金属切削过程及其变形规律

1、金 属 切 削 原 理 与 刀 具目 录 3.1 切屑的形成过程 3.2 切削力和切削功率 3.3 切削热和切削温度 3.4 刀具磨损和破损 3.5 已加工表面的形成 3.6 小 结退出第一节 切屑的形成过程目 录 3.1.1 切屑形成的力学模型和变形区的划分 3.1.2 第一变形区的变形及其简化 3.1.3 第二变形区的变形 3.1.4 变形程度的表示方法 3.1.5 切屑的类型与折断 3.1.6 切屑变形的变化规律返回目录1. 切屑的形成 金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。 3.1.1 切屑形成的力学模型和变形区的划分2. 切屑形成

2、的力学模型 在直角自由切削下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff，在剪切面上也有一个正压力Fns和剪切力Fs，这两对力的合力应该互相平衡。 3.1.1 切屑形成的力学模型和变形区的划分srocos()FFsDroocos()sin cos()FAFcrocos()FFprosin()FF3.1.1 切屑形成的力学模型和变形区的划分3. 变形区的划分A M O 3.1.1 切屑形成的力学模型和变形区的划分1. 第一变形区内金属的剪切变形3.1.2 第一变形区的变形及其简化 A M hD hch 刀具 2. 剪切角的计算 1) 麦钱特(MEMerchant)公式 求微商，并令 ，

3、可求出Fr为最小值时之值。 Drosin cos()AFrd0dFo4223.1.2 第一变形区的变形及其简化 2) 李和谢弗(Lee and Shaffer)公式 也称为切削第一定律，是根据主应力方向与最大切应力方向之间的夹角为45的原理来计算剪切角。 o43.1.2 第一变形区的变形及其简化 (1) 当前角o增大时， 角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的。 (2) 当摩擦角增大时， 角随之减小，变形增大。因此在低速切削时，采用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。o43.1.2 第一变形区的变形及其简化 1. 第二变形区内金属的挤压变形

4、 3.1.3 第二变形区的变形2. 前刀面上的摩擦 nfffF AF A3.1.3 第二变形区的变形1单位切向力分布曲线2正应力分布曲线lf刀具切屑接触区长度lf1粘结黏结区长度 lf2滑动区长度 3. 积屑瘤 3.1.3 第二变形区的变形 切削钢、球墨铸铁、和铝合金等塑性金属时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊(黏结)并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这个楔块称为积屑瘤。积屑瘤的硬度可达工件材料硬度的23.5倍。 vc/(m/s) Hb/mm 3.1.3 第二变形区的变形 在区里形成粒状切屑或节状切屑，这时没

5、有积屑瘤出现。 在区里形成带状切屑。有积屑瘤生成；积屑瘤的高度随着切削速度的提高而增大，同时积屑瘤前端越来越象像楔子，越来越深入地楔入切削层与工件之间。当切削速度增大到区的右边界时，积屑瘤的高度达到最大值。3.1.3 第二变形区的变形 在区里，积屑瘤的高度随着切削速度的提高而减小，而且积屑瘤的顶部越趋于与前刀面平行。当v增大到区右边界之值时，积屑瘤便消失。 在区里积屑瘤不再生成，此时切屑底层高度纤维化，纤维的方向几乎与前刀面平行。这样的切屑底层称为滞流层。 vc/(m/s) Hb/mm 积屑瘤对加工的影响有以下几个方面： (1) 稳性的积屑瘤可以代替切削刃和前刀面进行切削，从而保护切削刃和前刀

6、面，减少刀具的磨损； (2) 积屑瘤的存在使刀具在切削时具有更大的实际前角，减小了切屑的变形，切削力下降； (3) 积屑瘤具有一定的高度，其前端伸出切削刃之外，使实际的切削厚度增大； (4) 在切削过程中积屑瘤是不断的生长和破碎的，所以积屑瘤的高度也在不断变化，导致了实际切削厚度的地不断变化，引起局部过切，使零件的表面粗糙度增大。同时部分积屑瘤的碎片会嵌入已加工表面，影响零件表面质量； (5) 不稳定的积屑瘤不断地生长、破碎和脱落，积屑瘤脱落时会剥离前刀面上的刀具材料，造成刀具的磨损加剧。3.1.3 第二变形区的变形 避免积屑瘤产生的常用的方法有： (1) 选择低速或高速加工，避开容易产生积屑

7、瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工； (2) 采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等； (3) 增大刀具前角，减小前刀面上的正压力； (4) 采用预先热处理，适当提高工件材料硬度、降低塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。 3.1.3 第二变形区的变形1. 相对滑移 当平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，在切削过程中，这个相对滑移，可以近似地看成是发生在剪切面NH上。剪切面NH被推移到PG的位置，故有3.1.4 变形程度的表示方法sNPNKKPyMKMKocottan() 可知在刀具的前角一定的情况下，相对滑移仅与剪

