第三章 金属切削过程与控制

1、第三章第三章 金属切削过程与控制金属切削过程与控制3.1 3.1 金属切削过程及变形区的划分金属切削过程及变形区的划分 3.2 3.2 切削力切削力3.3 3.3 切削热与切削温度切削热与切削温度3.4 3.4 刀具的磨损、破损及使用寿命刀具的磨损、破损及使用寿命3.5 3.5 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性3.6 3.6 磨削过程与磨削机理磨削过程与磨削机理3.7 3.7 金属切削条件的合理选择金属切削条件的合理选择思考题与练习思考题与练习3.1 3.1 金属切削过程及变形区的划分金属切削过程及变形区的划分 3.1.1 3.1.1 切削形成过程及其变形区的划分切削形成过程及其变形区

2、的划分3.1.2 3.1.2 变形程度的表示方法变形程度的表示方法p剪切角剪切角 p相对滑移相对滑移p变形系数变形系数hh3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形及摩擦刀、屑接触区的变形及摩擦3.1.4 3.1.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响3.1.5 3.1.5 切削的类型切削的类型3.1.1 3.1.1 切削形成过程及其变形区的划分切削形成过程及其变形区的划分p金属的切削过程金属的切削过程l金属的切削过程就是刀具从工件表面切除多余的金属，从而形成切屑和已加工表面的全过程p切削形成的过程切削形成的过程l大量的实验和理论分析证明，切削塑性金属时切削的形成

3、过程就是切削层金属产生变形的过程 第一变形区的变形特征p金属切削变形过程金属切削变形过程切屑根部金相照片切屑根部金相照片切削变形实验设备与录像装置切削变形实验设备与录像装置第三变形区的变形特征p金属的切削变形区的划分金属的切削变形区的划分第第变形区变形区：即剪切变形区，金：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此削过程的塑性变形主要集中于此区域区域第第变形区变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生

4、积屑瘤的主要原因要原因第第变形区变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产：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力的主要原因p剪切角剪切角n实验证明，剪切角的大小与切削力的大小切削力的大小有直接联系n对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度较高时，角较大，剪切面积变小，即变形程度减小，切削比较省力。所以可以用剪切角作为衡量切削过程变形程度的参数 p相对滑移相对滑移n切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移变形，且主要集中于第一变形区，其变形量可用相对滑移来表示 n如图所示，当

5、平行四边形OHNM发生剪切滑移后，变为OGPM，相对滑移为滑移距离s与单元厚度y之比，可用来表示切削变形程度 n根据图中的几何关系有: = = = s y NP MK NK+KP MK = cot + tan ( -o ) p变形系数变形系数h hu切削实践表明，刀具切下切削实践表明，刀具切下的切屑厚度的切屑厚度achach通常都要大于通常都要大于切削层厚度切削层厚度ac ac ，而切屑长度，而切屑长度lchlch却小于切削层长度却小于切削层长度lclc ，如图所示如图所示u切削厚度切削厚度achach与切削层厚度与切削层厚度acac之比称为之比称为厚度变形系数厚度变形系数haha（国标称为切

6、削厚度压（国标称为切削厚度压缩比，用缩比，用hh表示）而表示）而切削层切削层长度长度lclc与切屑长度与切屑长度lchlch之比称之比称为为长度变形系数长度变形系数hlhl，即，即c ch hc ch h1 1c cc ch hh ha al ll l; ;a aa au由于切削层的宽度与切削平均宽由于切削层的宽度与切削平均宽度的差异很小，根据体积不变原理，度的差异很小，根据体积不变原理，有有h hh1h1hahau变形系数变形系数hh，是大于的数，是大于的数，直观地反映了切屑的变形程度直观地反映了切屑的变形程度 u参看图，经过简单的计算，可得参看图，经过简单的计算，可得hh与剪切角与剪切角的

7、关系的关系uo o越大，越大，值越大，相对滑移值越大，相对滑移、变形系数、变形系数h h就越小就越小 sinsin) )cos(cos(a aa a0 0c cchchhaha请单击一下请单击一下3.1.3 3.1.3 刀、屑接触区的变形及摩擦刀、屑接触区的变形及摩擦p切削层金属经过终滑移线OM，形成切屑后沿着前刀面流出时，切屑底层仍受到刀具的挤压和接触面间强烈的摩擦，继续以剪切滑移为主的方式在变形，使切屑底层的晶粒弯曲伸长，并趋向于与前刀面平行而形成纤维层，从而使靠近前刀面部分的切屑流动速度降低，甚至会停滞在前刀面上。这种平行于前刀面的纤维层称为滞流层 p采用光弹性实验方法可测出切削塑性金属

8、时前刀面上的应力分布情况，如图如图所示p前刀面的摩擦系数的变化规律和外摩擦的情况大不相同 切屑和前刀面摩擦情况示意图切屑和前刀面摩擦情况示意图3.1.43.1.4积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响p积屑瘤的定义积屑瘤的定义 p积屑瘤的成因积屑瘤的成因 p影响积屑瘤产生的因素影响积屑瘤产生的因素p积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响n有利的影响有利的影响n不利的影响不利的影响p在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施p积屑瘤的定义积屑瘤的定义n在切削速度不高而又能形成连续性切削的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在前刀

9、面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块。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，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤积屑瘤或刀瘤 n右图右图为积屑瘤剖面的金相为积屑瘤剖面的金相磨片磨片积屑瘤剖面的金相磨片积屑瘤剖面的金相磨片p积屑瘤的成因积屑瘤的成因p影响积屑瘤产生的因素影响积屑瘤产生的因素n积屑瘤的产生及其积聚高度与金属金属材料的硬化性质材料的硬化性质有关，也与刃前区刃前区的温度和压力状况的温度和压力状况有关n一般来说，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；刃前区的温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑

10、瘤。对碳素钢来说，约在300500时积屑瘤最高，到500以上时趋于消失。在背吃刀量和走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系n如图如图所示。在低速范围区内不产生积屑瘤；在区内积屑瘤高度随切削速度增高而达最大值；在区内积屑瘤高度随切削速度增高而减小；在区内积屑瘤不再生成积屑瘤高度与切削速度关系示意图积屑瘤高度与切削速度关系示意图n有利影响有利影响产生积屑瘤后，它包覆在切削刃上，由于其温度比工件材料硬，故可代替刀刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用积屑瘤使刀具实际前角增大，对切削过程有利增大了切削厚度n不利影响不利影响影响工件的尺寸精度影响工件的尺寸精度n由于积屑瘤的前端伸出在切削刃之外，

11、使切削厚度增加，因而对工件尺寸精度有影响积屑瘤使加工表面粗糙度增大积屑瘤使加工表面粗糙度增大n积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部则很不稳定，容易破裂。一部分粘附于切削底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面变得粗糙。对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响n积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但积屑瘤不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金刀具颗粒剥落，使磨损加剧p在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施控制切削速度，尽量采用低速或高速切削，避开中速区采用润滑性能良好的切削液，以减小摩擦增大刀具前角，

12、以减小刀屑接触区的压力适当提高工件材料的硬度，减小加工硬化的倾向3.1.5 3.1.5 切削的类型及控制切削的类型及控制p带状切屑带状切屑p挤裂切屑挤裂切屑p单元切屑单元切屑p崩碎切屑崩碎切屑p切削的控制切削的控制p带状切屑带状切屑n形态形态：如右图右图， 连续不断呈带状，其底面（与前刀面接触的面）光滑，背面呈毛绒状（剪切面的条纹痕迹）n形成条件形成条件：一般加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小、刀具前角较大时，易出现带状切削n对加工的影响对加工的影响：切削过程比较平稳，切削力波动小，已加工表面的粗糙度小。但由于切削连绵不断，易缠绕工件和刀具或流出伤人，影响工作p挤裂切屑挤裂切屑n形态形态：

13、如右图右图，切削底面（与刀具前刀面接触的面） 光滑但有明显的裂纹，外表面（背面）呈锯齿状。这种切削一小段即断开（呈C形节状），每个切削单元界限明显n形成条件形成条件：加工塑性材料，切削速度较低，前角较小，进给量（或切削厚度）较大时，易出现这类切削n对加工的影响对加工的影响：出现挤裂切削时，切削过程不够平稳，已加工表面的粗糙度变大p单元切屑单元切屑n形态形态：如右图右图这类切削为彼此之间无联系或联系很弱的梯形粒状的单元所组成的n形成条件形成条件：当工件材料硬度较高而韧性较低及切削速度很低（v1-2m/min）的情况下，易出现这类切削。n对加工的影响对加工的影响：这类切削变形较大，切削力大并且波动

14、很大，故加工很不平稳，使加工表面的粗糙度值变大p崩碎切屑崩碎切屑n形态形态：如右图右图这类切削为不规则的块状颗粒n形成条件形成条件：工件材料硬脆，刀具前角小，切削厚度大时，易出现这类切削n对加工的影响对加工的影响：切削过程有冲击，波动较大，切削力和热集中在刀尖刃口上，使刀具磨损加剧；切削是以块状脱离母体，使已加工表面凹凸不平，因而表面粗糙度值变大，刀具易崩刃p切削的控制切削的控制n为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。n 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（如图）（如图）n断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，如图如图） 切屑的卷曲

15、切屑的卷曲断屑的产生断屑的产生3.2 3.2 切削力切削力n定义定义:切削加工时，刀具切入工件使切削层材料发生变形而成为切屑所需的力，称为切削力3.2.13.2.1切削力的来源及力的分解切削力的来源及力的分解3.2.23.2.2切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算n指数形式的经验公式指数形式的经验公式 n用单位切削力计算切削力用单位切削力计算切削力 n计算切削功率计算切削功率3.2.33.2.3切削力的测量切削力的测量3.2.43.2.4影响切削力的主要因素影响切削力的主要因素3.2.13.2.1切削力的来源及力的分解切削力的来源及力的分解p切削力的来源切削力的来源被加工材料的弹性、塑

16、性变形所产生的抗力刀具与切削、工件表面间的摩擦力 p切削力的分解切削力的分解uF Fc c主切削力或切向力 uF Ff f 进给力或走刀力 uF Fp p背向力或切深抗力、吃刀力 p指数形式的经验公式指数形式的经验公式指数形式的切削力实验公式应用比较广泛，形式如下：p pp pF Fp pF Fp pF Fp pf ff fF Ff fF Ff fF Ff fc cc cF FC CF FC CF FF Fz zc cy yx xp pF Fp pF Fz zc cy yx xp pF Ff fF Fz zc cy yx xp pfcfcc cK Kv vf fa aC CF FK Kv vf

