刀具原理电子档

第一节 金属切削刀具基础一 金属切削过程的基本概念一）、切削表面与切削运动（一）切削表面切削加工过程是一个动态过程， 在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。即：待加工表面：工件上即将被切除的表面。已加工表面：工件上已切去切削层而形成的新表面。过渡表面(加工表面)：工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。以车削外圆为例，如下图。（二）切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度Vc和进给运动速度Vf之间的关系。 1、主运动主运动是刀具与工件之间的相对运动。它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。2、进给运动进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。 3、合成运动与合成切削速度当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量ve表示, 见上图。Ve=Vc+Vf二）切削用量三要素与切削层参数(一）切削用量三要素1、切削速度vc切削速度vc是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。当主运动为回转运动时： 式中d切削刃上选定点的回转直径，mm；n主运动的转速，r/s或r/min。2、进给速度vf 、进给量f进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。进给量f刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。Vf= n f3、切削深度ap对于车削和刨削加工来说，切削深度ap（背吃刀量）是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位mm。 （二）切削层参数在切削过程中，刀具的切削刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。二 刀具角度外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其切削部分（又称刀头）由前刀面、主刀后面、副刀后面、主切削刃、副切削刃和刀尖所组成。其定义分别为：（1）前刀面 刀具上与切屑接触并相互作用的表面（即切屑流过的表面）。（2）主刀后面 刀具上与工件过渡表面相对并相互作用的表面。（3）副刀后面 刀具上与已加工表面相对并相互作用的表面。（4）主切削刃 前刀面与主后刀面的交线。它完成主要的切削工作。（5）副切削刃 前刀面与主后刀面的交线。它配合主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面。（6）刀尖 主切削刃和副切削刃连接处的一段刀刃。它可以是小的直线段或圆弧。具体参见切削运动与切削表面图和车刀的组成图。其它各类刀具，如刨刀、钻头、铣刀等，都可以看作是车刀的演变和组合。（一）刀具标注角度参考系 1、假定运动条件：用刀具主运动向量vc近似代替合成运动向量ve，然后再用平行或垂直于主运动方向的坐标平面构成参考系。2、假定安装条件：假定刀具的安装位置恰好使其底面或轴线与参考系的平面平行或垂直。3、刀具标注角度参考系诸平面：（见下图）1) 基面pr：通过切削刃某一点，垂直于假定主运动方向的平面。图1.6。2) 切削平面ps：通过切削刃某一点，与工件加工表面（或与主切削刃）相切的平面。切削平面ps与基面pr垂直。3) 主剖面P0：通过切削刃某一点，同时垂直于切削平面ps与基面pr的平面。见图1.8。4) 法剖面Pn：通过切削刃某一点，垂直于切削刃的平面。见图1.8。5) 进给剖面Pf：通过切削刃某一点，平行于进给运动方向并垂直于基面pr的平面。6) 背平面Pp：通过切削刃某一点，同时垂直于进给剖面Pf与基面pr的平面。（二）刀具工作角度参考系上述刀具标注角度参考系，在定义基面时，都只考虑主运动，不考虑进给运动，即在假定运动条件确定的参考系。但刀具在实际使用过程中，这样的参考系所确定的刀具角度，往往不能确切反映切削加工的真实情况。只有用合成切削方向ve来确定参考系，才符合切削加工的实际。图1.10。另外，刀具实际安装位置也影响工作角度的大小。只有采用刀具工作角度参考系，才能反映切削加工的实际。刀具工作角度参考系与刀具标注角度参考系的唯一区别是：用合成切削方向ve取代主运动切削方向vc，用实际进给运动方向取代假定进给运动方向。（三）刀具的标注角度刀具的标注角度是制造和刃磨刀具所需要的，并在刀具设计图上予以标注的角度。刀具的标注角度主要有五个，以车刀为例，表示了几个角度的定义。车刀的主要角度刃倾角的符号（四）刀具的工作角度在实际的切削加工中，由于刀具安装位置和进给运动的影响，上述标注角度会发生一定的变化。角度变化的根本原因是切削平面、基面和正交平面位置的改变。以切削过程中实际的切削平面Ps、基面Pr和主剖面P0为参考平面所确定的刀具角度称为刀具的工作角度，又称实际角度。1、刀具安装位置对工作角度的影响以车刀车外圆为例，若不考虑进给运动，当刀尖安装得高于或低于工件轴线时，将引起工作前角oe和工作后角oe的变化，如下图示。当车刀刀杆的纵向轴线与进给方向不垂直时，将会引起工作主偏角re和工作副偏角re的变化，如下图示。2、进给运动对工作角度的影响 车削时由于进给运动的存在，使车外圆与车螺纹的加工表面实际上是一个螺旋面，如下图示。(见图1.16)车端面或切断时，加工表面是阿基米德螺旋面，如下图示。因此，实际的切削平面和基面都要偏转一个附加的螺旋升角，使车刀的工作前角oe增大，工作后角oe减小。一般车削时，进给量比工作直径小很多，故螺旋升角很小，它对车刀工作角度影响不大，可忽略不计。但在车端面、切断和车外圆进给量（或加工螺纹的导程）较大，则应考虑螺旋升角的影响。(见图1.15)三 刀具的种类、材料与选用一）刀具种类 （一）刀具分类由于机械零件的材质、形状、技术要求和加工工艺的多样性，客观上要求进行加工的刀具具有不同的结构和切削性能。因此，生产中所使用的刀具的种类很多。刀具常按加工方式和具体用途，分为车刀、孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、齿轮刀具、自动线与数控机床刀具和磨具等几大类型。