切削过程基本规律及应用.ppt

第二章 金属切削过程的基本规律及其应用 本章提要 2.1 金属切削过程的基本规律 2.2 金属切削过程基本规律的应用 本章提要 本章主要介绍了金属切削过程四个方面的基本规律及其生产上五个 方面的应用。 在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、 刀具磨损与耐用度变化等各种现象，严重影响了生产的进行。针对上 述现象，本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响，并在此 基础上总结出切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐 用度变化四大规律。应用这些规律，很好地解决了生产上出现的各种 问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀 具几何参数与切削用量等，并对促进机械加工技术的发展起着很重要 的作用。 2.1.1 切削变形 2.1 金属切削过程的基本规律 2.1.2 切削力 2.1.3 切削热与切削温度 2.1.4 刀具磨损与刀具耐用度 2.1.1 切削变形 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较 ： (a)压缩（b）切削 塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金 属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金 属晶格产生滑移，而后断裂 以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、 温度、和应变速度的影响，金属切削过程 如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产 生塑性变形。 图2.1 金属的压缩与切削 图2.1 金属的压缩与切削 通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区，如图2.1（c ）所示： 第变形区 近切削刃处切削层内产 生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的切屑层 内产生的变形区； 第变形区 近切削刃处已加工表层 内产生的变形区。 （c）三个变形区 2.1.1 切削变形 2.1.1.5 切削变形的变化规律 2.1.1.1 切屑的形成及变形特点 2.1.1.2 切屑的类型 2.1.1.3 变形程度的量度方法 2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 (1)第一变形区金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑， 下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。 （a）质点滑移过程 图2.2 切屑形成过程 2.1.1.1 切屑的形成及变形特点 (2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须 克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压 摩擦过程中进一步发生变形（第二变形区的变形）这个变形主要集 中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维 化的方向和前刀面平行。 (3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤 维化与加工硬化。 （1）带状切屑：外 形呈带状。 由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同， 所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类： 2.1.1.2 切屑的类型 （2）挤裂切屑：切屑上与前刀面接触的一 面较光洁，其背面局部开裂成节状。 (3)单元切屑切屑 沿厚度断裂成均匀 的颗粒状。 （4）崩碎切屑 切削层几乎不经过 塑性变形就产生脆性崩裂，得到的切 屑呈不规则的细粒状。 切屑的类型是由材料的应力应变特性和塑性变形程度决定的。 (1)相对滑移 相对滑移是用来量度第变形区滑移变形的程度。如图2.4，设切 削层中AB线沿剪切面滑移至A”B”时的距离为y，事实上y很小， 故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为S。相对滑移表示为： 2.1.1.3 变形程度的量度方法 图2.4 相对滑移 (2.1) 变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸 变化大小。如图2.5所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后 ，与切削层比较，它的长度缩短lchhD(宽度不变)， 这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。 