1、技能训练应知篇技能训练应知篇项目四、金属切削过程项目四、金属切削过程及其基本规律及其基本规律金属切削过程是指从工件表面切除多余金属、形成已加工表面的过程，该过程也是切屑形成的过程。伴随着切屑和已加工表面形成，切削过程中会产生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切削力、切削热和刀具磨损等各种物理现象。了解与掌握金属切削变形过程，能够促进切削加工技术发展和进步，是保证加工质量，降低生产成本，提高生产率的基础。第一节第一节金属切削的变形过程金属切削的变形过程一、切削变形一、切削变形1 1变形区的划分变形区的划分金属切削变形过程也是切屑形成的过程。在金属切削过程中，被切削金属层经受刀具的挤压作用，发生弹性变形
2、和塑性变形形成切屑排出。通常金属切削变形过程可用滑移线和流线表示，滑移线即等切应力曲线，流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。金属切削变形过程分为三个变形区。（1 1）第一变形区第一变形区（也写成第I变形区）由OA线和OM线围成的区域I被称为第一变形区，也称剪切滑移区，是切削过程中产生塑性变形、形成切屑的主要区域。OA表示始滑移线，OM表示终滑移线。在一般切削速度下，第一变形区宽度仅为0.020.2mm。可用一个平面OM （剪切面）表示第一变形区。剪切面OM与切削速度方向的夹角称为剪切角。图图4-1金属切削过程中的金属切削过程中的滑移线和流线示意图滑移线和流线示意图（2 2）第二变
3、形区第二变形区（也写成第II变形区）是指刀-屑接触区域II。切屑沿前刀面流出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，切屑卷曲，使朝向前刀面的切屑底层金属呈纤维化，流线方向基本上和前刀面平行。（3 3）第三变形区第三变形区（也写成第III变形区）指刀-工接触区域III。已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，产生径向和切向弹性与塑性变形，造成工件已加工表层晶粒纤维化与加工硬化。三个变形区里的切削变形互相牵连，切削变形是整体行为，是在极短时间内完成的。2 2切削变形过程描述切削变形过程描述切削层金属以切削速度向切削刃逼近，进入第一变形区后开始产生弹、塑性变形，当其剪切应力达到材料屈服强度时，晶粒
4、被伸长成纤维状，当材料移动到切削刃处时，刀尖以上部分沿前刀面流出，成为刀屑；刀尖以下很小一部分进入第三变形区后沿后刀面流出，其间经过进一步的弹塑性变形，金属纤维越拉越长、也越细，最后被拉断，成为已加工表面层的一部分；工件里层的材料只发生弹性变形和弹性恢复。可见，已加工表面层受到挤压、摩擦、变形、切削热等作用。当刀具和工件开始接触时，被切削层金属受到刀具的挤压，内部产生应力和弹性变形；随着切削刃与前刀面对工件材料挤压作用增强，材料内部应力和变形增大，当剪切应力达到材料的屈服强度s时，材料将沿着与切削主应力方向成45的剪切面滑移，即产生塑性变形；剪切应力随着滑移量增加而增加，当剪切应力超过材料的强
