机械制造工程学第2章金属切削过程的基本规律

1、第2章金属切削过程的基本规律2.1金属切削过程2.2切削力与切削功率2.3切削热和切削温度2.4刀具的磨损与刀具使用寿命2.5切削条件的合理选择2.6工件材料的切削加工性图图2-1 金属切削过程中的滑移线和流线金属切削过程中的滑移线和流线2.1金属切削过程2.1.1切屑的形成过程及变形区的划分图图2-2 切屑类型切屑类型图图2-3 金属切削过程中的滑移线和流线金属切削过程中的滑移线和流线衡量切屑变形程度的方法衡量切屑变形程度的方法 ：切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比hh 图图2-4 切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比hh的计算的计算chDDchhllhh一、切屑形成过程一、切屑形成过程 以塑性材料的切屑

2、以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区形成为例，金属切削区可大致划分为：可大致划分为： 三个变形区三个变形区 第一变形区第一变形区 第二变形区第二变形区 第三变形区第三变形区（一）第一变形区（一）第一变形区OA始滑移线始滑移线OM终滑移线终滑移线变形的主要特征：变形的主要特征： 剪切滑移变形剪切滑移变形 加工硬化加工硬化一般速度范围内一区一般速度范围内一区宽度为宽度为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（剪切滑移区）（剪切滑移区）（二）第二变形区（二）第二变形区（三）第三变形区第三变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩切屑

3、沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。（挤压摩擦区）（挤压摩擦区） 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。刃前区：刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集 中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离（挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）2.1.2变形系数 在切削过程中，被切金属层

4、在刀具的推挤下被压缩，因此，切屑厚度通常要大于切削层的厚度，而切屑长度却小于切削长度，如图2-2所示图2-2三个变形区、剪切角 由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程由于工件材料性质和切削条件不同，切削层变形程度也不同，因而产生的切屑也多种多样。归纳起来，主度也不同，因而产生的切屑也多种多样。归纳起来，主要有以下四种类型，如图要有以下四种类型，如图2-8所示所示 图图2-8切屑形态切屑形态a a）带状切屑）带状切屑 ：切屑延续成较长的带状，内表面光滑、而外切屑延续成较长的带状，内表面光滑、而外表面呈毛茸状。表面呈毛茸状。b)b)挤裂切屑：挤裂切屑：切屑内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。切

5、屑内表面有时有裂纹，外表面呈锯齿形。c)c)单元切屑单元切屑：切屑切离成单元切屑。切屑切离成单元切屑。d)d)崩碎切屑：崩碎切屑：切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。切屑的形状不规则，加工表面凸凹不平。2.1.3切屑的类型图2-9 切屑类型a)带状切屑 b)挤裂切屑 c)单元切屑 d)崩碎切屑 在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2-3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替切削刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。图2-34 积屑瘤现象2.1.4积屑瘤 在用中等或较低的

6、切削速度切削塑性较大的金属材料时，在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时，往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤积屑瘤。 积屑瘤的产生：积屑瘤的产生：切削过程中，刀切削过程中，刀屑间的摩擦，使刀具屑间的摩擦，使刀具前刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属与前刀面十分洁净，在一定温度和压力下，切屑底层金属与前刀面接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图前刀面接触处发生粘结，形成了积屑瘤，如图7-97-9所示。所示。随后，积屑瘤逐渐长大，直到该随后，积屑瘤逐渐长大，直到该处的温度和压力不足以产生粘结处的温度和压力不足以产生粘结为止。积屑瘤在形

7、成过程中是一为止。积屑瘤在形成过程中是一层层增高的，到一定高度会脱落，层层增高的，到一定高度会脱落，经历了一个生成、长大、脱落的经历了一个生成、长大、脱落的周期性过程。周期性过程。图图7-9 积屑瘤的形成积屑瘤的形成积屑瘤的作用和影响：积屑瘤的作用和影响： 1）保护刀具：保护刀具：积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。能代替切削刃和前刀面进行切削，从而减少了刀前刀面。能代替切削刃和前刀面进行切削，从而减少了刀具磨损，起到保护刀具的作用。具磨损，起到保护刀具的作用。 2 2）增大前角：）增大前角：积屑瘤具有积屑瘤具有3030左右的前角，因而减少了左右的前

