ch1金属切削原理

1、2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1第二讲第二讲 金属切削原理金属切削原理2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院21 1 金属切削原理金属切削原理 本讲提要基本定义切削运动和切削用量刀具几何参数切削层参数 本讲重点刀具标注角度 作业2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院31.1基本定义 金属切削过程工件工件与与刀具刀具相互作用的过程相互作用的过程 金属切削加工用刀具从工件表面上切除多余的材料，以获得自几几何形状何形状，尺寸精度尺寸精度，表面粗糙度表面粗糙度及表面层质量表面层质量等各个方面符合要求的加工方法，要求高质量高质量，高效率高效率，低成本低成本。 2021-6

2、-15西安科技大学机械制造工程学院41.1基本定义 实现切削过程的三个条件切削运动切削运动工件与刀具之间要有相对运动工件与刀具之间要有相对运动切削性能切削性能刀具材料必须具备一定的切削性能刀具材料必须具备一定的切削性能切削角度切削角度刀具必须具有合理的几何参数刀具必须具有合理的几何参数2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院51.1.1切削运动与切削用量1.1.1.1工件加工表面在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的表面。待加工表面待加工表面工件上即将切除的表面已加工表面已加工表面工件上已经切除而形成的新表面过渡表面过渡表面( (切削表面切削表面) )工件上正在切削的表面，介于已加

3、工表面和待加工表面之间。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院6外圆车削的切削运动与加工表面2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院7平面刨削的切削运动与加工表面2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院8讨论 车断切削时的加工表面2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院91.1.1.2 切削运动 切削运动刀具与工件间的相对运动（即表面成形运动）切削运动可分为主运动和进给运动。主运动和进给运动的向量和称为合成切削运动2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院10(1)(1)主运动主运动【主运动】【主运动】由机床提供的刀具与工件间主要的相对运动，使刀具切削刃切入工件材

4、料的运动【主要特征】【主要特征】速度高、消耗功率大、通常只有一个【形式】【形式】直线或旋转【状态】【状态】连续或间歇【主运动方向】【主运动方向】不考虑进给运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向【切削速度【切削速度vcvc】切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院11(2)(2)进给运动进给运动【进给运动】【进给运动】使主运动能够连续进行，切除工件上多余材料, 形成满足一定要求的已加工表面的运动【主要特征】【主要特征】速度低、消耗功率小、可以有多个【形式】【形式】直线或旋转，或他们的组合【状态】【状态】连续或间歇【进给运动方向】【进给

5、运动方向】不考虑主运动的条件下，切削刃上选定点相对于工件的瞬时运动方向。【进给速度【进给速度v vf f 】切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院12(3)(3)合成切削运动合成切削运动合成切削运动：由主运动和进给运动合成的运动合成切削运动方向：切削刃上选定点相对于工件的瞬时合成切削运动的方向合成切削运动速度ve：切削刃上选定点相对于工件的合成运动的瞬时速度合成切削运动速度角：主运动方向与合成切削运动方向之间的夹角2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院13切削运动分析方法切削运动分析方法 确定加工过程中总共有哪些运动确定加工过程中总

6、共有哪些运动 选定其中一个运动选定其中一个运动 假定假定没有没有其他运动，看其产生的结其他运动，看其产生的结果果 根据定义进行判断根据定义进行判断2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院14(4)(4)切削用量三要素切削用量三要素 q切削速度切削速度v vc cq进给量进给量f fq背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）a ap p 2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院15切削速度切削速度v vc c 刀具切削刃上选定点相对于工件主运动的速度，单位为m/s。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。 车削外圆时的切削速度计算公式：V=dw

7、n/1000其中: dw工件待加工表面的直径(mm)； n工件的转速(r/s)。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院16进给量进给量f f 在主运动每转一转或每一行程时，刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，单位是mm/r(用于车削、镗削等)或mm/d.str(毫米/双行程，double stroke) (用于刨削、磨削等)。 进给量表示进给运动的速度。进给运动速度还可以用进给速度Vf（单位mm/s)或每齿进给量fz(用于铣刀、铰刀等多刃刀具，单位是mm/齿)表示：Vf=nf=nzfz其中： n主运动的转速(mm/s)； z刀齿齿数。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1

