1、第二章 金屬切削過(guò)程的基本規(guī)律及其應(yīng)用本章主要介紹以下內(nèi)容：1、金屬切削過(guò)程基本規(guī)律 2、金屬切削過(guò)程基本規(guī)律的應(yīng)用 課時(shí)分配：1，三個(gè)學(xué)時(shí)，2，三個(gè)學(xué)時(shí)重點(diǎn)：金屬切削過(guò)程的基本概念難點(diǎn)：金屬切削過(guò)程基本規(guī)律的應(yīng)用金屬切削過(guò)程是機(jī)械制造過(guò)程的一個(gè)重要組成部分。金屬切削過(guò)程是指將工件上多余的金屬層，通過(guò)切削加工被刀具切除而形成切屑并獲得幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的過(guò)程。在這一過(guò)程中，始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，從而產(chǎn)生一系列現(xiàn)象，如切削變形、切削力、切削熱與切削溫度以及有關(guān)刀具的磨損與刀具壽命、卷屑與斷屑等。對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行研究，揭示其內(nèi)在的機(jī)理，探索和掌握

2、金屬切削過(guò)程的基本規(guī)律，從而主動(dòng)地加以有效的控制，對(duì)保證加工精度和表面質(zhì)量，提高切削效率，降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度具有十分重大的意義?？傊?，金屬切削過(guò)程的優(yōu)劣，直接影響機(jī)械加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率與生產(chǎn)成本。因此，必須進(jìn)行深入的研究。2.1 金屬切削層的變形 一、切屑形成過(guò)程及變形區(qū)的劃分 (見(jiàn)P19)1、切削變形 金屬的切削過(guò)程與金屬的擠壓過(guò)程很相似。金屬材料受到刀具的作用以后，開(kāi)始產(chǎn)生彈性變形；雖著刀具繼續(xù)切入，金屬內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變繼續(xù)加大，當(dāng)達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，并使金屬晶格產(chǎn)生滑移；刀具再繼續(xù)前進(jìn)，應(yīng)力進(jìn)而達(dá)到材料的斷裂強(qiáng)度，便會(huì)產(chǎn)生擠裂。 2、變形區(qū)的劃分大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析

3、證明，塑性金屬切削過(guò)程中切屑的形成過(guò)程就是切削層金屬的變形過(guò)程。切削層的金屬變形大致劃分為三個(gè)變形區(qū)：第一變形區(qū)（剪切滑移）、第二變形區(qū)（纖維化）、第三變形區(qū)（纖維化與加工硬化）。3、切屑的形成及變形特點(diǎn) (見(jiàn)P20) 1） 第一變形區(qū)（近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生的塑性變形區(qū)）金屬的剪切滑移變形切削層受刀具的作用，經(jīng)過(guò)第一變形區(qū)的塑性變形后形成切屑。切削層受刀具前刀面與切削刃的擠壓作用，使近切削刃處的金屬先產(chǎn)生彈性變形，繼而塑性變形，并同時(shí)使金屬晶格產(chǎn)生滑移。在下圖中，切削層上各點(diǎn)移動(dòng)至AC線均開(kāi)始滑移、離開(kāi)AE線終止滑移，在沿切削寬度范圍內(nèi)，稱AC是始滑移面，AE是終滑移面。AC、AE之間為第變

4、形區(qū)。由于切屑形成時(shí)應(yīng)變速度很快、時(shí)間極短，故AC、AE面相距很近，一般約為0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面來(lái)表示第變形區(qū)，AB面亦稱為剪切面。剪切面AB與切削速度Vc之間的夾角稱為剪切角。作用力Fr與切削速度Vc之間的夾角稱為作用角。 第一變形區(qū)就是形成切屑的變形區(qū)，其變形特點(diǎn)是切削層產(chǎn)生剪切滑移變形。2） 第二變形區(qū)（與前刀面接觸的切屑層產(chǎn)生的變形區(qū)）內(nèi)金屬的擠壓磨擦變形 經(jīng)過(guò)第一變形區(qū)后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，還必須克服刀具前刀面對(duì)切屑擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。此時(shí)將產(chǎn)生擠壓摩擦變形。 應(yīng)該指出，第一變形區(qū)與第二變形區(qū)是相互關(guān)聯(lián)的。前刀面上的摩擦力大時(shí)，切屑排出不順，擠壓變形加

5、劇，以致第一變形區(qū)的剪切滑移變形增大。3） 第三變形區(qū)（近切削刃處已加工表面內(nèi)產(chǎn)生的變形區(qū)）金屬的擠壓磨擦變形 已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓摩擦，造成纖維化和加工硬化。二、切削變形程度的度量方法1、相對(duì)滑移相對(duì)滑移是用來(lái)量度第1變形區(qū)滑移變形的程度。如右圖，設(shè)切削層中AB線沿剪切面滑移至AB時(shí)的距離為y，事實(shí)上y很小，故可認(rèn)為滑移是在剪切面上進(jìn)行，其滑移量為s。則相對(duì)滑移表示為：1、 變形系數(shù)h變形系數(shù)h是表示切屑的外形尺寸變化大小的一個(gè)參數(shù)。如右圖所示，切屑經(jīng)過(guò)剪切變形、又受到前刀面摩擦后，與切削層比較，它的長(zhǎng)度縮短、厚度增加，這種切屑外形尺寸變化的變形現(xiàn)象稱為切屑的收縮。變形