8、角，因而减少了切削变形，降低了切削力。切削变形，降低了切削力。3 3）增大切削厚度：）增大切削厚度：积屑瘤前端伸出于切削刃之外，使切积屑瘤前端伸出于切削刃之外，使切削厚度增加了削厚度增加了h hD D值是变化的，因而影响了工件的尺寸精值是变化的，因而影响了工件的尺寸精度。度。4 4）增大已加工表面粗糙度：）增大已加工表面粗糙度：积屑瘤高度的周期性变化，积屑瘤高度的周期性变化，使切削厚度不断变化，以及由此而引起振动，积屑瘤粘附使切削厚度不断变化，以及由此而引起振动，积屑瘤粘附在切削刃上很不规则，导致在已加工表面上刻划出深浅和在切削刃上很不规则，导致在已加工表面上刻划出深浅和宽窄不同的沟纹；脱落的

9、积屑瘤碎片留在已加工表面上。宽窄不同的沟纹；脱落的积屑瘤碎片留在已加工表面上。 控制积屑瘤产生的措施(1)避开容易产生积屑瘤的切削速度范围当工件材料一定时，切削速度是影响积屑瘤的主要因素。(2)降低材料塑性工件材料塑性越大，刀具与切屑之间的平均摩擦因数增加，越容易生成积屑瘤。(3)合理使用切削液使用切削液可降低切削温度，减少摩擦，因此，可抑制积屑瘤的产生。(4)增大刀具前角、提高刀具刃磨质量刀具前角的增大，可以减少切屑变形和切削力，降低切削温度，因此，增大前角能抑制积屑瘤的产生。 在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及切削表面在切屑形成过程，切屑与刀具的前刀面之间及切削表面与刀具的后刀面之间

10、要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必与刀具的后刀面之间要发生摩擦，因此刀具在切削加工时必然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些然要克服材料的变形抗力及前、后刀面上的摩擦阻力。这些作用在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的作用在刀具上所有力的合力称之为刀具的一个切削部分上的总切削力，也称切削合力总切削力，也称切削合力。总切削力的方向、大小将总切削力的方向、大小将随工件材料的性质、切削随工件材料的性质、切削用量的大小及刀具的几何用量的大小及刀具的几何形状的变化而变化，因此形状的变化而变化，因此通常将其分解成几个方向通常将其分解成几个方向既定的分力。图既定的分力。图7-117-

11、11所示所示体现了切削力的来源。体现了切削力的来源。图图2-11 切削力的来源切削力的来源2.2切削力与切削功率2.2.1切削力的来源、合力及其分力1 1、切削力的分解：、切削力的分解：如图如图2-122-12所示所示1）主切削力（切向力）主切削力（切向力）Fc ：是主运动方向上的切削分力，是主运动方向上的切削分力，切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，是计算刀切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多，是计算刀具强度、设计机床零件，确定机床功率的主要依据。具强度、设计机床零件，确定机床功率的主要依据。2 2）进给力（轴向力）进给力（轴向力）F Ff f：是作用在进给方向上的切削分力，是作用在进

12、给方向上的切削分力，处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀处于基面内并与工件轴线平行。是设计进给机构、计算刀具进给功率的依据。具进给功率的依据。 图图2-12 切削力的分解切削力的分解 3）背向力（径向力或吃刀力）背向力（径向力或吃刀力）Fp ：是作用在吃刀方向上的切是作用在吃刀方向上的切削分力，处于基面内并与工件轴削分力，处于基面内并与工件轴线垂直的力。它是确定与工件加线垂直的力。它是确定与工件加工精度有关的工件挠度、切削过工精度有关的工件挠度、切削过程的振动的力。程的振动的力。 消耗在切削过程中的功率叫消耗在切削过程中的功率叫切削功率切削功率P Pc c，单位是，单位是kWkW

13、，它，它是是F Fc c、F Fp p、F Ff f在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在切削过程中单位时间内所消耗的功的总和。在进行外圆车削时，因在进行外圆车削时，因F Fp p方向没有位移，故消耗功率为方向没有位移，故消耗功率为零。零。式中式中 Fc主切削力，单位为主切削力，单位为N； Ff进给力，单位为进给力，单位为N； f 进给量，单位为进给量，单位为mm/r； c切削速度，单位为切削速度，单位为m/s； nw工件转速，单位为工件转速，单位为r/s。 3101000fnFFPwfccm2.2.2切削功率单位切削力kc是指单位切削面积上的切削力：2.2.3单位切削力切削力切削力背向力

