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机械制造基础,宋亚杰F3-233song5548,4.1切削基础知识4.2车削4.3铣削4.4刨削、插削和拉削4.5孔和螺纹加工4.6磨削4.7齿轮加工4.8精密及光整加工,机械制造基础-切削加工技术,4.1切削基础知识什么是切削加工？常见的切削加工有哪些？,机械制造基础-切削加工技术,切削加工技术-切削基础知识,切削加工技术-切削基础知识,切削加工技术-切削基础知识,切削概述概念：用切削工具从毛坯上切去多余的部分，获得符合图纸要求的零件。常见加工方法：车削、铣削、刨削、钻削、磨削,切削加工技术-切削基础知识,切削概述,车削加工,切削加工技术-切削基础知识,切削概述,铣削加工,切削加工技术-切削基础知识,切削概述,刨削加工,切削加工技术-切削基础知识,切削概述,钻削加工,切削加工技术-切削基础知识,切削概述,磨削加工,切削加工技术-切削基础知识,切削运动：主运动、进给运动,在切削加工过程中，刀具和工件之间的相对运动称为切削运动。按其所起的作用，切削运动分为两类：主运动：切下切屑所必需的基本运动称为主运动。在切削运动中，主运动的速度最高，消耗的功率也最大。通常只有一个主运动进给运动：是使工件切削层不断投入切削,从而加工出完整表面所需的运动。可以是一个，也可以是多个。,切削加工技术-切削基础知识,切削运动,切削加工技术-切削基础知识,切削要素加工中的工件表面,切削加工技术-切削基础知识,切削三要素：切削速度(vc)进给量(f)背吃刀量(ap),切削加工技术-切削基础知识,1、切削速度切削速度指主运动的线速度，切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度,以vc表示，单位为m/s。当主运动为旋转运动时，其切削速度可按下式计算：vc=(dn)/1000(1-1)式中vc切削速度(m/s)；d工件待加工表面直径（mm）；n工件转速（r/s）。在计算时应以最大的切削速度为准，如车削时以待加工表面直径的数值进行计算。,切削加工技术-切削基础知识,2、进给量(f)工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。进给速度vf是指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度。vf=f.n式中vf进给速度（mm/s）；n主轴转速（r/s）；f进给量（mm）。,切削加工技术-切削基础知识,3、背吃刀量(ap)工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。ap=（dwdm）/2式中dw工件待加工表面直径（mm）；dm工件已加工表面直径（mm）。,切削加工技术-切削基础知识,切削用量的选用原则（参数均应在机床给定的允许范围内选取）（1）切削用量的选用原则粗车时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。选择切削用量时应首先选取尽可能大的背吃刀量ap，其次根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。增大背吃刀量ap可使走刀次数减少，增大进给量f有利于断屑。,切削加工技术-切削基础知识,切削用量的选用原则（参数均应在机床给定的允许范围内选取）（1）切削用量的选用原则精车时，对加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量不大且较均匀。选择精车的切削用量时，应着重考虑如何保证加工质量，并在此基础土尽量提高生产率。因此，精车时应选用较小（但不能太小）的背吃刀量和进给量，并选用性能高的刀具材料和合理的几何参数，以尽可能提高切削速度。,切削加工技术-切削基础知识,切削用量的选用原则（参数均应在机床给定的允许范围内选取）（2）切削用量的选取方法背吃刀量的选择粗加工时，除留下精加工余量外，一次走刀尽可能切除全部余量。也可分多次走刀。精加工的加工余量一般较小，可一次切除。在中等功率机床上，粗加工的背吃刀量可达810mm；半精加工的背吃刀量取0.55mm；精加工的背吃刀量取0.21.5mm。,切削加工技术-切削基础知识,切削用量的选用原则（参数均应在机床给定的允许范围内选取）（2）切削用量的选取方法进给速度（进给量）的确定粗加工时，由于对工件的表面质量没有太高的要求，这时主要根据机床进给机构的强度和刚性、刀杆的强度和刚性、刀具材料、刀杆和工件尺寸以及已选定的背吃刀量等因素来选取进给速度。精加工时，则按表面粗糙度要求、刀具及工件材料等因素来选取进给速度。进给速度f可以按公式f=fn计算，式中f表示每转进给量，粗车时一般取0.30.8mmr；精车时常取0.10.3mm/r；切断时常取0.050.2mm/r。,切削加工技术-切削基础知识,切削用量的选用原则（参数均应在机床给定的允许范围内选取）（2）切削用量的选取方法切削速度的确定切削速度vc可根据己经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度进行选取。实际加工过程中，也可根据生产实践经验和查表的方法来选取。,切削加工技术-切削基础知识,切削层参数：切削厚度切削宽度切削面积切削层：工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加工表面之间的那层材料,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：1.刀具的组成刀具切削部分的结构,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：2.假设条件运动条件：以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动作为假定主运动方向；以切削刃选定点的进给运动方向，作为假定进给运动方向。