金属切削的基本原理.ppt

第 2章 金属切削的基本原理 2.1 金属切削过程的变形 2.2 切屑的类型及控制 2.3 切削力 2.4 切削热和切削温度 2.5 刀具磨损和刀具寿命 2.6 刀具几何参数和切削用量的合理选择 金属切削加工的目的： 使被加工零件的 尺寸精度 、 形状和位置精度 、 表面质量达到 设计与使用要求 。 金属切削加工 定义 金属切削加工必须具备的两个基本条件： 切削运动和刀具 。 金属切削加工过程中的现象： 切削变形 、 切削力 、 切削热和刀具磨损 。 研究切削变形的意义 有助于切削加工技术的发展 ， 保证加工质量 ， 提高生产率 和降低成本 。 F A B O M 45 a） 正挤压 F A B O M 45 b） 偏挤压 O M F c） 切削 正挤压： 金属材料受挤压时 ， 最大剪 应力方向与作用力方向约成 45 偏挤压： 金属材料一部分受挤压时 ， OB线以下金属由于母体阻碍 ， 不能沿 AB线滑移 ， 而只能沿 OM线滑移 切削： 与偏挤压情况类似 。 弹性变形 剪切应力增大 ， 达到屈服点 产生塑 性变形 ， 沿 OM线滑移 剪切应力与滑 移量继续增大 ， 达到断裂强度 切屑与 母体脱离 。 金属挤压与切削比较 2.1.1 切削的形成过程 2.1 金属切削过程中的变形 1 挤压与切削 三个变形区 第一变形区 第二变形区 第三变形区 2 变形区的划分 以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区可大致划分为： OA 始滑移线 :塑性变形开始； OM 终滑移线：金属晶粒的剪 切滑移基本完成， 成为切屑。金 属切削过程的塑性变形主要集中 于此区域。 变形的主要特征： 剪切滑移变形 加工硬化 一般速度范围内 区宽度为 0.02 0.2mm，速度越高，宽度 越小，可看作一个 剪切平面 （ 1）第一变形区 （剪切滑移区） 前刀面挤压与摩擦， 金属 纤维化的二次变形。 此变形区 的变形是造成前刀面磨损和产 生积屑瘤的主要原因。 （ 2）第二变形区 （挤压摩擦区） （ 3） 第三变形区 切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦， 并进一步产 生弹、塑性变形 ，造成纤维化和加工硬化， 影响巳加工 表面质量。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应 力的主要原因。 刃前区： 三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被 切削层在此与工件本体材料分离 （挤压摩擦回弹区） 切屑根部金相照片 M 刀具 切屑 O A 终滑移线 始滑移线： =s 剪切角 3 切屑的受力分析 sin D ss AFA c o s ( )soFF c os( )c os( ) si n c os( )c Do o o AF F si n( )si n( ) si n c os ( )p Do o o AF F c os( ) si n c os( ) s D oo F AF ta n( ) /o p cFF ta n 切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。 lch lC 切屑与切削层尺寸 厚度变形系数 D ch h h h 长度变形系数 1. 变形系数 2.1.2 切削变形程度 *变形系数值 h是大于 1的数；值越大，变形越大；可实测； h与剪切角 有关， 增大， h 减小，切削变形减小。 ch c l l l 相对滑移模型： 平行四边形 OHNM发生剪切 变形后 ， 变为平行四边形 OGPM， 其相对滑移 c ot t a n( ) o s N P N K K P y M K M K 2 相对滑移 0 0 c os si n c os( ) 或 3剪切角 4o 4 o （ 1）根据材料力学平面应力状态理论 （ 2）根据合力学最小理论： c os( ) si n c os( ) s D oo F AF 4 2 2 o 分析上式可知： 1） 前角增大时 ， 剪切角随之增大 ， 变形减小 。 这 表明 ， 在保证切削刃强度的前提下 ， 增大刀具前角可 减少切削变形 ， 对改善切削过程有利 。 2） 摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。 提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减 小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过 程。 