第二章切削过程的基本规律

1、1 金属切削的变形过程 切削力及其影响因素 切削热与切削温度 切削用量的选择 切屑的种类及卷屑断屑机理 前刀面上的摩擦与积屑瘤 影响切削变形的因素 刀具磨损、破损与使用寿命 刀具几何参数的选择 工件材料的切削加工性 切削液 2 金属切削的变形过程 3 高速摄影法高速摄影法 快速落刀法快速落刀法 扫描电镜和透视电镜显微观察法扫描电镜和透视电镜显微观察法 光弹性和光塑性试验法光弹性和光塑性试验法 4 2）高速摄影法：利用带有显微镜头的高速摄影机，拍摄切削）高速摄影法：利用带有显微镜头的高速摄影机，拍摄切削 试件的侧面，得到从切削变形开始到形成切屑的真实过程；试件的侧面，得到从切削变形开始到形成切屑

2、的真实过程； 3）快速落刀法：在切削的某一瞬间使刀具以极快的速度突然）快速落刀法：在切削的某一瞬间使刀具以极快的速度突然 脱离工件，把在某一切削条件下的变形情况脱离工件，把在某一切削条件下的变形情况“冻结冻结”下来，下来， 然后用显微镜进行观察；然后用显微镜进行观察； 4）扫描电镜和透视电镜显微观察法）扫描电镜和透视电镜显微观察法 5）光弹性和光塑性试验法：为了分析变形区的应力状况，对）光弹性和光塑性试验法：为了分析变形区的应力状况，对 切削刃前方的材料进行弹性力学和塑性力学研究和实验。切削刃前方的材料进行弹性力学和塑性力学研究和实验。 5 O M F 图2-3 切削 6 金属切削过程（影音文

3、件）金属切削过程（影音文件） 金属切削过程（影音文件）金属切削过程（影音文件） 7图2-3 -0 切屑根部金相照片 M 刀具 切屑 O A 终滑移线 始滑移线：=s 8 当刀具以切削速度V向前推进时，可以看作刀具不 动，工件材料以速度V反方向逼近刀具；当到达OA线 时，剪切滑移开始，OA为始剪切线，当继续向前移动 到达OM线时，其流动方向已基本平行于前刀面，并沿 前刀面流出，被切金属层转变为切屑，称OM为终剪切 线。同时由于逐步冷硬的效果，切屑的硬度比被切金 属的硬度高，而且变脆，易折断。 9 金属切削过程就是工件的被切金属金属切削过程就是工件的被切金属 层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面层在

4、刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面 ( (滑移面滑移面) )产生产生剪切变形剪切变形并转变为切屑的并转变为切屑的 过程。因而可以说，过程。因而可以说，金属切削过程就是金属切削过程就是 金属内部不断滑移变形的过程金属内部不断滑移变形的过程。 10 第变形区： 剪切变形区 金属剪切滑移，成为切屑。金 属切削过程的塑性变形主要集 中于此区域。主要特征：沿滑 移线的剪切变形和加工硬化。 图2-4 切削部位三个变形区 第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。 第变形区： 靠近前刀面 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面

5、磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 11 剪切角：剪切面与切削速度方向的夹角 图2-3 -0 切屑根部金相照片 一般速度范围内一般速度范围内, 区区 宽度为宽度为0.020.2mm， 速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小， 可看作一个可看作一个剪切平面剪切平面 12 切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不 变，可用表示切削层的变形程度。 DD cDch ch b h lb h l Lch hD hch LD 图2-8 切屑与切削层尺寸 厚度变形系数 长度变形系数 D ch h h h ch D l l l 根据体积不变原理 有 可以计算出变形系数 1 hl cos 0 （ - ） s

6、in 13 cos 0 （ - ） sin 14 )cos(sin cos 0 0 y S 15 ) 62.(. cos 1sin2 2 o o )sin( cos tan o o 16 定义：剪切面与切削速度方向的夹角 图2-3 -0 切屑根部金相照片 一般速度范围内一般速度范围内, 区区 宽度为宽度为0.020.2mm， 速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小， 可看作一个可看作一个剪切平面剪切平面 17 计算： 1.根据合力最小原理确定的剪切角 )102.(. 224 o 上式称为麦钱特(M.E.Merchant)公式 2.根据主应力方向与最大剪应力方向成45角原理确定的剪切角 )112

