机制工艺03.ppt

1、,第二章 金属切削过程的基本规律,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，因此有必要对其变形过程加以研究、以找到基本规律，提高加工质量和生产效率。,第一节 金属切削过程的基本规律,一、切削变形 可以认为，金属切削过程是切削层金属受到刀具前刀面的推挤后而产生的以剪切滑移为主的塑性变形过程。这非常类似于材料力学实验中压缩破坏的情况。下图给出了压缩变形破坏与切削变形二者的比较。 当然、由于刀具与工作、切屑之间存在摩擦力，剪切滑移

2、变形会更加复杂一些。,第二章 金属切削过程的基本规律,为了进一步分析切削层的变形规律，通常把切削刃部位的金属层划分为三个变形区（如下图） 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。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,1. 切屑的形成及变形特点 (1)第一变形区金属的剪切滑移变形,第二章 金属切削过程的基本规律,上图中AC、AB、AE均为剪切等应力线，AC线上的应力s，AE线的应力达最大值max。 当切削层金属的某点P向功削刃逼近到达点1位置时，产生塑

3、性变形。由于AC线上的剪应已达到材料屈服强度s ，故点1在向前移动到1点的同时还要沿AB线滑移到2点，即合成运动的结果将使l点流动到2点，12则为滑移量。由于塑性变形过程中材料的强化，等应力线上的应力将依次逐渐增大，即AB线上的应力大于AC线上的应力，在AE线上的应力达最大值max ，故点2流动至点3处，点3再流动至点4处。此后流动方向就与前刀面基本平行而不再沿AE线滑移了，即终止了滑移，故称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

4、.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。这种单一的剪切面切削模型虽不能完全反映塑性变形的本质。但简单实用，因而在切削理论研究和实践中应用较广。 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。,第二章 金属切削过程的基本规律,(2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形,第二章 金属切削过程的基本规律,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。第二次变形是集中在切屑底层极薄一层金属中，且该层金属的纤维化方向与前刀面

5、是平行的。这是由于切屑底层金属一方面边沿前刀面流动，另一方面还要受到前刀面的挤压和摩擦，使其晶格变形，形成纤维组织，并产生膨胀，造成了切屑的卷曲。 从上图可以看出，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。 (3)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，形成纤维化与加工硬化。它直

6、接影响着已加工表面的质量。,第二章 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：,(1)带状切屑（图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

7、的卷屑槽或断屑槽，以促使切屑成卷或折断。,第二章 金属切削过程的基本规律,(2)挤裂切屑（节状切屑）（图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，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、拼裂、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)单元切屑（图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。 (4)崩碎切屑（图c） 在切削铸铁

8、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，切屑热和切屑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。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,3. 切削变形的表示方法 （1）相对滑移 由材料力学知，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：,B,第二章 金属切削过程的基本规律,从上图中的几何关系不难推出变

9、形系数与剪切角存在如下关系：,公式表明剪切角与前角是影响切削变形的两个主要因素。,第二章 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）作用力分析,第二章 金属切削过程的基本规律,如上图所示，以切屑为对象，刀具作用的正压力为Fn，前刀面与切屑的摩擦力为Ff，其合力为Fr。剪切面上的反作用力为Fr，与Fr共线且方向相反。 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：,剪切面上产生的剪切应力为：,第二章 金属切削过程的基本规律,摩擦角系数可用下式求得：,摩擦角也可用测得的分力FZ、FY求出：,第二章

10、金属切削过程的基本规律,（2）剪切角的确定 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，说明此时剪切滑穆面上变形消耗能量少，这正是实际生产所希望的。 几十年来，很多学者对剪切角的研究取得很多成果，用来表达剪切角的关系式不下十几种，但至今还没有一个能完全符合实际情况。麦钱持（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，,得到：,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：,可以看出，尽管以上二式的结果有些出入，但定性结果是一致的。当前角o增大时

11、，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。,第二章 金属切削过程的基本规律,（3）切屑与前刀面的摩擦 切屑与前刀面的摩擦和一般金属接触面间的摩擦不同。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：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。 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，