17、 fa aC CF FK Kv vf fa aC CF F式中式中， 、 、 主切削力、进给力和背向力 取决于工件材料和切削条件的系数 、 、 、 、 、 、 、 、 三个分力公式中 、 、 的指数 、 、 当实际加工条件与求得的经验公式的实验条件不符时，各因素对各切削式中各种系数和指数以及切削条件的修正系数都可以在切削用量手册中查到c cF Ff fF Fp pF FfcfcC Cf fF FC Cp pF FC CC CF Fx xC CF Fy yc cF Fz zf fF Fx xf fF Fy yf fF Fz zp pF Fx xp pF Fy yp pF Fz zc cF FK

18、Kf fF FK Kp pF FK Kp pa af fc cv vp用单位切削力计算切削力用单位切削力计算切削力单位切削力单位切削力：单位切削面积上的主切削力，用kc表示：faFaaFAFkpcwcccccp计算切削功率计算切削功率切削功率Pc是切削过程中各切削分力消耗功率的总和切削功率Pc可按下式计算：3 3w wf fc cc cc c1 10 01 10 00 00 0f fn nF Fv vF FP P式中：Fc主切削力，N vc切削速度，m/s Ff进给力，N nw工件转速，r/m f进给量，/r3.2.3 3.2.3 切削力的测量切削力的测量n目前常用的切削力测量方法主要有： 测

19、定机床功率后计算切削力 用测力仪测量切削力（如右图）（如右图）3.2.43.2.4影响切削力的主要因素影响切削力的主要因素n工件材料的影响工件材料的影响 n切削用量的影响切削用量的影响 n刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 n刀具磨损的影响刀具磨损的影响 n切削液的影响切削液的影响 n刀具材料的影响刀具材料的影响n工件材料的影响工件材料的影响 工件材料的物理力学性能、加工硬化程度、化学成分、热处理状态以及切削前的加工状态都对切削力的大小产生影响 工件材料的强度强度、硬度硬度越高，则屈服强度s越大，切削力越大。强度、硬度相近的材料，其塑性、韧性越大，则切削变形程度越大，且切屑与前刀面的接触长度

20、长，摩擦大，因而切削力越大。切削灰铸铁等脆性材料时一般形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦小，故切削力较小。工件材料加工硬化程度越大，切削力也越大n切削用量的影响切削用量的影响切削深度ap或进给量f增大，均使切削力增大，但二者的影响程度不同 切削深度ap增大，切削面积Ac成正比增加，弹塑性变形总量及摩擦力增加，而单位切削力不变，而因切削力成正比增加进给量f增大，切削面积Ac也成正比增加，但变形程度减小，使单位切削力减小，因而切削力的增大与f不成正比。在切削加工中，如从切削力的角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利切削塑性金属时，切削速度对切削力的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段:如图

21、如图切削脆性金属时，因其塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦很小，所以切削速度对切削力的影响较小 车削速度对切削力的影响车削速度对切削力的影响n刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响在刀具的几何参数中，前角o对切削力影响最大 主偏角r对切削力Fc的影响较小，影响程度不超过10 刃倾角s在很大范围内变化时对切削力Fc没有什么影响,但对Fp和Ff影响较大，如图如图所示 在切削刃上磨出适当的负倒棱（见图见图），可以提高刃区的强度，但使切削力有所增加 刀尖圆弧半径r增大，如图如图所示，使切削刃曲线部分的长度和切削宽度增大，切削厚度减薄，各点的r减小 刃倾角对切削力的影响刃倾角对切削力的影响负倒棱角对切削力的

22、影响负倒棱角对切削力的影响刀尖圆弧半径对切削力的影响刀尖圆弧半径对切削力的影响n刀具磨损的影响刀具磨损的影响刀具后刀面磨损带中间部分的平均宽度以VB表示，磨损面上后角为0如右图右图，表示切削45钢时，后刀面磨损量对切削力的影响后刀面磨损量VB增大，使主后刀面与加工表面的摩擦力增大，故切削力加大。VB对背向力Fp的影响最为显著n切削液的影响切削液的影响以冷却为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑作用较强的切削油，可有效减小刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减小被加工材料的塑性变形，从而能显著地降低切削力在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出 n刀具材料的影响刀具材料的影响

23、刀具材料与工件材料之间的摩擦系数影响其摩擦力，所以直接影响到切削力的大小一般按立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金、高速钢的顺序，切削力依次增大 3.33.3切削热与切削温度切削热与切削温度n切削热是切削过程中重要的物理现象之一。大量的切削热使得切削温度升高，这将直接影响到刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和表面质量。因此，研究切削热和切削温度的产生及变化规律具有重要的实际意义 3.3.13.3.1切削热的产生和传导切削热的产生和传导 3.3.23.3.2切削温度的分布切削温度的分布 3.3.33.3.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 3.3.13.3.1切削热的

24、产生和传导切削热的产生和传导n切削热来源切削热来源 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热主要来源 QA=QD+QFF+QFR 式中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量n切削热传出切削热传出切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去3.3.23.3.2切削温度的分布切削温度的分布v（1）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度几乎相同，而在垂直于剪切面方向上的温度梯度很大v（2）前刀面和后刀面上的最高温度点都不在刀刃上，而是在离刀刃有一定距离的地方v（3）在靠近前刀面的切屑底层上温度梯度很大，离前刀面0.10.2mm，温度就可能下

25、降一半v（4）后刀面的接触长度较小，因此工件加工表面上温度的升降是在极短时间内完成的3.3.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素n切削用量的影响切削用量的影响 n刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 n工件材料的影响工件材料的影响 n刀具磨损的影响刀具磨损的影响 n切削液的影响切削液的影响n切削用量的影响切削用量的影响经验公式式中 ， 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。n刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响前角o增大时，切屑变形程度减小，使产生的切削热减少，因而切削温度下降。

