項目三切削過程基本規(guī)律

項目學習要點切屑切削變形及其影響因素切削力及其影響因素切削熱、切削溫度切削液刀具磨損與刀具耐用度刀具幾何參數(shù)和切削用量的合理選擇綜合實訓項目小結(jié)一、切屑的種類

常見的有帶狀切屑、節(jié)狀切屑、粒狀切屑和崩碎切屑四種，如下圖所示。帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑任務一切屑1．帶狀切屑帶狀切屑是在切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時得到的一種切屑。帶狀切屑內(nèi)表面由于與前刀面的擠壓摩擦而較光滑，外表面呈毛茸狀。出現(xiàn)帶狀切屑時，切削力波動小，切削過程平穩(wěn)，已加工表面粗糙度較小。2．節(jié)狀切屑節(jié)狀切屑又稱為擠裂切屑，是在切削速度較低、切削厚度較大時得到的一種切屑。其外表面局部達到剪切破壞極限，開裂呈節(jié)狀，內(nèi)表面仍相聯(lián)。3．粒狀切屑粒狀切屑又稱為單元切屑，是在切削速度很低、切削厚度很大時得到的一種呈梯形的顆粒狀切屑。出現(xiàn)粒狀切屑時，切削力波動大，切削過程不平穩(wěn)。4．崩碎切屑崩碎切屑是在切削鑄鐵等脆性材料且切削厚度很大時，得到的一種形狀不規(guī)則的碎塊狀切屑。出現(xiàn)崩碎切屑，切削過程很不平穩(wěn)，已加工表面凹凸不平，切削刃易損壞。由以上介紹可知，切屑類型是由工件材料特性和加工條件決定的。因此，當加工相同的塑性材料時，通過改變加工條件即可改變切屑的類型。例如，減小刀具前角，降低切削速度，加大切削厚度時，節(jié)狀切屑就可以變?yōu)榱钋行?；反之，則可以變?yōu)閹钋行?。生產(chǎn)中掌握了切屑類型的變化規(guī)律，就可以控制切屑的形態(tài)和尺寸，以達到卷屑和斷屑的目的。二、切屑的控制

1．切屑的流向

直角自由切削直角非自由切削如下圖所示，直角自由切削時，切屑從正交平面內(nèi)流出；直角非自由切削時，由于刀尖圓弧半徑和切削刃的影響，切屑流出方向與正交平面形成一個出屑角η。

λsvcveλsvcve斜角切削時，切屑的流向受刃傾角λs的正負影響，如下圖所示。此時的出屑角η約等于刃傾角λs。2．卷屑卷屑是由切削過程中的塑性和摩擦變形及切屑流出時的附加變形引起的。卷屑可通過在前刀面上刃磨出卷屑槽（斷屑槽）、凸臺、附加擋塊及其他障礙物來實現(xiàn)。3．斷屑影響斷屑的因素有卷屑槽的尺寸參數(shù)、刀具角度和切削用量。

（1）卷屑槽的尺寸參數(shù)

卷屑槽的槽形有折線形、直線圓弧形和全圓弧形三種，如下圖所示。

槽的寬度lBn、圓弧半徑rBn和反屑角δBn是影響斷屑的主要因素。OγoγolBnRn180°－σδBnγoγolBnRnEC折線形直線圓弧形全圓弧形A

槽的寬度lBn、圓弧半徑rBn減小和反屑角δBn增大，都能使切屑卷曲變形增大，使切屑易折斷。但槽的寬度lBn、圓弧半徑rBn太小或反屑角δBn太大，會造成切屑堵塞，排屑不暢。槽的寬度lBn一般根據(jù)工件材料和切削用量來決定。例如，切削中碳鋼時，lBn＝10f；切削合金鋼時，lBn＝7f。一般來說，圓弧半徑rBn＝（0.4～0.7）lBn，反屑角δBn＝50°～70°。（2）刀具角度刃傾角λs能控制切屑的流向。λs為正值時，切屑卷曲后碰到待加工表面或刀具折斷，形成螺旋狀切屑，λs為負值時，切屑卷曲后碰到已加工表面折斷形成C形切屑。增大，切削厚度變大，易于斷屑。主偏角前角γo減小，切削變形變大，也易于斷屑。刀具角度中的主偏角、前角γo和刃傾角λs對斷屑影響最明顯。

（3）切削用量減小背吃刀量ap，出屑角δBn增大，切屑易流向待加工表面碰斷。切削用量對斷屑都有不同程度的影響。提高切削速度vc，易形成長帶狀切屑，不易斷屑。增大進給量f，切屑卷曲應力增大，容易斷屑。任務二切削變形及其影響因素

一、切削變形

切屑是在切削過程中工程材料受到刀具前刀面的推擠后發(fā)生塑性變形，最后沿某一斜面剪切滑移形成的。切削過程的變形大致劃可分為三個變形區(qū)：第I變形區(qū)、第II變形區(qū)和第III變形區(qū)。1．第I變形區(qū)ac

Δac

vc

如右圖所示，第I變形區(qū)的寬度(OA和OM的間距)僅有0.02～0.2mm，可將第I變形區(qū)視為一個平面，即剪切面。剪切面與切削速度之間的夾角稱為剪切角φ。第I變形區(qū)又稱為主變形區(qū)，是指在切削層內(nèi)產(chǎn)生剪切滑移的塑性變形區(qū)。經(jīng)過第I變形區(qū)后，切削層金屬材料變成切屑，從刀具前刀面流出。如下圖所示，切削變形可以用切屑長度或厚度尺寸相對于切削層的變化量（變形系數(shù)ξ

）來表示。achγoφlchlcac

Δsφ-γoγoφ由于第I變形區(qū)的變形主要是剪切滑移變形，因此還可以用第I變形區(qū)單位厚度上的剪切滑移量，即相對滑移量ε來衡量切削變形，如下圖所示。2．第II變形區(qū)

