金属切削原理与刀具

金属切削原理与刀具教辅目录第一部分 基本定义精简内容1第一节 切削运动1第二节 刀具切削部分组成要素2第三节 刀具角度3第四讲 切削层要素5第二部分 刀具材料精简内容8第一节 刀具材料应具备的性能8第二节 高速钢10第三节 硬质合金11第四节 其它刀具材料12第三部分 切削过程及切屑种类精简内容14第一节 金属切屑过程14第二节 切屑的类型17第四部分 切削力精简内容21第一节 切削力的来源、切削合力及其分解、切削功率21第二节 切削力的指数公式24第三节 影响切削力的因素25第四节 切削力的理论研究29第五部分 切削热和切削温度精简内容29第一节 切削热的产生与传出29第二节 切削温度及其测量方法31第三节 影响切削温度的因素32第六部分 刀具的磨损破损和使用寿命精简内容35第一节 刀具磨损35第二节 刀具磨损过程、磨钝标准及刀具寿命36第七部分 切削液精简内容38第一节 切削液的分类39第二节 切削液的作用机理39第三节 切削液的添加剂40第四节 切削液的选用41第八部分 已加工表面质量精简内容量43第一节 已加工表面的形成过程43第二节 已加工表面质量概述43第三节 表面粗糙度45第四节 加工硬化47金属切削原理与刀具教辅第一部分 基本定义精简内容第一节 切削运动一、切削运动金属切削加工是利用刀具切去工件毛坯上多余的金属层(加工余量)，以获得具有一定的尺寸、形状、位置精度和表面质量的机械加工方法。在金属切削中，为了要从工件上切去一部分金属，刀具和工件间必须完成一定的切削运动。切削运动包括：主运动和进给运动。（一）主运动 ：使工件与刀具产生相对运动而进行切削的最主要的运动。主运动特点是运动速度最高，消耗功率最大。主运动一般只有一个。（二）进给运动：保证金属的切削能连续进行的运动。进给运动的特点是运动速度低，消耗功率小。进给运动可以有几个，可以是连续运动，也可以是间歇运动。二、切削速度的计算 (一) 、主运动为旋转运动，计算公式为： dw工件待加工表面或刀具的最大直径 n工件或刀具每分钟转数(二) 、主运动为往复直线运动，计算公式为： L往复直线运动的行程长度 nr主运动每分钟的往复次数三. 工件上的表面在切削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面。 待加工表面工件上有待切除的表面。 已加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。 过渡表面切削刃正在切削的表面。该表面的位置始终在待加工表面与已加工表面之间不断变化。四. 切削用量 切削速度、进给量、背吃刀量 (1)切削速度VC (2) 进给量f Vf=fn (mm/s) f 车刀每转进给量（mm/r) n 工件转速（r/s)五. 主运动和进给运动的合成和成切削运动：是由主运动和进给运动合成的运动。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称合成切削运动方向，其速度称合成切削速度. 第二节 刀具切削部分组成要素一. 车刀由刀柄和刀头组成，切削部分包括以下几个部分：(一)前 面 Ar(face)： 前面是刀具上切屑流过的表面。(二)主后面Aa (flank)：刀上同前面相交形成主切削刃的后面，即与工件上过渡表面相对的表面。(三)副后面Aa ： 与已加工表面相对的表面，刀具上同前面相交形成副刃的后面二. 刀具组成 切削刃： 刀具上两个面相交形成切削刃 主切削刃S：前刀面与 主后刀面相交形成的切削刃，它担任主切削工作。 副切削刃S：前刀面和副后刀面相交形成的切削刃。 刀尖： 刀尖是指主切削刃与副切削刃的交点。三. 刀具结构其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可看作是车刀的演变和组合。第三节 刀具角度一. 刀具角度(一)刀具的切削角度，是刀具和工件在切削运动的状态下确定的角度。所以刀具的切削角度的坐标应该用合成切削速度向量Ve来说明。（二）由于实际生产中大多数加工表面都是空间曲面，不便于直接用来做为坐标平面，因此需通过切削刃上某一选定点，做工件加工表面的切削平面和法平面。（三）刀具静止参考系（标注参考系）：不考虑进给运动，并在特定的安装条件下的参考系。 （四）刀具工作参考系（动态参考系）：是确定刀具在切削运动中有效工作角度的基准。考虑了进给运动及安装情况的影响。 二、刀具切削角度的坐标平面三、刀具标注角度的坐标为了便于刀具设计者在设计刀具时的标注，有一些理想状态的假定：1）装刀时，刀尖恰在工件的中心线上；2）刀杆中心线垂直工件轴线；3）没有进给运动；4）工件已加工表面的形状是圆柱表面。（外圆刀具标注角度）第四讲 切削层要素一、 切削层工件上正被切削刃切削的一层金属，亦即相邻两个加工表面之间的一层金属。 二、切削层参数切削层参数共有三个，它们通常都在垂直于切削速度v的平面内度量。（一）切削宽度：沿主切削刃方向度量的切削层尺寸。 车削外圆时切削宽度：（二）切削厚度：两相邻加工表面间的垂直距离。车外圆时，切削厚度：（三）切削深度：在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层尺寸。车削加工时的切削深度：dw，dm分别为待加工表面和已加工表面的直径。 （四）切削面积：切削层垂直与切削速度截面内的面积。车外圆时：三. 自由切削和非自由切削，残留面积及其高度(一).自由切削是指只有一个直线切削刃的切削。(二).