机械制造技术基础-3切削与磨削原理-2014-04-30

1第3章切削原理本章要点切屑过程切削力切削热与切削温度刀具磨损与刀具寿命金属切削条件的合理选择磨削原理高速切削与磨削2机械制造技术基础

3.1

切屑过程ProcessofChipForming第3章切削与磨削原理CuttingTheory33.1.1切削的形成过程

直角切削没有副刃参加切削，且λs

=0°。图3-1直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削4

切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削

正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°

偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移

切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。图3-2金属挤压与切削比较3.1.1切削的形成过程

挤压与切削5图3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角3.1.1切削的形成过程

金属切削变形过程63.1.1切削的形成过程

金属切削变形过程图3-4

切削变形实验设备与录像装置7

第Ⅰ变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图3-5切削部位三个变形区ⅠⅢⅡ

第Ⅲ变形区：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力的主要原因。3.1.1切削的形成过程

三个变形区分析

第Ⅱ变形区：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要原因。8切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。LchhDhch3.1.2切屑变形程度的表示方法

LD图3-9切屑与切削层尺寸◆厚度变形系数

（3-1）◆长度变形系数

（3-2）变形系数9

当γ0=0～30°，Λh

≥1.5时，Λh与ε相近

ε主要反映第Ⅰ变形区的变形，Λh还包含了第Ⅱ变形区的影响。ΔyΔsOMφγ0图3-10相对滑移系数

（3-3）相对滑移系数3.1.2切屑变形程度的表示方法

10

粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦（积屑瘤）3.1.3前刀面上刀-削的摩擦与积屑瘤

图3-11切屑与前刀面的摩擦

在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。

滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi特点两个摩擦区11积屑瘤成因◆

一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接◆粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化◆

增大前角，保护刀刃◆

影响加工精度和表面粗糙度滞留—粘接—长大积屑瘤形成过程积屑瘤影响切屑刀具图3-10积屑瘤积屑瘤3.1.3前刀面上刀-削的摩擦与积屑瘤

123.1.4已加工表面的变形

σn切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第Ⅲ变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDΔhDΔhACFE图3-12已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形情况应力分布ττ133.1.5切屑类型与切屑控制形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小，刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大，刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料，刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小，妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑表3-1切屑类型及形成条件14切屑类型带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑图3-6切屑形态照片3.1.5切屑类型与切屑控制15切屑控制

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。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（图3-7）图3-7切屑的卷曲图3-8断屑的产生断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-8）

3.1.5切屑类型与切屑控制16

3.1.6硬脆非金属材料切屑形成机理脆性材料切削过程◆大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）a）b）c）d）e）图3-13硬脆材料切削过程a）大规模挤裂（大块破碎切除）b）空切c）小规模挤裂（小块破碎切除）d）小规模挤裂（次小块破碎切除）e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）17机械制造技术基础

3.2

切削力CuttingForce第3章切削与磨削原理CuttingTheory18κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图3-15切削力的分解3.2.1切削力的产生与分解

切削力来源★3个变形区产生的弹、塑性变形抗力★

切屑、工件与刀具间摩擦力F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力切削力分解193.2.2切削力与切削功率的计算

切削力经验公式（3-6）式中CFc,CFp,CFf

——与工件、刀具材料有关系数；

xFc,xFp,xFf

——切削深度ap对切削力影响指数；

yFc,yFp,yFf

——进给量f

对切削力影响指数；

zFc,zFp,zFf

——切削速度Vc对切削力影响指数；

KFc,KFp,KFf

——考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。20（3-7）单位切削力

切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc

=1）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主运动速度（m/s）。（3-8）切削功率3.2.2切削力与切削功率的计算

21机床电机功率单位切削功率式中η

——机床传动效率，通常η=0.75～0.85（3-10）（3-9）指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率3.2.2切削力与切削功率的计算

223.2.3影响切削力的因素

工件材料◆切削深度与切削力近似成正比；◆进给量增加，切削力增加，但不成正比；◆切削速度对切削力影响复杂（图3-16）

强度高加工硬化倾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）图3-16切削速度对切削力的影响切削用量233.2.3影响切削力的因素

◆

前角γ0

增大，切削力减小（图3-17）◆

主偏角κr

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（κr

↑——Fp↓，Ff↑，图3-18）图3-17前角对γ0切削力的影响前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff图3-18主偏角κr对切削力的影响主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具几何角度影响243.2.3影响切削力的因素

