数控加工工艺2.ppt

1、,第2章数控加工的切削基础,2.1金属切削过程的基本规律 2.2常用工件材料性能基础 2.3切削刀具的基本知识 2.4切削用量与切削液 2.5机械加工质量和加工精度,2.1金属切削过程的基本规律金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。在金属切削这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，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。总之，对这些现象进行研究，揭示其内在机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地对金属切削过程的优劣问题加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率和降低劳动强度具有重要的意

2、义。,2.1.1切削运动和切削用量金属切削机床的基本运动有直线运动和回转运动。在切削加工中，要从工件上切去一层金属，使加工工件表面变形，刀具的切削刃与工件必须作相对运动，以便从工件上切除多余的金属。这种运动包括切削运动和辅助运动。切削运动在数量方面是用切削用量来表示的，它表征切削速度的快慢、进给的大小、吃刀的深浅等。,图21切削运动和工作表面,切削运动又称主运动，它是把切屑从工件上切下来所必需的运动，在切削过程的所有运动中，主运动速度vc最高，消耗功率最大，而且只有一个。以车削为例，车削时的切削运动是工件的旋转运动，图给出了车削过程的示意。 进给运动是指被切削的金属层持续不断投入切削的运动。进

3、给运动可以是一个、两个或多个。车外圆时，刀具沿工件轴向的直线运动即为进给运动（进给运动速度用vf表示），如图21所示。,合成切削运动是指当主运动和进给运动同时进行时，由主运动和进给运动合成的运动。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度。该运动方向和过渡表面相切，如图21所示。合成切削速度ve等于主运动速度vc和进给运动速度vf的矢量和，即,(21),2.1.2切削时的工件表面以外圆车削为例，工件作旋转运动，刀具作进给运动，工件在被切削的过程中，其表面上形成了四个面，如图21所示。这四个面是：(1)已加工表面：已切去多余金属而形成的新表面。(2)

4、加工表面：刀具的切削刃正在切削的表面。(3)待加工表面：工件上未经加工的表面。(4)过渡表面：工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程(如刨削)、刀具或工件的下一转中(如单刃镗削或车削)将被切除，或者由下一切削刃(如铣削)切除。,2.1.3切削层参数1.切削层在切削加工中，刀具与工件沿进给运动方向每移动f之后，被一个刀齿正在切除的金属层称为切削层。为简化计算，切削层的剖面形状和尺寸，在垂直于切削速度vc的基面上度量，如图22所示。切削层即为刀具从位置移动到位置之间所切除的金属层。切削层横截面尺寸称为切削层参数，切削层参数规定在基面内测量。切削层参数的大小影响着切削刃上负荷的大小。,图2

5、2外圆纵车时切削层的参数,2.切削厚度hD垂直于切削刃方向上度量的切削层截面的尺寸，称为切削厚度。当主切削刃为直线刃时，直线切削刃上各点的切削层厚度相等(见图22)，若主偏角为时，则切削厚度以hD表示，有以下近似关系：,(mm),hD的大小代表单位长度切削刃上工作负荷的大小。,3.切削宽度bD沿切削刃度量的切削层截面的尺寸，称为切削宽度。切削宽度以bD表示，单位为mm。它大致反映了主切削刃参加切削工作的长度。对于直线主切削刃，有以下近似关系：,(23),图23曲线切削刃工作时切削层的变化情况,4.切削面积过切削刃上的选定点，在与该点主运动方向垂直的平面内度量的切削层横截面积，称为切削面积，以A

6、D表示：,(24),以上计算的均为名义切削面积，如图24中的ACDB面积。由于刀具副偏角的存在，经切削加工后的已加工表面上常留有规则的刀纹，这些刀纹在切削层尺寸平面内的横截面积(图24中ABE所包围的面积)称为残留面积AD。实际切削面积ADc等于名义切削面积AD减去残留面积AD，即,(25),图24残留面积,图25残留面积,(26),(27),2.1.4切削过程的金属变形 1.金属受力变形与应力的基本概念切削过程中，被切金属的变形是影响切削力、切削功率的大小及切削热的高低、刀具磨损的快慢等的主要因素，故有必要深入了解金属受力变形。物体在受到外力作用后，形状或位置发生变化，当外力消失后，物体又恢

7、复到原来的形状或位置，这样的变形称为弹性变形。如果外力较大，使物体所产生的变形在外力消失后，已不能恢复，这种变形称为塑性变形。,如图26所示，金属的晶格为正方形，当金属受到剪切力后，晶体内原子发生位移，晶体变成菱形。如果外力不大，当力消失后，晶格恢复成原来形状；如果剪切力过大，菱形变形产生的内力不足以平衡外力，便发生塑性变形，产生滑移，如图27所示。,图26金属的晶格,图27金属晶格受力变形示意图,为了便于说明材料受力的情况，引入材料单位截面积上受力大小的概念，也就是所谓的“应力”。应力等于材料单位面积上受力的大小，也就是外力除以截面积，其单位可取MPa或取GPa。Pa称为帕斯卡(1Pa1Nm