非自由切削是指切削刃为折线形，即有主切削刃和副切削刃；或曲线形的切削。由于切削运动和刀具的几何形状的关系，使加工后仍有一部分金属未被切除，而残留在已加工表面上，构成已加工表面的横向不平度（粗糙度），既所谓残留面积。（三）.当刀尖没有圆弧半径残留面积有直线构成其高为：实际上r必不可少，当f较小，残留面积纯粹由两段圆弧构成，即不含有副切削刃的直线部分时残留面积高度为:小项可略去不记，上式简化为：第二部分 刀具材料精简内容第一节 刀具材料应具备的性能一. 刀具材料应具备的性能刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。即 刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能：（1） 硬度高刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料的常温硬度必须HRC62以上。（2） 足够的强度和韧性刀具切削部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击力，因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。（3） 耐磨性和耐热性好刀具在切削时承受着剧烈的摩擦，因此刀具材料应具有较强的耐磨性。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系，其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的能力来衡量（热硬性）。耐热性越好，允许的切削速度越高。（4）导热性好刀具的材料热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。（5） 具有良好的工艺性和经济性既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。二 .常用刀具材料刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表:第二节 高速钢一. 高速钢高速钢是一种含钨（W W ）、钼（M M O O ）、铬（ Cr ）、钒（V V ）等合金元素较多的高合金工具钢。由于合金元素与碳原子的结合力很强，使钢在550600时仍能保持高硬度，从而使切削速度比碳素工具钢和合金工具钢成倍提高，故得名“高速钢”，又名“风钢”或“锋钢”。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨出锋利的刃口， 广泛用于制造切削速度较高、形状复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀及齿轮刀具等。高速钢按化学成分可分为钨系、钼系（含M O 2%以上）；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢。 普通高速钢普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：a） W18Cr4V （简称 W18 ） 属钨系高速钢，具有较好的切削性能，是我国最常用的一种高速钢。 b） W6Mo5Cr4V2 （简称 M2 ） 属钼系高速钢，碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但其磨削性能较差， 我国目前主要用于热轧刀具，如麻花钻等。c） W9Mo3Cr4V（简称W9） 是一种含钨量较多，含钼量较少的钨钼系高速钢。其碳化物不均匀性介于W18和M2之间，但抗弯强度和冲击韧度高于M2。具有较好的硬度和韧性，其热塑性也很好，可用于制造各种刀具（如锯条、钻头、拉刀、铣刀、齿轮刀具等）。 高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，用调整其基本化学成分和添加一些其它合金元素（如钒、钴、铅、硅、铌等）的办法，着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。它主要用来加工不锈钢、耐热钢、高温合金和超高强度钢等难加工材料。主要有以下几种：a） 钴高速钢 钴高速钢是在高速钢中加入钴，常用牌号是W2Mo9Cr4Co8（简称M42），具有良好的综合性能，允许的切削速度较高，有一定的韧性，可磨削性好，可用于切削高温合金、不锈钢等难加工材料。b）铝高速钢 是我国独创的钢种，加入了少量的铝不但提高了钢的耐热性和耐磨性，而且还能防止含碳量高引起的强度、韧性下降。但由于含钒量较多，其磨削加工性较差，过热敏感性强，氧化脱碳倾向较大，使用时要严格掌握热处理工艺。常用牌号有W6Mo5Cr4V2Al（简称501）和W10Mo4Cr4V3Al（简称5F6）第三节 硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（ WC 、TiC 、 NbC 、 TaC 等）作硬质相，用钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉末，按一定比例混合，压制成型，在高温高压下烧结而成。硬质合金的 常温硬度很高（8993HRA，相当于7882HRC）。 