金属切削过程及其变形规律

关于金属切削过程及其变形规律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第2页,共136页，星期六，2024年，5月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第3页,共136页，星期六，2024年，5月2.切屑形成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第4页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分第5页,共136页，星期六，2024年，5月3.变形区的划分3.1.1切屑形成的力学模型和变形区的划分第6页,共136页，星期六，2024年，5月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第7页,共136页，星期六，2024年，5月2.剪切角的计算1)麦钱特(M．E．Merchant)公式

求微商，并令，可求出Fr为最小值时φ之值。

3.1.2第一变形区的变形及其简化第8页,共136页，星期六，2024年，5月2)李和谢弗(LeeandShaffer)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。

3.1.2第一变形区的变形及其简化第9页,共136页，星期六，2024年，5月(1)当前角γo增大时，φ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β增大时，φ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。3.1.2第一变形区的变形及其简化第10页,共136页，星期六，2024年，5月1.第二变形区内金属的挤压变形

3.1.3第二变形区的变形第11页,共136页，星期六，2024年，5月2.前刀面上的摩擦

3.1.3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－滑动区长度第12页,共136页，星期六，2024年，5月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2～3.5倍。第13页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.3第二变形区的变形在Ⅰ区里形成粒状切屑或节状切屑，这时没有积屑瘤出现。在Ⅱ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Ⅱ区的右边界时，积屑瘤的高度达到最大值。第14页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.3第二变形区的变形在Ⅲ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Ⅲ区右边界之值时，积屑瘤便消失。在Ⅳ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。

第15页,共136页，星期六，2024年，5月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第二变形区的变形第16页,共136页，星期六，2024年，5月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第二变形区的变形第17页,共136页，星期六，2024年，5月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可知在刀具的前角一定的情况下，相对滑移仅与剪切角φ有关。第18页,共136页，星期六，2024年，5月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第19页,共136页，星期六，2024年，5月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第20页,共136页，星期六，2024年，5月3.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Λ≥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Λ=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γo=15°～30°，变形系数即使具有同一的数值，倘若前角不相同，相对滑移仍然不相等，前角愈小，ε就愈大。(5)当Λ＜1.2时，不能用Λ表示变形程度。原因是：当Λ在1～1.2之间，Λ虽减小，但ε却变化不大。3.1.4变形程度的表示方法第21页,共136页，星期六，2024年，5月1.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。第22页,共136页，星期六，2024年，5月2.切屑的控制

3.1.5切屑的类型与折断1)切屑的形状

第23页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.5切屑的类型与折断2)卷屑和断屑第24页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.5切屑的类型与折断第25页,共136页，星期六，2024年，5月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γo愈小，切屑变形愈大，容易折断。3.1.5切屑的类型与折断第26页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.6切屑变形的变化规律1.工件材料

1－00 2－103－15 4－20Cr5－20 6－9Cr7－T8-1 8－309－2Cr13 10－40CrWSi11－35Cr3MoNi12－40 13－6014－5015－18CrNi316－1Cr18Ni9Ti17－T8 18－T1219－35CrNi3第27页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.6切屑变形的变化规律表3-1不同材料的摩擦系数μ工件材料σb/MPaHBShD/mm0.10.140.180.22铜213550.780.760.750.7410钢3621020.740.730.720.7210Cr4801250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti6341700.710.700.680.67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σav增大，摩擦系数μ减小，摩擦系数μ减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，所以变形系数减小。第28页,共136页，星期六，2024年，5月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γo。实验结果表明：(1)刀具前角γo越大，变形系数越小。第29页,共136页，星期六，2024年，5月3.1.6切屑变形的变化规律(2)刀具前角γo越大，摩擦系数μ越大。第30页,共136页，星期六，2024年，5月一方面由于前角γo增大，剪切角φ增大，变形系数减小，这是前角γo对变形的直接影响。另一方面前角γo还通过摩擦角β间接的影响变形程度。即前角γo增大，作用在前刀面上的法向应力σav减小，摩擦角β增大，剪切角φ越小，变形增大。但是这种间接影响小于直接影响，所以前角γo增大时，变形系数还是减小。3.1.6切屑变形的变化规律第31页,共136页，星期六，2024年，5月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