14、背向力进给力进给力切削时消耗的功率切削时消耗的功率FCFCFCFCFCKnnCXCSPvfaFCFpFPFPFPKnXCFPCSPnfaFpvFfFfFfFfFfKnnXCCSPvfaFf 4106 cccvFP2.2.4切削力测量与经验公式1.切削力的经验公式 1.测定机床功率，计算切削力 用功率表测出机床电动机在切削过程中所消耗的功率PE后，计算出切削功率Pc。 2.用测力仪测量切削力 测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换处理后，读出Fc、Ff和Fp的值。2.测力仪原理图2-10电阻应变片（一）工件材料的影响（一）工件材料的

15、影响（系数（系数C CF F 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 apAc成正比成正比， kc不变，不变， ap的的 指数约等于指数约等于1，因而，因而 切削力成正比增加切削力成正比增加 fAc成正比成正比，但，但 kc略略减小，减小， f 的的 指数小于指数小于1，因而，因而 切削力增加但与切削力增加但与f 不成正比不成正比速度速度v 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

16、瘤阶段， v 变形程度变形程度切削力减小切削力减小2.2.5影响切削力的因素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 变形程度变形程度，F 2. 在积屑瘤减小阶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 或指数或指数zF约为约为-0.15来体现来体现（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 0 变形程度变形程度F FFc加工脆性材

17、料时，切削变形很小，加工脆性材料时，切削变形很小， 0 0对对 F F 影响不显著影响不显著0 0 3030或高速切削时，或高速切削时， 0 0对对 F F 影响不显著影响不显著2. 2. 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 F FD D coscosr r F Ff f F FD D sinsinr r F Fp p随随r r 增大而减小，增大而减小， F Ff

18、 f随随r r 增大而增大增大而增大3. 3. 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、 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4.4.负倒棱负倒棱b b11的影响的影响b b1 1 与与f f 之比增大之比增大, ,切削力随之增大。切削力随之增大。当切钢当切钢b b11/ /f f 55或或切铸铁切铸铁b b11/ /f f 33时，时，切削力趋于稳定，接切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。近于负前角的状态。5.5.刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r

19、 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（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，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。切削力依次增大。（五）切削液的影响（五）切削液的影响 切削液润滑作用越好，力减切削液润滑作用越好，力减 小越显著，低速时更突出。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后刀面平均磨损

20、带宽度VB 越大，摩擦越强烈，切削力越大，摩擦越强烈，切削力 也越大。也越大。 VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著 计算举例计算举例 ： 用用YT5YT5硬质合金车刀外圆纵车硬质合金车刀外圆纵车b b = = 630630 MPaMPa的热轧的热轧4545钢，车钢，车刀几何参数为刀几何参数为g go o =10=10、k kr r = = 7575、l ls s = = 5 5，切削用量为切削用量为aspasp = = 2mm2mm、f f = = 0.3mm/r0.3mm/r、vcvc = = 100100 m m / / minmin。 试计算切削力试计算切削力FcFc、FpFp

21、、F Ff f 及切削功率及切削功率PcPc 。2.2.6切削力计算例题 解解 ： 查表查表3-2得：得： CFC=2795 xFC =1.0 yFC =0.75 zFC =-0.15 FcFcFcFcFcknyxCcspcvfaF 解解 ： FcFc15. 075. 00 . 1FcFcFcFcFckkknyxC7 .11351003 . 022795cspcvfaF 解解 ： 98. 0)650630()650(k0.75nmFcFcb当当 b = 630MPa时时csFFckrFcmFcFckkkkklg续续：按按k kr =75查表查表3-4，得，得 92. 0krFck 0 . 1F

22、ckg按按g go =10 =10查表查表3-4，得，得 按按l ls =-5=-5查表查表3-4，得，得 0 . 1csFkl90. 00 . 10 . 192. 098. 0fsFFckrFcmFcFckkkkklg续续：90. 00 . 10 . 192. 098. 0csFFckrFcmFcFckkkkklg)N(kF102290. 07 .11357 .1135Fcc(kw)7 . 1410610010224106cccvFP 切削热产生切削热产生于三个变形区，于三个变形区， 切削过程中消耗的能量约切削过程中消耗的能量约 98%转换为热能，切削热转换为热能，切削热 qPcFcv =C