7、.(. 4 o 上式称为李和谢弗(Lee and Shaffer)公式 18 结论结论： (1)剪切角与摩擦角有关。 当增大时，角随之减小，变形增大。 减小前刀面上的摩擦系数有利于切削。 这一结论也说明第变形区的变形与第变形区的 变形密切相关。 (2)增大前角o，剪切角随之增大，变形减小。 可见在保证切削刃强度的前提下，增大前角对改善 切削过程是有利的。 )102.(. 224 o )112.(. 4 o 19 2.2 切屑的种类及卷屑、断屑机理 形成 条件 影响 名称 简图 形态 变形 带状，底面光滑 而背面呈毛茸状 节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状 粒状不规则块状颗粒 剪切滑移尚未达

8、到断裂程度 局部剪切应力达到断 裂强度 剪切应力完全达 到断裂强度 未经塑性变形即 被挤裂 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低 加工硬脆材料， 刀具前角较小 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳 切削力波动较大， 切削过程不平稳， 表面粗糙度不佳 切削力波动大，有 冲击，表面粗糙度 恶劣，易崩刀 带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 表2-1 切屑类型及形成条件 20 2.2 切屑的种类及卷屑、断屑机理 图2-13

9、 切屑形态照片 21 挤裂切屑（影音文件）挤裂切屑（影音文件） 挤裂切屑（影音文件）挤裂切屑（影音文件） 22崩碎切屑（影音文件）崩碎切屑（影音文件） 崩碎切屑（影音文件）崩碎切屑（影音文件） 23 2.2 切屑的种类及卷屑、断屑机理 v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果（图2-14） 图2-14 切屑的卷曲图2-15 断屑的产生 v断屑是为了避免过长的切屑，对卷曲的切屑进一步施加力 使之折断（常需有断屑装置，图2-15） 24 1、摩擦面的实际接触面积 1）峰点型接触 固体表面微观上是凹凸不平的

10、，当载荷较小时，接触面仅有少数峰点接 触，称为峰点型接触。实际接触面积Ar只是名义接触面积Aa的小部分。 当载荷增大时，实际接触面积增大，增加了峰点的接触数目。当承受载 荷的峰点应力超过屈服极限时，发生塑性变形，实际接触面积： rN r s F A rN F 在前刀面存在刀-屑间的摩擦，影响到切屑的形成、切削力、切削 温度和刀具的磨损；还影响到积屑瘤的生成及加工表面质量。 式中： 为接触面的法向载荷 s 为材料的压缩屈服极限 25 2）紧密型接触 当法向载荷增大到一定程度，实际接触面积Ar达到名义接触面积Aa，此时两 摩擦面发生的接触称为紧密型接触。 sr A sr FAP 2、峰点的冷焊和摩

11、擦力 在法向力和切向力作用下，接触峰点发生塑性变形，破坏了表面的氧化膜 和吸覆膜，使峰点发生了金属对金属的直接接触，同时由于接触点的温度升 高，使接触的峰点发生焊接，称为“冷焊”，焊接的结点称为冷焊结。 当两固体相对滑动时，冷焊结受到破坏，与此同时产生新的冷焊结。冷焊 结破坏时的抗剪切力成为摩擦力的一部分，大小为 。组成摩擦力的另一 部分为耕犁力，它是较硬的凸峰在较软一方的材料中划过时受到的阻力。总 摩擦力： 同时P很小，可忽略，所以摩擦力为 sr FA 26 sa FA N s srss NNNs F F A FFF 常数 3、摩擦系数 对于峰点型接触，摩擦系数： 对于紧密型接触，摩擦力 ，

12、所以摩擦系数为 sa N A F 紧密型摩擦系数是一个变数，与名义接触面积和法向力有关。 27 s OA （x） 4、前刀面的摩擦 靠近切削刃处法向力较大，远离切削刃处较小。因而刀-屑接触长度OB上 存在两种类型的接触。OA段形成紧密型接触，AB段形成峰点型接触。 OA段的摩擦系数为： AB段摩擦系数为： s AB s 一般情况下，OA段的摩擦力约占总摩擦力的85%，因此，切削时前 刀面的摩擦由紧密型接触区的摩擦起主要作用。 28 在金属切削过程中， 切屑发生冷焊并层积在 前刀面上形成一个非常 坚硬的金属堆积物，硬 度为工件材料硬度的2- 3.5倍，并一定的频率 生成和脱落，称之为积 屑瘤。

