第2章金屬切削加工基本原理2.1基本概念

2.2刀具的角度與切削要素

2.3金屬切削中的物理現(xiàn)象及影響因素

2.4金屬切削基本規(guī)律的應(yīng)用

思考題與習(xí)題

2.1基

本

概

念

金屬切削過程是工件和刀具相互作用的過程。刀具要從工件上切去一部分金屬，并在保證高生產(chǎn)率和低成本的前提下，使工件得到符合圖樣要求的形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)這一過程，必須具備以下三個(gè)條件：工件與刀具之間要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即切削運(yùn)動(dòng)；刀具材料必須具有一定的切削性能；

刀具必須具有適當(dāng)?shù)膸缀涡螤睿?/p>

即切削角度。

2.1.1切削運(yùn)動(dòng)在金屬切削中，為了要從工件上切去一部分金屬，刀具和工件間必須完成一定的切削運(yùn)動(dòng)。如外圓車削時(shí)(如圖2-1所示)，工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具作連續(xù)縱向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而形成了工件的外圓柱表面。

圖

2-1車削時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)

切削運(yùn)動(dòng)包括：主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

1.主運(yùn)動(dòng)

切削運(yùn)動(dòng)中速度最高、消耗功率最大的運(yùn)動(dòng)稱主運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)是切下金屬所必須的基本運(yùn)動(dòng)，如車削中工件的旋轉(zhuǎn)或銑削中刀具的旋轉(zhuǎn)等。

2.進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是使新的金屬層不斷投入切削，以便切完工件表面上全部余量的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的大小可用進(jìn)給量f表示。對(duì)于外圓車削，f是指工件轉(zhuǎn)一周，刀具沿工件縱向的移動(dòng)距離(mm／r)；多刃旋轉(zhuǎn)刀具常用到每齒進(jìn)給量af(mm／z)及每秒進(jìn)給速度vf(mm／s)。在整個(gè)切削過程中，工件上有三個(gè)表面（如圖2-1所示）。

(1)待加工表面：即將被切去金屬層的表面。

(2)加工表面：切削刃正在切削的表面。

(3)已加工表面：切削后形成的新表面。這些定義也適用于其它切削。如圖2-2(a)、圖2-2(b)和圖2-2(c)

所示，

分別表示了刨削、

鉆削、銑削時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)。

圖

2-2刨、

鉆、

銑削時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)

3.主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合成主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，如車削時(shí)刀具上切削刃某一點(diǎn)相對(duì)于工件的合成運(yùn)動(dòng)稱合成切削運(yùn)動(dòng)，可用合成速度向量ve表示(如圖2-3所示)。它等于主運(yùn)動(dòng)速度vc與進(jìn)給速度vf的向量和，

即

ve=vc+vf

顯然，

沿切削刃各點(diǎn)的合成速度向量并不相等。

（２－１）圖

2-3車削時(shí)的合成速度向量

2.1.2切削用量

1.切削速度vc

切削速度是主運(yùn)動(dòng)的線速度，單位為m／min。車削時(shí)切削速度為

(m/s或m/min)式中:d——工件或刀具直徑(mm)；

n——工件或刀具轉(zhuǎn)速(r／s或r／min)。

2.進(jìn)給量f

進(jìn)給量是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的單位量。車削時(shí)進(jìn)給量f是取工件每旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，工件與刀具的相對(duì)位移量，單位為mm／r。故車削時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度vf為

vf=nf（2-3）

3.背吃刀量ap

背吃刀量是垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向測(cè)量的切削層橫截面尺寸，

車外圓時(shí)：

（2-4）

式中:dw——待加工表面直徑(mm)；

dm——已加工表面直徑(mm)。

2.2刀具的角度與切削要素

2.2.1刀具角度的標(biāo)注

1.刀具切削角度的坐標(biāo)平面刀具的切削角度，是刀具和工件在切削運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下確定的角度。所以刀具切削角度的坐標(biāo)系應(yīng)該用合成切削速度向量ve來說明。由于實(shí)際生產(chǎn)中大多數(shù)加工表面都是空間曲面，不便于直接用來作為坐標(biāo)平面，因此需通過切削刃上某一選定點(diǎn)，做工件加工表面的基面和切削平面，以構(gòu)成刀具角度的坐標(biāo)系，它們的定義如下(如圖2-4所示)：

基面Pr：通過切削刃某選定點(diǎn)，

垂直于合成切削速度向量ve的平面。

圖2-4橫車的基面、

切削平面和主面

切削平面Ps：通過切削刃某選定點(diǎn)，切于或包含主切削刃且垂直于基面的平面。如圖2-4所示為橫車時(shí)的基面和切削平面，它們分別與刀頭的前刀面和主后刀面有一夾角。而且這一夾角，因選用的測(cè)量平面不同，而數(shù)值各異。因此為了正確地測(cè)量出兩平面間的夾角，還必須規(guī)定測(cè)量平面。主剖面就是其中之一。主剖面Po：通過切削刃某選定點(diǎn)，垂直于主切削刃在基面上的投影的平面。

2.刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系

為便于刀具設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)刀具時(shí)的標(biāo)注，一般先合理地規(guī)定一些條件。在車削時(shí)，這些條件是：(1)裝刀時(shí)，刀尖恰在工件的中心線上。(2)刀桿中心線垂直于工件軸線。(3)沒有進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。(4)工件已加工表面的形狀是圓柱表面。

基于這些條件，以常見的外圓車刀為例(如圖2-5所示)，此時(shí)，主切削刃某選定點(diǎn)M的基面Pr垂直于主運(yùn)動(dòng)速度方向；切削平面Ps垂直于基面Pr；主剖面Po垂直于主切削刃在基面上的投影。因此，正交平面坐標(biāo)系內(nèi)三個(gè)坐標(biāo)平面互相垂直，

構(gòu)成一個(gè)空間直角坐標(biāo)系。

圖

2-5刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系

有了這些坐標(biāo)平面后就可以確定刀具上的標(biāo)注角度。這些角度及其定義有(如圖2－6所示):

1）在主剖面Po內(nèi)前角γo:前刀面與基面之間的夾角。前刀面在基面之下稱正前角；前刀面在基面之上稱負(fù)前角。后角αo：主后刀面與切削平面之間的夾角。

圖2-6車刀的標(biāo)注角度

2）在基面Ｐr內(nèi)

主偏角κr：進(jìn)給方向與主切削刃在基面上的投影之間的夾角。副偏角κr′：進(jìn)給方向與副切削刃在基面上的投影之間的夾角。

3）在切削平面Ｐs內(nèi)刃傾角λs：主切削刃與基面之間的夾角。根據(jù)ISO規(guī)定，當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献畹忘c(diǎn)時(shí)，λs為負(fù)值(如圖2-7(b)所示)；當(dāng)?shù)都馐侵髑邢魅猩献罡唿c(diǎn)時(shí)，λs為正值(如圖2-7(c)所示)。

圖2-7刃傾角λs的符號(hào)(a)λs=0;(b)-λs

;

(c)+λs

λs＝0°(如圖2-7(a)所示)的切削稱直角切削或正切削。這時(shí)主切削刃與切削速度方向相垂直(如圖2-8(a)所示)；

λs≠0°的切削稱斜角切削。這時(shí)主切削刃與切削速度方向不垂直(如圖2－8(b)所示)。

圖2－8直角切削和斜角切削(a)直角切削(b)斜角切削

4)在副切削刃主剖面Po′（垂直于副切削刃在基面上的投影）內(nèi)副前角γo′：在副切削刃的主剖面中前刀面與基面之間的夾角。當(dāng)γo、λs、κr、κr′為已定值，γo′即被惟一確定。副后角αo′：副后刀面與切削平面之間的夾角。此外，根據(jù)分析刀具的需要，還需給定幾個(gè)派生角度，其名稱和定義如下：楔角βo：前刀面與后刀面之間的夾角。當(dāng)γo、αo已知，βo可按下式求得刀尖角εr：在基面Pr內(nèi)，主切削刃與副切削刃在基面上的投影之間的夾角。

εr=180°-(κr+κ’r)（2-6）

(2-5)

3.刀具的實(shí)際切削角度前面介紹的是在規(guī)定條件下刀具的切削角度，在實(shí)際切削中，隨著切削條件的改變，刀具的實(shí)際切削角度值將不同于標(biāo)注角度值。

1)裝刀時(shí)，刀尖不在工件的中心線上如切斷刀(如圖2-9所示)，當(dāng)?shù)都馔ㄟ^工件中心線時(shí)，所得的前、后角為γo、αo；當(dāng)?shù)都獠辉诠ぜ行木€時(shí)，如低h值，由于基面、切削平面已變動(dòng)為Pre、Pse，此時(shí)的實(shí)際工作前、后角將改變?yōu)棣胦e、αoe。