刀具还可以按其它方式进行分类，如按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、瓷刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石刀具等；按结构分为整体刀具、镶片刀具、机夹刀具和复合刀具等；按是否标准化分为标准刀具和非标准刀具等。（二）常用刀具简介1.车刀车刀是金属切削加工中应用最广的一种刀具。它可以在车床上加工外圆、端平面、螺纹、孔，也可用于切槽和切断等。车刀在结构上可分为整体车刀、焊接装配式车刀和机械夹固刀片的车刀。机械夹固刀片的车刀又可分为机床车刀和可转位车刀。机械夹固车刀的切削性能稳定，工人不必磨刀，所以在现代生产中应用越来越多。2.孔加工刀具孔加工刀具一般可分为两大类：一类是从实体材料上加工出孔的刀具，常用的有麻花钻、中心钻和深孔钻等；另一类是对工件上已有孔进行再加工的刀具，常用的有扩孔钻、铰刀与镗刀等。例如，下图示标准高速钢麻花钻的结构。工作部分（刀体）的前端为切削部分，承担主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。3.铣刀铣刀是一种应用广泛的多刃回转刀具，其种类很多。按用途分有：1）加工平面用的，如圆柱平面铣刀、端铣刀等；2）加工沟槽用的，如立铣刀、T形刀和角度铣刀等；3）加工成形表面用的，如凸半圆和凹半圆铣刀和加工其它复杂成形表面用的铣刀。铣削的生产率一般较高，加工表面粗糙度值较大。4.拉刀拉刀是一种加工精度和切削效率都比较高的多齿刀具，广泛应用于大批量生产中，可加工各种、外表面。拉刀按所加工工件表面的不同，可分为各种拉刀和外拉刀两类。使用拉刀加工时，除了要根据工件材料选择刀齿的前角、后角，根据工件加工表面的尺寸（如圆孔直径）确定拉刀尺寸外，还需要确定两个参数：（1）齿升角af即前后两刀齿（或齿组）的半径或高度之差；（2）齿距p即相邻两刀齿之间的轴向距离。 5.螺纹刀具螺纹可用切削法和滚压法进行加工。6.齿轮刀具齿轮刀具是用于加工齿轮齿形的刀具。按刀具的工作原理，齿轮分为成形齿轮刀具和展成齿轮刀具。常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮刀具等。常用的展成齿轮刀具有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀等。选用齿轮滚刀和插齿刀时，应注意以下几点：（1）刀具基本参数（模数、齿形角、齿顶高系数等）应与被加工齿轮一样。（2）刀具精度等级应与被加工齿轮要求的精度等级相当。（3）刀具旋向应尽可能与被加工齿轮的旋向一样。滚切直齿轮时，一般用左旋齿刀。7.自动线与数控机床刀具这类刀具的切削部分总的来说与一般刀具没有多大区别不同情况，只是为了适应数控机床和自动线加工的特点，对它们提出了更高的要求。二）刀具材料刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与和合理使用。（一）刀具材料应具备的性能1、 高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。2、足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。3、高耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。4、良好的工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。如，切削加工性、铸造性、锻造性和热处理性等。5、良好的经济性 （二）常用的刀具材料 目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。1、 高速钢 定义：是一种加入较多的钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。性能：有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的主要材料。分类：按用途分：通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺分：熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。1）通用型高速钢钨钢：典型牌号为W18Cr4V，有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。钨钼钢：典型牌号为W6Mo5Cr4V2，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。2）高性能高速钢典型牌号为高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8和超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。适合于加工高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。3）粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。 2、 硬质合金 由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。ISO将切削用的硬质合金分为三类：（各种牌号的应用围见p16表1.1）1）YG(K)类，即WC-Co类硬质合金2）YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金3） YW(M)类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金（三）其它刀具材料1、 涂层刀具2、 瓷：硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。3、 金刚石4、 立方氮化硼三）刀具选用1.刀具种类的选择刀具种类主要根据被加工表面的形状、尺寸、精度、加工方法、所用机床与要求的生产率等进行选择。2.刀具材料的选择刀具材料主要根据工件材料、刀具形状和类型与加工要求等进行选择。3.刀具角度的选择刀具角度的选择主要包括刀具的前角、后角、主偏角和刃倾角的选择。（1）前角前角o对切削的难以程度有很大影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，并减小切削力和切削热。但前角过大，刀刃和刀尖的强度下降，刀具导热体积减少，影响刀具使用寿命。前角的大小对表面粗糙度、排屑和断屑等也有一定影响。工件材料的强度、硬度低，前角应选得大些，反之小些；刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之应选得小些（如硬质合金）；精加工时，前角可选得大些。