机械制造技术基础第8讲

第五节切削热和切削温度一、切削热的产生与传导二、切削温度的测量三、影响切削温度的主要因素1．切削用量对切削温度的影响切削用量中影响切削温度最大的是切削速度vc，其次是进给量f

，背吃刀量ap最小。（1）切削速度切削速度vc

增大，使切削功率近似呈比例增大，产生的切削热也呈比例增大。同时，当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，而产生摩擦热。如果vc提高，则摩擦热生成的时间就很短，来不及向切屑和刀具内部传导，而大量集聚在切屑底层，从而使切削温度升高。（2）进给量进给量f增大，切削力和切削温度都将增大，但同时切削厚度hD也呈比例增大，即切屑变厚而使热容量增加，由切屑带走的热量也多。所以f对切削温度的影响不如vc显著。（3）背吃刀量背吃刀量ap增大后，虽然切削区产生的热量呈正比例增多，但切削刃的实际工作长度也呈正比例增长，增大了散热面积，改善了散热条件，故ap对切削温度的影响相对较小。综上所述，在机床允许的条件下，选用大的ap和f，比选用大的vc更为有利。实际上，一般要根据生产中的具体条件和要求综合分析，合理选择ap和f。2.刀具几何参数对切削温度的影响（1）前角对切削温度的影响前角增大，切削力减小，切削温度下降，如图2-33所示。图2-33前角与切削温度的关系（2）主偏角

r对切削温度的影响图2-34主偏角与切削温度的关系3.工件材料对切削温度的影响工件材料的强度和硬度高，切削温度高。工件材料的导热系数小时，切削温度相对较高。切削脆性材料时，切削温度一般比切削钢料时低。4.刀具磨损对切削温度的影响刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。5.切削液对切削温度的影响第六节刀具磨损、刀具寿命

和切削用量的选择一、刀具磨损形态和磨损机制1．刀具磨损的形态刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理的或化学的作用，使刀具原有的几何角度逐渐丧失。刀具磨损呈现为三种形态。（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）切削塑性材料时，如果刀具材料耐热、耐磨性较差，而且切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。图2-35刀具的磨损形态月牙洼磨损量以其深度KT表示（图2-36）。图2-36刀具磨损的测量位置图2-35刀具的磨损形态（2）后刀面磨损由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面，这种磨损形式称作后刀面磨损（图2-35）。切削铸铁或以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，后刀面磨损是主要形态。图2-36刀具磨损的测量位置后刀面上的磨损棱带往往不均匀，其平均磨损宽度以VB表示，如图2-36所示。（3）边界磨损切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处的主后刀面（图2-36中的N区）和副切削刃靠近刀尖处的副后刀面上，磨出较深的沟纹，这种磨损称作边界磨损。边界磨损主要是由于工件在边界处的加工硬化层、硬质点等因素所造成的。2.刀具磨损机制（1）硬质点划痕（磨粒磨损）由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等在刀具表面上划出一条条沟纹，造成机械磨损。硬质点划痕发生于各种切削速度，是低速切削刀具（如拉刀、板牙等）产生磨损的主要原因。（2）冷焊粘结（粘结磨损）切削时，切屑与前刀面之间由于高压和高温的作用，切屑底层材料与前刀面发生冷焊粘结形成冷焊粘结点，在切屑相对于刀具前刀面的运动中冷焊粘结点处刀具材料表面微粒会被切屑粘走，造成刀具的粘结磨损。在工件与刀具后刀面之间同样也存在着粘结磨损。在中等偏低的切削速度条件下，冷焊粘结是产生磨损的主要原因。（3）扩散磨损切削过程中，刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑底面相接触，由于高温和高压的作用，刀具材料和工件材料中的化学元素相互扩散，使刀具材料化学成分发生变化，耐磨性能下降，造成扩散磨损。扩散磨损在高温下产生，且随切削温度的升高而加剧。（4）化学磨损在一定温度(700～800℃)作用下，刀具材料中的碳化物与周围介质起化学作用，在刀具表面形成硬度较低的化合物(CoO、WO、TiO2),易被切屑和工件摩擦掉而产生的刀具磨损称为化学磨损。化学磨损主要发生在较高的切削速度条件下，它也是造成刀具边界磨损的主要原因之一。二、刀具磨损过程及磨钝标准1.刀具磨损过程刀具磨损实验结果表明，刀具磨损过程可以分为如图2-37所示的三个阶段：图2-37刀具磨损的典型曲线（1）初期磨损阶段由于新刃磨后的刀具，表面存在微观粗糙度，后刀面与工件之间为峰点接触，单位面积上承受的正压力较大，故刀具磨损速度很快，此阶段称为刀具的初期磨损阶段。初期磨损量的大小与刀具的刃磨质量有很大的关系。图2-37刀具磨损的典型曲线（2）正常磨损阶段经过初期磨损后，刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平，后刀面与工件的接触面积增大，单位面积上承受的压力逐渐减小，因此磨损速度变慢，此阶段称为刀具的正常磨损阶段。它是刀具的有效工作阶段。图2-37刀具磨损的典型曲线（3）急剧磨损阶段当刀具磨损量增加到一定限度时，切削刃变钝，切削力、切削温度将急剧增高，刀具磨损剧烈，直至丧失切削能力，此阶段称为急剧磨损阶段。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须更换或重新刃磨。图2-37刀具磨损的典型曲线2．刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用了，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。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VB作为刀具的磨钝标准。自动化生产中使用的精加工刀具，从保证工件尺寸精度考虑，常以刀具的径向尺寸磨损量NB作为衡量刀具的磨钝标准（图2-38）。图2-38刀具的磨损量VB与NB制订刀具的磨钝标准时，既要考虑充分发挥刀具的切削能力，又要考虑保证工件的加工质量。精加工、工艺系统刚性差或切削难加工材料时磨钝标准取较小值；反之，磨钝标准取大值。图2-38刀具的磨损量VB与NB国际标准ISO推荐硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准，有下列三种可供选择：（1）VB=0.3mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取VBmax