第II變形區(qū)又稱為前刀面變形區(qū)，是指與前刀面接觸的切屑底層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。第II變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。3．第III變形區(qū)第III變形區(qū)又稱為已加工表面的變形區(qū)，是指靠近切削刃處已加工表面表層內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)。第III變形區(qū)的變形是造成已加工表面加工硬化和產(chǎn)生殘余應力的主要原因。二、積屑瘤

積屑瘤又稱為刀瘤，是指在切削速度不高而又能形成連續(xù)切削的情況下，加工一般鋼料或其他塑性材料時，常常在前刀面處粘著的一塊剖面近似呈三角狀的硬塊，如下圖所示。1．積屑瘤的形成滯流層粘結(jié)或冷焊在刀具前刀面

形成積屑瘤。積屑瘤的形成主要取決于切削溫度。

切削碳鋼時在300℃～380℃易產(chǎn)生積屑瘤。ΔhDΔhDhD積屑瘤碎片積屑瘤碎片積屑瘤2．積屑瘤對切削過程的影響

（1）增大實際前角（2）增大切削厚度（3）增大加工表面粗糙度（4）影響刀具耐用度3．防止積屑瘤的措施

（1）提高工件材料硬度（2）增加刀具前角（3）降低切削速度或采用高速切削（4）合理使用切削液（5）電解刃磨刀具三、影響切削變形的因素

1．工件材料

工件材料的硬度、強度越高，材料與刀具之間的平均摩擦系數(shù)越小，變形系數(shù)ξ就越小，即切削變形越小。2．切削用量

（1）切削速度vc切削速度vc對切削變形的影響如右圖所示。

當切削速度達到vc1時，開始產(chǎn)生積屑瘤。隨著切削速度的增大，積屑瘤增高，變形系數(shù)ξ減小。當切削速度達到vc2（約為20m/min）時，積屑瘤高度達到最大值，變形系數(shù)ξ減小到一個較小值。隨切削速度繼續(xù)增大，積屑瘤開始減小，變形系數(shù)ξ增大。當切削速度達到vc3（約為40m/min）時，變形系數(shù)ξ達到高峰。當切削速度小于vc1（約為5m/min）時，由于前刀面與切屑底層的摩擦系數(shù)較小，不產(chǎn)生積屑瘤。（2）進給量f進給量f增大，會使切削厚度hD增大，摩擦系數(shù)減小，剪切角φ增大，變形系數(shù)ξ減小。3．刀具前角γo

刀具前角γo越大，剪切角φ越大，變形系數(shù)ξ就越小。如果切削速度繼續(xù)增大，由于切削溫度較高，切屑底層處于微熔狀態(tài)，形成潤滑膜，摩擦系數(shù)降低，變形系數(shù)ξ減小。任務三切削力及其影響因素

一、切削力

切削力是指金屬切削時，刀具切入工件使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力。1．切削力的來源

切削力的來源主要有以下兩方面：①克服被加工材料對彈性變形和塑性變形的抗力。②克服刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力所需的力。這些力的合力形成了作用在刀具上的切削力Fr。2．切削力的分解

為了便于測量和應用，切削力Fr可按空間直角坐標分解為三個互相垂直的分力：主切削力Fc、背向力Fp和進給力Ff，如下圖所示。

主切削力Fc：是總切削力Fr在主運動方向的分力。它垂直于基面，并與切削速度方向一致，是消耗機床功率最多的切削分力。背向力Fp：是總切削力Fr在垂直于工作平面方向上的分力。它在基面內(nèi)，并與進給方向垂直，其數(shù)值約為主切削力的0.15～0.7倍。

進給力Ff：是總切削力Fr在進給運動方向上的分力。它在基面內(nèi)，并與進給方向平行，其數(shù)值約為主切削力Fc的0.1～0.6倍?？偳邢髁r可分解為主切削力Fc和作用于基面Pr內(nèi)的合力FD，F(xiàn)D分解為背向力Fp和進給力Ff。它們之間的關(guān)系如下：

3．切削力的計算

（1）指數(shù)形式的切削力經(jīng)驗公式切削力

背向力

進給力

（2）切削層單位面積切削力經(jīng)驗公式

切削層單位面積切削力p是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力，其計算公式為：

由上式可得，主切削力Fc的計算公式：

上頁式中，p是指f＝0.3mm/r時的單位切削力，硬質(zhì)合金外圓車刀車削常用金屬的單位切削力如下表所示。二、切削功率及其計算

切削功率Pc是指在切削過程中消耗的功率。它是各分力方向上消耗的功率之和。由于背向力Fp在其方向上沒有發(fā)生位移，不消耗功率；進給力Ff

遠小于主切削力Fc，且沿進給力Ff方向的進給速度相對很小，進給力Ff所消耗的功率很小。因此，通常用主運動消耗的功率來表示切削功率Pc，其計算公式為：

當實際進給量f大于或小于0.3mm/r時，需乘以修正系數(shù)kfp。進給量f對單位切削力p的修正系數(shù)kfp如下表所示。三、影響切削力的因素1．工件材料工件材料的硬度、強度越高，剪切屈服強度越大，切削力Fr越大。硬度、強度相近的材料，塑性或韌性越好，切屑越不易折斷，切屑與前刀面的摩擦越加，切削力Fr越大。切削鑄鐵等脆性材料時，由于塑性變形小，崩碎切屑與前刀面摩擦小，切削力Fr較小。