4 o 4 2 2 o 2.1.3 前刀面上的摩擦 1 摩擦的类型 （ 1）峰点接触型 （外摩擦） 接触点的应力达到屈服极限，发生了塑性变形，形 成 滑动接触 。服从古典摩擦法则。 实际接触面积： n r s FA r s s r s sr n n n s F AF C F F F 摩擦系数： （ 2）紧密接触型 （内摩擦） 接触点发生强烈的塑性变形，氧化膜和吸附膜被破坏，金属 对金属的直接接触，发生 冷焊粘结 。摩擦力就是破坏冷焊粘结 的抗剪力和犁耕力（滑移剪切），不服从古典摩擦法则。 摩擦力： r s a s aF A P A 摩擦系数： sa n A F 2 前刀面上的摩擦 切塑性金属时前刀面上应力 分布情况： 刀 -屑接触区摩擦可分两部分： OA 段粘接区 :形成紧密接触型摩 擦，剪切滑移，内摩擦 AB 段滑动区 :形成峰点接触型滑 动摩擦，外摩擦 一般内摩擦力约占总摩擦力的 85% 3 影响前刀面上的摩擦的主要因素 （ 1）工件材料（相同的切削条件） 材料的强度和硬度越大，摩擦系数略有减小；是因为切削速 度不变时，温度增高，导致摩擦系数减小。 （ 2）切削厚度 切削厚度越大，前刀面正压力增大，摩擦系数减小， 增大。 （ 3）切削速度 （ 4）刀具前角 2.1.4 积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 1积屑瘤的形成及其成因 速度不高、切削塑性金属、 形成带状切屑，刀具和切屑间 的压力和摩擦，使得切屑冷焊 并层积在前刀面上，形成硬度 很高的一块剖面呈三角状的硬 块，其硬度是工件材料硬度的 2 3倍，能够代替刀刃进行切 削，并以一定的频率生长和脱 落。这硬块称为 积屑瘤 。 1）积屑瘤的形成 （ 1）工件材料的性质 塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤； 切削区的温度和压力很低时，不会产生积屑瘤；切削 区的温度太高时，由于材料变软，也不会产生积屑瘤。 2）积屑瘤的成因 （ 2）切削区的温度分布和压力分布有关。 （ 3）刀具前角 增大刀具前角可以有效抑制积屑瘤的形成。 （ 4）冷却润滑条件 加注切削液可以有效抑制积屑瘤的形成。 根据积屑瘤的有无及生长高度 Hb 与切削速度关系，可分为四个区： （ 5） 切削速度 I 区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑， 没有积屑瘤生成； 区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成， 随着切削速度的提高，积屑瘤高度也增加。 摩擦阻力 Ff与切削流动推力 T： FfT 积屑瘤高度增大； FfT 积屑瘤被推走； Ff T 积屑瘤达到临界高度。 区：积屑瘤的高度随切削速度的增加而减小，当到达边界时，积屑瘤 消失。速度高，切屑温度高被软化，摩擦阻力下降，滞留倾向减弱。 区：切削速度进一步提高，由于切削速度较高而冷焊消失，此时积屑瘤 不再存在，当切屑底部的纤维化依然存在，切屑的滞留倾向也依然存在。 2积屑瘤对切削过程的影响及其控制 （ 1） 增大刀具前角 减小了切屑变形，降低切削力，使切削 过程容易进行。 （ 2） 增大切削厚度 hD的变化导致切削厚度的变化，从 而导致切削力的波动和影响加工质量。 （ 3） 增大已加工表面粗糙度 积屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平，外形极不规则，增大了已加工 表面的粗糙度，降低了表面加工质量。 1）积屑瘤对切削过程的影响 （ 4） 对刀具寿命的影响 积屑瘤 如生长稳定，起到了保护了刀具，提高了刀具的使用寿命的作 用；如频繁脱落，则加剧了刀具的磨损，降低了刀具的使用寿命。 积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面 ， 也有消极 的一面 。 在粗加工时 ， 可充分利用积屑瘤 ,精加工时必须防止 积屑瘤的产生 ， 可采取的控制措施有： （ 2） 使用润滑性能好的切削液 ， 目的在于减小切 屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦 。 （ 1） 合理选用切削速度 ， 使切削速度避开产生积 屑瘤的区域 。 （ 3） 增大刀具前角 ，减小刀具前刀面与切屑之间的 压力。 （ 4） 降低工材塑性， 适当提高工件材料硬度，减小 加工硬化倾向。 2）控制措施 （ 5） 减小进给量。 2.1.5 影响切屑变形的因素 1工件材料的影响 工件材料的硬度和强度越大， 剪 切角将随之越大， 变形系数越小， 切屑的变形越小。 刀具前角增大 ， 剪切角将 随之增大； 变形系数随着刀 具的前角增大而减小 。 切屑 的变形减小 。 