第三章、切削过程及其控制

1、第三章切削过程及控制 1 金属切削过程的变形 2 切削力 3 切削热与切削温度 4 刀具磨损和耐用度 5 切削用量的合理选择 6 切削液的合理选用 7 磨削过程及磨削特征 8 非金属硬脆材料的切削 第三章 切削过程及控制 在金属切削过程中，始终存在着刀具切在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。具寿命、卷屑与断屑等。 研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理

2、研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论论, , 对有效控制切削过程、保证加工精度和表对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。度等有重要的指导意义。3-1 金属切削过程的变形一、概述1、研究金属切削变形的常用方法1）侧面方格变形观察法2）快速落刀法3）其他方法(高速摄影法、扫描电镜显微高速摄影法、扫描电镜显微观察法、光塑性实验法等观察法、光塑性实验法等)2、变形区的划分、变形区的划分 根据实验时的切削层变形图片可绘制如图

3、所示的切根据实验时的切削层变形图片可绘制如图所示的切削变形模型，削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。其变形大致可分为三个变形区。1. 第一变形区第一变形区 塑性变形从始滑移面塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面开始至终滑移面OM终了，之终了，之间形成间形成AOM塑性变形区，由塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为叫剪切区，也称为第一变形第一变形区（区（）。）。 （剪切滑移区）（剪切滑移区） 切屑沿刀具前面排切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切面的阻碍，在刀具和切屑界

4、面之间存在强烈的屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属部靠近前刀面处的金属发生发生“纤维化纤维化”的二次的二次变形。这部分区域称为变形。这部分区域称为第二变形区（第二变形区（）。2. 第二变形区第二变形区 （挤压摩擦区）（挤压摩擦区） 在已加工表面在已加工表面上与刀具后面挤压、上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区摩擦形成的变形区域称为域称为第三变形第三变形（）。 3. 第三变形区第三变形区 （挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）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

5、材料分离中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离 实验表明，实验表明，切屑的形成过程是被切削切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力达到金属其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑的变形和形成过程如图的变形和形成过程如图3-3所示。所示。二、切削变形二、切削变形 图图33 第一变形区金属的滑移第一变形区金属的滑移OA始滑移线始滑移线OM终滑移线终滑移线变形的主要特变形的主要特征：征： 剪切滑移变剪切滑移变形形 加工硬化加工硬化图图36 切屑形成过程模型切屑形

6、成过程模型可可看看作作一一个个剪剪切切平平面面切屑厚度切屑厚度hch与切削层的厚度与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，之比称为厚度变形系数，用用h 表示，表示，h = hch/ hD ；而切削层长度而切削层长度lc与切屑长度与切屑长度lch之比称为长度变形系数，之比称为长度变形系数，用用l表示，表示，l=lc/lch 。根据体积不变原理根据体积不变原理, 则则 a l。变形系数越大变形系数越大,切屑越厚越短切屑越厚越短,切削变形越大。切削变形越大。1. 变形系数变形系数三、切削变形程度三、切削变形程度2. 剪切角剪切角 剪切角剪切角 剪切面剪切面积积变形程度变形程度切削力切削力。 剪切面剪

7、切面 p与切削速度与切削速度(主运动主运动)方向之间的夹角称为方向之间的夹角称为剪切角，用剪切角，用表示表示 角与剪切面面积的关系 图37 变形系数的求法四、前刀面与切屑间的四、前刀面与切屑间的摩擦摩擦1. 作用在切屑上的力作用在切屑上的力 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力其作用的法向力Fn和摩擦力和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力，剪切面上的剪切力Fs和法和法向力向力Fns,两对力的合力分别为两对力的合力分别为Fr 和和 Fr。假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线，假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这

8、两个合力不共线，有一个使切屑弯曲的力矩），有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，称为切屑形成力，是剪切是剪切角；角；是是Fn与与Fr之间的夹角，称为摩擦角；之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。是刀具前角。2. 剪切角剪切角 与前刀面摩擦角与前刀面摩擦角 的关系的关系 0 /4 或 /4 ( 0 )0 对切削有利 3. 前刀面与切屑间的摩擦前刀面与切屑间的摩擦 在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑

9、底部形成一个滞流层而在切屑底部形成一个滞流层 。所谓所谓“内摩擦内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。的流动应力特性及粘结面积的大小有关。所谓所谓外摩擦外摩擦就是指摩擦力的大小与法向力成正比而与接触面积就是指摩擦力的大小与法向力成正比而与接触面积无关，切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦无关，切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦仅为外摩擦。刀屑接触面间有二个摩擦

10、区：刀屑接触面间有二个摩擦区： 内摩擦内摩擦区和区和外摩擦外摩擦区。区。金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。擦。 图图310 切屑和前面摩擦情况示意图切屑和前面摩擦情况示意图 前刀面上的平均摩擦系数为前刀面上的平均摩擦系数为： =Ff/Fn sAf1/( arAf1) = s/ ar Ff摩擦力摩擦力Fn 正压力正压力Af 摩擦接触面积摩擦接触面积 ar 切削刃上的切削刃上的平均平均正压力正压力影响平均摩擦系数的主要因素有：工件材料、刀具前角及影响平均摩擦系数的主要因素有：工件材料、刀具前角及切削层参数等切削层参数等五

11、、五、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 在中低速切削塑性金属材料时在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤积屑瘤。 产生这种现象，是产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。滞流层金属不断堆积的结果。 积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。 3）影响积屑瘤的因素）影响积屑瘤的因素2）积屑瘤的形成原因）

12、积屑瘤的形成原因1）什么是积屑瘤）什么是积屑瘤图312 积屑瘤高度与切削速度关系示意图4）积屑瘤对起削过程的影响）积屑瘤对起削过程的影响 v实际前角增大（图实际前角增大（图3-13）；）；v增大切削厚度（图增大切削厚度（图3-13） ；v使加工表面粗糙度增大；使加工表面粗糙度增大；v对刀具寿命的影响。对刀具寿命的影响。 一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的，的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。图图313 积屑瘤前角和伸出量积屑瘤前角和伸出量采用低

13、速或高速切削，采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、增大刀具前角；适当减少进给量、增大刀具前角；适当提高工件材料的硬度；适当提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨质量；提高刀具的刃磨质量；合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。5）抑制或消除积屑瘤的措施）抑制或消除积屑瘤的措施六、影响切屑变形的主要因素六、影响切屑变形的主要因素1. 工件材

14、料的力学性能工件材料的力学性能 材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小（图图）。2.切削用量切削用量（1 1）切削速度）切削速度 切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。在积屑瘤增长的速度范围内在积屑瘤增长的速度范围内 , , 因积屑瘤导致实际工作前角增因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角加、剪切角增大、变形系数减小。增大、变形系数减小。在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。不断上升至最大值，此时积屑瘤

15、完全消失。 （图）（图）在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。切削铸铁等脆性金属时切削铸铁等脆性金属时, , 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。大，变形系数逐渐地减小。图图 工件材料强度对变形系数的影响工件材料强度对变形系数的影响图图 切削速度对变形系数的影响切削速度对变形系数的影响（2）进给量）进给量 当进给量当进给量f增大时，切削层增大时，切削层厚度厚度hD增大，切屑的平均增大，切屑的平均变形减小，变形系数变形减小，变形系数减小减小(图图)。3.刀具几何参数刀具几何参

16、数（1）前角）前角0前角增大，剪切角前角增大，剪切角增增大，而剪切角越大，则大，而剪切角越大，则变形系数变形系数减小。减小。变形系数与前角之间的变形系数与前角之间的关系如图所示。关系如图所示。(2)刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r刀尖圆弧半径越大，刀尖圆弧半径越大，变形系数变形系数越大，切削越大，切削变形越大。（图）变形越大。（图）图图 切削厚度与变形系数的关系切削厚度与变形系数的关系图图 前角对变形系数的影响前角对变形系数的影响图图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响刀尖圆弧半径对变形系数的影响带状切屑带状切屑 最常见的屑型之一最常见的屑型之一外形特征：外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是它的内表面是