2．切削用量（1）背吃刀量ap和進給量f背吃刀量ap和進給量f通過對切削寬度bD和切削厚度hD的影響而影響切削力Fr，如下圖所示。如上頁左圖所示，背吃刀量ap增大，切削寬度bD增大，切削面積AD和切屑與前刀面的接觸面積按比例增大。由于進給量f不變，所以單位切削力p不變。因此，當背吃刀量ap增大一倍時，主切削力Fc成比例增大，背向力Fp和進給力Ff也近似成比例增大。如上頁右圖所示，進給量f增大，切削厚度hD增大，而切削寬度bD不變。此時，切削面積AD按比例增大，但切屑與前刀面的接觸面積卻未變化。由于進給量f增大，切削變形程度減小，單位切削力p變小。因此，進給量f增大一倍時，切削力Fr增大70%～80%。（2）切削速度vc

切削速度vc對切削力Fr的影響是由積屑瘤與摩擦的作用所造成的，如下圖所示。切削速度vc小于40m/min時，隨著切削速度的升高，積屑瘤由小變大又變小，切削力相應地先減小后增大。

在積屑瘤消失以后隨著vc增大，切削溫度上升，前刀面摩擦減小，切削變形減小，切削力減小。3．刀具幾何參數(shù)（1）前角γo

當切削塑性材料時，前角γo增大，切削層所受擠壓變形和摩擦減小，切屑易于從前刀面流出，切削力Fr減小。當切削脆性金屬時，前角γo對切削力Fr的影響不明顯。（2）負倒棱在前刀面上磨出負倒棱寬度br1（如右圖所示）可以提高刃口強度，但會增大切削變形，使切削力Fr增大。（3）主偏角主偏角kr從30°增大至60°時，切削變形減小，使主切削力Fc減小。隨主偏角kr繼續(xù)增大，刀尖圓弧半徑rε也增大，擠壓摩擦加劇，使主切削力Fc又增大。一般主偏角kr在60°～75°范圍內(nèi)，主切削力值最小。根據(jù)切削力的分解公式可知，進給力Ff隨主的增大而增大，背向力Fp隨主偏角偏角的增大而減小。因此，長徑比超過10的細長軸，加工時為避免振動，常采用大于60°的主偏角以減小背向力Fp。4．其他因素

刀具與工件之間的摩擦系數(shù)不同，對切削力的影響不同。同樣的切削條件下，高速鋼刀具對切削力的影響最大，硬質(zhì)合金刀具次之，陶瓷刀具最小。切削過程中合理使用切削液，可以降低切削力。所用切削液潤滑性能越高，切削力降低越顯著。刀具磨損增加時，作用在前、后刀面的切削力也增大。任務四切削熱、切削溫度

一、切削熱

切削熱是指切削過程中切削區(qū)的變形和摩擦消耗能量所產(chǎn)生的熱。切削熱主要是由工件材料彈塑性變形產(chǎn)生的熱、切屑與前刀面摩擦產(chǎn)生的熱以及已加工表面與后刀面摩擦產(chǎn)生的熱組成。切削熱通過切屑、工件、刀具及周圍介質(zhì)傳散，如上圖所示。二、切削溫度切削溫度是切削熱在工件與刀具上作用的結(jié)果。在工件和刀具一定的前提下，切削溫度的高低取決于切削熱產(chǎn)生的多少和傳散的快慢。

右圖為切削塑性材料時，刀具、切屑和工件上的溫度分布示意圖。由圖可知：（1）剪切區(qū)內(nèi)，沿剪切面方向上各點溫度幾乎相等；而在垂直于剪切面方向上的溫度梯度很大。（2）前、后刀面的最高溫度都不在切削刃處，而在離切削刃有一定距離的地方。（3）在切屑厚度方向上的切削溫度梯度很大，靠近前刀面的一層（底層）溫度最高，遠離前刀面方向溫度下降很快。（4）后刀面與工件的接觸長度較短，因此，工件加工表面上溫度的升降是在極短的時間內(nèi)完成的。刀具通過時加工表面只受到一次熱沖擊。三、影響切削溫度的因素1．工件材料

工件材料的強度和硬度越高，需要的切削力就越大，產(chǎn)生的熱量就越多，因而切削溫度就越高。工件材料的塑性大，切削力也大，切削溫度也高。材料的熱導率越大，通過切屑和工件傳出的熱量就越多，切削溫度下降就越快。2．切削用量切削用量中，切削速度vc對切削溫度影響最大，進給量f次之，背吃刀量ap影響最小。切削速度vc增大，切削變形和摩擦產(chǎn)生的熱量急劇增多，盡管切屑帶走的熱量相應增多，但散熱條件并沒有改善，因此切削溫度顯著升高。進給量f增大，產(chǎn)生的熱量增加，但同時切削厚度變大，切屑帶走的熱量增加，而散熱條件并未改善，因此最終切削溫度有所升高。背吃刀量ap增大，產(chǎn)生的熱量按比例增加，但同時刀具的傳熱面積也按比例增加，顯著改善散熱條件，因此最終切削溫度僅略有升高。3．刀具幾何參數(shù)

（1）前角

前角γo增大，切削變形程度減小，產(chǎn)生的切削熱減少，因而切削溫度下降。但前角γo大于18°～20°時，楔角βo減小，傳熱體積減小，對切削溫度的影響減小。（2）主偏角在背吃刀量ap相同的情況下，主偏角增大，主切削刃的工作長度縮短，刀尖角εr減小，傳熱面積減小，切削熱相對集中，從而提高了切削溫度；反之，主偏角減小，切削溫度降低，刀具耐用度提高。4．刀具磨損刀具后刀面磨損量增大，切削溫度升高；當磨損量達到一定值之后，對切削溫度的影響加?。磺邢鳒囟仍礁?，刀具磨損對切削溫度的影響就越顯著。5．切削液澆注切削液對降低溫度、減少刀具磨損和提高已加工表面質(zhì)量有明顯的效果。切削液的導熱率、比熱容和流量越大，切削溫度越低。切削液本身溫度越低，其冷卻效果越顯著。任務五切削液