8、7背吃刀量背吃刀量ap在垂直于主运动方向和进给方向的工作平面内测量的刀具切削刃与工件切削表面的接触长度。 注：它是主切削刃的工作长度在包含主运动和进给运动速度的平面的垂线上的投影长度。对于外圆车削，背吃刀量为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。ap=(dw-dm)/2其中： dw工件待加工表面的直径(mm)；dm工件已加工表面的直径(mm)。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院18讨论讨论确定下列加工方法的切削运动 钻孔 外圆磨削 滚齿确定下列加工方法的切削用量 外圆车削时的背吃刀量ap 平面刨削2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院191.1.2刀具几何参

9、数 刀具切削部分的组成要素 确定刀具角度的参考平面 刀具的标注角度 刀具的工作角度2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院201.1.2.1刀具切削部分的组成要素 刀具切削部分的组成外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）组成可用一句话总结： “三面两刃一尖”前面主后面副后面主切削刃副切削刃刀尖2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院211.1.2.1刀具切削部分的组成要素 前面AA：刀具上与切屑接触并相互作用的表面。 主后面AA：刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。 副后面AA：刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。 主切削刃S S：前刀面与主后刀面的交

10、线。它完成主要的切削工作。 副切削刃SS：前刀面与副后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。 刀尖：主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段，折线段，或圆弧。 2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院22刀具组成示意图2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院231.1.2.2确定刀具切削刃角度的参考平面要确定和测量刀具角度，必须引入三个参考平面：（1）基面）基面Pr 通过主切削刃上某一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。（2）切削平面）切削平面Ps 通过主切削刃上某一点并与工件加工表面相切的平面。 （3）正交平面）正交平面Po 通过主切削刃上某

11、一点并与主切削刃在基面上的投影相垂直的平面。PrPsPo 切削平面、基面和正交平面共同组成标注刀具角度的平面参考系。常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院241.1.2.3刀具标注角度的参考系2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院25正交平面参考系中的标注角度2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院261.1.2.4刀具的标注角度刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。刀具的标注角度主要有五个（共18个），以车刀为例，表示了几个角度的定义。前角前角0 0：在正交平面内测

12、量的前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度，有正、负和零值之分，其符号规定如图所示。后角后角0 0：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度，一般为正值。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院27刀具的标注角度 主偏角主偏角r r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。主偏角一般为正值。 副偏角副偏角r r 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。副偏角一般为正值。 刃倾角刃倾角s s在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角.当主切削刃呈水平时,s=0;刀尖为主切削刃最低点时，s0;刀尖为主切削刃上最高

13、点是，s0.2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院281.1.2.5刀具的工作角度 在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面、基面和正交平面为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院29进给运动对刀具工作角度的影响 横向进给运动的影响dfooeooetanBCCBdBAACdffddddBACBACCB211tan2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院30纵向进给的影响wrffffefffe

14、dfsintan2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院31刀具安装位置对刀具工作角度的影响 刀具安装高低的影响wppppepppedh2sin2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院32刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响GGrrerre 2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院331.1.31.1.3切削层参数切削层参数在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。切削层公称厚度ac切削层公称宽度aw切削层公称横截面积Ac2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院34切削层公称厚度切削层公称厚度a ac c 在过渡表面法线方向测量的切削

15、层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。ac反映了切削刃单位长度上的切削负荷。 ac=f*sinkr其中：ac切削层公称厚度(mm)；f进给量(mm/r）；kr车刀主偏角(。)。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院35切削层公称宽度切削层公称宽度a aw w 沿过渡表面测量的切削层尺寸。aw反映了切削刃参加切削的工作长度。aw=ap/sinkr其中：aw切削层公称宽度(mm)。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院36切削层公称横截面积切削层公称横截面积A Ac c 切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。 Ac=acaw=fsinkrap/sinkr=fap其中: Ac切削层公称

16、横截面积(mm2)。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院37背吃刀量2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院38外圆车削时的背吃刀量2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院39第三讲第三讲 刀具材料，金属切削过程刀具材料，金属切削过程2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院401 1 金属切削原理金属切削原理 本讲提要1.2 1.2 刀具材料刀具材料1.3 1.3 金属切削过程金属切削过程 本讲重点切削层的变形 作业2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院411.2 1.2 刀具材料刀具材料刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切

17、削部分切削部分的的材料材料、几何形状几何形状和和刀具结构刀具结构。刀具材料对刀具。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此十分重要。有很大影响，因此十分重要。1.2.1 1.2.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能1.2.2 1.2.2 常用刀具材料的种类与特性常用刀具材料的种类与特性2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院421.2.1 1.2.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能刀具切削部分的材料在切削时要承受高压、高温、刀具切削部分的材料在切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动，应具备以下基

