第2章 金属切削原理与刀具.ppt

1、机 械 制 造 工 程 学,主讲教师 叶仲新 机械工程系 机械制造教研室,2.1 刀具的结构 2.2 刀具材料 2.3 金属切削过程及其物理现象 2.4 切削力与切削功率 2.5 切削热和切削温度 2.6 刀具磨损与刀具使用寿命 2.7 切削用量的选择及其工件材料,第2章 金属切削原理与刀具,2.1.1 切削运动与切削要素,金属切削过程是指切削刀具与工件（被加工零件）按一定规律的轨迹作相对运动，通过刀具上的切削刃切除工件上多余的金属，从而使工件的的形状、尺寸、相互位置精度及表面质量达到规定的要求。在金属切削加工过程中有两个基本要素：一个是成形运动，另一个是刀具。,2.1 刀具的结构,机床的运动

2、是为了加工出所需要的工件表面，因此首先应分析工件被加工表面及其形成方法，在此基础上分析机床必须具备的运动以及这些运动的性质，然后再进一步了解机床运动的传动、实现机床所需运动的传动机构的结构以及机床运动的调整方法。,2.1.1 切削运动与切削要素,各种切削加工中的成形运动，按照它们在切削过程中所起的作用，可以分为主运动和进给运动两种，而这两个运动的向量和称为合成切削运动。所有切削运动的速度及方向都是相对于工件定义的。,1.切削运动,由机床或手动提供的刀具与工件之间主要的相对运动。它使刀具的切削部分切入工件材料，使被切金属层（材料）转变为切屑，从而形成工件新表面。 主运动的特征： 消耗的功率比较大

3、，速度也比较高。在表面成形运动中，必须有且只能有一个主运动。 主运动的方向： 切削刃上选定点相对工件的瞬时主运动方向。 主运动的大小（切削速度Vc ）： 切削刃上选定点相对工件的主运动的瞬时速度。,（1）主运动,主运动可能是简单的成形运动，也可能是复合的成形运动。在车削时，工件的回转运动是主运动；在钻削、铣削和磨削时，刀具或砂轮的回转运动是主运动。,由机床或手动传给刀具或工件的运动。它配合主运动连续不断地切削工件，同时形成具有所需几何形状的已加工表面。 进给运动的特征：消耗的功率较小，速度较低。进给运动可能是连续的，也可能是间歇的。可以是一个，也可以是多个，也可能没有。可以是简单运动，也可以是

4、复合运动。 进给运动的方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给运动的方向。 进给运动大小（进给速度Vf ）：切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,（2）进给运动,由同时进行的主运动和进给运动合成的运动 合成切削运动的方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向。 合成切削运动的大小（合成切削速度 Ve ）：切削刃上选定点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度。 合成切削速度角：主运动方向和合成切削运动方向之间的夹角。在工作进给剖面内度量。 Ve = Vccos,（3）合成切削运动,（3）合成切削运动,主运动 进给运动 合成运动 主运动与合成运动的夹角,切削速度Vc、进给量f、背

5、吃刀量ap,1）切削速度VC,主运动为回转运动时，切削速度的计算公式如下： VC = (m/min 或 m/s） 式中 d工件或刀具上某一点的回转直径（mm） n工件或刀具的转速（r/min 或 r/s）,2. 切削用量三要素,由于切削刃上各点的回转半径不同(刀具的回转运动为主运动)，或切削刃上各点对应的工件直径不同(工件的回转运动为主运动)，因而切削速度也就不同。考虑到切削速度对刀具磨损和已加工表面质量有影响，在计算切削速度时，应取最大值。,车削外圆时： VC =车削内圆时： VC =钻削圆孔时： VC = 式中 dW 待加工表面直径 dm 已加工表面直径,进给速度Vf：单位时间内的进给位移

6、量，单位是mm/min。 进 给 量 f：工件或刀具每回转一周时二者沿进给方向的相对位移量，单位是mm/r。,每齿进给量 fz： 多刃刀具（铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀）每移动一个刀齿的进给位移量，单位是mmZ。对于主运动为往复直线运动的加工，可以不规定间歇进给速度，但要规定间歇进给的进给量，单位为mm双行程。显然进给速度Vf 进给量f 和每齿进给量fZ 有如下关系： Vf = fn = fz zn,2）进给速度 Vf （进给量 f 和每齿进给量 fz ）,对于车削和刨削来说背吃刀量ap为:工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离。单位为mm。 外圆车削时背吃刀量为：ap= 钻削时背吃刀量为：

7、ap= 式中 dW 待加工表面直径 dm 已加工表面直径,3）背吃刀量ap,1）切削层 一个刀齿正在切削的金属层。 2）切削厚度 hD 垂直过渡表面测量的切削层尺寸。 外圆纵车（S0）时，hDfsinr （mm） 3）切削宽度 bD 沿过渡表面测量的切削层尺寸。 外圆纵车（S0）时，bDapsinr（mm） 在f 与ap一定的条件下，rhDbD。 当r90时，hDf，bDap。 4）切削面积AD 切削层在基面上的投影面积。 ADhDbDfap （mm2）,3. 切削层参数,hDfsinr bDapsinr 当r90时，hDf，bDap ADhDbDfap （mm2）,1.刀具切削部分的组成,不

8、论刀具的结构如何复杂，其切削部分的几何形状与参数都有共性，可近似地以外圆车刀切削部分的形状为基本形态。因此，在确定刀具切削部分几何形状的一般术语时，常以车刀切削部分为基础。,2.1.2 刀具角度,外圆车刀的三面两刃一尖 (1)前 刀 面 A ：切屑流过的刀面。 (2)主后刀面A ：与工件过渡表面相对的刀具表面。 (3)副后刀面A：与工件已加工表面相对的刀具 表面。 (4)主切削刃 S ： 前刀面与主后刀面的交线。 (5)副切削刃 S： 前刀面与副后刀面的交线。 (6)刀 尖 ： 主、副切削刃的交点。,(1)前 刀 面 A (2)主后刀面A (3)副后刀面A (4)主切削刃 S (5)副切削刃