5、度极限时，切削层金属与基体分离，从而形成切屑沿前刀面流出。第一变形区变形的主要特征是沿滑移面的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。如下图4-2所示。当切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压与摩擦，使得靠近前刀面的切屑底层金属再次产生剪切变形，晶粒再度伸长，沿着前刀面的方向纤维化。它的变形程度比切屑上层严重几倍到几十倍。总之，切屑形成过程，就其本质来说，是被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，经受挤压而产生剪切滑移变形的过程。图图4-2切屑的形成过程切屑的形成过程三、切屑的形态三、切屑的形态由于工件材料性质和切削条件的不同，切削变形程度也不同，产生的切屑也是多种多样。归纳起来，切屑形态主要分为以下
6、四种类型：a)带状切屑带状切屑b)挤裂切屑挤裂切屑c)单元切屑单元切屑d)崩碎切屑崩碎切屑图图4-3四种常见的四种常见的切屑形态切屑形态1 1带状切屑带状切屑切屑成较长的带状，这是一种切削塑性钢材时最常见的切屑。它的切削速度较高，切削厚度较薄，刀具前角较大，切削过程较平稳，切削力波动较小，所获得的已加工表面粗糙度较小。朝向前刀面的切屑底层表面光滑，而外表面呈细小毛葺状。2 2挤裂切屑挤裂切屑（又称节状切屑）切屑底面有裂纹，外表面呈锯齿形。它出现在以较低速度和较大厚度加工塑性金属材料时，它出现的切削过程剪切应变较大，切削力波动大，易发生颤振，已加工表面粗糙度较大。3 3单元切屑单元切屑（又称粒状
7、切屑）采用极低的切削速度和大的切削厚度，以及小前角或负前角切削塑性材料时，切削变形极大，可能在整个剪切平面上的剪应力超过材料断裂强度，挤裂切屑便被切离成单元状。其切削过程更不稳定，工件表面质量更差。此种切屑很少见。以上三种切屑是在加工塑性材料时得到的，同样的工件材料，只是切削条件不同，切屑形态就随着切削条件改变而发生了转化。4 4崩碎切屑崩碎切屑属于加工抗拉强度较低的铸铁等脆性材料时出现的切屑，工件材料越脆，切削厚度越大，越容易出现这种切屑。崩碎切屑由于挤裂或脆断呈不规则状，加工表面不平。四、切削变形程度的衡量四、切削变形程度的衡量衡量切削变形常用切削变形系数h、剪切应变和剪切角 作为衡量切削
8、变形程度的指标。1 1切应变切应变（也称剪应变或相对滑移）它是反映切削变形中金属滑移本质的系数，切削层中mn线滑移至mn 位置时的瞬时位移为y，实际上y的值很小，滑移量为s。滑移量s越大，说明变形越严重。由右图所示几何关系可得出以下相对滑移关系表达式：图图4-4 剪切变形示意剪切变形示意由上图所示几何关系可将相对滑移表示为：=s/y=(np+pn)/MP=cot+tan(-o)经整理得：由上式可知，当前角o和剪切角增大时，剪应变相应地减小，即切削变形减小。公式给出了一个有益的提示，即通过对刀具前角o的改变是可以对切削过程中的工件材料变形实行主动控制的。剪切角的大小是由材料属性和切削条件所决定的
9、，可见，工件材料已定的情况下，改变切削条件（用量）也能控制变形。oocossincos2 2切削变形系数切削变形系数h切削变形系数h用以表示切屑外形尺寸变化的程度，可用切屑厚度变形系数ha或长度变形系数hl来表示。式中符号参见下图4-5所示。通常，切削加工中，切屑厚度都要大于切削层的厚度，切屑长度总是小于切削层长度。据此事实可以切削变形系数h来衡量切削变形程度。图图4-5切削变形系数切削变形系数h的计算参数的计算参数1chchlLL1Dchhahh1hlhah由上图所示的几何关系还可推算出剪切角与变形系数h之间的关系，有经变换后，有也可推算h与的关系，有切削变形系数h1，直观地反映了切削变形的