耐熔性好，热硬性可达8001000以上，允许的切削速度比高速钢提高47倍，刀具寿命高58倍， 是目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。但它的 抗弯强度和韧性均较低，性脆，怕冲击和振动，工艺性也不如高速钢。因此，硬质合金常制成各种形状的刀片焊接或夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀体上使用。我国目前常用的硬质合金主要有以下三类： 钨钴类硬质合金 （ YG 类） K K 类 - 红色由WC和Co组成， 代号为 YG。常温硬度为8991HRA，耐热性达800900， 适用于加工切屑呈崩碎状的脆性材料。如 铸铁 。常用牌号有 YG3 、 YG6 和 YG8 等， 其中数字表示含 Co 的百分比，其余为含 WC 的百分比。钴在硬质合金中起粘结作用，含Co愈多的硬质合金韧性愈好，所以 YG8 适于粗加工和断续切削， YG6 适于半精加工， YG3 适于精加工和连续切削。 钨钛钴类硬质合金 （ YT 类）P P 类 - 蓝色由WC、TiC和Co组成， 代号为 YT。此类硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性（9001000）均比YG类合金高，但抗弯强度和冲击韧度降低。 主要适于加工切屑呈带状的钢料等韧性材料，如 钢 类。常用牌号有 YT30 、 YT15 和 YT5等，数字表示含 TiC 的百分比。 故 YT30 适于对钢料的精加工和连续切削， YT15 适于半精加工， YT5 适于粗加工和断续切削。 钨钛钽（铌）钴类硬质合金 （ YW 类） K K 类 - 黄色又称通用合金，由WC、TiC、TaC（NbC）TCo组成， 代号为 YW。其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大提高。常用牌号有YW1和YW2，这两种硬质合金都具有YG类硬质合金的韧性，比YT类硬质合金的抗刃口剥落能力强。由于 YW 类硬质合金的综合性能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。第四节 其它刀具材料一. 陶瓷材料 陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al 2 O 3 、Si 3 N 4 等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂。也是采用粉末冶金工艺方法经制粉，压制烧结而成。陶瓷刀具有很高的硬度（9195HRA）和耐磨性，刀具耐用度高；有很好的高温性能，化学稳定性好，与金属亲和力小，抗粘结和抗扩散能力好；具有较低的摩擦系数，在高速精车和精密铣削时，被加工工件可获得镜面效果。陶瓷刀具的最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧度低，承受冲击负荷的能力差。主要用于对钢料、铸铁、高硬材料（如淬火钢等）连续切削的半精加工或精加工。二. 人造金刚石 人造金刚石是在高温高压和金属触媒作用的条件下，由石墨转化而成。金刚石刀具的性能特点是：有极高的硬度和耐磨性，切削刃非常锋利，有很高的导热性。 但耐热性较差，且强度很低。主要用于高速条件下精细车削及镗削有色金属及其合金和非金属材料。但由于金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力，故 金刚石刀具不适合加工铁族材料。三.立方氮化硼（简称 CBN ） 是用六方氮化硼（俗称白石墨）为原料，利用超高温高压技术，继人造金刚石之后人工合成的又一种新型无机超硬材料。其主要性能特点是：硬度高（高达80009000HV），耐磨性好，能在较高切削速度下保持加工精。热稳定性好，化学稳定性好，且有较高的热导率和较小的摩擦系数，但其强度和韧性较差。主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行半精加工和精加工。第三部分 切削过程及切屑种类精简内容第一节 金属切屑过程金属切削过程: 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。在这一过程中产生了一系列的现象，如 切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。研究诸现象的成因、作用和变化规律并掌握这些规律，对于合理使用与设计刀具、夹具和机床，保证切削加工质量，减少能量消耗，提高生产率和促进生产技术发展等方面起着重要的作用。一. 切削变形金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：如下图（a）所示,塑性金属受压缩时,随着外力的增加,金属先后产生弹性变形、塑性变形,并使金属晶格产生滑移,而后断裂；如下图（b）所示,以直角自由切削为例,如果忽略了摩擦,温度和应变速度的影响,金属切削过程如同压缩过程,切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。切削过程中产生的诸现象均与金属层变形密切相关。