第三章 切削与磨削原理

第三章切削与磨削原理1第1页，课件共106页，创作于2023年2月第3章切削原理CuttingTheory机械制造工程学

3.1

切削过程CuttingProcess2第2页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.1切屑的形成过程

直角切削没有副刃参加切削，且λs

=0°。图3-1直角、斜角自由切削与不自由切削a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削3第3页，课件共106页，创作于2023年2月

切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。FABOM45°a）正挤压FABOM45°b）偏挤压OMFc）切削正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45°偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形，沿OM线滑移→剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度→切屑与母体脱离。图3-2金属挤压与切削比较3.1.1切屑的形成过程

挤压与切削4第4页，课件共106页，创作于2023年2月图3-3切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角3.1.1切屑的形成过程

金属切削变形过程5第5页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.1切屑的形成过程

金属切削变形过程图3-4切削变形实验设备与录像装置6第6页，课件共106页，创作于2023年2月

第Ⅰ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3-5切削部位三个变形区ⅠⅢⅡ

第Ⅲ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。3.1.1切屑的形成过程

三个变形区分析

第Ⅱ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。7第7页，课件共106页，创作于2023年2月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。LchhDhch3.1.2切屑变形程度的表示方法

LD图3-6切屑与切削层尺寸◆厚度变形系数（3-1）◆长度变形系数（3-2）变形系数8第8页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.2切屑变形程度的表示方法当γ0=0～30°，Λh

≥1.5时，Λh与ε相近ε主要反映第Ⅰ变形区的变形，Λh还包含了第Ⅱ变形区的影响。ΔyΔsOMφγ0图3-7相对滑移系数（3-3）相对滑移系数9第9页，课件共106页，创作于2023年2月

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。3.1.3前刀面上切－屑的摩擦与积屑瘤

图3-8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特点两个摩擦区10第10页，课件共106页，创作于2023年2月积屑瘤

积屑瘤成因◆

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◆

增大前角，保护刀刃◆

影响加工精度和表面粗糙度滞留—粘接—长大积屑瘤形成过程积屑瘤影响切屑刀具图3-9积屑瘤积屑瘤RealReal11第11页，课件共106页，创作于2023年2月已加工表面的变形

σn切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第Ⅲ变形区。A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。hDΔhDΔhACFE图3-10已加工表面变形A点前方正应力最大，剪应力为0。A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。变形原因变形情况应力分布ττ12第12页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.4影响切削变形的因素切削速度进给量：进给量f越大，hD增大，摩擦系数减小，剪切角φ加大，变形系数Λh越小。

背吃刀量：背吃刀量ap对变形系数Λh基本无影响。工件材料刀具几何参数切削用量（无积屑瘤的情况、有积屑瘤的情况）材料强度和硬度越大，变形系数

h越小，即切屑变形越小。影响最大的是前角。刀具前角γo越大，剪切角φ变大，变形系数

h就越小13第13页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.5切屑类型及切屑控制

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屑崩碎切屑表3-1切屑类型及形成条件14第14页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.5切屑类型及切屑控制切屑类型带状切屑Real粒状切屑Real节状切屑Real崩碎切屑Real图3-11切屑形态照片15第15页，课件共106页，创作于2023年2月3.1.5切屑类型及切屑控制切屑控制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。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3-12）图3-12切屑的卷曲图3-13断屑的产生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3-13）

16第16页，课件共106页，创作于2023年2月

3.1.6硬脆非金属材料切屑形成机理G＞GC

（3-4）式中G——裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能释放率）；

GC

——裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩展阻力）。K1＞K1C

（3-5）式中K1——应力强度因子；

K1C

——K1临界值。脆性断裂条件对于Ⅰ型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：17第17页，课件共106页，创作于2023年2月

3.1.5硬脆非金属材料切屑形成机理脆性材料切削过程◆大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-14）a）b）c）d）e）图3-14硬脆材料切削过程a）大规模挤裂（大块破碎切除）b）空切c）小规模挤裂（小块破碎切除）d）小规模挤裂（次小块破碎切除）e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）flashflash18第18页，课件共106页，创作于2023年2月3.2

切削力CuttingForce19第19页，课件共106页，创作于2023年2月κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv图3-15切削力的分解3.2.1切削力的来源与分解

