金属切削原理课件

金屬切削原理PrincipleofMetalCutting

金屬切削過程三維切削和二維切削§2-1金屬切削過程中的變形變形區的劃分切屑的形成過程

一.切斷作用與切削作用

1.切斷作用楔角大，刀具強度高楔角較大情況工件塑性變形較大工件尺寸精度很低工件表面十分粗糙工件表面加工硬化嚴重2.切斷向切削過渡工件塑性變形減小工件尺寸精度低工件表面粗糙工件表面加工硬化嚴重3.切削加工形成後角；後刀面所對的工件塑性變形大大減小；工件尺寸精度高；工件表面平整；二.變形區的劃分刀具後刀面摩擦區變形區第一變形區第三變形區第二變形區1.第一變形區(剪切區)OA線：始滑移面OM線：終滑移面發生變形的主要區域隨著切削速度的增加而變薄，一般厚度0.02-0.2mm，用平面OM表示2.第二變形區(前刀面摩擦區)切屑流出時收到前刀面的摩擦切屑再次產生剪切變形，晶粒伸長，並且纖維化它的變形程度比切屑上層的劇烈幾到幾十倍3.第三變形區(後刀面摩擦區)已加工表面受到切削刃鈍圓部分和後刀面擠壓摩擦，造成晶粒伸長纖維化和加工硬化直接和加工表面的品質有關4.小結三個變形區彙集在切削刃附近，應力狀況複雜，應力大而集中，切削層金屬就在此分離三個變形區互有聯繫，密切相關三.切屑的形成過程擠壓彈性變形剪切滑移，塑性變形前刀面擠壓與摩擦捲曲流出前刀面滑移剪切力達到τs2.二維切削剪切面切削模型二維切削的剪切面切削模型3.切削形成的本質切削層金屬在刀具切削刃作用和前刀面作用下，經受擠壓而產生剪切滑移變形的過程§2-2切屑種類和變化1.帶狀切屑切屑形貌1.內表面光滑；2.外表面毛茸狀；3.連續、帶狀。產生原因1.剪切位移未達到破裂程度，2.剪應力未超過材料極限強度特點1.切削力波動小，切削過程平穩；2.已加工表面粗糙度小；3.需要斷屑措施。產生條件1.塑性金屬；2.v較高；3.ac較小；4.γ0較大。2.擠裂切屑切屑形貌1.內表面有時光滑有時有裂紋；2.外表面鋸齒狀。產生原因1.局部剪切位移達到破裂程度，2.剪應力超過材料極限強度。特點1.切削力有波動，切削過程較不平穩；2.已加工表面粗糙度較大。產生條件1.塑性金屬；2v較低；3.ac較大；4.γ0較小3.單元切屑切屑形貌1.裂紋貫穿整個切屑；2.切屑為梯形單元。產生原因1.整個剪切面的剪應力超過材料極限強度。特點1.切削力波動大，切削過程不平穩；2.已加工表面粗糙度大；3.刀具易損壞。產生條件1.塑性金屬；2.v很小；3.ac很大；4.γ0小。4.崩碎切屑切屑形貌1.不規則的碎塊產生原因1.靠近切削刃的局部金屬塑性變形很小，被擠裂、脆斷。特點1.切削力波動很大，切削過程很不平穩；2.已加工表面粗糙度很大；刀具易崩刃。產生條件3.脆性金屬（鑄鐵、高碳鋼、硬鋁、石材、玻璃）帶狀切屑內表面光滑，外表面毛茸狀；連續、帶狀剪切位移未達到破裂程度，τ<τs切削力波動小，切削過程平穩；表面Ra小，需要斷屑塑性,v較高,ac較小,γ0較大。擠裂切屑內表面有時光滑有時有裂紋，外表面鋸齒狀局部剪切位移達到破裂程度，τ>τs切削力波動，切削較不平穩；表面Ra大塑性；v較低；ac較大；γ0較小單元切屑裂紋貫穿整個切屑；切屑為梯形單元。整個剪切面的τ>τs切削力波動大，不平穩；表面Ra大；刀具易損壞。塑性；v很小；ac很大；γ0小。崩碎切屑不規則的碎塊塑性變形很小，被擠裂、脆斷切削力波動很大，過程很不平穩；表面Ra很大；刀具易崩刃。脆性金屬5.小結在實際生產中存在介於上述四種切屑的過渡類型同一種材料，切削條件不同，可以得到不同的切屑選擇合適的刀具幾何參數和切削用量，可以改變切削類型掌握了切削變化規律，就可以控制其形狀和尺寸，以利於卷屑，斷屑和排屑§2-3切屑變形的度量生產中，操作者根據切屑的捲曲，顏色和表面狀態來判斷切削過程外觀不一定能真實的反映切屑的變形程度常用的度量切屑變形的方法有變形係數法，剪切角和相對滑移1.變形係數ξ變形係數ξl=l0/lc;ξa=ac/a0，ac切削厚度，a0切削層長度，lc切屑長度，l0切削層長度根據變形後體積不變原則，ξ=ξl=ξaξ

