金属切削原理与刀具：第四章金属切削过程基本规律的应用

1、4.1 切屑的种类及控制 4.1.1 切屑的基本形态 工件上的切削层材料经过切削，被切离工件基体， 形成切屑。会出现4种不同形态的切屑，如图4.1所示,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.1 切屑的基本形态,第四章 金属切削过程基本规律的应用,1带状切屑 形成带状切屑时，切削力波动小，切削过程比较平稳，加工表面质量高。 2挤裂切屑 形成挤裂切屑时，由于切屑局部断裂，切削力波动较大，切削过程不太平稳，加工表面质量较差。 3单元切屑 形成单元切屑时，切削力波动很大，切削过程不平稳，加工表面质量也很差。 4崩碎切屑 形成崩碎切屑时，使刀具磨损加快；切屑是以块状 脱离工件基体，使表面粗糙度值增大

2、,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.1.2 切屑的流向与卷曲 1切屑的流向 如图4.2所示，在直角自由切削时，切屑沿正交平面 方向流出。在直角非自由切削时，切屑流出方向与主剖面 形成一个出屑角c；斜角切削时，出屑角c近似等于刃 倾角s。 如图4.3所示为刃倾角s对切屑流向影响的示意图。 当s为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向 待加工表面，对半精加工、精加工有利；当s为负值， 切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易 划伤已加工表面，在粗加工，尤其是在断续切削时，可避 免刀尖受冲击，起到保护刀尖的作用,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.2 切屑流向,图4.3 刃

3、倾角s对切屑流向的影响,第四章 金属切削过程基本规律的应用,2切屑的卷曲 在切削加工中，工件上的切削层在刀具推挤作用下， 产生沿剪切面的滑移变形后，形成切屑沿刀具前面流出。 沿前刀面流出的切屑，继续进行剪切滑移变形，其底层的 金属变形最严重，使切屑底层的长度比上层长，于是，切 屑在流动时长边向短边卷曲，使切屑产生弯曲，最后从C 点离开前面，如图4.4所示。 在形成切屑的过程中，切削层金属经过严重的塑性变 形后，其塑性降低、硬度提高、脆性增大，从而为切屑的 折断提供了有利的条件。可采取在刀具前刀面上磨制出断 屑槽或装置断屑挡板，使切屑在基本变形的基础上，流经 前刀面时产生附加的弯曲变形，以达到折

4、断切屑的目的,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.4 切屑的卷曲,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.1.3 断屑的原因和屑形 1断屑的原因 （1）切屑在流出过程中遇到障碍物受到弯曲力矩而折 断。如图4.5所示， 如图4.6所示为切屑在卷曲运动过程中与工件的待加 工表面相碰，受到反力F形成的弯曲应力作用，切屑折断 成C形切屑。 如图4.7所示为切屑与工件的过渡表面相碰后形成圆 卷形切屑。 （2）切屑在流动过程中靠自身重量甩断。若切屑在从前 刀面流出过程中未与刀具或工件相碰，则有可能形成长的,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.5 切屑折断原理,第四章 金属切削过程基本规律的应用

5、,带状切屑，或经卷屑槽形成螺旋形切屑后，靠自身重量 甩断，如图4.8和图4.9所示,图4.6 切屑与工件的待加工表面相碰 图4.7 切屑与工件的过渡表面相碰,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.8 切屑未遇障碍形成长的带状切屑 图4.9 切屑在卷屑槽内形成螺旋状切屑,第四章 金属切削过程基本规律的应用,2切屑的屑形 根据GB/T 164611996的规定，切屑的形状与名称 分为8类，如表4.1所示。 理想切屑形状的标准：不影响操作者的安全；不损伤 已加工表面、刀具和机床；不妨碍正常工作；易于清理和 运输。因此，表4.1所示中比较理想的切屑形状是短管状 切屑、平盘旋状切屑、锥盘旋状切屑、短