一般不考虑进给运动大小的音像，即建设进给量为零安装条件：刀尖垂直等高于工件,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：3.参考系基面Pr：基面是通过切削刃上选定点，垂直于假定主运动方向的平面。,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：3.参考系切削平面Ps：通过切削刃上一点，与该点所在的过渡表面相切并垂直于基面的平面,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：3.参考系正交平面Po:通过主切削刃上某一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：3.参考系,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：4.角度标注(1)前角：在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角，前角表示前刀面的倾斜程度；(2)后角：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角，后角表示主后刀面的倾斜程度；(3)主偏角：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角，主偏角一般为正值；(4)副偏角在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角，副偏角一般为正值。(5)刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：4.角度标注基面内：主偏角、副偏角正交平面：前角、后角切削平面：刃倾角,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用前角(前角取值范围为525)A：前角的主要功用(1)影响切削区域的变形程度：若增大刀具前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热和功率。使刀刃变得锋利。这是增大前角的有利方面。(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件：增大刀具前角，会使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；过份加大前角，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。这些都是增大前角的不利方面。(3)影响切屑形态和断屑效果：若减小前角，可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。(4)影响切削平稳性：前角大小同切削过程中的振动现象有关，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大。,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用前角B：合理前角的选择原则(1)工件材料：加工塑性材料时，尤其是冷加工硬化严重的材料，应取较大的前角；加工脆性材料时，可取较小的前角。(2)粗精加工：粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，或对有硬皮的铸锻件粗切时，为保证刀具有足够的强度，应适当减小前角；但在采取某些强化切削刃及刀尖的措施之后，也可增大前角至合理的数值。(3)刀具材料：刀具材料的抗弯强度较大、韧性较好时，应选用较大的前角，如高速钢刀具比硬质合金刀具，允许选用较大的前角(约可增大510)。,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用前角前角选择歌前角作用大，合理选择他；工件硬度高，前角要选小工件塑性大，前角要选大硬质合金刀，前角要选小高速钢刀具，前角要选大粗加工前角小，精加工前角大,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用后角(312)A：后角的主要功用减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量有很大影响,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用后角B：合理后角的选择原则（1）加工精度：精加工时，切削厚度薄，磨损主要发生在后刀面，宜取较大后角；粗加工时，切削厚度大，负荷重，前、后面均要发生磨损、宜取较小后角（2）工件材料：工件材料的强度、硬度低、塑性好时，应取较大的后角，反之应取较小的后角；,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用主偏角A：主偏角的主要功用（1）影响刀头的受力方向及切削分力的大小（2）减小主偏角可减小削厚度和切削刃单位长度上的负荷；同时主切削刃工作长度和刀尖角增大，刀具的散热得到改善，但主偏角过小会使径向切削分力增加，容易引起振动,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用主偏角B：合理主偏角的选用原则（1）工件材料强度、硬度高时，应选择较小的主偏角。工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角（2）在工艺系统刚性允许的条件下，应尽可能采用较小的主偏角，以提高刀具的寿命问题：加工细长轴主偏角的选择？