8、210-6/9.8kgfmm2);M的国内代号为“兆”，表示106；G的国内代号为“吉”，表示109。,2.切削与挤压的比较切削时刀具与工件相互作用，情况比较复杂，为简化问题，便于观察与理解，可以把金属切削近似看成金属的挤压。这样，可以认为，金属切削过程是刀具挤压被切金属，在剪切力作用下，使之发生塑性变形而被切掉的过程。,由材料力学可知，当试件受到挤压时，在试件内部产生了剪应力，当剪应力达到屈服强度时，试件即沿着与剪应力方向大致成45的AD或BC面滑移，产生塑性变形，如图28(a)所示。而切削加工时，毛坯上的部分金属受到刀具的切削力而产生弹、塑性变形，由于下方金属的阻碍，切削层只能沿AD面向上

9、剪切滑移(图28(b)，AD或BC面称为剪切面，AD面与作用力F之间的夹角，根据切钢实验结果，大约为4050，这与金属挤压试验结果大致为45是很接近的。由此，可以说，切屑形成过程是切削层金属在刀具的挤压下产生塑性压缩，主要以剪切滑移的方式产生塑性变形而形成切屑的过程。,图28挤压与切削的比较,3.切屑形成过程及变形区的划分1)切屑形成过程金属的切削过程也是切屑形成的过程，如图29所示，当刀具和被切金属开始接触的最初瞬时，切削刃在与被切削金属的接触线下挤压被切金属，使之产生弹性变形。随着切削运动的继续，刀具对被切金属的挤压作用加强，使被切金属的弹性变形及其应力逐渐增大，当应力达到被切金属材料的屈

10、服强度时，被切金属在前刀面和切削刃的挤压作用下开始发生剪切塑性变形，这种塑性变形也称为剪切滑移。随着切削运动的继续，被切金属的应力不断扩大，当应力达到其强度极限时，被切金属与基体分开成为一个切屑单元。若切削运动继续下去，被切金属就变成由若干切屑单元组成的一条完整的切屑了。,图29变形区的划分,2)变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中，切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区(剪切滑移)、第二变形区(纤维化)和第三变形区(纤维化与加工硬化)。,4.变形区特点1)第一变形区内金属的剪切滑移变形第一变形区指近切削刃处切削层内产生的塑

11、性变形区。切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而产生塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。,在图29中，切削层上各点移动至AC线时均开始滑移，离开AE线时终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC面是始滑移面，AE面是终滑移面。AC、AE之间为第一变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，因此AC、AE面相距很近，一般约为0.020.2mm，所以常用AB滑移面来表示第一变形区，AB面亦称为剪切面。剪切面AB与切削速度vc之间的夹角称为剪切角。作用力Fr与切削速度vc之间的夹角称为作用角,如图210所示。,

12、图210切屑形成过程(a)质点滑移过程；(b)切屑形成模型,2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形第二变形区指与前刀面接触的切屑层产生的变形区。经过第一变形区后，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，此时将产生挤压摩擦变形。应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。,3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形第三变形区指近切削刃处已加工表面内产生的变形区。已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。,图211相对滑移,5.切削变形程度的度量方法1)相对滑移

13、相对滑移是用来度量第变形区滑移变形的程度的。如图211所示，设切削层中AB线沿剪切面滑移至AB时的距离为y，事实上y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行的，其滑移量为s，则相对滑移表示为,(28),2)变形系数h变形系数h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如图212所示，切屑经过剪切变形，又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。变形系数h表示切屑收缩的程度，即,(29),式中:lc、hD切削层长度和厚度； lch、hch切屑长度和厚度。,(210),图212切屑的收缩,6.剪切角的确定剪切角是影响切削变形的一个重要因素。若能预

14、测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角的计算式。其中，按最少能量原则来确定剪切角的计算式为,(211),按最大剪应力理论，求出剪切角的计算式为,(212),2)切削速度切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变形的，如图213所示。,图213切削速度vc对h的影响,3)进给量进给量f增大，将使变形系数h减小，如图214所示。,图214进给量f对h的影响,4)工件材料工件材料的硬度、强度提高，切削变形将减小。,8.切屑的类型当工件材料的性能、切削条件不同时，会产生不同类型的切屑，并对切削加工产生不同的影

15、响，如图215所示。,图215切屑的类型 (a)带状切屑；(b)节状切屑；(c)单元状切屑；(d)崩碎切屑,1)带状切屑使用较大前角的刀具并选用较高切削速度、较小的进给量和背吃刀量切削硬度较低的塑性材料时，切削层金属经过终滑移面OE虽然产生了较大的塑性变形，但尚未破裂，即尚未被切离母体，从而形成连绵不断的如图215(a)所示的带状切屑。切屑缠绕在刀具或工件上，会损坏刀刃，刮伤工件，且清除和运输也不方便，常成为影响正常切削的关键因素。为此，常在刀具前面上磨出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽。带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动也较小，加工表面较光洁，精度好。,2)节状切屑一般用较小的前角、较

