机械制造技术基础第二章

FundamentalsofManufacturingTechnology,机械制造技术基础,第二章金属切削过程,切削过程是指刀具和工件相互作用，刀具从工件表面上切去多余材料得到预期零件表面的过程。伴随着切削过程，会产生切削变形、切削力、切削热和刀具磨损等一系列现象。本章在讲授有关切削刀具基本知识的基础上，对切削过程中的上述各种现象进行研究，揭示它们的产生机理和相互之间的内在联系。,第一节金属切削刀具基础,一、切削加工的基本概念（一）切削运动与切削中的工件表面用刀具切除工件材料，刀具和工件之间必须要有一定的相对运动，该相对运动由主运动和进给运动组成。,主运动是使刀具和工件间产生相对切削速度并消耗大部分切削动力的运动。刀具相对于工件的主运动速度称为切削速度，用vc表示。,图2-1外圆车削的切削运动与加工表面,进给运动是使切削能持续进行以形成所需工件表面的运动。进给运动的速度称为进给速度，用vf表示。,图2-1外圆车削的切削运动与加工表面,主运动通常是切削运动中速度最高、消耗功率最多的运动，且主运动只有一个。,进给运动的速度较低，它可能是连续性的运动，也可能是间歇性的；它有时仅有一个，但有时也可能有几个。,图2-1平面刨削的切削运动与加工表面,主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具完成，也可以由工件完成，还可以由刀具和工件共同完成。同时，主运动和进给运动可以是直线运动，也可以是回转运动，还可以是二者的复合运动。,主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动。,（2-1）,外圆车削时，合成切削运动速度的大小和方向由下式确定,图2-1外圆车削的切削运动与加工表面,在切削过程中，工件上有以下三个不断变化着的表面，如图21所示。,图2-1外圆车削的切削运动与加工表面,待加工表面工件上即将被切除的表面。,已加工表面切去材料后形成的新的工件表面。过渡表面加工时主切削刃正在切削的表面，它处于前两种表面之间。,待加工表面,已加工表面,过渡表面,图2-1外圆车削的切削运动与加工表面,（二）切削用量切削用量是指切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）和背吃刀量ap。vc、f、ap三者又称为切削用量三要素。,图2-2切削层参数,1.切削速度(m/s或m/min)切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。计算切削速度时，应选取切削刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定,式中d工件（或刀具）的最大直径（mm）；n工件（或刀具）的转速（r/min）。,（2-2）,2.进给量（mm/r或mm/双行程）工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量。对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每齿进给量，单位是mm/z。进给速度vf、进给量f和每齿进给量fz之间的关系为（2-3）式中z刀齿数。,3.背吃刀量ap(mm)背吃刀量为工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。外圆车削的背吃刀量为（参见图2-2）,式中dw工件上待加工表面直径（mm）；dm工件上已加工表面直径（mm）。,（2-4）,（三）切削层参数切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。,图2-2切削层参数,1.切削层公称厚度hD垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。车外圆时如车刀主切削刃为直线，则hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。,（2-5）,2.切削层公称宽度bD沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。如车刀主切削刃为直线，则bD反映了切削刃参加切削的工作长度。,（2-6）,3.切削层公称横截面积AD切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。对于车削，切削面积即为切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。,（2-7）,二、刀具角度切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具的切削部分却具有共同的特征。外圆车刀是最基本、最典型的刀具，车刀的切削部分与其它各种刀具刀齿上的切削部分是基本相同的。下面以外圆车刀为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。,（一）刀具切削部分的构造刀具上承担切削工作的部分称为刀具的切削部分。外圆车刀的切削部分由六个基本结构要素构造而成：,图2-3外圆车刀的切削部分,前刀面切屑沿其流出的刀具表面。主后刀面与工件上过渡表面相对的刀具表面。,图2-3外圆车刀的切削部分,前刀面,主后刀面,副后刀面,副后刀面与工件上已加工表面相对的刀具表面。