機械加工技術(shù)及設(shè)備

機械制造技術(shù)MechanismManufactureTechnology

孫慶群制作第一頁，共八十九頁。配套教材：第二頁，共八十九頁。第2章金屬切削加工理論及其應(yīng)用

【學(xué)習(xí)目標】

本章主要介紹金屬切削加工過程中的切削變形、積屑瘤、加工硬化、切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損和刀具壽命等物理現(xiàn)象以及磨削當(dāng)中的特點，同時介紹這些現(xiàn)象的影響因素和控制方法。通過對本章的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解產(chǎn)生這些現(xiàn)象的基本規(guī)律，能夠通過調(diào)整某些影響因素來控制切削過程，從而達到實現(xiàn)工件切削加工要求之目的。第三頁，共八十九頁。

金屬切削加工過程是指通過切削運動，刀具從工件的表面上切下多余的金屬層，形成切屑和合格的已加工表面的過程。在此過程中將產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如切削變形、積屑瘤、鱗刺、振動、表面硬化、切削力、切削熱和切削溫度、刀具磨損等。本章主要研究產(chǎn)生上述諸多現(xiàn)象的成因、本質(zhì)及變化規(guī)律。掌握這些基本規(guī)律，對合理使用與設(shè)計刀具、夾具、機床，保證加工質(zhì)量、降低加工成本、提高生產(chǎn)效率以及促進切削加工技術(shù)的進步都將具有非常重要的意義。2.1切削變形

研究切削變形與切屑的形成非常復(fù)雜，下面以正交（直角）自由切削為研究模型進行簡要說明。第四頁，共八十九頁。2.1.1金屬切削層的切削變形1.切削變形的力學(xué)本質(zhì)金屬切削過程類似于金屬材料受擠壓的過程，當(dāng)塑性金屬材料受擠壓時，金屬先產(chǎn)生彈性變形而后是塑性變形，最大剪應(yīng)力方向與最大主應(yīng)力方向之間大致成45o夾角，即沿著OM或AB產(chǎn)生剪切滑移（如圖2.1a所示）。圖2.1金屬的擠壓與切削的比較第五頁，共八十九頁。圖2.1金屬的擠壓與切削的比較

2.切削過程中的三個變形區(qū)在切削過程中存在著三個變形區(qū)（如圖2.2所示）：

（1）第一變形區(qū)。由始滑移面OA與終滑移面OM所圍成的區(qū)域（Ⅰ）稱為第一變形區(qū)，也稱剪切滑移區(qū)。這是主要變形區(qū)（產(chǎn)生塑性變形形成切屑）。滑移面與切削速度的夾角稱為剪切角φ。第六頁，共八十九頁。

（2）第二變形區(qū)。它是指刀—屑接觸區(qū)，即與前面接觸的切屑底層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)域（Ⅱ），切屑沿刀具前面流出時進一步受到刀具前面的擠壓和摩擦，切屑卷曲，靠近前面處晶粒纖維化，其方向基本上和刀具前面平行。

（3）第三變形區(qū)。它是指刀—工件接觸區(qū)，亦即近切削刃處已加工表面層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)域（Ⅲ）。已加工表面受到切削刃鈍圓部分與刀具后面的擠壓和摩擦產(chǎn)生變形，造成晶粒纖維化與表面加工硬化。第七頁，共八十九頁。三個變形區(qū)的變形相互牽連，切削變形是一個整體，且整個變形過程是在極短的時間內(nèi)完成的。a)b)圖2.2切削變形狀態(tài)a)正交平面中的受力情況b)金相照片第八頁，共八十九頁。1.切屑的形成過程切削層在刀具擠壓和摩擦的作用，產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，當(dāng)切削層的承受的切應(yīng)力達到材料的屈服強度極限時，便產(chǎn)生剪切滑移，切削層經(jīng)過第一變形區(qū)形后即沿著刀具前面流出，便形成了切屑。a）b）圖2.3切屑的形成過程形成切屑的剪切滑移過程b)切屑形成模型2.1.2切屑的形成與切屑類型第九頁，共八十九頁。

2.切屑的類型由于工件材料和切削條件的不同，切削中的變形程度也不相同，因此，會形成多種類型的切屑，如圖2.4所示。a）b）c）d）圖2.4切屑的類型a）帶狀切屑b）節(jié)狀切屑c）粒狀切屑d）崩碎切屑第十頁，共八十九頁。

（1）帶狀切屑。

產(chǎn)生條件：切削塑性材料（如軟鋼、鋁等）時，如果切削速度較高、切削厚度較薄、刀具前角較大，容易形成內(nèi)表面光滑、外表面呈毛茸狀的帶狀切屑。

優(yōu)點：切削過程較平穩(wěn)，切削力波動較小，已加工表面粗糙度較小。

缺點：切屑連綿不斷，有時會纏繞在刀具或工件上影響加工過程。

（2）節(jié)狀（擠裂）切屑

產(chǎn)生條件：大多在切削塑性金屬材料時，如果切削速度較低、進給量較大（亦即切削厚度較大）、刀具前角較小，容易產(chǎn)生這種屑型。

特點：切削中切應(yīng)變較大，切削力有波動和和振動，已加工表面粗糙度較大。對硬質(zhì)合金刀具易產(chǎn)生崩刃。第十一頁，共八十九頁。

（3）粒狀（單元）切屑

采用小前角或負前角，以極低的切削速度和大的切削厚度切削粗晶粒金屬時，會產(chǎn)生粒狀屑型，此時，切削過程更不穩(wěn)定，加工表面的質(zhì)量也會更差。

（4）崩碎切屑

在切削鑄鐵等脆性金屬時，由于脆性材料抗拉強度低，刀具切入后，切削層未經(jīng)塑性變形，就會在材料組織的石墨與鐵素體之間疏松界上產(chǎn)生不規(guī)則崩裂，形成崩碎切屑。這種切屑的形狀很不規(guī)則，加工出的工件表面也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角越小，就越容易產(chǎn)生這種切屑。第十二頁，共八十九頁。2.1.3變形程度的表示方法通?？捎们邢髯冃蜗禂?shù)來衡量切削變形程度。如果把切削時形成的切屑與切削層尺寸比較，會發(fā)現(xiàn)切屑厚度增加（＞）、切屑長度縮短（＜），切屑寬度基本沒發(fā)生變化。這是切屑流出時受到刀具前面摩擦作用的結(jié)果。切削變形系數(shù)就是切屑厚度hch與切削層厚度hD的比值，或者是切削層長Lc度和切屑長度Lch的比值。即：＞1

