机械加工技术及设备

机械制造技术MechanismManufactureTechnology

孙庆群制作配套教材：第2章金属切削加工理论及其应用

【学习目标】

本章主要介绍金属切削加工过程中的切削变形、积屑瘤、加工硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损和刀具寿命等物理现象以及磨削当中的特点，同时介绍这些现象的影响因素和控制方法。通过对本章的学习，让学生了解产生这些现象的基本规律，能够通过调整某些影响因素来控制切削过程，从而达到实现工件切削加工要求之目的。

金属切削加工过程是指通过切削运动，刀具从工件的表面上切下多余的金属层，形成切屑和合格的已加工表面的过程。在此过程中将产生许多物理现象，如切削变形、积屑瘤、鳞刺、振动、表面硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等。本章主要研究产生上述诸多现象的成因、本质及变化规律。掌握这些基本规律，对合理使用与设计刀具、夹具、机床，保证加工质量、降低加工成本、提高生产效率以及促进切削加工技术的进步都将具有非常重要的意义。2.1切削变形

研究切削变形与切屑的形成非常复杂，下面以正交（直角）自由切削为研究模型进行简要说明。2.1.1金属切削层的切削变形1.切削变形的力学本质金属切削过程类似于金属材料受挤压的过程，当塑性金属材料受挤压时，金属先产生弹性变形而后是塑性变形，最大剪应力方向与最大主应力方向之间大致成45o夹角，即沿着OM或AB产生剪切滑移（如图2.1a所示）。图2.1金属的挤压与切削的比较图2.1金属的挤压与切削的比较

2.切削过程中的三个变形区在切削过程中存在着三个变形区（如图2.2所示）：

（1）第一变形区。由始滑移面OA与终滑移面OM所围成的区域（Ⅰ）称为第一变形区，也称剪切滑移区。这是主要变形区（产生塑性变形形成切屑）。滑移面与切削速度的夹角称为剪切角φ。

（2）第二变形区。它是指刀—屑接触区，即与前面接触的切屑底层内产生的变形区域（Ⅱ），切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。

（3）第三变形区。它是指刀—工件接触区，亦即近切削刃处已加工表面层内产生的变形区域（Ⅲ）。已加工表面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化与表面加工硬化。三个变形区的变形相互牵连，切削变形是一个整体，且整个变形过程是在极短的时间内完成的。a)b)图2.2切削变形状态a)正交平面中的受力情况b)金相照片1.切屑的形成过程切削层在刀具挤压和摩擦的作用，产生弹性变形和塑性变形，当切削层的承受的切应力达到材料的屈服强度极限时，便产生剪切滑移，切削层经过第一变形区形后即沿着刀具前面流出，便形成了切屑。a）b）图2.3切屑的形成过程形成切屑的剪切滑移过程b)切屑形成模型2.1.2切屑的形成与切屑类型

2.切屑的类型由于工件材料和切削条件的不同，切削中的变形程度也不相同，因此，会形成多种类型的切屑，如图2.4所示。a）b）c）d）图2.4切屑的类型a）带状切屑b）节状切屑c）粒状切屑d）崩碎切屑（1）带状状切屑。产生条件：：切削塑性材材料（如软软钢、铝等等）时，如如果切削速速度较高、、切削厚度度较薄、刀刀具前角较较大，容易易形成内表表面光滑、、外表面呈呈毛茸状的的带状切屑屑。优点：切削过程较较平稳，切切削力波动动较小，已已加工表面面粗糙度较较小。缺点：：切屑连连绵不不断，，有时时会缠缠绕在在刀具具或工工件上上影响响加工工过程程。（2））节状状（挤挤裂））切屑屑产生条条件：：大多在在切削削塑性性金属属材料料时，，如果果切削削速度度较低低、进进给量量较大大（亦亦即切切削厚厚度较较大））、刀刀具前前角较较小，，容易易产生生这种种屑型型。特点：：切削中中切应应变较较大，，切削削力有有波动动和和和振动动，已已加工工表面面粗糙糙度较较大。。对硬硬质合合金刀刀具易易产生生崩刃刃。（3））粒状状（单单元））切屑屑采用小小前角角或负负前角角，以以极低低的切切削速速度和和大的的切削削厚度度切削削粗晶晶粒金金属时时，会会产生生粒状状屑型型，此此时，，切削削过程程更不不稳定定，加加工表表面的的质量量也会会更差差。（4））崩崩碎碎切切屑屑在切切削削铸铸铁铁等等脆脆性性金金属属时时，，由由于于脆脆性性材材料料抗抗拉拉强强度度低低，，刀刀具具切切入入后后，，切切削削层层未未经经塑塑性性变变形形，，就就会会在在材材料料组组织织的的石石墨墨与与铁铁素素体体之之间间疏疏松松界界上上产产生生不不规规则则崩崩裂裂，，形形成成崩崩碎碎切切屑屑。。这这种种切切屑屑的的形形状状很很不不规规则则，，加加工工出出的的工工件件表表面面也也凹凹凸凸不不平平。。工工件件材材料料越越脆脆、、切切削削厚厚度度越越大大、、刀刀具具前前角角越越小小，，就就越越容容易易产产生生这这种种切切屑屑。。2.1.3变形程度的表示方法通常可用切削变形系数来衡量切削变形程度。如果把切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，会发现切屑厚度增加（＞）、切屑长度缩短（＜），切屑宽度基本没发生变化。这是切屑流出时受到刀具前面摩擦作用的结果。切削变形系数就是切屑厚度hch与切削层厚度hD的比值，或者是切削层长Lc度和切屑长度Lch的比值。即：＞1

（2.1）

值越大，切屑越厚越短，则切削变形就越大。a）b）c）图2.5变形程度表示a）切屑与切削层的外形尺寸；b）切屑的厚度增加、长度缩短；c）前角、剪切角与切削变形的关系

