《机械制造技术》-第四章

4.1机床的分类、型号及传动原理4.1.1机床上工件的成形方法1.工件表面的成形方法金属切削加工是用机床上的刀具与工件按一定的规律作相对运动，切除工件上多余的材料，使其尺寸精度、形状和相互位置精度，以及表面质量达到设计要求的一种加工方法。虽然被加工工件的形状各异，但它们都是由平面、圆柱面、圆锥面、螺旋面和渐开线表面等组成的，如图4-1所示。上述表面都可看作是，一条母线1沿着另一条导线2运动而形成的，如图4-2所示，母线和导线统称为形成表面的发生线。其中图4-2（a）、（b）、（e）3种表面，也可将1视为导线，2为母线，母线2沿导线1运动形成的，这些表面的母线和导线能互换，称为可逆表面。返回下一页4.1机床的分类、型号及传动原理

而图4-2（c）、（d）的圆锥面和螺旋面，其母线和导线不能互换，这些表面称为不可逆表面。在机床上加工时，工件表面形状是由切削刃与被加工表面之间的相对运动得到母线和导线。由于切削刃的形状和加工方法各异，形成发生线的方法可概括为下列4种。（1）成形法。利用各种成形刀具对工件加工的方法称为成形法。如图4-3（b）所示，曲线形的母线由成形刨刀的切削刃直接形成，直线形导线由刀具沿A1方向运动形成。上一页下一页返回4.1机床的分类、型号及传动原理（2）轨迹法。利用刀具对工件按一定规律作轨迹运动的加工方法称为轨迹法这时刀具的切削刃与被加工表面间为点接触。当该点按给定的规律运动时，便形成了所需的发生线，如图4-3（a)所示，曲线形的导线由刨刀沿箭头A2方向作曲线运动而形成，刀具沿A1

方向运动形成母线。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理（4）相切法。利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法称为相切法。如图4-3（c）所示，在刀具的端剖面上，切削刃为作圆周运动B1的刀具（铣刀、砂轮等）上的切削点，该点绕刀具轴线作圆周运动B1，同时刀具中心按轨迹A2运动，这时切削点运动轨迹的包络线即为所需的发生线。（3）展成法。利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法称为展成法。如图4-3（d）所示为圆柱齿轮的加工，插齿刀沿A1方向作直线运动形成母线，工件的圆周运动B21和直线运动A22合成为展成运动，其直线形切削刃的各瞬时位置的包络线即形成了所需的渐开线形导线，如图4-3(e)所示。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理2.机床的运动在机床上，基本的运动形式是直线运动或圆周运动，如车床的基本运动是主轴的圆周运动和刀具的直线移动。每个基本运动称为单元运动。直线运动用A表示，圆周运动用B表示。为了要获得所需的工件表面形状，必须由单元运动形成一定形状的发生线（母线和导线）。除成形法外，发生线的形成都是靠刀具和工件作相对运动实现的，这种运动称为表面成形运动。按组成情况不同，表面成形运动可分为简单和复合两种。如果一个表面成形运动由圆周运动和（或）直线运动构成，它们之间没有严格确定的运动关系，则此成形运动称为简单成形运动。例如，用尖头车刀车削外圆柱面时，如图4-4（a）所示，工件的圆周运动B1和刀具的直线移动A2就是两个单元运动，下标1、2是单元运动的序号。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理用砂轮磨削外圆柱面时，如图4-4（b）所示，砂轮和工件的圆周运动B1、B2，以及工件的直线移动A3，有3个单元运动。如果一个表面成形运动，是由两个或两个以上的圆周运动或（和）直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。例如，车削螺纹时，如图4-4（C）所示，形成螺旋形发生线所需工件的等速圆周运动B11和刀具的等速直线移动A12，它们之间必须保持严格确定的运动关系，即工件每转1转时，刀具直线移动的距离应等于螺纹的导程，B11和A12这两个单元运动组成一个复合运动。用轨迹法车回转体成形面时，如图4-4（d）所示，尖头车刀的曲线轨迹运动，通常由相互垂直坐标方向上的、有严格速比关系的两个直线运动A21和A22来实现。上一页下一页返回4.1机床的分类、型号及传动原理A21和A22也组成一个复合运动。上述复合运动组成部分符号中的下标，第1位数字表示成形的序号（第1个、第2个、……成形运动），第2位数字表示同一个复合运动中单元运动的序号。成形运动中各个单元运动根据其在切削中所起的作用不同，又可分为主运动和进给运动，将在4-2节中讨论。机床在加工过程中还需要一系列辅助运动，包括以下几种。（1）切入运动。刀具相对工件切入一定深度，以保证工件达到要求的尺寸。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理（2）分度运动。多工位工作台、刀架等的周期转位或移位，多头螺纹的车削等。（3）调位运动。加工前机床有关部件的移位，以调整刀具和工件之间的正确相对位置。（4）空行程运动。切削前后刀具或工件的快速接近和退回运动，如开车、停车、变速、变向等控制运动；装卸、夹紧、松开工件的运动等。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理4.1.2机床的传动原理为了实现加工过程中所需的各种运动，机床必须具备以下3个基本部分。（1）执行件。执行机床运动的部件。如主轴、刀架、工作台等，其任务是装夹刀具和工件，直接带动它们完成一定形式的运动和保持准确的运动轨迹。（2）运动源。为执行件提供运动和动力的装置。如交流电机、直流电机、步进电机等。（3）传动装置。传递运动和动力的装置。通过它可把运动源的运动和动力传给执行件，使之获得一定速度和方向的运动；也可把两个执行件联系起来，使二者间保持某种确定的运动关系。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理机床的传动装置有机械、液压、电气、气压等多种形式，本书将主要讲述机械传动装置，有皮带、齿轮、齿条、丝杠螺母等。联系运动源和执行件及两个有关的执行件，使之保持运动联系的一系列顺序排列的传动件，称为传动链。联系运动源和执行件间的传动链，称为外联系传动链；联系两个执行件间的传动链，称为内联系传动链。通常传动链中包含两类传动机构：一类是定比传动机构，其传动比和传动方向固定不变，如定比齿轮副、蜗杆蜗轮副、丝杠螺母副等；另一类是换置机构，可根据加工要求变换传动比和传动方向，如滑移齿轮变速机构、挂轮变换机构、离合器换向机构等。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理传动原理图是用一些简明的符号表示机床传动系统的传动原理和传动路线，如图4-5所示，其中直线代表传动链中定比传动机构，菱形块代表换置机构。图4-5（a）为铣平面的传动原理图，有两条外联系传动链：传动链“1-2-uv-3-4”将运动源（电机）和主轴联系起来，使铣刀获得一定转速和转向的旋转运动B1；传动链“5-6-uf-7-8”将运动源和工作台联系起来，可使工件获得一定速度和方向的直线运动A2。根据加工要求，可通过换置机构uv和uf改变铣刀的转速、转向及工件的进给方向、速度。A1、B1之间运动关系不严格，所以是简单成形运动。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理图4-5（b）为车削螺纹的传动原理图，有两条传动链：外联系传动链“1-2-uv-3-4”将运动源和主轴联系起来；内联系传动链“4-5-ux-6-7”将主轴和刀架联系起来使工件的B11和车刀的A12保持严格的运动关系，即工件每转１转，车刀准确地移动工件螺纹一个导程的距离，利用换置机构u可实现不同导程的要求，所以是复合成形运动。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理图4-5（c）为车削圆锥螺纹的传动原理图。车圆锥螺纹需要：工件旋转B11、车刀纵向直线移动A12和横向直线运动A113个单元运动组成的复合成形运动。这3个单元运动之间必须保持的严格运动关系是：工件转1转的同时，车刀纵向移动一个工件螺纹导程L的距离，横向移动Ltanα的距离（α为圆锥螺纹的斜角）。为保证上述运动关系，需在主轴与刀架纵向溜板之间用传动链“4-5-ux-6-7”联系，在刀架纵向溜板与横向溜板之间用传动链“7-8-uy