刀具几何角度影响◆

与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（λs

↑——Fp↓，Ff↑）◆

刀尖圆弧半径rε

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rε

↑——Fp↑，Ff↓）；其他因素影响◆

刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；◆

切削液：有润滑作用，使切削力降低；◆

后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著；25第3章切削与磨削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.3

切削热与切削温度CuttingHeatandCuttingTemperature263.3.1切削热的产生与传出

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)等传散出去工件切屑刀具图3-19切削热的来源与传出切削热传出★

主要来源

QA=QD+QFF+QFR（3-12）（3-11）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273.3.2切削温度及分布

TJUniversity切削温度分布★

切削塑性材料——前刀面靠近刀尖处温度最高。★

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖处温度最高。750℃刀具图3-24二维切削中的温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：

o=30

，

o=7

；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611

C283.3.3影响切削温度的主要因素

切削用量的影响式中θ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(

C)；

Cθ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指数。

经验公式

（3-12）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2切削温度的系数及指数29

刀具几何参数的影响前角

o↑→切削温度↓主偏角

r↓→切削温度↓刀尖圆弧半径对切削温度影响很小

工件材料的影响工件材料机械性能↑→切削温度↑工件材料导热性↑→切削温度↓vc（m/min）图3-25切削速度、工件材料对切削温度的影响1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45钢(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：

o=15

，

o=6~8

，

r=75

，

1=-10

，

s=0

，b

=0.1mm，r

=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨损的影响

切削液的影响3.3.3影响切削温度的主要因素

30第3章切削与磨削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.4

刀具磨损、破损与刀具寿命CutterWearandIt’sLife313.4.1刀具的磨损形式

刀具磨损形态◆正常磨损前刀面磨损形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量

后刀面磨损形式：后角=0的磨损面（参数——VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,v

较小,hD

较小；VBVBmaxa)

KTKBb)图3-25刀具磨损形态边界磨损32◆

磨粒磨损

——各种切速下均存在

——低速情况下刀具磨损的主要原因◆

粘结磨损（冷焊）

——刀具材料与工件材料亲和力大

——刀具材料与工件材料硬度比小

——中等偏低切速粘结磨损加剧◆

扩散磨损

——高温下发生◆

化学磨损

——高温情况下，在切削刃工作边界发生3.4.2刀具磨损的原因

刀具磨损原因333.4.3刀具的磨损过程及磨顿标准

图3-28刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段（图3-28）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准◆非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）343.4.4刀具使用寿命及其与切削用量的关系

刀具寿命（耐用度）概念◆刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T

表示。◆刀具总寿命

——一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。（3-14）式中CT、m、n、p

为与工件、刀具材料等有关的常数。（3-15）可见v

的影响最显著；f次之；ap

影响最小。用硬质合金刀具切削碳钢（σb=0.763GPa）时，有：刀具寿命（耐用度）经验公式35图3-29不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料寿命（耐用度）比较3.4.4刀具使用寿命及其与切削用量的关系

刀具的破损在切削加工中，刀具有时没有经过正常磨损阶段，而在很短时间内突然损坏，这种情况称为刀具破损。破损也是刀具损坏的主要形式之一。破损是相对于磨损而言的。

刀具的破损形式分为脆性破损和塑性破损。3.4.5刀具的破损

1．脆性破损硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应力冲击作用下，经常发生以下几种形态的破损：（1）崩刃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，常发生这种破损。3.4.5刀具的破损

1．脆性破损

（2）碎断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。（3）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。（4）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。3.4.5刀具的破损

2．塑性破损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。3.4.5刀具的破损

可采取以下相应措施防止刀具破损：

（2）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。

（1）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。

（3）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。

（4）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。

（5）工艺系统应有较好的刚性防止因为振动而损坏刀具。3.4.5刀具的破损

41规定刀具切削时间，离线检测常规方法3.4.6刀具磨损、破损的检测与监控

通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”

切削力与切削功率检测方法切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍声发射检测方法423.4.6刀具磨损、破损的检测与监控

钻头破损检测器图3-30声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号43第3章切削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.5

金属切削条件的合理选择DeterminetheCuttingParameters44

金属切削条件合理选择，主要是根据工件的材料和要求选择合理的刀具材料、刀具几何参数、切削用量和切削液，以保证加工精度和表面质量，提高切削生产率，降低生产成本。3.5.1工件材料的切削加工性