需要说明的是：在切削某些材料时，可能会出现＜1，这就不能正确反映切削变形的实际情况。2.1.4切切屑屑与与刀刀具具前前面面间间的的摩摩擦擦和和积积屑屑瘤瘤在塑塑性性金金属属切切削削过过程程中中，，因因切切屑屑底底层层与与刀刀具具前前面面间间挤挤压压摩摩擦擦严严重重，，使使切切屑屑底底层层金金属属的的流流动动速速度度低低于于上上层层的的流流动动速速度度而而形形成成滞滞流流层层。。当当滞滞流流层层金金属属与与刀刀具具前前面面之之间间的的摩摩擦擦力力超超过过切切屑屑内内部部的的结结合合力力时时，，滞滞流流层层的的一一部部分分金金属属就就会会黏黏结结在在切切削削刃刃附附近近（（亦亦称称冷冷焊焊）），，不不断断沉沉积积便便形形成成小小硬硬块块称称为为积屑屑瘤瘤。当温温度度和和压压力力适适当当时时，，滞滞流流层层金金属属就就会会黏黏附附在在刀刀具具前前面面上上，，依依次次层层层层堆堆积积，，高高度度逐逐渐渐增增大大而而形形成成了了积积屑屑瘤瘤，，它它代代替替切切削削刃刃继继续续剪剪切切较较软软的的金金属属层层，，长长高高的的积积屑屑瘤瘤在在外外力力或或振振动动作作用用下下可可能能会会发发生生局局部部断断裂裂或或脱脱落落，，条条件件合合适适时时又又会会继继续续生生成成、、长长高高。。这这样样生生成成、、长长大大、、脱脱落落，，再再生生成成、、再再长长大大、、再再脱脱落落…………经经历历着着一一个个又又一一个个非非周周期期性性变变化化的的过过程程。。a）b）c）图2.6积屑瘤a）内摩擦应力分布；b）积屑瘤外形；c）积屑瘤外形尺寸加工条件：工件材料45钢、刀具材料W18Cr4V、=5°、=20m/min、=0.23mm/r1.积屑瘤对切削过程的影响（1）保护刀具。由于硬度高于工件硬度，能代替刀刃切削，对刀具切削刃有保护作用。

（2）增大工作前角。积屑瘤增大了刀具的实际工作前角，使刀具变得锋利，减小切削变形，降低了切削力。

（3）增大切削厚度。由于积屑瘤前端伸出于切削刃之外，会产生过切，使切削厚度增加了ΔhD。又由于积屑瘤的产生、长大与脱落非周期性变化，所以ΔhD值是变化的，会影响到被加工工件的尺寸精度。（4））增增加加已已加加工工表表面面粗粗糙糙度度首先先，，由于于积积屑屑瘤瘤高高度度非非周周期期性性的的变变化化，，使使得得切切削削厚厚度度也也无无规规则则变变化化，，工工件件已已加加工工表表面面会会出出现现高高低低不不平平；；其次，，脱落掉掉的积积屑瘤瘤碎片片黏附附在已已加工工表面面上恶恶化表表面粗粗糙度度；另外，，积屑瘤瘤高度度的不不断变变化造造成刀刀具切切削刃刃高度度的不不断变变化会会引起起振动动，导导致在在工件件已加加工表表面上上刻划划出沟沟纹，，严重重影响响以加加工表表面粗粗糙度度。2.抑抑制和和消除除积屑屑瘤的的措施施（1））增大刀刀具前前角，，使切切削轻轻快，，可减减少积积屑瘤瘤的产产生。。（2））减少进进给量量和切切削厚厚度。。（3））采用低低速或或高速速切削削，避避开容容易产产生积积屑瘤瘤的切切削速速度，，如图图2.7a是积积屑瘤瘤与切切削速速度之之间的的关系系。（4））提高刀刀具刃刃磨质质量、、合理理选用用切削削液，，可以以减轻轻摩擦擦，降降低切切削温温度和和减少少黏结结，能能够抑抑制积积屑瘤瘤的产产生或或降低低积屑屑瘤的的高度度。（5））合理调调节各各切削削参数数间的的关系系，防防止形形成中中温区区。（6））对工件件材料料适当当热处处理，，提高高硬度度，降降低塑塑性。。图2.7切削速度对积屑瘤的影响加工条件：加工材料45钢=4.5mm、=0.67mm/r2.1.5已已加工表表面变形形和加工工硬化1.产生生加工硬硬化的原原因任何刀具具的切削削刃口都都不可能能磨得绝绝对锋利利，当在在钝圆弧弧切削刃刃和其邻邻近的狭狭小后面面的切削削、挤压压和摩擦擦作用下下，会使使得已加加工表面面层的金金属晶粒粒产生扭扭曲、挤挤紧和破破碎等严严重的塑塑性变形形，从而而使表面面层硬度度增高，，这种表表面层硬硬度增高高的现象象称为加工工硬化。。金属材料料经硬化化后提高高了屈服服强度，，并在已已加工表表面上出出现显微微裂纹和和残余应应力，降降低了表表面质量量和材料料的疲劳劳强度，，并给下下道工序序带来加加工困难难，增大大刀具的的磨损，，从而使使刀具寿寿命下降降。一般般材料的的塑性越越大，金金属晶格格滑移越越容易，，以及滑滑移面越越多，硬硬化程度度越严重重。2.控制制和减轻轻硬化的的措施（1）磨出锋利利的切削削刃。（2）增大前角角或增大大后角。。（3）减小背吃吃刀量。。（4）适当减小小进给量量。（5）适当降低低工件材材料的塑塑性。（6）合理选用用切削液液。2.1.6影响切削变形的主要因素