-9-10”联系，这两条传动链显然都是内联系传动链。传动链中的ux为适应加工不同导程螺纹的需要，uy为适应加工不同锥度螺纹的需要。外联系传动链“1-2-uv-3-4”使主轴和刀架获得一定速度和方向的运动，所以是复合成形运动。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理4.1.3机床的分类和型号金属切削加工是在金属切削机床上完成的。金属切削机床是指用切削（或特种加工）等方法加工金属工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机器。1.机床的分类机床主要按加工性质和所用刀具进行分类，即将机床分为12大类，车床，钻床，镗床，磨床，铣床，刨，插床，拉床，锯床，齿轮加工机床，特种加工机床，以及其他机床。在每一类机床中，又按工艺范围、布局形式和结构等分为若干组，每一组又细分为若干系列。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理2.机床型号的编制方法机床型号是机床产品的代号，机床型号应完整地表示出机床的名称、主要技术参数与性能。目前我国机床型号是按GB/T15375-1994编制的，如图4-6所示，机床型号由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定的规律组合而成。型号中的汉语拼音字母按其汉字名称读音。（1）类代号。用大写的汉语拼音字母表示，并按汉字名称读音。必要时，每类可分为若干分类，分类代号用阿拉伯数字表示，作为型号的首位，例如，磨床类分为M、2M、3M等3个分类。机床类别代号如表4-1所示。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理（2）特性代号①通用特性代号。机床通用特性代号列入表4-2。通用特性代号用汉语拼音字母（大写）表示，列在类别代号之后。如CK6140中的“K”表示该车床具有程序控制特性。②结构特性代号。为了区别主参数相同而结构不同的机床，在型号中增加了结构特性代号。结构特性代号在不同的型号中可以有不同的含义。若某机床既具有通用特性,又具有结构特性，则结构特性代号应排在通用特性代号之后。如CA6140中的“A”是结构特性代号，表示CA6140与C6140车床主参数相同，但结构不同。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理（3）组别、系别代号。每类机床可划分为10个组，每个组又可划分为10个系。在同一类机床中，主要布局或使用范围基本相同的机床，即为同一组。在同一组机床中，其主参数相同、主要结构及布局形式相同的机床，即为同一系。如表4-3所示为车床的组别代号，表4-4为车床的系别代号。机床型号中，在类别代号和特性代号之后，第1位阿拉伯数字表示组别，第2位阿拉伯数字表示系别。（4）主参数代号。主参数代表机床的规格，主参数代号代表主参数的折算值，排在组、系代号之后。主参数有统一的规定，表4-5列出了常用机床的主参数及其折算系数。返回下一页上一页4.1机床的分类、型号及传动原理第二主参数（多轴机床的主轴数除外）一般不予表示，它是指最大模数、最大跨区、最大工件长度等。在型号中表示的第二主参数，一般折算成两位数为宜。（5）重大改进代号当机床的性能及结构有重大改进时，按其设计改进的次序，用字母A，B，C，…表示，写在机床型号的末尾。（6）其他特性代号其他特性代号，置于辅助部分之首。其中同一型号机床的变型代号，一般应放在其他特性代号之首位。其他特性代号主要用于反映各类机床的特性。返回上一页4.2金属切削运动与切削用量（7）企业代号企业代号包括生产厂及研究所单位代号，置于辅助部分尾部，用“-”分开，若辅助部分仅有企业代号，则不可加“-”。4.2.1切削运动金属切削运动是指用切削工具与工件之间的相对运动，从工件上切除多余金属材料的加工过程。常见的切削加工方法有车削、铣削、刨削、钻削、磨削、齿形加工等。切削加工虽有多种不同的方式，但有共同的运动规律，如图4-8所示，以车外圆为例。

1.主运动它是刀具和工件之间产生的主要相对运动。返回下一页4.2金属切削运动与切削用量主运动是切下切屑所需要的最基本的运动，是切削加工中速度最高、消耗功率最多的运动，如车削时工件的旋转，牛头刨床刨削时刨刀的往复移动等，一台机床的主运动一般只有一个，用“”表示。2.进给运动除主运动外，进给运动是刀具与工件之间产生附加的相对运动，即连续地切除切屑，获得具有几何特征的已加工表面。一台机床的进给运动可以是一个，也可以是多个，用“vf”表示。3.合成切削运动主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动，用“ve”表示。返回下一页上一页4.2金属切削运动与切削用量4.2.2切削过程的工件表面在切削过程中，工件上有以下3个变化着的表面，如图4-8所示。（1）待加工表面。工件上即将被切除的表面。（2）已加工表面。切去材料后形成的新的工件表面。（3）过渡表面。加工时主切削刃正在切削的表面，它处于已加工表面和待加工表面之间。返回下一页上一页4.2金属切削运动与切削用量4.2.3切削用量切削用量是指切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）和被吃刀量ap。三者又称为切削用量三要素。1.切削速度切削刃上选定点相对于工件的主运动速度称为切削速度，其单位是m/min。计算切削速度时，应选取切削刃上速度最高的点进行计算。当主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定，即：返回下一页上一页4.2金属切削运动与切削用量vc=（m/min）式中d—工件（或刀具）的最大直径，单位为mm；ｎ—工件（或刀具）的转速，单位为r/min。2.进给量工件或刀具每转一周，刀具在进给方向上相对工件的位移量，称为每转进给量，简称进给量，用f表示，单位为mm/r。单位时间内刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，称为进给速度，用Vf表示，单位为mm/min。当主运动为旋转运动时，进给量f与进给速度Vf之间的关系为V＝f·n（mm/min）。返回下一页上一页4.2金属切削运动与切削用量3.被吃刀量（切削深度）已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，称为被吃刀量，用ap表示，单位为mm。车外圆时被吃刀量ap为ap＝（mm）。式中dm—已加工表面直径，单位为mm；ｄ—待加工表面直径，单位为mm。返回上一页4.3刀具切削部分的几何角度4.3.1刀具切削部分的组成切削刀具种类繁多，构造各异。其中较典型、较简单的是车刀，其他刀具的切削部分可以看成是以车刀为基本形态演变而来的。如图4-9

