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1、其次章 金属切削原理第一节 概述金属切削加工金属切削加工指利用金属切削刃具切除工件上多余的金属，从而指利用金属切削刃具切除工件上多余的金属，从而使工件的几何形态、使工件的几何形态、尺寸精度及表面质量都符合预定要求。尺寸精度及表面质量都符合预定要求。一、切削运动一、切削运动在切削加工过程中，工件与刀具之间的相对运动，即切削运动。在切削加工过程中，工件与刀具之间的相对运动，即切削运动。切削运动的组成：切削运动的组成：主运动主运动 车削时，工件的旋转运动谓之；刨削时，刀具的运动谓之。车削时，工件的旋转运动谓之；刨削时，刀具的运动谓之。进给运动进给运动 车削时，刀具的纵向和横向运动谓之；刨削时，工件的
2、运动谓车削时，刀具的纵向和横向运动谓之；刨削时，工件的运动谓之。之。切削速度、进给速度和合成速度切削速度、进给速度和合成速度主运动的速度称为切削速度，用主运动的速度称为切削速度，用Vc 表示。表示。进给运动的速度称为进给速度，用进给运动的速度称为进给速度，用Vf 表示。表示。合成切削运动速度合成切削运动速度Ve 的大小和方向为：的大小和方向为：Ve=Vc+Vf。二、切削加工的工件表面二、切削加工的工件表面以车削加工为例，工件在车削过程中有三个不断变更着的表面，以车削加工为例，工件在车削过程中有三个不断变更着的表面，如图如图2-12-1所示。所示。（1 1）待加工表面：加工时即将被切除的表面。）
3、待加工表面：加工时即将被切除的表面。（2 2）加工表面：已被切去多余金属而形成的）加工表面：已被切去多余金属而形成的 工件新表面。工件新表面。（3 3）已加工表面：加工时刀具正在切削的那个）已加工表面：加工时刀具正在切削的那个 表面，它是待加工表面和已知表面之间的表面。表面，它是待加工表面和已知表面之间的表面。三三 切削用量切削用量（切削用量三要素切削用量三要素）指切削速度指切削速度v vc c、进给量、进给量f f (或进给速度值或进给速度值v vf f)、背吃刀量值、背吃刀量值a aP P。（1 1）切削速度）切削速度 式中式中 d d-工件或刀具上某一点的回转直径工件或刀具上某一点的回转
4、直径(mm)(mm)；n n-工件或刀具的转速（工件或刀具的转速（r/sr/s或或r/minr/min）。）。（2）进给量（进给速度）进给速度是单位时间的进给量,单位是m/s(mm/min)。进给量是工件或刀具每回转一周(如车削、钻削、铰削)时,沿进给运动方向的相对位移 单位是mm/r。对于刨削、插削的进给量呢？（3 3）背吃刀量）背吃刀量(切削深度切削深度)车削和刨削加工的背吃刀量车削和刨削加工的背吃刀量a ap p为工件上已加工表面和待加工表面间的垂为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位是直距离，单位是mmmm。外圆柱表面车削的背吃刀量可用下式计算：外圆柱表面车削的背吃刀量可用下
5、式计算：对于钻孔对于钻孔其中其中 d dm m已加工表面直径已加工表面直径(mm)(mm)；d dw w待加工表面直径待加工表面直径(mm)(mm)。四、切削层参数四、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。属层，称为切削层。1.1.切削层公称厚度切削层公称厚度h h垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离，称垂直于过渡表面测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离，称为切削层厚度（为切削层厚度（mmmm）。）。2.2.切削层公称宽度切削层公称宽度b b沿过渡表面
6、测量的切削层尺寸，称为切削层公称宽度沿过渡表面测量的切削层尺寸，称为切削层公称宽度b b，简称切削宽度，简称切削宽度（mmmm），即），即 b=a b=ap p/sinsin r r 。3.3.切削层公称截面面积切削层公称截面面积A A切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积称为切削层公称截面面积切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积称为切削层公称截面面积A A，简称为切削面积（简称为切削面积（m mm m2 2），即），即 A=hb A=hb。对于车削来说，切削面积为：对于车削来说，切削面积为：A=hb=fa A=hb=fap p 其次节 刀具的几何角度一、刀具切削部分的结构要素一、刀具切削部分的
7、结构要素 刀具切削部分的几何形态主要由一些刀面和刀刃组成。刀具切削部分的几何形态主要由一些刀面和刀刃组成。（1 1）前刀面）前刀面Ar Ar 切屑沿其流出的刀具表面。切屑沿其流出的刀具表面。（2 2）主后刀面）主后刀面AaAa 刀具上与工件过渡表面相对的表面。刀具上与工件过渡表面相对的表面。（3 3）副后刀面）副后刀面AA 刀具上与已加工表面相对的表面。刀具上与已加工表面相对的表面。（4 4）主切削刃）主切削刃 S S前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作。前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的切削工作。（5 5）副切削刃）副切削刃S S 前刀面与副后刀面的交线，它协作主切削刃完成切削工作