8、切角有关。 2. 变形系数 切屑厚度hch与切削层厚度hD之比，称为厚度变形系数 切削层长度lD与切屑长度lch之比，称为长度变形系数3.1.4 变形程度的表示方法DchlllchDhhh 切削层变成切屑后宽度的变化很小，根据体积不变原理 变形系数是大于1的数，它直观地反映了切屑变形程度，并且比较容易测量。 3.1.4 变形程度的表示方法1h3. 相对滑移与变形系数的关系 (1) 变形系数并不等于相对滑移。 (2) 当 1.5时，对于某一固定的前角，相对滑移与变形系数成正比。 (3) 当 =1时，即hD=hch，相对滑移并不等于零，因此，切屑还是有变形的。 (4) 当o=1530，变形系数即使

9、具有同一的数值，倘若前角不相同，相对滑移仍然不相等，前角愈小， 就愈大。 (5) 当 1.2时，不能用表示变形程度。原因是：当在11.2之间，虽减小，但却变化不大。 3.1.4 变形程度的表示方法2oo2 sin1cos1. 切屑的基本类型 3.1.5 切屑的类型与折断 前三种切屑是切削塑性金属时得到的。最常见到的是带状切屑，当切削厚度大时得到节状切屑，单元切屑比较少见。在形成节状切屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。切屑的形态是可以随切削条件而转化的。 2. 切屑的控制 3.1.5 切屑的类型与折断 1) 切屑的形状 带状屑 C 形屑 崩碎屑 宝塔状卷屑 长紧卷屑

10、 发条状卷屑 螺卷屑 3.1.5 切屑的类型与折断 2) 卷屑和断屑3.1.5 切屑的类型与折断 影响断屑的因素还有工件材料、刀具角度、切削用量等。 (1) 被切削材料的屈服极限愈小，则弹性恢复少，愈容易折断； (2) 被切削材料的弹性模量大时，也容易折断； (3) 被切削材料塑性愈低，愈容易折断； (4) 切削厚度hD愈大，则应变增大，容易断屑，而薄切屑则难断； (5) 背吃刀量ap增加，则断屑困难增大； (6) 切削速度v提高时，断屑效果降低； (7) 刀具前角o愈小，切屑变形愈大，容易折断。 3.1.5 切屑的类型与折断 3.1.6 切屑变形的变化规律 1. 工件材料 100 210 3

11、15 420Cr 52069Cr 7T8-1830 92Cr131040CrWSi 1135Cr3MoNi 1240 1360 1450 1518CrNi3 161Cr18Ni9Ti 17T8 18T12 1935CrNi31 6 5 4 3 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 h 300 400 500 600 700 800 900 b/MPa 3.1.6 切屑变形的变化规律 表3-1 不同材料的摩擦系数工件材料b/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22铜213550.780.760.750.7410钢36210

12、20.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67 工件材料的强度和硬度增大，变形系数减小。这是由于工件材料的强度和硬度增大，使前刀面上的法向应力av增大，摩擦系数减小，摩擦系数减小，摩擦角减小，剪切角增大，所以变形系数减小。3.1.6 切屑变形的变化规律 2. 刀具 刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角o。实验结果表明：(1) 刀具前角o越大，变形系数越小。0 20 40 60 80 100 120 140 v /(m/min) 6 5 4 3 2 1 h o=0 o=15 o=30 3.1

13、.6 切屑变形的变化规律 (2) 刀具前角o越大，摩擦系数越大。1.1 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0 10 20 30 40 50 o/( ) 一方面由于前角o增大，剪切角增大，变形系数减小，这是前角o对变形的直接影响。 另一方面前角o还通过摩擦角间接的影响变形程度。即前角o增大，作用在前刀面上的法向应力av减小，摩擦角增大，剪切角越小，变形增大。但是这种间接影响小于直接影响，所以前角o增大时，变形系数还是减小。 3.1.6 切屑变形的变化规律 3.1.6 切屑变形的变化规律 3. 切削用量1) 切削速度v的影响 ap=2mm ap=4mm ap=12mm 0 40 80 120

14、 160 200 240 280 v /(m/min) 2.4 2.0 1.6 h 无积屑瘤区 有积屑瘤区 消退 生长 3.1.6 切屑变形的变化规律 2) 进给量f的影响当v比较低时，曲线有驼峰。这是由于积屑瘤的消长和切削温度的影响导致的。 3.1.6 切屑变形的变化规律 3) 背吃刀量ap的影响 ap对变形系数的影响很微小。 ap=2mm ap=4mm ap=12mm 0 40 80 120 160 200 240 280 vc/(m/min) 2.4 2.0 1.6 h 无积屑瘤区 有积屑瘤区 消退 生长 第二节 切削力和切削功率 目 录 3.2.1 切削力的来源 3.2.2 切削合力、

