机械制造冷加工切削加工

第三章切削过程中的物理现象及其规律金属切削过程，实质上包含着一个较复杂的能量转换过程，它伴随着一系列的物理现象：工件材料的变形、摩擦、切削力、切削热和温度、以及刀具的磨损、破损等。切削过程中这些现象及其变化，反映了切削过程的状况。并与工件外表质量和切削效率有着密切的联系。3.1切削力在切削过程中，切削力直接影响着：切削热的产生，并进一步影响着刀具磨损、刀具寿命、加工精度和已加工外表质量。在生产中，切削力又是计算切削功率、设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。因此研究切削力，将有助于对切削过程规律的了解，并对生产实际有着重要指导意义。3.1.1切削力的来源金属切削时，刀具切入工件，使加工材料发生变形成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：(1)克服被加工材料对弹性变形的抗力；(2)克服被加工材料对塑性变形的抗力；(3)克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对加工外表和已加工外表之间的摩擦力。3.1.2切削合力及其分解

上述各力的总合形成作用在车刀上的合力Fr。为了实际应用，Fr可分为相互垂直的Fx、Fy和Fz三个分力。Fz主切削力或切向力。Fz是计算车刀强度，设计机床功率所必需的。

Fx进给抗力。轴向力或走刀力。Fx是设计走刀机构，计算车刀进给功率所必需的。

Fy切深抗力、径向力或吃刀力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度。它也是使工件在切削过程中产生振动的力。根据实验，当Kr=45，s=0和o=15时，Fz、Fy、Fx之间有以下近似关系式：Fy=〔0.4～0.5〕FzFx=〔0.3～0.4〕Fz将它们代入上式得Fr=〔1.12～1.18〕Fz随着刀具几何参数、切削用量、工件材料和刀具磨损情况的不同，Fz、Fx和Fy之间的比例可在较大范围内变化。3.1.3切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm。它是Fz和Fx所消耗功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗动力。

式中nw——工件转速(r／s)按上式求得切削功率后，在选择机床的电机功率时，还应考虑机床的传动效率ηm，将切削功率除以机床的效率，即：

机床电机功率PE

Pm/ηm确定切削力的大小可用测力仪进行测量，也可通过经验公式或理论分析公式进行计算。3.2.4切削力的经验公式

切削力的经验公式是通过大量实验，将由测力仪测得的切削力数据，用数学方法处理而得到的。切削力经验公式可分为指数公式和单位切削力两类。一．计算切削力的指数公式

在金属切削中，广泛应用指数公式计算切削力。这种经验公式的建立是借助测力仪直接测量出一定条件下的切削力，然后对测量数据进行处理后得出的。常用的指数公式的形式如下：二、用单位切削力和单位切削功率计算三个分力和所消耗的功率：1、单位切削力p单位切削力p是指单位切削面积上的主切削力。式中AD——切削面积hD——切削厚度bD——切削宽度hD——切削厚度bD——切削宽度2、单位切削功率Ps单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率Ps式中Zw——单位时间内的金属切除量；Zw=1000•ap•f•vmm3/sPm——切削功率；Pm=Fz•v•10-3=p•ap•f•v•10-3〔kw〕在实际的切削过程中，切削力是在不断变化的。所以切削力是一个动态参数。它的变化情况反映了切削过程中工件材料、刀具切削性能、以及切削用量等状态。用经验公式计算只能得到在一定切削条件下的平均估算值。因此，要较精确得到实际切削过程中的切削力，只能通过测力仪进行在线监测。3.1.5影响切削力的因素及其规律切削加工系统中影响切削过程的因素主要包括四方面：工件材料刀具切削性能切削用量(v、f、ap)切削液这些因素对切削力的影响，主要是通过对切屑形成过程中的变形和摩擦现象的影响而到达的。一．被加工材料对切削力的影响被加工材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成份、热处理状态和材料的加工状态都对切削力的大小产生影响。〔1〕被加工材料的强度愈高，硬度愈大，切削时产生的变形阻力愈大，切削力就大。〔2〕材料在加工过程中强化系数大，加工硬化能力大时，即使较小的变形也会引起硬度的大大提高，从而使切削力增大。例如：加工镍铬铝钴基的热强钢时，虽然其原始强度、硬度都不那么大，但切削力却很大，单位切削力可达4GPa。另外，奥氏体不锈钢也属这种情况，所以难以加工。〔3〕材料的化学成份及其含量影响材料的物理机械性能，从而影响切削力的大小。如碳钢中的含碳量愈高，其强度和硬度愈高；铜、铝等金属强度低，塑性较大，但变形时的加工硬化小，因而切削力也较低。〔4〕加工铸铁及其它脆性材料时，切削层的塑性变形小，加工硬化小。切削脆性材料时形成崩脆切屑，且集中在刀尖，切屑与前刀面的接触面积小，摩擦力也小，因此切削力比切钢时小。〔5〕同一材料在不同热处理状态下，其金相组织不同也会影响切削力的大小。如45钢在正火、调质、淬火状态下的硬度不同，因此切削时的切削力也不同。二.切削用量对切削力的影响1．切削深度ap和进给量f对切削力的影响，是通过切削面积AD的影响而到达的。当切削深度和进给量增大都会使切削面积AD增大(AD=apf)，从而使变形力和摩擦力增大，切削力那么随之增大。但ap和f两者对切削力的影响大小不同。在用高速钢或硬质合金刀具加工金属时，切削深度ap增大一倍，切削力Fz也增大一倍即：Fz=Cap(2ap)=2Capap

