1、第二章第二章 金属切削基本理论金属切削基本理论 在金属切削过程中，始终存在着刀具切在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、生一系列物理现象，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。具寿命、卷屑与断屑等。研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论论,对有效控制切削过程、保证加工精度和表对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理面质量，提高切削效率、
2、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。度等有重要的指导意义。金属切削过程金属切削过程:是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。第一节第一节 金属切削过程金属切削过程一、金属切削层的切削变形一、金属切削层的切削变形1切削变形的力学本质切削变形的力学本质 切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程（图）。金属切削过程金属切削过程:是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。图图2-1 挤压与切削的
3、比较挤压与切削的比较三个变形区三个变形区 根据实验时的切削层变形图片可绘制图所示的切削根据实验时的切削层变形图片可绘制图所示的切削变形模型，变形模型，其变形大致可分为三个变形区。其变形大致可分为三个变形区。（1）第一变形区）第一变形区OA始滑移线始滑移线OM终滑移线终滑移线变形的主要特征：变形的主要特征：剪切滑移变形剪切滑移变形 加工硬化加工硬化一般速度范围内一区一般速度范围内一区宽度为宽度为0.020.2mm，速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小，可看作一个可看作一个剪切平面剪切平面OM 剪切角：剪切面OM与切削速度Vc之间的夹角称为剪切角。（剪切滑移区剪切滑移区）切屑沿刀具前面切屑沿刀具
4、前面排出时会进一步受到排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀使切屑底部靠近前刀面处的金属发生面处的金属发生“纤纤维化维化”的二次变形。的二次变形。这部分区域称为这部分区域称为第二第二变形区（变形区（）。（2）第二变形区第二变形区 在已加工表面上与在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为的变形区域称为第三变形第三变形区（区（）。由于刀具刃口不可能由于刀具刃口不可能绝对锋利绝对锋利,钝圆半径的存在钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削使切削层参数中公称切削厚
5、度不可能完全切除，会厚度不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量。已加工表面质量。（3）第三变形区）第三变形区 实验表明，实验表明，切屑的形成过程是被切削切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力达到金属其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑的的变形和形成过程变形和形成过程。2、切屑形成过程、
6、切屑形成过程在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形。向性，仍为圆形。晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生
7、滑晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两者之间成一夹角方向不重合，两者之间成一夹角。切屑形成本质切屑形成本质 （2 2）节状切屑）节状切屑 又称又称挤挤裂切屑裂切屑。它的外表面呈锯齿。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生大、刀具前角较小时常产生此类切屑。此类切屑。（1 1）带状切屑）带状切屑 它的内它的内
8、表面是光滑的，外表面呈毛表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。件下常形成此类切屑。3、切屑的类型、切屑的类型 （4 4）崩碎切屑崩碎切屑 加工脆加工脆性材料，切削厚度越大越易性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。得到这类切屑。（3 3）粒状切屑）粒状切屑 又称又称单单元切屑元切屑。在切屑形成过程中，。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成元从被切材
9、料上脱落，形成粒状切屑。粒状切屑。带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑4前面上的挤压、摩擦与前面上的挤压、摩擦与积屑瘤积屑瘤（1）作用在切屑上的力）作用在切屑上的力 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr 和 Fr。假设这两个合力相互平衡，Fr称为切屑形成力，是剪切角；是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。（2）前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦 切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图所示有粘结区和滑动区粘结区和滑动区。粘结区：粘结
