機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件(第3章)

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)第三章切削過程及控制1第三章切削過程及控制

在金屬切削過程中，始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，從而產(chǎn)生一系列物理現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及有關(guān)刀具的磨損與刀具壽命、卷屑與斷屑等。

研究、掌握并能靈活應(yīng)用金屬切削基本理論,對(duì)有效控制切削過程、保證加工精度和表面質(zhì)量，提高切削效率、降低生產(chǎn)成本，合理改進(jìn)、設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等有重要的指導(dǎo)意義。2第三章切削過程及控制第一節(jié)金屬切削過程的變形第二節(jié)切削力第三節(jié)切削熱與切削溫度第四節(jié)刀具磨損與耐用度第五節(jié)切削用量的合理選擇第六節(jié)切削液的合理選用第七節(jié)磨削過程及磨削特征第八節(jié)非金屬硬脆材料的切削3第一節(jié)金屬切削過程的變形切削變形的力學(xué)本質(zhì)切削金屬形成切屑的過程是一個(gè)類似于金屬材料受擠壓作用，產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生剪切滑移的變形過程（圖）。切屑形成過程模型圖3-6一、概述1．研究金屬切削變形的常用方法側(cè)面方格變形觀察法快速落刀法其他方法2．變形區(qū)的劃分4

根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的切削層變形圖片可繪制如圖3-4所示的切削變形模型，其變形大致可分為三個(gè)變形區(qū)。1.第一變形區(qū)

塑性變形從始滑移面OA開始至終滑移面OM終了，之間形成AOM塑性變形區(qū)，由于塑性變形的主要特點(diǎn)是晶格間的剪切滑移，所以AOM叫剪切區(qū)，也稱為第一變形區(qū)（Ⅰ）。

二、切削變形5切屑沿刀具前面排出時(shí)會(huì)進(jìn)一步受到前刀面的阻礙，在刀具和切屑界面之間存在強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，使切屑底部靠近前刀面處的金屬發(fā)生“纖維化”的二次變形。這部分區(qū)域稱為第二變形區(qū)（Ⅱ）。2.第二變形區(qū)

6在已加工表面上與刀具后面擠壓、摩擦形成的變形區(qū)域稱為第三變形區(qū)（Ⅲ）。由于刀具刃口不可能絕對(duì)鋒利,鈍圓半徑的存在使切削層參數(shù)中公稱切削厚度不可能完全切除，會(huì)有很小一部分被擠壓到已加工表面，與刀具后刀面發(fā)生摩擦，并進(jìn)一步產(chǎn)生彈、塑性變形，從而影響已加工表面質(zhì)量。3.第三變形區(qū)

7

實(shí)驗(yàn)表明，切屑的形成過程是被切削層金屬受到刀具前面的擠壓作用，迫使其產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到金屬材料屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。切屑的變形和形成過程如圖3-5所示。8剪切角φ三、切削變形程度剪切角φ↑→剪切面積↓→變形程度↓→切削力↓。圖3－6

剪切面pφ與切削速度(主運(yùn)動(dòng))方向之間的夾角稱為剪切角，用φ表示9切屑厚度hch與切削層的厚度hD之比稱為厚度變形系數(shù)，用ξh表示，ξh=hch/hD

；而切削層長(zhǎng)度lc與切屑長(zhǎng)度lch之比稱為長(zhǎng)度變形系數(shù)，用ξl表示，ξl=lc/lch。根據(jù)體積不變?cè)?則

ξh

＝ξl＝ξ。變形系數(shù)越大,切屑越厚越短,切削變形越大。1.變形系數(shù)ξ圖3－7ξ>1。ξ直觀地反映了切削變形程度。10只有在的范圍內(nèi)，變形系數(shù)ξ越大，剪應(yīng)變?chǔ)旁酱?.剪應(yīng)變?chǔ)艌D3－73.剪應(yīng)變與變形系數(shù)的關(guān)系11四．前刀面與切屑間的摩擦1.作用在切屑上的力

刀具與切屑之間的作用力分析如圖3-10所示。在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面對(duì)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,兩對(duì)力的合力分別為Fr

和Fr′。假設(shè)這兩個(gè)合力相互平衡（嚴(yán)格地講，這兩個(gè)合力不共線，有一個(gè)使切屑彎曲的力矩），F(xiàn)r稱為切屑形成力，φ是剪切角；β是Fn與Fr之間的夾角，稱為摩擦角；γo是刀具前角。122.剪切角φ與前刀面摩擦角β的關(guān)系

剪切角φ隨前角γ0增大而增大，切屑變形減小。剪切角φ隨摩擦角β的減小而增大，切屑變形減小。所以研磨刀面或者使用切削液以減小前刀面的摩擦，有利于改善切削過程。133.前刀面上的摩擦

