切削加工理论及其应用

1、现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) u主要内容主要内容 1.4刀具磨损和刀具耐用度刀具磨损和刀具耐用度 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) u主要要求主要要求 1.掌握塑性材料切屑形成的过程及切削方程式的建立；掌握切屑的变形规律及控掌握塑性材料切屑形成的过程及切削方程式的建立；掌握切屑的变形规律及控 制技术；会分析切削过程中积屑瘤、鳞刺产生的条件及控制措施。制技术；会分析切削过程中积屑瘤、鳞刺产生的条件及控制

2、措施。 2.掌握切削力和切削温度的计算机辅助测试原理、方法以及经验公式的建立。掌握切削力和切削温度的计算机辅助测试原理、方法以及经验公式的建立。 3.掌握刀具材料的性能要求及常用刀具材料的应用场合，了解刀具材料发展的趋掌握刀具材料的性能要求及常用刀具材料的应用场合，了解刀具材料发展的趋 势。势。 4.掌握刀具磨损机理及刀具耐用度的选择原则。掌握刀具磨损机理及刀具耐用度的选择原则。 5.能综合分析切削用量三要素对切削力、切削温度、刀具的耐用度的影响。能综合分析切削用量三要素对切削力、切削温度、刀具的耐用度的影响。 6.理解工件材料切削加工性的意义，了解常用工程材料的切削加工性。理解工件材料切削加

3、工性的意义，了解常用工程材料的切削加工性。 7.理解已加工表面质量的评定指标以及表面粗糙度、加工硬化、残余应力产生的理解已加工表面质量的评定指标以及表面粗糙度、加工硬化、残余应力产生的 原因以及对加工表面质量的影响。原因以及对加工表面质量的影响。 8.理解刀具几何参数、切削用量、切削液的选用原则及依据；能根据工件材料的理解刀具几何参数、切削用量、切削液的选用原则及依据；能根据工件材料的 切削加工性和加工条件综合选择刀具材料、刀具几何参数、刀具、切削用量和切切削加工性和加工条件综合选择刀具材料、刀具几何参数、刀具、切削用量和切 削液。削液。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程

4、学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图图1-1 塑性金属挤压与切削示意图塑性金属挤压与切削示意图 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图图1.2 1.2 金属切削过程模型金属切削过程模型 （）简化模型；（）

5、晶粒滑移示意图；（）简化模型；（）晶粒滑移示意图；（3 3）滑移与晶粒的伸长）滑移与晶粒的伸长 （1） （2） （3） 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 二、二、变形区的划分及特征变形区的划分及特征 第一变形区（剪切滑移、加工硬化）第一变形区（剪切滑移、加工硬化） 始滑移面始滑移面OA与与终滑移面终滑移面OM之间的变形区称为第一变形区，宽度很之间的变形区称为第一变形区，宽度很窄窄(约约 0.020.2mm)，故常用，故常用OM剪切面亦称滑移面来表示，它与切削速度的夹角称剪切面亦称滑移面来表示，它与切

6、削速度的夹角称 为为剪切角剪切角。 第二变形区（纤维化、加工硬化）第二变形区（纤维化、加工硬化） 当切屑沿前面流出时，由于受到前面当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压挤压和和摩擦摩擦作用，在前面作用，在前面摩擦阻力摩擦阻力的的 作用下，靠近前面的切屑底层金属作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形再次产生剪切变形。使切屑底层薄的一层金。使切屑底层薄的一层金 属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层滞流层，这一区域又称为第二变形区。，这一区域又称为第二变形区。 第三变形区（摩擦与加工硬化）第三变形区（摩擦与加工硬化） 第三变形区也称为第三变形区也称为刀刀工

7、接触区工接触区，主要是刀具的后刀面与工件的挤压和摩擦，主要是刀具的后刀面与工件的挤压和摩擦， 形成形成已加工表面已加工表面。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 1.3 1.3 金属切削过程中的流线与三个变形区示意图金属切削过程中的流线与三个变形区示意图 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图图1-4 1-4 第一变形区金属的滑移第一变形区金属的滑移 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院