圖

2-9刀尖不通過工件中心線

圖

2-10刀桿中心線不垂直于工件軸線

2)刀桿中心線不垂直于工件軸線如圖2-10所示，當(dāng)中心線、軸線互不垂直時(shí)，將引起主偏角κr、副偏角κr′數(shù)值的改變。

3)考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)如切斷刀，工作時(shí)切削刃相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋面(如圖2-11所示)，引起了實(shí)際切削時(shí)前、后角數(shù)值的改變。角度變化值μ可從圖中求得。當(dāng)工件轉(zhuǎn)過Δθ角時(shí)，因進(jìn)給量f，其加工表面為AC，則曲線三角形ABC中∠CAB即為μ角

式中:d——工件直徑（mm）。

圖2-11切斷刀的工作角度因工件轉(zhuǎn)一周(2π)，

刀具進(jìn)給量為f，所以有

則得

(2-7)這說明μ值隨切削刃趨近工件中心而增大。當(dāng)切削刃距離工件中心1mm時(shí)，μ≈1°40′。進(jìn)一步靠近中心，μ值急劇增大，實(shí)際工作后角變?yōu)樨?fù)值。切斷工件時(shí)，往往遇到剩下約1mm時(shí)工件就被擠斷，就是這個(gè)道理。

2.2.2刀具工作角度的計(jì)算

1.法剖面坐標(biāo)系有些切削刀具，往往需要知道或標(biāo)注法剖面(如圖2-12所示)的角度。法剖面Pn：通過切削刃某選定點(diǎn)，垂直于主切削刃或其切線的平面。法剖面上的前角γn與主剖面上的前角γo的關(guān)系可用解析法從圖中求得

tanγn=tanγocosλs(2-8)圖2-12刀具標(biāo)注角度坐標(biāo)系（主、法剖面）法剖面上的后角αn與主剖面上的后角αo的關(guān)系可以用同樣方法求得。因主后刀面與基面之間的夾角在法剖面內(nèi)是90°-αn，在主剖面內(nèi)是90°-αo。在式(2－8)中，以90°-αn代γn并以90°-αo代γo，

則得

cotαn=cotαocosλs

2.切深、進(jìn)給剖面坐標(biāo)系

進(jìn)給剖面Ｐf：通過切削刃某選定點(diǎn)，平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向并垂直于基面的平面(如圖2-13中的xOz平面)。切深剖面Pp：通過切削刃某選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向和基面的平面(如圖2-13中的yOz平面)。切深剖面和進(jìn)給剖面為互相垂直的平面。由它們與基面構(gòu)成切深、進(jìn)給剖面坐標(biāo)系。在切深剖面中可得切深前角γp、切深后角αp；在進(jìn)給剖面中可得進(jìn)給前角γf、進(jìn)給后角αf

。

它們可通過下式求得：

tanγp=tanγocosκr+tanλssinκr(2-10)tanγf=tanγosinκr-tanλscosκr(2-11)cotαp=cotαocosκr+tanλssinκr(2-12)cotαf=cotαosinκr-tanλscosκr(2-13)各種坐標(biāo)系中的標(biāo)注角度見圖2-14。

圖

2-13進(jìn)給、

切深剖面坐標(biāo)系

圖

2-14車刀的標(biāo)注角度

2.2.3切削要素

1.切削層要素如圖2-15所示，切削層是指切削刃沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量f(mm／r)后所切下的金屬在基面上所截得的金屬層。切削層的大小和形狀，直接決定了切削刃切削部分所承受的負(fù)荷大小及切下切屑的形狀的尺寸。

切削厚度ac：即切削層厚度，也就是相鄰兩個(gè)加工表面之間在基面上測(cè)量的垂直距離。切削寬度aw：即切削層寬度，它是沿加工表面在基面上測(cè)量的切削層尺寸。

圖2-15切削層要素當(dāng)λs=0°時(shí)，ac、aw與f、ap的關(guān)系為

(2-14)(2-15)可見，f、ap一定時(shí)，κr增大，ac增大，aw減小(如圖2-16所示)。對(duì)于曲線的切削刃，

切削層各點(diǎn)的切削厚度是互不相等的(如圖2-17所示)。

圖

2-16不同κr時(shí)

ac、aw的變化

圖

2-17曲線切削刃ac的變化

切削面積Ac：

即切削層在基面內(nèi)的面積。

或者

Ac=fap(2-17)(2-16)

2.殘留面積及其高度按式(2-16)或式(2-17)計(jì)算的切削面積Ac是近似的，稱名義切削面積。由于切削運(yùn)動(dòng)和刀具幾何形狀的關(guān)系(如圖2-18所示)，使加工后仍有一部分金屬未被切除，而殘留在已加工表面上，構(gòu)成已加工表面的橫向不平度(粗糙度)，即所謂殘留面積。

當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑rε=0時(shí)，殘留面積高Rmax為

（2-18）

當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑rε≠0時(shí)，殘留面積高Rmax為

（2-19）

圖2-18殘留面積及其高度(a)rε=0;

(b)rε≠02.2.4切削方式切削方式有自由切削和非自由切削。自由切削是指只有一個(gè)直線切削刃的切削。如圖2-8(a)所示的直角自由切削和如圖2-8(b)所示的斜角自由切削。非自由切削是指切削刃為曲線形(如圖2-17所示)，或主切削刃和副切削刃同時(shí)參加切削。非自由切削時(shí)，

刃口上各點(diǎn)切屑流動(dòng)方向不一致，

互相干涉，

切屑變形比較復(fù)雜。

2.3金屬切削中的物理現(xiàn)象及影響因素

2.3.1金屬切削中的變形及主要影響因素

1.切屑的形成過程實(shí)驗(yàn)研究表明，金屬切削過程是工件被切削層在受到刀具前刀面的擠壓后而產(chǎn)生的以滑移為主的變形過程。這一現(xiàn)象與擠壓試驗(yàn)有些類似。圖2-19(a)是普通擠壓的示意圖，試件受壓時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力和應(yīng)變，滑移面DA、CB與作用力F的方向大致成45°，圖2-19(b)是切削過程示意圖，與擠壓試驗(yàn)比較，差別在于工件僅切削層受擠壓，DB以下有工件母體的阻礙，所以金屬只沿DA方向滑移，

這就是切削過程中的剪切面。

實(shí)際切削情況還要復(fù)雜些(如圖2-19(c)所示)。這是因?yàn)榍邢鲗釉谑艿降毒咔暗睹鏀D壓而產(chǎn)生剪切(稱第一變形區(qū))后的切屑，沿前刀面流出，其底面將受到前刀面的擠壓與摩擦，繼續(xù)變形(稱第二變形區(qū))。再者，刀具刃口并非絕對(duì)鋒利，而是存在著鈍圓半徑rβ，在整個(gè)切削層的厚度中，將有很小一部分被rβ擠壓下去，經(jīng)變形成已加工表面(稱第三變形區(qū))。圖2-19擠壓與切削的比較(a)試件擠壓;(b)切削層被切;(c)三個(gè)變形區(qū)

2.第一變形區(qū)的變形

1）變形區(qū)內(nèi)金屬的剪切變形第一變形區(qū)內(nèi)的金屬的剪切滑移可以這樣來理解(如圖2-20所示)：在AM外表面上，由于只受到單向應(yīng)力，所以滑移線與外表面成45°。但切削層內(nèi)部，由于切屑與前刀面上有摩擦，所以滑移線略有扭曲。現(xiàn)在追蹤切削層上的任一點(diǎn)P，來觀察切屑的變形過程：當(dāng)P點(diǎn)向切削刃逼近到達(dá)點(diǎn)１時(shí)，其剪應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度τs，點(diǎn)１在向前移動(dòng)的同時(shí)，也沿OA滑移，其合成運(yùn)動(dòng)將使點(diǎn)1流動(dòng)到點(diǎn)2，2′—2就是它的滑移量，隨著不斷地移動(dòng)和滑移量的增加，剪應(yīng)力也將逐漸增加，直到點(diǎn)4位置，此時(shí)其流動(dòng)方向與前刀面平行，不再沿OM線滑移。OM稱終滑移線，OA稱始滑移線。在一般切削速度范圍內(nèi)，OA—OM間即第一變形區(qū)，其寬度約在0.02～0.2mm，速度低寬度大，速度高寬度窄。常以一個(gè)面來代替，稱剪切面(如圖2－21所示)。

剪切面與切削速度之間的夾角稱剪切角，以￠表示。

根據(jù)上述變形過程，可以把塑性金屬的切削過程模擬為如圖2-22所示的示意圖。被切材料好比一疊卡片1′、2′、3′，…等，當(dāng)?shù)毒咔腥霑r(shí)，這疊卡片受力被托到1、2、3,…等位置，卡片之間發(fā)生滑移，