所示为普通外圆车刀，由刀体和刀杆两部分组成。刀杆用于夹持刀具，又称夹持部分；刀体用于切削，又称切削部分。切削部分一般由3个面、2个切削刃和1个刀尖组成。（1）前面Aγ。刀具上切屑流过的表面称为刀具的前面，又称前刀面。（2）后面Aα。刀具上与工件的过渡表面相对的表面称为刀具的后面，又称后刀面。返回下一页4.3刀具切削部分的几何角度（3）副后面A′α。刀具上与已加工表面相对的表面称为刀具的副后面。（4）主切削刃s。前面和后面的交线为主切削刃，担任切削工作的刀刃。（5）副切削刃s′。前面和副后面的交线为副切削刃。（6）刀尖。主切削刃和副切削刃的交点。刀尖实际上是一段短直线或圆弧，如图4-10所示。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度4.3.2刀具的标注角度及工作角度1.刀具的标注角度参考系在刀具设计、制造、刃磨、测量时用于定义刀具几何参数的参考系，称为刀具标注角度参考系或静止参考系。在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。建立刀具标注角度参考系时，不考虑进给运动的影响，且假定车刀刀尖与工件的中心等高，车刀刀杆的中心线垂直于工件轴线安装。这里介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度刀具标注角度参考系由下列参考平面所构成，如图4-11所示。①基面Pr。通过切削刃上的选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。车刀切削刃上各点的基面都平行于车刀的安装面（即底面）。安装面是刀具制造、刃磨、测量时的定位基准面。②切削平面Ps。通过切削刃上的选定点，与该切削刃相切并垂直于基面的平面。③正交平面Po。通过切削刃上的选定点，并同时垂直于该点基面和切削平面的平面。由上述定义，显然有Pr⊥Ps⊥Po，于是Pr、Ps、Po便组成一个正交的正交平面参考系。④副切削平面P′S。通过副切削刃上选定点，与副切削刃相切并垂直于基面的平面。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度2.刀具的标注（静止）角度正交平面参考系标注角度如图4-12所示。（1）在正交平面Po内标注的角度简单介绍如下。①前角γｏ。前刀面Ａγ与基面Ｐｒ之间的夹角。前刀面与基面平行时，前角为零；刀尖位于前刀面最高点时，前角为正；刀尖位于前刀面最低点时，前角为负。前角对刀具切削性能影响很大。②后角αｏ。后刀面Ａα与切削平面Ｐｓ之间的夹角。刀尖位于后刀面最前点时，后角为正；刀尖位于后刀面最后点时，后角为负。后角的主要作用是减小后刀面与过渡表面之间的摩擦。③楔角βｏ。前刀面Ａγ与后刀面Ａα之间的夹角。前角、后角和楔角三者之间的关系为γ＋α＋β=90°。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度（2）在基面Pｒ内标注的角度简单介绍如下。①主偏角κｒ。主切削刃在基面Pｒ上的投影与进给方向之间的夹角。主偏角一般在0°～90°之间。②副偏角κ′ｒ。副切削刃在基面Pｒ上的投影与进给方向反方向之间的夹角。③刀尖角εｒ。切削平面与副切削平面之间的夹角。主偏角、副偏角和刀尖角三者之间的关系为κｒ＋κ′ｒ＋ε=180°。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度（3）在切削平面内标注的角度简单介绍如下。刃倾角λｓ。主切削刃与基面Pｒ之间的夹角。切削刃与基面平行时，刃倾角为零；刀尖位于刀刃最高点时，刃倾角为正；刀尖位于刀刃最低点时，刃倾角为负，如图4-13所示。（4）垂直于副切削平面的平面内标注的角度简单介绍如下。①副前角γ′ｏ。前刀面Aｒ与基面Pｒ之间的夹角。②副后角α′ｏ。副后面A′α与副切削平面P′S之间的夹角。上面总共介绍了车刀上的9个角度，其中6个是基本角度，它们是前角γｏ、后角αｏ、主偏角κｒ、副偏角κ′ｒ、副后角α′ｏ、刃倾角λｓ。在车刀的设计图样上应标注这6个基本角度。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度其余3个是派生角度，它们是刀尖角εｒ、楔角βｏ、副前角γ′ｏ，在车刀的设计图上只要角度能表达清楚，3个派生角度可以不标注。其中，对切削影响大的角度是前角γｏ、后角αｏ、主偏角κｒ、刃倾角λｓ4个角度。3.刀具的工作角度刀具的工作角度是指刀具在工作时的实际切削角度。由于刀具的标注（静止）角度是在不考虑进给运动的影响下，车刀刀尖和工件中心等高及车刀刀柄的中心线垂直于工件轴线的静止参考系中定义的，而刀具在实际工作中不可能完全符合假设的条件，因此，刀具必须工作参考系中定义其工作角度。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度通常切削时的进给速度远小于主运动速度，因此刀具的工作角度近似于静止角度，对多数切削加工（如普通车削、镗削、周铣、端铣等），无须进行工作角度的计算。4.切削层参数切削过程中，切削刃在一次进给（走刀）中，从工件待加工表面上切下的金属层称为切削层。将通过切削刃基点（基点是正在参加切削的那一段主切削刃的中点）并垂直于该点主运动方向的平面称为切削层尺寸平面（用PD表示），此平面是切削层参数的测量平面。如图4-1所示，切削层参数共有３个。返回下一页上一页4.3刀具切削部分的几何角度（1）切削层公称厚度ｈＤ（简称切削厚度）。垂直于过渡表面度量的切削层尺寸。ｈＤ=ｆｓｉｎκｒ，可见ｆ越大，ｈＤ越大。（2）切削层公称宽度ｂ（简称切削宽度）。沿过渡表面度量的切削层长度尺寸。ｂ的大小反映了切削刃参加切削的长度。ｂＤ=ａｐ/ｓｉｎκｒ，可见ａｐ越大，ｂＤ越大。（3）切削层公称面积AＤ（简称切削面积）。在切削层尺寸平面内度量的横截面积。AＤ=ｈＤｂＤ＝ａｐｆ在切削加工中，切削参数的选择对工件的加工质量、生产率和切削过程有着重要的影响。返回上一页4.4金属切削过程的基本规律4.4.1切屑的形成1.切削变形的机理19世纪末，人们通过大量的实验发现，金属切削过程本质为材料产生剪切滑移的塑性变形过程。金属试件在受挤压时，如图4-15（a）所示，其内部在产生压应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面内产生最大切应力。在切应力达到材料的屈服强度时，将在此方向（DA或CB方向）首先产生滑移。在DA和CB的两侧实际上有一系列滑移面，其交线分别集中于D、C两处。刀具切削工件的情况与挤压很相似，如图4-15（b）所示，二者的区别仅在于切削时，由于DB线（实为一个面）下方金属材料的阻碍，切削层不能沿CB方向滑移，只能沿DA方向滑移。返回下一页4.4金属切削过程的基本规律2.切屑形成过程切屑的形成过程是很复杂的，按变形机理不同，形成了3个变形区。（1）第Ⅰ变形区如图4-16所示，在刀具切入工件后，由于切削刃和前刀面的推挤，工件材料内部的每个点都要产生一定的内应力，离刀具愈近的位置，应力愈大。当切削层中某点P逼近到达点1位置时，其切应力达到材料的屈服强度，则Ｐ点在继续向前移动的同时，还要沿着OA方向滑移变形，其合成运动将使P点由点1的位置移动到点2的位置，2-