进给量f增大，切削厚度也成正比地增大(hD=f·sinKr，)。但hD增大时变形系数减小，摩擦系数也降低，这又会使切削力减小。这正反两方面同时作用的结果，使切削力的增大与f的增加不成正比。上述分析可知，加大进给量比加大切削深度消耗的能量更少。

指数ap的指数为1f的指数小于12．切削速度v对切削力的影响。用实验方法可知切削速度对切削力的影响规律不是呈单调的曲线，而是随切削速度不同而变化的。在用YTl5硬质合金车刀加工45钢时，当v<50m／min时，由于积屑瘤的产生和消失，使车刀的实际前角增大或减小，导致了切削力的变化。当V>50m／min时，切削力随之减小。这是因为切削速度增高后，摩擦系数μ减小，剪切角φ增大，变形系数减小，从而使切削力减小。另一方面，切削速度v增高，切削温度也增高，使被加工金属的强度和硬度降低，也会导致切削力的降低。加工铸铁时，切削速度v对切削力的影响不大。因为加工铸铁时形成崩脆切屑，其塑性变形小，切屑对前刀面的摩擦力小，所以对切削力的影响不大。三．刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数中对切削力影响最大的是前角γo，其次是主偏角Kr、以及与前角有关的负倒棱和与主偏角有关的刀尖圆弧半径rε，和刃倾角λs。1．前角对切削力的影响

在加工钢时，前角增大，切削力减小。因为前角增大时剪切角φ随之增大，金属塑性变形减小，变形系数ξ减小，沿前刀面的摩擦力也减小，因此切削力降低。加工脆性金属(如铸铁、青铜时等)时，由于切屑变形和加工硬化很小，所以前角对切削力的影响不显著。2．主偏角Kr对切削力的影响

主偏角Kr对三个切削分力Fz、Fy、Fx的影响程度不同。从实验曲线图中看出：(1)主偏角增大对Fz的影响一般不超过10％。随主偏角的改变，切削厚度与切削刃曲线局部长度的变化(2)主偏角Kr的变化对Fy和Fx的影响Fy=FncosKr；Fx=FnsinKr；3．刃倾角λs对切削力的影响当λs变化时，会改变合力Fr的方向，从而影响Fy和Fx分力的大小。4．负倒棱对切削力的影响

前刀面上的负倒棱bγ1，对切削力有一定的影响，在正前角相同时，对有负倒棱的车刀，由于切削时的切屑变形比无负倒棱的大，所以切削力有所提高，无论加工钢或铸铁都是这样。5.刀尖圆弧半径rε对切削力的影响

rε增大相当于是Kr减小时对切削力的影响。四．刀具材料对切削力的影响

主要通过刀具材料与被加工材料间的摩擦系数对摩擦力的影响，来直接影响切削力的变化。在同样切削条件下，陶瓷刀具的切削力最小，硬质合金次之，高速钢的切削力最大。因为陶瓷刀具的导热性小，在较高的切削温度下工作时使摩擦降低，从而切削力减小。硬质合金的摩擦系数随含钴量的增加以及含钛量的减小而提高。五．切削液对切削力的影响切削过程中使用切削液可以降低切削力。因为切削过程中所消耗的功，主要用在克服金属的变形和摩擦上。研究认为，加工钢时切屑沿前刀面流出，摩擦约消耗35％的功；工件沿后刀面的摩擦约消耗5～15％的功。如能正确选择和使用切削液，可降低30％以上的切削力(用丝锥攻丝时可降低45％)。实践证明选用的切削液润滑性能愈高，切削力的降低愈显著。如在v<40m／min加工钢时，用矿物油作切削液可使主切削力减小12～15％，采用植物油可减小20～25％。六、刀具后刀面磨损对切削力的影响从图中的试验曲线看出：车刀后刀面磨损量VB增加时切削力增大，当磨损量VB超过一定值后，切削力增加的速度加快，增长率加大。因此，规定刀具的磨损量不应超过这一磨钝限度。刀具后刀面磨损后，即产生一个后角为0的小棱面，此棱面愈大刀具后刀面的磨损也愈大，因此切削力也愈大。3.2切削热和切削温度切削热和由此产生的切削温度能改变前刀面上的摩擦系数，直接影响刀具的磨损和刀具耐用度；切削温度能改变工件材料的性能，影响积屑瘤的产生和消失，直接影响工件的加工精度和外表质量。所以研究切削热的产生和切削温度的变化规律，是研究金属切削过程的重要方面。但凡影响切削力的因素都会影响到切削热和由此产生的切削温度。3.3刀具磨损和刀具耐用度切削过程中，随着切屑的不断产生和切除，刀具本身也要逐渐磨损或发生破损(如崩刃、碎断、剥落。裂纹等)。刀具磨损后，使工件加工精度降低，外表粗糙度增大，并导致切削力和切削温度升高，甚至产生振动使其不能继续正常工作。因此刀具磨损直接影响加工效率、加工质量和本钱。

