《机械制造技术》课件2第1章

1.1零件的成形方法及切削用量三要素1.2刀具材料1.3刀具几何角度的标注1.4刀具的工作角度1.5切削变形1.6切削力与切削功率1.7切削热和切削温度1.8刀具磨损与刀具寿命1.9切削参数的合理选择1.10合理选择切削条件1.1.1零件的成形方法

机械制造中，把原材料或毛坯制造成为合格零件称为零件的成形。由零件质量m的变化对制造工艺进行分类，零件的成形方法可以分为以下三种类型。

(1)Δm<0，是指在机械制造过程中通过材料被逐渐切除而获得需要的几何形状的切削加工方法，即材料切除法。它包括车削、铣削、刨削、磨削、钻削及特种加

工等，这是本书重点介绍的内容。1.1零件的成形方法及切削用量三要素

(2)Δm=0,是指零件在成形前后，材料主要发生形状变化，而质量基本不变的制造过程。如铸造、锻造及模具成型(冲压、注塑)等加工工艺。

(3)Δm>0，是指零件在成形过程中通过材料累加而获得需要的几何形状的加工过程，这一工艺方法的长处是可以成形任意复杂形状的零件，而无需刀、夹具等生产准备活动。

如20世纪80年代出现的快速成形RP(RapidPrototyping)技术及焊接等加工工艺。1.1.2切削运动和切削用量三要素

金属切削加工是Δm<0的加工方法，是通过刀具与工件之间的相互作用和相对运动切除工件表面多余金属而获得尺寸和形状位置精度的。

1.切削运动

1)主运动

主运动是由机床或人力提供的刀具和工件之间的主要相对运动。它的速度最高，消耗功率最大。机床的主运动只有一个。主运动可以由工件,也可由刀具完成。如图1-1所示,车削时的主运动是工件的旋转运动。

2)进给运动

进给运动是由机床或人力提供的刀具和工件之间附加的相对运动。它配合主运动，不断地将多余金属层切除，以保持切削连续或反复地进行。进给运动不限于一个，可是连续的，也可是间歇的，如图1-1中车削时的纵向和横向进给运动。图1-1车削运动切削时工件上形成三个不断变化的表面：

(1)待加工表面。待加工表面指即将被切除的表面。

(2)过渡表面。过渡表面指切削刃正在切削的表面。

(3)已加工表面。已加工表面指经切削形成的新表面。

2.切削用量三要素

切削用量是对切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称(以车削为例)，也是切削运动的定量描述。

1)切削速度vc

vc是切削刃上选定点相对于工件的主运动线速度。当主

运动为旋转运动时，其切削速度vc(单位为m/min)为

式中:dw——完成主运动的工件或刀具的最大直径(单位为mm)；

n——主运动的转速(单位为r/min)。

2)进给量f

当主运动旋转一周时，刀具(或工件)沿进给方向上的位移量即为f。进给量f(单位为mm/r)的大小反映着进给速度vf(单位为mm/min)的大小，关系为

vf=nf=nzfz

3)背吃刀量ap

车削时，ap(单位为mm)是工件上待加工表面与已加工表面间的垂直距离。其表达式为式中:dw——工件待加工表面的直径，单位为mm；

m——工件已加工表面的直径，单位为mm。

4)合成切削速度ve

在主运动与进给运动同时进行的情况下，切削刃上任一点的实际切削速度是切削速度和进给速度的合成速度ve。其表达式为

ve=vc+vf

3.切削层横剖面参数

切削时，刀具切过工件的一个单程所切除的工件材料层，称为切削层。切削层的金属被刀具切削后直接转变为切屑。切削层参数包括：切削层公称横截面积、切削层公称宽度、切削层公称厚度。

1)切削层公称横截面积AD

AD简称切削面积，是在切削层尺寸平面里度量的横截面积。如图1-1所示工件旋转一周，刀具从位置Ⅰ移到Ⅱ，切下的Ⅰ与Ⅱ之间的工件材料层ABCD称为切削层公称横截面积。

2)切削层公称宽度bD

bD简称切削宽度，是平行于过渡表面度量的切削层尺寸。

3)切削层公称厚度hD

hD简称切削厚度,是垂直于过渡表面度量的切削层尺寸。图1-2切削层参数由图1-2可见，以上各参数的计算公式如下：1.2.1刀具材料应具备的性能

刀具材料应满足以下基本要求:

(1)高的硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件的硬度，才能切削工件，在常温下，刀具材料的硬度一般应该在60HRC以上。耐磨性即抵抗磨损的能力，一般情况下，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。1.2刀具材料

(2)足够的强度和冲击韧性。强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能，一般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力。一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。只有具备足够的强度和冲击韧性，刀具才能承受切削力和切削时产生的振动，避免脆性断裂和崩刃。

(3)高的耐热性(红硬性)。红硬性指刀具材料在高温下仍能保持高的硬度、强度基本不变的能力，一般用保持刀具切削性的最高温度来表示。

(4)良好的热物理性能和化学稳定性。刀具应具备良好的导热性、导电性、抗腐蚀、抗氧化能力。

(5)较好的工艺性与经济性。工具钢应有较好的热处理工艺性；淬火变形小、淬透层深、脱碳层浅；高硬度材料需有可磨削加工性；需焊接的材料，宜有较好的导热性与焊接工艺性。1.2.2刀具材料的类型

1.碳素工具钢与合金工具钢

碳素工具钢是含碳量最高的钢，如T8、T10A。碳素工具钢淬火后具有较高的硬度，而且价格低廉。但这种材料的耐热性较差，当温度达到200℃时，即失去它原有的硬度，并且淬火时容易产生变形和裂纹。