粗加工时应选得小些。 （2）后角 后角o的主要功用是减小后刀面与工件间的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大影响。一般，切削厚度越大，刀具后角越小；工件材料越软，塑性越大，后角越大。工艺系统刚性较差时，应适当减小后角，尺寸精度要求较高的刀具，后角宜取小值。 （3）主偏角 主偏角r的大小影响切削条件和刀具寿命。在工艺系统刚性很好时，减小主偏角可提高刀具耐用度、减小已加工表面粗糙度，所以r宜取小值；在工件刚性较差时，为避免工件的变形和振动，应选用较大的主偏角。 （4）副偏角 副偏角r的作用是可减小副切削刃和副厚刀面与工件已加工表面之间的摩擦，防止切削振动。r的大小主要根据表面粗糙度的要求选取。 （5）刃倾角 刃倾角s主要影响刀头的强度和切屑流动的方向第二节 金属切削过程中的变形金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以与有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。因此，必须进行深入的研究。一、切屑形成过程与变形区的划分 1、切削变形 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。 2、变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。3、切屑的形成与变形特点 1） 第一变形区（近切削刃处切削层产生的塑性变形区）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切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。在下图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度围，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第变形区，AB面亦称为剪切面。剪切面AB与切削速度Vc之间的夹角 称为剪切角。作用力Fr与切削速度Vc之间的夹角称为作用角。第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。2） 第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）金属的挤压磨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。此时将产生挤压摩擦变形。应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。3） 第三变形区（近切削刃处已加工表面产生的变形区）金属的挤压磨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，造成纤维化和加工硬化。二、切削变形程度的度量方法 1、相对滑移相对滑移是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中AB线沿剪切面滑移至AB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。则相对滑移表示为：2、 变形系数h 变形系数h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，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、厚度增加，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，即从上图可知，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hch减小，故h变小。它们之间的关系如下：从上面两个公式可知，剪切角 与前角0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角0和剪切角 ，使相对滑移、变形系数h减小，则切削变形减小。注意：由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而值主要从剪切变形考虑；而h主要从塑性压缩方面分析。所以，与h都只能近似地表示切削变形程度。 三、剪切角的确定剪切角 是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角 的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角 的计算式。从上面公式可看出： 与0、有关。增大前角0、减小摩擦角，使剪切角 增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1变形区剪切变形的影响规律。 四、积屑瘤的形成与其对切削过程的影响在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。1、积屑瘤是如何形成的? 1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“摩擦”。3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。2、形成积屑瘤的条件：主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。3、积屑瘤对切削过程的影响 1）实际前角增大它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。2）使加工表面粗糙度增大积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。3）对刀具寿命的影响积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。4、防止积屑瘤的主要方法1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。五、切削变形变化规律从相对滑移、变形系数h计算式中可知，剪切角 与前角0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角0和剪切角 ，使相对滑移、变形系数h减小，则切削变形减小。1、前角：增大前角0，使剪切角 增大，变形系数h减小，因此，切削变形减小。