15、分力及功率 3.2.3 切削力的测量 3.2.4 切削力经验公式的建立 3.2.5 影响切削力的因素返回目录3.2.1 切削力的来源刀具 塑性抗力 弹性抗力 工件 塑性抗力 切屑 弹性抗力 ap Ff Ff vc 切削力来源于三个方面 (1) 克服被加工材料弹性变形的抗力； (2) 克服被加工材料塑性变形的抗力； (3) 克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。1. 切削合力和分力F可以分解为相互垂直的三个分力，即进给力Ff 、背向力Fp和切削力Fc 3.2.2 切削合力、分力及功率Fc F FD Fp Ff vc vf ve 22222cpcDfFFFFFF2.

16、切削功率 单位时间消耗在切削过程中的功称为切削功率Pc 3.2.2 切削合力、分力及功率3wccc101000fn fPF vF 进给运动相对于主运动消耗的功很少(小于1%2%)，可以忽略不计 3ccc10PF v1. 间接测量法 在没有专用测力仪器的情况下，可以使用功率表测出机床电动机在切削过程中所消耗的功率PE后，按公式 PE 计算出Pc。在切削速度已知的情况下，利用公式 计算出Fc。这种方法只能粗略的估算出切削力的大小。3.2.3 切削力的测量3ccc10PF vccP2. 直接测量法 测力仪是测量切削力的主要仪器，按其工作原理可以分为机械式、液压式和电测式。电测式又可分为电阻应变式、电

17、磁式、电感式、电容式以及压电式。目前常用的是电阻式测力仪和压电式测力仪， 3.2.3 切削力的测量1. 指数公式 在生产实际中计算切削力的经验公式可以分为两类：一类是指数公式；另一类是按单位切削力进行计算。3.2.4 切削力经验公式的建立cccccpppppcpcppcfpcFFFFFFFFFfffffxynFFxynFFxynFFFC afvKFC afvKFC afvK2. 利用单位切削力计算 单位切削力是指单位面积上的切削力 。3.2.4 切削力经验公式的建立ccDcpcDDFk Ak a fk h b3. 指数公式的建立 指数公式是通过切削实验建立起来的。实验方法有单因素法、多因素法等

18、。数据处理方法有图解法、线性回归法以及计算机数据采集处理法等。下面介绍以单因素实验为基础的图解法。 保持其它其他切削条件不变，只改变背吃刀量ap，用测力仪测出不同ap时的切削分力数据，将所得的数据画在说对数坐标纸上， 3.2.4 切削力经验公式的建立3.2.4 切削力经验公式的建立 k=tan Y= kX+b Y (lgFc) b lg1 X (lgap) pccplglglgaFFCxacFpxpacaCF 3.2.4 切削力经验公式的建立同理可得 ccFyfFC fcccFnvFC f综合各因素对Fc的影响 ccccccpcFFFxynFFFC afvK1. 工件材料 工件材料强度、硬度越

19、高，则s越大，切削力Fc也随之增大。但是由于强度增高。摩擦系数降低，摩擦角减小，使得剪切角增大，所以变形系数h下降，切削力Fc有所减小。综合上面两种影响可见，切削力Fc仍然增大，但与强度的增加不成正比。 3.2.5 影响切削力的因素o4 工件材料的强度、硬度相近时，塑性越大的材料，发生的塑性变形也越大，所以切削力也越大。切削脆性材料时，切削层塑性变形很小，形成的崩碎切屑与前刀面的摩擦力也很小，因此脆性材料的切削力一般小于塑性材料。 同一材料的热处理状态不同、金相组织不同也会影响切削力的大小。3.2.5 影响切削力的因素 切削力的大小不单纯受材料的原始强度和硬度影响，它还受到材料加工硬化能力大小

20、的影响。例如：奥氏体不锈钢的强度、硬度都较低，但是加工硬化能力大，较小的变形就会引起硬度较大的提高，导致切削力增大。 硫S、铅Pb元素在钢中引起结构成分间的应力集中，容易形成挤裂切屑，其切削力比正常减小20%30%，故被称为易切钢。 3.2.5 影响切削力的因素2. 切削用量ap和f的大小决定切削面积的大小。因此，ap和f的增加均会使Fc增大，但两者的影响程度不同。ap增大，Fc成正比线性增大。f增大，Fc成正比非线性增大。3.2.5 影响切削力的因素3.2.5 影响切削力的因素0 30 80 120 160 200 240 280 2.2 1.8 1.4 1.0 Fc(KN) vc(m/mi