切削力来源★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F切削合力Fc切削力Fp背向力Ff进给力切削力分解20第20页，课件共106页，创作于2023年2月3.2.2切削力经验公式

切削力经验公式（3-6）式中CFc,CFp,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；

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。21第21页，课件共106页，创作于2023年2月3.2.2切削力经验公式

（3-7）单位切削力

切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc

=1）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主运动速度（m/s）。（3-8）切削功率22第22页，课件共106页，创作于2023年2月3.2.2切削力经验公式

机床电机功率单位切削功率式中η

——机床传动效率，通常η=0.75～0.85（3-10）（3-9）指单位时间切除单位体积V0材料所消耗的功率23第23页，课件共106页，创作于2023年2月3.2.3影响切削力因素

工件材料◆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响复杂（图3-16）

强度高加工硬化倾向大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）图3-16切削速度对切削力的影响切削用量24第24页，课件共106页，创作于2023年2月4.2.3影响切削力因素

◆

前角γ0

增大，切削力减小（图3-17）◆

主偏角κr

对主切削力影响不大，对背向力和进给力影响显著（κr

↑——Fp↓，Ff↑，图3-18）图3-17前角对γ0切削力的影响前角γ0切削力Fγ0-Fcγ0–Fpγ0–Ff图3-18主偏角κr对切削力的影响主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fcκr

–Ffκr

–Fp2006001000140018002200刀具几何角度影响25第25页，课件共106页，创作于2023年2月4.2.3影响切削力因素

刀具几何角度影响◆与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（λs

↑——Fp↓，Ff↑）◆

刀尖圆弧半径rε

对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（rε

↑——Fp↑，Ff↓）；其他因素影响◆

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；26第26页，课件共106页，创作于2023年2月3.3

切削热与切削温度CuttingHeatandCuttingTemperature27第27页，课件共106页，创作于2023年2月3.3.1切削热的来源与传出

切削热来源★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3-19切削热的来源与传出切削热传出★主要来源QA=QD+QFF+QFR（3-12）（3-11）式中，QD

,QFF,QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量28第28页，课件共106页，创作于2023年2月3.3.2切削温度及分布

TJUniversity切削温度分布★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3-20二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611

C29第29页，课件共106页，创作于2023年2月3.3.3影响切削温度的因素

切削用量的影响式中θ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(

C)；

Cθ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指数。

经验公式（3-12）刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10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3-2切削温度的系数及指数30第30页，课件共106页，创作于2023年2月3.3.3影响切削温度的因素

刀具几何参数的影响前角

o↑→切削温度↓主偏角

r↓→切削温度↓负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小

工件材料的影响工件材料机械性能↑→切削温度↑工件材料导热性↑→切削温度↓vc（m/min）图3-21切削速度、工件材料对切削温度的影响1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45钢(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：

o=15

，

o=6~8

，

r=75

，

1=-10

，

s=0

，b

=0.1mm，r

=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/rθ（℃）103050709011013040060080010001243

刀具磨损的影响

冷却液的影响31第31页，课件共106页，创作于2023年2月3.3.3切削温度的测量

自然热电偶法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（图3-22）。mV图3-22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。人工热电偶法红外测温法32第32页，课件共106页，创作于2023年2月3.4

刀具磨损、破损与使用寿命CutterWearandIt’sLife33第33页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.1刀具的磨损刀具磨损形态◆正常磨损前刀面磨损形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量后刀面磨损形式：后角=0的磨损面（参数——VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料,v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VBVBmaxa)

KTKBb)图3-25刀具磨损形态前、后刀面磨损34第34页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.1刀具的磨损◆非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）图3-26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（图3-26）常取后刀面最大允许磨损量VB磨钝标准35第35页，课件共106页，创作于2023年2月◆磨粒磨损——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，在切削刃工作边界发生3.4.1刀具磨损

刀具磨损原因36第36页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.2刀具寿命

刀具寿命（耐用度）概念◆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。（3-14）式中CT、m、n、p为与工件、刀具材料等有关的常数。（3-15）可见v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（σb=0.763GPa）时，有：刀具寿命（耐用度）经验公式37第37页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.2刀具寿命

图3-27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）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料寿命（耐用度）比较38第38页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.3刀具寿命确定