13、积屑瘤可替代切削 刃参加切削。 29 积屑瘤（影音文件）积屑瘤（影音文件） 积屑瘤（影音文件）积屑瘤（影音文件） 30 图2-24 积屑瘤 一定温度 、压力作用下 ，切屑底层与 前刀面发生粘 接 粘接金属 严重塑性变形 ，产生加工硬 化 滞留粘接长大 31 根据有无积屑瘤及其生长高度情况，把切削速度分为四个区域： 区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成； 区：形成带状切屑，随着切削速度的增大积屑瘤高度增加。摩 擦阻力Ff的存在，使得切屑滞留在前刀面上，积屑瘤高度增加； 同时，切屑流动所形成的推力T欲使积屑瘤脱落。若TFf,积屑瘤被推走;T=Ff时,积屑瘤高度为临界 高度. 区：积

14、屑瘤高度随切削速度的增大而减小，当达到右边界时， 积屑瘤消失。这是因为随着切削速度的提高，切屑底部开始软化， 摩擦阻力开始减小，切屑滞留倾向减弱。 区：切削速度进一步增大，由于切削温度较高而冷焊消失，积 屑瘤不再存在。 32 形成积屑瘤的条件：主要取决于切削温度 合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区 域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。 以切削中碳钢为例，从图2-25曲线可知，低速(vc3m min左右)切削时，产生的切削温度很低；较高速 (vc60mmin)切削时，产生的切削温度较高，这两种 情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速 (vc20mmin)，积屑瘤的高度达

15、到最大值。 图2-25 切削速度对积屑 瘤的影响 33 积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响: 1)保护刀具 2)增大前角 3)增大切削厚度 4)增大已加工表面的粗糙度 5)加速刀具磨损 34 对积屑瘤的控制对积屑瘤的控制 ： 积屑瘤有利有弊积屑瘤有利有弊 粗加工 代替刀具切削，保护刀具，减小切削变形。 精加工 不希望出现积屑瘤。 控制积屑瘤的形成： 控制切削温度 实质上就是要控制刀-屑界面处的摩擦系数 改变切削速度是控制积屑瘤生长的最有效措 加注切削液和增大前角都可以抑制积屑瘤的形成。 35 影响切削变形的因素 sa N A F 图2-13 材料对变形系数的影响 2.4.1 工件材料

16、 材料的强度、硬度提高 切削变形减小 工件材料的强度和硬度越高，刀-屑接触长度越小，因 而刀-屑名义接触面积Aa减小。由紧密型接触的摩擦系数 可知，虽然此时 有所增大，但Aa减小，摩擦系数 还是减小了，结果引起变形系数减小。 s 36 影响切削变形的因素 2.4.2 刀具前角 增大前角，切削变形减小 增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小， 切削变形减小。 2.4.3 切削速度 切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角改变和 通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变 形的。 37 影响切削变形的因素 以切削中碳钢为例 vc 超过40m/min继续增高，由于切削 温度逐渐升高，致使摩擦系数下降， 变形系数

17、减小。 vc20m/min时， 切削变 形最小 vc在20 40m/min范围内提高，积 屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减 小，使减小，切削变形增大。 vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着 增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大， 故变形系数h减小 38 影响切削变形的因素 2.4.4 进给量 变形系数随进给量的增大而减小。这是因为进给量增大后，切削厚度增 大，使摩擦系数下降，引起剪切角增大。而摩擦系数减小是因为增大切 削厚度会增大前刀面的法向力 N F N F 39 40 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力 41 2.切削功率 1000 w c n f P -3

18、 f cc F （F v +） 10 切削功率是各切削分力消耗功率的总和。在切削外 圆时，Fp不做功，只有Fc和Ff做功。因此，切削功率 的计算公式为： 由于Ff小于Fc，且进给速度很小，因此Ff消耗的功率很小，可以忽略不 计。一般切削功率按下式计算： c P -3 cc F v10 42 主切削力的计算公式为： cos cos DD c h b F 0 0 （ - ） sin（ + - ） 从公式看，Fc可以计算出来，但准确性很差。这是 因为影响切削力的因素很多，做了很多假设而得出， 但它能够揭示影响切削力因素之间的内在联系，有助 于分析问题。 43 FF cc cc FF pp pp FF

19、 ff ff xy cFpF xy pFpF xy fFpF FCafK FCafK FCafK 式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 背吃刀量ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。 44 1 FFF ccc ccc Fc xyx FpFFp c y Dp p CafKCa F p Aaf af 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1） 式中 Fc 主切削力（N）； vc 主运动

