機械制造技術基礎課件

本章提要:

金屬切削過程是機械制造過程的一個重要組成部分。金屬切削過程的優(yōu)劣,直接影響機械加工的質量、生產(chǎn)率與生產(chǎn)成本。本章主要內容：1、分析了金屬切削過程中產(chǎn)生切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損的原因及對切削過程的影響;2、介紹金屬切削過程中的基本規(guī)律，即切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損與刀具耐用度變化四大規(guī)律;3、介紹了四個方面的基本規(guī)律在生產(chǎn)上應用的各種問題，如改善工件材料的切削加工性，合理選擇切削液，合理選擇刀具幾何參數(shù)與切削用量等。內容提要

金屬切削過程:是指通過切削運動，使刀具從工件上切下多余的金屬層，形成切屑和已加工表面的過程。

在這一過程中產(chǎn)生了一系列的現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損等。

本章主要研究諸現(xiàn)象的成因、作用和變化規(guī)律。掌握這些規(guī)律，對于合理使用與設計刀具、夾具和機床，保證切削加工質量，減少能量消耗，提高生產(chǎn)率和促進生產(chǎn)技術發(fā)展等方面起著重要的作用。

金屬切削過程

2.1切削過程的基本規(guī)律

2.1切削變形

2.1.1.1切屑的形成及變形特點

切削變形彈性變形、塑性變形,并使金屬晶格產(chǎn)生滑移,而后斷裂；切削層受刀具擠壓后也產(chǎn)生塑性變形剪切變形轉變?yōu)榍邢?/p>

2.1.1.2三個變形區(qū)

切削過程中產(chǎn)生的諸現(xiàn)象均與金屬層變形密切相關。為了進一步分析研究切削層變形的特殊規(guī)律,通常把切削刃作用部位的金屬層劃分為三個變形區(qū)：

第Ⅰ變形區(qū)近切削刃處切削層內產(chǎn)生的塑性變形區(qū)；金屬的剪切滑移變形；

第Ⅱ變形區(qū)與前刀面接觸的切屑層內產(chǎn)生的變形區(qū)；金屬的擠壓摩擦變形；

第Ⅲ變形區(qū)近切削刃處已加工表層內產(chǎn)生的變形區(qū)；金屬的擠壓摩擦變形。

三個變形區(qū)各具有特點，又存在著相互聯(lián)系、相互影響。

切削變形2.1.1.3剪切區(qū)的變形

(1)第一變形區(qū)金屬的剪切滑移變形

切削層受到刀具前刀面與切削刃的擠壓作用下，使近切削刃處的金屬先產(chǎn)生彈性變形，繼而塑性變形，在這同時金屬晶格產(chǎn)生滑移。

取金屬內部質點P來分析滑移過程：

P點移到1位置時,產(chǎn)生了塑性變形。即在該處剪應力達到材料的屈服極限,在1處繼續(xù)移動到1′處的過程中,P點沿最大剪應力方向的剪切面上滑移至2處,之后同理繼續(xù)滑移至3、4處,離開4處后,就沿著前刀面方向流出而成為切屑上一個質點。

切削變形2.1.1.4前刀面的擠壓摩擦與積屑瘤

(3)切屑與前刀面間的摩擦

切屑與前刀面間的摩擦與一般金屬材料接觸面間的摩擦不同。切屑與前刀面接觸部分劃分為兩個摩擦區(qū)域，

如圖所示有粘結區(qū)和滑動區(qū)。

粘結區(qū)：近切削刃長度lf1(i)

，

由于高溫（可過900℃）、

高壓（可達3.5×109N/m2）

的作用使切屑底層材料產(chǎn)生

軟化，切屑底層的金屬材料

粘嵌在前刀面上的高低不平

凹坑中而形成粘結區(qū)。

切削變形

切削變形切屑與前刀面間的摩擦是由內摩擦和外摩擦組成,通常以內摩擦為主，內摩擦力約占總摩擦力的85%，但在切削溫度低、壓力小時,應考慮外摩擦的影響。（2）積屑瘤

切削變形積屑瘤的特性：硬度高，為母體金屬的2-3倍，積屑瘤具有形成、長大、脫落的周期過程；積屑瘤效果：粗加工時可以利用積屑瘤，增大前角；可代替刀尖參加切削，增加刀具的耐用度，；精加工時應限制積屑瘤的產(chǎn)生。由于積屑瘤會改變刀具的尺寸（增加切入深度），影響加工精度，同時積屑瘤的脫落，會留在已加工表面上，會使工件的表面粗糙度增大。2.1.2切屑的類型

由于工件材料不同，切削條件不同，切削過程的變形也不同，所形成的切屑多種多樣。

通常將切屑分為四類：

帶狀切屑；擠裂切屑；單元切屑;崩碎切屑

切屑類型③精加工塑性金屬時，易產(chǎn)生帶狀切屑，應注意采用斷屑

措施。1）帶狀切屑③較大的0①切削塑性較好的金屬材料；A條件：②較高的Vc、較小的f和apB特點：①切削平穩(wěn)，工件表面較光潔；②切屑易纏繞工件和刀具，損壞刀刃，劃傷工件表面，切

屑不易清除和運輸；2）擠裂和單元切屑③粗加工塑性金屬時，易產(chǎn)生節(jié)狀切屑。A條件：③較小的0①切削中等硬度的塑性金屬材料；②較低的Vc、較大的f和ap①切削不平穩(wěn)，易振動，工件表面較粗糙；B特點：②切屑易斷屑，清除和運輸較方便；3）崩碎切屑B特點：