21、n) 加工钢时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。 加工铸铁时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。 3.2.5 影响切削力的因素0 20 40 60 80 100 120 140 1.6 1.4 1.2 1.0 Fc(kN) vc(m/min) 3. 刀具 前角o对切削力的影响最大。 3.2.5 影响切削力的因素-20-10 0 10 20o 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 F(kN) Fc Ff Fp 3.2.5 影响切削力的因素(a) 刀屑接触长度 lf (b) b1lf (c) b1lf vc vc vc o o1 o o1 o lf b1 b1 vch

22、vch vch 车刀的负倒棱是通过其宽度b1与进给量f的比值，来影响切削力的。 3.2.5 影响切削力的因素r对Fc的影响不大，对Fp、Ff的影响较大。 24 20 16 12 8 4 0 30 45 60 75 90r F (kN) Fc Fp Ff 30 45 60 75 90r Fc Fp Ff F(kN) (a) 车 45 钢 (b) 车削灰铸铁时 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 3.2.5 影响切削力的因素 当r、f、ap一定时，r增大，Fc变化不大，但Ff减小，而Fp增大， 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 r(mm) Fc 3.0 2.0

23、 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 Fp Ff F(kN) 3.2.5 影响切削力的因素s对Fc影响不大，而对Fp、Ff影响较大。 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 F(kN) Fc Fp Ff -45 -40 -30 -20 -10 0 10 s 4. 其他因素3.2.5 影响切削力的因素 (1) 刀具材料摩擦系数越小，切削力越小。各类刀具材料中，摩擦系数按高速钢、YG类硬质合金、YT类硬质合金、陶瓷、金刚石的顺序依次减小。 (2) 前刀面磨损使刀具实际前角增大，切削力减小。后刀面磨损，刀具与工件的摩擦增大，切削力增大。前后刀面同时磨损时，切削力先减小，后逐渐增大。F

24、p增加的速度最快，Fc增加的速度最慢。 (3) 刀具的前后刀面刃磨质量越好，摩擦系数越小，切削力越小。 (4) 使用润滑性能好的切削液，能有效减少摩擦，使切削力减小。第三节 切削热和切削温度 目 录 3.3.1 切削热的产生和传出 3.3.2 切削温度及其分布和测量 3.3.3 影响切削温度的主要因素返回目录1. 热源 切削热的来源主要有两个方面，一个是切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦所消耗的摩擦功，这是切削热的主要来源。另一个是切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形所消耗的变形功。与此相对应，切削热产生在三个区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、工件与后刀面接触区。 3.3.1 切

25、削热的产生和传出工件 刀具 切屑 2. 切削热的传播 切削热传散出去的途径主要是切屑、工件、刀具和周围介质(如空气、切削液等)，影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。 切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度。不同的切削加工方法，切削热沿不通传导途径传递出去的比例也各不相同。 3.3.1 切削热的产生和传出传 导 途 径干 车 削钻 削切屑50%86%28%工件9%3%52%刀具40%10%15%周围介质1%5%1. 切削温度的测量 1) 自然热电偶法 利用刀具和工件材料化学成分的不同构成热电偶，组成热电回路测量切削温度的方法。 回路中形成了温差电动势，利用电位计或毫伏

26、表可以将其数值记录下来。再根据事先标定的热电偶热电势与温度的关系曲线(标定曲线)，便可以查出刀具与工件接触区的切削温度值。 用自然热电偶法测到的切削温度是切削区的平均温度。 3.3.2 切削温度及其分布和测量3.3.2 切削温度及其分布和测量3.3.2 切削温度及其分布和测量0 2 4 6 8 10 12 14 15 18 mV 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 () W18Cr4V 40Cr 38CrMoAlA T10A 5CrNiMo 2) 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上预定要

27、测量温度的点上，冷端通过导线串接电位计或毫伏表。根据表上的读数值和热电偶标定曲线，可获得焊接点上的温度。 应用人工热电偶法，只能测得距前刀面有一定距离处某点的温度， 3.3.2 切削温度及其分布和测量3.3.2 切削温度及其分布和测量2. 切削温度的分布(温度场) 温度场是指工件、切屑和刀具上各点的温度分布。 3.3.2 切削温度及其分布和测量工件 hch0.9mm hD0.6mm 刀具 620 670 680 690 730 700 660 740 750 640 3.3.2 切削温度及其分布和测量 (1) 剪切面上各点的温度基本一致，由此可以推想剪切面上各点的的应力应变规律基本上变化不大；

28、 (2) 前刀面和后刀面上的最高温度处都在离刀刃有一定距离的地方，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。温度最高点出现在前刀面上； (3) 在剪切区域内，垂直剪切方向上温度梯度较大，这是由于剪切滑移的速度很快，热量来不及传导出来，从而形成较大的温度梯度； (4) 垂直前刀面的切屑底层温度梯度大。这说明前刀面上的摩擦是集中在切屑的底层，因此切削温度对前刀面的摩擦系数有较大影响； (5) 后刀面的接触长度很小，因此温度的升降是在极短时间内完成的，已加工表面受到一次热冲击； (6) 工件材料塑性越大，前刀面上的接触长度越大，切削温度的分布也就均匀些。工件材料脆性越大，最高温度所在的点离刀刃越近； (7)