3.3.1刀具磨损的形式切削时，刀具的前、后刀面与切屑及已加工外表相接触，产生剧烈摩擦。在接触区内有相当高的温度和压力。因此在前后刀面上都会发生磨损。但它们的磨损情况有各自不同的特点，而且相互影响：刀具磨损形式有以下几种：前刀面磨损后刀面磨损边界磨损3.3.2刀具磨损的原因

由于工件材料、刀具材料种类很多，切削条件变化很大，因此刀具磨损的形式各不相同，其磨损的原因也很复杂。刀具在正常磨损的情况下，其主要原因包括：机械磨损热磨损化学磨损机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起，而热磨损和化学磨损是由粘结、扩散、腐蚀等引起。一．硬质点磨损这主要是由于工件材料中的杂质、基体组织中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点，以及积屑瘤的碎片等所造成的机械磨损。它们在刀具外表上划出一条条沟纹。各种切削速度下刀具都会产生硬质点磨损，但低速时它是刀具磨损的主要原因。因为这时切削温度较低，其它各种形式的磨损还不显著。一般可以认为，由硬质点磨损产生的磨损量与切削路程或刀具与工件相对滑动距离成正比。二．粘结磨损由于刀具与工件之间接触面上存在足够大的压力和温度，塑性变形所形成的新鲜外表与刀具外表接触到原子间距离，将产生结合现象或粘结、冷焊现象，两摩擦外表的粘结点因相对运动，晶粒或晶粒群受剪或受拉而被对方带走，是造成刀具粘结磨损的原因。

三．扩散磨损由于切削过程中产生的切削温度高，而且刀具外表始终与被切出的切屑和工件的新鲜外表相接触和摩擦，它们具有巨大的化学活动性，所以两摩擦面的化学元素有可能相互扩散，因而使双方的化学成分都发生变化，削弱刀具材料的切削性能，从而加速刀具的磨损。扩散速度随切削温度升高而加快。四．化学磨损化学磨损是在一定温度下，刀具材料与某些周围介质(如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫，氯等)起化学作用，在刀具外表形成一层硬度较低的化合物而被切屑带走，加速刀具磨损；或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具磨损。

3.3.3刀具磨损过程及磨钝标准一．刀具的磨损过程

对切削过程中刀具后刀面磨损量VB进行定时(或定切削行程)测量可得刀具磨损过程的典型磨损曲线。刀具磨损过程可分为三个阶段：二．刀具磨钝标准刀具的磨钝标准即指所规定的刀具磨损量的极限值，或不能继续使用的限度。生产中，控制刀具磨损量的方法，主要是根据切削中发生的一些现象来判断刀具是否已经磨钝。例如：粗加工时，观察加工外表是否出现亮带，切屑的颜色和形状的变化，以及是否出现不正常的声音和振动现象等。精加工时可观察加工外表粗糙度变化，以及测量加工零件形状和尺寸的精度等。如发现异常现象就要及时换刀。一般刀具都要发生后刀面磨损，而且测量也比较方便。因此，国际标准ISO统一规定以1／2切削深度处后刀面上测定的磨损带宽VB作为刀具磨钝标准。3.3.4刀具耐用度一．刀具耐用度定义从刀具刃磨后开始切削，到其磨损量到达刀具磨钝标准所经过的总切削时间。这实际上也是表示刀具切削性能的一个指标，或刀具耐磨损性能的表示，以下用符号T表示。影响刀具磨损的因素很多，但当工件材料、刀具材料和刀具几何形状选定之后，其耐用度的大小就主要与切削用量有关。二．切削速度与刀具耐用度的关系

切削用量中对刀具耐用度影响最大的因素就是切削速度。因为v对切削温度影响最大，从而对刀具磨损影响也最大。由于切削温度对刀具磨损影响很复杂，目前用理论分析导出的关系式与实际情况不尽符合，所以一般采用刀具耐用度实验来建立切削速度v与刀具耐用度了之间的数学模型。实验方法按ISO国际标准对车刀耐用度试验的规定：当切削刃磨损均匀时，取VB=0.3mm；磨损不均匀时那么取VBmax=0.6mm。固定其它的切削条件，在常用的切削范围内，取不同的切削速度vl、v2…