合金工具钢是在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等合金元素形成的刀具材料(如9SiCr)。由于合金元素的加入，与碳素工具钢相比，其热处理变形有所减小，耐热性也有所提高。

以上两种刀具材料因其耐热性都比较差，所以常用于制造手工工具和一些形状较简单的低速刀具，如锉刀、锯条、铰刀等。

2.高速钢

高速钢又称为锋钢或风钢，它是含有较多W、Cr、Mo、V合金元素的高合金工具钢，如(W18Cr4V)。与工具钢相比，高速钢具有较高的耐热性，温度达600℃时，仍能正常切削;其许用切削速度为30～50m／min，是碳素工具钢的5~6倍;而且它的强度、韧性和工艺性都较好，

可广泛用于制造中速切削及形状复杂的刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、各种齿轮加工工具。表1-1列出了一些常用高速钢的牌号与性能。表1-1常用高速钢的牌号与性能

3.硬质合金

硬质合金是由高硬度的难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(如Co、Ni等)经粉末冶金方法制成的。由于硬质合金中所含难熔金属碳化物远远超过了高速钢，因此硬质合金的硬度(特别是高温硬度)、耐磨性、耐热性都高于高速钢。硬质合金的常温硬度可达89～93HRA(高速钢为83～86HRA)，耐热温度可达800～1000℃。在相同耐用度下，硬质合金刀具的切削速度比高速钢刀具提高了4～10倍，因此硬质合金刀具是高速切削的主要刀具材料。但硬质合金较脆，抗弯强度低，仅是高速钢的1／3左右；韧性也很低，仅是高速钢的十分之一至几十分之一。目前，硬质合金大量应用在刚性好、刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。常用硬质合金的牌号、成分与性能见表1-2。其中，钨钴类(YG)硬质合金一般用来加工铸铁和有色金属，也适于加工不锈钢、高温合金、钛合金等难加工材料，此类硬质合

金有较好的抗弯强度和冲击韧性以及较高的导热系数；钨钛钴类(YT)硬质合金一般用于钢料的连续切削，此类硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性及抗粘结性能好，而抗弯强度及韧性较差；添加钽(铌)类硬质合金一般用于加工耐热钢、不锈钢等难加工材料，也可替代YG和YT类使用，此类硬质合金有良好的综合性能。从表1-2中可以看出，硬质合金随含钴(Co)量增多，其强度和韧性增高，故含钴量高的硬质合金一般用于粗加工。随含钴量减少，其硬度高，耐磨性好，故含钴量低的硬质合金一般用于精加工。成分相同、颗粒细小的硬质合金，其硬度及耐磨性有所提高，但抗弯强度有所下降，故细颗粒的硬质合金一般也用于精加工。

4.其他刀具材料

1)陶瓷

陶瓷的硬度可达到91~95HRA，耐磨性好，耐热温度可达1200℃(此时硬度为80HRA)，它的化学稳定性好，抗粘结能力强，但它的抗弯强度很低，仅有0.7～0.9GPa，故

陶瓷刀具一般用于高硬度材料的精加工。

2)人造金刚石

人造金刚石的硬度很高，其显微硬度可达10000HV，是除天然金刚石之外最硬的材料。它的耐磨性极好，与金属的摩擦系数很小，但它的耐热温度较低，在700～8

00℃时易脱碳，失去其硬度，它与铁族金属亲合作用大，故人造金刚石多用于对有色金属及非金属材料的超精加工以及作磨具磨料用。1.3.1刀具的组成

以车刀为例，车刀由刀头、刀体两部分组成，如图1-3所示。刀头用于切削，刀体用

于装夹。1.3刀具几何角度的标注图1-3车刀组成

1.刀面

(1)前面(前刀面)Aγ:刀具上切屑流过的表面。

(2)后面(后刀面)Aα:与过渡表面相对的表面。

(3)副后面(副后刀面)

:

与已加工表面相对的表面。前面与后面之间所包含的刀具实体部分称为刀楔。

2.切削刃

(1)主切削刃S:前、后面汇交的边缘。它完成主要的切削工作。

(2)副切削刃S′：切削刃上除主切削刃以外的刀刃。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。3.刀尖

主、副切削刃汇交的一小段切削刃称为刀尖。由于切削刃不可能刃磨得很锋利，因此总有一些刃口圆弧。为了改善刀尖的切削性能，常将刀尖做成修圆刀尖或倒角刀尖，如图1-4所示。图1-4刀尖形状其他各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可看做是车刀的演变和组合。

刨刀切削部分的形状与车刀相同，见图1-5(a)；钻头可看做是两把一正一反并在一起同时车削孔壁的车刀，因而有两个主切削刃、两个副切削刃，还增加了一个横刃，见图1-5(b)；铣刀可看做由多把车刀组合而成的复合刀具，其每一个刀齿相当于一把车刀，见图1-5(c)。图1-5刨刀、钻头、铣刀的结构1.3.2刀具基本角度的标注

刀具角度是确定刀具切削部分几何形状的重要参数。用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面称为参考系。

刀具静止参考系是刀具设计时标注、刃磨和测量的基准，用此定义的刀具角度称刀具标注角度；刀具工作参考系是确定刀具切削工作时角度的基准，用此定义的刀具角度称刀具工作角度。

1.正交平面参考系及基本标注角度

1)正交平面参考系(见图1-6)

(1)基面Pr:过切削刃选定点平行或垂直于刀具上安装面(轴线)的平面。车刀的基面可理解为平行于刀具底面的平面。

(2)切削平面Ps:过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。

(3)正交平面Po:过切削刃选定点同时垂直于切削平面与基面的平面。在图1－6中，过主切削刃某一点x或副切削刃某一点x′都可建立正交参考系平面，副切削刃与主切削刃的基面是同一个。图1-6正交平面参考系