工件材料的切削加工性：是指工件材料被切削成合格零件的难易程度。其研究的目的是为了寻找改善材料切削加工性的途径。45衡量工件材料加工性的主要指标工件材料切削加工性的好坏，可以用下列的一个或几个指标衡量。主要指标包括：刀具耐用度T、材料的相对切削加工性、切削力、切削温度、已加工表面质量、切屑控制和断屑难易程度。3.5.1工件材料的切削加工性

46影响工件切削加工性的因素（1）金属材料的物理机械性能的影响

材料的硬度高，切削时刀屑接触长度小，切削力和切削热集中在刀刃附近，刀具易磨损，刀具耐用度低，所以切削加工性差。材料的强度高，切削时切削力大，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。

材料的塑性大，切削中塑性变形和摩擦大，故切削力大，切削温度高，刀具容易磨损，切削加工性差。

材料的热导率通过对切削温度的影响而影响材料的加工性，热导率大的材料，由切屑带走和工件传出的热量多，有利于降低切削温度，使刀具磨损率减小，故切削加工性好。3.5.1工件材料的切削加工性

47（2）金属材料化学成分的影响材料的化学成分影响其切削加工性，如钢中碳成分影响钢的机械性能而影响其切削加工性，此外，钢中的其他合金元素Cr、Ni、Mo、W、Mn等虽能提高钢的强度和硬度，但却使钢的切削加工性降低，在钢中添加少量的S、P、Pb等，能改善钢的切削加工性。不同元素对结构钢切削加工性的影响如右图所示。3.5.1工件材料的切削加工性

48（3）金属材料热处理和金相组织的影响金属材料采用不同的热处理，就有不同的金相组织和力学性能，其切削加工性也就不同。低碳钢中含的铁素体组织多，其塑性和韧性高，切削时与刀具粘结容易产生积屑瘤，影响已加工表面质量，故切削加工性差。中碳钢的金相组织是珠光体和铁素体，材料具有中等强度、硬度和中等塑性，切削时刀具不易磨损，也容易获得高的表面质量，故切削加工性好。淬火钢中的金相组织主要是马氏体，材料的强度硬度都很高，马氏体在钢中呈针状分布，切削时刀具受到剧烈磨损，故切削加工性较差。灰铸铁中，含有较多的片状石墨，硬度很低，切削时，石墨还能起到润滑的作用，使切削力减小。冷硬铸铁中表层材料的金相组织多为渗碳体，具有很高的硬度，很难切削。3.5.1工件材料的切削加工性

49

（1）调整化学成分在不影响工件材料性能的条件下，适当调整化学成分，以改善其加工性。如在钢中加入少量的硫、硒、铅、磷等，虽略降低钢的强度，但也同时降低钢的塑性，对加工性有利。（2）材料加工前进行合适的热处理如低碳钢通过正火处理后，细化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于减小刀具的粘结磨损，减小积屑瘤，改善工件表面粗糙度；高碳钢球化退火后，硬度下降，可减小刀具磨损；改善材料切削加工性的措施3.5.1工件材料的切削加工性

50不锈钢以调质到HRC28为宜，硬度过低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高则刀具易磨损；白口铸铁可在950～1000°C范围内长时间退火而成可锻铸铁，切削就较容易。（3）选加工性好的材料状态低碳钢经冷拉后，塑性大为下降，加工性好；锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善。（4）其它采用合适的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等。3.5.1工件材料的切削加工性

改善材料切削加工性的措施51刀具合理几何参数是在保证加工质量的前提下，能使刀具寿命长、生产效率高、加工成本低的几何参数称刀具合理几何参数。

刀具几何参数包括刀具角度、刃形、刃区剖面型式和刀面型式等。3.5.2刀具几何参数的合理选择52工件材料的强度、硬度低时，可以取较大的甚至很大的前角；工件材料的强度、硬度高时，应取较小的前角；加工特别硬的工件（如淬硬钢）时，前角应很小甚至取负值。加工塑性材料时，易加工硬化，应取较大的前角；加工脆性材料时，应取较小的前角。粗加工，特别是断续切削，承受冲击性载荷，尤其对有硬皮的铸、锻件粗加工时，为保证刀具有足够的强度，应选择较小的前角。3.5.2刀具几何参数的合理选择（1）前角增大前角能减小切削变形、切削力，降低切削温度、抑制积屑瘤和鳞刺的生成，改善加工表面质量，但如果前角太大，则降低刀刃强度和散热条件，加剧刀具磨损。根据下列情况选择合理的刀具前角。53