12、内摩擦力约占总摩擦力的85%。,第二章 金属切削过程的基本规律,经测定切屑与前刀面摩擦区中的内应力分布如上图所示，有如下规律： 剪应力的分布 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内剪切应力呈曲线下降至零。 正应力的分布 正应力在整个接触区从刃口处最大呈曲线下降至零。 根据摩擦系数概念可写出平均内摩擦系数公式如下：,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。,第二章 金属切削过程的基本规律,积屑瘤,第二章 金属切削过程的基本规律,影响积屑瘤形成的主要因素 影响切屑瘤高度的主要因素是切削速度。在

13、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，这时一般不发生积屑瘤。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。 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，转变成滞流层，积屑溜就不复存在了。,第二章 金属切削过程的基本规律,5. 影响切屑变形的因素 影响切屑变形的因素固然很多，但归纳起来有三个方面：工件材料、刀具几何参数及切削用量。 （1）刀具前角o 前角o越大，剪切角就越大，变形

14、系数h越小。但前角过大时，刀具切削刃的强度降低。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,（2）切削速度vc 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度vc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h变小。二是随着切削速度Vc的提高，切削温度升高，切屑底层金屑的s下降，靡擦系数减小，磨擦角减小，剪切角增大，变形系数h减小。 在能形成积屑瘤的切削速度范围内， Vc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vc升高积屑瘤逐渐长大，使得前角增大，变形系数减小；

15、在积屑瘤消退区，vc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。,第二章 金属切削过程的基本规律,（3）进给量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。 另一方面，在一定厚度的切屑中，各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。,第二章 金属切削过程的基本规律,（4）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

16、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。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 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。下面以外圆车削为例，分析研究切削力的构成、切削合力与分力、切削力测量及计算公式、影响切削力的因累等。 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。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,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

17、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，即切削刃上选定点的切削速度方向上，消耗机床的主要功率（95%以上），是计算切削功率、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，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的依据。 进给抗力FX（新称进给力Ff）：它也作用于基面Pr内，与进给方向相同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：,第二章 金属切削过程的

18、基本规律,2. 切削力的测定、切削力实验公式 测力仪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）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,第二章 金属切削过程的基本规律,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。,第二章 金属切削过程的基本规律,直杆式传感器测力原理如下图所示：,第二章 金属切削过程的

19、基本规律,（2）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：,第二章 金属切削过程的基本规律,上述直线对应的对数方程为：,上式可变换为：,综合上两式，得：,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

20、中的截距； CFZ 为主切削力影响系数。,第二章 金属切削过程的基本规律,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：,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。,第二章 金属切削过程的基本规律,3. 单位切削力、切削功率和单位切削功率 （1）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

21、知，则可用下列公式计算主切削力：,p 单位切削力，N/mm2。p值可根据切削用量查表获得。 （2）切削功率Pm 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：,Vc 主运动速度，m/s。 Fz 主切削力，N。,第二章 金属切削过程的基本规律,计算电动机所需功率PE时，还需要考虑机床的传功效率，则：,（1）单位切削功率Ps 单位切削功率Ps是指单位时间切除单位体积金属Zw所消耗的功率。,Zw 单位时间金属切除量，mm3/s。 可导出单位切削功率Ps

22、与单位切削力p之间的关系：,第二章 金属切削过程的基本规律,4. 影响切削力的因素 切削过程中，很多因素都对切削力产生不同程度的影响，归纳起来除了工件材料、功削用量和刀具几何参数三个方面之外，还有刀具材料、后刀面磨损、刀具刃磨质量及切削液等方面的影响。 （1）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。一般来说，工件材料强(硬)度越高，即s越大，切削力也越大；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。切削脆性材料时，切削力一般总是小于切削塑性材料。 （2）切削用量的影响 背吃刀量ap与

23、进给量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，ap增加1倍，Fz大约也正比增大1倍；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。,第二章 金属切削过程的基本规律,切削速度vc 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：,第二章 金属切削过程的基本规律,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

24、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，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)。,第二章 金属切削过程的基本规律,（3）刀具几何角度的影响 前角o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，F