2 刀具前角的影响 3 切削速度的影响 A段： 积屑瘤随着切削速度的增大逐 渐形成，前角逐渐增大，所以变 形系数减小。 B段： 积屑瘤随着 vc的增大逐渐消失，前 角逐渐减小，所以变形系数增大。 积屑瘤消失 ， 随着 vc的增大 ， 切削温度增高 ， 使切屑底层材料的剪 切屈服强度 s下降 ， 导致前刀面摩擦系数 减小 ， 摩擦角随之减小 ， 剪切角增大 ， 故变形系数减小 。 C段： 切削塑性金属时 vc是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。 切削铸铁等脆性金属时，一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变 形系数 逐渐地减小。 4 切削层公称厚度的影响 进给量增大，切削层厚 度增大 ;在无积屑瘤的切削 速度范围内 (Vc=200)，切 削厚度越大，变形系数越 小。 5 刀尖圆弧半径的影响 刀尖圆弧半径 r 越 大，变形系数越大， 切削变形越大。 第 2节 切屑的类型及控制 2.1 切屑的类型（ 从变形观点出发） 1 带状切屑 2 挤裂 (节状 )切屑。 产生条件：加工塑性金属，且切削厚度较 小，切削速度较高、刀具前角较大。 优点：切削过程平稳，切削力波动范围小， 已加工表面粗糙度较小。 缺点：容易缠绕刀具或工件，影响加工过程。 产生条件：加工塑性金属，在低速、切削 厚度较大、刀具前角较小 特点：切削过程不平稳，切削力有波动， 已加工表面粗糙度较大。 带状切屑 Real 挤裂切屑 Real 3 单元 (粒状 )切屑 产生条件：加工塑性金属，切削速度极 低时，增大进给量，减小前角。 特点：切削过程不平稳，切削力波动大， 已加工表面粗糙度大。 粒状切屑 Real 切塑性材料 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 0v hD 0 v hD 0 v hD 0v hD 4 崩碎切屑 切脆性材料，工件材料越是脆硬、进 给量越大则越容易产生这种切屑。 切削力的幅度小，但波动大， 切削过 程不平稳，易损坏刀具， 已加工表面粗 糙。 应 0v hD 崩碎切屑 Real 2.2 切屑的控制 1 采用断屑槽 对流动中的切屑施加一定的约束力 ， 使切屑应变增大 ， 切屑卷曲半径减小 。 增大刀具主偏角 切削厚度变大 ， 有利于断屑 。 2 改变刀具角度 3 调整切削用量 减小刀具前角 可使切屑变形加大 ， 切屑易于折断 。 即据实际条件适当选择切削用量 。 刃倾角 正值 切屑常卷曲后碰到后刀面折断 负值 切屑常卷曲后碰到已加工表面折断 进给量 切削厚度 对断屑有利 加工表面粗糙度 切削速度 切削变形 利于断屑 切除效率 l） 克服切削层材料和 工件表面层材料对 弹性变 形 、 塑性变形的抗力 。 切削力来源于以下两个 方面： 1切削力来源 3.1 切削力 、 切削合力与分力 、 切削功率 第 3节 切削力 2） 克服刀具与切屑 、 刀具与工件表面间 摩擦阻 力 所需的力 。 r Fc F Fp FD Ff FD FD f v 切削力的分解 F 切削合力 Fc 主切削力 Fp 背向力 Ff 进给力 2切削合力及分解 2 2 2 2 2 N C P fF c F F F FF 主切削力 Fc 最大，进给力 Ff 次之，背向力 Fp 最小 主偏角 Kr的大小影响 Fp 和 Ff 的配置。 当工艺系统刚性较差时，应尽可能使用 大的主偏角刀具进行切削。 主切削力 Fc 计算切削功率和设计机床的主要依据。 进给力 Ff 作用在进给机构上，在设计与校和其强度时会使用。 切深力 Fp 虽不做功，但会造成工件变形或引起振动，影响加 工精度和表面质量，特别在加工细长轴时应注意。 2切削合力及其作用 3 切削功率 3 ()10CC C KWVPF 5 单位切削力的概念 C C C C D P D Df F F FK a h bA 用 kc（ N mm2） 表示： （ 书上用 P） 因为 Fp不做功， Ff比 Fc小的多 式中 Fc 主切削力 （ N）； v 主运动速度 （ m/s）。 4. 机床电机功率 式中 机床传动效率，通常 = 0.75 0.85 ()cE PP KW 3.2 切削力的测量及切削力经验公式 目前常用的测力仪 有电阻式测力仪和 压电式测力仪。 2切削力的经验公式 1切削力的理论公式 c os( )c os( ) si n c os( )c Do o o AF F 1）切削力的测量 2）切削力的经验公式的建立 FcFc FpFp FfFf C F c P P F p P F F f P yx yx yx fCaF fCaF fCaF 测量仪测出切削力后，再将实验 数据用图解法、线性回归等进行处 理，其实质就是测定 FC、 FP、 Ff 后，如何确定 3个系数和 6个指数。 