前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。前角的选用原则：在刀具强度许可条件下，尽可能选用大前角。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之小些（如有色金属加工时，选前角较大）；刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）；精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。3.5.2刀具几何参数的合理选择54（2）后角后角的主要功用是减小切削过程中刀具后刀面与工件之间的摩擦。增大后角能减小后刀面与切削表面之间的摩擦，切削刃钝圆半径rn值越小，切削刃越锋利。后角过大会削弱刀刃的强度和散热能力。3.5.2刀具几何参数的合理选择55后角的选用原则：粗加工以确保刀具强度为主，可在4度-6度范围内选取；精加工以加工表面质量为主，可在αo=8度-12度；工件材料硬度、强度较高时，取较小的后角；工件材质较软、塑性较大或易加工硬化时，取较大的后角；加工脆性材料，切削力集中在刃区附近，宜取较小的后角；但加工特别硬而脆的材料（如铸造碳化钨、淬硬钢等），在采用负前角的情况下，必须加大后角。工艺系统刚性差，容易出现振动时，应适当减小后角；有尺寸精度要求的刀具，取较小的后角。

3.5.2刀具几何参数的合理选择56（3）主偏角

主偏角κr：主偏角的大小影响切削条件（切削宽度和切削厚度的比例）和刀具寿命。在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以κr宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。粗加工和半精加工，硬质合金车刀一般选用较大的主偏角；加工很硬的材料，如冷硬铸铁和淬硬钢，为减轻单位长度切削刃上的负荷，改善刀头导热和容热条件，延长刀具使用寿命，宜取较小的主偏角。单件小批生产，希望一两把刀具加工出工件上所有的表面，一般选用45°或90°偏刀。3.5.2刀具几何参数的合理选择57（4）副偏角副偏角κr'影响加工表面粗糙度和刀具强度。其作用是可减小副切削刃和副后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削振动。κr'的大小主要根据表面粗糙度的要求选取。通常在不产生摩擦和振动条件下，应选较小的κr'。如车刀、端铣刀、刨刀，均可选取Κ′=5～10°。精加工刀具的副偏角应取得更小一些，必要时，可磨出一段Κr′=0°的修光刃，加工高强度硬度材料或断续切削时，应取较小的副偏角（Κr′=4～6°），以提高刀尖强度。切断刀、锯片铣刀和槽铣刀等，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角，即Κr′=1～2°。3.5.2刀具几何参数的合理选择(1)影响切削力的大小与方向:刃倾角对径向力和轴向力的影响较大。当负刃倾角绝对值增大时，径向力会显著增大，将导致工件变形和工艺系统振动。(2)影响刀尖强度和散热条件:负刃倾角可以增强刀尖强度，进而改善散热条件，提高刀具使用寿命。（5）刃倾角3.5.2刀具几何参数的合理选择(3)影响切屑的流出方向下图所示为外圆车刀主切削刃刃倾角对切屑流向的影响。当λs＝0°时，切屑沿主切削刃方向流出；当λs＞0°时，切屑流向待加工表面；当λs＜0°时，切屑流向已加工表面，容易划伤工件表面。3.5.2刀具几何参数的合理选择(4)影响切削刃的锋利程度当45°≥λs≥15°时，刀具的工作前角和工作后角都随λs的增大而增大，刃倾角λs对实际工作前角的影响如下图所示。

因此，在加工钢件或铸铁件时，粗车取λs＝－5°～0°，精车取λs＝0°～5°；有冲击负荷或断续切削取λs＝－15°～－5°。加工高强度钢、淬硬钢或强力切削时，为提高刀头强度，取λs＝－30°～－10°。当工艺系统刚度较差时，一般不宜采用负刃倾角，以避免径向力的增加。3.5.2刀具几何参数的合理选择最高生产率刀具使用寿命以单位时间生产最多数量产品或加工单个产品所消耗的时间最少来衡量。经济刀具使用寿命根据每件产品的加工费为最低的原则制定。3.5.3刀具使用寿命的选择最高生产率刀具使用寿命比最低成本耐用度低，一般多采用经济刀具使用寿命，只有当生产任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才采用最高生产率刀具使用寿命。选择刀具使用寿命时应该注意几点：制造刃磨方面：刀具越简单，T取小装夹调整方面：越复杂，T取大大型工件：T取大3.5.3刀具使用寿命的选择