1.工件材料——工件材料的强度、硬度越高，刀—屑间的正压力越大，平均正应力增大，切削温度增加，刀—屑间接触长度减小，摩擦系数减小，切削变形减小。

2.前角——刀具前角增大，楔角减小，切削刃钝圆弧半径减小，切削刃锋利，切屑流出时阻力减小，使摩擦系数μ减小，故变形系数减小，切削变形减小。但前角增大，则作用在前刀面的平均法向应力会随之减小，因此，摩擦系数会增大。

3.切削速度——切削速度通过切削温度和积屑瘤影响切削变形，当无积屑瘤时，低速时温度低，不易黏结，摩擦系数μ小，切削变形小；随切速提高，切削温度增加，黏结逐渐严重，摩擦系数μ增大；切速再提高，切削温度使被加工材料的剪切屈服强度降低，剪切应力减小，摩擦系数μ减少，切削变形变小。随着切削速度提高，积屑瘤高度也逐渐增加，刀具工作前角随之增大，因此，减少。当达到中等切速时，积屑瘤高度达最大值，变为最小。切削速度再继续增高时，因切削温度升高，摩擦系数μ减小而使减小。在高速切削时，切削层来不及充分变形已被切离，所以很小。4.进给给量———进给量增增大，切切屑厚度度增加，，前面上上正压力力增大，，平均法法向应力力增大，，故摩擦擦系数μ减小，剪剪切角增增大，因因此切削削变形系系数减小小，切削削变形减减小。2.2切切削力力切削力是是工件材料料抵抗刀刀具切削削所产生生的阻力力。它是是影响工工艺系统统强度、、刚度和和加工工工件质量量的重要要因素。。切削力力是设计计机床、、刀具、、夹具以以及计算算切削动动力消耗耗的主要要依据。。在目前前自动化化生产、、精密加加工中，，常利用用切削力力来检测测和监控控加工表表面质量量、加工工精度和和刀具磨磨损的程程度。2.2.1切削削力的来来源、合合力及其其分力1.切切削力力的来来源在刀具具作用用下，，被切切削层层金属属、切切屑和和工件件已加加工表表面金金属都都在发发生弹弹性变变形和和塑性性变形形，因因而产产生变变形抗切削力来源于两个方面：①切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力；②刀具与切屑及工件表面间的摩擦阻力。

2.切削力的分解如图2.8，在切削时，各种切削力的总和形成作用在刀具上的合力F。为便于测量、计算和应用的需要，常将作用力F分解为三个分力。a）b）图2.8切削时的合力及其分力切向力（主切削力）——在主运动方向上的分力；背向力（径向力或切深抗力）——在垂直于工作表面上的分力；进给力（轴向力力）——在进给运动方向上的分力。合力F、推力与各分力之间关系：

；（2.2）式（2.2）表明，当当时，、，各分力的大小对切削过程产生明显不同的作用。实验可得，当各分力间近似关系为：随着切削条件的不同，三个分力之间的比例可在较大范围内变化，但主切削力的值总是最大。2.2.2分力的作用1.切向力（主切削力）切向力是主运动方向上的切削分力，切于过渡表面并与基面垂直，消耗功率最多。切向力作用在工件上，并通过卡盘传递到机床主轴箱，它是设计机床主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据；由于作用使刀杆弯曲、刀片受压，故用它决定刀杆、刀片尺寸；是设计夹具和选择切削用量的重要依据。

2.背向力（径向力或切深抗力）

背向力是作用在吃刀方向上的切削分力，处于基面内并与工件轴线垂直的力。在纵车外圆时，如果加工工艺系统刚性不足，背向力是影响加工工件精度、引起切削振动的主要原因。不消耗切削功率。

3.轴向力（进给抗力）

轴向力是作用在进给方向上的切削分力，处于基面内并与工件轴线平行的力。轴向力作用在机床进给机构上，它是计算进给机构薄弱环节零件的强度和检验进给机构强度的主要依据。消耗总功率的1％～5％。（2.3））2.2.3切削功率切削过程中消耗的功率称为切削功率，用表示。计算切削功率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（单位为kw）应为：式中：——切削力，单位为N；——主运动的切削速度，单位为m/min。根据式（2.3）求出切削功率值，再按下式计算主电动机的功率（单位为kw）：（2.4）式中：ηm——机床传动效率，一般取ηm=0.80～0.85。式（2.4）是校验和选用机床主电动机功率的计算公式。2.2.4切削力和切削功率的估算1.利用指数公式计算切削力在生产实际中，常采用指数公式计算切削力，该指数公式是通过大量的切削实验，将实验数据通过数学分析或微机处理后建立的，故也称为切削力实验公式。切削力的指数公式为：（2.5）式（2.5）中的系数、指数和修正系数值可查相关的金属切削手册。

2.利用单位切削力和单位切削功率计算

（1）单位切削力——可用单位切削层面积切削力或单位切削层宽度切削力表示。单位切削力（单位为）由下式求得：（2.6）若已知单位切削力，如果给定背吃刀量和进给量值，切削力（单位为N）用下式计算：

单位切切削力力可从从有关关手册册中查查到（（表2.1供参参考））。表2.l常常用用材料料的单单位切切削力力单位切切削力力材料牌号制造、热处理状态硬度HBW（N/mm2）结构钢45（40Cr）热轧或正火187（212）1962调质229（285）2305灰铸铁HT200退火1701118铅黄铜HPb59-1热轧78736硬铝合金2A12淬火及时效107834（2.7）

（2）单位切削功率——是在单位时间内切除单位体积材料所需的切削功率。［单位为kW/（）］计算式为：2.2.5影响切削力的因素切削过程中，影响切削力的因素很多，最主要的因素有切削用量、工件材料和刀具几何参数等三个方面。