为了进一步分析研究切削层变形的特殊规律,通常把切削刃作用部位的金属层划分为三个变形区：第 变形区 也称为基本变形区 ，近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；金属的剪切滑移变形，基本变形区的变形最大；第 变形区 也称为摩擦变形区 ，与前刀面接触的切屑层内产生的塑性变形区；金属的挤压摩擦变形；第 变形区 也称为加工表面变形区，近切削刃处已加工表层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形。如图c，三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而且复杂，金属的背切削层在此与工件基体发生分离，大部分变成切屑。二.切屑的形成及变形特点(一) 第一变形区金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑。下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。如图：切削层金属在始滑移面OA 以左 发生弹性变形，越靠近OA 面，弹性变形越大。在 在OA 面上 ，应力达到材料的屈服点 s , 则发生塑性变形,产生滑移现象。在滑移面OM上 上 ，应力和变形达到最大值。越过OM面 面 ，切削层金属将脱离工件基体，沿着前面流出切屑，完成切离过程。经过塑性变形的金属，其晶粒沿大致相同的方向生长。 金属切削过程实际上是一种挤压过程。取金属内部质点P来分析滑移过程：P点移到1位置时,产生了塑性变形。即在该处剪应力达到材料的屈服极限,在1处继续移动到1处的过程中,P点沿最大剪应力方向的剪切面上滑移至2处,之后同理继续滑移至3、4处,离开4处后,就沿着前刀面方向流出而成为切屑上一个质点。在切削层上其余各点,移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.020.2mm，所以常用AB滑移面来表示第一变形区，AB面亦称为剪切面。第 变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形经过塑性变形的金属，其晶粒沿大致相同的方向生长。 金属切削过程实际上是一种挤压过程。二. 第二变形区内金属的挤压摩擦变形经过第一变形区后,形成的切屑要沿前刀面方向排出,还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形(第二变形区的变形) 这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里, ,表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。这种作用离前刀面愈远影响愈小。三. 第三变形区内金属的挤压摩擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。第二节 切屑的类型一.切屑的分类由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：带状切屑；挤裂切屑；单元切屑;崩碎切屑(1) 带状切屑它是经过上述塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状。加工塑性金属材料例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金， 当切削厚度较小，切削速度较高、刀具前角较大时 ，常得到这类切屑。其切削过程平稳，切削力波动小，已加工表面的表面粗糙度值较小。(2) 挤裂切屑在形成切屑的过程中,剪切面上局部位置处的剪应力 达到材料的强度极限,使切屑上与前刀面接触的一面较光洁,其背面局部开裂成节状。 切削黄铜或用低速切削钢, 当切削厚度较大，切削速度较低、刀具前角较小时 ，常得到这类切屑较易得到这类切屑。(3) 单元切屑当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏,使切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。 切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。(4) 崩碎切屑在切削脆性金属时, , 例如铸铁、黄铜等材料, ,切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂,得到的切屑呈不规则的细粒状。 切屑的类型是由材料的应力- - 应变特性和塑性变形程度决定的。如加工条件相同， 塑性高的材料不易断裂，易形成带状切屑；改变加工条件（如减小前角，或加大切削厚度），材料产生的塑性变形程度随之变化，切屑的类型便会相互转化，当塑性变形尚未达到断裂点就被切离时出现了带状切屑,变形后达到断裂就形成挤裂切屑或单元切屑。因此，在生产中常利用切屑转化条件，使之得到较为有利的屑型。切屑控制：在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出和折断，使之形成“可接受”的良好切屑。研究表明，工件脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越大，切屑就越容易折断。二. 切屑控制的方法 切屑控制的方法(1）采用断屑槽通过设置断屑槽对流动的金属施加一定的约束力，可使切屑应变增大，切屑蜷曲半径减小。断屑槽的形状有折线形、直线圆弧形、全圆弧形。