,主切削刃前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作，也称为主刀刃。,图2-3外圆车刀的切削部分,主切削刃,副切削刃前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也称为副刀刃。,图2-3外圆车刀的切削部分,主切削刃,副切削刃,图2-3外圆车刀的切削部分,刀尖连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是小的直线或圆弧。,主切削刃,副切削刃,刀尖,图2-3外圆车刀的切削部分,自由切削刀具只有一条直线主切削刃参与切削的切削过程。非自由切削刀具的曲线刃参与切削或刀具的主、副切削刃同时参与切削的切削过程。,附图自由切削,图2-1平面刨削的切削运动与加工表面,（二）刀具的标注角度1刀具标注角度的参考系刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，此处引入一个由以下三个参考平面组成的空间坐标参考系。,组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下：（1）基面Pr通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。,图2-4正交平面参考系,基面Pr,（2）切削平面Ps通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。,图2-4正交平面参考系,切削平面Ps,（3）正交平面Po通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。,图2-4正交平面参考系,正交平面Po,根据定义可知，上述三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系，如图2-4所示。,图2-4正交平面参考系,除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面参考系和假定工作平面参考系。2.刀具的标注角度在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。,在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有以下五个，其定义如下(见图2-5)：,图2-5车刀在正交平面参考系中的标注角度,（1）前角在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负值。,Pr,Po,Pr,O-O,（2）后角在正交平面内测量的主后刀面与切削平面间的夹角，一般为正值。,Ps,楔角,（3）主偏角在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。,Pr,vf,（4）副偏角在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,主偏角与副偏角一般均为正值。,刀尖角,（5）刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。,Pr,S,S,Pr,在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。,附图车刀在正交平面参考系中的刃倾角,以刃倾角为零的刀具进行切削时，主切削刃与切削速度方向垂直，称为直角切削。以刃倾角不等于零的刀具进行切削时，主切削刃与切削速度方向不垂直，称为斜角切削。,附图直角切削,附图斜角切削,要完全确定车刀切削部分所有表面的空间位置，还需要标注副后角，副后角确定副后刀面的空间位置。,图2-5车刀在正交平面参考系中的标注角度,也可以用以下方法来判断前角、后角及刃倾角的正负：角度的顶点取在刀尖上，空心的角度为正，实心的角度为负。上面讨论的外圆车刀的标注角度，是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。,3.刀具的工作角度如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。,（1）进给运动对工作角度的影响,1）横向进给对工作角度的影响当刀具对工件作切断或切槽工作时，刀具进给运动是沿横向进行的。,图2-6横向进给运动对工作角度的影响,考虑进给运动的影响后，刀具在工件上的运动轨迹为阿基米德螺旋线，按合成切削速度的确定的工作基面和工作切削平面分别为Pre和Pse。工作前角和工作后角为,当f增大时，值增大；工件切削直径d切越小，值越大。过大的值有可能使变为负值，后刀面将与工件相碰，这是不允许的。因此，切断刀应选用较大的，f的取值也不宜过大。,2）纵向进给对工作角度的影响用螺纹车刀的左刃车削螺纹表面，刀具沿纵向进给且进给量较大时，进给运动对工作角度的影响也不可忽视。,图2-7纵向进给运动对工作角度的影响,考虑纵向进给的影响后，按合成速度的方向确定的工作基面和工作切削平面为Pre和Pse。图中螺纹车刀左侧刀刃上A点在正交平面内的工作前角大于标注前角；而工作后角则小于标注后角，其中角为,（2）刀具安装位置对工作角度的影响,1）刀刃与工件中心不等高的影响安装刀具时，如刀尖高于或低于工件中心，会引起刀具工作角度的变化。,图2-8刀具安装高低对工作角度的影响,若不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装得高于工件中心，基面由Pr变为Pre，切削平面由Ps变为Pse，实际工作前角将大于标注前角,工作后角将小于标注后角。