一、切削液的種類

切削液是指為了提高金屬切削加工效果而在加工過程中注入工件與刀具或磨具之間的液體。1．水溶性切削液（1）水溶液水溶液的主要成分為水，并根據(jù)需要加入防銹添加劑、表面活性劑、油性添加劑和極壓添加劑等。水溶液具有良好的冷卻和防銹性能，并有一定的潤滑性。（2）乳化液乳化液是以水（占95%～98%）為主加入適量的乳化油形成的乳白色或半透明的乳化液。根據(jù)乳化液中含乳化油的多少，乳化液分為低濃度乳化液和高濃度乳化液。其中，低濃度乳化液（濃度為3%～5%），冷卻和清洗作用較好，適于粗加工和磨削；高濃度乳化液（濃度為10%～20%），潤滑作用較好，適于精加工（如拉削和鉸孔等）。為了進一步提高乳化液的潤滑性能，還可在乳化液中加入一定量的氯、硫、磷等極壓添加劑，配制成極壓乳化液。離子型切削液是由母液在水溶液中離解出各種強度的離子而形成的切削液。切削時，摩擦產(chǎn)生的靜電荷可與切削液中的離子迅速反應而消除，降低切削溫度，起到較好的冷卻作用。（3）離子型切削液2．非水溶性切削液（1）切削油切削油的主要成分為礦物油（如機油、煤油、輕柴油等），少數(shù)采用動植物油（如豬油、豆油等）或混合油。切削油主要起潤滑作用。（2）極壓切削油

極壓切削油是在切削油中加入硫、氯和磷等極壓添加劑而配制成的。極壓切削油能形成非常結(jié)實的潤滑膜，顯著提高潤滑效果和冷卻作用。（3）固體潤滑劑固體潤滑劑是指用二硫化鉬、硬脂酸和石蠟等做成的蠟棒。將固體潤滑劑涂在刀具表面，切削時可減小摩擦，起潤滑作用。二、切削液的作用1．冷卻作用切削液可以減小刀具、工件和切屑之間的摩擦，減少熱量的產(chǎn)生，同時可以帶走熱量，降低切削溫度。2．潤滑作用切削液可以在切屑、工件與刀具界面之間形成潤滑油膜，以減小前刀面與切屑，后刀面與已加工表面間產(chǎn)生的高速摩擦，并改善已加工表面的粗糙度，提高刀具耐用度。3．清洗作用切削液能沖刷掉切削過程中產(chǎn)生的碎屑和磨粉，避免劃傷已加工表面和機床導軌。切削液清洗性能的好壞取決于切削液的滲透性、流動性和使用壓力。水溶液或乳化液中加入劑量較大的活性劑和少量礦物油，可以改善切削液的清洗性能。4．防銹作用切削液可以減小周圍介質(zhì)對工件、刀具、機床和夾具的腐蝕。切削液防銹作用的好壞取決于切削液本身的性能和加入的防銹添加劑的性能。5．其他作用除了以上4種作用外，所使用的切削液應具備良好的穩(wěn)定性，在貯存和使用中不產(chǎn)生沉淀或分層、析油、析皂和老化等現(xiàn)象；對細菌和霉菌有一定抵抗能力，不易長霉及生物降解而導致發(fā)臭、變質(zhì)；不損壞涂漆零件，對人體無危害，無刺激性氣味；在使用過程中無煙霧或少煙霧；便于回收，低污染，排放的廢液處理簡便，經(jīng)處理后能達到國家規(guī)定的工業(yè)污水排放標準等。三、切削液的合理選用1．工件材料

切削鋼等塑性材料時，需要用切削液；切削鑄鐵、青銅等脆性材料時可不用切削液，原因是其作用不明顯；切削高強度鋼、高溫合金等難加工材料時，需要切削液具有較高的冷卻和潤滑性能，應采用極壓切削油或極壓乳化液；加工銅、鋁及其合金時，不能使用含硫的切削液；精加工有色金屬和鑄鐵時，主要要求達到較小的表面粗糙度，可選用煤油與礦物油的混合油。2．刀具材料當用高速鋼刀具粗加工時，應選用以冷卻為主的切削液來降低切削溫度，如離子型切削液或低濃度乳化液；當用高速鋼刀具精加工時，應選用潤滑性能較好的極壓切削油或高濃度乳化液。當用硬質(zhì)合金刀具粗加工時，一般不用切削液，如需要用，可采用低濃度乳化液或水溶液，但必須連續(xù)充分地澆注；當用硬質(zhì)合金刀具精加工時采用的切削液與粗加工時基本相同，但應適當提高其潤滑性能。在較低速切削時，刀具以機械磨損為主，宜選用離子型切削液和乳化液。3．加工方法鉆孔、攻絲、鉸孔、拉削等，排屑方式為半封閉、封閉狀態(tài)，刀具與工件之間摩擦嚴重，應選用極壓乳化液和極壓切削油。成形刀具、齒輪刀具價格昂貴，要求刀具的使用壽命長，應選用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度乳化液。磨削加工溫度高，且會產(chǎn)生大量的細屑和砂粒，影響加工質(zhì)量，應選用冷卻性能和清洗性能較好的水溶液或乳化液。磨削難加工材料時，應選用潤滑性能較好的極壓乳化液或極壓切削油。四、切削液的使用方法1．澆注法