图解法 Fc p Fc C aP C f x y CaF fCF l og l og l og l og l og l og p P Cf F c F c FC xa FC yf FcFcC F c P yx fCaF FeFe Fe FpFp Fp FfFf Ff C FeFc P C P FpFp P C F FfFf P C yxn yxn yxn fC a vFK fC a vFK fC a vFK 3） 切削力经验公式应用 (指数公式 ) 与实验条件不符的要考虑修正系数，切削力的获得是通 过查表所得，是建立在前人实验的基础之上。 式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量对切削力影响指数； nFc , nFp , nFf 切削速度 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑刀具几何参数、刀具 c磨损等因素影 响的修正系数。 强度 、 硬度越高 ：剪切屈服极限增大 ， F 塑性 、 韧性越大 ：切屑不易折断 ， F 3.3 影响切削力的因素 1工件材料的影响 2切削用量的影响 1）背吃刀量和进给量 反映在经验公式中， ap的指数近似为 1，而 f的指数为 0.750.9，从切 削力和切削功率的角度考虑，切削面积相同，加大 f比加大 ap有利。 fAD成正比 ，但 kc略 减小， 变形系数略有减小， 切削力增加但与 f 不成正比。 apAD成正比 ， 变形系数不变， 切削力成正比增加； （ 1）在积屑瘤增长阶段 随 v 积屑瘤高度 变形程度 ， F （ 2） 在积屑瘤减小阶段 v 变形程度 ， F （ 3） 在无积屑瘤阶段 随 v ，温度升高，摩擦系数 变 形程度 F 2） 切削速度 塑性材料 切削速度对切削力没有显著影响 。 脆性材料： 在生产实践中，尽可能采用高速切 削，既能提高生产效率，又能减小切 削力。 3 刀具几何参数的影响 1）前角 o 增大前角 o ，可以减小切削变 形，减小变形抗力，切削力减小。 加工塑性材料 0 变形程度 F 加工脆性材料 切削变形很小， 0对 F 影响不显 著 ; 0 30 或高速切削时， 0对 F 影响不显著 2） 主偏角 r 3） 刃倾角 s （ 1） r对 Fc影响较小， 影响程度不超过 10%; r在 60 75 之间时， Fc最小。 （ 2） r对 Fp、 Ff影响较大 Fp FD cos r Ff FD sin r Fp随 r 增大而减小，注意： 切细长轴 Ff随 r 增大而增大 （ 1） s对 Fc影响很小 （ 2） s对 Fp、 Ff影响较大 Fp随 s增大而减小， Ff随 s增大而增大 4） 负倒棱 1rb 5）过渡圆弧刃半径 b 1 与 f 之比增大 ,切削力随之增大。 当切钢 b 1/f 5 或 切铸铁 b 1/f 3 时， 切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。 r 增大相当于 r减小的影响 （ 1） r 对 Fc影响很小 （ 2） Fp随 r 增大而增大； Ff随 r 增大 而减小 （ r Fp， Ff） 4刀具磨损 5 切削液 6刀具材料 以润滑为主的切削液能减小 切削力。以冷却为主的对切削 力的影响不大。 亲合力和摩擦系数；切削条件完全相同的情况下： 立方氮化硼 陶瓷 涂层 硬质合金 高速钢 后刀面平均磨损带宽度 VB 越 大，摩擦越强烈，切削力也越 大。 VB对背向力 Fp影响最显著 第 4节 切削热和切削温度 4.1 切削热的产生与传导 1 切削热的来源 1)切削层金属发生 弹性变形和塑性 变形 所消耗的能量（三个区）； 2)切屑与前刀面、工件与后刀面间产 生的 摩擦热 。 单位时间产生的切削热： Q=Fcvc P 工件 切屑 刀具 切削热的来源与传出 2 热的传导及其影响因素 1）工件材料的导热系数 2）刀具材料的导热系数 3）周围介质 不同的加工方法其切削热由切屑、工件、刀 具和介质传出的比例不同。 加工方法 切屑 工件 刀具 铣削 70% 50% 15% 磨削 4% 80% 12% 4.2 切削温度的测量 1 测量方法 2 切削温度分布 剪切面上各点温度几乎 相 等，各点的应变规律基本相 同； 前后刀面最高温度点不在刀 刃上 ；切屑上最高温度比剪切 区温度高；切屑底层温度比上 层温度高。 切削塑性材料 前刀 面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。 4.3 影响切削温度的主要因素 刀具与切屑接触区平均温度，单位为 ； C 切削温度系数，主要取决于加工方法和刀具材料； z 、 y 、 x 切削速度、进给量、背吃刀量的影响指数。 