，變形

L0a0lcac2.相對滑移ε定義：單位厚度的金屬產生的滑移量式中φ是剪切角ε與φ和γ0有關ε

，變形

3.剪切角φ定義：切削速度和剪切面的夾角NP>N’P’,φ<φ’φ

，切屑的剪切滑移距離,變形

4.變形係數和相對滑移的關係5.切屑變形參數的討論ξ>=1.5:ξ大，ε也大，比較接近實際情況ξ<1.5，特別ξ≈1，或者前角為負時，不能用ξ來表示變形程度切削變形的參數計算都是近似的，有相當的局限性§2-4剪切角的理論公式Φ可衡量切屑變形程度，如果能建立φ=(γ0,β)的理論公式，對預測切屑變形程度和切削力的大小有重要的實際意義1.作用在切屑上的力作用在前刀面法向力Fn和摩擦力Ff作用在剪切面法向力Fns和剪切力Fs2.力的分解計算3.剪切力的理論公式根據最小切削力功原理確定剪切角剪切面在切削時為所需功率最小的方向令dPm/dφ=0,求Pm為最小的剪切角，2φ+β-γ0=π/2(Merchant公式)4.Merchant公式的討論與試驗結果定性上一致，定量上有誤差，Merchant公式計算值偏大誤差原因：切削刃是圓鈍的，不是絕對鋒利的剪切面不是平面，而是有一定厚度未考慮金屬內部雜質和缺陷的影響用簡單的平均摩擦係數和實際情況不符§2-5前刀面的摩擦使用理論公式計算剪切角和試驗結果有出入，其中原因之一是用簡單的摩擦係數來表示前刀面的摩擦特性，不符合切削過程中的實際情況1.滑動摩擦特性Ar<Aa；Ar=Fn/σyFf=τs·Ar；金屬塑性變形，緊密接觸，發生粘結，摩擦力是不斷剪切粘結點的力摩擦係數μ=Ff/Fn=τs/σy=常數，與Ar無關滑動摩擦又稱外摩擦FfFn軟材料2.粘結摩擦特性Ar≈Aa剪切作用不只限於表面凹凸不平處，而且發生在較軟的金屬內部粘結力與粘結面積有關粘結摩擦又稱內摩擦3.前刀面的摩擦特性切削過程中，切屑和前刀面的壓力很大，存在滑動摩擦和粘結摩擦前刀面上，μ=K/σravσrav隨著硬度，ac，v和γ0有關前刀面摩擦分佈3.影響前刀面摩擦係數的因素強度、硬度、ac

，或者γ0

，都會導致μ

切削速度對μ也有影響§2-6積屑瘤(BUE)積屑瘤(Built-upedge)在切削塑性金屬時，在前刀面靠近切削刃口處粘結著一小塊很小很硬的金屬楔塊ac△acγ0γ0e1.積屑瘤的產生原因切屑底層產生滯留層滯留層與切屑分離，粘結在前刀面f內>f外前刀面和切屑底面的擠壓和摩擦逐層滯留粘結形成楔塊衝擊振動不斷破裂，脫落再生2.積屑瘤對切削過程的影響替代切削刃和Aγ切削，減少Aγ和Aα磨損破裂脫落，擦傷Aγ和Aα，發生粘結磨損γ0

，ξac，尺寸精度

輪廓不規則，過切量不一致，Ra破裂，脫落，引起振動，Ra刀具和工件擠壓作用增加，殘餘應力和表面變形增加3.影響積屑瘤的主要因素工件速度和性質切削速度刀具前角冷卻潤滑條件(1)工件性質影響：塑性

，μ，lf

，易生成BUE避免措施：正火，調質處理；強度，硬度

，塑性

(2)切削速度主要通過θ℃和μ影響BUEf內大，不易產生θ℃,μ,f外

θ℃很高，底層金屬變軟，μ

，f外

560℃，BUE消失(3)刀具前角γ0

ξ，正壓力

，θ℃BUEγ0>40，沒有BUE(4)其他切削液

θ℃μBUEac

正壓力BUE刀具RaBUE§2-7已加工表面的形成

1.形成因素已加工表面形成與下麵因素有關第1變形區rn刀具圓弧半徑αoe的小棱面2.形成過程切屑層金屬進入第一變形區，晶粒伸長，纖維化由於rn和αoe的存在，Δac被劇烈擠壓摩擦進入第三變形區，進一步變形，扭曲，拉長，更加纖維化，形成已加工表面§2-8加工變質層零件損壞往往源於表面缺陷，因此要求機械加工後的零件表面層完整無損，提出了表面完整性的概念1.表面完整性的概念概念：由於受控制的加工方法的影響，導致成品的表面狀態沒有受到任何損傷，甚至有所增強的現象包括幾何方面和物理方面變質層變質的內容大致有：化學變質，熱變質，組織纖維化，加工硬化和殘餘應力2.殘餘應力概念：沒有外力作用下，體內自相平衡的應力分類：殘餘拉應力產生裂紋，疲勞強度

；殘餘壓應力疲勞強度

原因：熱塑性變形，彈性恢復，相變多種因素綜合作用的結果(1)原因-熱塑性變形切削過程中切削過後壓壓拉拉(1)原因-裏層金屬的彈性恢復拉壓切削過程中，裏層的彈變數是壓縮狀態切削過程中，裏層的彈變數是拉伸狀態(1)原因-表層金屬的相變壓拉形成奧氏體馬氏體比容

720冷卻(2)影響殘餘應力的主要因素

(2.1)切削速度VV原因拉/壓較低θ℃低，熱塑性變形小拉小或壓較高熱塑性

拉

更高θ℃達相變溫度，相變(壓)和熱塑性(拉)抵消，變化不大(2.2)其他因素f和ap,塑性變形

，殘餘應力

f的影響較大，v和ap的影響較小γ0

鋒利，排屑流暢，切削輕快殘餘應力

rεrn

，變形摩擦

，殘餘應力

3.加工硬化經過切削加工，會使工件表層的硬度提高的現象成為加工硬化變形程度

，硬化程度和深度

工件耐磨性

，脆性

(1)產生加工硬化的原因金屬強化，弱化和相變的綜合結果切削過程中，金屬晶粒拉長，扭曲與破碎，阻礙金屬進一步塑性變形，而使金屬強化切削溫度使金屬弱化，甚至相變(2)硬化程度的指標硬化深度hy：已加工表面與基體未硬化處的垂直距離硬化程度N：H已加工表面的顯微硬度H’基體的顯微硬度(3)影響加工硬化的因素Vhy和N；Vhy(淬火相);hy(回火相)f