16、低的切削速度加工中等硬度的塑性材料时，容易得到如图215(b)所示的这类切屑。当切削层金属到达OE面时，材料已达到破裂程度，被一层一层地挤裂而呈锯齿形，越过OE面后，被切离母体而形成节状切屑。节状切屑的切削过程由于变形较大，切削力大，且有波动，加工后工件表面较粗糙。,3)单元状切屑切削塑性很大的材料，如铅、退火铝、纯铜时，切屑易在前面上形成粘结，不易流出，产生很大变形，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为如图215(c)所示形状的切屑。,4)崩碎切屑在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩碎，形成不规则的碎块屑片，即为如图215(d)所示的崩

17、碎切屑。工件愈硬脆，愈容易产生这类切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并产生振动，从而影响表面粗糙度。切屑的类型可以随切削条件的不同而改变，在生产中，常根据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工的顺利进行。例如，增大前角、提高切削速度或减小切削厚度可将节状切屑转变成带状切屑。,9.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代

18、替刀刃进行切削。,1)积屑瘤的形成积屑瘤是由于切屑和前面剧烈的摩擦、粘结而形成的。当切屑沿前面流出时，在高温和高压的作用下，切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流动速度降低，形成“滞流层”。当滞流层金属与前面之间的摩擦力超过切屑本身分子间的结合力时，就会有一部分金属粘结在刀刃附近，形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度又会破裂，而被切屑带下或嵌附在工件表面上，影响工件表面粗糙度。此过程是重复进行的。,2)形成积屑瘤的条件积屑瘤的形成主要取决于切削温度，如在300380切削碳钢时易产生积屑瘤。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。(1)一般说来，

19、塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤。(2)温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。(3)走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系，如图216所示。,图216切削速度对积屑瘤的影响,3)积屑瘤对切削过程的影响(1)实际前角增大。积屑瘤加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。(2)使加工表面粗糙度增大。积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂。积屑瘤一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上。积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。,(

20、3)对刀具寿命的影响。积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。,4)防止积屑瘤的主要方法(1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；(2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；(3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；(4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；(5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,2.1.5切削力与切削功率用水果刀削苹果，很是便当，不费什么力气；南瓜的皮比较硬，削起来就要费点劲；磨刀人在铲菜刀时

21、，先将菜刀固定，两个手同时用力才能铲动，所费的力就更大了。用切削刀具来切削钢材，费的力当然比前面说的三种情况都要大得多，人力是不能胜任的，要用机器来带动。但到底要用多大的力呢？就是说切削力有多大呢?这可以通过计算来解答。本节主要讲解切削力与切削功率的计算方法及其规律。,1.切削力的来源金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力，见图217。切削力来源于三个方面：(1)克服被加工材料对弹性变形的抗力；(2)克服被加工材料对塑性变形的抗力；(3)克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。,图217切削力的来源,2.切削合力及其分解上述

22、各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）。总切削力Fr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，常将Fr分解为三个相互垂直的切削分力，如图218所示。 Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力。,图218切削合力和分力图,1)主切削力Fz主切削力是总切削力Fr在主运动方向上的正投影，也称为切向力。主切削力是三个分力中最大的，它切于过渡表面并与基面垂直，消耗的机床功率也最多(95以上)，是计算车刀强度，设计机床动力和主传动系统零件(如主轴箱内的轴和齿轮)和确定机床功率的主要依据。,2)进给力Fx进给力是总切削力Fr在

23、进给运动方向上的正投影，车削外圆时与主轴轴线方向一致，又称轴向力或走刀力。它是处于基面内，并与工件轴线平行，与走刀方向相反的力。进给力一般只消耗总功率的15，是设计进给（走刀）机构，计算车刀进给功率及进给系统零件强度和刚度的依据。,3)背向力Fy背向力是总切削力Fr在垂直于进给运动方向上的正投影，也称为径向力或吃刀抗力。因为它是处于基面内并与工件轴线垂直的力，切削时在此方向上的运动速度为零，所以Fy不作功，但会使工件弯曲变形，还会引起振动，对表面粗糙度产生不利影响。因此Fy常用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，计算机床零件和车刀强度。合力Fr与三个相互垂直的切削分力的关系如下：,(213),

24、3.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所产生的主切削力，可用下式计算：,(214),单位切削力p可查手册，利用单位切削力p来计算主切削力Fz较为简易直观。,2) 切削功率Pm消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是,(215),式(215)中，等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小（1%2%），可以略去不计，于是有：,Pm=Fzvc10-3,(216),按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑机床

