1、机械制造技术基础机械制造技术基础第第一一章章 切削加工基础切削加工基础1.1 切削加工基本概念切削加工基本概念1.2 刀具几何参数和刀具材料刀具几何参数和刀具材料1.3 切切屑形成机理屑形成机理1.4 切削力与切削功率切削力与切削功率1.5 切削热与切削温度切削热与切削温度1.6 刀具磨损破损和使用寿命刀具磨损破损和使用寿命 1.1 1.1 切削加工基本概览切削加工基本概览 一、研究究金属切削过程的意义和方法一、研究究金属切削过程的意义和方法1.研究金属切削过程的意义 金属切削过程是指刀具从工件表面切除多余材料形成切屑的过程。切削加工过程中被切除的多余材料称为切屑，切屑形成过程在不同的切削条件
2、下形成的机理不同，具有不同的切屑形态。卡片模型 2.研究金属切削过程的方法（1）侧面方格变形观察法（2）高频摄影法（3）快速落刀法（4）扫描电镜和透视电镜显微观察法（5）光弹性和光塑性实验法二、切削运动和切削用量二、切削运动和切削用量 2 2 切削用量切削用量1000ndvwc 3）切削深度（背吃刀量）ap2mwpdda 刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值。示例分析：加工过程三表面、进给量f和背吃刀量ap三、切削三、切削层参数层参数 在各种切削加工中，刀具相对于工件每移动(mm/r)或z(mm/z)，刀齿从工件上切下的一层材料。切削层参数图 hDsinr b
3、DpsinrADhDbD=p (mm)上面计算出的面积为名义切削面积(图中的ABCD)。实际切削面积ADE等于名义切削面积AD减去残留面积AD，即：ADEAD-AD残留面积AD是指切削刃从位置I移至位置II后，残留在已加工表面上的不平部分的剖面面积(图中的ABE)。ap、一定：kr越大，hD也越大，但bD越小；kr越小时，切削厚度hD越小越大，切削宽度bD越大。hD=sinkr bD=ap/sinkr AD=hD bD=ap hD、bD 均与主偏角kr有关；AD只与hD、bD或ap、有关。四、四、金属金属切除率切除率 金属切除率是指刀具在单位时间内从工件上切除的金属的体积，衡量金属切削加工效率
4、的指标。Zw=1000 AD Vav（mm3/s）()10002000wmwpn ddZfa车削：()pmpfnada钻削：24mwnfdZ扩孔：22()4mwwnf ddZ一、刀具结构和刀具角度一、刀具结构和刀具角度1 1 刀具的组成及切削部分的结构刀具的组成及切削部分的结构1.2 1.2 刀具几何参数和刀具材料刀具几何参数和刀具材料前提假设条件前提假设条件 对于车刀，为了便于测量，在建立刀具标注角度参考系时，特作如下两点假设：a.假设运动条件，不考虑进给运动的影响，即VC远远大于Vf ；b.假设安装条件，安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，且车刀刀杆中心线与工件轴心线垂直；主切削刃上选定点与
5、工件中心等高。（1 1）主剖面）主剖面参考系参考系(a)基面 pr 通过切削刃上选定点，垂直于该点切削速度方向的平面。(b)切削平面 ps 通过切削刃上选定点，垂直于基面并与主切削刃相切的平面。(c)主剖面po 通过主切削刃上选定点，同时垂直于该点基面 和切削平面 的平面。（2 2）主）主剖面（正交平面）参考系的建立剖面（正交平面）参考系的建立(a)确认刀具的主切削刃和副切削刃；(b)在切削刃上确定选定点；(c)确定选定点处主切削运动速度方向；(d)建立正交平面参考系中的基面；(e)建立正交平面参考系中的切削平面；(f)建立正交平面参考系中的主剖面（正交平面）。（3 3）法剖面参考系）法剖面参
6、考系基面Pr和切削平面Ps与主剖面里Pr、Ps相同；法剖面Pn：过切削刃上选定点垂直于切削刃S或其切线的平面；基面Pr与主剖面里Pr相同；进给剖面Pf：过切削刃上选定点，同时垂直于刀杆中心线与基面Pr的平面，平行于进给运动方向；切深剖面Pp：过切削刃上选定点，同时平行于刀杆中心线并垂直于基面Pr的平面，垂直于进给运动方向。（4 4）进给剖面和切深剖面参考系）进给剖面和切深剖面参考系 我国过去多采用主剖面参考系，我国过去多采用主剖面参考系，与欧洲标准相同，近年来参照国际标准ISO的规定，逐渐兼用主剖面参考系和法剖面参考系。进给、切深剖面参考系则常用于美、日标准中。（3 3）刀具工作角度参考系）刀
7、具工作角度参考系3 3 刀具标注角度刀具标注角度 主剖面参考系内的标注角度（1）在主剖面Po内的标注角度 1）前角：在主剖面Po内测量，前刀面A和基面Pr间的夹角。2）后角：在主剖面Po内测量，主后刀面A与切削平面Ps的夹角。（2）在基面Pr内的标注角度 1）主偏角：在基面Pr内测量，主切削刃S在基面Pr上的投影与进给运动方向的夹角。（3）在切削平面Ps内的标注角度 1）刃倾角：在切削平面Ps内测量，主切削刃S与基面Pr之间的夹角。对单刃刀具，刃倾角和主偏角确定了主切削刃在空间的方位，而前角和后角分别确定了前刀面A和后刀面A在空间的方位。对于前后刀面为平面型的外圆车刀，副切削刃上独立的角度是副