变形系数h表 示切屑收缩的程度，即： (2.2) 式中 lc、hD切削层长度和厚度 ； lch、hch 切屑长度和厚度 。 图2.5 切屑的收缩 （2）变形系数h 由图2.5可知剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减 短，切屑厚度hD减小，故且h变小，它们之间的关系如下： 公式(2.1)、(2.3)表明，剪切角与前角0变化是影响切削变形的两 个主要因素。因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角0和剪 切角，使、 h减小，则切削变形减小。与h只能近似地表示切削 变形等程度。 (2.3) 2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 (1)作用力分析 如图2.6所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff组成 的合力Fr与剪切面上反作用力共线，并处于平衡。将合力Fr分解成二组分力：在 运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。分 力Fz、Fy可利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上产生剪 切变形。 图2.6 切屑上受力分析 正压力Fn 摩擦力Ff 合力Fr剪切力Fs 法向力Fns 合力Fr Fs按下列公式计算： 剪切面上产生的剪应力应为： 上两式中 摩擦角； AD切削层面积。 (2.4) (2.5) 下面简要介绍M.E.Merchant提出的按最少能量原则来确定剪切角 的原理。 由图2.6可知，切削力Fz为： (2)剪切角确定 前刀面上摩擦力Ff与正压力Fn之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦 系数： tanFf/Fn （2.6） 摩擦系数或摩擦角亦可根据已测得的分力Fz、Fy值求得： tan（0） Fy/Fz （2.7） (2.8) 欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角，则取 ，然后求解 出为： 45+0/2/2 （2.9） 此外，也可按最大剪应力的理论，求出剪切角为：/4 0。 从式（2.9）中也可看出第变形区产生的摩擦对第变形区剪切变形 的影响规律。 （3）切屑与前刀面间的摩擦 切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。切屑与前 刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图27所示有粘结区和滑动区。 经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图27所示。 图2.7 应力分布 剪应力的分布 在粘结区内基本 上是不变的，它等于较软金属的剪切 屈服极限s；在滑动区剪应力是变化 的，离切削刃越远，越小。 正应力分布 在接触区内正应 力是变化的，离切削刃越远，前 刀面上正压力越小，故正应力越小 。近切削刃处正应力为最大值 式中 Ffi、Fni分别指粘结区内的摩擦力和正压力； Ari粘结面积； av粘结区内平均正应力。 粘结区内的摩擦系数计算方法如下： (2.10) 如图2.8所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，图 28为积屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口 圆弧半径时(图中R0134mm)，会产生较大的挤压作用。此外，由于积 屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度 增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。 图2.8 积屑瘤 (4)积屑瘤 此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关 。 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2.9曲线可知，低速(vc3mmin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)， 积屑瘤的高度达到最大值。 图2.9 切削速度对积屑瘤的影响 形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度。 2.1.1.5 切削变形的变化规律 从相对滑移、变形系数h计算式中可知，切屑变形的程度主要决定 于剪切角和摩擦系数的大小。改变加工条件，促使增大、减小，就能 减小切屑变形。 影响切屑变形的因素很多，下面介绍的是其中最主要的、起决定作用 的几个因素。 （1）前角 增大前角0，使剪切角增大，变形系数h减小，因此，切屑变形减 小。 (2)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。 图2.11 切削速度vc对h的影响 如图2.1l以中碳钢为例 。 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 ，故变形系数h减小。 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 vc20m/min时， h值最 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， h增大。 此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不 充分而使切屑变形减小。 （3）进给量 进给量f对切屑变形的影响规律如图2.12所示。 图2.12 进给量f（mm/r） (4) 工件材料 工存材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度 提高，正压力Fn增大，平均正应力av增大，因此，摩擦系数下降，剪 切角增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产 生变形，若需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。 而切削塑性较高的材料，则变形较大。图2.13又用不同前角0切削不同 材料时的变形系数h值。 图2.13 材料对变形系数h的影响 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力 。 2.1.2 切削力 2.1.2.1 切削力的来源、合力及其分力 2.1.2.2 切削力测定和切削力实验公式 2.1.2.3 单位切削力、切屑功率和单位切削功率 2.1.2.4 切削力的变化规律 2.1.2.1 切削力的来源、合力及其分力 切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成：变形区内产 生的弹性变形抗力和塑性变形抗力切屑、工件与刀具间的摩擦力。 (a)直角自由切削 图2.14 合力及其分力 作用在前刀面的弹、 塑性变形抗力Fny 作用在前刀面的 摩擦力Ffy 合力Fr 作用在后刀面的 弹、塑性变形抗 力Fna 作用在后刀面的 摩擦力Ffa 图2.14 合力及其分力 （b）非自由切削 在铣削平面时，上述分力亦称为：Fz 切向力、Fy径向力、Fx轴向力。 为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小,通常将 合力Fr在按主运动速度方向、切深方向进给方向作的空间直角坐标轴 z、y、x上分解成三个分力，它们是： 主切削力Fz 主运动切削速度方向的分力 切深抗力Fy 切深方向的分力 进给抗力Fx 进给方向的分力 图2.14（c）非自由切削 由图214(b)可知，合力与各分力 间关系为： 其中，FyFx.ycoskr；Fx=Fx.ysinkr 式中 Fxy合力在Fr基面上的分力。 (2.11) 现将切削力实验公式的来源简述如下： (1)测力仪的工作原理 如图2.15所示，电阻应变片式测力仪由传感器1、电桥电路2、应变仪 (放大器)3和记录仪4组成。传感器是测力仪的主要组成部分。合理确定 弹性体的结构、形状和参数，提高弹性体的制造精度，保证应变片的合 理布局和粘贴质量，是提高测力仪的测量精度、刚性和灵敏度以及减小 各分力间相互干涉的主要途径。 图2.15 测力系统方框示意图 l一传感器；2一电桥电路；3一应变仪；4一记录仪 2.1.2.2 切削力测定和切削力实验公式 测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法. 通过切 削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为： 式中 CFX、CFy、CFz影响系数，它的大小与实验条件有关； xFx、 xFy、 xFz背吃刀量口，对切削力影响指数； yFx、 yFy、 yFz进给量对切削力影响指数； KFx、KFy、KFz计算条件与实验条件不同时对切削力的修正系数 。 (2)车削力实验公式的建立 (N) (2.12) (N) (2.13) (N) (2.14) 下面简要说明建立主切削力Fz实验公式的基本原理。 图216 双对数坐标中直线图形 (a) pFz ；（b） fFz (a)(b) 根据实验得到的pFz、fFz许多对应值，就可在双对数坐 标中连成如图216所示两条直线图形。 直线图形的对数方程为： lgFz1gCap十xFz lgap 1gFx1gCf十yFzlgf 上式可改写为： 综合(a)、(b)式，得Fz实验公式： 式（a)、（b）、（c）中 xFz、yFz分别为pFz、fFz直线图形中的斜率，通常xFz1、 yFz0.750.9； Cap、Cf分别为pFz、fFz直线图形中的截矩； CFx由(a)、(b)和(c)式联立求得的系数值。 (a ) (b) (c) 2.1.2.3 单位切削力、切削功率和单位切削功率 (1)单位切削力 单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用 下式表示： 式（2.15）表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增 加而减小。单位切削力p不受背吃刀量ap的影响，这是因为背吃刀量 改变后，切削力Fz与切削层面积AD以相同的比例随着变化。而进给量 f增大，切削层面积AD随之增大，而切削力Fz增大不多。 利用单位切削力p来计算主切削力Fz较为简易直观。 (2.15) （2）切削功率 切削功率Pm是指车削时在切削区域内消耗的功率，通常计算的是 主运动所消耗的功率。 式中 Fz主切削力（N）; vc主运动切削速度。 机床电动机所需功率PE应为： PE=Pm/ kW （2.17） 式中机床传动效率 (2.16) 单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。 Ps=Pm/Zw kW/（ ） (2.18) 另外可导出Pm， Ps之间的关系式： 表2.1为使用硬质合金车刀对部分常用金属材料进行切削实验求得的单 位切削力p和单位切削功率Ps值。实验是在固定进给量f0.3mmr和其余 条件下进行的。当进给量f改变时，应将p和Ps 值乘表2.2中修正系数Kfp、 Kfps。 (2.19) （3）单位切削功率 表2.1 硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率（f0.3mm/r） 加工材料实验 条件单位切削力单位切削功率 名称牌号制造热处 理状 态 硬度（ HB） 车刀几何参数切削用量范 围 P（N/ ） PkW/( ) 碳素结构 钢 A3热轧 或正火134 137 015 kr75 s0 br10 前刀面带卷屑 ap15mm f0.1 0.5mm/r vc90 105m/min 18841884x 4518719621962x 40Cr21219621962x 合金结构 钢 45调质22923052305x 40Cr28523052305x 不锈钢1CR18Ni9 Ti 淬火回火170 179 020其余同上24532453x 灰铸铁HT2040退火170前刀面无卷槽 其余同上 ap2 10mm f0.1 0.5mm/r vc70 80m/min 11181118x 可锻铸铁KT306退火170前刀面无卷槽 其余同上 13441344x 2.1.2.4 切削力的变化规律 影响切削力的因素主要有四个方面：工件材料、切削用量、刀具几 何参数及其它方面的因素。 （1）工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈服强度s、塑性变形、切屑与刀具间摩 擦系数等条件影响切削力的。 从表2.1中可以反映出不同材料对切削力的影响程度。 表2.2 进给量f对单位切削力或单位切削功率的修正系数Kfp、Kfps f 0.10.150.20.250.30.350.40.450. 50.6 Kfp.Kfps 1.181.111.061.031.00.970.960.940.92 5 0.9 背吃刀量和进给量 背吃刀量ap和进给量f增大，分别使切削宽度bD、切削厚度hD增 大，因而切削层面积AD增大，故变形抗力和摩擦增加，而引起切削 力增大。但是ap和f增大后，它们分别使变形和摩擦增加的程度不同 。 (2)切削用量的影响 切削速度 加工塑性金属时，切削速度vc对切削力的影响规律如同对切削 变形影响一样，它们都是积屑瘤与摩擦的作用造成的。 在低速到中速范围内(520mrain)，随着速度vc的提高，切削变形 减小，故主切削力Fz逐渐减小；中速时(20mmin左右)，变形值最小， Fz减至最小值；超过中速，随着速度vc的提高，切削变形增大，故Fz逐 渐增大。 在更高速度范围内（ vc 35m/min），切削变形随着速度增加而减 小，故切削力Fz逐渐减小而后达到稳定。 以车削45钢为例，由图2.20可知： 图2.20 切削速度vc对切削力Fz影响 表2.3 切削速度vc改变时切削力Fz影响的修正系数KvFz Vc（m/min ） 工件材料 5075100125150175200 45钢 40Cr钢 1.051.021.000.980.960.950.94 前角 前角0增大，切削变形减小，切削力减小。但增大前角0， 使三个分力Fz、Fy和Fx减小的程度不同。 表2.4为用kr75外圆车刀车 削45号钢和灰铸铁时前角0对切削力的修正系数。 表2.3为车削钢时切削速度vc对切削力Fz影响的修正系数。 （3）刀具几何角度的影响 工件材料 前角0 修正系数 10010152030 45号钢 K0Fz 1.281.181.051.000.890.85 K0Fy 1.411.231.081.000.790.73 K0Fx 2.151.701.241.000.500.30 灰铸铁 K0Fz 1.371.211.051.000.950.84 K0Fy 1.471.301.091.000.950.85 K0Fx 2.441.831.221.000.730.37 表2.4 前角改变时切削力的修正系数K0F 主偏角kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变，因而 使切削力也随之变化。 