8、 (School of mechanical engineering) 2.2.第二变型区的挤压和摩擦第二变型区的挤压和摩擦 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) f f n f A A F F （1-101-10） 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) Cvc b WHBS， ss nc aF vv v c c 0 粘接严重 vv v c c 流动应力塑性 范围内一般 c v 现代切削加工技术现代切削加工技术

9、机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) (1-1)(1-1) 图图1-5剪切变形示意图剪切变形示意图 1. 剪切角剪切角：剪切滑移面剪切滑移面 与切削速度方向的夹角，与切削速度方向的夹角， 其大小可以作为衡量切削其大小可以作为衡量切削 过程情况的标志过程情况的标志。 2. 相对滑移相对滑移（剪应变）（剪应变） S剪切变形层金属的滑剪切变形层金属的滑 移量；移量； y变形层厚度变形层厚度 右图及公式（右图及公式（1-1）主要描述）主要描述 了剪切角与剪应变的关系。了剪切角与剪应变的关系。 一、切屑变形度量一、切屑变形度量 现代切削加工技术现

10、代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) D ch ha h h ch c hl l l hhlha （1-2） （1-3） （1-4） 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 讨论：讨论： 1.1.剪切角、相对滑移、和剪切角、相对滑移、和 变形系数是根据纯剪切变形系数是根据纯剪切 理论的观点提出的，它理论的观点提出的，它 们不能反映全部的金属们不能反映全部的金属 变形实质；变形实质； 2.2.当当 时，对于某一固时，对于某一固 定的剪

11、切角，相对滑移定的剪切角，相对滑移 与变形系数成正比；与变形系数成正比； 3.3.当当 4.4.当当 时，不能用变形时，不能用变形 系数表示变形程度。系数表示变形程度。 sin )cos( sin )90sin( D OM OM h h ch h o o cos 1sin2 2 （1-51-5） 5 . 1 越大；越小， 3015 2 . 1 sin cos tan 4. 相对滑移与变形系数的关系相对滑移与变形系数的关系 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图图1-5 作用在切屑上的力作用在切屑上的力

12、 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图图1-6 作用在切屑上的力与角度的关系（作用在切屑上的力与角度的关系（c） 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) tan )tan( )sin()cos( )cos(sin )cos( sin 令： ，所以： 故： ，且 c p rprc D r rs D ss F F FFFF A F FF A AF （1-61-6） （1-71-7） 现代切削加工技术现代切削加工技术

13、 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 224 0 d d )cos(sin 61 得： ，令）式：由（ rD r FA F （1-81-8） 4 （1-91-9） 上述两个公式反映了剪切角、刀具前角，刀上述两个公式反映了剪切角、刀具前角，刀屑之间的摩屑之间的摩 擦三者之间的关系，结合剪切角与变形系数的关系，也反擦三者之间的关系，结合剪切角与变形系数的关系，也反 映了三者对切屑变形的影响。映了三者对切屑变形的影响。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineeri

14、ng) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 解释依据解释依据 sin )cos( tan 4 f f n f A A F F 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 1.1.工件材料工件材料 h h av s avb HRC sin )cos( 4 tan , h h h av s a

15、v h h （间接作用小） 直接作用大 sin )cos( )( sin )cos( tan 4 2.2.刀具前角刀具前角 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 度范围内不产生积屑瘤的切削速 区后移 流动应力塑性 I, cep c vvv v . minmax ；积屑瘤最大消失 。积屑瘤积屑瘤阶段，；在积屑瘤 积屑瘤阶段，形的。在积屑瘤实际前角来影响切屑变 成的响主要是通过积屑瘤形范围内，切削速度的影在有积屑瘤的切削速度 实 实 c c v v 3. 切削速度切削速度 4. 切削厚度切削厚度 ss nc

16、 afF, 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 单元切屑挤裂切屑带状切屑 c a c v c a c v c a c v c a c v , , , , 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 1-10 切屑的类型切屑的类型 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图图1-11 切屑的各种形状切屑的各种形状 现代切削加工技术

17、现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图1-12 卷屑机理 ,. 3 ;. 2 ;. 1 ; sin2 40, ; sin2 cnb cb cb n n bb n b n c RW RR RR W R W W R 恒定 切屑槽半径 进入角 面内的弦长； 切屑槽圆弧

