chǎn)生的切削熱：

Q=Fcvc工件切屑刀具

切削熱的來源與傳出2熱的傳導及其影響因素1）工件材料的導熱系數(shù)2）刀具材料的導熱系數(shù)3）周圍介質(zhì)

不同的加工方法其切削熱由切屑、工件、刀具和介質(zhì)傳出的比例不同。加工方法切屑工件刀具銑削70%<30%5%鏜削30%>50%15%磨削4%>80%12%切削溫度的測量1測量方法2切削溫度分布

剪切面上各點溫度幾乎相等，各點的應變規(guī)律基本相同；

前后刀面最高溫度點不在刀刃上；切屑上最高溫度比剪切區(qū)溫度高；切屑底層溫度比上層溫度高?！?/p>

切削塑性材料——前刀面靠近刀尖處溫度最高。★

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。二

影響切削溫度的主要因素θ

——刀具與切屑接觸區(qū)平均溫度，單位為℃；

Cθ——切削溫度系數(shù)，主要取決于加工方法和刀具材料；zθ、yθ、xθ——切削速度、進給量、背吃刀量的影響指數(shù)。1切削用量

經(jīng)驗公式

三個影響指數(shù)zθ>yθ>xθ，說明vc

影響最大，進給量f的影響次之，背吃刀量ap的影響最小。

ap、f和vc增大，單位時間內(nèi)材料的切除量增大，切削熱增多，切削溫度隨之上升。

在提高金屬切除率的同時，為了有效控制切削溫度以延長刀具壽命，優(yōu)先增大ap

，其次是增大f，嚴格控制vc；在刀具材料與機床性能允許條件下，應盡可能提高vc

，以進行高效率、高質(zhì)量切削。2刀具幾何參數(shù)1)前角γo2)主偏角krγ0↑→變形程度↓→F↓q↓→θ↓

但γ0

＞20°時，散熱體積↓，對θ的影響減小κr↑，切削刃工作接觸長度、、刀尖角和切削寬度↓，散熱面積↓→θ↑3）負倒棱對切削溫度的影響3工件材料的影響

-強度、硬度高，則加工硬化能力強，切削抗力越大，消耗的功多，產(chǎn)生的熱就越多。

-熱導率越小，傳散的熱越少，切削區(qū)的切削溫度就越高。bγ1、rε↑，切屑變形程度↑→q↑同時散熱條件改善，兩者趨于平衡4刀具磨損的影響

后刀面磨損增大，塑性變形增大，摩擦加劇，切削溫度升高。

VB達一定值，v越高刀磨損對θ影響越顯著刀具磨損是影響切削溫度的主要因素。5切削液的影響澆切削液對↓切削溫度↓刀具磨損↑加工質(zhì)量有明顯效果。熱導率比熱容和流量越大，本身溫度越低冷卻效果越顯著三、切削液1.切削液的作用1）冷卻作用2）潤滑作用3）洗滌作用4）防銹作用2.切削液的種類及選用種類：1）水溶液2）切削油3）乳化液4）極壓切削油和極壓乳化液選用（1）從加工要求考慮

粗加工，選用水溶液或低濃度乳化液；精加工，選用極壓切削油或高濃度乳化液；（2）從刀具材料考慮

高速鋼，需用切削液；Y合金等,可不用或充分連續(xù)用；（3）從工件材料考慮

鋼等塑性材料，需用切削液；鑄鐵等脆材，可不用；高強度鋼等難加工材料，宜用極壓切削油或乳化液（4）從加工方法考慮

鉆孔鉸孔、攻螺紋和拉削等，宜用極壓乳化液或切削油；成形刀具齒輪刀具等用極壓切削油；磨削宜用乳化液。1.6刀具磨損破損和使用壽

一、刀具磨損的形態(tài)1）前刀面磨損形成條件：加工塑性材料，v高，hD大；刀具的耐熱性和耐磨性不足

磨損值以其最大深度KT表示。形式：月牙洼影響：削弱刀刃強度，降低加工質(zhì)量AA2）

后刀面磨損影響：切削力↑,切削溫度↑,產(chǎn)生振動，降低加工質(zhì)量刀尖部分磨損嚴重,以VC表示；中間部位磨損較均勻,以VB表示,以VBmax表示最大磨損值。