25、z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，如下图所示。,o,第二章 金属切削过程的基本规律,主偏角kr的影响 主偏角kr对主切削力Fz的影响不大。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）。,第二章 金属切削过程的基本规律,刃倾角s的影响 刃倾角s对主切削力Fz的影响不大，而对Fy 、Fy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

26、Fr的方向，从而影响Fx 、Fy。,第二章 金属切削过程的基本规律,刀尖圆弧半径r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Fy 、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Fy 、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 。,第二章 金属切削过程的基本规律,负倒棱br1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。,（4）其它因素的影响 刀具材料的影

27、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。 刀具磨损、刃磨质量等的影响 后刀面磨损越大，切削力越大；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。,第二章 金属切削过程的基本规律,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。因此，研究切削热和切削温度对生产实践有着重要意义。 1. 切削热

28、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。 与此相对应，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。 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：,第二章 金属切削过程的基本规律,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

29、，切屑带走的切削热为50一86，40一l0传入车刀，9%3%传入工件，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。,第二章 金属切削过程的基本规律,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）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：,由热量q引起的温度升高量与材料的密度和比热c有关：,式中：p 单位切削力（N/m2）； c 比热容（J/kgK）； 密度(kg/m2)。 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

30、方法，来建立切削温度的实验公式。,第二章 金属切削过程的基本规律,（2）切削温度的测定 切削温度的测定方法很多，目前应用较广泛且较成熟、简单可靠的切削温度测量方法是自然热电偶法和人工热电偶法。 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圾，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材料所组成的热电偶，均要进行标定，使用起来不太方便。,第二章 金属切削过程的基本规律,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。这是将两

31、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,第二章 金属切削过程的基本规律,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）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：,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。

32、 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）。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,（2）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。,第二章 金属切削过程的基本规律,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，一方面使切削刀工作长度缩

33、短，切削热相对集中，同时刀尖角减小。散热条件变差，因此切削温度升高。,第二章 金属切削过程的基本规律,（3）工件材料的影响 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直接影响切削热的导出，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。,第二章 金属切削过程的基本规律,（4）其它因素的影响 刀具磨损后切削刃变钝，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

34、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。,第二章 金属切削过程的基本规律,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。学习本节的目的，就是要掌握刀具磨损的特点及产生的原因和规律，以便正确

35、选择刀具材料和切削条件、保证加工质量和提高生产效率。 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）正常磨损 正常磨损是指在切削过程中刀具前刀面和后刀面在高温、高压作用下，产生的正常磨损现象。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。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,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

36、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。,第二章 金属切削过程的基本规律,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

37、速度较高，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。,第二章 金属切削过程的基本规律,（2）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

38、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。 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

39、用下，常常发生的崩刃、碎断、剥落、裂纹等均屑脆性破损。,第二章 金属切削过程的基本规律,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)。,第二章 金属切削过程的基本规律,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、氧化或脱碳层等缺陷，且切削刀口较锋利，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0.05m

40、m0.1mm，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员较小。 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。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。

41、为了合理使用刀具、保证加工质量，应避兔刀具的磨损进入这个阶段。,第二章 金属切削过程的基本规律,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，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

42、尽相同。例如，精加工时磨钝标准可制订低些，而粗加工磨钝标准可制订高些；机床工艺系统的刚度较低时，应考虑在磨钝标准内是否会产生振动；此外，工件材料的切削加工性、刀具制造及刃磨的难易程度等都是确定磨钝标准时应予考虑的因素。具体数值可参考有关手册确定。 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，加工表面租糙度值增大、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。

43、,第二章 金属切削过程的基本规律,国际标准ISO推荐的车刀耐用度试验的磨钝标准如下： 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。,第二章 金属切削过程的基本规律,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

44、不相同，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）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。,第二章 金属切削过程的基本规律,（2

45、）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

46、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。 切削温度对刀具粘结磨损的影响见下图。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,（3）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。当面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

47、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，而降化了WC、TiC等碳化物与基体的粘结强度，这些都使刀具磨损加剧。 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。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，靡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。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规