澆注法是切削加工中普遍使用的方法。如下圖所示，切削時，澆注量應充足，澆注位置盡量接近切削變形區(qū)，不應該澆注在刀具或零件上。車削時，從后刀面噴射比從前刀面好，刀具耐用度可提高一倍以上。深孔加工時，應使用大流量、高壓力的切削液，以達到有效地冷卻、潤滑和排屑的作用。2．高壓冷卻法高壓冷卻法是指對于加工深孔（如深孔鉆削和套孔鉆削等）時，用高壓使切削液通過刀體內(nèi)部的通道直接流向切削區(qū)，以達到充分冷卻和排屑的目的。3．噴霧冷卻法

噴霧冷卻法利用壓縮空氣和噴霧裝置使切削液霧化，通過噴嘴高速噴向切削區(qū)。當霧化成微小液滴的切削液碰到高溫的刀具、切屑和工件時迅速汽化，吸收大量熱量，從而有效地降低切削溫度。

任務六刀具磨損與刀具耐用度

一、刀具磨損

1．刀具的正常磨損形式刀具的正常磨損形式有前刀面磨損、后刀面磨損和邊界磨損三種，如下圖所示。

（1）前刀面磨損

前刀面磨損是指加工塑性材料，且切削厚度較大、切削速度較高時，在刀具前刀面刃口后方出現(xiàn)的月牙洼形磨損，前刀面磨損量的大小用月牙洼的寬度KB和深度KT表示。（2）后刀面磨損后刀面磨損是指在加工脆性材料或切削厚度較小的塑性材料時，由于已加工表面和刀具后刀面之間的強烈摩擦而在后刀面上形成的磨損。在切削刃參加切削工作的各點上，后刀面磨損是不均勻的。在刀尖部分（C區(qū)），磨損嚴重，其磨損量最大值用VC表示。在切削刃靠近工件表面處（N區(qū)），磨損也較嚴重，其磨損量用VN表示。在切削刃中部位置（B區(qū)），磨損較為均勻，其平均磨損量用VB表示，最大磨損量用VBmax表示。（3）邊界磨損加工塑性金屬時，常在主切削刃靠近工件外皮處和副切削刃靠近刀尖處的后刀面上磨出較深的溝紋，這屬于邊界磨損。加工鑄件、鍛件等外皮粗糙的工件容易發(fā)生邊界磨損。2．刀具磨損機理

（1）機械磨損

機械磨損又稱磨粒磨損，是指工件材料或切屑中含有的比刀具材料硬度高的硬質(zhì)點或積屑瘤碎片，在刀具表面滑擦造成的磨損。機械磨損在各種切削速度下都存在，低速切削時，機械磨損是刀具磨損的主要原因。（2）粘結(jié)磨損

粘結(jié)又稱為冷焊，是指刀具與工件或切屑接觸到原子間距離時產(chǎn)生結(jié)合的現(xiàn)象。粘結(jié)磨損是指工件或切屑的表面與刀具表面之間的粘結(jié)點因相對運動，刀具一方的微粒被對方帶走而造成的磨損。各種刀具材料都會發(fā)生粘結(jié)磨損。在中、高速切削下，當形成不穩(wěn)定積屑瘤時，粘結(jié)磨損最為嚴重；當?shù)毒吆凸ぜ牧系挠捕缺容^小時，由于相互間的親和力較大，粘結(jié)磨損也較為嚴重；當?shù)毒弑砻娴娜心ベ|(zhì)量較差時，也會加劇粘結(jié)磨損。（3）擴散磨損擴散磨損是指由于在高溫作用下，刀具與工件接觸面間分子活性較大，造成合金元素相互擴散置換，使刀具材料的機械性能降低，再經(jīng)摩擦作用而造成的磨損。擴散磨損是一種化學性質(zhì)的磨損。擴散磨損的速度主要取決于切削速度和切削溫度。切削速度和切削溫度愈高，擴散磨損速度愈快。（4）氧化磨損氧化磨損是指在高溫下，刀具表面發(fā)生氧化反應生成一層脆性氧化物，該氧化物被工件和切屑帶走而造成的磨損。氧化磨損也是一種化學性質(zhì)的磨損。在主、副切削刃工作的邊界處與空氣接觸，最容易發(fā)生氧化磨損。（5）相變磨損相變磨損是指切削時切削溫度超過刀具材料的相變溫度，刀具金相組織發(fā)生變化，使硬度降低而造成的磨損。工具鋼在高溫時易產(chǎn)生相變磨損。由此可見，在低、中速切削（如拉削、鉸孔、和攻絲等）加工時，刀具的磨損主要是磨粒磨損和粘結(jié)磨損；在高速切削加工時，熱化學作用使高速鋼刀具產(chǎn)生相變磨損，使硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損、擴散磨損和氧化磨損。3．刀具磨損過程

如右圖所示，刀具的磨損過程可以分為初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段。（1）初期磨損階段初期磨損階段的磨損特點是：在開始磨損的極短時間內(nèi)，后刀面磨損量VB上升很快。初期磨損階段的后刀面磨損量VB一般為0.05～0.1mm，其大小與刀具刃磨質(zhì)量有關(guān)。（2）正常磨損階段

正常磨損階段的磨損特點是：磨損緩慢、均勻，后刀面磨損量VB隨切削時間延長近似成比例增加。正常磨損階段是刀具工作的有效階段。曲線的斜率代表了刀具正常工作時的磨損強度。磨損強度是衡量刀具切削性能的重要指標之一。（3）急劇磨損階段急劇磨損階段的磨損特點是：在較短時間內(nèi)，后刀面磨損量VB猛增，刀具因而完全失效。這一階段磨損強度很大，如果刀具繼續(xù)工作，不能保證加工質(zhì)量，并出現(xiàn)振動、噪聲等現(xiàn)象，甚至使刀具崩刃。因此，刀具進入急劇磨損階段前必須換刀或重新刃磨。4．刀具磨鈍標準刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用，這個磨損限度稱為磨鈍標準。國際標準ISO統(tǒng)一規(guī)定，以1/2背吃刀量處后刀面上測定的磨損帶高度VB作為刀具磨鈍標準。二、刀具耐用度及其影響因素1．刀具耐用度刀具耐用度是指刃磨后的刀具從開始切削到磨損量達到磨鈍標準為止所經(jīng)過的切削時間，用T表示，單位為min。有時也可以用加工零件數(shù)或切削路程長度表示。對于重磨刀具，由刀具第一次使用到報廢為止的總切削時間稱為刀具壽命。它是刀具耐用度與刀具刃磨次數(shù)的乘積。2．影響刀具耐用度的因素（1）切削用量