形成條件：加工塑性材料,v

較小,hD

較?。患庸ご嘈圆牧闲问剑汉蠼?0的磨損面（參數(shù)——VB，VBmax）3）邊界磨損形式：溝紋

磨損量用VN表示。

形成條件：切鋼料，邊界處的加工硬化層、硬質(zhì)點、毛坯表面硬層。較大的應力梯度和溫度梯度。二、刀具磨原因硬質(zhì)點劃痕

硬質(zhì)點（碳化物、氮化物、氧化物等）

——各種切削速度下均存在積屑瘤碎片磨削——低速情況下刀具磨損的主要原因取決于硬度和耐磨性1）磨料磨損2）冷焊粘結(jié)

高溫高壓

——刀具材料與工件材料親和力大粘結(jié)磨損加劇強烈摩擦冷焊——刀具材料與工件材料硬度比小——中等偏低切速4）化學磨損3）擴散磨損

高溫作用

擴散磨損常與冷焊磨損、磨料磨損同時產(chǎn)生。前刀面上溫度最高處擴散作用最強烈（月牙洼）。

化學作用——邊界磨損原因之一；取決于刀具的耐熱性氧化鋁陶瓷和立方氯化硼刀具抗擴散磨損能力較強。

——主要發(fā)生在較高速切削條件下。

對于一定的刀具和工件材料，切削溫度對刀具磨損具有決定性的影響。高溫時擴散磨損和化學磨損強度較高；在中低溫時，冷焊磨損占主導地位；磨料磨損則在不同切削溫度下都存在。①硬質(zhì)點劃痕②冷焊粘結(jié)③擴散磨損④化學磨損切削速度（切削溫度）三

刀具磨損過程及磨鈍標準1．刀具磨損過程（三個階段）與刀具刃磨質(zhì)量直接相關。1）初期磨損過程2）正常磨損階段3）急劇磨損階段

切削力、溫度急升，磨損量急劇增加，之前需重新刃磨或換刀。

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間

磨損緩慢，磨損量均勻增加;VB與t近似正比,斜率表示磨損強度,性能指標之一。

刀具表面粗糙度大、單位面積壓力高，磨損快。2．刀具的磨鈍標準

度量：后刀面ap/2處的磨損寬度VB；徑向尺寸磨損量NB（精加工）；

1）磨鈍標準

硬質(zhì)合金車刀刀具壽命試驗的磨鈍標準，有下列三種可供選擇：

（1）VB＝0.3mm；（2）如果主后刀面為無規(guī)則磨損，取VBmax=0.6mm；

（3）前刀面磨損量KT＝（0.06＋0.3f）mm。

概念：允許的最大磨損的限度。2）磨鈍標準的制定（1）工藝系統(tǒng)剛性工藝系統(tǒng)的剛性差，VB應取小值。如車剛性差的細軸。（2）工件材料

切削難加工材料如高溫合金、不銹鋼、鈦合金等，VB一般應取小值；加工一般材料，VB值可取大一些。加工大型工件，為了避免頻繁換刀，VB應取大值。（3）加工精度和表面質(zhì)量加工精度和表面質(zhì)量要求高時，VB應取小值。四

刀具使用壽命的經(jīng)驗公式1．刀具壽命的定義

刀具壽命乘以刃磨次數(shù)，得到的就是。2.刀具壽命的經(jīng)驗公式刀具總壽命：

刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止所經(jīng)歷的總切削時間;兩次刃磨之間所經(jīng)歷的切削時間T。單因素法：Vc1>Vc2>Vc3>Vc4切削用量與刀具壽命的一般關系(廣義泰勒公式）：m表示vC對T的影響程度，反映了刀具材料的切削性能，m值越大，切削速度對刀具壽命的影響越小，刀具的耐熱性越好?？梢妚

的影響最顯著；f次之；a