6、环形螺旋切屑和 短锥形螺旋切屑，以及带防护罩的数控机床和自动机床上 得到的单元切屑和针形切屑。其中最安全、散热效果较好 的切屑形状是短屑中的C形、6字形切屑，以及100mm左 右长度的螺旋切屑,第四章 金属切削过程基本规律的应用,表4.1 切屑形状的分类,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.1.4 控制切屑的方法 1磨制断屑槽 对于硬质合金车刀，可在前面上磨制出断屑槽和选择 合理的断屑槽的斜角，是控制切屑折断及流向的措施。 （1）断屑槽的形式。如图4.10所示。 折线形断屑槽。折线形断屑槽的前面为直线形，反屑面 也为直线形，用小圆弧连接，如图4.10（a）所示。 直线圆弧形断屑槽。直线圆弧

7、形断屑槽的前面为直线 形，反屑面是一段圆弧形，如图4.10（b）所示。 全圆弧形断屑槽。全圆弧形断屑槽的前面和反屑面是由 同一半径的圆弧面组成，如图4.10（c）所示,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.10 断屑槽的形式,第四章 金属切削过程基本规律的应用,2）断屑槽的尺寸参数。 宽度lBn的选择。 断屑槽宽度越小，切屑越易折断。但也不宜选得太 小，否则会使卷屑槽容屑空间减小，造成堵屑、崩刃、 切屑飞溅等不良现象。所以在保证断屑的前提下，应选,择较大的断屑槽宽度。 反屑角Bn的选择。 反屑角增大，切屑容易折断，但Bn太大，切屑容 易堵塞，使切削力增大和切削温度升高。通常Bn按槽 形选择

8、。 卷屑槽斜角Bn。 常见的有外斜式、平行式和内斜式3种，如图4.11所示。 如图4.11（a）所示，外斜式的主要特点是卷屑槽的 宽度外宽内窄，深度外深内浅。因此槽A点处的切削速度 高，槽宽窄，切削时，切屑顺前刀面流出先碰反屑面，并 以较小的弯曲半径卷曲：B点处的切削速度低，槽宽深,第四章 金属切削过程基本规律的应用,切屑后碰反屑面，并以较大的弯曲半径卷曲。当槽底制有 s角时，力F使得切屑流向工件表面，与工件表面相碰 后形成C形切屑。 如图4.11（b）所示，平行式的特点是卷屑槽的宽 度、深度前后均相等，其断屑效果与外斜式相近。 如图4.11（c）所示，内斜式的主要特点是卷屑槽的 宽度外窄内宽

9、，深度外浅内深。因此槽B点处的切屑先碰 反屑面，并以较小的卷曲半径卷曲，当槽底制有+s角 时，力F使得切屑往往成螺旋形背离工件流出，卷曲到一 定长度后靠自身重量甩断形成螺旋形切屑。内斜式一般用 于半精车或精车的场合,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.11 断屑槽斜角,2改变切削用量 在切削用量参数中，对断屑影响最大的是进给量f，其 次是背吃刀量ap，最小的为切削速度vc。 3改变刀具角度 主偏角增大，容易断屑。应选较大的主偏角，一般,第四章 金属切削过程基本规律的应用,r= 6090； 刃倾角s可控制切屑的流向，使切屑 碰到加工表面或刀具后刀面上造成断屑。 4附加断屑装置 在刀具前面固

10、定附加断屑挡块，使切屑碰撞挡块折断 5间断进给断屑 在加工塑性高的材料或在自动线上加工时，可采用 振动切削装置，实现间断切削，达到断屑目的。 4.2 金属材料切削加工性的改善 4.2.1 衡量金属材料切削加工性的指标,第四章 金属切削过程基本规律的应用,衡量切削加工性的指标可用刀具耐用度、保证刀具 耐用度允许的切削速度、切削力、已加工表面的表面质 量、断屑难易程度等来表示。 1切削速度指标vT vT的含义是指当刀具耐用度为T时，切削某种材料所 允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。 通常取T=60min，则vT可写作v60；对于一些难加工材 料，可取T=30min或15min，则

11、vT可写作v30或v15。 2相对加工性指标Kr 相对加工性指标Kr是指以强度b=0.637GPa的45钢的 v60作为基准，写作（v60）j，其他被切削的工件材料的,第四章 金属切削过程基本规律的应用,v60与之相比的数值。某种材料的相对加工性指标Kr乘 以在T=60min时的45钢的切削速度(v60)j，即可得出切削 该种材料的可用切削速度。Kr越高，允许的切削速度越 高，可切削性越好。 常用材料的相对加工性Kr分为8级，如表4.2所示。当 Kr1时，该材料比45钢容易切削，切削加工性好；当Kr 1时，该材料比45钢难切削，切削加工性差。 4.2.2 影响金属材料切削加工性的因素 1材料的