25、传动效率。,PE Pm/m,(217),式中：m机床的传动效率，一般取为0.750.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。,3)单位切削功率单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。,(218),4.切削力的变化规律在金属切削过程中，切削力的影响因素很多，凡影响切削变形和工件刀具之间摩擦的因素，都影响切削力，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、刀具磨损状态和切削液等。切削力的变化规律在很大程度上与切屑变形有关。,1)切削深度ap和进给量f对切削力的影响切削深度与进给量增大，均使切削面积成正比增大，切削力随之增大，但两者影响程度不同。当ap加大一倍时，Fz

26、约增大一倍；而f加大一倍时， Fz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，加大进给量比加大切削深度更有利。也可以说，在保持切削面积不变的条件下，加大f并减小ap，比减小f而加大ap更有利于提高生产率，即切削厚而窄的切屑比薄而宽的切屑省力。这一变化规律，称为切削力第一规律。,形成上述规律的原因，在叙述切屑变形规律时已经说过。切削层的变形是不均匀的，最大变形区是直接受刃口挤压的一层，其他部分距前刀面愈远，变形愈小，因此当切削深度ap加大一倍时，变形增加一倍，切削力也增大一倍，而当进给量f加大一倍时，切削厚度hD相应地加大一倍，面切屑的平均变形反而小了，因此，切下单位体积

27、的切屑所需的切削力要小些。切削厚而窄的切屑比薄面宽的切屑省力，这一变化规律使我们知道：如果要减小切削力，可以在不减小切削面积(即加工切除量不变)的条件下减小切削深度，增大进给量。,2)前角对切削力的影响前角越大，切削力越小，这是切削力第二规律。前角0加大，被切金属的变形将减小，切削力下降。由图219可知，当前角0由0增加到20时，Fz减小30，Fy减小64，Fx减小60。,图219车削时前角对切削力的影响,3)工件材料强度对切削力的影响工件材料强度越高，所需切削力越大，可以认为这是切削力第三规律。材料的强度、硬度高，产生弹性变形、塑性变形所需的切削力就比较大。材料的强度、硬度低，所需切削力就比

28、较小。钢材与铸铁相比，钢的强度大，延伸率大，变形大，与刀具的摩擦也大些，所需切削力相对较大。灰铸铁质地疏松，机械性能差，被切削层不发生塑性变形就形成切屑，所需切削力相对较小。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性(延伸率)越大、韧性(冲击值ak)越大，则所需切削力越大。例如不锈钢1Cr18Ni9Ti，其强度与45号钢相近，但前者的冲击值ak为后者的5倍，因此其切削力需要较后者高约25。,4)切削速度对切削力的影响切削速度对切削力的影响是驼峰形的。切削速度是通过影响切屑变形来影响切削力的。切屑变形大时，切削力大；切屑变形小时，切削力小。由图220可见，切削速度对切屑变形的影响与切削速度对切削力的影

29、响是一致的。形成这种驼峰形的原因，可以通过分析切削速度对切屑变形的影响来加以说明。这种驼峰形的规律，称为切削力的第四规律。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，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。,图220切削速度vc对切削力Fz的影响,图2-21 主偏角kr对切削力的影响,5.切削力的测定在生产实际中，切削力的大小一般由实验结果建立起来的经验公式计算。在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量。随着测试手段的现代化，切削力的测量方法有了很大的发展，在很多场合下已经能很精确地测量切削力了。切削力的测量成了研究切削力的行之有效的手段。目前采用

30、的切削力测量手段主要有如下几种。,1)测定机床功率，计算切削力用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后，可按下式计算出切削功率Pm：,Pm=Pem,(219),在切削速度vc为已知的情况下，利用Pm即可求出切削力F。这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确。当要求精确知道切削力的大小时，通常采用测力仪直接测量。,2)用测力仪测量切削力测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出Fz、Fx、Fy的值。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。按测力仪的工作原理可将测力仪分为机械、液压和电气测力仪

31、。目前常用的是电阻应变片式测力仪。,3)切削力的经验公式和切削力估算目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。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,即固定其他实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。,通过切削力实验建立的车削力实验公式的一般形式为,2.1.6切削热与切削温度 1.切削热的产生和传导切削塑性金属时，切削热主要来自被切金属的塑性变形和切屑与前刀面之间的摩擦；切削脆性金属时，切削热主要来自被切金属的弹性变形和已加工

32、表面与后刀面之间的摩擦。产生的切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质传散出。因此切削热是由切削功转变而来的。如果忽略进给运动所消耗的功，并假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则可将热能概括为：剪切区变形功形成的热Qp、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qaf。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工表面接触区，如图222所示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。,图222切削热的产生与传导,切削塑性金属时,切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时,后刀面摩擦热占的比

33、例较多。切削热在传播时，由于工件材料、刀具材料、切削用量和刀具几何参数的不同，由切屑、工件、刀具和周围介质传出热量的比例也有所不同。由经验可知，工件材料不同，切削速度不同，从工件、切屑传出的切削热比例也不同。,2.切削温度的计算与测量尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度。切削温度一般指切削区域的平均温度。通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温度。切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即,(222),式中:Fz主切削力(N)； vc切削速度(m/min)。,由热量q引起的温度升高量与材料的密度、

