第三章 切削过程及其控制.ppt

1、,机械制造技术基础 Fundamentals of Mechanical Manufacturing Technology,金属切削过程是刀具从工件表面切去多余金属的过程，也是工件的切削层在刀具前刀面挤压下产生塑性变形，形成切屑而被切下来的过程。切削过程中会产生一系列物理现象，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具寿命、卷屑与断屑等。,研究、掌握并能灵活应用金属切削过程基本理论, 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。,第一节 金属切削过程及切屑类型,一、概述,1研究金属切

2、削变形的常用方法,研究金属切削变形应抓住高速和微观两个特点。,1）侧面方格变形观察法 图3-1,2）快速落刀法 图3-2,3）其他方法 高速摄影法 扫描电镜显微观察法等 图3-3,第一节 金属切削过程及切屑类型,2、变形区的划分,（1）第一变形区 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，称为剪切区 切削过程的塑性变形主要集中于此区域,通常将直角自由切削塑性金属材料时，切削刃作用范围内的切削层划分为三个变形区 图3-4,第一节 金属切削过程及切屑类型,（2）第二变形区 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和

3、切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形。 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,第一节 金属切削过程及切屑类型,（3）第三变形区 在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域。 由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。,第一节 金属切削过程及切屑类型,二、切削变形,切削金属过程中的变形是指三个变形区的变形,金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，随着外力的增大，当剪切应

4、力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。OA为始滑移线，OM为终滑移线。厚度0.02-0.2,切削变形过程示意图,工 件,刀 具,图31 切屑形成过程模型,FLASH,第变形区：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3-2 切削部位三个变形区,第变形区：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。,在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒

5、。晶粒在到达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形（图3-4） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两者之间成一夹角（图3-5）。,切屑形成本质,图34 晶粒滑移示意图,图35 滑移与晶粒的伸长,1. 剪切角,三、切削变形程度,剪切面 p与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示 。图37,图36 角与剪切面面积的关系 图37 变形系数的求法,剪切角 剪切面积变形程度切削力。,切屑厚度ach与切削层的厚度ac之比称为厚度变形系数，用a 表示，h = ach

6、/ac ； 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l 表示，l=lc/lch 。 根据体积不变原理, 则 a l。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2. 变形系数,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。,变形系数是大于1的数，可以用剪切角表示：,公式(3.3)表明，剪切角与前角0变化是影响切削变形的两个主要因素。因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角0和剪切角，使减小，则切削变形减小。 主要从塑性压缩方面分析，只能近似地表示切削变形等程度。,3.剪应变,图3-8 如果平行四边形OHNM发生剪切变形后变为四边形OGP

7、M,则剪应变 = s / y = =cot + tan(- 0 ),4.剪应变与变形系数的关系 式3-8，图3-9,四前刀面与切屑间的摩擦,1. 作用在切屑上的力,刀具与切屑之间的作用力分析如图3-10所示。 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Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr 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，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，是剪切角；是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。,如将上述两对力都画在切削刃的前方，就得到直角自由切削时力与角度的关系图。,如

8、用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力 和 ，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数。,切削合力Fr的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，即Fs与Fr的夹角应为45，故,2.剪切角与前刀面摩擦角的关系,分析上式可知： 1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。,2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。,粘结区：

9、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。,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。,3. 前刀面上的摩擦,图312 切屑和前面摩擦情况示意图,剪应力的分布 在粘结区内基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限s；在滑动区剪应力是变化的，离切削刃越远，越小。,正应力分布 在接触区内正应力是变化的，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力

10、越小。近切削刃处正应力为最大值,3. 前刀面上的摩擦,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，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”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。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。 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。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动 (外摩擦)区。 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考 虑内摩擦。,令为前刀面上的平均摩擦系数，则 式中，Af1内摩擦部

11、分的接触面积； av内摩擦部分的平均正应力； s工件材料剪切屈服强度。 由于s随切削温度升高略有下降，av随材料硬度、切削厚度及刀具前角而变化，其变化范围较大，因此，是一个变数。,工件材料、切削厚度、刀具前角和切削速度是影响前刀面摩擦系数的主要因素。 工件材料：实验表明在相同切削条件下，加工几种不同工件材料，如铜、10钢、10Cr钢、1Cr18Ni9Ti等，随着工件材料的强度和硬度的依次增大，摩擦系数略有减少。这是 由于当切削速度不变时，材料的硬度强度大时，切削温度增高，故摩擦系数下降。 切削厚度、刀具前角：切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm,从0.7