18、在前刀 切屑卷曲半径 （a）全圆弧形卷屑槽半径计算与讨论 2 sin2 n c W R 切屑卷曲半径 （b）直线形卷屑槽的卷屑半径 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图1-13 断屑机理 （4 4）影响切屑卷曲和折断的主要因素）影响切屑卷曲和折断的主要因素 u工件材料性能：工件材料性能：工件材料的屈服极限、弹性模量越小，塑性越低，越工件材料的屈服极限、弹性模量越小，塑性越低，越 易折断；易折断； u切削用量：切削用量：切削厚度小，背吃刀量大，切削速度高，断屑难；切削厚度小，背吃刀量大，切削速度高，断

19、屑难； u刀具前角：刀具前角：前角小，变形大，易折。前角小，变形大，易折。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （1 1）根据不同的加工材料选择不同的几何参数的刀具，来）根据不同的加工材料选择不同的几何参数的刀具，来 达到预期的切屑的几何形状和流向；达到预期的切屑的几何形状和流向； （2 2）通常在前刀面上制造断屑器（台）和卷屑槽的方法使）通常在前刀面上制造断屑器（台）和卷屑槽的方法使 切屑尽快折断；切屑尽快折断； （3 3）采用适当的刃倾角）采用适当的刃倾角s s， ，达到满意的切屑流向。 达到满意

20、的切屑流向。 损坏已加工表面。形成长螺卷切屑流向已加工表面， 床转动部件；形成长螺卷屑，缠绕机切屑流向机床床头箱， 斜角切削 卷屑；流出，形成平面螺旋状似垂直于切削刃的方向，直角切削，切屑沿近 切屑的流向。一般说来，刃倾角控制 屑，易0, , 0 , 0 0 s s s s 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) u现象：现象：在切削塑性金属材料时，在切削塑性金属材料时， 粘接、冷焊并沉积在前刀面切削粘接、冷焊并沉积在前刀面切削 出的一种硬度极高的金属楔状块。出的一种硬度极高的金属楔状块。 u产生原因：产

21、生原因：在一定的切削速度范在一定的切削速度范 围内，在高压、高温、摩擦的条围内，在高压、高温、摩擦的条 件下，刀件下，刀屑处于新鲜的接触屑处于新鲜的接触 状态，加之原子间的亲和力，产状态，加之原子间的亲和力，产 生于切屑底层的金属粘接和堆积。生于切屑底层的金属粘接和堆积。 工件材料的塑性；工件材料的塑性； 切削速度；切削速度； 刀具前角；刀具前角； 冷却润滑条件。冷却润滑条件。 图图2-7 积屑瘤积屑瘤 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (

22、School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 一、切削力来源：一、切削力来源： 加工材料的弹塑性变形抗力（包括剪切力）、切屑与前刀面加工材料的弹塑性变形抗力（包括剪切力）、切屑与前刀面 的摩擦力、工件已加工表面与后刀面的摩擦力。的摩擦力、工件已加工表面与后刀面的摩擦力。 二、切削力的分解二、切削力的分解： 切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余 材料变为切屑所需的力称为切削力

23、。为了研究方便，将作用于刀具材料变为切屑所需的力称为切削力。为了研究方便，将作用于刀具 上的切削合力分解为相互垂直的上的切削合力分解为相互垂直的F Fc c、F Ff f、F Fp p。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) FcFc切削力切削力, ,切于过渡表面切于过渡表面, ,与基与基 面垂直。面垂直。 作用：计算刀具和机床强度作用：计算刀具和机床强度, ,确定确定 机床功率。机床功率。 FfFf进给力进给力, ,在基面内在基面内, ,与进给方与进给方 向相反。向相反。 作用：用于设计机床进给机构和

24、作用：用于设计机床进给机构和 确定进给功率。确定进给功率。 FpFp背向力背向力, ,在基面内在基面内, ,与进给方与进给方 向垂直。向垂直。 作用：计算工件挠度和刀具、机作用：计算工件挠度和刀具、机 床零件的强度。床零件的强度。2 y 2 x 2 z 2 p 2 f 2 C FFF FFFF 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) . kW 36.16075 10 kW 36.16075 10 r/mm min/rkgf kW10 1000 kW10 1000 C C E CC C 3 f 3 fCC

