2切削过程基本规律及应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 金属切削过程的基本规律及其应用,本章提要,2.1 金属切削过程的基本规律,2.2 金属切削过程基本规律的应用,本章提要,本章主要介绍了金属切削过程四个方面的基本规律及其生产上五个方面的应用。,在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化等各种现象，严重影响了生产的进行。针对上述现象，本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响，并在此基础上总结出,切削变形,、,切削力,、,切削热与切削温度,、,刀具磨损与耐用度变化,四大规律。应用这些规律，很好地解决了生产上出现的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等，并对促进机械加工技术的发展起着很重要的作用。,2.1.1 切削变形,2.1 金属切削过程的基本规律,2.1.2 切削力,2.1.3 切削热与切削温度,2.1.4 刀具磨损与刀具耐用度,2.1.1 切削变形,金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：,(a)压缩,（b）切削,塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂,以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。,图2.1 金属的压缩与切削,图2.1 金属的压缩与切削,通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区，如图2.1（c）所示：,第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；,第变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；,第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。,（c）三个变形区,2.1.1 切削变形,2.1.1.5 切削变形的变化规律,2.1.1.1 切屑的形成及变形特点,2.1.1.2 切屑的类型,2.1.1.3 变形程度的量度方法,2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤,(1),第一变形区金属的剪切滑移变形,切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑，下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。,（a）质点滑移过程,图2.2 切屑形成过程,2.1.1.1,切屑的形成及变形特点,(2),第二变形区内金属的挤压摩擦变形,经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形（第二变形区的变形）这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。,(3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。,（1）带状切屑：外形呈带状。,由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：,2.1.1.2 切屑的类型,（2）挤裂切屑：切屑上与前刀面接触的一面较光洁，其背面局部开裂成节状。,(3)单元切屑切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状。,（4）崩碎切屑 切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，得到的切屑呈不规则的细粒状。,切屑的类型是由材料的应力应变特性和塑性变形程度决定的。,(1)相对滑移,相对滑移是用来量度第变形区滑移变形的程度。如图2.4，设切削层中AB线沿剪切面滑移至A”B”时的距离为y，事实上y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为S。相对滑移表示为：,2.1.1.3 变形程度的量度方法,图2.4 相对滑移,(2.1),变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小。如图2.5所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短,l,ch,h,D,(宽度不变)，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为,切屑的收缩,。 变形系数,h,表示切屑收缩的程度，即：,(2.2),式中,l,c,、,h,D,切削层长度和厚度；,l,ch,、,h,ch, 切屑长度和厚度。,图2.5 切屑的收缩,（2）变形系数,h,由,图2.5,可知剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度,h,D,减小，故且,h,变小，它们之间的关系如下：,公式(2.1)、(2.3)表明，剪切角与前角,0,变化是影响切削变形的两个主要因素。