23、fcapf 0.75v-0.15KFcv = Cfcapf 0.75v0.85KFc切削热切削热通过切屑、工件、通过切屑、工件、刀具和周围介质向外刀具和周围介质向外传出传出2.3切削热和切削温度2.3.1切削热的产生与传出切削温度的分布切削温度的分布红外胶片法测得切钢料的温度场，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：分析归纳切削温度分布规律：剪切区等温线与滑移线相近剪切区等温线与滑移线相近 OM线温度比线温度比OA线上温度高线上温度高 剪切滑移相等的地方温度相等，剪切滑移相等的地方温度相等，1. 剪切变形是切削热的第一来源剪切变形是切削热的第一来源2.前后刀面最高温度点不在刀

24、刃上前后刀面最高温度点不在刀刃上 切屑上最高温度比剪切区温度高切屑上最高温度比剪切区温度高 切屑底层温度比上层温度高切屑底层温度比上层温度高 摩擦是切削热的又一来源摩擦是切削热的又一来源2.3.2切削温度的测量方法图2-15自然热电偶法测量切削温度示意图切削温度切削温度 一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度两个方面：两个方面：切削热的产生与传出切削热的产生与传出（一）切削用量的影响（一）切削用量的影响由实验得出切削温度经验公式如下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式中系数及指数见表1-4,由表中数据看出：由表中数据

25、看出： z z在在0.30.5之间，之间，y在在0.150.3，x在在0.050.1切削用量切削用量时切削温度时切削温度 ，其中，其中v 对对影响最大，进影响最大，进给量给量 f 的影响比的影响比v 小，背吃刀量小，背吃刀量ap的影响很小。的影响很小。2.3.3影响切削温度的主要因素（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 0 变形程度变形程度F F q 但但0 0 2020时，因散热面积时，因散热面积，对，对的影响减小的影响减小2. 2. 主偏角主偏角r r的影响的影响 r r ，切削宽度，切削宽度aw w ，散热面积散热面积 3. 3.

26、 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b b1 1 、r r，切屑变形程度切屑变形程度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（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，强度硬度、塑性和韧性越大， 切削力越大，切削温度升高。切削力越大，切削温度升高。 导热率大，散热快，温度下降导热率大，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，切削温度升后刀面磨损增大，切削温度升 高高; VB达一定值影响加剧达一定值影响加剧; v越越 高刀磨损对高刀磨损对影响越显著影响越显著（五）切削液的影响（

27、五）切削液的影响 浇切削液对浇切削液对切削温度切削温度刀具磨损刀具磨损加工质量有明显效果。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热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著刀具失效形式：刀具失效形式：磨损磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗）（正常工作时逐渐产生的损耗） 破损破损 （突发的破坏，随机的）（突发的破坏，随机的）（一）前刀面磨损（一）前刀面磨损 切塑性材料，切塑性材料，v 和和ac较大时，较大时， 在前刀面上形成在前刀面上形成月牙洼磨损，月牙洼磨损， 以最大深度以最大深度KT 表示表示（二）后刀面磨损（二）后刀面磨损 切铸铁或切铸铁或v 和和ac

28、较小切塑性较小切塑性 材料时，主要发生这种磨损。材料时，主要发生这种磨损。2.4刀具的磨损与刀具使用寿命2.4.1刀具磨损方式后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；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，平均磨损宽度以VB表示；边界处表示；边界处磨损严重，以磨损严重，以VN表示。表示。（三）边界磨损（三）边界磨损 切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接切钢料时，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。边界处的加工硬化层、硬触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬 质点、

29、较大的应力梯度和温度梯度所造成。质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。（一）磨料磨损（一）磨料磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因(HSS刀刀)。（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，达到原刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原 子间结合而产生粘结现象，又称为子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊冷焊。相对运动使粘。相对运动使粘 接点破裂而被工件材

30、料带走，造成粘结磨损。接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬 度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。2.4.2刀具的磨损原因（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。在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快；切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越

31、大扩散越快； 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。（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。化学作用，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。条件下。（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。 （一）刀具磨损过程（一）刀具磨损过程 1.

