高速切削-课件 (22)

1、第三章第三章第三章第三章第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制切削过程及控制切削过程及控制切削过程及控制切削过程及控制 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

2、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、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。 第一节第一节 金属切削过程及切屑类型金属切削过程及切屑类型 一、切屑的形成过程一、切屑的形成过程 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）。 2切屑形成过程模型切屑形成过程模型 图31 图图 挤压与切削的比较挤压与切削的比较 图图31 切屑形成过程

3、模型切屑形成过程模型 二、三个变形区二、三个变形区 根据实验时的切削层变形图片可绘制如图根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的所示的 切削变形模型，切削变形模型，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 塑性变形从始滑移面塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面开始至终滑移面OM终了，终了， 之间形成之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是 晶格间的剪切滑移，所以晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为叫剪切区，也称为第一变第一变 形区（形区（）。）。 图图32 金属切削过程中的滑移线和流线示意

4、图金属切削过程中的滑移线和流线示意图 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到切屑沿刀具前面排出时会进一步受到 前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存 在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前 刀面处的金属发生刀面处的金属发生“纤维化纤维化”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变形区（第二变形区（）。 2. 第二变形区第二变形区 在已加工表面上与刀具后面挤压、摩在已加工表面上与刀具后面挤压、摩 擦形成的变形区域称为擦形成的变形区域称为第三变形区（第三变形区（）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利由于刀具刃口不可能绝对锋利

5、, 钝圆半钝圆半 径的存在使切削层参数中公称切削厚度不径的存在使切削层参数中公称切削厚度不 可能完全切除，会有很小一部分被挤压到可能完全切除，会有很小一部分被挤压到 已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并 进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加 工表面质量。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

6、形。切屑材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑 的变形和形成过程如的变形和形成过程如图图图图图图3-33-33-3所示。所示。 三、第一变形区内金属的剪切变形三、第一变形区内金属的剪切变形 图图33 第一变形区金属的滑移第一变形区金属的滑移 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

7、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（图图图图图图3-43-43-4） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生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（图图图图图图3-53-53-5）。）。 切

8、屑形成本质切屑形成本质 图图34 晶粒滑移示意图晶粒滑移示意图 图图35 滑移与晶粒的伸长滑移与晶粒的伸长 1. 剪切角剪切角 四、四、切削变形程度的表示方法切削变形程度的表示方法 剪切角 剪切面 积变形程度切削力。 图36 剪切面剪切面 p与切削速度与切削速度(主运动主运动)方向之间的夹角称为方向之间的夹角称为 剪切角，用剪切角，用表示表示 图36 角与剪切面面积的关系 图37 变形系数的求法 切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数， 用h 表示，h = ach/ac ； 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数， 用l表示，l=lc/lch 。 根据体积不变原理,

9、 则 a l。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。 2. 变形系数变形系数 五前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响五前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 1. 作用在切屑上的力作用在切屑上的力 刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8所示。 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（严格地讲，这两个合力不共线， 有一个使切屑弯曲的力矩），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。 图图38 作用在切屑上的力作

10、用在切屑上的力 a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析切屑作为隔离体的受力分析 2. 前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦 在粘结区，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慢 得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”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擦 仅为外摩擦。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外 摩擦

11、)区。 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑 内摩擦。 图图310 切屑和前面摩擦情况示意图切屑和前面摩擦情况示意图 六、六、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 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。 积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度 有关

12、，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压力状况有关。 3）影响积屑瘤的因素）影响积屑瘤的因素 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 图312 积屑瘤高度与切削速度关系示意图 4）积屑瘤对起削过程的影响）积屑瘤对起削过程的影响 v实际前角增大（实际前角增大（图图图图图图3-133-133-13）；）； v增大切削厚度（增大切削厚度（图图图图图图3-3-3-131313） ； v使加工表面粗糙度增大；使加工表面粗糙度增大； v对刀具寿命的影响。对刀具寿命的影响。 一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利 的，