因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角,0,和剪切角，使、 ,h,减小，则切削变形减小。与,h,只能近似地表示切削变形等程度。,(2.3),2.1.1.4 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤,(1)作用力分析,如图2.6所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的,正压力,F,n,与,摩擦力,F,f,组成的,合力,F,r,与剪切面上反作用力共线，并处于平衡。将合力,F,r分解成二组分力：在运动方向的水平分力,F,z、垂直分力,F,y；在剪切面上的剪切力,F,s、法向力,F,ns。分力,F,z、,F,y可利用测力仪测得。由于剪切力,F,s的作用，使切削层在剪切面上产生剪切变形。,图2.6 切屑上受力分析,正压力Fn,摩擦力Ff,合力Fr,剪切力Fs,法向力Fns,合力Fr,F,s,按下列公式计算：,剪切面上产生的剪应力应为：,上两式中 摩擦角；,A,D,切削层面积。,(2.4),(2.5),下面简要介绍M.E.Merchant提出的按最少能量原则来确定剪切角的原理。,由,图2.6,可知，切削力,F,z,为：,(2)剪切角确定,前刀面上摩擦力,F,f,与正压力,F,n,之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦系数：,tan,F,f,/,F,n,（2.6）,摩擦系数或摩擦角亦可根据已测得的分力,F,z,、,F,y,值求得：,tan（,0,）,F,y,/,F,z,（2.7）,(2.8),欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角，则取,，然后求解出为：,45+,0,/2/2 （2.9）,此外，也可按最大剪应力的理论，求出剪切角为：/4,0,。,从式（2.9）中也可看出第变形区产生的摩擦对第变形区剪切变形的影响规律。,（3）切屑与前刀面间的摩擦,切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图27所示有粘结区和滑动区。,经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图27所示。,图2.7 应力分布,剪应力的分布 在粘结区内基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限s；在滑动区剪应力是变化的，离切削刃越远，越小。,正应力分布 在接触区内正应力是变化的，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力越小。近切削刃处正应力为最大值,式中,F,fi,、,F,ni,分别指粘结区内的摩擦力和正压力；,A,ri,粘结面积；,av,粘结区内平均正应力。,粘结区内的摩擦系数计算方法如下：,(2.10),如图2.8所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，图28为积屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时(图中R0134mm)，会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。,图2.8 积屑瘤,(4)积屑瘤,此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。,合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。以切削中碳钢为例，从图2.9曲线可知，低速(,v,c,3mmin左右)切削时，产生的切削温度很低；较高速(,v,c,60mmin)切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速(,v,c,20mmin)，积屑瘤的高度达到最大值。,图2.9 切削速度对积屑瘤的影响,形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度。,2.1.1.5 切削变形的变化规律,从相对滑移、变形系数,h,计算式中可知，切屑变形的程度主要决定于剪切角和摩擦系数的大小。改变加工条件，促使增大、减小，就能减小切屑变形。,影响切屑变形的因素很多，下面介绍的是其中最主要的、起决定作用的几个因素。,（1）前角,增大前角,0,，使剪切角增大，变形系数,h,减小，因此，切屑变形减小。,(2)切削速度,切削速度v,c,是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变形的。,图2.11 切削速度,v,c,对,h,的影响,如图2.1l以中碳钢为例。,v,c,超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数,h,减小。