由实验得到的图2.22中表明：主偏角kr在3060范围内增大，由切 削厚度hD的影响起主要作用，促使主切削Fz减小；主偏角约在6090范 围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。 图2.22 主偏角kr对切削力影响 主偏角 表2.5 主偏角kr对切削力的修正系数KkrF 工件材料 主偏角 kr修正系数 3045607590 45号钢 K0Fz 1.101.051.001.001.05 K0Fy 2.001.601.251.000.85 K0Fx 0.650.800.901.001.15 灰铸铁 HT2040 K0Fz 1.101.001.001.001.00 K0Fy 2.801.801.171.000.70 K0Fx 2.801.801.171.000.70 表2.5为主偏角kr对切削力的修正系数 刃倾角s 由实验可知，刃倾角s对主切削力Fz影响很小，但对切深抗力Fy 、进给抗力Fx影响较显著。 刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长度增加，摩擦 加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径r减小，刀刃锋利，切削变形减小 。上述作用的结果是使Fz变化很小。 刃倾角s对Fy、Fx的作用 如图2.23所示，当刃倾角s由 正值向负值变化时，使正压力 Fn倾斜了刃倾角s ，从而改变 了合力Fr及其分力Fxy的作用 方向，Fxy的切深分力Fy增大 、进给分力Fx减小。通常刃倾 角s每增减l，使切深分力Fy 增减，23。 图2.23 刃倾角s对切削力Fy、Fx影响 由此可见，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角。尤 其在加工的工艺系统刚性较差情况下，往往因s增大Fy的作用而产生振动 。 表2.6 车削45号钢时刃倾角s对切削力修正系数K sF 车刀系数 刃倾角s 修正系数 +10+505 103045 焊接车刀 （平前面 ） KsFz KsFy KsFx 1.0 0.8 1.6 1.0 0.9 1.3 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1 0.95 1.0 1.2 0.9 1.0 1.7 0.7 1.0 2.0 0.5 (4)其它因素的影响 刀具的棱面,刀尖圆弧半径,刀具磨损的影响。 表2.6为车削45号钢时刃倾角s改变对切削力修正系数。 2.1.3 切削热与切削温度 2.1.3.2 切削热的来源与传导 2.1.3.2 切削温度 2.1.3.3 影响切削温度的因素 2.1.3.1 切削热的来源与传导 切削是由切削功转变而来的。如图2.25所示，其中包括：剪切 区变形功形成的热Qp、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qf、已加工 表面与后刀面摩擦功形成的热Qf。产生总的切削热Q，分别传人 切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qf。切削热的形成及传导 关系为： Qp+Qf+QfQch+Qw+Qc+Qf (2.20) 2.1.3.2 切削温度 通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切 削温度值。 以计算切削区域平均温度为例： 切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内 产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即： q=Fzvc/60 W 式中 Fz主切削力（N）; vc切削速度（m/min）。 (1)切削温度计算 由热量q引起的温度升高量与材料的密度、比热容c有关，其关 系式： 式中p单位主切削力(N/ )； c比热容(JkgK) 密度(kg ) (2.22) 测量切削温度的方法有：热电偶法、热辐射法、涂色法和红外 线法等。其中热电偶法测温虽较近似，但装置简单、测量方便，是 较为常用的测温方法。 自然热电偶法 人工热电偶法 2.1.3.3 影响切削温度的因素 切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。也就是说，切削 温度的高低是由产生的热和传走的热两方面综合影响的结果。做 功越多、生热越多、散热越少时，切削温度越高。影响生热和散 热的因素有：切削用量、刀具几何参数、工件材料和切削液等； (2)切削温度的测定 2.1.4 刀具磨损与刀具耐用度 2.1.4.1 刀具磨损形式 2.1.4.2 磨损过程和磨钝标准 2.1.4.3 刀具磨损原因 2.1.4.4 刀具耐用度 2.1.4.5 影响刀具耐用度的因素 2.1.4.1 刀具磨损形式 刀具磨损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类。 正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情 况下，刀具在切削过程中逐渐的磨损。 (1)正常磨损 后刀面磨损 前刀面磨损 前后刀面同时磨损 非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。 其中有： 破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。 卷刃 切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的 塑性变形现象。 （2）非正常磨损 2.1.4.2 磨损过程和磨钝标准 正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后 刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图220所示，图中大致分三个阶段 。初期磨损阶段(段)、正常磨损阶段(段)、急剧磨损阶段(段)。 图2.20 刀具磨损过程曲线 在后刀面月区内均匀磨损VB03mm； 在后刀面月区内非均匀磨损VBmax06mm； 月牙洼深度标准KT0.06十0.3f ( f进给量mmr)。 精加工根据达到表面粗糙度等级要求确定。 表2.8 磨钝标准VB值（mm） 加工条 件 加工方式 刚性差钢件铸铁件钢、铸铁大 件 精车0.10.3 粗车0.40.50.60.80.81.21.01.5 在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为： 表2.8为车刀的磨钝标准，供选用时参考 2.1.4.3 刀具磨损原因 切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀 具磨损的原因就非常复杂，它涉及到机械、物理、化学和相变等的 作用。现将其中主要的原因简述如下： （1)磨粒磨损 (2)粘结磨损 (3)扩散磨损 (4)相变磨损 (5)氧化磨损 2.1.4.4 刀具耐用度 (1)刀具耐用度概念 刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标 准为止所用的切削时间，用T分钟表示。刀具耐用度还可以用达到 磨钝标准所经过的切削路程lm或加工出的零件N来表示。 刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。利用刀 具耐用度来控制磨损量VB值，比用测量VB来判别是否达到磨钝标准 要简便。 （2）刀具耐用度试验 图2.21 刀具耐用度试验 (a)刀具磨损曲线（b）刀具耐用度曲线 通过试验先确定5种以上不同切削速度的刀具磨损过程曲线，如图 2.21（a）所示。曲线磨损量VB可利用读数显微镜测得。然后在磨损曲线 上取出达到磨钝标准时的各速度vc与耐用度T对应值，并将它们表示在双 对数坐标中，可得图2.21（b）所示的刀具耐磨度曲线。 vc （2.24） vcT之间呈下列线性关系： 式中A与实验条件有关的系数，是曲线中截距。它相当于T 1min时的切削速度； mvc对T影响程度指数，在曲线中表示斜率。 系数A和指数m可从图形求出，精确的可用回归法计算。 m值越小，表示vc对T的影响越大。总的说来，切削速度对耐用度 的影响是很大的。 同样也可以求出进给量与切削深度对刀具耐用度的影响关系式： f , ap= (3)刀具耐用度合理数值的确定: 刀具耐用度合理数值有两种： 最高生产率耐用度Tp 所确定的Tp能达到最高生产率。或者说，加工一个零件所花的时 间加工一个零件的生产时间最少。 加工一个零件的生产时间tpr由下列几部分组成： tprtmtltc tm/T （2.25） 式中 tm切削时间(min件)； tl辅助时间，包括装卸零件、刀具空行程时间等(min件)； tc一次换刀所需时间(min次)； tm/ T换刀次数。 所确定的耐用度能保证加工成本最低，亦即使加工每一个零 件的成本最低。 每个零件平均加工成本Cpr为： CprMtm+MttMt0 Ct 式中 M全广每分钟开支分摊到本零件的加工费用，包括工作人 员开支和机床损耗等； C换刀一次所需费用，包括刀具砂轮消耗和工人工资等。 最低生产成本耐用度Tc 上式改写为： 对上式微分，并令dCpr/dT0，求出最低成本耐用度Tc为： 刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。 (2.27) 2.1.4.5 影响刀具耐用度的因素 (1)切削用量的影响; (2)刀具几何参数的影响; (3)加工材料的影响; (4)刀具材料的影响。 2.2 金属切削过程基本规律的应用 提要：本节运用金属切削过程基本规律的理论，从解决控制切 屑、改善材料加工性能，合理选用切削液，刀具几何参数和切削 用量方面问题，来达到保证加工质量、降低生产成本、提高生产 效率的目的。介绍这些知识，也是为使用与设计刀具以及分析刀 具以及分析解决生产中有关的工艺技术问题打下必要的基础。 2.2.1 工件材料的切削加工性 2.2.2 切削液 2.2.3 刀具几何参数的合理选择 2.2.4 切削用量的合理选择 本节提纲 工件材料的切削加工性是指工件材料被切削成合格的零件的难易 程度。 2.2.1.1 评定工件材料加工性的主要指标 （1）刀具耐用度指标 在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时允许的切削 速度v60的高低来评定材料的加工性。