26、但前角大于20时，对切削温度的影响减小，这是因为刀具楔角变小而使散热体积减小的缘故 主偏角r减小时，使刀尖角和切削刃工作长度加大，散热条件改善，故切削温度降低 负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响很小。因为随着它们的增大，会使切屑变形程度增大，产生的切削热增加，但同时也使散热条件有所改善，两者趋于平衡，所以使切削温度基本不变 n工件材料的影响工件材料的影响工件材料的强度、硬度、塑性等力学性能越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热越多，切削温度就越高。而工件材料的热导率愈大，通过切屑和工件传出的热量愈多，切削温度下降愈快 右图是几种工件材料的切削温度随切削速度的变化曲线 n刀具磨损的影响刀具磨损

27、的影响刀具后刀面磨损量增大，切削温度升高；磨损量达到一定值后，对切削温度的影响加剧。切削速度愈高，刀具磨损对切削温度的影响愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响就比切碳素钢时的大 n切削液的影响切削液的影响使用切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果切削液的热导率、比热容和流量愈大，切削温度愈低。切削液本身的温度愈低，其冷却效果愈显著 3.43.4刀具的磨损、破损及使用寿命刀具的磨损、破损及使用寿命3.4.13.4.1刀具的磨损形式刀具的磨损形式3.4.23.4.2刀具磨损的原因刀具磨损的原因3.4.33.4.3刀具磨损过程及磨钝

28、标准刀具磨损过程及磨钝标准3.4.43.4.4刀具使用寿命及其切削用量的关系刀具使用寿命及其切削用量的关系3.4.53.4.5刀具的破损刀具的破损3.4.63.4.6刀具使用状态的刀具使用状态的监控监控3.4.13.4.1刀具的磨损形式刀具的磨损形式n刀具的磨损形态前刀面磨损前刀面磨损（月牙洼磨损）（月牙洼磨损）后刀面磨损后刀面磨损 边界磨损边界磨损 前刀面磨损前刀面磨损（月牙洼磨损）（月牙洼磨损）n形式形式：磨损主要发生在前刀面上，切削沿前刀面流出时，将刀面磨出一个月牙洼，该处温度最高，压力最大，在连续磨损过程中，月牙洼不断加宽、加深并逐渐向切削刃方向发展n影响影响：消弱刀具强度、导致崩刃；

29、降低加工质量后刀面磨损后刀面磨损n形式形式：磨损主要发生在后刀面上，沿主切削刃与加工表面的接触区内。后刀面磨损造成后角等于零的磨损面。磨损面的高度一般是不规则的n影响影响：磨损后的磨损面，后角0=0，使切削力增大，切削温度增高导致振动而使加工质量降低边界磨损边界磨损n切削钢料时，常在主切削刃靠近工件待加工表面以及副切削刃靠近刀尖的后刀面上，磨出较深的沟纹，常称为边界磨损n边界磨损只要是由于工件在编接触的加工硬化层、硬纸店及刀具在边界处较大的应力梯度和温度梯度所造成的n加工铸、锻件等外皮粗糙的工件时，容易发生边界磨损 3.4.23.4.2刀具磨损的原因刀具磨损的原因n磨料磨损磨料磨损 n粘结磨损

30、粘结磨损（又称冷焊磨损）（又称冷焊磨损） n扩散磨损扩散磨损 n化学磨损化学磨损 n除上述几种主要磨损外，还有热电磨损。即在切削区高温作用下，刀具与工程材料形成热电偶，产生热电势，使刀具与工件有电流通过，可能加快扩散速度，从而加剧刀具磨损 n磨料磨损磨料磨损定义定义：工件材料的硬度虽然低于刀具的硬度，但其中常含有一些氧化物、碳化物。氮化物以及积屑瘤碎片等硬质点，会像磨料一样在刀具表面上刻划出沟纹而造成刀具磨损，这种磨损称为磨料磨损 这种磨损在各种切削速度下都存在，但对低速切削的刀具而言，磨料磨损是刀具磨损的主要原因磨料磨损是刀具磨损的主要原因n粘结磨损粘结磨损（又称冷焊磨损又称冷焊磨损）定义定

31、义：指刀具与工件材料的接触达到了原子间结合得现象，又称冷焊粘结一般发生在硬度较低的工件或切削一侧决定粘结磨损强度的因素决定粘结磨损强度的因素u刀具材料与工件的亲和力大，则磨损严重u刀具材料与工件材料的硬度比小，则磨损加剧u切削速度的大小，中等偏低的切削速度下磨损严重n扩散磨损扩散磨损 定义定义：在切削高温下，刀具与切出的工件、切削的新表面，化学活性很大，双方的某些化学元素在固态下相互扩散，改变了原来材料的成分与结构，削弱了刀具材料的性能，加速了磨损过程，这种磨损成为扩散磨损温度温度是影响扩散磨损的主要因素，切削温度升高，扩散磨损会急剧增加。不同元素的扩散速度不同。扩散速度与接触表面的相对滑动速

32、度有关，相对滑动速度愈高，扩散愈快。所以切削速度愈高，刀具的扩散磨损愈快n化学磨损化学磨损 定义定义：在一定温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧、切削液中的添加剂硫、氯等）起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物、极易被工件或切削擦掉而造成磨损，这称为化学磨损 3.4.33.4.3刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准n刀具磨损过程刀具磨损过程初期磨损阶段初期磨损阶段正常磨损阶段正常磨损阶段 急剧磨损阶段急剧磨损阶段 n刀具磨钝标准刀具磨钝标准初期磨损阶段初期磨损阶段n因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，后刀面与加工表面接触面积很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具后刀面存在微观粗糙

