機(jī)械制造冷加工切削加工

第三章切削過程中的物理現(xiàn)象及其規(guī)律金屬切削過程，實(shí)質(zhì)上包含著一個(gè)較復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換過程，它伴隨著一系列的物理現(xiàn)象：工件材料的變形、摩擦、切削力、切削熱和溫度、以及刀具的磨損、破損等。切削過程中這些現(xiàn)象及其變化，反映了切削過程的狀況。并與工件外表質(zhì)量和切削效率有著密切的聯(lián)系。3.1切削力在切削過程中，切削力直接影響著：切削熱的產(chǎn)生，并進(jìn)一步影響著刀具磨損、刀具壽命、加工精度和已加工外表質(zhì)量。在生產(chǎn)中，切削力又是計(jì)算切削功率、設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、刀具、夾具的必要依據(jù)。因此研究切削力，將有助于對(duì)切削過程規(guī)律的了解，并對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有著重要指導(dǎo)意義。3.1.1切削力的來源金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力，稱為切削力。切削力來源于三個(gè)方面：(1)克服被加工材料對(duì)彈性變形的抗力；(2)克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力；(3)克服切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)加工外表和已加工外表之間的摩擦力。3.1.2切削合力及其分解

上述各力的總合形成作用在車刀上的合力Fr。為了實(shí)際應(yīng)用，F(xiàn)r可分為相互垂直的Fx、Fy和Fz三個(gè)分力。Fz主切削力或切向力。Fz是計(jì)算車刀強(qiáng)度，設(shè)計(jì)機(jī)床功率所必需的。

Fx進(jìn)給抗力。軸向力或走刀力。Fx是設(shè)計(jì)走刀機(jī)構(gòu)，計(jì)算車刀進(jìn)給功率所必需的。

Fy切深抗力、徑向力或吃刀力。Fy用來確定與工件加工精度有關(guān)的工件撓度，計(jì)算機(jī)床零件和車刀強(qiáng)度。它也是使工件在切削過程中產(chǎn)生振動(dòng)的力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)Kr=45，s=0和o=15時(shí)，F(xiàn)z、Fy、Fx之間有以下近似關(guān)系式：Fy=〔0.4～0.5〕FzFx=〔0.3～0.4〕Fz將它們代入上式得Fr=〔1.12～1.18〕Fz隨著刀具幾何參數(shù)、切削用量、工件材料和刀具磨損情況的不同，F(xiàn)z、Fx和Fy之間的比例可在較大范圍內(nèi)變化。3.1.3切削功率消耗在切削過程中的功率稱為切削功率Pm。它是Fz和Fx所消耗功率之和，因Fy方向沒有位移，所以不消耗動(dòng)力。

式中nw——工件轉(zhuǎn)速(r／s)按上式求得切削功率后，在選擇機(jī)床的電機(jī)功率時(shí)，還應(yīng)考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率ηm，將切削功率除以機(jī)床的效率，即：

機(jī)床電機(jī)功率PE

Pm/ηm確定切削力的大小可用測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量，也可通過經(jīng)驗(yàn)公式或理論分析公式進(jìn)行計(jì)算。3.2.4切削力的經(jīng)驗(yàn)公式

切削力的經(jīng)驗(yàn)公式是通過大量實(shí)驗(yàn)，將由測(cè)力儀測(cè)得的切削力數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)方法處理而得到的。切削力經(jīng)驗(yàn)公式可分為指數(shù)公式和單位切削力兩類。一．計(jì)算切削力的指數(shù)公式