切削脆性金屬材料.A條件：①切削不平穩(wěn)，伴有沖擊和振動，

影響工件表面質量；②切削力和切削熱集中在刀刃附

近，刀具容易磨損。

切屑的類型是由材料的應力-應變特性和塑性變形程度決定的。如加工條件相同，塑性高的材料不易斷裂，易形成帶狀切屑；改變加工條件，使材料產(chǎn)生的塑性變形程度隨之變化，切屑的類型便會相互轉化，當塑性變形尚未達到斷裂點就被切離時出現(xiàn)了帶狀切屑,變形后達到斷裂就形成擠裂切屑或單元切屑。

因此，在生產(chǎn)中常利用切屑轉化條件，使之得到較為有利的屑型。

國際標準化組織的切屑分類法(1、2)；

加工中常見的切屑形式

切屑類型2.1.3切削變形影響因素

討論切削變形的目的是控制切削過程，提高加工質量。

影響切屑變形的因素很多，其中最主要的、起決定作用的幾個因素：

切削變形的變化規(guī)律（1）工件材料

工件材料的機械性能不同，切屑變形也不同。材料的強度、硬度提高，切屑變形減小。所以，切削強度、硬度高的材料，不易產(chǎn)生變形，若需達到一定變形量，應施較大作用力和消耗較多的功率。而切削塑性較高的材料，則變形較大。(2)前角

增大前角γο，使剪切角φ增大，變形系數(shù)Λh減小，因此，切屑變形減小。

切削變形的變化規(guī)律前角對剪切角的影響a)負前角；b)正前角

生產(chǎn)實踐表明，采用大前角刀具切削，刀刃鋒利、切入金屬容易，切屑與前刀面接觸長度Lf減短，流屑阻力小，因此，切屑變形小、切屑省力。

高速切削時，前角對變形和力增加都不多

(3)切削速度

切削速度vc是通過積屑瘤使剪切角φ改變和通過切削溫度使摩擦系數(shù)μ變化而影響切削變形的。

切削變形的變化規(guī)律

如圖中碳鋼為例。

vc在3～20m/min范圍內提高，積屑瘤高度隨著增加，刀具實際前角增大，使剪切角φ增大，故變形系數(shù)Λh減小；

vc=20m/min左右時，Λh值最小，

vc在20～40m/min范圍內提高，積屑瘤逐漸消失，刀具實際前角減小，使φ減小，Λh增大。

vc超過40m/min繼續(xù)增高，由于切削溫度繼續(xù)增高，致使摩擦系數(shù)μ下降，故變形系數(shù)Λh減小。

此外，在高速時，也由于切削層受力小，切削速度又快，切削變形不充分而使切屑變形減小。

切削變形的變化規(guī)律(4)進給量

進給量f對切屑變形的影響規(guī)律如圖所示，即：進給量f增大，使變形系數(shù)Λh減小。這是由于進給量f增大后，使切削厚度hD增加，正壓力Fn增大，平均正應力

σav增大，因此摩擦系數(shù)下降，剪切角增大所致。

總之，厚的切屑變形小而薄切屑的變形量大。

切削變形的變化規(guī)律2.1.2切削力

切削過程中作用在刀具與工件上的力稱為切削力。

切削力的大小及變化規(guī)律，直接影響刀具、機床、夾具的設計與使用。

2.1.2.1切削力的來源、合力及其分力

切削時作用在刀具上的力，由下列兩個方面組成：

第一：變形區(qū)內產(chǎn)生的彈性變形抗力和塑性變形抗力；

第二：切屑、工件與刀具間的摩擦力。切削力

圖(a)為直角自由切削時，作用在前刀面上的彈、塑性變形抗力Fnγ和摩擦力Ffγ；作用在后刀面上的彈、塑性變形抗力Fnα和摩擦力Ffα。

圖合力及其分力

（a）直角自由切削（b）（c）非自由切削切削力它們的合力Fr作用在前刀面上近切削刃處，其反作用力Fr′作用在工件上。

圖(b)為直角非自由切削時，由于受到副切削刃上刀尖處變形抗力和摩擦力的影響,改變了合力Fr的作用方向。

為了便于分析切削力的作用和測量、計算切削力的大小，通常將合力Fr在按主運動速度方向、切深方向和進給方向建立的空間直角坐標軸z、y、x上分解成三個分力，它們是：

主切削力Fz主運動切削速度方向的分力；

切深抗力Fy切深方向的分力；

進給抗力Fx進給方向的分力。

切削力合力與各分力間的關系為：

其中，F(xiàn)y=Fxy·coskr；Fx=Fxy·sinkr

式中Fxy——合力Fr在基面上的分力。

主切削力Fz是最大的一個分力，它消耗了切削總功率的95%左右，是設計與使用刀具的主要依據(jù)，并用于驗算機床、夾具主要零部件的強度和剛度以及機床電動機功率。

切削力

切深抗力Fy不消耗功率，但在機床—工件—夾具—刀具所組成的工藝系統(tǒng)剛性不足時，是造成振動的主要因素。

進給抗力Fx消耗了總功率5%左右，它是驗算機床進給系統(tǒng)主要零、部件強度和剛性的依據(jù)。

切削力主切削力Fz實驗公式：

式中，

xFz、yFZ——分別為ap-Fz、f-

Fz直線圖形中的斜率，通常，xFz=1、yFZ=0.75-0.9；

C

FZ——系數(shù)值。

同理，經(jīng)實驗可求出Fy與Fx的實驗公式。

切削力

切削力實驗公式是在特定的實驗條件下求出來的。在計算切削力時，如果切削條件與實驗條件不符，只需借用原有實驗公式再乘一個系數(shù)KF即可,KF稱為修正系數(shù)，它是包括了許多因素的修正系數(shù)乘積。修正系數(shù)也是用實驗方法求出。例如以前角γo為例，在其它條件相同的情況下，用不同的車刀進行切削實驗，測出它們的Fz值，然后與求Fz實驗公式時的γo所得到的Fz進行比較，它們的比值KγoFz即為γo改變對切削力Fz的修正系數(shù)。