12、4降至0.72。因为ac增加后正应力也随之增大（参见式3-10）。在一般切削速度范围内，前角0愈大，则值愈大。因为随着0增大，正应力减小，故增加。,4.影响前刀面摩擦系数的主要因素,切削速度对摩擦系数的影响见图3-13。当v60mmin)切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速(vc20mmin)，积屑瘤的高度达到最大值。,实际前角增大（图3-14）； 增大切削深度（图3-14） ； 使加工表面粗糙度增大； 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的，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。,4）积屑瘤对切

13、削过程的影响,有利方面,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,2、积屑瘤对加工过程的影响,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化,5.精加工避免或减小积屑瘤的措施,（1）避开中速区 （2）使用润滑性能好的切削液 （3）增大刀具前角 （4）提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向,采用低速或高速切削

14、，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，使摩擦和粘结减少； 适当减少进给量、增大刀具前角； 适当提高工件材料的硬度； 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。,5）抑制或消除积屑瘤的措施,六、影响切屑变形的主要因素,1. 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3-15）。,2.切削用量,（1）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。 在积屑瘤增长的速度范围内 ,

15、因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪 切角增大、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、变形系数不 断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （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。 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变 形系数逐渐地减小。,六、影响切屑变形的主要因素,1. 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3-15）。,2.前角,前角增大，剪切角增大， 而剪切角越大，则变形系数 减小。 变形系数与前角之间的关系 如图所示。,六、影响切屑变形的主要因素,1工件材料,工件材料强度越高，切

16、屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力 增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角减小，剪切角增大，变形系数 将随之减小。,=/4-+0,=cos（-0）/sin,增大刀具前角o，剪切角将随之增大，变形系数 将随之减小；但o增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力av减小，使摩擦角和摩擦系数增大而导致减小。由于后一方面影响较小， 还是随的o增加而减小。,2刀具前角0,=/4-（-0）,六、影响切屑变形的主要因素,3. 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。 在积屑瘤增长的速度范围内 , 因积屑瘤导致实际工作前角

17、增加、剪 切角增大、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、变形系数不 断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 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, 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。,4. 切削层公称厚度,当切削厚度增加时，摩擦系数减小， 增大，变形变小。 在无积屑瘤情况下，f愈大（ac愈大）， 则愈小,4.切屑厚度对切屑变形的影响 当切削厚度增加时，摩擦系数减小，增大，变形变小。可见，在无积屑瘤情况下，f愈大（ac愈大），则愈小。 从另一方面来看，切屑中的底层变形最大，离前面愈远的切屑层变形愈小。因此，

18、f愈大（ac愈大），切屑中平均变形则愈小；反之，切屑愈薄，变形量愈大。,图 工件材料强度对变形系数的影响,图 切削速度对变形系数的影响,当进给量f增大时，切削层厚度 hD增大，切屑的平均变形减小， 变形系数减小(图)。,3.刀具几何参数,前角增大，剪切角增大， 而剪切角越大，则变形系数 减小。 变形系数与前角之间的关系 如图所示。,刀尖圆弧半径越大，变形 系数越大，切削变形越 大。（图）,图 切削厚度与变形系数的关系,图 前角对变形系数的影响,图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响,七、切屑的类型及控制,带状切屑最常见的屑型之一（图3-15a）。 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形

19、成条件： 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，会得到此类切屑。 优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 缺点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工程。,七、切屑的类型,挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。 形成条件：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、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图3-15b)。,单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 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(粒状)切屑(图3-15c)。,崩碎切屑 切削脆性

20、金属(铸铁)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(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； 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的塑性变形(图3-21)。,八、已加工表面的形成过程,表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。 加工硬化和残余应力的存在，会影响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