在金屬切削中，廣泛應(yīng)用指數(shù)公式計(jì)算切削力。這種經(jīng)驗(yàn)公式的建立是借助測(cè)力儀直接測(cè)量出一定條件下的切削力，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出的。常用的指數(shù)公式的形式如下：二、用單位切削力和單位切削功率計(jì)算三個(gè)分力和所消耗的功率：1、單位切削力p單位切削力p是指單位切削面積上的主切削力。式中AD——切削面積hD——切削厚度bD——切削寬度hD——切削厚度bD——切削寬度2、單位切削功率Ps單位時(shí)間內(nèi)切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單位切削功率Ps式中Zw——單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量；Zw=1000?ap?f?vmm3/sPm——切削功率；Pm=Fz?v?10-3=p?ap?f?v?10-3〔kw〕在實(shí)際的切削過程中，切削力是在不斷變化的。所以切削力是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。它的變化情況反映了切削過程中工件材料、刀具切削性能、以及切削用量等狀態(tài)。用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算只能得到在一定切削條件下的平均估算值。因此，要較精確得到實(shí)際切削過程中的切削力，只能通過測(cè)力儀進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。3.1.5影響切削力的因素及其規(guī)律切削加工系統(tǒng)中影響切削過程的因素主要包括四方面：工件材料刀具切削性能切削用量(v、f、ap)切削液這些因素對(duì)切削力的影響，主要是通過對(duì)切屑形成過程中的變形和摩擦現(xiàn)象的影響而到達(dá)的。一．被加工材料對(duì)切削力的影響被加工材料的物理機(jī)械性能、加工硬化能力、化學(xué)成份、熱處理狀態(tài)和材料的加工狀態(tài)都對(duì)切削力的大小產(chǎn)生影響?！?〕被加工材料的強(qiáng)度愈高，硬度愈大，切削時(shí)產(chǎn)生的變形阻力愈大，切削力就大?！?〕材料在加工過程中強(qiáng)化系數(shù)大，加工硬化能力大時(shí)，即使較小的變形也會(huì)引起硬度的大大提高，從而使切削力增大。例如：加工鎳鉻鋁鈷基的熱強(qiáng)鋼時(shí)，雖然其原始強(qiáng)度、硬度都不那么大，但切削力卻很大，單位切削力可達(dá)4GPa。另外，奧氏體不銹鋼也屬這種情況，所以難以加工?！?〕材料的化學(xué)成份及其含量影響材料的物理機(jī)械性能，從而影響切削力的大小。如碳鋼中的含碳量愈高，其強(qiáng)度和硬度愈高；銅、鋁等金屬強(qiáng)度低，塑性較大，但變形時(shí)的加工硬化小，因而切削力也較低。〔4〕加工鑄鐵及其它脆性材料時(shí)，切削層的塑性變形小，加工硬化小。切削脆性材料時(shí)形成崩脆切屑，且集中在刀尖，切屑與前刀面的接觸面積小，摩擦力也小，因此切削力比切鋼時(shí)小?！?〕同一材料在不同熱處理狀態(tài)下，其金相組織不同也會(huì)影響切削力的大小。如45鋼在正火、調(diào)質(zhì)、淬火狀態(tài)下的硬度不同，因此切削時(shí)的切削力也不同。二.切削用量對(duì)切削力的影響1．切削深度ap和進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響，是通過切削面積AD的影響而到達(dá)的。當(dāng)切削深度和進(jìn)給量增大都會(huì)使切削面積AD增大(AD=apf)，從而使變形力和摩擦力增大，切削力那么隨之增大。但ap和f兩者對(duì)切削力的影響大小不同。在用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具加工金屬時(shí)，切削深度ap增大一倍，切削力Fz也增大一倍即：Fz=Cap(2ap)=2Capap

進(jìn)給量f增大，切削厚度也成正比地增大(hD=f·sinKr，)。但hD增大時(shí)變形系數(shù)減小，摩擦系數(shù)也降低，這又會(huì)使切削力減小。這正反兩方面同時(shí)作用的結(jié)果，使切削力的增大與f的增加不成正比。上述分析可知，加大進(jìn)給量比加大切削深度消耗的能量更少。

指數(shù)ap的指數(shù)為1f的指數(shù)小于12．切削速度v對(duì)切削力的影響。用實(shí)驗(yàn)方法可知切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律不是呈單調(diào)的曲線，而是隨切削速度不同而變化的。在用YTl5硬質(zhì)合金車刀加工45鋼時(shí)，當(dāng)v<50m／min時(shí)，由于積屑瘤的產(chǎn)生和消失，使車刀的實(shí)際前角增大或減小，導(dǎo)致了切削力的變化。當(dāng)V>50m／min時(shí)，切削力隨之減小。這是因?yàn)榍邢魉俣仍龈吆?，摩擦系?shù)μ減小，剪切角φ增大，變形系數(shù)減小，從而使切削力減小。另一方面，切削速度v增高，切削溫度也增高，使被加工金屬的強(qiáng)度和硬度降低，也會(huì)導(dǎo)致切削力的降低。加工鑄鐵時(shí)，切削速度v對(duì)切削力的影響不大。因?yàn)榧庸よT鐵時(shí)形成崩脆切屑，其塑性變形小，切屑對(duì)前刀面的摩擦力小，所以對(duì)切削力的影響不大。三．刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響刀具幾何參數(shù)中對(duì)切削力影響最大的是前角γo，其次是主偏角Kr、以及與前角有關(guān)的負(fù)倒棱和與主偏角有關(guān)的刀尖圓弧半徑rε，和刃傾角λs。1．前角對(duì)切削力的影響

在加工鋼時(shí)，前角增大，切削力減小。因?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)剪切角φ隨之增大，金屬塑性變形減小，變形系數(shù)ξ減小，沿前刀面的摩擦力也減小，因此切削力降低。加工脆性金屬(如鑄鐵、青銅時(shí)等)時(shí)，由于切屑變形和加工硬化很小，所以前角對(duì)切削力的影響不顯著。2．主偏角Kr對(duì)切削力的影響