，ap

hy和N

工件材料塑性

硬化

工件導熱性

硬化

γ0，α0hy和N§2-9切屑變形程度的變形規律影響因素工件材料切削用量刀具幾何參數刀具材料冷卻潤滑1.工件材料塑性

，強度

，屈服極限

，在較小應力作用下塑性變形塑性

，塑變能力增加，變形量大2.切削速度(1)對塑性材料BUEγoeξ變形時間ξVμ，VμV很高θ℃變軟，塑性

，底部微熔對脆性材料：Vξ2.切削速度(2)vξIIIIIIIV0v1v2v3ABBUE，γoe

，ξ

A點，BUE最高，γoe最大，ξ最小BUE,γoe,ξ

BUE消失,γoe=γo,ξ最大

變形時間

，μ，θ℃，ξ

金屬變軟，切屑底部微熔，對ξ影響小3.進給量f(ac)ac’ac’f,ac

總變形量

，ac’增加很少，平均變化程度ξ4.刀具幾何參數(1)γoξrε

切削刃上參加工作的曲線部分ξ切削刃曲線部分各點γ0是變化的，越靠近刀尖，γ0ξ流向干擾

附加變形ξ4.刀具幾何參數(2)Κr

acξrε≠0，參加工作的切削刃曲線部分

，ξ公式（1－22）知，γ0和λ0一定，γ0’，ξrε≠0，3個因素起作用，rε＝0，第1個因素起作用金屬切削原理PrincipleofMetalCutting

切削力§3-1切削力的來源切屑的彈塑性變形抗力工件的彈塑性變形抗力後刀面與工件的摩擦力前刀面與切屑的摩擦力§3-2切削合力、分力和切削功率

1.切削合力、分力2.切削分力的作用-Fz主切削力(切向分力)Fz使車刀產生彎矩，是計算切削功率的依據。2.切削分力的作用-Fy吃刀抗力(徑向分力)Fy使工件產生彎曲，影響加工精度，是計算系統剛度的依據。2.切削分力的作用-Fx進給抗力(軸向分力)Fx作用在進給結構上，是計算進給機構強度的依據3.Fx、Fy和Fz的比較Fz:Fy:Fx=1:0.4:0.25Fr=(Fz2+Fy2+Fx2)0.5Fr=1.11Fz4.切削功率切削功率是各切削分力功率的總和，車削過程中可以簡化為，第二項忽略不計§3-3影響切削力的因素工件材料切削用量刀具幾何參數刀具磨損切削條件刀具材料一.工件材料強度硬度

τsξ，Fr同樣的ξ，強度硬度

，Fr同樣的Fr，強度硬度

，ξ強度硬度相同，塑性μFr二.切削用量

1.apap

1倍

Ac1倍ac’(嚴重變形部分)比例不變Fr1倍ap2apfac’ac2.fap

1倍

Ac1倍ac’(嚴重變形部分)比例

Fr68-86%ap2fac’2acf3.VBUEroeFBUEroeFθ，μ，ξ，t變

FABA：BUE最大B：BUE消失4.切削用量對F的影響ap>f>v從降低切削力出發，選用大的v和f比ap有利三.刀具幾何參數

1.γ0γ0

切入工件困難，ξF加工塑性較大的材料，γ0的影響比加工塑性小的金屬顯著2.κrΚr

ac

ξFzΚr

參加切削的圓弧

ξ

Fz

Κr

γ0’Fz

Κr

影響Fx和Fy的比例Κr

Fz先

後

，變化10％左右3.λsF與v的夾角

不直線上升切削刃lseFz

lseFz

－45°15°⊥切削刃的分力Fy

⊥切削刃的分力Fx

4.rεrε

參加切削的圓弧

，切削刃上的平均κrFy

，Fx

rε

圓弧刃上變形Fz稍

§3-4切削力的測量測力儀的種類電阻應變式測力儀及其工作原理電阻應變式測力儀八角環電阻應變式測力儀一.測力儀的種類機械式-位移液壓式-位移電阻式-應變（電阻應變片）壓電式-應力（壓電晶體）1.電阻應變片種類金屬式絲式箔式半導體式材料康銅和鎳鉻合金φ在0.012-0.05mmR在100Ω以上(1)測量電路當R1R4=R2R3時，ΔU=0，電橋平衡(2)測力原理R1，R4受拉伸電阻變大R2，R3受壓縮電阻變小ΔU輸出與Fz成正比通過事先標定曲線，由ΔU知FzFzΔU2.八角環電阻應變式測力儀不受干擾的測出Fz，Fx，Fy使用上下兩個扁圓環組成(1)應變圓環Fy和Fx共同作用：R1、R2、R3、R4測Fy，R5、R6、R7、R8測Fx，分別接入兩個電橋電路。Fx作用PR點R5R6拉應力，QS點R7R8壓應力，兩個BD結點無應變Fy作用R1R2拉應力，R3R4壓應力PQRS無應變(2)八角環圓環的缺點不易固定夾緊在Fx作用下有滾動的可能與殼體為線接觸，接觸變形大，剛度差將它一切兩半，製成近似39.6°的八角環式，安裝可靠，剛性好，貼片方便(3)布片與電橋(4)三向分力互不干擾Fy和FxFy和FzFy作用下Rz1Rz2Rz3Rz4電阻增量相同Fz作用下Ry1Ry2Ry3Ry4受壓縮；Ry5Ry6Ry7Ry8受拉伸，相互抵消，不破壞平衡條件Fx和FzFx作用下Rx1Rx2Rx3Rx4無變化Fz作用下Rx1Rx2Rx3Rx4受壓縮；Rx5Rx6Rx7Rx8受拉伸；相互抵消3.電阻應變儀的小結測力儀彈性元件電橋應變儀（動態）記錄儀切削力變形ΔU放大4.壓電式測力儀(1)剛性好，靈敏度高可測試動態切削力壓電效應：某些晶體外力作用下產生電場，外力去除後，重新回到不帶電的狀態使用最多的是石英SiO24.壓電式測力儀(2)縱向壓電效應橫向壓電效應剪切壓電效應§3-5切削力的經驗公式的建立切削力實驗方法單因素法：改變一個因素而使其他因素保持不變，測出切削力多因素法：同時改變多個因素，測出切削力數據處理方法圖解法最小二乘法1.經驗公式Kfz:試驗條件的修正係數CFz:係數，等於ap=1,f=1,v=1時的切削力xFz:ap對切削力的影響程度yFz:f對切削力的影響程度zFz:v對切削力的影響程度2.計算示例計算切削力公式(1)確定試驗條件校準測力儀，選定工件材料、刀具材料、刀具幾何參數、切削速度等實驗條件實驗條件工件材料45鋼（正火）HB187刀具結構材料規格前角後角副後角主偏角副偏角刃傾角刀尖圓弧半徑外圓YT154K1615º7º5º75º15º0º0.2切削用量工件直徑dw

