第2章金属切削过程的基本规律及其应用

1、第二章第二章 金属切削过程的基本规律及其应用金属切削过程的基本规律及其应用 金属切削过程金属切削过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。 金属在切削过程中，由于受到刀具的推挤，通常会产生受形。这种变形直接影响切削力、切削热、刀具磨损、已加工表面质量和生产效率等。 主要内容： 1、切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损和刀具耐用度四大规律。 2、应用。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律一、切削变形下图给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。 由于存在摩擦力，剪切滑移变形会更加复杂一些。 金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面

2、的推挤后而产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。切削层受挤压后，先后产生弹性变形、塑性变形，弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑金属晶格产生滑移移，而后断裂。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区（如图）：第I变形区 靠近切削刃处切削层内产生的塑性变形区。第II变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区。第III变形区 靠近切削刃处已加工表面内产生的变形区。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律1. 切屑的形成及变形特点 (1)(1)第一变形区金属的剪切滑移变形第一变形区金属的剪切滑移变形 上图中AC、AB、AE均为

3、剪切等应力线，AC线上的应力s，AE线的应力达最大值max。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 称AE线（面）为终止滑移线（面） 。开始滑移的AC线（面）称始滑移线（面） 。AC与AE线所组成的区域即为第一变形区，该区产生的是沿滑移线（面）的剪切滑移变形。 在一般切削速度范围内，第I变形区的宽度仅为0.02mm0.2mm，切削速度越高、其宽度越小，故可近似看成一个平面，称剪切面。 剪切面与切削速度vc间的夹角称剪切角，以表示。 作用力Fr与Vc之间的夹角称为作用角作用角。 结论：结论： 第I变形区是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。第一节第一节 金属

4、切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律(2)(2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形第二变形区内金属的挤压摩擦变形 切削层金属经过剪切滑移后，切屑底层（与刀具前刀面接触的层）在沿前刀面流动过程中，受到前刀面的进一步挤压与摩擦，产生了第二次变形第二次变形。 从图可以看出，原来的平行四边形单元的底面被前刀面的挤压给拉长了，使得平行四边形变成了梯形。许多这样的梯形叠加起来后，切屑就背向底层卷曲了。由于强烈地挤压摩擦，使得切屑底层非常光滑，而上层呈锯齿状的毛茸。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 第二变形区的特点特点是变形集中在切屑底层极薄一层金属中，且该层金属的晶粒纤维化方向

5、与前刀面是平行的。 第一变形区和第二变形区是相互关联的，前刀面的挤压会使切削层金属产生剪切滑移变形，挤压越强烈，变形越大，在流经前刀面时挤压摩擦也越大。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 (3)(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，产生变形与回弹，形成纤维化与加工硬化。它直接影响着已加工表面的质量。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律2. 切屑的种类 由于工件材料不同，切削条件不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类： 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过

6、程的基本规律(1)(1)带状切屑（图带状切屑（图a a） 使用较大前角的刀具并选用较高切速，较小的进给量和切深，切削硬度较低的塑性材料时，切削层金属经过终滑移面，虽然产生了最大的塑性变形，但尚未达到破裂程度即被切离母体，从而形成连绵不断的带状切屑。 带状切屑的顶面呈毛茸状，底面光滑。形成带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动也较小，加工的表面较光洁。但它会缠绕在刀具或工件上，损坏刀刃，刮伤工件，且清除和运输也不方便，影响正常切削加工。所以需要在刀具前刀面上磨出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽，以促使切屑成卷或折断。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律(2)(2)挤裂切屑

7、（节状切屑）（图挤裂切屑（节状切屑）（图b b） 一般用较低的切速粗加工中等硬度的塑性材料时，容易得到这类切屑。当切削层金属到达终止滑移面时，材料局部已达到破裂程度，使切屑上与前刀面接触的一面较光洁，有时有裂纹，其背面局部开裂成节状。这是最典型的切削过程，经过弹性变形、塑性变形、挤裂、切离等阶段。由于变形较大，切削力也较大，且有波动，工件表面较粗糙。 (3)(3)单元切屑（图单元切屑（图c c） 切削铅或用很低的速度切削钢时，可得到这类切屑。当剪切面上的剪切应力超过材料的剪切强度时，产生剪切破坏，使切屑沿厚度方向断裂成均匀的颗粒状。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律

8、(4)(4)崩碎切屑（图崩碎切屑（图d d） 在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑性变形就突然崩碎形成不规则的碎块状屑片，即形成崩碎切屑。 工件材料越是脆硬，越容易产生这类切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并容易产生振动，影响表面粗糙度。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 3. 切削变形的表示方法 （1 1）相对滑移）相对滑移 由