13、的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生， 但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。 图图313 积屑瘤前角和伸出量积屑瘤前角和伸出量 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 影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min 和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故 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； 适当提高工件材料的硬度；适当提高工件材料的硬度； 提高刀具的刃磨质量；提高

14、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。 5）抑制或消除积屑瘤的措施）抑制或消除积屑瘤的措施 七、影响切屑变形的主要因素七、影响切屑变形的主要因素 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（图图图图图图）。 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。 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 数不断上

15、升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （图图图图图图） 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 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，变形系数逐渐地减小。 图图 工件材料强度对变形系数的影响工件材料强度对变形系数的影响 图图 切削速度对变形系数的影响切削速度对变形系数的影响 （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 (图图图图图图)。 3.刀具几何参数刀具几何参数 （1）前角）前角0前角增大，剪切角增 大，而剪切角越大，则 变形系数减小。 变形系数与前角之间的 关系如图图图图图图所示。 (2)刀尖圆弧半

16、径刀尖圆弧半径r 刀尖圆弧半径越大， 变形系数越大，切削 变形越大。（图图图） 图图 切削厚度与变形系数的关系切削厚度与变形系数的关系 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 带状切屑带状切屑 最常见的屑型之一（最常见的屑型之一（图图图图图图3-153-153-15a a a）。）。 外形特征：外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件：形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速 度较高、刀具前角较大时，会得到此

17、类切屑。度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。 优优 点：点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙 度较小。度较小。 缺缺 点：点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。 八、切屑的类型八、切屑的类型 挤裂挤裂(节状节状)切屑切屑 外形特征：外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。 形成条件：形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变 形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、形区较宽，在剪切滑移过程中

18、滑移量较大。大多在低速、 大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图图图图图图3-153-153-15b b b)。 单元单元(粒状粒状)切屑切屑 在挤裂在挤裂(节状节状)切屑产生的前提下切屑产生的前提下, 当进一当进一 步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒粒 状状)切屑切屑(图图图图图图3-153-153-15c c c)。 崩碎切屑崩碎切屑 切削脆性金属切削脆性金属(铸铁铸铁)时，常见的呈不规则细粒时，常见的呈不规则细粒 状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀状的切屑。产生

19、这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀 具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大 则越容易产生这种切屑则越容易产生这种切屑(图图图图图图3-153-153-15d d d) 。 图315 切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑 图315 切屑类型 C）单元切屑 d ) 崩碎切屑 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，会使已加 工表面产生剧烈的塑性变形(图图图图图图3-163-163-16a a a)。 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。 加工硬化和残余应力的存在

20、，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 磨损。 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。 九、已加工表面的形成过程九、已加工表面的形成过程 图图316 已加工表面的形成过程已加工表面的形成过程 第二节第二节 切削力切削力 一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率 切削过程中， 刀具施加于工件使 工件材料产生变形， 并使多余材料变为 切屑所需的力，称 为切削力。 1. 切削力的来源切削力的来源 切削力来自于金属 切削过程中克服被 加工材料的弹、塑 性变形抗力和摩擦 阻力（图图图3-183-183-

21、18） 。 图图3-18 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F分解 为相互垂直的三个分 力：切削力 Fc 、进 给力 Ff 、背向力 Fp (图图图3-193-193-19)。 切削力切削力F Fz z( (F Fc c) ) （旧称主切削力，用Fz表 示）总切削力在主运动 方向的分力，是计算机床切 削功率、选配机床电机、校 核机床主轴、设计机床部件 及计算刀具强度等必不可少 的参数。 背向力背向力 Fy（Fp） 进给力进给力Fx (Ff) 旧称径向分力，用Fy表 示 总切削力在垂直 于工作平面方向的分力 ，是进行加工精度分析 、计算工艺系统刚度以 及分析工