34、比热容c有关，其表达式为,(223),式中:p单位切削力(N/m2)； C比热容(J/kgK)； 密度(kg/m3)。,切削温度的测量方法很多，如下所示：,3.影响切削温度的主要因素根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；如果传出的热量大于产生的热量，则这些因素将使切削温度降低。,1)切削用量的影响切削用量是影响切削温度的主要因素。切削用量三要素中的切削速

35、度、进给量和切削深度三者中任何一个增大，都将使切削温度增高，但它们的影响程度是不相同的。通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系，并可整理成下列一般公式：,式中:x、y、z分别表示切削用量ap、f和vc对切削温度影响程度的指数； C与实验条件相关的影响系数； K切削条件改变后的修正系数。,表21高速钢和硬质合金刀具车削碳钢系数、指数,切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。为了充分利用这一规律尽力

36、降低切削温度，以提高刀具耐用度，在机床条件允许下，应优先考虑采用大的切削深度、合理的进给量，最后确定合理的切削速度。,2)刀具几何参数的影响刀具几何参数对降低切削温度有着重要作用，其影响的规律是：凡能减少切削过程产生热量的因素或能改善刀具散热条件的因素，都能降低切削温度；而起相反作用的因素都能提高切削温度。以前角为例，见图223，前角在15以前，切削温度是随前角0的增大而降低的。这是因为前角增大时，单位切削力下降，从而使产生的切削热减少的缘故。但前角大于1820后，对切削温度的影响减小，这是因为刀变尖，从而使散热体积减小的缘故。,主偏角kr减小时，使切削宽度bD增大，切削厚度hD减小，因此，切

37、削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度bD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，因此随着主偏角kr减少，切削温度下降。降低切削温度可以提高刀具耐用度。在工艺系统刚性足够时，可采用较小主偏角的刀具，如车削冷硬铸铁，采用较小主偏角15的车刀。但当工艺系统刚性差时，如仍用较小主偏角，则工件所受顶力较大，将使工件弯曲，这时宜采用主偏角为75或90的车刀。,图223前角0对切削温度的影响,工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削

38、热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。同样是45号钢，热处理方式不同，强度与硬度也不同，调质状态比正火状态的45号钢切削温度约增高20%25，而淬火状态约比正火状态切削温度增高40%45。不锈钢、耐热钢等材料，由于其导热系数低，且高温下仍有较高强度与硬度，所以切削温度较高，宜选用耐热性较好的刀具材料。,加工导热系数高的零件时，由切屑和工件传导出去的热量较多，切削区温度就较低，但整个工件的温升较快。例如，切削铜或铝时，由于工件导热系数高，切削区温度较低，因此刀具耐用度较高，但工件升温较快，导致在切削轴时测量的尺寸往往比室温下检验的尺寸大，易产生废品，应予注意。,4)刀具

39、磨损的影响在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响就比切削碳素钢时大。5)切削液的影响切削液对切削温度的影响与切削液的导热性能、比热容、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。,4.切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高。切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以及其他缺陷。切削温度对材料强度和切削力有以下几点影响：(1)切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材

40、料硬度及强度的影响并不大，剪切区域的应力影响也不太明显。 (2)适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。(3)切削温度对工件尺寸精度有影响。(4)利用切削温度可自动控制切削速度或进给量。(5)利用切削温度与切削力，可控制刀具磨损。,2.2常用工件材料性能基础豆腐、蛋糕和冰块，是我们日常生活中经常接触的东西，用小刀甚至竹片就可轻而易举地将豆腐和蛋糕切开，但若用小刀切冰块就困难些。豆腐切后切面很平整光滑，蛋糕却不一样，虽然很软，但切后蛋糕和奶油会粘在刀面上，而且蛋糕易碎裂，切面很不平整。,从好切不好切的观点来看，豆腐和蛋糕都是好切的，冰块是不好切的。但从切出来的表面是否平整来衡量，豆腐好

41、切而蛋糕就不好切。可见好切与不好切是相对的。如果在切松软的蛋糕时，先把刀子放入开水中，然后用热刀切蛋糕，切面就会平整些，这时，属于不好切的蛋糕又变成好切的了。所以，所谓好切与不好切，是可以随着情况的不同、方法的改变而有所改变的。这些生活中的事例和道理，能帮助我们理解用切削刀具来切削钢材时，工件材料的切削加工性问题。当你碰到切削加工性差的工件材料时，你可以运用本节学到的知识，利用切削加工性是相对的这一观点，开动脑筋、创造条件，改变加工方法，把属于切削加工性差的情况转化为切削加工性好或比较好的情况。,2.2.1金属材料的加工特性1.金属材料可加工性的概念金属材料的可加工性是指材料在一定切削条件下被