,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用副偏角(515)A：副偏角的主要功用（1）减小副切削刃与工件已加工表面之间的摩擦（2）影响工件表面粗糙度、刀具散热面积和刀具寿命,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用副偏角B：合理副偏角的选用原则（1）工件或刀具钢性较差时，应取较大的副偏角（2）精加工刀具应取较小的或零度副偏角，以加副切削刃对工件已加工表面的修光作用,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用刃倾角A：刃倾角的主要功用（1）可以控制切屑流出方向,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用刃倾角A：刃倾角的主要功用（2）影响刀尖的强度,切削加工技术-切削基础知识,刀具角度：5.刀具角度的功用刃倾角B：合理刃倾角的选用原则（1）精加工时刃倾角应取正值，使切屑流向待向工表面，以免划伤已加工表面（2）冲击负荷较大的断续切削，应取较大负值的刃倾角，以保护刀尖，提高切削平稳性，此时可配合采用较大的前角，以免径向切削力过大（3）加工高硬度材料时，可取负值倾角，以提高刀具强度（4）微量切削的精加工刀具可取特别大的刃倾角（5）孔加工刀具（如镗刀、铰刀）的刃倾角方向，应根据孔的性质决定。加工通孔时，应取正值刃倾角，使切屑由孔的前方排出，以免划伤孔壁；加工盲孔时，应取负值刃倾角，使切屑向后排出,切削加工技术-切削基础知识,刀具性能与刀具材料有关刀具的一组“名言”工欲善其事，必先利其器再先进的机床没有刀具尤如一堆废铁机床、刀具和工件组成的切削加工系统中，刀具是最活跃的因素三分手艺，七分刀具,切削加工技术-切削基础知识,刀具性能与刀具材料有关刀具材料的一组“名言”好钢用在刀刃上刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次革命机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前发展的历史规律金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为刀具材料的发展史,切削加工技术-切削基础知识,刀具种类1.刀具分类：(1)按加工方式和具体用途，可分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型。(2)按所用材料性质，可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具和金刚石刀具等;(3)按结构形式，可分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具等;(4)按是否标准化，可分为标准刀具和非标准刀具等。,切削加工技术-切削基础知识,刀具性能与刀具材料刀具切削性能的优劣，主要取决于刀具材料、几何形状和结构。而刀具材料是首要的，它对刀具的使用寿命、生产效率、加工质量和加工成本影响极大。因此应高度重视刀具材料的正确选择和合理使用，并不断研制新型刀具材料。,切削加工技术-切削基础知识,刀具材料应具备的基本性能1硬度2耐磨性3.耐热性4强度和韧性5.减磨性6导热性和热膨胀系数7工艺性和经济性,切削加工技术-切削基础知识,几个常识性问题：1）刀具材料和工件材料比较，谁的硬度大？2）HRC是什么？3）强度和韧性用什么力学基本量表达？,切削加工技术-切削基础知识,切削加工技术-切削基础知识,强度指标是屈服强度、抗拉强度或抗压强度、抗弯强度韧性用冲击值表示,切削加工技术-切削基础知识,一次性摆锤弯曲冲击试验,切削加工技术-切削基础知识,1硬度一般而言，刀具材料的硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度应在HRC62以上。2耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力。通常硬度高耐磨性也高。此外耐磨性还与基体中硬质点的大小、数量、分布的均匀程度以及化学稳定性有关。耐热性刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，这就是刀具材料的耐热性。,切削加工技术-切削基础知识,4强度和韧性为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具备足够的强度和韧性。强度用抗弯强度表示，韧性用冲击值表示。刀具材料的强度和韧性越高，则硬度和耐磨性也就越差，这两个方面的性能常常是互相矛盾的。5减摩性刀具材料的减摩性越好则刀面上的摩擦系数就越小，既可以减小切削力和降低切削温度，还能抑制刀-屑界面处冷焊的形成。,切削加工技术-切削基础知识,6导热性和热膨胀系数刀具材料的导热系数越大，散热也越好，有利于降低切削区温度而提高刀具使用寿命。线膨胀系数小，可减小刀具的热变形和对尺寸精度的影响。7工艺性和经济性为了便于制造，刀具材料应具有良好的可加工性(锻、轧、焊接、切削加工、可磨削性和热处理等)。其次，刀具材料的价格应低廉，便于推广使用。,切削加工技术-切削基础知识,常用刀具材料,切削加工技术-切削基础知识,常用刀具材料高速钢在高碳钢中加入了大量的钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素，这些元素是强烈的碳化物形成元素，与碳形成高硬度的碳化物，提高了钢的耐磨性和淬透性。特点强度、韧性和工艺性能好，且价格便宜，铣刀、滚刀、插齿刀，复杂刀具都是用高速钢制造,切削加工技术-切削基础知识,常用刀具材料硬质合金硬质合金是否为钢？不是钢，不含铁,切削加工技术-切削基础知识,常用刀具材料硬质合金高硬度、难熔金属碳化物(主要是WC，TiC等，又称高温碳化物)微米级的粉末，用钴或镍作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。