8、偏角和副后角，其定义如下：1）副偏角：在基面Pr内测量，副切削刃S在基面Pr上的投影与进给运动反方向的夹角。2）副后角：在副切削刃S上选定点的副剖面Po 内测量，副后刀面Aa 与副切削平面Ps 之间的夹角。4 4 刀具角度换算刀具角度换算1）法剖面与主剖面内前、后角的关系 soncostantansoncostantan2）任意剖面与主剖面内角度的关系 任意剖面 内的前角 为：pocostansintantantantantantanSoSoSoABDFABAEABDFAEABDCEFABDCBDABBC5 5 刀具刀具工作角度工作角度（1）横向进给运动对工作前、后角的影响dfvvcfoeoo
9、e/arctan/arctan0（2）纵向进给运动对工作前、后角的影响wcffffefffedfvvftan-tanooeooerfsintantan（a）刀尖高于工件轴线（不考虑进给运动）（3）刀具安装位置对工作角度影响pppepppe（b）刀尖低于工件轴线（不考虑进给运动）（4）刀柄中心线与进给运动方向不垂直rerrerkkGkkG二、刀具二、刀具材料材料1 刀具切削部分材料应具备的性能刀具切削部分材料应具备的性能（1）高的硬度 常温下，一般应该在 62HRC 以上。（2）高的耐磨性 材料硬度越高，耐磨性越好。（3）高的耐热性 刀具切削部分的材料是决定刀具切削性能优劣的关键因素之一。材料、
10、结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。年代刀具材料耐热性/（）切削速度大致比值1850碳素工具钢200-2500.32-0.401868合金工具钢300-4000.48-0.601898高速钢550-6001.00-1.201923-1925钨钴硬质合金8003.2-4.81929-1931钨钛钴硬质合金9004.0-8.01938氧化铝陶瓷12008.0-12.01968-1970TiC或TiN涂层WC硬质合金1957立方氮化硼1400-15001965人造金刚石700-80025（有色金属）表 刀具材料发展概况2 常用的刀具切削部分材料常用的刀具切削部分材料 选用刀具材料的注意点选
11、用刀具材料的注意点 加工一般材料：选用普通高速钢及硬质合金；加工难加工材料：选用新牌号硬质合金或高性能高速钢；加工高硬度材料或精密加工：选用超硬材料。3 3 刀具的分类刀具的分类 4 4 刀具切削部分材料与工件材料的性能匹配刀具切削部分材料与工件材料的性能匹配 刀具材料与加工工件材料存在一个合理匹配问题，它主要指两者的力学性能、物理性能和化学性能相匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削加工效率。（1）刀具材料与工件材料的力学性能匹配 （2）刀具材料与工件材料的物理性能匹配 （3）刀具材料与工件材料的化学性能匹配表 各种刀具材料所适合加工的工件材料 FABOM45a）正挤压正挤压FABOM45b
12、）偏挤压偏挤压OMFc）切削切削 金属挤压与切削比较一、金属切削变形过程一、金属切削变形过程1.3 1.3 切屑形成机理切屑形成机理1 切屑形成过程 三个变形区三个变形区 第一变形区第一变形区 第二变形区第二变形区 第三变形区第三变形区2 变形区的划分 以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为：变形的主要特征：变形的主要特征：剪切滑移变形剪切滑移变形 加工硬化加工硬化（1）第一变形区）第一变形区（剪切滑移剪切滑移区）区）（2）第二变形区）第二变形区（挤压摩擦区）（挤压摩擦区）（3）第三变形区第三变形区刃前区：刃前区：三个变形区汇集在切削
13、刃附近，此处的应力集中而复杂，被三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离切削层在此与工件本体材料分离（挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角3 3 切屑的受力分析切屑的受力分析sinDssAFAcos()soFFcos()cos()sincos()cDoooAFFsin()sin()sincos()pDoooAFFcos()sincos()sDooFAFtan()/opcFFtan 4 4 剪切角剪切角4o4o（1）根据材料力学平面应力状态理论）根据材料力学平面应力状态理论 （2）根据合力学最小理论：