即如果刀尖安装低于工件中心：,2）刀杆中心线与进给运动方向不垂直的影响,图2-9刀杆中心线与进给方向不垂直对工作角度的影响,当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，会引起,工作主偏角和工作副偏角的改变。,如图2-9所示。其计算公式为：式中：刀杆中心线的垂线与进给方向的夹角。当刀杆轴线逆时针转动时，角前的正负号取其上。在使用车刀时，要注意利用这些安装特点。如粗车时，刀尖可稍高于工件轴线以增大前角来减少切削力；车细长轴时，可转动刀架来增大主偏角，以减少工件弯曲和振动。,注意，在一般车削时，由于进给量比工件直径小很多，故螺旋升角很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大时，则应考虑螺旋升角的影响。,三、刀具材料刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。（一）刀具材料的性能要求切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：,刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：（1）较高的硬度和耐磨性（2）足够的强度和韧性（3）较高的耐热性（4）良好的导热性和耐热冲击性能（5）良好的工艺性,（二）常用刀具材料刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。,1.高速钢高速钢是加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度(6267HRC)和耐热性，在切削温度高达500650时仍能进行切削；高速钢的强度高(抗弯强度是一般硬质合金的23倍,陶瓷的56倍)、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用。,高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。高速钢可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,普通高速钢是切削硬度在250280HBW以下的结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于4060m/min。普通高速钢的典型牌号有W18Gr4V（W18）和W6Mo5Gr4V2（M2）。W18的综合性能较好，可用于制造各种复杂刀具。但其强度和韧性略低，不适于制作大截面的刀具。,M2的抗弯强度和韧性比W18高，可用来制造尺寸较大，承受较大冲击力的刀具；同时，M2的热塑性好，适合于制造热轧钻头等刀具。高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630650时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、不锈钢和高强度钢等难加工材料。,高性能高速钢的典型牌号有W2Mo9Gr4VCo8（M42）和W6Mo5Gr4V2Al（501）。M42的综合性能和刃磨性能好，但因含钴多，成本较高。501是我国研发的一种含铝的无钴高性能高速钢，其切削性能与M42大体相当，成本较低，但刃磨性能较差。表2-1列出了几种常用高速钢的力学性能。,表2-1几种常用高速钢的力学性能,粉末冶金高速钢是采用高压惰性气体（如氩气或氮气）将高速钢水雾化成粉末后，再经过热压成型、锻轧成材。粉末冶金高速钢除成本略高外，在切削性能和工艺性能方面均明显优于熔炼高速钢。粉末冶金高速钢适合于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸复杂刀具，也适于制造各种精密刀具和断续切削的刀具。,2.硬质合金硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)微米级的粉末和金属粘结剂(Co、Ni等)在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达8993HRA，760时其硬度为7785HRA，在8001000时还能切削，切削中碳钢时，切削速度可达100200m/min，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。,但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/81/30，因此，其承受切削振动和冲击的能力较差。目前硬质合金主要用于制造刃形简单、无冲击性的非断续切削加工的刀具。尺寸较小和形状复杂的刀具，也可采用整体硬质合金制造，但成本较高，其价格是高速钢刀具的810倍。,ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。P类（相当于我国YT类）硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。这类合金一般可用于钢料的高速切削。常用牌号有YT5、YT15等。随着TiC含量的提高，含钴量相应减少，硬度、耐磨性和切削速度增高，但抗弯强度及冲击韧性下降。此类硬质合金不易加工不锈钢和钛合金。