制订切削用量的就是确定工序中的背吃刀量ap、进给量f、切削速度v以及刀具耐用度的大小。

合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，使得切削效率最高和加工成本最低的切削用量。制订合理的切削用量，要综合考虑生产率、加工质量和加工成本。制订切削用量的原则3.5.4切削用量的选择及优化粗加工（Ra=12.5～50μm）时，应尽量用一次走刀就切除全部加工余量。若加工余量太大、工艺系统刚性不足、或者加工余量极不均匀，可分几次走刀，若二次走刀或多次走刀时，应将第一次走刀的背吃刀量取大些，一般为总加工余量的2／3～3／4。而且最后一次走刀的背吃刀量取的要小一点。在加工铸、锻件等加工硬化严重的材料时，应尽量使背吃刀量大于硬皮层或冷硬层的厚度，以保护刀尖，避免过早磨损。精加工时，背吃刀量的选取应该根据表面质量的要求来选择，尽量取较小值。背吃刀量的选择3.5.4切削用量的选择及优化进给量的选择粗加工时，由于工件的表面质量要求不高，合理的进给量应该是工艺系统所能承受的最大进给量。在半精加工和精加工时，因背吃刀量较小，切削力不大，进给量的选择主要考虑加工质量和已加工表面粗糙度值，一般取的值较小。3.5.4切削用量的选择及优化切削速度的选择粗加工时，在保证一定刀具耐用度的前提下，按背吃刀量-进给量-切削速度顺序选择最佳值。精加工时，采用专门的精加工刀具，选用微小的进给量和背吃刀量将工件加工到最终质量要求，为避免积屑瘤，硬质合金刀具切削速度较高，而高速钢刀具切削速度较低。3.5.4切削用量的选择1.从工件材料方面考虑切削普通结构钢等塑性材料时，可采用切削液，加工铸铁等脆性材料时，可以不用切削液。切削加工铜、铝及其合金不能用含硫的切削液。2.从刀具材料方面考虑高速钢刀具粗加工时，应选用以冷却作用为主的切削液，主要目的是降低切削温度；硬质合金刀具粗加工时，可以不用切削液，必要时也可以来用低浓度的乳化液或水溶液，但必须连续地、充分地浇注，否则刀片会因冷热不均而产生裂纹。3.5.5切削液的合理选用

3.从加工要求方面考虑粗加工时，要求降低切削温度，应选用冷却性能为主的切削液。精加工时，切削液的主要作用是减小工件表面粗糙度和提高加工精度。对一般钢件加工时，切削液应具有良好的渗透性、润滑性和一定的冷却性，宜选用切削油或10%～12%极压乳化液。低速切削时，刀具以机械磨损为主，宜选用以润滑性能为主的切削油；在较高速度切削时，刀具主要是热磨损，要求切削液有良好的冷却性能。3.5.5切削液的合理选用

4.从加工方法方面考虑铰削、拉削、螺纹加工、剃齿、滚齿、插齿等工序的加工刀具与已加工表面摩擦严重，刀具价格昂贵，要求刀具使用寿命长，可选用润滑性能好的极压切削油。

磨削加工钢材时，温度较高，工件容易烧伤，还会产生大量的碎屑。这些碎屑连同脱落的砂粒会已加工表面，因此要求切削液应具有良好的冷却和清洗作用，常用乳化液或水溶液切削液。3.5.5切削液的合理选用

70第3章切削与磨削原理CuttingTheory机械制造技术基础

3.6

磨削原理HighSpeedTheory砂轮工作表面的形貌特征1）磨粒在砂轮工作表面上是随机分布的；2）每一颗磨粒的形状和大小都是不规则的。3.6.1磨削过程切屑形成机理砂轮工作表面的形貌特征3.6.1磨削过程切屑形成机理73