21、磨损。 钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。,八、已加工表面的形成过程,鳞刺是已加工表面上的一种鳞片状毛刺。其形成过程如图3-17所示，可分为抹拭、导裂、层积、切顶四个阶段。,减小背吃刀量，用润滑性能好的切削液能有效的抑制麟刺,第二节 切削力,一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率,切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。,1. 切削力的来源,切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（图3-23） 。,图3-23 切削力的来源,l) 3个变形区克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的

22、抗力。 2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。,切削力来源于以下两个方面：,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp (图3-24)。,（旧称主切削力，用Fz表示）总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。,旧称径向分力，用Fy表示 总切削力在垂直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。,旧称轴向分力，用Fx表示总切削力在进给方向的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,主运动消耗

23、的切削功率 PcFcVc10-3 （kW） 机床电机功率 PE =Pc（0.750. 85）。,3切削功率,切削功率是总切削力的三个分力消耗功率的总和。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。,单位面积切削力是切削力与切削层公称面积之比 kcFc/AD （N/mm2） 单位切削力见表3-1,4单位切削力,测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法. 通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为： 式中 CFX、CFy、CFz影响系数，它的大小与实验条件有关； xFx、 xFy、 xFz背吃刀量口，对切削力影响指数；外圆纵车xFxz=1 y

24、Fx、 yFy、 yFz进给量对切削力影响指数；外圆纵车yFz=0.75 KFx、KFy、KFz计算条件与实验条件不同时对切削力的修正系数。,二、切削力的计算,2.、切削力的实验公式,1、切削力的理论公式,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。 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是 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手册。 若已知单位切削力kc ，即可求得单位切削功率ps。表3-

25、1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 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， 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。,1工件材料的影响 工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。强度、硬度相同时，塑性较大的，由于与前刀面的摩擦系数大，切削力较大。 切削脆性材料时，一般为崩碎切削，它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。,三、影响切削力的因素,切削速度对切削力影响复杂（图3-20） 加工塑性金属时，切削速度vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是积屑瘤与摩擦的作用造成的。,2切削用量的影响,背吃刀量

26、ap和进给量f增大，分别使切削宽度bD、切削厚度hD增大因而切削层面积AD增大，故变形抗力和摩擦增加，而引起切削力增大。但是ap和f增大后，它们分别使变形和摩擦增加的程度不同。 背吃刀量与切削力近似成正比；外圆纵车的指数=1 进给量增加，切削力增加，但不成正比；外圆纵车的指数=0.75 从减小切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； 切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加； 在切削速度大于35m/min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90m/m

27、in时，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，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。 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。,切削速度c,前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料） 负倒棱的影响：（图321）负倒棱参数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(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力； 主偏角的影响：（图322） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr Fy , Fx 刃倾角的影响：（图323） s Fy , Fx ,Fz基本

28、不变 刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削变形 切削力。此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff 减小。,3. 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）Kr小 （b） Kr大,kr1,Kr,kr2,Fp,Ff,图323 刃倾角对切削力的影响,4. 刀具磨损,5. 切削液,6. 刀具材料,刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。,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(图3-36)。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服

29、摩擦抗力所作的功，绝大部分（98%以上）转化为切削热。,三个热源产生的热量比例与被加工材料和切削厚度有关。切削塑性材料，切削厚度较大时，第变形区最多，较小时第变形区最多。切削脆性材料时， 第变形区最多,第三节 切削热和切削温度,切削热是刀具磨损和影响加工精度的重要原因。高温会使刀具磨损加剧，工件和刀具受热膨胀，导致加工精度下降。,（1）工件材料的导热性能 工件材料的导热系数越低，通过工件和切屑传导出去的切削热量越少，这就必然会使通过刀具传导出去的热量增加。切削产生的热量不易传出，切削温度因而随之增高，刀具就容易磨损。,切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。影响散热的主要

