第4章切削原理

金屬切削加工：是利用刀具從工件毛坯上切去一層多余的金屬，從而使工件達到規(guī)定的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的加工方法。§1切削過程及切屑類型

1.1切屑的形成過程

切屑的形成與切離過程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應(yīng)力方向與作用力方向約成45°偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應(yīng)力增大，達到屈服點→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大，達到斷裂強度→切屑與母體脫離。圖3-2金屬擠壓與切削比較擠壓與切削1.2三個變形區(qū)

研究金屬切削變形的方法側(cè)面方格變形觀察法快速落刀法其他試驗方法

高速攝影法光彈塑性試驗法5)三個變形區(qū)的劃分

1第一變形區(qū)2第二變形區(qū)3第三變形區(qū)剪切面剪切角

剪切角φ↑→剪切面積↓→變形程度↓→切削力↓變形系數(shù)

切削過程中，切削層經(jīng)塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變。可用其表示切削層變的變形程度。根據(jù)體積不變原理，變形系數(shù)Λh可用下式表示：

式中LD－切削層的長度LDh－切屑的長度hDh－切屑的厚度hD－切削層的厚度LDhhDhDhLD切屑與切削層尺寸

厚度變形系數(shù)長度變形系數(shù)變形系數(shù)與剪切角的關(guān)系tgφ=cosγo/(Λh

－sinγo)內(nèi)摩擦外摩擦平均摩擦系數(shù)圖3－10切屑和前面摩擦情況示意圖

鈍圓半徑加工硬化殘余應(yīng)力1.5已加工表面的形成過程

hDΔhD切脆性材料不平穩(wěn),表面粗糙帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑

加工塑性材料切塑性材料：

帶狀切屑

擠裂切屑

單元切屑↑γ0↑v↓hD↓γ0↓v↑hD↓γ0↓v↑hD↑γ0↑v↓hD切削不平穩(wěn)，力波動大加工表面粗糙切削平穩(wěn)，力波動小加工面光潔，斷屑難

滑移量較大，局部剪應(yīng)力達斷裂強度1.6切屑的類型

切屑刀具圖積屑瘤積屑瘤積屑瘤對切削過程的影響

圖積屑瘤前角和伸出量積屑瘤的產(chǎn)生及積聚高度的相關(guān)因素與金屬材料的硬化性質(zhì)有關(guān)；

刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)；

切削速度。精加工時避免或減小積屑瘤的措施控制切削速度，盡量采用很低或很高的速度，避開中速區(qū)；

使用潤滑性能好的切削液，以減小摩擦；

增大刀具前角，以減小刀屑接觸區(qū)壓力；

提高工件材料硬度，減少加工硬化傾向。

1.8切屑變形的變化規(guī)律

1）工件材料對切屑變形的影響

工件材料強度愈高，切屑變形愈小。

工件塑性越大，切屑變形越大。

2）刀具前角對切屑變形的影響

前角對厚度變形系數(shù)的ξa的影響.工件材料：5210鋼；刀具材料：高速鋼；切削用量：hD=0.31～0.36mm，bD=0.8~0.9mm

刀具前角增大，切屑變形減小。有積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削速度的影響是通過積屑瘤的實際前角來影響的。4）切削厚度對切屑變形的影響

切削厚度增加時，變形減小。切削速度及進給量對厚度變形系數(shù)的ξa的影響

工件材料：20鋼；被吃刀量ap=4mm

2)切削合力及分力

切削合力主切削力徑向力（背向力）軸向力（進給力）2.3切削力的計算

目前生產(chǎn)實際中采用的計算公式都是通過大量的試驗經(jīng)數(shù)據(jù)處理后而得到的經(jīng)驗公式。如指數(shù)形式公式：

式中CFc,CFp,CFf——與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)；

xFc,xFp,xFf——切削深度ap對切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf——進給量f對切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf——考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。（3-7）單位切削力