主偏角Kr對(duì)三個(gè)切削分力Fz、Fy、Fx的影響程度不同。從實(shí)驗(yàn)曲線圖中看出：(1)主偏角增大對(duì)Fz的影響一般不超過10％。隨主偏角的改變，切削厚度與切削刃曲線局部長(zhǎng)度的變化(2)主偏角Kr的變化對(duì)Fy和Fx的影響Fy=FncosKr；Fx=FnsinKr；3．刃傾角λs對(duì)切削力的影響當(dāng)λs變化時(shí)，會(huì)改變合力Fr的方向，從而影響Fy和Fx分力的大小。4．負(fù)倒棱對(duì)切削力的影響

前刀面上的負(fù)倒棱bγ1，對(duì)切削力有一定的影響，在正前角相同時(shí)，對(duì)有負(fù)倒棱的車刀，由于切削時(shí)的切屑變形比無負(fù)倒棱的大，所以切削力有所提高，無論加工鋼或鑄鐵都是這樣。5.刀尖圓弧半徑rε對(duì)切削力的影響

rε增大相當(dāng)于是Kr減小時(shí)對(duì)切削力的影響。四．刀具材料對(duì)切削力的影響

主要通過刀具材料與被加工材料間的摩擦系數(shù)對(duì)摩擦力的影響，來直接影響切削力的變化。在同樣切削條件下，陶瓷刀具的切削力最小，硬質(zhì)合金次之，高速鋼的切削力最大。因?yàn)樘沾傻毒叩膶?dǎo)熱性小，在較高的切削溫度下工作時(shí)使摩擦降低，從而切削力減小。硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)隨含鈷量的增加以及含鈦量的減小而提高。五．切削液對(duì)切削力的影響切削過程中使用切削液可以降低切削力。因?yàn)榍邢鬟^程中所消耗的功，主要用在克服金屬的變形和摩擦上。研究認(rèn)為，加工鋼時(shí)切屑沿前刀面流出，摩擦約消耗35％的功；工件沿后刀面的摩擦約消耗5～15％的功。如能正確選擇和使用切削液，可降低30％以上的切削力(用絲錐攻絲時(shí)可降低45％)。實(shí)踐證明選用的切削液潤(rùn)滑性能愈高，切削力的降低愈顯著。如在v<40m／min加工鋼時(shí)，用礦物油作切削液可使主切削力減小12～15％，采用植物油可減小20～25％。六、刀具后刀面磨損對(duì)切削力的影響從圖中的試驗(yàn)曲線看出：車刀后刀面磨損量VB增加時(shí)切削力增大，當(dāng)磨損量VB超過一定值后，切削力增加的速度加快，增長(zhǎng)率加大。因此，規(guī)定刀具的磨損量不應(yīng)超過這一磨鈍限度。刀具后刀面磨損后，即產(chǎn)生一個(gè)后角為0的小棱面，此棱面愈大刀具后刀面的磨損也愈大，因此切削力也愈大。3.2切削熱和切削溫度切削熱和由此產(chǎn)生的切削溫度能改變前刀面上的摩擦系數(shù)，直接影響刀具的磨損和刀具耐用度；切削溫度能改變工件材料的性能，影響積屑瘤的產(chǎn)生和消失，直接影響工件的加工精度和外表質(zhì)量。所以研究切削熱的產(chǎn)生和切削溫度的變化規(guī)律，是研究金屬切削過程的重要方面。但凡影響切削力的因素都會(huì)影響到切削熱和由此產(chǎn)生的切削溫度。3.3刀具磨損和刀具耐用度切削過程中，隨著切屑的不斷產(chǎn)生和切除，刀具本身也要逐漸磨損或發(fā)生破損(如崩刃、碎斷、剝落。裂紋等)。刀具磨損后，使工件加工精度降低，外表粗糙度增大，并導(dǎo)致切削力和切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動(dòng)使其不能繼續(xù)正常工作。因此刀具磨損直接影響加工效率、加工質(zhì)量和本錢。

3.3.1刀具磨損的形式切削時(shí)，刀具的前、后刀面與切屑及已加工外表相接觸，產(chǎn)生劇烈摩擦。在接觸區(qū)內(nèi)有相當(dāng)高的溫度和壓力。因此在前后刀面上都會(huì)發(fā)生磨損。但它們的磨損情況有各自不同的特點(diǎn)，而且相互影響：刀具磨損形式有以下幾種：前刀面磨損后刀面磨損邊界磨損3.3.2刀具磨損的原因