(2）改变刀具角度增大主偏角，切削厚度变大，有利于断屑；减小前角，可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可改变切屑的流向。(3）调整切削用量提高进给量可使切削厚度增大，有利于断屑，但增大进给量会使表面粗糙度增大；适当降低切削速度可使切削变形增大，有利于断屑，但会降低切除效率。三. 积屑瘤现象(一).在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的2-3倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替切削刃进行切削。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。积屑瘤对切削过程的影响：1. 代替刀具切削，保护刀具2. 增大前角，减小变形和力3. 产生过切及犁沟， 精度4. 增大已加工表面粗糙度积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生： 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.如图所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，经测定它的硬度为金属母体的23倍，积屑瘤高出前刀面0.369mm、凸出后刀面0.057mm、宽1.138mm，在切削时形成了实际前角3227(有的可达40)。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时（图中R0.134 mm），会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。(二).积屑瘤的形成有许多解释：通常认为是由于 切屑在前刀面上粘结造成的。当在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞流”现象。越贴近前刀面处的金属层，流速越低。当温度和压力增加到一定程度，滞流层中底层与前刀面产生了粘结。当切屑底层中剪应力超过金属的剪切屈服极限时，底层金属流速为零而被剪断，并粘结在前刀面上。该粘结层经过剧烈的塑性变形使硬度提高，在继续切削时，硬的粘结层又剪断软的金属层。这样层层堆积，高度逐渐增加，形成了积屑瘤。长高了的积屑瘤，受外力或振动的作用可能发生局部断裂或脱落。有些资料表明积屑瘤的产生、成长和脱落是在瞬间内进行的，它们的频率很高，是个周期性的动态过程。(三).形成积屑瘤的条件 ：主要决定于切削温度.在切削温度很低时, ,切屑与前刀面间呈点接触,摩擦系数 较小, 故不易形成粘结； 在温度很高时,接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑作用，摩擦系数也较小， 积屑瘤同样不易形成。 在中温区，例如切削中碳钢的温度在300380时， 切屑底层材料软化，粘结严重，摩擦系数 最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。以切削中碳钢为例,从图示的曲线可知，低速（ v c 3m/min左右）切削时，产生的切削温度很低；较高速（ v c 60m/min）切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均小，故不易形成积屑瘤。在中速（ v v c c 20m/min ），积屑瘤的高度达到最大值。所以许多中速加工工序，如攻丝、拉孔、钻孔、铰孔等经常由于积屑瘤作用而影响加工表面粗糙度。如同其它精加工工序，为了提高加工表面质量，应尽量不采用中速加工，否则应配合其它改善措施。在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度 S 高，不易切除切屑 ,即使采用较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的温区域，为了抑制积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加工 。切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤 。第四部分 切削力精简内容第一节 切削力的来源、切削合力及其分解、切削功率一、切削力的来源切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成： 变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间的摩擦力。二、切削合力及其分解 为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小,通常将合力Fr在按主运动速度方向、切深方向、进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分解成三个分力，它们是：切削力的分解 ：由图可知，合力与各分力间关系为：其中，FyFx.ycoskr； Fx=Fx.ysinkr 式中 Fxy合力在Fr基面上的分力三、切削功率(1)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，可用下式表示：表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增加而减小。