14、）根据合力学最小理论：cos()sincos()sDooFAF422o 分析上式可知：分析上式可知：1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明，在保证切前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明，在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程削刃强度的前提下，增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。有利。2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过
15、程。于改善切削过程。4o422o切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层的变形程度。lchhDhchlC 切屑与切削层尺寸厚度变形系数Dchhhh长度变形系数CLchll 相对滑移模型：相对滑移模型：平行四边形平行四边形OHNM发生剪切变形后，变发生剪切变形后，变为平行四边形为平行四边形OGPM，其相对滑移，其相对滑移cottan()osNPNKKPyMKMK相对相对滑移滑移00cossincos()或二、切屑种类和卷断屑机理二、切屑种类和卷断屑机理1 切切屑形态（屑形态（从变形观点出发）从变形观点出发）1 带状切屑带状切屑2 挤裂挤裂(节状节状)切屑。切屑。产生
16、条件：加工塑性金属，且切削厚度较产生条件：加工塑性金属，且切削厚度较小，切削速度较高、刀具前角较大。小，切削速度较高、刀具前角较大。优点：切削过程平稳，切削力波动范围小，优点：切削过程平稳，切削力波动范围小，已加工表面粗糙度较小。已加工表面粗糙度较小。缺点：容易缠绕刀具或工件，影响加工过程。缺点：容易缠绕刀具或工件，影响加工过程。产生条件：加工塑性金属，在低速、切削产生条件：加工塑性金属，在低速、切削厚度较大、刀具前角较小厚度较大、刀具前角较小特点：切削过程不平稳，切削力有波动，特点：切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度较大。已加工表面粗糙度较大。带状切屑Real挤裂切屑Real3
17、单元单元(粒状粒状)切屑切屑产生条件：加工塑性金属，切削速度极产生条件：加工塑性金属，切削速度极低时，增大进给量，减小前角。低时，增大进给量，减小前角。特点：切削过程不平稳，切削力波动大，特点：切削过程不平稳，切削力波动大，已加工表面粗糙度大。已加工表面粗糙度大。粒状切屑Real切塑性材料切塑性材料 带状切屑带状切屑 挤裂切屑挤裂切屑 单元切屑单元切屑 4 崩碎切屑崩碎切屑 切脆性材料，工件材料越是脆硬、进切脆性材料，工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑。给量越大则越容易产生这种切屑。切削力的幅度小，但波动大，切削力的幅度小，但波动大，切削过切削过程不平稳，易损坏刀具，程不平稳，易
18、损坏刀具，已加工表面粗已加工表面粗糙。糙。应应0v hD崩碎切屑Real2.切屑的控制（1）切屑形状的分类 切屑按照其形成机理可分为上述4种形态，但有时为了满足切屑的处理及运输要求，还需按照切屑形状进行分类。切屑的形状大体有带状切屑、C形屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状卷屑、宝塔状卷屑等，如图所示：（2）卷屑机理自然卷屑。利用前刀面上形成的积屑瘤使切屑自然卷曲。如图1-27所示。2）卷屑槽与卷屑台。生产中常用的一种强迫卷屑方法，即在前刀面上磨出或在可转位刀片上制出合适的卷屑槽或按照附加的卷屑台，切屑与卷屑槽或卷屑台相互作用碰撞来达到卷曲的目的，如图1-28、图1-29所示。图1-27自然卷
19、屑机理 图1-28卷屑槽卷屑机理 图1-29卷屑台的卷屑机理（3）断屑机理加工过程中为了避免形成过长的切屑，最好是使切屑在一定的长度范围内就发生折断，从而来控制切屑的长度。常用的方法有：（1）使切屑卷曲后与工件表面相碰而折断。这种断屑方法可得到C形屑、发条状卷屑或宝塔状卷屑，如图1-30、图1-31所示。（2）使切屑卷曲后与刀具后刀面相碰而折断，可形成C形屑，如图1-32所示。图1-30发条状切屑碰到工件图1-31 C形屑撞在工件图1-32切屑碰到后刀面上折断的机理上折断的机理上折断的机理因此控制切屑的方法有因此控制切屑的方法有（1）采用断屑槽采用断屑槽 对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑
20、应变增大，切屑卷曲半径减小。对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。增大刀具主偏角增大刀具主偏角 切削厚度变大，有利于断屑。切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角减小刀具前角 可使切屑变形加大，切屑易于折断。可使切屑变形加大，切屑易于折断。即据实际条件适当选择切削用量。即据实际条件适当选择切削用量。刃倾角刃倾角 正值正值 切屑常卷曲后碰到后刀面折断切屑常卷曲后碰到后刀面折断 负值负值 切屑常卷曲后碰到已加工表面折断切屑常卷曲后碰到已加工表面折断 进给量进给量 切削厚度切削厚度 对断屑有利对断屑有利 加工表面粗糙度加工表面粗糙度 切削速度切削速度 切削变形切削变形 利于
21、断屑利于断屑 切除效率切除效率 nrsFArssrssrnnnsFAFCFFFrsasaFAPAsanAF 2.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 速度不高、切削塑性金属、形成带状速度不高、切削塑性金属、形成带状切屑，刀具和切屑间的压力和摩擦，使得切屑，刀具和切屑间的压力和摩擦，使得切屑冷焊并层积在前刀面上，形成硬度很切屑冷焊并层积在前刀面上，形成硬度很高的一块剖面呈三角状的硬块，其硬度是高的一块剖面呈三角状的硬块，其硬度是工件材料硬度的工件材料硬度的23倍，能够代替刀刃进倍，能够代替刀刃进行切削，并以一定的频率生长和脱落。这行切削，并以一定的频率生长和脱落。这硬
22、块称为硬块称为积屑瘤积屑瘤。（5）切削速度切削速度 2 2积屑瘤对切削过程的影响及其控制积屑瘤对切削过程的影响及其控制（1）增大刀具前角增大刀具前角 减小了切屑变形，降低切削力，使切削减小了切屑变形，降低切削力，使切削过程容易进行。过程容易进行。（2）增大切削厚度增大切削厚度 h hD D的变化导致切削厚度的变化，从的变化导致切削厚度的变化，从而导致切削力的波动和影响加工质量。而导致切削力的波动和影响加工质量。（3）增大已加工表面粗糙度增大已加工表面粗糙度 积屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平，外形极不规则，增大了已加工表积屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平，外形极不规则，增大了已加工表面的粗糙度，降
23、低了表面加工质量。面的粗糙度，降低了表面加工质量。1）积屑瘤对切削过程的影响）积屑瘤对切削过程的影响（4）对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响 积屑瘤积屑瘤 如生长稳定，起到了保护了刀具，提高了刀具的使用寿命的作如生长稳定，起到了保护了刀具，提高了刀具的使用寿命的作用；如频繁脱落，则加剧了刀具的磨损，降低了刀具的使用寿命。用；如频繁脱落，则加剧了刀具的磨损，降低了刀具的使用寿命。积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。在粗加工在粗加工时，可充分利用积屑瘤时，可充分利用积屑瘤,精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制精加工时必须防止积
24、屑瘤的产生，可采取的控制措施有：措施有：（2）使用润滑性能好的切削液使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。前刀面间的摩擦。（1）合理选用切削速度合理选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。（3）增大刀具前角增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。（4）降低工材塑性，降低工材塑性，适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。（5）减小进给量。减小进给量。1 1工件材料的影响工件材料的影响2 刀具前角的影响刀具前角的影响
25、A段：段：积屑瘤随着切削速度的增大逐渐积屑瘤随着切削速度的增大逐渐形成，前角逐渐增大，所以变形形成，前角逐渐增大，所以变形系数减小。系数减小。B段：段：积屑瘤随着积屑瘤随着vc的增大逐渐消失，前的增大逐渐消失，前角逐渐减小，所以变形系数增大。角逐渐减小，所以变形系数增大。积屑瘤消失，随着积屑瘤消失，随着vc的增大，切削温度增高，使切屑底层材料的剪的增大，切削温度增高，使切屑底层材料的剪切屈服强度切屈服强度ss下降，导致前刀面摩擦系数下降，导致前刀面摩擦系数减小，摩擦角随之减小，减小，摩擦角随之减小，剪切角增大，故变形系数减小。剪切角增大，故变形系数减小。C段：段：切削塑性金属时切削塑性金属时v
26、c是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数形系数 逐渐地减小。逐渐地减小。l）克服切削层材料和工件表面）克服切削层材料和工件表面层材料对层材料对弹性变形、塑性变形的弹性变形、塑性变形的抗力抗力。1.切削力的来源于：切削力的来源于：（一）切削力的来源、分力和作用（一）切削力的来源、分力和作用 2）克服刀具与切屑、刀具与工）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间件表面间摩擦阻力摩擦阻力所需的力。所需的力。rFcFFpFf pFf