9、材料力学知，剪切变形可用相对滑移来表示。假定四边形OHNM剪切变形后变成OGPM，其相对滑移可写成： 则对于切削层来说，其相对滑移为： s ycottan()oBCCBys yB用来衡量第一变形区滑移变形的程度。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律chchDchhlhll ； （2 2）变形系数）变形系数hh 实际切削过程中，切削层金属受到挤压变形后，切屑厚度比切削层厚度变厚。长度比切削层长度缩短（如图），故可用厚度变形系数h或长度变形系数l表示其变形程度：根据体积不变原则，显然：h = l 从上图中的几何关系不难推出变形系数与剪切角存在如下关系：0cos()cotcos

10、sinsinchhooDhABhAB结论：剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律4. 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 （1 1）作用力分析）作用力分析 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律Fr可分解为二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。 剪切力Fs可按下式计算：coscossinsryFFFoz （-）=F剪切面上产生的剪切应力为：sinsinsinZySsSDDDF cosFFFAAhb结论：减小FZ、增大AD、减小，均可减小。第一节第一节 金属切削过程的基本规律

11、金属切削过程的基本规律摩擦系数可用下式求得：tanfnFF摩擦角也可用测得的分力FZ、FY求出：tan()YoZFF tan即等于前刀面的平均摩擦系数，这就是通常测定前刀面摩擦系数的方法。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（2 2）剪切角）剪切角的确定的确定 剪切角是剪切滑移面与切削速度间的夹角，它表示出了剪切滑移面的位置。当前角一定时，切削变形系数h将随的增大而减小，说明此时剪切滑移面上变形消耗能量少。 麦钱特（M.E. Merchant）根据切削合力最小的原则，对下式进行微分求极值，dF/d=0，000cos()cos()cos()cos()sincos()sDoZ

12、roFAFF 22o0=45得到：第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 另外，李和谢夫（Lee and Shaffer）根据主应力与最大剪应力成45的理论得出：00=45规律： 当前角o增大时，值随之增大，变形系数h减小。 当摩擦角增大时，值随之减小，变形系数h增大。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（3 3）切屑与前刀面的摩擦）切屑与前刀面的摩擦 切屑与前刀面接触部分分为两个摩擦区域，即粘结区（内摩擦区）和滑动区（外摩擦区）。 粘结区：粘结区：近切削刃长度为lf1的区域内，由于切削过程中，切屑底层是刚生成的新表面，前刀面在切削的高温、高压下也已是

13、无保护膜的新表面，二者的接触区极有可能粘结在一起，形成粘结区。在这种情况下，发生的是切屑和刀具粘结层与上层金属之间的内摩擦，这内摩擦实际就是金属内部的滑移剪切，它与粘结面积的大小有关。 粘结区 滑动区Vch第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律滑动区：滑动区：切屑即将脱离前刀面前的长度为lf0的区域内，其摩擦形式与一般金属摩擦副间的滑动摩擦基本相同。 切屑与前刀面的摩擦由内摩擦与外摩擦构成，通常以内摩擦为主，内摩擦力约占总摩擦力的85%85%。内应力分布规律规律： 剪应力剪应力的分布的分布 剪切应力在 粘结区lf1内为恒定值，它等于材料软化后的剪切屈服极限s；在滑动区lf0

14、内剪切应力呈曲线下降至零。 正应力正应力的分布的分布 正应力在整个接触区从刃口处最大呈曲线下降至零。 粘结区 滑动区Vch第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 根据摩擦系数概念可写出平均内摩擦系数公式如下：1111tanfrssnrAVAVFAFA 式中：Ff1、Fn1 粘结区内的摩擦力、正压力。 Ar1 粘结面积。 AV 粘结区内的平均正应力。由于av随材料硬度、切削厚度、刀具前角等而变化，故是一个变数。 规律：lf，s变形第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律积屑瘤（4 4）积屑瘤）积屑瘤 形成：形成：当前刀面上的摩擦系数较大、切削速度不很高、切削

15、铸铁、钢等塑性材料时，常常会有一些从切屑和工件上下来的金属屑粘结、聚积在刀具刃口及前刀面上，形成硬度很高的楔形硬块，以代替刀具进行切削，这个硬块则称为积屑瘤（如右图）。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律积屑瘤 积屑瘤包围着刃口，并将前刀面与切屑隔开，由于它伸出刀口之外，使得实际切削深度增加，且增加了实际工作前角，使变形减小。 但积屑瘤是不稳定的，当它增大到一定程度时，会脱落嵌入到工件的已加工表面内，或在已加工表面上形成划痕。不仅影响加工精度和加工表面质量，同时也会影响到刀具的耐用度。在加工过程中应尽量避免积屑瘤的产生。 产生、成长、脱落，周期变化。第一节第一节 金属切

16、削过程的基本规律金属切削过程的基本规律影响积屑瘤形成的主要因素影响积屑瘤形成的主要因素 影响切屑瘤高度的主要因素是切削速度，实质是切削温度切削速度，实质是切削温度。在低速（vc3m/min）切削时，切削温度低，空气或切削液来得及渗透到前刀面接触区，很难形成切屑底层与前刀面的完全粘结，这时一般不生成积屑瘤。如果生成，也只是很小的积屑瘤。 随着切削速度的提高，积屑瘤的高度也随之增加，一直到切削区温度达到300一380时，积屑瘤高度达到最大值。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 当切削速度进一步提高时，积屑瘤高度逐渐减小，一直到切削区温度越过500时，积屑瘤因高温而软化，切