10、程度，且容易测量。h值越大，表示切削变形程度越大。刀具前角增大，剪切角增大，则切削变形系数h减小，切削变形也随之减小。oosincostanhoo2cos1sin2hhhsin)cos(sin)cos(ooOMOMhhDchh3 3剪切角剪切角 剪切角与切削变形有着十分密切的关系。剪切角值越大，反映出的切削变形程度越小。金属产生滑移变形时，最大剪应力出现在剪切面上。根据外力主应力方向与最大剪应力方向夹角为45的原理，有式中 刀-屑摩擦角；o刀具前角。上式即李和谢弗(Lee and Shaffer)公式。o4图图4-6直角切削时力与直角切削时力与角度的关系角度的关系以上是根据主应力方向与最大剪应
11、力方向夹角为45的原理得出的剪切角 计算公式。下面根据切削力合力最小原理计算剪切角：上式即麦钱特(M.E.Merchant)公式。以上公式定性准确，但定量上与事实有出入。剪切角剪切角 的讨论：的讨论：（1）当o增大时，随之增大，变形减小。切削刃强度许可时，增大o有利于切削。（2）当增大时，随之减小，变形增大。切削时应尽量减小刀-屑摩擦系数。224o1 1刀刀-屑接触面上的摩擦特性及摩擦系数屑接触面上的摩擦特性及摩擦系数当切屑流经前刀面时，强烈的挤压作用和剧烈的变形，会产生高温和高压，使切屑底面与前刀面形成粘结和发生剧烈的刀-屑摩擦，这种摩擦与一般固体金属接触面间的摩擦形式不同。它影响切削变形、
12、切削力、切削热和刀具磨损等现象；从而影响工件已加工表面的质量。图图4-7刀刀-屑接触面上屑接触面上的摩擦特性的摩擦特性（1）刀）刀-屑接触区内的摩擦特点屑接触区内的摩擦特点在切削塑性金属材料时，在切屑流经前刀面滑出的过程中，在刀-屑接触面间的部分区域内，切屑底部严重塑性变形并粘结在前刀面上，使得刀-屑接触面间的摩擦不再是外摩擦，而是粘结层与金属层间的内摩擦。切削时，前刀面上的刀-屑接触区实际上存在着两个区域，即滑动区和粘结区，见图4-7，摩擦特性图示。在粘结区内的摩擦为内摩擦，该处所受的剪应力等于材料的剪切屈服强度s，即=s；在滑动区内的摩擦性质为外摩擦，该处所受的剪应力由s逐渐减小到零。在整
13、个刀-屑接触区内的正应力分布情况是，在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上的正应力越小，并逐渐减小到零。在前刀面刀-屑接触区内，各点的正应力和切应力是不相等的，所以，前刀面上各点的摩擦状态是不同的，刀-屑摩擦系数也是变化的。且内摩擦系数远远大于外摩擦系数的值。一般切削条件下，来自粘结区的摩擦力约占切削过程中总摩擦力的85%，可见，内摩擦在刀-屑接触摩擦中起了主要作用，所以，研究前刀面摩擦时应以内摩擦为主，这也是切削摩擦不服从古典滑动摩擦法则的原因。（2 2）前刀面上的平均摩擦系数）前刀面上的平均摩擦系数令代表前刀面上的平均摩擦系数，则按内摩擦的规律可得由于s和av都是变量，因此，平均摩擦系数也是
14、一个变量，切削钢材时的变化范围在0.21.2之间，这也说明了前刀面上内摩擦的摩擦系数变化规律不同于古典法则对一般固体接触表面间外摩擦情况的定义描述。平均摩擦系数在滑动区和粘结区内各自的本质是不同的。各点的数值也只能由实验确定。avsavfsfnfAAFF2 2积屑瘤积屑瘤在切削速度不高、又能形成带状切屑的情况下加工塑性较大的金属材料时，常常有一些从切屑和工件上下来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成包覆着切削刃的硬度很高的楔块，能代替刀面和切削刃进行切削，这一小硬块称为积屑瘤。它是由于剧烈的摩擦和变形造成冷焊而层积形成于第二变形区内，它的硬度约为工件材料硬度的23.5倍。积屑瘤积屑瘤图图4-8积屑