6、系數(shù)h表示切屑收縮的程度，即從上圖可知，剪切角變化對(duì)切屑收縮的影響，增大剪切面AB減短，切屑厚度hch減小，故h變小。它們之間的關(guān)系如下： 從上面兩個(gè)公式可知，剪切角與前角0是影響切削變形的兩個(gè)主要因素。如果增大前角0和剪切角，使相對(duì)滑移、變形系數(shù)h減小，則切削變形減小。 注意：由于切削過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過(guò)程，切削變形除了產(chǎn)生滑移變形外，還有擠壓、摩擦等作用，而值主要從剪切變形考慮；而h主要從塑性壓縮方面分析。所以，與h都只能近似地表示切削變形程度。三、剪切角的確定剪切角是影響切削變形的一個(gè)重要因素。若能預(yù)測(cè)剪切角的值，則對(duì)了解與控制切削變形具有重要意義。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，并

7、推薦了若干剪切角的計(jì)算式。其中，按最少能量原則來(lái)確定剪切角的計(jì)算式為：按最大剪應(yīng)力的理論，求出剪切角計(jì)算式為： 從上面公式可看出：與0、有關(guān)。增大前角0、減小摩擦角，使剪切角增大，切削變形減小，這一規(guī)律已被普遍用于生產(chǎn)實(shí)踐中。 從上面公式也可看出：第2變形區(qū)產(chǎn)生的摩擦對(duì)第1變形區(qū)剪切變形的影響規(guī)律。四、積屑瘤的形成及其對(duì)切削過(guò)程的影響(見(jiàn)P24) 在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工一般鋼料或其它塑性材料時(shí)，常常在前刀面處粘著一塊剖面有時(shí)呈三角狀的硬塊。這塊冷焊在前刀面上的金屬稱為積屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，能夠代替刀刃進(jìn)行切削。1

8、、積屑瘤是如何形成的?1）切屑對(duì)前刀面接觸處的摩擦，使前刀面十分潔凈。2）當(dāng)兩者的接觸面達(dá)到一定溫度同時(shí)壓力又較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，即一般所謂的“冷焊”。切屑從粘在刀面的底層上流過(guò)，形成“內(nèi)摩擦”。3）如果溫度與壓力適當(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，粘成一體。4）這樣粘結(jié)層就逐步長(zhǎng)大，直到該處的溫度與壓力不足以造成粘附為止。2、形成積屑瘤的條件： 主要決定于切削溫度。此外，接觸面間的壓力、粗糙程度、粘結(jié)強(qiáng)度等因素都與形成積屑瘤的條件有關(guān)。1）一般說(shuō)來(lái)，塑性材料的加工硬化傾向愈強(qiáng)，愈易產(chǎn)生積屑瘤；2）溫度與壓力太低，不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤；反之，溫度太高，產(chǎn)生弱化作

9、用，也不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。3）走刀量保持一定時(shí)，積屑瘤高度與切削速度有密切關(guān)系。3、積屑瘤對(duì)切削過(guò)程的影響1）實(shí)際前角增大 它加大了刀具的實(shí)際前角，可使切削力減小，對(duì)切削過(guò)程起積極的作用。積屑瘤愈高，實(shí)際前角愈大。2）使加工表面粗糙度增大 積屑瘤的底部則相對(duì)穩(wěn)定一些，其頂部很不穩(wěn)定，容易破裂，一部分連附于切屑底部而排出，一部分殘留在加工表面上，積屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工時(shí)必須設(shè)法避免或減小積屑瘤。3）對(duì)刀具壽命的影響 積屑瘤粘附在前刀面上，在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可代替刀刃切削，有減少刀具磨損、提高壽命的作用。但在積屑瘤比較不穩(wěn)定的情況下使用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，積屑瘤的破裂有可能使硬

10、質(zhì)合金刀具顆粒剝落，反而使磨損加劇。4、防止積屑瘤的主要方法1）降低切削速度，使溫度較低，粘結(jié)現(xiàn)象不易發(fā)生；2）采用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應(yīng)溫度；3）采用潤(rùn)滑性能好的切削液，減小摩擦；4）增加刀具前角，以減小切屑與前刀面接觸區(qū)的壓力；5）適當(dāng)提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。五、切削變形變化規(guī)律 從相對(duì)滑移、變形系數(shù)h計(jì)算式中可知，剪切角與前角0是影響切削變形的兩個(gè)主要因素。如果增大前角0和剪切角，使相對(duì)滑移、變形系數(shù)h減小，則切削變形減小。1、前角：增大前角0，使剪切角增大，變形系數(shù)h減小，因此，切削變形減小。 生產(chǎn)實(shí)踐表明：采用大前角刀具切削，刀刃鋒利、切入金屬容易，切屑