注：每一因素都可求出它對Fz、Fy和Fx影響的修正系數(shù)值。修正系數(shù)的大小，表示該因素對切削力的影響程度。切削力2.1.2.3單位切削力、切削功率和單位切削功率

（1）單位切削力

單位切削力p是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力，可用下式表示：

上式表明，單位切削力p與進給量f有關，它隨著進給量f增大而減小。單位切削力不受背吃刀量ap的影響，這是因為背吃刀量改變后，切削力Fz與切削層面積AD以相同的比例隨著變化。而進給量f增大，切削面積AD隨之增大，而切削力Fz增大不多。

利用單位切削力p來計算主切削力Fz較為簡易直觀。

切削力（2）切削功率

切削功率Pm是指車削時在切削區(qū)域內消耗的功率，通常計算的是主運動所消耗的功率。

式中Fz——主切削力（N）；

vc——主運動切削速度。

機床電動機所需功率PE應為：

式中η——機床傳動效率。

切削力(3)單位切削功率

單位切削功率PS是指單位時間內切除單位體積金屬ZW所消耗的功率。

切削力實驗是在固定進給量f=0.3mm/r和其余條件下進行的。當進給量f改變時，應將p和PS值乘下表中修正系數(shù)Kfp、Kfps。

切削力進給量f對p和PS值的修正系數(shù)Kfp、Kfps。1.2.4切削力的變化規(guī)律

影響切削力的因素主要有四個方面：

工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)及其它方面的因素。

(1)工件材料的影響

工件材料是通過材料的剪切屈服強度τS、塑性變形、切屑與刀具間摩擦系數(shù)μ等條件影響切削力的。

工件材料的硬度或強度越高，材料的剪切屈服強度τS越高，切削力越大。材料的制造熱處理狀態(tài)不同，得到的硬度也不同，切削力隨著硬度提高而增大。

切削力

工件材料的塑性或韌性越高，切屑越不易折斷，使切

屑與前刀面間摩擦增加，故切削力增大。例如不銹鋼1Cr18Ni9Ti的硬度接近45號鋼（HB229），但延伸率是45號鋼的4倍，所以同樣條件下產(chǎn)生的切削力較45號鋼增大25%。

在切削鑄鐵時，由于塑性變形小，崩碎切屑與前刀面摩擦小，故切削力小。例如灰鑄鐵（HT20-40）與熱軋45號鋼，兩者硬度接近，但前者切削力小40%。

表中可以反映出不同材料對切削力的影響程度。切削力(２)切削用量的影響

①背吃刀量和進給量

背吃刀量aP和進給量f增大，分別使切削寬度bD、切削厚度hD增大,因而切削層面積AD增大，故變形抗力和摩擦力增加，而引起切削力增大。

但是aP和f增大后，它們分別使變形和摩擦增加的程度不同。如圖所示，

切削力

當f不變，ap增大一倍時，bD、AD也都增大一倍，使變形和摩擦成倍增加，故主切削力Fz也成倍增大，當aP不變、f增大一倍時，AD增大一倍，雖然hD也成倍增大，但由于切屑變形小，故使主切削力Fz增大不到一倍，約增大70%～80%。

上述ap和f對Fz的影響規(guī)律對于指導生產(chǎn)實際具有重要作用。例如，需切除一定量的金屬層，為了提高生產(chǎn)效率，采用大進給切削比大切深切削較省力又省功率?；蛘哒f，在同樣切削力和切削功率條件下，允許采用更大的進給量切削，能達到切除更多的金屬層的目的。

切削力②切削速度

加工塑性金屬時，切削速度vc對切削力的影響規(guī)律如同對切削變形影響一樣，它們都是通過積屑瘤與摩擦的作用造成的(圖2.20）。

在低速到中速范圍內（5～20m/min），隨著速度vc的提高，切削變形減小，故主切削力Fz逐漸減小；中速時（20m/min），變形值最小，F(xiàn)z減至最小值；超過中速，隨著速度vc的提高，切削變形增大，故Fz逐漸增大。

在更高速度范圍內（vc＞35m/min），切削變形隨著切削速度增加而減小，故切削力Fz逐漸減小而后達到穩(wěn)定。

切削力

以車削45鋼為例：

(３)刀具幾何角度的影響

①前角

前角γo增大，切削變形減小，切削力減小

切削力②主偏角

主偏角kr改變使切削面積的形狀和切削分力Fxy的作用方向改變，因而使切削力也隨之變化。

如圖示，當主偏角kr增大時,切削厚度hD增加,切削變形減小,故主切削力Fz減??；但kr增大后,圓弧刀尖在切削刃上占的切削工作比例增大,使切屑變形和排屑時切屑相互擠壓加劇。切削力(a)kr=30°(b)kr=75°

此外，副前角γ0′又隨主偏角kr增大而減小，上述影響又使主切削力Fz增大。由實驗曲線表明：

主偏角kr在30°～60°

范圍內增大，由切削

厚度hD的影響起主要

作用，促使主切削力

Fz減??；主偏角約在

60°～90°范圍內增

大，刀尖處圓弧和副

前角的影響更為突出，

故主切削力Fz增大。

切削力一般情況主偏角kr=60°-75°，故主切削力Fz隨kr增大。

主偏角變化對切削力Fy和Fx的影響:kr增大，使Fy減小、Fx增大。當kr=90°或93°時，不僅Fy甚小，后者改變了Fy對工件的作用方向，使工件受到徑向拉力的作用，從而減小了工件的變形和振動。