29、工件材料导热系数越低，前、后刀面的温度越高。3.3.2 切削温度及其分布和测量800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.5 2.0 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.4 车刀 前 刀 面 上 距 刀 刃 距 离 (mm) 后刀面上距刀刃距离 (mm) 后 刀 面 温 度 () 前刀面温度 () 1 2 4 3 1 3 2 1. 切削用量 通过实验得到切削温度的经验公式。 3.3.3 影响切削温度的主要因素刀具材料加工方法Cxyz高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.1铣削80钻削150硬质合金车削320f/

30、(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3zpyxcafvC 通过对比表中数据可知xyz，说明切削用量三要素对切削温度的影响vfap，这与它们对切削力的影响程度正好相反。 3.3.3 影响切削温度的主要因素刀具材料加工方法Cxyz高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.1铣削80钻削150硬质合金车削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3 1) 切削速度v3.3.3 影响切削温度的主要因素向切屑传递热量切屑流出速度切屑带走热量单位时间金属切除率散热单位切削功率单位切削力切削力剪切角消耗功率单位时间金属切

31、除率生热cv1200 1000 800 600 400 300 () 20 30 40 60 80 100 150 200 vc(m/min) 2) 进给量f3.3.3 影响切削温度的主要因素 1200 1000 800 600 () 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 f(mm/r) 切屑带走热量切屑热容量切屑厚度切削厚度散热单位切削功率单位切削力消耗功率切削力生热f 3) 背吃刀量ap3.3.3 影响切削温度的主要因素1 2 3 4 5 6 ap(mm) 1200 1000 800 600 () 散热条件改善切削刃参加切削的长度切削宽度散热消耗功率切削力生热pa2. 刀具几何参数 1)

32、 前角o对切削温度的影响3.3.3 影响切削温度的主要因素-10 0 10 20 30o 1000 900 800 700 600 500 () 1 2 3 2) 主偏角r对切削温度的影响3.3.3 影响切削温度的主要因素30 45 60 75 90r 1100 1000 900 800 700 600 () vc1.75m/s vc2.25m/s vc1.35m/s 3) 负倒棱宽度br和刀尖圆弧半径r对切削温度的影响 负倒棱宽度在(02)f范围内变化，刀尖圆弧半径在01.5mm范围内变化，基本上不会影响切削温度。 3.3.3 影响切削温度的主要因素3. 工件材料 1) 工件材料的强度、硬度

33、越高，切削力越大，切削时消耗的功也越多，产生的切削热也越多，切削温度也就越高。 3.3.3 影响切削温度的主要因素 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1000 900 800 700 600 500 400 300 () 调质 正火 淬火 2) 合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。3.3.3 影响切削温度的主要因素45 正火 1000 900 800 700 600 500 400 300 () W18Cr4V 5CrNiMo 38C

34、rMoAlA 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 3) 不锈钢1Cr18Ni9Ti和高温合金GH131不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。 3.3.3 影响切削温度的主要因素10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 () GH131 45 钢(正火) HT2040 1Cr18Ni9Ti 4) 脆性金属的抗

35、拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也很小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。 3.3.3 影响切削温度的主要因素10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vc(m/min) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 () GH131 45 钢(正火) HT2040 1Cr18Ni9Ti 4. 刀具磨损 刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区的金属的塑性变形增加。同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与刀具的摩擦加大，两

36、者均使切削热的产生增加。所以，刀具磨损是影响切削温度的重要因素。3.3.3 影响切削温度的主要因素1100 1000 900 800 700 600 () vc117m/min vc94m/min vc71m/min 0 0.2 0.4 0.6 0.8 VB(mm) 5. 切削液 切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果，在切削加工中应用很广。切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大关系。从导热性能来看，水基切削液乳化液油类切削液。3.3.3 影响切削温度的主要因素第四节 切削热和切削温度 目 录 3.4.1 刀具磨损的形式

37、 3.4.2 刀具磨损的原因 3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准 3.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 3.4.5 刀具的破损返回目录 切削时，刀具的前刀面与切屑、后刀面与工件常常相互挤压和剧烈摩擦，产生很高的温度。因此磨损发生在刀具的前刀面和后刀面上，前刀面磨损形成月牙洼，后刀面磨损形成磨损带，通常前、后刀面的磨损是同时发生，相互影响的。 3.4.1 刀具磨损的形式1. 前刀面磨损3.4.1 刀具磨损的形式2. 后刀面磨损3.4.1 刀具磨损的形式3. 边界磨损3.4.1 刀具磨损的形式3.4.2 刀具磨损的原因 对于一定的刀具材料和工件材料，切削温度对于刀具磨损具有决定性的影响。切削