在粘結(jié)區(qū)，切屑的底層與前面呈現(xiàn)冷焊狀態(tài)，切屑與前面之間不是一般的外摩擦，這時(shí)切屑底層的流速要比上層緩慢得多，從而在切屑底部形成一個(gè)滯流層。所謂“內(nèi)摩擦”就是指滯流層與上層流屑層內(nèi)部之間的摩擦，這種內(nèi)摩擦也就是金屬內(nèi)部的剪切滑移。其摩擦力的大小與材料的流動(dòng)應(yīng)力特性及粘結(jié)面積的大小有關(guān)。切屑離開粘結(jié)區(qū)后進(jìn)入滑動(dòng)區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)刀屑間的摩擦僅為外摩擦。刀屑接觸面間有二個(gè)摩擦區(qū)域：粘結(jié)(內(nèi)摩擦)區(qū)和滑動(dòng)(外摩擦)區(qū)。金屬的內(nèi)摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，應(yīng)著重考慮內(nèi)摩擦。

14五、積屑瘤的形成及其對(duì)切削過程的影響

在中低速切削塑性金屬材料時(shí),常在刀具前面刃口處粘結(jié)一些工件材料,形成一塊硬度很高的楔塊，稱之為積屑瘤。產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是滯流層金屬不斷堆積的結(jié)果。積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化程度有關(guān)，也與刀刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)。

3）影響積屑瘤的因素2）積屑瘤的形成原因1）什么是積屑瘤15圖積屑瘤高度與切削速度關(guān)系示意圖164）積屑瘤對(duì)切削過程的影響

實(shí)際前角增大（圖3-13）；增大切削厚度（圖3-13）；使加工表面粗糙度增大；對(duì)刀具壽命的影響。

一般積屑瘤對(duì)切削加工過程的影響是不利的，在精加工時(shí)應(yīng)盡可能避免積屑瘤的產(chǎn)生，但在粗加工時(shí)，有時(shí)可充分利用積屑瘤。17采用低速或高速切削，由于切削速度是通過切削溫度影響積屑瘤的，以切削45鋼為例，在低速vc＜3m/min和較高速度vc≥60m/min范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)都較小，故不易形成積屑瘤；采用高潤(rùn)滑性的切削液，使摩擦和粘結(jié)減少；適當(dāng)減少進(jìn)給量、增大刀具前角；適當(dāng)提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨質(zhì)量；合理調(diào)節(jié)各切削參數(shù)間關(guān)系，以防止形成中溫區(qū)域。5）抑制或消除積屑瘤的措施

18六、影響切屑變形的主要因素1.工件材料的力學(xué)性能

材料強(qiáng)度越高，塑性越小，則變形系數(shù)越小，切削變形減?。▓D）。2.切削用量（1）切削速度切削速度是通過積屑瘤的生長(zhǎng)消失過程影響切削變形大小的。在積屑瘤增長(zhǎng)的速度范圍內(nèi),因積屑瘤導(dǎo)致實(shí)際工作前角增加、剪切角φ增大、變形系數(shù)減小。在積屑瘤消失的速度范圍內(nèi)，實(shí)際工作前角不斷減小、變形系數(shù)ξ不斷上升至最大值，此時(shí)積屑瘤完全消失。（圖）在無積屑瘤的切削速度范圍，切削速度愈高，變形系數(shù)愈小。切削鑄鐵等脆性金屬時(shí),一般不產(chǎn)生積屑瘤。隨著切削速度增大，變形系數(shù)逐漸地減小。19（2）進(jìn)給量當(dāng)進(jìn)給量f增大時(shí)，切削層厚度hD增大，切屑的平均變形減小，變形系數(shù)ξ減小(圖)。（1）前角γ0前角增大，剪切角φ增大，而剪切角越大，則變形系數(shù)ξ減小。變形系數(shù)與前角之間的關(guān)系如圖所示。(2)刀尖圓弧半徑rε刀尖圓弧半徑越大，變形系數(shù)ξ越大，切削變形越大。（圖）3.刀具幾何參數(shù)20帶狀切屑最常見的屑型之一（圖3-19a）。外形特征：它的內(nèi)表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成條件：一般加工塑性金屬材料，當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時(shí)，會(huì)得到此類切屑。優(yōu)點(diǎn)：切削過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較小。缺點(diǎn)：紊亂狀切屑纏繞在刀具或工件上影響加工過程。七、切屑的類型及控制21擠裂(節(jié)狀)切屑

外形特征：刀屑接觸面有裂紋，外表面是鋸齒形。

形成條件：這類切屑之所以呈鋸齒形，是由于它的第一變形區(qū)較寬，在剪切滑移過程中滑移量較大。大多在低速、大進(jìn)給、切削厚度較大、刀具前角較小時(shí)產(chǎn)生(圖3-19b)。單元(粒狀)切屑在擠裂(節(jié)狀)切屑產(chǎn)生的前提下,當(dāng)進(jìn)一步降低切削速度，增大進(jìn)給量，減小前角時(shí)則出現(xiàn)單元(粒狀)切屑(圖3-19c)。崩碎切屑切削脆性金屬(鑄鐵)時(shí)，常見的呈不規(guī)則細(xì)粒狀的切屑。產(chǎn)生這種切屑會(huì)使切削過程不平穩(wěn)，易損壞刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、進(jìn)給量越大則越容易產(chǎn)生這種切屑(圖3-19d)。22已加工表面的形成與第三變形區(qū)的關(guān)系密切；刀具刃口鈍圓半徑及刃口磨損形成的磨損棱面，會(huì)使已加工表面產(chǎn)生劇烈的塑性變形(圖3-21a)。表層劇烈的塑性變形造成已加工表面加工硬化及表面層的殘余應(yīng)力。