,v,c,在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数,h,减小,v,c,20m/min时， ,h,值最小,v,c,在20 40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小， ,h,增大。,此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。,（3）进给量,进给量,f,对切屑变形的影响规律如图2.12所示。,图2.12 进给量,f,（mm/r）,(4) 工件材料,工存材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度提高，正压力,F,n,增大，平均正应力,av,增大，因此，摩擦系数,下降，剪切角,增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，若需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。图2.13又用不同前角,0,切削不同材料时的变形系数,h,值。,图2.13 材料对变形系数,h,的影响,切削过程中作用在刀具与工件上的力称为,切削力,。,2.1.2 切削力,2.1.2.1 切削力的来源、合力及其分力,2.1.2.2 切削力测定和切削力实验公式,2.1.2.3 单位切削力、切屑功率和单位切削功率,2.1.2.4 切削力的变化规律,2.1.2.1 切削力的来源、合力及其分力,切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成：变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力切屑、工件与刀具间的摩擦力。,(a)直角自由切削,图2.14 合力及其分力,作用在前刀面的弹、塑性变形抗力,F,ny,作用在前刀面的摩擦力,F,fy,合力,F,r,作用在后刀面的弹、塑性变形抗力,F,na,作用在后刀面的摩擦力,F,fa,图2.14 合力及其分力,（b）非自由切削,在铣削平面时，上述分力亦称为：,F,z,切向力、,F,y,径向力、,F,x,轴向力。,为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小,通常将合力F,r,在按主运动速度方向、切深方向进给方向作的空间直角坐标轴,z、y、x,上分解成三个分力，它们是：,主切削力,F,z,主运动切削速度方向的分力,切深抗力,F,y,切深方向的分力,进给抗力,F,x,进给方向的分力,图2.14（c）非自由切削,由图214(b)可知，合力与各分力间关系为：,其中，,F,y,F,x.y,cos,k,r,；,F,x,=,F,x.y,sin,k,r,式中,F,xy,合力在F,r,基面上的分力。,(2.11),现将切削力实验公式的来源简述如下：,(1)测力仪的工作原理,如图2.15所示，电阻应变片式测力仪由传感器1、电桥电路2、应变仪(放大器)3和记录仪4组成。传感器是测力仪的主要组成部分。合理确定弹性体的结构、形状和参数，提高弹性体的制造精度，保证应变片的合理布局和粘贴质量，是提高测力仪的测量精度、刚性和灵敏度以及减小各分力间相互干涉的主要途径。,图2.15 测力系统方框示意图,l一传感器；2一电桥电路；3一应变仪；4一记录仪,2.1.2.2 切削力测定和切削力实验公式,测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法. 通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：,式中,C,F,X,、,C,F,y,、,C,F,z,影响系数，它的大小与实验条件有关；,x,F,x,、,x,F,y,、,x,F,z,背吃刀量口，对切削力影响指数；,y,F,x,、,y,F,y,、,y,F,z,进给量对切削力影响指数；,K,F,x,、,K,F,y,、,K,F,z,计算条件与实验条件不同时对切削力的修正系数。,(2)车削力实验公式的建立,(N) (2.12),(N) (2.13),(N) (2.14),下面简要说明建立主切削力F,z,实验公式的基本原理。,图216 双对数坐标中直线图形,(a),p,F,z,；（b）,f,F,z,(a),(b),根据实验得到的,p,F,z,、,f,F,z,许多对应值，就可在双对数坐标中连成如图216所示两条直线图形。,直线图形的对数方程为：,lg,F,z,1g,C,a,p,十,x,F,z,lg,a,p,1g,F,x,1g,C,f,十,y,F,z,lg,f,上式可改写为：,综合(a)、(b)式，得F,z,实验公式：,式（a)、（b）、（c）中,x,F,z,、,y,Fz,分别为,p,F,z,、,f,F,z,直线图形中的斜率，通常,x,F,z,1、,y,F,z,0.750.9；,C,a,p,、,C,f,分别为,p,F,z,、,f,F,z,直线图形中的截矩；,C,Fx,由(a)、(b)和(c)式联立求得的系数值。,(a),(b),(c),2.1.2.3 单位切削力、切削功率和单位切削功率,(1)单位切削力,单位切削力,p,是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用下式表示：,式（2.15）表明，单位切削力,p,与进给量,f,有关，它随着进给量,f,增加而减小。