38、温度低时，由工件材料中硬质点的刻划作用导致的机械磨损占主导地位。切削温度高时，由受切削温度影响较大的热、化学磨损占主导地位。 1机械磨损 2粘结黏结磨损 3扩散磨损 4热化学磨损1. 机械磨损3.4.2 刀具磨损的原因 是由于工件材料中的杂质、基体组织中的硬质点(如碳化物、氮化物和氧化物等)以及积屑瘤碎片等，在刀具表面上划出一条条沟纹造成的磨损。 刀具在各种切削速度下都存在硬质点磨损，但它是低速刀具(如拉刀、板牙、丝锥等)磨损的主要原因。一般认为，由硬质点磨损产生的磨损量与刀具工件相对滑动距离或切削路程成正比。 2. 粘结磨损3.4.2 刀具磨损的原因 黏结是在摩擦面的实际接触面积上，在足够大

39、的压力和高温作用下，刀具和工件材料接触到原子间距离时发生结合的冷焊现象。两摩擦表面的黏结点因相对运动将发生撕裂而被对方带走，如果黏结处的破裂发生在刀具这一方，就会造成刀具的损耗，这就是刀具的黏结磨损。 黏结磨损程度取决于切削温度、刀具和工件材料的亲和力、刀具和工件材料硬度比、刀具表面形状与组织和工艺系统刚度等因素。 3.4.2 刀具磨损的原因 切削温度是影响黏结磨损的主要因素 K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700 900 () K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700 900 () K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700

40、900 () K0 1.0 0.75 0.50 0.25 0 500 700 900 () (a) (b) (c) (d) 1 2 3 1 2 3 4 5 6 4 5 6 (a) 加工纯铁 1刚玉(氧化铝) 2立方氮化硼 3金刚石(b) 加工钛 1刚玉(氧化铝) 2立方氮化硼 3金刚石(c) YT15加工 412Cr18Ni9Ti 5钛 6纯铁(d) YG8加工 412Cr18Ni9Ti 5钛 6纯铁3. 扩散磨损3.4.2 刀具磨损的原因 当刀具与工件材料的化学元素浓度相差较大时，它们就会在固态下互相扩散到对方中去，引起摩擦面两侧刀具和工件材料化学成分的改变，使刀具材料性能下降，从而造成刀具

41、磨损，这种磨损称为扩散磨损。 扩散磨损是中高速切削时，硬质合金刀具磨损的主要原因，它往往和黏结磨损同时发生。 扩散磨损的速度主要与切削温度、工件和刀具材料的化学成分等因素有关。还和切屑底层在刀具表面上的流动速度有关。 4. 化学磨损3.4.2 刀具磨损的原因 切削时在一定温度下，刀具与周围介质的某些成分(如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等)起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，而被切屑带走，加速了刀具的磨损，或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具损耗，这些被称为化学磨损。 5. 热电磨损3.4.2 刀具磨损的原因 在切削区的高温作用下，刀具与工件材料形成热电偶，产生热电动势

42、，形成流过刀具工件、刀具切屑的热电流，从而促进化学元素的扩散,加速刀具的磨损，这种在热电势的作用下产生的扩散磨损称为热电磨损。1. 磨损过程3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准 1) 初期磨损阶段 该阶段磨损曲线的斜率较大，这意味着刀具磨损很快。 0 40 80 120 160 200 切削时间 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 VB(mm) 3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准 2) 正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具的后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小。同时刀具的表面已经被磨平，磨损量的增加减缓并稳定下来，刀具进入正常磨损阶段。 0 40 80

43、 120 160 200 切削时间 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 VB(mm) 3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准 3) 急剧磨损阶段 刀具经过正常磨损阶段后，切削刃明显变钝，引起切削力、切削温度迅速增大。这时进入急剧磨损阶段，这一阶段磨损曲线斜率很大，表现为刀具磨损速度很快。 0 40 80 120 160 200 切削时间 t(min) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 初期磨损 正常磨损 急剧磨损 VB(mm) 2. 磨钝标准3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准 根据加工情况规定一个最大的允许磨损量，这就是刀具的磨钝标准。表3-10 硬质

44、合金车刀的磨钝标准加 工 条 件后刀面的磨钝标准VB/mm精车0.10.3合金钢粗车，粗车刚性较差的工件0.40.5碳素钢粗车0.60.8铸铁件粗车0.81.2钢及铸铁件大件低速粗车1.01.51. 刀具耐用度3.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 1) 刀具耐用度的定义 刃磨后的刀具从开始使用，直至磨损量达到磨钝标准为止时的纯切削时间(不包括对刀、测量、快进、回程等非切削时间)称为刀具耐用度，用T来表示。 2) 刀具耐用度与刀具寿命的关系 刀具寿命是指一把新刀具从投入使用直到报废为止的总的切削时间，其中包括多次重磨，因此刀具的寿命等于刀具耐用度与重磨次数的乘积。2. 刀具耐用度方程3.4