切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數(shù)KFc

=1）機床電機功率式中η

——機床傳動效率，通常η=0.75～0.85

（3-9）式中

Fc

——主切削力（N）；

v

——主運動速度（m/s）。

（3-8）切削功率2.4影響切削力的因素2.4.1工件材料的影響

工件材料的強度、硬度越高,切削力是增大的。強度、硬度相近的材料，塑性越大，切削力越大。

2.4.2．切削用量的影響

1背吃刀量和進給量

2切削速度的影響2.4.2．切削用量的影響

2.4.3刀具幾何參數(shù)的影響

1前角的影響

2負倒棱的影響

3主偏角的影響

4刃傾角的影響2.4.4刀具磨損的影響

2.4.5刀具材料的影響

2.4.6切削液的影響水溶性切削液對切削力影響很小

非水溶性切削液顯著降低切削力§3切削熱與切削溫度

切削熱的危害：刀具磨損加劇，刀具耐用度下降。精加工時，工件本身和刀桿受熱膨脹致使工件尺寸精度達不到要求。會使機床產(chǎn)生熱變形而導(dǎo)致加工誤差的產(chǎn)生。

一般所說的切削溫度是指切削區(qū)的平均溫度。

3.1切削熱的產(chǎn)生和傳出

切削熱來源切削熱的轉(zhuǎn)換切削熱的傳出圖2-25切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)第一變形區(qū)：60%的熱量第二變形區(qū)：30%的熱量第三變形區(qū)：10%的熱量影響切削熱傳導(dǎo)的主要因素

工件材料的導(dǎo)熱性能

刀具材料的導(dǎo)熱性能

周圍介質(zhì)

切屑與刀具的接觸時間

3.2影響切削溫度的主要因素

1切削用量中切削速度對切削溫度的影響

進

給

量

f

的

影

響

3.2影響切削溫度的主要因素

背

吃

刀

量

ap

的

影

響

3.2影響切削溫度的主要因素

切削用量中，v對θ影響最大，f次之，ap最小。

為有效控制切削溫度以提高刀具耐用度，選用大的背吃刀量或進給量，比選用大的切削速度有利。

3.2影響切削溫度的主要因素

3.2.2刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響

圖前角與切削溫度的關(guān)系主偏角kr對切削溫度的影響3.2.3刀具磨損對切削溫度的影響

3.2.4工件材料對切削溫度的影響正火：σb=0.589GPa,187HB；

調(diào)質(zhì)：σb=0.736GPa,229HB；

淬火：

σb=1.452GPa,44HRC

圖3-21切削速度、工件材料對切削溫度的影響1—GH1312—1Cr18Ni9Ti3—45鋼(正火)4—HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數(shù)：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/rvc（m/min）θ（℃）1030507090110130400600800100012433.2.5切削液對切削溫度的影響

3.4切削溫度的分布

切削脆性材料時最高溫度區(qū)域切削塑性材料時最高溫度區(qū)域§4刀具失效及刀具壽命

刀具失效：磨損和破損。磨損：刀面和切削刃上的金屬微粒被工件、切屑逐漸帶走而喪失切削能力的現(xiàn)象破損：在短時間內(nèi)發(fā)生的破壞。1）前刀面磨損(月牙洼磨損)4.1刀具磨損的形態(tài)月牙洼增長示意圖

2）后刀面磨損3）邊界磨損4.2刀具磨損的原因

刀具磨損是機械的、熱的和化學(xué)的三種作用的綜合結(jié)果。

1）硬質(zhì)點磨損

硬質(zhì)點磨損的概念硬質(zhì)點磨損發(fā)生范圍2）粘結(jié)磨損

粘結(jié)磨損的概念粘結(jié)磨損的發(fā)生范圍3）擴散磨損

擴散磨損的概念擴散磨損的范圍4）化學(xué)磨損

化學(xué)磨損的概念

化學(xué)磨損的范圍

5）小結(jié)

不同的工件材料、刀具材料和切削條件下，磨損原因和磨損強度是不同的。圖切削速度對刀具磨損強度的影響1-硬質(zhì)點磨損；2-粘結(jié)磨損；3-擴散磨損；4-化學(xué)磨損4.4刀具磨損過程

初期磨損階段

正常磨損階段

急劇磨損階段

圖3-30刀具的磨損過程4.5刀具的磨鈍標準

刀具的磨鈍標準的概念磨鈍標準后刀面磨損刀具徑向磨損量切削力磨鈍標準的取值

粗加工和半精加工

精加工

工藝系統(tǒng)