mm

轉速nr/min

切削速度vr/min8138096(2)固定f，測量ap與Fz關係固定f=fo=0.3，改變ap(ap=1,2,3,4)，測出並記錄不同ap對應的切削力Fz，在雙對數座標圖上繪出lgFz=f(ap)關係圖f=fo=0.3ap(mm)1234Fz(N)627.81130.11757.92385.7lgFz2.7978213.0531173.2449943.377616(3)確定Fz與ap的關係lgFz=f(ap)關係圖600算截距，ap＝1，Fz＝600N量斜率得Fz=600*ap(4)固定ap

，測量f與Fz關係固定ap=apo=3，改變f(f=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)，測出並記錄不同f對應的切削力Fz，在雙對數座標圖上繪出lgFz=f(f)關係圖ap=apo=3f(mm)0.10.20.30.40.5Fz(N)627.81255.61757.9219.742762.5lgFz2.79783.09883.2452.3423.441(5)確定f與ap的關係lgFz=f(f)關係圖4900算截距，f＝1，Fz＝4900N量斜率得Fz=4900*f0.84(6)求係數CFz當f=f0=0.3mm/rCFz·ap·(0.3)0.84=600apCFz=600/(0.3)0.84≈1648當ap＝3mm時CFz·(3)1·

f0.84=4900·f0.84CFz=4900/3=1640CFz=(1648+1640)/2≈1640得經驗公式Fz=1640·ap·f0.84(7)修正係數的獲得經驗公式是在一定條件下獲得的，條件改變計算力肯定有誤差，必須修正金屬切削原理PrincipleofMetalCutting

切削熱和切削溫度§4-1切削熱的來源及其傳出一.切削熱的產生刀具後刀面熱源區剪切面熱源區前刀面熱源區變形功變形功和摩擦功變形功和摩擦功切削熱的組成Q=Qp+QfQp變形功Qf摩擦功Q=Fz×V/60(J/s)二.切削熱的傳出Q切削熱Qt刀具Qw工件Qc切屑Qm介質影響切削熱傳出的因素1.工件材料的導熱係數KK

工件和切屑傳出熱量

切削區域溫度

工件升溫快K

工件和切屑傳出熱量

切削區域溫度

刀具磨損快2.刀具材料的導熱係數KtKt

刀具傳出熱量多

切削區域溫度

影響切削熱傳出的因素3.刀具的散熱面積散熱面積主要是前後刀面與切屑工件的接觸面積。散熱面積

熱量不易傳出aw

散熱面積正比增大ac

散熱面積稍有增大工件硬度

切屑與前刀面接觸面積

散熱面積

影響切削熱傳出的因素4.周圍介質的狀況性能良好的冷卻液良好的冷卻方式噴霧冷卻內壓加壓三.切屑、工件和刀具上的溫度分佈θ前刀面>θ切屑>θ工件切屑底部θ高；離底線越遠θ越低A前刀面上離切削刃一定距離A處溫度最高後刀面溫度一般比前刀面低工件上最高溫度在刀尖與工件接觸附近，工件材料性質與切削溫度的分佈§4-2影響切削溫度的主要因素切削溫度與切削熱的區別：切削熱僅與熱量的產生有關，而與熱量的傳出無關切削溫度不僅與熱量的產生有關，而且與熱量的傳出有關。與切削熱的大小及其傳出快慢有關。一.影響切削溫度的因素切削用量刀具幾何參數刀具磨損工件材料切削液1.切削速度的影響W=(Fz*V/60)θ切屑流速加快，摩擦加劇ξ，故不正比增加θ=Cθv*Vx2.進給量的影響fθ，但增速較慢fF，但是F的增加為f的68％-86％,所以熱量的增加沒有f增加快fac

切屑的熱容

由切屑帶走的熱量

切削溫度

較慢θ=Cθf*fy3.切削深度的影響隨著ap增加，θ增加不明顯apF產生熱量正比增加ap

切削刃工作長度

，改善了散熱條件θ不明顯θ=Cθap*apZ綜上所述影響程度V>f>ap從θ看，選大的ap和f比大的V有利4.切削溫度經驗公式θ=CθVx*fy*apZCθ:係數，取決於工件材料，代表v=1，f=1，ap=1時的切削速度x,y,z:指數，反應該因素對θ的影響程度，x>y>z5.其他因素對θ的影響刀具幾何參數：γθ;κγθ刀具磨損：磨損

變形

磨損

變形

工件材料：強度

，導熱係數θ切削液：熱容和導熱性θ二.溫度經驗公式的建立

1.確定試驗條件校準測力儀，固定工件材料(TC4)、刀具材料、刀具幾何參數等實驗條件(2)固定f,ap

，測量V與θ關係固定f=fo=0.2，ap=apo=2改變V(V=40,50,60,70)，測出並記錄不同V對應的切削溫度θ，在雙對數座標圖上繪出lgθ=f(V)關係圖f=fo=0.2ap=apo=2v(m/min)40506070θ