22、艺系统振动时 ，所必须的参数。 旧称轴向分力，用Fx表示 总切削力在进给方向的 分力，是设计、校核机床 进给机构，计算机床进给 功率不可缺少的参数 图图3-19 切削力的分解切削力的分解 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）。 3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 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 类是按单位切削力进行计算。 在

23、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 中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表表表表表表。 若已知单位切削力kc ，即可求得单位切削功率ps。表3-1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 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， 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。 二、切削力的实验公式二、切削力的实验公式 三、影响切削力的因素三、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 的强度、硬度和塑性。 材料的强度、硬度

24、越高，则屈服 强度越高，切削力越大。 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 上的平均摩擦系数越大，切削力也 就越大。2. 切削用量切削用量 进给量f和背吃刀量ap 进给量f和背吃刀量ap增加，使切 削力Fc增加，但影响程度不同。 进给量f 增大时，切削力有所增 加；而背吃刀量ap增大时，切削 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 擦力均成正比的增加。 切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐 增加，切削力减小； 切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐 消失，切削力增加； 在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升

25、，摩擦 系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时， 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 面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的 影响。 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。 切削速度切削速度c 前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料） 负倒棱的影响：（图321）负倒棱参数大大提高了正前角刀 具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的 比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力； 主偏角的影响：（图322） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr

26、 Fy , Fx 刃倾角的影响：（图323） s Fy , Fx ,Fz基本不变 刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削变形切 削力。此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小， 从而使Fp增大、Ff 减小。 3. 刀具几何参数刀具几何参数 图321 负倒棱对切削力的影响 图322 主偏角不同时Fxy力的分解 （a）Kr小 （b） Kr大 kr1 Kr kr2 Fp Ff 图323 刃倾角对切削力的影响 4. 刀具磨损刀具磨损 5. 切削液切削液 6. 刀具材料刀具材料 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。 第三节第三节 切削热和切削温度

27、切削热和切削温度 一、切削热的产生与传导一、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的 三个热源(图图图3-253-253-25)。在这三个变形区中，刀具 克服金属弹、塑性变形抗力弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩摩 擦抗力擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。 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2-25 切削热的产生与传导切削热的产生与传导 二、切削温度对切削加工过程的影二、切削温度对切削加工过程的影 响响 1.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热 性为600左右

28、，超过该温 度刀具失效。硬质合金刀具 材料耐热性好，在高温 8001000时，强度反而 更高，韧性更好。因此适当 提高切削温度，可防止硬质 合金刀具崩刃，延长刀具寿 命。 2.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 膨胀，切削后冷却至室温，尺寸 变小，特别是在精加工和超精密 加工时，切削温度的变化对工件 尺寸精度的影响特别大，因此控 制好切削温度，是保证加工精度 的有效措施。 三、切削温度的测定方法三、切削温度的测定方法 1.自然热电偶法自然热电偶法 自然热电偶法是利用工 件材料和刀具材料化学成份 的不同而构成热电偶的两极， 并分别连接测量仪表，组成 测量电路，刀具

29、切削工件的 切削区域产生高温形成热端， 刀具与工件为热电偶冷端， 冷、热端之间热电势由仪表 （毫伏计）测定。切削温度 越高，测得热电势越大，它 们之间得对应关系可利用专 用装置经标定得到。 2.人工热电偶法人工热电偶法 人工热电偶法是将两种预 先经过标定的金属丝组成热电 偶，热电偶的热端焊接在刀具 或工件需要测定温度的指定点 上，冷端通过导线串联在电位 差计或毫伏表上。根据仪表上 的指示值和热电偶标定曲线， 可测得指定点的温度。 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 材料的强度、硬度越高， 则切削抗力越大，消耗的功越 多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热