該滑移方向就是剪切面的方向。

圖

2-20第一變形區(qū)金屬的滑移

圖

2-21剪切面與剪切角

圖

2-22金屬的切削過程示意圖

2）變形程度的表示方法實(shí)驗(yàn)證明，剪切角與切削力有關(guān)。在同樣條件下(工件材料、刀具、切削層大小)，切削速度vc高時(shí)，角大、剪切面積小(如圖2-23所示)，切削比較省力，說明可作為衡量切削過程的參數(shù)。

圖

2-23

角與剪切面積的關(guān)系

既然切削中金屬變形的主要形式是剪切滑移，因此可以進(jìn)一步考察剪切角與剪切滑移ε的關(guān)系。如圖2-24所示，平行四邊形OHNM發(fā)生剪切變形后，變?yōu)镺GPM，其相對(duì)滑移ε為

此時(shí)剪切面NH被推到PG位置

ΔS=NP

ΔY=MK

(2-20)或

（2-21）

用衡量變形大小，必須用快速落刀裝置獲得切屑根部金相圖片才能量出，比較麻煩。

事實(shí)上，切削中刀具切下的切屑厚度ach通常大于工件切削層的厚度ac(如圖2-24所示)，它們的比值稱厚度變形系數(shù)ξa，即(2-22)而切屑長度lch卻小于切削層長度lc，它們的比值稱長度變形系數(shù)ξl，即(2-23)因工件上切削層的寬度與切屑平均寬度的差異很小，切削前、后的體積視為不變，故有

(2-24)

ξ稱變形系數(shù)，直觀地反映了切屑變形程度，且lc、lch容易測(cè)量。

ξ越大，變形越大。從圖2-24中還可推導(dǎo)出ξ與的關(guān)系如下：

（2-25）

圖2-24剪切變形示意圖(a)切削層的剪切滑移;(b)相對(duì)滑移

經(jīng)變換也可寫為

將式（2-26）代入式（2-21），可得ξ與ε的關(guān)系為

（2-26）

（2-27）

￠、ε、ξ均可表示變形程度。但應(yīng)指出，它們是根據(jù)純剪切的觀點(diǎn)提出的。實(shí)際切削過程是復(fù)雜的，既有剪切、又有前刀面對(duì)切屑的擠壓和摩擦。因此，這些公式不能反映全部變形實(shí)質(zhì)。例如ξ＝1時(shí)，ach=ac，似乎沒有變形，但實(shí)際有相對(duì)滑移存在。式(2-27)表示了ξ與ε的關(guān)系，也只當(dāng)ξ>1.5時(shí)，ξ與ε基本成正比。

3.切屑與前刀面的摩擦和積屑瘤

1）切屑與前刀面的摩擦特點(diǎn)切屑在經(jīng)第一變形區(qū)剪切滑移后，沿前刀面排出，其底層還要繼續(xù)受到前刀面的擠壓與摩擦，使切屑底層產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。

切屑與前刀面間的摩擦與一般金屬接觸面間的摩擦不同。其摩擦區(qū)域劃分為兩個(gè)摩擦區(qū)域，

如圖2-25所示，有粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。

圖2-25切屑與前刀面間的摩擦情況（1）粘結(jié)區(qū):切削刃長度lf1內(nèi)，由于高溫（可達(dá)900℃）、高壓（可達(dá)3.5GPa）的作用使切屑底層材料產(chǎn)生軟化，切屑底層的金屬材料粘嵌在前刀面上的高低不平的凹坑中而形成粘結(jié)區(qū)，粘結(jié)面間相對(duì)滑移產(chǎn)生的摩擦稱為內(nèi)摩擦，內(nèi)摩擦力等于剪切其中較軟的材料中金屬層所需的力。

（2）滑動(dòng)區(qū):切屑即將脫離前刀面時(shí)在lf2長度內(nèi)的接觸區(qū)。在該區(qū)內(nèi)切屑與前刀面間只是凸出的金屬點(diǎn)接觸，因此實(shí)際的接觸面積遠(yuǎn)小于名義接觸面積?；瑒?dòng)區(qū)的摩擦稱為外摩擦，其外摩擦力可應(yīng)用庫侖定律計(jì)算。經(jīng)光彈性實(shí)驗(yàn)測(cè)定，前刀面正應(yīng)力σr、剪應(yīng)力τr分布情況如圖2－25所示。粘結(jié)部分單位切向應(yīng)力τr等于材料的屈服強(qiáng)度τs；滑動(dòng)部分單位切向力τr由τs逐漸減小到零。整個(gè)接觸區(qū)的正應(yīng)力σr以刀尖處最大，逐漸減小到零。由此可見，如以τr／σr表示摩擦系數(shù)，則沿前刀面是變化的。沿用μ=tanβ描述前刀面摩擦情況是過于簡化了，顯然，金屬內(nèi)摩擦力要比外摩擦力大得多，在這里的分析中應(yīng)著重考慮內(nèi)摩擦。以μ代表前刀面上的平均摩擦系數(shù)，有

（2-28）

式中:Afl——內(nèi)摩擦部分接觸面積；

σav——該部分的平均正應(yīng)力，隨材料硬度、ac、vc、γo

而變；

τs——工件材料的剪切屈服強(qiáng)度，隨溫升而下降。從式（2-28）可看出μ是個(gè)變值，

與外摩擦不同。

2）積屑瘤（1）現(xiàn)象:加工一般鋼料或其他塑性金屬材料，在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑時(shí)，常在前刀面切削刃處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊(如圖2-26所示)，稱積屑瘤。其硬度很高，

為工件材料的2～3倍，

處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)可代替刀尖進(jìn)行切削。

圖

2-26積屑瘤

圖

2-27積屑瘤高度Hb與vc的關(guān)系

（2）產(chǎn)生:切屑對(duì)前刀面接觸處的摩擦，使前刀面十分潔凈，當(dāng)接觸面達(dá)到一定溫度，壓力又較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象。這時(shí)切屑從粘在前刀面的底層金屬上流過，形成內(nèi)摩擦。如果溫度和壓力適當(dāng)，底層上面的金屬因內(nèi)摩擦而變形，也會(huì)發(fā)生加工硬化，而被阻滯在底層，粘結(jié)成一體。這樣，粘結(jié)層逐漸增大，直到該處的溫度與壓力不足以造成粘附為止。所以積屑瘤的產(chǎn)生及其高度與被加工材料的硬化性質(zhì)、切削區(qū)的溫度、壓力分布等有關(guān)。一般地說，塑性金屬材料的加工硬化傾向愈強(qiáng)，愈易產(chǎn)生積屑瘤；溫度低、壓力低時(shí)，不易產(chǎn)生積屑瘤；反之，溫度太高，使金屬軟化，也不易產(chǎn)生積屑瘤。對(duì)碳鋼，以300～350℃時(shí)為最高，500℃以上時(shí)趨于消失。在ap、f一定時(shí)，vc與積屑瘤高度Hb的關(guān)系見圖2-27。因ap、f、vc中，以vc對(duì)溫度的影響最大，所以此圖實(shí)際上也反映了積屑瘤高度與溫度的關(guān)系。

（3）影響:①使實(shí)際前角增大，減小切削力，對(duì)切削過程起積極作用。②使切削深度增加了Δac。因積屑瘤的產(chǎn)生、成長、脫落是一個(gè)帶有一定周期的動(dòng)態(tài)過程，所以Δac是變化的，可能引起振動(dòng)。③增大加工表面粗糙度。積屑瘤的頂部很不穩(wěn)定，容易破裂，或部分粘附于切屑底部而排除；或部分留在已加工表面而影響粗糙度。④影響刀具耐用度。穩(wěn)定時(shí)代替刀刃切削，減少刀具磨損，提高刀具耐用度；但破裂時(shí)可能使硬質(zhì)合金顆粒剝落，

反而加劇刀具磨損。

（4）控制：精加工時(shí)，防止積屑瘤產(chǎn)生的措施有：①用低速切削，使切削溫度低，粘結(jié)現(xiàn)象不易發(fā)生；或用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應(yīng)溫度。②采用潤滑性能好的切削液，減小摩擦。③增大γo，減小切屑接觸區(qū)壓力。④

提高工件材料硬度(如熱處理)，

減小加工硬化傾向。

4.切屑的類型及其變化

1）切屑的類型根據(jù)切削層變形特點(diǎn)和變形后形成切屑的外形不同，通常將切屑分為以下四類(如圖2-28所示)。（1）帶狀切屑（如圖2-28(a)所示）。切削塑性金屬材料時(shí)，若切屑在滑移后尚未達(dá)到破裂程度，則形成連綿不斷、