加工硬化和殘余應(yīng)力的存在，會(huì)影響已加工表面的質(zhì)量和工件的疲勞強(qiáng)度，并增加了下道工序加工的困難及刀具磨損。鈍圓半徑的大小取決于刀具材料、楔角大小、刃磨質(zhì)量等因素。鱗刺：已加工表面上一種鱗片狀毛刺。抹拭、導(dǎo)裂、層積、切頂四個(gè)階段。八、已加工表面的形成過程23圖擠壓與切削的比較24圖3-6切屑形成過程模型25圖3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角金屬切削變形過程26圖3－4金屬切削過程中的流線和滑移線示意圖27圖3－5第一變形區(qū)金屬的滑移28圖3－6剪切角φ?qǐng)D3－7變形系數(shù)ξ的求法29

圖3－10作用在切屑上的力

a)切屑受到來自工件和刀具的作用力b)切屑作為隔離體的受力分析30圖3－12刀具前刀面與切屑的摩擦示意圖31圖3－14積屑瘤前角和伸出量32圖3-15工件材料強(qiáng)度對(duì)變形系數(shù)的影響33圖3-18切削速度對(duì)變形系數(shù)的影響34圖切削厚度與變形系數(shù)的關(guān)系35圖3-16前角對(duì)變形系數(shù)的影響36圖刀尖圓弧半徑對(duì)變形系數(shù)的影響37圖3－19切屑類型a)帶狀切屑b)擠裂切屑38圖3－19切屑類型

C）單元切屑d)崩碎切屑39切屑類型切屑類型帶狀切屑Real擠裂切屑Real節(jié)狀切屑Real崩碎切屑Real圖3-6切屑形態(tài)照片40圖3－21已加工表面的形成過程41一、切削力的來源、切削合力及分力、切削功率

切削過程中，刀具施加于工件使工件材料產(chǎn)生變形，并使多余材料變?yōu)榍行妓璧牧?，稱為切削力。切削力來自于金屬切削過程中克服被加工材料的彈、塑性變形抗力和摩擦阻力（圖3-18）。第二節(jié)切削力CuttingForce1.切削力的來源422.切削力的分解

通常將合力F分解為相互垂直的三個(gè)分力：切削力Fc、進(jìn)給力Ff、背向力Fp。43切削力(Fc)（舊稱主切削力，用Fz表示）——總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向的分力，是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。2.切削力的分解44舊稱徑向分力，用Fy表示——總切削力在垂直于工作平面方向的分力，是進(jìn)行加工精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，所必須的參數(shù)。切削力(Fc)背向力(Fp）2.切削力的分解45舊稱軸向分力，用Fx表示——總切削力在進(jìn)給方向的分力，是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)切削力(Fc)背向力(Fp）進(jìn)給力(Ff)2.切削力的分解46計(jì)算切削功率Pc是用于核算加工成本和計(jì)算能量消耗，并在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)根據(jù)它來選擇機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率。主運(yùn)動(dòng)消耗的切削功率Pc＝Fcυ/60×10-3

（kW）機(jī)床電機(jī)功率PE=Pc／η

（機(jī)床傳動(dòng)效率η＝0.75～0.85）3.切削功率47單位切削力指的是單位切削面積上的主切削力，用kc表示：kc＝Fc

/AD=Fc

/(ap

f)=Fc

/(acaω)

（N/mm2）4.單位面積切削力48切削力的大小計(jì)算有理論公式和實(shí)驗(yàn)公式。理論公式通常供定性分析用，一般使用實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算切削力。常用的實(shí)驗(yàn)公式分為兩類：一類是用指數(shù)公式計(jì)算，另一類是按單位切削力進(jìn)行計(jì)算。在金屬切削中廣泛應(yīng)用指數(shù)公式計(jì)算切削力。不同的加工方式和加工條件下，切削力計(jì)算的指數(shù)公式可在切削用量手冊(cè)中查得。車削時(shí)的切削分力及切削功率的指數(shù)公式見表。若已知單位切削力kc