17、光滑的，外表面是毛茸茸的。毛茸茸的。形成条件：形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，会度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。得到此类切屑。优优 点：点：切削过程平稳，切削力波动较小，切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙已加工表面粗糙 度较小。度较小。缺缺 点：点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。响加工过程。七、切屑的类型七、切屑的类型带状切屑刀具挤裂挤裂(节状节状)切屑切屑 外形特征：外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形

18、。形成条件：形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图图3-15b)。单元单元(粒状粒状)切屑切屑 在挤裂在挤裂(节状节状)切屑产生的前提下切屑产生的前提下, 当进一当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒粒状状)切屑切屑(图图3-15c)。崩碎切屑崩碎切屑 切削脆性金属切削脆性金属(铸铁铸铁)时，常

19、见的呈不规则细粒时，常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑则越容易产生这种切屑(图图3-15d) 。 图315 切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑 图315 切屑类型 C）单元切屑 d ) 崩碎切屑已加工表面的形成与第三变形区的关系密切；已加工表面的形成与第三变形区的关系密切； 刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加工表面产生剧烈

20、的塑性变形工表面产生剧烈的塑性变形(图图3-16a)。表层剧烈的塑性变形造成表层剧烈的塑性变形造成已加工表面已加工表面加工硬化及表面层加工硬化及表面层的残余应力。的残余应力。 加工硬化和残余应力的存在，会影响加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量已加工表面的质量和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具磨损磨损。钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。因素。八、已加工表面的形成过程八、已加工表面的形成过程图图316 已加工表面的形成过程已加工表面的形成过程第二节

21、第二节 切削力切削力一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率 切削过程中，刀具施切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削切屑所需的力，称为切削力。力。1. 切削力的来源切削力的来源切削力来自于金属切削切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（图摩擦阻力（图3-18） 。图图3-18 切削力的来源切削力的来源2.2.切削力的分解切削力的分解 通常将合力通常将合力F F分解分解为相互垂直的三个分为相互

22、垂直的三个分力：力：切削力切削力 F Fc c 、进进给力给力 F Ff f 、背向力背向力 F Fp p ( (图图3-19)3-19)。切削力切削力F Fz z( (F Fc c) )（旧称主切削力，用（旧称主切削力，用F Fz z表表示）示）总切削力在主运总切削力在主运动方向的分力，是计算机动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。等必不可少的参数。背向力背向力 Fy（Fp）进给力进给力Fx (Ff)旧称径向分力，用旧称径向分力，用Fy表表示示 总切削力在垂总

23、切削力在垂直于工作平面方向的分直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。时，所必须的参数。旧称轴向分力，用旧称轴向分力，用Fx表示表示总切削力在进给方向总切削力在进给方向的分力，是设计、校核机的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数给功率不可缺少的参数图图3-19 切削力的分解切削力的分解计算切削功率计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。耗，并在设

24、计机床时根据它来选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3 （kW）机床电机功率机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。）。 3切削功率切削功率4、单位面积切削力切削层单位面积上的切削力 kc=Fc/AD (N/mm2)Fc：切削力AD：切削层公称横截面积切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一

25、类是按单位切削力进行计算。类是按单位切削力进行计算。在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。若已知单位切削力若已知单位切削力k kc c ，即可求得单位切削功率，即可求得单位切削功率p ps s。表。表3-13-1为为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实

26、际切削条件与表中不符时率。实际切削条件与表中不符时 , ,必须引入修正系数加以修正，必须引入修正系数加以修正，有关修正系数可参见相关手册。有关修正系数可参见相关手册。在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。 二、切削力的计算二、切削力的计算三、影响切削力的因素三、影响切削力的因素1. 工件材料工件材料影响较大的因素主要是工件材料影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材在强度、硬度相近的情况