式中to、tm

、ta

、tc分别为工序时间、基本时间、辅助时间和换刀时间；T为刀具寿命。令f，ap为常数，有：使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间：将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到最大生产率刀具寿命为：（3-16）（3-17）又：最大生产率寿命39第39页，课件共106页，创作于2023年2月（3-18）式中C0——工序成本；

Cm

——机时费；

Ct——刀具费用；

tm，ta，tc，T——含义同前。使工序成本最小的刀具寿命。仍以车削为例，工序成本为：（3-19）仍令f，ap为常数，采用相同方法，可得到经济寿命为（图3-28）tmCm刀具费用taCmC0刀具耐用度Top成本图3-28经济寿命经济寿命3.4.3刀具寿命确定

40第40页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.4刀具破损烧刃（相变磨损）

卷刃折断工具钢和高速钢刀具的破损形式崩刃折断剥落热裂硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具的破损形式41第41页，课件共106页，创作于2023年2月规定刀具切削时间，离线检测常规方法3.4.5刀具磨损、破损检测与监控

通过切削力（切削功率）变化幅值，判断刀具的磨损程度；当切削力突然增大或突然下降很大幅值时，则表明刀具发生了破损通过实验确定刀具磨损与破损的“阈值”切削力与切削功率检测方法切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍声发射检测方法42第42页，课件共106页，创作于2023年2月3.4.5刀具磨损、破损检测与监控

钻头破损检测器图3-29声发射钻头破损检测装置系统图交换机床控制器工件折断工作台声发射传感器破损信号flash43第43页，课件共106页，创作于2023年2月3.5

金属切削条件的合理选择DeterminetheCuttingParameters44第44页，课件共106页，创作于2023年2月3.5.1工件材料的切削加工性

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。材料切削加工性的概念考虑生产率和耐用度的表示方法1）一定生产率条件下，加工这种材料时刀具耐用度；2）一定刀具耐用度前提下，加工这种材料所允许的切削速度；3）相同的切削条件下，刀具达到磨钝标准时所能切除工件材料的体积。考虑已加工表面质量的表示方法考虑切削力或切削功率的表示方法考虑是否易于断屑的表示方法材料切削加工性的不同表示方法45第45页，课件共106页，创作于2023年2月材料切削加工性的概念材料切削加工性指标通常用vT表示，vT是指耐用度为T秒（或分）时，切削某种材料所允许的切削速度。vT越高，表示材料的切削加工性越好。通常取T＝3600秒（60分），vT写作v3600（v60）；对于一些特别难加工的材料，也可取T＝1800秒（30分），vT写作v1800（v30）。如果以45钢的v3600（v60）作为基准，写作（v3600）j

；而把其它各种材料的v3600（v60）同它相比，这个比值Kr称为材料的相对加工性。即：（3-20）3.5.1工件材料的切削加工性

46第46页，课件共106页，创作于2023年2月加工性等级表3-12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2.5～3退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa自动机钢，σb＝0.393～0.491GPa3较易切削钢1.6～2.5正火30钢，σb＝0.441～0.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.0～1.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.65～1.02Crl3，调质σb＝0.834GPa85，钢σb＝0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.5～0.6545Cr，调质σb＝1.03GPa65Mn，调质σb＝0.932～0.9817难切削材料0.15～0.550CrV,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3.5.1工件材料的切削加工性

47第47页，课件共106页，创作于2023年2月3.5.1工件材料的切削加工性

工件材料韧性对切削加工性的影响材料力学性能对切削加工性的影响◆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削加工性的影响：加工硬化性越严重，切削加工性越差。48第48页，课件共106页，创作于2023年2月材料性能对切削加工性影响工件材料韧性对切削加工性的影响强度越高的材料，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材料塑性大，切削加工性差：①切削力大；②刀具容易产生粘结和扩散磨损；③低速切削时易出现刀瘤与鳞刺；④断屑困难。但材料塑性太小时，切屑与前刀面的接触变得很短，切削力、切削热集中在切削刃附近，使刀具磨损严重，故切削性也差。49第49页，课件共106页，创作于2023年2月工件材料韧性对切削加工性的影响◆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3-30碳钢硬度与可切削性的关系0100200300400500255075可切削性布氏硬度（HB）材料性能对切削加工性影响