单位切削力,p,不受背吃刀量,a,p,的影响，这是因为背吃刀量改变后，切削力,F,z,与切削层面积,A,D,以相同的比例随着变化。而进给量,f,增大，切削层面积,A,D,随之增大，而切削力,F,z,增大不多。,利用单位切削力,p,来计算主切削力,F,z,较为简易直观。,(2.15),（2）切削功率,切削功率,P,m,是指车削时在切削区域内消耗的功率，通常计算的是主运动所消耗的功率。,式中,F,z,主切削力（N）;,v,c,主运动切削速度。,机床电动机所需功率,P,E,应为：,P,E,=,P,m,/ kW （2.17）,式中机床传动效率,(2.16),单位切削功率,P,s,是指单位时间内切除单位体积金属,Z,w,所消耗的功率。,P,s,=P,m,/,Z,w,kW/（,） (2.18),另外可导出,P,m,，,P,s,之间的关系式：,表2.1,为使用硬质合金车刀对部分常用金属材料进行切削实验求得的单位切削力,p,和单位切削功率,P,s,值。实验是在固定进给量,f,0.3mmr和其余条件下进行的。当进给量,f,改变时，应将,p,和,P,s,值乘,表2.2,中修正系数,K,fp,、,K,fps,。,(2.19),（3）单位切削功率,表2.1 硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率（,f,0.3mm/r）,加工材料,实验条件,单位切削力,单位切削功率,名称,牌号,制造热处理状态,硬度（HB）,车刀几何参数,切削用量范围,P（N/,）,PkW/(,),碳素结构钢,A3,热轧或正火,134137,0,15,k,r,75,s,0,b,r1,0,前刀面带卷屑,a,p,15mm,f0.10.5mm/r,v,c,90105m/min,1884,1884x,45,187,1962,1962x,40Cr,212,1962,1962x,合金结构钢,45,调质,229,2305,2305x,40Cr,285,2305,2305x,不锈钢,1CR18Ni9Ti,淬火回火,170179,0,20其余同上,2453,2453x,灰铸铁,HT2040,退火,170,前刀面无卷槽,其余同上,a,p,210mm,f0.10.5mm/r,v,c,7080m/min,1118,1118x,可锻铸铁,KT306,退火,170,前刀面无卷槽,其余同上,1344,1344x,2.1.2.4 切削力的变化规律,影响切削力的因素主要有四个方面：,工件材料,、,切削用量,、,刀具几何参数,及,其它方面的因素,。,（1）工件材料的影响,工件材料是通过材料的剪切屈服强度,s,、塑性变形、切屑与刀具间摩擦系数等条件影响切削力的。,从,表2.1,中可以反映出不同材料对切削力的影响程度。,表2.2 进给量f对单位切削力或单位切削功率的修正系数,K,fp,、,K,fps,f,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.45,0. 5,0.6,K,fp,.,K,fps,1.18,1.11,1.06,1.03,1.0,0.97,0.96,0.94,0.925,0.9,背吃刀量和进给量,背吃刀量,a,p,和进给量,f,增大，分别使切削宽度,b,D,、切削厚度,h,D,增大，因而切削层面积,A,D,增大，故变形抗力和摩擦增加，而引起切削力增大。但是,a,p,和,f,增大后，它们分别使变形和摩擦增加的程度不同。,(2)切削用量的影响,切削速度,加工塑性金属时，切削速度,v,c,对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是积屑瘤与摩擦的作用造成的。,在低速到中速范围内(520mrain)，随着速度,v,c,的提高，切削变形减小，故主切削力,F,z,逐渐减小；中速时(20mmin左右)，变形值最小，,F,z,减至最小值；超过中速，随着速度,v,c,的提高，切削变形增大，故,F,z,逐渐增大。,在更高速度范围内（,v,c,35m/min），切削变形随着速度增加而减小，故切削力,F,z,逐渐减小而后达到稳定。,以车削45钢为例，由图2.20可知：,图2.20 切削速度,v,c,对切削力,F,z,影响,表2.3 切削速度,v,c,改变时切削力,F,z,影响的修正系数,K,vFz,V,c,（m/min）,工件材料,50,75,100,125,150,175,200,45钢,40Cr钢,1.05,1.02,1.00,0.98,0.96,0.95,0.94,前角 前角,0,增大，切削变形减小，切削力减小。但增大前角,0,，使三个分力,F,z,、,F,y,和,F,x,减小的程度不同。,表2.4,为用,k,r,75外圆车刀车削45号钢和灰铸铁时前角,0,对切削力的修正系数。,表2.3为车削钢时切削速度,v,c,对切削力,F,z,影响的修正系数。,（3）刀具几何角度的影响,工件材料,前角0,修正系数,10,0,10,15,20,30,45号钢,K,0F,z,1.28,1.18,1.05,1.00,0.89,0.85,K,0F,y,1.41,1.23,1.08,1.00,0.79,0.73,K,0F,x,2.15,1.70,1.24,1.00,0.50,0.30,灰铸铁,K,0F,z,1.37,1.21,1.05,1.00,0.95,0.84,K,0F,y,1.47,1.30,1.09,1.00,0.95,0.85,K,0F,x,2.44,1.83,1.22,1.00,0.73,0.37,表2.4 前角改变时切削力的修正系数,K,0,F,主偏角,k,r,改变使切削面积的形状和切削分力,F,xy,的作用方向改变，因而使切削力也随之变化。