30、因素是：,一、切削热的产生与传导,（2）刀具材料的导热系数 刀具材料的导热系数较高时，切削热易从刀具方面导出，切削区域温度随之降低，这有利于刀具寿命的提高。 （3）周围介质 （4）切屑与刀具接触时间 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落人机床的容屑盘中，故切屑的热量传给刀具不多。 钻削或其它半封闭式容屑的切削加工，切屑形成后仍与刀具及工件相接触，切屑将所带的切削热再次传给工件和刀具，使切削温度升高。,切削时，切削热主要切屑、工件导出，刀具导出的极少。 采用切削液可以导出大量的热量 提高切削速度，切屑与刀具的接触时间短，切屑导出的比重增加。,切削温度一般指切削区域的平均温度,车削工件外圆时，工

31、件受热膨胀，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，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。,第三节 切削热和切削温度,高的切削温度造成刀具的快速磨损。适度的温度对硬质合金刀具的韧性有利。 高温影响精加工精度 高温使机床热变性导致加工误差增大,对于特定的工件、刀具和切削用量，有其最佳的切削温度。如高速钢切削45钢，最佳的温度是300度；硬质合金车削合金钢、不锈钢是800度。 摸索控制最佳的切削温度，是提高生产率和加工质量的重要途径之一,三、切削温度的测定方法,1.自然热电偶法,自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学成份的不同而

32、构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成测量电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表（毫伏计）测定。切削温度越高，测得热电势越大，它们之间得对应关系可利用专用装置经标定得到。,2.人工热电偶法,人工热电偶法是将两种预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差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热电偶标定曲线，可测得指定点的温度。,1.切削用量,切削温度与切削用量的关系式为：,由表3-4知，三个影响指数 zyx， 说明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。

33、,2.刀具几何参数,1) 前角o塑性变形和摩擦切削温度 但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。,2.刀具几何参数,2) 主偏角r切削刃工作接触长度，切削宽度bD，散热条件变差，故切削温度,3）负倒棱及刀尖圆弧半径 影响不大,3.刀具磨损,5.切削液,刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。,利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。,4.工件材料,材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，

34、产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。,第四节 刀具磨损和耐用度,切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼,1. 前刀面磨损,随着切削时间增加，刀具的刀面和切削刃上的金属被工件、切屑带走，使刀具丧失切削能力的现象。正常磨损逐渐扩大的磨损。非正常磨损是由于选择、设计、制造刀具不当，刀具工作中很快出现裂纹、 崩刃、卷刀的现象,2.主后刀面磨损,加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小（hD01mm）切削塑性材料时，由于前刀面上刀屑间的摩擦相对较弱，后刀面与已加工表面接触压力较大，主要发生后刀面磨损（图3-4）。,3.前刀面和后

35、刀面磨损同时,以较高切削速度和中等切削厚度（hD=0.10.5mm），切削塑性金属材料时，往往使前后刀面同时出现磨损。,4.边界磨损,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，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，也容易发生边界磨损。,多数情况下，后刀面都有磨损，后刀面的磨损直接影响加工质量，而且磨损量便于测量，故以主后刀面磨损量VB来表示磨损程度,1.硬质点磨损 （颗粒磨损）,切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片以及铸件表层的夹砂等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的

36、主要原因,切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀具磨损的原因就非常复杂，它涉及到机械、物理、化学和相变等的作用。现将其中主要的原因简述如下,2.粘结磨损,切削时，切屑、工件与前、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，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。 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,3.扩散磨损,在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换，从而改变刀具材料的化学成分，使刀具性能降低，造成的刀具磨损，称为扩散磨损。 高温下易发生（和工件、刀具的化

37、学成分；它们的材料亲和性有关）,（4）氧化磨损,在一定温度下，刀具材料与某些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，被切屑或工件擦掉而形成磨损，称为化学磨损。,（5）相变磨损,当切削温度高于刀具相变温度时，刀具材料的金相组织发生变化，导致刀具的硬度、耐磨性显著降而造成的磨损称为相变磨损。,6.塑性变形,在切削温度很高时，切削刃发生塑性变形，从而改变刀具原有的几何角度，丧失或削弱切削能力。,综上，除颗粒磨损以外，其他磨损原因都与切削温度有关，因此不同切削速度（温度）下，引起引起刀具磨损的原因及剧烈程度不同。,图3-41是硬质合金刀具切削钢材时，在不同切削速度（温度）下的各种原因,