48、律,（4）相变磨损 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 （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，还有疲劳磨损和热电磨损等。热电磨损是在切削区高温作用下，刀具与工件材料形成热电偶，致使刀具与切屑以及刀具与工件之间有电流通过，加快刀

49、具磨损速度。 刀具磨损是上述几种形式磨损综合作用的结果。对不同的刀具、工件材料和不同的切削条件，造成磨损的主要原因是不同的。在中低温时，粘结磨损是主要的；而高温时，扩散、相变和化学磨损的比重加大（如下图所示）。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,4. 刀具耐用度 （1）刀具耐用度概念 一把新刀从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止总的切削时间，或者是刀具两次刃磨之间总的切削时间，以T表示。 在一些情况下，刀具耐用度也可以用达到磨钝标准时总的切削路程lm来表示，精加工时也有用加工完的工件数量N或走刀次数来定义刀具耐用度。 要注意，刀具的寿命与耐用度是两个完全不同的概念

50、。刀具的寿命是指一把新刀从投人切削直到报废为止时总的切削时间。由于通常一把新刀可刃磨多次才报废，因此刀具的寿命应等于刀具耐用度与刃磨次数的乘积。 刀具耐用度是一个表征刀具材料切削性能优劣的综合指标。在相同的切削条件下，耐用度越高，表明刀具材料的耐磨性越好。在比较不同的工件材料切削加工性时，刀具耐用度也是一个重要的指标，刀具耐用度越高，表明工件材料的切削加工性越好。,第二章 金属切削过程的基本规律,（2）刀具耐用度试验 工件材料、刀具材料和刀具几何参数选定后，切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素，提高切削速度，刀具耐用度就降低，其关系可通过刀具磨损实验求得。与切削力一样，实验采用单因素法，数据处

51、理采用图解法，结果如图所示。,第二章 金属切削过程的基本规律,通过刀具耐用度曲线（vc-T曲线），可建立下列直线方程：,上面右式称为刀具耐用度方程，也称泰勒（Taylor ）公式。 式中：A与实验条件有关的系数； m切削速度对耐用度T的影响程度指数。 同理也可以求出进给量f与背吃刀量ap对刀具耐用度T的影响关系式：,第二章 金属切削过程的基本规律,（3）刀具耐用度合理数值的确定 如前所述，刀具耐用度与切削用量有着密切的关系、所以刀具耐用度直接影响生产效率和加工成本。 从生产效率考虑，刀具耐用度规定过高，切削速度就会过低，加工工时增加，生产效率因而降低；刀具耐用度规定得过低，则这时切削速度虽然可

52、以很高，加工工时会降低，但换刀次数增多，所以总工时不但不会减少，反而会增加，生产效率反会下降。这样就存在一个生产效率为最大时的刀具耐用度和相应的切削速度（如下图所示）。 同样，从加工成本考虑，若刀具耐用度选得过高，则切削速度必须选得很低，所以加工时间加长，使得机床的费用和人工费用增加，成本因而提高；反之，虽然切削速度可以提高、但与此同时换刀次数增多，刀具消耗及与刃磨有关的费用也增加，加工成本增高（如下图所示）。 不难看出，合理的刀具耐用度应根据优化目标来确定。一般分最高生产率耐用度和最低成本耐用度两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。,第二章 金属切削过程的基本

53、规律,最高生产率耐用度Tp 最高生产率耐用度是指单件工时最少或单位时间内加工零件最多的刀具耐用度。 设单件工序的工时为tpr，则,式中：tm工序的切削时间(min/件）； tl除换刀时间以外的其它捕助工时(min/件） 。 tc换刀一次所需的时间（ min/次） tm/T换刀次数。,第二章 金属切削过程的基本规律,设车外圆时，切削长度为L，工件直径dw，加工余量，则：,因为ap、f已选定，式中除Tm外均为常数，所以上式可写成：,单件工时tpr等于：,对上式微分求极小值，即令dtpr/dT=0，得到最大生产率耐用度Tp：,第二章 金属切削过程的基本规律,最低生产成本耐用度Tc 最低成本耐用度（经