10、区：近切削刃长度 lf1，由于高温（可过900）、高压（可达3.5109N/m2）的作用使切屑底层材料产生软化，切屑底层的金属材料粘嵌在前刀面上的高低不平凹坑中而形成粘结区。粘结面间相对滑动产生的摩擦称为内摩擦。（2）前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦 滑动区：切屑即将脱离前刀面时在lfo长度内的接触区。在该区内切屑与前刀面间只是凸出的金属点接触，滑动区的摩擦称为外摩擦。（2）前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦 在在粘结区粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上
11、层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层。所谓所谓“内摩擦内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为擦仅为外摩擦外摩擦。刀屑接触面间有二个摩擦区域：刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结粘结(内摩擦内摩擦)区区和和滑滑动动(外摩擦外摩擦)
12、区区。金属的内摩擦力要比外摩擦力金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多（大得多（85%85%），因此，因此，应着重考虑内摩擦。应着重考虑内摩擦。（3）积屑瘤积屑瘤 在中低速切削塑性金属材料时在中低速切削塑性金属材料时,常在刀具前面刃口处粘常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料结一些工件材料,形成一块硬度很高的楔块，称之为形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤积屑瘤。产生这种现象，是产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。滞流层金属不断堆积的结果。积屑瘤的积屑瘤的产生产生以及它的积聚高度与以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度金属材料的硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关有关，也与刀刃前区的温度和
13、压力状况有关。2）积屑瘤的形成原因）积屑瘤的形成原因1）什么是积屑瘤）什么是积屑瘤 积屑瘤的产生及其成长积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力削区的温度分布和压力分布有关。塑性材料的分布有关。塑性材料的加工硬化倾向越强，越加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；在背吃易产生积屑瘤；在背吃刀量和进给量保持一定刀量和进给量保持一定时，积屑瘤高度时，积屑瘤高度Hb与切与切削速度有密切关系，因削速度有密切关系，因为切削过程中产生的热为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而是随切削速度的提高而增加的。增加的。3）影响积屑瘤的因素）影响积屑瘤的因素积屑瘤积屑瘤 如图所示
14、，某堆积在前刀面上近切削刃处的积屑瘤，如图所示，某堆积在前刀面上近切削刃处的积屑瘤，经测定它的硬度为金属母体的经测定它的硬度为金属母体的2 23 3倍，积屑瘤高出前刀面倍，积屑瘤高出前刀面0.369mm0.369mm、凸出后刀面、凸出后刀面0.057mm0.057mm、宽、宽1.138mm1.138mm，在切削，在切削时形成了实际前角时形成了实际前角323227(27(有有的可达的可达4040)。积屑瘤替代切削。积屑瘤替代切削刃参加切削情况。刃参加切削情况。积屑瘤对切削过程积屑瘤对切削过程的影响：的影响：（1）使实际前角增使实际前角增大大 （2）增大切入深度增大切入深度 （3）使加工表面粗使加
15、工表面粗糙度值增大糙度值增大 （4）影响刀具耐用影响刀具耐用度度切屑刀具积屑瘤积屑瘤1)1)积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了保护了刀刃，减少了刀具的磨损。刀具的磨损。2)2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。实际工作前角越大，刀具越锋利。3)3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺影响加工尺寸精度。寸精度。4)4)积屑瘤直接积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和影响
16、工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。表面粗糙度。积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：降低工材塑性；降低工材塑性；合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等采用低速或高速切削，采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速钢为例，在低速vc3m/min和较高速度和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，采用高润滑性的切削液，使
17、摩擦和粘结减少使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、增大刀具前角适当减少进给量、增大刀具前角.减小刀具前刀面与切减小刀具前刀面与切屑之间的压力。屑之间的压力。适当提高工件材料的硬度适当提高工件材料的硬度.减小加工硬化倾向减小加工硬化倾向。提高刀具的刃磨质量；提高刀具的刃磨质量；合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。抑制或消除积屑瘤的措施抑制或消除积屑瘤的措施已加工表面的形成与第三变形区的关系密切；已加工表面的形成与第三变形区的关系密切；刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加工表面产生剧