单位切削力p不受背吃刀量asp的影响，这是因为背吃刀量改变后，切削力Fz与切削层面积AD以相同的比例随着变化。而进给量f增大，切削层面积AD随之增大，而切削力Fz增大不多。 利用单位切削力p来计算主切削力Fz较为简易直观。（2）切削功率切削功率Pm是指车削时在切削区域内消耗的功率，通常计算的是主运动所消耗的功率。式中 Fz主切削力（N）;vc主运动切削速度。机床电动机所需功率PE应为： PEPm/ kW式中机床传动效率（3）单位切削功率单位切削功率Ps是指单位时间内切除金属体积Zw所消耗的功率。 Ps=Pm/Zw kW/（ mm3s-1） 单位时间内切除金属量Zw Zw=1000vcaspf （ mm3/s） 另外可导出Pm， Ps之间的关系式：第二节 切削力的指数公式一、切削力指数公式式中: Fz、Fy、Fx:分别为主切削力、切深抗力、进给抗力； CFz , CFy , CFx :决定于被加工材料和切削条件的有关系数； xFz、yFz、nFz、xFy、yFy、nFy、xFx、 yFx、 nFx:分别为三个分力公式中，背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数； KFz , KFy , KFx :考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。二、单位切削力 切除单位切削层面积的主切削力通过实验求得p后， 则可通过上式求得主切削力Fz。 三、单位切削功率 单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率Ps。式中: Zw单位时间内的金属切除量（mm3s-1）。 整理后得 通过实验求得p后，反过来可以求得Pm，然后再计算Fz。四、 机床电机功率在设计机床选择电机功率PE时，应按下式计算 式中 m 机床传动效率，通常= 0.750.85第三节 影响切削力的因素切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素。 被加工材料的抗剪变形、 切削面积愈大， 剪切角、 前角愈小， 则切削力愈大。 具体分析如下：一、工件材料工件材料是通过材料的剪切屈服强度s、塑性变形、切屑与前刀面间摩擦系数等条件影响切削力的。工件材料强度、硬度愈高，材料的剪切屈服强度s越高大,切削力越大。材料的制造和热处理状态不同，得到的硬度也不同，切削力随着硬度提高而增大。还受加工硬化程度的影响。 工件材料的塑性或韧性越高，切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大。例如，不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬度接近45钢， 但延伸率是45钢的4倍，所以同样条件下产生的切削力较45钢增大25。 在切削铸铁等脆性材料，由于塑性变形很小， 崩碎切屑与前刀面的摩擦小，故切削力小。二、切削用量背吃刀量与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂1、背吃刀量ap、进给量f ap、f增大，切削宽度aw、切削厚度ac增大，切削面积Ac增大，抗力和摩擦力增加， 则切削力增大，但影响程度不一。因刀刃钝圆半径r的关系，刃口处的变形大，ap增大时(如图 (a)所示)，该处变形成比例增大；f增大时(如图(b)所示)，该处变形比例基本不变，而ac变大，变形减小。所以增加ap时切削力的增大较f的增大影响明显。一般切削力实验公式中ap的指数接近于1；f的指数接近于0.75也可说明这一点。可见，在同样切削面积下，采用大的f较采用大的ap省力。2、 切削速度vc 切削塑性金属时，vc对切削力的影响如同对切削变形影响的规律，是由积屑瘤与摩擦的作用所造成的。当vc35 m/min时，vc大，切削温度高，减小，增大，则减小，致使切削力减小。加工铸铁时曲线如图412（P69） v对切削力影响不大。 三、 刀具几何参数1、 前角o 前角0 增大，切削力减小加工钢料时，由式可知，o增大，减小，则切削力减小；加工铸铁等脆性材料时，因变形和加工硬化小，o对力的影响不显著。2、 负倒棱负倒棱为沿主切削刃磨出负前角和宽度为br1 的窄棱面，即第一前面。前刀面上的负倒棱 (如图所示)有利于增强刀刃强度，但也增加了切屑变形程度，所以使切削力增大。 负倒棱是通过其宽度对进给量之比来影响切削力的。br1/f增大时，切削力增大。到一定值后趋于稳定，临界值取决于刀屑接触长度。当大于接触长度时，前刀面上的正前角不起作用。4、刀尖圆弧半径r当ap、 f、r不变时， r增大，将使曲线部分各点的ac、r减小。 r增大对Fx、Fy要比对Fz的影响大。所以当工艺系统的刚性较差时， 宜用小r。刀尖圆弧半径对切削力的影响与 r/ ap有关。图 r与刀刃曲线部分的关系(a) r小; (b) r大 5、刃倾角s。 实验证明，s对Fz的影响不大，但对Fx、 Fy的影响较大。s增大，背吃刀力Fy方向的前角p增大，Fy减小；而进给抗力Fx方向的前角f减小，则Fx增大。 图 s对切削力的影响 前角0 ，切削力；负倒棱br1 ，切削力 ；主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fy，Fx）；与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fy，Fx）；刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fy，Fx） ；四、其它（一）、刀具材料：刀具材料与被加工材料间的摩擦系数影响切削力的变化。