38、1-硬质点磨损； 2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损,1.初期磨损阶段,以后刀面磨损为例，典型磨损过程如图3-42所示,2.正常磨损阶段,3.剧烈磨损阶段,国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种： （1）VB=0.3mm； （2）如果主后刀面为无规则磨损，取VB max=0.6mm； （3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）,规定磨钝标准的几点考虑： (1)工艺系统刚性差时，规定较小的磨钝标准 (2)加工难加工材料时，规定较小的磨钝标准 (3)加工精度和表面粗糙度要求高时，规定较小的磨钝标准 (4)加工大件时，规定较大的磨钝标准,刀具磨损到一定限度

39、就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。,多数按后刀面磨损宽度VB来制定磨钝标准,(5)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。 (6)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。 (7)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，保证整机和整线的可靠工作。此外，还常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为衡量标准。见图3-43,硬质合金车刀的磨钝标准的推荐值见表3-5,1. 刀具耐用度的概念,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历的

40、实际切削时间。用T分钟表示。,刀具耐用度还可以用达到磨钝标准所经过的切削路程lm或加工出的零件N来表示。,刀具耐用度反映了刀具磨损的速率。,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的重要参数。,1）切削用量对刀具耐用度的影响,a.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（图344）,刀具Tv关系曲线（图345），该直线方程为：,Lgv=-mlgT+lgA,式中， m=tg，即该直线的斜率；,A 当T1s（或1min）时直线在纵坐标上的截距。,V = A / T m 或 A= V T m,2. 影响刀具耐用度的因素,T -V关系式反映了切削速度与

41、刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。高速钢：m=0.10.125； 硬质合金：m=0.20.3;陶瓷刀具：m=0.4。,图331 各种切削速度下的刀具磨损曲线,图332 在双对数坐标上的Tv曲线,f= B / Tn ap= 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：,T= CT/vcym f ynapp,用YT15硬质合金车刀切削b0.63GPa的碳钢时，切削用量与刀具寿命的关系式为：,T= CT/vc5 f2.25ap0.75,b. 被吃刀量与刀具耐用度的关系,由系数可知：切削速度对刀具耐用度影响最大，其次是进给量，被吃

42、刀量影响最小。与对切削温度的影响顺序一致。,主偏角增大，切削温度升高，切削层厚度增大，单位切削刃的切削负荷增大，刀具耐用度降低，但过小会背向力增加，引起振动，降低耐用度。,2） 刀具角度对刀具耐用度的影响,a. 主偏角对刀具耐用度的影响,b. 前角对刀具耐用度的影响,前角增大，切削温度降低，刀具耐用度提高，但过大会散热差，降低耐用度。,3）工件材料对刀具耐用度的影响,工件材料强度、硬度高，刀具磨损快，刀具耐用度降低。 工件材料延伸率大，切削温度高，刀具耐用度降低,3.合理刀具耐用度的选择原则,合理刀具耐用度的选择原则，直接影响生产效率、加工成本。在自动线生产中还影响生产节拍。,一般情况下，应采

43、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。,刀具耐硬度的确定，从三个方面进行考虑： a.最大生产率耐用度 b.最低成本耐用度 c.最大利润耐用度,一般情况下，最大生产率耐用度低于最低成本耐用度,图333 刀具寿命对生产率和加工成本的影响,式中 tm 、 ta 、 tc 分别为基本时间、辅助时间和换刀时间；T 为刀具寿命。令f，ap为常数，有：,使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间to ：,将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：,又：,（3-18）,式中 C0 工序成本； Cm 机时费； Ct 刀具费用； tm ，t

44、a ，tc ，T 含义同前。,使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例，工序成本为：,（3-19）,仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图3-28）,刀具的非正常磨损是指在切削过程中，刀具的磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用，即刀具发生破损。,1 脆性破损,2 塑性破损,在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB0.1mm），但刀具切削部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、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。,切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性破损。,

45、（1）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 （2）合理选择刀具几何参数 （3）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； （4）合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，避免产生积屑瘤； （5）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在同一圆周上等现象； （6）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金、陶瓷等脆性大的刀具材料。,3.防止刀具破损的措施,第五节