9、S (6)刀 尖,参考系： 由一系列参考（测量）平面所组成的平面系。 参考系分为：刀具标注角度参考系和刀具工作角度参考系。,刀具标注角度参考系两个假定条件： 假定运动条件： 以主运动方向代替合成切削运动方向。 假定安装条件： 刀具安装基面与参考平面平行或垂直。,2. 刀具角度参考系及参考平面,基面、切削平面、正交平面（主剖面） 法平面（法剖面）、假定进给平面、假定切深平面。,由六个参考平面可组成三个刀具标注角度参考系： 正交平面参考系： Pr Ps Po 法平面参考系： Pr Ps Pn 进给切深平面参考系： Pr Pf Pp,六个参考（测量）平面：,通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向

10、的平面。通常基面应平行或垂直于刀具上便于制造、刃磨和测量时的某一安装定位平面或轴线。 普通车刀、刨刀的基面平行于刀具底面。钻头和铣刀等旋转类刀具，其切削刃上各点的主运动(即回转运动)方向都垂直于通过该点并包含刀具旋转轴线的平面，故其基面Pr 就是刀具的轴向平面。,（1）基面Pr,通过切削刃上选定点与切削刃相切，并垂直于基面的平面；也就是切削刃与切削速度方向构成的平面。 基面和切削平面是两个十分重要的参考平面。这两个参考平面加上以下所述的任一剖面，便构成不同的刀具角度参考系。,（2）切削平面 Ps,（3）正交平面 Po,通过主切削刃上选定点，垂直于基面和切削平面的平面。,（4）法平面 Pn,通过

11、切削刃上选定点，垂直于切削刃的平面。,Pr 基面 Ps 切削平面 Po 正交平面 Pn 法平面,（5）假定进给平面 Pf,通过主切削刃上选定点，平行于假定进给方向，并垂直于基面的平面。,（6）假定切深平面 Pp,通过主切削刃上选定点，垂直于假定进给方向，并垂直于基面的平面。,Pf 假定进给平面 Pp 假定切深平面,刀具标注角度是指在刀具标注角度参考系中确定的切削刃与各刀面之间的方位角度。 由于刀具角度的参考系沿切削刃各点可能是变化的，故所定义的刀具角度均应指明是切削刃选定点的角度。,3.刀具标注角度,正交参考系内（PrPsPo ）的刀具标注角度,正交平面Po内的刀具标注角度 1）前角o：在正交

12、平面内测量的基面与前刀面的夹角。 2）后角o：在正交平面内测量的切削平面与主后刀面的夹角。 3）楔角o：在正交平面内测量的前刀面与主后刀面的夹角。,刃倾角S ：在切削平面内测量的基面与主切削刃的夹角。,（2）切削平面内的刀具标注角度,1）主偏角r ：在基面内测量的切削平面与假定进给平面的夹角。 2）副偏角r：在基面内测量的副切削平面与假定进给平面 的夹角。 3）刀尖角r ：在基面内测量的切削平面与副切削平面的夹角。 4）余偏角r：在基面内测量的切削平面与假定切深平面的夹角。,（3）基面内的刀具标注角度,前角o 后角o 刃倾角S 三角方向判定,法平面参考系（Pr Ps Pn）内的刀具标注角度,1

13、）法前角n： 在法平面内测量的基面与前刀面的夹角。 2）法后角n： 在法平面内测量的切削平面与主后刀面的夹角。 3）法楔角n： 在法平面内测量的前刀面与主后刀面的夹角。,进给、切深平面参考系（Pr Pf Pp）内的标注角度,1）进给前角f ： 在假定进给平面内测量的基面与前刀面的夹角。 2）进给后角f ： 在假定进给平面内测量的切削平面与后刀面的夹角。 3）进给楔角f ： 在假定进给平面内测量的前刀面与后刀面的夹角。,4.刀具工作角度,在刀具标注角度参考系里定义基面时，只考虑了主运动，未考虑进给运动。但刀具在实际使用时，这样的参考系所确定的刀具角度往往不能反映切削加工的真实情形，只有用合成切削

14、运动方向来确定参考系，才符合实际情况。,工作基面Pre 、工作切削平面Pse 、工作主剖面Poe 、 工作法剖面Pne 、工作进给剖面Pfe 、工作切深剖面Ppe 。 由六个参考平面可组成三个刀具工作角度参考系： 工作主剖面参考系 Pre Pse Poe 工作法剖面参考系 Pre Pse Pne 工作进给、切深剖面参考系 Pre Pfe Ppe,2.1.3 刀具种类,1.刀具的分类,按加工方式及用途分： 车刀、铣刀、拉刀、孔加工刀具、螺纹加工刀具、齿轮加工刀具、磨具等。 按刀具所用材料分：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、金刚石刀具等。 按刀具结构形式分：整体刀具、镶装刀具、机夹刀具、复合刀

15、具。 按刀具标准化程度分：标准刀具和非标准刀具。,2.常用刀具介绍,（1）车刀,车刀按其用途可分为：外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等。 车刀按其结构可分为：整体车刀、焊接车刀、焊装式车刀、机夹车刀和可转位车刀等。,是用整块高速钢做成长条形状，俗称“白钢刀”。白钢刀均已淬硬至HRC6266，使用时可视其用途进行修磨。,1）整体车刀,2）焊接车刀,是把硬质合金刀片镶焊(钎焊)在优质碳素结构钢(45钢)或合金结构钢(40Cr)的刀杆上后经刃磨而成。 焊接车刀结构简单、使用可靠、制造方便，可根据使用要求随意刃磨，刀片的利用也较充分。,是将硬质合金刀片焊在小刀块，再将小刀块装配在刀杆上