（2.1）

值越大，切屑越厚越短，則切削變形就越大。第十三頁，共八十九頁。a）b）c）圖2.5變形程度表示a）切屑與切削層的外形尺寸；b）切屑的厚度增加、長度縮短；c）前角、剪切角與切削變形的關(guān)系

需要說明的是：在切削某些材料時，可能會出現(xiàn)＜1，這就不能正確反映切削變形的實際情況。第十四頁，共八十九頁。

2.1.4切屑與刀具前面間的摩擦和積屑瘤在塑性金屬切削過程中，因切屑底層與刀具前面間擠壓摩擦嚴重，使切屑底層金屬的流動速度低于上層的流動速度而形成滯流層。當(dāng)滯流層金屬與刀具前面之間的摩擦力超過切屑內(nèi)部的結(jié)合力時，滯流層的一部分金屬就會黏結(jié)在切削刃附近（亦稱冷焊），不斷沉積便形成小硬塊稱為積屑瘤。當(dāng)溫度和壓力適當(dāng)時，滯流層金屬就會黏附在刀具前面上，依次層層堆積，高度逐漸增大而形成了積屑瘤，它代替切削刃繼續(xù)剪切較軟的金屬層，長高的積屑瘤在外力或振動作用下可能會發(fā)生局部斷裂或脫落，條件合適時又會繼續(xù)生成、長高。這樣生成、長大、脫落，再生成、再長大、再脫落……經(jīng)歷著一個又一個非周期性變化的過程。第十五頁，共八十九頁。

a）b）c）圖2.6積屑瘤a）內(nèi)摩擦應(yīng)力分布；b）積屑瘤外形；c）積屑瘤外形尺寸加工條件：工件材料45鋼、刀具材料W18Cr4V、=5°、=20m/min、=0.23mm/r第十六頁，共八十九頁。1.積屑瘤對切削過程的影響（1）保護刀具。由于硬度高于工件硬度，能代替刀刃切削，對刀具切削刃有保護作用。

（2）增大工作前角。積屑瘤增大了刀具的實際工作前角，使刀具變得鋒利，減小切削變形，降低了切削力。

（3）增大切削厚度。由于積屑瘤前端伸出于切削刃之外，會產(chǎn)生過切，使切削厚度增加了ΔhD。又由于積屑瘤的產(chǎn)生、長大與脫落非周期性變化，所以ΔhD值是變化的，會影響到被加工工件的尺寸精度。第十七頁，共八十九頁。

（4）增加已加工表面粗糙度

首先，由于積屑瘤高度非周期性的變化，使得切削厚度也無規(guī)則變化，工件已加工表面會出現(xiàn)高低不平；

其次，脫落掉的積屑瘤碎片黏附在已加工表面上惡化表面粗糙度；

另外，積屑瘤高度的不斷變化造成刀具切削刃高度的不斷變化會引起振動，導(dǎo)致在工件已加工表面上刻劃出溝紋，嚴重影響以加工表面粗糙度。第十八頁，共八十九頁。2.抑制和消除積屑瘤的措施

（1）增大刀具前角，使切削輕快，可減少積屑瘤的產(chǎn)生。

（2）減少進給量和切削厚度。

（3）采用低速或高速切削，避開容易產(chǎn)生積屑瘤的切削速度，如圖2.7a是積屑瘤與切削速度之間的關(guān)系。

（4）提高刀具刃磨質(zhì)量、合理選用切削液，可以減輕摩擦，降低切削溫度和減少黏結(jié)，能夠抑制積屑瘤的產(chǎn)生或降低積屑瘤的高度。

（5）合理調(diào)節(jié)各切削參數(shù)間的關(guān)系，防止形成中溫區(qū)。

（6）對工件材料適當(dāng)熱處理，提高硬度，降低塑性。第十九頁，共八十九頁。圖2.7切削速度對積屑瘤的影響加工條件：加工材料45鋼=4.5mm、=0.67mm/r第二十頁，共八十九頁。2.1.5已加工表面變形和加工硬化1.產(chǎn)生加工硬化的原因

任何刀具的切削刃口都不可能磨得絕對鋒利，當(dāng)在鈍圓弧切削刃和其鄰近的狹小后面的切削、擠壓和摩擦作用下，會使得已加工表面層的金屬晶粒產(chǎn)生扭曲、擠緊和破碎等嚴重的塑性變形，從而使表面層硬度增高，這種表面層硬度增高的現(xiàn)象稱為加工硬化。

金屬材料經(jīng)硬化后提高了屈服強度，并在已加工表面上出現(xiàn)顯微裂紋和殘余應(yīng)力，降低了表面質(zhì)量和材料的疲勞強度，并給下道工序帶來加工困難，增大刀具的磨損，從而使刀具壽命下降。一般材料的塑性越大，金屬晶格滑移越容易，以及滑移面越多，硬化程度越嚴重。第二十一頁，共八十九頁。

2.控制和減輕硬化的措施（1）磨出鋒利的切削刃。（2）增大前角或增大后角。（3）減小背吃刀量。（4）適當(dāng)減小進給量。（5）適當(dāng)降低工件材料的塑性。

（6）合理選用切削液。第二十二頁，共八十九頁。2.1.6影響切削變形的主要因素

1.工件材料——工件材料的強度、硬度越高，刀—屑間的正壓力越大，平均正應(yīng)力增大，切削溫度增加，刀—屑間接觸長度減小，摩擦系數(shù)減小，切削變形減小。

2.前角——刀具前角增大，楔角減小，切削刃鈍圓弧半徑減小，切削刃鋒利，切屑流出時阻力減小，使摩擦系數(shù)μ減小，故變形系數(shù)減小，切削變形減小。但前角增大，則作用在前刀面的平均法向應(yīng)力會隨之減小，因此，摩擦系數(shù)會增大。第二十三頁，共八十九頁。