45、.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 提高切削速度，刀具的耐用度就会降低，其关系可以在实验中采用单因素法(其他切削条件不变，只改变切削速度)获得。 T1 T2 T3 T4 tm(min) vc1 vc2 vc3 vc4 VB(mm) vc1 vc2 vc3vc4 3.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系T1 T2 T3 T4 T(min) vc(m/min) vc1 vc2 vc3 vc4 0lglglgCTmvcvTm=C0 3.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 需要注意的是，上式在下面的情况下不再适用： (1) 该式是以刀具的正常磨损为基础得到的，对于脆性大的刀具材料，在断续切削情

46、况下的刀具破损，该式不再适用； (2) 在较宽的切削速度范围内进行实验时，由于积屑瘤的影响，vT关系不再是一个单调函数，而是形成驼峰型曲线，对应曲线的上升部分，该式不再适用。 T(min) 80 60 40 20 0 20 60 100 140 180 220 vc(m/min) 3.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系 2) 进给量和背吃刀量与刀具耐用度的关系 切削用量三要素与刀具耐用度的一般关系式 在切削用量三要素中，切削速度v对刀具耐用度的影响最大，其次为进给量f，背吃刀量ap的影响最小，这与三者对切削温度的影响顺序是一致的。 12111cpTmmmCTvfacpTxyzCTvf a3

47、.4.5 刀具的破损 在切削加工中，刀具时常会不经过正常的磨损，就在很短的时间内突然损坏以致失效，这种损坏类型称为破损。 破损也是刀具损坏的主要形式之一，多数发生在使用脆性较大的刀具材料进行断续切削或者加工高硬度材料的情况下。 刀具的破损按性质可以分成塑性破损和脆性破损，按时间先后可以分成早期破损和后期破损。 第五节 切削热和切削温度 目 录 3.5.1 已加工表面的形成过程 3.5.2 已加工表面的质量指标 3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制 3.5.4 加工硬化 3.5.5 残余应力返回目录1. 已加工表面形成过程3.5.1 已加工表面的形成过程2. 刃前区应力分布3.5.1 已加工表

48、面的形成过程O av s 0 0.2 0.4 av，s(GPa) 3.5.2 已加工表面的质量指标1. 几何方面的质量 几何方面的质量是指工件最外层表面与周围环境之间界面的几何形状，通常以表面粗糙度表示。2. 表面材质 影响表面材质的主要是加工变质层。 已加工表面质量可以用下面四项内容表示： (1) 表面粗糙度； (2) 表面层的加工硬化程度和硬化层深度； (3) 表面层以及一定深度层的残余应力大小及分布； (4) 表面层金相组织的变化情况。 其产生的原因可以归纳为两个方面。 (1) 几何因素产生的粗糙度，也称为理论粗糙度，由切削运动和刀具的几何形状产生，主要取决于残留面积的高度。 (2) 切

49、削过程中不稳定因素所产生的粗糙度，包括积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、切削刃与工件相对位置变动等。 3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制1. 残留面积产生的粗糙度 切削时，由于刀具与工件相对运动以及刀具几何形状的关系，有一小部分金属未被切削下来，残留在已加工表面上，称为残留面积，其高度直接影响到已加工表面的横向粗糙度。 3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制2. 切削过程中的不稳定因素产生的粗糙度 1) 积屑瘤 2) 鳞刺 3) 切削过程中的变形 4) 刀具的边界磨损 5) 切削刃与工件相对位置变动 6) 切屑划伤、拉毛3.5.3 已加工表面的粗糙度及其控制 经过切削后的表面，其硬度

50、往往是基体硬度的120%200%，即表面发生了硬化，硬化层的深度从几个微米到几百个微米，这种不经过热处理而由切削过程造成的硬化现象称为加工硬化或冷作硬化。 这种表面层的硬化可以使零件的耐磨性提高，但是也增加了后续加工的难度和刀具磨损。 3.5.4 加工硬化1. 加工硬化产生的原因 由于在切削过程中，部分切削层的金属在刀具挤压和摩擦下，发生了强烈的变形形成了已加工表面。因此已加工表面的金属晶格发生了扭曲，晶粒被拉长、破碎，阻碍了金属进一步变形而使金属强化，硬度显著提高。此外已加工表面还受到切削温度的影响，切削温度低于相变点时，金属弱化，硬度降低。切削温度高于相变点时则引起相变。所以，已加工表面的