實驗得出刀具耐用度與切削用量的關(guān)系為：

用硬質(zhì)合金車刀切削σb＝0.63Gpa的碳鋼時，上式中1/m＝5，1/n＝2.25，1/p＝0.75。由此可知，切削速度vc對刀具耐用度影響最大，進給量f次之，背吃刀量ap最小。由于，切削用量對刀具耐用度的影響順序與對切削溫度的影響順序完全一致，因此切削溫度對刀具耐用度也有著重要的影響。

【例3-1】用硬質(zhì)合金刀具YT15切削45鋼，當vc＝100m/min時，刀具耐用度T1＝160min；若其他條件不變，將切削速度提高到vc＝300m/min，試求此時刀具耐用度T2（m＝0.25）。

【解】

根據(jù)上頁公式可知，當其他條件不變時，T2的數(shù)值可由下式求出：即

帶入數(shù)值得

T2＝1.975（min）（2）刀具材料刀具材料的高溫硬度越高，耐磨性越好，刀具耐用度越高。高速切削時，立方氮化硼刀具耐用度最高，其次為陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具，高速鋼刀具耐用度最低。

（3）刀具幾何參數(shù)前角γo增大，切削變形減小，切削溫度降低，刀具耐用度提高；但前角γo太大，會使刀刃強度下降，散熱困難，刀具耐用度降低。主偏角減小，有效切削刃長度增大，切削刃單位長度上的負荷減小，刀具耐用度提高。

刀尖圓弧半徑rε增大，刀具強度增大，散熱條件得到改善，刀具耐用度提高；但刀尖圓弧半徑rε過大，會引起振動。（4）工件材料工件材料強度、硬度高，加工時切削力大，切削溫度高，刀具耐用度低；工件材料導熱性差，切削溫度高，刀具耐用度低。任務七刀具幾何參數(shù)和切削

用量的合理選擇

一、刀具幾何參數(shù)的合理選擇1．前角γo和前刀面的選擇（1）前角γo的功用及選擇①前角γo的功用切削過程中，若增大前角γo，能減小切削變形和摩擦阻力，降低切削力Fr和切削溫度，減少刀具磨損，抑制積屑瘤和鱗刺等。但前角γo過大將容易造成崩刃；同時散熱條件變差，刀具壽命下降。②前角γo的選擇

工件材料：工件材料的強度、硬度較低，塑性較好時，應選取較大的前角γo；工件材料脆性較大時應選取較小的前角γo；工件材料強度、硬度較高時，應選取較小的前角γo，甚至負前角。刀具材料：刀具材料的強度和韌度高時，如高速鋼，可選取較大的前角γo；反之，刀具材料的強度和韌度差時，如硬質(zhì)合金，應選取較小的前角γo。加工性質(zhì)：斷續(xù)切削或粗加工有硬皮的鑄、鍛件時，應選取較小的前角γo；精加工時，可選取較大的前角γo；成形刀具或齒輪刀具等為防止產(chǎn)生齒形誤差常取較小的前角γo，或選取零度的前角γo。硬質(zhì)合金車刀合理前角γo的參考值如下表所示。（2）前刀面形式

常見的前刀面形式有正前角平面型、正前角平面型帶倒棱、正前角曲面型帶倒棱、負前角單面型和負前角雙面型，如下頁圖所示。正前角平面型：結(jié)構(gòu)簡單、刀刃銳利，但強度低、傳熱能力差、切削變形小、不易斷屑，多用于各種高速鋼刀具和切削刃形狀較復雜的成形刀具，加工中心及加工鑄鐵、青銅等脆性材料用的硬質(zhì)合金刀具。

正前角平面型帶倒棱：該形式中的倒棱是在主切削刃刃口處磨出一條很窄的棱邊而形成的。由于倒棱可增加刀刃強度，提高刀具耐用度，因此一般用于粗加工刀具。

正前角曲面型帶倒棱：該形式的刀具是在正前角平面帶倒棱的基礎(chǔ)上，為了卷屑和增大前角，在前刀面上磨出一定的曲面而形成的刀具，主要用于粗加工或半精加工塑性金屬刀具和孔加工刀具。

負前角單面型：主要作用是能夠減小后刀面的磨損。由于該形式的刀具具有高的切削刃強度，因此，常用于切削高硬度（強度）材料和淬火鋼材料。但是，負前角會增大切削力和功率消耗。

負前角雙面型：該形式的刀具使刀具的重磨次數(shù)增加，最大程度地減少了前刀面和后刀面的磨損。同時負前角的倒棱應有足夠的寬度，以確保切屑沿該棱面流出。（3）倒棱倒棱是增強切削刃強度的一種措施。在用脆性大的刀具材料粗加工或斷續(xù)切削時，磨倒棱能夠減小刀具崩刃，顯著提高刀具耐用度（可提高1～5倍）。倒棱寬度br1不可太大，以便切屑能沿前刀面流出。br1的取值與進給量f有關(guān)，常取br1≈（0.3～0.8）f。其中，精加工時取小值，粗加工時取大值。倒棱前角γo1的選取與刀具材料有關(guān)，例如，高速鋼刀具γo1＝0°～5°，硬質(zhì)合金刀具γo1＝－5°～－10°。2．后角αo和后刀面的選擇