xpyzc afvC 1 切削用量 经验公式 三个影响指数 zyx，说明 vc 影响最大，进给量 f 的影响次之，背吃刀量 ap的影响最小 。 ap、 f 和 vc增大 ，单位时间内材料的切除量增大，切削热 增多， 切削温度随之上升 。 在提高金属切除率的同时，为了有效控制切削温度以延长 刀具寿命，优先增大 ap ，其次是增大 f ， 严格控制 vc； 在刀 具材料与机床性能允许条件下，应尽可能提高 vc ，以进行 高效率、高质量切削。 2 刀具几何参数 1)前角 o 2)主偏角 kr 0 变形程度 F q 但 0 20 时，散热体积 ， 对 的影响减小 r ，切削刃工作接触长度、刀尖角和切削宽度 ， 散热面积 3）负倒棱对切削温度的影响 3 工件材料的影响 - 强度 、 硬度高 ， 则加工硬化能 力强 ， 切削抗力越大 ， 消耗的 功多 ， 产生的热就越多 。 - 热导率越小 ， 传散的热越少 ， 切削区的切 削温度就越高 。 b 1 、 r ，切屑变形程度 q 同时散热条件改善，两者趋于平衡 对 影响很小 4 刀具磨损的影响 后刀面磨损增大，塑性 变形增大，摩擦加剧，切 削温度升高 。 VB达一定值 ， v越 高刀磨损对 影响越显著 刀具磨损是影响切削温 度的主要因素。 5 切削液的影响 浇切削液对 切削温度 刀具磨损 加工质量有明显效果。 热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效 果越显著 第 5节 刀具磨损和刀具寿命 磨 损 破 损 刀具寿命 5.1 刀具磨损形态和磨损机制 1刀具磨损的形态 1） 前刀面磨损 形成条件：加工塑性材 料， v高， hD大； 刀具的 耐热性和耐磨性不足 磨损值以其最大深度 KT 表示 。 形式：月牙洼 影响：削弱刀刃强度， 降低加工质量 A A 2） 后刀面磨损 影响：切削力 , 切削温度 , 产 生振动，降低加工质量 刀尖部分磨损严重 ,以 VC表 示；中间部位磨损较均匀 , 以 VB表示 ,以 VBmax表示最 大磨损值 。 形成条件：加工塑性材料 , v 较小 , hD 较小；加工脆性材料 形式：后角 =0的磨损面（参 数 VB， VBmax） 3）边界磨损 形式： 沟纹 磨损量用 VN表示。 形成条件： 切钢料，边界 处的加工硬化层、硬质点、 毛坯表面硬层。较大的应 力梯度和温度梯度。 2刀具磨损机制 1）硬质点划痕 硬质点（碳化物、氮化物、氧化物等） 各种切削速度下均存在 积屑瘤碎片 磨削 低速情况下刀具磨损的主要原因 取决于硬度和耐磨性 2）冷焊粘结 高温高压 刀具材料与工件材料亲和力大 粘结磨损加剧 强烈摩擦 冷焊 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速 4）化学磨损 3）扩散磨损 高温作用 扩散磨损常与冷焊磨损、磨料磨损同时产生。前刀面 上温度最高处扩散作用最强烈（月牙洼）。 化学作用 边界磨损原因之一； 取决于刀具的耐热性 氧化铝陶瓷和立方氯化硼刀具抗扩散磨损能力较强。 主要发生在较高速切削条件下。 对于一定的刀具和工件材料，切削温度对刀具磨损具有决定性的影响。 高温时扩散磨损和化学磨损强度较高；在中低温时，冷焊磨损占主导地位； 磨料磨损则在不同切削温度下都存在。 硬质点划痕 冷焊粘结 扩散磨损 化学磨损 切削速度（切削温度） 5.2 刀具磨损过程及磨钝标准 1刀具磨损过程 （三个阶段） 与刀具刃磨质量直接相关。 1）初期磨损过程 2）正常磨损阶段 3）急剧磨损阶段 切削力、温度急升， 磨损量急剧增加 ，之前 需重新刃磨或 换刀。 刀具磨损过程 初期磨损 后刀面磨损量 VB 正常磨损 急剧磨损 切削时间 磨损缓慢，磨损量均匀增加 ; VB与 t近似正比 ,斜率表示磨损 强度 ,性能指标之一。 刀具表面粗糙度大、单位 面积压力高，磨损快。 2 刀具的磨钝标准 度量： 后刀面 ap/2处的磨损宽度 VB；径向尺寸磨损量 NB（ 精加 工 ） ； 1）磨钝标准 硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准， 有下列三种可供选择： （ 1） VB 0.3mm； （ 2） 如果主后刀面为无规则磨损，取 VBmax=0.6mm； （ 3） 前刀面磨损量 KT（ 0.06 0.3f） mm。 概念：允许的最大磨损的限度 。 2）磨钝标准的制定 （ 1）工艺系统刚性 工艺系统的刚性差， VB应取小值。如车刚性差的细轴。 （ 2）工件材料 切削难加工材料如高温合金、不锈钢、钛合金等， VB一 般应取小值；加工一般材料， VB值可取大一些。加工大型 工件，为了避免频繁换刀， VB应取大值。 （ 3）加工精度和表面质量 加工精度和表面质量要求高时， VB应取小值。 