33、不平以及显微裂纹、氧化或脱碳等缺陷，所以这一阶段的磨损很快。一般初期磨损量为0.050.1mm，其大小与刀面刃磨质量有很大关系。研磨过的刀具初期磨损量较小 正常磨损阶段正常磨损阶段n经过初期磨损后，刀具的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，压应力减小，从而使磨损速率明显减小，刀具进入正常磨损阶段n这个阶段的磨损比较缓慢均匀，后刀面的磨损量随切削时间延长而近似地成比例增加，磨损曲线基本上是一条向上的斜线，其斜率代表刀具的磨损强度。正常切削时，这个阶段时间较长 急剧磨损阶段急剧磨损阶段n当刀具磨损带增加到一定限度后，加工表面粗糙度增大，切削力和切削温度迅速升高，刀具磨损速度急剧增加n生产中为了合理使用

34、刀具，保证加工质量，应该在发生急剧磨损之前就及时换刀n刀具磨钝标准刀具磨钝标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。在生产实际中，卸下刀具来测量磨损量会影响生产的正常进行，所以常常根据切削中发生的一些现象（切屑颜色、加工表面粗糙度、机床声音、振动等）来判断刀具是否已经磨钝 在评定刀具材料切削性能和试验研究时，是以刀具表面的磨损量作为衡量刀具的磨钝标准 制订磨钝标准时需考虑被加工对象的特点和加工条件的具体情况 国际标准ISO推荐硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准，有下列三种可供选择： lVB03mm；l如果主后刀面为无规则磨损，取 VBmax=06mml前刀面磨损量 K

35、T（0.0603f）mm3.4.43.4.4刀具使用寿命及其切削用量的关系刀具使用寿命及其切削用量的关系n刀具使用寿命刀具使用寿命刀具使用寿命刀具使用寿命：刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间，用T表示刀具总使用寿命刀具总使用寿命：刀具从第一次投入使用直到报废为止的总切削时间 n刀具使用寿命与切削用量的关系刀具使用寿命与切削用量的关系切削速度与刀具使用寿命的关系切削速度与刀具使用寿命的关系进给量和背吃刀量与刀具使用寿命的关系进给量和背吃刀量与刀具使用寿命的关系n制订刀具寿命时的注意点制订刀具寿命时的注意点 切削速度与刀具使用寿命的关系切削速度与刀具使用寿命的关系l

36、如图，根据规定的磨钝标准VB求出在各切削速度下对应的使用寿命T1T2T3，经处理后得到关系式如下：0 0m mc cC CT Tv v式中，T刀具使用寿命， min; m指数，表示vc对T的影响程度；C0系数，与刀具、工件材料和切削条件有关进给量和背吃刀量与刀具使用寿命的关系进给量和背吃刀量与刀具使用寿命的关系l经过实验，可得到类似的关系式可得到切削用量与刀具使用寿命的一般关系式：111TgmhcpTCfva210CTaCfTCTvmpmmcp制订刀具寿命时的注意点制订刀具寿命时的注意点刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具寿命应规定得高些多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机

37、及自动线上的刀具，因为调整复杂，刀具寿命应规定得高些某工序的生产成为生产线上的瓶颈时，刀具寿命应定得低些，这样可以选用较大的切削用量，以加快该工序生产节拍；某工序单位时间的生产成本较高时刀具寿命应规定得低些，这样可以选用较大的切削用量，缩短加工时间精加工大型工件时，刀具寿命应规定得高些，至少保证在一次走刀中不换刀3.4.53.4.5刀具的破损刀具的破损n刀具的破损形式脆性破损脆性破损塑性破损塑性破损u崩刃崩刃u碎断碎断u剥落剥落u 裂纹破损裂纹破损n防止刀具破损的措施防止刀具破损的措施切削刃产生小的缺口在继续切削中，缺口会不断扩大，导致更大的破损用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时，常发

38、生这种破损 u崩刃崩刃切削刃发生小块碎裂或大块断裂，不能继续进行切削用硬质合金刀具和陶瓷刀具作断续切削时，常发生这种破损u碎断碎断u剥落剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃一起剥落，有时也在离切削刃一小段距离处剥落陶瓷刀具端铣时常发生这种破损u裂纹破损裂纹破损长时间进行断续切削后，因疲劳而引起裂纹的一种破损热冲击和机械冲击均会引发裂纹，裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂请单击请单击3下下塑性破损塑性破损n在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度

39、和耐热性。硬质合金和陶瓷的耐热性好，一般不易发生这种破损。相比之下，高速钢耐热性较差，较易发生塑性破损n防止刀具破损的措施防止刀具破损的措施合理选择刀具材料 用作断续切削的刀具，刀具材料应具有一定的韧性。合理选择刀具几何参数 通过选择合适的几何参数，使切削刃和刀尖有较好的强度。在切削刃上磨出负倒棱是防止崩刃的有效措施。保证刀具的刃磨质量 切削刃应平直光滑，不得有缺口，刃日与刀尖部位不允许烧伤合理选择切削用量 防止出现切削力过大和切削温度过高的情况工艺系统应有较好的刚性 防止因为振动而损坏刀具3.4.63.4.6刀具使用状态监控刀具使用状态监控n在自动化加工系统（如FMS、CIMS等）中，当刀具