1.切削用量的影响当背吃刀量和进给量f增大时，都会使切削力增加，但两者的影响程度是不同的。

其原因是：若f不变，增加一倍，切削厚度不变，切削宽度和切削层横截面积随之增大一倍，使切削变形和摩擦成倍增加，故切削力也约增加一倍；若保持不变，f增加一倍时，使切削厚度和切削层横截面积也都增加一倍，但因进给量f增加使切削变形减小，摩擦面积不成倍增加，切削力只增加约70％～80％。在相同的切削层横截面积下，若切削效率相同时，增大进给量f比增大背吃刀量既省力又节能；若消耗功率相同，则允许选用更大的进给量，可提高生产效率。1.切切削用用量的的影响响切削速速度对对切削削力的的影响响不大大，加加工塑塑性金金属时时，切切削速速度主主要是是由于于积屑屑瘤影影响实实际工工作前前角和和摩擦擦系数数的变变化而而影响响切削削力。。加工工脆性性金属属时变变形和和摩擦擦均较较小，，故切切削速速度对对切削削力影影响不不大。。如果果刀具具材料料和机机床性性能允允许，，采用用高速速切削削，既既能提提高生生产效效率，，又使使得切切削力力减小小。2.工工件材材料的的影响响工件材材料是是通过过材料料的剪剪切屈屈服强强度、、塑塑性变变形程程度与与刀具具间的的摩擦擦等条条件影影响切切削力力的。。通常常工件件材料料的强强度和和硬度度越高高，所所产生生的切切削力力也越越大。。在强强度和和硬度度相近近时，，其塑塑性和和韧性性越高高，切切削力力越大大；加加工硬硬化严严重的的材料料，切切削力力也越越大。。切削削脆性性材料料（如如灰铸铸铁））时，，其切切削力力较小小。3.刀具具几何参参数的影影响刀具前角角增大，，切削变变形系数数减小，，故切削削力明显显减小。。尤其是是加工材材料的韧韧性、延延伸率越越高，增增大前角角使切削削力下降降更为显显著。主主偏角对对三个切切削分力力都有影影响，其其中对的的影响较较大。刀刀尖圆弧弧半径增增大，切切削变形形增大，，使切削削力增大大。4.其它它因素的的影响后面面磨磨损损，，使使刀刀具具与与加加工工表表面面间间摩摩擦擦加加剧剧，，故故切切削削力力增增大大。。切切削削时时浇浇注注合合适适的的切切削削液液，，能能使使刀刀具具、、工工件件与与切切屑屑接接触触面面间间摩摩擦擦减减小小，，因因而而能能显显著著地地减减小小切切削削力力。。不不同同的的刀刀具具材材料料与与工工件件材材料料之之间间的的亲亲合合力力和和摩摩擦擦系系数数不不同同，，因因而而切切削削力力也也不不同同。。在在相相同同的的切切削削条条件件下下，，选选用用陶陶瓷瓷刀刀具具的的切切削削力力最最小小，，硬硬质质合合金金刀刀具具的的切切削削力力次次之之，，高高速速钢钢刀刀具具切切削削力力最最大大。。2.3切切削热与切切削温度在切削过程程中，金属属材料发生生极大的变变形与摩擦擦，变形和和摩擦所消消耗的能量量绝大部分分都转化成成热量（切削热）。。切削热使得得工件和机机床产生热热变形，降降低零件的的加工精度度和表面质质量，还对对刀具磨损损产生决定定性的影响响。2.3.1切削热的的产生与传传散在刀具的切切削作用下下，切削层层金属发生生弹性和塑塑性变形，，切屑与刀刀具前面，，工件与刀刀具后面之之间产生摩摩擦，变形形和摩擦产产生热量（（即产生切切削热的原原因）。切削热向切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）中传散。例如，在干车削钢时，其传热比例为：Q屑=50～86%，Q刀=40～10%，Q工=9～3%，Q介=1%。热量传散的比例与切削速度有关，切削速度增加时，由摩擦而生成的热量增多，但切屑带走热量的比例也增加，传给刀具热量的比例相对减少，传给工件热量的比例更少。高速切削时，切屑的温度很高，而工件和刀具的温度则相对较低，有利于切削加工的顺利进行。热传导效果还与刀具和工件材料的导热系数有关，导热系数高的，热传导效果就好，切削区温度降低就快。采用冷却性能好的水溶剂切削液能有效地降低切削温度。2.3.2切削温度的分布

（1）刀—屑接触面摩擦大，热量不易传散，故产生的温度值最高。

（2）切削区域的最高温度点不在切削刃上，而是在前面上离切削刃有一定距离的地方。由图2.9b表明，离切削刃1mm处的最高温度约为。该处压力高，热量集中。在后面上离切削刃约0.3mm处的最高温度约为。（3）剪切区中，在剪切面上各点的变形功大致相同，故各点处温度值较接近，但垂直剪切面方向的温度梯度很大。

（4）切屑底层上的温度梯度很大。（5）工件材料塑性越大，切削温度分布越均匀；材料脆性越大，最高温度点离刀刃越近。（6）材料导热系数越低，刀具前、后面上的温度越高。