2′即为此时的滑移量。随着滑移的产生，剪应变将逐渐加大，即Ｐ点继续沿点2，3，…各点移动，并沿OB，OC，…等方向滑移，滑移量不断增大，切应力也随之提高。当P点到达点4后，其运动方向已与刀具前面平行，滑移将终止。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律与此同时，切应力也由4点的最大值τmax迅速下降，所以OM面称为终剪切面，OA面称为始剪切面，在OA之前的材料只发生弹性变形；在OM之后的材料已成为切屑，并沿前面流出。由此可见，切屑的形成过程，就其本质而言，是被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，因受挤压而产生剪切滑移变形的过程。在OA和OM之间的区域即为第Ⅰ变形区，在一般切削速度范围内，其宽度仅为0.02～0.2mm，故可用一个面表示，称为剪切面，剪切面和切削速度方向之间的夹角称为剪切角，以φ表示。剪切角的大小反映了切削变形程度的大小，剪切角越大，切削变形越小。金属材料在剪切面上产生滑移后，形成一层一层的卡片式变形物，如图4-17所示，即为切屑。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（2）第Ⅱ变形区，如图4-18所示，经过第Ⅰ变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形（第Ⅱ变形区的变形），这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。这种作用离前刀面愈远愈小，由此可知，第Ⅱ变形区金属为挤压摩擦变形。应该指出，第Ⅰ变形区与第Ⅱ变形区是相互关联的。前刀面上摩擦时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第Ⅰ变形区的剪切变形增大。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（3）第Ⅲ变形区位于后刀面和已加工表面之间。如图4-18所示，工件基体上留下的材料表层经过刀具钝圆切削刃和刀具后刀面的挤压、摩擦，使表层金属纤维化，使其显微硬度提高；在刀具后刀面离开后，已加工表面的表层和深层金属都要产生回弹，从而产生表面残余应力，这些变形过程都是在第Ⅲ变形区内完成的，也是已加工表面的形成过程。第Ⅲ变形区内的摩擦与变形情况，直接影响着已加工表面的质量。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律4.4.2切屑的形态1.切屑的种类由于切削条件和工件材料不同，切削过程中生成的切屑形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎4种类型，如图4-19所示。①带状切屑。带状切屑连续不断且呈带状，内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。一般加工塑性金属材料时，当切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时，往往得到这类切屑。形成带状切屑时，切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面的表面粗糙度较小。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律②节状切屑（挤裂切屑）。切屑的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，这是由于材料在剪切滑移过程中滑移量较大，由滑移变形所产生的加工硬化使剪切应力增大，在局部位置达到了材料的断裂强度所引起的。这种切屑大多在加工较硬的塑性金属材料且所用的切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小的情况下产生。切削过程中的切削力波动较大，已加工表面的表面粗糙度较大。③粒状切屑（单元切屑）。在切削塑性材料时，如果被剪切面上的应力超过零件材料的强度极限，裂纹扩展到整个面上，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。加工金属材料时，当切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时，易产生粒状切屑，粒状切屑的切削力波动最大，已加工表面粗糙。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律④崩碎切屑。切削脆性材料时，崩碎切屑的形状不规则，加工表面是凹凸不平的。切屑在破碎前的变形很小，它发生脆断的主要原因是材料所受应力超过了它的抗拉极限。崩碎切屑发生在加工脆性材料时（如铸铁），零件材料越硬脆，刀具前角越小，切削厚度越大时，越易产生这类切屑。形成崩碎切屑的切削力波动大，已加工表面粗糙，且切削力集中在切削刃附近时，切削刃容易损坏，故应力求避免。提高切削速度，减小切削厚度，适当增大前角，可使切屑成针状或片状。前3种切屑是加工塑性金属时常见的切屑类型，可以随切削条件变化而相互转化，例如，在形成节状切屑的工况条件下，如进一步减小前角，降低切削速度或增加切削厚度，就有可能得到粒状切屑；反之，增大前角，提高切削速度或减小切削厚度，就可得到带状切屑。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律2.切屑变形程度的表示方法衡量切屑变形的程度一般用相对滑移和变形系数两个参数表示，其表示和计算方法如下。（1）相对滑移。从图4-20中可知，当切削层单元平行四边形ONM产生剪切变形变为OGPM时，沿剪切面NH产生的滑移量为ΔS。相对滑移为ε，其大小为ε=ΔｓΔｙ，从图中几何关系可得ε=Δｓ/Δｙ=NP/MK=NK+KP/MK，有ε=ｃｏｔφ=ｔａｎ（φ-γｏ）或ε=ｃｏｓγ/ｏｓｉｎｃｏｓ（φ-γｏ），由上式可知，当剪切角和前角γｏ在通常的范围内（10°≤γｏ≤30°，-10°≤γｏ≤30°），的变化对ｓｉｎ的影响要比对ｃｏｓ（φ-γ）大，因此，剪切角越大，相对滑移ε越小；前角γ越大，ε也越小。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（2）变形系数。如图4-21所示，刀具切下的切屑，其厚度hｃｈ大于切削厚度hＤ；而切屑长度lｃｈ则小于切削层长度ｌｃ。切屑厚度hｃｈ与切削层厚度ｈＤ之比称为厚度变形系数，用ξh表示；而切削层长度ｌｃ与切屑长度ｌｃｈ之比称为长度变形系数，用ξ1表示，二者的表达式为ξｈ=hｃｈ/hＤ,ξ1=ｌｃ/ｌｃｈ变形系数是通过切屑在形成前后的外形尺寸变化来度量切削变形大小的，显然变形系数越大，则切削变形越大。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（3）相对滑移与变形系数的关系。从图4-21可以推导出，相对滑移ε与剪切角有如下关系：ξ=ｈｃｈ/ｈＤ=ＯＭｓｉｎ（90°-

φ+γｏ）/ＯＭｓｉｎφ=ｃｏｓ（φ-γｏ）/ｓｉｎ有ｔａｎ=ｃｏｓγｏ/ξ-ｓｉｎγｏ从上式可知，剪切角越大，则变形系数ξ越小，这一结论与前文所述角对相对滑移ε的影响是一致的。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律4.4.3积屑瘤1.积屑瘤的形成在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面黏着一块剖面呈三角状的硬块（如图4-22所示），它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2～3倍，这块黏附在前刀面上的金属称为积屑瘤。切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时，被切材料会黏结（冷焊）在前刀面上。连续流动的切屑从黏在前刀面上的金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上，黏成一体，使黏结层逐步长大形成积屑瘤。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；温度太高时，由于材料变软，不易产生积屑瘤。2.积屑瘤对切削加工的影响（1）积屑瘤伸出切削刃外，导致切削厚度增大，影响尺寸精度。（2）积屑瘤黏结在前刀面上，增大了刀具的实际前角，可使切削力减小。但由于积屑瘤不稳定，导致了切削力的波动。（3）积屑瘤易破裂，其碎片随机散落，可能会留在已加工表面上。另外，积屑瘤形成的刃口不光滑，使已加工表面变得粗糙。