(℃)695758815863lgθ2.8422.882.912.936(3)固定V,ap,測量f與θ關係固定V=Vo=50，ap=apo=2,改變f(f=0.1,0.2,0.3,0.4)，測出並記錄不同f對應的切削穩定θ，在雙對數座標圖上繪出lgθ=f(f)關係圖V=Vo=50ap=apo=2f(mm)0.10.20.30.4θ

(℃)654758856882lgθ2.8162.882.9322.945(4)固定V,f,測量ap與θ關係固定V=Vo=50，f=fo=0.2,改變ap(ap=1,2,3,4)，測出並記錄不同ap對應的切削溫度θ，在雙對數座標圖上繪出lgθ=f(ap)關係圖V=Vo=50f=fo=0.2ap(mm)1234θ

(℃)718755787804lgθ2.8562.8782.8962.905(5)求出斜率和截距斜率截距θ－v0.393157θ－f0.1941044θ－ap0.082718(6)寫出三直線方程(7)求係數Cθ1f=fo=0.2，ap=apo=2時(8)求係數Cθ2v=vo=50，ap=apo=2時(9)求係數Cθ3f=fo=0.2，v=vo=50時(10)求係數Cθ(11)得經驗公式§4-3切削熱的測量自然熱電偶法人工熱電偶法紅外測溫法一.自然熱電偶利用不同化學成分的工件和刀具材料組成，熱電偶的兩極分別與機床絕緣，構成熱點回路，根據溫差電動勢測定刀具溫度。1.測溫原理兩種不同的導體（半導體）在其熱端和冷端之間由於電子的能量不同而形成一個熱電勢，記錄電熱勢的數值，通過事先標定的熱電勢標定曲線，折算出溫度。熱端θmv冷端θ0冷端θ0中間導體定律當中間有第三金屬的時候，只要金屬兩端溫度相等，不影響整個回路的電動勢均勻導體定律兩導線材料相同，不產生電動勢2.組成

熱電勢的計算EABC=eAB(θ)±eBC(θ0)±eAC(θ1)

注意點工件與刀具都必須與機床絕緣導線與工件或刀具的連接點需保持在室溫，以免產生附加電動勢不同的刀片與不同的工件材料應進行專門標定3.特點簡單易行；可以測得接觸面的平均溫度；不能最高溫度位置不能測非導體，不能測量溫度分佈4.補償電路外加一個與附加熱電偶值相等而極性相反的熱電勢，其大小隨刀片的溫度改變而改變5.熱電偶的標定6.熱電偶的快速標定EAB:鎳鉻鎳鋁標準熱電偶EAC:待定熱電偶鎳鉻鎳鋁試件CABEACEAB二.人工熱電偶人工熱電偶的特點需要破壞工件或刀具實用性差不能得到切削區域的溫度分佈不能得到接觸面積的平均溫度可是用在陶瓷等非導體上三.紅外測溫法紅外測溫法的特點非接觸式測量，不破壞工件測量被測面的溫度分佈可以用於非導體材料測量容易受干擾本章重點影響切削熱傳出的主要因素影響切削溫度的主要因素切削溫度的測量(自然熱電偶)金屬切削原理PrincipleofMetalCutting

切削條件合理選擇

切削條件對以下因素產生影響生產率加工品質生產成本切削條件涉及以下幾方面工件材料的切削加工性刀具的切削性能刀具切削部分的材料合理的刀具幾何參數切削液刀具耐用度和切削用量的合理選擇§6-1工件材料的切削加工性可加工性

可加工性的刀具耐用度指標材料可加工性的改善

難加工材料一.材料的切削加工性定義：一定條件下工件材料切削加工的難易程度材料可加工性的衡量：刀具耐用度、已加工表面的完整性、切屑的控制通常使用刀具耐用度作為衡量切削加工性的指標二.衡量切削加工性的指標絕對指標vT：刀具的耐用度為T分鐘時，某種材料加工時允許的切削速度。vT越大，材料的可加工性越好。相對指標Kr：以抗拉強度的45＃鋼的V60為基準（V60），把其他材料的V60與之相比。三.材料切削加工性的改善改善途徑調整化學成分，發展易切鋼進行合適的熱處理改變工藝方法，如低碳鋼冷拉降低塑性改變切削條件，如選擇合適的刀具材料，幾何參數，切削用量與切削液等四.難加工材料

高強度鋼、不銹鋼、高溫合金、鈦合金等材料硬度高（高溫硬度高）；加工硬化大；有高硬度的硬質點；導熱性差，切削溫度高；強度大，特別是高溫強度大；化學活性大；彈性變形大