VB

VBmax或VC4.6刀具耐用度刀具耐用度：開始切削到達磨鈍標準時的純切削時間。

刀具壽命：

第一次使用到完全報廢時的純切削時間。切削用量對刀具耐用度的影響

1切削速度與刀具耐用度的關(guān)系試驗法T-v關(guān)系式

圖各種切削速度下的刀具磨損曲線刀具T—v關(guān)系曲線（圖3－32），該直線方程為：Lgv=-mlgT+lgA式中，m=tgφ，即該直線的斜率；A—當T＝1s（或1min）時直線在縱坐標上的截距。V=A/Tmm表示切削速度對刀具耐用度地影響程度；m越大，切削速度對耐用度影響小,刀具材料切削性能好。圖3－32在雙對數(shù)坐標上的T—v曲線進給量、背吃刀量與刀具耐用度的關(guān)系

進給量與刀具耐用度的關(guān)系f=B/Tn

背吃刀量與刀具耐用度的關(guān)系

ap=C/Tp切削用量與刀具耐用度的關(guān)系

一般情況下，m<n<p(1)當切削速度認提高1倍，而其它條件不變時，刀具耐用度將降低到原來的3%；(2)如果其它切削條件不變．進給量提高1倍時，刀具耐用度將降低到原來的21%；(3)其它切削條件不變時，背吃刀量提高1倍時，刀具耐用度僅降低到原來的59％。用YT5硬質(zhì)合金車刀切削σb＝0.63Gpa的碳鋼4.7刀具的破損

破損（非正常磨損）：刀具使用時，常會出現(xiàn)不經(jīng)正常磨損就突然破壞而失效。

刀具破損是刀具主要失效形式之一

刀具破損主要分為脆性破損和塑性破損1)刀具的脆性破損崩刃碎斷剝落裂紋破損2)刀具的塑性破損

刀具塑性破損的概念發(fā)生范圍3)防止刀具破損的措施

合理選擇刀具材料和刀具角度合適的切削用量

采用可轉(zhuǎn)位刀具

提高系統(tǒng)的剛性§5材料切削加工性材料切削加工性:材料被切削加工的難易程度。以切削力或切削溫度衡量加工性以加工表面質(zhì)量衡量加工性以切屑控制或斷屑的難易衡量加工性相對加工性:工件材料的相對切削加工性及分級加工性等級材料相對加工性等級材料名稱及種類相對加工性Kr代表性材料1很易切削材料一般有色金屬＞3.0銅鋁合金，鋁銅合金，鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.5～3退火l5Cr，σb＝0.373～o.441GPa自動機鋼，σb＝0.393～0.491GPa3較易切削鋼1.6～2.5正火30鋼，σb＝0.441～0.549GPa4普通材料一般鋼、鑄鐵1.0～1.645鋼，灰鑄鐵5稍難切削材料0.65～1.02Crl3，調(diào)質(zhì)σb＝0.834GPa85，鋼σb＝0.883GPa6難加工材料較難切削材料0.5～0.6545Cr，調(diào)質(zhì)σb＝1.03GPa65Mn，調(diào)質(zhì)σb＝0.932～0.9817難切削材料0.15～0.550CrV,調(diào)質(zhì)；1Crl8Ni9Ti,鈦合金8很難切削材料＜0.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金5.2影響切削加工性的主要因素

工件材料的硬度和強度工件材料的塑性、韌性工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)化學(xué)成分C的影響；合金元素的影響金相組織低碳鋼（鐵素體）；淬火鋼（馬氏體）；不銹鋼（奧氏體）；冷硬鑄鐵（滲碳體）；中碳鋼（珠光體）5.3改善材料切削加工性的途徑

合理選擇材料供應(yīng)狀態(tài)低碳鋼以冷拔狀態(tài)最易切削;中碳鋼以部分球化的珠光體組織最好加工;高碳鋼以完全球化退火狀態(tài)加工性最好；鑄件、氣割件的周邊余量不均勻且有硬皮，加工性就不如冷拔或熱軋毛坯。