2)正交平面参考系标注的角度(见图1-7)

在正交平面Po内定义的角度有：

(1)前角γo。前角指前刀面与基面之间的夹角。前角表示前刀面的倾斜程度。

(2)后角αo。后角指主后刀面与切削平面之间的夹角。后角表示主后刀面的倾斜程度。

在基面Pr内定义的角度有：

(1)主偏角κr。主偏角指主切削刃在基面投影与假定进给方向的夹角。

(2)副偏角。

副偏角指副切削刃在基面投影与假定进给反方向的夹角。

图1-7正交平面参考系的刀具角度在副正交平面(过副切削刃上选定点垂直于副切削刃在基面上投影的平面)内定义的角度有：副后角。副后角指副后刀面与副切削平面(过副切削刃上选定点的切线垂直于基面的平面)之间的夹角。副后角表示副后刀面的倾斜程度，一般情况下为正值，且αo=αo。其他常用的刀具角度如刀尖角εr、楔角βo等为派生角度。

3)前、后角及刃倾角正负的判定(见图1-8)

(1)前、后角正负的判定。若前、后刀面都位于Pr、Ps组成的直角平面系之内，则前、后角都为正值；反之，则为负值。前面与Pr重合时，前角为零；后面与Ps重合时，后角为零。

(2)刃倾角正负的判定。

刀尖相对车刀的底平面处于最高点时，刃倾角为正；刀尖相对车刀的底平面处于最低点时，刃倾角为负；切削刃与基面平行时，刃倾角为零。图1-8刀具角度正负的规定

2.法平面参考系及角度

法平面参考系由Pr、Ps、Po三个平面组成，见图1-9。

其中：法平面Pn过切削刃某选定点并垂直于切削刃的平面。图1-9法平面参考系刀具角度当刀具刃倾角较大时，常用法平面内前角(γn)、后角(αn)代替正交平面前、后角，与正交平面参考系中刀具角度的换算公式如下：

tanγn=tanγocosλs

cotαn=cotαocosλs

3.假定工作平面参考系及角度

假定工作平面参考系由三个平面Pr、Pf、Pp组成，如图1－10所示。

假定工作平面Pf:通过切削刃上选定点垂直于基面和平行于假定进给方向的平面。

背平面Pp：通过切削刃上选定点垂直于该点基面和假定工作平面的平面。

Pr、Pf、Pp也构成空间直角坐标系。图1-10假定工作平面参考系刀具角度在此坐标系的标注角度有：主偏角κr、副偏角；背前角γp、

背后角αp；侧前角γf、侧后角αf。它们与正交平面参考系中刀具角度的关系为

tanγp=tanγocosκr+tanλssinκr

tanγf=tanγosinκr-tanλscosκr

cotαr=cotαosinκr-tanλscosκr

cotαp=cotαocosκr+tanλssinκr

1.4.1工作参考系

(1)工作基面Pre：通过切削刃选定点垂直于合成切削速度方向的平面。

(2)工作切削平面Pse：通过切削刃选定点与切削刃相切，且垂直于工作基面的平面。

(3)工作正交平面Poe：通过切削刃选定点垂直于工作基面与工作切削平面的平面。

刀具的工作角度有：κre、等。1.4刀具的工作角度1.4.2刀具安装对工作角度的影响

1.刀杆偏斜对工作角度的影响

如图1-11所示，当刀杆中心线与进给方向不垂直时，其工作主偏角κre、副偏角将发生变化。主偏角增大，副偏角减小。计算公式如下：图1-11刀杆偏斜对工作角度的影响

2.切削刃安装高低对工作前、后角的影响

如图1-12所示，刀具正装刀尖高于工件中心车外圆时，工作切削平面Pse、工作基面Pre发生改变。

背平面内，车刀的工作前角增大，后角减小。如果刀尖低于工件中心，则上述工作角度的变化情况恰好相反。镗内孔时装刀高低对工作角度的影响也是与车外圆时相反的。图1-12切削刃安装高低对工作角度的影响1.4.3进给运动对工作角度的影响

图1-13所示为横向进给时刀具工作角度的变化。

设切断刀主偏角κr=90°，前角γo＞0，后角αo＞0，左、右副偏角相等=，左、右副后角相等

=，刃倾角λs=0，安装时刀刃对准工件中心。图1-13横向进给时刀具的工作角度当不考虑进给运动时，刀具主切削刃上选定点相对于工件运动轨迹为一圆周，主运动方向为过该点的圆周切线方向，此时，切削平面Ps为过该点切于圆周的平面，基面Pr是通过切削刃上该点垂直于切削平面同时又平行于刀杆底面的平面。γf、αf为静止前、后角。当考虑横向进给运动后，主切削刃上选定点相对于工件的运动轨迹是主运动和横向进给运动的合成运动轨迹，为阿基米德螺旋线。如图1-13所示，其合成运动方向ve是过该点的阿基米德螺旋线的切线方向。工作基面Pre应垂直于ve，工作切削平面Pse过切削刃上该点并切于阿基米德螺旋线和ve重合，于是Pre和Pse相对Pr和Ps相应地转动了一个μf角(在假定工作平面中度量，而本例中正交平面与假定工作平面重合，即μf=μo)，结果使