12、硬度和强度 工件材料硬度、高温硬度越高，加工性越差,第四章 金属切削过程基本规律的应用,2材料的塑性和韧性 工件材料塑性、韧性越高，加工性越差。 3材料的导热性 工件材料的导热系数越低，切削加工性越差。 4材料金相组织的影响 金属材料经过淬火等热处理后，切削加工性差。 5材料的化学成分 如材料含碳、锰、硅、铬、钼的分量多，则会使材料 的硬度提高，切削加工性变差,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.2.3 改善金属材料切削加工性的措施 1对材料进行适当的热处理 通过热处理改变材料的组织和力学性能，从而改善切 削加工性。 2调整金属材料的化学成分 例如在钢中加入适量的硫、铝等元素，使之变成力学

13、 性能不降低的易切钢，可以减少切削力，提高刀具耐用 度，断屑容易，并可获得较好的表面加工质量。 3采用新的切削加工技术 加热切削、低温切削、振动切削、在真空中切削、绝 缘切削等，都可以有效地解决难加工材料的切削问题,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.3 切削液的合理选用 4.3.1 切削液的作用 1冷却作用 2润滑作用 3排屑和清洗作用 4防锈作用 4.3.2 切削液的种类 1水溶液 水溶液是指以水为主要成分的切削液，冷却性能最 好，但其润滑性能差，又易使金属材料生锈。所以在实际 使用中常加入一定的添加剂,第四章 金属切削过程基本规律的应用,2乳化液 乳化液是指用乳化油加95%98%的水

14、稀释而成的一 种切削液，乳化油由矿物油、乳化剂配制而成。具有良好 的冷却性能。但因含水量较大，润滑、防锈性能较差，故 应加入一定量的油性、极压和防锈添加剂，以提高其润滑 和防锈性能。 3切削油 切削油的主要成分是矿物油。在低速切削有色金属及 磨削中，加入油性添加剂；在重切削及难加工材料的切削 加工中，加入极压添加剂,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.3.3 切削液的选用 1粗加工时切削液的选择 粗加工时，应选用以冷却为主的切削液。高速钢刀具 必须使用切削液；硬质合金刀具的耐热性好，热裂较敏 感，一般不用切削液，若要使用切削液，可用低浓度的乳 化液或水溶液；陶瓷刀具因热裂很敏感，不用切削液

15、。 2精加工时切削液的选择 精加工时，使用切削液的主要目的是减小工件表面粗 糙度和提高加工精度，降低刀具磨损。如高速钢刀具在 中、低速切削时，应选用极压切削油或高浓度的极压乳化,第四章 金属切削过程基本规律的应用,液；硬质合金刀具在高速切削时，应选低浓度乳化液。 3切削难加工材料时切削液的选择 切削高强度钢、高温合金等难加工材料时，应选用极压切削油或极压乳化液。 4切削铜和铜合金时切削液的选择 切削铜和铜合金时一般不用含硫的切削液。 5切削铝和铝合金时切削液的选择 切削铝和铝合金时不宜用水溶液和硫化切削油及含氯的切削液。 6切削镁合金时切削液的选择 切削镁合金时严禁用水溶液和乳化液,第四章 金

16、属切削过程基本规律的应用,4.4 提高已加工表面质量的措施 4.4.1 已加工表面质量概述 1已加工表面质量的含义 （1）表面层的几何形状特征。 表面粗糙度 是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组 成的微观几何形状特性，即加工表面的微观几何形状误差 表面波度 是介于微观表面粗糙度和宏观形状误差之间 的一种周期性形状误差。 表面加工纹理 是指表面切削加工刀纹的形状和方向。 伤痕 是指在加工表面个别位置上出现的缺陷,第四章 金属切削过程基本规律的应用,2）表面层的物理力学性能。 表面层加工硬化 是指工件经加工后，其表层的显微 硬度高于母体。 表面层金相组织变化 是指切削加工中的高温使工件 的金属表层