,由实验得到的图2.22中表明：主偏角,k,r,在3060范围内增大，由切削厚度,h,D,的影响起主要作用，促使主切削,F,z,减小；主偏角约在6090范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力,F,z,增大。,图2.22 主偏角,k,r,对切削力影响,主偏角,表2.5 主偏角,k,r,对切削力的修正系数,K,k,r,F,工件材料,主偏角,k,r,修正系数,30,45,60,75,90,45号钢,K,0,F,z,1.10,1.05,1.00,1.00,1.05,K,0,F,y,2.00,1.60,1.25,1.00,0.85,K,0,F,x,0.65,0.80,0.90,1.00,1.15,灰铸铁,HT2040,K,0,F,z,1.10,1.00,1.00,1.00,1.00,K,0,F,y,2.80,1.80,1.17,1.00,0.70,K,0,F,x,2.80,1.80,1.17,1.00,0.70,表2.5为主偏角,k,r对切削力的修正系数,刃倾角,s,由实验可知，刃倾角,s,对主切削力,F,z,影响很小，但对,切深抗力,F,y,、,进给抗力,F,x,影响较显著。,刃倾角,s,的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长度增加，摩擦加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径,r,减小，刀刃锋利，切削变形减小。上述作用的结果是使,F,z,变化很小。,刃倾角,s,对,F,y,、,F,x,的作用如图2.23所示，当刃倾角,s,由正值向负值变化时，使正压力,F,n,倾斜了刃倾角,s,，从而改变了合力,F,r,及其分力,F,xy,的作用方向，,F,xy,的切深分力,F,y,增大、进给分力,F,x,减小。通常刃倾角,s,每增减l，使切深分力,F,y,增减，23。,图2.23 刃倾角s对切削力,F,y,、,F,x,影响,由此可见，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角。尤其在加工的工艺系统刚性较差情况下，往往因,s,增大F,y,的作用而产生振动。,表2.6 车削45号钢时刃倾角,s,对切削力修正系数K,sF,车刀系数,刃倾角,s,修正系数,+10,+5,0,5,10,30,45,焊接车刀,（平前面）,K,s,F,z,K,s,F,y,K,s,F,x,1.0,0.8,1.6,1.0,0.9,1.3,1.0,1.0,1.0,1.0,1.1,0.95,1.0,1.2,0.9,1.0,1.7,0.7,1.0,2.0,0.5,(4)其它因素的影响,刀具的棱面,刀尖圆弧半径,刀具磨损的影响。,表2.6为车削45号钢时刃倾角,s,改变对切削力修正系数。,2.1.3 切削热与切削温度,2.1.3.2 切削热的来源与传导,2.1.3.2 切削温度,2.1.3.3 影响切削温度的因素,2.1.3.1 切削热的来源与传导,切削是由切削功转变而来的。如图2.25所示，其中包括：剪切区变形功形成的热,Q,p,、切屑与前刀面摩擦功形成的热,Q,f,、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热,Q,f,。产生总的切削热,Q,，分别传人切屑,Q,ch,、刀具,Q,c,、工件,Q,w,和周围介质,Q,f,。切削热的形成及传导关系为：,Q,p,+,Q,f,+,Q,f,Q,ch,+,Q,w,+,Q,c,+,Q,f,(2.20),2.1.3.2 切削温度,通过切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温度值。,以计算切削区域平均温度为例：,切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内产生的热,q,等于消耗的切削功率,P,m,，即：,q,=,F,z,v,c,/60 W,式中,F,z,主切削力（N）;,v,c,切削速度（m/min）。,(1)切削温度计算,由热量,q,引起的温度升高量与材料的密度,、比热容,c,有关，其关系式：,式中,p,单位主切削力(N/,)；,c,比热容(JkgK),密度(kg,), (2.22),测量切削温度的方法有：热电偶法、热辐射法、涂色法和红外线法等。其中热电偶法测温虽较近似，但装置简单、测量方便，是较为常用的测温方法。,自然热电偶法,人工热电偶法,2.1.3.3 影响切削温度的因素,切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。也就是说，切削温度的高低是由产生的热和传走的热两方面综合影响的结果。做功越多、生热越多、散热越少时，切削温度越高。