3.切削速度——切削速度通過切削溫度和積屑瘤影響切削變形，當(dāng)無積屑瘤時，低速時溫度低，不易黏結(jié)，摩擦系數(shù)μ小，切削變形小；隨切速提高，切削溫度增加，黏結(jié)逐漸嚴重，摩擦系數(shù)μ增大；切速再提高，切削溫度使被加工材料的剪切屈服強度降低，剪切應(yīng)力減小，摩擦系數(shù)μ減少，切削變形變小。隨著切削速度提高，積屑瘤高度也逐漸增加，刀具工作前角隨之增大，因此，減少。當(dāng)達到中等切速時，積屑瘤高度達最大值，變?yōu)樽钚?。切削速度再繼續(xù)增高時，因切削溫度升高，摩擦系數(shù)μ減小而使減小。在高速切削時，切削層來不及充分變形已被切離，所以很小。第二十四頁，共八十九頁。

4.進給量——進給量增大，切屑厚度增加，前面上正壓力增大，平均法向應(yīng)力增大，故摩擦系數(shù)μ減小，剪切角增大，因此切削變形系數(shù)減小，切削變形減小。

2.2切削力

切削力是工件材料抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力。它是影響工藝系統(tǒng)強度、剛度和加工工件質(zhì)量的重要因素。切削力是設(shè)計機床、刀具、夾具以及計算切削動力消耗的主要依據(jù)。在目前自動化生產(chǎn)、精密加工中，常利用切削力來檢測和監(jiān)控加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具磨損的程度。第二十五頁，共八十九頁。2.2.1切削力的來源、合力及其分力1.切削力的來源在刀具作用下，被切削層金屬、切屑和工件已加工表面金屬都在發(fā)生彈性變形和塑性變形，因而產(chǎn)生變形抗力。法向力切削作用在刀具前面和后面上。由于切屑沿前面流出，故有對刀具前面產(chǎn)生摩擦力；刀具和工件間有相對運動，由有摩擦力作用于刀具后面。幾個方面的作用力便形成了作用在刀具上的合力F。切削力來源于兩個方面：①切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形和塑性變形所產(chǎn)生的抗力；②刀具與切屑及工件表面間的摩擦阻力。第二十六頁，共八十九頁。

2.切削力的分解如圖2.8，在切削時，各種切削力的總和形成作用在刀具上的合力F。為便于測量、計算和應(yīng)用的需要，常將作用力F分解為三個分力。a）b）圖2.8切削時的合力及其分力第二十七頁，共八十九頁。切向力（主切削力）——在主運動方向上的分力；背向力（徑向力或切深抗力）——在垂直于工作表面上的分力；進給力（軸向力力）——在進給運動方向上的分力。合力F、推力與各分力之間關(guān)系：

；（2.2）式（2.2）表明，當(dāng)當(dāng)時，、，各分力的大小對切削過程產(chǎn)生明顯不同的作用。第二十八頁，共八十九頁。實驗可得，當(dāng)各分力間近似關(guān)系為：隨著切削條件的不同，三個分力之間的比例可在較大范圍內(nèi)變化，但主切削力的值總是最大。2.2.2分力的作用1.切向力（主切削力）切向力是主運動方向上的切削分力，切于過渡表面并與基面垂直，消耗功率最多。切向力作用在工件上，并通過卡盤傳遞到機床主軸箱，它是設(shè)計機床主軸、齒輪和計算主運動功率的主要依據(jù)；由于作用使刀桿彎曲、刀片受壓，故用它決定刀桿、刀片尺寸；是設(shè)計夾具和選擇切削用量的重要依據(jù)。第二十九頁，共八十九頁。

2.背向力（徑向力或切深抗力）

背向力是作用在吃刀方向上的切削分力，處于基面內(nèi)并與工件軸線垂直的力。在縱車外圓時，如果加工工藝系統(tǒng)剛性不足，背向力是影響加工工件精度、引起切削振動的主要原因。不消耗切削功率。

3.軸向力（進給抗力）

軸向力是作用在進給方向上的切削分力，處于基面內(nèi)并與工件軸線平行的力。軸向力作用在機床進給機構(gòu)上，它是計算進給機構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)零件的強度和檢驗進給機構(gòu)強度的主要依據(jù)。消耗總功率的1％～5％。第三十頁，共八十九頁。（2.3）2.2.3切削功率切削過程中消耗的功率稱為切削功率，用表示。計算切削功率用于核算加工成本和計算能量消耗，并在設(shè)計機床時根據(jù)它來選擇機床主電動機功率。主運動消耗的切削功率（單位為kw）應(yīng)為：式中：——切削力，單位為N；——主運動的切削速度，單位為m/min。第三十一頁，共八十九頁。根據(jù)式（2.3）求出切削功率值，再按下式計算主電動機的功率（單位為kw）：（2.4）式中：ηm——機床傳動效率，一般取ηm=0.80～0.85。式（2.4）是校驗和選用機床主電動機功率的計算公式。2.2.4切削力和切削功率的估算1.利用指數(shù)公式計算切削力在生產(chǎn)實際中，常采用指數(shù)公式計算切削力，該指數(shù)公式是通過大量的切削實驗，將實驗數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)分析或微機處理后建立的，故也稱為切削力實驗公式。第三十二頁，共八十九頁。切削力的指數(shù)公式為：（2.5）式（2.5）中的系數(shù)、指數(shù)和修正系數(shù)值可查相關(guān)的金屬切削手冊。

2.利用單位切削力和單位切削功率計算

（1）單位切削力——可用單位切削層面積切削力或單位切削層寬度切削力表示。第三十三頁，共八十九頁。單位切削力（單位為）由下式求得：（2.6）若已知單位切削力，如果給定背吃刀量和進給量值，切削力（單位為N）用下式計算：