17、的金相组织与基体不同。 表面层残余应力 是指机械加工后，工件表层残留的 压应力或拉应力。 2表面质量对零件使用性能的影响 （1）对零件耐磨性的影响。零件的耐磨性主要与摩擦 副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件已,第四章 金属切削过程基本规律的应用,确定的情况下，零件的表面质量就起决定性的作用。 （2）对零件疲劳强度的影响。在周期性的交变载荷作 用下，零件表面微观不平的凹谷、划痕、裂纹等缺陷，都 会产生应力集中现象。 （3）对零件抗腐蚀性能的影响。零件表面粗糙度值越 大，潮湿空气和腐蚀介质越容易堆积在零件表面四处而发 生化学腐蚀，或在凸峰间产生电化学作用而引起电化学腐 蚀，故抗腐蚀性能

18、越差。 （4）对零件配合精度的影响。表面粗糙度将影响零件的 实际配合性质和配合精度,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.4.2 影响已加工表面粗糙度值的工艺因素及改善措施 1影响已加工表面粗糙度值的因素 （1）几何因素。 （2）物理因素。 （3）机械加工振动。 2减小表面粗糙度值的工艺措施 （1）合理选择切削用量 切削速度vc。在切削塑性材料时，应采用高速切削。 进给量f。减小f可以显著减小残留面积的高度，从而使 表面粗糙度值明显减小。但f不能太小。 （2）合理选择刀具几何参数和刀具材料,第四章 金属切削过程基本规律的应用,增大前角0，刀具易于切入工件；增大刃倾角s，可使 刀具的实际前角增

19、大。这些都可以使表面粗糙度值变小。 减小刀具的主偏角r、副偏角r和增大刀尖圆弧半径 ，都可使残留面积减小，从而减小表面粗糙度值。 不同的刀具材料，由于化学成分不同，其与被加工材料 金属分子的亲和程度就不同。 刀具仔细刃磨后，可使表面粗糙度值变小。 （3）改善工件材料的性能。对工件材料进行适当的调质 或正火热处理，从而减小表面粗糙度值。 （4）合理选择切削液。选择合适的切削液，可减小表面 粗糙度值,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.4.3 影响表面层物理力学性能的工艺因素及改善措施 1表面层加工硬化 加工硬化是指已加工表面经过切削加工后，其表层金 属硬度高于里层金属硬度的现象。其硬化层的硬

20、度比工件 硬度高1.42.2倍，硬化层的深度可达几十至几百微米。 影响加工硬化的主要工艺因素有如下几种。 （1）刀具几何参数。 （2）切削用量。 切削速度。切削速度增大，硬化程度和硬化层深度减小 进给量。随着进给量的增大，硬化程度和硬化层深度也 增加。但进给量太小时，也会使加工硬化程度增加,第四章 金属切削过程基本规律的应用,3）工件材料。材料塑性越大，硬化程度和硬化层深度 也越严重。 2表面层金相组织变化 如果在加工中工件表层温度超过金相组织的转变温 度，则工件表层将产生组织转变，表层金属的比容将随之 发生变化，而表层金属的这种比容变化必然会受到与之相 连的基体金属的阻碍，从而在表层、里层产

21、生互相平衡的 残余应力。 3表面层残余应力 残余应力是指在切削力消失的状态下，在材料内部保 持平衡而存在的应力，分为残余压应力和残余拉应力,第四章 金属切削过程基本规律的应用,引起产生表面层残余应力的主要原因如下。 （1）冷态塑性变形引起的残余应力。 （2）热态塑性变形引起的残余应力。 （3）金相组织变化引起的残余应力。 4改善零件表面层物理力学性能的加工方法 （1）喷丸强化 是一种用压缩空气或离心力将大量直径 细小的丸粒（钢丸、玻璃丸）以3550m/s的速度向零件 表面喷射的方法。 （2）滚压加工 是指用工具钢淬硬制成的滚轮或滚珠， 对工件表面进行滚压，使表层材料产生塑性流动，将工件 表面原

22、有的凸蜂填充到相邻的凹谷中，形成新的光洁表面,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.5 刀具几何参数的合理选择 4.5.1 前角的选择 1前角的功用 增大前角能减小切削变形和摩擦，从而降低切削力 和切削温度，减少刀具磨损，还能抑制积屑瘤和鳞刺的 产生，提高加工质量。 2前角选择原则 在保证加工质量和刀具强度的前提下，尽量选用大 的前角。 （1）根据工件材料选取。 （2）根据刀具材料选取,第四章 金属切削过程基本规律的应用,3）根据加工条件选取。 表4.4所示为硬质合金车刀前角的合理值,第四章 金属切削过程基本规律的应用,3前刀面的选择 如图4.12所示为刀具前面的几种形式。 （1）正前角平面