25、C CfC 3 CCC f 3 f CCC P P vF P fnF fnFvF P f vFF vFP fnF fnF vFP w w w w 机床电机功率 ，则：）略去进给功率：（ ）（ ，则： ，单位制： ，则：略去进给功率： ）（ 切削功率： 三、切削功率三、切削功率 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (

26、School of mechanical engineering) 图1-14 八角环三向车削测力仪 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 4.4.压电式测力仪压电式测力仪 原理原理 利用某些材料（石英晶体或压电陶瓷）的压电利用某些材料（石英晶体或压电陶瓷）的压电 效应。即在受外力作用下，压电材料的表面产生电效应。即在受外力作用下，压电材料的表面产生电 荷，电荷的多少与所施的压力成正比，与压电晶体荷，电荷的多少与所施的压力成正比，与压电晶体 的大小无关。用电荷放大器转换成相应的电压参数的大小无关。用电荷

27、放大器转换成相应的电压参数 ，从而测出力的大小。，从而测出力的大小。 特点特点 灵敏度高、刚度大、自振频率高、线性度和抗灵敏度高、刚度大、自振频率高、线性度和抗 相互干扰性好、无惯性；易受湿度的影响，产生零相互干扰性好、无惯性；易受湿度的影响，产生零 点漂移。点漂移。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 二、切削力的计算机辅助测试二、切削力的计算机辅助测试 基本原理：基本原理： 在测力传感器的弹性元件上粘贴具有一定电在测力传感器的弹性元件上粘贴具有一定电 阻值的电阻应变片，然后将电阻应变片联成电桥阻值

28、的电阻应变片，然后将电阻应变片联成电桥 ，电桥的输出与弹性体的应变成正比。三向应变，电桥的输出与弹性体的应变成正比。三向应变 模拟信号输出并进行高倍率放大后，再经模拟信号输出并进行高倍率放大后，再经A/DA/D板板 转换为数字量送入计算机。在软件系统控制下，转换为数字量送入计算机。在软件系统控制下， 实现显示和各种功能辅助。实现显示和各种功能辅助。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 图1.1 三向切削测力仪实验系统 图1-15 切削力实验硬件系 统简图 测量方法：测量方法： 在本课程实验一具体描述。

29、 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 三、切削力经验公式的建立三、切削力经验公式的建立 建立方法建立方法： （1 1）单因素实验法）单因素实验法 （2 2）多因素实验法）多因素实验法 实验数据处理方法实验数据处理方法 （1 1）图解法）图解法 （2 2）回归分析法（包括最小二乘法）回归分析法（包括最小二乘法） （3 3）计算机数据采集、处理和预报）计算机数据采集、处理和预报 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering)

30、 （一）工件材料的影响（系数（一）工件材料的影响（系数CF CF 或单位切削力或单位切削力k kc c体现）体现） 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。 （二）切削用量的影响（二）切削用量的影响 a appA Ac c成正比成正比， k kc c不变，不变， a ap p的的 指数约等于指数约等于1 1，因而，因而 切削力成正比增加；切削力成正比增加； f fA Ac c成正比成正比，但，但 k kc c略减小，略减小， f f 的的 指数小于指数小于1 1，因而，因而 切削力增加但与切削力增加但与f f 不成正比。不成正比。 生

31、产实意义：生产实意义：从切削刀具上的载荷和能量消耗的角度，用从切削刀具上的载荷和能量消耗的角度，用 大的进给量比用大的背吃刀量工作更有利大的进给量比用大的背吃刀量工作更有利。 速度速度v v 对对F 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， v v 变形程度变形程度切削力减小切削力减小 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 1.在积屑瘤增长阶段在积屑瘤增长阶段 随随v 积屑瘤高度积屑瘤高度，变形，变形 程度程度，F 2.在积屑瘤减小阶