18、本性能：摩擦、冲击和振动，应具备以下基本性能：高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性足够的强度和韧性足够的强度和韧性高的耐热性（热稳定性）高的耐热性（热稳定性）良好的热物理性能良好的热物理性能良好的工艺性能良好的工艺性能经济性经济性切削性能可预测性切削性能可预测性2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院431.2.2 1.2.2 常用刀具材料的种类与特常用刀具材料的种类与特性性 常用刀具材料有常用刀具材料有: :碳素工具钢碳素工具钢，合金工具钢合金工具钢，高高速钢速钢，硬质合金硬质合金，陶瓷陶瓷，金刚石金刚石，立方氮化硼立方氮化硼 高速钢高速钢具有较高的热稳定性、高的强度，刀具有较高的热稳定性

19、、高的强度，刀具制造工艺简单。具制造工艺简单。 硬质合金硬质合金具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。 陶瓷材料陶瓷材料硬度高、耐用度高，还可用于冲击硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。负荷下的粗加工，切削效率显著提高。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院441.2.2.1 1.2.2.1 高速钢高速钢 特别适用于制造特别适用于制造结构复杂结构复杂的刀具的刀具例如各类成形刀具、孔加工刀具铣刀、拉刀、齿例如各类成形刀具、孔加工刀具铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺

20、纹刀具等轮刀具、螺纹刀具等 适于制造适于制造中、低速中、低速切削的各种刀具切削的各种刀具 按其性能分成两大类按其性能分成两大类普通高速钢普通高速钢 钨系：钨系：W W18Cr4V,W14Cr4Mn18Cr4V,W14Cr4MnRERE 钼系：钼系：W6W6MoMo5Cr4V25Cr4V2高性能高速钢高性能高速钢2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院45高性能高速钢高性能高速钢 高碳: 9W18CR4V(C:0.9%) 高钒: W6Mo5Cr4V3 高钴: W6Mo5Cr4Co8 超硬: W2Mo9Cr4VCo8,W6Mo5Cr4V2Al2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院46

21、1.2.2.2 1.2.2.2 硬质合金硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物微米级粉末和金属粘接剂经过高温、高压微米级粉末和金属粘接剂经过高温、高压烧结而成的粉末冶金材料。烧结而成的粉末冶金材料。 附注附注 YT,YT,硬钛硬钛( (P P类类) )YT5,YT14,YT30YT5,YT14,YT30 YG,YG,硬钴硬钴( (K K类类) )YG3X,YG6X,YG8YG3X,YG6X,YG8 YW,YW,硬钨硬钨(M(M类类) )YW1,YW2YW1,YW2 涂层硬质合金涂层硬质合金2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院47刀具材料应

22、用场合总结刀具材料应用场合总结1 1刀具类型刀具类型常用牌号常用牌号应用场合应用场合举例举例碳素工具钢 T10A,T12A手工工具锉刀合金工具钢 9SiC,CrWMn 低速场合板牙，丝锥，铰刀，拉刀高速钢 通用型W18,M2有色金属，高温合金钻头，齿轮刀具，拉刀 高性能型 M42不锈钢，奥氏体钢，超高强度钢通用刀具2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院48刀具材料应用场合总结刀具材料应用场合总结2 2刀具类型刀具类型常用牌号常用牌号应用场合应用场合举例举例硬质合金硬质合金WC基基YTYT5,YT30钢，铸钢钢，铸钢通用刀具通用刀具YGYG3X,YG8铸铁，有色金属，铸铁，有色金属，非金

23、属，通用刀具非金属，通用刀具通用刀具通用刀具YWYW1,YW2奥氏体钢，锰钢，奥氏体钢，锰钢，铸钢，有色金属铸钢，有色金属通用刀具通用刀具TiC基基YNYN05,YN10奥氏体钢，锰钢，奥氏体钢，锰钢，铸钢，有色金属铸钢，有色金属通用刀具通用刀具陶瓷陶瓷SM车刀，铣刀车刀，铣刀金刚石金刚石磨具，磨料，车刀，镗刀磨具，磨料，车刀，镗刀CBN磨具，车刀，镗刀，端铣磨具，车刀，镗刀，端铣刀，铰刀刀，铰刀2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院491.3 1.3 金属切削过程金属切削过程【金属切削过程】刀具从工件表面切除多余金属，【金属切削过程】刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到加工表