18、烈的塑性变形加工表面产生剧烈的塑性变形(图图3-16a3-16a)。表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。的残余应力。加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具磨损。磨损。钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。等因素。、已加工表面的形成过程、已加工表面的形成过程6、切削变形程度的表示方法、切削变形程度的表示方
19、法 切削变形程度有二种不同的表示方法，分述如下。切削变形程度有二种不同的表示方法，分述如下。在切削过程中，刀具切在切削过程中，刀具切下的切屑厚度下的切屑厚度 通常都大于通常都大于工件切削层厚度工件切削层厚度 ，而切，而切屑长度屑长度 却小于切削层长却小于切削层长度度 。切屑厚度。切屑厚度 与切削与切削层厚度层厚度 之比称为厚度变形之比称为厚度变形系数系数 h；而切削层长度与；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变切屑长度之比称为长度变形系数形系数 l 。chhDhchlclDhchh1变形系数变形系数 既然切削过程既然切削过程中金属变形的主要形中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然式是剪切滑移，当
20、然就 可 以 用 相 对 滑 移就 可 以 用 相 对 滑 移（剪应变）。来衡量（剪应变）。来衡量切削过程的变形程度。切削过程的变形程度。如图中，平行四边形如图中，平行四边形OHNM发生剪切变形发生剪切变形后，变为平行四边形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移，其相对滑移=s/s/y y图 2相对滑移相对滑移二、影响切屑变形的因素二、影响切屑变形的因素1.工件材料的力学性能工件材料的力学性能 材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小（图图）。2.切削用量切削用量（1 1）切削速度）切削速度 切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影
21、响切削变形大小的。在积屑瘤增长的速度范围内在积屑瘤增长的速度范围内 ,因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角增大、变形系数减小。增大、变形系数减小。在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数不断上不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。升至最大值，此时积屑瘤完全消失。（图图）在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。切削铸铁等脆性金属时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，变形系一般不产生积屑瘤。随着切削速度
22、增大，变形系数逐渐地减小数逐渐地减小。（2）进给量）进给量 当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小(图图)。3.刀具几何参数刀具几何参数（1）前角）前角0前角增大，剪切角前角增大，剪切角增大，而剪切角增大，而剪切角越大，则变形系数越大，则变形系数减小。减小。变形系数与前角之间的关系如变形系数与前角之间的关系如图图所示。所示。(2)刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r刀尖圆弧半径越大，刀尖圆弧半径越大，变形系数变形系数越大，切削越大，切削变形越大。（变形越大。（图图）图图 前角对变形系数的影响前角对变形系数的影响图图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响刀尖圆弧半径对变形系数的影响
23、第二节第二节 金属切削过程的主要物理现象及规律金属切削过程的主要物理现象及规律1 1、切削力的来源与分解、切削力的来源与分解 切削过程中，刀具施切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削切屑所需的力，称为切削力。力。（1）切削力的来源切削力的来源切削力来自于金属切切削力来自于金属切削过程中克服被加工削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（抗力和摩擦阻力（图图2-18）。力切削一图图2-18 切削力的来源切削力的来源（2 2）切削力的分解）切削力的分解 通常将合力通常将合力F F分
24、解分解为相互垂直的三个分为相互垂直的三个分力：力：切削力切削力 F Fc c幻灯片幻灯片 3030 、进给力进给力 F Ff f 、背背向力向力 F Fp p(图图2-192-19)。切削力切削力F Fc c（旧称主切削力，用（旧称主切削力，用F Fz z表表示）示）总切削力在主运动总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、校削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少及计算刀具强度等必不可少的参数。的参数。背向力背向力 Fp进给力进给力Ff旧称径向分力，用旧称径向分力，用Fy表表示示 总切削力在垂
25、直总切削力在垂直于工作平面方向的分力于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时及分析工艺系统振动时，所必须的参数。，所必须的参数。旧称轴向分力，用旧称轴向分力，用Fx表示表示总切削力在进给方向的总切削力在进给方向的分力，是设计、校核机床分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数功率不可缺少的参数图图2-19 切削力的分解切削力的分解 一般情况下，在三个分力中切削力Fc，最大，进给力Ff次之，背向力FP最小且不消耗功率。根据实验，当kr45、s0、。15时，各分力之间的近似关系