20、速度（m/s）。 45 背吃刀量ap和进给量f增大时，切削力均增大，但两者 的影响程度不同。ap对变形系数没有影响，ap增大时切 削力按正比增大。而f 增大时，变形系数略有下降，切 削力不成正比关系。 切削速度vc 对对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况 在无积屑瘤阶段，在无积屑瘤阶段， vc 切削温度升高，摩擦系数减小，切削温度升高，摩擦系数减小， 变形程度变形程度切削力减小切削力减小 工件材料的强度、硬度越高，则s越大，虽然变形系数有 所减小，但总的切削力还是增大的。强度、硬度接近的材 料，若塑性越大，则切削变形越大，切削力也越大。 46 1. 在

21、积屑瘤增长阶段在积屑瘤增长阶段 随随vc 积屑瘤高度积屑瘤高度 变形程度变形程度，F 2. 在积屑瘤减小阶段在积屑瘤减小阶段 vc 变形程度变形程度，F 3. 在无积屑瘤阶段在无积屑瘤阶段 随随vc ，温度升高，摩擦温度升高，摩擦 系数系数变形程度变形程度 F 47 3. 3. 刀具几何参数刀具几何参数 的影响的影响 1 1）前角的影响）前角的影响 前角增大，变形系数前角增大，变形系数 减小，切削力减小，切削力FcFc减小。减小。 2 2）负倒棱的影响）负倒棱的影响 在锋利的刀刃上磨出负在锋利的刀刃上磨出负 倒棱，可以提高刃区强度，倒棱，可以提高刃区强度， 从而提高刀具耐用度。但从而提高刀具耐

22、用度。但 负倒棱使切削变形增加，负倒棱使切削变形增加， 切削力增大。切削力增大。 48 3 3）主偏角）主偏角r r的影响的影响 （1 1）r r对对F Fc c影响较小，影响较小， 影响程度不超过影响程度不超过10%10% r r在在60607575之之 间时，间时，F Fc c最小。最小。 （2）r r对对F Fp p、 、 F Ff f影响较大 影响较大 F Fp p随随r r 增大而减小， 增大而减小， F Ff f随随r r 增大而增大 增大而增大 49 4 4）刃倾角）刃倾角s s的影响的影响 （1 1）s s对对F Fc c影响很小影响很小 （2） s s对对F Fp p、 、

23、F Ff f影响较大 影响较大 F Fp p随随s s增大而减小，增大而减小， F Ff f随随s s增大而增大增大而增大 50 5 5）刀尖圆弧半径）刀尖圆弧半径r r 的影响 的影响 （1 1）r r 对 对F Fc c影响很小影响很小 （2 2）F Fp p随随 r r 增大而增大 增大而增大 F Ff f随随 r r 增大而减小 增大而减小 51 后刀面平均磨损带宽度后刀面平均磨损带宽度VB越大，越大， 摩擦越强烈，切削力摩擦越强烈，切削力 也越也越 大。大。 刀具磨损刀具磨损 切削液切削液 切削液润滑作用越好，切削力切削液润滑作用越好，切削力 减小越显著，低速时更突出。减小越显著，低

24、速时更突出。 刀具材料刀具材料 按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质 合金、高速钢顺序，切削力依次增合金、高速钢顺序，切削力依次增 大。大。 与工件材料之间的 亲和性影响其间的 摩擦，因而影响切 削力 52 53 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热 工件 切屑 刀具 图2-41 切削热的来源 主要来源 QA=QD+QFF+QFR 式中，QD , QFF , QFR分别为切 削层变形、前刀面摩擦、后刀 面摩擦产生的热量 54 切削热由4个途径传导出去： （1）通过工件传走qg，使工件温度升高； （2）通过切屑传走qx，使切屑温度升高； （3）通过刀具传走qd

25、，使刀具温度升高； （4）通过周围介质传走qj 55 TJ University 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖一定距 离的地方温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度 最高。 750 刀具 图2-42 二维切削中的温 度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611C 56 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖一定距离处温度 最高。这是因为切屑沿前刀面流出，热量积累越来越多 ，而热传导又十分不利，在距离刀尖一定距离的地方的 温度达到最大值； 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。切 削脆性材料时，第

26、一变形区的塑性变形不显著且切屑呈 崩碎状，与前刀面接触长度大大减小，第二变形区的摩 擦减小，切削温度不高，只有刀尖及刀具后刀面与工件 的摩擦，既第三变形区产生的热量是主要的。因此，后 刀面靠近刀尖处温度最高，磨损也首先从此处开始。 57 1 1）切削速度的影响）切削速度的影响 随着切削速度的提高，切削温度明显上升。其原随着切削速度的提高，切削温度明显上升。其原 因是：切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面摩擦因是：切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面摩擦 产生热量，摩擦热一边生成一边向切屑顶面和刀具内产生热量，摩擦热一边生成一边向切屑顶面和刀具内 部传导。若切削速度提高，摩擦热生成的时间极短，部