切削刃的工作前角增加，工作后角减少。计算公式如下：

μfe=γf+μf

αfe=αf-μf

式中：f——进给量，单位为mm/r;

dw——工件待加工表面直径。

可知，μf值随f值的增大而增大，随工件直径的减小而增大，显然切断刀接近工件中心位置时，αfe非常小，常使刀刃崩刃或工件被挤断。

当外圆车刀纵向进给时，工作前角和工作后角同样发生变化。这在车削大导程的丝杠或多头螺纹时必须加以注意和考虑。1.4.4实际前角与斜角切削

切削过程中实际起作用的前角称实际前角，它是包含切屑流出方向并与基面垂直的平面中测量的前面与基面的夹角。斜角切削(切削刃不垂直于切削速度方向的切削方式)时切屑流出方向有较大的偏转，实际前角有明显的增大。

图1-14所示为斜角切削的情况。图1-14中:△OAD是过主切削刃上O点作的基面Pr;△OAB是过主切削刃上O点作的法剖面Pn;

△ODE是包含切屑流出方向OE与切削速度方向ED组成的排屑平面，用符号Pη标记。Pη剖面中测量到的前角(OE与OD间夹角)即实际前角，记作γη。图1-14实际前角与斜角切削由实验可证明流屑角λη≈λs，从空间几何关系可推证如下公式：

sinγη=sinγncos2λs+sin2λs

分析上式可知：λs角较小时，γη角主要由法前角γn

决定；当λs角很大时，γη主要由λs角决定。λs＞75

°时，不论γn角多小，γn角都接近λs角的数值。这就是大刃斜角薄层加工刀具的原理之一。金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程。在这一过程中会出现许多物理现象，如切削力、切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等。因此，研究切削过程对切削加工的发展和进步，保证加工质量，降低生产成本，提高生产效率等都有着重要意义。1.5切削变形1.5.1切屑的形成过程

切屑是被切材料受到刀具前刀面的推挤，沿着某一斜面剪切滑移形成的，如图1-15所示。图1-15中未变形的切削层AGHD可看成是由许多个平行四边形组成的，如ABCD、BEFC、EGHF等。当这些平行四边形受到前刀面的推挤时，便沿着BC方向向斜上方滑移，形成另一些平行

四边形。由此可以看出，切削层不是由刀具切削刃削下来或劈开的，而是靠前刀面的推挤，滑移而形成的。图1-15晶面滑移与切屑形成图1-16切削变形的三个区域划分切削过程的实际情况要比前述的情况复杂得多，这是因为切削层金属受到刀具前刀面推挤产生剪切滑移变形后，还要继续沿着前刀面流出变成切屑。在这个过程中，切削层金属要产生一系列变形，通常将其划分为三个变形区，如图1-16所示。图1-16中，Ⅰ为第一变形区，主要是剪切滑移变形，即当工件受到刀具的挤压、摩擦力后，切削层金属在始滑移面OA以左发生弹性

变形。在ＯＡ面上，应力达到材料的屈服点σs，则发生塑性变形，产生滑移现象。在终滑移面OM上，应力和变形达到最大值。越过OM面，切削层金属将脱离工件基体，沿着前刀面流出而形成切屑。图1-16中，Ⅱ为第二变形区。切屑底层(与前刀面接触层)沿前刀面产生挤压摩擦变形，使靠近前刀面处的金属纤维化，即第二变形区域。图1-16中，Ⅲ为第三变形区。此变形区位于后刀面与已加工表面之间，切削刃钝圆部分及后刀面对已加工表面进行挤压，使已加工表面产生变形，造成纤维化和加工硬化。1.5.3切屑的类型

根据不同的工件材料和切削过程中的不同变形程度，切屑分为四种类型，如图1-17所示。

1.带状切屑

这是最常见的一种切屑，见图1-17(a)。它的内表面光滑，外表面是毛茸状的。在加工塑性金属材料时，一般得到这类切屑。它的切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。图1-17切屑类型(a)带状切屑；(b)挤裂切屑；(c)单元切屑；(d)崩碎切屑

2.挤裂切屑

这类切屑与带状切屑不同之处在于外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，见图1-17(b)。这种切屑大多在加工塑性材料切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。

3.单元切屑

如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，称为单元切屑，见图1-17(c)。

4.崩碎切屑

在切削脆性材料时，易产生崩碎切屑，见图1-17(d)。它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应尽量避免。

带状切屑、挤裂切屑、单元切屑是在切削塑性材料时产生的不同屑形；崩碎切屑是在切削脆性材料时产生的屑形。生产中可改变加工条件，使得屑形向有利的方面转化。例如，切削塑性金属，随着切削速度提高、进给量减小和前角增大，切屑可由挤裂切屑或单元切屑转化为带状切

屑；切削铸铁时，采用大前角、高速切削也可形成长度较短的带状切屑。1.5.4切削变形程度的度量方法

1.相对滑移ε

相对滑移是衡量第Ⅰ变形区滑移变形程度的。

如图1-18所示，切削层中m′n′线滑移至m″n″位置时的瞬时位移为Δy，其滑移量为Δs，实际上Δy很小，故滑移在剪切面上进行。滑移量Δs越大，说明变形越严重。相对滑移表示为图1-18变形程度的度量方法

2.变形系数ξ

变形系数是利用切屑外形尺寸的变化来衡量切削变形程度的。

切削层的金属经第Ⅰ变形区的剪切滑移变形后成为切屑,切屑的外形尺寸与切削层的尺寸比较有了变化,它的长度缩短(LDh<LD),厚度增加(hDh>hD)，宽度不变,称为切屑收缩。通常用变形系数ξ来表示切屑变形的程度，即式中:LD、hD——切削层的长度和厚度；