17、屑底层金属呈微熔状态，不易形成积屑瘤。 此外，积屑瘤的形成还与接触面间压力，粗糙程度、粘结强度等因素有关。抑制或避免积屑瘤产生的措施：抑制或避免积屑瘤产生的措施：a、合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域。b、在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度高，通常选中等以上切削速度加工。c、切削塑性高的材料，需选用高的切削速度。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 影响切屑变形的因素归纳起来有三个方面：工件材料、刀具几何参数影响切屑变形的因素归纳起来有三个方面：工件材料、刀具几何参数及切削用量。及切削用量。 （1 1）刀具前角）刀具前角o o 前角o越大， ，剪

18、切角就越大，变形系数h越小。但前角过大时，刀具切削刃的强度降低。 5. 影响切屑变形的因素第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（2 2）切削速度）切削速度v vc c 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度v vc c越高，变形系数Ah越小。 其原因有两点：一是因为切屑塑性变形速度低于切削速度时，切屑塑性变形区域变窄，使得剪切角增大，变形系数Ah变小。二是随着切削速度v vc c的提高，切削温度升高，切屑底层金属的s下降，摩擦系数减小，摩擦角减小，剪切角增大，变形系数Ah减小。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金

19、属切削过程的基本规律在能形成积屑瘤的切削速度范围内， v vc c是通过积屑瘤形成的积屑瘤前角（即实际工作前角）来影响变形系数的。在积屑瘤生长区，随着v vc c升高积屑瘤逐渐长大，使得前角增大，变形系数减小；在积屑瘤消退区，v vc c再升高，积屑瘤逐渐脱落，前角逐渐减小，直至积屑瘤完全消失，变形系数也随之逐步加大，形成如下图所示的驼峰曲线。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（3 3）进给量）进给量f f 进给量f越大，变形系数Ah越小。因为f增大，就意味着切削厚度hD增大，使前刀面上的平均正应力AV增大，因此摩擦系数减小， Ah 。 另一方面，在一定厚度的切屑中，各

20、层的变形和应力分布是变化的，离前刀面越远，金属层的变形和应力就越小。因此，切削厚度增加，切屑的平均变形减小。进给量f与变形系数Ah的关系如下图所示。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律（4 4）工件材料）工件材料 工件材料的强(硬)度越高，变形越小。因为工件材料的强度越高，前刀面上的平均正应力AV越大，因此摩擦系数和摩擦角减小，剪切角增大，变形系数Ah减小。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律二、切削力 切削过程中，作用在工件和刀具上的力，称为切削力。它直接影响着刀具、机床、夹具的设计和使用。

21、1. 切削力的来源、合力及分力 来源： 变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力； 切屑、工作与刀具间的摩擦力。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力Fr第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 由上图可知，刀具的前刀面和后刀面上都有作用力，它们的合力F称为切削合力，F的大小和方向是变化的，很难测量。为了测量和应用的方便，通常将F按照空间直角坐标分解为三个相互垂直的切削分力。 主切削力FZ（新称切削力FC）：它作用于切削平面Ps内，并与基面垂直，即切削刃上选定点的切削速度方向上，又称切向力，消耗机床的主要功率（95%以上），是计算

22、切削功率、选取机床电动机功率和设计机床主传动机构的依据。 切深抗力FY（新称背向力FP）：它作用于基面Pr内，与吃刀方向一致，又称径向力、吃刀力，不消耗机床功率。它能使工件产生变形，是校验机床主轴在水平面内刚度及相应零部件强度和车刀强度的依据，也是使工件在切削过程中产生振动的力。 进给抗力FX（新称进给力Ff）：它也作用于基面Pr内，与进给方向相反的力，又称轴向力、走刀力，是设计机床进给机构的依据。 切削合力F与各分力的关系为：222ZYXFFFF第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 2. 2. 切削力的测定、切削力实验公式切削力的测定、切削力实验公式 测力仪

23、是测量切削力的主要仪器。就其原理可分为：机械式、液压式和电测式。电测式又可分为电阻应变式、电磁式、电感式、电容式及压电式。目前，应用较多的是电阻应变式。 （1 1）测力仪的工作原理）测力仪的工作原理 下图为电阻应变式测力仪原理图，它由传感器、电桥、应变仪和记录仪组成。1. 传感器；2. 电桥电路；3. 应变仪；4. 记录仪第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 电阻应变式测力仪的传感器有很多种结构，常用的有直杆式和八角环式（如下图所示），前者可测主切削力，后者可测切削合力的各分力。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 直杆式传感