46、切削用量的合理选择,合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。,由切削用量和刀具耐用度的关系知，当刀具耐用度保持一定时，只有首先选取尽可能大的被吃刀量；再根据机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量；最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。这样才能在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。,P1 / tm,式中 tm 车削时的工时 dw 车削前的毛坯直径（mm）； Lw 工件切削部分长度（mm）； 加工余量（mm）； nw 工件转速（r/min）。,P=A0

47、vfap,切削用量同加工生产率的关系,利用上式，选用一定的切削条件进行计算，可以得到如下的结果：,（1） f 保持不变，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐用度，则vc必须降低15，此时生产率P3ap2.6P，即生产率提高至2.6倍。,（2）ap保持不变，f 增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，则vc必须降低32，此时生产率P3ap2P，即生产率提高至2倍。,由此可见，增大ap比增大f更有利于提高生产率。,选择切削用量的原则,首先选取尽可能大的被吃刀量；其次根据机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量；最后利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。,粗加工时，一

48、次走刀尽可能切除全部余量。,半精加工时，被吃刀量取为0.52mm。,精加工时，被吃刀量取为0.10.4mm,1、被吃刀量的选定,2、进给量的选定,生产实际中多采用查表法确定进给量。,粗加工时，进给量由机床进给机构强度、刀具强度与刚性、工件的装夹刚度决定。尽量选择大进给量,精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定，选较小的进给量。 断续切削时，选较小的进给量，以减小冲击,3、切削速度的选定,在ap、f 值选定后，根据合理的刀具耐用度计算或查表来选定车削速度。（公式见p150,修正系数见手册）,在生产中选择切削速度的一般原则是：,（1）粗车时， ap、f 较大，故选择较低的v； 精车时， ap

49、、f 均较小，故选择较高的v。,（2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的v。,（3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20 30；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要 降低20 30；切削有色金属比切削中碳钢的 切削速度可提高100 300；,（4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。,（5）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。,（6）断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，应 适当降低切削速度。,（7）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振 动的临界速度。,采用切削性能更好的新型刀具材料； 改善工件材料的切削加工性； 改进刀具结构和选配合理刀具几何参数 提高刀具的制造和

50、刃磨质量； 采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。,第六节 工件材料的切削加工性,工件材料的可切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。,1）以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性； 2）以切削力或切削温度衡量加工性； 3）以加工表面质量衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易,一般用相对加工性Kv来衡量工件材料的可切削加工性。 通常以b=0.637GPa的45钢的60（刀具耐用度为60min时所允许的切削速度，用60表示）为基准，写作(60)j。 将其它工件材料的60与之相比，其比值即为相对加工性Kv，即 Kv=60/(60)j 当 Kv 1时，该材料比45钢容易切削，如有色金属

51、Kv 3； 当 Kv 1时，该材料比45钢难切削，如高锰钢、钛合金 Kv 0.5，均属难加工材料。 材料切削加工性等级，见有关表,二.改善切削加工性的途径,通过热处理改变材料的组织和机械性能 高碳钢和工具钢 球化退火 降低硬度 热轧状态的中碳钢 正火 得到均匀的硬度 低碳钢 正火 降低塑性，提高硬度 铸铁 退火 降低表面层硬度,（2）调整材料的化学成分 在钢中适当添加一些元素，如硫、钙、铅等，使钢的切削加工性得到显著改善，这样的钢叫“易切钢”。,第七节 切削液,切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热

52、应力，防止刀具热裂破损等。,使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。图334,图334 金属间边界润滑摩擦 Ff摩擦力,用以改善在较低温度下切削液的润滑性能。,（3）切削液的清洗作用,比油性添加剂能耐较高的温度。,为改善切削液性能所加入的化学物质，称为添加剂。,水溶液 乳化液 水溶性切削液有良好的 冷却作用和清洗作用。,切削油 固体润滑剂 非溶性切削液主要起润滑作用。,由于表面活性剂分子的极性基团和非极性基团可分别溶于水和油，从而把水和油连接起来，即起到乳化作用；此外还能吸附在金属表面上形成润滑膜起润滑作用。,按工件材料选用 加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工铸铁等脆性材料时，不用切削液。 按刀具材料选用 高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以冷却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使用润滑性能好的极压切削油