第32页,共136页，星期六，2024年，5月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。第33页,共136页，星期六，2024年，5月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。第34页,共136页，星期六，2024年，5月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、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第35页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.1切削力的来源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。第36页,共136页，星期六，2024年，5月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、分力及功率第37页,共136页，星期六，2024年，5月2.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%)，可以忽略不计第38页,共136页，星期六，2024年，5月1.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切削力的测量第39页,共136页，星期六，2024年，5月2.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切削力的测量第40页,共136页，星期六，2024年，5月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第41页,共136页，星期六，2024年，5月2.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第42页,共136页，星期六，2024年，5月3.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。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第43页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.4切削力经验公式的建立第44页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.4切削力经验公式的建立同理可得综合各因素对Fc的影响第45页,共136页，星期六，2024年，5月1.工件材料工件材料强度、硬度越高，则τs越大，切削力Fc也随之增大。但是由于强度增高。摩擦系数μ降低，摩擦角β减小，使得剪切角φ增大，所以变形系数Λh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影响切削力的因素第46页,共136页，星期六，2024年，5月工件材料的强度、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影响切削力的因素第47页,共136页，星期六，2024年，5月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影响切削力的因素第48页,共136页，星期六，2024年，5月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影响切削力的因素第49页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.5影响切削力的因素加工钢时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。第50页,共136页，星期六，2024年，5月加工铸铁时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。3.2.5影响切削力的因素第51页,共136页，星期六，2024年，5月3.刀具前角γo对切削力的影响最大。

3.2.5影响切削力的因素第52页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.5影响切削力的因素车刀的负倒棱是通过其宽度bγ1与进给量f的比值，来影响切削力的。第53页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.5影响切削力的因素κr对Fc的影响不大，对Fp、Ff的影响较大。

第54页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.5影响切削力的因素当κr、f、ap一定时，rε增大，Fc变化不大，但Ff减小，而Fp增大，第55页,共136页，星期六，2024年，5月3.2.5影响切削力的因素λs对Fc影响不大，而对Fp、Ff影响较大。第56页,共136页，星期六，2024年，5月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。Fp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57页,共136页，星期六，2024年，5月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第58页,共136页，星期六，2024年，5月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切削热的产生和传出第59页,共136页，星期六，2024年，5月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%第60页,共136页，星期六，2024年，5月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第61页,共136页，星期六，2024年，5月3.3.2切削温度及其分布和测量第62页,共136页，星期六，2024年，5月3.3.2切削温度及其分布和测量第63页,共136页，星期六，2024年，5月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第64页,共136页，星期六，2024年，5月3.3.2切削温度及其分布和测量第65页,共136页，星期六，2024年，5月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第66页,共136页，星期六，2024年，5月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；(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)工件材料导热系数越低，前、后刀面的温度越高。第67页,共136页，星期六，2024年，5月3.3.2切削温度及其分布和测量第68页,共136页，星期六，2024年，5月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Cθxθyθzθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.1铣削80钻削150硬质合金车削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3第69页,共136页，星期六，2024年，5月通过对比表中数据可知xθ＞yθ＞zθ，说明切削用量三要素对切削温度的影响v＞f＞ap，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Cθxθyθzθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.1铣削80钻削150硬质合金车削320f/(mm/r)0.410.310.260.150.050.10.20.3第70页,共136页，星期六，2024年，5月1)切削速度v3.3.3影响切削温度的主要因素第71页,共136页，星期六，2024年，5月2)进给量f3.3.3影响切削温度的主要因素第72页,共136页，星期六，2024年，5月3)背吃刀量ap3.3.3影响切削温度的主要因素第73页,共136页，星期六，2024年，5月2.刀具几何参数1)前角γo对切削温度的影响3.3.3影响切削温度的主要因素第74页,共136页，星期六，2024年，5月2)主偏角κr对切削温度的影响3.3.3影响切削温度的主要因素第75页,共136页，星期六，2024年，5月3)负倒棱宽度br和刀尖圆弧半径rε对切削温度的影响负倒棱宽度在(0～2)f范围内变化，刀尖圆弧半径在0～1.5mm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第76页,共136页，星期六，2024年，5月3.工件材料1)工件材料的强度、硬度越高，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第77页,共136页，星期六，2024年，5月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第78页,共136页，星期六，2024年，5月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第79页,共136页，星期六，2024年，5月4)脆性金属的抗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第80页,共136页，星期六，2024年，5月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第81页,共136页，星期六，2024年，5月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82页,共136页，星期六，2024年，5月第四节切削热和切削温度