,K类（相当于我国YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。这类合金主要适合于铸铁、有色金属及其合金和非金属材料等脆性材料的加工。常用牌号有YG6、YG8等，随着含钴量增多，硬度、耐磨性和切削速度下降，但抗弯强度和冲击韧性增高。,M类（相当于我国YW类）硬质合金是在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC或NbC而成，称为钨钛钽(铌)钴类硬质合金。加入TaC或NbC后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。常用牌号有YW1和YW2等。,表2-2列出了几种常用的硬质合金的牌号、性能及其使用范围。由表2-2中可以看出，当硬质合金中碳化物含量较高时，硬度就高，但抗弯强度就相对较低；当粘结剂含量较高时，则抗弯强度较高，硬度较低。,表2-2几种常用的硬质合金材料的牌号、性能及其使用范围,3.涂层刀具材料涂层刀具材料是在韧性较好的高速钢或硬质合金基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而成。涂层刀具材料与高速钢、硬质合金刀具材料相比，其表面具有高的硬度和耐磨性，基体又有良好的抗弯强度和韧性，使涂层刀具的寿命大为提高。常用涂层刀具的材料有TiC、TiN、Al2O3等。,（三）其它刀具材料1陶瓷陶瓷刀具材料主要有Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷两类。前者硬度高达9195HRA，耐磨性和耐热性好，但抗弯强度和韧性差，多用于精加工和半精加工冷硬铸铁和淬硬钢。后者有较高的抗弯强度和韧性，适合于加工铸铁及高温合金，但切削钢料效果不显著。陶瓷是一种极有发展前途的刀具材料。,2.立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成的一种新型刀具材料。CBN的硬度高达80009000HV，仅次于金刚石。它可耐13001500的高温，热稳定性与化学稳定性都很好，在12001300高温下也不与铁发生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。,3.人造金刚石工业上多使用人造金刚石。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）。聚晶金刚石的晶粒随机排列，属各向同性体，常用于制造刀具。金刚石的硬度高达10000HV，是目前自然界中已知的最硬物质，可以用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。,人造金刚石主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金属的高速精细切削。金刚石不是碳的稳定状态，当温度大于700时，金刚石转化为石墨结构而丧失硬度，因此，用金刚石刀具进行切削时须对切削区进行强制冷却。金刚石刀具不宜加工铁族元素，因为金刚石中的碳原子和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。,第四节切削力,在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关。切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。,一、切削力与切削功率1.切削力,切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。,图2-25加工材料发生变形所需克服的力,使被加工材料发生变形所需克服的力主要是：,1）切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。,图2-25加工材料发生变形所需克服的力,图2-25加工材料发生变形所需克服的力,2）刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件表面间的摩擦阻力。,2.切削合力与分力图2-26所示为车削外圆时，如忽略副切削刃的切削作用及其它影响因素，作用在车刀上的合力应在其正交平面内。为便于测量和应用，可将作用在车刀切削部位上的合力分解为三个互相垂直的分力。,图2-26切削合力和分力,切削力Fc（主切削力、切向力）垂直于基面，与切削速度的方向一致。,图2-26切削合力和分力,Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。,背向力Fp（切深抗力、径向力）平行于基面，并与进给方向相垂直。,图2-26切削合力和分力,Fp会使机床加工系统(含机床、刀具和工件)变形或引起振动，影响加工精度和已加工表面质量。,进给力Ff（轴向力）平行于基面，并与进给方向相平行。,图2-26切削合力和分力,Ff是设计机床进给机构或校核其强度的主要依据。,在上述三个分力中：Fc值最大，Fp(0.150.7)Fc，Ff(0.10.6)Fc。由图2-26可知：,（2-15）,3.切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用Pc(kW)表示。在车削外圆时，Fp不作功，所以切削功率应为Fc和Ff作功所消耗的功率之和。