27、Ff pFf pfv切削力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp背向力Ff进给力22222NCPfFcFFFFF切削力切削力F Fc c 最大，进给力最大，进给力F Ff f 次之，背向力次之，背向力F Fp p 最小最小 主偏角主偏角Kr的大小影响的大小影响 Fp 和和 Ff 的配置。的配置。当工艺系统刚性较差时，应尽可能使用当工艺系统刚性较差时，应尽可能使用大的主偏角刀具进行切削。大的主偏角刀具进行切削。目前常用的测力仪有电目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测阻式测力仪和压电式测力仪。力仪。2切削力的经验公式切削力的经验公式1切削力的理论公式切削力的理论公式cos()cos()sincos
28、()cDoooAFF1）切削力的测量）切削力的测量2）切削力的经验公式的建立（参冯之敬书）切削力的经验公式的建立（参冯之敬书）FcFcFpFpFfFfCFcPPFpPFFfPyxyxyxfC aFfC aFfC aF 测量仪测出切削力后，再将实验数据用图解法、线性回归等进行处理，其实质就是测定 FC、FP、Ff后，如何确定3个系数和6个指数。FcpFcCaPCfxyC aFfCFloglogloglogloglogpCaPCfFcFcFCxaFCyfF cF cCF cPyxfCaFFeFeFeFpFpFpFfFfFfCFeFcPCPFpFpPCFFfFfPCyxnyxnyxnfC avFKf
29、C avFKfC avFK3）切削力经验公式应用）切削力经验公式应用(指数公式)与实验条件不符的要考虑修正系数，切削力的获得是通过查表所得，是建立与实验条件不符的要考虑修正系数，切削力的获得是通过查表所得，是建立在前人实验的基础之上。在前人实验的基础之上。式中式中 C CFc Fc,C,CFp Fp,C,CFfFf 与工件、刀具材料有关系数；与工件、刀具材料有关系数；x xFc Fc,x,xFp Fp,x,xFfFf 切削深度对切削力影响指数；切削深度对切削力影响指数；y yFc Fc,y,yFp Fp,y,yFfFf 进给量对切削力影响指数；进给量对切削力影响指数；n nFc Fc,n,nF
30、p Fp,n,nFfFf 切削速度切削速度对切削力影响指数；对切削力影响指数；K KFc Fc,K,KFp Fp,K,KFfFf 考虑刀具几何参数、刀具磨损等因素影响考虑刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。的修正系数。（3）单位切削力）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的大小cFCcFCcFcFCyFpypFpyxpFDcfCfafaCfafaCAFp1上式表明，单位切削力p与进给量f 有关，它随着进给量f 增大而减小。单位切削力不受切削深度 的影响，这是因为切削深度改变后，切削力 Fc与切削层面积AD以相同的比例随着变化。而进给量f 增大，切削面积AD随之增
31、大，由于切削变形减小，而切削力Fc增大不多，利用单位切削力p来计算主切削力Fc较为简易直观。强度、硬度越高，强度、硬度越高，塑性、韧性越大，切屑变形略小，总切削力越大。塑性、韧性越大，切屑变形略小，总切削力越大。（三）（三）影响切削力的因素影响切削力的因素1工件材料的影响工件材料的影响2切削用量的影响切削用量的影响1）背吃刀量和进给量）背吃刀量和进给量 反映在经验公式中，反映在经验公式中，ap的指数近似为的指数近似为1，而，而f的指数为的指数为0.750.9，从切，从切削力和切削功率的角度考虑，切削面积相同，加大削力和切削功率的角度考虑，切削面积相同，加大f比加大比加大ap有利。有利。fAD成
32、正比成正比，但，但 kc略略减小，减小，变形系数减小，变形系数减小，切削力增加但与切削力增加但与f 不成正比。不成正比。apAD成正比成正比，kc不变，不变，变形系数不变，变形系数不变，切削力成正比增加；切削力成正比增加；（1）在积屑瘤增长阶段）在积屑瘤增长阶段 随随v 积屑瘤高度积屑瘤高度 变形程度变形程度，F （2）在积屑瘤减小阶段在积屑瘤减小阶段 v 变形程度变形程度，F（3）在无积屑瘤阶段在无积屑瘤阶段 随随v，温度升高，摩擦系数，温度升高，摩擦系数变形变形程度程度 F 2 2）切削速度）切削速度塑性材料塑性材料切削速度对切削力没有显著影响。切削速度对切削力没有显著影响。脆性材料：脆性