8、，并最终形前刀面与副后刀面的交线，它协作主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也称副刀刃。成已加工表面，也称副刀刃。（6 6）刀尖）刀尖主切削和副切削刃的连接点，它可以是短的直线段或圆弧。主切削和副切削刃的连接点，它可以是短的直线段或圆弧。二、刀具的标注角度二、刀具的标注角度刀具标注角度刀具标注角度是在设计、绘制和制造刀具时所标注的角度。是在设计、绘制和制造刀具时所标注的角度。1.1.刀具标注角度的参考系刀具标注角度的参考系(1)(1)基面基面P Pr r 通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。通过切削刃选定点，垂直于假定主运动方向的平面。(2)(2)切削平面切削平面 PsPs
9、通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于通过切削刃选定点，与主切削刃相切，并垂直于基面的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面基面的平面。也就是主切削刃与切削速度方向构成的平面。(3)(3)正交平面正交平面P Po o 通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于基面和切通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于基面和切削平面的平面。削平面的平面。2.2.刀具标注角度刀具标注角度（1 1）前角）前角 o o ：在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角。在正交平面内测量的前刀面与基面的夹角。（2 2）后角）后角 o o ：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角。在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹
10、角。（3 3）主偏角）主偏角r r：基面中测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动基面中测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动 方向的夹角（一般为正值）。方向的夹角（一般为正值）。（4 4）副偏角副偏角k kr r ：在基面内测量在基面内测量的付切削刃在基面上的投影与进的付切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。给运动反方向的夹角。（5 5）刃倾角）刃倾角s s：切削平面中测切削平面中测量的主切削刃与基面间的夹角。量的主切削刃与基面间的夹角。三、刀具工作角度三、刀具工作角度刀具工作角度是指把刀具同工件和切削运动联系刀具工作角度是指把刀具同工件和切削运动联系起来确定的刀具角度。起来确定的刀具角
11、度。1.1.进给运动对刀具工作角度的影响进给运动对刀具工作角度的影响（1 1）横向进给车削）横向进给车削（2 2）纵向进给车削）纵向进给车削2.2.刀具安装位置对刀具工作角度的影响刀具安装位置对刀具工作角度的影响（1 1）刀尖安装凹凸对工作角度的影响）刀尖安装凹凸对工作角度的影响（2 2）刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角）刀柄中心线与进给方向不垂直对刀具工作角度的影响度的影响第三节 金属切削过程金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工切除成为切屑金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工切除成为切屑从而得到所须要的零件几何形态的过程。从而得到所须要的零件几何形态的过程。
12、一、金属切削变形区及特点一、金属切削变形区及特点切削刃作用部位的金属层的三个变形区：切削刃作用部位的金属层的三个变形区：第一变形区第一变形区 从从OAOA线（称始滑移线）起先塑性变形，到线（称始滑移线）起先塑性变形，到OMOM线（终滑移线）线（终滑移线）晶粒的剪切滑移基本完成的区域。晶粒的剪切滑移基本完成的区域。即近切削刃处切削层内产生的即近切削刃处切削层内产生的塑性变形区。塑性变形区。特点：金属产生剪切滑移变形特点：金属产生剪切滑移变形第三节 金属切削过程其次变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，纤维化方向基本上和前刀面平行的区域。即与前刀面接触