54、济耐用度）是指单件(或工序)的成本最低时的耐用度。 设单件的工序成本为C，则：,式中 M该工序单位时间内所分担的全厂开支； Ct换刀一次所需费用。 用理对上式微分可求出最低生产成本耐用度Tc：,第二章 金属切削过程的基本规律,刀具耐用度的确定原则 一般情况下，从节省开支的角度，多采用最低成本耐用度；只有当生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时、才选用最高生产率耐用度。 具体地说，合理耐用度数值的确定，要综合考虑各种因素的影响，不可一概 而论。一般耐用度的制订可道循以下原则： 根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本的高低来选择。铣刀、齿轮刀具、拉刀等结构复杂，制造、刃磨成本高，换刀时间也长，因而耐用度

55、应选择高些；反之，普通机床上使用的车刀、钻头等简单刀具，因刃磨简使及成本低，耐用度可取得低些。 多刀机床上的车刀、组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及数控机床和加工中心上的刀具，耐用度应选得高些。 精加工大型工件时，为避免切削同一表面时中途换刀，耐用度应规定得至少能完成一次走刀。 车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率提而时，该工序的耐用度应选得低些，当某工序单位时间内所分担的全厂开支M较大时，刀具耐用度也应选很低些。,第二章 金属切削过程的基本规律,5. 影响刀具耐用度的因素 分析刀具耐用度影响因素的目的是，合理地加工中的各因素，使耐用度保持在合理的范围内。 （1）切削用量的影响 在切削用

56、量三要素中，切削速度vc对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap的影响最小，这与三者对切削温度的影响顺序完全一致。 通过实验可得到如下刀具耐用度实验公式（广意泰勒公式）：,式中 Cv与耐用度实验有关的系数，可查有关手册； m、xv、yv表示vc、ap、f对T影响程度的指数，可查手册。,第二章 金属切削过程的基本规律,在确定了刀具耐用度合理数值后，利用上式可以根据刀具耐用度值计算出刀具耐用度允许的切削速度vT：,式中 Kv修正系数，可查手册。 根据切削用量对刀具耐用度的影响程度可知，当确定了刀具耐用度合理数值之后，为减少刀具磨损，提高切削效率，选择切削用量时，首先应选取大的背吃刀量ap

57、；其次根据加工条件和加工要求选取尽可能大的进给量f；最后在刀具耐用度或机床功率所允许的情况下选取切削速度vc。,第二章 金属切削过程的基本规律,（2）刀具几何参数的影响 刀具几何参数对刀具耐用度有较显著的影响。选择合理的刀具参数，可有较地提高刀具耐用度。 前角o 前角增大，切削温度降低，耐用度提高；前角过大，刀刃强度低、散热体积小，易磨损，耐用度反而降低。 主偏角kr 主偏角减小，可增加刀具强度，改善散热条件，耐用度T增高。 另外，适当减小副偏角或增大刀尖圆弧半径都可提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度增高。 （3）工件材料的影响 加工材料的强（硬）度越高、塑性越好、导热性越差，均使切削温

58、度升高，刀具耐用度降低。 （4）刀具材料的影响 一般情况下，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好，耐用度就越高。此外，刀具材料的成分、金相组织、硬质合金中碳化物的种类和粒度等对耐用度都有一定的影响。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,第二节 金属切削过程基本规律的应用,通过金属切削过程基本规律的应用，可以在实际生产中，从控制切屑，改善材料加工性能，合理选用切削液、刀具几何参数和切削用量等方面入手，达到保证产品质量、提高生产效率、降低生产成本的目的。,第二章 金属切削过程的基本规律,第二章 金属切削过程的基本规律,一、工件材料的切削加工性能 工件材料的切削加工性是指在一定切削条件下，工件材料切削加工的难易程度。研究工件材料的切削加工性能的目的，是为了寻找改善工件材料加工性能的途径。 1. 评定工件材料加工性的主要指标 （1）刀具耐用度指标 在相同的切副条件下，刀具耐用度高，切削加工性好。 （2）切削速度指标 在刀具耐用度T相同的前提下，切削某种材料允许的切削速度越高，切削加工性越好。如取刀具耐用度T60 min，则允许的切削速度为vT可写成v60。 v60越高，则加工性