51、硬度是这些强化、弱化和相变综合作用的结果。 3.5.4 加工硬化2. 加工硬化的表示方法 1) 硬化程度 硬化程度是指已加工表面的显微硬度增加值，对原始显微硬度的百分比。 也可以用加工前、后的硬度值之比表示。 3.5.4 加工硬化00100HHN%H0100HN%H 2) 硬化层深度 硬化层深度是指已加工表面至未硬化处的垂直距离hd，单位为m。3.5.4 加工硬化表3-12 钢件表面的硬化深度hd和硬化程度N 加 工 方 法平均硬化深度hdm平均硬化程度N/(%)高速车削3050120150精车2060140180钻孔180200160170拉削2075150200滚(插)齿120150160

52、200外圆磨削(未淬火)3060140160研磨371101173. 影响加工硬化的因素 1) 工件材料 工件材料的硬度越低、塑性越大、熔点越高、强化就会越严重。就结构钢而言，含C量少、塑性变形大，硬化严重。高锰钢强化指数大，硬化程度可达200%以上。有色金属熔点低，容易弱化，所以硬化情况比结构钢小很多。3.5.4 加工硬化 2) 刀具几何参数与磨损 (1) 前角o越大，金属的塑性变形越小，hd越小 。3.5.4 加工硬化hd(m) -5 0 5 10 15 o 500 400 300 200 100 (2) 后角o越大，hd越小。 (3) 切削刃钝圆半径rn越大，挤压与摩擦越严重，hd越大。

53、3.5.4 加工硬化H(GPa) 10 50 100 150 200 rn(m) 5.49 4.71 3.92 3.14 2.35 1.57 f0.76mm/r f0.5mm/r f0.25mm/r f0.12mm/r (4) 刀具磨损量VB越大，后刀面与已加工表面的摩擦越大，hd越大。3.5.4 加工硬化 hd(m) 500 400 300 200 100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 VB(mm) 3) 切削用量与切削液 (1) 切削速度v对加工硬化的影响是多方面的，通常认为，v越高硬化程度越小，但是增加到一定值后，硬化深度又增大。 3.5.4 加工硬化 hd(m

54、) 140 120 100 80 车削 铣削 5 30 60 90 120 150 180 210 240 270 vc(m/min) (2) 进给量f的增加，将使硬化深度增加；3.5.4 加工硬化 hd(m) 110 100 90 80 70 60 45 钢 2Cr13 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 fz(mm/z) (3) 背吃刀量ap的增加对硬化程度无显著影响； (4) 使用切削液，能减轻加工硬化，切削冷却、液润滑效果越好，硬化情况越轻。 3.5.4 加工硬化 hd(m) 110 100 90 80 70 60 45 钢 2Cr13 0 0.5 1.0

55、1.5 2.0 2.5 3.0 ap(mm) 当切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的应力称残余应力。 残余应力有压应力和拉应力之分，压应力有时能提高零件的疲劳强度，但拉应力则会产生裂纹，使疲劳强度下降。 应力分布不均匀会使零件产生变形，从而影响零件精度，对精密零件的正常工作极为不利。 3.5.5 残余应力1. 残余应力产生的原因 1) 塑性变形引起的应力 金属经塑性变形后体积将胀大，由于受到里层未变形金属的牵制，故表层呈残余压应力，里层呈残余拉应力。 2) 切削温度引起的热应力 切削时，不均匀的温度分布，使表层金属产生热应力。超过材料屈服极限时，使表层金属产生压缩塑性变形。切削后冷却至

56、室温，表层金属体积的收缩又受到里层金属的牵制，故而表层金属产生残余拉应力。 3.5.5 残余应力 3) 相变引起体积应力 切削时，若表层温度高于相变温度，则表层组织可能发生相变。由于各种金相组织的体积不同，从而产生残余应力。 3.5.5 残余应力2. 影响因素及控制措施 1) 工件材料 塑性大的材料，通常会产生残余拉应力，塑性越大，拉应力越大。3.5.5 残余应力 残余应力 v(GPa) 0 50 100 150 200 距表面深度(m) 0.10 0 -0.10 -0.20 -0.30 2) 刀具 (1) 前角o 当o由正值变为负值时，表层残余应力逐渐减小，但距表层深度加大。 3.5.5 残余应力 残余应力 v(GPa) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.98 0.78 0.59 0.39 0.20 0 -0.20 -0.39 -0.59 距表面深度(m) o15 o-15 o-30 采用绝对值较大的负前角时，会使已加工表面呈现残余压应力。 3.5.5 残余应力残余应力 v(GPa) 0 10 20 30 40 50 60 70 o-6 0.98 0.59 0.20 0 -0.29 -0.59 距表面深度(m) o-27 (2) 后刀面磨损量VB。 VB值增加，残余应力值加大，深度也加大。