24、器测力原理如下图所示：第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（2 2）车削力实验公式的建立）车削力实验公式的建立 切削力经验公式系指切削力的指数公式。该公式是通过切削实验建立起来的。切削实验的方法很多，有单因素法、多因素法及正交设计法；数据处理方法有图解法、线性回归法以及计算机数据采集处理法。 下面以建立主切削力FZ实验公式为例，介绍较简单的单因素图解法，以说明公式的建立过程。 根据实验得到的ap-FZ、f-FZ数据，可在双对数坐标中连成下图所示的两条直线图形：第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力上述直线对应的对数方程为：lgl

25、glgpZzaFpFCxalglglgZzfFFCyf上式可变换为：FzpxzapFC aFzyzfFC f综合上两式，得：FFzZZxyzFpFC af式中：xFZ、yFZ 分别为ap-FZ、f-FZ直线图形中的斜率； Cap、Cf 分别为ap-FZ、f-FZ直线图形中的截距； CFZ 为主切削力影响系数。决定于被加工材料和切削条件。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 同理可建立切深抗力Fy和进给抗力FX实验公式。通过切削力实验建立的车削力计算公式的一般形式为：FFzZZZxyzFpFFC afKFFYYYYxyYFpFFC afKFFXXXXxyXFpF

26、FCafK式中：xFZ、xFY、xFX 背吃刀量ap对切削力的影响指数，可查表得到； yFZ、yFY、yFX 进给量f对切削力的影响指数，可查表得到； CFZ 、 CFY 、 CFX 为切削力影响系数，可查表得到； KFZ 、 KFY 、 KFX 为修正系数，可查表得到。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力3. 单位切削力、切削功率和单位切削功率 （1 1）单位切削力）单位切削力 单位切削力p是指切除单位切削层面积AD产生的主切削力。如果单位切削力p为已知，则可用下列公式计算主切削力：ZDpFpApa fp 单位切削力，N/mm2。 （2 2）切削功率）切削功

27、率PmPm 功率等于力与力作用方向上的运动速度的乘积，切削功率Pm是三个切削分力消耗功率的总和。外圆车削时，由于Fy方向的运动速度为零，且进给运动的速度也较低，可忽略不计算。所以切削功率Pm可用如下公式计算：310 ()mZcPF vkWVc 主运动速度，m/s。 Fz 主切削力，N。1FZFZFZxyFZpZFZyDpC afFCpAa ff第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力计算电动机所需功率PE时，还需要考虑机床的传动效率，则：()mEPPkW（3 3）单位切削功率）单位切削功率PsPs 单位切削功率Ps是指单位时间切除单位体积的金属Zw所消耗的功率。3

28、1(/)msWPPkw mm sZZw 单位时间内的金属切除量，mm3/s。可导出单位切削功率Ps与单位切削力p之间的关系：36311010 (/)1000pcmsWpcpa fvPPpkw mm sZa fv例：第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力4. 影响切削力的因素（1 1）工件材料的影响）工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈服强度、塑性变形、切屑与刀具的摩擦系数等条件影响切削力的。（a）一般来说，工件材料强(硬)度越高，即s越大，切削力也越大；（b）工件材料强（硬）度接近时，塑性(延伸率)越大，塑性变形越大，切屑与前刀面的摩擦增加，切削力越大。（

29、c）切削脆性材料时，切削力一般总是小于切削塑性材料。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（2 2）切削用量的影响）切削用量的影响 （a）背吃刀量背吃刀量apap与进给量与进给量f f ap和f的大小决定切削层面积AD的大小。因此， ap和f的增加均会使切削力增大。但二者的影响程度不同，当f不变，ap增加1倍，Fz大约也正比增大1倍；当ap不变， f增加1倍， Fz约增大70%85%。所以，当需要提高生产率时，通常采用加大进给量的方式，提高切削效率。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（b）切削速度切削速度v vc c Vc对

30、Fz的影响是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。切削塑性金属和脆性金属时，vc对Fz的影响不同。 下图给出了YTl5切削45钢时的vcFz驼峰曲线：第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 当vc在中速和高速区(vc 30 mmm)，Fz随着vc的提高而减小。因为vc提高，使切削温度升高，s下降，减小，增大，h减小，所以Fz减小。 在较低速度区(vc 30 mmm)，主要通过积屑瘤的生长消失过程来影响切削力Fz。当vc 17mmm为积屑瘤生长区， 当vc=17mmin时积屑瘤最大，此时实际工作前角最大，故h最小，Fz当然最小。17 vc 30 mmin时，为积屑瘤消退区

31、，随着的vc增大，积屑瘤逐渐减小，相应地，Fz逐渐增大，直至出现最大值、即曲线出现了高峰，然后随着vc的增加进入了无积屑瘤区。 切削脆性金属时(如灰铸铁、铅黄铜等)，因其塑性变形很小，刀-屑间摩擦很小，故vc 对Fz无显著影响(见下图)。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（3 3）刀具几何角度的影响）刀具几何角度的影响 （a）前角前角o o的影响的影响 随着o增加，切削力显著减小。研究表明：切削塑性金属时， o变化1，Fz将改变1.5左右，且塑性越大，改变幅度越大。 但o对切削力各分力的影响是不同的，影响最大的是Fx，其次是Fy，最小的是Fz，如图所示。 o

