1、2023-1-271 第02章 金属切削过程及切削参数化选择讲述与切削有关的概念和定义讲述与切削有关的概念和定义 本章概述金属切削的变形过程切屑的种类及卷屑断屑机理影响切削变形的因素切削力切削热和切削温度刀具磨损、破损和使用寿命切削用量的优化选择刀具几何参数的选择工件材料的切削加工性切削液 2.1 金属切削的变形过程研究金属切削变形过程的实验方法（自学）金属切削变形的基本特征金属切削过程中的三个变形区变形系数和剪应变剪切角 2.1.2 切削变形过程的基本特征切削加工的概念金属切削过程的基本概念金属切削过程刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到已加工表面形成为止的完整过程。第一变形区切削层
2、中点P 滑移路线1-2-3-4OA始滑移面-OM终滑移面形 成切屑剪切变形、加工硬化第二变形区切屑沿前刀面方向排出时受挤压和摩擦 金属纤维化（第二变形区的变形）第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀 面的挤压摩擦纤维化、加工硬化2.1.3 切削过程中的3个变形区 2.1.4 变形系数和剪应变变形系数剪应变剪应变与变形系数的关系h-1 变形系数切屑厚度hch 切削层厚度hD切屑长度lch =1.5,o不变时,与成正 比。故一定程度上可以反映的大小；(3)当1时，即hD=hch，剪应变并不等于零，切屑仍然有变形；(4)当o-15300，对于同一数值的，o不同也不同，o越大就越小；(5)当 f
3、 apxpyzcafvC 影响切削温度的主要因素2、刀具几何参数的影响前角增大，变形和摩擦减小，产生热量少，切温低；主偏角减小，散热好；负倒棱及刀尖圆弧半径增大，对切温影响不大；4、工件材料的影响工件材料的强度、硬度、塑性、韧性等提高时，产生的切削热增多，切温升高；但：工件材料的热导率越大，通过切屑和工件散热越多，切温下降越快；课本图：45钢、合金钢、不锈钢和高温合金、脆性金属 影响切削温度的主要因素3、刀具磨损的影响后刀面磨损量增大，切削温度升高；主要因素5、切削液的影响切削液的热导率、比热容和流量越大切削温度越低；2.7 刀具的失效和切削用量的优化选择刀具磨损的形态刀具磨损机理刀具的磨损过
4、程及磨钝标准刀具的使用寿命及与切削用量的关系切削用量的优化选择刀具合理使用寿命的选择刀具破损 2.7.1 刀具磨损的形态非正常磨损-指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或折断卷刃 切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。正常磨损-指在刀具设计与 使用合理、制造与刃磨质量符合 要求的情况下，刀具在切削过程 中逐渐的磨损前刀面磨损后刀面磨损边界（前后刀面）磨损 正常磨损形态前刀面磨损：切削速度和切削厚度大时，在前刀面形成月牙洼磨损；后刀面磨损：后刀面与工件表面的接触压力大时，存在弹塑性变形，小面积接触造成磨损；边界/前后刀面磨损：主
5、、副切削刃与工件待加工或已加工表面接触处磨出沟纹；2.7.2 刀具磨损机理磨料磨损在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点（碳化物或积屑瘤）刻出深浅不一的沟痕。冷焊磨损切削塑性材料时，一定温度和压力下，切屑与加工表面、刀面之间发生冷焊粘结。扩散磨损高温下，刀具与工件材料中的化学元素相互扩散，刀具表层硬度变脆 氧化磨损高温下，空气中的氧与刀具材料中的C、W、Co发生氧化反应，生成硬度较低的氧化物 2.7.3 刀具的磨损过程及磨钝标准 刀具的磨损过程初期磨损阶段(AB段)正常磨损阶段(BC段)急剧磨损阶段(CD段)刀具的磨钝标准刀具磨损到一定就不能继续使用；判断方法 直观判断法、ISO标准、自动化作业