由此可見，車削軸類零件，尤其是細長軸，為了減小切深抗力Fy的作用，往往采用較大主偏角（kr＞60°）的車刀切削。

切削力③刃傾角λs

由實驗可知，刃傾角λs對主切削力Fz影響很小，但對切深抗力Fy、進給抗力Fx影響較顯著。

（4）其它因素的影響

刀具棱面，刀具磨損、切削液等切削力

2.1.3切削熱與切削溫度

切削熱與切削溫度是切削過程中產(chǎn)生的又一重要物理現(xiàn)象。切削時做的功，可轉化為等量的熱。

切削熱除少量散逸在周圍介質中外，其余均傳入刀具、切屑和工作中，并使它們溫度升高，引起工件變形、加速刀具磨損。因此，研究切削熱與切削溫度具有重要的實用意義。

2.1.3.1切削熱的來源與傳導

切削熱是由切削功轉變而來的。

切削熱

切削熱包括：剪切區(qū)變

形功形成的熱Qp、切屑與

前刀面摩擦功形成的熱

Qrf、已加工表面與后刀

面摩擦功形成的熱Qaf。

產(chǎn)生總的切削熱Q，分別

傳入切屑Qch、刀具Qc、

工件Qw和周圍介質Qf。

切削熱的形成及傳導關系為：

Qp+Qrf+Qaf=Qch+Qw+Qc+Qf

切削熱

切削塑性金屬時切削熱主要由剪切區(qū)變形熱和前刀面摩擦熱形成；

切削脆性金屬時則后刀面摩擦熱占的比例較多。

切削熱傳至各部分比例：

一般情況是切屑帶走的熱量多。由于第Ⅰ、Ⅲ變形區(qū)塑性變形、摩擦產(chǎn)生熱及其傳導的影響，致使刀具中次之，工件中熱量最少。例如切削鋼不加切削液時，它們之間傳熱比例為：

Qch50%～86%；Qc40%～10%；

Qw9%～3%；Qf1%切削熱2.1.3.2切削溫度

切削熱是通過切削溫度而對工件與刀具產(chǎn)生作用的。切削區(qū)域處溫度的高低，決定于該處切削熱的多少和散熱的快慢。

通過推算和測定，在切屑中平均溫度最高。切削區(qū)域內溫度最高點是在前刀面上近刀刃處，該點最高溫度形成的原因，一方面受剪切區(qū)變形熱的切屑連續(xù)摩擦產(chǎn)生的熱影響有關；另一方面因熱量集中不易散走所致。

因此，研究切削溫度應該設法控制刀具上最高溫度。

切削溫度2.1.3.3影響切削溫度的因素

切削溫度與變形功、摩擦功和熱傳導有關。也就是說，切削溫度的高低是由產(chǎn)生的熱和傳走的熱兩方面綜合影響的結果。做功越多、生熱越多、散熱越少時，切削溫度越高。影響生熱和散熱的因素有：切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料和切削液等。

（1）切削用量的影響

切削用量是影響切削溫度的主要因素。切削溫度

切削用量對切削溫度影響規(guī)律是：

切削用量ap、f和vc增大，切削溫度增加，其中切削速度vc對切削溫度影響最大，進給量f次之，切削深度ap影響最小，

當切削用量ap、f和vc增大時，變形和摩擦加劇，切削功增大，故切削溫度升高。

背吃刀量ap增大后，切屑與刀具接觸面積以相同比例增大，散熱條件顯著改善；

進給量f增大，切屑與前刀面接觸長度增加，散熱條件有所改善；

切削速度增高，雖切削力減少，但切屑與前刀面接觸長度減短，故散熱較差。

切削用量對切削溫度的影響，就是由生熱與散熱兩方面作用的結果。由此可見，在金屬切除率相同的條件下，增大切削深度ap或給進量f比增大切削速度vc更有利。

切削溫度（2）刀具幾何參數(shù)影響

①前角

前角γo增大，切削變形和摩擦減少，因此產(chǎn)生的熱量少，切削溫度下降。但前角γo繼續(xù)增大至15°左右，由于楔角減少使刀具散熱變差，切削溫度略上升。

從前角γo對切削溫度θ的影響曲線可知，在一定的加工條件下，能夠找出對切削溫度影響最少的合理前角γo。

切削溫度

②主偏角

主偏角kr增大，使切削寬度bD減?。ㄇ邢魅泄ぷ鏖L度減?。?，切削厚度hD增加，因此，切削變形和摩擦減小,切削熱減少，但刀尖角同時變小，散熱條件惡化，故切削溫度升高。

由此可見，當工藝系統(tǒng)剛性足夠時，用小的主偏角切削，對于降低切削溫度提高刀具耐用度能起到一定的作用。尤其是在切削難加工材料時效果更明。

切削溫度

（3）工件材料影響

工件材料是通過強度、硬度和導熱系數(shù)等性能不同對切削溫度產(chǎn)生影響的。

（4）其它因素的影響

除上述因素外，刀具產(chǎn)生磨損后，會引起切削溫度增加，干切削也會引起切削溫度劇增，澆注切削液是降低切削溫度的一個有效措施。

切削溫度2.1.4刀具磨損與刀具耐用度

在切削過程中，工件與切屑對刀具作用，使刀具磨損。會縮短刀具使用時間，惡化加工表面質量，增加刀具材料損耗。因此，刀具磨損是影響生產(chǎn)效率、加工質量和成本的一個重要因素。