16、。主要用于重型车刀，刃磨时只需刃磨小刀块，刀杆则能重复使用。,4）机夹式车刀,3）焊接装配式车刀,是将硬质合金刀片用机械夹固的方法装夹在刀杆上。刀刃位置可以调整，用钝后可重复刃磨。刀片避免了因焊接而可能产生裂纹、崩刃和硬度下降的弊病，提高了刀具耐用度。,5) 可转位车刀,可转位车刀由刀杆、刀片和夹紧元件组成。正多边形刀片上压制出断屑槽并经过精磨，可以转位使用；几条切削刃全用钝后，可更换相同规格的刀片，使用起来很方便。可转位车刀的几何角度完全由刀片和刀槽的几何角度组合而成。切削性能稳定，适合于大批量生产。,由于可转位车刀几何参数和断屑槽参数是根据确定的加工条件设计的，故通用性较差。硬质合金可转位

17、刀片已标准化。刀片形状很多，常用的有三角形、偏8三角形、凸三角形、正方形、五角形和圆形等。,（2）孔加工刀具,孔加工刀具可分为在实体材料工件上加工孔的刀具，如麻花钻、中心钻和深孔钻。在已有孔工件上加工孔的刀具，如扩孔钻、铰刀、镗刀和孔拉刀等。,1）高速钢麻花钻,麻花钻由工作部分、颈部和柄部三部分组成。工作部分又可分为切削部分和导向部分。麻花钻的切削部分可看成是由两把镗刀所组成。因此它有两个前刀面、两个后刀面、两个副后刀面、两个主切削刃、两个副主切削刃和一个横刃。,两个前刀面 两个后刀面 两个副后刀面 两个主切削刃 两个副主切削刃 一个横刃,2）麻花钻的几何参数,由于麻花钻主切削刃上各点的切削速

18、度方向不同，导致各点切削平面的位置也不同，则各点基面的位置也不同。基面总是包含钻头轴线的平面，与切削平面垂直。,麻花钻的螺旋角为：钻头外圆柱面与螺旋槽交线的切线与钻头轴线的夹角。 由于螺旋槽上各点的导程 P 相等，故麻花钻主切削刃上沿半径方向各点的螺旋角y不相等。,tg2R / P ； tgy2ry / P(ry / R) tg 麻花钻的螺旋角就是其进给前角f 。,麻花钻的顶角2是指两个主切削刃在与其平行的平面上投影的夹角。标准麻花钻的顶角2为1180 。顶角与基面无关。 麻花钻的端面刃倾角t 是指麻花钻主切削刃上选定点的基面与主切削刃在端面投影中的夹角。 由于主切削刃上各点基面位置不同，因此

19、主切削刃上各点的前角、主偏角和刃倾角都是变化的。越靠近钻头中心，麻花钻的刃倾角越大，则前角和主偏角越小。,麻花钻主切削刃上任意点y 的进给后角f y 是以钻心为轴心线的圆柱面的切平面上测得的钻头后刀面与切削平面的夹角。由于主切削刃在进行切削时作圆周运动，进给后角更能确切地反映钻头后刀面与工件加工表面之间的摩擦状况，同时也便于测量。刃磨钻头后刀面时，应沿主切削刃将后角从外缘到钻心逐渐增大。,麻花钻的横刃斜角是指在钻头端面投影上，横刃与主切削刃之间的夹角。麻花钻的横刃斜角500550 。 麻花钻横刃的前角和螺旋角都是派生角。由麻花钻的顶角、横刃斜角和钻心后角o 确定。 横刃前角o = -(900-

20、o) 横刃螺旋角o = 1800-o 由于普通麻花钻的横刃为直线刃，则麻花钻的横刃主偏角为900，横刃刃倾角为00 。,麻花钻的修磨及其群钻,其它孔加工刀具,其它孔加工刀具,镗孔刀具,孔加工复合刀具,孔加工分为浅孔加工和深孔加工两类，也包括介于两者之间的中深孔加工。 一般规定孔深L 与孔径do 之比大于5，即Ldo5 的孔称为深孔；Ldo5 的孔称为浅孔。,麻花钻的结构尺寸直径d0、螺旋角和螺旋槽导程P之间的关系为： tg = 2RP =d0 P ；即： Pd0 = tg,深孔加工刀具, L 3P4 ；则有： P / d0 = 4 L3 d0 L / d0 =34 tg 当 =25 30；则有

21、：Ld05.1 4.1 即麻花钻正常钻孔深度和孔径之比一般不超过5,在生产实践中，为了保证切屑顺利排出，麻花钻一次钻到底时(中途不退出)的钻孔深度L通常不超过螺旋槽导程P的34，即L3P4。,深孔加工按排屑方法分类 外排屑：切屑从刀杆外部排出。 内排屑：切屑从刀杆内部排出。 深孔加工按加工系统(冷却、排屑系统)分类 枪钻系统；BTA 系统；喷吸钻系统；DF 系统。,(1)不能直接观察到刀具的切削情况。只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察机床负荷及压力表等外观现象来判断切削过程是否正常。 (2)切削热不易传散。一般深孔钻削只有40切削热被切屑带走，刀具占切削热的比例较大，扩散迟、易过热，刃口的切

22、削温度可达600，必须采用强制有效的冷却方式。,深孔加工的特点,(3)切屑不易排出。由于孔深，切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头崩刃。因此，切屑的长短和形状要加以控制，并要进行强制性排屑。 (4)工艺系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，钻杆细而长，刚性差，易产生振动，钻孔易走偏，因而支承导向极为重要。,1860年美国人对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在钻孔领域迈出了重要的一步。但用麻花钻钻深孔时，不便于冷却与排屑，生产效率很低。随着枪炮生产的迅速发展，在20世纪初期，德、英、美等国家先后发明了单刃钻孔工具，因用于加工枪孔而得名枪钻。枪钻也称为月牙钻、单刃钻及外排屑深孔钻。枪钻钻杆