（1）后角αo的功用及選擇①后角αo的功用

后角αo可以減小后刀面與工件之間的摩擦，減少刀具磨損。但后角αo過大會降低切削刃的強度和散熱能力，從而降低刀具壽命。②后角αo的選擇切削厚度hD：粗加工時，切削厚度hD較大，要求切削刃堅固，應選取較小的后角αo。精加工時，切削厚度hD較小，磨損主要發(fā)生在后刀面上，為降低磨損，應選取較大的后角αo。工件材料：工件材料強度和硬度較高時，為提高切削刃強度，應選取較小的后角αo；工件材料軟、塑性大時，后刀面磨損嚴重，應選取較大的后角αo；工件材料脆性較大時，載荷集中在切削刃處，為提高切削刃強度，應選取較小的后角αo。

加工條件：工藝系統(tǒng)剛性差時，易出現(xiàn)振動，應選取較小的后角αo；加工表面質(zhì)量要求較高時，為減輕刀具與工件之間的摩擦，應選取較大的后角αo；尺寸精度要求較高時，應選取較小的后角αo，以減小刀具的徑向磨損值NB值，如下圖所示。硬質(zhì)合金車刀合理后角的參考值如下表所示。（2）后刀面形式后刀面的形式有雙重后刀面、消振棱和刃帶三種，如下圖所示。雙重后刀面消振棱刃帶

雙重后刀面：能增強刀刃強度，減少后刀面的摩擦。刃磨時一般只磨第一后刀面，以減小刃磨后刀面的工作量。

消振棱：為增加后刀面與過渡表面之間的接觸面積，增加阻尼作用，消除振動，在后刀面上刃磨出的一條有負后角的消振棱邊。

刃帶：是指對一些定尺寸刀具（如鉆頭、鉸刀等），為了便于控制外徑尺寸，保持尺寸精度，在后刀面上刃磨出后角為0°的小棱邊。刃帶有支承、導向、穩(wěn)定、消振及熨壓的作用。刃帶不宜太寬，否則會增大摩擦作用。

3．主偏角、副偏角和過渡刃的選擇（1）主偏角的功用及選擇

①主偏角的功用減小主偏角可提高刀具使用壽命。當背吃刀量ap和進給量f一定時，減小主偏角會使切削厚度hD減小，切削寬度bD增大，從而使單位長度切削刃所承受的載荷減小；同時可使刀尖圓弧半徑rε增大，提高刀尖強度；切削寬度bD和刀尖圓弧半徑rε增大有利于散熱。但減小主偏角會導致背向力Fp增大，加大工件的變形撓度；同時也會使刀尖與工件的摩擦加劇，容易引起振動，使加工表面的粗糙度值加大，并且會導致刀具使用壽命下降。②主偏角的選擇工藝系統(tǒng)剛度允許的條件下，應選擇較小的主偏角，如選＝30°～45°，以提高刀具壽命。加工強度、硬度較高的材料時，為減輕單位切削刃上的載荷，應選擇較小的主偏角，如選?。?0°～30°；當工藝系統(tǒng)的剛度較差或強力切削時，應選擇較大的主偏角，如選取＝60°～75°；車削細長軸時，一般選?。?5°～90°；在切削過程中，刀具需作中間切入時，一般選?。?5°～60°。（2）副偏角的功用及選擇①副偏角的功用副偏角可以減小副切削刃與工件已加工表面之間的摩擦。較小的副偏角可減小表面粗糙度值。但過小的副偏角會使徑向切削力增大，在工藝系統(tǒng)剛度不足時引起振動。②副偏角的選擇

在不引起振動的條件下，一般取較小的副偏角。系統(tǒng)剛度差時，應選擇較大的副偏角，如選取＝10°～15°。切斷、切槽及孔加工刀具的副偏角只能取較小值，如選?。?°～2°。（3）過渡刃的功用及選擇為增強刀尖強度和散熱能力，常在主切削刃和副切削刃之間磨出一條過渡刃。過渡刃能夠提高刀具耐用度，降低表面粗糙度。過渡刃的常用形式有直線刃、圓弧刃、水平修光刃和大圓弧刃等四種，如下圖所示。

直線刃：能提高刀尖的強度，改善刀具散熱條件，主要用于粗車或強力車削車刀上。一般取過渡刃偏角κrε＝κr/2，長度bε＝0.5～2mm。

圓弧刃：刀尖圓弧半徑rε增大時，可減小表面粗糙度值，提高刀具耐用度，但會增大背向力Fp，容易引起振動，所以rε不能過大。通常高速鋼車刀rε＝0.5～3mm，硬質(zhì)合金車刀rε＝0.5～1.5mm。

水平修光刃：是指在刀尖處磨出一小段副偏角＝0°的平行刀刃。修光刃長度≈（1.2～1.5）f，即應略大于進給量f，這樣在增大進給量的同時仍可獲得較小的表面粗糙度值。但

過大容易引起振動。

大圓弧刃：即半徑為300～500mm的過渡刃。一般常用在寬刃精車、寬刃精刨和浮動鏜削等加工時的刀具上。4．刃傾角λs的功用及選擇（1）刃傾角λs的功用刃傾角λs主要影響刀頭的強度和切屑流出的方向。

（2）刃傾角λs的選擇加工硬度較高材料或刀具承受沖擊載荷時，應采用較大的負刃傾角λs，以保護刀尖。粗加工時，為了提高刀具強度，刃傾角λs應取負值；精加工時，刃傾角λs應取正值，使切屑流向待加工表面，并可使刃口鋒利。刃傾角λs的選擇可參考下表所示。二、切削用量的合理選擇