,切削加工技术-切削基础知识,切削加工技术-切削基础知识,常用刀具材料硬质合金WC-Co类硬质合金（YG）K类WC-TiC-Co类硬质合金（YT）P类WC-TiC-TaCCo类硬质合金（YW）M类TiC基硬质合金（YN）,切削加工技术-切削基础知识,常用刀具材料硬质合金可以制造成简单刀具，不容易制造为复杂刀具，因为硬质合金的工艺性差韧性不足是硬质合金一大弱点。硬质合金刀具一般将合金刀片焊接或夹固在刀体上使用。,切削加工技术-切削基础知识,切削加工技术-切削基础知识,自由能指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分。,第三章金属切削的变形过程,研究金属切削变形过程的意义,一、意义金属切削过程是指：通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。即被加工工件的切削层在刀具前面推挤下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。在这过程中产生一系列现象，如形成切屑、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等，它们产生的根本原因时切削过程中的弹性变形和塑性变形金属切削变形过程的研究是金属切削原理的基础理论研究。是适应生产发展的需要，有助于保证加工质量，提高生产率和降低成本。,图切屑根部金相照片,金属在加工过程中会发生剪切和滑移，下图表示了金属的滑移线和流动轨迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。可划分为三个变形区,二、变形区的划分,金属切削过程中滑移线和流线示意图,第变形区：即剪切变形区，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。,图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：从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM区域叫第一变形区。是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。,第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.020.2。,第变形区：刀屑接触区切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有滞流层。切屑与前刀面的压力很大，高达23GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。,粘结现象时的摩擦状况,第变形区：刀工接触区。已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的变形又相互影响。,刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程,切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为h，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。,切屑的类型及其变化,意义：金属切削过程是被切金属层在刀刃和前刀面的作用下，经过挤压和滑移变成切屑(Chip)的过程。切屑从形态、尺寸、颜色以至硬度都反映了被加工材料和切削条件对滑移的影响。研究切屑的形态不仅在生产实践上具有重要意义（切屑处理），而且在理论上也有重要意义。切屑变形规律是切削过程中诸如切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等规律的重要理论基础。,带状挤裂单元崩碎,由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的切屑有四种类型。前三种为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。,一、切屑种类,1、带状切屑最常见。内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂纹。被切材料在经过终滑移线时剪应力未超过材料的破裂强度通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到。切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。,2、挤裂切屑外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到。加工硬化较大，在局部剪应力超过破裂强度。切削力波动较大，切削过程产生一定的振动，已加工表面较粗糙。,3、单元切屑在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度、前角减小，挤裂切屑的整个剪切面上的应力都超过了材料的破裂强度。使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。生产中很少见到。,可见：从带状挤裂单元切屑的变化：切削厚度由小到大，切削速度和刀具前角由大到小。表面粗糙度随切屑从单元向挤裂和带状形态的转变而逐步降低。掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控制切屑（卷屑、断屑）和改善已加工表面质量的目的。,4、崩碎切屑切削脆性金属材料如灰铸铁时得到的。产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度。切削力波动甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平。