目录3.4.1刀具磨损的形式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第83页,共136页，星期六，2024年，5月切削时，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刀具磨损的形式第84页,共136页，星期六，2024年，5月1.前刀面磨损3.4.1刀具磨损的形式第85页,共136页，星期六，2024年，5月2.后刀面磨损3.4.1刀具磨损的形式第86页,共136页，星期六，2024年，5月3.边界磨损3.4.1刀具磨损的形式第87页,共136页，星期六，2024年，5月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－热化学磨损第88页,共136页，星期六，2024年，5月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。第89页,共136页，星期六，2024年，5月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。第90页,共136页，星期六，2024年，5月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(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4－12Cr18Ni9Ti

5－钛

6－纯铁(d)YG8加工4－12Cr18Ni9Ti

5－钛

6－纯铁第91页,共136页，星期六，2024年，5月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。第92页,共136页，星期六，2024年，5月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。第93页,共136页，星期六，2024年，5月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，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。第94页,共136页，星期六，2024年，5月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。第95页,共136页，星期六，2024年，5月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。第96页,共136页，星期六，2024年，5月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。第97页,共136页，星期六，2024年，5月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0.1～0.3合金钢粗车，粗车刚性较差的工件0.4～0.5碳素钢粗车0.6～0.8铸铁件粗车0.8～1.2钢及铸铁件大件低速粗车1.0～1.5第98页,共136页，星期六，2024年，5月1.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。第99页,共136页，星期六，2024年，5月2.刀具耐用度方程3.4.4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。第100页,共136页，星期六，2024年，5月3.4.4刀具耐用度及其与切削用量的关系vTm=C0

第101页,共136页，星期六，2024年，5月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，v－T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。第102页,共136页，星期六，2024年，5月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。第103页,共136页，星期六，2024年，5月3.4.5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104页,共136页，星期六，2024年，5月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残余应力返回目录第105页,共136页，星期六，2024年，5月1.已加工表面形成过程3.5.1已加工表面的形成过程第106页,共136页，星期六，2024年，5月2.刃前区应力分布3.5.1已加工表面的形成过程第107页,共136页，星期六，2024年，5月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。第108页,共136页，星期六，2024年，5月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第109页,共136页，星期六，2024年，5月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第110页,共136页，星期六，2024年，5月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第111页,共136页，星期六，2024年，5月经过切削后的表面，其硬度往往是基体硬度的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加工硬化第112页,共136页，星期六，2024年，5月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加工硬化第113页,共136页，星期六，2024年，5月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加工硬化第114页,共136页，星期六，2024年，5月

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Δhd，单位为μm。3.5.4加工硬化表3-12钢件表面的硬化深度Δhd和硬化程度N

加

工

方

法平均硬化深度Δhdμm平均硬化程度N/(%)高速车削30～50120～150精车20～60140～180钻孔180～200160～170拉削20～75150～200滚(插)齿120～150160～200外圆磨削(未淬火)30～60140～160研磨3～7110～117第115页,共136页，星期六，2024年，5月3.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加工硬化第116页,共136页，星期六，2024年，5月2)刀具几何参数与磨损(1)前角γo越大，金属的塑性变形越小，Δhd越小。3.5.4加工硬化第117页,共136页，星期六，2024年，5月(2)后角αo越大，Δhd越小。(3)切削刃钝圆半径rn越大，挤压与摩擦越严重，Δhd越大。3.5.4加工硬化第118页,共136页，星期六，2024年，5月(4)刀具磨损量VB越大，后刀面与已加工表面的摩擦越大，Δhd越大。3.5.4加工硬化第119页,共136页，星期六，2024年，5月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加工硬化第120页,共136页，星期六，2024年，5月(2)进给量f的增加，将使硬化深度增加；3.5.4加工硬化第121页,共136页，星期六，2024年，5月(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加工硬化第122页,共136页，星期六，2024年，5月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残余应力第123页,共136页，星期六，2024年，5月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残余应力第124页,共136页，星期六，2024年，5月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残余应力第125页,共136页，星期六，2024年，5月2.影响因素