26、为 Ff(0.40.5)Fc (2-6)FP(0.30.4)Fc (2-7)计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3（kW）机床电机功率 PE=Pcm（m0.750.85）。2切削功率切削功率切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是按单位切削力进行计
27、算。类是按单位切削力进行计算。在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式书中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式书3232。若已知单位切削力若已知单位切削力k kc c ，即可求得单位切削功率，即可求得单位切削功率p ps s。表。表2-22-2为为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实际切削条件与表中不符
28、时率。实际切削条件与表中不符时 ,必须引入修正系数加以修正，必须引入修正系数加以修正，有关修正系数可参见相关手册。有关修正系数可参见相关手册。在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。3 3、切削力的实验公式、切削力的实验公式切削力的经验公式切削力的经验公式 计算举例计算举例：用用YT5YT5硬质合金车刀外圆纵车硬质合金车刀外圆纵车b b=630630 MPaMPa的热轧的热轧4545钢，车刀几何参数为钢，车刀几何参数为g go o=10=10、k kr r =7575、l ls s =5 5，切削用量为，切削用量为aspasp=2mm2mm、
29、f f=0.3mm/r0.3mm/r、vcvc=100100 m m/minmin。试计算切削力试计算切削力FcFc、FpFp、F Ff f 及切削功率及切削功率PcPc 。2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 解解：查表得：查表得：CFC=2795 xFC=1.0 yFC=0.75 zFC=-0.15 FcFcFcFcFcknyxCcspcvfaF 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 解解：FcFc15.075.00.1FcFcFcFcFckkknyxC7.11351003.022795cspcvfaF2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 解解：98.0)650630()650
30、(k0.75nmFcFcb当当 b=630MPa时时csFFckrFcmFcFckkkkklg2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式续续：按按k kr=75查表查表3-4，得，得 92.0krFck 0.1Fckg按按g go=10=10查表查表3-4，得，得 按按l ls =-5=-5查表查表3-4，得，得 0.1csFkl90.00.10.192.098.0fsFFckrFcmFcFckkkkklg2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式续续：90.00.10.192.098.0csFFckrFcmFcFckkkkklg)N(kF102290.07.11357.1135Fcc(kw)7.
31、1410610010224106cccvFP【例】用硬质合金车刀车削热轧45号钢外圆，车刀主要角度 o=15、kr=75、s=0，选用切削用量ap=2 mm、f=03 mm/r、vc=100m/min 求：单位切削力kc、主切削力Fc、单位切削功率PS、切削功率Pc。解:查表1 kc=1962 N/mm2 Fc=kc AD=196220.3=1177.2 N Ps=196210-6kw/(mm-3s-1)Pc=(Fzvc10-3)/60=1177.2 (100/60)10-3=1.96kw 切切 削削 力力4、影响切削力的因素、影响切削力的因素1）工件材料）工件材料影响较大的因素主要是工件材料
32、影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。就越大。进给量f和背吃刀量ap 进给量进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap增加，使切增加，使切削力削力Fc增加，但影响程度不同。增加，但影响程度不同。进给量进给量f 增大时，切削力有所增增大时，切削力有所增加；而背吃刀量加；而背吃刀量ap增大时，切削增
33、大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。擦力均成正比的增加。apAc成正比成正比，kc不变，不变，ap的的 指数约等于指数约等于1，因而，因而 切削力成正比增加切削力成正比增加 fAc成正比成正比，但，但 kc略略减小，减小，f 的的 指数小于指数小于1，因而，因而 切削力增加但与切削力增加但与f 不成正比不成正比速度速度v 对对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况在无积屑瘤阶段，在无积屑瘤阶段，v 变形程度变形程度切削力减小切削力减小2)切削用量的影响
34、切削用量的影响 切削速度切削速度c 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，摩擦温度升高，摩擦 系数系数变形程度变形程度 F 切削速度在切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；增加，切削力减小；切削速度继续在切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；消失，切削力增加；在切削速度大于在切削速度大于35m/min时，由于切削