6、标准制定刀具磨钝标准 2.7.4刀具的使用寿命及与切削用量的关系刀具的使用寿命T：由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具的磨损标准所经过的总切削时间。刀具的使用寿命与切削用量的关系CT 与刀具、工件材料和切削条件有关的系数；m、n、p 指数，分别表示各切削用量对耐用度的影响程度；切削用量选用原则（P35）pnmpcTafvCT111 2.7.5 切削用量的优化选择刀具使用寿命切削温度原则：优选ap；根据加工条件和要求选f；最后确定vc。xpyzcafvCpnm111zyxpnmpcTafvCT111 2.7.6 刀具合理使用寿命的选择保证最大生产率的Tp保证最低成本的Tc保证最大利润的Tpr
7、2.7.7 刀具破损刀具破损形式：烧刃、卷刃、崩刃、断裂、表层剥落刀具破损的主要形式工具钢、高速钢刀具 韧性好但耐热性和硬度差，易发生卷刃和相变磨损硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、金刚石刀具 硬度和耐热性好但韧性低，易发生崩刃、折断刀具破损的防止合理选择刀具材料、几何参数、切削用量保证工艺系统刚性、平稳和刀具刃磨质量 2.8 刀具几何参数的选择合理几何参数在保证加工质量的前提下，能够满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数。2.8.1 优选刀具几何参数的一般性原则考虑工件的实际情况考虑刀具材料和刀具结构考虑各个几何参数之间的联系考虑具体的加工条件 2.8.2 刀具角度的功用及其合理
8、值的选择1)前角前角的功用影响切削力、切削热和切削功率的大小影响切削刃的强度，刀头的导热面积和容热体积影响切屑形态和断屑效果影响已加工表面质量前角增大前角大变形小切削力小切温低切削功率小刀具磨损抑制积屑瘤刀头强度降低，散热差另一方面 合理前角值的概念合理前角值不同刀具材料不同工件材料对应最大耐用度的前角值为合理前角值刀具耐用度随前角变化趋势图 合理前角值的选择工件材料的强度、硬度低，取大些；反之，取小些加工塑性材料时，前角取大些粗加工、断续切削或工件有硬皮时，取小的前角成形刀具和前角影响刃形的刀具，前角取小些刀具材料抗弯强度大、韧性好时，取大的前角工艺系统刚性差或机床功率不足时，取大的前角对于
9、数控机床和自动机、自动线用刀具，选用较小的前角切削轻快刀具耐用度避免刀刃畸变减小切削力刀头强度减小切削力，切削轻快 2)后角后角的功用减小后刀面和加工表面间的摩擦。后角越大，切削刃越锋利。相同磨钝标准VB下，后角越大，所磨去的金属体积越大，刀具使用寿命越长；但会使径向磨损量NB增大。增大后角使切削刃和刀头强度削弱，导热面积和容热体积减小；且NB一定时的磨耗体积小。合理后角值的概念和选择合理后角值一定切削条件下，对应刀具使用寿命最大的后角；合理后角值的选择粗加工、强力切削及承受冲击载荷时，取较小的后角；精加工时取较大的后角。工件材料强度、硬度高时，取较小的后角；工艺系统刚性差，易出现振动，取较小
10、的后角；有尺寸精度要求时，取小的后角；3)主偏角功用影响已加工表面的残留面积高度影响切削层形状影响切削分力的大小和比例影响刀尖强度影响断屑效果和排屑方向主偏角小Fp/Ff 刀尖强度和散热条件工件变形加大切削刃单位长度上的切削力切削条件hD 、bD刀尖圆弧半径刀-工摩擦精度，耐用度 合理主偏角值的选择选用原则：据加工性质：粗加工和半精加工时，r大(hD大，变形小，力小)，可减振；据工件材料：工件材料强度、硬度大，宜取小的r，减轻单位切削刃上的负荷，改善刀头散热条件，提高刀具耐用度；据加工情况：工艺系统刚性好不易产生振动时，可选小的r 延长刀具使用寿命；4)副偏角功用：影响已加工表面质量：r小，R