影响生热和散热的因素有：切削用量、刀具几何参数、工件材料和切削液等；,(2)切削温度的测定,2.1.4 刀具磨损与刀具耐用度,2.1.4.1 刀具磨损形式,2.1.4.2 磨损过程和磨钝标准,2.1.4.3 刀具磨损原因,2.1.4.4 刀具耐用度,2.1.4.5 影响刀具耐用度的因素,2.1.4.1 刀具磨损形式,刀具磨损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类。,正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐的磨损。,(1)正常磨损,后刀面磨损,前刀面磨损,前后刀面同时磨损,非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。其中有：,破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。,卷刃 切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。,（2）非正常磨损,2.1.4.2 磨损过程和磨钝标准,正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图220所示，图中大致分三个阶段。初期磨损阶段(段)、正常磨损阶段(段)、急剧磨损阶段(段)。,图2.20 刀具磨损过程曲线,在后刀面月区内均匀磨损,V,B,03mm；,在后刀面月区内非均匀磨损,V,Bmax,06mm；,月牙洼深度标准,K,T,0.06十0.3,f,(,f,进给量mmr)。,精加工根据达到表面粗糙度等级要求确定。,表2.8 磨钝标准,V,B,值（mm）,加工条件,加工方式,刚性差,钢件,铸铁件,钢、铸铁大件,精车,0.10.3,粗车,0.40.5,0.60.8,0.81.2,1.01.5,在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为：,表2.8为车刀的磨钝标准，供选用时参考,2.1.4.3 刀具磨损原因,切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀具磨损的原因就非常复杂，它涉及到机械、物理、化学和相变等的作用。现将其中主要的原因简述如下：,（1)磨粒磨损,(2)粘结磨损,(3)扩散磨损,(4)相变磨损,(5)氧化磨损,2.1.4.4 刀具耐用度,(1)刀具耐用度概念,刀具耐用度,是指刃磨后的刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间，用,T,分钟表示。刀具耐用度还可以用达到磨钝标准所经过的切削路程l,m,或加工出的零件,N,来表示。,刀具耐用度高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。,利用刀具耐用度来控制磨损量,V,B,值，比用测量,V,B,来判别是否达到磨钝标准要简便。,（2）刀具耐用度试验,图2.21 刀具耐用度试验,(a)刀具磨损曲线,（b）刀具耐用度曲线,通过试验先确定5种以上不同切削速度的刀具磨损过程曲线，如图2.21（a）所示。曲线磨损量,V,B,可利用读数显微镜测得。然后在磨损曲线上取出达到磨钝标准时的各速度,v,c,与耐用度T对应值，并将它们表示在双对数坐标中，可得图2.21（b）所示的刀具耐磨度曲线。,v,c,（2.24）,v,c,T,之间呈下列线性关系：,式中A与实验条件有关的系数，是曲线中截距。它相当于,T,1min时的切削速度；,m,v,c,对T影响程度指数，在曲线中表示斜率。,系数,A,和指数,m,可从图形求出，精确的可用回归法计算。,m,值越小，表示,v,c,对,T,的影响越大。总的说来，切削速度对耐用度的影响是很大的。,同样也可以求出进给量与切削深度对刀具耐用度的影响关系式：,f, ,a,p,=,(3)刀具耐用度合理数值的确定:,刀具耐用度合理数值有两种：,最高生产率耐用度,T,p,所确定的,T,p,能达到最高生产率。或者说，加工一个零件所花的时间加工一个零件的生产时间最少。,加工一个零件的生产时间,t,pr由下列几部分组成：,t,pr,t,m,t,l,t,c,t,m,/,T,（2.25）,式中,t,m,切削时间(min件)；,t,l,辅助时间，包括装卸零件、刀具空行程时间等(min件)；,t,c,一次换刀所需时间(min次)；,t,m,/,T,换刀次数。,所确定的耐用度能保证加工成本最低，亦即使加工每一个零件的成本最低。,每个零件平均加工成本,C,pr,为：,C,pr,M,t,m,+,M,t,t,M,t,0,C,t,式中,M,全广每分钟开支分摊到本零件的加工费用，包括工作人员开支和机床损耗等；,C,换刀一次所需费用，包括刀具砂轮消耗和工人工资等。,最低生产成本耐用度,T,c,上式改写为：,对上式微分，并令,dC,pr,/,dT,0，求出最低成本耐用度,T,c,为：,刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。,(2.27),2.1.4.5 影响刀具耐用度的因素,(1)切削用量的影响;,(2)刀具几何参数的影响;,(3)加工材料的影响;,(4)刀具材料的影响。,2.2 金属切削过程基本规律的应用,提要：,本节运用金属切削过程基本规律的理论，从解决控制切屑、改善材料加工性能，合理选用切削液，刀具几何参数和切削用量方面问题，来达到保证加工质量、降低生产成本、提高生产效率的目的。