50第50页，课件共106页，创作于2023年2月工件材料韧性对切削加工性的影响材料物理化学性能对切削加工性的影响如镁合金易燃烧，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导热系数低，切削温度高，刀具易磨损，切削加工性差。金属材料导热系数大小顺序：纯金属、有色金属、碳结构钢、铸铁、低合金结构钢、合金结构钢、工具钢、耐热钢、不锈钢。◆工件材料物理化学反应的影响材料性能对切削加工性影响51第51页，课件共106页，创作于2023年2月常用金属材料的切削加工性表3-13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HB≤50＞50～100＞100～150＞150～200＞200～250＞250～300＞300～350＞350～400＞400～480＞480～635＞635

HRC

＞14～24.8＞24.8～32.3＞32.3～38.1＞38.1～43＞43～50＞50～60＞60

抗拉强度Σb（GPa）≤0.196＞0.196～0.441＞0.441～0.588＞0.588～0.784＞0.784～0.98＞0.98～1.176＞1.176～1.372＞1.372～l.568＞1.658～1.764＞1.764～1.96＞1.96～2.45＞2.45延伸率δ(％)≤10＞10～15＞15～20＞20～25＞25～30＞30～35＞35～40＞40～50＞50～60＞60～100＞100

冲击值αk(kJ/m2)≤196＞196～392＞392～588＞588～784＞784～980＞980～1372＞1372～1764＞1764～1962＞1962～2450＞2450～2940＞2940～3920

导热系数k(W/m·K)418.68～293.08＜293.08～167.47＜167.47～83.74＜83.47～62.80＜62.80～41.87＜41.87～33.5＜33.5～25.12＜25.12～16.75＜16.75～8.37＜8.37

52第52页，课件共106页，创作于2023年2月常用金属材料的切削加工性◆有色金属有色金属（如铝及铝合金，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。，常用金属材料的切削加工性53第53页，课件共106页，创作于2023年2月常用金属材料的切削加工性◆碳素钢普通碳素钢的切削加工性主要取决于钢中碳的含量。低碳钢硬度低、塑性和韧性高，切削变形大，切削温度高，断屑困难，故加工性较差。高碳钢的硬度高、塑性低、导热性差，故切削力大，切削温度高，刀具耐用度低，加工性也差。相对而言，中碳钢的切削加工性较好。，在碳素钢中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使钢的机械性能提高，但加工性也随着变差。◆合金工具钢常用金属材料的切削加工性54第54页，课件共106页，创作于2023年2月难切削材料，表3-14难切削金属材料的切削加工性比较（恶化顺序1→2→3→4）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1～23～42～341～31～22～3122～322高温强度11221l～2112～3332微观硬质点1～212～3111112～3321与刀具亲和性111112222334导热性422233223～43～444加工硬化性4221232133～432粘附件21111～231133～421相对切削加工性0.2～0.40.2～0.50.2～0.450.1～0.250.3～0.40.5～0.60.5～0.70.6～0.80.15～0.30.8～0.20.05～0.150.25～0.3855第55页，课件共106页，创作于2023年2月刀具几何参数◆刀具角度参数，

各参数之间存在着相互依赖、相互制约的作用，因此应综合考虑各种参数以便进行合理的选择。◆刀具刃型尺寸参数3.5.2刀具几何参数的合理选择56第56页，课件共106页，创作于2023年2月前角的选择

增大前角，可减少切削变形，从而减少切削力、切削热和切削功率，提高刀具的使用寿命。

但增大前角，会使切削刃强度降低，容易造成崩刃，另一方面使散热情况变坏，致使切削温度增高，刀具使用寿命下降。

因此，在一定切削条件下，存在一个合理前角γopt。

57第57页，课件共106页，创作于2023年2月选择合理刀具前角可遵循下面几条原则

前角的选择

根据工件材料的种类和性质选择前角

加工塑性材料(如钢)，应选较大的前角；加工脆性材料(如铸铁)，应选较小前角。工件材料的强度和硬度大时，切削力大，温度较高，宜选较小前角；反之，强度和硬度小时，选较大前角。