，即可求得單位切削功率ps。表3-1為硬質(zhì)合金外圓車刀切削常用金屬時(shí)的單位切削力和單位切削功率。實(shí)際切削條件與表中不符時(shí),必須引入修正系數(shù)加以修正，有關(guān)修正系數(shù)可參見相關(guān)手冊(cè)。在實(shí)際應(yīng)用工作中，切削力的計(jì)算可查閱有關(guān)手冊(cè)。二、切削力計(jì)算491.工件材料影響較大的因素主要是工件材料的強(qiáng)度、硬度和塑性。材料的強(qiáng)度、硬度越高，則屈服強(qiáng)度越高，切削力越大。在強(qiáng)度、硬度相近的情況下，材料的塑性、韌性越大，則刀具前面上的平均摩擦系數(shù)越大，切削力也就越大。脆性材料，切削時(shí)一般形成崩碎切屑，切屑與前面的接觸長(zhǎng)度短，摩擦小，故切削力較小。三、影響切削力的因素501.工件材料2.切削用量進(jìn)給量f和背吃刀量ap

進(jìn)給量f和背吃刀量ap

增加，使切削力Fc增加，但影響程度不同。進(jìn)給量f

增大時(shí)，切削力有所增加；而背吃刀量ap

增大時(shí)，切削刃上的切削負(fù)荷也隨之增大，即切削變形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。從切削力和切削功率角度考慮，加大進(jìn)給量比加大背吃刀量有利。三、影響切削力的因素51切削速度在5～17m/min區(qū)域內(nèi)增加時(shí)，積屑瘤高度逐漸增加，切削力減小；切削速度繼續(xù)在17～27m/min范圍內(nèi)增加，積屑瘤逐漸消失，切削力增加；在切削速度大于27m/min時(shí)，積屑瘤消失，由于切削溫度上升，摩擦系數(shù)減小，切削力下降。一般切削速度超過90m/min時(shí)，切削力無明顯變化。在切削脆性金屬工件材料時(shí)，因塑性變形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc

對(duì)切削力Fc無明顯的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果刀具材料和機(jī)床性能許可，采用高速切削，既能提高生產(chǎn)效率，又能減小切削力。

切削速度υc

52前角:γo↑→切削變形↓→切削力↓（塑性材料）負(fù)倒棱：（圖3－27）負(fù)倒棱參數(shù)大大提高了正前角刀具的刃口強(qiáng)度，但同時(shí)也增加了負(fù)倒棱前角(負(fù)前角)參加切削的比例，負(fù)前角的絕對(duì)值↑→切削變形程度↑→切削力↑；主偏角：（圖3－28）Fp=FDcosKrFf=FDSinKrKr↑→Fp

↓,Ff↑刃傾角：（圖3－29）λs↓→Fp↑,Ff↓,Fc基本不變刀尖圓弧半徑rε

↑→切削刃圓弧部分的長(zhǎng)度↑→切削變形↑→切削力↑。此外rε增大，整個(gè)主切削刃上各點(diǎn)主偏角的平均值減小，從而使Fp增大、Ff

減小。3.刀具幾何參數(shù)534.刀具磨損5.切削液6.刀具材料刀具材料與被加工材料間的摩擦系數(shù)，影響到摩擦力的變化，直接影響著切削力的變化。54圖3-23切削力的來源55565758圖3－27負(fù)倒棱對(duì)切削力的影響59圖3－28主偏角不同時(shí)Fxy力的分解（a）Kr?。╞）Kr大60kr1Kr’kr2FpFf61圖3－33刃傾角對(duì)切削力的影響62金屬切削過程的三個(gè)變形區(qū)就是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱源(圖3-36)。在這三個(gè)變形區(qū)中，刀具克服金屬?gòu)?、塑性變形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。第三節(jié)切削熱和切削溫度CuttingHeatandCuttingTemperature一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)工件切屑刀具圖3-36切削熱的來源與傳出63

切削熱向切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳導(dǎo)，使它們的溫度上升，從而導(dǎo)致切削區(qū)內(nèi)的切削溫度上升。一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)64750℃刀具圖3-20二維切削中的溫度分布工件材料：低碳易切鋼；刀具：

o=30

，

o=7

；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削條件：干切削，預(yù)熱611

C★切削塑性材料——前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?/p>

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。切削溫度分布651.對(duì)刀具材料的影響

高速鋼刀具材料的耐熱性為600℃左右，超過該溫度刀具失效。硬質(zhì)合金刀具材料耐熱性好，在高溫800～1000℃時(shí)，強(qiáng)度反而更高，韌性更好。因此適當(dāng)提高切削溫度，可防止硬質(zhì)合金刀具崩刃，延長(zhǎng)刀具壽命。二、切削溫度及其對(duì)切削過程的影響661.對(duì)刀具材料的影響

2.對(duì)工件尺寸精度的影響

車削工件外圓時(shí)，工件受熱膨脹，切削后冷卻至室溫，尺寸變小，特別是在精加工和超精密加工時(shí)，切削溫度的變化對(duì)工件尺寸精度的影響特別大，因此控制好切削溫度，是保證加工精度的有效措施。二、切削溫度及其對(duì)切削過程的影響67自然熱電偶法工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極，切削時(shí)刀具與工件接觸處的高溫產(chǎn)生溫差電勢(shì)，通過電位差計(jì)測(cè)得切削區(qū)的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測(cè)量切削區(qū)溫度?？蓽y(cè)量切削區(qū)側(cè)面溫度場(chǎng)?！镉貌煌牧稀⑾嗷ソ^緣金屬絲作熱電偶兩極（圖）。mV人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔★