27、传导。若切削速度提高，摩擦热生成的时间极短， 切削热向切屑和刀具内部传导都需要一定的时间。因切削热向切屑和刀具内部传导都需要一定的时间。因 此，切削速度的提高使得摩擦热来不及传导，大量积此，切削速度的提高使得摩擦热来不及传导，大量积 聚在切屑的底层，从而使切削温度升高。聚在切屑的底层，从而使切削温度升高。 切削温度与切削速度存在指数关系： x v c C v 58 2 2）进给量的影响）进给量的影响 随着进给量的增大，材料切除率增大，切削过程随着进给量的增大，材料切除率增大，切削过程 中产生的切削热增多，切削温度升高；此外，进给量中产生的切削热增多，切削温度升高；此外，进给量 增大，切屑的体积

28、增大，切屑的热容量增大，由切屑增大，切屑的体积增大，切屑的热容量增大，由切屑 带走的热量增多，因此切削区的切削温度上升不显著。带走的热量增多，因此切削区的切削温度上升不显著。 切削温度与进给量存在指数关系： 0.14 f C f 59 3 3）背吃刀量的影响）背吃刀量的影响 背吃刀量增大后，切削区产生的热量正比例增多，背吃刀量增大后，切削区产生的热量正比例增多， 但切削刃参加切削的工作长度也成正比例地增大，改但切削刃参加切削的工作长度也成正比例地增大，改 善了散热条件，所以切削温度升高不明显。善了散热条件，所以切削温度升高不明显。 切削温度与背吃刀量存在指数关系： 0.04 p a Cf 60

29、 切削用量切削用量时，切削温度时，切削温度 其中其中v vc 对对影响最大影响最大， 进给量进给量 f f 的影响比的影响比v vc 小小， 背吃刀量背吃刀量a ap p的影响很小。的影响很小。 所以，在提高材料切除率的同时，为了有效地控所以，在提高材料切除率的同时，为了有效地控 制切削温度延长刀具耐用度，应优先选用大的背吃刀制切削温度延长刀具耐用度，应优先选用大的背吃刀 量，其次是进给量，而必须严格控制切削速度。量，其次是进给量，而必须严格控制切削速度。 61 q 刀具几何参数的影响 0 0 变形程度变形程度F F q r r ，切削刃工作长度，切削刃工作长度 ，散热面散热面 积积，切削热相

30、对集中，切削热相对集中 b b1 1 、 、r r ，切切变形程度变形程度q 同时散热条件改善，两者趋于平衡同时散热条件改善，两者趋于平衡 对对影响很小影响很小 62 q 工件材料的影响 强度、硬度越高，强度、硬度越高， 切削时消耗的功越多，产生的切削时消耗的功越多，产生的 切削热也越多，切削温度越高。切削热也越多，切削温度越高。 导导 热率热率散热快散热快 vc（m/min） 图3-21 切削速度、工件材料对切削温 度的影响 1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火) 4HT200 刀具材料：YT15；YG8 刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1= -10， s=0，b

31、=0.1mm，r=0.2mm 切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r （） 1030507090110130 400 600 800 1000 1 2 4 3 63 q 刀具磨损的影响 刀具磨损后切削刃变钝，对刀刃前方材料的挤压作用刀具磨损后切削刃变钝，对刀刃前方材料的挤压作用 增大，使切削区的变形增加；同时，磨损后的刀具与工增大，使切削区的变形增加；同时，磨损后的刀具与工 件的摩擦增大，两者均使产生的切削热增多。所以刀具件的摩擦增大，两者均使产生的切削热增多。所以刀具 磨损是影响切削温度的主要因素之一。磨损是影响切削温度的主要因素之一。 q 冷却液的影响 浇切削液对浇切削液对切削温度、切

32、削温度、刀具磨损、刀具磨损、加工质量有明显加工质量有明显 效果。效果。 切削液热导率、比热容和流量越大，本身温度越低、切削液热导率、比热容和流量越大，本身温度越低、 冷却效果越显著冷却效果越显著 64 65 正常磨损 月牙洼 形式：月牙洼 形成条件：加工塑性材 料，vc大，hD大 影响：削弱刀刃强度， 降低加工质量 66 形式：后角=0的磨损面 （参数VB，VBmax）：切削 刃中部磨损较均匀，以VB表示 平均磨损量，以VBmax表示最大 磨损量； 形成条件：加工塑性材料, vc 较 小, hD 较小；加工脆性材料 影响：切削力, 切削温度, 产 生振动，降低加工质量 VB VBmax a)