根据刀具材料的种类和性质选择前角

刀具材料的强度及韧性较高时(如高速钢)，可选较大前角；反之，强度及韧性较低(如硬质合金﹑陶瓷)时，可选较小前角。

选择前角还要考虑一些具体加工条件

1）粗加工，特别是断续切削，有冲击载荷时，为增强刀具强度，宜选较小前角。

2）精加工或工艺系统刚性差，机床动力不足，应选较大前角。

成形刀具，数控机床和自动线刀具，为增加工作稳定性和刀具使用寿命应选较小前角

58第58页，课件共106页，创作于2023年2月对于后角的合理选择，一般应遵循下列几条原则

后角的选择

当需要提高刀具强度时，应适当减少后角。如刀具前角采用了较大负前角时，不宜减少后角，以保证切削刃具有良好的切人条件。当需优先考虑加工尺寸要求时，宜减少后角，以减小NB值。如需优先考虑加工表面质量(如表面残余应力、表面粗糙度等)要求时，则宜加大后角，以减轻刀具与工件之间的摩擦

59第59页，课件共106页，创作于2023年2月合理选择主偏角的原则

主偏角的选择

主要看工艺系统的刚性如何。系统刚性好，不易产生变形和振动，则主偏角可取小值；若系统刚性差（如切削细长轴），则宜取大值。60第60页，课件共106页，创作于2023年2月副偏角越小，切削刃痕的理论残留面积的高度也越小，可以有效地减少已加工表面的粗糙度。同时，还加强了刀尖强度，改善了散热条件。副偏角的选择

但副偏角过小会增加副切削刃的工作长度，增大副后刀面与已加工表面的摩擦，易引起系统振动，反而增大表面粗糙度。61第61页，课件共106页，创作于2023年2月影响切削刃的锋利性

刃倾角的选择影响切屑流出方向但副偏角影响切削力的大小和方向影响刀头强度和散热条件负值时，切屑流向已加工表面，易划伤已加工表面；正值时，切屑流向待加工表面。62第62页，课件共106页，创作于2023年2月根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本的高低来选择。影响切削刃的锋利性

3.5.3刀具使用寿命的选择精加工大型工件时，为避免切削同一表面时中途换刀，刀具使用寿命应规定至少能完成一次走刀。

多刀机床上的车刀、组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及数控机床上的刀具，刀具使用寿命应选得高些。

63第63页，课件共106页，创作于2023年2月3.5.4切削用量的选择

1.确定切削深度ap尽可能一次切除全部余量，余量过大时可分2次走刀，第一次走刀的切削深度取单边余量的2/3～3/4。2.确定进给量

f◆

粗切时根据工艺系统强度和刚度条件确定（计算或查表）◆

精切时根据加工表面粗糙度要求确定（计算或查表）3.确定切削速度

v根据规定的刀具耐用度确定切削速度v（计算或查表）4.校验机床功率(仅对粗加工)

（3-20）式中P——机床电机功率（KW）；

η——机床传动效率；

Fc

——主切削力（N）。由：，可导出：64第64页，课件共106页，创作于2023年2月切削用量的选择原则

在保证加工质量，降低成本和提高生产效率的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。当ap、f、vc的乘积最大时，工序的切削时间最短。

应尽可能选择较大的ap，其次按工艺装备与技术条件的允许选择最大的f，最后再根据刀具使用寿命确定vc，这样可在保证一定刀具使用寿命的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。

65第65页，课件共106页，创作于2023年2月优化问题的数学模型求设计变量：X=[x1,x2,…,xn

]T，使目标函数f(X)→min，并满足约束条件：gi(X)≤0（i=1,2,…,m）切削用量的优化

◆设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取v和f为设计变量。◆目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。（3-21）1）以最大生产率为优化目标——使工序时间为最短切削用量优化模型66第66页，课件共106页，创作于2023年2月（3-22）（3-23）2）以最小生产成本为优化目标——使工序成本为最小3）以最大利润为优化目标——使单位成本金属去除率最大切削用量的优化

67第67页，课件共106页，创作于2023年2月◆约束条件：指设计变量的取值范围（3-24）1）机床结构参数限制2）加工表面粗糙度限制（3-25）式中Ra

——表面粗糙度（μm）；

rε——刀尖圆弧半径（mm）。3）机床功率的限制（3-26）式中各符号含义同前。切削用量的优化

68第68页，课件共106页，创作于2023年2月切削用量优化方法

即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。（3-27）可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：式中Ra——惩罚函数；

rε——原目标函数；

Mp——惩罚因子（一个很大的数）；——惩罚项；间接法（解析法）直接法（数值法或搜索法）69第69页，课件共106页，创作于2023年2月◆

寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）fv0图3-30田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxP＜Pmax约束边界Pop可行域等值线Pcop切削用量优化方法