上一页下一页返回4.4金属切削过程的基本规律（4）积屑瘤相对稳定时，可代替切削刃切削，减小了切屑刃与前刀面的接触面积，提高了刀具耐用度；积屑瘤不稳定时，破裂部分有可能引起硬质合金刀具的剥落，反而降低了刀具耐用度。显然，积屑瘤有利有弊。粗加工时，对精度和表面粗糙度要求不高，如果积屑瘤能稳定生长，则可以代替刀具进行切削，保护刀具，同时减小切削变形。精加工时，则应避免积屑瘤的出现。3.控制积屑瘤的措施（1）降低工件材料的塑性，减小刀与切屑间的摩擦因数，减少黏结，抑制积屑瘤的生长。（1）控制切削速度，如图4-23所示，当vc<3m/min的低切削速度和vc>40m/min的高切削速度时，前刀面不会产生积屑瘤。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（3）增大刀具前角，可减小切削变形和切削温度，从而抑制积屑瘤的生长。（4）合理使用切削液，减少切削摩擦，降低切削温度，使积屑瘤的生长得到抑制。4.4.4已加工表面形成过程刀具的刃口实际上无法磨得绝对锋利，如图4-24所示，在刃口圆弧半径ｒβ＞O切削时，刃口对切削层既有切削又有挤压作用，使刃前区的金属内部产生复杂的塑性变形。通常假设在切削层的O点上方作用着正压力和摩擦力的合力F，以O点为分界点，O点以上金属晶体向上滑移形成切屑。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律O点以下ΔhD厚度的金属层，其晶体向下滑移绕过刃口形成已加工表面。另外，近圆弧刃口处的后刀面上小棱面CE与已加工表面接触产生摩擦；由已加工表面弹性变形引起的弹性恢复层Δh与后刀面上ED部分接触产生挤压摩擦。上述的滑移变形和挤压摩擦变形构成了已加工表面上的第Ⅲ变形区，该变形区中的剧烈变形使金属晶格产生扭曲、挤紧和碎裂，造成已加工表面的硬度增高，这种现象称为加工硬化亦称冷硬。硬化程度严重的材料使得切削变得困难，还使得已加工表面出现显微裂纹和残余应力等，从而降低了加工表面的质量和材料的疲劳强度。因此，在切削加工中应尽量设法减轻或避免已加工表面的加工硬化。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律在切削过程中，受前刀面上的摩擦和冷焊作用，切屑在前刀面上产生周期停留，从而挤拉刚加工过的表面，严重时使表面出现撕裂现象，如图4-25所示，在已加工表面上形成鳞片状毛刺，亦称鳞刺，使表面粗糙不平。通常，在较低的切削速度时对塑性金属进行车、刨、钻、拉螺纹加工和齿轮加工，都可能出现鳞刺。采用减小切削厚度，使用润滑性能好的挤压切削油或挤压乳化液，高速切削或加热切削等措施，都可抑制鳞刺。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律4.4.5切削力和切削功率1.切削力的来源加工时，使切削层产生弹性、塑性变形的切削抗力、摩擦力作用在刀具上，如图4-26所示，作用于前刀面的力有法向力Fｎγ和摩擦力Fｆγ，作用于后刀面的力有法向力Fｎα和摩擦力Fｆａ。Fｎγ与Fｆγ合成为Ｆγ，Fｎα与Fｆａ合成为Fα，Fγ与Fα再合成为F，F就是作用在刀具上的总切削力。作用在前刀面上的力Fγ是主要的，作用在后刀面上的力Fα很小，分析问题时可以忽略不计。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律2.切削力的分解总切削力F是一个空间力。为了便于测量和计算，以适应机床、刀具设计和工艺分析的需要，常将F分解为3个互相垂直的切削分力，如图4-27所示。（1）切削力Fｃ。切削力是总切削力F在主运动方向上的分力，也称为切向力。切削力是3个分力中最大的，消耗的机床功率也最多（95%以上），是计算机床动力和主传动系统零件（如主轴箱内的轴和齿轮）的主要依据。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（2）进给力Fｆ。总切削力F。在进给运动方向上的分力，车削外圆时与主轴轴线方向一致，又称轴向力。进给力一般只消耗总功率的1%～5%，是计算进给系统零件的重要依据。（3）背向力Fｐ总切削力F在垂直于进给运动方向上的分力，也称为径向力或吃刀抗力。因为切削时在此方向上的运动速度为零，所以背向力Fｐ不做功，但会使工件弯曲变形，还会引起工件振动，对表面粗糙度产生不利影响。总切削力F与3个分力Fc、Ff、Fp

的关系如下F=返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律3.切削力的计算切削过程十分复杂，影响因素较多，生产中常采用单位切削力经验公式计算：Fｃ=KｃAD=Kcａｐｆ式中Fｃ——切削力，单位为N；

Kｃ——单位切削力，单位为N/mm2；

AD——切削层公称横截面积，单位为mm2。Kｃ与工件材料、热处理方法、硬度等因素有关，其数值可查切削手册。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律4.切削功率计算切削功率是3个切削力消耗功率的总合。在车外圆时，背向力方向速度为零，消耗功率为零，进给力又很小，消耗的功率可忽略不计，因此切削功率Pc可按下式计算Pc≈Fc·Vc×1000-

1/60（kW）根据切削功率选择电机，还要考虑机床传动功率η，机床电机功率PE为PE≥PCη（kW）式中η——机床传动功率，一般取O.75～0.85。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律5.切削力的影响因素（1）工件材料的影响。工件材料的强度或硬度越高，切削力越大；工件材料的塑性或冲击韧性越大，变形抗力和摩擦力越大，切削力也越大。脆性材料塑性变形小，崩碎切屑与前刀面摩擦小，切削力小。（2）切削用量的影响。①背吃刀量和进给量。当f和ａｐ增加时，切削面积增大，切削力也增加，但两者的影响程度不同。在车削时，当ａｐ增大１倍时，切削力约增大１倍；而ｆ加大１倍时，切削力只增大68%～86%。因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律②切削速度。在积屑瘤生长阶段，Vc增加，积屑瘤高度增加，变形程度减小，切削力减小；在积屑瘤减小阶段，切削力则逐渐增大；在无积屑瘤阶段，随着切削速度Vc的提高，切削温度增高，前刀面摩擦减小，变形程度减小，切削力减小。因此生产中常用高速切削来提高生产效率。在切削脆性材料时，塑性变形小，前刀面上的摩擦也很小，Vc对切削力无明显的影响。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（3）刀具几何参数的影响。①前角对切削力影响最大。当切削塑性金属时，前角增大，能使被切层材料所受挤压变形和摩擦减小，排屑顺畅，总切削力减小。加工脆性金属时，前角对切削力影响不明显。②负倒棱可以提高刃口强度，如图4-28所示，从而提高刀具使用寿命，但被切削金属的变形加大，使切削力增加。③主偏角κｒ对切削力Fc的影响较小，对背向力Fｐ和进给力Fｆ的影响明显，主偏角κｒ增大，背向力Fｐ减小，进给力Fｆ增大。因此，生产中常用主偏角为75°的车刀加工。④刃倾角λｓ对切削力Fｃ的影响较小，如图4-29所示，而对背向力Fｐ和进给力Ff影响较大。返回下一页上一页⑤刀尖圆弧半径。刀尖圆弧半径ｒε增大，刀尖处圆弧部分参加切削的长度增大，因此切削变形增大，切削力增大。（4）其他影响。①切削液。切削液具有冷却、润滑、清洁、防锈的作用。选用润滑性能好的切削液，可以减小刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件之间的摩擦，从而减小切削力。②刀具材料。不同的刀具材料与工件材料间的摩擦系数是不同的。在其他切削条件完全相同的条件下，用陶瓷刀具比用硬质合金刀具的切削力大，用高速钢刀具的切削力大于前两者。③刀具磨损。刀具磨损越大，刀具变钝，切削力增大。