32、段在积屑瘤减小阶段 v 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v ，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 计算计算F 时乘以修正系数时乘以修正系数Kv或或 指数指数zF约为约为-0.15来体现来体现 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （三）刀具几何参数的影响（三）刀具几何参数的影响 1.1.前角前角0 0 的影响的影响 加工塑性材料时，加工塑性材料时，0 变形程度变形程度F加工脆性材料时，切削变形很小，加工脆性材料时，切削变形很小， 0对对 F 影响不显

33、著影响不显著0 30或高速切削时，或高速切削时， 0对对 F 影响不显著影响不显著 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 2. 主偏角主偏角r的影响的影响 r对对Fc影响较小，影响程度影响较小，影响程度 不超过不超过10%，r在在60 75之间时，之间时，Fc最小。最小。 r对对Fp、 Ff影响较大影响较大 Fp FD cosr Ff FD sinr Fp随随r 增大而减小，增大而减小，Ff随随 r 增大而增大增大而增大 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of

34、mechanical engineering) 3.3.刃倾角刃倾角s s的影响的影响 s对对Fc影响很小，影响很小， s对对Fp、Ff影响较大影响较大 Fp随随s增大而减小，增大而减小， Ff随随s增大而增大增大而增大 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 4.4.负倒棱负倒棱b b1 1的影响 的影响 b1 与f 之比增大, 切削力随之增大。 当切钢b1/f 5或 切铸铁b1/f 3时， 切削力趋于稳定，接 近于负前角的状态。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (Schoo

35、l of mechanical engineering) 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 r r 增大相当于 增大相当于r r减小的影响减小的影响 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （六）刀具材料的影响（六）刀具材料的影响 按立方氮化硼、陶瓷、涂层、 硬质合金、高速钢顺序，切削 力依次增大。 （五）切削液的影响（五

36、）切削液的影响 切削液润滑作用越好，切削力减 小越显著，低速时更突出。 （四）刀具磨损的影响（四）刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度VB越大，摩 擦越强烈，切削力也越大。 VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 1.3.1 1.3.1 切削热的产生和传导切削热的产生和传导 切削热产生于三个变形区，切 削过程中消耗的能量约98%转 换为热能，切削热 qPcFcv =Cfcapf 0.75v-0.15KFcv = Cfcapf 0.75v0.85KFc 切削热通

37、过切屑、工件、刀具 和周围介质向外传出 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 切削温度是指切削区域的平均温度平均温度，一般用前刀面 与切屑接触区的平均温度近似代替。 切削温度的测量方法目前主要有自然热电偶法、人自然热电偶法、人 工热电偶法和半人工热电偶法。工热电偶法和半人工热电偶法。 一、自然热电偶法一、自然热电偶法 原理：原理：利用刀具和工件材料化学成分的不同构成热 电偶，将刀具和工件作为热电偶的两极，组成热电回 路测量切削温度的方法。 特点：特点：利用自然热电偶可以测量切削区的平均温度 ，但是不能测

38、出切削区指定点的温度。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 二、人工热电偶法二、人工热电偶法 原理：原理：将两种预先经过标定的金属丝组成 热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件预 定要测量的点上，冷端通过导线串接电位计 或毫伏计，根据表上的数值和热电偶标定曲 线，可以获得焊接点上的温度。 特点：特点：利用人工热电偶法只能测得距前刀 面有一定距离的某点温度，而不能测出前刀 面上的温度。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineer

39、ing) 1.3.3、切削温度的分布规律、切削温度的分布规律 红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布 规律：规律： 1.剪切面上各点的温度基本一致; 2.前、后刀面上的最高温度都处于离刀刃一定距离的地方； 后刀面的温度降低和升高在极短时间内完成； 3.在剪切区域内，垂直于剪切方向上的温度梯度较大；垂 直于前刀面的切屑底层的温度梯度较大； 4.工件材料塑性越大，前刀面与切屑的接触长度越长，温 度分布越均匀；工件材料脆性越大，最高温度所在的点离刀 刃越近；工件材料导热系数越低，前、后刀面上的温度越高。 现代切削加工技术现代切削加工技术