30、越少，切削区的切削温度就越 高。 2.切削用量切削用量 切削温度与切削用量的 关系式为： CVc Zf yap x 三个影响指数 zyx，说 明切削速度对切削温度的影 响最大，背吃刀量对切削温 度的影响最小。 （3）刀具几何参数）刀具几何参数 （4）刀具磨损）刀具磨损 （5）切削液）切削液 1)前角o塑性变形和摩擦 切削温度（图图图图图图）。但前角 不能太大，否则刀具切削部分 的锲角过小，容热、散热体积 减小，切削温度反而上升。 2)主偏角r切削刃工作接触 长度，切削宽度bD，散热条 件变差，故切削温度（图）。 刀具主后面磨损 时，后角减小，后面 与工件间摩擦加剧。 刃口磨损时，切屑形 成过程

31、的塑性变形加 剧，使切削温度增大。 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。 图图 前角与切削温度的关系前角与切削温度的关系 第四节第四节 刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 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， 如果切削速度和切削厚 度较大，在刀具前刀面 上经常会磨出一个月牙 洼（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 图图3-27 刀具的磨损形态刀具的磨

32、损形态 2）后面磨损）后面磨损 加工脆性材料或在切削速度 较低、切削厚度较小（hD 01mm），由于前刀面上刀屑 间的作用相对较弱，主要发生后 刀面磨损（图例）。 3）前面和后面同时磨损）前面和后面同时磨损 一般在以中等切削 用量加工塑性金属材料 时会出现这种形式磨损 （图例）。 4）边界磨损）边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件 外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出较深 的沟纹，这就是边界磨损（图例）。加工 铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边 界磨损。 （2）非正常磨损）非正常磨损 刀具的非正常磨损是 指在切削过程中，刀具的 磨损量尚未达到磨钝标准 值就突然无法正常使用， 即刀具发生破损

33、。 1）脆性破损脆性破损 2）塑塑性破损性破损 在振动、冲击切削条件的作 用下，刀具尚未发生明显磨损 （VB0.1mm），但刀具切削部 分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、 刀片或刀具折断、表层剥落、热 裂纹等现象，使刀具不能继续工 作，这种破损称为脆性破损。 切削时，刀具由于高温高 压的作用，使刀具前、后 刀面的材料发生塑性变形， 刀具丧失切削能力，这种 破损称为塑性破损。 v针对被加工工件材料和零件的特点，合理选择刀具材料的种 类和牌号； v合理选择刀具几何参数； v保证刀具焊接和刃磨质量，避免因焊接、刃磨不善而带来的 各种缺陷。尽量使用机夹可转位不重磨刀具； v合理选择切削用量，避免过大的切削

34、力和过高的切削温度， 避免产生积屑瘤； v提高工艺系统的刚性，消除可能产生振动的因素，如加工余 量不均匀，表面硬度不均匀，铰刀、铣刀等回转类刀具各刀齿 的刃尖不在同一圆周上等现象； v采用正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的 载荷，合理使用切削液，为防止热裂效应，不要断续使用切削 液冷却硬质合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。 防止刀具破损的措施防止刀具破损的措施 二、刀具磨损的原因二、刀具磨损的原因 1.硬质点磨损硬质点磨损 2.粘结磨损粘结磨损 3.扩散磨损扩散磨损 切削时，切屑、工件材 料中含有一些碳化物、氮 化物和氧化物等硬质点以 及积屑瘤碎片等，可在刀 具表面刻划出沟纹，这就

35、是磨料磨损。 切削时，切屑、工件与前、 后刀面之间存在很大的压力和强 烈的摩擦，形成新鲜表面接触而 发生冷焊粘结。由于切屑在滑移 过程中产生剪切破坏，带走刀具 材料，从而造成粘结磨损。 在切削高温下，使 工件与刀具材料中的合 金元素在固态下相互扩 散置换造成的刀具磨损， 称为扩散磨损 （5）相变磨损）相变磨损 （4）化学磨损）化学磨损 在一定温度下，刀具 材料与某些周围介质起化 学作用，在刀具表面形成 一层硬度较低的化合物， 被切屑或工件擦掉而形成 磨损，称为化学磨损。 当切削温度达到或超 过刀具材料的相变温度时， 刀具材料中的金相组织将 发生变化，硬度显著下降， 引起的刀具磨损称为相变 磨损