15、瘤积屑瘤（1 1）积屑瘤的形成过程）积屑瘤的形成过程对于积屑瘤的成因尚有不同的解释，通常认为是切屑底层材料在前刀面流过时与之发生粘结（亦称为冷焊）、不断进行层积的结果。在切削过程中，在一定的温度和压力下，切屑底层金属与前刀面发生粘结并形成滞流层，滞流层金属流动时产生内摩擦，发生很大塑性变形和加工硬化，这部分金属被阻滞并与前刀面粘结，逐渐扩大，形成积屑瘤。积屑瘤的存在是一个动态过程：起初是局部形成，层层增高，最终到一定高度后脱落；经历了一个生成、长大、脱落的周期性过程。（2 2）积屑瘤对切削过程的影响）积屑瘤对切削过程的影响它对切削过程既有积极影响，也有消极作用。1）保护刀具积屑瘤包围着切削刃，
16、并覆盖一部分前刀面，能够减少刀具磨损；2）增大前角积屑瘤通常具有约30左右的前角，因而减少了切削变形，降低了切削力；3）增大切削厚度积屑瘤包覆并伸出切削刃，使切削厚度增加，这时的切削厚度随着积屑瘤的不规则变化而变化，影响加工尺寸精度；4）增大表面粗糙度也是由于积屑瘤的生成与脱落等不规则变化引起加工表面粗糙不平。显然，积屑瘤对精加工不利，对粗加工有利。（3 3）影响积屑瘤形成的因素）影响积屑瘤形成的因素1）工件材料塑性大，加工时产生积屑瘤的可能性大，加工脆性材料时，一般不产生积屑瘤；2）切削速度过高或过低都不会产生积屑瘤，中等速度范围内最易产生，如图4-9所示；切削速度是通过切削热变化来体现出对
17、积屑瘤形成的影响的；3）刀具前角大，能减小切屑变形和切削力，降低切削温度，能抑制积屑瘤产生或减小积屑瘤的高度；4）切削液可减少切削热和改善摩擦，抑制积屑瘤产生。图图4-9切削速度对切削速度对积屑瘤的影响积屑瘤的影响（4 4）控制积屑瘤的措施）控制积屑瘤的措施通过对影响积屑瘤形成因素的分析可知，可采用以下措施针对积屑瘤的产生加以控制：1）采用正火或调质等热处理手段改善工件材料性能，避免或减少积屑瘤的产生或长大；2）选择合适的切削速度，避免在1525m/min（最易形成积屑瘤的速度段）范围内切削，以免为积屑瘤的形成制造适合的条件；3）采用大前角切削，能减小刀-屑接触面间压力和摩擦，抑制积屑瘤产生或
18、减小其高度；4）使用切削液，可冷却润滑、减少摩擦、减少切削热，能抑制积屑瘤产生或减小其高度。六、已加工表面变形与加工硬化六、已加工表面变形与加工硬化加工硬化亦称冷作硬化，它是在第III变形区内产生的物理现象。切削过程中，在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用下，已加工表面层的金属晶粒会产生扭曲、挤紧和破碎。这种经过严重塑性变形使表面层硬度增高的现象称为加工硬化加工硬化。图图4-10已加工表面层已加工表面层内晶粒的变化内晶粒的变化金属材料经硬化后提高了屈服强度，并在已加工表面上出现显微裂纹和残余应力，降低材料疲劳强度，使刀具使用寿命下降。衡量加工硬化程度的指标衡量加工硬化程度的指
19、标有：加工硬化程度N 和硬化层深度hy。加工硬化程度N是表示已加工表面显微硬度H1与金属材料基体显微硬度H之间的相对变化率，即材料的塑性越大，金属晶格滑移越容易，以及滑移面越多，硬化越严重。例如，不锈钢和高锰钢的硬化程度常常超过200%。%1001HHHN生产中常用的减轻加工硬化程度的措施：减轻加工硬化程度的措施：（1）磨出锋利切削刃在刃磨切削刃时，尽量减小钝圆半径，使加工硬化程度降低；（2）增大前角或增大后角减小楔角，使切削刃钝圆半径减小，切削变形随之减小；（3）减小背吃刀量ap减少切入深度，使切削力减小，切削变形小，硬化程度减轻；（4）合理选用切削液浇注切削液可减小刀具后刀面与加工表面之间