第三十四頁，共八十九頁。單位切削力可從有關(guān)手冊中查到（表2.1供參考）。表2.l常用材料的單位切削力單位切削力材料牌號制造、熱處理狀態(tài)硬度HBW（N/mm2）結(jié)構(gòu)鋼45（40Cr）熱軋或正火187（212）1962調(diào)質(zhì)229（285）2305灰鑄鐵HT200退火1701118鉛黃銅HPb59-1熱軋78736硬鋁合金2A12淬火及時效107834第三十五頁，共八十九頁。（2.7）

（2）單位切削功率——是在單位時間內(nèi)切除單位體積材料所需的切削功率。［單位為kW/（）］計算式為：2.2.5影響切削力的因素切削過程中，影響切削力的因素很多，最主要的因素有切削用量、工件材料和刀具幾何參數(shù)等三個方面。第三十六頁，共八十九頁。

1.切削用量的影響當(dāng)背吃刀量和進給量f增大時，都會使切削力增加，但兩者的影響程度是不同的。

其原因是：若f不變，增加一倍，切削厚度不變，切削寬度和切削層橫截面積隨之增大一倍，使切削變形和摩擦成倍增加，故切削力也約增加一倍；若保持不變，f增加一倍時，使切削厚度和切削層橫截面積也都增加一倍，但因進給量f增加使切削變形減小，摩擦面積不成倍增加，切削力只增加約70％～80％。在相同的切削層橫截面積下，若切削效率相同時，增大進給量f比增大背吃刀量既省力又節(jié)能；若消耗功率相同，則允許選用更大的進給量，可提高生產(chǎn)效率。第三十七頁，共八十九頁。

1.切削用量的影響切削速度對切削力的影響不大，加工塑性金屬時，切削速度主要是由于積屑瘤影響實際工作前角和摩擦系數(shù)的變化而影響切削力。加工脆性金屬時變形和摩擦均較小，故切削速度對切削力影響不大。如果刀具材料和機床性能允許，采用高速切削，既能提高生產(chǎn)效率，又使得切削力減小。第三十八頁，共八十九頁。

2.工件材料的影響工件材料是通過材料的剪切屈服強度、塑性變形程度與刀具間的摩擦等條件影響切削力的。通常工件材料的強度和硬度越高，所產(chǎn)生的切削力也越大。在強度和硬度相近時，其塑性和韌性越高，切削力越大；加工硬化嚴重的材料，切削力也越大。切削脆性材料（如灰鑄鐵）時，其切削力較小。3.刀具幾何參數(shù)的影響刀具前角增大，切削變形系數(shù)減小，故切削力明顯減小。尤其是加工材料的韌性、延伸率越高，增大前角使切削力下降更為顯著。主偏角對三個切削分力都有影響，其中對的影響較大。刀尖圓弧半徑增大，切削變形增大，使切削力增大。第三十九頁，共八十九頁。4.其它因素的影響后面磨損，使刀具與加工表面間摩擦加劇，故切削力增大。切削時澆注合適的切削液，能使刀具、工件與切屑接觸面間摩擦減小，因而能顯著地減小切削力。不同的刀具材料與工件材料之間的親合力和摩擦系數(shù)不同，因而切削力也不同。在相同的切削條件下，選用陶瓷刀具的切削力最小，硬質(zhì)合金刀具的切削力次之，高速鋼刀具切削力最大。第四十頁，共八十九頁。2.3切削熱與切削溫度在切削過程中，金屬材料發(fā)生極大的變形與摩擦，變形和摩擦所消耗的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化成熱量（切削熱）。切削熱使得工件和機床產(chǎn)生熱變形，降低零件的加工精度和表面質(zhì)量，還對刀具磨損產(chǎn)生決定性的影響。2.3.1切削熱的產(chǎn)生與傳散在刀具的切削作用下，切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形，切屑與刀具前面，工件與刀具后面之間產(chǎn)生摩擦，變形和摩擦產(chǎn)生熱量（即產(chǎn)生切削熱的原因）。第四十一頁，共八十九頁。切削熱向切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)（空氣或切削液）中傳散。例如，在干車削鋼時，其傳熱比例為：Q屑=50～86%，Q刀=40～10%，Q工=9～3%，Q介=1%。熱量傳散的比例與切削速度有關(guān)，切削速度增加時，由摩擦而生成的熱量增多，但切屑帶走熱量的比例也增加，傳給刀具熱量的比例相對減少，傳給工件熱量的比例更少。高速切削時，切屑的溫度很高，而工件和刀具的溫度則相對較低，有利于切削加工的順利進行。熱傳導(dǎo)效果還與刀具和工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)高的，熱傳導(dǎo)效果就好，切削區(qū)溫度降低就快。采用冷卻性能好的水溶劑切削液能有效地降低切削溫度。第四十二頁，共八十九頁。2.3.2切削溫度的分布

（1）刀—屑接觸面摩擦大，熱量不易傳散，故產(chǎn)生的溫度值最高。

（2）切削區(qū)域的最高溫度點不在切削刃上，而是在前面上離切削刃有一定距離的地方。由圖2.9b表明，離切削刃1mm處的最高溫度約為。該處壓力高，熱量集中。在后面上離切削刃約0.3mm處的最高溫度約為。（3）剪切區(qū)中，在剪切面上各點的變形功大致相同，故各點處溫度值較接近，但垂直剪切面方向的溫度梯度很大。

（4）切屑底層上的溫度梯度很大。（5）工件材料塑性越大，切削溫度分布越均勻；材料脆性越大，最高溫度點離刀刃越近。第四十三頁，共八十九頁。（6）材料導(dǎo)熱系數(shù)越低，刀具前、后面上的溫度越高。