32、 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. 2. 正常磨损阶段正常磨损阶段 VBVB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. 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2.4.3刀具的磨损过程及磨钝标准（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。称为磨钝标准。 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

33、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；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。在不同的加工条件下，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（一）刀具使用寿命（一）刀具使用寿命T刀具刃磨后开

34、始切削到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间。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间。 刀具总使用寿命：刀具总使用寿命：刀具从开始使用到报废为止的总切削时间。刀具从开始使用到报废为止的总切削时间。 刀具总使用寿命刀具使用寿命刀具总使用寿命刀具使用寿命刃磨次数刃磨次数（二）刀具使用寿命与切削速度的关系（二）刀具使用寿命与切削速度的关系 工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，工件、刀具材料和刀具几何形状确定后，v 对对T 影响最大。影响最大。 通过实验得经验公式：通过实验得经验公式： v T m =C0 指数指数m 表示表示v 对对 T 的影响程度，的影响程度，Y合金合金 , m =0.2

35、0.4 ; HSS , m = 0.10.125。m 越小，则越小，则v 对对 T 的影响越大。的影响越大。 系数系数C0 ，与刀具、工件材料和切削条件有关。，与刀具、工件材料和切削条件有关。2.4.4刀具使用寿命的经验公式（三）刀具使用寿命与切削用量的关系（三）刀具使用寿命与切削用量的关系 经过实验得类似关系式：经过实验得类似关系式： f T n =C1 ap T p =C2 综合可得到综合可得到切削用量与刀具使用寿命的关系式：切削用量与刀具使用寿命的关系式：T = CT v1/m f 1/n ap1/p令令x =1/m，y =1/n，z =1/p，则，则 T = CT v x f y ap

36、z用用YT5车削车削b=0.637GPa碳钢时，碳钢时， T = CT v 5 f 2.25 ap0.75由上式看出，由上式看出，切削用量切削用量， T ，其中速度，其中速度v 对对T 影响最大，影响最大，进给量进给量f 次之，背吃刀量次之，背吃刀量ap影响最小，与对温度影响最小，与对温度影响一致。影响一致。1.1.切削液的分类切削液的分类 水溶液水溶液 水添加剂水添加剂 冷却冷却 粗加工粗加工 乳化液乳化液 乳化油水乳化油水 切削油切削油 矿物油添加剂矿物油添加剂 润滑润滑 精加工精加工2. 切削液的作用机理切削液的作用机理冷却冷却 摩擦摩擦热的产生；将热量带走。本身导热系数、热的产生；将热

37、量带走。本身导热系数、 比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。 润滑润滑 切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度度 排屑、清洗排屑、清洗 防锈防锈 防锈防锈添加剂添加剂 2.5切削条件的合理选择2.5.1切削液3. 切削液的合理选用切削液的合理选用（1 1）从加工要求考虑）从加工要求考虑 粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液；粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液； 精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；（2 2）从刀具材料考虑）从刀具材料考虑 高速钢，需用切削液；高速钢，需用切削液；

38、Y Y合金等合金等, ,可不用或充分连续用；可不用或充分连续用；（3 3）从工件材料考虑）从工件材料考虑 钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用；钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用； 高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液（4 4）从加工方法考虑）从加工方法考虑 钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油；钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油； 成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。 一、刀具几何参数的合理选择一、刀具几何参数的合理选择 刀具几何参数包含

39、四方面内容：刀具几何参数包含四方面内容： 几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数 （一）前角的选择（一）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 T T振动振动质量质量 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2.5.2刀具合理几何参数的选择对于不同的刀具材料和工件材料，对于不同的刀具材料和工件材料，T T 随随0 0 的变化趋势为驼峰形。的变化趋势为驼峰形。高速钢的合理前角比高速钢的合理前角比Y合金的大。合金的大。加工塑材的合

40、理前角比脆材的大加工塑材的合理前角比脆材的大2.2.合理前角的选择原则合理前角的选择原则粗加工、断续切削、刀材强度韧性低粗加工、断续切削、刀材强度韧性低 工材强度硬度高，选较小的前角；工材强度硬度高，选较小的前角；工材塑韧性大、系统刚性差，易振动工材塑韧性大、系统刚性差，易振动 或机床功率不足，选较大的前角；或机床功率不足，选较大的前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；成形刀具、自动线刀具取小前角；A A磨损增大前角，磨损增大前角， A A磨损减小前角磨损减小前角（二）后角的选择（二）后角的选择 1.1.后角的作用后角的作用 0 0r rn n锋利、锋利、 l摩擦摩擦F F 质量质量 VB VB