可測(cè)量刀具或工件指定點(diǎn)溫度，可測(cè)最高溫度及溫度分布場(chǎng)。人工熱電偶法紅外測(cè)溫法三、切削溫度的測(cè)定方法681.工件材料

材料的強(qiáng)度、硬度越高，則切削抗力越大，消耗的功越多，產(chǎn)生的熱就越多；導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳散的熱越少，切削區(qū)的切削溫度就越高。四、影響切削溫度的因素691.工件材料

切削溫度與切削用量的關(guān)系式為：θ＝CθVC

Zθf

yθapxθ三個(gè)影響指數(shù)zθ＞yθ＞xθ，說明切削速度對(duì)切削溫度的影響最大，背吃刀量對(duì)切削溫度的影響最小。2.切削用量四、影響切削溫度的因素70影響切削溫度的因素

切削用量的影響

式中θ——用自然熱電偶法測(cè)出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(

C)；

Cθ——與工件、刀具材料和其它切削參數(shù)有關(guān)的切削溫度系數(shù)；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)公式（3-22）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速鋼車削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-4切削溫度的系數(shù)及指數(shù)71（3）刀具幾何參數(shù)

1)前角γo↑→塑性變形和摩擦↓→切削溫度↓（圖）。但前角不能太大，否則刀具切削部分的鍥角過小，容熱、散熱體積減小，切削溫度反而上升。

2)主偏角κr↑→切削刃工作接觸長(zhǎng)度↓，切削寬度bD↓，散熱條件變差，故切削溫度↑（圖）。72（4）刀具磨損

刀具主后面磨損時(shí)，后角減小，后面與工件間摩擦加劇。刃口磨損時(shí)，切屑形成過程的塑性變形加劇，使切削溫度增大。（3）刀具幾何參數(shù)73（3）刀具幾何參數(shù)（4）刀具磨損

（5）切削液

利用切削液的潤(rùn)滑功能降低摩擦系數(shù)，減少切削熱的產(chǎn)生，也可利用它的冷卻功用吸收大量的切削熱，所以采用切削液是降低切削溫度的重要措施。74圖前角與切削溫度的關(guān)系7576影響切削溫度的因素

刀具幾何參數(shù)的影響

前角

o↑→切削溫度↓主偏角

r↓→切削溫度↓負(fù)倒棱及刀尖圓弧半徑對(duì)切削溫度影響很小

工件材料的影響

工件材料機(jī)械性能↑→切削溫度↑工件材料導(dǎo)熱性↑→切削溫度↓vc（m/min）圖3-21切削速度、工件材料對(duì)切削溫度的影響1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45鋼(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：

o=15

，

o=6~8

，

r=75

，

1=-10

，

s=0

，b

=0.1mm，r

=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨損的影響

冷卻液的影響

77（1）正常磨損

切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，在刀具前刀面上經(jīng)常會(huì)磨出一個(gè)月牙洼（圖例）。正常磨損是指隨著切削時(shí)間增加，磨損逐漸擴(kuò)大的磨損。1）前面磨損第四節(jié)刀具磨損和耐用度一、刀具磨損的形態(tài)782）后面磨損

加工脆性材料或在切削速度較低、切削厚度較?。╤D＜0．1mm），由于前刀面上刀屑間的作用相對(duì)較弱，主要發(fā)生后刀面磨損（圖例）。792）后面磨損3）前面和后面同時(shí)磨損

一般在以中等切削用量加工塑性金屬材料時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種形式磨損（圖例）。802）后面磨損3）前面和后面同時(shí)磨損4）邊界磨損

切削鋼料時(shí)，常在主切削刃靠近工件外皮處以及刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋，這就是邊界磨損（圖例）。加工鑄、鍛等外皮粗糙的工件，也容易發(fā)生邊界磨損。81（2）非正常磨損

刀具的非正常磨損是指在切削過程中，刀具的磨損量尚未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)值就突然無法正常使用，即刀具發(fā)生破損。821）脆性破損

在振動(dòng)、沖擊切削條件的作用下，刀具尚未發(fā)生明顯磨損（VB≤0.1mm），但刀具切削部分卻出現(xiàn)了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折斷、表層剝落、熱裂紋等現(xiàn)象，使刀具不能繼續(xù)工作，這種破損稱為脆性破損。（2）非正常磨損831）脆性破損2）塑性破損切削時(shí)，刀具由于高溫高壓的作用，使刀具前、后刀面的材料發(fā)生塑性變形，刀具喪失切削能力，這種破損稱為塑性破損。（2）非正常磨損84針對(duì)被加工工件材料和零件的特點(diǎn)，合理選擇刀具材料的種類和牌號(hào)；合理選擇刀具幾何參數(shù)；保證刀具焊接和刃磨質(zhì)量，避免因焊接、刃磨不善而帶來的各種缺陷。盡量使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位不重磨刀具；合理選擇切削用量，避免過大的切削力和過高的切削溫度，避免產(chǎn)生積屑瘤；提高工藝系統(tǒng)的剛性，消除可能產(chǎn)生振動(dòng)的因素，如加工余量不均勻，表面硬度不均勻，鉸刀、銑刀等回轉(zhuǎn)類刀具各刀齒的刃尖不在同一圓周上等現(xiàn)象；采用正確的操作方法，盡量使刀具不承受或少承受突變性的載荷，合理使用切削液，為防止熱裂效應(yīng)，不要斷續(xù)使用切削液冷卻硬質(zhì)合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。防止刀具破損的措施851.硬質(zhì)點(diǎn)磨損2.粘結(jié)磨損3.擴(kuò)散磨損