13、的切屑层内产生的变形区。特点：金属产生挤压摩擦变形第三节 金属切削过程第三变形区第三变形区 已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变已加工表面受到刀刃钝圆部分和后刀面的挤压与摩擦，产生变形和回弹，造成表层金属纤维化与加工硬化的区域。形和回弹，造成表层金属纤维化与加工硬化的区域。即近切削刃处已加工表层内产生的变形区。即近切削刃处已加工表层内产生的变形区。特点：金属产生挤压摩擦变形特点：金属产生挤压摩擦变形第一变形区内金属变形机理第一变形区内金属变形机理 追踪切削层上任一点追踪切削层上任一点P P，可以视察，可以视察切削的切削的变形和形成过程。当切削层中金属某点变形和形成过程。当切削
14、层中金属某点P P向切削刃靠近，到达点向切削刃靠近，到达点1 1时，此时其时，此时其剪切应力达到材料的屈服强度。过点剪切应力达到材料的屈服强度。过点1 1后，后，P P点在向前移动的同时，点在向前移动的同时，也沿也沿OAOA滑滑移，其合成运动使点移，其合成运动使点1 1流淌到点流淌到点2 2。2-22-2为滑移量。随着滑移量为滑移量。随着滑移量的增加，剪切的增加，剪切变将渐渐，直到当变将渐渐，直到当P P点移动到超过点移动到超过4 4点位置后，其流淌方向与前刀点位置后，其流淌方向与前刀面平行，不面平行，不再沿再沿OMOM线滑移。整个过程是滑移变形线滑移。整个过程是滑移变形加工硬化。加工硬化。二
15、、前刀面上的摩擦与积屑瘤二、前刀面上的摩擦与积屑瘤1.1.前刀面间的摩擦前刀面间的摩擦切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩擦不同。切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩擦不同。切屑与前切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图所示有粘结区和滑刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图所示有粘结区和滑动区。动区。粘结区：近切削刃长度粘结区：近切削刃长度 lfi lfi，由于高温（可过由于高温（可过900900）、）、高压（可达高压（可达3.5109N/m23.5109N/m2）的作用使切屑底层材料产生的作用使切屑底层材料产生软化，切屑底层的金属材料软化，切屑底层的金属材料粘嵌在前刀
16、面上的凹凸不平粘嵌在前刀面上的凹凸不平凹坑中而形成粘结区。凹坑中而形成粘结区。粘结区为内摩擦粘结区为内摩擦滑动区：滑动区：切屑即将脱离前刀面时在切屑即将脱离前刀面时在l lfofo长度内的接触区。在该区内切屑长度内的接触区。在该区内切屑与前刀面间只是凸出的金属点接触，因此实际的接触面积与前刀面间只是凸出的金属点接触，因此实际的接触面积A Aroro远小于名远小于名义接触面积义接触面积A Aa ao o，滑动区的摩擦称为外摩擦，其外摩擦力可应用库伦定，滑动区的摩擦称为外摩擦，其外摩擦力可应用库伦定律计算。律计算。可见，切屑与前刀面间的摩擦是由内摩擦和外摩擦组成可见，切屑与前刀面间的摩擦是由内摩擦
17、和外摩擦组成,通常以内摩通常以内摩擦为主，内摩擦力约占总摩擦力的擦为主，内摩擦力约占总摩擦力的85%85%，但在切削温度低、压力小时，但在切削温度低、压力小时,应考虑外摩擦的影响。应考虑外摩擦的影响。2.2.积屑瘤积屑瘤 （1 1）积屑瘤现象积屑瘤现象 积屑瘤是积累在前刀面上近切削刃处的一个楔块。积屑瘤是积累在前刀面上近切削刃处的一个楔块。积屑瘤特点：硬度为金属母体的积屑瘤特点：硬度为金属母体的2 23 3倍，高出前刀面倍，高出前刀面0.369mm0.369mm、凸出后、凸出后刀面刀面0.057mm0.057mm、宽、宽1.138mm1.138mm，在切削时形成了实际前角，在切削时形成了实际前
18、角3227(3227(有的可有的可达达40)40)。积屑瘤对加工的影响：积屑瘤对加工的影响：1 1）当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆）当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时（图中弧半径时（图中R0.134 mmR0.134 mm），会产），会产生较大的挤压作用；生较大的挤压作用；2 2）由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落）由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。在精加工时应尽量避开或抑制积屑瘤的产生。面粗糙度增加。在精加工时应尽量避开或抑制积屑瘤的产生。（2）形成积屑瘤的条件 主要确定于切削温度。在切削温度很低时,切屑与前刀面间呈点接触,摩
19、擦系数较小,故不易形成粘结（冷焊）；在温度很高时,接触面间切屑底层金属呈微熔状态,起润滑作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易形成。在中温区，例如切削碳钢的温度在300500时，切屑底层材料软化，粘结严峻，摩擦系数最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。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。合理限制切削条件，调整切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避开积屑瘤的产生。以切削中碳钢为例，低速（vc3m/min左右）切削时，产生的切削温度很低；较高速（vc60m/min）切削时，产生的切削温度较高，这两种状况的摩擦系数均小，故不易形成积屑瘤。在中速（在中速（vc2