生产实践表明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。2、切削速度：切削速度Vc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。3、进给量：进给量f增大，使变形系数h减小。4、工件材料：工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。第三节 切屑的类型与控制一、切屑的类型与其分类由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如下图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力-应变特性和塑性变形程度决定的。1、 带状切屑它的表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 2、挤裂切屑这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。2、 单元切屑如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图c所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。4.崩碎切屑这是属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。以上是四种典型的切屑，但加工现场获得的切屑，其形状是多种多样的。二、切屑控制的措施在现行切削加工中，切削速度与金属切除率达到了很高的水平，切削条件很恶劣，常常产生大量“不可接受”的切屑。所谓切屑控制（又称切屑处理，工厂中一般简称为“断屑”），是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形。在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。第四节 切削力一、切削力的来源，切削合力与其分解，切削功率(一）切削力的来源 研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：1克服被加工材料对弹性变形的抗力；2克服被加工材料对塑性变形的抗力；3克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。（二）切削合力与其分解 上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力。在车削时： Fz主切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。Fx进给抗力、轴向力或走刀力。它是处于基面并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。Fx是设计进给（走刀）机构，计算车刀进给功率所必需的。Fy切深抗力、或背向力、径向力 、吃刀力。它是处于基面并与工件轴线垂直的力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度（详见第七章），计算机床零件和车刀强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。（三）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：单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。2、切削功率Pm消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，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进给力（N）；nw工件转速（r/s）；f进给量（mm/s）。式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小（600的车刀切削。(3)刃倾角s：s对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。 s 由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角s。特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角s增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。 4、其它因素（1）刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。（2）刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。（3）刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。第五节 切削热和切削温度切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。切削时做的功，可转化为等量的热。功削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。一、切削热的产生和传导 切削热是由切削功转变而来的。如下图所示，其中包括：剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qf,因此，切削时共有三个发热区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与已加工表面接触区，如图示，三个发热区与三个变形区相对应。所以，切削热的来源就是切屑变形功和前、后刀面的摩擦功。 产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qr。切削热的形成与传导关系为：切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。 二、切削温度的计算与测量尽管切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度，切削温度一般指切削区域的平均温度。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区值。切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即切削温度的测量方法很多，见下图。