32、第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（b）主偏角主偏角k kr r的影响的影响 主偏角kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变，主偏角kr对主切削力Fz的影响不大。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力 当kr在6075时Fz出现最小值。 kr主要影响基面合力Fxy各分力的大小。kr增大，Fy减小，而Fx增加。所以在切削细长轴时，为了防止工件弯曲和振动，常用较大的主偏角（ 90或 75）。sinxxyrFFkcosyxyrFFk第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（c）刃倾角刃倾角

33、s s的影响的影响 刃倾角s对主切削力Fz的影响不大，而对Fy 、Fx影响较大。 s增大时， Fy减小较多，Fx有所增加（如图所示）。原因是s改变了合力Fr的方向，从而影响Fy 、Fx。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（d）刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r的影响的影响 当kr、ap、f一定时，增加刀尖圆弧半径r对主切削力Fz的影响不大，但Fz 、Fy增加，Fx减小（如图所示）。原因是曲线刃上各点的实际主偏角kr减小，从而影响Fz 、Fy。为了防止切削过程中工件的变形和振动，应尽是减小刀尖圆弧半径r 。r Fz、 Fy第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切

34、削过程的基本规律切削力切削力（e）负倒棱负倒棱b br1r1的影响的影响 前刀面上的负倒棱br1对切削力有一定影响。有负倒棱时，因切屑变形比无负倒棱时为大，故切削力总有提高。主要通过负倒棱宽度br1与进给量f之比值影响切削力。 br1 /f增加时，Fz增加。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力（4 4）其它因素的影响）其它因素的影响（a）刀具材料的影响刀具材料的影响 刀具材料主要通过摩擦系数影响切削力。在各类刀具材料中，摩擦系数是按金刚石、陶瓷、硬质合金、高速钢的顺序加大的。在硬质台金中，YT类的摩擦系数比YG类的摩擦系数小。（b）刀具磨损、刃磨质量的影响刀具

35、磨损、刃磨质量的影响 后刀面磨损越大，切削力Fy越大；刀具的前后刀面刃磨质量越好，切削力越小；使用润滑性能好的切削液，切削力减小。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削力切削力三、切削热与切削温度 切削热和由它产生的切削温度是金属切削过程中重要的物理现象之一。切削时消耗的能量约97一99转换为热能。大量的切削热使得切削区温度升高，直接影响刀具的磨损和工件的加工精度及表面质量。 1. 切削热的来源与传散 被切金属层在刀具的作用下，产生弹性和塑性变形而作功，同时切屑与前刀面、工件加工表面与后刀面之间的摩擦也要作功，这些功都转变成热，这就是切削热的来源。 第一节第一节 金属切

36、削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度 切削时共有三个生热区，即剪切面区变形功形成的热Qp、切屑与前刀面接触区摩擦功生热Qrf、后刀面与工件加工表面接触区摩擦功生热Qaf，如下图所示。切削塑性金属时，以Qp、 Qrf为主；切削脆性金属时，以Qaf 为主。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度 影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及周围介质的状况。 不同的切削加工方法，切削热由切屑、刀具、工件和周围介质传导出去的比例也不同。例如：车削加工时，切屑带走的切削热为5086，40l0传入车刀，9%3%传入工件

37、，1传入周围介质。 钻削加工时，约有28的切削热由切屑带走，15传入钻头，52传入工件，5%传入周围介质。prfafchWcfQQQQQQQQ 产生的总热量Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qf。其热平衡方程为： 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度 2. 切削温度 切削温度一般指前刀面与切屑接触区域的平均温度。切削温度取决于切削热的产生与传散情况。 （1 1）切削温度的计算）切削温度的计算 假定切削功全部转换为热能，则单位时间内产生的热q就等于切削功率Pm，即：()ZcqF vW 由热量q引起的温度升高量与材料的密度和比

38、热c有关：()CCDDvpc v h bcZF= 式中：p 单位切削力（N/m2）； c 比热容（J/kgK）； 密度(kg/m3)。 实际上切削温度的理论计算分析是十分复杂的，常用测量实验的方法，来建立切削温度的实验公式。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度 （2 2）切削温度的测定）切削温度的测定 自然热电偶法 自然热电偶法是以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。下图是在车床上利用自然热电偶法测量切削温度的装置示意图。用自然热电偶法测得的是切削区的平均温度，切削区指定点的温度则不能测得。另外，不同的刀具材料与工件