由于工件材料、刀具材料種類很多，切削條件變化很大，因此刀具磨損的形式各不相同，其磨損的原因也很復(fù)雜。刀具在正常磨損的情況下，其主要原因包括：機(jī)械磨損熱磨損化學(xué)磨損機(jī)械磨損是由工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)的刻劃作用引起，而熱磨損和化學(xué)磨損是由粘結(jié)、擴(kuò)散、腐蝕等引起。一．硬質(zhì)點(diǎn)磨損這主要是由于工件材料中的雜質(zhì)、基體組織中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)，以及積屑瘤的碎片等所造成的機(jī)械磨損。它們?cè)诘毒咄獗砩蟿澇鲆粭l條溝紋。各種切削速度下刀具都會(huì)產(chǎn)生硬質(zhì)點(diǎn)磨損，但低速時(shí)它是刀具磨損的主要原因。因?yàn)檫@時(shí)切削溫度較低，其它各種形式的磨損還不顯著。一般可以認(rèn)為，由硬質(zhì)點(diǎn)磨損產(chǎn)生的磨損量與切削路程或刀具與工件相對(duì)滑動(dòng)距離成正比。二．粘結(jié)磨損由于刀具與工件之間接觸面上存在足夠大的壓力和溫度，塑性變形所形成的新鮮外表與刀具外表接觸到原子間距離，將產(chǎn)生結(jié)合現(xiàn)象或粘結(jié)、冷焊現(xiàn)象，兩摩擦外表的粘結(jié)點(diǎn)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)，晶粒或晶粒群受剪或受拉而被對(duì)方帶走，是造成刀具粘結(jié)磨損的原因。

三．?dāng)U散磨損由于切削過程中產(chǎn)生的切削溫度高，而且刀具外表始終與被切出的切屑和工件的新鮮外表相接觸和摩擦，它們具有巨大的化學(xué)活動(dòng)性，所以兩摩擦面的化學(xué)元素有可能相互擴(kuò)散，因而使雙方的化學(xué)成分都發(fā)生變化，削弱刀具材料的切削性能，從而加速刀具的磨損。擴(kuò)散速度隨切削溫度升高而加快。四．化學(xué)磨損化學(xué)磨損是在一定溫度下，刀具材料與某些周圍介質(zhì)(如空氣中的氧、切削液中的極壓添加劑硫，氯等)起化學(xué)作用，在刀具外表形成一層硬度較低的化合物而被切屑帶走，加速刀具磨損；或者因?yàn)榈毒卟牧媳荒撤N介質(zhì)腐蝕，造成刀具磨損。

3.3.3刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)一．刀具的磨損過程

對(duì)切削過程中刀具后刀面磨損量VB進(jìn)行定時(shí)(或定切削行程)測(cè)量可得刀具磨損過程的典型磨損曲線。刀具磨損過程可分為三個(gè)階段：二．刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)即指所規(guī)定的刀具磨損量的極限值，或不能繼續(xù)使用的限度。生產(chǎn)中，控制刀具磨損量的方法，主要是根據(jù)切削中發(fā)生的一些現(xiàn)象來判斷刀具是否已經(jīng)磨鈍。例如：粗加工時(shí)，觀察加工外表是否出現(xiàn)亮帶，切屑的顏色和形狀的變化，以及是否出現(xiàn)不正常的聲音和振動(dòng)現(xiàn)象等。精加工時(shí)可觀察加工外表粗糙度變化，以及測(cè)量加工零件形狀和尺寸的精度等。如發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象就要及時(shí)換刀。一般刀具都要發(fā)生后刀面磨損，而且測(cè)量也比較方便。因此，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO統(tǒng)一規(guī)定以1／2切削深度處后刀面上測(cè)定的磨損帶寬VB作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。3.3.4刀具耐用度一．刀具耐用度定義從刀具刃磨后開始切削，到其磨損量到達(dá)刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)過的總切削時(shí)間。這實(shí)際上也是表示刀具切削性能的一個(gè)指標(biāo)，或刀具耐磨損性能的表示，以下用符號(hào)T表示。影響刀具磨損的因素很多，但當(dāng)工件材料、刀具材料和刀具幾何形狀選定之后，其耐用度的大小就主要與切削用量有關(guān)。二．切削速度與刀具耐用度的關(guān)系

切削用量中對(duì)刀具耐用度影響最大的因素就是切削速度。因?yàn)関對(duì)切削溫度影響最大，從而對(duì)刀具磨損影響也最大。由于切削溫度對(duì)刀具磨損影響很復(fù)雜，目前用理論分析導(dǎo)出的關(guān)系式與實(shí)際情況不盡符合，所以一般采用刀具耐用度實(shí)驗(yàn)來建立切削速度v與刀具耐用度了之間的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)方法按ISO國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車刀耐用度試驗(yàn)的規(guī)定：當(dāng)切削刃磨損均勻時(shí)，取VB=0.3mm；磨損不均勻時(shí)那么取VBmax=0.6mm。固定其它的切削條件，在常用的切削范圍內(nèi)，取不同的切削速度vl、v2…