LDh、hDh——切屑的长度和厚度。

由图1-18还可推出剪切角与变形系数ξ之间的关系为1.5.5积屑瘤

1.积屑瘤的产生

在中速切削塑性金属时，切屑很容易在前刀面靠近切削刃处形成一个三角形的硬楔块，这个楔块被称为积屑瘤，见图1-19。在生产中，对钢、铝合金和铜等塑性金属进行中速车、钻、铰、拉削和螺纹加工时常会出现积屑瘤。图1-19积屑瘤

2.积屑瘤对切削过程的影响

积屑瘤的硬度很高，可达工件材料硬度的2～3倍，它能够代替切削刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用；它可增大实际前角，减小切削变形。但是，由它堆积成的钝圆弧刃口造成挤压和过切现象，使加工精度降低；积屑瘤脱落后粘附在已加工表面上会恶化表面质量。所以，精加工时应避免积屑瘤产生。

3.消除积屑瘤的措施

切削实验和生产实践表明：在中温情况下，例如切削中碳钢，温度在300～380℃时积屑瘤的高度最大，温度超过500～600℃时积屑瘤消失。根据这一特性，生产中常采取以下措施来抑制或消除积屑瘤：

(1)采用低速或高速切削，避开易产生积屑瘤的切削速度区域。如图1-20(a)，切削45钢时，在vc<3m／min的低速和vc≥60m／min的高速范围内，摩擦系数较小，不易形成积屑瘤。图1-20切削参数对积屑瘤的影响

(2)如图1-20(b),减小进给量f，增大刀具前角γo，提高刀具刃磨质量，合理选用切削液，可使摩擦和粘结减小，从而达到抑制积屑瘤的作用。

(3)合理调节各切削参数间的关系，以防止形成中温区。1.5.6影响切削变形的主要因素

影响切削变形的主要因素有：工件材料、刀具前角、切削速度和进给量。

1.工件材料

工件材料的塑性越大，强度、硬度越低，屈服极限越低，越容易变形，切削变形就越大；反之，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。若需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。工件材料对变形的影响见图1-21。图1-21工件材料对变形的影响

2.刀具前角

刀具前角越大，切削刃越锋利，刀具前面对切削层的挤压作用越小，则切削变形就越小。

3.切削速度

如图1-22，在有积屑瘤生成的速度范围(vc≤40m／min)内，主要是通过积屑瘤形成实际前角的变化来影响切削变形的。

4.进给量

进给量增加使切屑厚度增加，摩擦系数减小，故变形系数变小，见图1-23。图1-22切削速度对切削变形的影响图1-23进给量对切削变形的影响1.6.1切削力的来源、切削合力及其分解

由前面对切削变形的分析可知，切削力来源于三个方面(如图1-24所示)：

(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)克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面及已加工表面之间的摩擦力。1.6切削力与切削功率图1-24切削合力及其分力上述各力的总和形成作用在刀具上的合力F。为了实际应用，F可分解为相互垂直的三个分力(如图1-24(b)所示)。(1)主切削力Fc：在主运动方向上的分力。它是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。

(2)进给力Ff：在进给运动方向上的分力。它用来设计进给机构，计算车刀进给功率。

(3)背向力Fp：在垂直于假定工作平面上的分力。它用来计算机床零件和车刀的强度。

Ff与Fp也是推力FD的分力，推力是在基面上且垂直于主切削刃的合力。合力F、推力FD与各分力之间的关系如下：1.6.2切削力的经验公式和切削力估算

目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。常用的经验公式可分为两类：一类是指数公式；另一类是按单位切削力进行计算的公式。

1.切削力的指数公式

切削力的指数公式是将测力后得到的实验数据通过数学整理或计算机处理后建立的。常用的指数公式的形式为式中:Fc、Ff、Fp——各切削分力，单位为N；

、、——公式中系数，根据加工条件由实验确定；

xF、yF、nF——各因素对切削力的影响指数；

、、——修正系数。现在，就可以容易地估算某种具体加工条件下的切削力和切削功率了。例如用YT15硬质合金车刀外圆纵车σb=0.65GPa的结构钢，车刀几何参数为κr=45°，γo=10°，λs=0°;切削用量为ap=4mm，f=0.4mm／r，vc=1.7m／s。

把由表1-3查出的系数和指数代入上式(由于所给条件与表1-3条件相同，故===1)，得2.单位切削力

单位切削力表达式为式中:kc——单位切削力;

AD——切削层面积。单位切削力的参数值可由表1-3查得。1.6.3切削功率

在切削过程中主运动消耗的功率约占95%，因此，常用它核算加工成本，计算能量消耗和选择机床主电动机功率。

主运动消耗的功率Pc(单位为kW)应为式中:Fc——主切削力，单位为N；

vc——切削速度，单位为m/min；

Pc——切削功率，单位为kW。

切削功率Pc为

Pc=Fcvc×10-3

因此，上节中主运动消耗的功率Pc=Fcvc×10-3=5191.1×1.7×10-3≈8.8kW。1.6.4影响切削力的主要因素

1.工件材料的影响

工件材料的硬度和强度越高,变形抗力越大，切削力就越大；当工件材料的强度相同时，塑性和韧性大的材料，加工时切削力大。钢的强度与塑性变形大于铸铁，因此同样情况下加工钢时产生的切削力大于加工铸铁时产生的切削力。

2.切削用量的影响

进给量f、背吃刀量ap增大时，切削力也随之增大。但二者的影响程度不同，ap与Fc成正比，即ap增大一倍，Fc

也增大一倍；而f与Fc不成正比，即f增大一倍，Fc增大70％~80％。由此可知，ap对切削力的影响显著，f次之。切削速度vc对主切削力的影响如图1-25所示。由图1-25可