（7）切屑帶走熱量最多，它的平均溫度高于刀具、工件上的平均溫度。工件上最高溫度在近切削刃處，它的平均溫度較刀具上最高溫度點低20～30倍。a）刀具、工件、和切屑中溫度分布b）刀具中溫度分布圖2.9切削溫度的分布第四十四頁，共八十九頁。2.3.3控制切削溫度的措施1.適當(dāng)調(diào)整刀具幾何參數(shù)在保證刀具切削刃強度的前提下，適當(dāng)增大刀具前角，減少切削層金屬的塑性變形，以減少切削熱的產(chǎn)生。主偏角減小，使切削變形和摩擦增加，產(chǎn)生的切削熱增加，但減小后，因刀頭體積增大，切削寬度增大，故散熱條件改善。由于散熱起主要作用，故切削溫度下降。刀尖圓弧半徑增大，刀具切削刃的平均主偏角減小，刀具的散熱條件變好，切削溫度降低；選用負的刃傾角和磨制負倒棱均能增大散熱面積，降低切削溫度。第四十五頁，共八十九頁。2.適當(dāng)調(diào)整切削用量在保證切削效率不降低的前提下，為了降低切削溫度，可在適當(dāng)增大背吃刀量和進給量的同時，降低切削速度。3.選用合適的切削液合理使用切削液對降低切削溫度、減小刀具磨損、提高已加工表面質(zhì)量效果明顯。切削液的導(dǎo)熱率、比熱容和流量越大，澆注方式越合理，則切削溫度越低，冷卻效果越好。除了采取上述措施外，還可通過改善材料的切削加工性、控制刀具的磨損、采用斜刃切削等措施來降低切削溫度。第四十六頁，共八十九頁。2.4刀具磨損與刀具壽命2.4.1刀具磨損刀具在切削過程中，高溫、高壓和強烈摩擦使得刀具材料逐漸被磨損。刀具過早磨損將影響切削過程和生產(chǎn)效率。

1.刀具磨損的形式

（1）正常磨損。是指刀具材料的微粒被工件或切屑帶走而產(chǎn)生的磨損。

1）后面磨損。加工表面與刀具后面間存在強烈摩擦，在后面上切削刃附近被磨出一段后角為零的小棱面。2）前面磨損。在切削塑性材料時，若切削速度和切削厚度都較大，摩擦大且溫度和壓力都高，切屑在流出過程中在刀具前面上切削刃附近摩擦出一段月牙洼形的凹坑。第四十七頁，共八十九頁。3）前、后面同時磨損。在切削塑性材料、切削厚度與前兩者比較屬居中時，常出現(xiàn)前后面同時磨損的形式，常在主切削刃靠近工件外皮處及副切削刃靠近刀尖處磨出深溝。4）副后面磨損。副切削刃在形成已加工表面過程中，副后面受到摩擦而形成磨損。a）后面磨損b）前面磨損圖2.10正常磨損第四十八頁，共八十九頁。

（2）非正常磨損：主要指脆性破損和塑性破損。

1）塑性變形。因嚴重塑性變形造成切削刃和倒角刀尖區(qū)的塌陷。

2）崩刃。在斷續(xù)、沖擊切削條件下，或用脆性刀具材料切削易引起切削刃微粒脫落。

3）剝落。常因刃磨造成內(nèi)應(yīng)力、積屑瘤脫落和在重載切削時，刀刃與刀面出現(xiàn)大面積脫落。

4）熱裂。由熱循環(huán)而致使的材料疲勞，或因間斷切削，切削液澆注不均勻使切削溫度急變，在垂直切削刃方向上出現(xiàn)的裂紋。第四十九頁，共八十九頁。

造成刀具破損的原因：①刀具材料選擇不合理；

②刀具結(jié)構(gòu)、制造工藝不合理；

③刀具幾何參數(shù)不合理；

④切削用量選擇不當(dāng)；

⑤刀具刃磨或使用操作不當(dāng)。

2.磨損過程和磨鈍標準（常用后面磨損量來判別）

（1）刀具的磨損過程圖2.11所示是典型的硬質(zhì)合金車刀磨損過程的磨損曲線，由圖可知，磨損分三個階段：第五十頁，共八十九頁。1）初期磨損階段（I）。因刀具新刃磨的表面粗糙不平，殘留砂輪痕跡，開始切削時很快將刀面上的刃磨痕跡磨去。初期磨損量的大小與刀具的刃磨質(zhì)量直接相關(guān)。

2）正常磨損階段（Ⅱ）。經(jīng)期磨損后，刀面上的粗糙表面已被磨平，壓強減小，磨損比較緩慢。隨著切削時間的延長，磨損量VB將逐漸加大。3）急劇磨損階段（Ⅲ）。當(dāng)?shù)毒吣p達到一定限度后，已加工表面粗糙度變差，刀具切削性能下降，切削溫度升高，磨損量VB急劇增大，有時會產(chǎn)生振動、噪聲等。如果繼續(xù)使用，則刀具切削刃產(chǎn)生損壞而失去切削能力。必須提醒：在到達急劇磨損前應(yīng)及時磨刀或換刀。第五十一頁，共八十九頁。圖2.11刀具磨損曲線

（2）刀具的磨鈍標準刀具磨損值達到一定限度，必須重磨或更換切削刃（可轉(zhuǎn)位刀片），否則，會明顯影響加工質(zhì)量，這個磨損限度即為磨鈍標準。加工條件不同，磨鈍標準應(yīng)不同。粗加工時應(yīng)取大值，工件剛性較好或加工大件時應(yīng)取大值，反之則取小值。第五十二頁，共八十九頁。在實際生產(chǎn)中，常根據(jù)切削時突然發(fā)生的現(xiàn)象，如振動產(chǎn)生、已加工表面質(zhì)量變差、切屑顏色改變、切削噪聲明顯增加等來決定是否磨刀或更換刀刃；精加工時常根據(jù)刀具磨損是否影響表面粗糙度和尺寸精度作為磨損標準。

3.刀具磨損的原因及改善途徑（1）磨料磨損（又稱機械磨損）。在工件材料中含有氧化物、碳化物和氮化物等硬質(zhì)點，在鑄、鍛工件表面上存在著硬夾雜物和在切屑、加工表面上粘附著硬的積屑瘤殘片，這些硬質(zhì)點（磨粒）對刀具表面產(chǎn)生摩擦和刻劃作用致使刀面磨損。磨料磨損是最主要的磨損原因。第五十三頁，共八十九頁。（2）黏結(jié)磨損（亦稱冷焊磨損）。切削區(qū)存在著高溫、高壓和強烈摩擦，在切屑、工件與刀面之間的吸附膜被擠破，形成新的表面緊密接觸，因而發(fā)生黏結(jié)（冷焊）現(xiàn)象。使刀具表面局部強度較低的微粒材料被切屑帶走。