27、下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。就越大。2. 切削用量切削用量进给量进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap 进给量进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap增加，使增加，使切削力切削力Fc增加，但影响程度不同。增加，但影响程度不同。进给量进给量f 增大时，切削力有所增增大时，切削力有所增加；而背吃刀量加；而背吃刀量ap增大时，切削增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。擦力均成正比的增加。切削速度在切削速度

28、在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；渐增加，切削力减小；切削速度继续在切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；消失，切削力增加；在切削速度大于在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，时，切削力无明显变化。切削力无明显变化。在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度面上的摩擦

29、也很小，所以切削速度c 对切削力对切削力Fc无明显的无明显的影响。影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。 切削速度切削速度c 前角的影响前角的影响: o 切削变形切削变形切削力切削力。（塑性材料）。（塑性材料）负倒棱的影响：（负倒棱的影响：（图图321）负倒棱参数负倒棱参数大大提高了正前角大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角负前角)参加切参加切削的比例，负前角的绝对值削的比例，负前

30、角的绝对值切削变形程度切削变形程度切削力切削力；主偏角的影响：（图主偏角的影响：（图322） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr Fy , Fx 刃倾角的影响刃倾角的影响：（图：（图323） s Fy , Fx ,Fz基本不变基本不变刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削刃圆弧部分的长度切削变形切削变形切切削力削力。此外此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使从而使Fp增大、增大、Ff 减小。减小。3. 刀具几何参数刀具几何参数图321 负倒棱对切削力的影响图322 主偏角不同时Fxy力的分解 （a）K

31、r小 （b） Kr大kr1Krkr2FpFf图323 刃倾角对切削力的影响4. 刀具磨损刀具磨损5. 切削液切削液6. 刀具材料刀具材料 刀具材料与被加工材料刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化，直接影响着切削力的变化。力的变化。第三节第三节 切削热和切削温度切削热和切削温度一、切削热的产生与传导一、切削热的产生与传导金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。 切削热向切屑、工件、刀具切屑、工件、刀具

32、以及周围的介周围的介质质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。切削热的产生与传导切削热的产生与传导二、切削温度对切削加工过程的影二、切削温度对切削加工过程的影响响1.对刀具材料的影响对刀具材料的影响 高速钢刀具材料的耐热性高速钢刀具材料的耐热性为为600左右，超过该温度刀左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温热性好，在高温8001000时，时，强度反而更高，韧性更好。因强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。寿命。2.对工件尺寸精度的影

33、响对工件尺寸精度的影响 车削工件外圆时，工件受热车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。的有效措施。三、切削温度的测定方法三、切削温度的测定方法 1.自然热电偶法自然热电偶法 自然热电偶法是利用工自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学成份件材料和刀具材料化学成份的不同而构成热电偶的两极，的不同而构成热电偶的两极，并分别连

34、接测量仪表，组成并分别连接测量仪表，组成测量电路，刀具切削工件的测量电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表冷、热端之间热电势由仪表（毫伏计）测定。切削温度（毫伏计）测定。切削温度越高，测得热电势越大，它越高，测得热电势越大，它们之间得对应关系可利用专们之间得对应关系可利用专用装置经标定得到。用装置经标定得到。2.人工热电偶法人工热电偶法 人工热电偶法是将两种预人工热电偶法是将两种预先经过标定的金属丝组成热电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偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件

35、需要测定温度的指定点或工件需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串联在电位上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。根据仪表上差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热电偶标定曲线，的指示值和热电偶标定曲线，可测得指定点的温度。可测得指定点的温度。四、影响切削温度的因素四、影响切削温度的因素 1.工件材料工件材料 材料的强度、硬度越高，则切材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多；的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。切削区的切削温度就越高。 2.切削用量切削用量 切削温度与切削用量的关系