自然热电偶法 自然热电偶法主要是用于测定切削区域的平均温度。人工热电偶法 人工热电偶法是用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，用它可求得温度分布场和最高温度的位置。三、影响切削温度的主要因素根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。1、切削用量的影响切削用量是影响切削温度的主要因素。通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系，并可整理成下列一般公式：切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。2、刀具几何参数的影响切削温度随前角o的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于1820后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。（图2.28）主偏角r减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。负倒棱b1在(02)f 围变化，刀尖圆弧半径re在01.5mm围变化，基本上不影响切削温度。因为负倒棱宽度与刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。3、工件材料的影响工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。4、刀具磨损的影响在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。5、切削液的影响切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以与本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。四、切削温度对工件、刀具和切削过程的影响切削温度高是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高；切削温度还会使加工精度降低，使已加工表面产生残余应力以与其它缺陷。（1）切削温度对工件材料强度和切削力的影响切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度与强度的影响并不很大；剪切区域的应力影响不很明显。 （2）对刀具材料的影响适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。（3）对工件尺寸精度的影响（4）利用切削温度自动控制切削速度或进给量（5）利用切削温度与切削力控制刀具磨损第六节 刀具的磨损和刀具寿命一、刀具磨损的形态与其原因切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。刀具正常磨损的形式有以下几种：1.前刀面磨损 2.后刀面磨损 3.边界磨损(前、后刀面同时磨损)从对温度的依赖程度来看，刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的，热、化学磨损则是由粘结（刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象）、扩散（刀具与工件两摩擦面的化学元素互相向对方扩散、腐蚀)等引起的。(1)磨粒磨损在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。(2)粘结磨损刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。(3)扩散磨损切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。(4)相变磨损当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。(5)氧化磨损氧化磨损是一种化学性质的磨损。刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。1）在低、中速围磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因。通常拉削、铰孔和攻丝加工时的刀具磨损主要属于这类磨损。 2）在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。二、刀具磨损过程、磨钝标准与刀具寿命1、刀具磨损过程随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段二、刀具磨损过程、磨钝标准与刀具寿命1、刀具磨损过程随着切削时间的延长，刀具磨损增加。根据切削实验，可得图示的刀具正常磨损过程的典型磨损曲线。该图分别以切削时间和后刀面磨损量VB（或前刀面月牙洼磨损深度KT）为横坐标与纵坐标。从图可知，刀具磨损过程可分为三个阶段：1.初期磨损阶段 2.正常磨损阶段 3.急剧磨损阶段2、刀具磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。规定后刀面上均匀磨损区的高度VB值作为刀具的磨钝标准。3、刀具的耐用度（刀具寿命）一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具的耐用度，用T分钟表示。又称为刀具寿命。三、刀具的破损刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式。刀具在一定的切削条件下使用时，如果它经受不住强大的应力（切削力或热应力），就可能发生突然损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。破损是相对于磨损而言的。从某种意义上讲，破损可认为是一种非正常的磨损。刀具的破损有早期和后期（加工到一定的时间后的破损）两种。刀具破损的形式分脆性破损和塑性破损两种。硬质合金和瓷刀具在切削时，在机械和热冲击作用下，经常发生脆性破损。脆性破损又分为：1.崩刀 2.碎断 3.剥落 4.裂纹破损。四、刀具的状态监控如前所述，刀具损坏的形式主要是磨损和破损。在现代化的生产系统（如FMS、CIMS等）中，当刀具发生非正常的磨损或破损时，如不能与时发现并采取措施，将导致工件报废，甚至机床损坏，造成很大的损失。因此，对刀具状态进行监控非常重要。刀具破损监测可分为直接监测和间接监测两种。