40、机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 1.3.4 1.3.4 影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 两个方面：切削热的产生与传出两个方面：切削热的产生与传出 （一）切削用量的影响（一）切削用量的影响 由由实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x 式中系数及指数见表1-4,由表中数据看出： z在0.30.5之间，y在0.150.3，x在0.050.1 切削用量时切削温度 ，其中v 对影

41、响最大，进 给量 f 的影响比v 小，背吃刀量ap的影响很小。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （二）刀具几何参数的影响（二）刀具几何参数的影响 1. 1. 前角前角0 0 的影响的影响 0 变形程度F q ，但0 20时，因散热面积， 对的影响减小 2. 2. 主偏角主偏角r r的影响的影响 r ，切削宽度aw ，散热面 积 3. 3. 负倒棱和刀尖圆弧半径的影响负倒棱和刀尖圆弧半径的影响 b1 、r，切屑变形程度q 同时散热条件改善，两者趋于平衡 对对影响很小影响很小 现代切削加工技术现代切削

42、加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （三）工件材料的影响（三）工件材料的影响 强度硬度、塑性和韧性越大，切 削力越大，切削温度升高，导热 率大，散热快，温度下降。 （四）刀具磨损的影响（四）刀具磨损的影响 后刀面磨损增大，切削温度升高; VB达一定值影响加剧;v越高刀磨损 对影响越显著。 （五）切削液的影响（五）切削液的影响 浇切削液对切削温度刀具 磨损加工质量有明显效果。 热导率比热容和流量越大，本 身温度越低冷却效果越显著。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechani

43、cal engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) u概述概述 刀具在切削工件材料的过程中，本身也发生损坏。刀刀具在切削工件材料的过程中，本身也发生损坏。刀 具的损坏分为磨损和破损。具的损坏分为磨损和破损。 刀具的磨损表现为连续的逐渐磨损，刀具磨损时存在刀具的磨损表现为连续的逐渐磨损，刀具磨损时存在 着机械、热和化学变化，表现为摩擦、黏结和扩散等现象。着机械、热和化学变化，表现为摩擦、黏结和扩散等现象。 刀具的破损表现为突然发生，包括崩刃、碎断、剥落、刀具的破损表现为突然发生，包括崩

44、刃、碎断、剥落、 裂纹破损等。裂纹破损等。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 一、刀具磨损的形态一、刀具磨损的形态 （一）前刀面磨损（一）前刀面磨损 产生机理：产生机理：切塑性材料，切塑性材料，v v 和和a ac c 较大时，切屑与前刀面完全是新鲜的较大时，切屑与前刀面完全是新鲜的 表面接触和摩擦，化学反应强烈；高表面接触和摩擦，化学反应强烈；高 温高压下，切削液难以进入刀屑接触温高压下，切削液难以进入刀屑接触 区，产生前刀面磨损。区，产生前刀面磨损。 磨损形态：磨损形态：在前刀面上形成月牙在前刀

45、面上形成月牙 洼磨损。洼磨损。 尺寸指标：尺寸指标：前刀面的磨损值以月前刀面的磨损值以月 牙凹最大深度牙凹最大深度KT KT 表示。表示。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （三）边界磨损（三）边界磨损 磨损形态：磨损形态：切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已 加工表面接触处磨出沟纹，称为边界磨损。加工表面接触处磨出沟纹，称为边界磨损。 产生机理产生机理：边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯边界处的加工硬化层、硬质点、较大的应力梯 度和温度梯度所造成。

46、度和温度梯度所造成。 （二）后刀面磨损（磨损带磨损）（二）后刀面磨损（磨损带磨损） 产生机理：产生机理：切铸铁或切铸铁或v v 和和a ac c较小切塑性材料时，由于刀具后较小切塑性材料时，由于刀具后 刀面与工件已加工表面接触区的挤压和摩擦而造成后刀面磨损。刀面与工件已加工表面接触区的挤压和摩擦而造成后刀面磨损。 磨损形态磨损形态：高速切削有时呈面包状，一般情况下呈带状：高速切削有时呈面包状，一般情况下呈带状。 尺寸指标：尺寸指标：后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大 值为值为VCVC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以；中间部位磨损较均匀，平均