11、與前刀面接觸長(zhǎng)度減短、流屑阻力小，因此，切削變形小、切削省力。2、切削速度：切削速度Vc是通過(guò)積屑瘤使剪切角改變和通過(guò)切削溫度使摩擦系數(shù)變化而影響切削變形的。3、進(jìn)給量：進(jìn)給量f增大，使變形系數(shù)h減小。4、工件材料：工件材料硬度、強(qiáng)度提高，切削變形減少。2.2 切屑的類型及控制一、切屑的類型及其分類(見(jiàn)P20)由于工件材料不同，切削過(guò)程中的變形程度也就不同，因而產(chǎn)生的切屑種類也就多種多樣，如下圖示。圖中從左至右前三者為切削塑性材料的切屑，最后一種為切削脆性材料的切屑。切屑的類型是由應(yīng)力-應(yīng)變特性和塑性變形程度決定的。1、 帶狀切屑它的內(nèi)表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金屬材料（如碳素鋼、合金鋼、

12、銅和鋁合金），當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時(shí)，一般常得到這類切屑。它的切削過(guò)程平衡，切削力波動(dòng)較小，已加工表面粗糙度較小。2、擠裂切屑 這類切屑與帶狀切屑不同之處在外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面有時(shí)有裂紋。這種切屑大多在切削黃銅或切削速度較低、切削厚度較大、刀具前角較小時(shí)產(chǎn)生。2、 單元切屑如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴(kuò)展到整個(gè)面上，則整個(gè)單元被切離，成為梯形的單元切屑，如圖c所示。切削鉛或用很低的速度切削鋼時(shí)可得到這類切屑。 以上三種切屑只有在加工塑性材料時(shí)才可能得到。其中，帶狀切屑的切削過(guò)程最平穩(wěn)，單元切屑的切削力波動(dòng)最大。在生產(chǎn)中最常見(jiàn)的是帶狀切屑，有時(shí)得到擠裂切屑，單元切屑則很

13、少見(jiàn)。 假如改變擠裂切屑的條件，如進(jìn)一步減小刀具前角，減低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到單元切屑。反之，則可以得到帶狀切屑。這說(shuō)明切屑的形態(tài)是可以隨切削條件而轉(zhuǎn)化的。掌握了它的變化規(guī)律，就可以控制切屑的變形、形態(tài)和尺寸，以達(dá)到卷屑和斷屑的目的。如果在擠裂切屑的剪切面上，裂紋擴(kuò)展到整個(gè)面上，則整個(gè)單元被切離，成為梯形的單元切屑，如圖c所示。切削鉛或用很低的速度切削鋼時(shí)可得到這類切屑。 以上三種切屑只有在加工塑性材料時(shí)才可能得到。其中，帶狀切屑的切削過(guò)程最平穩(wěn)，單元切屑的切削力波動(dòng)最大。在生產(chǎn)中最常見(jiàn)的是帶狀切屑，有時(shí)得到擠裂切屑，單元切屑則很少見(jiàn)。 假如改變擠裂切屑的條件，如進(jìn)一步減小刀具

14、前角，減低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到單元切屑。反之，則可以得到帶狀切屑。這說(shuō)明切屑的形態(tài)是可以隨切削條件而轉(zhuǎn)化的。掌握了它的變化規(guī)律，就可以控制切屑的變形、形態(tài)和尺寸，以達(dá)到卷屑和斷屑的目的。4.崩碎切屑 這是屬于脆性材料（如鑄鐵、黃銅等）的切屑。這種切屑的形狀是不規(guī)則的，加工表面是凸凹不平的。 從切削過(guò)程來(lái)看，切屑在破裂前變形很小，和塑性材料的切屑形成機(jī)理也不同。它的脆斷主要是由于材料所受應(yīng)力超過(guò)了它的抗拉極限。加工脆硬材料，如高硅鑄鐵、白口鐵等，特別是當(dāng)切削厚度較大時(shí)常得到這種切屑。 由于它的切削過(guò)程很不平穩(wěn)，容易破壞刀具，也有損于機(jī)床，已加工表面又粗糙，因此在生產(chǎn)中應(yīng)力求避免。

15、其方法是減小切削厚度，使切屑成針狀或片狀；同時(shí)適當(dāng)提高切削速度，以增加工件材料的塑性。 以上是四種典型的切屑，但加工現(xiàn)場(chǎng)獲得的切屑，其形狀是多種多樣的。二、切屑控制的措施 在現(xiàn)行切削加工中，切削速度與金屬切除率達(dá)到了很高的水平，切削條件很惡劣，常常產(chǎn)生大量“不可接受”的切屑。 所謂切屑控制（又稱切屑處理，工廠中一般簡(jiǎn)稱為“斷屑”），是指在切削加工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)控制切屑的卷曲、流出與折斷，使形成“可接受”的良好屑形。 在實(shí)際加工中，應(yīng)用最廣的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出斷屑槽或使用壓塊式斷屑器。2.3 切削力一、切削力的來(lái)源，切削合力及其分解，切削功率(見(jiàn)P26）(一）切削力的來(lái)源 研究

16、切削力，對(duì)進(jìn)一步弄清切削機(jī)理，對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)刀具、機(jī)床、夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有非常重要的意義。金屬切削時(shí)，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，稱為切削力。切削力來(lái)源于三個(gè)方面：1克服被加工材料對(duì)彈性變形的抗力；2克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力；3克服切屑對(duì)前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過(guò)渡表面與已加工表面之間的摩擦力。 （二）切削合力及其分解 上述各力的總和形成作用在刀具上的合力Fr（國(guó)標(biāo)為F）。為了實(shí)際應(yīng)用，F(xiàn)r可分解為相互垂直的Fx（國(guó)標(biāo)為Ff）、Fy（國(guó)標(biāo)為Fp）和Fz（國(guó)標(biāo)為Fc）三個(gè)分力。在車削時(shí)： Fz主切削力或切向力。它切