,（2-16）,上式中由于Ff小于Fc，而Ff方向的进给速度又很小，因此所消耗的功率与第一项相比很小（一般小于12%），可忽略不计。故一般切削功率可按下式计算即可。,（2-17）,根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率（m=0.750.85）。机床电动机的功率PE应为,（2-18）,4.单位切削力的概念单位切削面积上的切削力（N/mm2）称为单位切削力，用kc表示：若已知单位切削力kc，即可通过式（2-19）计算切削力Fc。,（2-19）,二、切削力经验计算公式1切削力的测量目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。测力仪输出的模拟信号经A/D转换成数字信号后输入计算机，计算机对测试数据进行处理后即可求得切削力经验公式。,图2-27切削力测量系统,2切削力经验计算公式通过实际测量不同切削工况条件下的切削力，经数据处理，可求得以下切削力经验计算公式,（2-20）,式中取决于被加工材料和切削条件的切削力系数；三个分力公式中，背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数；,（2-20）,实际加工条件与建立经验计算公式的试验条件不相符时，计算切削力的修正系数。试验条件对切削力影响的修正系数可查阅相关手册。,（2-20）,表2-3为在不同工况条件下进行车削试验经数据处理得到的上述有关系数和指数。,三、影响切削力的因素1.工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，冲击韧性和塑性越大，则切削力越大。切削脆性材料时的切削力相对较小。工件材料的化学成分、热处理状态等都直接影响其物理力学性能，因而也影响着切削力。,2.切削用量的影响（1）背吃刀量ap和进给量fap和f增大都会使Fc增大,但两者影响程度不同:ap增大使Fc增大，且呈正比；f增大也会使Fc增大，但不呈正比。在切削层面积相同的条件下，采用大的进给量比采用大的背吃刀量的切削力要小。,（2）切削速度积屑瘤及产生原因在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块（图2-19），它的硬度很高，通常是工件材料硬度的23倍，这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。,图2-19积屑瘤的形成,切削塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内，随着的增大，切削力Fc减小。在产生积屑瘤的情况下，刀具的实际前角随积屑瘤的成长与脱落变化着。在积屑瘤增长期，增大，切削力下降；在积屑瘤消退期，增大，切削力上升。切削脆性材料时，对切削力没有显著影响。,图2-28切削速度对切削力的影响,3.刀具几何参数的影响（1）前角增大，切削力下降。切削塑性材料时，对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小，对切削力的影响不显著。（2）主偏角由图2-26可知，主偏角增大,背向力Fp减小，进给力Ff增大。,（3）刃倾角改变刃倾角将影响切屑在前刀面上的流动方向，从而使切削合力的方向发生,变化。增大，Fp减小,Ff增大。在范围内变化时，Fc基本不变。,（4）负倒棱为了提高刀尖部位强度、改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角的棱台，其宽度为。当lf时（lf为切屑与前刀面接触长度），切削力增加的幅度不大；当lf时，相当于用负前角的车刀进行切削，与不设负倒棱相比，切削力将显著增大。,图2-29负倒棱车刀,4刀具磨损后刀面磨损增大时，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。5切削液使用以冷却为主的切削液（如水溶液）对切削力影响不大，使用润滑作用强的切削液（如切削油）可使切削力减小。,6刀具材料刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小，导致切削力变化。在其他切削条件完全相同的条件下，用陶瓷刀具切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用硬质合金刀具切削比用高速钢刀具切削的切削力小。,第五节切削热和切削温度,切削过程中产生的切削热和由它产生的切削温度将直接影响刀具的磨损和刀具的使用寿命。由于切削热和切削温度使工件和刀具产生变形和残余应力而最终影响工件的加工精度和表面质量。,一、切削热的产生与传导在刀具的切削作用下，切削热来源于两个方面，一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能,量；二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。切削过程中有三个发热区域，如图所示。,图2-30切削热的产生与传导,由于切削过程中所消耗能量的98%99%都将转化为切削热。如忽略进给运动所消耗的能量，则单位时间产生的切削热（2-21）式中Qc单位时间产生的切削热（J/s）；Fc切削力（N）；vc切削速度（m/s）。,切削热由四个途径即切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。