20、0m/minvc20m/min），积屑瘤的高度达到最大值。所以很多中速），积屑瘤的高度达到最大值。所以很多中速加工工序，如攻丝、拉孔、钻孔、铰孔等常常由于积屑瘤作用而影响加工工序，如攻丝、拉孔、钻孔、铰孔等常常由于积屑瘤作用而影响加工表面粗糙度。加工表面粗糙度。在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度SS高，不易切高，不易切除切屑，即使接受较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的中温区域，除切屑，即使接受较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的中温区域，为了抑制积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加工。同时，切削塑性为了抑制积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加
21、工。同时，切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消退积屑瘤。高的材料，需选用高的切削速度才能消退积屑瘤。（3）积屑瘤对切削过程的影响1）增大前角。积屑瘤粘结在前刀面上，加大了刀具的实际前角，可使切削力减小。2）增大切削厚度。积屑瘤使刀具切入深度增加了h，h的变更引起振动。积屑瘤限制的措施：积屑瘤限制的措施：1 1）限制切削速度，尽量避开易生成积屑瘤的中速区；）限制切削速度，尽量避开易生成积屑瘤的中速区；2 2）运用润滑性能好的切削液，以减小；）运用润滑性能好的切削液，以减小；3 3）增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力；）增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力；4 4）提高工件材料硬度，减小加工硬
22、化倾向。）提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。三、影响切削变形的因素三、影响切削变形的因素（1 1）工件材料）工件材料强度、硬度：材料的强度、硬度提高，正压力强度、硬度：材料的强度、硬度提高，正压力FnFn增大，平增大，平均正应力均正应力avav增大，其对应的摩擦系数增大，其对应的摩擦系数下降，剪切角下降，剪切角增大，切屑变增大，切屑变形减小。形减小。塑性：切削塑性较高的材料，则变形较大，易粘刀且不易塑性：切削塑性较高的材料，则变形较大，易粘刀且不易断屑。如碳钢断屑。如碳钢的塑性较大，抗拉强度和屈服强度越低，在较小的应力条的塑性较大，抗拉强度和屈服强度越低，在较小的应力条件下就起先产件下就起先
23、产生塑性变形。生塑性变形。(2)(2)前角前角 增大前角增大前角，使剪切角，使剪切角增大，变形系数增大，变形系数hh减小，因此，减小，因此，切屑变形减小切屑变形减小理由：理由：增大，变更了正压力增大，变更了正压力FnFn的大小和方向，使合力的大小和方向，使合力FrFr减小、作用角减小、作用角减小，故剪切角减小，故剪切角增大。由于增大了增大。由于增大了，切屑厚度，切屑厚度hchhch减小，减小，使变形系使变形系数数hh减小。减小。生产实践表明，接受大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金生产实践表明，接受大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属简洁，切属简洁，切屑与前刀面接触长度屑与前刀面接触长度Lf Lf
24、减短，流屑阻力小，因此，切屑变形减短，流屑阻力小，因此，切屑变形小、切屑省小、切屑省力。力。下图为接受不同前角 切削不同材料时的变形系数h值。(3)(3)切削速度切削速度在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度越高，则变形系数越小。在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度越高，则变形系数越小。实际切削速度实际切削速度vcvc是通过积屑瘤使剪切角是通过积屑瘤使剪切角变更和通过切削温度使摩擦变更和通过切削温度使摩擦系系数数变更而影响切削变形的。变更而影响切削变形的。vcvc在在3 320m/min20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，
25、使剪切角大，使剪切角增大，故变形系数增大，故变形系数hh减小；减小；vc=20m/minvc=20m/min左右时，左右时，hh值最小；值最小；vcvc在在202040m/min40m/min范围内提高，积屑瘤渐渐消逝，刀具实际范围内提高，积屑瘤渐渐消逝，刀具实际前前角减小，使角减小，使减小，减小，hh增大。增大。vcvc超过超过40m/min40m/min接着增高，由于切削温接着增高，由于切削温度度接着增高，致使摩擦系数接着增高，致使摩擦系数下降，故变形系数下降，故变形系数hh减小。减小。(4)(4)进给量进给量 进给量进给量f f 增大，使变形系数增大，使变形系数hh减小。减小。理由；由于