20、的摩擦，改善已加工表面受力状况，使硬化层深度减小。影响切削变形的主要因素有以下4个：1 1工件材料工件材料工件材料强度和硬度越大，则切削变形系数越小。因为材料的强度和硬度增大，会使切削热增加，材料的剪切屈服强度s降低，刀-屑接触长度变短，摩擦系数减小，使剪切角 增大，因而切削变形系数h减小。2 2刀具前角刀具前角o前角越大，切削刃越锋利，前刀面对切削层挤压作用越小，剪切角增大，切削变形减小。过份增大前角对摩擦和刀具强度不利。3 3切削速度切削速度vc在有积屑瘤切削速度范围内(vc50m/min时，vc增大，因切削热增高，使切削力减小。3 3刀具几何参数刀具几何参数o和r增大，切削力减小，前角o
21、影响最明显；r改变还影响进给力和背向力分配比例。4 4其它因素其它因素刀具材料与被加工材料的摩擦系数直接影响摩擦力，影响切削力。刀具磨损大，切削力增大。第三节第三节切削热与切削温度切削热与切削温度切削热是切削过程中的又一重要物理现象。切削热增多，使工件产生热变形，直接影响工件的加工精度和表面质量以及刀具的使用寿命。切削温度是切削热产生与传散综合结果的度量。一、切削热的产生和传出一、切削热的产生和传出切削时，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全部转换为热能。切削热由切屑、工件、刀具以及周围介质按各自特性以一定的比例传导出去。图图4-14切削热的来源切削热的来源三个变形区就是三个发热源，切削热来自变形
22、与摩擦能量转换。根据热力学平衡原理，切削过程中产生的热量和传散热量相等，即Qs+Qr=Qc+Qt+Qw+Qm式中Qs工件材料弹、塑性变形产生的热；Qr刀-屑、刀-工摩擦产生的热量；Qc切屑带走的热量；Qt刀具传散的热量；Qw工件传散的热量；Qm周围介质带走的热量。影响切削热传导的主要因素是工件和刀具材料导热系数以及周围介质的状况。二、切削温度及其测定方法二、切削温度及其测定方法1 1切削温度切削温度切削温度是指切削过程中切削区域中测得的温度。通过切削温度可表征切削过程中切削热产生与传散对加工质量与刀具磨损的影响。2 2切削温度的测定切削温度的测定 切削温度的确定以及切削热在切屑、工件、刀具中的
23、分布，可利用热传导和温度场计算确定，但结果不理想；常通过实验方法测定。测量切削温度的方法很多，常用的有自然热电偶法、人工热电偶法、热敏涂色法、热幅射法和远红外线法等现代测试手段。在生产和实验中所采用的最简单、方便和最常用的切削温度测量法是自然热电偶法。如下图4-15所示，在卧式车床上利用自然热电偶法测量切削温度的方法及其装置。1 1铜销铜销2 2车床主轴尾部车床主轴尾部3 3工件工件4 4刀具刀具5 5毫伏表毫伏表6 6铜顶尖（或集流环）铜顶尖（或集流环）图图4-15自然热电偶法测量切削温度示意图自然热电偶法测量切削温度示意图自然热电偶法测量切削温度的工作原理自然热电偶法测量切削温度的工作原理
24、：利用工件材料与刀具材料化学成分不同组成热电偶的两极。工件与刀具接触区内因切削热的作用使温度升高而形成热端，而刀具的尾部与工件的引出端保持室温而形成热电偶的冷端。这样，在刀具与工件的回路中便有热电动势产生。利用毫伏表或电位差计将电动势记录下来，根据预先标定的工件-刀具热电偶标定曲线，便可测得刀具与工件接触面上切削温度的平均值。3 3切削温度的分布切削温度的分布如图示，工件、切屑、刀具的切削温度分布组成一个温度场。温度场对刀具磨损部位、工件材料性能变化、已加工表面质量等都有影响。切削温度分布规律切削温度分布规律如下：1）剪切面上各点的温度几乎相同；2）前、后刀面上最高温度都不在刀刃上，而在离刀刃
