第二章+金属切削过程及其控制

1、刀具磨损与刀具使用寿命工件材料的切削加工性切削条件的合理选择切削热与切削温度磨削原理金属切削过程切削力 FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削图 金属挤压与切削比较图 金属切削变形过程示意 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。右图是用显微镜直接观察低速直角自由切削工件得到的金属切削过程中的滑移线和流线示意图。流线表示被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。 图 金属切削过程中的滑移线和流线示意图 第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。图 切削部位三个

2、变形区第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。 Dchhahhchchlllhhlha厚度变形系数长度变形系数图 变形系数的计算 sin)cos(sin)cos(ooDchhOMhhysOM0图 相对滑移系数)cos(sincos00yS （2-4） 图 剪切角与剪切面积的关系图 作用在切屑上的力 图 直角自由切削时 力与角度的关系 图 直角自

3、由切削时 力与角度的关系 4oo4根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45，故有 合力的方向即为主应力方向，的方向就是最大剪应力方向。它们二者间的夹角为 ：)(o粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。 图 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。lfolfi令 为前刀面上的平均摩擦系数，则1fAavs

4、-内摩擦部分的接触面积； -内摩擦部分的平均正应力； -工件材料剪切屈服强度。avsfavfsnfAAFF11 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化滞留粘接长大切屑刀具图 积屑瘤积屑瘤增大前角 增大切削厚度 增大已加工表面粗糙度影响刀具使用寿命 粗加工时，积屑瘤可以代替刀具进行切削，保护了刀具，减小了切削变形。精加工时应避免或减小积屑瘤。 bDh图 积屑瘤前角 和伸出量 图 积屑瘤高度与切削速度关系 1.工件材料工件材料2.刀具前角刀具前角3.切削速度切削速度4.切削厚度切削厚度o4sin)cos(sin)cos(oochhOMhh带状切屑挤裂切屑单

5、元切屑崩碎切屑 切屑形态照片形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切

6、屑崩碎切屑表 切屑类型及形成条件v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲和折断。v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图a）图a 切屑的卷曲图b 断屑的产生v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图b） 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力rFcFFpFNFfFNFNfv切削合力和分力F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力mcEPP式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 m式中 Fc 主切削力（N）； vc 主运动速度（m/s）。 310)1000(fnFvFPwfccc式中 CFc , CFp ,

7、 CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； zFc , zFp , zFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 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。DDcpcDcbhFfaFAFp 切除单位切削层面积的主切削力cFKpAKFDFcc各种工件材料的单位切削力可在有关手册中查到。根据上式可得主切削力计算公式 切削条件修正系数，可在有关手册中查到。切削深度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

8、响复杂 强度高加工硬化倾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）图 切削速度对切削力的影响 前角0 增大，切削力减小（图a） 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 Fp，Ff，图b）图a 前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff图b 主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200 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 Fp，Ff） 刀

9、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 Fp，Ff） ； 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ； 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具图 切削热的产生与传导 主要来源 切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量ccvFQ 工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。利用红外辐射原理，借助热

10、敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极。mV图 人工热电偶工件刀具金属丝小孔 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具图 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611Cq 切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、a

11、p 的指数。 经验公式ZyxcpC vfa 刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表 切削温度的系数及指数q 刀具几何参数的影响 q 工件材料的影响 vc（m/min）图 切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）10

12、3050709011013040060080010001243q 刀具磨损的影响 q 冷却液的影响 形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，vc大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料, vc 较小, hD 较小；加工脆性材料影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量前刀面磨损图 刀具的磨损形态 后刀面磨损前、后刀面磨损 磨料磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊） 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速粘结磨损加剧 扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，

13、在切削刃工作边界发生u 热电磨损图 刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具磨损过程3个阶段常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。国际标准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作为刀具的磨钝标准。磨钝标准制订磨钝标准应考虑以下因素：工艺系统刚性工件材料 加工精度和表面质量工件尺寸图 后刀面的磨损ppnmcTafvCT/1/1/1刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有

14、关的常数 。可见vc 的影响最显著；f 次之；ap 影响最小 。用硬质合金刀具切削碳钢（b= 0.75GP a）时，有：（2-25）75. 025. 25pcTafvCT （2-27）图 不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min） 合理选择刀具材料的牌号。 选择合理的刀具角度。 合理选择切削用量， 保证焊接和刃磨质量， 尽可能保证工艺系统具有较好的刚性， 尽量使刀具不承受或少承受突变性载荷。 刀具的脆

15、性破损（崩刃、碎断、剥落、裂纹破损） 刀具的塑性破损 工件材料的切削加工性是指材料在一定条件下被切削加工成合格零件的难易程度。jccrvvK)/(6060加工性 等级表 材料相对加工性等级材料名称及种类相对加工性Kr代 表 性 材 料1很易切削材料一般有色金属3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.53退火l5Cr，b0.373o.441GPa自动机钢，b0.3930.491GPa3较易切削钢1.62.5正火30钢，b0.4410.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.01.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.651.02Crl3，调质b0.834GPa85，钢b0.883G