35、温度上升，摩擦时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，时，切削力无明显变化。切削力无明显变化。在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力对切削力Fc无明显的无明显的影响。影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。切削速度切削速度c 3）刀具几何参数的
36、影响）刀具几何参数的影响 1.1.前角前角0 0 的影响的影响 加工塑性材料时，加工塑性材料时，0 0 变形程度变形程度F FFc加工脆性材料时，切削变形很小，加工脆性材料时，切削变形很小，0 0对对 F F 影响不显著影响不显著0 0 3030或高速切削时，或高速切削时，0 0对对 F F 影响不显著影响不显著2.2.主偏角主偏角r r的影响的影响（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之之 间时，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
37、coscosr r F Ff f F FD D sinsinr r F Fp p随随r r 增大而减小，增大而减小，F Ff f随随r r 增大而增大增大而增大3.3.刃倾角刃倾角s s的影响的影响（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.刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r的影响的影响（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增大而减小增大而减小r r增
38、大相当于增大相当于r r减小的影响减小的影响4）刀具磨损刀具磨损5）刀具材料及切削液刀具材料及切削液 刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。后刀面平均磨损带宽度后刀面平均磨损带宽度VB 越大，摩擦越强烈，切削力越大，摩擦越强烈，切削力 也越大。也越大。VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，质合金、高速钢顺序，切削力依次增大。切削力依次增大。二、二、切削热和切削温度切削热和切削温度1、切削热的产生与传导、切削热的产生与传导金属切削过程的三个变形区就是产生切削热金属切削过程的三
39、个变形区就是产生切削热的三个热源的三个热源(图图2-20)。在这三个变形区中，刀。在这三个变形区中，刀具克服金属具克服金属弹、塑性变形抗力弹、塑性变形抗力所作的功和克所作的功和克服服摩擦抗力摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削所作的功，绝大部分转化为切削热。热。切削热向切屑、工件、刀具切屑、工件、刀具以及周围的介周围的介质质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。图图2-20 切削热的产生与传导切削热的产生与传导切削温度的分布切削温度的分布红外胶片法测得切钢料的温度场，红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布规律：分析归纳切削温度分布规律：1.剪切区等温线与滑移线相近
40、剪切区等温线与滑移线相近 OM线温度比线温度比OA线上温度高线上温度高 剪切滑移相等的地方温度相等，剪切滑移相等的地方温度相等，剪切变形是切削热的第一来源剪切变形是切削热的第一来源2.前后刀面最高温度点不在刀刃上前后刀面最高温度点不在刀刃上 切屑上最高温度比剪切区温度高切屑上最高温度比剪切区温度高 切屑底层温度比上层温度高切屑底层温度比上层温度高 摩擦是切削热的又一来源摩擦是切削热的又一来源切削热的传导切削热的传导传入切屑传入切屑，约占总热量的，约占总热量的，对切削加工无不利影响，对切削加工无不利影响传入工件传入工件，约占总热量的，约占总热量的，会使工件膨胀或伸长，产生尺寸和形状误会使工件膨胀
41、或伸长，产生尺寸和形状误差，影响加工精度差，影响加工精度传入刀具传入刀具，约占总热量的，使刀具，约占总热量的，使刀具温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度降温度升高，硬度下降，磨损加快，耐用度降传入周围介质传入周围介质，约占总热量的，对切削，约占总热量的，对切削加工无不利影响加工无不利影响2、切削温度对切削加工过程的影响、切削温度对切削加工过程的影响(2)对刀具材料的影响对刀具材料的影响 高速钢刀具材料的耐高速钢刀具材料的耐热性为热性为600左右，超过左右，超过该温度刀具失效。硬质合该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在金刀具材料耐热性好，在高温高温8001000时，强时，强度反而更高，韧
42、性更好。度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命延长刀具寿命。(3)对工件尺寸精度的影响对工件尺寸精度的影响 车削工件外圆时，工件受热车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。加工精度的有效措施。(1)对工件材料物理性能的影响对工件材料物理性能的影