25、有一定距离的地方；3）剪切区中，垂直剪切面方向温度梯度很大；4）切屑底层上的温度梯度很大。图图4-16刀具、切屑和工件刀具、切屑和工件的切削温度分布的切削温度分布三、影响切削温度的主要因素三、影响切削温度的主要因素1 1工件材料工件材料各种材料强度、硬度、塑性和导热系数不同，切削温度相差很大。工件材料强度和硬度、塑性愈大，切削温度升高。导热系数大、热量传散快，切削温度降低。2 2切削用量切削用量背吃刀量ap对切削温度影响较小。进给量增大，产生的热量增加，切削温度上升。切削速度vc增大，产生的热量增大，vc对切削温度的影响最为显著。切削温度是对刀具使用性能影响最大的因素，当条件许可时，选用较大的
26、ap和f比选用高的vc有利。3 3刀具几何参数刀具几何参数前角o增大，切削温度降低。主偏角r增大，刀具散热体积减小，切削温度会上升，r减小，切削温度下降。刀尖圆弧半径r增大，刀具传热能力增大，切削温度下降。4 4切削液切削液切削液对降低切削温度、减小刀具磨损、提高已加工表面质量效果明显。切削液导热率、比热容和流量愈大，浇注合理，冷却效果就好。5 5刀具磨损刀具磨损刀具磨损到一定程度，刀具磨损对切削温度的影响会增大，随着vc的提高，影响就更显著。第四节第四节刀具磨损与刀具使用寿命刀具磨损与刀具使用寿命刀具在切削过程中，在高温、高压条件下，刀具的前、后刀面分别不断地与切屑、工件表面接触，发生强烈的
27、摩擦与挤压，刀具材料会被逐渐磨损消耗或出现其它形式的损坏。一、刀具磨损方式一、刀具磨损方式刀具磨损分为正常磨损和非正常磨损两种形式。正常磨损是指刀具材料的微粒被工件或切屑带走的现象；非正常磨损是指由于冲击、振动、热效应等原因，致使刀具崩刃、破碎、断裂而损坏，这一现象也称为破损。1 1正常磨损正常磨损当刀具设计合理，制造、刃磨合格，使用正确时，刀具主要是由于正常磨损而逐渐钝化。正常磨损是机械的、热力的、化学的等综合作用的结果。正常磨损一般有以下三种形式：（1）后刀面磨损：后刀面磨损：后刀面与工件过渡表面之间存在着强烈的摩擦与挤压，在后刀面上切削刃附近很快被磨出一段后角为零的小棱面，后刀面磨损带往
28、往不均匀，还有边界磨损。图图4-17刀具的典刀具的典型磨损形式型磨损形式在各种切削过程中，都存在后刀面磨损。（2）前刀面磨损：前刀面磨损：切削塑性材料时，若切削速度vc和切削厚度hD较大时，前刀面摩擦大、溫度高，在前刀面上形成月牙洼磨损，月牙洼磨损会使切削刃强度逐渐下降。在vc和hD较小时切削塑性和脆性材料都不会出现月牙洼磨损。（3）前、后刀面同时磨损：前、后刀面同时磨损：这是兼有上述两种情况的磨损形式。如切削塑性材料时，当切削厚度与前两者相比较属于居中状态的情况下，常见的在切削刃两端磨出有较深沟纹的边界磨损，就属于前、后刀面同时磨损。a)后刀面磨损后刀面磨损b)月牙洼磨损月牙洼磨损图图4-1
29、8刀具磨损的测量位置刀具磨损的测量位置后刀面的磨损量的平均值VB常被用来表示刀具的磨损程度，而前刀面的磨损量一般用月牙洼磨损深度KT表示。2 2非正常磨损非正常磨损（也被称为破损破损）刀具的非正常磨损主要是指刀具的脆性破损（如比较常见的崩刃、破碎、断裂、剥落、裂纹破损等）和塑性破损（如比较少见的塑性流动等）两种失效形式。造成刀具出现非正常磨损的主要原因是由于刀具材料选择不合理，刀具结构和制造工艺不合理，刀具几何参数不合理、切削用量选择不当，以及刀具刃磨或使用时操作不当等。在切削过程中，刀具经历了（非常规的）冲击、振动、热效应等也会造成刀具出现非正常磨损。二、刀具磨损的形式及其原因二、刀具磨损的