如硬质合金的值随钴含量的增多和碳化钛含量的减少而提高，故使用含钴量多的硬质合金刀片，切削力将增大；YT类硬质合金的摩擦系数较高速钢小，可使Fz下降510，而YG类硬质合金则基本与高速钢相同，陶瓷刀片导热性小，在较高的温度下工作时因摩擦降低， 切削力减小图425。 （二）、切削液：有润滑作用，可减小摩擦，使切削力降低 ；（三）、后刀面磨损：刀具的磨损量加大时， 使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 。第四节 切削力的理论研究一、剪切角(F)理论 (从固体力学出发)Merchant 理论：剪切面位于要求剪切能量最小的位置 F=p/4+(go-b)/2Lee and Shaffer理论：最大主应力和最大剪应力之间的夹角为p/4 F=p/4+go-b 二、剪切角(F)理论 (从固体力学出发)MC Shaw理论：剪切面不一定与最大剪应力平面一致 F=p/4+go-b +h h是决定于积屑瘤大小的附加角。 Oxley理论：考虑加工硬化、应变效应三、佐列夫理论位错理论 (从位错的观点研究切削力)第五部分 切削热和切削温度精简内容 第一节 切削热的产生与传出切削热和切削温度是切削过程中产生的重要物理现象。 第一：用刀具切削工件而产生的热称为切削热。第二：切削时消耗的能约97%到99%转化为热量，使得切削区域温度升高。切削热对切削过程影响有多方面影响：切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量。传散到刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因。切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生影响。切削热对切削加工的质量、生产率和成本都有直接、间接的影响，研究和掌握切削热产生和变化的一般规律，把切削热的不利影响限制在允许的范围之内，对切削加工生产是有重要意义的。一. 来源：切削热来源于切削层金属发生弹性、塑性变形所产生的热及切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦 。切削热产生于三个变形区，切削过程中三个变形区内产生切削热的根本原因是，切削过程中变形与摩擦所消耗的功，绝大部分转化为切削热。 假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热： Pc = Fcc Pc每秒钟内产生的切削热 Fc主切削力 c切削速度 切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。 影响散热主要因素： 工件材料的导热性能 工件材料的导热系数高，由切屑和工件散出的热就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高；但工件温升快，易引起工件热变形（铜和铝）。工件材料的导热系数小，切削热不易从工件方面散出，加剧刀具磨损（不锈钢）。 刀具材料的导热性能 刀具材料的导热系数高，切削热易从刀具散出，降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高（YG类硬质合金）。 周围介质 采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较多的切削热，切削区温度就较低。采用喷雾冷却法使切削液雾化后汽化，将能吸收更多的切削热，使切削温度降低。 切屑与刀具的接触时间 外圆车削时，切屑形成后迅速脱离车刀而落入机床的容屑盘中，切屑传给刀具的热量相对较少；钻削或其它半封闭式容屑的加工，切屑形成后仍与刀具相接触，传导给刀具的热相对较多。第二节 切削温度及其测量方法切削温度定义一：切屑、工件和刀具接触区的平均温度。 定义二：刀具与工件接触区域的平均温度。作用：研究各种因素对切削温度影响大小的依据； 通过实验数据来校验切削温度理论计算的正确性，反过来再指导生产 测量切削温度有多种方法：热电偶法、辐射温度计法、其他等等目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。补充：辐射温度计法：任何物体都会有红外线辐射，它表现的是物体的温度。 温度越高辐射越大。用红外线接收器作传感器，经数字滤波放大，再函数计算，显示出数字。热电偶法原理：把两种化学成分不同的导体的一端连接在一起，使它们的另一端处于室温状态（称为冷端），那么，当连在一起的一端受热时（称为热端）在冷热端之间就会产生一定的电动势，称为电势，把毫伏表或电位差计接在两导体冷端之间便可测量出热电势的值。实验研究表明，热电势值的大小取决于两种导体材料的化学成分及冷热端之间的温度差。当组成热电偶的两种材料一定时，经过标定可得到热电势的值与冷热端温度差之间的关系。一. 第自然热电偶法自然热电偶法是以刀具和工件作为热电偶的两极，组成热电回路测量切削温度方法。切削时，切削区的高温使刀具与工件的接触端成热端，处于室温状态的刀具、工件的另一端则成为冷端，用导线将刀具和工件的冷端连接到毫伏表或电位差计上，即可将切削时产生的热电势值测量出来。