41、 一定，磨损体积一定，磨损体积T T但但NBNB 刀头强度刀头强度散热体积散热体积重磨体积重磨体积 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2.2.合理后角的选择原则合理后角的选择原则粗加工、断续切削、工材强度硬度高，粗加工、断续切削、工材强度硬度高， 选较小后角选较小后角, , 已用大负前角应已用大负前角应0 0 ；精加工取精加工取较大后角，保证表面质量；较大后角，保证表面质量；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；成形、复杂、尺寸刀具取小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；系统刚性差，易振动，取较小后角；工材塑性大工材塑性大取取较大后角，脆材较大后角，脆材0 0 （三）主偏角

42、的选择（三）主偏角的选择 1.1.主偏角的作用主偏角的作用 r rac caw w单位刃长负荷单位刃长负荷 T T 刀尖强度刀尖强度散热体积散热体积，RaRa F Fp p变形变形加工精度加工精度，易振动，易振动RaRa，T T 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2.2.合理主偏角的选择原则合理主偏角的选择原则主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r r取较取较 小值；若刚性差（细长轴），小值；若刚性差（细长轴），r r取较大值（取较大值（9090）；）；考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取考虑工件形状、切屑控

43、制、减小冲击等，车台阶轴，取 90 ；镗盲孔；镗盲孔90 ；r r小切屑成长螺旋屑不易断；小切屑成长螺旋屑不易断； 较小较小r r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。（四）副偏角的选择（四）副偏角的选择 副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角的主要作用是形成已加工表面。 副偏角副偏角 RaRa刀尖强度刀尖强度散热体积散热体积 副刃工作长度副刃工作长度 摩擦摩擦F Fp p易振动易振动RaRa，T T 在一定条件下，存在一合理值。系统刚性好，取较小值；在一定条件下，存在一合理值。系统刚性好，取较小值； 刚性差，取较大值刚性差，取较大值, ,参考表参考表2

44、-132-13。（五）刃倾角的选择（五）刃倾角的选择 1.1.刃倾角的作用刃倾角的作用 影响刀刃锋利性影响刀刃锋利性. .s s0e 0e 、r rn n 锋利性锋利性 负刃倾角负刃倾角刀头强度刀头强度散热体积散热体积 负刃倾角负刃倾角 F Fp p变形变形，易振动，易振动RaRa 正正s s切屑流向待加工表面，切屑流向待加工表面，负负s s切屑流向已加工表面切屑流向已加工表面 在一定条件下，在一定条件下， 存在一合理值存在一合理值2.2.刃倾角的选择原则刃倾角的选择原则粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s s取负值；取负值；精加工、系统刚性差（细

45、长轴），精加工、系统刚性差（细长轴），s s取正值；取正值；微量极薄切削，取大正微量极薄切削，取大正刃倾角。刃倾角。 1.1.切削用量的选择原则切削用量的选择原则 粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以 尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿 命与切削用量的关系式，命与切削用量的关系式，切削用量切削用量， T ，其中速度，其中速度 v 对对T 影响最大，进给量影响最大，进给量f 次之，背吃刀量次之，背吃刀量ap影响最小。影响最小。粗加工粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的

46、背吃刀中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀 量量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f ，最后，最后 根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速 度度v 。这样使。这样使v、f 、ap 的乘积最大，以获得最大的生产率的乘积最大，以获得最大的生产率精加工精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。 2.5.3切削用量的选择 2.2.切削用量制订的步骤切削用量制订的步骤（以车削为例）（以车削为例） （1 1）背吃刀量）背吃刀量ap的

47、选择的选择粗加工时，粗加工时， ap由加工余量和工艺系统的刚度决定，尽可由加工余量和工艺系统的刚度决定，尽可能一次走刀切除全部加工余量。能一次走刀切除全部加工余量。半精加工时，半精加工时， ap可取可取0.50.52 2 mm mm。精加工时，精加工时， ap取为取为0.10.10.40.4 mm mm。在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次走刀。若分两次走刀，第一次走刀的走刀。若分两次走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部取大些，可占全部余量的余量的2/32/33/43/4，而第二次走刀的，而第二次走刀的ap取小些，以使精加工取小