2.1.4.1刀具磨損形式

刀具磨損形式分為正常磨損和非正常磨損兩大類。

（1）正常磨損

正常磨損是指在刀具設計與使用合理、制造與刃磨質量符合要求的情況下，刀具在切削過程中逐漸產(chǎn)生的磨損。

刀具磨損及刀具耐用度正常磨損主要包括下述三種形式。

①后刀面磨損

在與切削刃連接

的后刀面上，磨出長

度為b、后角等于或小

于零的棱面。根據(jù)棱

面上各部位磨損特點，

可分為三個區(qū)域。

刀具磨損及刀具耐用度正常磨損形式前刀面磨損后刀面磨損同時磨損C區(qū)：在近刀尖處磨損較大的區(qū)域，這是由于溫度高、散熱條件差而造成的。其磨損量用高度vc表示。

N區(qū)：近待加工表面，約占全長1/4的區(qū)域。在它的邊界處磨出較長溝痕，這是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化層等原因造成的。它亦稱邊界磨損，磨損量用VN表示。

B區(qū)：在C、N區(qū)間較均勻的磨損區(qū)。磨損量用VB表示。其中局部出現(xiàn)的劃痕深溝的高度用VBmax表示。

②前刀面磨損

切屑在前刀面上流出時，由于摩擦高溫和高壓作用，使前刀面上近切削刃處磨出月牙洼。前刀面的磨損量用月牙洼深度KT表示。月牙洼的寬度為KB。刀具磨損及刀具耐用度③前后刀面同時磨損

經(jīng)切削后刀具上同時出現(xiàn)前刀面和后刀面磨損。

這是在切削塑性金屬時，采用中等切削速度和中等進給量較常出現(xiàn)的磨損形式。

在生產(chǎn)中，較常見到的是后刀面磨損，尤其是在切削脆性金屬和切削厚度hD較小情況下。月牙洼磨損通常是在高速、大進給（f＞0.5mm）切削塑性金屬時產(chǎn)生的。

（2）非正常磨損

非正常磨損是指刀具在切削過程中突然或過早產(chǎn)生損壞現(xiàn)象。其中有：

①破損:在切削刃或刀面上產(chǎn)生裂紋、崩刃或碎裂。

②卷刃:切削時在高溫作用下，使切削刃或刀面產(chǎn)生塌陷或隆起的塑性變形現(xiàn)象。刀具磨損及刀具耐用度

2.1.4.3刀具磨損原因

切削時刀具的磨損是在高溫高壓條件下產(chǎn)生的?，F(xiàn)將其中主要的原因簡述如下：

(1)磨粒磨損

在切削過程中,刀具上經(jīng)常被一些硬質點刻出深淺不一的溝痕。這主要由于“磨?！钡那邢髯饔迷斐傻摹嫵蛇@些“磨?！庇操|點的來源,是切屑底層和切削表面材料中含有氧化物（SiO、Al2O3等）、碳化物（Fe3C、TiC等）和氮化物（Si2N4、AlN等）硬顆粒。此外，還有粘附著積屑瘤的碎片、鍛造表皮和鑄件上殘留的夾砂。

磨粒磨損對高速鋼作用較明顯。因為高速鋼在高溫時的硬度較有些硬質點（SiO、Al2O3、TiC、Si2N4）低，耐磨性差。

刀具磨損及刀具耐用度（2）粘結磨損

是由于接觸面滑動在粘結處產(chǎn)生剪切破壞造成的，通常剪切破壞在較軟金屬一方，但刀面受到摩擦壓力和溫度連續(xù)作用下使強度降低，也會破壞。此外，當前刀面上粘結的積屑瘤脫落時，帶走了刀具材料，也形成粘結磨損。

粘結磨損的程度與壓力、溫度和材料間親合程度有關。例如在低速切削時，由于切削溫度低，故粘結是在壓力作用下接觸點處產(chǎn)生塑性變形所致，亦稱為冷焊；在中速時由于切削溫度較高，促使材料軟化和分子間運動，更易造成粘結。用YT硬質合金加工鈦合金或含鈦不銹鋼，在高溫作用下鈦元素之間的親合作用，也會產(chǎn)生粘結磨損。

低、中速切削時，粘結磨損是硬質合金刀具的主要磨損原因。刀具磨損及刀具耐用度

（3）擴散磨損

切削時在高溫作用下，接觸面間分子活動能量大，造成了合金元素相互擴散置換，使刀具材料機械性能降低，若再經(jīng)摩擦作用，刀具容易被磨損。

擴散磨損是一種化學性質的磨損。

圖（a）（b）所示，為鎢鈷硬質合金與鋼之間的擴散過程：

刀具磨損及刀具耐用度（4）相變磨損

當?shù)毒呱献罡邷囟瘸^材料相變溫度時，刀具表面金相組織發(fā)生變化。如馬氏體組織轉變?yōu)閵W氏體，使硬度下降，磨損加劇。因此，工具鋼刀具在高溫時均屬此類磨損，它們的相變溫度為：

合金工具鋼300～350℃

高速鋼550～600℃

相變磨損造成了刀面塌陷和刀刃卷曲。

刀具磨損及刀具耐用度

（5）氧化磨損

氧化磨損是一種化學性質的磨損。在主、副切削刃與切削層金屬表面接觸處，硬質合金中WC、Co與空氣介質中O2化合成脆性、低強度的氧化膜WO2，該膜受到了工件表面中氧化皮、硬化層等摩擦和沖擊作用，形成了邊界磨損。