24、面形成为止的完整过程。从切屑形成开始到加工表面形成为止的完整过程。1.3.1 1.3.1 切削层的变形切削层的变形1.3.2 1.3.2 切削变形的衡量方法切削变形的衡量方法1.3.3 1.3.3 切屑的种类与变形规律切屑的种类与变形规律1.3.4 1.3.4 刀刀- -屑接触区的变形与摩擦屑接触区的变形与摩擦1.3.5 1.3.5 刀刀- -工接触区的变形与加工质量工接触区的变形与加工质量2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院501.3.1 1.3.1 切削层的变形切削层的变形【切削层】切削过程中，刀具切削刃的一个【切削层】切削过程中，刀具切削刃的一个单一动作，或一个单程，或指只产生

25、一圈单一动作，或一个单程，或指只产生一圈（层）过渡表面，所切除的工件材料层。（层）过渡表面，所切除的工件材料层。1.3.1.1 1.3.1.1 第一变形区第一变形区1.3.1.2 1.3.1.2 第二变形区第二变形区1.3.1.3 1.3.1.3 第三变形区第三变形区2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院51切削层的变形切削层的变形 在金属压缩实验中，当金属试件受挤压时，在其在金属压缩实验中，当金属试件受挤压时，在其内部产生内部产生主应力主应力的同时，还将在与作用力大致成的同时，还将在与作用力大致成4545方向的斜截面产生最大方向的斜截面产生最大切应力切应力，在切应力达，在切应力达到到

26、屈服强度屈服强度时将在此方向时将在此方向剪切滑移剪切滑移。 金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个金属沿一个最大剪应力方向最大剪应力方向产生产生滑移滑移。 当切屑层达到切削刃当切屑层达到切削刃OAOA（OAOA代表始滑移面）处时，代表始滑移面）处时，切应力达到材料屈服强度，产生切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移剪切滑移，切削，切削层移到层移到OMOM面上，剪切滑移终止，并面上，剪切滑移终止，并离开离开切削刃后切削刃后形成了切屑，然后沿前面流出形成了切屑，然后沿前面流出2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院52侧面方格变形观察法侧

27、面方格变形观察法切削层的金属变形三个切削层的金属变形三个变形区：变形区：第一变形区（剪切滑第一变形区（剪切滑移）移）第二变形区（纤维化）第二变形区（纤维化）第三变形区（纤维化第三变形区（纤维化与加工硬化）。与加工硬化）。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院531 12021-6-15西安科技大学机械制造工程学院54切削层金属的变形过程切削层金属的变形过程2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院551.3.1.1 1.3.1.1 第一变形区第一变形区 始滑移面始滑移面OAOA与与终滑移面终滑移面OMOM之间的变之间的变形区称为第一变形区，宽度很形区称为第一变形区，宽度很窄窄( (

28、约约0.020.020.2mm)0.2mm)，故常用，故常用OMOM剪切剪切面亦称滑移面来表示，它与切削速面亦称滑移面来表示，它与切削速度的夹角称为剪切角度的夹角称为剪切角。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院56I I区变形区变形2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院57I I区变形特点区变形特点 沿着滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院581.3.1.2 1.3.1.2 第二变形区第二变形区 当切屑沿前面流出时，由于受到前面当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压挤压和和摩擦摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用，在前面摩擦阻力的作用

29、下，靠近前面的切屑底层金属再作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生次产生剪切变形剪切变形。使切屑底层薄的一。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为属称为滞流层滞流层，这一区域又称为第二，这一区域又称为第二变形区。变形区。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院591.3.1.3 1.3.1.3 第三变形区第三变形区 工件已加工表面受到工件已加工表面受到钝圆弧切削刃钝圆弧切削刃的的挤压挤压和和后面的摩擦后面的摩擦，使已加工表，使已加工表面内产生严重变形，已加工表面与面内产生严重变形，已加工表面与后面的接触区称为第三变形区。后面的接触区称为第三

30、变形区。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院601.3.2 1.3.2 切削变形的衡量方法切削变形的衡量方法 1 1变形系数变形系数 2 2剪应变剪应变 3 3剪应变与变形系数的关系剪应变与变形系数的关系 4 4剪切角剪切角2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院611.3.2.1.3.2.1 1变形系数变形系数 原理：变形前后体积不变Dchhahhchchlllhhlha2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院621.3.2.21.3.2.2剪应变剪应变)cos(sincosoo2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院631.3.2.31.3.2.3剪应变与变形系