17、于過(guò)渡表面并與基面垂直。Fz是計(jì)算車刀強(qiáng)度，設(shè)計(jì)機(jī)床零件，確定機(jī)床功率所必需的。Fx進(jìn)給抗力、軸向力或走刀力。它是處于基面內(nèi)并與工件軸線平行與走刀方向相反的力。Fx是設(shè)計(jì)進(jìn)給（走刀）機(jī)構(gòu)，計(jì)算車刀進(jìn)給功率所必需的。Fy切深抗力、或背向力、徑向力 、吃刀力。它是處于基面內(nèi)并與工件軸線垂直的力。Fy用來(lái)確定與工件加工精度有關(guān)的工件撓度（詳見(jiàn)第七章），計(jì)算機(jī)床零件和車刀強(qiáng)度。它與工件在切削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)有關(guān)。（三）切削功率 （見(jiàn)P29）1、單位切削力 單位切削力p是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力，可用下式表示： 單位切削力p可查手冊(cè)，利用單位切削力P來(lái)計(jì)算主切削力Fz較為簡(jiǎn)易直觀。2、切削功

18、率Pm消耗在切削過(guò)程中的功率稱為切削功率Pm(國(guó)標(biāo)為Po)。切削功率為力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向沒(méi)有位移，所以不消耗功率。于是 Pm=(Fz*Vc+Fx*nw*f/1000)10-3其中：Pm切削功率（KW）； Fz切削力（N）； Vc切削速度（m/s）； Fx進(jìn)給力（N）； nw工件轉(zhuǎn)速（r/s）； f進(jìn)給量（mm/s）。 式中等號(hào)右側(cè)的第二項(xiàng)是消耗在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的功率，它相對(duì)于F所消耗的功率來(lái)說(shuō)，一般很?。?00的車刀切削。(3)刃傾角s：s對(duì)Fz影響較小，但對(duì)Fx、Fy影響較大。 s 由正向負(fù)轉(zhuǎn)變，則Fx減小、Fy增大。實(shí)踐應(yīng)用，從切削力觀點(diǎn)分析，切削時(shí)不宜選用過(guò)大的負(fù)刃傾角

19、s。特別是在工藝系統(tǒng)剛度較差的情況下，往往因負(fù)刃傾角s增大了切深抗力Fy的作用而產(chǎn)生振動(dòng)。4、其它因素(見(jiàn)P34）（1）刀具棱面：應(yīng)選較小寬度,使Fy減小。（2）刀具圓弧半徑：增大，切削變形、摩擦增大，切削力增大。（3）刀具磨損：后刀面磨損增大，刀具變鈍，與工件擠壓、摩擦增大，切削力增大。2.4 切削熱和切削溫度切削熱與切削溫度是切削過(guò)程中產(chǎn)生的又一重要物理現(xiàn)象。切削時(shí)做的功，可轉(zhuǎn)化為等量的熱。功削熱除少量散逸在周圍介質(zhì)中外，其余均傳入刀具、切屑和工件中，并使它們溫度升高，引起工件變形、加速刀具磨損。因此，研究切削熱與切削溫度具有重要的實(shí)用意義。一、切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)(見(jiàn)P35） 切削熱是由切

20、削功轉(zhuǎn)變而來(lái)的。如下圖所示，其中包括：剪切區(qū)變形功形成的熱QP、切屑與前刀面摩擦功形成的熱Qrf、已加工表面與后刀面摩擦功形成的熱Qf,因此，切削時(shí)共有三個(gè)發(fā)熱區(qū)域，即剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與已加工表面接觸區(qū)，如圖示，三個(gè)發(fā)熱區(qū)與三個(gè)變形區(qū)相對(duì)應(yīng)。所以，切削熱的來(lái)源就是切屑變形功和前、后刀面的摩擦功。產(chǎn)生總的切削熱Q，分別傳入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周圍介質(zhì)Qr。切削熱的形成及傳導(dǎo)關(guān)系為：切削塑性金屬時(shí)切削熱主要由剪切區(qū)變形熱和前刀面摩擦熱形成；切削脆性金屬時(shí)則后刀面摩擦熱占的比例較多。 二、切削溫度的計(jì)算與測(cè)量(見(jiàn)P36） 盡管切削熱是切削溫度上升的根源，但直接影響切削過(guò)

21、程的卻是切削溫度，切削溫度一般指切削區(qū)域的平均溫度。通過(guò)切削區(qū)域產(chǎn)生的變形功、摩擦功和熱傳導(dǎo)，可以近似推算出切削溫區(qū)值。切削溫度是由切削時(shí)消耗總功形成的熱量引起的。單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱q等于消耗的切削功率Pm，即 切削溫度的測(cè)量方法很多，見(jiàn)下圖。 自然熱電偶法 自然熱電偶法主要是用于測(cè)定切削區(qū)域的平均溫度。 人工熱電偶法 人工熱電偶法是用于測(cè)量刀具、切屑和工件上指定點(diǎn)的溫度，用它可求得溫度分布場(chǎng)和最高溫度的位置。三、影響切削溫度的主要因素(見(jiàn)P37） 根據(jù)理論分析和大量的實(shí)驗(yàn)研究知，切削溫度主要受切削用量、刀具幾何參數(shù)、工件材料、刀具磨損和切削液的影響，以下對(duì)這幾個(gè)主要因素加以分析。 分析各因素