30、形式及其原因刀具磨损的形式和原因主要有以下几种：1 1磨料磨损磨料磨损（又称为机械磨损）工件材料中硬度极高的硬质点在刀具表面上划出沟纹而形成的磨损。这类磨损形式存在于各种切削速度条件下，尤其是在低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。2 2粘结磨损粘结磨损（又称为冷焊磨损）切削塑性材料时，切削区内存在很大压力和强烈摩擦，切削温度也高，刀具形成新鲜表面，切屑或工件带走了新鲜表面局部强度较低的微粒。特别是发生在中等偏低速度下。3 3扩散磨损扩散磨损切削过程中，在高温、高压作用下，刀-工、刀-屑接触面上的一些化学元素如C、Co、W、Ti、Fe等互相扩散，使刀具材料中的化学成分比值发生改变，导致刀具
31、切削性能下降，加快了刀具磨损。切削温度是影响扩散磨损的主要因素，温度高，磨损快。4 4化学磨损化学磨损（又称为氧化磨损）在一定温度下，刀具材料与周围介质发生化学反应，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物而被切屑带走；或因刀具材料被某种介质腐蚀，造成了刀具的化学磨损。5 5相变磨损相变磨损用高速钢刀具切削时，当切削温度超过其相变温度（550600C）时，刀具材料的金相组织就会发生变化，如由回火马氏体转变为奥氏体，使刀具的硬度降低，磨损加快。相变磨损是高速钢刀具材料磨损的主要原因之一。6 6热电磨损热电磨损在高温作用下，刀具与工件材料形成热电偶，产生热电势，热电势有促进扩散的作用，使刀具表面层组织变
32、得脆弱，加速刀具磨损。刀具磨损的原因是复杂的，各类磨损因素是相互影响的，且并非仅有单一磨损形式存在。三、刀具的磨损过程和磨钝标准三、刀具的磨损过程和磨钝标准1 1刀具的磨损过程刀具的磨损过程在一定的切削条件下，刀具磨损随着切削时间的延长而增加。刀具磨损过程被分为三个阶段：（1）初期磨损阶段新刃磨的刀具表面因残留砂轮痕迹而较为粗糙，开始切削时磨损较快，一般经过研磨的刀具，初期磨损量较小，磨耗时间很短。初期磨损量的大小，与刀具刃磨质量直接相关。图图4-19硬质合金车刀硬质合金车刀的典型磨损曲线的典型磨损曲线（2）正常磨损阶段经初期磨损后，刀具表面上的粗糙不平已被磨平，光滑的刀具表面摩擦情况改善，磨
33、损比较均匀缓慢。后刀面上的磨损量将随切削时间的延长近似地成正比增加，该阶段是刀具的有效工作阶段。（3）急剧磨损阶段当刀具磨损达到一定限度后，工件已加工表面粗糙度值增大，刀-工和刀-屑摩擦加剧，切削力和切削温度猛增，磨损速度增加很快，往往会伴随着振动、噪音等的产生，致使刀具失去切削能力。刀具应避免在达到急剧磨损阶段时段后工作，在此之前，应更换新刀或重新刃磨。2 2刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度后就不能继续使用了，这个磨损限度被称为刀具的磨钝标准。ISO标准规定，以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB值作为刀具的磨钝标准。根据加工条件的不同，磨钝标准应有所变化，还可根据其它