39、材料所组成的热电偶，均要进行标定，使用起来不太方便。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度 人工热电偶法人工热电偶法 下图是用人工热电偶法测量刀具前刀面温度的示意图及测得的结果。这是将两种预先标定好的金属丝组成的热电偶热端焊接在刀具或工件待测温度点上，尾端通过导线串接在电位差计或毫伏表上，切削时根据表上的指示数值，参照标定曲线，便可得知欲测点的切削温度。人工热电偶测温第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度3. 影响切削温度的因素 切削温度的高低，取决于切削热产生的多少和散热条件的好坏。影响生

40、热与散热的主要因素有：切削用量、刀具几何参数、工件及刀具材料和切削液等。 （1 1）切削用量的影响）切削用量的影响 切削用量是影响切削温度的主要因素。通过实验可以建立与切削力实验公式类似的切削温度实验公式：xyzpcafv k=C （）式中：x、y、z切削用量ap、f、vc对切削温度的影响指数； C与实验条件有关的影响系数； K修正系数。 随着切削用量的增加，切削温度增加，其中切削速度vc的影响最大，其次是进给量f，背吃刀量ap的影响最小（见下图）。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规

41、律切削热与切削热与切削温度切削温度第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度（2 2）刀具几何参数的影响）刀具几何参数的影响 前角o 切削温度随前角的增大而降低。这是因为前角增大时，切削变形减小、单位切削力下降，产生的切削热减少的缘故。但前角增大到一定幅值时，再增大前角则因刀具的楔角太小而使散热体积减小，切削温度将略有升高，见下图。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度主偏角kr 主偏角对切削温度的影响如图所示。随主偏角的增大，切削温度升高，这是因为主偏角增大，一方面使切削刃工作长度缩短，切削热

42、相对集中，同时刀尖角减小，散热条件变差，因此切削温度升高。 其它刀具几何参数对切削温度影响较小。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度（3 3）工件材料的影）工件材料的影响响 工件材料的强度(硬度)和导热系数对切削温度有很大影响。工件材料的强度（硬度）越高，切削力越大，切削时消耗的功越多，产生的切削热量也越多，切削温度就越高，工件材料的导热系数越大，由工件和切屑传导出去的热量越多，切削温度就越低。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度（4 4）其它因素的影响）其它因素的影响 刀具磨损后，切削

43、刃变钝，切削作用减小，挤压作用增大，切削区的变形增加；同时，磨损后的刀具实际工作后角变成零度使后刀面与加工表面间的摩擦加大，均使切削温度升高。 使用切削液对降低切削温度有明显效果。切削液有两个作用：一方面可以减小切屑与前刀面、工件与后刀面的摩擦；另一方面可以吸收切削热。两者均使切削温度降低。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律切削热与切削热与切削温度切削温度四、刀具磨损与刀具耐用度 切削过程中，刀具切削部分在承受着很大的切削力和很高的切削温度的同时还与切屑和加工表面产生强烈摩擦，其结果将刀具逐渐磨钝失效。磨钝到一定程度，切削力和切削温度急剧增高、甚至产生振动，使工件加工精

44、度下降，表面质量恶化，此时就要磨刀或换刀。 刀具磨损决定于刀具材料、工件材料的物理力学性能和切削条件。不同刀具材料的磨损和破损有不同的特点。 1. 刀具磨损形式 刀具的磨损失效分为正常磨损和非正常磨损两大类。 （1 1）正常磨损）正常磨损 正常磨损是指在切削过程中，在设计使用合理、制造刃磨质量符合要求的情况下，刀具前刀面和后刀面在高温、高压作用下，逐渐产生的磨损现象。前刀面往往被磨成月牙洼，后刀面则形成磨损带。多数情况下二者同时发生，相互影响，如下图所示。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切

45、削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度正常磨损常表现为下列三种形态： 后刀面磨损 由于加工表面与后刀面间存在着强烈摩擦，在后刀面近刃口处很快被磨出长度为b，后角等于或小于零的小棱面，称为后刀面磨损。 当切削脆性材料或者以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，都将产生后刀面磨损。 后刀面的磨损带往往不均勾，通常分为三个区：靠近刀尖部分的C区、靠近待加工表面的N区和中间部分的B区。 C C区区：近刀尖部分的C区由于强度较低、散热条件较差、磨损比较严重，其磨损量用棱面高度VC表示。 N N区区：在近待加工表面的N区磨损，属于边界磨损。由于工件毛坯表面的硬皮或上道工序的加工硬

46、化层等因素的影响，使得磨损加剧，产生较大深沟，该区约占磨损区全长的1/4。磨损量用VN表示。 B B区区：在磨损带中间部位的B区，磨损比较均匀，常以平均磨损量VB来表示，有时也用最大磨损量VBmax表示。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度 前刀面磨损 加工塑性材料时，当刀具材料耐热、耐磨性较差，切削速度较高，大进给量(f0.5mm),切削厚度较大时，常在前刀面上发生磨损。由于切屑底面与刀具的前刀面在切削过程中是化学活性很高的新表面，在接触区高温高压作用下，切屑将在刀具前刀面上逐渐磨出一个月牙形凹坑，故这种磨损形态又常被称为月牙洼磨