22、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。如果產(chǎn)生的熱量大于傳出的熱量，則這些因素將使切削溫度增高；某些因素使傳出的熱量增大，則這些因素將使切削溫度降低。1、切削用量的影響 切削用量是影響切削溫度的主要因素。通過(guò)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)可以找出切削用量對(duì)切削溫度的影響規(guī)律。通常在車床上利用測(cè)溫裝置求出切削用量對(duì)切削溫度的影響關(guān)系，并可整理成下列一般公式： 切削速度對(duì)切削溫度影響最大，隨切削速度的提高，切削溫度迅速上升。進(jìn)給量對(duì)切削溫度影響次之，而背吃力量ap變化時(shí)，散熱面積和產(chǎn)生的熱量亦作相應(yīng)變化，故ap對(duì)切削溫度的影響很小。2、刀具幾何參數(shù)的影響 切削溫度隨前角o的增大

23、而降低。這是因?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)，單位切削力下降，使產(chǎn)生的切削熱減少的緣故。但前角大于1820后，對(duì)切削溫度的影響減小，這是因?yàn)樾ń亲冃《股狍w積減小的緣故。（見(jiàn)P37圖2.28）主偏角r減小時(shí)，使切削寬度hD增大，切削厚度hD減小，因此，切削變形和摩擦增大，切削溫度升高。但當(dāng)切削寬度hD增大后，散熱條件改善。由于散熱起主要作用，故隨著主偏角kr減少，切削溫度下降。 負(fù)倒棱b1在(02)f 范圍內(nèi)變化，刀尖圓弧半徑re在01.5mm范圍內(nèi)變化，基本上不影響切削溫度。因?yàn)樨?fù)倒棱寬度及刀尖圓弧半徑的增大，會(huì)使塑性變形區(qū)的塑性變形增大，但另一方面這兩者都能使刀具的散熱條件有所改善，傳出的熱量也有所增加，

24、兩者趨于平衡，所以對(duì)切削溫度影響很小。3、工件材料的影響 工件材料的強(qiáng)度（包括硬度）和導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削溫度的影響是很大的。由理論分析知，單位切削力是影響切削溫度的重要因素，而工件材料的強(qiáng)度（包括硬度）直接決定了單位切削力，所以工件材料強(qiáng)度（包括硬度）增大時(shí)，產(chǎn)生的切削熱增多，切削溫度升高。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)則直接影響切削熱的導(dǎo)出。4、刀具磨損的影響 在后刀面的磨損值達(dá)到一定數(shù)值后，對(duì)切削溫度的影響增大；切削速度愈高，影響就愈顯著。合金鋼的強(qiáng)度大，導(dǎo)熱系數(shù)小，所以切削合金鋼時(shí)刀具磨損對(duì)切削溫度的影響，就比切碳素鋼時(shí)大。5、切削液的影響 切削液對(duì)切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、澆注方

25、式以及本身的溫度有很大的關(guān)系。從導(dǎo)熱性能來(lái)看，油類切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。四、切削溫度對(duì)工件、刀具和切削過(guò)程的影響 切削溫度高是刀具磨損的主要原因，它將限制生產(chǎn)率的提高；切削溫度還會(huì)使加工精度降低，使已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及其它缺陷。（1）切削溫度對(duì)工件材料強(qiáng)度和切削力的影響切削時(shí)的溫度雖然很高，但是切削溫度對(duì)工件材料硬度及強(qiáng)度的影響并不很大；剪切區(qū)域的應(yīng)力影響不很明顯。 （2）對(duì)刀具材料的影響 適當(dāng)?shù)靥岣咔邢鳒囟龋瑢?duì)提高硬質(zhì)合金的韌性是有利的。（3）對(duì)工件尺寸精度的影響（4）利用切削溫度自動(dòng)控制切削速度或進(jìn)給量（5）利用切削溫度與切削力控制刀具磨損2.5 刀具的磨損與破損、

26、刀具壽命及刀具狀態(tài)監(jiān)控一、刀具磨損的形態(tài)及其原因 切削金屬時(shí)，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要發(fā)生損壞。刀具損壞的形式主要有磨損和破損兩類。前者是連續(xù)的逐漸磨損，屬正常磨損；后者包括脆性破損（如崩刃、碎斷、剝落、裂紋破損等）和塑性破損兩種，屬非正常磨損。刀具磨損后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并導(dǎo)致切削力加大、切削溫度升高，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，不能繼續(xù)正常切削。因此，刀具磨損直接影響加工效率、質(zhì)量和成本。刀具正常磨損的形式有以下幾種： 1.前刀面磨損 2.后刀面磨損 3.邊界磨損(前、后刀面同時(shí)磨損) 從對(duì)溫度的依賴程度來(lái)看，刀具正常磨損的原因主要是機(jī)械磨損和熱、化學(xué)磨損。機(jī)械磨損是