23、形。如图4.12（a）所示，一般用于精加 工刀具、成形刀具和加工脆性材料刀具。 （2）正前角曲面带倒棱形。如图4.12（b）所示，一般 用于粗加工或精加工塑性材料的刀具上。 （3）负前角单面形。如图4.12（c）所示，当磨损主要发 生在后刀面上时，常制成负前角单面形。 （4）负前角双面形。如图4.12（d）所示，当磨损同时 发生在前、后刀面上时，制成负前角双面形,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.12 刀具前面形式,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.5.2 后角的选择 1后角的功用 后角的主要作用是减小后刀面与过渡表面和已加工表 面之间的摩擦，影响楔角的大小，配合前角调整切削刃的

24、 锋利程度和强度。 2后角的选择 在粗加工时以确保刀具强度为主；在精加工时以保证 加工表面质量为主。 （1）根据加工条件选取。 （2）根据工件材料选取。 （3）综合考虑前角选取,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.5.3 主偏角的选择 1主偏角的功用 当主偏角增大时，会使背向力减小，提高了零件加工 质量和刀具寿命；当主偏角减小时，改善散热条件，同时 作用在主切削刃单位长度上的负荷减轻，刀尖角增大，提 高了刀尖强度，也有利于提高刀具寿命；此外，主偏角还 影响断屑效果和排屑方向，以及残留面积高度等。 2主偏角的选择原则 （1）根据工艺系统刚性选取。 （2）根据工件材料选取。 （3）根据加工条件

25、选取,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.5.4 副偏角的选择 1副偏角的功用 副偏角主要用来减小副切削刃及副后刀面与已加工表 面之间的摩擦。减小副偏角，可降低表面粗糙度值，同时 增大刀尖角，提高刀尖强度和散热能力，延长刀具寿命。 但副偏角过小时，会因增大摩擦和背向力，而引起振动。 2副偏角的选择原则 （1）根据工件材料选取。 （2）根据加工条件选取。 （3）根据工艺系统刚性选取,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.5.5 刃倾角的选择 1刃倾角的功用 （1）影响切屑的流向。如图4.13所示。 （2）影响刀尖强度和抗冲击能力。在断续切削时，若s 为负值，保护刀尖免受冲击，并增强了刀尖强

26、度，如图 4.14（a）所示；若s为正值，可能产生崩刃或打刀现 象，如图4.14（b）所示。 （3）影响切入切出时的平稳性。 2刃倾角的选择原则 粗加工时，一般取50；精加工时，一般取 0+5；断续切削时，一般取1510；在精镗 孔、精刨平面时，一般取3075,第四章 金属切削过程基本规律的应用,图4.13 刃倾角对切屑流向的影响,图4.14 刃倾角对切削刃接触工件的影响,第四章 金属切削过程基本规律的应用,4.6 切削用量的合理选择 4.6.1 切削用量选择的基本原则 1生产效率 当ap、f、vc增大时，能减小切削时间。但一般应优 先增大ap，以求一次进刀全部切除加工余量，提高效率 2机床功

27、率 当ap、vc增大时，都使切削功率成正比增加。但ap 使切削力增加得多，而增大f却使切削力增加得较少、消 耗功率也较少。所以，在粗加工时，应尽量增大f。 3刀具耐用度 对刀具耐用度影响最大的是vc，其次是f，影响最小,第四章 金属切削过程基本规律的应用,的是ap，所以应优先增大ap。 4表面粗糙度 提高ap和f，切削力会变大；增大f，会降低加工表面 质量；提高vc，不会增大切削力，还会抑制积屑瘤、 加工硬化等现象的产生，有利于加工表面质量的提高。 粗加工时切削用量选择的原则是：首先选择一个尽 量大的ap，其次选择一个较大的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 合理的vc；精加工时切削用量选择的原则是：采用较小 的ap和f，在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，尽可 能采用大的vc,第四章 金属切