难加工材料用v20来评定。 此外，经常使用相对加工性指标，即以45号钢（HB170229， b0.637GPa）的v60为基准，记作v060。其它材料的v60与v20之比值称 为相对加工性，即： Kv (2.29) 2.2.1 工件材料的切削加工性 （2）加工表面粗糙度指标 在相同加工条件下，比较加工后表面粗糙度等级。粗糙度值低，加 工性好；反之，加工性差。 此外，材料加工的难易程度主要决定于材料的物理、力学和机械性 能，其中包括材料的硬度HB、抗拉强度b、延伸率、冲击值ak和导热 系数k，故通常还可按它们的大小来划分加工性等级，见表2.9。 确定了材料加工性能，对于改善材料加工性，合理选择刀具材料刀 具几何参数和切削用量提供了重要的依据。 切削加工性易切削较易切削较难切削难切削 等级代号01234567899a9b 硬 度 HB 5050 100 100 150 150 200 200 250 300 350 350 400 350 400 400 480 480 635 635 HRC 14 24.8 24.8 32.3 32.3 38.1 38.1 43 43 50 50 60 60 抗拉强度 b（GPa） 0.19 6 0.196 0.441 0.441 0.588 0.588 0.784 0.784 0.98 0.98 1.176 1.176 1.372 1.372 1.586 1.586 1.764 1.764 1.96 1.96 2.45 2.45 延伸率 （） 1010 15 10 20 20 25 25 30 30 35 35 40 40 50 50 60 60 100 100 冲击值ak （kj/m） 196196 392 392 588 588 784 784 980 980 1372 1372 1764 1764 1962 1962 2450 2450 2940 2940 3920 导热系数k （W/m.） 481.6 8 293.0 8 90 。 副偏角kr影响加工表面粗糙度和刀具强度。通常在不产生摩擦和振 动条件下应选取较小的副偏角。表 2.13为不同加工条件时的主、副偏角 值，供选择参考。 2.2.3.3 主偏角、副偏角的功用与选择 适用范围 加工条件 加工系统刚 性足够、淬 硬钢、冷硬 铸铁 加工系统 刚性较好 ，中间切入 ，加工外圆 、端面、倒 角 可加工系统 刚性较差， 粗车，强力 车削、 加工系统 刚性差、台 阶轴 、细 长轴 、多 刀车，仿形 车 切断、切槽 主偏角kr 1030456070759390 副偏角kr 10545151010612 表2.13 主偏角kr、副偏角kr选用值 过渡刃的选择原则是，普通切削刀具常磨出较小圆弧过渡刃，以 增加刀尖强度和提高耐用度。随着工件强度和硬度提高，切削用量增大 ，则过渡刃尺寸可相应加大，一般可取过渡刃偏角kr1/2 kr，宽度b 0.52mm或取圆弧半径r 0.53mm。 刃倾角s主要影响切屑的流向和刀具强度。 刃倾角s的选择原则是，主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件 而定。 刃倾角的具体数值可参考表2.14选择。 表2.14 刃倾角s数值的选用表 s值 0 +5 +5 +10 0 5 5 10 10 15 10 45 45 75 应用 范围 精车钢、 车细长 轴 精车有色 金属 粗车钢 和灰铸 铁 粗车余量 不均匀钢 断续车 削钢、灰 铸铁 带冲击 切削淬硬 钢 大刃倾角 刀具薄切 削 2.2.3.4 刃倾角功用与选择 2.2.4 切削用量的合理选择 2.2.4.1 切削用量选择原则 根据不同的加工条件和加工要求，又考虑到切削用量各参数对切削 过程规律的不同影响，故切削用量参数 ap、 f 和vc增大的次序和程度应 有所区别。可以从以下几个主要方面分析： 表面粗糙度 生产效率 机床功率 刀具耐用度 生产效率 机床功率 刀具耐用度 切削用量ap、f和vc增大，切削时间减小。一般情况下尽量优先 增大ap ，以求一次进刀全部切除加工余量。 当背吃刀量ap和切削速度vc增大时，均使切削功率成正比增加。 此外，增大背吃刀量口ap 、使切削力增加多，而增大进给量f使切削力 增加较少、消耗功率也较少。所以，在粗加工时，应尽量增大进给量f 是合理的。 在切削用量参数中，对刀具耐用度影响最大的是切削速度vc，其次 是进给量f，影响最小的是背吃刀量ap，优先增大背吃刀量ap不只是达 到高的生产率，相对vc与f来说对发挥刀具切削性能、降低加工成本也 是有利的。 综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背 吃刀量ap，其次选择一个大的进给量f，最后根据已确定的ap和f，并 在刀具耐用度和机床功率允许条件下选择一个各理的初削速度vc。 这是在半精加工、精加工时确定切削用量应考虑的主要原则。在 较理想的条件下，提高切削速度vc，能降低表面粗糙度值。而在一般 的条件下，提高背吃刀量ap对切削过程产生的积屑瘤、鳞刺、冷硬和 残余应力的影响并不显著，故提高背吃刀量对表面粗糙度影响较小。 所以，加工表面粗糙度主要限制的是进给量f的提高。 表面粗糙度 2.2.4