42、加工的难易程度。它具有一定的相对性，如纯铁切除余量很容易，但获得小的表面粗糙度值却较困难。一般在讨论钢料可加工性时，习惯上以45钢为基准，如高强度钢较难加工，是相对于45钢而言的。,2.可加工性的衡量指标材料可加工性在不同情况下，可用不同的指标来衡量，有时只用一项，有时则用几项指标。常用的衡量指标如下：(1)一定刀具耐用度下的切削速度vT。是指当刀具耐用度为T(min)时，切削某种材料所允许的切削速度。显然，在相同切削条件下，加工不同材料时，vT越高，其可加工性越好，反之，vT越低，可加工性越差。若T60min，则vT可写作v60，还可有v30、v15等。,(3)加工表面质量。精加工时，常以此

43、作为可加工性指标。凡易获得好的表面质量的材料，其可加工性较好；反之则较差。根据这一指标衡量时，低碳钢的可加工性比中碳钢差，硬铝合金比纯铝可加工性好。(4)切削力或切削功率。切削条件相同时，凡切削力小、切削温度低的材料，其可加工性好；反之则差。如灰铸铁的可加工性比冷硬铸铁好，铜、铝及其合金的可加工性比钢料好。此外，在粗加工或机床刚性差、动力不足时，也可用切削力或切削功率来衡量材料的可加工性。(5)切屑处理性。即切屑的卷屑、折断与清理。凡易卷屑、断屑及清理切屑的材料，其可加工性较好，反之则较差。在自动机床或自动生产线上加工时，常以此作为衡量指标。上述指标中，vT和Kr在各种加工条件下都可适用，故最

44、常用。,3.影响金属材料可加工性的因素1)金属材料物理、力学性能的影响一般金属材料的强度、硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，故其可加工性越差；材料的塑性越高，加工变形越大，加工硬化和刀具表面粘结现象越严重，断屑越困难，越不易获得好的表面质量，故其可加工性越差；韧性高的材料，切削时消耗能量较多，切削力、切削温度较高，不易断屑，故其可加工性较差；导热性好的材料，切削热传导快，切削区温度低，故其可加工性好。,2)化学成分的影响金属材料的化学成分通过其力学、物理性能的影响而影响可加工性。碳钢随含碳量的增加，强度、硬度增高，而塑性、韧性下降。低碳钢的塑性和韧性较高，高碳钢的硬度和强度较高

45、，它们都给切削加工带来一定困难，而中碳钢的强度、硬度、塑性和韧性均居中，故其综合可加工性好。此外，钢中加入的合金元素不同，其力学性能不同，对可加工性的影响也不同。在钢中加入硅、锰、镍、铬、钼、钨等之后，使得铁素体强化，强度、硬度提高，可加工性下降；而加入硫、磷、铅、钙等之后，可使钢脆化，或产生一种有润滑作用的非金属夹杂物(如MnS)，从而减弱了钢对刀具的擦伤能力，有利于切削加工。,3)金相组织的影响钢铁材料中的金相组织不同，对可加工性的影响不同。如低碳钢铁素体较多，强度、硬度低，塑性好，可加工性差；淬火钢的组织以马氏体为主，强度、硬度高，刀具磨损剧烈，可加工性也很差；中碳钢的金相组织为珠光体加

46、铁素体，强度、硬度、塑性、韧性均适中，其可加工性较好；灰铸铁中，游离石墨多，硬度低，可加工性较好。此外，金相组织的形状和大小对可加工性也有影响。如珠光体有片状、球状、针状等形式。其中，针状的硬度最高，对刀具磨损最大，但可获得较小的表面粗糙度值，而球状的硬度最低，对刀具磨损最小。,4.改善金属材料可加工性的途径(1)适当进行热处理。进行适当的热处理可改变材料的力学性能，从而改善其可加工性。如对低碳钢进行正火，可降低塑性；对高碳钢与工具钢进行球化退火，可降低硬度，减少刀具磨损；对2Cr13不锈钢调质到28HRC左右，可降低塑性；对白口铸铁进行退火(在9501000下长期退火)，使之变为可锻铸铁等，

47、均可改善其可加工性。,(2)适当调整化学成分。在不降低金属材料力学性能并满足使用要求的前提下，可在钢中加入微量的硫、铅、钙等，使之变为易切削钢。可减小切削力，且容易断屑，可获得较好的表面质量。此外，还可采用其他工艺方法改善可加工性。如对于低碳钢，可通过冷拔提高硬度，降低塑性，以改善其可加工性。总之，金属材料的可加工性是材料的一个综合性工艺指标。若金属材料已经选定，不能更改时，则应从改变切削条件着手，如选用合适的刀具材料、刀具角度、切削用量和切削液等，使之适应该种材料的切削加工。,2.2.2非金属材料的加工特性在工业生产中，非金属材料的种类很多。工程塑料、橡胶、复合材料、陶瓷等非金属材料，由于其