23、为非对称形，故扭转强度差，只能传递有限扭矩，适用于小孔零件加工生产，效率较低。,深孔加工刀具枪钻,在第二次世界大战前和战争期间，由于战争的需要，枪钻已不能满足高生产效率的要求，在1943年，德国海勒公司研制出毕斯涅耳加工系统（我国常称的内排屑深孔钻削系统）。战后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会（Brigand Trepanning Association），简称BTA 协会。经过他们的努力，这种特殊的加工方法又有了新的发展，并被定名为BTA 法。,深孔加工刀具BAT 深孔钻,BTA 法存在着切削液压

24、力较高，密封困难等缺点，为克服这些不足，1963年山特维克公司发明了喷吸钻法。这是一种巧妙应用喷吸效应的方法，可以采用较低的切削液压力，使切屑在推、吸效应下容易排出，有利于系统的密封。但是喷吸钻法本身也有缺点，它使用两根钻管，使排屑空间受到限制，加工孔径一般不能小于18mm。由于特殊的切削液供给方式，缺乏了BTA 法中切削液对钻杆振动的抑制作用，刀杆易擦伤，其系统刚性和加工精度要略低于BTA 法。,深孔加工刀具喷吸钻,夹盘，工件，静态中心架，钻削导向套，外钻管，夹头，冷却液，输入口，密封套筒 不能旋转刀具连接器，内钻管，钻头,铣刀可分为圆柱铣刀、端铣刀（面铣刀）、盘铣刀、立铣刀、键槽铣刀,（3

25、）铣刀,（3）铣刀的几何角度,按拉刀所加工表面不同可分为内拉刀和外拉刀。内拉刀用于加工孔和槽等内表面。如圆孔拉刀、键槽拉刀和花键拉刀等。外拉刀用于加工平面、成形表面的外表面。如平面拉刀、成形表面拉刀和齿轮拉刀等。,（4）拉刀,拉刀方式,拉刀的结构,拉刀的几何参数,磨削加工是一种历史悠久的加工方法，又是一种具有发展前景的加工方法。这种加工方法既能作为精加工、超精加工，也能作为粗加工。既能加工普通材，也能加工超硬材料。磨削加工所用的刀具以砂轮为主。与前述的刀具切削有着不同的加工机理。砂轮可看成是一把具有无数微小刀刃所构成的铣刀。即砂轮上的每个磨粒相当于一把微小的刀刃。而这些微小刀刃的几何参数有较大

26、的差异。,（5）砂轮,砂轮的形状与构造,1、砂轮 2、粘合剂 3、磨料 4、脱落的磨料 5、气孔 6、工件,1) 磨料 氧化物系：棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉、单晶刚玉、微晶刚玉等。 碳化物系：黑碳化硅、绿碳化硅、碳化硼、碳硅硼、立方碳化硅等。 高硬磨料系：人造金刚石、立方氮化硼。,1）砂轮的特性,磨料颗粒的大小。分为磨粒和微粉。 磨粒的粒度号数是以磨粒所通过的筛网的网号来表示（筛网的网号是指在1英尺的长度上有多少孔）。而微粉的粒度号数是以其实际尺寸大小来表示。,2）粒度,3) 硬度,4）结合剂,5）组织,2.2 刀具材料,2.2.1 刀具材料应具备的性能,1. 高的硬度 2. 高的耐磨性

27、3. 高的耐热性 4. 足够的强度和韧性 5. 良好的导热性和膨胀系数 6. 良好的工艺性和经济性,2.2.2 常用的刀具材料,2.2.2 常用的刀具材料,1.碳素工具钢和合金工具钢,碳素工具钢是指含碳量为0.701.2% 的优质工具钢。如：T8A、T10A、T12A 等。 合金工具钢是指在碳素工具钢的基础上加入了少量的W、Cr、Mn、Si 等合金元素。如：9 Si Cr、CrWMn 等。 以上两种工具钢的耐热度只有200 500 。,2.高速钢,高碳高合金工具钢。含碳量为0.701.65% ，加入一定量的合金元素（W、Mo、Cr、V 、Co、 Mn、Si、Al ）。又称为“锋钢”或“白钢”。

28、,普通高速钢 钨系高速钢：W18Cr4V、W14Cr4VMn 钼系高速钢：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V,2.高速钢,高性能高速钢 高碳高速钢： 95W18Cr4V、110W6Mo5Cr4V2高钒高速钢： W6Mo5Cr4V3、W9Cr4V5钴高速钢： W6Mo5Cr4V2Co8、12Mo3Cr4V3Co5Si铝高速钢： W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al,新型高速钢 1）粉末冶金高速钢： 2）表面渗入式高速钢： 3）表面涂覆式高速钢：用物理气相沉积法在高速钢表面涂上碳化物（TiC ）、氮化物（TiN ）等。,2.高速钢,3. 硬质合金,1）硬质合金的特点 硬度高、

29、耐磨性好、耐热性好、抗弯强度低、冲击韧性差。硬质合金的性能主要取决于碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的含量。,硬质合金是以微米级的难熔高硬度金属碳化物（WC、TiC）的粉末，用Co、Mo、Ni 作为粘结剂，在高温高压上烧结而成。,2）硬质合金的种类及其选用 钨钴类硬质合金（WC-Co） YG3、YG6、YG8、YG3X 钨钴钛类硬质合金（WC-TiC-Co） YT5、YT15、YT30 钨钽（铌）钴类硬质合金 （WC-TaC（NbC）-Co） YA6 钨钛钽（铌）钴类硬质合金 （WC-YiC-TaC（NbC）-Co） YW1、YW2,1）通用硬质合金：YW1、YW2 2）细晶粒和超细晶粒

30、硬质合金：YG3X、YG6X 3）TiC基和TiC-TiN 基硬质合金：YN5、YN10 4）涂层硬质合金：用化学气相沉积法在硬质合金表面涂上碳化物（TiC）、氮化物（TiN）或氧化物（Al2O3） 5）钢结硬质合金：以TiC、WC为硬质相，高速钢为粘结剂，用粉末冶金法制成。,新型硬质合金,硬质合金,4. 陶瓷,优点：陶瓷刀具的硬度可达9195HRA，具有很高的硬度及耐磨性，刀具耐用度高；耐热性高，在1200 左右硬度可达80HRA；有较好的化学稳定性，与金属的亲和力小，具有较好的抗粘结和抗扩散能力。 缺点：强度和韧性低、脆性大、导热性差等。,陶瓷的各类及选用,1）纯氧化铝陶瓷（Al2O3）