见，vc对主切削力影响不大。图1-25切削速度vc对主切削力的影响

3.刀具几何参数的影响

前角γo对切削力影响较大，如图1-26所示。当γo增大时，排屑阻力减小，切削变形减小，使切削力减小。主偏角κr对进给力Ff、背向力Fp影响较大，如图1-27(a)所示。当κr增大时，Ff增大，而Fp则减小。刃倾角λs对背向力Fp有显著的影响，即刃倾角负值(-λs)增大，作用于工件的背向力Fp增大。此外，刀尖圆弧半径及刀具磨损程度及切削液润滑性能等因素对切削力也有一定的影响，刀尖圆弧半径对切削力的影响如图1-27(b)所示。图1-26前角对切削力的影响图1-27主偏角κr、刀尖圆弧半径等对切削力的影响1.7.1切削热的来源与传导

被切削的金属在刀具的作用下，发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。

此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功，也产生出大量的热量。因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。

切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传散。切削速度愈高或切削厚度愈大，则切屑带走的热量愈多。1.7切削热和切削温度1.7.2切削温度分布

如图1-28(a)所示，切屑带走的热量最多，它的平均温度高于刀具和工件上的平均温度，因此切屑塑性变形严重。切削区域的最高温度在前刀面距离切削刃大约1mm处。图1-28切削温度的分布1.7.3切削温度的测量

上面分析讨论了切削热的产生与传导。切削热是切削温度升高的根源，而切削温度将直接影响切削过程。切削温度一般指切屑与前刀面接触区域的平均温度。

切削温度的测量方法很多，大致可分为热电偶法、辐射温度计法以及其他测量方法。目前应用较广的是自然热电偶法和人工热电偶法。1.7.4影响切削温度的主要因素

根据理论分析和大量的实验研究可知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响。下面对这几个主要因素加以分析。

1.切削用量的影响

切削用量ap、f、vc对切削温度影响的基本规律是，切削用量的增加使切削温度提高，但其中切削速度vc影响最大，其次是进给量f，影响最小的是背吃刀量ap。例如

切削速度增加一倍时，切削温度增高30％~45％;进给量增加一倍时，切削温度增高15％~20％；背吃刀量增加一倍时，切削温度只增高5％~8％。

2.工件材料的影响

工件材料的强度和硬度越高，消耗的切削功也就越多，切削温度越高；工件材料的导热系数越低，切削区的热量传出越少，切削温度就越高。脆性材料的强度一般都较低，切削时塑性变形很小，切屑呈崩碎或脆性带状，与前刀面摩擦也小，切削温度一般比塑性材料低。

3.刀具角度的影响

如图1-29所示，刀具的前角和主偏角对切削温度影响较大。前角加大，变形和摩擦减小，因而切削热少。但前角不能过大，否则刀头部分散热体积减小，不利于切削温度的降低。主偏角减小将使切削刃工作长度增加，散热条件改善，因而使切削温度降低。图1-29刀具角度对切削温度的影响

4.刀具磨损的影响

在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，热导率小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响就比切削碳素钢时大。

5.切削液的影响

切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热容、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。1.8.1刀具磨损

1.刀具磨损的形式

在切削过程中，刀具的前、后面始终与切屑、工件接触，在接触区内发生着强烈的摩擦并伴随着很高的温度和压力，因此刀具的前、后面都会产生磨损，如图1-30所示。1.8刀具磨损与刀具寿命图1-30刀具磨损的测量位置刀具前面磨损的形式是月牙洼磨损。用较高的切削速度和较大的切削厚度切削塑性金属时，刀具前面会磨出一道沟，这道沟称为月牙洼磨损，其深度为KT、宽度为KB，如图1-30(a)所示。刀具后面磨损的形式如图1-30(b)所示，磨损分为三个区域：刀尖磨损C区(磨损量为VC)、中间磨损B区(磨损量为VB)和边界磨损N区(磨损量为VN)。切削脆性金属时，后面易磨损。切削塑性金属时，前、后面同时磨损。

2.刀具磨损过程和刀具磨损标准

刀具磨损过程可分为三个阶段，如图1-31所示。

(1)初期磨损阶段(OA段)。在开始切削的短时间内，将刀具表面的不平度磨掉。

(2)正常磨损阶段(AB段)。随着切削时间增长，磨损量以较均匀的速度加大，AB段基本上呈直线。

(3)急剧磨损阶段(BC段)。磨损量达到一定数值后，磨损急剧加速，继而刀具损坏。

生产中为合理使用刀具，保证加工质量，应避免达到该阶段。在生产中通过磨损过程或磨损曲线来控制刀具使用时间，衡量、比较刀具切削性能的好坏和刀具寿命的高低。图1-31刀具磨损曲线刀具磨损标准：刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨损标准。

如表1-4所示，在国标中规定的磨损标准通常以后刀面中间磨损量VB来表示磨损的程度。

由于切削过程比较复杂，影响加工因素很多，因此刀具磨损量的测定必须考虑生产实际的具体情况。表1-4硬质合金车刀的磨损标准

3.刀具磨损的原因

1)磨粒磨损

切削过程中，工件或切屑上的硬质点(如工件材料中的碳化物、剥落的积屑瘤碎片等)在刀具表面上刻划出沟痕而造成的磨损称为磨粒磨损，也称机械磨损。

2)粘结磨损

在高温高压的作用下，切屑与前刀面、工件表面与后刀面之间接触和摩擦，使两者粘结在一起，造成刀具的粘结磨损。

3)相变磨损

高速钢材料有一定的相变温度(550~600℃)。当切削温度超过了相变温度时，刀具材料的金相组织发生转变，硬度显著下降，从而使刀具迅速磨损，称为相变磨损。

4)扩散磨损

在高温高压作用下，两个紧密接触的表面之间金属元素将产生扩散。用硬质合金刀具切削时，硬质合金中的钨、钛、钴、碳等元素会扩散到切屑和工件材料中去，这样改变了硬质合金表层的化学成分，使它的硬度和强度下降，加快了刀具的磨损，这类磨损称为扩散磨损。