36、切削温度与切削用量的关系式为：式为： CVc Zf yap x三个影响指数三个影响指数 zyx，说明，说明切削速度对切削温度的影响最大，切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。背吃刀量对切削温度的影响最小。（3）刀具几何参数）刀具几何参数（4）刀具磨损）刀具磨损 （5）切削液）切削液 1)前角前角o塑性变形和摩擦塑性变形和摩擦切削温度切削温度。但前角不能太。但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。切削温度反而上升。 2)主偏角主偏角r切削刃工作接触切削刃工作接触长度长度，切削宽度，

37、切削宽度bD，散热条，散热条件变差，故切削温度件变差，故切削温度。 刀具主后面磨损时，刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。加剧，使切削温度增大。 利用切削液的润滑功能利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温以采用切削液是降低切削温度的重要措施。度的重要措施。 前角与切削温度的关系前角与切削温度的关系第四节第四节 刀

38、具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度一、刀具磨损的形态一、刀具磨损的形态（1）正常磨损）正常磨损 切削塑性材料时，切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚如果切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面度较大，在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙上经常会磨出一个月牙洼。洼。 正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。扩大的磨损。1）前面磨损）前面磨损 刀具的磨损形态刀具的磨损形态2）后面磨损）后面磨损 加工脆性材料或在切削速度加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小（较低、切削厚度较小（hD01mm），由于前刀面上刀屑），由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后间

39、的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损。刀面磨损。3）前面和后面同时磨损）前面和后面同时磨损 一般在以中等切削一般在以中等切削用量加工塑性金属材料用量加工塑性金属材料时会出现这种形式磨损。时会出现这种形式磨损。4）边界磨损）边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀面上，工件外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。易发生边界磨损。（2）非正常磨损）非正常磨损 刀具的非正常磨损是刀具的非正常磨损是指在切削过程中，刀具的指

40、在切削过程中，刀具的磨损量尚未达到磨钝标准磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用，值就突然无法正常使用，即刀具发生破损。即刀具发生破损。1）脆性破损脆性破损2）塑塑性破损性破损 在振动、冲击切削条件的作在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损用下，刀具尚未发生明显磨损（VB0.1mm），但刀具切削部），但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。作，这种破损称为脆性破损。切削时，刀具由于高温高切削时，刀具由于高温高压

41、的作用，使刀具前、后压的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性破损。破损称为塑性破损。v针对被加工工件材料和零件的特点，合理选择刀具材料的种类和针对被加工工件材料和零件的特点，合理选择刀具材料的种类和牌号；牌号；v合理选择刀具几何参数；合理选择刀具几何参数；v保证刀具焊接和刃磨质量，避免因焊接、刃磨不善而带来的各种保证刀具焊接和刃磨质量，避免因焊接、刃磨不善而带来的各种缺陷。尽量使用机夹可转位不重磨刀具；缺陷。尽量使用机夹可转位不重磨刀具；v合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，避免合理选择切削用

42、量，避免过大的切削力和过高的切削温度，避免产生积屑瘤；产生积屑瘤；v提高工艺系统的刚性，消除可能产生振动的因素，如加工余量不提高工艺系统的刚性，消除可能产生振动的因素，如加工余量不均匀，表面硬度不均匀，铰刀、铣刀等回转类刀具各刀齿的刃尖不均匀，表面硬度不均匀，铰刀、铣刀等回转类刀具各刀齿的刃尖不在同一圆周上等现象；在同一圆周上等现象；v采用正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的载荷，采用正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的载荷，合理使用切削液，为防止热裂效应，不要断续使用切削液冷却硬质合理使用切削液，为防止热裂效应，不要断续使用切削液冷却硬质合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。

43、合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。防止刀具破损的措施防止刀具破损的措施二、刀具磨损的原因二、刀具磨损的原因1.硬质点磨损硬质点磨损 2.粘结磨损粘结磨损 3.扩散磨损扩散磨损 切削时，切屑、工件材切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。是磨料磨损。 切削时，切屑、工件与前、切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑

44、移发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。材料，从而造成粘结磨损。 在切削高温下，使在切削高温下，使工件与刀具材料中的合工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损，散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损称为扩散磨损（5）相变磨损）相变磨损 （4）氧化磨损）氧化磨损 在一定温度下，刀具在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成被切屑或工件擦掉而形成磨损，称为氧化磨损。

45、磨损，称为氧化磨损。 当切削温度达到或超当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时，过刀具材料的相变温度时，刀具材料中的金相组织将刀具材料中的金相组织将发生变化，硬度显著下降，发生变化，硬度显著下降，引起的刀具磨损称为相变引起的刀具磨损称为相变磨损。磨损。 切削速度对刀具磨损强度的影响切削速度对刀具磨损强度的影响1-硬质点磨损；硬质点磨损； 2-粘结磨损；粘结磨损；3-扩散磨损；扩散磨损；4-化学磨损化学磨损三、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具磨损过程及磨钝标准1.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（）剧烈磨损阶段（剧烈磨损阶段（）2.刀具的磨钝标准刀

46、具的磨钝标准 刀具磨损到一定限刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标个磨损限度称为磨钝标准。磨钝标准的具体数准。磨钝标准的具体数值可从切削用量手册中值可从切削用量手册中查得。查得。 刀具的磨损过程刀具的磨损过程 国际标准国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种：是以下任何一种：（1） VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取）如果主后刀面为无规则磨损，取VB max=0.6mm；（3）前面磨损量）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）为进给量） 在金属切削的科学研究中多数按后

47、刀面磨损宽度在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度VB来来制定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑：制定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑： 充分利用正常磨损阶段的磨损量，适用于粗加工和充分利用正常磨损阶段的磨损量，适用于粗加工和半精加工。半精加工。 根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。四、刀具耐用度及其经验公式四、刀具耐用度及其经验公式1. 刀具耐用度的定义刀具耐用度的定义刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间。历的实际切

48、削时间。刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。的重要参数。2.切削用量对刀具耐用度的影响切削用量对刀具耐用度的影响（1）切削速度与刀具寿命的关系）切削速度与刀具寿命的关系各种切削速度下的刀具磨损曲线各种切削速度下的刀具磨损曲线刀具刀具Tv关系曲线，该直线方程为：关系曲线，该直线方程为：Lgv=-mlgT+lgA式中，式中， m=tg，即该直线的斜率；，即该直线的斜率；A 当当T1s（或（或1min）时直线在纵坐标上的截距。）时直线在纵坐标上的截距。V = A / T m

49、 各种切削速度下的刀具磨损曲线各种切削速度下的刀具磨损曲线 在双对数坐标上的在双对数坐标上的Tv曲线曲线2）进给量、背吃刀量与刀具寿命的关系）进给量、背吃刀量与刀具寿命的关系f= B / Tnap= C/Tp综合以上三式，可以得到切削用量三要素与寿命的关系：综合以上三式，可以得到切削用量三要素与寿命的关系：T= CT/vcx f yapx 用用YT15硬质合金车刀切削硬质合金车刀切削b0.63GPa的碳钢时，的碳钢时，切削用量与刀具寿命的关系式为：切削用量与刀具寿命的关系式为：T= CT/vc5 f2.25ap0.75 T -V关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系，关系式反映了切削速度与

50、刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。指数是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。高速钢：耐用度的影响程度。高速钢：m=0.10.125； 硬质合金：硬质合金：m=0.20.3;陶瓷刀具：陶瓷刀具：m=0.4。五、刀具寿命的选择原则五、刀具寿命的选择原则确定合理刀具寿命的两种方法：确定合理刀具寿命的两种方法：最大生产率寿命最大生产率寿命最低成本寿命最低成本寿命 一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率寿命。生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率寿命。

51、 刀具寿命对生产率和加工成本的影响刀具寿命对生产率和加工成本的影响复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。低精度的、单刃的刀具高。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可

52、靠工作。保证整机和整线的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。应选得高些。刀具几何参数刀具几何参数 合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命。合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命。刀刀 具具 材材 料料 刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命