48、独特的优点，在许多工业领域中的应用日益增多。尽管目前加工非金属零件的方法不少，然而最经济和最易实现的仍是机械加工。因此，机械加工在非金属材料加工中仍占有十分重要的地位。这必然对机械加工提出更高的要求。然而，非金属材料的切削加工性能却不同于一般的金属材料，必须用不同于一般加工方法的方法。,由于非金属材料的弹性和硬度性能指标范围十分广泛，且切削热量的产生和积聚是一个相当严重的问题，能引起非金属材料的变形和熔化，当切削热量传递到刀具上时，会烧损切削刃口，从而减少刀具的使用寿命，因此，切削非金属材料需要使用一系列新的加工方法，包括刀具、夹具和切削液的选择以及切屑处理等各方面的问题。本节通过对塑料、橡胶

49、、陶瓷的切削加工性，刀具选择，加工质量等方面的分析来探讨非金属材料的切削加工。就材料的加工性能而言，非金属材料可以分成三大类。,第一大类为软(低硬度)热塑性塑料和橡胶类，包括聚酰胺类(尼龙)、聚四氟乙烯类(特氟隆)、丙烯酸类（PC）、聚苯乙烯（泡沫塑料）等。第二大类为较硬的热固性塑料，如玻璃钢和热固性压塑料类。第三大类为含磨损物的材料，例如陶瓷、石墨制品和复合材料类等。,1.橡胶等低硬度材料的加工特性1)特点橡胶是一种有机高分子弹性化合物，除了具有一般非金属所共有的导热性差、强度低等特点外，还具有在很广的温度范围内有良好的弹性、柔顺性、易变性和复原性等特点。热塑性树脂的疲劳强度特别高、冲击韧性

50、好、化学稳定性和尺寸稳定性好，但成型时收缩率较大，耐热性、稳定性较差。,2)橡胶和热塑性树脂的切削加工由于橡胶的弹性模量很小，弹性极大，切削加工时，弹性变形大，弹性恢复快，且硬度和强度低，因此通常选用高速钢刀具。刀具合理几何参数：前角0=4055，后角01015，切削速度v=100150m/min，进给量f=0.50.75mm/r。热塑性树脂硬度和强度较低，切削时刀具不易磨损，故可选用高速钢刀具。刀具的前角和后角都可选大一些，以减小切削变形。,2.热固性塑料的加工特性1)热固性塑料的切削加工性塑料的切削加工性主要取决于各类树脂和填料的性能。总体上讲，各种塑料硬度不高，强度比金属材料低，产生切削

51、力较小但塑料的导热系数低，切削热聚集在切削刃部分，会加剧刀具磨损，引起工件烧伤与热变形。另外，塑料的线膨胀系数较大，弹性模量E小，切削加工后尺寸容易发生变化。各类树脂一般都不耐高温，对切削热敏感，易产生烧焦或熔化现象。,2)热固性塑料的切削加工及刀具的选择（1）玻璃钢的切削。玻璃钢切削中刀具磨损严重，工件易起层、掉渣，粉尘严重，树脂易烧焦。因此，选择合适的刀具及合理的几何参数和切削用量是加工玻璃钢的关键。用高速钢刀具加工时磨损最严重，陶瓷刀具虽然高温硬度高，但导热率低，也不适宜切削，故宜采用硬质合金刀具。刀具合理几何参数：前角0=1424，后角01014。切削用量：切削速度v=4080m/mi

52、n，进给量f=0.10.6mm/r。,（2）热固性压塑料的切削。热固性压塑料切削时，切削热不易散发，刀具易磨损，工件表面易烧伤、掉块，从而影响表面质量。刀具宜选用硬质合金刀具。刀具合理几何参数：前角0=1012，后角068。切削用量：切削速度v=6590m/min，进给量f=0.30.6mm/r。,3.工程陶瓷的加工特性在公元前6000年公元前5000年，中国发明了原始陶器。中国商代（约公元前17世纪初公元前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。以后为了满足宫廷观赏及民间日用和建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。公元200年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷器。陶器的出现促进了人类进入金

53、属时代的步伐。中国夏代（约公元前22世纪末或约前21世纪初公元前17世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材料。铁的熔炼温度远高于铜，故铁器时代的耐火材料相应地也有很大发展。,18世纪以后，钢铁工业的兴起，促进耐火材料向多品种、耐高温、耐腐蚀方向发展。20世纪3040年代出现了高频绝缘陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷、铁氧体（又称磁性瓷）和热敏电阻陶瓷（见半导体陶瓷）等。到20世纪5060年代，人们开发了碳化硅和氮化硅等高温结构的陶瓷、氧化铝透明陶瓷、气敏和湿敏陶瓷等。,1)陶瓷的性能特点陶瓷的性能特点如下：（1）力学性能：陶瓷的刚度最好、硬度最高；（2）热性能：它的熔点高（在2000以上），具有极高