5.3 刀具寿命 1刀具寿命的定义 刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是。 2. 刀具寿命的经验公式 刀具总寿命： 刃磨后的刀具自开始切削直到 磨损量达到磨钝标准为止所经历 的总切削时间 ;两次刃磨之间所经 历的切削时间 T。 单因素法： ( , )cV B v T l g l g l gcv m T A 0mccv T v T C与 的 关 系 式 ： 泰 勒 公 式 Vc1Vc2Vc3Vc4 111 T gmh cp T C fva 1gf T f T C与 的 关 系 式 ： 2hppa T a T C与 的 关 系 式 ： 切削用量与刀具寿命的一般关系 (广义泰勒公式）： m表示 vC对 T的影响程度，反映了刀具材料的切削性能， m 值越大，切削速度对刀具寿命的影响越小，刀具的耐热性越好。 5 2 . 2 5 0 . 7 5 T p CT v f a 可见 v 的影响最显著； f 次之； ap 影响最小 。 用硬质合金刀具切削碳钢（ b= 0.763GP a）时，有： 在提高生产率，保证刀具的使用寿命的情况下，首先尽量 选用大的切削深度，然后根据加工条件和加工要求选取允许 的最大进给量，最后根据刀具使用寿命和机床功率允许的情 况选取最大切削速度。 与对切削温度的影响顺序一致。 切削速度提高一倍，刀具使用寿命降到原 3； 进给量提高一倍，刀具使用寿命降到原 21； 背吃刀量提高一倍，刀具使用寿命降到原 21； 不同刀具材料的耐用度比较 硬质合金 （ VB=0.4mm） 陶瓷刀具 （ VB=0.4mm） 高速钢 刀具耐用度 T（ min） 1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60 800 600 500 400 300 200 100 80 60 50 切削速度 v（ m/min ） 不同刀具材料寿命 （ 耐用度 ） 比较 3.影响刀具寿命的其他因素 (1)刀具几何参数 合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命 。 刀具几何参数中对刀具寿命影响较大的是前角和主偏角 。 (2)刀具材料 采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料 ， 可 提高刀具寿命 。 (3)工件材料 工件材料的强度 、 硬度和韧性越高 ， 伸长率 越小 ， 切削时均能使切削温度升高 ， 刀 具寿命降低 。 4 刀具合理使用寿命选择 令 f， ap为常数， 代入： 1 0 0 0 1 0 0 0 mmw w w w m pp L d L dt T k T v f a A f a 使工序时间最短的刀具寿命。以车削为例，工序时间： mv T A 对 T求导，并令其为 0，可得 到 最高生产率 刀具寿命为： 1 op c mTt m 1）最高生产率刀具寿命 tw tm tot tc tm 切削时间； tc 工序的换刀时间； t ot 除换刀外的辅助时间。 令： 1mc t ct k t T 2） 最低生产成本刀具寿命 每个零件平均加工成本 C为： () mm c t t o ttC t M t M C t MT M 该工序单位时间内的机床折旧费及所分担的全厂开支； Ct 刃磨一次刀具消耗的费用； tct 换刀一次的时间。 对 T求导，并令其为 0，可得到最 低生产成本 刀具寿命 为： 1 () t c c t CmTt mM 2） 多刀车床上的车刀 ， 组合机床上的钻头 、 丝锥和铣刀 ， 自 动机及自动线上的刀具 ， 因为调整复杂 ， 刀具寿命应规定得高些 。 l） 刀具构造复杂 、 制造和磨刀费用高时 ， 刀具寿命应规定得高 些 。 5. 刀具寿命制订考虑因素 3） 某工序的生产成为生产线上的瓶颈时 ， 刀具寿命应定得低些 ， 这样可以选用较大的切削用量 ， 以加快该工序生产节拍；某工序单 位时间的生产成本较高时刀具寿命应规定得低些 ， 这样可以选用较 大的切削用量 ， 缩短加工时间 。 4） 精加工大型工件时 ， 刀具寿命应规定得高些 ， 至少保证在 一次走刀中不换刀 。 5）一般情况下，首先最小成本刀具寿命。在生产任务紧迫等 情况下，可选用最高生产率刀具寿命。 1）崩刃 刀具的破损形式分为 脆性破损 和 塑性破损 。 5.4 刀具的破损 切削刃产生小的缺口。在继续切削中，缺口会不断扩大， 导致更大的破损。用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断 续切削时，常发生这种破损 。 1脆性破损 硬质合金刀具和陶瓷刀具切削时，在机械应力和热应力冲 击作用下，经常发生以下几种形态的破损： 切削刃发生小块碎裂或大块断裂 ， 不能继续进行切削 。 