47、损。 前刀面的磨损值常以月牙洼的最大深度KT表示。月牙洼宽度用KB表示，月牙洼中心到切削刃的距离用KM表示。 前后刀面同时磨损 经切削后刀具上同时出现了前刀面磨损和后刀面磨损。 一般在切削塑性金属时，采用中等切削速度和中等进给量常出现前后刀面同时磨损。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度（2 2）非正常磨损）非正常磨损 刀具的破损是刀具失效的另一种形式。多数发生在脆性较大的刀具材料进行断续切削或者加工高硬度材料的情况下。 刀具的破损按性质可分为塑性破损（卷刃）和脆性破损两种；按时间又可分为早期破损和后期破损两种。早期破损是切削刚开始

48、或经短时间切削后即发生的破损，此时，前、后刀面尚未发生明显磨损。后期破损是加工一定时间后，刀具材料因交变机械应力和热应力所致的疲劳损坏。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度塑性破损（卷刃） 塑性破损是指由于高温和高压作用，使前、后刀面发生塑性流动，产生塌陷或隆起塑性变形，从而丧失切削能力的现象。它直接和刀具材料与工件材料的硬度比有关，比值越高，越不容易发生塑性破损。硬质合金刀具的高温硬度高。一般不易发生这种破损；而高速钢刀具因其耐热性较差，常出现这种破损。 脆性破损 硬质合金和陶瓷刀具在机械和热冲击的作用下，常常发生的崩刃、碎断、

49、剥落、裂纹等均属脆性破损。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度 2. 磨损过程和磨钝标准 刀具的磨损随切削时间的延长而逐渐增大。通过切削实验，可得到如图所示的刀具磨损过程的典型磨损曲线。该图的横坐标为切削时间，纵坐标为后刀面磨损量VB(或前刀面月牙洼磨损深度KT)。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度 刀具的磨损过程可分为三个阶段：刀具的磨损过程可分为三个阶段： 初期磨损阶段（I段）：该阶段磨损曲线斜率较大，即刀具磨损较快。这是因为新刃磨的刀具表面粗糙不平且存在着微裂纹、

50、氧化或脱碳层等缺陷，且切削刃口较锋利，后刀面与加工表面接触面积较小，压应力较大。很快就在后刀面上磨出一窄面。一般初期磨损量为0.05mm0.1mm，其大小与刀具的刃磨质量直接相关。实践证明，经过仔细研磨的刀具初期磨损量较小。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度 正常磨损阶段（段）：经过初期磨损后，刀具的粗糙表面被磨平，磨擦面的接触面积增大，压应力减小，磨损比较缓慢均匀。在这一阶段中，后刀面的磨损量与切削时间近似成正比（即磨损强度基本上为一常数。单位时间内的磨损量称为磨损强度）。该阶段是刀具的有效工作阶段、刀具的使用不应超过这一阶段

51、。正常切削时，该阶段的时间较长。 急剧磨损阶段（段）：当磨损带宽度增加到一定限度时，加工表面粗糙度值加大，切削力与切削温度均迅速升高，刀具磨损速度也急剧加快很快便失去切削能力。这时，刀具的刃磨将很困难，刀具材料消耗量加大，成本也增大。为了合理使用刀具、保证加工质量，应避免刀具的磨损进入这个阶段。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度刀具的磨钝标准：刀具的磨钝标准： 刀具磨损到一定限度就不能继续使用，否则将降低工件的尺寸精度和表面质量，增加刀具材料的消耗及加工成本。刀具的这个磨损限度称为磨钝标准。 在评定刀具材料的切削性能和试验研究时，

52、都以刀具后刀面磨损量作为衡量刀具磨损程度的磨钝标准。因为一般刀具的后刀面都会发生磨损，而且测量也较方便。因此国际标准ISO统一规定以l2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带高度VB作为刀具的磨钝标准。 制订磨钝标准时，既要考虑刀具的合理使用，又要考虑保证工件加工表面粗糙度和尺寸精度。因此，不同加工条件下，刀具磨钝标准也不尽相同。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度 磨钝标准的制订原则：粗加工磨钝标准是能使刀具切削时间与可磨或可用次数的乘积最长。该标准也称为经济磨钝标准。粗加工取较大值。精加工磨钝标准是在保证零件加工精度和粗糙度条件下制订的

53、，故VB值较小，该标准也称为工艺磨钝标准。应考虑工艺系统是否会振动，工件材料的可加工性，刀具制造刃磨难易度。 在生产实践中，经常中断切削过程测量刀具的磨损值会影响生产的正常进行，特别是自动加工不能中断加工过程。因此只能根据切削中发生的一些现象来判断刀具是否已经磨损。例如，粗加工时，加工表面会出现亮带，切屑的颜色和形状会发生变化，还会出现振动及不正常的噪音；精加工时，加工表面粗糙度值增大、零件的尺寸和形状精度降低。这些异常现象的产生说明刀具已磨损，应及时换刀。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度国际标准ISO推荐的车刀耐用度试验的磨钝