33、KT KB b) 图2-52 刀具磨损形态 67 磨粒磨损：切屑或工件的硬质点或积屑瘤碎片，不断 滑擦前后刀面，划出沟痕造成的磨损。 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊）：切屑、工件与前后刀面之间存在 很大的压力和强烈的磨损而发生冷焊，由于摩擦副的相 对运动，冷焊结被破坏而被带走，造成粘结磨损。 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速 68 扩散磨损：切削金属材料时，如果切屑、工件与刀具 在接触过程中，双方的化学元素相互扩散，改变了材料原 来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，加剧刀具磨损。 前刀面温度最高处扩散作用最强烈，在该处形成月芽

34、洼。 抗扩散磨损能力取决刀具的耐热性。 高温下发生 氧化磨损：当切削温度达到700-800时，空气中的氧 在切削形成的高温区中与刀具材料中的某些成分发生氧化 反应，产生较软的氧化物，从而使刀具表面层硬度下降， 较软的氧化物被切屑或工件粘走而形成氧化磨损。 高温情况下，在切削刃工作边界发生 69 图2-56 刀具磨损过程 初期磨损 后刀面磨损量VB 正常磨损急剧磨损 切削时间 刀具磨损过程3个阶段 70 71 72 刀具从切削开始至磨损量达到磨钝标准为止的总切削时间，称 为刀具的耐用度，用T 表示。 工件材料和刀具材料对刀具耐用度影响很大，同时，切削速度 、进给量、背吃刀量及刀具几何参数对刀具耐

35、用度都有影响。 1）切削速度与刀具耐用度的关系 20世纪初美国著名工程师泰勒建立了泰勒公式，揭示了切削速 度与刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。说明 随着切削速度的变化，为保证VB不变，刀具耐用度T必须作相应 的变化；指数m的大小反映了刀具耐用度T对切削速度Vc的变化敏 感性。m越小，表明T对Vc的变化很敏感，刀具的切削性能较差。 / mm cc vA Tv TA或 73 1 11 T p mn p C T vfa 式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。 52.250.75 T p C T vfa 可见vc 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小 。 用硬质合

36、金刀具切削碳钢（b= 0.763GP a）时，有： / / n p p fB T aC T 74 切削用量切削用量， T ， 其中速度其中速度vc 对对T 影响最大影响最大 进给量进给量f 次之次之 背吃刀量背吃刀量ap影响最小影响最小 与对切削温度与对切削温度影响一致影响一致。 75 wmcot m c ot tttt t t t 工序的切削时间； 工序的换刀时间； 除换刀时间外的其他辅助时间。 刀具耐用度与生产率、生产成本及利润率相关，所以选择 刀具耐用度应从这三个方面来考虑，即以生产率最高、生产 成本最低、利润率最大为目标来优选刀具耐用度。 完成一个工序所需要的工时tw为： tm可按下式

37、计算： w wp w w l n fa lf n m t 其中，切削长度； 进给量； 工件转速； 加工余量； 76 / m c vA T 1000 c w w v n d 1000 ww m cp ld t v fa 代入得到： 将泰勒公式： 代入得： 1000 m ww m p ld tT Afa 除Tm外，其余各项为常数，有： m m tKT 令换刀一次所需时间为tct，则： 1 m m m cctctct tkT tttkt T TT 77 0 w dt dT 则： 12 0 1 mm w ctp dt mkTT dT m TtT m ct （m-1）kt 求微分，取 则： 1mm wc

38、tot tkTkt Tt Tp为刀具最大生产率耐用度。与Tp相对应的最大生产率切削速度 vcp为 / m cpp vA T 78 刀具破损刀具破损 刀具破损也是刀具失效的主要形式之一。破损形式有刀具破损也是刀具失效的主要形式之一。破损形式有 卷刃、崩刃、断裂、表层剥落等。卷刃、崩刃、断裂、表层剥落等。 1、不同材料刀具破损的主要形式、不同材料刀具破损的主要形式 1）工具钢、高速钢刀具：韧性较好，不易发生崩刃，但）工具钢、高速钢刀具：韧性较好，不易发生崩刃，但 硬度和耐热性较低，当温度超过一定值时，金相组织硬度和耐热性较低，当温度超过一定值时，金相组织 发生变化，失去切削能力，称之为卷刃或相变磨