影响散热的主要因素是：（1）工件材料的导热系数（2）刀具材料的导热系数（3）周围介质,车削时，切屑：50%86%；刀具：10%40%；工件：3%9%；空气：1%。钻削时，切屑：28%；刀具：14.5%；工件：52.5%；周围介质：5%。切削速度越高，切削厚度越大，切屑带走的热量越多。,二、切削温度的测量切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度。切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度。测量切削温度的方法很多，但目前常用的是自然热电偶和人工热电偶法，它简单、可靠、使用方便。,1.自然热电偶法该种方法测得的温度是切削区的平均温度。,图2-31a用热电偶测量切削温度,2.人工热电偶法该种方法可测得切削区某一点的温度值。,图2-31b用热电偶测量切削温度,图2-32为采用人工热电偶法测量并辅以传热学计算得到的刀具、切屑和工件的切削温度分布图。由图中可以看出：,剪切面上各点温度几乎相同；前刀面上温度最高点不在切削刃上。,图2-32刀具、切屑和工件的切削温度分布,三、影响切削温度的主要因素1切削用量对切削温度的影响用实验方法求得的刀具与切屑接触区平均切削温度的经验公式为（2-22）式中刀具与切屑接触区平均温度（）；切削温度系数（查表2-4）；vc,f,ap切削用量三要素；vc,f,ap的指数（查表2-4）。,表2-4切削温度的系数和指数,在分析各因素对切削温度的影响时，主要应从以上这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；反之，如果某些因素使传出的热量大于产生的热量，则这些因素将使切削温度降低。所以，仅以切削热产生的多少是不能决定切削区的切削温度高低的。,由公式知：vc、f、ap增大，单位时间内材料的切除量增加，产生的切削热增多，切削温度也随之增高。又由表2-4知，。由此表明，切削用量中影响切削温度最大的是vc，其次是f，ap最小。,（1）切削速度切削速度vc增大，使切削功率近似呈比例增大，产生的切削热也呈比例增大。同时，当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，而产生摩擦热。如果vc提高，则摩擦热生成的时间就很短，来不及向切屑和刀具内部传导，而大量集聚在切屑底层，从而使切削温度升高。,（2）进给量进给量f增大，切削力和切削温度都将增大，但同时切削厚度hD也呈比例增大，即切屑变厚而使热容量增加，由切屑带走的热量也多。所以进给量f对切削温度有一定影响，但不如vc的影响显著。,（3）背吃刀量背吃刀量ap增大后，虽然切削区产生的热量呈正比例增多，但因切削刃的实际工作长度也呈正比例增长，增大了散热面积，改善了散热条件，其结果使切削温度的变化不大。综上所述，在机床允许的条件下，选用大的ap和f，比选用大的vc更为有利。,切削加工生产追求的目标是高效率和低成本，增大ap和f都能提高生产效率，但从降低能源消耗考虑，增大f比增大ap有利；从减小切削温度以延长刀具使用寿命考虑，增大ap比增大f有利。实际上，一般要根据生产中的具体条件和要求综合分析，合理选择ap和f。,2.刀具几何参数对切削温度的影响（1）前角增大，切削力减小，切削温度下,下降，如图所示。前角超过1820后，对切削温度的影响减弱，这是因为刀具楔角减小而使散热条件变差的缘故。,图2-33前角与切削温度的关系,（2）主偏角减小，切削刃工作长度和刀尖角增大，散热条件变好，使切削温度下降，如图2-34所示。,图2-34主偏角与切削温度的关系,3.工件材料对切削温度的影响工件材料的强度和硬度高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也越多，切削温度就越高。工件材料的导热系数小时，切削热不易散出，切削温度相对较高。脆性材料的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中塑性变形很小，切屑呈崩碎状，与前刀面的摩擦也较小，所以，产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。,4.刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损使切削刃变钝，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，二者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。5.切削液对切削温度的影响使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切削温度，提高刀具寿命。,第六节刀具磨损、刀具寿命和切削用量的选择,刀具在切削过程中将逐渐磨损。当磨损量达到一定程度时，会造成工件尺寸超差，加工表面质量恶化，此时必须刃磨刀具或更换新刀具。有时，刀具也可能在切削过程中突然损坏而失效，造成刀具破损。刀具的磨损、破损及其使用寿命对加工质量、生产效率和成本影响极大，因此它是切削加工中极为重要的问题之一。,一、刀具磨损形态和磨损机制1刀具磨损的形态刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理的或化学的作用，使刀具原有的几何角度逐渐丧失。刀具磨损呈现为三种形态。,（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）,切削塑性材料时，如果刀具材料耐热、耐磨性较差，而且切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。