底面光滑的帶狀切屑。

圖2-28切屑的類型(a)帶狀切屑;(b)擠裂切屑;(c)單元切屑;(d)崩碎切屑（2）擠裂切屑（如圖2-28(b)所示）。若切屑的滑移變形比較充分，以至達(dá)到破裂程度，產(chǎn)生一節(jié)節(jié)裂紋，但裂紋上下尚未貫穿，僅背面裂開，底面仍較光滑，稱之為擠裂切屑。（3）

單元切屑（如圖2-28(c)所示）。

發(fā)生的裂紋上下貫穿時(shí)則稱單元切屑。

（4）崩碎切屑（如圖2-28(d)所示）。切削脆性金屬材料時(shí)，被切層在發(fā)生彈性變形后，即突然崩裂，形成崩碎切屑。它的形狀不規(guī)則，加工表面凹凸不平，切削過程很不平穩(wěn)，易損刀具，于機(jī)床也不利，生產(chǎn)中應(yīng)力求避免。加工鑄鐵時(shí)，如采用較大的刀具前角、較大的切削深度、

較高的切削速度通?？蓪⒈浪榍行嫁D(zhuǎn)化帶狀切屑。

在生產(chǎn)中，最常見的是帶狀切屑，切削過程最平穩(wěn)；有時(shí)是擠裂切屑；切削力波動(dòng)最大的單元切屑很少見。當(dāng)改變擠裂切屑的條件：如增大刀具前角、提高切削速度、減小切削厚度(即減小進(jìn)給量)，就可以得到帶狀切屑；反之，則可得到單元切屑。這說明，切屑的形態(tài)可以隨切削條件而轉(zhuǎn)化。掌握了它的變化規(guī)律，即可以控制切屑的變形、形態(tài)和尺寸，以達(dá)到卷屑、

斷屑的目的。

2）切屑變形的變化規(guī)律要獲得較理想的切削過程，關(guān)鍵在于減小變形和摩擦。影響它們的因素有：

(1)工件材料。工件材料強(qiáng)度愈高，μ愈小，￠增大，ξ減小，如圖2-29所示。

圖

2-29工件材料強(qiáng)度對(duì)ξ的影響

圖

2-30γo對(duì)ξ的影響

(2)刀具前角γo。γo愈大，切屑變形愈小(如圖2-30所示)。γo增大，ω減小，￠增大；雖然β也隨γo的增大而增大，但不如γo增大的多，結(jié)果ω還是減小，總的來說，￠是使增大，從而使切屑變形減小。

(3)切削速度vc。如圖2-30所示，在無積屑瘤的速度范圍內(nèi)，vc愈大，ξ愈小。這是因?yàn)椋核苄宰冃蔚膫鞑ニ俣容^彈性變形慢。如圖2-31所示，低速時(shí)，始剪切面為OA，速度增高時(shí)，金屬流動(dòng)速度大于塑性變形速度，即OA線尚未顯著變形就已流到OA′線上，使第一變形區(qū)后移，￠增大；再者，vc對(duì)μ有影響，除低速外，vc愈大，μ愈小，所以ξ愈小。

圖

2-31vc對(duì)的影響

(4)切削厚度ac。圖2-32表示了vc、f對(duì)ξ的影響?？梢娫跓o積屑瘤的情況下，f愈大(ac愈大)，ξ愈?。辉谟蟹e屑瘤的情況下，vc主要通過積屑瘤所形成的實(shí)際前角來影響切屑變形。積屑瘤增長期，積屑瘤隨vc的增加而增大，積屑瘤愈高，其實(shí)際前角愈大，ξ隨vc的增加而減小；積屑瘤消退期，積屑瘤隨vc的增加而減小，積屑瘤愈小，實(shí)際前角愈小，變形隨之增大，ξ隨vc的增加而增大。

據(jù)以上分析可知，減小切屑變形、改善切屑與刀具的摩擦情況是革新刀具、提高切削水平的重要方法。

圖

2-32vc、f對(duì)ξ的影響

5.已加工表面的形成過程(第三變形區(qū))無論怎樣仔細(xì)刃磨刀具，前、后刀面形成的切削刃不可能絕對(duì)鋒利，鈍圓半徑rβ總是存在的。其值經(jīng)測(cè)定：高速鋼刀具3～10μm；硬質(zhì)合金刀具18～32μm。另外，刀具開始切削不久，后刀面就會(huì)發(fā)生磨損，形成一段αoe=0°的棱帶VB。在研究已加工表面形成時(shí)，應(yīng)考慮rβ、VB的影響。

圖

2-33已加工表面的形成過程

圖2-33是已加工表面的形成過程。當(dāng)切削層金屬以v逐漸接近切削刃時(shí)，被切層便發(fā)生擠壓與剪切變形，最終沿剪切面OM方向滑移成為切屑。由于rβ的關(guān)系，ac中將有Δa無法沿OM方向滑移，而是從切削刃鈍圓部分O點(diǎn)下面擠壓過去，繼之又受到VB的擠壓和摩擦，使工件表層金屬受到剪切應(yīng)力，隨后彈性恢復(fù)，設(shè)其高度為Δh，則已加工表面在CD長度上繼續(xù)與后刀面摩擦。切削刃鈍圓部分、VB、CD構(gòu)成了后刀面的總接觸長度。通過這一劇烈的變形過程形成的已加工表面，其表層的金屬具有和基體組織不同的性質(zhì)，稱加工變質(zhì)層。2.3.2切削力及主要影響因素切削過程中作用在刀具與工件上的力稱為切削力。這里主要研究切削力的計(jì)算及變化規(guī)律。

1.切削力的來源、合力、分解切削時(shí)作用在刀具上的力由以下兩方面組成：

(1）三個(gè)變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的彈性變形抗力和塑性變形抗力。

(2）切屑、工件與刀具間的摩擦力。這些力的總和形成作用在刀具上的合力Fr(如圖2-34(a)所示)。Fr又可分解為相互垂直的Fz、Fy、Fx三個(gè)分力(如圖2-34(b)所示)。

圖2-34切削力的來源、合力、分解(a)

切削力的來源；

(b)切削合力和分解

Fz——主切削力(或稱切向力)。它作用于加工表面并與基面垂直，是計(jì)算刀具強(qiáng)度、設(shè)計(jì)機(jī)床零件、確定機(jī)床功率所必需的；

Fy——切深抗力(或稱徑向力、吃刀力)。它是基面內(nèi)與工件軸線垂直的力，用來確定與加工精度有關(guān)的工件變形、計(jì)算機(jī)床零件和刀具強(qiáng)度與剛度。該力使工件在切削過程中產(chǎn)生振動(dòng)；

Fx——進(jìn)給抗力(或稱軸向力、進(jìn)給力)。它是基面內(nèi)與工件軸線平行、與進(jìn)給方向相反的力。是設(shè)計(jì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、計(jì)算刀具進(jìn)給功率所必需的。由圖2-34(b)有

（2-29）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)κr=45°、λs=0°、γo=15°時(shí)，F(xiàn)z、Fy、

Fx之間有以下近似關(guān)系：

Fy=(0.4～0.5)Fz

Fx=(0.3～0.4)Fz

代入式(2-29)得

Fr=（1.12～1.18）Fz

隨著刀具幾何參數(shù)、切削用量、工件材料和刀具磨損等情況的不同，Ｆz、Fy、Fx之間的比例也不同。

2.切削力的實(shí)驗(yàn)公式

很多研究人員曾用計(jì)算機(jī)對(duì)切削力作了大量的理論分析，以期從理論上獲得計(jì)算切削力的理論公式，服務(wù)于生產(chǎn)。但由于切削過程非常復(fù)雜，影響因素很多，迄今還未能得出與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合的理論公式。因而生產(chǎn)實(shí)踐中仍采用通過實(shí)驗(yàn)方法所建立的切削力實(shí)驗(yàn)公式。它是通過大量實(shí)驗(yàn)，由測(cè)力儀測(cè)得切削力后，將所得數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理而得出的?，F(xiàn)有的切削力實(shí)驗(yàn)公式有兩類：

1）

指數(shù)公式

（2-30）

式中:Fz、Fy、Fx——分別為主切削力、切深抗力、進(jìn)給抗力；

、、——分別為上述三個(gè)分力的系數(shù)，其大小決定于被加工材料和切削條件；

xFz、yFz、nFz、xFy、yFy、nFy、xFx、yFx、nFx——分別為三個(gè)分力公式中，背吃刀量ap、進(jìn)給量f和切削速度vc的指數(shù)；