（3）擴散磨損。在高溫作用下，工件與刀具材料中合金元素相互擴散置換。其結(jié)果是改變了原來刀具材料中的化學(xué)成分，降低了刀具的切削性能，加快了刀具的磨損。（4）相變磨損。在高速鋼刀具切削時，當(dāng)溫度超過其相變溫度（550～600o）時，刀具材料的金相組織就會發(fā)生轉(zhuǎn)變，由回火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使硬度降低，出現(xiàn)前面塌陷或卷刃等塑性破壞而加快刀具磨損。硬質(zhì)合金刀具在高溫、高壓狀態(tài)下切削也會因產(chǎn)生塑性變形而失去切削性能。第五十四頁，共八十九頁。（5）化學(xué)磨損（又稱氧化磨損）。在一定溫度下，刀具材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物而被切屑帶走。硬質(zhì)合金刀具的切削溫度達到700～800℃時，硬質(zhì)合金材料中C、WC、TiC和Co與空氣中氧起化合作用形成了硬度和強度較低的氧化膜。在切削時工件表層中的氧化皮、冷硬層及其硬雜質(zhì)對氧化膜產(chǎn)生連續(xù)摩擦的作用，使刀面上產(chǎn)生氧化磨損。有時刀具材料被周圍某種介質(zhì)腐蝕，也會造成化學(xué)磨損。第五十五頁，共八十九頁。

2.4.2刀具壽命1.刀具壽命的概念

刀具壽命是指一把刃磨好的新刀從開始切削一直到磨損量達到磨鈍標準前所經(jīng)歷的總的切削時間（單位為min，用T來表示）。對于可重磨刀具，刀具壽命是指刀具兩次刃磨之間的實際切削時間。從刀具第一次投入使用直至完全報廢所經(jīng)歷的總的切削時間，稱為刀具的總壽命。

2.影響刀具壽命的因素（1）切削用量對刀具壽命T的影響。對于同一種材料的切削加工，當(dāng)?shù)毒叩牟牧虾蛶缀螀?shù)確定之后，對刀具壽命影響最大的是切削用量。第五十六頁，共八十九頁。（2.8）

切削用量對刀具壽命的影響可用下列經(jīng)驗公式表述：式中CT——刀具壽命系數(shù)，與刀具、工件材料和切削條件有關(guān)；——其他因素對刀具壽命的影響系數(shù)。、、——刀具壽命指數(shù)，分別表示切削用量要素中、f、對刀具壽命的影響程度，一般＞＞。

上述指數(shù)、系數(shù)值可查閱有關(guān)手冊。

第五十七頁，共八十九頁。（2.9）當(dāng)用YT5硬質(zhì)合金車刀切削碳素鋼（σb=0.637GPa）時，車削用量三要素（、f、）與刀具壽命T之間存在著如下關(guān)系：從式（2.9）中切削用量各要素的指數(shù)值可以看出，在切削用量三要素中，對刀具壽命影響最大的是切削速度，其次是進給量，影響最小的背吃刀量。

（2）刀具幾何參數(shù)。合理選擇刀具幾何參數(shù)（如前角、主偏角、副偏角和增大刀尖圓弧半徑）能提高刀具壽命。第五十八頁，共八十九頁。（3）工件材料。加工材料的強度、硬度越高、韌性越高、延伸率越小或?qū)嵝栽讲?，則切削力越大，切削溫度越高，刀具磨損越快，刀具壽命就越低。（4）刀具材料。刀具材料的抗彎強度和硬度越高，耐磨性和耐熱性越好，則刀具抗磨損的能力就越強，耐用度也越高。采用涂層刀具材料和使用新型刀具材料，是提高刀具壽命的有效途徑。3.合理刀具壽命的確定原則若刀具壽命定得過高，雖可減少換刀次數(shù)，但必須減小切削用量，從而使切削效率降低、成本提高。反之，若刀具壽命定得過低，雖能提高切削用量，縮短切削時間，但勢必會使刀具磨損加快，增加換刀和磨刀次數(shù)與時間，同樣也會降低切削效率，增加成本。第五十九頁，共八十九頁。

3.合理刀具壽命的確定原則在生產(chǎn)中是根據(jù)切削條件和技術(shù)要求首先確定一個合理的刀具壽命T值，然后以它為依據(jù)選擇切削速度，并計算切削效率和核算生產(chǎn)成本。通常選擇刀具合理壽命的方法有：最高生產(chǎn)率壽命和最低生產(chǎn)成本壽命。

（1）最高生產(chǎn)率壽命——是根據(jù)切削一個零件所花費的時間最少或在單位時間內(nèi)加工出的零件最多來確定的。

（2）最低生產(chǎn)成本壽命——是根據(jù)加工零件的一道工序成本最低來確定的。第六十頁，共八十九頁。圖2.12生產(chǎn)率、工序成本與刀具壽命的關(guān)系曲線由于要高于，故生產(chǎn)中常采用最低生產(chǎn)成本壽命，只有當(dāng)生產(chǎn)緊急需要時才采用最高生產(chǎn)率壽命。第六十一頁，共八十九頁。

制訂刀具壽命值遵循的一般原則：

1）簡單刀具制造成本低，它的壽命可規(guī)定低些；

2）可轉(zhuǎn)位刀具的切削刃轉(zhuǎn)位迅速、更換刀片簡便、故刀具壽命可規(guī)定低些；

3）精加工刀具的壽命應(yīng)制訂得較高些；

4）自動線刀具、數(shù)控刀具應(yīng)制訂較高刀具壽命。第六十二頁，共八十九頁。（2.10）

4.刀具壽命允許切削速度的計算由式（2.8）和式（2.9）可知，切削用量三要素對刀具壽命的影響是不一樣的，的影響最大，其次是f，的影響最小。故實際生產(chǎn)中，為了提高勞動生產(chǎn)率，一般應(yīng)首先考慮選取一個較大的背吃刀量，然后再選取一個盡可能大的進給量f，最后再根據(jù)已確定的刀具壽命的合理數(shù)值T來計算切削速度，這個切削速度就是刀具壽命所允許的切削速度（單位為m／min）。將式（2.9）可改寫為：式中的系數(shù)、指數(shù)可查相關(guān)手冊。第六十三頁，共八十九頁。2.5切削液及其選用2.5.1切削液的作用1.冷卻作用——利用切削液的熱傳導(dǎo)、對流和汽化作用，帶走熱量，降低切削溫度和減小熱變形和刀具磨損。