36、。 图图3-29 切削速度对刀具磨损强度的影响切削速度对刀具磨损强度的影响 1-硬质点磨损；硬质点磨损； 2-粘结磨损；粘结磨损；3-扩散磨损；扩散磨损；4-化学磨损化学磨损 三、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具磨损过程及磨钝标准 1.刀具磨损过程刀具磨损过程 初期磨损阶段（初期磨损阶段（） 正常磨损阶段（正常磨损阶段（） 剧烈磨损阶段（剧烈磨损阶段（） 2.刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限刀具磨损到一定限 度就不能继续使用，这度就不能继续使用，这 个磨损限度称为磨钝标个磨损限度称为磨钝标 准。磨钝标准的具体数准。磨钝标准的具体数 值可从切削用量手册中值可从切削用量手册中 查得。查

37、得。 图3-30 图图3-30 刀具的磨损过程刀具的磨损过程 国际标准国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以 是以下任何一种：是以下任何一种： （1） VB=0.3mm； （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VB max=0.6mm； （3）前面磨损量）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）为进给量） 在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度VB来制来制 定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑：定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑： 充分利用正常磨损阶段的磨损量，适用于粗

38、加工和半充分利用正常磨损阶段的磨损量，适用于粗加工和半 精加工。精加工。 根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。 四、刀具耐用度及其经验公式四、刀具耐用度及其经验公式 1. 刀具耐用度的定义刀具耐用度的定义 刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨 好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历 的实际切削时间。 刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件 材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的 重要参数。 2.切削用量对刀具耐用度的影响切削用量对刀具耐用度的影响 （1）切削速度与刀具寿命的关系）切削速度与刀具寿命的关系 各种切削速度下的刀具磨损曲线（各种切削速

39、度下的刀具磨损曲线（图图331） 刀具刀具Tv关系曲线（关系曲线（图图332），该直线方程为：），该直线方程为： Lgv=-mlgT+lgA 式中，式中， m=tg，即该直线的斜率；，即该直线的斜率； A 当当T1s（或（或1min）时直线在纵坐标上的截距。）时直线在纵坐标上的截距。 V = A / T m 图图331 各种切削速度下的刀具磨损曲线各种切削速度下的刀具磨损曲线 图图332 在双对数坐标上的在双对数坐标上的Tv曲线曲线 2）进给量、被吃刀量与刀具寿命的关系）进给量、被吃刀量与刀具寿命的关系 f= B / Tn ap= C/Tp 综合以上三式，可以得到切削用量三要素与寿命的关系：综

40、合以上三式，可以得到切削用量三要素与寿命的关系： T= CT/vcx f yapx 用用YT15硬质合金车刀切削硬质合金车刀切削b0.63GPa的碳钢时，的碳钢时， 切削用量与刀具寿命的关系式为：切削用量与刀具寿命的关系式为： T= CT/vc5 f2.25ap0.75 T -V关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系，关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系， 是选择切削速度的重要依据。指数是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具表示切削速度对刀具 耐用度的影响程度。高速钢：耐用度的影响程度。高速钢：m=0.10.125； 硬质合金：硬质合金： m=0.20.3;陶瓷刀具：陶瓷

41、刀具：m=0.4。 五、刀具寿命的选择原则五、刀具寿命的选择原则 确定合理刀具寿命的两种方法：确定合理刀具寿命的两种方法： 最大生产率寿命 最低成本寿命 一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或 生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率寿命。生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率寿命。 图333 图图333 刀具寿命对生产率和加工成本的影响刀具寿命对生产率和加工成本的影响 复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、 低精度的、单刃的刀具高。低精度的、单刃的刀具高。 对于机夹可转位刀具，由