KFz、KFy、KFz——分別為三個(gè)分力計(jì)算中，當(dāng)實(shí)際加工條件與所求得的實(shí)驗(yàn)公式的條件不符時(shí)，各種因素對(duì)切削力的修正系數(shù)的乘積。這些系數(shù)、指數(shù)、修正系數(shù)均可從切削用量手冊(cè)中查到。2）單位切削力單位切削力p是指單位面積上的主切削力。

通過實(shí)驗(yàn)求得p后，

則可通過上式求得主切削力Fz。

3.切削功率

1）由切削力計(jì)算消耗在切削過程中的功率稱為切削功率Ｐm。是Fz、Fx所消耗的功率之和。Fy方向沒有位移，不消耗功率。所以（2-32a）

式中:nw——工件轉(zhuǎn)速(r/s)。

因Fx相對(duì)于Fz所消耗的功率來說一般很小，可略去不計(jì)。

因而

Pm=Fzvc×10-3

（2-32b）

2）由單位切削力計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單位切削功率Ps。

（2-33）

式中:Zw——單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量（mm3·s-1）。

將式（2-31）代入式（2-32b）得Pm將它與式（2－34）一起代入式（2-33），整理后得

（2-34）

（2-35）

3）機(jī)床電機(jī)功率在設(shè)計(jì)機(jī)床選擇電機(jī)功率PE時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算

（2-36）

4.影響切削力的因素由 可知，被加工材料的抗剪變形、切削面積愈大，剪切角、前角愈小，則切削力愈大。具體分析如下：

1）工件材料工件材料是通過材料的剪切屈服強(qiáng)度τs、塑性變形、切屑與前刀面間摩擦系數(shù)μ等條件影響切削力的。工件材料強(qiáng)度、硬度愈高，材料的剪切屈服強(qiáng)度τs越高，切削力越大。材料的制造和熱處理狀態(tài)不同，得到的硬度也不同，切削力隨著硬度提高而增大。

工件材料的塑性或韌性越高，切屑越不易折斷，使切屑與前刀面間摩擦增加，故切削力增大。例如，不銹鋼1Cr18Ni9Ti的硬度接近45鋼，但延伸率是45鋼的4倍，所以同樣條件下產(chǎn)生的切削力較45鋼增大25％。在切削鑄鐵等脆性材料，由于塑性變形很小，

崩碎切屑與前刀面的摩擦小，故切削力小。

2）切削用量（1)背吃刀量ap、進(jìn)給量f。ap、f增大，分別使切削寬度aw、切削厚度ac增大，切削面積Ac增大，抗力和摩擦力增加，則切削力增大，但影響程度不一。因刀刃鈍圓半徑rβ的關(guān)系，刃口處的變形大，ap增大時(shí)(如圖2-35(a)所示)，該處變形成比例增大；f增大時(shí)(如圖2-35(b)所示)，該處變形比例基本不變，而ac變大，變形減小。所以增加ap時(shí)切削力的增大較f的增大影響明顯。一般切削力實(shí)驗(yàn)公式中ap的指數(shù)接近于1；f的指數(shù)接近于0.75也可說明這一點(diǎn)?？梢?，在同樣切削面積下，采用大的f較采用大的ap省力。圖2-35

ap、f對(duì)切削力的影響

(a)ap;(b)f（2）切削速度vc。切削塑性金屬時(shí)，vc對(duì)切削力的影響如同對(duì)切削變形影響的規(guī)律，是由積屑瘤與摩擦的作用所造成的（如圖2-36所示）。當(dāng)vc<30m/min時(shí)，由于積屑瘤的產(chǎn)生和消失，使γoe增大或減小，導(dǎo)致切削力的變化；當(dāng)vc>30m/min時(shí)，vc大，切削溫度高，μ減小，增大，則ξ減小，致使切削力減小。

圖

2-36vc對(duì)Fz的影響

3）刀具幾何參數(shù)（1）前角γo及倒棱。加工鋼料時(shí)，由式 可知，γo增大，ξ減小，則切削力減??；加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，因變形和加工硬化小，γo對(duì)力的影響不顯著。前刀面上的負(fù)倒棱br1(如圖2-37所示)有利于增強(qiáng)刀刃強(qiáng)度，但也增加了切屑變形程度，所以使切削力增大。

圖2-37前刀面上的負(fù)倒棱（2）主偏角κr及刀尖圓弧半徑rε。κr的變化將改變切削層形狀(如圖2-38(a)所示)和分力Fx、Fy的比值(如圖2-38(b)所示)。

圖2-38κr對(duì)切削面積和分力的影響(a)

改變切削層形狀;

(b）影響分力比值

圖

2-39κr對(duì)切削力的影響

κr對(duì)Fz的影響規(guī)律見圖2-39。在ap、f相同的情況下，κr增大，ac增大，變形減小，F(xiàn)z減??；但當(dāng)κr增至60°～75°之間時(shí)，曲線上出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，F(xiàn)z逐漸增大。這是因?yàn)椋害蕆增大使刀尖圓弧部分成比例增大(如圖2-38(a)所示)，切屑向圓弧中心排擠量增加，加劇了變形；圓弧部分的ac是變化的，且比直線刃的小。

故變形力大些。

κr與Fx、Fy的關(guān)系，由圖2-38

(b)

可得

Fx=FNsinκr

Fy=FNcosκr

其影響規(guī)律見圖2-39。Fx隨κr增大而增大，F(xiàn)y隨κr增大而減小。長徑比超過10的細(xì)長軸，剛性差，加工時(shí)為避免振動(dòng)，提高加工精度，宜用大κr，如常用的κr

＝93°的偏刀。刀尖圓弧半徑rε(如圖2-40所示)對(duì)切削力的影響見圖2-41。顯然，rε增大對(duì)Fx、Fy要比對(duì)Fz的影響大。這是因?yàn)?，?dāng)ap、f、κr不變時(shí)，rε增大，將使曲線部分各點(diǎn)的ac、κr減小(比較圖2-40(a)、(b)可見)。所以當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛性較差時(shí)，宜用小rε。圖2-40rε與刀刃曲線部分的關(guān)系(a)rε小;

(b)rε大

圖

2-41rε對(duì)切削力的影響

（3)刃傾角λs。實(shí)驗(yàn)證明，λs對(duì)Fz的影響不大，但對(duì)Fx、Fy的影響較大(如圖2-42所示)。由式(2-10)和式(2－11)可知：λs增大，背吃刀力Fy方向的前角γp增大，F(xiàn)y減?。欢M(jìn)給抗力Fx方向的前角γf減小，則Fx增大。圖

2-42λs對(duì)切削力的影響

4）其它刀具材料通過其摩擦系數(shù)來影響切削力。如硬質(zhì)合金的μ值隨鈷含量的增多和碳化鈦含量的減少而提高，故使用含鈷量多的硬質(zhì)合金刀片，切削力將增大；YT類硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)較高速鋼小，可使Fz下降5％～10％，而YG類硬質(zhì)合金則基本與高速鋼相同，陶瓷刀片導(dǎo)熱性小，在較高的溫度下工作時(shí)因摩擦降低，切削力減小。切削中采用切削液可減小摩擦，降低切削力。刀具的磨損量加大時(shí)，

切削力增加。

2.3.3切削溫度及主要影響因素切削熱是切削過程的重要物理現(xiàn)象之一。切削溫度能改變前刀面上的摩擦系數(shù)和工件材料的性能；并影響積屑瘤的大小、

已加工表面的質(zhì)量、

刀具的磨損和耐用度及生產(chǎn)率等。

圖2-43切削熱的產(chǎn)生和傳出

1.切削熱的產(chǎn)生和傳出

切削中所消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱量。三個(gè)變形區(qū)就是三個(gè)發(fā)熱區(qū)(如圖2-43所示)，即切削熱來自工件材料的彈、塑性變形和前、后刀面的摩擦。當(dāng)產(chǎn)生的熱和傳出的熱相等，即達(dá)動(dòng)態(tài)熱平衡時(shí)有：

式中:qs——工件材料的彈、塑性變形所產(chǎn)生的熱量；

qr

——切屑與前刀面、加工表面和后刀面的摩擦所產(chǎn)生的熱量；

qc——切屑帶走的熱量；

qt——刀具傳出的熱量；

qw——工件傳出的熱量；

qm——輻射及周圍介質(zhì)(如空氣、切削液等)帶走的熱量。

qm——輻射及周圍介質(zhì)(如空氣、切削液等)帶走的熱量。據(jù)實(shí)驗(yàn)得出：車削時(shí)，熱的傳出大致為：切屑占50%～86%，刀具占40%～10%，工件占9%～3%，周圍介質(zhì)占1%。具體值與工件、刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)、切削用量、刀具幾何參數(shù)等有關(guān)。

2.影響切削溫度的主要因素切削溫度一般是指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。用自然熱電偶法所建立的切削溫度的實(shí)驗(yàn)公式為