介绍这些知识，也是为使用与设计刀具以及分析刀具以及分析解决生产中有关的工艺技术问题打下必要的基础。,2.2.1 工件材料的切削加工性,2.2.2 切削液,2.2.3 刀具几何参数的合理选择,2.2.4 切削用量的合理选择,本节提纲,工件材料的切削加工性是指工件材料被切削成合格的零件的难易程度。,2.2.1.1 评定工件材料加工性的主要指标,（1）刀具耐用度指标,在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度,v,60,的高低来评定材料的加工性。难加工材料用,v,20,来评定。,此外，经常使用相对加工性指标，即以45号钢（HB170229，,b,0.637GPa）的,v,60,为基准，记作,v,060,。其它材料的,v,60,与,v,20,之比值称为相对加工性，即：,K,v (2.29),2.2.1 工件材料的切削加工性,（2）加工表面粗糙度指标,在相同加工条件下，比较加工后表面粗糙度等级。粗糙度值低，加工性好；反之，加工性差。,此外，材料加工的难易程度主要决定于材料的物理、力学和机械性能，其中包括材料的硬度HB、抗拉强度,b,、延伸率、冲击值,a,k,和导热系数,k,，故通常还可按它们的大小来划分加工性等级，见,表2.9,。,确定了材料加工性能，对于改善材料加工性，合理选择刀具材料刀具几何参数和切削用量提供了重要的依据。,表2.9 工件材料加工性分级表,（1）调整化学成分,（2）材料加工前进行合适的热处理,（3）选择加工性好的材料状态,（4）其它,2.2.1.2 改善材料切削加工性的措施,2.2.2 切削液,切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。,合理使用切削液，对提高刀具耐用度和加工表面质量、加工精度起重要的作用。,2.2.2.1 切削液的作用,(1)冷却作用,(2)润滑作用边界润滑原理,(3)洗涤与防锈作用,2.2.2.2 常用切削液及其选用,(1)水溶液,水溶液主要起冷却作用。,(2)切削油,切削油主要起润滑作用。,(3)乳化液,乳化液是在切削加工中使用较广的切削液，它是由水和油混合而成的液体，常用它代替动植物油。生产中使用的乳化液是由乳化剂加水配制而成。浓度低的乳化液含水比例多，主要起冷却作用，适用于粗加工和磨削，浓度高的乳化液，主要起润滑作用，适于精加工。,(4)极压切削油和极压乳化液,2.2.3 刀具几何参数的合理选择,2.2.3.1 前角、前刀面的功用和选择,前角选择原则,：在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前角。对于成形刀具来说(车刀、铣刀和齿轮刀等)，减小前角；可减少刀具截形误差，提高零件的加工精度。前角的数值应由工件材料、刀具材料和加工工艺要求决定。,2.2.3.2 后角和后刀面的功用和选择,后角的选择原则是,：在粗加工以确保刀具强度为主，可在4,6,范围内选取；在精加工时以保证加工表面质量为主，一般,0,8,12,。,主偏角,k,r,主要影响切削宽度,b,D,和切削厚度,h,D,的比例并影响刀具强度。,此外，增大主偏角,k,r,是控制断屑的一个重要措施。,主偏角,k,r,选择原则主要是,：,在工艺系统刚性不足的情况下，为减小切削力，选取较大的主偏角。,在加工强度高、硬度高的材料时，为提高刀具耐用度，选取较小主偏角；,根据加工表面形状要求选取，如车削台阶轴取,k,r,90,，车外圆又车端面取,k,r,45,、镗盲孔取,k,r,90,。,副偏角k,r,影响加工表面粗糙度和刀具强度。通常在不产生摩擦和振动条件下应选取较小的副偏角。,表 2.13,为不同加工条件时的主、副偏角值，供选择参考。,2.2.3.3 主偏角、副偏角的功用与选择,适用范围,加工条件,加工系统刚性足够、淬硬钢、冷硬铸铁,加工系统刚性较好，中间切入，加工外圆、端面、倒角,可加工系统刚性较差，粗车，强力车削、,加工系统刚性差、台阶轴、细长轴、多刀车，仿形车,切断、切槽,主偏角,k,r,1030,45,6070,7593,90,副偏角,k,r,105,45,1510,106,12,表2.13 主偏角,k,r,、副偏角,k,r,选用值,过渡刃的选择原则,是，普通切削刀具常磨出较小圆弧过渡刃，以增加刀尖强度和提高耐用度。随着工件强度和硬度提高，切削用量增大，则过渡刃尺寸可相应加大，一般可取过渡刃偏角,k,r,1/2 k,r,，宽度,b,0.52mm或取圆弧半径,r,0.53mm。,刃倾角,s,主要影响切屑的流向和刀具强度。,刃倾角,s,的选择原则,是，主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。,刃倾角的具体数值可参考表2.14选择。,表2.14 刃倾角,s,数值的选用表,s,值,0,+5,+5,+10,0,5,5,10,10,15,10,45,45,75,应用,范围,精车钢、车细长轴,精车有色金属,粗车钢和灰铸铁,粗车余量不均匀钢,断续车削钢、灰铸铁,带冲击切削淬硬钢,大刃倾角刀具薄切削,2.2.3.4 刃倾角功用与选择,2.2.4 切削用量的合理选择,2.2.4.1 切削用量选择原则,根据不同的加工条件和加工要求，又考虑到切削用量各参数对切削过程规律的不同影响，故切削用量参数,a,p,、,f,和,v,c,增大的次序和程度应有所区别。