11、a小影响刀尖强度、散热条件：r小，r增大影响系统振动：r小，Fp增大选用原则：一般不引起振动的情况下，取小值510精加工刀具，取小些，可磨出一段的r0修光刃加工高强度高硬度材料、断续切削时，取小值46切断刀、锯片刀和槽铣刀，取r 12，保证刀头强度和重磨后到头宽度变化小 5)刃倾角刃倾角功用：影响刀刃强度和散热条件影响切屑流出的方向影响切削刃的锋利性 实际前角增大影响切削力的大小和方向：s减小，Fp增大，Ff减小选用原则：主要根据 切削条件和工艺系统刚性 s0 +5+5 +100-5-5-10-10-15-10-45-45-75应用应用范围范围精车钢车细长轴精车有色金属粗车钢和灰铸铁粗车余量不
12、均匀钢断续车削钢和灰铸铁带冲击切削淬硬钢大刃倾角刀具薄切削 2.8.3 刀尖几何参数的功用及其合理值的选择刀尖的形式交点刀尖修圆刀尖：刀尖圆弧半径倒角刀尖：刀尖投影长度和刀尖偏角刀尖的功用刀尖强度差、散热差，切削条件恶劣主副切削刃刀尖影响已加工表面质量主要考虑刀具的使用寿命和已加工表面质量刀尖圆弧半径和倒角刀尖参数的选择刀尖圆弧半径刀尖偏角刀尖长度 2.9 工件材料的切削加工性工件材料切削加工性的概念衡量材料切削加工性的指标补充：材料的相对加工性影响材料切削加工性的因素改善切削加工性的途径 2.9.1 材料切削加工性的概念和衡量指标概念：指工件材料被切削加工成合格零件的难易程度。衡量指标：以刀
13、具耐用度来衡量 相同切削条件下，刀具达到磨钝标准时切削此材料的切削时间以已加工表面质量来衡量 精加工零件 特殊要求的精密零件以切削层单位面积来衡量 作用于刀具上的力或消耗的切削功率、切削温度以断屑性能来衡量 一定切削条件下，所形成的切屑是否便于清除 补充：材料的相对加工性材料加工性指标vT：是指当刀具耐用度为T时，切削某种材料所允许的切削速度。通常取T=60min，vT记作v60；若以b=0.637GPa的45钢的v60作为基准，写作(v60)j，将某种被切削材料与其相比，则此比值称为此种材料的相对加工性，即jrvvK)(6060 2.9.3 物理力学性能对Kr的影响金属材料物理和机械性能的影
14、响硬度和强度越高，切削加工性越差；塑性越大，切削加工性越差；韧性越大，切削加工性也差；线膨胀系数越大，切削加工性越差；只有：热导率越大，切削加工性越好；金属材料化学成分的影响金属材料热处理状态和金相组织的影响 金属材料化学成分的影响降低切削加工性C、Mn、Si、Cr、Ni、P、Mo、V、W：提高钢的机械性能（强度、硬度），导热性下降O：硬质夹杂物，磨损刀具N：形成硬而脆的氮化物改善切削加工性Pb：不固溶，破坏铁素体连续性且润滑，降低钢的塑性S：MnS强度低且润滑；破坏铁素体连续性，降低钢的塑性 2.9.4 改善切削加工性的途径通过热处理改变材料的组织和机械性能低碳钢 硬度、塑性，利于减小刀具粘
15、结磨损高碳钢、工具钢 渗碳体由网状、片状球状，降低硬度铸铁 消除硬皮和白口组织，降低表层硬度 调整材料的化学成分钢：加入易切元素S Pb Ca Se Ti Bi 铸铁：加入Al Gu等能分解出石墨，利于切削 2.10 切削液切削液的种类功用：冷却、润滑、洗涤和防锈 2.10 切削液选用原则工件材料：钢类塑性材料 切削液 冷却或润滑 铸铁类脆性材料 作用不明显，且易污染工件和场地 高强度钢、高温合金等 极压切削油或极压乳化液 铜、铝及铝合金 乳化液、煤油或矿物油的混合刀具材料：高速钢 耐热性差，应使用切削液；硬质合金 耐热性好，一般不用切削液；或连续、充分使用 2.10.4 切削液的选用选用原则
16、加工方法：钻孔、攻丝、铰孔、拉削等 半封闭式排屑 乳化液或极压切削油 成形刀具、齿轮刀具等 润滑性好的极压切削油 磨削加工(切温高，产生大量碎屑和脱落的砂粒)冷却性能和清洗性能 加工要求：粗加工时，切削用量大，切削热多，刀具易磨损 选用冷却为主的切削液；精加工时，表面质量要求高 选用以润滑为主的切削液；本 章 结 束 切削力来源 切削力分解rDfrDpSinFFCosFF222fpcFFFF 注意：注意：工件材料的影响 工件材料硬度或强度大，剪切屈服强度s大，（CFc大）切削力增大。强度和硬度一定，塑性或韧性提高 切削变形大，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。对脆性材料：变形小，摩擦小，故切削