所谓直接监测，即直接观察刀具状态，确认刀具是否破损。其中最典型的方法是ITV（Industrial Television， 工业电视）摄像法。间接监测法即利用与刀具破损相关的其它物理量或物理现象，间接判断刀具是否已经破损或是否有即将破损的先兆。这样的方法有测力法、测温法、测振法、测主电机电流法和测声发射法等。五、刀具寿命(刀具耐用度)的选择原则切削用量与刀具寿命有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。比较最高生产率耐用度Tp与最低生产成本耐用度Tc可知：TcTp。生产中常根据最低成本来确定耐用度，但有时需完成紧急任务或提高生产率且对成本影响不大的情况下，也选用最高生产率耐用度。刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用。选择刀具寿命时可考虑如下几点：（1）根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。（2）对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取1530min。（3）对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。（4）车间某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些；当某工序单位时间所分担到的全厂开支 M较大时，刀具寿命也应选得低些。（5）大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。六、影响刀具耐用度因素1、切削用量 切削用量对刀具耐用度的影响规律如同对切削温度的影响。切削速度vc、 背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，使切削温度提高，刀具耐用度下降。Vc影响最大、 进给量f其次，ap影响最小。(刀具耐用度计算公式2.28）根据刀具耐用度合理数值T计算的切削速度称为刀具耐用度允许的切削速度，用VT表示其计算式为： 显然低成本允许的切削速度低于高生产率允许的切削速度。2、工件材料 （1）硬度或强度提高，使切削温度提高，刀具磨损加大，刀具耐用度下降。（2）工件材料的延伸率越大或导热系数越小，切削温度越高，刀具耐用度下降。3、刀具几何角度（1）前角对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”。（2）主偏角r减小时，使切削宽度bD增大，散热条件改善，故切削温度下降，刀具耐用度提高。 4、刀具材料刀具材料的高温硬度越高、越耐磨，刀具耐用度越高。加工材料的延伸率越大或导热系数越小，均能使切削温度升高因而使刀具耐用度T降低。第六节 刀具几何参数和切削用量的合理选择第七节 刀具几何参数和切削用量的合理选择学习了金属切削过程基本规律的应用以后，就要学会运用规律，用于指导生产实践。本节主要从控制切屑、改善材料的切削加工性、合理选择切削液、合理选择刀具几何参数和切削用量等五个方面问题，来达到保证加工质量、降低生产成本和提高生产效率的目的。 一、工件材料的切削加工性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难易程度。其研究的目的是为了寻找改善材料切削加工性的途径。1、评定工件材料的切削加工性的主要指标1）刀具耐用度指标： 切削普通金属材料：用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度V60的高低来评定材料的加工性。切削难加工金属材料：用刀具耐用度达到20min时允许的切削速度V20的高低来评定材料的加工性。同样条件下，V60或V20大，加工性越好。相对加工性：KV=V60/V060 ,(以45钢的V60为基准，记为V060）2）加工表面粗糙度指标：粗糙度值越小，加工性越好。 另外，还用切屑形状是否容易控制、切削温度高低和切削力大小（或消耗功率多少）来评定材料加工性的好坏。 其中，粗加工时用刀具耐用度指标、切削力指标，精加工时用加工表面粗糙度指标，自动生产线时常用切屑形状指标。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k和导热系数k，故通常还可按它们数值的大小来划分加工性等级，见表2.9。2、改善材料切削加工性的措施1）调整化学成分 如在不影响工件材料性能的条件下，适当调整化学成分，以改善其加工性。如在钢中加入少量的硫、硒、铅、锁、磷等，虽略降低钢的强度，但也同时降低钢的塑性，对加工性有利。2）材料加工前进行合适的热处理 低碳钢通过正火处理后，细化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于减小刀具的粘结磨损，减小积屑瘤，改善工件表面粗糙度； 高碳钢球化退火后，硬度下降，可减小刀具磨损； 不锈钢以调质到HRC28为宜，硬度过低，塑性大，工件表面粗糙度差，硬度高则刀具易磨损； 白口铸铁可在9501000 C围长时间退火而成可锻铸铁，切削就较容易。 3）选加工性好的材料状态 低碳钢经冷拉后，塑性大为下降，加工性好； 锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很差，改为热轧后加工性得以改善。 4）其它 采用合适的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等。二、切削液1、切削液的作用冷却作用：使切削热传导、对流和汽化，从而降低切削区温度。 润滑作用（边界润滑原理）：切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑膜，它具有物理吸附和化学吸附作用。 洗涤和防锈作用：冲走细屑或磨粒；在切削液中添加防锈剂，起防锈作用。 2、常用切削液与其选用)1） 水溶液：水溶液就是以水为主要成分并加入防锈添加剂的切削液。主要起冷却作用。常用的有电解水溶液和表面活性水溶液。电解水溶液：在水中加入各种电解质（如Na2CO3、亚硝酸钠），能渗透到表面油膜部起冷却作用。主要用于磨削、钻孔和粗车等。 表面活性水溶液:在水中加入皂类、硫化蓖麻油等表面活性物质，用以提高水溶液的润滑作用。常用于精车、精铣和铰孔等。 2）切削油:主要起润滑作用。 10号、20号机油：用于普通车削、攻丝 轻柴油：用于自动机上。 煤油：用于精加工有色金属、普通孔或深孔精加工。 豆油、菜油、蓖麻油等：用于螺纹加工。 2） 乳化液：由水和油混合而成的液体。生产中的乳化液是由乳化剂（蓖麻油、油酸或松脂）加水配置而成。 浓度低的乳化液含