=0.6mm；（3）前刀面磨损量，式中f为以mm/r为单位的进给量值。三、刀具寿命1.刀具寿命的定义刃磨后的刀具（或新刀）自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具寿命，亦可称为刀具耐用度，用T表示。刀具寿命是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。对于可重磨刀具，刀具寿命指得是其两次刃磨之间所经历的实际切削时间。如果用刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。2.刀具寿命的经验计算公式试验结果表明，对于某一切削加工，当工件、刀具材料和刀具几何形状确定之后，切削速度是影响刀具磨损的主要因素。图2-39所示为在正常的切削速度范围内，分别以不同的切削速度进行刀具磨损试验，得到的一组磨损曲线。图2-39刀具磨损曲线如图2-39所示，刀具磨钝标准与磨损曲线的交点所对应的时间，就是不同切削速度所对应的刀具寿命T1、T2、T3、T4…。将数据点(vc1,T1)、(vc2,T2)、(vc3,T3)、(vc4,T4)…标在对数坐标系上，相邻数据点依次用直线相连，即可求得vc-T试验曲线，如图2-40所示。图2-39刀具磨损曲线图2-40所示为在双对数坐标上的曲线。由图中可以看出，在一定的切削速度范围内，上述各点基本都在一条直线上。图2-40在双对数坐标上的曲线该直线方程可写为因此，切削速度与刀具寿命的关系式可表示为（2-23）式中m—vc对T的影响程度的指数，它反映了刀具材料的切削性能。

Co—与刀具材料、工件材料、切削条件有关的系数。按照上面求关系式的方法，同样可以求得和关系式：综合以上三式，可得到切削用量与刀具寿命的一般关系式（刀具寿命的经验公式