§6-2刀具切削性能提高刀具切削性能的措施設計合理，製造品質高；合理選材；合理的幾何參數

刀具切削部分的材料

1.刀具材料應具備的性能強度和韌性硬度和耐磨性耐熱性其他性能(1)強度和韌性強度:抗彎強度σb(GPa或者Kg/mm2)韌性：衝擊韌性ak(KJ/m2或者Kg/cm2))(2)硬度和耐磨性影響耐磨性的因素：硬度；硬質點性質數量和分佈；顯微組織；抗粘結性工具鋼HRC60～65高速鋼HRC60～70硬質合金HRA89~94陶瓷HRA91~95立方氮化硼(CBN)HV8000～9000金剛石HV1000(3)耐熱性(紅硬性)高溫下保持高硬度的能力，通常採用刀具材料硬度顯著降低時的溫度錶示工具鋼200～250℃高速鋼550～600℃硬質合金800～1000℃陶瓷1200℃立方氮化硼(CBN)1400～1500℃金剛石700℃以下(4)其他性能良好的導熱性抗粘附性高溫高壓下刀具與工件材料在接觸面處抵抗熔結的能力工藝性熱處理性能，可加工性，刃磨性能2.刀具材料的種類及其選用高速鋼硬質合金陶瓷金剛石立方氮化硼(1)高速鋼(HHS)高速鋼HHS：W、Mo和Cr含較高的合金工具鋼，許用切削速度高於一般的合金工具鋼。W、Mo溶於基體，提高紅硬性；W、Mo、Cr等形成高硬度的碳化物，提高硬度和耐磨性。高速鋼HHS的分類鎢系高速鋼工藝性好，通用性好；但硬度不高W18Cr4V鉬系高速鋼韌性好、碳化物細小均勻；但易脫碳，淬火溫度範圍窄W6Mo5Cr4V2高鈷高速鋼高溫硬度高，基體強度高，耐磨性好；但價格昂貴。W2Mo9Cr4VCo8高碳高釩高速鋼高溫硬度高，韌性好，耐磨性好；但價格昂貴，難刃磨。W12Cr4V4Mo高釩含鋁高速鋼耐磨性好，硬度高，可磨性差W6Mo5Cr4V2Al稀土高速鋼晶粒細小，碳化物分佈均勻，韌性最好；但價格較貴。W14Cr4VMnReHHS的選擇根據工件材料的性質：一般選擇通用型，難加工材料選高鈷、高釩高速鋼。根據工件的形狀和刀具的類型：簡單刀具可選擇高釩高速鋼，複雜刀具可選擇鎢系、鉬系低鈷高速鋼（不可選高釩高速鋼），鑽頭選鉬系高速鋼。根據加工方式：斷續加工選用韌性較好的鉬系高速鋼和稀土高速鋼。若選用高鈷、高釩高速鋼必須採用適當的熱處理，提高其韌性(2)硬質合金由高硬度高熔點的金屬碳化物和金屬粘結劑組成，經過粉末冶金方法製造的。金屬碳化物有：WC、TiC、TaC、NbC等，金屬粘結劑有：Co、Mo、Ni等。金屬碳化物具有高硬度、高熔點、化學穩定、熱穩定等特點，因而硬質合金的耐磨性和紅硬性較好，刀具的耐用度較高。同類硬質合金粘結劑含量越多刀具的韌性越好，但硬度越低。硬質合金的選用鎢鈷類鎢鈷鈦類通用類符號YGYTYW成分WC＋CoWC、TiC＋CoWC、TiC、TaC(NbC)＋Co牌號YG8YT14YW3硬度/紅硬性低/低高/高較高/高強度和韌性大小大導熱性大小抗氧化和粘結性低高高工件材料脆性材料塑性材料塑性、脆性材料均可刀具磨損後刀面磨損前刀面磨損前、後刀面磨損切削力重載、大切削力(3)陶瓷以為Al2O3或Si3N4為主要成分，添加少量粘結劑高溫燒結而成的一種微晶顯微組織的刀具材料。特點：硬度很高、耐磨性好、耐熱性高、化學穩定、摩擦係數低、強度和韌性差，脆性大，易崩刃，刃磨困難。用途：主要用於精加工和半精加工，大件零件和高精度零件加工。(4)金剛石天然，PVD、CVD。特點：硬度最高、耐磨性好、摩擦係數最低、導熱係數最大、強度和韌性不高，熱穩定性差，刃磨困難，和鐵和鈦有很強的化學親和力。用途：主要用於有色金屬及其合金、非金屬材料的半精加工、精加工和超精加工。不由於加工黑色金屬、鈦及其合金。(5)立方氮化硼

由較軟的六方氮化硼經過高溫高壓法轉化而成。特點：硬度很高、耐磨性好、耐熱性高、化學穩定、摩擦係數低。可直接加工淬火鋼、鑄鐵、高溫合金等，可以使工件產生殘餘壓應力。二.合理的刀具幾何參數前角後角主偏角刃傾角1.前角的功用及選擇前角的功用影響切削區的變形程度：前角↑