53、和提高料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命和提高切削速度的重要途径之一。切削速度的重要途径之一。工工 件件 材材 料料 工件材料的物理力学性能也是影响刀具工件材料的物理力学性能也是影响刀具寿命的重要因素，工件材料的强度、硬度和韧性越高，延寿命的重要因素，工件材料的强度、硬度和韧性越高，延伸率越小，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。伸率越小，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。切切 削削 用用 量量六、影响刀具寿命的因素六、影响刀具寿命的因素切削用量切削用量指的是：指的是：背吃刀量背吃刀量a ap p，进给量进给量f f和和切削速度切削速度v v。 合理的切削用量合理的切削用量

54、是指充分利用是指充分利用刀具刀具的切削性能和的切削性能和机床机床性能，性能，在保证质量的前提下，获得在保证质量的前提下，获得高的生产率高的生产率和和低的生产成本低的生产成本的切削的切削用量。用量。 5.1 5.1 制定切削用量的原则制定切削用量的原则第五节第五节 切削用量的选择切削用量的选择切削用量对加工生产率的影响切削用量对加工生产率的影响 生产率生产率 P PA A0 0vfavfap p， 切削用量参数增大切削用量参数增大 ，生产率增加。，生产率增加。切削用量对刀具耐用度的影响切削用量对刀具耐用度的影响v v、f f、apap增大增大 ，刀具耐用度下降刀具耐用度下降。影响程度由大到小分别

55、为。影响程度由大到小分别为v v，f f和和a ap p。切削用量对加工质量的影响切削用量对加工质量的影响 a ap p、f f增大，增大，表面粗糙度增大；表面粗糙度增大；v v增大增大，表面粗糙度有所减小。，表面粗糙度有所减小。 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，用量的关系式，切削用量切削用量， T T ，其中速度，其中速度 v v 对对T T 影响影响最大，进给量最

56、大，进给量f f 次之，背吃刀量次之，背吃刀量a ap p影响最小。影响最小。 粗加工粗加工中选择切削用量时，应首先选择中选择切削用量时，应首先选择尽可能大尽可能大的背吃刀的背吃刀 量量a ap p，其次在工艺条件允许下选择，其次在工艺条件允许下选择较大的较大的进给量进给量f f ，最后，最后 根根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速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 v 。这样使这样使v v、f f 、a ap p 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时则主要按表面粗糙度表面粗糙度和和加工精度加工精度要求确

57、定切削用要求确定切削用量。量。 一、切削用量合理选择的方法一、切削用量合理选择的方法1 1、计算法：、计算法：根据基本公式（切削力和切削速度公式）和辅根据基本公式（切削力和切削速度公式）和辅助公式（切削功率和切削扭矩公式），求出或查出相应的助公式（切削功率和切削扭矩公式），求出或查出相应的系数和指数后，计算所需的切削用量。系数和指数后，计算所需的切削用量。2 2、查表法：、查表法：根据手册选择切削用量。根据手册选择切削用量。3 3、图解法：、图解法：把各公式制成各种图表，直接从其上选择切削把各公式制成各种图表，直接从其上选择切削用量。用量。 5.2 5.2 切削用量三要素的确定切削用量三要素的

58、确定二、切削用量制订的步骤（二、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a ap p的选择的选择粗加工时，粗加工时， a ap p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， a ap p可取可取0.50.52 mm2 mm。精加工时，精加工时， a ap p取为取为0.10.10.4 mm0.4 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

59、次走刀的a ap p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a ap p取小些，以使精加工取小些，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a ap p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 f 的选择的选择 粗加工时，粗加工时，f f 的大小主要受的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度机床进给机构强度、刀具

60、的强度与刚性、工件的装夹刚度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制等因素的限制。精加工时，精加工时，f f 的大小主要受的大小主要受加工精度加工精度和和表面粗糙度表面粗糙度的限制的限制。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 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11-111-1来选择来选择f 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1