27、由工件材料中硬質(zhì)點(diǎn)的刻劃作用引起的，熱、化學(xué)磨損則是由粘結(jié)（刀具與工件材料接觸到原子間距離時(shí)產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象）、擴(kuò)散（刀具與工件兩摩擦面的化學(xué)元素互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散、腐蝕)等引起的。(1)磨粒磨損 在切削過(guò)程中，刀具上經(jīng)常被一些硬質(zhì)點(diǎn)刻出深淺不一的溝痕。磨粒磨損對(duì)高速鋼作用較明顯。(2)粘結(jié)磨損 刀具與工件材料接觸到原子間距離時(shí)產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象，稱粘結(jié)。粘結(jié)磨損就是由于接觸面滑動(dòng)在粘結(jié)處產(chǎn)生剪切破壞造成。低、中速切削時(shí)，粘結(jié)磨損是硬質(zhì)合金刀具的主要磨損原因。(3)擴(kuò)散磨損 切削時(shí)在高溫作用下，接觸面間分子活動(dòng)能量大，造成了合金元素相互擴(kuò)散置換，使刀具材料機(jī)械性能降低，若再經(jīng)摩擦作用，刀具容易被磨損。擴(kuò)

28、散磨損是一種化學(xué)性質(zhì)的磨損。(4)相變磨損 當(dāng)?shù)毒呱献罡邷囟瘸^(guò)材料相便溫度時(shí)，刀具表面金相組織發(fā)生變化。如馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，使硬度下降，磨損加劇。因此，工具鋼刀具在高溫時(shí)均用此類磨損。(5)氧化磨損 氧化磨損是一種化學(xué)性質(zhì)的磨損。刀具磨損是由機(jī)械摩擦和熱效應(yīng)兩方面因素作用造成的。 1）在低、中速范圍內(nèi)磨粒磨損和粘結(jié)磨損是刀具磨損的主要原因。通常拉削、鉸孔和攻絲加工時(shí)的刀具磨損主要屬于這類磨損。 2）在中等以上切削速度加工時(shí)，熱效應(yīng)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)、擴(kuò)散和氧化磨損。二、刀具磨損過(guò)程、磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及刀具壽命1、刀具磨損過(guò)程 隨著切削時(shí)間的延長(zhǎng)，刀具磨損增加。根據(jù)

29、切削實(shí)驗(yàn)，可得圖示的刀具正常磨損過(guò)程的典型磨損曲線。該圖分別以切削時(shí)間和后刀面磨損量VB（或前刀面月牙洼磨損深度KT）為橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。從圖可知，刀具磨損過(guò)程可分為三個(gè)階段：1.初期磨損階段 2.正常磨損階段 3.急劇磨損階段2、刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用。這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定后刀面上均勻磨損區(qū)的高度VB值作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。3、刀具的耐用度（刀具壽命） 一把新刀（或重新刃磨過(guò)的刀具）從開(kāi)始切削至磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間，稱為刀具的耐用度，用T分鐘表示。又稱為刀具壽命。三、刀具的破損 刀具破損和刀具磨損一樣，也是刀具失效的一種形式。刀具在一定的切

30、削條件下使用時(shí)，如果它經(jīng)受不住強(qiáng)大的應(yīng)力（切削力或熱應(yīng)力），就可能發(fā)生突然損壞，使刀具提前失去切削能力，這種情況就稱為刀具破損。破損是相對(duì)于磨損而言的。從某種意義上講，破損可認(rèn)為是一種非正常的磨損。刀具的破損有早期和后期（加工到一定的時(shí)間后的破損）兩種。刀具破損的形式分脆性破損和塑性破損兩種。硬質(zhì)合金和陶瓷刀具在切削時(shí)，在機(jī)械和熱沖擊作用下，經(jīng)常發(fā)生脆性破損。脆性破損又分為：1.崩刀 2.碎斷3.剝落 4.裂紋破損。四、刀具的狀態(tài)監(jiān)控 如前所述，刀具損壞的形式主要是磨損和破損。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)系統(tǒng)（如FMS、CIMS等）中，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生非正常的磨損或破損時(shí)，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，將導(dǎo)致工件報(bào)廢

31、，甚至機(jī)床損壞，造成很大的損失。因此，對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控非常重要。 刀具破損監(jiān)測(cè)可分為直接監(jiān)測(cè)和間接監(jiān)測(cè)兩種。所謂直接監(jiān)測(cè)，即直接觀察刀具狀態(tài)，確認(rèn)刀具是否破損。其中最典型的方法是ITV（Industrial Television， 工業(yè)電視）攝像法。間接監(jiān)測(cè)法即利用與刀具破損相關(guān)的其它物理量或物理現(xiàn)象，間接判斷刀具是否已經(jīng)破損或是否有即將破損的先兆。這樣的方法有測(cè)力法、測(cè)溫法、測(cè)振法、測(cè)主電機(jī)電流法和測(cè)聲發(fā)射法等。五、刀具壽命(刀具耐用度)的選擇原則 切削用量與刀具壽命有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最

32、低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。比較最高生產(chǎn)率耐用度Tp與最低生產(chǎn)成本耐用度Tc可知：TcTp。生產(chǎn)中常根據(jù)最低成本來(lái)確定耐用度，但有時(shí)需完成緊急任務(wù)或提高生產(chǎn)率且對(duì)成本影響不大的情況下，也選用最高生產(chǎn)率耐用度。刀具耐用度的具體數(shù)值，可參考有關(guān)資料或手冊(cè)選用。 選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)：（1）根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來(lái)選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。（2）對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí)間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取1530min。（3）對(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床