33、材料：在生产实践中，尽可能采用高速切在生产实践中，尽可能采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。削力。3 3刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 1 1）前角）前角o2 2）主偏角）主偏角3 3）刃倾角）刃倾角s（1 1）r r对对F Fc c影响较小，影响较小，影响程度不超过影响程度不超过10%;10%;r r在在60607575之间时，之间时，F Fc c最小。最小。（2）r r对对F Fp p、F Ff f影响较大影响较大 F Fp p F FD D coscosr r F Ff f F FD D sinsinr r F Fp p随随r r 增大而
34、减小，增大而减小，F Ff f随随r r 增大而增大增大而增大（1 1）s s对对F Fc c影响很小影响很小（2）s s对对F Fp p、F Ff f影响较大影响较大 F Fp p随随s s增大而减小，增大而减小，F Ff f随随s s增大而增大增大而增大4 4）负倒棱）负倒棱1rb5 5）过渡圆弧刃半径）过渡圆弧刃半径b b1 1 与与f f 之比增大之比增大,切削力随之增大。切削力随之增大。当切钢当切钢b b11/f f 55或或 切铸铁切铸铁b b11/f f 33时，时，切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。r r增大相当于增大相当于r r减小的影响
35、减小的影响（1 1）r r对对F Fc c影响很小影响很小（2 2）F Fp p随随 r r增大而增大；增大而增大；F Ff f随随 r r增大而减增大而减小小（r Fp，Ff）4 4刀具磨损刀具磨损 5 5切削液切削液 6刀具材料刀具材料 后刀面平均磨损带宽度后刀面平均磨损带宽度VB 越大，摩擦越大，摩擦越强烈，切削力也越大。越强烈，切削力也越大。VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著二、切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和。在车外圆时，Fp不做工，只有Fc和Ff做功（KW）式中Fc为主切削力，N；为切削速度，m/s；Ff为进给抗力，N；nw为工件转速，r/s；f为进给量，mm/
36、r由于车外圆时，Ff消耗的功率，与Fc相比很小（一般小于1），可忽略不计。因此上式可改写为：根据切削功率选择机床主电动机时，还要考虑机床的传动效率。机床电机的功率PE应为：式中为机床传动效率，通常=0.750.851.51.5 切削切削热与切削热与切削温度温度一、一、切削热的产生与传导切削热的产生与传导1 切削热的来源切削热的来源1)1)切削层金属发生切削层金属发生弹性变形和塑性弹性变形和塑性变形变形所消耗的能量（三个区）；所消耗的能量（三个区）；2)2)切屑与前刀面、工件与后刀面间产切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的生的摩擦热摩擦热。单位时间产生的切削热：单位时间产生的切削热：Q=Fcvc工
37、件切屑刀具 切削热的来源与传出2 热的传导及其影响因素热的传导及其影响因素1）工件材料的导热系数）工件材料的导热系数2）刀具材料的导热系数）刀具材料的导热系数3）周围介质）周围介质 不同的加工方法其切削热由切屑、工件、刀不同的加工方法其切削热由切屑、工件、刀具和介质传出的比例不同。具和介质传出的比例不同。加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具铣削铣削70%50%15%磨削磨削4%80%12%切削切削温度的测量温度的测量1 测量方法测量方法 2 切削温度分布切削温度分布 剪切面上各点温度几乎剪切面上各点温度几乎相相等，各点的应变规律基本相等，各点的应变规律基本相同；同；前后刀面最高温度点不在刀
38、前后刀面最高温度点不在刀刃上刃上；切屑上最高温度比剪切；切屑上最高温度比剪切区温度高；切屑底层温度比上区温度高；切屑底层温度比上层温度高。层温度高。切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。刀具与切屑接触区平均温度，单位为刀具与切屑接触区平均温度，单位为；C切削温度系数，主要取决于加工方法和刀具材料；切削温度系数，主要取决于加工方法和刀具材料；z、y、x切削速度、进给量、背吃刀量的影响指数。切削速度、进给量、背吃刀量的影响指数。xpyzcafvC1 切削用量切削用量 经验公式经验公式 三个影响指数三个影响指数 zyx，说明，说明vc 影响最大，进给量影响最