改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚度，高切削速度，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。,带状切屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,图切屑形态照片,按外形（影响切屑处理和运输）带状屑高速切削塑性金属，一般应力求避免C形屑车削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好长紧卷屑普通车床上较好发条状卷屑重型机床上较好宝塔状卷屑自动机或自动线上较好螺卷屑车削脆性材料较好崩碎屑,二、切屑形状分类,（国际标准化组织的切屑分类法）,“不可接受”的切屑拉伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化划伤机床，卡在机床运动副之间造成刀具的早期破损甚至影响操作者的安全衡量切屑可控性的主要标准不妨碍正常的加工不影响操作者的安全易于清理、存放和搬运切屑控制措施前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽,切屑的卷曲与折断,切削力,影响切削力的主要因素,一、工件材料,背吃刀量与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂,二、切削用量,三、刀具几何参数前角0增大，切削力减小主偏角增大，进给力增大，背向力减小四、切削液,切削热和切削温度,一、切削热来源,主要来源,切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,三个发热区与三个变形区相对应：剪切面切屑与前刀面接触区后刀面与过渡表面接触区,二、切削温度：前刀面与切屑接触区域的平均温度。影响切削温度的主要因素：工件材料的力学物理性能、切削用量、刀具几何参数、冷却条件等*切削用量（切削速度、进给量、切削深度）*刀具几何参数（前角、主偏角）*工件材料（硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率）*刀具磨损*切削液,影响切削温度的主要因素,1、切削用量vc、f、ap增大时，变形和摩擦加剧，切削功耗增大，切削温度升高。但程度不一，vc最为显著，f次之，ap最小。f增加，ap增大，变形减小，压力中心较远离刀尖，散热条件有所改善；ap增加，参加工作的刀刃长度按比例增大，散热条件同时得到改善。由此可见，在金属切除率相同的条件下，为降低切削温度，防止刀具迅速磨损，提高刀具耐用度，增加ap或f远比增加vc更为有利。,2、几何参数（1）刀具前角o。实验结果表明：o增大，变形、摩擦减小，产生的热量少，则温度下降；但o增到1820后，因楔角o减小，散热条件差，会对温度的影响程度减小。（2)刀具主偏角r。r减小，使ac减小，aw增大，刀具散热条件得到改善，故温度下降。,图o与的关系,图r与的关系,3、工件材料主要通过本身的强度、硬度、导热系数等对切削温度产生影响。强度、硬度增大时产生的切削热增多，切削温度升高。如低碳钢，强度、硬度较低，变形小，产生的热量少，且导热系数大，热量传出快，所以切削温度很低；40Cr硬度接近中碳钢，强度略高，但导热系数小，切削温度高；切削脆性材料时，塑性变形小，形成崩碎切屑，摩擦小，切削温度低。,4、刀具磨损主后刀面磨损后，产生后角为零的窄边，使切削刃的切削作用降低，推挤力和摩擦力增大，功耗增加，产生的热量增多，故使切削温度上升。刀具磨损量增大，切削温度增高；使用切削液可以减少刀具切屑工件之间的摩擦，带走大量磨擦热。切削液可显著降低切削温度。,刀具几何参数的影响,前角o切削温度主偏角r切削温度,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度工件材料导热性切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,切削用量的影响切削速度切削温度,已加工表面质量1.表面结构残留面积积屑瘤鳞刺振动波纹2.表层材质变化加工硬化残余应力,积屑瘤切削塑性材料时，由于切屑底面与前刀面的挤压和剧烈摩擦，使切屑底层的流动速度低于上层的流动速度时，形成滞流层。当滞流层金属与前刀面之间的摩擦力超过切屑本身分子间结合力时，滞流层的部分新鲜金属就会粘附在刀刃附近，形成楔形的积屑瘤。,积屑瘤由于刀屑接触面的摩擦，当切削速度不高又形成连续切屑时，加工钢料和其它塑性材料时，常常在刀刃处粘着剖面呈三角状硬块。硬度为工件硬度的2-3倍，这块金属被称为积屑瘤。叫积屑瘤。形成原因：高温、高压，粘结、冷焊,积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,一、积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图所示。积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和压力有关。,材料硬化指数愈大（塑性越高），愈易形成积屑瘤。实验证明：形成积屑瘤有一最佳切削温度，此时积屑瘤高度Hb最大，当温度高于或低于此温度时，积屑瘤高度皆减小。积屑瘤高度与切削速度的关系如下图，实际上也反映了与温度的关系。,积屑瘤高度Hb与vc的关系,二、积屑瘤对金属切削过程产生的影响：,（1）实际刀具前角增大;（2）实际切削厚度增大；（3）加工后表面粗糙度增大；（4）影响切削刀具的耐用度；,1、实际刀具前角增大,刀具前角o指前刀面与基面之间的夹角。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大,现为ob。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。