（7）切屑带走热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。工件上最高温度在近切削刃处，它的平均温度较刀具上最高温度点低20～30倍。a）刀具、工件、和切屑中温度分布b）刀具中温度分布图2.9切削温度的分布2.3.3控制切切削温度的的措施1.适当调调整刀具几几何参数在保证刀具具切削刃强强度的前提提下，适当当增大刀具具前角，减减少切削层层金属的塑塑性变形，，以减少切切削热的产产生。主偏偏角减小，，使切削变变形和摩擦擦增加，产产生的切削削热增加，，但减小后后，因刀头头体积增大大，切削宽宽度增大，，故散热条条件改善。。由于散热热起主要作作用，故切切削温度下下降。刀尖尖圆弧半径径增大，刀刀具切削刃刃的平均主主偏角减小小，刀具的的散热条件件变好，切切削温度降降低；选用用负的刃倾倾角和磨制制负倒棱均均能增大散散热面积，，降低切削削温度。2.适当调调整切削用用量在保证切削削效率不降降低的前提提下，为了了降低切削削温度，可可在适当增增大背吃刀刀量和进给给量的同时时，降低切切削速度。。3.选用合合适的切削削液合理使用切切削液对降降低切削温温度、减小小刀具磨损损、提高已已加工表面面质量效果果明显。切切削液的导导热率、比比热容和流流量越大，，浇注方式式越合理，，则切削温温度越低，，冷却效果果越好。除了采取上上述措施外外，还可通通过改善材材料的切削削加工性、、控制刀具具的磨损、、采用斜刃刃切削等措措施来降低低切削温度度。2.4刀刀具磨损与与刀具寿命命2.4.1刀具磨损损刀具在切削削过程中，，高温、高高压和强烈烈摩擦使得得刀具材料料逐渐被磨磨损。刀具具过早磨损损将影响切切削过程和和生产效率率。1.刀具磨磨损的形式式（1）正常常磨损。是指刀具具材料的微微粒被工件件或切屑带带走而产生生的磨损。。1）后面磨磨损。加工表面与与刀具后面面间存在强强烈摩擦，，在后面上上切削刃附附近被磨出出一段后角角为零的小小棱面。2）前面磨磨损。在切削塑性性材料时，，若切削速速度和切削削厚度都较较大，摩擦擦大且温度度和压力都都高，切屑屑在流出过过程中在刀刀具前面上上切削刃附附近摩擦出出一段月牙牙洼形的凹凹坑。3）前、后面同时磨损。在切削塑性材料、切削厚度与前两者比较属居中时，常出现前后面同时磨损的形式，常在主切削刃靠近工件外皮处及副切削刃靠近刀尖处磨出深沟。4）副后面磨损。副切削刃在形成已加工表面过程中，副后面受到摩擦而形成磨损。a）后面磨损b）前面磨损图2.10正常磨损（2）非正正常磨损：主要指脆脆性破损和和塑性破损损。1）塑性变变形。因严重塑性性变形造成成切削刃和和倒角刀尖尖区的塌陷陷。2）崩刃。。在断续、冲冲击切削条条件下，或或用脆性刀刀具材料切切削易引起起切削刃微微粒脱落。。3）剥落。。常因刃磨造造成内应力力、积屑瘤瘤脱落和在在重载切削削时，刀刃刃与刀面出出现大面积积脱落。4）热裂。。由热循环而而致使的材材料疲劳，，或因间断断切削，切切削液浇注注不均匀使使切削温度度急变，在在垂直切削削刃方向上上出现的裂裂纹。造成刀具破破损的原因因：①刀具材料选选择不合理理；②刀具结构、、制造工艺艺不合理；；③刀具几何参参数不合理理；④切削用量选选择不当；；⑤刀具刃磨或或使用操作作不当。2.磨损过过程和磨钝钝标准（常用后面面磨损量来来判别）（1）刀具具的磨损过过程图2.11所示是典典型的硬质质合金车刀刀磨损过程程的磨损曲曲线，由图图可知，磨损分三个个阶段：1）初期磨磨损阶段（（I）。因刀具新刃刃磨的表面面粗糙不平平，残留砂砂轮痕迹，，开始切削削时很快将将刀面上的的刃磨痕迹迹磨去。初初期磨损量量的大小与与刀具的刃刃磨质量直直接相关。。2）正常磨磨损阶段（（Ⅱ）。经期磨损后后，刀面上上的粗糙表表面已被磨磨平，压强强减小，磨磨损比较缓缓慢。随着着切削时间间的延长，，磨损量VB将逐渐渐加大。3）急剧磨磨损阶段（（Ⅲ）。当刀具磨损损达到一定定限度后，，已加工表表面粗糙度度变差，刀刀具切削性性能下降，，切削温度度升高，磨磨损量VB急剧增大大，有时会会产生振动动、噪声等等。如果继继续使用，，则刀具切切削刃产生生损坏而失失去切削能能力。必须提醒：：在到达急剧剧磨损前应应及时磨刀刀或换刀。。图2.11刀具磨损曲线