40、发生非正常的磨损或破损时，如不能及时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失 n在切削过程中因为刀具磨损区总是被切屑和工件覆盖着而无法直接观察测量，所以只能借助其它的参量来间接反映磨损量的大小。常用的方法有测力法测力法、测功率法测功率法、测温法测温法、测振法测振法等 n刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种 n间接监测法即利用与刀具破损相关的其它物理量或物理现象，间接判断刀具是否已经破损或是否有即将破损的先兆。这样的方法有测力法、测温法、测振法、测主电机电流法和测声发射法 n如图如图所示，测主电动机电流监测刀具破损测主电动机电流监测刀具破损测主电动机电流监测刀具破损3.5

41、 3.5 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性是指材料被切削加工成合格零件的难易程度 3.5.13.5.1衡量材料切削加工性的指标衡量材料切削加工性的指标3.5.23.5.2材料物理力学性能对切削加工性的影响材料物理力学性能对切削加工性的影响 3.5.33.5.3改善材料切削加工性的基本途径改善材料切削加工性的基本途径 3.5.13.5.1衡量材料切削加工性的指标衡量材料切削加工性的指标n根据不同的加工要求，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性： 以刀具使用寿命T或切削速度vT T来衡量 以切削力或切削温度来衡量 以已加工表面质量来衡量 以切屑控制的难易来衡量3.5.

42、23.5.2材料物理力学性能对切削加工性的影响材料物理力学性能对切削加工性的影响 n工件材料硬度的影响工件材料硬度的影响n工件材料强度对切削加工性的影响工件材料强度对切削加工性的影响强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高温度亦越高 n工件材料的塑性对切削加工性的影响工件材料的塑性对切削加工性的影响n工件材料韧性对切削加工性的影响工件材料韧性对切削加工性的影响 n工件材料弹性模量的影响工件材料弹性模量的影响n工件材料热导率的影响工件材料热导率的影响工件材料的热导率越大，由切削带走、工件散出的热量就越多，越

43、有工件材料的热导率越大，由切削带走、工件散出的热量就越多，越有利于降低切削区的温度，切削加工性越好利于降低切削区的温度，切削加工性越好难加工材料难加工材料n工件材料硬度的影响工件材料硬度的影响工件材料常温硬度对切削加工性的影响工件材料常温硬度对切削加工性的影响 工件的硬度越高，加工性越差。这是因为硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损加快的缘故。同时硬度越高的材料，切削时刀具前刀面与切削接触长度较短，力和热集中于切削刃附近，易使切削刃磨损，甚至崩刀工件材料高温硬度对切削加工性的影响工件材料高温硬度对切削加工性的影响 高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程有利影响（软化），对

44、高温硬度高的材料不起作用金属材料中硬质点对加工性的影响金属材料中硬质点对加工性的影响 金属中硬质点越多，形状越尖锐，分布越广，则材料的加工性越差工件材料的加工硬化对切削加工性的影响工件材料的加工硬化对切削加工性的影响 加工硬化越差，切削加工性越差n工件材料的塑性对切削加工性的影响工件材料的塑性对切削加工性的影响材料的塑性越大，达到断裂的塑性变形越大，消耗于变形的功率也越多。切削塑性大的材料，断削比较困难，可见材料的塑性越大，切削加工性越差n工件材料韧性对切削加工性的影响工件材料韧性对切削加工性的影响材料的韧性是指它承受冲击载荷的能力。韧性大的材料，在断裂前吸收的能量多，所以切削韧性大的材料时功

45、率消耗多。而且当工件材料韧性大时，断屑也比较困难 n工件材料弹性模量的影响材料的韧性是指它承受冲击载荷的能力。韧性大的材料，在断裂前吸收的能量多，所以切削韧性大的材料时切削力大，功率消耗多；而且当材料的韧性大时，断屑也较困难。但是，弹性模数很小的材料，切削时产生很大的弹性变形，在已加工表面形成过程中弹性恢复很大，故切削性也不好 难加工材料难加工材料n难加工材料一般指相对加工性小于相对加工性小于0.650.65的材料 n难加工的原因：高硬度高强度高塑性高韧性低塑性高脆性低导热性有大量微观硬质点或硬质夹杂物化学物质活泼。3.5.33.5.3改善材料切削加工性的基本途径改善材料切削加工性的基本途径n

46、调整材料的化学成分调整材料的化学成分 在不影响材料使用性能的前提下，在钢中添加一些能明显改善切削加工性的元素，如硫、铅等，可获得易切钢。在铸铁中适当增加石墨成分，也可改善其切削加工性n进行适当的热处理进行适当的热处理 同样化学成分、不同金相组织的材料，切削加工性有较大差异。在生产中常对工件进行适当的热处理，除得到合乎要求的金相组织和力学性能外，也可改善其切削加工性能3.63.6磨削过程与磨削机理磨削过程与磨削机理n磨削磨削是用磨料磨具（砂轮、砂带、油石等）对工件进行加工的方法n磨削一般常用于半精加工和精加工，加工精度可达IT6IT5级，表面粗糙度为Ra0.80.2m，镜面磨削时可达Ra0.04

47、0.01mn磨削常用于加工淬硬钢、耐热钢及特殊合金等坚硬材料3.6.13.6.1磨削过程及切削形成机理磨削过程及切削形成机理3.6.23.6.2磨削力磨削力3.6.33.6.3磨削温度磨削温度3.6.43.6.4磨削加工的特点磨削加工的特点3.6.13.6.1磨削过程及切削形成机理磨削过程及切削形成机理n磨削是利用砂轮表面大量的微小磨粒切削刃完成的切削加工，它通常的切削加工有很大差异n如图图所示，磨削过程大致分为滑擦滑擦、刻划刻划和切削切削三个阶段n在被磨粒切削过的地方也产生隆起现象的原因隆起现象的原因 磨削过程的三个阶段磨削过程的三个阶段滑擦阶段滑擦阶段n过程：过程：在磨粒切削刃刚开始与工件