前刀面的擠壓↓

塑性變形↓

切削在前刀面的摩擦阻力↓

切削力↓

切削熱↓。影響切削刃與刀頭的強度、受力性質、散熱條件：前角↑

切削刃與刀頭的強度↓

力的方向變化，散熱條件變壞，刀具易磨損，易崩刃。不同材料的刀尖受力點不同前角的刀尖受力情況2.前角選擇前角選擇工件材料塑性選較大的前角脆性選較小的前角強度(硬度)高選較小的前角強度(硬度)低選較大的前角刀具材料強度高韌性好選較大的前角強度低脆性大選較小的前角3.後角功用及選擇後角功用.減小後刀面與工件的接觸面積，減小後刀面磨損影響刀尖圓弧半徑：後角↑，尖圓弧半徑↓，刀具越鋒利影響切削刃強度、散熱體積：後角↑，切削刃強度↓，散熱條件變壞在同樣的VB下影響刀具的耐用度：VB不變，後角↑，刀具切削的金屬體積增加，刀具耐用度↑。後角選擇精加工選較大的後角粗加工選較小的後角4.主偏角功用和選擇主偏角的功用影響切削分力Fx、Fy比例：主偏角↓，Fy↑，系統剛度較高影響切削刃的工作長度和切削厚度：在進給量和切深不變時，主偏角↓，切削刃的工作長度↑，切削厚度↓，單位長度切削刃負載↓，刀具耐用度↑。影響殘餘面積和散熱條件：主偏角↑，刀尖圓弧半徑↑，殘餘面積↓，散熱條件改善。主偏角的選擇工件材料強度高的工件材料選較小的主偏角。工藝系統剛度工藝系統剛度較好，選較小的主偏角；工藝系統剛度較差，選較大的主偏角加工方式粗加工、半精加工，選較大的主偏角。單件小批生產，選用主偏角為90°的適用性好的刀具。5.刃傾角的功用及選擇刃傾角的功用控制切屑流出方向：刃傾角大於零，切屑朝操作者和床頭方向流出，不會碰上已加工表面。刃傾角小於零，切屑朝工件已加工表面方向流出。影響刀尖的強度：刃傾角大於零，刀尖最高，切削時刀尖先於刀面和工件接觸，有衝擊時易崩刃；刃傾角小於零，刀尖最低，切削時刀面先於刀尖和工件接觸，有利於保護刀尖。影響實際前角和實際刀尖圓弧半徑：刃傾角↑，實際前角↑，實際刀尖圓弧半徑↓，刀具鋒利，較大的刃傾角可以切削很薄的切削層，因而微量精加工時，常用較大的刃傾角。刃傾角的選擇工件材料強度(硬度)高時，選較小的刃傾角，負刃傾角。加工情況一般鋼材和鑄鐵精車：0°～5°粗車：0°～－5°一般衝擊載荷:-5°～-15較大衝擊載荷:-30°～-45微量精車、精铇、精鏜45°～75°強力切削-10°～-20°§6-3刀具耐用度和切削用量的合理選擇刀具耐用度的合理選擇切削用量的制定切削過程的優化一.刀具耐用度的合理選擇原則刀具耐用度的選擇依據最大生產率耐用度：依據單件工序工時最低原則制定的刀具耐用度，tp。經濟耐用度：依據單件工序成本最低原則制定的刀具耐用度，tc。1.工序費用與刀具耐用度的關係2.經濟耐用度tc原則單件工序費用＝加工費用＋換刀費用＋刀具使用成本＋輔助費用tm：工序切削加工工時；tct：一次換刀所需時間；tot：除換刀以外的輔助時間；M：單位時間內工序分攤的企業費用；Ct：刀具成本；t：刀具耐用度tm：工序切削加工工時；tct：一次換刀所需時間；tot：除換刀以外的輔助時間；M：單位時間內工序分攤的企業費用；Ct：刀具成本；t：刀具耐用度經濟耐用度tc計算單件工序成本最低，令dC/dt=0其中m是刀具耐用度Vtm＝A中的指數，tc對於的速度為經濟切削速度vc3.最大生產率耐用度tp原則單件工序工時最低，令dtw/dt=0其中m是刀具耐用度Vtm＝A中的指數，tp對於的速度為最大生產率切削速度vp

4.兩種刀具耐用度的比較二.切削用量的制定和切削過程最優化

1.切削用量的制定從刀具耐用度分析：對刀具耐用度影響的順序為v>f>ap生產率用單位時間切除的金屬量Zw=V*f*ap切削用量的制定原則：在工藝系統強度和剛度允許的條件下，首先選擇盡可能大的切深ap，其次根據加工條件和要求選用所允許的最大f，最後根據刀具耐用度選擇合適的v

2.切削過程的優化切削過程的優化：根據最優化目標，找出切削過程的最佳加工條件最優化目標最低的單件生產成本最大生產率最大單件利潤等約束條件機床的功率、速度、進給量工件的剛度、精度、表面粗糙度刀具的剛度、強度、磨損最小切深、積屑瘤、斷屑等最優化目標最低的單件生產成本最大生產率最大單件利潤等約束條件機床的功率、速度、進給量工件的剛度、精度、表面粗糙度刀具的剛度、強度、磨損最小切深、積屑瘤、斷屑等3.切削過程的電腦優化流程圖金屬切削原理與刀具PrincipleofMetalCuttingandCuttingTools

磨削基礎

磨削是常用的精加工方法精度：5－7級，甚至±1微米表面粗糙度：Ra0.8-Ra0.1,甚至Rz0.01硬材料的有效加工手段§7-1砂輪的特性與選擇常用磨削工具：砂輪、砂布、砂帶、油石等砂輪磨料和結合劑燒結而成的多孔體

砂輪的六因素：磨料，粒度，結合劑，組織，硬度，尺寸1.磨料磨料具備的條件硬度高、紅硬性好；有一定的強度和韌性；有鋒利的邊刃

常用的磨料系列

成

分

顯微硬度(HV)氧化物系

Al2O32000～2300碳化物系

SiCBC2800～4500超硬磨料

CBN8000～9000金剛石8000～100002.粒度粒度：磨料顆粒的大小，分12、14、16、20、24、30、36、46、60、70、80、100、120、150、180、240、280共17級。數字表示每英寸上的篩眼數，數字越大，表示粒度越細。比280號還細的磨料粒度用W表示，如W2.5表示微粉的尺寸在1.5～2.5微米。3.結合劑結合劑：將磨料粘結成各種形狀和尺寸的砂輪，直接影響砂輪的強度、耐熱性和耐用度。砂輪強度：砂輪在離心力作用下不被破壞的能力，用安全速度表示，一般取30m/s。結合劑的選擇種類主要成分特點應用場合無機類陶瓷黏土、生長石、滑石、硼玻璃、矽石等

化學穩定性好、耐酸堿、耐高溫，但脆性大、易碎裂

磨削厚度大、軸向力小、速度小於35m/s

金屬青銅

強度高、韌性好，但自礪性差

金剛石砂輪

有機類樹脂酚醛、環氧

彈性好，但化學穩定性差，不耐酸堿，溫度不能超過200℃

磨狹窄的溝槽、切割磨片、熱敏材料的磨具

橡膠人造橡膠

彈性好，但化學穩定性差，不耐酸堿，溫度不能超過200℃

磨狹窄的溝槽、切割磨片、熱敏材料的磨具、導輪、拋光輪。

4.硬度硬度：結合劑對磨料的粘結力。粘結力越大，磨料越不易脫落，砂輪的硬度越高。砂輪自礪性：砂輪上磨粒鈍化後，磨削力增大，表層的磨粒自行脫落，裏層有鋒利邊刃的磨料露出，代替磨鈍的磨粒參加磨削。砂輪自礪性與砂輪硬度有關:硬度高，磨粒不易脫落，自礪性差；硬度低，磨粒易脫落，自礪性好。砂輪硬度的選擇磨削條件