70第70页，课件共106页，创作于2023年2月切削液主要用来降低切削温度和减少切削过程的摩擦。合理选用切削液对减轻刀具磨损、提高加工表面质量及加工精度起着重要的作用。3.5.5切削液的合理使用选择切削液应综合考虑工件材料、刀具材料、加工方法、加工要求各方面。

71第71页，课件共106页，创作于2023年2月3.6

磨削原理GrindingTheory72第72页，课件共106页，创作于2023年2月

3.6.1磨削过程切屑形成机理磨屑形成过程★弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件★塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生★切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有图3-14磨屑形成过程a）平面示意图b）截面示意图73第73页，课件共106页，创作于2023年2月

3.6.1磨削过程切屑形成机理★磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为－60～－85°）★磨粒及切削刃随机分布★磨削厚度小（＜几μm），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000℃以上）磨削特点74第74页，课件共106页，创作于2023年2月3.6.2磨削力及磨削功率磨削力磨削功率★单位切削力值很大——远高于切削加工的单位切削力。★

三项分力中径向力最大★磨削力随不同的磨削阶段而变化★构成——摩擦达70-80％75第75页，课件共106页，创作于2023年2月3.6.3磨削热与磨削温度磨削热★磨削区温度——砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。★

磨粒磨削点温度——磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。★工件平均温度——磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的10～30倍，砂轮线速度高，且为非良导热体——磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000℃以上。磨削温度76第76页，课件共106页，创作于2023年2月3.6.4砂轮磨损与修正砂轮磨损的形式★初期磨损★初期磨损★初期磨损★磨耗磨损——磨粒何工件之间的摩擦引起砂轮的磨损过程★破损磨损——磨粒的破碎或结合剂的破碎砂轮修正的目的去除外层以钝化的磨粒或去处以被磨屑堵塞的一层磨粒，使新的磨粒显露出来，并使砂轮具有足够数量的有效切削力，从而保证磨削顺利进行。77第77页，课件共106页，创作于2023年2月3.6.5磨削液磨削液的作用分类冷却、润滑、洗涤、防锈★油基磨削液：矿物油、极压油★水基磨削液：乳化液、化学合成液、无机盐磨削液78第78页，课件共106页，创作于2023年2月3.6.6几种高效磨削方法

高速磨削砂轮线速度高于45或50m/s时，称为高速磨削。强力磨削以大的吃刀量（可达1~30mm）和缓慢的量实现高效磨削的一种方法。砂带磨削砂带是在带基上（带基材料多采用聚碳酸脂薄膜）粘接细微砂粒（称为“植砂”）而构成。79第79页，课件共106页，创作于2023年2月3.7

高速加工技术HighSpeedMachiningTechnology80第80页，课件共106页，创作于2023年2月概述1931年德国切削物理学家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中给出了著名的“Salomom曲线”——对应于一定的工件材料存在一个临界切削速度，此点切削温度最高，超过该临界值，切削速度增加，切削温度反而下降。Salomom的理论与实验结果，引发了人们极大的兴趣，并由此产生了“高速切削（HSC）”的概念。尚无统一定义，一般认为高速加工是指采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的现代加工技术。以切削速度和进给速度界定：高速加工的切削速度和进给速度为普通切削的5～10倍。以主轴转速界定：高速加工的主轴转速≥10000r/min。3.7.1高速加工概述高速加工定义81第81页，课件共106页，创作于2023年2月3.7.1高速加工概述图3-31Salomon切削温度与切削速度曲线切削适应区软铝切削速度v/(m/min)切削不适应区06001200180024003000青铜铸铁钢硬质合金980℃高速钢650℃碳素工具钢450℃Stelite合金850℃1600

1200800400切削温度/℃切削适应区非铁金属82第82页，课件共106页，创作于2023年2月图3-32高速与超高速切削速度范围

10100100010000切削速度V（m/min）塑料铝合金铜铸铁钢钛合金镍合金高速加工的切削速度范围高速加工切削速度范围因不同的工件材料而异，见图3-32◎车削：700-7000m/min◎铣削：300-6000m/min◎钻削：200-1100m/min◎磨削：50-300m/s高速加工切削速度范围随加工方法不同也有所不同3.7.1高速加工概述83第83页，课件共106页，创作于2023年2月