16、Pa6难加工材料较难切削材料0.50.6545Cr，调质b1.03GPa65Mn，调质b0.9320.9817难切削材料0.150.550CrV, 调质；1Crl8Ni9Ti, 钛合金8很难切削材料0.15某些钛合金，铸造镍基高温合金工件材料硬度的影响1）工件材料常温硬度对切削加工性影响：工件材料硬度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快。2）工件材料高温硬度的影响：工件材料高温硬度越高，加工性越差。这是因为切削温度对切削过程的有利影响（软化）对高温硬度高的材料不起作用。3）金属材料中硬质点对加工性的影响：金属中硬质点越多，形状越尖锐、分布越广，则材料的加工性越差。4）材料的加工硬化对切

17、削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。强度越高的材料，产生的切削力越大，切削时消耗的功率越多，切削温度亦越高，刀具容易磨损。因此，在一般情况下，加工性随工件材料强度提高而降低。 工件材料强度的影响工件材料塑性的影响工件材料韧性的影响韧性大的材料，切削加工性较差：在断裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且断屑困难。工件材料弹性模量的影响材料的弹性模量E是衡量材料刚度（抵抗弹性变形的性能）的指标，E值越大，材料刚度越大，切削加工性越差。材料的切削加工性是上述这些机械性能（硬度、强度、塑性、韧性、弹性模量等）综合影响的结果。100图 碳钢硬度与可切削性的关系0100200300400500

18、255075可切削性布氏硬度（HB）如镁合金易燃烧，钛合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削进行。工件材料导热系数的影响 工件材料物理化学反应的影响表 工件材料加工性分级表切削加工易切削较易切削较难切围难 切 削等级代号01234567899a9b硬度HB5050100100 150150200200 250250300300350350 400400480480635635 HRC 1424.824.832.332.338.138.1434350506060 抗拉强度b（GPa）0.1960.1960.4410.4410.5880.5880.7840.7840.980.981.1761.17

19、61.3721.372l.5681.6581.7641.7641.961.962.452.45延伸率()101015152020252530303535404050506060100100 冲击值k(kJ/m2)19619639239258858878478498098013721372176417641962196224502450294029403920 导热系数k(W/mK)418.68293.08293.08167.47167.4783.7483.4762.8062.8041.8741.8733.533.525.1225.1216.7516.758.378.37 有色金属有色金属（如铝

20、及铝合金，铜及铜合金等）通常属于易切削材料。铸铁铸铁的加工性一般较碳钢好。比较各种铸铁加工性的好坏，主要取决于石墨的存在形式、基体组织状态、金属组织成分和热处理的影响。例如：灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁中，石墨分别呈片状、团絮状和球状，因此它们的强度依次提高，加工性随之变差。，碳素钢，合金工具钢，表 难切削金属材料的切削加工性比较（恶化顺序1234）影响切削加工性的因素难切削金属材料（淬火或析出硬化状态）高锰钢高 强 度 钢不 锈 钢高温 合金低合金高合金马氏体时效钢沉淀硬化型奥氏体型马氏体型索氏体型铁基镍基钴基钛合金硬度1234234131223122322高温强度11221l21123332

21、微观硬质点 121231111123321与刀具亲和性111112222334导热性42223322343444加工硬化性4221232133432粘附件21111231133421相对切削加工性0.20.40.20.50.20.450.10.250.30.40.50.60.50.70.60.80.150.30.80.20.050.150.250.38调整材料的化学成分 在钢中适当添加一些元素，如硫、磷、铅、钙等，可使钢的切削加工性得到显著改善，这样的钢叫“易切钢”。易切钢加工时的切削力小，易断屑，刀具使用寿命高，已加工表面质量好。在铸铁中加入合金元素铝、镍、铜等能分解出石墨元素，使材料利于切

22、削。 采用适当的热处理方法采用新的切削加工技术 采用加热切削、低温切削、振动切削等新的方法，可以有效地解决一些难加工材料的切削问题。 刀具几何参数包含四方面内容： 几何角度、刃形、刃面、刃口型式及参数 0 0 变形程度F F q T T振动质量 刀刃和刀头强度散热面积容热体积断屑困难 在一定的条件下，存在一个合理值合理前角的选择原则 粗加工、断续切削、刀材强度韧性低、工材强度硬度高，选较小的前角； 工材塑韧性大、系统刚性差，易振动或机床功率不足，选较大的前角； 成形刀具、自动线刀具取小前角； A磨损增大前角， A磨损减小前角。0rn锋利、l摩擦F 质量 VB 一定，磨损体积T但NB 刀头强度散