47、磨损宽度以VBVB表示；边界处表示；边界处 磨损严重，以磨损严重，以VNVN表示。表示。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 二、刀具磨损的原因二、刀具磨损的原因 从对温度的依赖程度看，刀具正常磨损的主要原因是：从对温度的依赖程度看，刀具正常磨损的主要原因是： （1）机械磨损：工件材料中硬质点的刻划作用而引起的磨损。）机械磨损：工件材料中硬质点的刻划作用而引起的磨损。 （2

48、）热化学磨损：粘结、扩散、腐蚀等引起的磨损）热化学磨损：粘结、扩散、腐蚀等引起的磨损 （一）机械磨损（磨料磨损、硬质点磨损）（一）机械磨损（磨料磨损、硬质点磨损） 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物、积屑瘤碎片切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物、积屑瘤碎片 等）对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。等）对刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 影响硬质点磨损的原因有：材料表面的显微硬度、磨粒硬度、影响硬质点磨损的原因有：材料表面的显微硬度、磨粒硬度、 材料表面的硬度（热处理状态、加工硬化程度等）。材料表面的硬度（热处理状态、加工硬化程度等）。 刀具在各种切削速度下都存在硬质点磨损，但它是低速

49、切削刀具在各种切削速度下都存在硬质点磨损，但它是低速切削 时刀具磨损的主要原因。时刀具磨损的主要原因。 HSSHSS刀具发生硬质点磨损的几率较大。刀具发生硬质点磨损的几率较大。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （二）粘结磨损（二）粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，接触到原刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，接触到原 子间结合距离而产生粘结现象，又称为冷焊。子间结合距离而产生粘结现象，又称为冷焊。 两摩擦表面的粘结点因相对运动、晶粒或晶粒群受剪或受两摩擦表面的粘结点因相对运动

50、、晶粒或晶粒群受剪或受 拉而被工件材料带走是造成粘结磨损的原因。拉而被工件材料带走是造成粘结磨损的原因。 粘结点的破裂一般发生在材料比较软的一方，但是由于刀粘结点的破裂一般发生在材料比较软的一方，但是由于刀 具材料往往组织不均匀，存在内应力、微裂纹、空隙、局部软具材料往往组织不均匀，存在内应力、微裂纹、空隙、局部软 点等缺陷，使得刀具材料也会被带走。点等缺陷，使得刀具材料也会被带走。 粘结程度取决于切削温度、粘结程度取决于切削温度、刀具与工件材料之间的亲和力、刀具与工件材料之间的亲和力、 刀屑接触面的清洁程度、刀具和工件材料的硬度比、刀具表面刀屑接触面的清洁程度、刀具和工件材料的硬度比、刀具表

51、面 形状与组织、切削条件等。形状与组织、切削条件等。 而切削温度是影响粘结磨损的主要因素。而切削温度是影响粘结磨损的主要因素。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （三）扩散磨损（三）扩散磨损 刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在 固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高、刀具与工材料亲合力越大，扩散越快切削温度越高、刀具与工材料亲合力越大，扩散越快； 高速切削时，刀具与工

52、件接触区的温度大于硬质合金与钢高速切削时，刀具与工件接触区的温度大于硬质合金与钢 作用的正常温度，引起摩擦副金属间的相互溶解和扩散。因此作用的正常温度，引起摩擦副金属间的相互溶解和扩散。因此 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。 几种刀具材料与铁相互扩散强度的大小顺序为：几种刀具材料与铁相互扩散强度的大小顺序为： 金刚石金刚石碳化硅碳化硅立方氮化硼立方氮化硼氧化铝氧化铝 而与钛合金相互扩散强度的大小顺序为：而与钛合金相互扩散强度的大小顺序为： 氧化铝氧化铝立方氮化硼立方氮化硼碳化硅碳化硅金刚石金刚石 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械

53、工程学院 (School of mechanical engineering) （四）化学磨损（四）化学磨损 一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起化学一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起化学 作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。 化学磨损是边界磨损原因之一，主要发生在较高速切削条件化学磨损是边界磨损原因之一，主要发生在较高速切削条件 下。下。 （五）热电磨损（五）热电磨损 切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程