42、于换刀时间短，为使切削刃始终对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终 处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。 对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多 刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证 整机和整线的可靠工作。整机和整线的可靠工作。 精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得 高些。高些。 大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应大件加工时，为避免一次进给中

43、中途换刀，刀具耐用度应 选得高些。选得高些。 刀具几何参数刀具几何参数 合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命。合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命。 刀刀 具具 材材 料料 刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，刀具材料是影响刀具寿命的重要因素， 合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材 料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命和提高料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命和提高 切削速度的重要途径之一。切削速度的重要途径之一。 工工 件件 材材 料料 工件材料的物理力学性能也是影响刀具工件材料的物理力学性能也是影响刀具 寿命的重要因

44、素，工件材料的强度、硬度和韧性越高，延寿命的重要因素，工件材料的强度、硬度和韧性越高，延 伸率越小，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。伸率越小，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。 切切 削削 用用 量量 六、影响刀具寿命的因素六、影响刀具寿命的因素 第五节第五节 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 工件材料工件材料 的可切削加工的可切削加工 性是指对某种性是指对某种 材料进行切削材料进行切削 加工的难易程加工的难易程 度。度。 一、工件材料切削加工性的评定指标一、工件材料切削加工性的评定指标 1）以一定耐用度下的切削速度）以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性；衡量加工性；

45、2）以切削力或切削温度衡量加工性；）以切削力或切削温度衡量加工性； 3）以加工表面质量衡量加工性；）以加工表面质量衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易）以切屑控制或断屑的难易 一般用相对加工性一般用相对加工性Kv来衡量工件材料的可切削加工性。来衡量工件材料的可切削加工性。 通常以通常以b=0.637GPa的的45钢的钢的60（刀具寿命为（刀具寿命为60min时所时所 允许的切削速度，用允许的切削速度，用60表示）为基准，写作表示）为基准，写作(60)j。将其。将其 它工件材料的它工件材料的60与之相比，其比值即为与之相比，其比值即为相对加工性相对加工性Kv， 即即 Kv=60/(60)j

46、当当 Kv 1时，该材料比时，该材料比45钢容易切削，例如有色金属钢容易切削，例如有色金属Kv 3； 当当 Kv 1时，该材料比时，该材料比45钢难切削，例如高锰钢、钛合钢难切削，例如高锰钢、钛合 金金 Kv 0.5，均属难加工材料。，均属难加工材料。 材料切削加工性等级，表材料切削加工性等级，表32 二、改善工件材料切削加工性的途径二、改善工件材料切削加工性的途径 要改善工件材料的切 削加工性，可通过热处理 方法，改变材料的金相组 织和物理力学性能，也可 通过调整材料的化学成分 等途径。生产实际中，热 处理是常用的处理方法。 第六节第六节 切削液切削液 一、切削液的作用机理一、切削液的作用机

47、理 切削液的冷却作用主要 靠热传导带走大量的切削热， 从而降低切削温度，提高刀 具寿命；减少工件、刀具的 热变形，提高加工精度；降 低断续切削时的热应力，防 止刀具热裂破损等。 1.切削液的冷却作用切削液的冷却作用 2.切削液的润滑作用切削液的润滑作用 使用切削液后，切屑、工件与 刀面之间形成完全的润滑油膜，成 为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很 小；实际情况是属于边界润滑摩擦， 其摩擦系数大于流体润滑，但小于 干摩擦。图334 图334 金属间边界润滑摩擦 Ff摩擦力 二、切削液的添加剂二、切削液的添加剂 用以改善在较 低温度下切削液的 润滑性能。 （3）切削液的清洗作用）切削液的清洗作用 1.