31、数的关剪应变与变形系数的关系系ohohhcos1sin222021-6-15西安科技大学机械制造工程学院641.3.2.41.3.2.4剪切角剪切角李和谢弗公式李和谢弗公式 前角增大时，剪切角随之增大，变形减前角增大时，剪切角随之增大，变形减小小 摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大增大o42021-6-15西安科技大学机械制造工程学院651.3.3 1.3.3 切屑的种类与变形规律切屑的种类与变形规律2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院66ISO切屑分类法2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院67切屑变形规律切屑变形规律 1 1 带状切屑

32、（最常见带状切屑（最常见, ,切削塑性金属材料，切削塑性金属材料，切厚小，切厚小，V V大，大，r0r0大时）大时） 2 2 挤裂切屑（低速，切厚大挤裂切屑（低速，切厚大r0r0小时）小时） 3 3 单元切屑（较少见）单元切屑（较少见） 4 4 崩碎切屑（加工脆性材料时，尽量避崩碎切屑（加工脆性材料时，尽量避免）免）2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院681.3.4 1.3.4 刀刀- -屑接触区的变形与摩屑接触区的变形与摩擦擦 II区变形特点纤维化纤维化 积屑瘤（BUE）的形成2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院691.3.5 1.3.5 刀刀- -工接触区的变形与加工接

33、触区的变形与加工质量工质量 已加工表面的形成2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院70讨论讨论 BUEBUE对切削过程度影响。对切削过程度影响。 附注附注2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院71作业作业 切削过程的三个变形区各有切削过程的三个变形区各有何特点？它们之间有什么关何特点？它们之间有什么关联？联？2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院72第四讲第四讲 切削力，刀具磨损切削力，刀具磨损2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院731 1 金属切削原理金属切削原理 内容提要内容提要1.4 1.4 切削力切削力1.5 1.5 切削热和切削温度切削热和切削温度1

34、.6 1.6 刀具磨损和刀具耐用度刀具磨损和刀具耐用度1.7 1.7 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性1.8 1.8 切削条件的合理选择切削条件的合理选择 重点与难点重点与难点切削力、切削功率的计算切削力、切削功率的计算刀具磨损和耐用度刀具磨损和耐用度 作业2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院741.4 1.4 切削力切削力【切削力】【切削力】切削时，刀具切入工件，使被加工材料切削时，刀具切入工件，使被加工材料变形成为切屑所需的力。变形成为切屑所需的力。【来源】【来源】加工材料的弹塑性变形抗力和切屑工件表加工材料的弹塑性变形抗力和切屑工件表面对刀具表面的摩擦力。面对刀具表面的

35、摩擦力。【意义】【意义】研究切削力对刀具、夹具的设计和使用具研究切削力对刀具、夹具的设计和使用具有重要的意义。有重要的意义。1.4.1 1.4.1 切削力的分析切削力的分析1.4.2 1.4.2 切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算1.4.3 1.4.3 影响切削力的因素影响切削力的因素2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院751.4.1 1.4.1 切削力的分析切削力的分析【定义】切削过程中，刀具施加于工件使【定义】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。屑所需的力称为切削力。为了研究方便，将作

36、用于刀具上的切削合力分解为相互垂为了研究方便，将作用于刀具上的切削合力分解为相互垂直的直的FcFc、FfFf、Fp.Fp.FcFc：切削力：切削力, ,切于过渡表面切于过渡表面, ,与基面垂直与基面垂直. .FfFf：进给力：进给力, ,在基面内在基面内, ,与进给方向相反与进给方向相反. .FpFp：背向力：背向力, ,在基面内在基面内, ,与进给方向垂直与进给方向垂直2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院76切削力分解切削力分解2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院77作用分析作用分析 FcFc：计算刀具和机床强度：计算刀具和机床强度, ,确定确定 FfFf：用于设计机床进

37、给机构和确定：用于设计机床进给机构和确定 FpFp：计算工件挠度和刀具、：计算工件挠度和刀具、2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院781.4.2 1.4.2 切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算 1.4.2.11.4.2.1指数形式的切削力经验公式指数形式的切削力经验公式ccFcFcFcFZcYXpFckvfaCF ffFfFfFfFZcYXpFfkvfaCF ppFpFpFpFZcYXpFpkvfaCF pfcZYXFFF,2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院791.4.2.21.4.2.2用切削层单位面积切削力用切削层单位面积切削力计算切削力计算切削力【经验公式