33、、組合機(jī)床與自動(dòng)化加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。（4）車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些；當(dāng)某工序單位時(shí)間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開(kāi)支 M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。（5）大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度來(lái)確定。六、影響刀具耐用度因素(見(jiàn)P43）1、切削用量 切削用量對(duì)刀具耐用度的影響規(guī)律如同對(duì)切削溫度的影響。 切削速度vc、 背吃刀量（切削深度）ap、進(jìn)給量增大，使切削溫度提高，刀具耐用度下降。 Vc影響最大、 進(jìn)給量f其次，ap影響最小。(見(jiàn)P43 刀具耐用度計(jì)算公式2.2

34、8）根據(jù)刀具耐用度合理數(shù)值T計(jì)算的切削速度稱為刀具耐用度允許的切削速度，用VT表示其計(jì)算式為： 顯然低成本允許的切削速度低于高生產(chǎn)率允許的切削速度。2、工件材料 （1）硬度或強(qiáng)度提高，使切削溫度提高，刀具磨損加大，刀具耐用度下降。（2）工件材料的延伸率越大或?qū)嵯禂?shù)越小，切削溫度越高，刀具耐用度下降。3、刀具幾何角度（1）前角對(duì)刀具耐用度的影響呈“駝峰形”。（2）主偏角r減小時(shí)，使切削寬度bD增大，散熱條件改善，故切削溫度下降，刀具耐用度提高。 4、刀具材料 刀具材料的高溫硬度越高、越耐磨，刀具耐用度越高。 加工材料的延伸率越大或?qū)嵯禂?shù)越小，均能使切削溫度升高因而使刀具耐用度T降低。2.6

35、金屬切削過(guò)程基本規(guī)律的應(yīng)用學(xué)習(xí)了金屬切削過(guò)程基本規(guī)律的應(yīng)用以后，就要學(xué)會(huì)運(yùn)用規(guī)律，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。本節(jié)主要從控制切屑、改善材料的切削加工性、合理選擇切削液、合理選擇刀具幾何參數(shù)和切削用量等五個(gè)方面問(wèn)題，來(lái)達(dá)到保證加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的目的。(見(jiàn)P44）一、工件材料的切削加工性(見(jiàn)P44） 工件材料的切削加工性：是指工件材料被切削成合格零件的難易程度。其研究的目的是為了尋找改善材料切削加工性的途徑。1、評(píng)定工件材料的切削加工性的主要指標(biāo)1）刀具耐用度指標(biāo)： 切削普通金屬材料：用刀具耐用度達(dá)到60min時(shí)允許的切削速度V60的高低來(lái)評(píng)定材料的加工性。 切削難加工金屬材料：用刀具耐

36、用度達(dá)到20min時(shí)允許的切削速度V20的高低來(lái)評(píng)定材料的加工性。同樣條件下，V60或V20大，加工性越好。 相對(duì)加工性：KV=V60/V060 ,(以45鋼的V60為基準(zhǔn)，記為V060）2）加工表面粗糙度指標(biāo)：粗糙度值越小，加工性越好。 另外，還用切屑形狀是否容易控制、切削溫度高低和切削力大?。ɑ蛳墓β识嗌伲﹣?lái)評(píng)定材料加工性的好壞。 其中，粗加工時(shí)用刀具耐用度指標(biāo)、切削力指標(biāo)，精加工時(shí)用加工表面粗糙度指標(biāo)，自動(dòng)生產(chǎn)線時(shí)常用切屑形狀指標(biāo)。 此外，材料加工的難易程度主要決定于材料的物理、力學(xué)和機(jī)械性能，其中包括材料的硬度HB、抗拉強(qiáng)度b、延伸率、沖擊值k和導(dǎo)熱系數(shù)k，故通常還可按它們數(shù)值的大小

37、來(lái)劃分加工性等級(jí)，見(jiàn)表2.9。2、改善材料切削加工性的措施1）調(diào)整化學(xué)成分 如在不影響工件材料性能的條件下，適當(dāng)調(diào)整化學(xué)成分，以改善其加工性。如在鋼中加入少量的硫、硒、鉛、鎖、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。2）材料加工前進(jìn)行合適的熱處理 低碳鋼通過(guò)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(guò)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9501000 C范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間退火而成可鍛鑄鐵，切削就較容易。 3）選加工

38、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； 鍛造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改為熱軋后加工性得以改善。 4）其它 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與選用切削液等。二、切削液（P45）1、切削液的作用冷卻作用：使切削熱傳導(dǎo)、對(duì)流和汽化，從而降低切削區(qū)溫度。 潤(rùn)滑作用（邊界潤(rùn)滑原理）：切削液滲透到刀具與切屑、工件表面之間形成潤(rùn)滑膜，它具有物理吸附和化學(xué)吸附作用。 洗滌和防銹作用：沖走細(xì)屑或磨粒；在切削液中添加防銹劑，起防銹作用。 2、常用切削液及其選用（p47)1） 水溶液：水溶液就是以水為主要成分并加入防銹添加劑的切削液。主要起冷卻作用。常用