(2-37)式中:θ——實(shí)驗(yàn)測(cè)出的切屑接觸區(qū)的平均溫度(℃)；

Cθ——切削溫度系數(shù)；

vc——切削速度(m／min)；

f——進(jìn)給量(mm／r)；

ap——切削深度(mm);

zθ、yθ、xθ——分別為切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的指數(shù)。實(shí)驗(yàn)得出，用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具切削中碳鋼時(shí)，Ｃθ、zθ、yθ、xθ值見表2-1。

表2-1切削溫度公式中的Ｃθ、zθ、

yθ、xθ值分析各因素對(duì)切削溫度的影響，主要應(yīng)從這些因素對(duì)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和傳出的熱量的影響入手。如果有些因素使產(chǎn)生的熱量大于傳出的熱量，則這些因素將使切削溫度升高；

若這些因素使傳出的熱量增大，

則這些因素將使溫度降低。

1）切削用量由式(2-37)及表2-1知：vc、f、ap增大時(shí)，變形和摩擦加劇，切削功耗增大，切削溫度升高。但程度不一，vc最為顯著，f次之，ap最小。這是因?yàn)椋簐c增加，￠增大，變形小，雖切削力略下降，但切屑與前刀面的接觸長度減短，散熱條件差；f增加，ap增大，變形減小，壓力中心較遠(yuǎn)離刀尖(如圖2-35(b)所示)，散熱條件有所改善；ap增加，參加工作的刀刃長度按比例增大(如圖2-35(a)所示)，散熱條件同時(shí)得到改善。由此可見，在金屬切除率相同的條件下，為降低切削溫度，防止刀具迅速磨損，提高刀具耐用度，增加ap或f遠(yuǎn)比增加vc更為有利。

2）幾何參數(shù)（1）刀具前角γo。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(如圖2-44所示)：γo增大，變形、摩擦減小，產(chǎn)生的熱量少，則溫度下降；但γo增到18°～20°后，因楔角βo減小，散熱條件差，會(huì)對(duì)溫度的影響程度減小。（2)刀具主偏角κr。κr減小，使ac減小，aw增大，刀具散熱條件得到改善，故溫度下降(如圖2-45所示)。（3)倒棱br、rε。它們既使變形增大，同時(shí)又改善散熱條件，因此對(duì)溫度的影響不大。

圖

2-44γo與θ的關(guān)系

圖

2-45κr與θ的關(guān)系

3）工件材料主要通過本身的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)切削溫度產(chǎn)生影響。如低碳鋼，強(qiáng)度、硬度較低，變形小，產(chǎn)生的熱量少，且導(dǎo)熱系數(shù)大，熱量傳出快，所以切削溫度很低；40Cr硬度接近中碳鋼，強(qiáng)度略高，但導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度高；脆性材料變形小，摩擦小，切削溫度比45鋼低40%。

4）其它刀具磨損量增大，切削溫度增高；切削液可顯著降低切削溫度。

3.切削溫度的分布為探討刀具的磨損部位、工件材料性能的變化情況、已加工表面層材質(zhì)變化等，應(yīng)進(jìn)一步研究工件、切屑和刀具上各點(diǎn)的溫度分布，即溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)可用人工熱電偶法或其它方法（如紅外線膠片法）測(cè)出。圖2-46和圖2－47所示分別是切削鋼料時(shí)主剖面內(nèi)切屑、工件、刀具的溫度場(chǎng)和車削不同工件材料時(shí)，主剖面內(nèi)前、后刀面的溫度場(chǎng)。

圖2-46直角自由切削中的溫度場(chǎng)

圖

2-47切削不同材料時(shí)的溫度場(chǎng)

通過溫度場(chǎng)分析得知：

(1）剪切面上各點(diǎn)溫度幾乎相等?？梢娂羟忻嫔系膽?yīng)力應(yīng)變基本上是相等的；該處的溫度是變形功所造成，在變形后才升高的。

(2）前、后刀面的最高溫度都不在刀刃上，而是在離刀刃有一定的距離處。所以形成這樣的分布，是由于前刀面靠近刀刃的部分，因內(nèi)摩擦所造成的摩擦熱沿刀面不斷增加，而在后邊一段，內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)化為外摩擦，摩擦熱逐漸減少，熱量又在不斷傳出，所以溫度逐漸下降。

(3）在切屑厚度方向上切削溫度梯度很大，靠近前刀面的一層(即底層)上溫度很高，而離前刀面0.1～0.2mm處，溫度就可能下降一半，這說明前刀面上的摩擦熱集中在切屑的底層。因此摩擦熱對(duì)切屑底層金屬的剪切強(qiáng)度及其與前刀面的摩擦系數(shù)有很大的影響，而切屑上層金屬強(qiáng)度則不會(huì)有顯著的改變。

(4）在剪切區(qū)中，垂直剪切面方向上的溫度梯度也很大，這是因?yàn)楫?dāng)切削速度增高時(shí)，熱量來不及傳出所致。

(5）后刀面與工件的接觸長度較小，溫度的升、降是在極短時(shí)間內(nèi)完成的，因此加工表面受到的只是一次熱沖擊。

(6）工件材料塑性愈大，前刀面上的接觸長度愈大，切削溫度的分布也就愈均勻；反之工件材料的脆性愈大，則最高溫度所在的點(diǎn)離刀刃愈近。

(7）工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈小，刀具前、后刀面的溫度愈高，這是一些高溫合金和鈦合金切削加工性差的主要原因之一。

2.3.4刀具的磨損與耐用度切削過程中，刀具在切除工件上的金屬層的同時(shí)，工件與切屑也對(duì)刀具起作用，使刀具磨損。刀具嚴(yán)重磨損，會(huì)縮短刀具的使用時(shí)間、惡化加工表面質(zhì)量、增加刀具材料損耗。因此，刀具磨損是影響生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和成本的一個(gè)重要因素。

1.刀具磨損形式

刀具磨損分為正常磨損和非正常磨損兩大類。這里只介紹正常磨損。

1）前刀面磨損切削塑性材料且ac>0.5mm時(shí)，切屑與前刀面在高溫、高壓下相互接觸，產(chǎn)生劇烈摩擦，以形成月牙洼磨損為主，其值以最大深度KT表示(如圖2-48(c)所示)。

圖2-48刀具的磨損形態(tài)及其測(cè)量位置(a)刀具磨損形式;(b)邊界磨損發(fā)生的地方;(c）

測(cè)量磨損的地方

2）后刀面磨損切削脆性材料或ac>0.1mm的塑性材料時(shí)，切屑與前刀面的接觸長度較短，其上的壓力與摩擦均不大，而相對(duì)的刀刃鈍圓使后刀面與工件表面的接觸壓力卻較大，磨損主要發(fā)生在后刀面。其值以磨損帶寬度VB表示(如圖2-48(c)所示)。

3）前、后刀面磨損，或邊界磨損切削塑性材料且ac＝0.1～0.5mm時(shí)，兼有前兩種磨損的形式；加工鑄、鍛件，主切削刃靠近外皮處及副切削刃靠近刀尖處，因?yàn)閍c減小、切削刃打滑，所以磨出較深的溝紋(如圖2－48(a)、(b)所示)。磨損形式隨切削條件的改變可以互相轉(zhuǎn)化。在大多數(shù)情況下，后刀面都有磨損，且VB直接影響加工精度，加之便于測(cè)量，

所以常以VB表示刀具磨損程度。

2.刀具磨損的原因刀具磨損與一般機(jī)械零件不同，與前刀面接觸的切屑底面是化學(xué)活性很高的新鮮表面，不存在氧化膜等污染，磨損在高溫、高壓下進(jìn)行，存在著機(jī)械、熱、化學(xué)作用以及摩擦、粘結(jié)、擴(kuò)散等現(xiàn)象。刀具磨損的原因有以下幾種：

(1）磨粒磨損。磨粒磨損是指工件上具有一定擦傷能力的硬質(zhì)點(diǎn)，如碳化物、積屑瘤碎片、已加工表面的硬化層等，

在刀具表面上劃出一條條溝紋而造成的磨損。

(2）粘結(jié)磨損。切削塑性材料時(shí)，在一定壓力和溫度下，切屑與前刀面、已加工表面與后刀面之間氧化膜或其它粘結(jié)物被清除，形成新鮮而緊密的接觸，發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，刀具表面上局部強(qiáng)度較低的微粒被切屑或工件帶走而使刀具磨損。硬質(zhì)合金YT類比YG類更適于加工鋼料是因?yàn)閅T類中的碳化鈦在高溫下會(huì)形成TiO2，從而減輕粘結(jié)；YT類不宜用于加工鈦合金，是因?yàn)楣ぜ牧现械拟伵c刀具材料中的鈦在高溫作用下的親合作用，易產(chǎn)生粘結(jié)磨損；高速鋼有較大抗剪、抗拉強(qiáng)度，因而有較大的抗粘結(jié)磨損能力。