工件硬度

工件種類

加工接觸面

磨削種類

砂輪粒度

高低有色金屬、橡膠、樹脂

淬火鋼

大

小精磨、成形磨

粗磨

細粗砂輪硬度軟硬軟硬軟硬硬軟軟硬5.組織磨料、結合劑、氣孔三者比例關係。磨料的比例越大，則砂輪越緊密。砂輪組織選擇組織組織號選用緊密類0、1、2、3重壓力磨削、成形磨削、精密磨削

中等類

4、5、6、7一般情況下的磨削

疏鬆類

8、9、10、11、12接觸面較大的磨削、熱敏材料的磨削、薄壁件磨削、軟質材料磨削

6.形狀與尺寸

平形、薄片、筒形、碗形、碟形等。同一形狀有多種規格的尺寸。§7-2磨削運動和磨削要素磨削運動磨削要素一.磨削運動磨削方法：外圓磨內圓磨平面磨無心磨外圓磨示意圖1.砂輪的旋轉運動V即磨削速度，主運動v↑,Ra↓，但受砂輪的強度限制，常用30－35m/s2.工件旋轉運動Vw又稱圓周進給運動，即工件速度vw↑，生產率↑，工件磨削燒傷↓；但vw過大，振動↑，工件Ra↑。3.軸向進給運動fa工件轉動一圈，工件和砂輪在砂輪軸線方向的相對移動。根據砂輪寬度B選擇。粗磨fa＝(0.3~0.85)B精磨fa＝(0.2~0.3)B4.徑向進給運動fr工作臺兩個行程之間砂輪在半徑方向上的相對位移。粗磨fr＝0.01~0.07mm/行程精磨fr＝0.005~0.02mm/行程二.磨削要素單個磨粒的切削厚度acgmax當量磨削厚度aceq

1.單個磨粒切削厚度的計算2.單個磨粒切削厚度公式l-相鄰兩磨料的圓周距離:l↓（砂輪組織密），acgmax↓Vw-工件轉速:Vw↑，acgmax↑，但磨粒的負荷增加，砂輪磨損快。

V-砂輪轉速:Vw↑，acgmax↓，可使工件表面品質得到改善。B-砂輪寬度:砂輪寬度↑，同時參與磨削的磨粒個數成比例↑，acgmax↓。

fr-徑向進給量:acgmax與fr成正比，fr提高一倍，acgmax只提高41.4%，所有在剛度允許的情況下，採用fr↑，fa↓，可以提高生產率（深磨法）。

fa-軸向進給量:fa↑，同一時間磨去的金屬量成比例↑，acgmax↑。do-砂輪直徑;do↑，acgmax↓，磨粒的負荷降低，工件表面品質改善。dw-工件直徑:dw↓，acgmax↑。3.當量磨削厚度磨粒分佈和切削的隨機性使得很難以“切削厚度”的概念為基礎來研究磨削過程CIRP提出以當量磨削厚度的概念作為研究磨削過程的基本參數當量磨削厚度的概念單位寬度的砂輪切除的金屬量，沿著砂輪速度方向鋪成一條寬度相同，長度為l的假想金屬帶，金屬帶的厚度就是aceq。單位時間砂輪切除的金屬體積Zw當量磨削厚度的意義aceq與磨削力，表面粗糙度和金屬去除率有著良好的線性關係Aceq不能反應與砂輪有關的參數，與磨削溫度沒有明顯的線性關係§7-3磨削原理砂輪的幾何特性切屑的形成過程磨削力與磨削過程

磨削熱與磨削溫度一.砂輪的幾何特性1.砂輪的幾何特徵磨粒在砂輪的圓周方向、半徑方向均隨機分佈；實際參與磨削的有效切削刃數量隨磨削工藝變化磨粒形狀不規則，以八面菱形為最多2.磨粒的特點刀尖角為90～120°，負前角；切削刃為空間曲線，前刀面為空間曲面，且形狀不規則；磨粒的切削刃有幾個到幾十個微米的圓角；經過修整，磨粒上會出現微刃。二.切屑的形成過程磨削的切削厚度很薄，為0.005-0.05mm過程分為滑擦，刻劃，切削三個階段1.切屑形成過程的三個階段劃擦階段磨粒擠壓工件，產生彈性變形刻劃階段磨粒前方和兩側金屬產生塑性變形而隆起，切削階段磨粒前方金屬層的厚度達到臨界值，金屬滑移成為切屑。2.磨屑的形狀三.磨削力與磨削過程的三個階段1.磨削力的特徵產生：工件彈性變形和塑性變形的阻力；磨粒與切屑、磨粒與工件之間的摩擦力特點：摩擦力所占比例大；徑向分力Fy大於切向分力Fz，Fz大於軸向分力Fx。材料的塑性越小，Fy/Fz就越大。2.磨削的三個階段由於磨削時徑向分力Fy很大，在磨削過程中工件在半徑方向的變形很大，同時磨削的深度fr很小，在磨削過程中fr會發生變化：fr實<fr名；fr實≈fr名；fr實>0，fr名＝0三種情況。fr實實際磨削深度；fr名名義徑向進給量

fr名粗磨階段tm1

光磨階段tm3穩定階段tm2

frfr實<fr名

fr實≈fr名

fr實>0fr名＝0

粗磨階段tm1：fr實<fr名，原因是工藝系統由於磨削力產生讓刀。隨著進給次數↑，工藝系統彈性變形↑，變形抗力↑，實際磨削深度fr實↑。穩定階段tm2：fr實≈fr名，當變形抗力和徑向磨削分力Fy相等時，工藝系統的彈性變形量穩定，fr實≈fr名。光磨階段tm3：fr實>0，fr名＝0。機床的徑向進給停止，fr名＝0，仍然有火花，因為工藝系統彈性恢復，實際磨削深度逐漸減小，工件的精度↑，表面粗糙度↓