（2）刀具的磨钝标准刀具磨损值达到一定限度，必须重磨或更换切削刃（可转位刀片），否则，会明显影响加工质量，这个磨损限度即为磨钝标准。加工条件不同，磨钝标准应不同。粗加工时应取大值，工件刚性较好或加工大件时应取大值，反之则取小值。在实际生产产中，常根根据切削时时突然发生生的现象，，如振动产产生、已加加工表面质质量变差、、切屑颜色色改变、切切削噪声明明显增加等等来决定是是否磨刀或或更换刀刃刃；精加工工时常根据据刀具磨损损是否影响响表面粗糙糙度和尺寸寸精度作为为磨损标准准。3.刀具磨磨损的原因因及改善途途径（1）磨料料磨损（又又称机械磨磨损）。在工件材料料中含有氧氧化物、碳碳化物和氮氮化物等硬硬质点，在在铸、锻工工件表面上上存在着硬硬夹杂物和和在切屑、、加工表面面上粘附着着硬的积屑屑瘤残片，，这些硬质质点（磨粒粒）对刀具具表面产生生摩擦和刻刻划作用致致使刀面磨磨损。磨料料磨损是最最主要的磨磨损原因。。（2））黏黏结结磨磨损损（（亦亦称称冷冷焊焊磨磨损损））。。切削削区区存存在在着着高高温温、、高高压压和和强强烈烈摩摩擦擦，，在在切切屑屑、、工工件件与与刀刀面面之之间间的的吸吸附附膜膜被被挤挤破破，，形形成成新新的的表表面面紧紧密密接接触触，，因因而而发发生生黏黏结结（（冷冷焊焊））现现象象。。使使刀刀具具表表面面局局部部强强度度较较低低的的微微粒粒材材料料被被切切屑屑带带走走。。（3））扩扩散散磨磨损损。。在高高温温作作用用下下，，工工件件与与刀刀具具材材料料中中合合金金元元素素相相互互扩扩散散置置换换。。其其结结果果是是改改变变了了原原来来刀刀具具材材料料中中的的化化学学成成分分，，降降低低了了刀刀具具的的切切削削性性能能，，加加快快了了刀刀具具的的磨磨损损。。（4）相变变磨损。在高速钢刀刀具切削时时，当温度度超过其相相变温度（（550～～600o）时，刀具具材料的金金相组织就就会发生转转变，由回回火马氏体体转变为奥奥氏体，使使硬度降低低，出现前前面塌陷或或卷刃等塑塑性破坏而而加快刀具具磨损。硬硬质合金刀刀具在高温温、高压状状态下切削削也会因产产生塑性变变形而失去去切削性能能。（5）化学学磨损（又又称氧化磨磨损）。在一定温度度下，刀具具材料与周周围介质发发生化学反反应，在刀刀具表面形形成一层硬硬度较低的的化合物而而被切屑带带走。硬质质合金刀具具的切削温温度达到700～800℃时时，硬质合合金材料中中C、WC、TiC和Co与与空气中氧氧起化合作作用形成了了硬度和强强度较低的的氧化膜。。在切削时时工件表层层中的氧化化皮、冷硬硬层及其硬硬杂质对氧氧化膜产生生连续摩擦擦的作用，，使刀面上上产生氧化化磨损。有有时刀具材材料被周围围某种介质质腐蚀，也也会造成化化学磨损。。2.4.2刀具寿命命1.刀具寿寿命的概念念刀具寿命是是指一把刃磨好好的新刀从从开始切削削一直到磨磨损量达到到磨钝标准准前所经历历的总的切削时时间（单位为min，用用T来表示示）。对于于可重磨刀刀具，刀具具寿命是指指刀具两次次刃磨之间间的实际切切削时间。。从刀具第一一次投入使使用直至完完全报废所所经历的总总的切削时时间，称为为刀具的总寿寿命。2.影响刀刀具寿命的的因素（1）切削削用量对刀刀具寿命T的影响。对于同一一种材料的的切削加工工，当刀具具的材料和和几何参数数确定之后后，对刀具具寿命影响响最大的是是切削用量量。（2.8））切削用量对刀具寿命的影响可用下列经验公式表述：式中CT——刀具寿命系数，与刀具、工件材料和切削条件有关；——其他因素对刀具寿命的影响系数。、、——刀具寿命指数，分别表示切削用量要素中、f、对刀具寿命的影响程度，一般＞＞。

上述指数、系数值可查阅有关手册。

（2.9））当用YT5硬质合金车刀切削碳素钢（σb=0.637GPa）时，车削用量三要素（、f、）与刀具寿命T之间存在着如下关系：从式（2.9）中切削用量各要素的指数值可以看出，在切削用量三要素中，对刀具寿命影响最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的背吃刀量。

（2）刀具几何参数。合理选择刀具几何参数（如前角、主偏角、副偏角和增大刀尖圆弧半径）能提高刀具寿命。（3））工件件材料料。加工工材料料的强强度、、硬度度越高高、韧韧性越越高、、延伸伸率越越小或或导热热性越越差，，则切切削力力越大大，切切削温温度越越高，，刀具具磨损损越快快，刀刀具寿寿命就就越低低。（4））刀具具材料料。刀具具材料料的抗抗弯强强度和和硬度度越高高，耐耐磨性性和耐耐热性性越好好，则则刀具具抗磨磨损的的能力力就越越强，，耐用用度也也越高高。采采用涂涂层刀刀具材材料和和使用用新型型刀具具材料料，是是提高高刀具具寿命命的有有效途途径。。3.合合理刀刀具寿寿命的的确定定原则则若刀具具寿命命定得得过高高，虽虽可减减少换换刀次次数，，但必必须减减小切切削用用量，，从而而使切切削效效率降降低、、成本本提高高。反反之，，若刀刀具寿寿命定定得过过低，，虽能能提高高切削削用量量，缩缩短切切削时时间，，但势势必会会使刀刀具磨磨损加加快，，增加加换刀刀和磨磨刀次次数与与时间间，同同样也也会降降低切切削效效率，，增加加成本本。3.合合理刀刀具寿寿命的的确定定原则则在生产产中是是根据据切削削条件件和技技术要要求首首先确确定一一个合合理的的刀具具寿命命T值值，然然后以以它为为依据据选择择切削削速度度，并并计算算切削削效率率和核核算生生产成成本。。通常选选择刀刀具合合理寿寿命的的方法法有：：最高生生产率率寿命命和最低低生产产成本本寿命命。。（1））最高高生产产率寿寿命——是是根据据切削削一个个零件件所花花费的的时间间最少少或在在单位位时间间内加加工出出的零零件最最多来来确定定的。。（2））最低低生产产成本本寿命命——是是根据据加工工零件件的一一道工工序成成本最最低来来确定定的。。图2.12生产率、工序成本与刀具寿命的关系曲线由于要高于，故生产中常采用最低生产成本寿命，只有当生产紧急需要时才采用最高生产率寿命。制订刀具具寿命值值遵循的的一般原原则：1）简单刀具具制造成成本低，，它的寿寿命可规规定低些些；2）可转位刀刀具的切切削刃转转位迅速速、更换换刀片简简便、故故刀具寿寿命可规规定低些些；3）精加工刀刀具的寿寿命应制制订得较较高些；；4）自动线刀刀具、数数控刀具具应制订订较高刀刀具寿命命。（2.10）