綜上所述，刀具磨損是由機械摩擦和熱效應兩方面因素作用造成的。在不同加工條件下形成的刀具磨損必有一個原因起主要作用，同時也存在著各種原因的綜合作用。

刀具磨損及刀具耐用度

如圖示，在低、中速

范圍內磨粒磨損和粘結磨

損是刀具磨損的主要原因。

通常拉削、鉸孔和攻絲加

工時的刀具磨損主要屬于

這類磨損。

在中等以上切削速度

加工時，熱效應使高速鋼

刀具產(chǎn)生相變磨損、使硬

質合金刀具產(chǎn)生粘結、擴

散和氧化磨損。刀具磨損及刀具耐用度溫度對磨損的影響1-粘接磨損2-磨粒磨損3-擴散磨損4-相變磨損5-氧化磨損

2.1.4.2磨損過程和磨鈍標準

正常磨損情況下，刀具磨損量隨切削時間增加而逐漸擴大。若以后刀面磨損為例，它的典型磨損過程如圖所示，圖中大致分為三個階段。

初期磨損階段（Ⅰ段）：

在開始切削的短時

間內，磨損較快。這是

由于刀具表面粗糙不平

或表層組織不耐磨引起

的。

刀具磨損及刀具耐用度磨損過程正常磨損階段（Ⅱ段）：

隨著切削時間增加，磨損量以較均勻的速度加大。這是由于刀具表面磨平后，接觸面增大，壓強減少所致。AB線段基本上呈直線，單位時間內磨損量稱為磨損強度，該磨損強度近似為常數(shù)。

急劇磨損階段（Ⅲ段）：

磨損量達到一定數(shù)值后，磨損急劇加速繼而刀具損壞。這是由于切削時間過長，磨損嚴重，切削溫度劇增，刀具強度、硬度降低所致。

顯然，刀具一次磨刀后的切削時間應控制在達到急劇磨損階段以前完成。如果超過急劇磨損階段繼續(xù)切削，就可能產(chǎn)生冒火花、振動、嘯叫等現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生崩刃或造成刀具嚴重破損。刀具磨損及刀具耐用度所以，應該規(guī)定刀具用到產(chǎn)生急劇磨損前必須重磨或更換新刀刃。這時刀具的磨損量稱為磨損限度或磨鈍標準。由于后刀面磨損是常見的，且易于控制和測量，因此，規(guī)定后刀面上均勻磨損區(qū)的高度VB值作為刀具的磨鈍標準。

1.工藝系統(tǒng)剛性（差，VB取小值）

2.工件材料（難加工，取小值）

3.加工精度和表面質量（精度高，取小值）

4.工件尺寸（大，取大值）

生產(chǎn)中磨鈍標準應根據(jù)加工要求制訂（表2.8）

刀具磨損及刀具耐用度2.1.4.4刀具耐用度

（1）刀具耐用度概念

刀具耐用度是指刃磨后的刀具從開始切削至磨損量達到磨鈍標準為止所用的切削時間。用T分鐘表示。刀具耐用度還可以用達到磨鈍標準所經(jīng)過的切削路程lm或加工出的零件數(shù)N表示。

刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好壞的重要標志。利用刀具耐用度來控制磨損量VB值，比用測量VB來判別是否達到磨鈍標準要簡便。

刀具磨損及刀具耐用度

2.1.4.5影響刀具耐用度的因素

分析刀具耐用度影響因素的目的是，調節(jié)各因素的相互關系，以保持刀具耐用度的合理數(shù)值。各因素變化對刀具耐用度的影響，主要是通過它們對切削溫度的影響而起作用的。

（1）切削用量的影響

切削用量vc、f和ap對刀具耐用度的影響規(guī)律如同對切削溫度的影響規(guī)律。即vc、f和ap增大，使切削溫度提高、刀具耐用度下降，其中vc影響最大，其次f，ap最小。

刀具磨損及刀具耐用度

根據(jù)vc、f和ap對T的影響程度可知，當確定刀具耐用度合理數(shù)值后，應首先考慮增大ap、其次增大f，然后根據(jù)T、ap和f的值計算出vT，這樣既能保持刀具耐用度又能發(fā)揮刀具切削性能，提高切削效率。

（2）刀具幾何參數(shù)的影響

選擇合理的刀具幾何參數(shù)，是確保刀具耐用度的重要途徑；改進刀具幾何參數(shù)可使刀具耐用度有較大幅度提高。因此，刀具耐用度是衡量刀具幾何參數(shù)合理和先進與否的重要標志之一。刀具磨損及刀具耐用度

前角γo增大,切削溫度降低,耐用度提高；前角太大,刀刃強度低、散熱差且易磨損,故耐用度T反而下降。因此,前角γo對刀具耐用度T影響呈“駝峰形”。它的峰頂前角γo值,能使耐用度T最高，或刀具耐用度允許的切削速度vT較高。

主偏角kr減小，可增加刀具強度和改善散熱條件，故耐用度T或刀具耐用度允許的切削速度vT增高。

此外，適當減少副偏角kr’和增大刀尖圓弧半徑rε都能提高刀具強度，改善散熱條件使刀具耐用度T或刀具耐用度允許的切削vT提高。

（3）加工材料的影響

加工材料的強度、硬度越高，產(chǎn)生的切削溫度越高，故刀具磨損越快，刀具耐用度T越低。此外，加工材料的延伸率越大或導熱系數(shù)越小，均能使切削溫度升高因而使刀具耐用度T降低。刀具磨損及刀具耐用度2.2.4切削用量的合理選擇