39、大，进给量 f 的影响次之，背吃刀的影响次之，背吃刀量量ap的影响最小的影响最小。ap、f 和和vc增大增大，单位时间内材料的切除量增大，切削热增多，单位时间内材料的切除量增大，切削热增多，切削温度随之切削温度随之上升上升。在提高金属切除率的同时，为了有效控制切削温度以延长刀具寿命，优先增大在提高金属切除率的同时，为了有效控制切削温度以延长刀具寿命，优先增大ap，其次是增大，其次是增大f，严格控制严格控制vc；在刀具材料与机床性能允许条件下，应尽可在刀具材料与机床性能允许条件下，应尽可能提高能提高vc，以进行高效率、高质量切削。，以进行高效率、高质量切削。2 刀具几何参数刀具几何参数2)主偏角
40、主偏角kr3）负倒棱对切削温度的影响）负倒棱对切削温度的影响3 3 工件材料的影响工件材料的影响 -强度、硬度高，则加工硬化能强度、硬度高，则加工硬化能力强，切削抗力越大，消耗的力强，切削抗力越大，消耗的功多，产生的热就越多。功多，产生的热就越多。-热导率越小，传散的热越少，热导率越小，传散的热越少，切削区的切切削区的切削温度就越高。削温度就越高。b b1 1、r r，切屑变形程度，切屑变形程度q 同时散热条件改善，两者趋于平衡同时散热条件改善，两者趋于平衡4 刀具磨损的影响刀具磨损的影响 后刀面磨损增大，塑性变形增大，后刀面磨损增大，塑性变形增大，摩擦加剧，切削温度升高摩擦加剧，切削温度升高
41、。VB达一定值达一定值，v越越 高刀磨损高刀磨损对对影响越显著影响越显著 刀具磨损是影响切削温度的主要刀具磨损是影响切削温度的主要因素。因素。5 5 切削液的影响切削液的影响浇切削液对浇切削液对切削温度切削温度刀具磨损刀具磨损加工质量有明显效果。加工质量有明显效果。热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著三、切削液1.切削液的作用1）冷却作用2）润滑作用3）洗涤作用4）防锈作用2.切削液的种类及选用种类：1）水溶液2）切削油3）乳化液4）极压切削油和极压乳化液选用选用（1 1）从加工要求考虑）从加工要求考虑 粗加工，选用水溶液或低浓度
42、乳化液；粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液；精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液；（2 2）从刀具材料考虑）从刀具材料考虑 高速钢，需用切削液；高速钢，需用切削液；Y Y合金等合金等,可不用或充分连续用；可不用或充分连续用；（3 3）从工件材料考虑）从工件材料考虑 钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用；钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用；高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液（4 4）从加工方法考虑）从加工方法考虑 钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油；钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，
43、宜用极压乳化液或切削油；成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。一、刀具一、刀具磨损的形态磨损的形态1）前刀面磨损前刀面磨损形成条件：加工塑性材料，v高，hD大；刀具的耐热性和耐磨性刀具的耐热性和耐磨性不足不足 磨损值以其最大深度磨损值以其最大深度 KT 表示表示。形式：月牙洼 影响：削弱刀刃强度，降低加工质量AA2）后刀面磨损后刀面磨损影响：切削力,切削温度,产生振动，降低加工质量刀尖部分磨损严重刀尖部分磨损严重,以以VC表示；中间表示；中间部位磨损较均匀部位磨损较均匀,以以VB表示表示,以以VBmax表示最大磨损值表示最大磨损值。形成
44、条件：加工塑性材料,v 较小,hD 较小；加工脆性材料 形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）3）边界磨损）边界磨损形式：沟纹沟纹 磨损量用磨损量用VN表示。表示。形成条件：切钢料，边界处的加工切钢料，边界处的加工硬化层、硬质点、毛坯表面硬层。硬化层、硬质点、毛坯表面硬层。较大的应力梯度和温度梯度。较大的应力梯度和温度梯度。二、刀具磨原因二、刀具磨原因硬质硬质点划痕点划痕 硬质点（碳化物、氮化物、氧化物等）硬质点（碳化物、氮化物、氧化物等）各种切削速度下均存在 积屑瘤碎片积屑瘤碎片 磨削磨削 低速情况下刀具磨损的主要原因 取决于硬度和耐磨性取决于硬度和耐磨性1）磨料磨损）磨料磨损2）冷