用硬质合金刀 具和陶瓷刀具作断续切削时 ， 常发生这种破损 。 2）碎断 在刀具的前 、 后刀面上出现剥落碎片 ， 经常与切削刃一起剥落 ， 有时 也在离 切削刃一小段距离处剥落陶瓷刀具端铣时常发生这种破损 3）剥落 长时间进行断续切削后 ， 因疲劳而引起裂纹的一种破损 。 热冲击和机 械冲击均会引发裂纹 ， 裂纹不断扩展合并就会引起切削刃的碎裂或断 裂 。 4）裂纹破损 2塑性破损 过高的温度和压力的作用，刀具表层材料将因发生塑性流动而丧失切 削能力。 抗塑性破损能力取决于刀具材料的硬度和耐热性。硬质合金和陶瓷的 耐热性好，一般不易发生这种破损。相比之下，高速钢耐热性较差，较 易发生塑性破损。 3 防止刀具破损采取的措施 1)合理选择刀具材料的种类和牌号 。 2)合理选择刀具几何参数 。 3)保证刀具焊接和刃磨质量 ， 避免各种缺陷 。 4)合理选择切削用量 。 5)提高工艺系统的刚性 ， 减少振动 。 6)采用正确的操作方法 ， 防止刀具承受突变载荷 ， 不 要断续使用切削液冷却脆性大的刀具材料 。 第 6节 切削用量和刀具几何角度的合理选择 2.6.1切削用量的选择原则 111 T gmh cp T C fva 刀具的寿命和切削 用量的关系 T 成本 (v , f , ap) 生产率 T 成本 (v , f , ap) 生产率 T 一定 (v , f , ap ) 一定 生产率？ 1. 切削用量与刀具的寿命、生产率的关系 Zw =1000 AD Vav （ mm3/min） 金属切除率和切削用量的关系 Zw 1000 ap Vc Zw 和 ap Vc 成线性关系，任何一个参数增大，都 可提高生产率。 111 T gmh cp T C fva T 一定 (v , f , ap ) 一定 增大任何一参数，其他两参数就要相应减小。生产率？ mc m g h p Cv f a 例： YT15车刀， 不加切削液， 纵车外圆，碳素结构钢材料。 m= 0.2; m/h=0.15; m/g=0.35。 Zw 1000 ap Vc ap 增大三倍 3 / / 0 . 1 5 / 0 . 8 5( 3 ) 3p cca m g m gm h m h pp Cvv aa C ff Zw3 ap =1000 (3ap )(0.85Vc) 2.6 Zw 即 ap 增大三倍， Vc降低 15，生产率提高 2.6倍。 增大三倍 3 / / 0 . 3 5 / 0 . 6 83( 3 ) ccf m g m gm h m h pp Cvv aa C ff Zw3 =1000 ap (3 )(0.68Vc) 2 Zw 即 增大三倍， Vc降低 32，生产率提高 2倍。 Vc增大三倍 /gm c Cf v 3 / 1 / 0.35 / 0.043( 3 ) 3cv g m g mcc CCff vv Zw3Vc =1000 ap (0.043 )(3Vc) 0.13 Zw 即 Vc 增大三倍， 降低 95.7，生产率下降 87。 Vc 增大三倍， 为一定值， ap 值？生产率下降？ 综上，在保持刀具寿命一定条件下，提高切削深度比提 高进给量的生产率高，比提高切削速度的生产率更高。 选择切削用量的基本原则：首先选取尽可能大的切削深 度，其次根据机床进给机构强度、刀杆刚度或已加工表面 粗糙度要求，选取尽可能大的进给量，最后根据查表和公 式确定切削速度。 111 T gmh cp T C fva 2、切削用量三要素的选用 （ 1)粗加工 尽可能一次切除粗加工全部加工余量 1） 切削深度的选定 切除余量过大，分几次走刀。 （ 4）切削表层冷硬较严重的材料时，应尽量使切削探度 超过硬皮或冷硬层，以预防刀刃过早磨损或破损。 （ 2)半精加工 ap可取 0.5 2 mm。 h2mm一次切除。 如单面余量 h 2mm时，第一次取 ap (2/3 3/4)h，第二次取 ap=(1/3 l/4)h。 （ 3)精加工 一次切除精加工余量。 ap取为 0.1 0.4 mm。 2）进给量的选定 实际生产中，采用查表法确定。 粗加工：加工材料、刀柄尺寸、工件直径、切削深度 （半）精加工：表面粗糙度和加工精度 粗加工 主要受机床的进给机构强度 、 效率 刀具的强度与刚性 工件的装夹刚度等因素的限制 。 精加工 主要受加工精度和表面粗糙度的限制 。 3）切削速度的选定 当 ap和 f选定后，可按查表（书表 2 7)法选定（ 切削用 量手册） 或公式计算得出 : / V cVm m g m h p CvK T a f 生产中选择切削速度的一般原则是： 1） 粗车时 ， ap和 f 均较大 ， 选择较低的切削速度 v ； 精车时 ， ap和 f 均较小 ， 选择较高的切削速度 v 。 2） 工件材料强度 、 硬度高时 ， 应选较低的切削速度 v ； 反之 ， 选较高的切削速度 v 。 