,2、实际切削厚度增大,当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。这个厚度hD的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动。,3、加工后表面粗糙度增大,积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。,4、切削刀具对耐用度的影响,从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。,不利方面：积屑瘤不稳定时（脱落时），有可能使脆性刀具颗粒剥落，反而加剧刀具磨损；产生积屑瘤后使切削厚度增大ac值，影响工件尺寸精度；当积屑瘤不稳定时，由于积屑瘤产生成长脱落周期动态变化，易引起振动；脱落的积屑瘤碎片影响工件表面粗糙度，也易划伤刀具使耐用度降低。,三、积屑瘤的作用有利方面：可增大实际前角，减少变形和切削力；可保护切削刃、降低刀具磨损。,四、抑制积屑瘤的措施（1）降低切削速度，使温度降低到不易产生粘结现象；（2）采用高速切削，使温度高于积屑瘤消失的极限温度；（3）调整刀具角度，增大刀具前角，减小刀屑接触压力；（4）更换切削液，使用润滑性好的切削液和精研刀具表面，降低磨擦；（5）提高工件材料硬度，减小材料硬化指数。,影响表面结构的因素：（1）工件材料（2）切削用量（3）切削刀具（4）切削液,切削加工表面粗糙度,工件材料的性质,韧性表面粗糙度工件材料韧性愈好，金属塑性变形愈大，加工表面愈粗糙。脆性表面粗糙度加工脆性材料时，其切削呈碎粒状，由于切屑的崩碎而在加工表面留下许多麻点，使表面粗糙。,塑性表面粗糙度,工件材料塑性越好，塑性变形越大，易产生积屑瘤和鳞刺，加工表面粗糙。,同一材料金相组织越粗大表面粗糙度,故对中碳钢和低碳钢材料的工件，为改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或调质处理。,切削加工表面粗糙度,切削速度的影响,加工塑性材料时，切削速度对表面粗糙度的影响随切削速度的变化而变化（对积屑瘤和鳞刺的影响）；切削速度越高，塑性变形越不充分，表面粗糙度值越小；选择低速宽刀精切和高速精切，可以得到较小的表面粗糙度；切削速度对脆性材料的影响不大。,切削加工表面粗糙度,进给量的影响,其他影响因素刀具几何角度、刃磨质量，切削液等,减小进给量f固然可以减小表面粗糙度值，但进给量过小，表面粗糙度会有增大的趋势，效率降低。,适当增大刀具前角及刀尖圆弧半径，提高刃磨质量，合理选择切削液，抑制积屑瘤和鳞刺。,精镗(车)后的表面轮廓图(横向粗糙度),工件材料切削加工性,一、切削加工性的概念和衡量指标二、影响材料切削加工性的因素,一、切削加工性的概念和衡量指标1、概念：在一定切削条件下，对工件材料进行切削加工的难易程度。相对概念一般在讨论钢料的切削加工性时，以45钢作为比较基准；讨论铸铁的切削加工性时，以灰铸铁作为比较基准。,2、衡量指标：,（1）以刀具使用寿命T的相对比值。,切削正火状态下45钢的刀具使用寿命；切削另一种材料时的刀具使用寿命。,在相同切削条件下，刀具使用寿命高，切削加工性好。,以切削b=0.637GPa的45碳钢时的作为基准，其他被加工材料的与之的比值,可以快速确定某种材料的切削速度。,（2）相对切削加工性,T=60min,（3）以切削力的大小或切削温度的高低在相同切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。机床动力不足时，常用此指标。（4）以加工表面质量的优劣易获得好的加工表面质量，则切削加工性好。精加工时常用此指标。（5）以切屑控制或断屑的难易程度在相同切削条件下，以所形成的切屑是否便于清除作为一项指标。对于自动机床、数控机床和自动化程度较高的生产线上常用此指标。,改善途径调整工件材料的化学成分；（在不影响使用性能的前提下）2.通过热处理改变工件材料的金相组织和物理力学性能低碳钢：正火或冷拔塑性减小，硬度略有提高高碳钢：球化退火硬度降低中碳钢：退火硬度降低铸铁件：退火降低表层硬度、消除内应力马氏体不锈钢：调质降低塑性,3、改变加工条件,合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量易切削材料积屑瘤和加工硬化加工表面质量差大前角刀具和高的切削速度。不锈钢材料加工硬化、导热性差、切削温度高、不易断屑采用YG刀具选用较大的前角和小的主偏角及大的进给量,4、采用新技术,加热切削、低温切削、振动切削,难加工材料加热切削降低材料的抗剪切强度减小接触面的摩擦系数减小切削力减小冲击振动。,刀具磨损、破损和刀具耐用度,1、前刀面磨损(月牙洼磨损)切削塑性材料且ac0.5mm时，切屑与前刀面在高温、高压下相互接触，产生剧烈摩擦，以形成月牙洼磨损为主，其值以最大深度KT表示(如图61(c)所示)。形成条件：加工塑性材料，v大，ac大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量。,刀具磨损形态,刀具的失效形式：正常磨损和破损,刀具的磨损形态及其测量位置(a)刀具磨损形式(b)边界磨损发生的地方(c)测量磨损的地方,2、后刀面磨损切削脆性材料或ac0.1mm的塑性材料时，切屑与前刀面的接触长度较短，其上的压力与摩擦均不大，而相对的刀刃钝圆使后刀面与工件表面的接触压力却较大，磨损主要发生在后刀面。其值以磨损带宽度VB表示(如图所示)。,形式：后角=0的磨损面（VB：平均磨损宽度，VBmax：最大磨损宽度）形成条件：加工塑性材料,v较小,ac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,3、边界磨损（前、后刀面磨损）切削塑性材料且ac0.10.5mm时，兼有前两种磨损的形式；加工铸、锻件，主切削刃靠近工件外皮处及副切削刃靠近刀尖处，因为ac减小、切削刃打滑，所以磨出较深的沟纹(如图61(a)、(b)所示)。