磨屑形成过程★弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件★塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生★切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有图3-40磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图3.6.1磨削过程切屑形成机理一、砂轮上的磨削力外圆纵磨时，磨削力F可分为相互垂直的三个分力：主磨削力Fc（沿砂轮切向的切向磨削力）、背向力Fp（沿砂轮径向的径向磨削力）和进给力Ff（沿砂轮回转轴线方向的轴向磨削力）3.6.2磨削力及磨削功率磨削力有以下主要特征：（1）单位磨削力值Kc很大由于磨料几何形状的随机性和几何参数的不合理，单位磨削力值Kc可达7-20KN/mm2以上，远远高于其他切削加工的单位切削力。（2）三项磨削分力中背向力最大在正常的磨削条件下，Fp/Fc的比值约为2.0～2.5。（3）磨削力的构成在磨削力的构成中，材料剪切所占的比重较小，而摩擦所占的比重较大，可达70%～80%。3.6.2磨削力及磨削功率①砂轮速度Vc——增大，磨粒数量增大，切削厚度减小，磨削力减小②工件速度Vw和轴向进给量——增大，磨去金属量增大，磨削力增大③径向进给量fr——增大，切削厚度增大，磨削力增大④砂轮——磨损，磨削力增大3.6.2磨削力及磨削功率影响磨削力的因素磨削的三个阶段：光磨阶段：进给停止，由于工艺系统弹性恢复，实际磨削深度并不为零，增加磨削次数，磨削深度逐渐趋于零，工件的精度和表面质量逐渐提高。稳磨阶段：实际磨削深度等于进给量。初磨阶段:由于工艺系统弹性变形，实际磨削深度小于进给量。3.6.2磨削力及磨削功率磨削功率磨削时，砂轮速度很高，所以功率消耗很大。主运动所消耗的功率Pm为：式中Pm为主运动所消耗的功率；Ft为主磨削力（N）；Vc为砂轮线速度（m/s）。3.6.2磨削力及磨削功率磨削温度的基本概念砂轮磨削区温度θA——几百度磨粒磨削点温度θdot——1000°C左右3.6.3磨削温度磨粒磨削点温度：指磨粒切削刃与切屑接触部分的温度，是磨削中温度最高的部位，其值可达1000℃左右，是研究磨削刃的热损伤、砂轮的磨损、破碎和粘附等现象的重要因素。砂轮磨削区的温度：是砂轮与工件接触区的平均温度，一般约有500～800℃，它与磨削烧伤和磨削裂纹的产生有密切关系。工件平均温度：指磨削热传入工件而引起的工件温升，它影响工件的形状和尺寸精度。在精密磨削时，为获得高的尺寸精度，要尽可能降低工件的平均温度并防止局部温度不均。磨削温度分类3.6.3磨削温度1）磨削用量对磨削温度的影响①随着径向进给量的增大，单颗磨料的切削深度增大，产生的热量增多，磨削温度升高；②随着工件速度V的增大，单位时间内进入磨削区的工件材料增加，单颗磨料的切削深度增大，磨削温度升高；但从热量传递的方面分析，工件表面被磨削点与砂轮的接触时间缩短，工件上受热影响区的深度较浅，可以有效防止工件表面层产生磨削烧伤和磨削裂纹；③随着砂轮线速度的增大，单位时间内通过工件表面的磨料数增多，单颗磨料的切削深度减小，挤压和摩擦作用加剧，单位时间内产生的热量增加，使磨削温度升高。所以，要使磨削温度降低，应该采用较小的径向进给量（即磨削深度）和砂轮线速度V，并加大工件速度V。3.6.3磨削温度2）工件材料对磨削温度的影响磨削韧性大、强度高、导热性差的材料，因为消耗于金属变形和摩擦的能量大，发热多，散热性能又差，所以磨削温度较高；磨削脆性大、强度低、导热性好的材料，磨削温度相对较低。3）砂轮硬度对磨削温度的影响砂轮硬度对磨削温度的影响有明显的规律。硬度低，砂轮自锐性好，磨料的切削刃锋利，磨削力小，磨削温度就低；砂轮粒度粗，容屑空间大，磨屑不易堵塞砂轮，磨削温度就低。