48、表面接触阶段，由于磨粒有很大的负前角和较大的刃口钝圆半径，切削厚度又非常小，磨粒仅在工件表面上滑擦而过，此时工件表层产生弹性变形和热应力。一些更钝更低的磨粒，在磨削过程中不能切入工件也仅在工件表面产生滑擦作用n现象：被磨表面烧伤、裂纹刻划阶段刻划阶段u过程：磨粒继续前进时，一些磨粒已逐渐能够划进工件，随着切入深度的增大而与工件间的压力逐步增大，使工件表面由弹性变形过渡到塑性变形，部分材料发生滑移而被推向磨粒前方及两侧，出现材料的流动及表面隆起现象。此时工件表面上出现划痕，但磨粒前刀面上并没有切屑流出u现象：这一阶段除磨粒与工件间的挤压摩擦外，更主要的是材料内部发生摩擦，磨削热显著增加，工件表层

49、不仅有热应力，而且有弹塑性变形所产生的应力 切削阶段切削阶段u过程：一些比较突出和锋利的磨粒，当切削厚度、被切材料的切应力和温度达到一定值时，材料明显地滑移而形成切屑并沿磨粒前刀面流出。磨粒切下的切屑非常细小，且温度很高，当切屑沿着砂轮切向飞出时，在空气中急剧氧化和燃烧，形成磨削火花u现象：磨屑尺寸虽然细小而形态却是多种多样的，典型的磨屑形态有带状切屑、挤裂切屑、球状切屑及灰烬等 请单击三下请单击三下n在被磨粒切削过的地方也产生隆起现象的原因在被磨粒切削过的地方也产生隆起现象的原因 因为磨粒具有负前角，较大的钝圆半径及较小的切入深度。在磨削过程中，关工件变形不仅发生在剪切面方向，而且产生在磨粒

50、侧面，这样使剪切变形的面加宽了。因此只有磨粒所切出的沟内那部分材料才成为切削。在沟痕两侧的材料虽然受了塑性变形，却并不成为切削，而在沟的两侧出现残余的隆起 3.6.23.6.2磨削力磨削力n总磨削力可分解为三个分力：Fc 主磨削力（切向磨削力）；Fp切深抗力（径向磨削力）；Ff 进给抗力（轴向磨削力），几种不同类型磨削加工的三向分力如图图所示磨削力的主要特征磨削力的主要特征 影响磨削力的因素影响磨削力的因素 磨削时的三向磨削分力磨削时的三向磨削分力磨削力的主要特征磨削力的主要特征n单位磨削力很大单位磨削力很大原因：由于磨削几何形状及分布的随机性和几何参数的不合理性，磨削时挤压摩擦很严重，且切削

51、厚度很小，使得单位磨削力很大n三个分力中的切深抗三个分力中的切深抗力最大力最大n磨削力随着不同的磨磨削力随着不同的磨削阶段而变化削阶段而变化 ，如右图11砂轮进给量砂轮进给量 22工件半径减小量工件半径减小量影响磨削力的因素影响磨削力的因素 n砂轮速度砂轮速度 当砂轮速度vc增大时，单位时间内参加切削的磨粒数量随之增大，因此，每个磨粒的切削厚度减小，磨削力随之减小n工件速度工件速度 当工件速度vw和轴向进给量fa增大时，单位时间内磨去的金属量增大，若其它条件不变，则每个磨粒的切削厚度随之增大，从而使磨削力增大n径向进给量径向进给量 当径向进给量fr增大时，不仅每个磨粒的切削厚度增大，而且使砂轮

52、与工件的磨削接触弧长增大，同时参加磨削的磨粒数增多，因而使磨削力增大n磨粒的磨损程度磨粒的磨损程度 砂轮的磨损会使磨削力增大，因此磨削力的大小在一定程度上可以反映砂轮上磨粒的磨损程度 3.6.33.6.3磨削温度磨削温度 磨削温度的概念磨削温度的概念:磨削时由于速度很高，且切除单位体积金属所消耗的能量也高（约为车削的1020倍），因此磨削温度很高 影响磨削温度的主要因素影响磨削温度的主要因素:砂轮速度vc 工件速度vw 径向进给量fr 工件材料 砂轮硬度与磨粒 3.6.43.6.4磨削加工的特点磨削加工的特点n磨削加工的特点磨削加工的特点可加工高硬度的材料切深抗力大磨削温度高砂轮有自锐性加工工

53、艺范围广n提高磨削生产率的措施提高磨削生产率的措施 n提高磨削生产率的措施提高磨削生产率的措施采用切削性能好的的磨料，如金刚石、立方氮化硼等。在满足加工粗糙度的前提下，应尽量选用粗粒度的砂轮采用树脂结合剂砂轮选择适当的砂轮硬度采用组织疏松的砂轮，有利于磨粒切入工件，可增加磨削深度和进给量采用高强度砂轮进行高速磨削。在机床允许的条件下，采用宽砂轮磨削采用强力磨削3.73.7金属切削条件的合理选择金属切削条件的合理选择3.7.1 3.7.1 刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择3.7.2 3.7.2 刀具使用寿命的选择刀具使用寿命的选择3.7.3 3.7.3 切削用量的合理选择切削用量的合