39、损。发生变化，失去切削能力，称之为卷刃或相变磨损。 2）硬质合金、陶瓷、金刚石刀具等）硬质合金、陶瓷、金刚石刀具等 硬度和耐热性高，不易卷刃，但韧性低，容易发生崩硬度和耐热性高，不易卷刃，但韧性低，容易发生崩 刃和折断。刃和折断。 79 刀具破损的防止刀具破损的防止 (1)合理选择刀具材料的种类和牌号 (2)合理选择刀具几何参数 (3)保证焊接和刃磨质量，避免因焊接和刃磨 带来的各种弊病。 (4)合理选择切削用量，避免过大的切削力和 过高的切削温度。 (5)保证工艺系统较好的刚性，减小振动。 (6)尽量使刀具不承受或少承受突变性载荷。 80 刀具耐用度与切削用量密切相关，如把刀具耐用度定的过长

40、， 则要求采用较低的切削用量，降低了生产率；如把刀具的耐用 度定的过短，换刀和刃磨费用增加，提高了生产成本。可见刀 具耐用度与生产率和生产成本密切相关。 由广义泰勒公式可知，在刀具耐用度已定的情况下，切削用 量Vc、ap、f的组合有无数个。因此，要对其进行优化组合。以 保证生产率最高的切削用量进行切削用量优选分析。 1、生产率的概念 某工序单件切削时间为： 1000 ww m cp ld t v fa 切削加工生产率可用该工序单位时间内加工的工件数W来表示： 1000 1 cp mww v fa W tld 81 因分母各项均为常量，所以令 则： 0 1000 ww A ld 0pc WA f

41、a v 因此，切削用量三要素与生产率保持线性关系，即提 高切削速度、增大进给量和背吃刀量，都能提高生产率。 由于刀具耐用度条件的限制，若提高切削速度必须相应 降低进给量和背吃刀量；反之亦然。 82 2、切削用量与生产率的关系 在常规切削用量范围内，切削用量与刀具耐用度的关系为： 1/1/1/ tv c mpnmm pm n cpp CC Tv vafT af 或 在刀具耐用度已选定的情况下，令所有常数项合成为C，则： / c m pm n p C v af 这表明，为保持刀具的合理耐用度不变，增大背吃刀量或进给 量时，必须相应的降低切削速度。 83 1、背吃刀量 合理的切削用量必须考虑加工性质

42、，即要考虑粗加工、 半精加工和精加工的情况。 （1）粗加工时，尽可能一次切除全部加工余量； （2）对于粗大毛坯，由于受到工艺系统刚性和机床功率 的限制，应分几次走刀切除全部余量，但应尽量减少走 刀次数； （3）切削表层有硬皮的铸锻件等材料时，尽量使背吃刀 量超过硬皮或冷硬层，以防止刀刃过早磨损； （4）在半精加工时，当单面余量大于2mm时，应分2次走 刀去除，当余量小于2mm时，可一次切除； 84 2、进给量 选择进给量时f要考虑切削力和对已加工表面粗糙度 的影响。允许选用的最大进给量受到以下因素的制约： （1）机床的有效功率和转矩； （2）工件刚度； （3）刀柄刚度； （4）图纸规定的加工表

43、面粗糙度。 3、切削速度 当ap和f选定后，可按下面公式确定vc。 / v cv mm pm n p C vk T af 85 刀具的合理几何参数：刀具的合理几何参数：在保证加工质量的前 提下，能够满足刀具耐用度高、生产效率高、 加工成本低的刀具几何参数。 优选刀具几何参数的一般性原则：优选刀具几何参数的一般性原则： 1要考虑工件的实际情况：考虑工件材料的化学要考虑工件的实际情况：考虑工件材料的化学 成分、制造方法、热处理状态、力学和物理性能等；成分、制造方法、热处理状态、力学和物理性能等； 2要考虑刀具材料和刀具结构：考虑刀具材料的要考虑刀具材料和刀具结构：考虑刀具材料的 化学成分、力学和物

44、理性能、刀具结构形式等；化学成分、力学和物理性能、刀具结构形式等； 3要考虑具体的加工条件：考虑机床、夹具情况、要考虑具体的加工条件：考虑机床、夹具情况、 工艺系统刚性及功率大小等。工艺系统刚性及功率大小等。 86 1、前角的选择、前角的选择 1.1.前角的作用前角的作用 0 0 变形程度变形程度F F q 振动振动质量质量 0 0 刀刃和刀头强度刀刃和刀头强度散热面积容热体积散热面积容热体积断屑困难断屑困难 在一定的条件下，存在一个合理值在一定的条件下，存在一个合理值 87 加工塑材的合理前角比脆材的大：切削加工塑材的合理前角比脆材的大：切削 塑性大的材料时，为了减少切削变形和摩塑性大的材料