4.刀具寿命允许切削速度的计算由式（2.8）和式（2.9）可知，切削用量三要素对刀具寿命的影响是不一样的，的影响最大，其次是f，的影响最小。故实际生产中，为了提高劳动生产率，一般应首先考虑选取一个较大的背吃刀量，然后再选取一个尽可能大的进给量f，最后再根据已确定的刀具寿命的合理数值T来计算切削速度，这个切削速度就是刀具寿命所允许的切削速度（单位为m／min）。将式（2.9）可改写为：式中的系数、指数可查相关手册。2.5切切削液液及其选选用2.5.1切削削液的作作用1.冷却却作用———利用切削削液的热热传导、、对流和和汽化作作用，带带走热量量，降低低切削温温度和减减小热变变形和刀刀具磨损损。2.润滑滑作用———切削液渗渗透到刀刀具、切切屑与加加工表面面之间，，形成物物理性和和化学性性吸附膜膜，从而而减小切切屑、工工件与刀刀面间的的摩擦，，减少粘粘结和磨磨损，提提高已加加工质量量。3.排排屑屑和和洗洗涤涤作作用用————在切切削削中中，，为为了了防防止止碎碎屑屑、、铁铁锈锈及及磨磨料料细细粉粉粘粘附附在在工工件件、、刀刀具具和和机机床床上上，，影影响响工工件件加加工工质质量量和和机机床床精精度度，，切切削削液液应应有有良良好好的的冲冲刷刷和和清清洗洗作作用用。。2.5切切削削液液及及其其选选用用2.5.1切削液的的作用4.防锈作作用——为了防止工工件、机床床受周围介介质腐蚀，，要求切削削液具有一一定的防锈锈作用。在在切削液中中加入防锈锈添加剂，，使其与金金属表面起起化学反应应生成保护护膜，防止止与腐蚀介介质接触而而起到防锈锈和防蚀作作用。除此之外，，还应具有有抗泡性、、抗变质能能力，排放放时无污染染、对人体体无害和使使用经济性性等要求。。2.5.2切削液的的种类及其其选用生产中常用用的切削液液有：以冷冷却为主的的水溶性切切削液和以以润滑为主主的油溶性性切削液。。2.5.2切削液的的种类及其其选用1.水溶性性切削液（（分为：水溶溶液，乳化化液和合成成切削液））（1）水溶溶液——以水为为主要成分分，在软水水中加入防防锈剂、防防霉剂，有有的还加入入油性添加加剂、表面面活性剂和和添加极压压抗磨剂等等，以改善善其润滑和和防锈性能能以及增加加润滑膜的的强度。水水溶液常用用于粗加工工和普通磨磨削加工中中。（2）乳化化液——水和乳乳化油经搅搅拌后形成成的乳白色色液体。乳乳化油是一一种由矿物物油、表面面活性乳化化剂配制而而成的油膏膏。表面活活性乳化剂剂的分子是是由极性集集团和非极极性集团两两部分组成成，分子上上带极性的的一头与水水亲合，不不带极性的的一头与油油亲合，它它能使水和和油均匀混混合，有时时再添加一一定量的乳乳化稳定剂剂，就能更更好地使乳乳化液中的的油、水不不分离。乳化液的冷却、润滑性能较好，成本也较低，废液处理较容易，故用途很广。低浓度的乳化液以冷却作用为主，用于粗加工和普通磨削加工中；高浓度乳化液以润滑作用为主，用于精加工和复杂刀具加工中。乳化液的缺点是稳定性差，夏天易腐败变质。表2.2乳化液的选用（3）合成切削液——由水、各种表面活性剂和化学添加剂组成。具有良好的冷却、润滑、清洗和防锈性能，还有热稳定性好和使用周期长等特点。合成切削液中不含油，可节省能源，利于环保，国内外使用率日益增多。2.油溶性性切削液（（主要有：切削油和极压切削油油）（1）切削削油。切削油中中有矿物油油、动植物物油和复合合油（矿物物油与动植植物油的混混合油），，其中常用用的是矿物物油。矿物物油包括机机械油、轻轻柴油和煤煤油等。轻柴油的特特点：热稳定性好好，资源丰丰富，价格格便宜，但但润滑性较较差，它主主要用于切切削速度较较低的精加加工、有色色金属加工工和易切钢钢的加工；；机械械油油的的特特点点：：润滑滑作作用用较较好好，，广广泛泛用用于于普普通通精精车车、、螺螺纹纹精精加加工工中中；；煤油油的的特特点点：：渗透透和和冲冲洗洗作作用用均均较较突突出出，，故故在在精精加加工工铝铝合合金金、、精精刨刨铸铸铁铁和和用用高高速速钢钢铰铰刀刀铰铰孔孔中中，，均均能能减减小小加加工工表表面面粗粗糙糙度度和和提提高高刀刀具具寿寿命命。。（2））极极压压切切削削油油———在在矿矿物物油油中中添添加加一一定定量量的的油油性性添添加加剂剂、、极极压压添添加加剂剂（（氯氯、、硫硫、、磷磷等等））和和放放锈锈添添加加剂剂等等配配制制而而成成。。它在高高温下下不破破坏润润滑膜膜，高高浓度度乳化化液起起润滑滑作用用为主主，具具有良良好的的润滑滑效果果，被被广泛泛适用用于精精加工工和加加工形形状复复杂的的工件件（如如成形形面、、齿轮轮、螺螺纹等等），，其润润滑和和放锈锈效果果较好好。①氯化切切削油油熔点点高，，摩擦擦系数数小，，润滑滑性能能好，，适用用于切切削合合金钢钢、高高锰钢钢及其其它难难加工工材料料；②硫化切切削油油是熔熔点更更高，，适用用于对对低、、中碳碳钢、、40Cr钢和和20CrMnTi等材材料的的钻、、铰、、铣以以及齿齿轮加加工，，均可可获得得很小小的加加工表表面粗粗糙度度，并并提高高刀具具寿命命。3.固体润滑剂固体润滑剂中使用最多的是二硫化钼（）。由形成的润滑膜具有极低的摩擦系数（0.05～0.09），高的熔点（1185℃），因此，高温不易改变它的润滑性能，具有很高的抗压性能（3.1GPa）和牢固的附着能力。切削时可将其涂刷在刀面和工作表面上，也可添加在切削油中。采用能防止黏结和抑制积屑瘤的形成，减小切削力，能显著地延长刀具寿命和减小加工表面粗糙度。生产实际表明，将它用于车、钻、铰孔、深孔加工、攻螺纹、拉、铣等加工中，均能获得良好的效果。2.5.3切削削液的的使用用方法法1.浇浇注法法———将充足足大流流量的的低压压切削削液浇浇注在在切削削区（（常用用），，但切切削液液难直直接渗渗入高高温区区，影影响切切削液液效果果。2.喷喷雾法法———将切削削液以以高压压、高高速、、雾化化状态态喷至至切削削区。。高速速气流流带着着雾化化成微微小液液滴的的切削削液渗渗透到到切削削区，，在高高温下下迅速速汽化化，吸吸收大大量切切削热热，取取得良良好效效果。。3.内内冷却却法———切削液液通过过刀体体内部部以较较高的的压力力和较较大流流量喷喷向切切削区区，将将切削削冲刷刷出来来，同同时带带走大大量的的热量量，可可大大大提高高刀具具耐用用度、、生产产效率率和加加工质质量。。深孔孔钻、、套料料钻等等加工工就是是采用用这种种冷却却方法法。2.6刀刀具具几几何何参参数数的的合合理理选选择择刀具具合合理理几几何何参参数数是指指在在保保证证加加工工质质量量的的前前提提下下，，能能够够获获得得最最高高的的刀刀具具寿寿命命，，从从而而达达到到提提高高生生产产效效率率、、降降低低生生产产成成本本的的刀刀具具几几何何参参数数。。2.6.1前前角角和和前前面面型型式式的的选选择择1.前角角的选择择——增大前角角，切削削刃锋利利，切削削变形减减小、切切削力减减小、切切削轻快快、切削削温度降降低、刀刀具磨损损减小、、加工表表面质量量提高。。但若前前角过大大，刀具具切削部部分和切切削刃的的刚度和和强度降降低，散散热条件件变差，，切削温温度高，，刀具易易磨损或或破损，，刀具寿寿命低。。因此，，前角应应有一个个最佳数数值。选择前前角的的原则则是，，在达到到刀具具寿命命要求求的前前提下下，应应选取取较大大的前前角。。