切削時(shí)，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等，可在刀具表面刻劃出溝紋，這就是磨料磨損。5.相變磨損4.化學(xué)磨損二、刀具磨損的原因86

切削時(shí)，切屑、工件與前、后刀面之間存在很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，形成新鮮表面接觸而發(fā)生冷焊粘結(jié)。由于切屑在滑移過程中產(chǎn)生剪切破壞，帶走刀具材料，從而造成粘結(jié)磨損。1.硬質(zhì)點(diǎn)磨損2.粘結(jié)磨損3.擴(kuò)散磨損5.相變磨損4.化學(xué)磨損二、刀具磨損的原因87

在切削高溫下，使工件與刀具材料中的合金元素在固態(tài)下相互擴(kuò)散置換造成的刀具磨損，稱為擴(kuò)散磨損1.硬質(zhì)點(diǎn)磨損2.粘結(jié)磨損3.擴(kuò)散磨損5.相變磨損4.化學(xué)磨損二、刀具磨損的原因88

在一定溫度下，刀具材料與某些周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨損，稱為化學(xué)磨損。1.硬質(zhì)點(diǎn)磨損2.粘結(jié)磨損3.擴(kuò)散磨損5.相變磨損4.化學(xué)磨損二、刀具磨損的原因89

當(dāng)切削溫度達(dá)到或超過刀具材料的相變溫度時(shí)，刀具材料中的金相組織將發(fā)生變化，硬度顯著下降，引起的刀具磨損稱為相變磨損。1.硬質(zhì)點(diǎn)磨損2.粘結(jié)磨損3.擴(kuò)散磨損5.相變磨損4.化學(xué)磨損二、刀具磨損的原因6.熱電磨損7.塑性變形901.刀具磨損過程初期磨損階段（Ⅰ）正常磨損階段（Ⅱ）劇烈磨損階段（Ⅲ）2.刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的具體數(shù)值可從切削用量手冊(cè)中查得。圖3-30三、刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)91國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦硬質(zhì)合金外圓車刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，可以是以下任何一種：（1）VB=0.3mm；（2）如果主后刀面為無規(guī)則磨損，取VBmax=0.6mm；（3）前面磨損量KT=0.06+0.3f（f為進(jìn)給量）在金屬切削的科學(xué)研究中多數(shù)按后刀面磨損寬度VB來制定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的兩點(diǎn)考慮：①充分利用正常磨損階段的磨損量，適用于粗加工和半精加工。②根據(jù)加工精度和表面質(zhì)量要求規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。921.刀具耐用度的定義刀具耐用度（現(xiàn)稱刀具壽命）是指一把刃磨好的新刀從投入使用直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間。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幾何參數(shù)是否合理的重要參數(shù)。四、刀具耐用度及其經(jīng)驗(yàn)公式932.切削用量對(duì)刀具耐用度的影響（1）切削速度與刀具壽命的關(guān)系各種切削速度下的刀具磨損曲線（圖3－31）刀具T—v關(guān)系曲線（圖3－32），該直線方程為：Lgv=-mlgT+lgA式中，m=tgφ，即該直線的斜率；A—當(dāng)T＝1s（或1min）時(shí)直線在縱坐標(biāo)上的截距。V=A/Tm94V=A/TmT-V關(guān)系式反映了切削速度與刀具耐用度之間的關(guān)系，是選擇切削速度的重要依據(jù)。指數(shù)m表示切削速度對(duì)刀具耐用度的影響程度。高速鋼：m=0.1~0.125；硬質(zhì)合金：m=0.2~0.3;陶瓷刀具：m=0.4。（1）切削速度與刀具壽命的關(guān)系952）進(jìn)給量、被吃刀量與刀具壽命的關(guān)系f=B/Tnap=C/Tp綜合以上三式，可以得到切削用量與壽命的關(guān)系：T=CT/vcxfyapx