,图2-35刀具的磨损形态,月牙洼和切削刃之间有一条小棱边，月牙洼随着刀具磨损不断变大，当其扩展到使棱边变得很窄时，切削刃强度降低，极易导致崩刃。月牙洼磨损量以其深度表示（图2-36）。,图2-36刀具磨损的测量位置,图2-35刀具的磨损形态,（2）后刀面磨损由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面，这种磨损形式称作后刀面磨损（图2-35）。,切削铸铁或以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，后刀面磨损是主要形态。,图2-36刀具磨损的测量位置,后刀面上的磨损棱带往往不均匀，其平均磨损宽度以VB表示，如图2-36所示。,（3）边界磨损切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处的主后刀面（图2-36中的N区）和副切削刃靠近刀尖处的副后刀面上，磨出较深的沟纹，这种磨损称作边界磨损。边界磨损主要是由于工件在边界处的加工硬化层、硬质点等因素所造成的。,2.刀具磨损机制（1）硬质点划痕由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等在刀具表面上划出一条条沟纹，造成机械磨损。硬质点划痕在各种切削速度下都存在，但在低速切削时，由于其它各种形式的磨损还不显著，所以硬质点划痕是低速切削刀具（如拉刀、板牙等）产生磨损的主要原因。,（2）冷焊粘结切削时，切屑与前刀面之间由于高压和高温的作用，切屑底层材料与前刀面发生冷焊粘结形成冷焊粘结点，在切屑相对于刀具前刀面的运动中冷焊粘结点处刀具材料表面微粒会被切屑粘走，造成刀具的粘结磨损。在工件与刀具后刀面之间同样也存在着粘结磨损。在中等偏低的切削速度条件下，冷焊粘结是产生磨损的主要原因。各种刀具材料都会发生粘结磨损。,（3）扩散磨损切削过程中，刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑底面相接触，由于高温和高压的作用，刀具材料和工件材料中的化学元素相互扩散，使刀具材料化学成分发生变化，耐磨性能下降，造成扩散磨损。扩散磨损在高温下产生，且随切削温度的升高而加剧。,（4）化学磨损在一定温度(700800)作用下，刀具材料中的WC及TiC与周围介质(如空气中的氧)起化学作用，在刀具表面形成硬度较低的化合物(CoO、WO、TiO2)，易被切屑和工件摩擦掉而产生的刀具磨损称为化学磨损。化学磨损主要发生在较高的切削速度条件下，它也是造成刀具边界磨损的主要原因之一。,总之，在不同的工件材料、刀具材料和切削条件下，磨损的原因和强度是不同的。切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。高温时扩散磨损和化学磨损强度较高；在中低温时，冷焊粘结占主导地位；硬质点划痕则在不同切削温度下都存在。,二、刀具磨损过程及磨钝标准1.刀具磨损过程,刀具磨损实验结果表明，刀具磨损过程可以分为如图2-37所示的三个阶段：,图2-37刀具磨损的典型曲线,（1）初期磨损阶段由于新刃磨后的刀具，表面存在微观粗糙度，后刀面与工件之间为峰点接触，单位面积上承受的正压力较大，故刀具磨损速度很快，此阶段称为刀具的初期磨损阶段。初期磨损量的大小与刀具刃磨质量有很大的关系。,（2）正常磨损阶段经过初期磨损后，刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平，后刀面与工件的接触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，因此磨损速度变慢，此阶段称为刀具的正常磨损阶段。它是刀具的有效工作阶段。曲线的斜率代表了刀具正常工作时的磨损强度，磨损强度是衡量刀具切削性能的重要指标之一。,（3）急剧磨损阶段当刀具磨损量增加到一定限度时，切削刃变钝，切削力、切削温度将急剧增高，刀具磨损剧烈，直至丧失切削能力，此阶段称为急剧磨损阶段。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须更换或重新刃磨。,2刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用了，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。ISO统一规定以1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。自动化生产中使用的精加工刀具，从保证工件尺寸精度考虑，常以刀具的径向尺寸磨损量NB作为衡量刀具的磨钝标准（图2-38）。,图2-38刀具的磨损量VB与NB,制订刀具的磨钝标准时，既要考虑充分发挥刀具的切削能力，又要考虑保证工件的加工质量。,精加工、工艺系统刚性差或切削难加工材料时磨钝标准取较小值；反之，磨钝标准取大值。,图2-38刀具的磨损量VB与NB,国际标准ISO推荐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：（1）VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取VBmax=0.6mm；（3）前刀面磨损量，式中f为以mm/r为单位的进给量值。