3.6.3磨削温度磨削过程中，机械、物理和化学的作用会造成砂轮磨损，使其切削能力下降，甚至切削失效。由于砂轮表面上磨料的形状和分布是随机的，因此可以将砂轮的磨损分为三种类型。1、磨损形态磨耗磨损、磨粒破碎、脱落磨损2、磨损期初期磨损——磨粒破碎第二期磨损——磨耗磨损第三期磨损——脱落磨损3.6.4砂轮磨损与修正（1）砂轮的磨耗磨损1）磨削过程中，由于磨粒与工件表面的滑擦作用，磨粒与磨削区的化学反应以及磨粒的塑性变形作用，使磨粒逐渐变钝，在磨粒上形成磨损小平面。2）砂轮磨耗磨损的主要原因是机械磨损和化学磨损。（2）砂轮的破碎磨损1）磨粒破碎，即在磨削过程中，若作用在磨粒上的应力超过了磨粒本身的强度时，磨粒上的一部分就会以微小碎片的形式从砂轮上脱落。2）磨粒脱落，即在磨削过程中，若磨粒与磨粒之间的结合剂发生断裂，则磨粒将从砂轮上脱落下来，而在原位置留下空穴。3.6.4砂轮磨损与修正（3）砂轮的堵塞粘附磨料通过磨削区时，在磨削高温和很大的接触压力作用下，被磨材料会粘附在磨料上。粘附严重时，粘附物糊在砂轮上，使砂轮失去切削作用。3.6.4砂轮磨损与修正按照磨损机理的不同，可将砂轮的磨损过程分为三个阶段。（1）初期阶段的磨损该阶段的磨损主要是磨料的破碎。这是由于在砂轮的修整过程中，在修整力的作用下，有些磨料内部产生内应力及微裂纹，这些受损的磨料在磨削力的作用下迅速破碎，造成初期磨损加剧。（2）第二阶段的磨损该阶段的磨损主要是磨耗磨损。（3）第三阶段的磨损该阶段的磨损主要是结合剂破碎，会造成磨料大量脱落。3.6.4砂轮磨损与修正砂轮的修正砂轮磨损到一定程度而不能工作时，或磨屑严重堵塞砂轮导致砂轮磨削性能下降时，需要对砂轮进行修整。砂轮修整就是用修整工具把砂轮工作表面修整成所要求的廓型和锐度修整作用：①去除钝化磨粒或已堵塞磨粒，新磨粒露出来②有足够数量的有效切削刃，提高表面质量3.6.4砂轮磨损与修正修整工具：第一类修整工具是修整工具本身不作旋转运动，单颗金刚石、单排金刚石、多排金刚石、金刚石圆刀片和金刚石修整轮等；第二类修整工具是修整工具本身也作旋转运动的，有时还作直线运动，如金刚石修整滚轮；第三类修整工具是钢的或硬质合金的挤压轮。修整工艺：①较小的修整导程②适宜的修整深度3.6.4砂轮磨损与修正砂轮耐用度砂轮使用寿命度：两次修整之间的实际磨削时间砂轮到达使用寿命的判据：砂轮磨损量大到一定程度、工件发生颤动、工件表面粗糙度突然增大或工件表面发生烧伤等。3.6.4砂轮磨损与修正1）润滑作用所谓润滑作用就是液体渗透到磨具与工件的接触区内，形成润滑膜，以减少界面之间的摩擦，从而达到降低磨削力，减缓磨粒的磨损，延长砂轮寿命的作用。油类磨削液的润滑作用比水类磨削液的要优越一些。为加强磨削液的润滑作用，常在磨削液中加入一些添加剂，以改善磨削液的润滑性能。磨削液的作用2）冷却作用磨削液的冷却作用包括两方面的内容：一是迅速吸收热量以缓解工件温度上升，保证工件的尺寸精度，防止表面质量恶化；二是在磨削点使高温下的磨粒急剧冷却，产生热冲击效果，促进磨粒的自锐作用。冷却作用与磨削液的导热系数、比热和汽化热有密切关系。3.6.5磨削液3）清洗作用：所谓清洗作用是指磨削液浸入磨粒与工件之间，或砂轮的气孔里，将这里的切屑或脱落破碎的磨粒冲走洗净，防止它们堆积在工件表面和机床上，避免影响加工精度和机床的保养。4）磨削液应该具有一定的防锈蚀能力：由于新生磨削表面具有较高的能量极容易与空气中的氧气等物质发生化学反应，引起工件表面的氧化。一般磨削液能够在工件己加工表面形成保护膜，阻止新生工件表面直接与空气接触。磨削液的作用3.6.5磨削液磨削液的分类油溶性磨削液油溶性磨削液润滑性能较好，一般用于磨削硬质合金、螺纹磨削、齿轮磨削以及珩磨、超精加工等磨削方式之中。油溶性磨削液的主要成份多为矿物油。植物油和动物油虽有较好的润滑性能，但因其化学稳定性