切削用量的選擇原則是：粗加工時，首先應以提高生產(chǎn)率為主，但也應考慮經(jīng)濟性和加工成本；半精加工和精加工時，應在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟性和加工成本。當?shù)毒吣陀枚缺３忠欢〞r，選擇切削用量的順序是：先選背吃刀量ap，再選進給量f，然后計算相應的切削速度vc。1．背吃刀量ap的選擇

粗加工時，在機床、工件和刀具剛度允許的情況下，背吃刀量ap應根據(jù)加工余量確定。在保留后續(xù)加工余量的前提下，盡量將粗加工余量一次切完。但背吃刀量ap所形成的作用切削刃長度不宜超過切削刃長度的2/3。當加工余量過大或工藝系統(tǒng)剛性較差時，可分兩次或多次走刀切除。一般來說，將第一次走刀的背吃刀量ap取大些，可占全部余量的2/3～3/4，第二次或后幾次走刀的背吃刀量ap取小些。半精加工、精加工時，應一次切除加工余量。一般半精加工的背吃刀量ap為0.5～2mm，精加工的背吃刀量ap為0.1～0.4mm。2．進給量f的選擇背吃刀量ap選定后，應選擇較大的進給量f。其數(shù)值應保證機床和刀具不致因切削力太大而損壞；切削力所造成的工件撓度不超出工件精度允許的數(shù)值；表面粗糙度值在允許的范圍內(nèi)等。粗加工時，進給量f的選擇主要考慮工藝系統(tǒng)的剛度、切削力的大小和刀具的尺寸等，生產(chǎn)中常根據(jù)經(jīng)驗或查閱有關(guān)手冊來確定，必要時需進行驗算。硬質(zhì)合金車刀粗車表面及端面進給量的部分參考值如下表所示。半精加工、精加工時，進給量f的選擇主要考慮加工表面粗糙度。硬質(zhì)合金車刀半精加工和精加工時進給量的部分參考值如下表所示。3．切削速度vc的選擇在ap和f確定后，根據(jù)刀具耐用度公式算出切削速度vc。生產(chǎn)中常按經(jīng)驗和有關(guān)手冊來選擇。硬質(zhì)合金車刀車削外圓時切削速度的部分參考數(shù)值如下表所示。

選擇切削速度時還應考慮下列幾點：①精加工時，應盡量避免積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生。②斷續(xù)切削時適當降低切削速度。③在易發(fā)生振動的情況下，切削速度應避開產(chǎn)生自激振動的臨界速度。④加工大件、細長件和薄壁件時應降低切削速度。⑤加工帶外皮的工件時應降低切削速度。⑥粗加工時，需對機床功率進行校驗。4．校驗機床功率

機床功率所允許的切削速度為：

vc≤綜合實訓一、刀具幾何參數(shù)的選擇在普通臥式車床上用反向進給法粗車45鋼細長軸，刀具采用焊接式硬質(zhì)合金車刀YT15，加工時使用跟刀架和彈性頂尖，進給量f為0.51mm。試確定刀具的幾何參數(shù)。1．實訓過程

根據(jù)加工條件和加工特點選擇合理的刀具幾何參數(shù)。

（1）由于工件材料45鋼為中碳鋼，因此，根據(jù)硬質(zhì)合金車刀前角和后角的參考表所示可知，粗加工時應選取刀具前角γo＝10°～15°，后角αo＝5°～7°。（2）由于工件為細長軸，剛性較差，加工過程易產(chǎn)生彎曲和振動，因此選取主偏角＝75°，副偏角＝10°。

（3）粗加工中硬質(zhì)合金刀具通常都修磨出負倒棱和負刃傾角。倒棱寬度br1≈（0.3～0.8）f。帶入f＝0.51mm，得br1≈0.15～0.41mm，由于粗加工時倒棱寬度br1應取大值，因此選取br1＝0.41mm。因刀具材料為硬質(zhì)合金，選取倒棱前角γo1＝－10°。由于工件材料為中碳鋼，根據(jù)刃傾角數(shù)值選擇表所示，可以選取刃傾角λs＝0°～－5°。

（4）為增強刀尖強度，采用修圓刀尖，選取刀尖圓弧半徑rε＝0.5～1.5mm。（5）為保證斷屑可靠，前刀面可磨出全圓弧形卷屑槽。切削中碳鋼時，槽的寬度lBn＝10f。帶入f＝0.51mm，得lBn＝5.1mm。圓弧半徑rBn＝（0.4～0.7）lBn，帶入lBn＝5.1mm，得rBn＝2.04～3.57mm。2．實訓總結(jié)

合理的刀具幾何參數(shù)應根據(jù)加工條件和加工特點來選擇。

二、切削用量的選擇和計算有一軸，加工精度為IT9；表面粗糙度Ra為3.2μm，材料為45熱軋鋼，σb＝0.637GPa，毛坯尺寸為φ46mm×350mm，加工尺寸為φ39mm×300mm。在普通臥式車床CA6140上加工，使用焊接式硬質(zhì)合金YT15車刀，刀桿截面尺寸為16mm×25mm。幾何參數(shù)為：γo＝15°，αo＝8°，＝75°，λs＝0°，rε＝1mm，br1＝0。其加工方案為：粗車—半精車，半精車余量為0.5mm。試確定粗車和半精車時合理的切削用量。1．實訓過程（1）粗車

①確定背吃刀量ap

由于半精車余量為0.5mm，因此粗車后軸的直徑應為φ40mm。毛坯余量單邊（46－40）/2＝3mm，所以，粗車選取背吃刀量ap＝3mm。②確定進給量f

根據(jù)工件材料、刀桿截面尺寸、工件直徑及背吃刀量ap，由硬質(zhì)合金車刀粗車進給量參考表所示得進給量f＝0.4～0.5mm/r。按機床說明書中實有的進給量，選取