充分利用刀具切削性能和機床動力性能，在保證質量的前提下，選擇切削用量參數(shù)ap、f和vc進行加工，達到高效率和低成本的目標。

2.2.4.1切削用量選擇原則

要提高生產(chǎn)效率，應盡量增大切削用量ap、f和vc。事實上，在提高切削用量時會受到切削力、切削功率、刀具耐用度和加工表面粗糙度等許多因素的限制。

確定切削用量的原則應該是：

能達到零件的質量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工藝系統(tǒng)強度和剛性允許條件下及充分利用機床功率和發(fā)揮刀具切削性能的前提下選取一組最大切削用量。

切削用量的合理選擇

根據(jù)不同的加工條件和加工要求，又考慮到切削用量各參數(shù)對切削過程規(guī)律的不同影響，故切削用量參數(shù)ap、f和vc增大的次序和程度應有所區(qū)別。這可從以下幾個主要方面分析：

①生產(chǎn)效率切削用量ap、f和vc增大，切削時間減小。當加工余量一定時，減小背吃刀量ap后，使走刀次數(shù)增多，切削時間成倍增加，生產(chǎn)效率成倍降低，所以，一般情況下盡量優(yōu)先增大ap，以求一次進刀全部切除加工余量。

②機床功率切削用量對功率的影響是由于使切削力與切削速度變化造成的。當背吃刀量ap和切削速度vc增大時，均使切削功率成正比增加，此外，增大背吃刀量ap、使切削力增加多，而增大進給量f使切削力增加較少、消耗功率也較少。所以，在粗加工時，應盡量增大進給量f

是合理的。

切削用量的合理選擇③刀具耐用度在切削用量參數(shù)中,對刀具耐用度影響最大的是切削速度vc,其次是進給量f,影響最小的是背吃刀量ap，過高的切削速度和大的進給量,會由于經(jīng)常磨刀、裝卸刀具而增加費用、提高加工成本?？梢?優(yōu)先增大背吃刀量ap不只是達到高的生產(chǎn)率,相對vc與f來說對發(fā)揮刀具切削性能、降低加工成本也是有利的。

④表面粗糙度這是在半精加工、精加工時確定切削用量應考慮的主要原則。在較理想的條件下,提高切削速度vc能降低表面粗糙度值。而在一般條件下，提高背吃刀量ap對切削過程產(chǎn)生的積屑瘤、鱗刺、冷硬和殘余應力的影響并不顯著，故提高背吃刀量對表面粗糙度影響較小。所以,加工表面粗糙度主要限制的是進給量f的提高。

綜上所述，合理選擇切削用量，應該首先選擇一個盡量大的背吃刀量ap，其次選擇一個大的進給量f，最后根據(jù)已確定的和ap和f，并在刀具耐用度和機床功率允許條件下選擇一個合理的切削速度vc。切削用量的合理選擇2.2.3刀具幾何參數(shù)的合理選擇

刀具幾何參數(shù)主要包括：刀具角度、刀刃的刃形、刃口形狀、前刀面與后刀面型式等。

當?shù)毒卟牧虾偷毒呓Y構確定后，合理選擇和改進刀具幾何參數(shù)是保證加工質量、提高效率、降低成本的有效途徑。

以下主要介紹刀具幾何參數(shù)選擇的原則和方法。

2.2.3.1前角、前刀面的功用和選擇

前角是刀具上的一個重要參數(shù)。前角和前刀面各具不同作用，相互之間又有密切聯(lián)系。

前刀面有平面型、曲面型、帶倒棱型三種。

刀具幾何參數(shù)的合理選擇根據(jù)前角正負可分為：正前角平面型、負前角平面型和負前角雙面型；

根據(jù)曲面的形狀不同有：圓弧曲面、波形曲面和其它形狀的曲面型；

倒棱型分為：平面帶倒棱型和曲面帶倒棱型。

前角的作用規(guī)律：前角影響切削過程中的變形和摩擦，同時又影響刀具的強度。

（1）增大前角，使切削變形和摩擦減小，從而降低切削力、切削溫度和功率消耗，抑制積屑瘤的產(chǎn)生，減輕切削振動，改善加工質量，并提高刀具耐用度。

刀具幾何參數(shù)的合理選擇

(2)增大前角會使楔角減小，一方面使刀刃強度降低，容易造成崩刃，另一方面使刀頭散熱面積減小，能容納熱量的體積減小，使切削溫度增高，使刀具容易破損和磨損。如下頁圖。

可見，前角太大或太小，刀具耐用度都較低。在一定的加工條件下，存在一個合理前角，此時刀具耐用度為最大。刀具幾何參數(shù)的合理選擇刀具幾何參數(shù)的合理選擇