48、油性添加剂油性添加剂 2.极压添加剂极压添加剂 比油性添加剂比油性添加剂 能耐较高的温度。能耐较高的温度。 为改善切削液为改善切削液 性能所加入的化学性能所加入的化学 物质，称为添加剂。物质，称为添加剂。 二）切削液的分类二）切削液的分类 水溶液 乳化液 水溶性切削液有良好的 冷却作用和清洗作用。 （2）水溶性切削液）水溶性切削液 切削油 固体润滑剂 非溶性切削液主要起润 滑作用。 （1）非水溶性切削液）非水溶性切削液 3.表面活性剂表面活性剂 由于表面活性剂分子的极性基 团和非极性基团可分别溶于水和油， 从而把水和油连接起来，即起到乳 化作用；此外还能吸附在金属表面 上形成润滑膜起润滑作用。

49、 三）切削液的选用三）切削液的选用 按工件材料选用按工件材料选用 加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工 铸铁等脆性材料时，不用切削液。 按刀具材料选用按刀具材料选用 高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以 冷却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使 用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，以提高 加工表面质量。硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削 液； 按加工方法选用按加工方法选用 对半封闭、封闭加工，选用极压乳化液或 极压切削油，以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨 削加工时，由于磨削区温度很高，磨屑会破坏已磨削表面质 量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能，

50、一 般选用乳化液。 第七节第七节 切削用量的选择切削用量的选择 一、选择切削用量的原则一、选择切削用量的原则 合理切削用量是指使刀具合理切削用量是指使刀具 的切削性能和机床的动力性能的切削性能和机床的动力性能 得到充分发挥，并在保证加工得到充分发挥，并在保证加工 质量的前提下，获得高生产率质量的前提下，获得高生产率 和低加工成本的切削用量。和低加工成本的切削用量。 P1 / tm fva Ld fan L t p ww pw w m 3 10 式中，式中，dw 车削前的毛坯直径（车削前的毛坯直径（mm）；）； Lw 工件切削部分长度（工件切削部分长度（mm）；）； 加工余量（加工余量（mm）；

51、）； nw 工件转速（工件转速（r/min）。）。 P=AP=A0 0vfavfap p 1、切削用量同加工生产率的关系、切削用量同加工生产率的关系 （公式公式） 利用上式，选用一定的切削条件进行计算，可以得到利用上式，选用一定的切削条件进行计算，可以得到 如下的结果：如下的结果： （1） f 保持不变，保持不变，ap增至增至3ap，如仍保持刀具合理的耐，如仍保持刀具合理的耐 用度，则用度，则vc必须降低必须降低15，此时生产率，此时生产率P3ap2.6P，即生，即生 产率提高至产率提高至2倍。倍。 （2）ap保持不变，保持不变，f 增至增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，如仍保持刀具合理的耐

52、用度， 则则vc必须降低必须降低32，此时生产率，此时生产率P3ap2P，即生产率提高，即生产率提高 至至2倍。倍。 （3）切削速度高过一定的临界值时，生产率反而会降低。）切削速度高过一定的临界值时，生产率反而会降低。 由此可见，增大由此可见，增大ap比增大比增大f更有利于提高生产率。更有利于提高生产率。 2、选择切削用量的原则、选择切削用量的原则 首先选取尽可能大的被吃刀量；其次根据首先选取尽可能大的被吃刀量；其次根据 机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的机床动力和刚性限制条件或加工表面粗糙度的 要求，选取尽可能大的进给量；最后利用切削要求，选取尽可能大的进给量；最后利用切削 用量手册选

53、取或者用公式计算确定切削速度。用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。 粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量。粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量。 半精加工时，被吃刀量取为半精加工时，被吃刀量取为0.52mm。 精加工时，被吃刀量取为精加工时，被吃刀量取为0.10.4mm 1、被吃刀量的选定、被吃刀量的选定 二、被吃刀量、进给量和切削速度的选定二、被吃刀量、进给量和切削速度的选定 2、进给量的选定、进给量的选定 生产实际中多采用查表法确定进给量。生产实际中多采用查表法确定进给量。 粗加工时，进给量由机床进给机构强度、刀具强度与粗加工时，进给量由机床进给机构强度、刀具强度与 刚性、工件的装夹刚