進行熱處理調(diào)整化學(xué)成分

§6切削用量的選擇切削用量選擇的根本原則

高質(zhì)量、高效率、低成本6.1切削用量的選擇原則

切削用量同生產(chǎn)率的關(guān)系

切削用量同刀具耐用度的關(guān)系P＝1/tmP=Aovfap

質(zhì)量、成本、生產(chǎn)率，ap、f、v乘積最大。

首先選取盡可能大的背吃刀量

其次選取盡可能大的進給量

最后確定切削速度6.1切削用量的選擇原則6.2背吃刀量的選定加工時，一次走刀盡可能切除全部加工余量。

硬皮的鑄鍛件或切削不銹鋼等加工硬化嚴重的材料時，應(yīng)盡量使背吃刀量超過硬皮或冷硬層厚度。在下列情況下粗車可能要分幾次走刀；(1)加工余量太大時，一次走刀會使切削力太大，會產(chǎn)生機床功率不足成刀具強度不夠；(2)工藝系統(tǒng)剛性不足，或加工余量極不均勺，以致引起很大振動時；(3)斷續(xù)切削，刀具會受到很大沖擊而造成打刀時。在上述情況下，如需分兩次走刀，也應(yīng)將第一次走刀的背吃刀量盡量取大些，第二次走刀的背吃刀量盡量取小些，以保證精加工刀具有高的刀具耐用度，高的加工精度及較小的加工表面粗糙度。6.3進給量的選定粗加工時，進給量的大小主要受機床進給機構(gòu)強度、刀具的強度與剛性、工件的裝夾剛度等因素的限制。

精加工時，合理進給量的大小則主要受加工精度和表面粗糙度的限制。

6.4切削速度的選定

在ap、f值選定后，根據(jù)合理的刀具耐用度計算或用查表來選定切削速度。

在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則1）加工工藝2）工件材料3）工件結(jié)構(gòu)4）刀具材料7.1前角

§7刀具角度的選擇1）前角的功用切削規(guī)律斷屑效果刀具耐用度已加工表面質(zhì)量2）前角的合理選擇工件刀具加工工藝5.1前角

1）前角的功用7.1刀具角度的選擇影響切削規(guī)律γO

刀刃鋒利，切屑變形切削力和切削功率影響斷屑效果γO

刀刃鋒利，切屑變形不易折斷切屑影響刀具耐用度γO

刀刃和刀尖強度，散熱體積刀具壽命刀刃鋒利，切屑變形切削熱和切削力刀具壽命影響已加工表面質(zhì)量γO

刀刃鋒利，鈍圓半徑rn加工硬化抑制積屑瘤，振動表面質(zhì)量工件材料塑性材料：為減小切削變形，降低切削力并減少切削熱，應(yīng)取大前角。脆性材料：出現(xiàn)崩碎切屑，為提高切削刃強度應(yīng)取小前角。工件材料硬度，強度較高時，應(yīng)取小前角，加工特硬材料時，可取負前角。刀具材料

刀具材料強度韌性好時，可取大前角。如高速鋼刀具可比硬質(zhì)合金刀具前角大5°～10°。加工工藝粗加工時，尤其是加工有硬皮的的鍛件和斷續(xù)切削，為保證切削刃強度，應(yīng)取較小前角。精加工，應(yīng)增加前角提高已加工表面質(zhì)量。7.2后角

1）后角的功用刀具耐用度已加工表面質(zhì)量2）后角的合理選擇工件刀具加工工藝7.2后角

1）后角的功用影響已加工表面質(zhì)量αo

刀刃鋒利已加工表面與后刀面間的摩擦，鈍圓半徑rn表面質(zhì)量，鈍圓半徑rn影響刀具耐用度刀刃和刀尖強度，散熱體積刀具壽命刀具壽命αo

已加工表面與后刀面間的摩擦刀具磨損

加工性質(zhì)

精加工時，切削厚度較小，磨損主要發(fā)生于后刀面，取大后角減小摩擦、鋒利切削刃，以提高表面質(zhì)量；粗加工時，切削厚度大，前刀面上月牙洼顯著，應(yīng)取小后角保證切削刃強度；斷續(xù)切削、強力切削時，為保證切削刃強度也應(yīng)取小后角；2）后角的合理選擇工件材料