加工铸、锻件等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。磨损形式随切削条件的改变可以互相转化。在大多数情况下，后刀面都有磨损，且VB直接影响加工精度，加之便于测量，所以常以VB表示刀具磨损程度。,刀具磨损与一般机械零件不同:(1)刀具与切屑、工件间的接接触表面经常是化学活性很高的新鲜表面，不存在氧化膜等污染；(2)前后刀面的接触压力非常大，有时超过被切材料的屈服强度；(3)刀屑、刀具工件接触表面的温度很高，硬质合金刀具加工钢料时达8001000度，高速钢刀具加工钢料时达300600度。正常磨损的原因主要是机械、热和化学三种作用的综合结果。,刀具磨损的原因,1、硬质点磨损硬质点磨损是指工件上具有一定擦伤能力的硬质点，如碳化物、积屑瘤碎片、已加工表面的硬化层等，在刀具表面上划出一条条沟纹而造成的磨损。硬质点硬度超过刀具材料基体的硬度。硬质点磨损是拉刀、板牙等高速钢制造的低速切削刀具磨损的主要原因，硬质合金刀具发生硬质点磨损的情况较少。,2、粘结磨损粘结是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。两摩擦表面的粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉被对方带走，是造成粘结磨损的原因。由于刀具材料有组织不均匀、存在内应力、微裂纹及空隙、局部软点等缺陷，所以刀具表面常发生破裂而被切屑或工件带走，形成粘结磨损，在前刀面上形成不规则的凹坑。高速钢、硬质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚石刀具都会因粘结而发生磨损。,粘结磨损程度主要取决于刀具材料和工件材料在不同温度下的相互亲和能力。（粘结强度系数K0）硬质合金晶粒越小，磨损越慢；刀具与工件的硬度比，刀具表面形状和组织，切削条件和工艺系统刚度等都影响粘结磨损的速度。切削钢料应用YT类硬质合金。（但不锈钢和高温合金不宜用YT类，因为YT类合金中的钛元素易于工件中的钛元素发生亲和而导致粘结，在高温下扩散磨损也较剧烈。）,减小粘结磨损的途径：1、硬质合金的晶粒加以细化，硬质合金表面涂覆TiC、TiN、Al2O3等。2、高速钢刀具表面要进行表面处理使表面形成一层抗粘结的减磨层或高硬度的抗磨层，如氧氮化处理；3、适当提高切削速度使运动平稳减小振动，避开积屑瘤的不稳定区域；4、使用润滑性能良好的切削液等。,3、扩散磨损(300-350）刀具与工件、切屑的接触面，在高温下双方金属中的化学元素从高浓度处向低浓度处迁移，这种固态下元素相互迁移而造成的刀具磨损称为扩散磨损。高温下，刀具材料中的W、Co、Ti、C等易扩散到工件和切屑中去；而切屑中的Fe、Si、Mn、Cr等也会扩散到刀具中来，从而改变刀具材料中的化学成分，使其硬度下降，加速刀具磨损。与铁相互扩散强度的由大到小的顺序为：金刚石碳化硅立方氮化硼氧化铝与钛合金相互扩散的由大到小的顺序为：氧化铝立方氮化硼碳化硅金刚石,4.相变磨损（550-600）当切削温度大于等于刀具材料的相变温度时，使金相组织发生变化，刀具表面的马氏体组织将转化为托氏体或索氏体组织，这种使硬度降低而造成的磨损，称为相变磨损。5、化学磨损(氧化磨损)在高温下(700800)，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切屑带走，这样形成的刀具磨损称为化学磨损。空气中的氧易与硬质合金中的Co、WC、TiC发生氧化作用，产生低硬度的氧化物(Cr3O4、TiO2、WO3等）被切屑和工件带走，从而使刀具磨损。,6、热电磨损切削时，刀具与工件构成一自然热电偶，产生热电势，工艺系统自成回路，热电流在刀具和工件中通过，从而促进扩散作用而加速刀具磨损，这称为热电磨损。,硬质点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）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,粘结磨损加剧,扩散磨损高温下发生氧化磨损高温情况下，在切削刃工作边界发生,刀具磨损,刀具磨损原因,硬质合金刀具高速切削钢料时，主要是扩散磨损，并伴随有粘结磨损和化学磨损等；对一定刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度，低温时以机械磨损（硬质点磨损）为主，高温时以热、化学磨损（粘结、扩散、氧化磨损）为主；合理地选择刀具材料、几何参数、切削用量、切削液，控制切削温度，有利于减少刀具磨损。高速钢刀具（硬质点磨损和粘结磨损）；硬质合金刀具（粘结磨损和扩散磨损）；氧化铝陶瓷刀具（机械磨损和粘结磨损）；立方氮化硼刀具的扩散磨损很小，而金刚石刀具的扩散磨损很大，金刚石刀具不宜加工钢料。,一、刀具的磨损过程（1)初期磨损阶段。新刃磨的刀具，由于表面粗糙不平，在切削时很快被磨去，故磨损较快。经研磨过的刀具，初期的磨损量较小。（2)正常磨损阶段。经初期磨损后，刀具表面已经被磨平，压强减小，磨损速度较为缓慢。磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加。反映刀具正常工作时的磨损率。,刀具磨损过程及磨钝标准,（3)急剧磨损阶段。当磨损量增加到一定限度后，机械摩擦加剧，切削力加大，切削温度升高，磨损原因也发生变化(如转化为相变磨损、扩散磨损等)，磨损加快，已加工表面质量明显恶化，出现振动、噪音等，以至刀具崩刃，失去切削能力。继续使用会影响加工质量且刀具刃磨时去材料更多，成本更大。在这个阶段来临之前，要及时换刀或更换新切削刃。,刀具不能无休止地使用下去，而应规定一个合理的磨损限度，刀具磨损到此限度，则应换刀或重新刃磨。二、刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称磨钝标准。