26、进给量理由；由于进给量 f f 增大后，使切削厚度增大后，使切削厚度 hD hD 增加，正增加，正压力压力FnFn增大，平增大，平均正应力均正应力avav增大，因此摩擦系数下降，剪切角增大所致。增大，因此摩擦系数下降，剪切角增大所致。从另一方面从另一方面来说，在确定切削厚度来说，在确定切削厚度 hD hD的切屑中，各切削层的变形的的切屑中，各切削层的变形的应力分布是不均应力分布是不均匀的。近前刀面处的金属变形和应力大，离前刀面越远的匀的。近前刀面处的金属变形和应力大，离前刀面越远的金属层，变形金属层，变形和应力越小。因此，切削厚度和应力越小。因此，切削厚度hDhD增加，切屑中平均变形减增加，切
27、屑中平均变形减小；反之，薄小；反之，薄切屑的变形量大。切屑的变形量大。四、切屑的类型和限制四、切屑的类型和限制1 1、切屑的基本类型、切屑的基本类型 (1)(1)带状切屑带状切屑塑性变形过程形成的切屑塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状。切削塑性较高的金属材料外形呈带状。切削塑性较高的金属材料,例如例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时碳素钢、合金钢、铜和铝合金时,常出现这类切屑。常出现这类切屑。(2)(2)挤裂切屑挤裂切屑在形成切屑的过程中在形成切屑的过程中,剪切面上局部位置处的剪应力剪切面上局部位置处的剪应力达到材料的强度达到材料的强度极限极限,使切屑上与前刀面接触的一面较光滑使切屑上与前刀面接触
28、的一面较光滑,其背面局部开裂成节状。切其背面局部开裂成节状。切削黄铜或用低速切削钢削黄铜或用低速切削钢,较易得到这类切屑。较易得到这类切屑。(3)单元切屑当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏,使切屑沿厚度断裂成匀整的颗粒状。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。(4)崩碎切屑在切削脆性金属时,例如铸铁、黄铜等材料,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。2.2.切屑的限制切屑的限制 在生产实践中存在不同的排屑状况。有的切屑卷成螺旋状，到确定时在生产实践中存在不同的排屑状况。有的切屑卷成螺旋状，到确定时自行折断；有的切屑弯成自行折断；有的切屑弯成
29、C C形，有的呈发条状卷屑；有的碎成针状或小片形，有的呈发条状卷屑；有的碎成针状或小片四处飞溅，影响平安。四处飞溅，影响平安。不良的排屑状态会影响生产的正常运行，因此切屑的限制具有重要意不良的排屑状态会影响生产的正常运行，因此切屑的限制具有重要意义，切屑经过第义，切屑经过第、第、第变形区后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。变形区后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当遇到刀具在切屑排出过程中，当遇到刀具后刀面、工件上过渡表面或待后刀面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部加工表面等障碍时，如某一部分的应变超过了切屑材料的断分的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。裂
30、应变值，切屑就会折断。工件脆性越大（断裂应变值越小）、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越工件脆性越大（断裂应变值越小）、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越简洁折断。韧性塑性好的材料需接受措施对切屑实施限制。小，切屑就越简洁折断。韧性塑性好的材料需接受措施对切屑实施限制。（1 1）接受断屑槽）接受断屑槽 通过设置断屑槽对流淌中的切屑施加确定的约束力，通过设置断屑槽对流淌中的切屑施加确定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。断屑槽的截面形态和前刀面上的断屑槽形态。断屑槽的截面形态和前刀面上的断屑槽形态。前刀面上的断屑槽形态的应用特点前刀面上的断屑槽形态的应用
31、特点 外斜式形成外斜式形成C C形屑，能在较宽的切削用量范围内实现断屑；内斜式常形成形屑，能在较宽的切削用量范围内实现断屑；内斜式常形成长紧螺卷形屑，但断屑范围窄；平行式的断屑范围居于外斜式和内斜式之长紧螺卷形屑，但断屑范围窄；平行式的断屑范围居于外斜式和内斜式之间。间。（2 2）变更刀具角度）变更刀具角度 增大刀具主偏角增大刀具主偏角rr，切屑厚度变大，有利于断削。，切屑厚度变大，有利于断削。减小刀具前角减小刀具前角oo，可使切屑变形加大，切屑易于折断。，可使切屑变形加大，切屑易于折断。（3 3）调整切削用量）调整切削用量 提高进给量提高进给量f f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大使切削厚