加工塑性材料時，尤其是硬化現(xiàn)象嚴重的材料，應(yīng)取大后角以減小摩擦，提高表面質(zhì)量。加工脆性材料時，為增強切削刃，應(yīng)取小后角。加工硬度、強度高的材料時，應(yīng)取小后角。定尺寸刀具(如圓孔拉刀、鉸刀等)

應(yīng)取小后角以增加重磨次數(shù)，延長刀具使用壽命。

1）主偏角和副偏角的功用切削分力比例關(guān)系刀具耐用度已加工表面質(zhì)量7.3主偏角和副偏角2）主偏角和副偏角的合理選擇工件刀具工藝系統(tǒng)的剛性kr1

k'r1kr2

k'r2影響切削分力比例關(guān)系7.3主偏角和副偏角1）主偏角和副偏角的功用κr徑向力Fp，軸向力Ffκrκr′徑向力Fp可能引起振動，并頂彎工件。副后刀面與已加工表面間的摩擦引起振動影響刀具耐用度κr和κr′κr

刀刃強度，散熱條件刀具壽命主切削刃長度單位切削刃負荷刀尖角影響已加工表面質(zhì)量κr′

表面粗糙度殘留面積高度2）主偏角和副偏角的選擇

加工方式粗加工時，硬質(zhì)合金車刀一般選用較大主偏角，以利于減小振動、斷屑和采用較大的背吃刀量。精加工時，取小副偏角，有利于減小表面粗糙度，甚至可磨出一段K’r=0°的修光刃以消除殘留面積。工件材料

加工硬材料(如淬火鋼和冷硬鑄鐵等)時，為減少單位切削刃負荷，改善刀體散熱條件，提高刀具耐用度，應(yīng)采用較小的主偏角。工藝系統(tǒng)的剛性工藝系統(tǒng)剛性較好時不易產(chǎn)生振動的情況下，可減小主、副偏角提高刀具耐用度；反之，則增大主偏角(甚至可取Kr≥90°)以減小徑向力Fp，降低工藝系統(tǒng)的彈性變形及振動。1）刃傾角的功用控制切屑流出方向保護切削刃、刀尖

影響切削力7.4刃傾角

圖刃傾角對切削刃受力情況的影響

2）刃傾角的合理選擇工件刀具工藝系統(tǒng)的剛性2）刃傾角的選擇粗加工可取λs=0°～－5°以增大刀頭強度，精加工取λs=0°～+5°以免切屑劃傷已加工表面。在有沖擊載荷下，加工淬硬鋼、高強度鋼時，可取λs=－5°～－15°以保護切削刃、刀尖，沖擊特別大(如斷續(xù)切削等)時，可取λs=－20°～－30°。工藝系統(tǒng)剛性不足時，盡量不采用負刃傾角，以免引起加工過程中的振動及工件變形。

應(yīng)該指出，刀具各角度之間是互相聯(lián)系互相影響的，是一個有機的整體。孤立地選擇某一角度并不能得到所希望的合理值?！?

磨削過程及磨削機理

磨削加工是用高速回轉(zhuǎn)的砂輪或其它磨具以給定的背吃刀量（或稱切削深度），對工件進行加工的方法。根據(jù)工件被加工表面的形狀和砂輪與工件之間的相對運動，磨削分為外圓磨削、內(nèi)圓磨削、平面磨削和無心磨削等幾種主要加工類型。此外，還有對凸輪、螺紋、齒輪等零件進行磨削加工的專用磨床。

二、磨屑形成過程磨屑形成過程可分為以下三個階段：（1）劃擦階段（2）刻劃階段（3）切削階段一、磨料的形狀特征圖3－41圖3－41磨粒切削過程的三個階段三、磨削運動與磨削用量在磨削過程中，磨削速度、工件圓周進給速度、軸向進給量、徑向進給量等，統(tǒng)稱為磨削用量。合理選擇磨削用量對保證磨削加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率有很大影響。磨削速度vs砂輪的高速旋轉(zhuǎn)運動是主運動，磨削速度是指砂輪外圓的線速度。工件圓周進給速度vw指工件外圓的線速度。軸向進給量fa徑向進給量fp指工件轉(zhuǎn)一周沿軸線方向相對于砂輪移動的距離。單位為mm/r；指砂輪相對于工件在