3） 刀具材料性能越好 ， 切削速度 v选得越高 。 4）精加工时应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域； 5） 断续切削时为减小冲击和热应力 ， 宜适当降低 v ； 6） 在易发生振动的情况下 ， v应避开自激振动的临界速度； 7） 加工大件 、 细长件和薄壁件或加工带外皮的工件时 ， 应 适当较低 v 。 切削用量三要素选定之后，还应校核机床功率。 2.6.2 刀具几何参数的合理选择 0 变形程度 F q T 振动 质量 刀刃和刀头强度 散热面积容热体积 断屑困难 1. 前角的选择 1）前角的功用 （ 1）影响切削区的变形程度 （ 2）影响切削刃与刀头强度、 受力性质和散热条件 （ 3）影响切屑形态和断屑效果 （ 4）影响已加工表面质量 在一定的条件下，存在一个合理值 2）合理前角概念 （ 2）加工塑性材料，取大。加工脆性材料宜取小。 （ 3）刀具材料韧性好、抗弯强度大时 取大。 （ 6）工艺系统刚性差或机床动力不足时，取大。 3）合理前角值的选择 （ 1）工件材料的强度、硬度较低，取大。加工特硬的材 料，前角甚至取负。 （ 5）粗加工、断续切削或工件有硬皮时，取小。精加工，取 大。 （ 4）对切削刃形状要求高刀具，取小 硬质合金加工一般钢，取 10o20o;加工灰铸铁，取 8o12O。 （ 1） 影响后刀面与加工表面之间的摩擦 。 o 2 后角 1）后角的主要功用 （ 3）刀具寿命；工件尺寸精度 （ 2）后角越大，切削刃钝圆半径值越 小，切削刃越锋利。 0 rn 锋利、 摩擦 F 质量 VB 一定，磨损体积 T 但 NB 刀头强度 散热体积 重磨体积 在一定的条件下，存在一个合理值 2）合理后角的概念 不同材料刀具的合理后角 不同前角刀具的合理后角 （ 3）切削厚度 (或进给量 )较小时，取大。粗加工、强力切削 及承受冲击载荷的刀具，取小。精加工，取大。 3）合理后角值的选择 （ 1）工件材料较软、塑性较大， 取大；脆性材料，取小。 工件材料硬度、强度较高取小； （ 2）尺寸精度要求高 ,取小。 （ 4）工艺系统刚性差，易出现振动时，应减小后角，有增 加阻力作用。 车削一般钢和铸铁时，车刀后角通常取为 6 8度。 3 主偏角 、 副偏角 r r （ 1） 影响已加工表面的残留面积高度 1）主和副偏角的功用 （ 4） 共同决定刀尖角 ， 直接影响刀尖强度 ， 散热条件和刀 具寿命 。 （ 2）影响切削层形状 （ 3）影响三向切削分力的大小和比例关系 （ 5）主偏角影响切屑效果和排屑方向，增大主偏角，切屑 变厚变窄，易折断。 r hD AD 单位刃长负荷 T 刀尖强度 散热体积 ， Ra Fp 变形 加工精度 ，易振动 Ra ， T 在一定的条件下，存在一个合理值 副偏角的主要作用是形成已加工表面。 副偏角 Ra 刀尖强度 散热体积 副刃工作长度 摩擦 Fp 易振动 Ra ， T 在一定条件下，存在一合理值。 看系统刚性。若刚性好，不易变形和振动， r取较 小值；若刚性差（细长轴）， r取较大值（ 90 ）； 考虑工件形状、切屑控制、减小冲击等，车台阶轴，取 90 ；镗盲孔 90 ； r小切屑成长螺旋屑不易断；较小 r， 改善刀具切入条件，不易造成刀尖冲击。 2.合理主、副偏角的选择原则 加工性质。精加工， 断续加工，不振动，副 偏角取小。 工件材料性质。强度大，硬度高， r取小。 4. 刃倾角的选择 1）刃倾角的作用 影响刀刃锋利性 . s 0e 、 rn 锋利性 负刃倾角 刀 头强度 散热体 积 负刃倾角 Fp 变形 ，易 振动 Ra 正 s切屑流向待加工表面， 负 s切屑流向已加工表面 2）刃倾角的选择原则 粗加工、有冲击、刀材脆、工材强度硬度高， s取负值； 精加工、系统刚性差（细长轴）， s取正值； 微量极薄切削，取大正 刃倾角。 在一定条件下，存在一合理值 2.7 切削液的合理选用 2. 切削液的作用机理 冷却 摩擦 热的产生；将热量带走。 本身导热系数、比热、汽化热及流量、流速、冷却方 式等。 润滑 切削液的渗透性、形成润滑膜能力、润滑膜强度 排屑、清洗 防锈 防锈 添加剂 1.切削液的分类 水溶液 水添加剂 冷却 粗加工 乳化液 乳化油水 切削油 矿物油添加剂 润滑 精加工 3. 切削液的合理选用 （ 1）从加工要求考虑 粗加工，选用水溶液或低浓度乳化液； 精加工，选用极压切削油或高浓度乳化液； （ 2）从刀具材料考虑 高速钢，需用切削液； Y合金等 ,可不用或充分连续用； （ 3）从工件材料考虑 钢等塑性材料，需用切削液；铸铁等脆材，可不用； 高强度钢等难加工材料，宜用极压切削油或乳化液 （ 4）从加工方法考虑 钻孔铰孔、攻螺纹和拉削等，宜用极压乳化液或切削油； 成形刀具齿轮刀具等用极压切削油；磨削宜用乳化液。