,三、刀具寿命1.刀具寿命的定义刃磨后的刀具（或新刀）自开始切削直到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具寿命，用T表示。它指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。,对于可重磨刀具，刀具寿命指得是其两次刃磨之间所经历的实际切削时间。如果用刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。2.刀具寿命的经验计算公式试验结果表明，对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几何形状确定之后，切削速度是影响刀具磨损的主要因素。,图2-39所示为在正常的切削速度范围内，分别以不同的切削速度进行刀具磨损试验，得到的一组磨损曲线。,图2-39刀具磨损曲线,如图2-39所示，刀具磨钝标准与磨损曲线的交点所对应的时间，就是不同切削速度所对应的刀具寿命T1、T2、T3、T4。将数据点(vc1,T1)、(vc2,T2)、(vc3,T3)、(vc4,T4)标在对数坐标系上，相邻数据点依次用直线相连，即可求得vc-T试验曲线，如图2-40所示。,图2-39刀具磨损曲线,图2-40所示为在双对数坐标上的曲线。,由图中可以看出，在一定的切削速度范围内，上述各点基本都在一条直线上。,图2-40在双对数坐标上的曲线,该直线方程可写为因此，切削速度与刀具寿命的关系式可表示为（2-23）式中mvc对T的影响程度的指数，它反映了刀具材料的切削性能。Co与刀具材料、工件材料、切削条件有关的系数。,该公式揭示了切削速度与刀具寿命之间的关系，是选择切削速度的重要依据。此公式说明：随着切削速度vc的变化，为保证磨钝标准VB不变的刀具，刀具寿命T必须作相应的变化；指数m的大小反映了刀具寿命T对切削速度vc变化的敏感性。m越小，表明T对vc的变化越敏感，也就是说刀具的切削性能越差。,按照上面求关系式的方法，同样可以求得和关系式：,综合以上三式，可得到切削用量与刀具寿命的一般关系式（刀具寿命的经验公式）：,式中CT与工件、刀具材料及切削条件有关的系数。,（2-26）,刀具寿命的经验公式中的有关指数和系数可通过刀具寿命试验求得。用硬质合金车刀切削的碳钢，在进给量f0.75mm/r的条件下进行刀具寿命试验，通过数据处理后得到的刀具寿命公式为,（2-27）,分析式（2-27）可知，切削速度vc对刀具寿命的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。这与它们对切削温度的影响顺序完全一致，表明切削温度与刀具寿命之间有着紧密的内在联系。上式表明，切削用量与刀具寿命密切相关。,在生产中，确定刀具寿命有两种原则。如果从加工效率考虑，当刀具寿命规定过高，则允许采用的切削速度就低，生产效率下降；如刀具寿命规定过低，则采用的切削速度虽然可以很高，但装刀、卸刀及调整机床的时间增多，生产效率也降低。这样就存在一个生产效率为最高（单件时间为最少）的刀具寿命，即最高生产率刀具寿命。,同样，如果从加工成本考虑，若刀具寿命选的过高，则切削速度必须选的很低，所以加工时间加长，使得机床费用和人工费用增加，成本提高；若刀具寿命选的过低，虽然允许的速度提高，但换刀时间增多，刀具消耗及与磨刀有关的成本均提高，因而成本也增高。由此可看出，这里也存在着一个单件工艺成本为最低的刀具寿命，即最小成本刀具寿命。,上述分析表明，在一定切削条件下，并不是刀具寿命越高越好。合理刀具寿命数值的确定，要综合考虑各种因素的影响，不能一概而论。一般情况下，应采用最小成本刀具寿命。在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时，可选用最高生产率刀具寿命。,制订刀具寿命时，还应具体考虑以下几点：1）刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时，刀具寿命应规定得高些。2）多刀车床上的车刀，组合机床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机及自动线上的刀具，因为装夹、调整复杂，刀具寿命应规定得高些。,3）当生产线上某工序的生产率限制了全线生产率的提高时，该工序刀具寿命应定得低些，这样可以选用较大的切削用量，以加快该工序生产节拍；当某工序单位时间的生产成本较高时刀具寿命应规定得低些，以便选用较大的切削用量，缩短加工时间。4）精加工大型工件时，刀具寿命应规定得高一些，至少保证在一次走刀中不换刀。,四、刀具的破损及刀具状态监控破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损，因为破损和磨损都是在切削力和切削热的作用下发生的。磨损是逐渐发展的过程，而破损是突发的。破损的突然性很容易在生产过程中造成较大的危害和经济损失。,1.刀具的破损形式（1）脆性破损硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具的破损形式。1）崩刃切削刃产生小的缺口(切削刃微崩）。断续切削时常发生这种破损。2）碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂。也多发生于断续切削中。,（3）剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