5)氧化磨损

在高温下(700℃以上)，空气中的氧与硬质合金中的钴和碳化钨发生氧化作用，产生组织疏松脆弱的氧化物，这些氧化物极易被切屑和工件带走，从而造成刀具磨损，这类磨损称为氧化磨损。

不同的刀具材料在不同的使用条件下，造成磨损的主要原因是不同的。对于高速钢刀具来说，磨粒磨损和粘结磨损是使它产生正常磨损的主要原因；相变磨损是使它产生急剧磨损的主要原因。对于硬质合金刀具来说，在中、低速时，磨粒磨损和粘结磨损是使它产生正常磨损的主要原因；在高速切削时，刀具磨损主要由磨粒磨损、扩散磨损和氧化磨损所造成，而扩散磨损是使硬质合金刀具产生急剧磨损的主要原因。1.8.2刀具寿命T

1.刀具寿命的定义

刀具寿命(刀具耐用度)是指刀具从开始切削至达到磨钝标准为止所用的切削时间T(单位为min)，有时也用可用达到磨钝标准所加工零件的数量或切削路程表示。刀具耐用度是一个判断刀具磨损量是否已达到磨钝标准的间接控制量。

2.影响刀具寿命T的因素

若磨钝标准相同，刀具寿命大，则表示刀具磨损慢。因此,影响刀具磨损的因素，也就是影响刀具寿命的因素。1)工件材料的影响

工件材料的强度、硬度越高，导热性越差，刀具磨损越快，刀具寿命就会越低。

2)切削用量的影响

切削用量vc、f、ap增加时，刀具磨损加剧，刀具寿命降低。其中影响最大的是切削速度vc，其次是进给量f，影响最小的是背吃刀量ap。切削速度对刀具寿命的影响如图

1-32所示。

在一定的切削速度范围内，刀具寿命最高，提高或降低切削速度都会使刀具寿命下降。

图1-32切削速度对刀具寿命的影响

3)刀具材料和前角的影响

刀具材料的耐磨性、耐热性越好，刀具寿命就越高。刀具前角γo增大，能减少切削变形，减少切削力及功率的消耗，因而切削温度下降，刀具寿命增加。但是如果前角过大，则楔角βo过小,刃口强度和散热条件就不好，反而使刀具寿命降低。刀尖圆弧半径增大或主偏角减小，都会使刀刃的工作长度增加，使散热条件得到改善，从而降低切削温度。

4)切削液的影响

切削液对刀具寿命的影响与切削温度有很大的关系。切削温度越高，刀具寿命越短。切削液本身的温度越低，就能越明显地降低切削温度，如果将室温(20℃)的切削液降温至5℃，则刀具寿命可提高50％。

3.刀具寿命的合理数值

刀具寿命也并不是越大越好。如果刀具寿命选择过大，势必要选择较小的切削用量，结果使加工零件的切削时间大为增加，反而降低生产率，使加工成本提高。反之,如果刀具寿命选择过小，虽然可以采用较大的切削用量，但却因为刀具很快磨损而增加了刀具材料的消耗和换刀、磨刀、调刀等辅助时间，同样会使生产率降低和成本提高。因此，加工时要根据具体情况选择合适的刀具寿命。从上述分析可知，每种刀具材料都有一个最佳的切削速度范围。为了提高生产率，通常切削速度和刀具寿命T的关系可用下列实验公式表示：

vTm=C

式中:v——切削速度(单位为m/min)；

m——影响程度的指数，对于高速钢车刀m=0.125，对于硬质合金车刀m=0.2；

T——刀具寿命(单位为min)；

C——系数，与刀具、工件材料和切削条件有关。生产中一般根据最低加工成本的原则来确定刀具寿命，而在紧急时可根据最高生产率的原则来确定刀具寿命。刀具寿命推荐的合理数值可在有关手册中查到。下列有关刀具寿命的数据可供参考：

高速钢车刀，30~90min；

硬质合金焊接车刀,60min；

高速钢钻头,80～120min；

硬质合金铣刀,120~180min；

齿轮刀具,200～300min；

组合机床、自动机床及自动线用刀具,240～480min。可转位车刀的推广和应用，使换刀时间和刀具成本大大降低，从而可降低刀具寿命至15～30min，这就可大大提高切削用量，进一步提高生产率。

1.9切削参数的合理选择

切削参数包括刀具几何角度参数与切削用量参数。切削参数的合理选择必须依据一些原则和方法，且要根据具体的加工条件适当作一些调整，以满足实际的加工要求。1.9.1刀具几何角度参数的选择

刀具几何角度参数直接影响切削效率、刀具寿命、工件表面质量和加工成本。因此必须重视刀具几何角度参数的合理选择，以充分发挥刀具的切削性能。

1.前角γo的选择

前角是刀具中重要的几何参数之一，前角的大小决定着刀刃的锋利程度。前角增大，可使切削变形减小，切削力、切削温度降低，还可抑制积屑瘤等现象的产生，提高表面加工质量。

但是前角过大，使刀具楔角变小，刀头强度降低，散热条件变差，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具寿命降低。前角大小的选择总的原则是，在保证刀具耐用度满足要求的条件下，尽量取较大值。具体选择应根据以下几个方面考虑。