34、信息决定刀具磨钝情况。自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为刀具的磨钝标准，被称为刀具径向磨损量NB值。图图4-20刀具的刀具的磨钝示意图磨钝示意图四、四、刀具使用寿命（刀具使用寿命（旧称刀具刀具耐用度）耐用度）1 1刀具使用寿命（刀具耐用度）的基本概念刀具使用寿命（刀具耐用度）的基本概念刀具使用寿命T是指一把新刃磨的刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止所经过的总（净）切削时间（单位为分钟）。刀具总使用寿命等于刀具使用寿命乘以重磨次数。2 2切削用量对刀具使用寿命的影响切削用量对刀具使用寿命的影响对于同一种材料的切削加工，当刀具材料、几何参数确定之后，对于刀具使用寿命的
35、影响主要是切削用量。由于理论分析与实际情况之间的数值差距较大，目前还是以实验方法，通过经验公式来确定刀具的使用寿命。早在20世纪初，美国工程师泰勒通过实验，推导出刀具使用寿命与切削用量的关系式：式中CT与刀具、工件材料、切削条件有关的系数；1/m、1/n、1/p寿命系数。对于采用硬质合金刀具材料车削45号碳素结构钢（b=0.637GPa）的情况，将相关数值代入到上式计算，可知此时切削用量三要素（vc、f、ap）与刀具使用寿命T之间的对应关系：ppnmTafvCT1111）其他条件不变时，切削速度vc提高一倍，刀具使用寿命T将降低到原来的3.125%；2）当其它条件不变时，若进给量f提高一倍，刀
36、具使用寿命T则降低到原来的21；3）当其它切削条件不变时，背吃刀量ap提高一倍，刀具使用寿命T降低到原来的78%。由此可见，切削用量三要素（vc、f、ap）对于刀具使用寿命T的影响程度相差很大。因此，在实际生产使用中，在使刀具使用寿命降低较少而又不影响生产率的前提下，应尽量选取较大的背吃刀量ap和较小的切削速度vc，并选择适中的进给量f。3 3影响刀具使用寿命的主要因素影响刀具使用寿命的主要因素影响刀具使用寿命的因素主要有以下几方面：1）刀具材料刀具材料的抗弯强度和硬度愈高，耐磨性和耐热性愈好，刀具抗磨损的能力就越强，刀具使用寿命也越高。2）刀具的几何参数前角o增大，刀具的摩擦、切削力减小，切
37、削热减少，使用寿命得以提高；但前角太大，散热条件变差，使用寿命反而降低。主偏角r和副偏角r减小、刀尖圆弧半径r增大，都会改善散热条件和提高刀尖强度，使刀具使用寿命得以提高。3）切削用量切削用量对刀具使用寿命的影响较为明显，切削速度vc对刀具使用寿命T的影响程度最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。在优选切削用量以提高生产率时，首先应尽量选用大的ap，然后根据加工条件和加工要求选取允许的最大进给量f，最后选取刀具使用寿命或机床功率所允许的最大vc。4）工件材料工件材料的强度和硬度愈高，导热性愈差，在切削过程中的切削力越大，切削热越高，刀具磨损越快，刀具使用寿命就愈低。工件材质的纯度和均匀度会对刀具非正常磨损（破损）带来很大影响。4 4合理选择刀具使用寿命合理选择刀具使用寿命刀具使用寿命对切削加工的生产率和生产成本有较大影响，应根据切削条件和生产技术条件制定合理的刀具使用寿命数值。通常，确定刀具合理使用寿命的方法有两种：一是根据单件工序工时最短的原则来确定刀具使用寿命，即刀具最大生产率使用寿命刀具最大生产率使用寿命Tp；二是根据单件工序成本最低的原则来制定刀具使用寿命，即刀具经济使用寿命刀具经济使用寿命Tc，也有文献称之为刀具最低生产成本使用寿命Tc。在一般情况下，刀具最大生产率使用寿命Tp的数值略低于刀具经济使用寿命Tc的数值。会员免费下载