可以从以下几个主要方面分析：,表面粗糙度,生产效率,机床功率,刀具耐用度,生产效率,机床功率,刀具耐用度,切削用量,a,p,、,f,和,v,c,增大，切削时间减小。一般情况下尽量优先增大a,p,，以求一次进刀全部切除加工余量。,当背吃刀量,a,p,和切削速度,v,c,增大时，均使切削功率成正比增加。此外，增大背吃刀量口,a,p,、使切削力增加多，而增大进给量,f,使切削力增加较少、消耗功率也较少。所以，在粗加工时，应尽量增大进给量,f,是合理的。,在切削用量参数中，对刀具耐用度影响最大的是切削速度,v,c,，其次是进给量,f,，影响最小的是背吃刀量,a,p,，优先增大背吃刀量,a,p,不只是达到高的生产率，相对,v,c,与,f,来说对发挥刀具切削性能、降低加工成本也是有利的。,综上所述，合理选择切削用量，应该首先选择一个尽量大的背吃刀量,a,p,，其次选择一个大的进给量,f,，最后根据已确定的,a,p,和,f,，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选择一个各理的初削速度,v,c,。,这是在半精加工、精加工时确定切削用量应考虑的主要原则。在较理想的条件下，提高切削速度,v,c,，能降低表面粗糙度值。而在一般的条件下，提高背吃刀量,a,p,对切削过程产生的积屑瘤、鳞刺、冷硬和残余应力的影响并不显著，故提高背吃刀量对表面粗糙度影响较小。所以，加工表面粗糙度主要限制的是进给量,f,的提高。,表面粗糙度,2.2.4.2 切削用量选择方法,(1)粗车时切削用量的选择,背吃刀量,a,p,根据加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最少。例如在纵车外圆时；,当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除。通常使：,第一次走刀的背吃刀量,a,pl,为：,第二次走刀的背吃刀量,a,p2,为：,进给量,f,当背吃刀量,a,p,确定后，再选出进给量,f,就能计算切削力。该力作用在工件、机床和刀具上，也就是说，应该在不损坏刀具的刀片和刀杆，不超出机床进给机构强度，不顶弯工件和不产生振动等条件下，选取一个最大的进给量,f,值。或者利用确定的,a,p,和,f,求出主切削力,F,z,来校验刀片和刀杆的强度；根据计算出的切深,F,y,来校验工件的刚性；根据计算的进给抗力,F,x,来校验机床进给机构薄弱环节的强度等。,按上述原则可利用计算的方法或查手册资料来确定进给量,f,的值。,表2.15,为硬质合金车刀和高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量,f,值。,工件材料,车刀刀杆尺寸,BXH,（mmXmm）,工件直径,d,w,（mm）,背吃刀量a,p,（mm）,3,35,58,812,12以上,走刀量f（mm）,碳素结构钢和合金结构钢,16X25,20,40,60,100,400,0.30.4,0.40.5,0.50.6,0.60.9,0.81.2,-,0.40.5,0.50.7,0.60.9,0.81.2,-,-,0.30.5,0.50.6,0.60.8,-,-,-,0.40.5,0.50.6,-,-,-,-,-,2030,25X25,20,40,60,100,600,0.30.4,0.40.5,0.60.7,0.81.0,1.21.4,-,0.30.4,0.50.7,0.70.9,1.01.2,-,-,0.40.6,0.50.7,0.81.0,-,-,-,0.40.7,0.60.9,-,-,-,-,0.40.6,注：有冲击时，进给量应减小20。,表215 硬质合金车刀及高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量,在背吃刀量,a,p,和进给量,f,选定后，再根据规定达到的合理耐用度,值，就可确定切削速度,v,c,。刀具耐用度,T,所允许的切削速度,v,T,应为：,除了用计算方法外，生产中经常按实际经验和有关手册资料选取切削速度。,在粗车时切削用量还受机床功率的限制。因此，选定了切削用量后，尚需校验机床是否足够，应满足：,机床功率允许的切削速度为：,上式,P,E,机床电动机功率；,F,z主切削力；,机床传动效率。,校验机床功率,背吃刀量,a,p 半精车的余量较，约12mm左右。精车余量更小。半精车、精车背吃刀量的选择，原则上取一次切除的余量数。但当使用硬质合金时，考虑到刀尖圆弧半径与刃口圆弧半径的挤压和摩擦作用，背吃刀量不宜过小，一般大于0.5mm。,（2）半精车、精车切削用量选择,切削速度vc 半精车、精车的背吃刀量和进给量较小，切削力对工艺系统强度和刚性影响较小，消耗功率较少，故切削速度主要受刀具耐用度限制。切削速度可利用公式或资料确定,。,进给量f 半精车和精车的背吃刀量较小，产生的切削力不大，故增大进给量对加工工艺系统的强度和刚性影响较小，所以，增大进给量主要受到表面粗糙度的限制。在已知的切削速度(预先假设)和刀尖圆弧半径条件下，根据加工要求达到的表面粗糙度可以利用计算的方法或手册资料确定进给量。 从资料中选用进给量时，应预选一个切削速度。通常切削速度高时的进给量较速度低的进给量大些,。,本章小结,本章主要讨论了金属切削过程的四大规律及在生产上的应用。,