54、理选择3.7.4 3.7.4 切削液的合理使用切削液的合理使用3.7.13.7.1刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择n刀具几何参数的选择是否合理，对刀具使用寿命、加工质量、生产效率和加工成本有着重要影响n刀具几何参数分类刀具几何参数分类:一类是刀具几何角度参数，另一类是刀具刃形、刃面、刃区型式及参数前角的选择前角的选择后角的选择后角的选择 主偏角的选择主偏角的选择副偏角的选择副偏角的选择 刃倾角的选择刃倾角的选择 前角的选择前角的选择n前角的作用规律有以下两方面： 增大前角，能使刀具锋利减小切削变形，并减轻刀-屑间的摩擦，从而减小切削力、切削热和功率消耗，减轻刀具磨损，提高了刀具使用

55、寿命；还可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减轻切削振动，改善加工质量 另一方面，增大前角会使切削刃和刀头强度降低，易造成崩刃使刀具早期失效；还会使刀头的散热面积和容热体积减小，导致切削区温度升高，影响刀具寿命；由于减小了切屑变形，也不利于断屑 n增大前角有利有弊，在一定的条件下应存在一个合理的前角值，如图如图所示n工件材料不同时，同种刀具材料的合理前角也不同，如图图所示n选择合理前角的原则选择合理前角的原则前角的合理数值前角的合理数值n选择合理前角的原则选择合理前角的原则在刀具材料的抗弯强度和韧性较低，或工件材料的强度和硬度较高，或切削用量较大的粗加工，或刀具承受冲击载荷的条件下，为确保刀具强度，宜

56、选用较小的前角，甚至可采用负前角 当加工塑性大的材料，或工艺系统刚性差易引起切削振动时，或机床功率不足时，宜选较大的前角，以减小切削力 对于成形刀具或自动化加工中不宜频繁更换的刀具，为保证其工作的稳定性和刀具使用寿命，宜取较小的前角 后角的选择后角的选择n后角的作用规律有以下方面： 增大后角，可增加切削刃的锋利性，减轻后刀面与已加工表面的摩擦，从而降低切削力和切削温度，改善已加工表面质量。但也会使切削刃和刀头强度降低，减小散热面积和容热体积，加速刀具磨损如图如图所示，在同样的磨钝标准VB条件下，增大后角（2 1），刀具材料的磨损体积增大，有利于提高刀具的使用寿命。但径向磨损量NB也随之增大（N

57、B2NB1），这会影响工件的尺寸精度n选择合理后角一般遵循的原则选择合理后角一般遵循的原则 后角对刀具磨损的影响后角对刀具磨损的影响n选择合理后角一般遵循的原则选择合理后角一般遵循的原则切削厚度较大或断续切削条件下，需要提高刀具强度，应减小后角 工件材料越软，塑性越大，刀具后角应越大 以尺寸精度要求为主时，宜减小后角，以减小径向磨损量NB值；若以加工表面质量要求为主，则宜加大后角，以减轻刀具与工件间的摩擦 工艺系统刚性较差时，易产生振动，应适当减小后角 主偏角的选择主偏角的选择n优点优点：减小主偏角可提高刀具使用寿命。当背吃刀量和进给量不变时，减小主偏角会使切削厚度减小，切削宽度增大，从而使单

58、位长度切削刃所承受的负荷减轻，同时刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善，因而刀具使用寿命提高 n缺点缺点：减小主偏角会导致背向力增大，加大工件的变形，降低加工精度。同时刀尖与工件的摩擦加剧，容易引起系统振动，使加工表面的粗糙度加大，也会导致刀具使用寿命下降 n合理选择主偏角主要的原则合理选择主偏角主要的原则：看系统的刚性如何 考虑工件形状、切削冲击和切屑控制等方面的要求 副偏角的选择副偏角的选择n副偏角越小，切削刀痕理论残留面积的高度越小，加工表面粗糙度减小。同时还增强了刀尖强度，改善了散热条件。但副偏角过小，会增加副刃的工作长度，增大副后刀面与已加工表面的摩擦，易引起振动，反而增大表面粗糙

59、度n副偏角的大小主要根据表面粗糙度的要求和系统刚性选取刃倾角的选择刃倾角的选择n刃倾角的作用可归纳为以下几方面： 影响切削刃的锋利性 影响刀尖强度和散热条件:如图如图1 1影响切削力的大小和方向 影响切屑流出方向:如如图图2 2图图1 1 刃倾角对刀尖强度的影响刃倾角对刀尖强度的影响图图2 2 刃倾角对排屑方向的影响刃倾角对排屑方向的影响3.7.23.7.2刀具使用寿命的选择刀具使用寿命的选择n最大生产率刀具使用寿命最大生产率刀具使用寿命 n最低成本刀具使用寿命最低成本刀具使用寿命 n选择刀具使用寿命的注意点选择刀具使用寿命的注意点 n最大生产率刀具使用寿命最大生产率刀具使用寿命最大生产率刀具

60、使用寿命是根据单件工时最短的目标确定的最大生产率刀具使用寿命Tp，可用下式表示c ct tp pt tm mm m1 1T T n最低成本刀具使用寿命最低成本刀具使用寿命最低成本刀具使用寿命Tc，可用下式表示：M MC Ct tm mm m1 1T Tt tctctc c右图右图表示了刀具使用寿命对生产效率和加工成本的影响n选择刀具使用寿命的注意点选择刀具使用寿命的注意点根据刀具复杂程度和制造、重磨的费用来选择 对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性 某工序的生产率限制了整个车间生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；当某工