在刀具前面和后面产生磨损时，对3个切削分力起主要影响作用的是后面。当后面磨损时，将产生一个后角为零，宽度为VB的小棱面，从而使摩擦加剧，3个切削分力均有所上升。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律4.4.6切削热及切削温度在切削过程中必然产生切削热，它引起切削区温度升高，对刀具寿命、工件精度和表面质量有较大影响，研究切削温度的目的是控制刀具上的最高温度和防止刀具过快磨损。1.切削热的来源与传导在切削过程中，由于切削层金属的弹性变形、塑性变形及摩擦而产生的热称为切削热。切削热通过切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去，如图4-30所示。在第Ⅰ变形区内切削热主要由切屑和工件传导出去，在第Ⅱ变形区内切削热主要由切屑和刀具传导出去，在第Ⅲ变形区内切削热主要由工件和刀具传出。加工方式不同，切削热的传导情况也不同。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律2.切削温度的分布切削温度是指切屑、工件和刀具接触区域的平均温度。实验证明，切削温度在切屑、工件、刀具上的分布是不均匀的，如图4-31所示。刀具上的温度在刀尖附近最高，这是因为在这里切屑变形最大，切屑与刀具的摩擦也最大，传热也不容易。切削塑性材料时，刀具前刀面的温度高于后刀面，这是因为前刀面与切屑接触，而后刀面与温度较低的工件接触。前刀面上的最高温度发生在压力中心上。切削脆性材料时，最高温度则发生在刀具后刀面上，温度也比切削塑性材料低。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律3.切削温度的影响因素（1）切削用量的影响。在切削用量对切削温度的影响中，切削速度增高，切削温度明显增高，但不成正比，切削速度加1倍时，切削温度增高30%～45%。原因是切削速度增高使切屑底层与前刀面摩擦加剧热量增多，但因速度增加使变形系数减小而使切屑底层与刀具前面热量增高的幅度降低。进给量增加时，切削温度也增加，但影响较切削速度小，进给量增加1倍时，切削温度增高15%～20%。原因是进给量增加，切屑的平均变形减小，切屑厚度增加，切屑带走的热量增多，切屑与刀具的压力中心后移。背吃刀量对切削温度的影响是切削用量中最小的一个，背吃刀量增加1倍时，切削温度只增高5%～8%，这是因为背吃刀量增加时，参加切削工作的切削刃也成正比地增加，大大改善了散热条件。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（2）刀具几何参数的影响。影响切削温度最明显的因素是前角γｏ和主偏角κｒ，其次是刀尖圆弧半径ｒε。前角γｏ增大，切削变形和摩擦产生的热量均减少；故切削温度减少；但前角γｏ过大，散热变差，使切削温度升高，因此，在一定条件下，有一个产生最低切削温度的最佳前角γｏ值。主偏角κｒ减小，使切削变形和摩擦增加，切削热增加，但κｒ减小后，因刀头体积增大，切削宽度增大，故散热条件改善。由于散热起主要作用，故切削温度下降。增大刀尖圆弧半径ｒ，选用负的刃倾角λ和负倒棱均能增大散热面积，降低切削温度。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（3）工件材料的影响。工件材料对切削温度影响最大的是材料的强度、硬度及热导率。材料的强度、硬度越高，加工硬化能力越强，则总切削力越大，产生的切削热越多，切削温度就越高。热导率越小，则由于散热条件差而导致切削温度越高。例如不锈钢热导率比一般钢料小，所以它们的切削温度明显地高于一般钢料；铸铁等脆性材料塑性变形很小；所产生的崩碎切屑与刀具前面的摩擦很小，产生的变形热和摩擦热很少，切削温度低。（4）其他影响因素。刀具后刀面磨损增大时，加剧了刀具与工件间的摩擦，使切削温度升高。使用切削液对降低切削温度有明显效果，但影响大小与其导热性能、比热、流量、浇注方式及本身的温度有关。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律4.4.7刀具磨损及刀具耐用度1.刀具磨损形式（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）。切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀面上会磨出一个月牙洼，如图4-32所示。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。月牙洼和主切削刃之间有一条小棱边，月牙洼随着刀具磨损不断变大，当扩展到棱边变得很窄时，切削刃强度降低，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度KT和宽度KB表示。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（2）后刀面磨损。刀具后刀面有一定的钝圆，因此，后刀面与工件实际上是面接触，磨损就发生在这个接触面上。在切削铸铁等脆性金属或以较低的切削速度、较小的切削厚度切削塑性金属，在前面上只有轻微磨损，还未形成月牙洼时，后面磨出明显的痕迹。由于切削刃各点工作条件不同，其后刀面磨损带是不均匀的。由于刀尖部分（C区）强度较低，散热条件较差，故磨损较为严重（其最大值VC）；而Ｎ区内的主切削刃，由于毗邻工件毛坯硬皮（或前次加工所形成的加工硬化层），致使该区磨损剧烈，并产生严重的深沟，其深度用VN表示。因为深沟的部位正是主切削刃与待加工表面接触处，故深沟部分的磨损称为边界磨损。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律从图4-32可知，在靠近刀尖的副切削刃的副后面上也有边界磨损，这是由于副后面与已加工表面的交界处，其切削厚度已渐趋至零，从而在该处产生切削刃的打滑所造成的。中间区域（B区）磨损较均匀，用平均磨损宽度VB表示。（3）前刀面和后刀面同时磨损。这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，若切削厚度适中，经常会发生这种磨损。2.刀具磨损原因（1）磨粒磨损。又称硬质点磨损在工件材料中含有氧化物、碳化物和氮化物等硬质点，在铸、锻工件表面存在着硬夹杂物，在切屑和工件表面黏附着硬的积屑瘤残片，这些硬质点在切削时就像“磨粒”，它对刀具表面摩擦和刻划，致使刀具表面磨损。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（2）黏结磨损。又称冷焊磨损。切削塑性材料时，在强大压力和强烈摩擦作用下，切屑、工件与前、后刀面间的吸附膜被挤破，形成新的表面紧密接触，因而发生黏结现象。刀具表面局部强度较低的微粒被切屑和工件带走，这样形成的磨损称为黏结磨损。黏结磨损一般在中等偏低的切削速度下较严重。（3）扩散磨损。在高温作用下，工件与刀具材料中合金元素相互扩散，改变了原来刀具材料中化学成分的比值，使其性能下降，加快了刀具的磨损。因此，切削加工中选用的刀具材料，应具有高的化学稳定性。（4）相变磨损。在高温作用下，刀具材料的金相组织发生变化，刀具的强度及硬度降低，加快了刀具的磨损。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（5）化学磨损。又称氧化磨损。在一定温度下，刀具材料与周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切屑带走；或因刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具的化学磨损。3.刀具的磨损过程刀具磨损的过程如图4-33所示，一般可分为3个阶段。①初期磨损阶段（AB段）。