39、的有電解水溶液和表面活性水溶液。 電解水溶液：在水中加入各種電解質(zhì)（如Na2CO3、亞硝酸鈉），能滲透到表面油膜內(nèi)部起冷卻作用。主要用于磨削、鉆孔和粗車等。 表面活性水溶液:在水中加入皂類、硫化蓖麻油等表面活性物質(zhì)，用以提高水溶液的潤(rùn)滑作用。常用于精車、精銑和鉸孔等。 2）切削油:主要起潤(rùn)滑作用。 10號(hào)、20號(hào)機(jī)油：用于普通車削、攻絲 輕柴油：用于自動(dòng)機(jī)上。 煤油：用于精加工有色金屬、普通孔或深孔精加工。 豆油、菜油、蓖麻油等：用于螺紋加工。 2） 乳化液：由水和油混合而成的液體。生產(chǎn)中的乳化液是由乳化劑（蓖麻油、油酸或松脂）加水配置而成。 濃度低的乳化液含水多，主要起冷卻作用，適于粗加工和

40、磨削；濃度高的乳化液含水少，主要起潤(rùn)滑作用，適于精加工。4）極壓切削油和極壓乳化液：在切削液中添加了硫、氯、磷極壓添加劑后，能在高溫下顯著提高冷卻和潤(rùn)滑效果。 三、刀具幾何參數(shù)的合理選擇（P47）刀具幾何參數(shù)主要包括：刀具角度、刀刃的刃形、刃口形狀、前刀面與后刀面型式等。1、 前角、前刀面的功用與選擇（P47） 前刀面：有平面型、曲面型和帶倒棱型三種。平面型前刀面：制造容易，重磨方便，刀具廓形精度高。曲面型前刀面：起卷刃作用，并有助于斷屑和排屑。故主要用于粗加工塑性金屬刀具和孔加工刀具。如絲錐、鉆頭。帶倒棱型前刀面：是提高刀具強(qiáng)度和刀具耐用度的有效措施。前角的功用：前角影響切削過(guò)程中的變形和摩

41、擦，同時(shí)又影響刀具的強(qiáng)度。 前角o對(duì)切削的難易程度有很大影響。增大前角能使刀刃變得鋒利，使切削更為輕快，并減小切削力和切削熱。 但前角過(guò)大，刀刃和刀尖的強(qiáng)度下降，刀具導(dǎo)熱體積減少，影響刀具使用壽命。 前角的大小對(duì)表面粗糙度、排屑和斷屑等也有一定影響。前角的選用原則：在刀具強(qiáng)度許可條件下，盡可能選用大的前角。 工件材料的強(qiáng)度、硬度低，前角應(yīng)選得大些，反之小些（如有色金屬加工時(shí)，選前角較大）； 刀具材料韌性好（如高速鋼），前角可選得大些，反之應(yīng)選得小些（如硬質(zhì)合金）； 精加工時(shí)，前角可選得大些。粗加工時(shí)應(yīng)選得小些。2、后角、后刀面的功用與選擇（P49） 后角的功用：后角o的主要功用是減小后刀面與工

42、件間的摩擦和后刀面的磨損，其大小對(duì)刀具耐用度和加工表面質(zhì)量都有很大影響。后角同時(shí)又影響刀具的強(qiáng)度。后角的選用原則：粗加工以確保刀具強(qiáng)度為主，可在4o-6o范圍內(nèi)選?。?精加工以加工表面質(zhì)量為主，可在o=8o-12o一般，切削厚度越大，刀具后角越??；工件材料越軟，塑性越大，后角越大。工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小后角（切削時(shí)起支承作用，增加系統(tǒng)剛性并起消振作用）；尺寸精度要求較高的刀具，后角宜取小值。3、主偏角、副偏角的功用與選擇（P49） 主偏角r：的大小影響切削條件（切削寬度和切削厚度的比例）和刀具壽命。 在工藝系統(tǒng)剛性很好時(shí)，減小主偏角可提高刀具耐用度、減小已加工表面粗糙度，所以r宜取小值

43、； 在工件剛性較差時(shí)，為避免工件的變形和振動(dòng)，應(yīng)選用較大的主偏角。 副偏角r：影響加工表面粗糙度和刀具強(qiáng)度。其作用是可減小副切削刃和副后刀面與工件已加工表面之間的摩擦，防止切削振動(dòng)。r的大小主要根據(jù)表面粗糙度的要求選取。通常在不產(chǎn)生摩擦和振動(dòng)條件下，應(yīng)選較小的r。 4、刃傾角的功用與選擇（P50） 刃傾角s主要影響刀頭的強(qiáng)度和切屑流動(dòng)的方向。刃傾角s選用原則：主要根據(jù)刀具強(qiáng)度、流屑方向和加工條件而定。 粗加工時(shí)，為提高刀具強(qiáng)度，s取負(fù)值；精加工時(shí)，為不使切屑劃傷已加工表面，s常取正值或0。2.7切削用量的合理選擇及提高切削用量的途徑切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對(duì)加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和機(jī)床動(dòng)力性能（功率、扭矩），在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。切削用量選擇原則：能達(dá)到零件的質(zhì)量要求（主要指表面粗糙度和加工精度）并在工藝系統(tǒng)強(qiáng)度和剛性允許下及充分利用機(jī)床功率和發(fā)揮刀具切削性能的前提下選取一組最大的切削用量。(見(jiàn)P51）一、制訂切削用量時(shí)考慮的因素(見(jiàn)P51）1、切削加工生產(chǎn)