38、】【经验公式】 车削普通钢材时三个力的比例大约为车削普通钢材时三个力的比例大约为cFccckAkF crfpcFFFFF1057. 1,25. 0:4 . 0:1:2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院801.4.2.31.4.2.3工作功率计算工作功率计算【定义】【定义】消耗在切屑加工过程中的功率消耗在切屑加工过程中的功率(Pe)(Pe)可以分解成切削功率可以分解成切削功率(Pc)(Pc)和进给功率和进给功率(Pf)(Pf)之之和和. .【计算公式】【计算公式】 机床传动效率约机床传动效率约0.750.850.750.85ccwfccfcevFfnFvFPPP310mcmPP2021

39、-6-15西安科技大学机械制造工程学院81例例用用CA6140CA6140车外圆，已知主轴转速车外圆，已知主轴转速n=1440rpm,n=1440rpm,工件直径工件直径d=25mm,d=25mm,机床电机功率机床电机功率Pm=7.8kW,Pm=7.8kW,机机床传动效率为床传动效率为0.850.85，试估算切削力。，试估算切削力。)(3519)(18.3519)3()2()(10) 1 (3NFFNdnPFPvFPdnFvFfnFvFPPPcrmmcmmccccccwfccfce2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院821.4.31.4.3影响切削力的因素影响切削力的因素 1.4.3

40、.1 1.4.3.1 工件材料的影响工件材料的影响 1.4.3.2 1.4.3.2 切削用量的影响切削用量的影响 1.4.3.3 1.4.3.3 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 1.4.3.4 1.4.3.4 刀具材料的影响刀具材料的影响 1.4.3.5 1.4.3.5 切削液的影响切削液的影响 1.4.3.6 1.4.3.6 刀具后刀面磨损的影响刀具后刀面磨损的影响2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院831.4.3.11.4.3.1工件材料的影响工件材料的影响 工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形会工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形会减小，但由于剪切屈服强度增高，产生的

41、切削减小，但由于剪切屈服强度增高，产生的切削力会越大；力会越大； 工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力会变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力会越大。越大。 切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力小。小。 2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院841.4.3.21.4.3.2切削用量的影响切削用量的影响 进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。背吃刀量对切削力的影响

42、要比进给量大。其主要原因在于，其主要原因在于，pp增大一倍时，切削厚度增大一倍时，切削厚度hDhD 不变，而切削宽度不变，而切削宽度bDbD 则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f f增大一倍时，切削宽度增大一倍时，切削宽度bDbD不不变，只是切削厚度变，只是切削厚度hDhD增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。 切削速度对切削力的影响：切削塑性金属时，在切削速度对切削力的影响：切削

43、塑性金属时，在vc=40m/minvc=40m/min时，由于积屑瘤的产生与消失，使刀具前角增大或减小，引时，由于积屑瘤的产生与消失，使刀具前角增大或减小，引起变形系数的变化，导致了切削力的变化；当起变形系数的变化，导致了切削力的变化；当vcvc 40m/min40m/min，切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削力也随之下降。切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削力也随之下降。 切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形很小，且刀屑间的摩擦切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形很小，且刀屑间的摩擦也很小，因此，也很小，因此，cc对其影响不大。对其影响不大。 2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院85

44、1.4.3.31.4.3.3刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 前角对Fc影响较大。前角增大，切削变形减小，故切削力减小。 主偏角对进给力Ff和背向力Fp影响较大，当r增大时Ff增大而Fp 则减小。 刃倾角对背切削力FP影响较大，因为s由正值向负值变化时，会使顶向工件轴线的背向力增大。 此外刀尖圆弧半径，刀具磨损程度等因素对切削力也有一定的影响。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院861.4.3.41.4.3.4刀具材料的影响刀具材料的影响 主要是刀具材料与工件材料的摩擦系数的影响 通常安装CBN，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢的顺序切削力依次增大。2021-6-15西安科技大学机械制

45、造工程学院871.4.3.51.4.3.5切削液的影响切削液的影响 切削液具有润滑作用，使得切削力降低。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院881.4.3.61.4.3.6刀具后刀面磨损的影响刀具后刀面磨损的影响 刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈大。刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈大。 VBVB对背向力对背向力FpFp影响最显著影响最显著。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院891.5 1.5 切削热和切削温度切削热和切削温度 1.5.11.5.1切削热的产生和传出切削热的产生和传出 1.5.21.5.2影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素2021-6-15西安科技