31、2）复合氧化铝陶瓷（Al2O3+TiC） 3）氮化硅陶瓷（Si3N4） 4）强化陶瓷（Al2O3+SiC） 5）金属陶瓷（TiC+TiN+Ni）,5. 立方氮化硼（CBN PCBN ）,立方氮化硼是六方立方氮化硼的同素异构体。立方氮化硼的热稳定性和化学惰性都优于金刚石。可耐13001500的高温。其硬度达到HV80009000左右。,6.金刚石,碳的同素异构体。有天然和人造两种。人造金刚石是在高温高压下，借助合金的触媒作用，由石墨转化而成，可分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD ）。 金刚石的硬度达到HV10000左右，有极高的耐磨性；摩擦因素小；导热性好；不易产生积削瘤 。 金刚石的强度和韧性

32、低、脆性大、热稳定性差，当切削温度达700800时，表面就会碳化，与碳元素亲和力大，不适合加工黑色金属。,研究金属切削的变形过程的意义 金属切削的变形过程是指通过切削运动，使刀具从工件上切除多余的金属形成切屑，从而得到已加工表面的过程。在这一过程将出现的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损、工件已加工表面质量、以及鳞刺、积屑瘤、卷屑与断屑、强迫振动与自激振动等。,2.3 金属切削过程及其物理现象,而对金属切削变形过程的研究，就是要揭示切削变形过程产生各种现象的原因、变化规律、与加工质量的关系。对金属切削变形过程的研究，从单因数试验进入多因数综合试验，从静态观测进入动态观测，从宏观研究进入微

33、观研究。从六十年代末开始利用透射电子显微镜对切屑形态的静态观察，到利用扫描电子显微镜对切屑形成的过程直接进行动态观察。,2.3 金属切削过程及其物理现象,实验方法有：侧面方格变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、电子显微镜观察法、X光衍射法、光弹和光塑试验法、声谱和红外分析法等。,研究金属切削的变形过程的方法,金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。,切屑形成的典型模型：挤压滑移挤裂切离,2.3.1 金属切削变形过程的基本特征,1. 金属切削过程中的三个变形区,1. 第一变形区 在滑移面附近的区域，产生剪切滑移变形。 2. 第二变

34、形区 在前刀面附近的区域，产生挤压、摩擦变形。 3. 第三变形区 在刃口附近的区域，产生挤压、摩擦变形。,第一变形区的剪切变形的过程为：弹性变形塑性变形晶粒的滑移（纤维化）剪切滑移变形,2. 第一变形区内金属的剪切变形,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。,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。

35、,切屑根部金相照片,第2章 金属切削原理与刀具,剪切角：对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，较大，剪切面积变小，切削比较省力，说明切屑变形较小。 变形系数：切屑厚度与切削层厚度之比a 切削层长度与切屑长度之比L,3. 切削变形程度的表示方法,=,当 ； 0 、,=,3. 切削变形程度的表示方法,定性分析： 上述两个公式的计算结果和实验结果在定性分析上是一致的，只是在定量上有出入，其原因是在建立切削模型时进行了某些简化所导致。切削刃为假想的绝对锋利；剪切面为假想的一个平面； 忽略被加工表面金属内部的杂质及缺陷对切削变形的影响；用简单的平面摩擦来表示切屑与刀具前刀

36、面的摩擦情况。,1.作用在切屑上的力 前刀面上的法向力Fn 和摩擦力Ff ； 剪切面上的正压力Fns 和剪切力Fs ；,2.3.2 前刀面上的挤压与摩擦,2. 剪切角与前刀面摩擦角的关系,剪切角: 剪切面与切削速度方向之间的夹角。其大小可表示切削变形的程度。 1）根据合力最小原理得 =/ 4 / 2 + 0 / 2 2）根据主应力方向与最大剪应力方向成45得： =/4 +0 从以上两公式中可得出： 剪切角与摩擦角有关： 剪切角与前角0 有关： 0,（1）前刀面上的摩擦形式 1）峰点型接触（外摩擦形式） 实际接触面积Ar 只是名义接触面积Aa 的一小部分。 Ar Aa Ar = Frn / s

37、2）紧密型接触（内摩擦形式） 实际接触面积Ar 接近于名义接触面积Aa Ar= Aa Aa = Frn / （x） （2）前刀面上的摩擦力及峰点的冷焊 摩擦力 Fr =s Ar + Ps Ar Fr =s Ar 或 Fr =s Aa,3. 前刀面上的摩擦,（3）前刀面上的摩擦特点,在前刀面上的前区OA 段为紧密型接触的摩擦形式，摩擦系数为OA =s / （x），它是一个变量，不服从古典摩擦法则。其摩擦力约占总摩擦力85%。 而在前刀面上的后区AB 段为峰点型接触的摩擦形式，摩擦系数为AB =s / s ，它是一个常数，服从古典摩擦法则。,1）工件材料 S 2）切削厚度 ac s 3）刀具前角

38、0 s 4）切削速度 VC 30m/min ： VC VC 30m/min ： VC ,4. 影响前刀面摩擦系数的主要因素,5. 积屑瘤的形成及其影响,1）积屑瘤现象及其产生条件 当切削塑性材料，切削速度在中低速，易形成带状切屑的情况下产生积屑瘤。取决于切削温度的高低。,2）积屑瘤的成因及其与切削速度的关系 滞流不流成刀瘤。刀-屑之间为紧密型接触的摩擦形式。积屑瘤的生长过程：产生、增长、脱落、再产生、再增长、再脱落、。,3）积屑瘤对切削过程的影响及其控制,增大前角；增大切削厚度；保护刀具； 影响加工表面质量； 加剧刀具磨损。,6. 影响切屑变形的主要因素,1）工件材料对切屑变形的影响 S ,6