54、学院 (School of mechanical engineering) 小结：小结： 1.1.对一定的刀具和工件材料，起主导作用的是切削对一定的刀具和工件材料，起主导作用的是切削 温度。低温区以机械磨损（硬质点磨损）为主，高温度。低温区以机械磨损（硬质点磨损）为主，高 温区以热化学磨损为主。温区以热化学磨损为主。 2.2.对耐热性较低的高速钢，其磨损主要是硬质点磨对耐热性较低的高速钢，其磨损主要是硬质点磨 损和粘结磨损；对于硬质合金，主要是粘结磨损和损和粘结磨损；对于硬质合金，主要是粘结磨损和 扩散磨损。扩散磨损。 3.3.加工钢时，氧化铝刀具主要是硬质点磨损和粘结加工钢时，氧化铝刀具主要

55、是硬质点磨损和粘结 磨损。磨损。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) （一）刀具磨损过程（一）刀具磨损过程 1. 初期磨损阶段初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关与刀具刃磨质量有关 2. 正常磨损阶段正常磨损阶段 VB与切削时间近似正比与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度斜率表示磨损强度 3. 急剧磨损阶段急剧磨损阶段 切削力、温度急升，刀切削力、温度急升，刀 具磨损加剧，之前换刀具磨损加剧，之前换刀 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical

56、engineering) （二）刀具磨损标准（二）刀具磨损标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称 为磨钝标准。为磨钝标准。 1.小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝；小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝； 2.ISO标准规定以标准规定以1/2 ap处的处的VB值作为刀具的磨钝标准；在不值作为刀具的磨钝标准；在不 同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。 粗车碳素钢粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁粗车铸铁0.81.2 粗车合金钢粗车合金钢0.40.5 精车碳钢精

57、车碳钢0.10.3 系统刚性大、系统刚性大、HSS ， VB值较大；值较大； 系统刚性小、系统刚性小、Y合金，合金，VB值较小值较小 3.自动化精加工刀具，以径向磨损量自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准。作为磨钝标准。 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 。，取如果切削刃磨损不均匀 ；：切削刃磨损均匀，取）刀具耐用度实验条件（ 关系 0.6mmVB 3mm. 0VB1 . 1 max Tv （一）刀具耐用度（一）刀具耐用度T T 刀具刃磨后开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时刀具刃磨后

58、开始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时 间称为刀具耐用度（刀具使用寿命）。间称为刀具耐用度（刀具使用寿命）。 刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时 间。间。 刀具总使用寿命刀具耐用度刀具总使用寿命刀具耐用度刃磨次数刃磨次数 （二）刀具耐用度经验公式的建立（二）刀具耐用度经验公式的建立 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 线的方程为： 一条直线。该直是刀具耐用度曲线连接这些点的曲线，就 各点。），（），（对数坐标纸上，定出（ 。在度速度，

59、就有相应的耐用标准，对应不同的切削 据规定的磨钝得到一组磨损曲线；根验进行刀具耐用度磨损试 ，取常用的切削速度范围内固定其他切削条件，在 ）试验过程及数据处理（ , , , , 2 332211 321 321 TvTvTv TTT vvv 0 0 logloglog CvT CTmv m 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 的变化就很大。刀具耐用度 改变很小时，当切削速度用度的影响越大。即：说明切削速度对刀具耐 越小，耐热性越低，斜率热性决定的，刀具材料它主要是由刀具材料耐 度。切削速度变化的敏感程

60、义是表示刀具耐用度对中直线的斜率；物理意 对数坐标系，它的几何意义是表示参数是上述公式中重要的一个 ）讨论（ T v m Tvm 3 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院机械工程学院 (School of mechanical engineering) 关系Tf . 2 关系Ta p . 3 1 1 CfT m 2 2 CTa m p T1 T2 T3 T4 tm(min) vc1 vc2 vc3 vc4 VB(mm) vc1 vc2 vc3vc4 T1 T2 T3 T4 T(min) vc(m/min) vc1 vc2 vc3 vc4 现代切削加工技术现代切削加工技术 机械工程学院