17、力小 切削用量的影响 ap和f增大，均引起切削力增大，但程度不同：ap增大一倍，变形系数基本不变，则切削力也增大一倍；f增大一倍(hD增大)，变形系数减小，切削力只增大6886%；切削速度vc：加工塑性金属时，对切削力的影响规律是由于积屑瘤与摩擦的作用造成的积屑瘤增长期，随vc增大积屑瘤的高度增加，切削变形减小，切削力减小；积屑瘤减小阶段，切削力则随vc的增加而逐渐增大；在无积屑瘤的速度范围内，vc越大变形越小，切削力减小；加工脆性金属时，对切削力影响较小 刀具几何参数的影响 前角o：影响最大加工塑性材料时：o增大，变形程度减小，切削力减小；加工脆性材料时，切屑变形很小，故影响较小；负倒棱br
18、/f：可提高刃区强度，提高刀具寿命，但变形加大，Fc增加；主偏角r：对Fc的影响较小（2mm可分两次走刀精加工时，应一次切除精加工余量 进给量和切削速度的选定进给量的选定机床的有效功率和转矩机床进给机构传动链的强度工件刚度刀柄刚性图纸规定的加工表面粗糙度切削速度的选定选定ap和f 后，可按公式（2-42）或查表2-14选定vc 保证加工生产率最高的Tp完成一个工序所需要的工时 tw=tm+tc+totfvdlfnltcwwwwm1000mwwmTAfdlt1000TAvmcmmkTt 1mctmctmctcTktTkTtTtttotmctmwtTktkTt1代入得得：求导，并令对0dTdttw
19、w0121mctmw)T(mktkmTdTdtctptmmT1 保证加工成本最低的Tc每个工件的工序成本为：MtCTtMTttMtCottmmctm得：求导，并令对0dTdCC)(1MCtmmTtctc产品供不应求时，采用最大生产率使用寿命Tp产品滞销时，采用最低成本使用寿命Tc复杂刀具的使用寿命高于简单刀具多刀机床、组合机床等的刀具使用寿命定高些数控机床、加工中心的刀具使用寿命定低些 保证加工利润率最大的Tpr单件工序的利润率为：得：求导，并令对0dTdPPrrwrtCSPMtCTtMTttMtCottmmctm其中：otmctmwtTktkTt1mPttactPrrTmSKCSCttmmT
20、)(1 影响切削加工性的主要因素及其关系图 常用高速钢牌号的选用 常用硬质合金牌号的选用 刃倾角对切屑流向的影响图2-69 刃倾角对切屑流向的影响s-ss0切屑流向与vf方向一致，刀头强度差，精加工切屑流向与vf方向相反，易缠绕、擦伤已加工表面，粗加工 补充：金相组织铁素体：软而韧的组织，冷焊严重，加工性不好，需正火或冷作变形提高硬度渗碳体：硬度高塑性和强度低，刀具擦伤和磨损严重，需球化退火珠光体：硬度、强度和塑性适中，加工性好索氏体：托氏体：奥氏体：马氏体：前角选用原则以下情况刀具前角取小些：刀具材料抗弯强度和韧性较低工件材料的强度、硬度较高粗加工、断续切削成形刀具和前角影响刃形的其他刀具自动化加工中不易频繁更换的刀具以下情况刀具前角取大些：加工塑性工件工艺系统刚性差，易引起切削振动机床功率不足刀头强度刀具耐用度减小切削力避免刀刃畸变 后角选用原则根据切削厚度粗加工时，f大，hD也大，强力切削且承受冲击大，后角应取小些精加工时，f小，hD也小，后刀面磨损，后角应取大些根据工件材料工件材料强度、硬度高时，为加强刀刃强度，后角取小些材质软塑性大时，易加工硬化，为减小后刀面摩擦，后角易取大些脆性材料力集中在刀尖处，后角可取小些特硬材料 在前角为负值时，为造成较好的切入条件，后角应加大 切削液种类 作业题1：尖头刀车外圆的角度分析 作业题2：45度弯刀车端面角度分析