54、度决定。刚性、工件的装夹刚度决定。 精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。精加工时，进给量由加工精度和表面粗糙度决定。 3、切削速度的选定、切削速度的选定 在在ap、f 值选定后，根据合理的刀具耐用度或查表值选定后，根据合理的刀具耐用度或查表 来选定车削速度。（来选定车削速度。（公式公式） 在生产中选择切削速度的一般原则是：在生产中选择切削速度的一般原则是： （1）粗车时，）粗车时， ap、f 较大，故选择较低的较大，故选择较低的v；精车；精车 时，时， ap 、f 均较小，故选择较高的均较小，故选择较高的v。 （2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的）工件材料强度、硬度高时，应选较低的

55、v。 （3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20 30；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要；切削调质状态的钢比正火、退火状态钢要 降低降低20 30；切削有色金属比切削中碳钢的；切削有色金属比切削中碳钢的 切削速度可提高切削速度可提高100 300； （4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。 （5）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。 （6）断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，应）断续切削及加工大件、细长件和薄壁工件时，应 适当降低切削速

56、度。适当降低切削速度。 （7）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振 动的临界速度。动的临界速度。 采用切削性能更好的新型刀具材料；采用切削性能更好的新型刀具材料； 改善工件材料的切削加工性；改善工件材料的切削加工性； 改进刀具结构和选配合理刀具几何参数改进刀具结构和选配合理刀具几何参数 提高刀具的制造和刃磨质量；提高刀具的制造和刃磨质量； 采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。 三、提高切削用量的途径三、提高切削用量的途径 第八节第八节 磨削过程及磨削机理磨削过程及磨削机理 磨削加工是用高速回转

57、的砂轮或其它磨具以给定的背磨削加工是用高速回转的砂轮或其它磨具以给定的背 吃刀量（或称切削深度），对工件进行加工的方法。根据吃刀量（或称切削深度），对工件进行加工的方法。根据 工件被加工表面的形状和砂轮与工件之间的相对运动，磨工件被加工表面的形状和砂轮与工件之间的相对运动，磨 削分为削分为外圆磨削、内圆磨削、平面磨削外圆磨削、内圆磨削、平面磨削和和无心磨削无心磨削等几种等几种 主要加工类型。此外，还有对主要加工类型。此外，还有对凸轮、螺纹、齿轮凸轮、螺纹、齿轮等零件进等零件进 行磨削加工的专用磨床。行磨削加工的专用磨床。 二、磨屑形成过程二、磨屑形成过程 磨屑形成过程可分为以下三个阶段：磨屑形

58、成过程可分为以下三个阶段： （1）划擦阶段）划擦阶段 （2）刻划阶段）刻划阶段 （3）切削阶段）切削阶段 一、磨料的形状特征一、磨料的形状特征 图图341 图图341 磨粒切削过程的三个阶段磨粒切削过程的三个阶段 三、磨削运动与磨削用量三、磨削运动与磨削用量 在磨削过程中，磨削 速度、工件圆周进给速 度、轴向进给量、径向 进给量等，统称为磨削 用量。 合理选择磨削用量对 保证磨削加工质量和提 高生产率有很大影响。 磨削速度磨削速度v vs s 砂轮的高速旋转 运动是主运动， 磨削速度是指砂 轮外圆的线速度。 工件圆周进给速度工件圆周进给速度v vw w 指工件外圆 的线速度。 轴向进给量轴向进给量 f fa a 径向进给量径向进给量 f fp p 指工件转一周沿轴 线方向相对于砂轮 移动的距离。单位 为mm/r； 指砂轮相对于工件在 工作台每双（单）行 程内径向移动的距离 ，单位为mm/双行程 或mm/单行程。 四、磨削力四、磨削力 1. 来源来源 一是磨削过程中工件材料 发生弹性和塑性变形时所产 生的阻力； 二是磨粒与工件表面之间 的摩擦