54、标准如下： 高速钢或陶瓷刀具，可以是下列任何一种： 破损； 如果后刀面在B区内有规则的磨损，取VB0.3mm； 如果后刀面在B区内是无规则的磨损、划伤、剥落或有严重的沟痕,取VBmax0.6mm。 硬质合金刀具，可以是下列任何一种： VB0.3mm； 如果后刀面是无规则的磨损，取VBmax0.6mm； 前刀面磨损量KT=0.06+0.3f，其中f为进给量。 教材P39表2.8给出了车刀的部分磨钝标准值，可供参考。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度3. 刀具磨损原因 由于工件材料、刀具材料和切削条件变化很大，刀具的磨损形式各不相同，

55、其磨损原因也很复杂、既有机械磨损，又有对切削温度依赖较强的热磨损、化学磨损。刀具正常磨损的主要原因分述如下： （1 1）磨粒磨损）磨粒磨损 磨粒磨损(机械磨损)，是由于工件材料中的杂质和基体组织中所含的硬质点(如碳化物、氮化物和氧化物)以及积屑瘤的碎片等在刀具表面上划出沟纹而造成的磨损。 高速钢刀具的这种磨损比较显著，硬质合金刀具相对少些。 各种切削速度下，刀具都存在磨粒磨损，但它是低速切削刀具(如拉刀、板牙、丝锥)磨损的主要原因。因为在低速下，切削温度较低，其它各种形式的磨损还不显著。一般可以认为，由磨粒磨损产生的磨损量与刀具工件相对滑动距离或切削路程成正比。第一节第一节 金属切削过程的基本

56、规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度（2 2）粘结磨损）粘结磨损 粘结是指刀具与工件材料在足够大压力和高温作用下，接触到原子间距离时所产生的冷焊结合现象，即摩擦面塑性变形形成的新表面原子间吸附的结果。两摩擦表面的粘结点因相对运动将产生撕裂而产生磨损，若粘结处的破裂发生在刀具这一方，则造成刀具的磨损。 一般说来，工件材料或切屑的硬度较刀具材料的硬度低，粘结处的破裂往往发生在工件或切屑上。但刀具材料也可能有组织不均，存在内应力、微裂纹以及空穴、局部软点等缺陷。所以刀具表面也会发生破裂而被工件材料带走造成磨损。 粘结磨损程度主要取决于刀具材料与工件材料间的亲和力、二者的

57、硬度比、切削温度、刀具表面形状与组织等。刀具与工件材料间的亲和力越大，硬度比越小，则粘结磨损越严重。其中切削温度对刀具粘结磨损的影响最大。 低中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度切削温度对刀具粘结磨损的影响见图。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度（3 3）扩散磨损）扩散磨损 由于切削时处于高温，刀具表面始终与被切出的新表面相接触，使其具有巨大的化学活泼性。当摩擦表面化学元素的浓度相差较大时，它们就可能在固态下互相扩散到对

58、方中去，改变刀具材料和工件材料的化学成分，使刀具材料变得脆弱而造成刀具磨损，这种磨损称为扩散磨损。 例如：当切削温度达到800以上时，硬质合金中的C、W、Co等元素扩散到切屑中去而被带走(见下图)，而切屑中的Fe元素扩散到硬质合金表层，形成了新的脆性低硬度复合碳化物；硬质合金WC中的C扩散出去造成贫碳，使硬度降低，同时因为Co的扩散使其含量减少，而降低了WC、TiC等碳化物与基体的粘结强度，这些都使刀具磨损加剧。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用

59、度与刀具耐用度 扩散磨损速度主要与切削温度和刀具材料的化学成分扩散磨损速度主要与切削温度和刀具材料的化学成分等有关等有关。 扩散速度随切削温度的升高而按指数函数增加。也就是说，对一定的刀具材料，随切削温度上升，扩散速度开始增加较慢，然后越来越快。不同元素的扩散速度不同，因此在一定的切削条件下，扩散磨损剧烈程度与刀具材料的化学成分关系很大。 此外，扩散速度还与切屑底层在刀具表面上的流动速度有关，流动速度快，摩擦表面上扩散元素的浓度差可基本保持在一定水平，扩散磨损也较快。 第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度（4 4）相变磨损）相变磨损

60、 当刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面材料的金相组织发生变化。例如，由马氏体转变为奥氏体，使刀具表面硬度下降，加剧磨损。 合金工具钢相变温度：300350；高速钢相变温度： 550600 相变磨损造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。第一节第一节 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律刀具磨损刀具磨损与刀具耐用度与刀具耐用度（5）氧化磨损 切削时在一定的温度下，刀具材料与周围介质的某些成分（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氮等）起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，而被切屑带走，加速了刀具的磨损，称这种磨损为氧化磨损（化学磨损）。 除上述几种主要的磨损原因外，还有疲劳磨损和热