由于刃磨后的刀具表面微观形状高低不平，后面与加工表面的实际接触面积很小，故磨损较快。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律②正常磨损阶段（BC段）。由于刀具上微观不平的表层被迅速磨去，表面光洁，摩擦力减小，故磨损较慢。这是刀具有效的工作阶段。③急剧磨损阶段（CD段）。刀具经过正常磨损阶段后进入急剧磨损阶段，切削刃将急剧变钝。若继续使用，将使切削力骤然增大，切削温度急剧上升，加工质量显著恶化。4.刀具磨钝标准磨钝标准是指后刀面磨损带中间平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸，如图4-34所示，以符号VB表示。选取后刀面的VB为磨钝标准，是因为一般刀具的后刀面都发生磨损，同时也便于测量。自动化生产中用的精加工刀具，一般以工件径向的刀具磨损量ＮＢ作为刀具的磨钝标准，称为刀具径向磨损量。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律表4-6为硬质合金车刀的磨钝标准，可供参考选用。5.刀具耐用度（1）刀具耐用度。指刃磨后的刀具从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间，用T表示，单位为min。刀具耐用度还可以用达到磨钝标准所经过的切削路程1m表示，l=Vc·T。表4-7列出了部分刀具耐用度。利用刀具耐用度来控制磨损量VB值，比用VB来判别是否达到磨钝标准要简便。（2）刀具寿命t。指一把新刀具从开始切削到报废为止的总切削时间。刀具寿命与刀具耐用度之间的关系为t＝nT式中n——刀具刃磨次数。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律6.影响刀具耐用度因素若磨钝标准相同，刀具耐用度大，则表示刀具磨损慢。影响刀具磨损的因素，就是影响刀具耐用度的因素。（1）切削用量的影响。实践表明，在切削过程中，切削用量对耐用度影响极大，但是目前还难以建立函数表达或来精确地计算切削用量。因此，通过大量的实验建立了切削用量与耐用度的关系式。Vc＝A/Tm，ｆ＝B/Tn，ap＝C/Tp式中A、B、C——系数；m、n、p——指数。综合以上3式，得到切削用量的3个要素与刀具耐用度的关系式为T=返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律式中Cv——与工件材料、刀具材料和其他切削条件有关的系数。（2）刀具几何参数的影响。前角γｏ增大，能减少切削变形，减少切削力及功率的消耗，因而切削温度下降，刀具耐用度增加。但是如果前角过大，则楔角βｏ过小。刃口强度和散热条件就不好，反而使刀具耐用度降低。刀尖圆弧半径增大或主偏角减小，都会使刀刃的工作长度增加，使散热条件得到改善，从而降低切削温度，同时刀尖部分强度提高，使刀具耐用度提高。但是刀尖圆弧半径增大或主偏角减小，将会使背向切削力增大，对于硬质合金等脆性刀具材料而言，容易产生因振动引起的崩刃而使刀具耐用度降低。返回下一页上一页4.4金属切削过程的基本规律（3）刀具材料的影响。刀具切削部分材料是影响耐用度的主要因素，改善刀具材料的切削性能，使用新型材料，能促进刀具耐用度成倍提高。一般情况下，刀具材料的高温硬度越高，越耐磨，耐用度也越高。（4）工件材料的影响。工件材料的力学性能及某些物理性能也是影响刀具耐用度的重要因素。工件材料的强度、硬度、塑性、韧性等指标数值越高，导热性越低，则加工时的切削温度越高，刀具耐用度越低。难加工材料切削时，为使刀具有足够的耐用度，不得不采用较低的切削速度。图4-35为用同样刀具加工不同工件材料所得的3种Vc-T曲线，从图可知，在同一刀具耐用度的条件下，工件材料的切削加工性越好，所允许的切削速度越高。返回上一页4.5金属切削基本规律应用4.5.1刀具材料的选择刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分的几何形状及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率的影响极大。1.刀具材料应具备的性能（1）高硬度。硬度是指材料表面抵抗其他物体压入的能力。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具才能切除工件上多余的金属。常温下，刀具材料的硬度应在HRC60以上。（2）高耐磨性。表示刀具材料抵抗磨损的能力。材料的硬度越高，则耐磨性越好。返回下一页4.5金属切削基本规律应用（3）高耐热性。耐热性指刀具材料在高温下仍能保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。刀具材料耐热性越好，允许切削加工时的切削速度越高，有利于改善加工质量和提高生产率，有利于延长刀具寿命。（4）足够的强度和韧性。刀具材料的强度和韧性分别用抗弯强度和冲击韧度来衡量。刀具材料具有足够的强度和韧性，可以避免刀具的断裂、崩刃。（5）良好的工艺性。为了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的可加工性和热处理性能（如淬透性好、淬火变形小、脱碳层浅等）。（6）经济性。刀具材料的价格应低廉，便于推广。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用2.常用刀具材料当前使用的刀具材料分为4大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷、超硬材料等，前两种是常用刀具材料。各类刀具材料主要性能见表4-8。（1）工具钢。用于制造刀具的工具钢主要有３种，即碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。①碳素工具钢。碳素工具钢在切削温度高于250℃～300℃时硬度降低，所以只适于制造手用和切削速度很低的刀具，如锉刀、手用锯条、丝锥和板牙等。②合金工具钢。合金工具钢是在高碳钢中加入Si、Cr、W、Mn等合金元素，其目的是提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。常用牌号有9SiCr、CrWmn等。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用热硬性325℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min。合金工具钢目前主要用于低速工具，如丝锥、板牙、铰刀等。常用合金工具钢牌号及用途如表4-9所示。③高速钢。高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素较多的合金工具钢，也称为白钢或锋钢。高速钢是综合性能较好、应用范围最广的一种刀具材料，热处理后硬度达62～66HRC，抗弯强度约为33GPa，耐热性为600℃左右，此外还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。高速钢的使用约占刀具材料总量的60%～70%，特别是用于制造结构复杂的成形刀具，例如钻头、铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等。常用高速钢的牌号及其物理力学性能如表4-10所示。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用（2）硬质合金。硬质合金是由高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、Tic、TaC、NbC等）和金属黏结剂（Co、Ni、Mo等）用粉末冶金的方法制成的。