用YT15硬質(zhì)合金車刀切削σb＝0.63GPa的碳鋼時(shí)，切削用量與刀具壽命的關(guān)系式為：T=CT/vc5f2.25ap0.7596確定合理刀具壽命的兩種方法：最大生產(chǎn)率壽命最低成本壽命一般情況下，應(yīng)采用最低成本壽命，當(dāng)任務(wù)緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡環(huán)節(jié)時(shí)，可采用最大生產(chǎn)率壽命。圖3－33五、刀具壽命的選擇原則97復(fù)雜的、高精度的、多刃的刀具耐用度應(yīng)選得比簡(jiǎn)單的、低精度的、單刃的刀具高。對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí)間短，為使切削刃始終處于鋒利狀態(tài)，刀具耐用度可選得低些。對(duì)于換刀、調(diào)刀比較復(fù)雜的數(shù)控刀具、自動(dòng)線刀具以及多刀加工時(shí)，刀具耐用度應(yīng)選得高些，以減少換刀次數(shù)，保證整機(jī)和整線的可靠工作。精加工刀具切削負(fù)荷小，刀具耐用度應(yīng)比粗加工刀具選得高些。大件加工時(shí)，為避免一次進(jìn)給中中途換刀，刀具耐用度應(yīng)選得高些。98刀具幾何參數(shù)合理選擇刀具幾何參數(shù)能提高刀具壽命。刀具材料刀具材料是影響刀具壽命的重要因素，合理選用刀具材料，采用涂層刀具材料和使用新型刀具材料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具壽命和提高切削速度的重要途徑之一。工件材料工件材料的物理力學(xué)性能也是影響刀具壽命的重要因素，工件材料的強(qiáng)度、硬度和韌性越高，延伸率越小，切削時(shí)均能使切削溫度升高，刀具壽命降低。切削用量六、影響刀具壽命的因素T=CT/vcxfyapx99合理刀具耐用度的選擇原則100刀具的破損脆性破損碎斷崩刃裂紋破損剝落塑性破損高速鋼刀具防止刀具破損的措施：101圖3-27刀具的磨損形態(tài)102圖3-29切削速度對(duì)刀具磨損強(qiáng)度的影響1-硬質(zhì)點(diǎn)磨損；2-粘結(jié)磨損；3-擴(kuò)散磨損；4-化學(xué)磨損103圖3-30刀具的磨損過程104圖3－31各種切削速度下的刀具磨損曲線105圖3－32在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的T—v曲線106圖3－33刀具壽命對(duì)生產(chǎn)率和加工成本的影響107108工件材料的切削加工性是指對(duì)某種材料進(jìn)行切削加工的難易程度。一、衡量材料切削加工性的指標(biāo)1.以刀具耐用度T或一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性2.以切削力或切削溫度3.以加工表面質(zhì)量4.以切屑控制或斷屑的難易第五節(jié)

工件材料的切削加工性109一般用相對(duì)加工性Kv來衡量工件材料的可切削加工性。通常以σb=0.637GPa的45鋼的υ60（表示刀具壽命為60min時(shí)所允許的切削速度）為基準(zhǔn)，寫作(υ60)j。將其它工件材料的υ60與之相比，其比值即為相對(duì)加工性Kv，即Kv=υ60/(υ60)j

當(dāng)Kv

＞1時(shí)，該材料比45鋼容易切削，例如有色金屬Kv

＞3；當(dāng)Kv

＜1時(shí)，該材料比45鋼難切削，例如高錳鋼、鈦合金Kv≤0.5，均屬難加工材料。材料切削加工性等級(jí)，表3－2110

要改善工件材料的切削加工性，可通過熱處理方法，改變材料的金相組織和物理力學(xué)性能，也可通過調(diào)整材料的化學(xué)成分等途徑。生產(chǎn)實(shí)際中，熱處理是常用的處理方法。二、改善工件材料切削加工性的途徑111112

切削液的冷卻作用主要靠熱傳導(dǎo)帶走大量的切削熱，從而降低切削溫度，提高刀具壽命；減少工件、刀具的熱變形，提高加工精度；降低斷續(xù)切削時(shí)的熱應(yīng)力，防止刀具熱裂破損等。1.切削液的冷卻作用2.切削液的潤(rùn)滑作用3-6切削液3.切削液的清洗作用一、切削液的作用機(jī)理1131.切削液的冷卻作用2.切削液的潤(rùn)滑作用3-6切削液使用切削液后，切屑、工件與刀面之間形成完全的潤(rùn)滑油膜，成為流體潤(rùn)滑摩擦，此時(shí)摩擦系數(shù)很?。粚?shí)際情況是屬于邊界潤(rùn)滑摩擦，其摩擦系數(shù)大于流體潤(rùn)滑，但小于干摩擦。圖3－34

3.切削液的清洗作用一、切削液的作用機(jī)理114

用以改善在較低溫度下切削液的潤(rùn)滑性能。

1.油性添加劑

2.極壓添加劑比油性添加劑能耐較高的溫度。為改善切削液性能所加入的化學(xué)物質(zhì)，稱為添加劑。

3.表面活性劑二、切削液的添加劑115

由于表面活性劑分子的極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)可分別溶于水和油，從而把水和油連接起來，即起到乳化作用；此外還能吸附在金屬表面上形成潤(rùn)滑膜起潤(rùn)滑作用。