2.潤滑作用——切削液滲透到刀具、切屑與加工表面之間，形成物理性和化學(xué)性吸附膜，從而減小切屑、工件與刀面間的摩擦，減少粘結(jié)和磨損，提高已加工質(zhì)量。3.排屑和洗滌作用——在切削中，為了防止碎屑、鐵銹及磨料細粉粘附在工件、刀具和機床上，影響工件加工質(zhì)量和機床精度，切削液應(yīng)有良好的沖刷和清洗作用。第六十四頁，共八十九頁。

2.5切削液及其選用2.5.1切削液的作用4.防銹作用——為了防止工件、機床受周圍介質(zhì)腐蝕，要求切削液具有一定的防銹作用。在切削液中加入防銹添加劑，使其與金屬表面起化學(xué)反應(yīng)生成保護膜，防止與腐蝕介質(zhì)接觸而起到防銹和防蝕作用。除此之外，還應(yīng)具有抗泡性、抗變質(zhì)能力，排放時無污染、對人體無害和使用經(jīng)濟性等要求。

2.5.2切削液的種類及其選用生產(chǎn)中常用的切削液有：以冷卻為主的水溶性切削液和以潤滑為主的油溶性切削液。第六十五頁，共八十九頁。2.5.2切削液的種類及其選用

1.水溶性切削液（分為：水溶液，乳化液和合成切削液）（1）水溶液——以水為主要成分，在軟水中加入防銹劑、防霉劑，有的還加入油性添加劑、表面活性劑和添加極壓抗磨劑等，以改善其潤滑和防銹性能以及增加潤滑膜的強度。水溶液常用于粗加工和普通磨削加工中。（2）乳化液——水和乳化油經(jīng)攪拌后形成的乳白色液體。乳化油是一種由礦物油、表面活性乳化劑配制而成的油膏。表面活性乳化劑的分子是由極性集團和非極性集團兩部分組成，分子上帶極性的一頭與水親合，不帶極性的一頭與油親合，它能使水和油均勻混合，有時再添加一定量的乳化穩(wěn)定劑，就能更好地使乳化液中的油、水不分離。第六十六頁，共八十九頁。乳化液的冷卻、潤滑性能較好，成本也較低，廢液處理較容易，故用途很廣。低濃度的乳化液以冷卻作用為主，用于粗加工和普通磨削加工中；高濃度乳化液以潤滑作用為主，用于精加工和復(fù)雜刀具加工中。乳化液的缺點是穩(wěn)定性差，夏天易腐敗變質(zhì)。表2.2乳化液的選用（3）合成切削液——由水、各種表面活性劑和化學(xué)添加劑組成。具有良好的冷卻、潤滑、清洗和防銹性能，還有熱穩(wěn)定性好和使用周期長等特點。合成切削液中不含油，可節(jié)省能源，利于環(huán)保，國內(nèi)外使用率日益增多。第六十七頁，共八十九頁。

2.油溶性切削液（主要有：切削油和極壓切削油）（1）切削油。切削油中有礦物油、動植物油和復(fù)合油（礦物油與動植物油的混合油），其中常用的是礦物油。礦物油包括機械油、輕柴油和煤油等。輕柴油的特點：熱穩(wěn)定性好，資源豐富，價格便宜，但潤滑性較差，它主要用于切削速度較低的精加工、有色金屬加工和易切鋼的加工；

機械油的特點：潤滑作用較好，廣泛用于普通精車、螺紋精加工中；煤油的特點：滲透和沖洗作用均較突出，故在精加工鋁合金、精刨鑄鐵和用高速鋼鉸刀鉸孔中，均能減小加工表面粗糙度和提高刀具壽命。第六十八頁，共八十九頁。（2）極壓切削油——在礦物油中添加一定量的油性添加劑、極壓添加劑（氯、硫、磷等）和放銹添加劑等配制而成。它在高溫下不破壞潤滑膜，高濃度乳化液起潤滑作用為主，具有良好的潤滑效果，被廣泛適用于精加工和加工形狀復(fù)雜的工件（如成形面、齒輪、螺紋等），其潤滑和放銹效果較好。

①氯化切削油熔點高，摩擦系數(shù)小，潤滑性能好，適用于切削合金鋼、高錳鋼及其它難加工材料；

②硫化切削油是熔點更高，適用于對低、中碳鋼、40Cr鋼和20CrMnTi等材料的鉆、鉸、銑以及齒輪加工，均可獲得很小的加工表面粗糙度，并提高刀具壽命。第六十九頁，共八十九頁。3.固體潤滑劑固體潤滑劑中使用最多的是二硫化鉬（）。由形成的潤滑膜具有極低的摩擦系數(shù)（0.05～0.09），高的熔點（1185℃），因此，高溫不易改變它的潤滑性能，具有很高的抗壓性能（3.1GPa）和牢固的附著能力。切削時可將其涂刷在刀面和工作表面上，也可添加在切削油中。采用能防止黏結(jié)和抑制積屑瘤的形成，減小切削力，能顯著地延長刀具壽命和減小加工表面粗糙度。生產(chǎn)實際表明，將它用于車、鉆、鉸孔、深孔加工、攻螺紋、拉、銑等加工中，均能獲得良好的效果。第七十頁，共八十九頁。2.5.3切削液的使用方法1.澆注法——將充足大流量的低壓切削液澆注在切削區(qū)（常用），但切削液難直接滲入高溫區(qū)，影響切削液效果。2.噴霧法——將切削液以高壓、高速、霧化狀態(tài)噴至切削區(qū)。高速氣流帶著霧化成微小液滴的切削液滲透到切削區(qū)，在高溫下迅速汽化，吸收大量切削熱，取得良好效果。3.內(nèi)冷卻法——切削液通過刀體內(nèi)部以較高的壓力和較大流量噴向切削區(qū)，將切削沖刷出來，同時帶走大量的熱量，可大大提高刀具耐用度、生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。深孔鉆、套料鉆等加工就是采用這種冷卻方法。第七十一頁，共八十九頁。2.6刀具幾何參數(shù)的合理選擇