）：（2-26）式中CT―与工件、刀具材料及切削条件有关的系数。刀具寿命的经验公式中的有关指数和系数可通过刀具寿命试验求得。用硬质合金车刀切削的碳钢，在进给量f

＞0.75mm/r的条件下进行刀具寿命试验，通过数据处理后得到的刀具寿命公式为（2-27）分析式（2-27）可知，切削速度vc对刀具寿命的影响最大，进给量f

次之，背吃刀量ap最小。这与它们对切削温度的影响顺序完全一致，表明切削温度与刀具寿命之间有着紧密的内在联系。上式表明，切削用量与刀具寿命密切相关。（2-27）在生产中，确定刀具寿命有两种原则。按单件时间最少（生产效率为最高）的原则确定的刀具寿命，称为最高生产率刀具寿命。在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时，可选用最高生产率刀具寿命。按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命，称为最小成本刀具寿命。一般情况下，应采用最小成本刀具寿命。制订刀具寿命时，当刀具构造复杂、制造和磨刀费用高时；或在多刀机床、组合机床、自动机及自动线上的刀具；或精加工大型工件时，刀具寿命应规定得高些。当生产线上某工序的生产率限制了全线生产率的提高时；或当某工序单位时间的生产成本较高时，则该工序的刀具寿命应定得低些。上述分析表明，在一定切削条件下，并不是刀具寿命越高越好。四、刀具的破损及刀具状态监控破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损，因为破损和磨损都是在切削力和切削热的作用下发生的。磨损是逐渐发展的过程，而破损是突发的。破损的突然性很容易在生产过程中造成较大的危害和经济损失。1.刀具的破损形式（1）脆性破损硬质合金、陶瓷、立方氮化硼刀具的破损形式。1）崩刃切削刃产生小的缺口（切削刃微崩）。断续切削时常发生这种破损。2）碎断切削刃发生小块碎裂或大块断裂。也多发生于断续切削中。3）剥落在刀具的前、后刀面上出现剥落碎片，经常与切削刃一起剥落，有时也在离切削刃一小段距离处剥落。4）裂纹破损长时间进行断续切削（承受交变载荷或热负荷）后，因疲劳而引起裂纹的一种破损。裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断裂。（2）塑性破损工具钢和高速钢刀具的主要破损形式。在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件间接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切削能力，这就是刀具的塑性破损。抵抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性能。2.刀具破损防治措施（1）合理选择刀具材料（2）合理选择刀具几何参数（3）保证刀具的刃磨质量（4）合理选择切削用量（5）工艺系统应有较好的刚性（6）对刀具状态进行实时监控五、切削用量的选择切削用量的选择，对生产效率、加工成本和加工质量均有重要影响。合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，能取得较高的生产效率和较低成本的切削用量。约束切削用量选择的主要条件有：工件的加工要求；刀具材料的切削性能；机床的性能以及刀具的寿命要求等。（1）切削用量与生产效率、刀具寿命的关系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：（2-28）分析上式可知，切削用量三要素ap、f、vc均与Q成正比关系，即三者对机床切削效率影响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，切削效率都提高一倍。但是分别提高ap、f、vc,对刀具寿命的影响却是截然不同。切削用量三要素中对刀具寿命影响最大的是vc，其次是f

，最小是ap

。综上分析可知，在保持刀具寿命一定的条件下，提高ap比提高f

、vc的效果更好。（2）切削用量的选用原则首先选取尽可能大的背吃刀量ap。其次根据机床进给机构强度、刀杆刚度等限制条件（粗加工时）或根据已加工表面粗糙度要求（精加工时），选取尽可能大的进给量f。最后根据“切削用量手册”查取或根据公式（2-29）计算确定切削速度vc。（3）切削用量三要素的选用1）背吃刀量apap可根据加工余量确定。粗加工时在机床有效功率允许的条件下，除留下精加工的余量外，一次走刀应尽可能切除掉全部粗加工的余量，这样不仅能在保证一定刀具寿命的前提下使ap

、f、vc的乘积最大，而且可以减少走刀次数。下面