1.油性添加劑

2.極壓添加劑

3.表面活性劑二、切削液的添加劑116水溶液乳化液水溶性切削液有良好的冷卻作用和清洗作用。（2）水溶性切削液

切削油固體潤(rùn)滑劑非水溶性切削液主要起潤(rùn)滑作用。（1）非水溶性切削液1.切削液的分類三、切削液的分類與選用1172.切削液的選用按工件材料選用按刀具材料選用按加工方法選用加工鋼等塑性材料時(shí)，需要切削液；加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，不用切削液。118按工件材料選用按刀具材料選用按加工方法選用高速鋼刀具耐熱性差，粗加工時(shí)應(yīng)選用以冷卻作用為主的切削液，以降低切削溫度；在精加工時(shí)應(yīng)使用潤(rùn)滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液，以提高加工表面質(zhì)量。硬質(zhì)合金刀具由于耐熱性好，一般不用切削液；2.切削液的選用119按工件材料選用按刀具材料選用按加工方法選用對(duì)半封閉、封閉加工，選用極壓乳化液或極壓切削油，以對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑和對(duì)切屑沖洗。磨削加工時(shí)，由于磨削區(qū)溫度很高，磨屑會(huì)破壞已磨削表面質(zhì)量,要求切削液具有良好的冷卻、清洗、排屑和防銹性能，一般選用乳化液。2.切削液的選用120常用切削液及其選用：1）水溶液—水+防銹劑、清洗劑、油性添加劑——磨削、粗加工2）乳化液——乳化油+水——車削、鉆削、攻螺紋3）切削油——礦物油、+動(dòng)植物油—滾齒、插齒、車螺紋、一般精加工4）極壓切削油——切削油+硫、氯和磷極壓添加劑——難加工材料的精加工

121澆注法噴霧冷卻法3.切削液的使用方法122圖3－34金屬間邊界潤(rùn)滑摩擦

Ff－摩擦力123

合理切削用量是指使刀具的切削性能和機(jī)床的動(dòng)力性能得到充分發(fā)揮，并在保證加工質(zhì)量的前提下，獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量。3-5切削用量的選擇一、選擇切削用量的原則124P＝1/tm式中，dw—車削前的毛坯直徑（mm）；Lw—工件切削部分長(zhǎng)度（mm）；Δ—加工余量（mm）；nw—工件轉(zhuǎn)速（r/min）。P=A0vfap

1、切削用量同加工生產(chǎn)率的關(guān)系（公式）125利用上式，選用一定的切削條件進(jìn)行計(jì)算，可以得到如下的結(jié)果：

用YT15硬質(zhì)合金車刀切削σb＝0.63GPa的碳鋼時(shí)，切削用量與刀具壽命的關(guān)系式為：T=CT/vc5f2.25ap0.75P=A0vfap

切削用量同加工生產(chǎn)率的關(guān)系：126

利用上式，選用一定的切削條件進(jìn)行計(jì)算，可以得到如下的結(jié)果：

（1）f保持不變，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐用度，則vc必須降低15％，此時(shí)生產(chǎn)率P3ap≈2.6P，即生產(chǎn)率提高至2倍。（2）ap保持不變，f增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，則vc必須降低32％，此時(shí)生產(chǎn)率P3ap≈2P，即生產(chǎn)率提高至2倍。（3）切削速度高過一定的臨界值時(shí)，生產(chǎn)率反而會(huì)降低。由此可見，增大ap比增大f更有利于提高生產(chǎn)率。127首先選取盡可能大的被吃刀量；其次根據(jù)機(jī)床動(dòng)力和剛性限制條件或加工表面粗糙度的要求，選取盡可能大的進(jìn)給量；最后利用切削用量手冊(cè)選取或者用公式計(jì)算確定切削速度。

2、選擇切削用量的原則128粗加工時(shí)，一次走刀盡可能切除全部余量。半精加工時(shí)，背吃刀量取為0.5～2mm。精加工時(shí)，背吃刀量取為0.1～0.4mm1、背吃刀量的選定2、進(jìn)給量的選定生產(chǎn)實(shí)際，多采用查表法確定進(jìn)給量。粗加工時(shí)，進(jìn)給量由機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀具強(qiáng)度與剛性、工件的裝夾剛度決定。精加工時(shí)，進(jìn)給量由加工精度和表面粗糙度決定。二、背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度值的選定1293、切削速度的選定在ap、f值選定后，根據(jù)合理的刀具耐用度或查表來選定車削速度。切削用量三要素與壽命的關(guān)系：T=CT/vcxfyapx130在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則是：（1）粗車時(shí)，

ap、f較大，故選擇較低的v精車時(shí)，ap

、f均較小，故選擇較高的v（2）工件材料強(qiáng)度、硬度高時(shí)，應(yīng)選較低的v（3）切削合金鋼比切削中碳鋼切削速度應(yīng)降低20％～30％；切削調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼比正火、退火狀態(tài)鋼要降低20％～30％；切削有色金屬比切削