加工效率高：进给率较常规切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍

切削力小：较常规切削至少降低30%，径向力降低更明显。有利于减小工件受力变形，适于加工薄壁件和细长件

切削热小：加工过程迅速，95%以上切削热被切屑带走，工件积聚热量极少，温升低，适合于加工熔点低、易氧化和易于产生热变形的零件

加工精度高：刀具激振频率远离工艺系统固有频率，不易产生振动；又切削力小、热变形小、残余应力小，易于保证加工精度和表面质量

工序集约化：可获得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定条件下，可对硬表面进行加工，从而可使工序集约化。这对于模具加工具有特别意义

高速加工的特点3.7.1高速加工概述84第84页，课件共106页，创作于2023年2月

航空航天：

◎带有大量薄壁、细筋的大型轻合金整体构件加工，材料去除率达100-180cm3/min。

◎镍合金、钛合金加工，切削速度达200-1000m/min

汽车工业：

高速加工的应用3.7.1高速加工概述

◎采用高速数控机床和高速加工中心组成高速柔性生产线，实现多品种、中小批量的高效生产（图3-33）

模具制造：

◎高速铣削代替传统的电火花成形加工，效率提高3-5倍（图3-34，图3-35）。

仪器仪表：

◎精密光学零件加工。85第85页，课件共106页，创作于2023年2月3.7.1高速加工概述专用机床5轴×4工序=20轴（3万件/月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）1234钻孔表面倒棱内侧倒棱铰孔表面和内侧倒棱高速钻孔高速加工中心1台1轴1工序（3万件/月）柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）图3-33汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司）86第86页，课件共106页，创作于2023年2月3.7.1高速加工概述b）高速模具加工的过程图3-34两种模具加工过程比较1硬化毛坯→2粗铣→3半精铣→4精铣→5手工磨修a）传统模具加工的过程1毛坯→2粗铣→3半精铣→4热处理→5电火花加工→6精铣→7手工磨修电极制造87第87页，课件共106页，创作于2023年2月图3-35采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值/mm加工时间100%1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削少量手工精修3.7.1高速加工概述★对于复杂型面模具，模具精加工费用往往占到模具总费用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工费用大大减少，从而可降低模具生产成本。88第88页，课件共106页，创作于2023年2月高速加工虽具有众多的优点，但由于技术复杂，且对于相关技术要求较高，使其应用受到限制。

与高速加工密切相关的技术主要有：◎高速加工刀具与磨具制造技术；◎高速主轴单元制造技术；◎高速进给单元制造技术；◎高速加工在线检测与控制技术；◎其他：如高速加工毛坯制造技术，干切技术，高速加工的排屑技术、安全防护技术等。此外高速切削与磨削机理的研究，对于高速切削的发展也具有重要意义。3.7.1高速加工概述89第89页，课件共106页，创作于2023年2月刀具材料种类合金高速钢硬质合金陶瓷天然

聚晶金刚石

聚晶立方氮工具钢W18Cr4VYG6Si3N4

金刚石

PCD

化硼

PCBN材料性能硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗弯强度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa

2.8GPa

1.5GPa导热系数40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-120

40-100热稳定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃

＞1000℃化学惰性低惰性大惰性小

惰性小

惰性大耐磨性低低较高高最高

最高

很高一般精度Ra≤0.8高精度

Ra=0.4-0.2加工质量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05

IT5-6IT7-8IT5-6

可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料表3-3普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比3.7.2高速加工刀具90第90页，课件共106页，创作于2023年2月图3-36金刚石（左）与CBN（右）原子结构碳原子氮原子硼原子

金刚石与CBN晶体结构相似，每一个原子都以理想四面体方式以109°28′键角与邻近4个原子结合。金刚石中的每个C原子都以共价键方式与邻近4个C原子结合。CBN中每个N原子与4个B原子结合，每个B原子又与4个N原子结合，并存在少数离子键。3.7.2高速加工刀具91第91页，课件共106页，创作于2023年2月