48、些，以使精加工工序具有较高的刀具寿命和加工质量。工序具有较高的刀具寿命和加工质量。切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。 （2 2）进给量）进给量f 的选择的选择 粗加工时，粗加工时，f 的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。精加工时，精加工时，f 的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。的大小主要受加工精度和表面

49、粗糙度的限制。生产实际中常根据经验或查表法确定生产实际中常根据经验或查表法确定f 。粗加工时根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及以确定粗加工时根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及以确定的背吃刀量按表的背吃刀量按表3-63-6来选择来选择f 。在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度按表件材料、刀尖圆弧半径、切削速度按表3-73-7来选择来选择f 。（3 3）切削速度的确定）切削速度的确定 根据已经选定的背吃刀量根据已经选定的背吃刀量ap 、进给量、进给量f及刀具使用寿命及刀具使用寿命T，切削速度切

50、削速度v可按下式计算求得可按下式计算求得 (3-36)(3-36) 式中各系数和指数可查阅切削用量手册。式中各系数和指数可查阅切削用量手册。 切削速度值也可查表切削速度值也可查表3-83-8来选定。来选定。v = Cv T m apxv f yv Kv生产中选择切削速度的一般原则是：生产中选择切削速度的一般原则是：1 1）粗车时，）粗车时， ap和和f 均较大，故选择较低的切削速度均较大，故选择较低的切削速度v ； 精车时，精车时， ap和和f 均较小，故选择较高的切削速度均较小，故选择较高的切削速度v 。2 2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的切削速度）工件材料强度、硬度高时，应选较低的切

51、削速度v ； 反之，选较高的切削速度反之，选较高的切削速度v 。3 3）刀具材料性能越好，切削速度）刀具材料性能越好，切削速度v选得越高。选得越高。4 4）精加工时应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域；）精加工时应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域；5 5）断续切削时为减小冲击和热应力，宜适当降低断续切削时为减小冲击和热应力，宜适当降低v ；6 6）在易发生振动的情况下，在易发生振动的情况下，v应避开自激振动的临界速度；应避开自激振动的临界速度；7 7）加工大件、细长件和薄壁件或加工带外皮的工件时，应加工大件、细长件和薄壁件或加工带外皮的工件时，应 适当较低适当较低v 。 切削用量三要素选定之后，还应

52、校核机床功率。切削用量三要素选定之后，还应校核机床功率。 2.6.1、衡量材料切削加工性的指标、衡量材料切削加工性的指标工件材料切削加工性工件材料切削加工性 指材料被加工成合格零件的难易程度指材料被加工成合格零件的难易程度 是一个相对的概念是一个相对的概念 1.1.以刀具使用寿命以刀具使用寿命T T 或切削速度或切削速度vT来衡量来衡量 相同切削条件相同切削条件比比T T ；T T 一定，一定，比速度比速度vT 或切除材料或切除材料体积体积3.3.以已加工表面质量来衡量以已加工表面质量来衡量 一般精加工，用一般精加工，用RaRa；精密零件，用；精密零件，用加工硬化、残余应力加工硬化、残余应力2

53、.2.以切削力或切削温度来衡量以切削力或切削温度来衡量 粗加工、机床刚性或功率不足用力或功率粗加工、机床刚性或功率不足用力或功率; ;导热差用温度导热差用温度4.4.以断屑性能来衡量以断屑性能来衡量 自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标2.6工件材料的切削加工性 工件工件材料的相对加工性材料的相对加工性 1.1.切削速度切削速度vT的的含义：当刀具使用寿命为含义：当刀具使用寿命为T (min)时切削时切削 某种材料所允许的切削速度。某种材料所允许的切削速度。 vT越高，材料的切削越高，材料的切削加工性越好。加工性越好。 通常取通常取T T = = 6060 minmin， vT写作写作v60 ；难加工材料，；难加工材料，vT为为v15或或v30 。2.2.相对相对加工性加工性Kr：以：以b=0.637GPa的的45钢的钢的v60作为基准，作为基准， 写作写作(v60 )j ，将某种材料的，将某种