46、大学机械制造工程学院901.5.11.5.1切削热的产生和传出切削热的产生和传出 切削过程中消耗的功率切削过程中消耗的功率9899%9899%转换为热转换为热能，因此近似认为单位时间内产生的切能，因此近似认为单位时间内产生的切削热削热q q等于切削功率等于切削功率PcPcccFcpFcccKvfaCqvFPq85. 075. 02021-6-15西安科技大学机械制造工程学院91切削温度切削温度【定义】【定义】 指前刀面与切屑接触区内的平均温度。指前刀面与切屑接触区内的平均温度。 它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热越多，传出的热越慢，

47、切削温度越高，反之，切削温度越多，传出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度越低。越低。【结论】【结论】 凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升；凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升； 有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院921.5.21.5.2影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 1.5.2.1切削用量的影响 切削速度对切削温度影响最大切削速度对切削温度影响最大 进给量次之进给量次之 背吃刀量最小背吃刀量最小45. 035. 03 . 02 . 010. 008. 0c

48、pvfaC2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院931.5.2.21.5.2.2刀具几何产生的影响刀具几何产生的影响 前角越大，主偏角越小，温度越小前角越大，主偏角越小，温度越小 刀具负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响较小。刀具负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响较小。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院941.5.2.31.5.2.3工件材料的影响工件材料的影响 硬度、强度越大，切削温度越大硬度、强度越大，切削温度越大 工件导热率越大，切削温度越小工件导热率越大，切削温度越小2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院951.5.2.41.5.2.4刀具磨损的影响刀具磨损的

49、影响 刀具磨损越大，切削温度越高刀具磨损越大，切削温度越高 切削速度越大，磨损加剧，温度越大切削速度越大，磨损加剧，温度越大2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院961.5.2.51.5.2.5切削液的影响切削液的影响 切削液热导率、比热容、流量越大，温度越低切削液热导率、比热容、流量越大，温度越低2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院971.61.6刀具磨损和刀具耐用度刀具磨损和刀具耐用度 1.6.11.6.1刀具的磨损形式刀具的磨损形式 1.6.21.6.2刀具磨损的原因刀具磨损的原因 1.6.31.6.3刀具的磨损过程及磨钝标准刀具的磨损过程及磨钝标准2021-6-15西

50、安科技大学机械制造工程学院981.6.11.6.1刀具的磨损形式刀具的磨损形式【定义】【定义】 刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损【原因】【原因】 刀具逐渐磨蚀（正常磨损）刀具逐渐磨蚀（正常磨损） 刀具随机破损（非正常磨损）刀具随机破损（非正常磨损）【影响】【影响】 刀具的钝化达到一定的程度时，如继续使用，就刀具的钝化达到一定的程度时，如继续使用，就会使会使FrFr急剧上升，甚至引起振动急剧上升，甚至引起振动 刀具的磨损使工件加工精度下降，表面质量显著刀具的磨损使工件加

51、工精度下降，表面质量显著恶化，刀具材料消耗增加，使加工不能正常进行恶化，刀具材料消耗增加，使加工不能正常进行2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院99磨损形式磨损形式 1.6.1.11.6.1.1前刀面磨损前刀面磨损 主要是月牙洼磨损，用主要是月牙洼磨损，用KTKT表示表示 1.6.1.21.6.1.2后刀面磨损后刀面磨损 后刀面磨损带，后角为后刀面磨损带，后角为0 0，分成三区，分成三区C,B,NC,B,N区，区，分别用分别用VC,VB(max),VNVC,VB(max),VN来表示。后刀面磨损用来表示。后刀面磨损用B B区的平均值区的平均值VBVB表示表示 1.6.1.31.6.1

52、.3边界磨损边界磨损 主切削刃和副切削刃与工件接触处磨出的较深主切削刃和副切削刃与工件接触处磨出的较深的沟纹的沟纹2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1001.6.21.6.2刀具磨损的原因刀具磨损的原因 刀具正常磨损的原因是机械磨损，热、化学磨损刀具正常磨损的原因是机械磨损，热、化学磨损 1.6.2.11.6.2.1磨料磨损（硬质点磨损）磨料磨损（硬质点磨损） 工件材料中的硬质点对刀具的刻划作用引起机械工件材料中的硬质点对刀具的刻划作用引起机械磨损，磨料磨损是低速刀具磨损的主要原因磨损，磨料磨损是低速刀具磨损的主要原因 1.6.2.21.6.2.2粘结磨损粘结磨损 由于刀具与工件在

53、高温高压下发生的由于刀具与工件在高温高压下发生的“冷焊冷焊”作作用而形成的用而形成的BUEBUE，BUE BUE 破裂时常使刀具材料颗粒被破裂时常使刀具材料颗粒被带走，在刀具表面形成粘结凹坑，造成粘结磨损带走，在刀具表面形成粘结凹坑，造成粘结磨损2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1011.6.2.31.6.2.3扩散磨损扩散磨损 热作用的磨损，切削高温下刀具与工件的接触面热作用的磨损，切削高温下刀具与工件的接触面间到分子能量很大，各个原子会在固态下发生相间到分子能量很大，各个原子会在固态下发生相互扩散，从而改变刀具材料的成分结构，使刀具互扩散，从而改变刀具材料的成分结构，使刀具表层

54、变脆而发生扩散磨损表层变脆而发生扩散磨损 扩散磨损随切削温度的上升而按照指数规律迅速扩散磨损随切削温度的上升而按照指数规律迅速增大增大 切削速度增大，扩散磨损增大切削速度增大，扩散磨损增大2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1021.6.2.41.6.2.4化学磨损化学磨损 切削高温高压，以及新鲜表面极易氧化，使表切削高温高压，以及新鲜表面极易氧化，使表面层硬度降低，从而加剧刀具磨损面层硬度降低，从而加剧刀具磨损 化学磨损是造成边界磨损的原因之一化学磨损是造成边界磨损的原因之一 其他磨损其他磨损 热电磨损，相变磨损热电磨损，相变磨损2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院103

55、1.6.31.6.3刀具的磨损过程及磨钝标刀具的磨损过程及磨钝标准准1.6.3.11.6.3.1刀具磨损的过程刀具磨损的过程 初期磨损阶段初期磨损阶段 正常磨损阶段正常磨损阶段 急剧磨损阶段急剧磨损阶段2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1041.6.3.21.6.3.2刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准【定义】【定义】刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，此磨损限度称为磨钝标准此磨损限度称为磨钝标准 ISOISO标准规定，以标准规定，以1/21/2背吃刀量处的后刀面上测定背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度的磨损带宽度VBVB作为刀具的磨钝标准作为刀具的

56、磨钝标准 自动化生产和精加工刀具，常沿工件径向大刀具自动化生产和精加工刀具，常沿工件径向大刀具磨损尺寸磨损尺寸NBNB作为磨钝标准作为磨钝标准2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院105刀具耐用度方程式刀具耐用度方程式 泰勒刀具耐用度方程式泰勒刀具耐用度方程式 切削用量选择原则切削用量选择原则 在选择切削用量以提高生产率时，首先尽量选用在选择切削用量以提高生产率时，首先尽量选用大的背吃刀量大的背吃刀量apap 其次根据加工条件和加工要求允许的最大进给量其次根据加工条件和加工要求允许的最大进给量f f 最后在刀具耐用度和机床功率所允许的情况下选最后在刀具耐用度和机床功率所允许的情况下选择

57、最大的切削速度择最大的切削速度vcvc0CTvmc2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1061.71.7工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 1.7.11.7.1材料切削加工性的概念材料切削加工性的概念 1.7.21.7.2材料切削加工性的衡量指标材料切削加工性的衡量指标 1.7.31.7.3材料的相对加工性材料的相对加工性 1.7.41.7.4工件材料的物理力学性能对切削加工性的工件材料的物理力学性能对切削加工性的影响影响 1.7.51.7.5常用金属材料的切削加工性常用金属材料的切削加工性 1.7.61.7.6改善切削加工性的途径改善切削加工性的途径2021-6-15西安科技

58、大学机械制造工程学院1071.7.11.7.1材料切削加工性的概念材料切削加工性的概念【定义】工件材料的切削加工的难易程度。当被切削工件难加工时，切削加工性差（低）；反之，切削加工姓好（高）。2021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1081.7.21.7.2材料切削加工性的衡量指材料切削加工性的衡量指标标通常有四种标志方法 刀具耐用度T 已加工表面质量 单位面积切削力 断屑性能 最常用的是VT，即保证刀具一定耐用度所允许的切削速度，它指刀具的耐用度为T（分钟，秒）时允许的切削速度。VT越高，切削加工性越好。 一般材料取T=60分钟，VT写作V60，对难切削材料，可取为V30,V152021-6-15西安科技大学机械制造工程学院1091.7.31.7.3材料的相对加工性材料的相对加工性【定义】被切削材料的V60与标准45钢6b=0.637GPa的(V60)j之比。 Kv=V60/(V60)j 常