23、热体积重磨体积 在一定的条件下，存在一个合理值合理后角的选择原则 粗加工、断续切削、工材强度硬度高， 选较小后角, 已用大负前角应0 ； 精加工取较大后角，保证表面质量； 成形、复杂、尺寸刀具取小后角； 系统刚性差，易振动，取较小后角； 工材塑性大取较大后角，脆材0 。图 后角与磨损体积的关系 rhDbD单位刃长负荷 T 刀尖强度散热体积，Ra Fp变形加工精度，易振动Ra，T 在一定的条件下，存在一个合理值合理主偏角的选择原则 主要看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动，r取较小值；若刚性差（细长轴），r取较大值（90）； 考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等。车台阶轴，取90；镗盲孔90；r小

24、切屑成长螺旋屑不易断；较小r，改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。 刃倾角的作用 影响刀刃锋利性.s0e 、rn 锋利性 负刃倾角刀头强度散热体积 负刃倾角 Fp变形，易振动Ra 正s切屑流向待加工表面，负s切屑流向已加工表面 在一定条件下， 存在一合理值。合理刃倾角的选择 粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高，s取负值； 精加工、系统刚性差（细长轴），s取正值； 微量极薄切削，取大正刃倾角。切削用量三要素、均同Q保持线性关系，三者对机床切削效率的权重是完全相同的。从提高生产效率考虑，切削用量三要素、中任一要素提高一倍，机床切削效率Q都提高一倍，但提高一倍与、一倍对刀具寿命带来的影响却是完全

25、不相同的。 在保持刀具寿命一定的情况下，提高背吃刀量比提高进给量的生产效率高，比提高切削速度的生产效率更高。机床切削效率可以用单位时间内切除的材料体积Q（mm3/min）表示： cpvfaQ 粗加工时，应在保证必要的刀具使用寿命的前提下，以尽可能提高生产率和降低成本为目的。根据刀具使用寿命与切削用量的关系式，切削用量， T ，其中速度v 对T 影响最大，进给量f 次之，背吃刀量ap影响最小。粗加工粗加工中选择切削用量时，应首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次在工艺条件允许下选择较大的进给量f ，最后根据合理的刀具使用寿命，用计算法或查表法确定切削速度v 。这样使v、f 、ap 的乘积最大，以获

26、得最大的生产率。 精加工精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。 背吃刀量ap的选择粗加工时， ap由加工余量和工艺系统的刚度决定，尽可能一次走刀切除全部加工余量。半精加工时，ap可取0.52 mm。精加工时，ap取为0.10.4 mm。在加工余量过大或系统刚性不足情况下，粗加工可分几次走刀。若分两次走刀，第一次走刀的ap取大些，可占全部余量的2/33/4，而第二次走刀的ap取小些，以使精加工工序具有较高的刀具寿命和加工质量。切削有硬皮的铸、锻件或不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使ap超过硬皮或冷硬层厚度，以避免刀尖过早磨损。 进给量f 的选择 粗加工时，f 的大小主要受机床

27、进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。精加工时，f 的大小主要受加工精度和表面粗糙度的限制。生产实际中常根据经验或查表法确定f 。粗加工时根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及以确定的背吃刀量按表2-6来选择f 。在半精加工和精加工时，则按加工表面粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度按表2-7来选择f 。切削速度的确定根据已经选定的背吃刀量ap 、进给量f及刀具使用寿命T，切削速度v可按下式计算求得 式中各系数和指数可查阅切削用量手册。切削速度值也可查表来选定。切削用量选定后，还应校核切削功率是否小于机床的许用功率。若切削功率超过了机床的许用功率，则应首先降低

28、切削速度。vxpymvcKafTCvvv 水溶液 水添加剂 冷却 粗加工 乳化液 乳化油水 切削油 矿物油添加剂 润滑 精加工 冷却 摩擦热的产生；将热量带走。本身导热系数、 比热、汽化热及流量、流速、冷却方式等。 润滑 切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度 排屑、清洗 防锈 防锈添加剂 从加工要求考虑 粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液； 精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液； 从刀具材料考虑 高速钢，需用切削液；Y合金等,可不用或充分连续用； 从工件材料考虑 钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用； 高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液 从加工方法考虑 钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油； 成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。浇注法 切削加工时，切削液以浇注法使用最多。这种方法使用方便，设备简单，但流速慢、压力低，难于直接渗透入最高温度区，因此，冷却效果不理想。高压冷却法 高压冷却法是利用高压（110MPa）切削液直接作用于切削区周围进行冷却润滑并冲走切屑，效果比浇注法好得多。深孔加工的切削液常用高压冷却法。 喷雾冷却法喷雾冷却法是以0.30.6MPa的压缩空气，通过喷雾装置使切削液雾化，高速喷射到切削区。高速气流带