45、时，为了减少切削变形和摩 擦阻力，应取大的前角；加工强度、硬度擦阻力，应取大的前角；加工强度、硬度 高的材料时，为了提高切削刃强度，增加高的材料时，为了提高切削刃强度，增加 刀头导热面积和容热体积，需适当减小前刀头导热面积和容热体积，需适当减小前 角。角。 88 2. 2.合理前角的选择原则合理前角的选择原则 加工塑性材料、尤其是冷硬严重的材料，选加工塑性材料、尤其是冷硬严重的材料，选 较大的前角，加工脆性材料，取小的前角；较大的前角，加工脆性材料，取小的前角； 粗加工、断续切削时，为保证刀具有足够强粗加工、断续切削时，为保证刀具有足够强 度，取小的前角；度，取小的前角； 工艺系统刚性差或机床

46、功率不足时，应取工艺系统刚性差或机床功率不足时，应取 大的前角；大的前角； 89 2、后角的选择、后角的选择 1 1）后角的功用）后角的功用 （1 1）增大后角，减少了摩擦，提高加工表面质）增大后角，减少了摩擦，提高加工表面质 量和刀具耐用度。量和刀具耐用度。 （2 2）后角越大，切削刃钝圆半径越小，切削刃）后角越大，切削刃钝圆半径越小，切削刃 越锋利；越锋利； （3 3）增大后角使切削刃和刀头强度减弱，导热）增大后角使切削刃和刀头强度减弱，导热 面积和容热体积减小，刀具耐用度降低。面积和容热体积减小，刀具耐用度降低。 90 2.2.合理后角的选择原则合理后角的选择原则 粗加工、强力切削、断续

47、切削的刀具，要求切削粗加工、强力切削、断续切削的刀具，要求切削 刃有足够的强度，应取较小的后角；刃有足够的强度，应取较小的后角；精加工时，精加工时， 应减小后刀面的摩擦，应取应减小后刀面的摩擦，应取较大后角；较大后角； 工件材料强度硬度较高时，为保证切削刃强度，工件材料强度硬度较高时，为保证切削刃强度， 应取较小的后角应取较小的后角；工件材料塑性较大时，应适当；工件材料塑性较大时，应适当 加大后角，因为后刀面摩擦对加工表面质量和刀加大后角，因为后刀面摩擦对加工表面质量和刀 具磨损影响很大；加工脆性材料，切削力集中在具磨损影响很大；加工脆性材料，切削力集中在 切削刃附近，应取较小的后角；切削刃附

48、近，应取较小的后角； 各种有尺寸精度要求的刀具，应取小的后角以限各种有尺寸精度要求的刀具，应取小的后角以限 制重磨后刀具尺寸的变化。制重磨后刀具尺寸的变化。 91 主偏角的选择主偏角的选择 1.1.主偏角的作用主偏角的作用 (1)(1)影响切削层形状。在背吃刀量和进影响切削层形状。在背吃刀量和进 给量一定时，增大主偏角，切削厚度增给量一定时，增大主偏角，切削厚度增 大，切削宽度减小，切削刃单位长度上大，切削宽度减小，切削刃单位长度上 的切削负荷增大；的切削负荷增大； kr1 Kr kr2 Fp Ff 92 (2) (2)影响三向切削分力的大小和比例关影响三向切削分力的大小和比例关 系。增大主偏

49、角可减小切削力系。增大主偏角可减小切削力FcFc和和FpFp， 但增大了但增大了FfFf。而。而FpFp的减小有利于减小工的减小有利于减小工 艺系统的弹性变形和振动；艺系统的弹性变形和振动； （3 3）主偏角影响断屑效果和排屑方向。）主偏角影响断屑效果和排屑方向。 增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。增大主偏角，切屑变厚变窄，容易折断。 93 2.2.合理主偏角的选择原则合理主偏角的选择原则 粗加工和半精加工时，硬质合金车刀一般选用较粗加工和半精加工时，硬质合金车刀一般选用较 大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具耐用度，大的主偏角，以利于减少振动，提高刀具耐用度， 容易断屑等；容易断屑等； 加工很硬的材料时，应采用较小的主偏角，以减加工很硬的材料时，应采用较小的主偏角，以减 小单位长度切削刃上的负荷，同时改善刀头导热、小单位长度切削刃上的负荷，同时改善刀头导热、 容热条件，提高刀具耐用度；容热条件，提