54、的化学稳定性和尺寸稳定性；（3）电性能：具有良好的电绝缘性，少数陶瓷还具有半导体的特性；（4）化学性能：高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。,此外，陶瓷还具有特殊的光学性能。目前，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低，缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，它密度较大，制造工艺较复杂。陶瓷大致可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。工业上的陶瓷主要用于制作耐高温、耐磨元件、绝缘材料、高硬度耐磨材料及各种功能材料。,2)陶瓷的切削加工性由于陶瓷是一种烧结制成的硬脆性材料，因此对陶瓷烧结体较多采用

55、金刚石砂轮机进行磨削、珩磨、超精加工、滚压以及利用金刚石磨料研磨、抛光等加工方法。但由于烧结时会产生较大的收缩和变形，使烧结后不得不留有较大的加工余量而增大了精加工成本。而且陶瓷的强度对加工条件反应敏感，难以高效率加工，故加工工具费用比加工金属高出10100倍。,对生坯体或焙烧体通常是用金刚石刀具或CBN刀具，利用其较低的硬度进行切削加工，在粗加工生坯体或焙烧体时，易产生强度不足、崩刀、工件装夹不好等问题。焙烧温度越高，气孔率越低，材料的硬度越高，故降低焙烧温度可改善材料的切削加工性，但终烧结的收缩和变形也变大，增加了精加工的困难。也可通过添加一些具有劈开性氟系云母和其他层状构造的化合物来改善

56、陶瓷的切削性能。但这将使陶瓷材料的制造成本大大提高。,当然，选取什么刀具切削陶瓷是很重要的。由于要求刀具的硬度必须是切削材料的45倍以上才能保证刀具的正常切削和合理耐用度，因此陶瓷材料的切削目前主要依靠金刚石刀具。金刚石刀具分为天然金刚石和烧结金刚石。天然金刚石刀具刀口锐利性和硬度等方面的性能都比烧结金刚石刀具优越，但天然金刚石刀具有单晶构造，存在着劈开性、抗冲击能力较弱，易发生破损等缺点。烧结金刚石刀具由于烧结形成了聚晶构造，粒子间结合牢固，方向性小，耐壁开性和韧性都比天然金刚石优越，且能制造成各种形状，因此常用烧结金刚石刀具进行切削。,4.复合材料的加工特性复合材料是指由两种或两种以上不同

57、物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐热性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。,1)性能特点复合材料的性能特点如下：（1）比强度和比模量高；（2）破损安全性好；（3）较高的疲劳强度；（4）良好的高温性能；（5）减振性良好。,2)复合材料的切削加工性硬质合金刀具或高速钢刀具最适合切削加工碳纤维增强的复合材料和石墨制品(如碳精电极)之类含磨损物的非金属材料。加工这类材料，可选用加工钢材和

58、铸铁的普通型标准刀具；对于铣刀和麻花钻来说，刀具的螺旋角应该小于30。,此外，加工非金属材料时，切削液是起冷却作用而不是起润滑作用。由于橡胶类、热固性塑料、碳及石墨等制品材料为渗水的多孔性结构，如果让切削液渗透到材料里面，就会损坏零件，因此，在切削加工这些材料时，可用空气射流作为冷却剂。对于非金属材料，进行铰孔和攻丝是两项困难的操作实例。对于切削加工软材料来说，需要更锐利的切削角度。铰孔和攻丝刀具的切削角度比较钝，使用铰刀实际为挤光而非切削。对于一些小直径的孔，应使用锋利的刀具来镗孔，但较硬的非金属材料，如陶瓷、石墨制品和复合材料类材料的零件，则应当进行铰孔。,鉴于非金属材料这种独特的切削加工

59、性能，建议最好使用计算机数控机床进行切削加工，因为这种机床能够提供始终一致、相当精确的进刀量和切削速度。不过，这样的精确度还是不够的，要完好地制定出非金属材料零件切削加工的方法，必须对非金属材料的独特性能进行精心的研究和充分的了解。,2.3切削刀具的基本知识 2.3.1刀具的几何参数刀具由刀头和刀体组成。其中刀头是用来进行切削的，又称为刀具切削部分。刀头所具备的多种表面和刀刃在空间位置不同时，刀具切削性能也有所不同。刀具的种类很多，但就刀具切削部分(刀头)而言，都可以看成是外圆车刀的演变。所以，分析和研究刀具几何角度时通常以外圆车刀刀头为代表。图224所示为外圆车刀的组成。,图224刀具切削部分的结构要素,1.刀具切削部分的结构要素外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具。以外圆车刀为例，其切削部分（又称刀头）由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：(1)前刀面指刀具上与切屑接触并相互作用的表面（即切屑流过的表面）。(2)主刀后面指刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。(3)副刀后面指刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。(4)主切削刃指前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削