39、. 影响切屑变形的主要因素,2）刀具前角的影响 0,6. 影响切屑变形的主要因素,3）切削速度对切屑变形的影响 VCHb0 VCHb0 VCS,4）切削厚度对切屑变形的影响 hD ,6. 影响切屑变形的主要因素,P49 2-2、2-3、2-4、2-5 2-2 切削过程的三个变形区各有何特点?它们之间有什么关联? 2-3 分析积屑瘤产生的原因且其对加工的影响。生产中最有效的控制积屑瘤的手段是什么? 2-4 切屑与前刀面之间的摩擦与一般刚体之间的滑动摩擦有无区别?若有区别，二者有何不同之处？ 2-5 车刀的角度如何定义?标注角度与工作角度有何不同？,作业二：,1.切屑的分类 切屑的形态 根据局部观

40、察切屑表面是否连续或分离的状态分。 切屑的形状 根据整体观察切屑外观形状分。,2.3.3 切屑的类型,1）带状切屑: 切屑卷曲呈带状，内表面光滑，外表面呈毛茸状。切削塑性材料，切削厚度较小，切削速度较高，前角较大。其切削过程较平稳，切削力波动较小，表面粗糙度较小。,（1）切屑的形态,2）节状切屑: 切屑呈节状，外表面局部开裂呈锯齿状，内表面有裂纹。切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度较低，前角较小。其切削过程不平稳，切削力有波动，表面粗糙度较大。,3）粒状切屑 ：切屑呈颗粒状，形成单元切屑。切削塑性材料，切削厚度较大，切削速度很低，前角较小或负前角，或加工较硬的材料。其切削过程不平稳，切削力波

41、动较大，表面粗糙度较大。,4）崩碎切屑 ：切屑呈碎块状。切削铸铁或脆性材料，由于材料塑性小，抗拉强度低，切削层在刀具前刀面的挤压下，未经塑性变形就被挤裂或挤断形成不规则的碎块状。工件材料越硬、越脆，前角越小，切削厚度越大，越易产生崩碎切屑。,（2）切屑的形状 : 大体可分为带状屑、C型屑、崩碎屑、螺旋卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等。,（2）切屑的形状,带状屑 ：高速切削塑性金属，一般应力求避免。 C形屑：车碳钢和合金钢（采用带卷屑槽）较好。 长紧卷屑：普通车床上较好。 发条状卷屑：重型机床上较好。 宝塔状卷屑：自动机或自动线上较好。 螺卷屑：车削脆性材料较好。,2.4 切削力,2.4.1

42、 切削力的来源、切削合力、分力,1. 切削力的来源 1）来之切削层金属的弹性变形和塑性变形所产生的变形抗力。 2）来之刀具、切屑和工件表面间的摩擦阻力。,2.切削合力与分力 1）主切削力FC ；2）切深抗力FP ；3）进给抗力Ff,1.切削力的理论公式,2.4.2 切削力的理论和经验公式,根据材料力学的有关理论，以直角自由切削方式为模型，略去刀具后刀面上的切削力。 FC F cos（ 0） hDbDcos（0）sincos（0） FC S hD bD（1.4 C） S f aP（1.4 C） 影响切削力的主要因素有：工件材料S 、切削用量 f 和 aP 、刀具前角0,切削力的经验公式是利用测力

43、仪测得的切削力数据，经图解法、线性回归法进行处理后所得到的。分为指数公式和单位切削力公式。,1）切削力的指数公式 是以切削深度ap和进给量 f 为变量的幂函数，改变一个因素，分别测出FC ，Fp， Ff 后，进行数据处理而得到其形式如下： FC=CFcaPxFcfyFc Fp=CFpaPxFpfyFp Ff=CFfaPxFffyFf,2. 切削力的经验公式,2）单位切削力公式 是指单位切削面积上的主切削力。即切削力与切削层面积之比。 PC=FC/AD= CFcaPxFcfyFc/aPf= CFcaP1f0.84/aPf= CFcf0.16 PC=FC/AD=FC/aPf FC=PC aPf,工

44、件材料的强度和硬度越高，其屈服强度越高，使剪切面上的剪应力S 增大，导致塑性变形的抗力增大，从而使切削力增大。 工件材料的塑性和韧性对切削力也有一定的影响。当强度和硬度相近的材料，其塑性和韧性越大，切削变形越大，切削力也越大。,1. 工件材料,2.4.3 影响切削力的因素,切削深度ap 和进给量 f 决定了切削面积的大小。 AD= hDbD= apf Ap 和 f 的增大都导致切削力增大。但两者的影响程度不同。Ap 对变形系数没有影响，而 f 增大时，变形系数有所下降。从以下经验公式中可反映出 ap 对切削力的影响要比 f 的影响大。 FC = CFc aP 1 f 0.84,1）切削深度和进

45、给量的影响,2. 切削用量的影响,切削速度对切削力的影响主要是受到积屑瘤的生成和切削温度的高低所致。当切削塑性材料并生成积屑瘤时（中、低速时），随着切削速度从小到大，积屑瘤由产生，增大到消失，从而使刀具的前角由增大到减小，导致切削力从减小到增大。 VCHb0 FC VCHb0 FC VCS FC,2）切削速度的影响,1）前角0 的影响 0 FC,3. 刀具几何参数的影响,主偏角r对FP 影响较大，对Fc和Ff影响较小。 FP=FDcosr ； Ff=FDsinr ； hD=fsinr rFc、FP、Ff；rhD,2）主偏角r 的影响,刀尖圆弧半径r对FP 和Ff 影响较大，对Fc 影响较小。

46、刀尖圆弧半径r增大，使主偏角r减小。 rr Fc、FP、Ff,3）刀尖圆弧半径r的影响,刃倾角S的变化将改变切削合力的方向，从而影响各切削分力的大小。刃倾角S对主切削力Fc的影响很小，对切深抗力FP影响最大。 S FP，Ff,4）刃倾角S的影响,为提高刀具刃口区的强度（硬质合金刀具），常在靠近刀刃前刀面上一定宽度的负倒棱（01=030）。虽然提高了刀具的使用寿命，但降低了刀刃的锋利程度，使切削变形增大，导致切削力增大。,5）负倒棱的影响,负倒棱是通过它的宽度b对进给量f的比值（b/f）来影响切削力的。当 b/f增大时，Fc、 FP 、Ff都将增大。其中对Ff影响最大，FP次之，Fc最小。 b/

47、f Ff ，FP，Fc,主要反映为后刀面磨损对切削力的影响。当刀具的后刀面磨损后，则形成一个后角为零、高度为一定宽度（VB值）的小棱面，使作用在后刀面上的法应力FN和摩擦力F增大，从而导致切削力增大。 VB FN、 F Fc、FP、Ff ,4.刀具磨损的影响,2.5.1 切削热的产生与传出 1.切削热的产生 在切削变形过程中的三个变形区形成了三个发热区，由这三个变形区内产生的变形功和摩擦功几乎全部转变成切削热。单位时间产生的切削热为： Q=FCVC,2.5 切削热和切削温度,1）通过工件传出； 2）通过切屑传出； 3）通过刀具传出； 4）通过周围介质传出; 车削外圆时：50%85%热量由切屑带

48、走，10%40%由车刀传出，4%9%传给工件，1%由空气带走。（无冷却液） 钻削时：25%30%由切屑带走，15%20%由钻头传出，50%传给工件，5%由周围介质传出。 磨削时：10%由磨屑带走，5%由砂轮传出，80%传给工件，5%由周围介质传出。,2.切削热的传出,1.切削温度的测量方法 自然热电偶法，人工热电偶法，辐射测温法。 2.刀具上切削温度的分布 由于刀具上各点与三个变形区的距离各不相同，三个变形区产生的热量也不相同，因此刀具上不同点处所获得的热量和传出的热量也不会相同,导致各刀面上的温度分布不均匀。切削塑性材料时，最高切削温度是在距刀尖一定距离的前刀面上。切削脆性材料时，最高切削温

49、度是在距刀尖一定距离的后刀面上。,2.5.2 刀具上切削温度的分布规律,1）切削速度的影响 切削速度提高时，单位时间内的金属切除率将增多，消耗的变形功和摩擦功增多，转变的切削热增加，从而导致切削温度上升。同时在提高切削速度会使切削变形降低，单位切削力和单位切削功率有所下降，切削热有所降低，导致切削温度的变化与切削速度不成正比例关系。 VCZWPC VCS Vc=CvVC0.260.41,2.5.3 影响切削温度的因素,1. 切削用量的影响,2）进给量的影响,增大进给量f，使切削厚度hD增大，金属切除率增加，消耗的变形功增大，导致切削热增加，使切削温度上升。 f hDZWPC f hD ； f

50、= Cf f 0.14,由于切削深度增大后，使切削刃参加切削的工作长度增大了，散热条件得到了改善，从刀具上传出的热量增多，因此对切削温度的影响较小。ap= Cap ap0.04,3）切削深度的影响,2）主偏角的影响： r ,1）前角的影响： 0 FC,2. 刀具几何参数的影响,刀具磨损后，刀刃变钝，使切削变形和摩擦增大，导致切削温度升高。VB Fc,3. 刀具磨损的影响,4. 工件材料的影响,工件材料的强度、硬度、塑性以及导热性等因素的影响。,2.6 刀具磨损和刀具耐用度,刀具失效的形式分为刀具磨损和刀具破损。刀具磨损为正常磨损，而刀具破损为非正常磨损。刀具磨损的特点是：刀具前刀面和后刀面的接

51、触压力大，温度高，摩擦力大，存在机械、热和化学的综合作用。研究刀具的磨损和破损的机理及规律，对正确设计和合理使用刀具，对提高生产率和保证加工质量，对合理选择切削用量都具有重要的意义。,2.6.1 刀具磨损的形态,刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理的和化学的作用，使刀具原有的几何形状遭到破坏，导致刀具的切削性能逐渐下降，最后完全丧失切削能力。刀具磨损的形态可分为三种： 前刀面磨损、后刀面磨损和前后刀面同时磨损,当切削速度较高、切削厚度较大的情况下加工塑性材料时，因切屑底层与刀具前刀面在高温和高压的条件下产生剧烈摩擦，使刀具前刀面距切削刃一定距离处磨出一个月牙洼形状的凹坑。即为前刀面磨损

52、。 随着刀具使用时间的推移，使月牙洼的深度和宽度逐渐增大，导致切削刃的强度降低，直至出现崩刃现象。,1. 前刀面磨损（月牙洼磨损）,月牙洼的磨损量以其KT表示。在前刀面上形成月牙洼后，将使刀具的工作前角增大。 适当减小进给量f（f），充分的冷却和润滑，选择耐磨性和耐热性较高的刀具材料，都能减少月牙洼的磨损深度。,1. 前刀面磨损（月牙洼磨损）,1. 前刀面磨损,2. 后刀面磨损,当切削速度较低、切削厚度较小的情况下，加工塑性材料以及加工脆性材料时，由于切屑底层与刀具前刀面的摩擦较小，一般不易产生月牙洼磨损，而是在后刀面上靠近切削刃的地方磨出一个后角为零的小棱面。即为后刀面磨损。,2. 后刀面磨