天然金刚石天然金刚石是目前已知的最硬物质，根据其质量不同，硬度范围为HV8000-12000，相对密度为3.48-3.56。天然金刚石是一种各向异性的单晶体，在晶体上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。天然金刚石耐磨性极好，刀具寿命可长达数百小时；刃口锋利，切削刃钝圆半径可达0.01μm。天然金刚石耐热性为700-800℃，高于此温度，碳原子转化为石墨结构，硬度丧失。天然金刚石价格昂贵，刃磨困难，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如激光反射镜、感光鼓、多面镜、磁盘等。3.7.2高速加工刀具92第92页，课件共106页，创作于2023年2月

聚晶金刚石人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金触媒的作用，由石墨转化而成。在高温高压下，金刚石粉经二次压制形成聚晶金刚石（20世纪60年代出现）。聚晶金刚石不存在各向异性，硬度略低于天然金刚石，为HV6500-8000。聚晶金刚石价格便宜，焊接方便，可磨性好，应用广泛，可在大部分场合代替天然金刚石。用等离子CVD（化学气相沉积）可将聚晶金刚石作成涂层，用途和聚晶金刚石刀具相同。金刚石刀具不适于加工铁族材料，因为金刚石中的碳元素与铁元素有很强的亲和力，碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快磨损。3.7.2高速加工刀具93第93页，课件共106页，创作于2023年2月

聚晶金刚石应用实例表3-4聚晶金刚石应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果铝合金端铣v=4000m/mimRa0.8-0.4μm共晶硅HRC71车削v=600m/mim一次刃磨切削行程800km铝合金f=0.1mm/rRa0.8μm，刀具寿命为硬质合金的50倍共晶硅HRC71铣削v=2900m/mim刀具寿命为硬质合金的80倍

vf=0.018mm/齿Ra0.8μm玻璃纤维HRA87车削v=500m/mim刀具寿命为硬质合金的强化塑料150倍，Ra0.8-0.4μm热塑性醋铣削v=4500m/s比硬质合金寿命提高380倍酸盐vf=10mm/minRa=0.8μm高Si-Al铣削v=2200m/mimRa=0.8μm铸造件铝合金钻削v=360m/mim以钻代镗，Ra=0.8μm3.7.2高速加工刀具94第94页，课件共106页，创作于2023年2月较高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同，晶格常数相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，涂层硬质合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。◆

PCBN切削性能聚晶立方氮化硼(PCBN/PolycrystallineCubicBoronNitride)1970年问世500040003000200010000硬度/HV02004006008001000温度/℃BN100BN20陶瓷硬质合金图3-37PCBN刀具高温硬度高的热稳定性：热稳定性明显优于金刚石刀具（图3-37）3.7.2高速加工刀具95第95页，课件共106页，创作于2023年2月良好的化学稳定性1200-1300℃与铁系材料不发生化学反应；2000℃才与碳发生化学反应；对各种材料粘结、扩散作用比硬质合金小的多。化学稳定性优于金刚石刀具，特别适合加工钢铁材料。良好的导热性CBN导热性仅次于金刚石，导热系数为1300W/m·℃，是硬质合金的20倍，陶瓷的37倍，且随温度升高而增加。这一特性使PCBN刀具刀尖处温度降低，减少刀具磨损，提高加工精度。较低的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数为0.1-0.3（硬质合金为0.4-0.6），且随切削速度的提高而减小。这一特性使切削变形和切削力减小，加工表面质量提高。3.7.2高速加工刀具96第96页，课件共106页，创作于2023年2月加工HRC45以上的硬质材料例如各种淬硬钢（工具钢、合金钢、模具钢、轴承钢等），铸铁（钒钛铸铁、冷硬铸铁、高磷铸铁等），高温合金，硬质合金，粉末金属表面喷涂（焊）材料等。◆

PCBN刀具应用金属软化效应用PCBN切削淬硬钢，工件材料硬度＜HRC50时，切削温度随材料硬度增加而增加；工件材料硬度＞HRC50时，切削温度随材料硬度增加有下降趋势（图3-38），金属软化，硬度下降，加工易于进行。8007507006506003040506070硬度HRC（V=320m/mim，f=0.2mm/r，a=0.1mm）切削温度/℃图3-38切削温度与硬度关系3.7.2高速加工刀具97第97页，课件共106页，创作于2023年2月◆

PCBN刀具应用实例加工对象硬度加工方式工艺参数加工效果GCr15HRC71车削V=180m/mim以车代磨，工效提高4-5倍钢轧辊