43、响(4)利用切削温度控制切削量利用切削温度控制切削量 四、影响切削温度的因素四、影响切削温度的因素(1)工件材料工件材料 材料的材料的强度强度、硬度硬度越越高，则切削抗力越大，消高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就耗的功越多，产生的热就越多；越多；导热系数导热系数越小，传散越小，传散的热越少，切削区的切削的热越少，切削区的切削温度就越高。温度就越高。例如，合金结构钢的强度普遍高于例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系钢，而导热系数又一般均低于数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢的切削钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削温度高于切削45钢的切削温度钢的切削温度。3.3.影
44、响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素(1)(1)工件材料工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。高。工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。切削热相应增多，切削区的平均温度降低。(2)切削用量的影响切削用量的影响由实验得出切削温度经验公式如下由实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x式中系数及指数见表式中系数及指数见表2-3,由表中数据看出：由表中数据看出：z z在
45、在0.350.45之间，之间，y在在0.150.3，x在在0.050.1切削用量切削用量时切削温度时切削温度，其中，其中v 对对影响最大，影响最大，进给量进给量 f 的影响比的影响比v 小，背吃刀量小，背吃刀量ap的影响很小的影响很小。综上所述，切削用量对切削温度的影响综上所述，切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀量最小。刀量最小。因此，若要切除给定的余量，又要求切因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当考虑采用大的背吃刀
46、量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。的进给量，最后再选择合理的切削速度。上述切削用量选择原则是从最低切削温上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。程时，确定切削用量的原则。（3）刀具几何参数）刀具几何参数 1)前角前角o塑性变塑性变形和摩擦形和摩擦切削温切削温度度（图图）。但前角）。但前角不能太大，否则刀不能太大，否则刀具切削部分的锲角具切削部分的锲角过小，容热、散热过小，容热、散热体积减小，切削温体积减小，切削温度反而上升。度反而上升。2)主偏角主偏角r切削切削刃工作接触长度刃
47、工作接触长度，切削宽度切削宽度bD，散热，散热条件变差，故切削条件变差，故切削温度温度（图图）。）。（4）刀具磨损）刀具磨损 （5）切削液）切削液 刀具主后面磨刀具主后面磨损时，后角减小，损时，后角减小，后面与工件间摩擦后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑切屑形成过程的塑性变形加剧，使切性变形加剧，使切削温度增大。削温度增大。利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。
48、切削温度的重要措施。三三 刀具磨损及刀具的寿命刀具磨损及刀具的寿命一、刀具磨损的形态一、刀具磨损的形态（1）正常磨损）正常磨损 切削塑性材料时，如果切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上经常会磨出在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼（一个月牙洼（图例图例）。）。正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。大的磨损。1）前面磨损）前面磨损 切削塑性材料时，如果切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上经常会磨出在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼（一个月牙洼（图例图例）。
49、）。1）前面磨损）前面磨损以最大深度以最大深度KT 表示表示宽度用宽度用KB表示表示图图3-27 刀具的磨损形态刀具的磨损形态2）后面磨损）后面磨损 加工脆性材料或在切削加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小速度较低、切削厚度较小（hD01mm），由于前），由于前刀面上刀屑间的作用相对较刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损。弱，主要发生后刀面磨损。后刀面磨损带不均匀，刀尖部后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为分磨损严重，最大值为VCVC；中间部位磨损较均匀，平均磨中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以损宽度以VBVB表示；边界处表示；边界处磨损严重，以磨损严重，以VNVN表
50、示。表示。3）前面和后面同时磨损）前面和后面同时磨损 一般在以一般在以中等切削用量中等切削用量加工塑性金属加工塑性金属材料时会出现材料时会出现这种形式磨损。这种形式磨损。（2）非正常磨损）非正常磨损 刀具的非正常磨刀具的非正常磨损是指在切削过程中，损是指在切削过程中，刀具的磨损量尚未达刀具的磨损量尚未达到磨钝标准值就突然到磨钝标准值就突然无法正常使用，即刀无法正常使用，即刀具发生破损。具发生破损。1）脆性破损脆性破损2）塑塑性破损性破损 在振动、冲击切削条件在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明的作用下，刀具尚未发生明显磨损，但刀具切削部分却显磨损，但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩
