2-1,-8切削过程与控制

1、第二章第二章 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

2、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切削金属形成切屑的过程是一个过程是一个类似于金属材类似于金属材料受挤压作用，产生塑性料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形进而产生剪切滑移的变形过程变形过程 （如下图）。（如下图）。2切屑形成过程模型切屑形成过程模型图2-31 p29 金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后，产生剪切滑移为

3、主的塑金属切削过程是切削层受到刀具前面的挤压后，产生剪切滑移为主的塑性变形，而形成为切屑的过程。性变形，而形成为切屑的过程。 图图 挤压与切削的比较挤压与切削的比较图图2-31 p29 切屑形成过程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情况可绘制如下图根据实验时的切削层变形情况可绘制如下图2-31所所示的切削变形模型，示的切削变形模型，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

4、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2-31 p29 金属切削过程中的滑移线和流线示意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

5、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（第三变形（）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利，钝圆由于刀具刃口不可能绝对锋利，钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度半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不可能完全切除，会有很小一部分被挤压到已加工表面上，并与刀具后刀面发生摩到已加工表面上，并与刀具后刀面发生摩擦，进一步产生弹、塑性变形，从而影响擦，进一步产生弹、塑性变形，从而影响到已加工表面的质量。到已加工表面的质量。3. 第三变形区第三变形区 实验表明，实验表明，切屑的形成过程是切削层切

6、屑的形成过程是切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其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材产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料的屈服强度时，产生塑性变形。切屑料的屈服强度时，产生塑性变形。切屑的变形和形成过程如下图的变形和形成过程如下图2-31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2-31 c) p31 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

7、沿滑移面的变形，从金属晶体结构的切削层金属沿滑移面的变形，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。角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。金属材料的晶粒，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（如下图）向性，仍为圆形（如下图） 。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。移，致使晶粒变为椭圆形。(椭圆的长轴方向就是晶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，它与剪切面的方粒

8、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，两者之间成一夹角向不重合，两者之间成一夹角)（如下图（如下图2-31 b）。）。切屑形成本质切屑形成本质图图 晶粒滑移示意图晶粒滑移示意图 图图2-31 b) p31 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。 (如下图A) 定义定义: 剪切面与切削速度剪切面与切削速度(主运动主运动)方向之间的夹角称方向之间的夹角称为剪切角，用为剪切角，用表示。表示。 图A 角与剪切面面积的关系 图B 变形系数的求法切屑厚度切屑厚度ach与切削层的厚度与切削层的厚

9、度ac之比称为厚度变形系数，之比称为厚度变形系数，用用h 表示，表示，h = ach/ac ；而切削层长度而切削层长度lc与切屑长度与切屑长度lch之比称为长度变形系数，之比称为长度变形系数，用用l表示，表示，l=lc/lch 。根据体积不变原理根据体积不变原理, 则则 h l。变形系数越大变形系数越大,切屑越厚越短切屑越厚越短,切削变形越大。切削变形越大。2. 变形系数变形系数 如上图如上图B 变形系数变形系数的求法的求法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 (简介) 刀具与切屑之间的作用力分析如下图所示。刀具

10、与切屑之间的作用力分析如下图所示。作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力Fn和摩擦力和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力，剪切面上的剪切力Fs和法向力和法向力Fns, 两对力的合力分别两对力的合力分别为为Fr 和和 Fr。假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线，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），有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，称为切屑形成力，是剪切是剪切角；角；是是Fn与与Fr之间的夹角，称为摩擦角；之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。是刀具前角。 图图 作用在切屑上的力作用在切屑上的力

11、 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 (简介) 在粘结区，切屑的底层与前面呈冷焊状态在粘结区，切屑的底层与前面呈冷焊状态，切屑与前面，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得多，从而在切屑底部形成一个滞流层滞流层 。所谓所谓“内摩擦内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的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。其摩擦力的摩擦，这种内

12、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。大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。当切屑离开粘结区后，进入滑动区。在该区域内刀面和当切屑离开粘结区后，进入滑动区。在该区域内刀面和铁屑间的摩擦仅为外摩擦铁屑间的摩擦仅为外摩擦。也就是说：刀、屑接触面间有二个摩擦区域：粘结也就是说：刀、屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩内摩擦擦)区和滑动区和滑动(外摩擦外摩擦)区。区。因为金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着因为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。重考虑内摩擦。 图图 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

13、、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 在以中低速切削速度切削塑性金属材料时，常在刀具前在以中低速切削速度切削塑性金属材料时，常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料，形成一块硬度很高的楔块，称面刃口处粘结一些工件材料，形成一块硬度很高的楔块，称之为之为积屑瘤积屑瘤。 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，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

14、）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 积屑瘤高度与切削速度关系示意图4）积屑瘤对切削过程的影响）积屑瘤对切削过程的影响 v实际前角增大（如下图实际前角增大（如下图2-34）；）；v增大切削厚度（同样如下图）增大切削厚度（同样如下图） ；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，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2-34 p31

15、 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由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速钢为例，在低速vc3m/min和较高速度和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，切范围内，摩擦系数都较小，切削温度比较低削温度比较低,故不易形成积屑瘤；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；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；提高刀具的刃磨质量；合

16、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(略略) 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，塑性越材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削小，则变形系数越小，切削变形就会小（如下图变形就会小（如下图A）。）。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。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在积屑瘤增长的速度范围内 , , 因积

17、屑瘤导致实际工作前角增因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角加、剪切角增大、变形系数减小。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、变形系数数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。( (如后图如后图B B）在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。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。大，变形系数逐渐地减小。图图A 工

18、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B 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(如下图A)。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后图B所示。(2)刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r刀尖圆弧半径越大，变形系数越大，切削变形越大。（如后图C）图图A 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B 前角对变形系数的影响前角对变形系数的影响图图C 刀尖圆弧半径对变形系数的影响刀尖圆弧半径对

19、变形系数的影响国际标准化组织的切屑分类法国际标准化组织的切屑分类法 图2-32 p30 切屑类型 (见见 书书p31 图图2-33 )。 a) 带状切屑带状切屑带状切屑 最常见的屑型之一（最常见的屑型之一（图图2-32 a p30）。）。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（带刺）。它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的（带刺）。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

20、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：紊乱状切屑容易缠绕在刀具或工件上影响加工过程。紊乱状切屑容易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

21、2-32b)。 图2-32 p30 切屑类型 b) 挤裂切屑 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(粒状粒状)切屑切屑(图图2-32c)。 图2-32 p30 切屑类型 c) 单元切屑 图2-32 p30 切屑类型 d) 崩碎切屑崩碎切屑崩碎切屑 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。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使

22、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2-32d) 。第二节第二节 切削力与切削功率切削力与切削功率一、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 定义：切削过程中，刀具施定义：切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，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并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。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切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、程中克服被加工材料的弹、

23、塑性变形抗力和摩擦阻力塑性变形抗力和摩擦阻力（如下图）（如下图） 。 图图 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 通常将合力通常将合力F F分解为分解为相互垂直的三个分力：相互垂直的三个分力：切切削力削力 F Fc c 、进给力进给力 F Ff f 、背向力背向力 F Fp p ( (图图2-35)2-35)。切削力切削力F Fz z( (F Fc c) )（也称主切削力，用（也称主切削力，用F Fz z表示）表示）总切削力在主运动方向的分力，是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、计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计校核机

24、床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。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)(也称径向分力，用也称径向分力，用Fy表示表示) 总切削总切削力在垂直于工件轴力在垂直于工件轴线方向的分力，是线方向的分力，是进行加工精度分析进行加工精度分析、计算工艺系统刚、计算工艺系统刚度以及分析工艺系度以及分析工艺系统振动时，所必须统振动时，所必须的参数。的参数。(也称轴向分力，用也称轴向分力，用Fx表示表示)总切削力在进给方向的分力，是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机床进给功率

25、不可缺少的参数图图2-35 p32 切削力的分解切削力的分解计算切削功率计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消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。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主运动消耗的切削功率 PcFcc10-3 （kW）机床电机功率机床电机功率 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。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

26、公式分为两类：一类是用指数公式计算，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。另一类是按单位切削力进行计算。在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的在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加工方式和加工条件下, ,切削力计算的指数公式可在切削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下表（书表公式见下表（书表2-2 p342-2 p34）。）。在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。 二、切

27、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（简介）三、影响切削力的因素（简介）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影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的在强度、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。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进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap 进给量进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap

28、增加，使增加，使切削力切削力Fc增加，但影响程度不同。增加，但影响程度不同。进给量进给量f 增大时，切削力有所增加；增大时，切削力有所增加；而背吃刀量而背吃刀量ap增大时，切削刃上的增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变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形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。成正比的增加。切削速度在切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；渐增加，切削力减小；切削速度继续在切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；消失，切削力增加；在切削

29、速度大于在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，时，切削力无明显变化。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，所以切削速度面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力对切削力Fc无明显的无明显的影响。影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高在实际生产中，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。速切削，既能提高生产效率，又能减

30、小切削力。 切削速度切削速度c 图 切削速度对切削力的影响前角的影响前角的影响: o 切削变形切削变形切削力切削力。（塑性材料）。（塑性材料）负倒棱的影响：（如下负倒棱的影响：（如下图图A）负倒棱参数负倒棱参数大大提高了正前角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刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角负前角)参加切参加切削的比例，负前角的绝对值削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削变形程度切削力切削力；主偏角的影响：（如下图主偏角的影响：（如下图B） Fp=FxycosKr Ff=FxySinKr Kr Fp , Ff 刃倾角的影响刃倾角的影响：（如后图：（如后图

31、C） s Fp , Ff ,Fc基本不变基本不变刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削刃圆弧部分的长度切削变形切削变形切切削力削力。(此外此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使从而使Fp增大、增大、Ff 减小减小)。3. 刀具几何参数刀具几何参数图A 负倒棱对切削力的影响图B 主偏角不同时Fxy力的分解 （a）Kr小 （b） Kr大kr1Krkr2FpFf 图C 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刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦间的摩擦系

32、数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化，直接影响着切削力的变化。力的变化。第三节第三节 切削热和切削温度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金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源。在这三个变形区中，刀具克热的三个热源。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。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、刀具以及周围的介切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区质传导，使它

33、们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升内的切削温度上升 (图图2-37) 。图图2-37 p36 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高速钢刀具材料的耐热性为性为600左右，超过该温左右，超过该温度刀具就会失效。度刀具就会失效。 硬质合金刀具材料耐硬质合金刀具材料耐热性好，在高温热性好，在高温8001000时，强度反而更高，时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿金刀具崩刃，延长刀

34、具寿命。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，工件受车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。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自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学成份件材料和刀具材料化学成份的不同而构成热电偶的两极，

35、的不同而构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成并分别连接测量仪表，组成测量电路，刀具切削工件的测量电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表冷、热端之间热电势由仪表（毫伏计）测定。切削温度（毫伏计）测定。切削温度越高，测得热电势越大，它越高，测得热电势越大，它们之间的对应关系可利用专们之间的对应关系可利用专用装置经标定得到。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人工热电偶法是将两种预先经过标定的金属丝组成热先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在电偶

36、，热电偶的热端焊接在刀具或工件需要测定温度的刀具或工件需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串指定点上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。联在电位差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热电根据仪表上的指示值和热电偶标定曲线，可测得指定点偶标定曲线，可测得指定点的温度。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 材料的材料的强度强度、硬度硬度越高，则切削越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多；就越多； 导热系数导热系数越小，传导扩散的热越越小，传导扩散的热越少，切削区的切削温度就越高。少，切削区的切削温度就越高。 2.切

37、削用量切削用量 切削温度与切削用量的关系式为：切削温度与切削用量的关系式为： CVc Zf yap x 三个影响指数三个影响指数 zyx，说明切削速度，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对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小的影响最小。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)前角前角o塑性变形和摩擦塑性变形和摩擦切削切削温度温度（如下图关系曲线）。但前角（如下图关系曲线）。但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温过小，容热、散热体积减小，切削温度反而会有所上升。度反而会有所上升

38、。 2)主偏角主偏角r切削刃工作接触长度切削刃工作接触长度，切削宽度切削宽度bD，散热条件变差，故切，散热条件变差，故切削温度削温度（如后图线）。（如后图线）。 刀具主后面磨损时，后角减刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。小，后面与工件间摩擦加剧。 刃口磨损时，切屑形成过程刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增的塑性变形加剧，使切削温度增大。大。 利用切削液的润滑功能利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温以采用切削液是

39、降低切削温度的重要措施。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，如果切切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在刀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具前刀面上经常会磨出一个月牙洼（图牙洼（图2-38、40）。）。 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2-38、40 p41 刀具的磨损形态刀具的磨损形态2）后面磨损）后面磨损 加工脆性材料或在切

40、削速度加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小（较低、切削厚度较小（hD0.1mm），由于前刀面上刀屑间），由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后刀的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损。面磨损。3）前面和后面同时磨损）前面和后面同时磨损 一般在以中等一般在以中等切削用量加工塑性切削用量加工塑性金属材料时会出现金属材料时会出现这种形式磨损这种形式磨损。4）边界磨损）边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出件外皮处以及刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹较深的沟纹 ， 这就是边界磨损（图这就是边界磨损（图2-38）。加工铸、锻等外皮

41、粗糙的工件，）。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。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刀具的非正常磨损是指在切削过程中，刀具的指在切削过程中，刀具的磨损量尚未达到磨钝标准磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用，值就突然无法正常使用，即刀具发生破损。即刀具发生破损。1）脆性破损脆性破损2）塑塑性破损性破损 在振动、冲击切削条件的作在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损用下，刀具尚未发生明显磨损（平均磨损宽度（平均磨损宽度VB0.1mm），），但刀具切削部分却出现了刀刃微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、崩或刀尖

42、崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。脆性破损。 切削时，刀具由于高温高压切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀面的的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性切削能力，这种破损称为塑性破损。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；类和牌号；v合理选择刀具几何参数；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、刃磨不善而带来的保

43、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；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，避免过大的切削力和过高的切削温度，合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，避免产生积屑瘤；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；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采用正确

44、的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的载荷。还有如：合理使用切削液，为防止热裂效应，不要断续载荷。还有如：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。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（划痕）硬质点磨损（划痕） 2.粘结（冷焊）磨损粘结（冷焊）磨损 3.扩散磨损扩散磨损 切削时，切屑、工件切削时，切屑、工件材料中含有一些碳化物、材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬质氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出

45、沟可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。纹，这就是磨料磨损。 切削时，切屑、工件与前、切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。而造成粘结磨损。(在中等偏在中等偏低切速条件下低切速条件下,是磨损的主要是磨损的主要原因原因) 在切削高温下，使工件与刀在切削高温下，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，称互扩

46、散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损。（在高温下产生，为扩散磨损。（在高温下产生，且随温度升高而加剧）且随温度升高而加剧）（5）相变磨损）相变磨损 （4）化学磨损）化学磨损 在一定温度下，刀具材在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被层硬度较低的化合物，被切屑或工件划擦掉而形成切屑或工件划擦掉而形成的磨损，称为化学磨损的磨损，称为化学磨损（主要发生在较高的切削（主要发生在较高的切削速度条件下）。速度条件下）。 当切削温度达到或超过当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时，刀刀具材料的相变温度时，刀具材料中的

47、金相组织将发生具材料中的金相组织将发生变化，硬度显著下降，引起变化，硬度显著下降，引起的刀具磨损称为相变磨损。的刀具磨损称为相变磨损。 图图 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 刀具磨损到一定限度刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。

48、损限度称为磨钝标准。 磨钝标准的具体数值磨钝标准的具体数值可从切削用量手册中查得。可从切削用量手册中查得。图2-41 p42图图2-41 p42 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）刀面磨损宽度）刀面磨损宽度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（月牙洼深度）前面磨损量（月牙洼深度）KT=0.06+0.3f（f为进给量为进给量mm/r） 在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度在金属

49、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。的实际切削时间。刀具耐用度

50、是衡量刀具材料切削性能、工件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材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。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（图各种切削速度下的刀具磨损曲线（图2-43）刀具刀具Tv关系曲线（图关系曲线（图2-44），该直线方程为：），该直线方程为：Logv=-mlogT+logCo式中，式中， m=tg，即该直线的斜率，即该直线的斜率Co 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

51、距。刀具寿命方程式刀具寿命方程式: V = Co / T m (书书P43式式2-7)图图2-43 p43 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2-44 p43 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= C1 / Tnap= C2/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 yapZ 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

52、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表示切削速度对表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。高速钢：刀具耐用度的影响程度。高速钢：m=0.10.125； 硬质合硬质合金：金：m=0.20.3；陶瓷刀具：；陶瓷刀具：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：最大生产率寿命最大生产率寿命最低成本寿命最低成本寿命 一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或一般

53、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。如下图。如下图。图图 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

54、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连续工作。整机和整线的可靠连续工作。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，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。选得高些。制订刀具寿命时，应具体考虑以下几点：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

55、具寿命的重要因素，合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料，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切削速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。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寿工件材料的物理力学性能也是影响刀具寿命的重要因素，工件材料的强度、硬度和韧性越高，延伸率命的重要因素，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。越小，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。切切 削

56、削 用用 量量 根据经验公式：切削速度对刀具寿命的影根据经验公式：切削速度对刀具寿命的影响最大，进给量次之，背吃刀量最小。综合三要素对刀具寿响最大，进给量次之，背吃刀量最小。综合三要素对刀具寿命、生产率、加工质量的影响，命、生产率、加工质量的影响，选择顺序应为：选择顺序应为：首先选尽可首先选尽可能大的背吃刀量，其次选尽可能大的进给量，最后选尽可能能大的背吃刀量，其次选尽可能大的进给量，最后选尽可能大的切削速度。大的切削速度。切削用量的选取有计算法和查表法。切削用量的选取有计算法和查表法。 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

57、料工件材料的可切削加工的可切削加工性是指对材料性是指对材料进行切削加工进行切削加工的难易程度。的难易程度。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衡量加衡量加工性；工性；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衡量加工性。）以切屑控制或断屑的难易衡量加工性。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（

58、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 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见有关金属材料手册（书表材料切削加工性等级表见有关金属材料手册（书表2

59、-4 p46）。）。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要改善工件材料的切削加工性，可通过热处理削加工性，可通过热处理方法，改变材料的金相组方法，改变材料的金相组织和物理力学性能，也可织和物理力学性能，也可通过调整材料的化学成分通过调整材料的化学成分等途径。生产实际中，热等途径。生产实际中，热处理是常用的处理方法。处理是常用的处理方法。第六节第六节 切削液（简介、了解、书切削液（简介、了解、书p39）一、切削液的作用机理一、切削液的作用机理 切削液的冷却作用主要靠切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从热传导带走大量的切削热，从而降低切削

60、温度，提高刀具寿而降低切削温度，提高刀具寿命；命； 减少工件、刀具的热变形，减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；提高加工精度； 降低断续切削时的热应力，降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。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、工件使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，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摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。（如下图）滑，