2.前面型式的选择

（1）正前角平面型（图2.13a）

特点：刀刃锋利，但刀尖强度较低、散热能力较差。多用于加工易切削材料的精加工刀具和复杂刀具，例如车刀、铣刀、螺纹车刀和切齿刀具等。图2.13前面型式a）正前角平面型b）正前角带倒棱型c）负前角型d）曲面型（2）正前前角带倒棱棱型（图2.13b）特点：可提高刀具具刃口强度度、改善散散热条件、、增强刀具具耐用度。。多用于粗粗加工或断断续切削。。（3）负前前角型（图图2.13c）特点：增加了刀片片重磨次数数，切削刃刃强度高，，散热体积积大，作用用在刀片上上的切削力力由受弯改改变为受压压，改善了了受力条件件。但产生生的切削力力大，易引引起振动。。对于硬质质合金刀具具，可采用用负前角。。（4）曲面面型（图2.13d）特点：有利于排屑屑、卷屑和和断屑。因因可增大前前角，故切切削变形小小，切削力力较小。多多用于粗加加工和半精精加工。2.6.2后角的选择增大后角，可减少后面与切削表面间的摩擦，提高刀具耐用度，减小切削刃钝圆弧半径，刀刃变得锋利，可提高加工表面质量。但后角过大，会使得刀具强度降低，散热条件变差，刀具磨损加剧。另外，在相同磨损标准VB条件下，大的后角经重磨后，使加工直径变化量大，从而影响加工精度。2.6.3副后角的选择其作用是减少副后面与已加工表面之间的摩擦，选择原则与主后角基本相同。为便于制造，一般对车刀、面铣刀等选取＝。有些刀具，例如切断刀、切槽刀、三面刃铣刀等，为增加刀齿强度并且使得刀具重磨后刀齿厚度变化较小，常选用很小的负后角。2.6.4主偏角的选择减小主偏角，刀具切削部分的体积增大，刀具强度提高、散热条件变好，刀具耐用度增强，特别是能够减小残留面积高度，降低了已加工表面粗糙度。主偏角增大，使得背向力减小，此外，增大，切削宽度减小，有利于断屑。主偏角还影响背向力和进给分力的分配，从而对工艺系统的刚性和振动产生影响。2.6.5副偏角的选择刀具副偏角主要影响表面粗糙度，也影响刀具强度。过小的副偏角，会增加副后面与已加工表面间的摩擦，引起振动。副偏角的选择原则是，在不产生摩擦和振动的条件下，应尽可能选取较小的副偏角。2.6.6倒角刀尖和修圆刀尖图2.14中的刀尖形式，均能提高刀尖处强度，增大散热面积，减小表面粗糙度，但会不同程度地增大背向力，选择时，要考虑加工工艺系统刚性是否足够。a）b）c）图2.14刀尖形式a）倒角刀尖b）修圆刀尖c）修光刀刃2.6.7刃倾角的选择

合理选择刃倾角有多方面作用：能够控制切屑流向和影响切削分力的分配；刃倾角的绝对值变大，可增加实际工作前角和减小法平面中钝圆半径，刀具具有斜角切削的特点，从而使刀刃变得锋利，同时增加了刀刃的工作长度，单位长度切削刃上的负荷减小，减小切削力，提高加工表面质量和刀具的耐用度。选用负刃倾角，可提高刀具强度，改变刀刃受力的位置和受力方向，使切削过程比较平稳，提高刀刃抗冲击能力。但过大的负刃倾角，使背向力增大。生产中常在选用较大前角时，同时选取负刃倾角，以解决“锋利与强固”难以并存的矛盾。2.7切切削用量的的合理选择择合理的切削削