(3）擴(kuò)散磨損。高溫下，刀具材料中的C、Co、W、Ti等易擴(kuò)散到工件和切屑中去；而工件中的Fe也會(huì)擴(kuò)散到刀具中來，從而改變刀具材料中的化學(xué)成分，使其硬度下降，加速刀具磨損。

(4）相變磨損。相變磨損是指工具鋼在切削溫度超過相變溫度時(shí)，刀具材料中的金相組織發(fā)生變化，硬度顯著下降而引起的磨損。

(5）化學(xué)磨損(氧化磨損)。在高溫下(700～800℃)，空氣中的氧易與硬質(zhì)合金中的Co、WC發(fā)生氧化作用，產(chǎn)生脆弱的氧化物被切屑和工件帶走，從而使刀具磨損。

(6）熱電磨損。切削時(shí)，刀具與工件構(gòu)成一自然熱電偶，產(chǎn)生熱電勢(shì)，工藝系統(tǒng)自成回路，熱電流在刀具和工件中通過，使碳離子發(fā)生遷移，或從刀具移至工件，或從工件移至刀具，都將使刀具表面層的組織變得脆弱而加劇刀具磨損。

應(yīng)該指出，對(duì)于不同的刀具材料，在不同的切削條件下，加工不同的工件材料時(shí)，其主要磨損原因可能屬于上述磨損原因中的一兩種。如硬質(zhì)合金刀具高速切削鋼料時(shí)，主要是擴(kuò)散磨損，并伴隨有粘結(jié)磨損和化學(xué)磨損等；對(duì)一定刀具和工件材料，起主導(dǎo)作用的是切削溫度，低溫時(shí)以機(jī)械磨損為主，高溫時(shí)以熱、化學(xué)、粘結(jié)、擴(kuò)散磨損為主；合理地選擇刀具材料、

幾何參數(shù)、

切削用量、

切削液，控制切削溫度，

有利于減少刀具磨損。

3.刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)

1）磨損過程如圖2-49所示是通過切削實(shí)驗(yàn)得到的刀具磨損過程。主要分以下三個(gè)階段：

（1)初期磨損階段。新刃磨的刀具，由于表面粗糙不平，在切削時(shí)很快被磨去，故磨損較快。經(jīng)研磨過的刀具，初期的磨損量較小。（2)正常磨損階段。經(jīng)初期磨損后，刀具表面已經(jīng)被磨平，壓強(qiáng)減小，磨損速度較為緩慢。

磨損量隨切削時(shí)間延長而近似地成比例增加。

圖2-49刀具的磨損過程（3)急劇磨損階段。當(dāng)磨損量增加到一定限度后，機(jī)械摩擦加劇，切削力加大，切削溫度升高，磨損原因也發(fā)生變化(如轉(zhuǎn)化為相變磨損、擴(kuò)散磨損等)，磨損加快，已加工表面質(zhì)量明顯惡化，出現(xiàn)振動(dòng)、噪音等，以至刀具崩刃，失去切削能力。由此可知，刀具不能無休止地使用下去，而應(yīng)規(guī)定一個(gè)合理的磨損限度，刀具磨損到此限度，即VB值，則應(yīng)換刀或重新刃磨。

2）刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，這個(gè)磨損限度稱磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

ISO統(tǒng)一規(guī)定，以ap／2處后刀面上測(cè)定的磨損帶寬度VB作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(如圖2-48(c)所示)。

自動(dòng)化生產(chǎn)中用的精加工刀具，常以沿工件徑向的刀具磨損量作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，稱刀具徑向磨損量NB（如圖2-50所示）。

圖

2-50刀具的徑向磨損量

自動(dòng)化生產(chǎn)中用的精加工刀具，常以沿工件徑向的刀具磨損量作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，稱刀具徑向磨損量NB（如圖2-50所示）。磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，可依加工條件不同而異。精加工較粗加工為?。患庸は到y(tǒng)剛性較低時(shí)，應(yīng)考慮在磨鈍標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)是否發(fā)生振動(dòng)；工件材料的可加工性、刀具制造、刃磨的難易程度也是確定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮的因素。

VB值可從切削用量手冊(cè)中查得。一般為0.3～0.6mm。

4.刀具耐用度及其與切削用量的關(guān)系

實(shí)際生產(chǎn)中，不可能經(jīng)常停機(jī)去測(cè)量VB值，而改用與其相應(yīng)的切削時(shí)間，即刀具耐用度表示。刀具耐用度定義：刀具由刃磨后開始切削，一直到磨損量達(dá)到刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)過的總切削時(shí)間，稱為刀具耐用度，以T表示，單位為分鐘。精加工也可用加工零件數(shù)表示。對(duì)某一材料的加工，當(dāng)?shù)毒卟牧稀缀螀?shù)已定，則對(duì)刀具耐用度發(fā)生影響的就是切削用量。以理論分析方法導(dǎo)出它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，其結(jié)果與實(shí)際情況不盡符合。所以目前仍是以實(shí)驗(yàn)方法來建立它們之間的關(guān)系。

1）切削速度與刀具耐用度的關(guān)系穩(wěn)定其它切削條件，在常用的切削速度范圍內(nèi)，取不同的切削速度vc1、vc2、vc3…，進(jìn)行刀具磨損實(shí)驗(yàn)，可得一組磨損曲線(如圖2-51所示)，根據(jù)規(guī)定的VB值，對(duì)應(yīng)于不同的vc，就有相應(yīng)的T，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，定出(vc1、T1)、(vc2、T2)、(vc3、T3)…各點(diǎn)(如圖2-52所示)，可發(fā)現(xiàn)，在一定切削速度范圍內(nèi)，這些點(diǎn)基本上在一條直線上。圖2-51不同vc時(shí)的刀具磨損曲線

圖

2-52雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的vc-T曲線

此直線方程為

（2-38）

式中:vc——切削速度(m／min)；T——刀具耐用度(min)；m——指數(shù)；C——系數(shù)，

與刀具、

工件材料、

切削條件有關(guān)。

式(2-38)是重要的刀具耐用度公式。指數(shù)m為vc、T雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中直線斜率，m愈小，表示vc對(duì)T的影響愈大。一般高速鋼刀具m＝0.1～0.125，硬質(zhì)合金刀具m＝0.2～0.3，陶瓷刀m＝0.4。表明耐熱性高的刀具材料在高速時(shí)仍然有較高的耐用度。2）進(jìn)給量f、背吃刀量ap與刀具耐用度T的關(guān)系用同樣的方法可求出（2-39）

（2-40）

綜合式(2-38)、

(2-39)和式(2-40)可得

令

，

則

（2-41）

式中:ＣT——耐用度系數(shù)，與刀具、工件材料、切削條件有關(guān)；X、Y、Z——指數(shù)，分別表示vc、f、ap對(duì)T的影響程度。

用YT15硬質(zhì)合金車刀切削σb=0.637GPa的碳鋼時(shí)（f>0.70mm/r），

切削用量與T的關(guān)系為

（2-42）

由此看出，vc對(duì)T的影響最大，f次之，ap最小。與三者對(duì)溫度的影響順序完全一致，反映了切削溫度對(duì)刀具耐用度有著重要的影響。應(yīng)注意的是，上述關(guān)系是在一定條件下通過實(shí)驗(yàn)求出的。如果切削條件改變，各因素對(duì)刀具耐用度的影響就不同，各指數(shù)、系數(shù)也相應(yīng)地發(fā)生變化。

5.刀具的破損

刀具破損也是刀具損壞的主要形式之一。以脆性大的刀具材料制成的刀具進(jìn)行斷續(xù)切削，或加工高硬度的工件材料時(shí)，刀具的破損最為嚴(yán)重。

1）破損的形式脆性破損：硬質(zhì)合金和陶瓷刀具切削時(shí)，在機(jī)械和熱沖擊作用下，前、后刀面尚未發(fā)生明顯的磨損前，就在切削刃處出現(xiàn)崩刃、碎斷、剝落、裂紋等。塑性破損：切削時(shí)，由于高溫、高壓作用，有時(shí)在前、后刀面和切屑、工件的接觸層上，