前角選擇原則：

(1)刀具的前角取決于工件材料的種類和性質。

1)加工塑性材料（鋼）,應選較大γo,加工脆性材料（鑄鐵）應選較小γo；

2)工件材料的強度，硬度較高時，切削力大，刀具易崩刃,宜選較小的γo，有時使用-γo；

3)加工易產(chǎn)生變形的工件材料，或工藝系統(tǒng)剛性差，而易引起切削振動或機床功率不足，應選較大的γo減小切削力。

(2)選擇前角時還應考慮具體加工條件。

1)粗加工，特別是斷續(xù)加工時，切削力和沖擊較大，為保證切削刃有足夠的強度，選小γo。（刨削時，有時還采用-γo）

2)精加工時，對切削力要求較低，為使刀刃鋒利，降低F，以減小工件變形和降低表面粗糙度，選大γo

刀具幾何參數(shù)的合理選擇2.2.3.2后角和后刀面的功用和選擇

后角影響切削中的摩擦和刀具強度。

1、后角的作用規(guī)律：

a、減小后角，會加劇后刀面與加工表面間摩擦，使刀具磨損加大，加工表面冷硬程度增加、質量變差。

b、減小后角，刀具強度高，散熱性能好;在磨損量VB相同條件下，小后角刀具經(jīng)重磨后，刀具材料損耗小，圖（a）、（b）所示

2、后角選擇原則是：

a、精加工時,為保證工件的表面質量減輕刀具與工件的磨損，可適當增大后角αo；

b、當工件材料的強度和硬度較高時,為了提高切削刃的強度，可選擇較小的αo；

c、當工藝系統(tǒng)剛性較差時，防止出現(xiàn)振動，應適當減小αo。

刀具幾何參數(shù)的合理選擇2.2.3.3主偏角、副偏角的功用與選擇

主偏角κr主要影響切削寬度bD和切削厚度hD的比例并影響刀具強度。主偏角κr減小，使切削寬度bD增大、刀尖角εr增大、刀具強度高、散熱性能好，故刀具耐用度高。但會增大切深抗力，引起振動和加工變形。

此外，增大主偏角κr是控制斷屑的一個重要措施。

主偏角κr選擇的原則主要是：

在工藝系統(tǒng)剛性不足的情況下，為減小切削力，選取較大的主偏角。

在加工強度高、硬度高的材料時，為提高刀具耐用度，選取較小主偏角。

根據(jù)加工表面形狀要求選取，如車削臺階軸取κr≤90°，車外圓又車端面取κr=45°、鏜盲孔取κr＞90°等。刀具幾何參數(shù)的合理選擇副偏角κr’影響加工表面粗糙度和刀具強度。通常在不產(chǎn)生摩擦和振動條件下，應選取較小的副偏角。

刀具幾何參數(shù)的合理選擇2.2.3.4刃傾角的功用與選擇

刃傾角λs主要影響切屑的流向和刀具強度。

刃傾角λs的選擇原則是：主要根據(jù)刀具強度、流屑方向和加工條件而定。

如圖所示，在帶間斷或沖擊振動切削時，選-λs能提高刀頭強度、保護刀尖；許多大前角刀具常配合選用負的刃傾角來增加刀具強度;

有些刀具如車刀、鏜刀、鉸刀和絲錐等，常利用改變刃傾角λs來獲得所需的切屑流向（如圖）；

對于多齒刀具如銑刀、鉸刀和拉刀等，增大刃傾角λs，可增多同時工作齒數(shù)，提高切削平穩(wěn)性。

刃傾角的具體數(shù)值可參考表選擇

刀具幾何參數(shù)的合理選擇2.2金屬切削過程基本規(guī)律的應用通過控制切屑、改善材料加工性能，合理選擇切削液，刀具幾何參數(shù)和切削用量等問題，來達到保證加工質量、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)率的目的。

2.2.1工件材料的切削加工性

2.2.1.1評定指標：a、刀具耐用度指標b、加工表面粗糙度指標切削加工性2.2.1.2改善材料切削加工性的措施

（1）調整化學成分

（2）材料加工前進行合適的熱處理

（3）選擇加工性好的材料狀態(tài)

低碳鋼經(jīng)冷拉后，塑性大為下降，加工性好；鍛造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改為熱軋后加工性得以已改善。

改善材料切削加工性的措施（4）其它

如采用合適的刀具材料，選擇合理的刀具幾何參數(shù)，合理地制訂切削用量與選用切

削液等。等離子焰加熱工件切

削（右圖示），即改善加

工性的一種積極措施。切削時

等離子焰裝置安放在工件上方，

與刀具同步移動，火焰的溫度

達1500℃，可根據(jù)切削深度ap

適當調整A值（約5～12mm），

使工件表面溫度達到1000℃左

右,當ap切深層熔化后就被刀具,

切去，所以工件并不熱，即不影響工件的材質。改善材料切削加工性的措施等離子焰加熱工件切削2.2.2切削液

切削液主要用來減少切削過程中的摩擦和降低切削溫度。合理使用切削液，對提高刀具耐用度和加工表面質量、加工精度起重要的作用。

2.2.2.1切削液的作用

（1）冷卻作用

切削液澆注在切削區(qū)域后，通過切削熱的傳導、對流和汽化，使切屑、刀具和工件的熱量散逸起到冷卻作用。冷卻的主要目的是使切削區(qū)切削溫度降低，尤為重要的是降低前刀面上最高溫度。

通常采用的從前刀面上方往下澆注切削液的方法，由于受切屑排出的影響，冷卻效果并不最好。

切削液

有效的冷卻方法應該使切削液從刀具主后刀面處往上噴射。也可采用噴霧冷卻方法，使高速噴射的液體細化成霧狀。然后在切削區(qū)域吸收大量熱量而產(chǎn)生汽化現(xiàn)象。加工精密細長零件時，為減少切削熱影響而造成尺寸誤差，除了保證均勻充分冷卻外，應在零件全長澆注切削液以擴大冷卻范圍。

（2）潤滑作用——邊界潤滑原理

切削液的潤滑作用是通過切削液滲透到刀具與切屑、工件表面之間形成潤滑膜而達到的。由于切削時各接觸面間具有高速、高溫、高壓和粘結等特點，故切削液的滲透作用是較困難的。

切削液有些資料介紹，滲透是由于接觸面間毛細管作用和刀具、工件、切屑間振動形成空隙后產(chǎn)生泵吸作用造成的。也有人認為，是與切削液分子的滲透作用有關。

潤滑性能的好壞與形成的潤滑油膜性質有關。切削液滲入至接觸面間形成邊界潤滑狀態(tài)。

邊界潤滑原理可用下圖模型說明：

切削液a)單分子層b)金屬實際接觸情況（3）洗滌與防銹作用