碳化物含量越高，硬度越高，抗弯强度越低；黏结剂含量越高，抗弯强度越高，硬度越低。硬质合金的抗弯强度只有高速钢的1/2～1/4，冲击韧度比高速钢低数倍至数十倍，刃口不能磨得像高速钢刀具那样锋利，制造工艺性差。但硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都很高，其常温硬度为89～93HRA（相当于74～81HRC），耐热温度为800℃～1000℃，与高速钢相比，硬度高，耐磨性好，耐热性高。硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢高5～10倍，所以硬质合金被广泛用于刀具材料。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用常用硬质合金按其化学成分和使用特性可分为4类，钨钴类（YG）；钨钛钴类（YT）；钨钛钽（铌）钴类（YW）；碳化钛基类（YN）。常用硬质合金牌号的选用见表4-11。①钨钴类（YG）硬质合金。主要由WC、Co组成，牌号中的数字表示Co的质量百分数，“Ｘ”表示细晶粒硬质合金。主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。②钨钛钴类（YT）硬质合金。主要由WC、TiC和Co组成，牌号中的数字表示TiC的含量，YT类硬质合金适用于加工碳钢、合金钢等塑性材料，但不能加工不锈钢和钛合金。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用③钨钛钽（铌）钴类（YW）硬质合金。主要由WC、TiC、Tac（NbC）和Co组成。YW类硬质合金适用于加工碳钢、合金钢等塑性材料，也可加工脆性材料。④碳化钛基类（YN）硬质合金。主要由碳化钛作为硬质相，镍、钼作为胶结剂而组成的，硬度高达90～95HRA，在1000℃以上的高温下，它仍能进行切削加工。适用于较高硬度的合金钢、工具钢、淬硬钢等连续切削的精加工。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用（3）陶瓷。陶瓷刀具是以氧化铝（Al203）或以氮化硅（Si3N4）为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。主要特点是：①高硬度与耐磨性，常温硬度达91～95HRA，超过硬质合金，可用于切削60HRC以上的硬材料。②耐热性高，1200℃以下硬度为80HRA，强度、韧性降低较少。③化学稳定性好，在高温下仍有较好的抗氧化性、抗黏结性能，因此刀具的热磨损较少。④有较低的摩擦系数，切屑不易黏刀，不易产生积屑瘤。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用⑤强度与韧性低，强度只有硬质合金的1/2，因此陶瓷刀具切削时需要选择合适的几何参数与切削用量，避免承受冲击载荷，以防崩刃与破损。⑥热导率低，仅为硬质合金的1/2～1/5，热胀系数比硬度合金高10%～30%，这就使陶瓷刀抗热冲击性能较差，故陶瓷刀切削时不宜有较大的温度波动。陶瓷刀具一般适用于在高速下精细加工硬材料。但近年来发展的新型陶瓷刀也能半精或粗加工多种难加工材料，有的还可用于铣、刨等断续切削。其使用寿命、加工效率和已加工表面质量常高于硬质合金刀具。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用（4）金刚石。金刚石是碳的同素异构体，是目前已知的最硬物质，硬度达10000HV。金刚石有天然和人造之分。天然金刚石质量好，但价格昂贵，主要用于有色金属及非金属的精密加工。天然金刚石有一定的方向性，不同的晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时需选定某一平面，否则影响刃磨与使用质量。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。我国于1993年成功获得第一颗人造金刚石。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用金刚石刀具主要用于有色金属的精加工、超精加工，高硬度的非金属材料如陶瓷、刚玉、玻璃等的精加工，以及难加工的复合材料的加工。金刚石耐热温度只有700℃～800℃，其工作温度不能过高。又易与碳亲和，故不宜加工含碳的黑色金属。（5）立方氮化硼（CBN）。立方氮化硼是由六方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的。是20世纪70年代发展起来的新型刀具材料。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用立方氮化硼刀具的主要优点是有很高的硬度与耐磨性，硬度达3500～4500HV，仅次于金刚石；有很高的热稳定性，1300℃时不发生氧化，与大多数金属、铁系材料都不起化学作用。因此能高速切削高硬度的钢铁材料及耐热合金，刀具的黏结与扩散磨损较小；有较好的导热性，与钢铁的摩擦系数较小；抗弯强度与断裂韧性介于陶瓷与硬质合金之间。由于CBN材料的一系列的优点，使它能对淬硬钢、冷硬铸铁进行粗加工与半精加工，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。当对淬硬材料进行半精车和精车时，其加工精度与表面质量足以代替磨削加工。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用（6）其他刀具材料。①涂层刀具材料。涂层刀具是通过化学或物理方法在硬质合金或高速钢刀具的表面上涂覆一层耐磨性好难熔金属化合物而获得的。这样既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。对刀具表面进行涂覆的方法有化学气相沉积法（CVD法）和物理气相沉积法（PVD法）两种。CVD法的沉积温度约1000℃，适用于硬质合金刀具；PVD法的沉积温度约500℃，适用于高速钢刀具。一般涂覆的厚度为5～12μm。涂层材料如下。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用ａ.TiC涂层TiC涂层呈银白色，硬度为3200HV，耐磨性好，有牢固的黏着性。但是，涂层不易过厚（一般为5～7μm），否则涂层与刀具基体之间会产生脱碳层而使其变脆。ｂ.TiN涂层TiN涂层呈金黄色，硬度为2000HV，有很强的抗氧化能力和很小的摩擦因数，抗刀具前面磨损（月牙洼）的性能比TiC涂层强，涂层与刀具基体之间不易产生脆性相，涂层厚度为8～12μｍ。ｃ.AL203涂层AL203涂层硬度为3000HV，耐磨性好，耐热性高，化学稳定性好，摩擦系数小，适用于高速切削。ｄ.TiN和TiC复合涂层里层为TiC，外层为TiN，从而使其兼有TiC的高硬度、高耐磨性和TiN的不黏刀的特点，复合涂层的性能优于单层。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用②涂层刀片有以下不足。ａ.硬质合金刀片在涂覆后，强度和韧性都有所下降，不适合大负荷或大冲击的粗加工，也不适合高硬材料的加工。ｂ.为增加涂层刀片的切削刃强度，涂层前，切削刃都经钝化处理，因此，刀片刃口锋利程度减小，不适合进给量很小的精密切削。ｃ.涂层刀片在低速切削时，容易产生剥落和崩刃现象，它适用于高速切削场合。ｄ.涂层硬质合金不能用于焊接结构，不能重磨，主要用于可转位刀片。返回下一页上一页4.5金属切削基本规律应用4.5.2切削液1.切削液的作用（1）冷却作用。切削液的冷却作用，主要靠热传导带走大量的热来降低切削温度。一般来说，水溶液的冷却性能最好，油类最差，乳化液介于两者之间而接近于水溶液。（2）润滑作用。切削液渗透刀切削区后，在工具、工件、切屑界面上