1)根据工件材料选择

加工塑性金属应选择较大前角，而加工脆性材料选择较小前角；材料的强度和硬度越高，前角更应选择较小值，甚至取负值。

2)根据刀具材料选择

高速钢抗弯强度、韧性好，可选较大前角；硬质合金

的抗弯强度、韧性较高速钢差，故前角较小；陶瓷刀具前角应更小。

3)根据加工要求选择

粗加工和断续切削选较小值；精加工选较大值。

硬质合金刀具前角值如表1-5所示。表1-5硬质合金刀具前角值

2.后角αo和副后角的选择

后角αo的主要作用是减小刀具后面与工件表面之间的摩擦，所以后角不能太小。但是后角也不能过大，后角过大虽然刃口锋利，但会使刃口强度降低，从而降低刀具耐用度。后角大小的选择总的原则是，在不产生较大摩擦条件下，尽量取较小值。具体选择αo大小时，根据以下几个因素考虑。

1)根据加工要求选择粗加工时，后角应选得小(6°~8°)；精加工时，切削用量较小，工件表面质量要求高，后角应选得(8°~12°)。

2)根据工件材料选择加工塑性金属材料，后角适当选大值；加工脆性金属材料，后角应适当减小；加工高强度、高硬度钢时，应取较小后角。副后角的选择原则与主后角αo基本相同。对于有些焊接刀具为便于制造和刃磨，取αo=。有的刀具，例如切槽刀和三面刃铣刀取小后角=1°~2°。

3.主、副偏角的选择

主偏角较小时，刀尖角增大，提高了刀尖强度，改善了刀刃散热条件，对提高刀具耐用度有利。但是，主偏角较小时，背向切削力Fp大，容易使工件或刀杆(孔加工刀)产生挠度变形而引起“让刀”现象，以及引起工艺系统振动，影响加工质量。因此，工艺系统刚性好时，常采用较小的主偏角；工艺系统刚性差时,要取较大的主偏角。

副偏角的大小主要影响已加工表面粗糙度，为了降低工件表面粗糙度，通常取较小的副偏角。主偏角κr、副偏角

的具体选择如表1-6所示。表1-6主偏角κr、副偏角κ

4.刃倾角λs的选择

刃倾角的主要作用是控制切屑流出方向，增加刀刃的锋利程度，增加刀刃参加工作的长度，使切削过程平稳以及保护刀尖。刃倾角的选择根据以下几方面考虑。

1)根据加工要求选择

粗加工时，为提高刀具的强度，选择λs=0°~-5°；精加工时，取λs=0°~+5°。

2)根据加工条件选择

加工断续表面、余量不均匀表面及有冲击载荷时，取负刃倾角。1.9.2切削用量参数的选择

正确地选择切削用量，对提高切削效率，保证必要的刀具寿命、加工经济性以及加工质量，都有重要的意义。切削用量的选取有计算法和查表法。但在大多数情况下，切削用量的选取是根据给定的条件按有关切削用量手册中推荐的数值选取的。

由于切削速度对刀具寿命影响最大，其次为进给量，影响最小的是背吃刀量，因此选择切削用量的步骤是：先确定ap，再选f，最后确定vc，必要时还要校验机床功率是否允许。

1.选择背吃刀量ap

对于粗加工,在加工余量(指半径方向)不多并较均匀，加工工艺系统刚性足够时，应使背吃刀量一次切除全部余量A,即ap=A。若加工面有硬化层、硬杂质或划分加工阶段，则粗加工背吃刀量为;半精加工和精加工背吃刀量为。

2.选择进给量f

粗加工时，增大进给量，可提高生产效率，但进给量过大，会使切削力增加，影响机床进给系统、刀具和工件的强度和刚性，此外也显著增大了表面粗糙度。表1-7可供选择进给量时参考。表1-7硬质合金车刀粗车外圆及端面进给量

3.选择切削速度vc

在切削加工中，采用高速切削，能提高生产率和表面质量，但会使刀具磨损加剧，刀具寿命下降，且影响工艺系统的刚性。因此，切削速度的选择必须考虑以上条件，选择合理的数值。表1-8列出了部分车削加工的速度值，以供参考。表1-8国产焊接和可转位车刀切削用量选用参考表1.10.1切屑的控制

在生产实践中我们可以看到，排出的切屑常常打卷，到一定长度自行折断；但也有切屑成带状直窜而出，特别在高速切削时切屑很烫，很不安全，应设法使之折断。1.10合理选择切削条件

1.切屑的卷曲和形状

切屑的卷曲是由于切屑内部变形或碰到断屑槽等障碍物造成的。切屑的形状是多种多样的，如：带形、螺旋形、弧形、C形、6形和针形切屑等。较为理想、便于清理的屑

形为100mm以下长度的螺旋形切屑和不飞溅定向落下的C形、6形切屑。外圆车削的几种屑形如图1-33所示。图1-33外圆车削的几种屑形(a)C形或6形；(b)C形；(c)弧形；(d)盘形螺旋；(e)螺旋形；(f)连续带形

2.切屑的折断

切屑经第Ⅰ、第Ⅱ变形区的严重变形后，硬度增加，塑性大大降低，性能变脆，从而为断屑创造了先决条件。当切屑经变形自然卷曲或经断屑槽等障碍物强制卷曲产生的拉应变超过切屑材料的极限应变值时，切屑即会折断。

3.断屑措施

生产中常用的断屑措施有以下两种。

(1)磨制断屑槽(如图1-34所示)，其中折线形和直线圆弧形适用于加工碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢，全圆弧形适用于加工塑性大的材料和重型刀具，断屑槽尺寸lBn