ISO统一规定，以ap2处主后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。自动化生产中用的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为衡量刀具的磨钝标准，称刀具径向磨损量NB（如图所示）。,磨钝标准，可依加工条件不同而异。精加工较粗加工为小；加工系统刚性较低时，应考虑在磨钝标准内是否发生振动；工件材料的可加工性、刀具制造、刃磨的难易程度也是确定磨钝标准应考虑的因素。VB值可从切削用量手册中查得。一般为0.30.6mm。,实际生产中，不可能经常停机去测量VB值，而改用与其相应的切削时间，即刀具耐用度表示。刀具耐用度定义：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所经过的总切削时间，称为刀具耐用度，以T表示，单位为分钟（min)。精加工也可用加工零件数表示。用途：确定换刀时间、衡量工件材料切削加工性和刀具材料性能优劣、刀具几何参数选择是否合理、切削用量选择是否合理等。,刀具耐用度的经验公式及刀具耐用度的分布,刀具寿命定义：一把新刀开始使用直到报废之前总的切削时间。它包含着刀具用钝后的多次刃磨。刀具寿命等于刀具耐用度乘以刃磨次数（包括新开刀刃）。可转位刀片的寿命等于可使用的切削刃数乘以耐用度。刀具耐用度反映刀具磨损的速率。凡是影响切削温度和刀具磨损的因素都影响刀具的耐用度。温度越高，耐用度越低。,1、切削速度与刀具耐用度的关系稳定其它切削条件，在常用的切削速度范围内，取不同的切削速度vc1、vc2、vc3，进行刀具磨损实验，可得一组磨损曲线，根据规定的VB值，对应于不同的vc，就有相应的T，在双对数坐标纸上，定出(vc1、T1)、(vc2、T2)、(vc3、T3)各点。可发现，在一定切削速度范围内，这些点基本上在一条直线上。,不同vc时的刀具磨损曲线,双对数坐标上的vc-T曲线,此直线方程为,式中:vc切削速度(mmin)；T刀具耐用度(min)；m指数；表示vc对T的影响程度，mtg直线斜率。C0系数，与刀具、工件材料、切削条件有关。,上式是重要的刀具耐用度公式。指数m为vc、T双对数坐标系中直线斜率，耐热性差时m值小，m愈小，表示vc对T的影响愈大。一般高速钢刀具m0.10.125，硬质合金刀具m0.20.3，陶瓷刀m0.4。表明耐热性高的刀具材料在高速时仍然有较高的耐用度。,不同刀具材料耐用度比较,2、进给量f、背吃刀量ap与刀具耐用度T的关系用同样的方法可求出,式中:T耐用度系数，与刀具、工件材料、切削条件有关；X、Y、Z指数，分别表示vc、f、ap对T的影响程度。,用YT15硬质合金车刀切削b=0.637GPa的碳钢时（f0.70mm/r），切削用量与T的关系为,（2-42）,由此看出，vc对T的影响最大，f次之，ap最小。与三者对温度的影响顺序完全一致，反映了切削温度对刀具耐用度有着重要的影响。应注意的是，上述关系是在一定条件下通过实验求出的。如果切削条件改变，各因素对刀具耐用度的影响就不同，各指数、系数也相应地发生变化。,刀具耐用度符合对数正态分布刀具耐用度的试验方法：外圆车削试验，端面车削法，放射性同位素法。,式中：tm工序的切削时间，也称基本工时；tct换刀一次所消耗的时间，（卸刀、装刀、对刀）；tot除换刀时间外的其它辅助时间；T刀具寿命；tm/T换刀次数。,是以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间为最少来衡量的。使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，单件工序的工时tw为：,一、最高生产率耐用度,合理耐用度的选用原则,(6-1),将上式代入式（6-1），对T求导，并令其为0，可得到最高生产率耐用度为：,式中C工序成本；M机时费；Ct刀具费用；tm，tct，T含义同前,是使每件产品（或工序）的加工费用最低为原则的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为：,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到最低成本耐用度Tc为,二、最低成本耐用度（经济耐用度）,规定刀具耐用度遵循的原则：1、根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本选择；2、机夹可转位车刀和陶瓷刀具，耐用度可选的低些；3、多刀机床、组合机床和自动化机床、自动线上的刀具，耐用度应选的高些；4、对薄弱的关键工序，为了平衡整个生产过程，应选用较低的耐用度；5、大件精加工时，为了避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应选的高些；6、生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便在换班时换刀。,刀具破损也是刀具损坏的主要形式之一。刀具破损多发生在脆性较大的刀具材料进行断续切削时，或者加工高硬度材料时。破损形式：早期破损（切削开始或短时间切削后即发生破损）和后期破损（受交变的机械应力和热应力作用导致疲劳而引起的破损）脆性破损和塑性破损脆性破损：硬质合金和陶瓷刀具切削时，在机械和热冲击作用下，前、后刀面尚未发生明显的磨损前，就在切削刃处出现崩刃、碎断、剥落、裂纹等。塑性破损：切削时，由于高温、高压作用，有时在前、后刀面和切屑、工件的接触层上，刀具表层材料发生塑性流动而失去切削能力。,刀具的破损,1、崩刃。在切削刃上产生的小缺口。缺口尺寸与进给量相当或者稍大一些。切削刃修磨后还能继续进行切削。属于早期破损。陶瓷刀具、硬质合金刀具（低速断续切削）2、碎断。（打刀）在切削刃上发生小块破裂（重磨修复后可用）或大块断裂（不能修磨后再用），刀具不能继续正常切削。,一、刀具的脆性破损,3、剥落