刀具表層材料發(fā)生塑性流動(dòng)而失去切削能力。

2）破損的原因在生產(chǎn)實(shí)際中，工件的表面層無論其幾何形狀，還是材料的物理、機(jī)械性能，都遠(yuǎn)不是規(guī)則和均勻的。例如毛坯幾何形狀的不規(guī)則，加工余量不均勻，表面硬度不均勻，以及工件表面有溝、槽、孔等，都使切削或多或少帶有斷續(xù)切削的性質(zhì)；至于銑、刨更屬斷續(xù)切削之列。在斷續(xù)切削條件下，伴隨著強(qiáng)烈的機(jī)械和熱沖擊，加以硬質(zhì)合金和陶瓷刀具等硬度高、脆性大的特點(diǎn)，粉末燒結(jié)材料的組織可能不均勻，且存在著空隙等缺陷，因而很容易使刀具由于沖擊、

機(jī)械疲勞、熱疲勞而破損。

3）破損的防止防止或減小刀具破損的措施：提高刀具材料的強(qiáng)度和抗熱振性能；選用抗破損能力大的刀具幾何形狀；

采用合理的切削條件。

2.4金屬切削基本規(guī)律的應(yīng)用

2.4.1工件材料切削加工性的改善

1.切削加工性的概念和標(biāo)志方法

1）概念切削加工性是指工件材料切削加工的難易程度。

如難加工材料，

加工性差。

2）標(biāo)志方法（1)考慮生產(chǎn)率和刀具耐用度的標(biāo)志方法:①在保證生產(chǎn)率的條件下，以刀具耐用度的高低來衡量。②在保證耐用度的條件下，以允許切削速度的高低來衡量。③

在同樣條件下，

以達(dá)到VB規(guī)定值所能切除的金屬體積來衡量。

（2)考慮已加工表面質(zhì)量的標(biāo)志方法：在一定條件下，以是否易達(dá)到所要求的表面質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)來衡量。（3)考慮工作的穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)的標(biāo)志方法：①在自動(dòng)化生產(chǎn)中，以是否易斷屑來衡量。②在重型機(jī)床上以考慮人身和設(shè)備安全，在相同切削條件下，以切削力的大小來衡量。由此可知，同一材料很難在各項(xiàng)指標(biāo)中同時(shí)獲得良好的評(píng)價(jià)。但總的來說：某材料被切削時(shí)，刀具的耐用度高，所允許的切削速度高，質(zhì)量易保證，易斷屑，切削力小，則加工性好，反之加工性差。

3）常用衡量加工性的標(biāo)志

VＴ是最常用的切削加工性標(biāo)志，它的含義是：當(dāng)?shù)毒吣陀枚葹門(min或s)時(shí)，切削某種材料所允許的切削速度。VＴ愈高，加工性愈好。一般情況下，可取T＝60min，VＴ寫作V60。常以σb＝0.637GPa(60kgf／min)的45鋼的V60作為基準(zhǔn)，寫作(V60)j，其它被切材料的V60與之相比，則得相對(duì)加工性Kv為

當(dāng)Kv>1時(shí)，表明該材料比45鋼易切削；當(dāng)Kv<1時(shí)，表明該材料比45鋼難切削。各種材料的相對(duì)加工性Kv乘以45鋼的切削速度，即可得出切削各種材料的可用切削速度。

2.改善材料切削加工性的措施

1）調(diào)整化學(xué)成分如鋼中加入少量的硫、硒、鉛、鉍、磷等。雖略降低鋼的強(qiáng)度，但也同時(shí)降低鋼的塑性，對(duì)加工性有利。硫能引起鋼的紅脆性，但若適當(dāng)提高錳的含量，則可避免；硫與錳形成的硫化錳，與鐵形成的硫化鐵等，質(zhì)地很軟，可成為切削時(shí)塑性變形區(qū)中的應(yīng)力集中源，能降低切削力，使切屑易折斷，減小積屑瘤的形成，減少刀具磨損；硒、鉛、鉍也有類似作用；

磷能降低鐵素體的塑性，

使切屑易于折斷。

2）加工前進(jìn)行合適的熱處理同樣成分的材料，金相組織不同，加工性也不同。低碳鋼通過正火處理后，細(xì)化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于減小刀具的粘結(jié)磨損，減小積屑瘤，改善工件表面粗糙度;高碳鋼球化退火后，硬度下降，可減小刀具磨損，不銹鋼以調(diào)質(zhì)到HRC28為宜，硬度過低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高則刀具易磨損；白口鑄鐵可在950～1000℃長時(shí)間退火而成可鍛鑄鐵，

切削就較容易。

3）選擇加工性好的材料狀態(tài)低碳鋼經(jīng)冷拉后，塑性大為下降，加工性好；鍛造的坯件余量不勻，且有硬皮，加工性很差，

改以熱軋后加工性得以改善。

4）其它如采用合適的刀具材料，選擇合理的刀具幾何參數(shù)，合理地制訂切削用量，恰當(dāng)?shù)剡x用切削液等。

2.4.2刀具材料的合理選擇

1.刀具材料應(yīng)具備的性能切削時(shí)，由于變形與摩擦，刀具承受了很大的壓力、很高的溫度。作為刀具材料應(yīng)滿足以下要求：

(1）高的硬度和耐磨性:即比工件材料硬和具有良好的抗磨損能力。

(2）足夠的強(qiáng)度和韌性：可以承受切削中的壓力、沖擊和振動(dòng)。

(3）高的耐熱性:在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的能力。

(4）良好的工藝性:如鍛造性、熱處理性、磨加工性等，以便于刀具的制造。

(5）

良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.常用的刀具材料目前，生產(chǎn)中所用的刀具材料以高速鋼和硬質(zhì)合金居多。碳素工具鋼(如T10A、T12A)、合金工具鋼(如9SiCr、CrWMn)因耐熱性差，僅用于一些手工或切削速度較低的刀具。

1）高速鋼高速鋼是一種加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。有較高的熱穩(wěn)定性，切削溫度達(dá)500～650℃時(shí)仍能進(jìn)行切削；有較高的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性；其制造工藝簡單，容易磨成鋒利的切削刃，可鍛造，這對(duì)于一些形狀復(fù)雜的刀具，如鉆頭、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等尤為重要，是制造這些刀具的主要材料。高速鋼按用途分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝不同分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。

（1）通用型高速鋼:①W18Cr4V。含W18%、Cr4%、V1%。有較好的綜合性能，在600℃時(shí)其高溫硬度為HRC48.5，刃磨和熱處理工藝控制較方便，可以制造各種復(fù)雜刀具。②W6Mo5Cr4V2。含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。碳化物分布細(xì)小、均勻，具有良好的機(jī)械性能，抗彎強(qiáng)度比W18Cr4V高10%～15%，韌性高50%～60%?？勺龀叽巛^大、承受沖擊力較大的刀具；熱塑性特別好，

更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性也好。

目前各國廣為應(yīng)用。

（2）高性能高速鋼:是在通用型高速鋼的基礎(chǔ)上再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等合金元素。按其耐熱性，又稱高熱穩(wěn)定性高速鋼。在630～650℃時(shí)仍可保持HRC60的硬度，具有更好的切削性能，耐用度較通用型高速鋼高1.3～3倍。適合于加工高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。典型牌號(hào)有高碳高速鋼9W18Cr4V、高釩高速鋼W6Mo5Cr4V3、

鈷高速鋼W6MoCr4V2Co8、

超硬高速鋼W2Mo9Cr4VCo8等。

（3）粉末冶金高速鋼:用高壓氬氣或純氮?dú)忪F化熔融的高速鋼鋼水，直接得到細(xì)小的高速鋼粉末，高溫下壓制成致密的鋼坯，之后鍛軋成材或刀具形狀。有效地解決了一般熔煉高速鋼時(shí)鑄錠產(chǎn)生粗大碳化物共晶偏析的問題，而得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織，使之具有良好的機(jī)械性能。其強(qiáng)度和韌性分別是熔煉高速鋼的2倍和2.5～3倍；磨削加工性好；物理、機(jī)械性能高度各向同性，淬火變形??；耐磨性提高20%～30%，適合于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具、精密刀具、磨削加工量大的復(fù)雜刀具、

高壓動(dòng)載荷下使用的刀具等。

2）硬質(zhì)合金由難熔金屬碳化物(如WC、TiC)和金屬粘結(jié)劑(如Co)經(jīng)粉末冶金法制成。因含有大量熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好的金屬碳化物，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。硬度可達(dá)HRA89～93，在800～1000℃還能承擔(dān)切削，耐用度較高速鋼高幾十倍。當(dāng)耐用度相同時(shí)，切削速度可提高4～10倍。惟抗彎強(qiáng)度較高速鋼低，僅為0.9～1.5GPa(90～150kgf／mm)、

沖擊韌性差，

切削時(shí)不能承受大的振動(dòng)和沖擊負(fù)荷。

ISO將切削用的硬質(zhì)合金分為三類：（1）WC-Co類硬質(zhì)合金（YG）:由WC和Co組成。牌號(hào)有YG6、