53、损,后刀面的磨损是不均匀的。根据切削刃的工作长度可将后刀面磨损带分为三个区域。 C 区 靠近刀尖部分。以VC表示最大磨损宽度。 B 区 切削刃的中间部分。以VB表示平均磨损宽度。 N 区 切削刃靠近工件已加工表面。以VN表示最大磨损宽度。 在C区由于强度和散热条件较差而导致磨损剧烈。在B区磨损较均匀。在N区由于加工硬化层或毛坯表面硬层的影响导致较大的磨损。,2. 后刀面磨损,3. 前后刀面同时磨损,在切削塑性材料时，往往会发生前后刀面同时磨损现象。 刀具的磨损形态，是随着切削条件改变而转化。在大多数切削条件下都会出现后刀面磨损，而后刀面磨损将直接影响工件加工表面质量的好坏。因此常以VB值来表示

54、刀具的磨损程度。,2.6.2 刀具磨损机理,为了减小和控制刀具的磨损，必须了解和研究刀具磨损的原因和机理。刀具磨损具有以下特点： 刀具与切屑和工件之间的接触表面为新鲜表面。 接触表面压力大，接触变形大。 接触表面温度高，500800。 刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果。,1.硬质点磨损 （磨粒磨损、磨料磨损、擦伤磨损）,主要是由于工件材料中的微小硬质点（碳化物、氮化物、氧化物）以及积屑瘤的碎片在切削过程中，不断对刀具的前后刀面擦伤并刻划出沟纹，产生磨粒磨损。 工件材料中的硬质点越多，材质越不均匀，刀具与工件的硬度比越低，刀具刀面的粗糙度越差，这种磨损就越严重。 磨粒磨损是中

55、低速切削时刀具磨损的主要原因。如拉刀、铰刀和丝锥等。,切削塑性材料时，在高温和高压的条件下，刀具与工件材料粘结（冷焊）在一起，由于摩擦副的相对运动导致冷焊结破碎，使刀具材料受剪切而被工件（切屑）带走，从而产生冷焊磨损。 影响冷焊磨损的主要因素有：刀具与工件材料之间的亲合力大小，刀具与工件接触面之间的温度和压力的高低。 高速钢刀具在中等切削速度下，硬质合金刀具在中等偏低切削速度下都易产生冷焊磨损。,2.粘结磨损（冷焊磨损）,切削金属材料时，工件与刀具材料在接触过程中，在高温的作用下，使摩擦表面双方的化学元素在固态下相互扩散，从而改变了各自材料的化学成分和结构，使刀具表面材料变脆而加剧了刀具的磨损

56、。,3.扩散磨损,如用硬质合金刀具切削钢件时，当切削温度达到800时，硬质合金中的钴元素扩散到工件材料中，碳化钨WC被分解为W和C后扩散到切屑和工件表面，使刀具出现脱碳、脱钨现象。而钴的减少会使硬质相的粘结强度降低。同时工件中的铁和碳则扩散到硬质合金中，形成低硬度、高脆性的复合碳化物。最终导致刀具的强度和硬度下降。,扩散磨损常与磨粒磨损、冷焊磨损同时产生。影响扩散磨损的因素有：切削温度、刀具的耐热性、刀具材料的化学成分等。,当切削温度达到700800时，空气中的氧在切屑形成的高温区内与刀具材料中的某些成分（Co、WC、TiC）发生氧化作用，产生较软的氧化物（Co3O4、CoO、WO3、TiO2

57、），这些氧化物被切屑或工件擦伤而形成氧化磨损。使造成刀具边界磨损的作用原因之一。,4.氧化磨损（化学磨损）,5.热电磨损,由于工件和刀具的材料不同，切削时在切削区内将产生一定的热电势。这种热电势有促进工件和刀具表面材料元素扩散的作用，从而加剧了刀具的磨损。这种在热电势作用下产生的扩散磨损称为热电磨损。,6.相变磨损,当切削温度达到或超过刀具材料金相组织变化临界点时，使刀具表层材料产生金相组织变化，导致刀具表面的硬度和耐磨性降低，造成刀具的磨损。合金工具钢、高速工具钢在高速切削时易出现此类磨损。,1积屑瘤； 2磨粒磨损； 3扩散磨损； 4氧化磨损； 5塑性变形； 6剥落,塑性变形,热 裂,切削刃

58、崩碎,剥 落,2.6.3 刀具磨损过程,以切削时间和后刀面磨损量两个参数为坐标绘制磨损曲线图，将刀具磨损过程分为三个阶段。,1.初期磨损阶段 这一阶段由于新刃磨的刀面存在粗糙不平等表面缺陷，后刀面与工件之间为峰点型接触，刀面与工件之间的接触面积较小，压强较大，刀具与工件之间的接触变形大，因此在极短的时间内磨损很快。初期磨损量的大小取决于刀具刀面的刃磨质量的好坏。,2.正常磨损阶段 这是一个较长时间内的缓慢磨损阶段。刀具经初期磨损后，后刀面上磨出一个狭长的小棱面，其粗糙的表面逐渐磨平，刀面与工件之间的接触面积逐渐增大，压强减小，因此在较长的时间内磨损量均匀地缓慢地增加。正常磨损阶段是刀具工作地有

59、效阶段。,3.剧烈磨损阶段 当刀具磨损量达到一定值时，切削刃钝化加剧，使切削力增大，切削温度增高，从而导致刀具的切削性能急剧下降，刀具的磨损发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。当刀具进入此阶段后继续使用，会导致刀具出现破损而无法刃磨。因此刀具在进入剧烈磨损阶段之前就必须刃磨或换刀。,刀具的磨钝标准：根据不同的加工情况规定刀具应具有的一个最大允许磨损值。 国际标准规定以切削深度的1/2处所测得的刀具后刀面磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。（我国的旧标准是以刀具后刀面磨损带中间部分的平均磨损量VB作为刀具的磨钝标准）,2.6.4 刀具的磨钝标准,制订刀具磨钝标准时应考虑以下因素,（1）工艺系统刚性 工艺系统刚性较差时，应选择较小的VB值，以减小径向力。 （2）工件材料 切削难加工材料时，应选择较小的VB值，以减小切削温度。 （3）工件的加工精度和表面质量 工件的加工精度和表面质量要求较高时，应选择较小的VB值。 （4