45、焊粘结）冷焊粘结 高温高压高温高压 刀具材料与工件材料亲和力大 粘结磨损加剧强烈摩擦强烈摩擦 冷焊冷焊 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速4）化学磨损）化学磨损3）扩散磨损）扩散磨损 高温作用高温作用 扩散磨损常与冷焊磨损、磨料磨损同时产生。前刀面上温度最高处扩散作用最强烈（月牙洼）。化学作用化学作用 边界磨损原因之一；边界磨损原因之一；取决于刀具的耐热性氧化铝陶瓷和立方氯化硼刀具抗扩散磨损能力较强。主要发生在较高速切削条件下。主要发生在较高速切削条件下。对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散磨损
46、和化学磨损强度较高；在中低温时，冷焊磨损占响。高温时扩散磨损和化学磨损强度较高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位；磨料磨损则在不同切削温度下都存在。主导地位；磨料磨损则在不同切削温度下都存在。硬质点划痕硬质点划痕 冷焊粘结冷焊粘结 扩散磨损扩散磨损 化学磨损化学磨损切削速度（切削温度）切削速度（切削温度）三三 刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准与刀具刃磨质量直接相关。与刀具刃磨质量直接相关。切削力、温度急升，切削力、温度急升，磨损量急剧增加磨损量急剧增加，之前，之前需重新刃磨或换刀。需重新刃磨或换刀。刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间 磨损缓慢，磨损量均匀增加
47、磨损缓慢，磨损量均匀增加;VB与与t近似正比近似正比,斜率表示磨损强度斜率表示磨损强度,性能性能指标之一。指标之一。度量：度量：后刀面后刀面ap/2处的磨损宽度处的磨损宽度VB；径向尺寸；径向尺寸磨损量磨损量NB（精加工）；（精加工）；硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准，硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准，有下列三种可供选择：有下列三种可供选择：（1）VB0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取如果主后刀面为无规则磨损，取 VBmax=0.6mm；（3）前刀面磨损量前刀面磨损量 KT（0.060.3f）mm。（1）工艺系统刚性）工艺系统刚性工艺系统的刚性差，工艺系统的刚性差，VB应取小值
48、。如车刚性差的细轴。应取小值。如车刚性差的细轴。（2）工件材料）工件材料 切削难加工材料如高温合金、不锈钢、钛合金等，切削难加工材料如高温合金、不锈钢、钛合金等，VB一般应取小值；加工一一般应取小值；加工一般材料，般材料，VB值可取大一些。加工大型工件，为了避免频繁换刀，值可取大一些。加工大型工件，为了避免频繁换刀，VB应取大值。应取大值。（3）加工精度和表面质量）加工精度和表面质量加工精度和表面质量要求高时，加工精度和表面质量要求高时，VB应取小值。应取小值。刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是。刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是。刀具总寿命：刀具总寿命：刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到刃磨后
49、的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的总切削时间磨钝标准为止所经历的总切削时间;两次刃磨两次刃磨之间所经历的切削时间之间所经历的切削时间T。单因素法：单因素法：(,)cVBv TlglglgcvmTA 0mccvTv TC与的 关 系 式：泰 勒 公 式Vc1Vc2Vc3Vc4111TgmhcpTCfva1gfTfTC与 的关系式：2hppaTa TC与 的关系式：切削用量与刀具寿命的一般关系切削用量与刀具寿命的一般关系(广义泰勒公式）：广义泰勒公式）：m表示表示vC对对T的影响程度，反映了刀具材料的切削性能，的影响程度，反映了刀具材料的切削性能，m值越大，切削速度对刀值越大，切削
50、速度对刀具寿命的影响越小，刀具的耐热性越好。具寿命的影响越小，刀具的耐热性越好。52.250.75TpCTvfa可见v 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小。用硬质合金刀具切削碳钢（b=0.763GP a）时，有：与对切削温度的影响顺序一致。与对切削温度的影响顺序一致。不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）3.3.影响刀具寿命的其他因素影响刀具寿命的其他因素(1)(1)刀具几何参数刀具几何参数