自然热电偶法测切削温度时，须事先对刀具和工件两种材料组成的热电偶进行标定，求得热端温度与毫伏表读数值之间关系的标定曲线，这样在测量实际切削时的切削温度时，便可根据毫伏表上的读数从标定的曲线上查出其对应的温度值。注意：测量的是平均温度，不是指定点的温度；不同材料需要标定，所以不方便。二.人工热电偶法在研究工件、刀具、刀屑上各点温度分布规律时，往往需要了解切削区内各点的切削温度。为此，可采用人工热电偶法进行测量。人工热电偶法是利用事先标定的两种不同材料的金属丝组成的热电偶来测量工件、刀具上某些点的温度。测量时，将热端通过工件（或刀具）上的小孔固定在被测点上，冷端用导线串接在毫伏表上，由于两金属丝组成的人工热电偶已事先经过标定，所以在实际测温时，根据毫伏表中的数值便可从标定曲线上查得其对应的温度值，即工件或刀具上被测点的温度值。改变测量小孔的位置并利用传热学原理进行推算，可得出刀具或工件上温度分布的情况。第三节 影响切削温度的因素显然，温度的高低取决于切削热产生的多少和散热情况。一. 切削用量对切削温度的影响1.切削速度 提高切削速度，切削温度将显著上升。原因一：切削速度提高，单位时间的金属切除率成正比增多，消耗的功增大，切削热也会增大，由切屑，工件与刀具间发生强烈摩擦而产生大量切削热；故使切削温度上升。原因二：由于切削速度很高，在很短的时间内切屑底层的热来不及向切屑内部传导，而大量积聚在切屑底层，使切削温度显著升高。但是，随着速度的提高，单位切削力和单位切削功率会降低，所以切削热量和切削温度上升的趋势要减缓。原因大家思考下。切削温度与切削速度之间的经验关系式为： Cv 与切削条件有关的系数； x 反映vc对的影响程度的指数。注意：一般情况下硬质合金切钢时，进给量越大，x越小，因为f增大，切削厚度大，带走热量也多，所以温度上升反而变慢。2.进给量 进给量增大，单位时间内的金属切除量增多，切削热增多，切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那么显著。因为单位切削力和单位切削功率随f增大而减小（大家思考下，提示，切削力的影响：切削厚度和变形系数），切除单位体积金属产生的热量减少了；同时f增大后，切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增多，故切削区的温度上升不甚显著。切削温度与进给量之间的经验关系式为式中 Cf 与切削条件有关的系数 0.14 是反映f对的影响程度的指数。3. 背吃刀量 背吃刀量对切削温度的影响很小。因为ap增大以后，切削区产生的热量虽成正比例增加，但切削刃参加工作长度增加，散热条件得到改善，故切削温度升高并不明显。切削温度与背吃刀量之间的经验关系式为 式中 Cap 与切削条件有关的系数； 0.04是反映ap 对的影响程度的指数。因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上分析可知，为有效控制切削温度以提高刀具寿命，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。二.刀具几何参数对切削温度的影响 1.前角o 前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影响。总的趋势是，前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角达18o20o后，对切削温度影响减小，这是因为楔角变小使散热体积减小的缘故。2.主偏角主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。3.工件材料工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的切削热多，故切削温度高。工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系数小于45钢（约为45钢的1/3）切削温度比45钢高40%。切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明，切灰铸铁HT200时的切削温度比切45钢大约低25%。三.其他因素的影响1.刀具磨损对切削温度的影响 刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增大；同时刀具后刀面与工件的摩擦加剧。所以刀具磨损后切削温度上升。后刀面上的磨损量愈大时，切削温度的上升愈为迅速。2.切削液对切削温度的影响 切削液对切削温度影响显著 ，合理选用切削液，可以改善刀具与切屑和刀具与工件界面的摩擦情况，改善散热条件，降低切削温度。第六部分 刀具的磨损破损和使用寿命精简内容第一节 刀具磨损一、刀具磨损 切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具正常磨损的形式有以下几种：1.前刀面磨损2.后刀面磨损3.边界磨损(前、后刀面同时磨损)从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。(1)磨粒磨损在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。(2)粘结磨损刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损