刀具合理幾何參數(shù)是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能夠獲得最高的刀具壽命，從而達到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的刀具幾何參數(shù)。2.6.1前角和前面型式的選擇1.前角的選擇——增大前角，切削刃鋒利，切削變形減小、切削力減小、切削輕快、切削溫度降低、刀具磨損減小、加工表面質(zhì)量提高。但若前角過大，刀具切削部分和切削刃的剛度和強度降低，散熱條件變差，切削溫度高，刀具易磨損或破損，刀具壽命低。因此，前角應(yīng)有一個最佳數(shù)值。選擇前角的原則是，在達到刀具壽命要求的前提下，應(yīng)選取較大的前角。第七十二頁，共八十九頁。

2.前面型式的選擇

（1）正前角平面型（圖2.13a）

特點：刀刃鋒利，但刀尖強度較低、散熱能力較差。多用于加工易切削材料的精加工刀具和復(fù)雜刀具，例如車刀、銑刀、螺紋車刀和切齒刀具等。圖2.13前面型式a）正前角平面型b）正前角帶倒棱型c）負前角型d）曲面型第七十三頁，共八十九頁。

（2）正前角帶倒棱型（圖2.13b）特點：可提高刀具刃口強度、改善散熱條件、增強刀具耐用度。多用于粗加工或斷續(xù)切削。

（3）負前角型（圖2.13c）特點：增加了刀片重磨次數(shù)，切削刃強度高，散熱體積大，作用在刀片上的切削力由受彎改變?yōu)槭軌?，改善了受力條件。但產(chǎn)生的切削力大，易引起振動。對于硬質(zhì)合金刀具，可采用負前角。

（4）曲面型（圖2.13d）特點：有利于排屑、卷屑和斷屑。因可增大前角，故切削變形小，切削力較小。多用于粗加工和半精加工。第七十四頁，共八十九頁。2.6.2后角的選擇增大后角，可減少后面與切削表面間的摩擦，提高刀具耐用度，減小切削刃鈍圓弧半徑，刀刃變得鋒利，可提高加工表面質(zhì)量。但后角過大，會使得刀具強度降低，散熱條件變差，刀具磨損加劇。另外，在相同磨損標準VB條件下，大的后角經(jīng)重磨后，使加工直徑變化量大，從而影響加工精度。2.6.3副后角的選擇其作用是減少副后面與已加工表面之間的摩擦，選擇原則與主后角基本相同。為便于制造，一般對車刀、面銑刀等選?。?。有些刀具，例如切斷刀、切槽刀、三面刃銑刀等，為增加刀齒強度并且使得刀具重磨后刀齒厚度變化較小，常選用很小的負后角。第七十五頁，共八十九頁。2.6.4主偏角的選擇減小主偏角，刀具切削部分的體積增大，刀具強度提高、散熱條件變好，刀具耐用度增強，特別是能夠減小殘留面積高度，降低了已加工表面粗糙度。主偏角增大，使得背向力減小，此外，增大，切削寬度減小，有利于斷屑。主偏角還影響背向力和進給分力的分配，從而對工藝系統(tǒng)的剛性和振動產(chǎn)生影響。2.6.5副偏角的選擇刀具副偏角主要影響表面粗糙度，也影響刀具強度。過小的副偏角，會增加副后面與已加工表面間的摩擦，引起振動。副偏角的選擇原則是，在不產(chǎn)生摩擦和振動的條件下，應(yīng)盡可能選取較小的副偏角。第七十六頁，共八十九頁。2.6.6倒角刀尖和修圓刀尖圖2.14中的刀尖形式，均能提高刀尖處強度，增大散熱面積，減小表面粗糙度，但會不同程度地增大背向力，選擇時，要考慮加工工藝系統(tǒng)剛性是否足夠。a）b）c）圖2.14刀尖形式a）倒角刀尖b）修圓刀尖c）修光刀刃第七十七頁，共八十九頁。2.6.7刃傾角的選擇

合理選擇刃傾角有多方面作用：能夠控制切屑流向和影響切削分力的分配；刃傾角的絕對值變大，可增加實際工作前角和減小法平面中鈍圓半徑，刀具具有斜角切削的特點，從而使刀刃變得鋒利，同時增加了刀刃的工作長度，單位長度切削刃上的負荷減小，減小切削力，提高加工表面質(zhì)量和刀具的耐用度。選用負刃傾角，可提高刀具強度，改變刀刃受力的位置和受力方向，使切削過程比較平穩(wěn)，提高刀刃抗沖擊能力。但過大的負刃傾角，使背向力增大。生產(chǎn)中常在選用較大前角時，同時選取負刃傾角，以解決“鋒利與強固”難以并存的矛盾。第七十八頁，共八十九頁。2.7切削用量的合理選擇

合理的切削用量指的是能夠充分發(fā)揮刀具和機床的性能、保證加工質(zhì)量、高生產(chǎn)率及低成本情況下的切削用量。2.7.1切削用量的選擇原則1）根據(jù)零件加工余量和加工要求，選定背吃刀量。

2）根據(jù)加工工藝系統(tǒng)允許的切削力，其中包括工藝系統(tǒng)剛度以及精加工時表面粗糙度要求，確定進給量f。

3）根據(jù)刀具壽命，確定切削速度。

4）所選定的切削用量應(yīng)該是機床功率所允許的。確定合理的切削用量須同時考慮加工余量、刀具壽命、機床功率、表面粗糙度和工藝系統(tǒng)剛度等多方面的因素。第七十九頁，共八十九頁。2.7.2切削用量的合理選擇方法1.背吃刀量的合理選擇背吃刀量一般是根據(jù)加工余量來確定。

①粗加工時，盡可能一次走刀即切除全部余量，在中等功率的機床上加工，取=8～10mm；加工余量太大或余量不均勻、工藝