32、度增大，对断屑有利；但增大f f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使变形增大，也有利于断会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。屑，但这会降低材料切除效率。第四节 切削力和切削功率一、一、切削力切削力切削力：切削过程中作用在刀具与工件上的力。切削力：切削过程中作用在刀具与工件上的力。切削力的大小及变更规律，干脆影响切削热、刀具磨损与运用寿命、切削力的大小及变更规律，干脆影响切削热、刀具磨损与运用寿命、加工精度，是设计刀具、机床、夹具的依据。加工精度，是设计刀具、机床、夹具的依据。（一）切削力的来源及合力（一）切削力的来源及合力1 1、变形
33、区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；、变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；2 2、切屑、工件与刀具间的摩擦力。、切屑、工件与刀具间的摩擦力。（二）切削力合力分解（二）切削力合力分解合力合力F F按主切削方向、切深方向和进给方向建立的空间直角坐标轴按主切削方向、切深方向和进给方向建立的空间直角坐标轴Z Z、Y Y、X X上分解成三个分力：上分解成三个分力：主切削力主切削力F FC C 主运动切削速度方向的分力；主运动切削速度方向的分力；切深抗力切深抗力F FP P 切深方向的分力；切深方向的分力；进给抗力进给抗力F FF F 进给方向的分力。进给方向的分力。主切削力主切削力FCFC垂直于
34、基面，与切削速度的方向一样，设计功率和机床的参数垂直于基面，与切削速度的方向一样，设计功率和机床的参数切深抗力切深抗力FPFP处于基面内，与进给方向垂直。对系统产生变形；处于基面内，与进给方向垂直。对系统产生变形；进给抗力进给抗力FfFf在基面内与进给方向平行，校核强度。在基面内与进给方向平行，校核强度。主切削力Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与运用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。切深抗力Fy不消耗功率，但在机床工件夹具刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。进给抗力Fx消耗了总功率5%左右，它是验算机床进
35、给系统主要零、部件强度和刚性的依据。一般状况下，Fy约为（0.15-0.7）Fz，Fx约为（0.1-0.6）Fz。二、切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和。在车削外圆时，FP不做功，只有FC和Ff做功。由于Ff所消耗的功率很小（1%），可以忽视不计，一般切削功率为：选择机床电动机的功率为：第五节第五节 切削热和切削温度切削热和切削温度 一、切削热的产生与切削温度一、切削热的产生与切削温度 切削热的来源：切削热的来源：1 1、在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形、塑性变形的变、在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形、塑性变形的变形功形成的热；形功形成的热；2 2、切屑与前刀面、工
36、件与后刀面间消耗的摩擦功转化为热能。、切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功转化为热能。单位时间产生的切削热：单位时间产生的切削热：切削热散热方式和影响因素：切削热散热方式和影响因素：热散热方式：切屑、工件、刀具及四周的介质（空气、热散热方式：切屑、工件、刀具及四周的介质（空气、切削液）向外切削液）向外传导。传导。影响因素：影响因素：1 1、工件材料的导热系数；、工件材料的导热系数；2 2、刀具材料的导热系数；、刀具材料的导热系数；3 3、四周介质（主要是冷却液）；、四周介质（主要是冷却液）；车削时，一般切屑带走车削时，一般切屑带走505086%86%的热量，的热量，101040%40%传入
37、车传入车刀，刀，3 39%9%传入传入工件，工件，1%1%传入空气。传入空气。钻削时？钻削时？二、刀具上切削温度的分布规律二、刀具上切削温度的分布规律由于刀具上各点与三个变形区（三个热源）的距离各不相由于刀具上各点与三个变形区（三个热源）的距离各不相同，因此刀具同，因此刀具上不同点处获得热量和传导热量的状况也就会不相同，结上不同点处获得热量和传导热量的状况也就会不相同，结果使各个刀面果使各个刀面上的温度分布不匀整。什么地方容量磨损？上的温度分布不匀整。什么地方容量磨损？三、影响切削温度的因素三、影响切削温度的因素1 1、切削用量对切削温度的影响、切削用量对切削温度的影响由式和表由式和表2-12
38、-1知，知，、增大时，变形和摩擦增大时，变形和摩擦加剧，切削功加剧，切削功增大，切削温度上升。但影响程度以增大，切削温度上升。但影响程度以 最为显著，最为显著，次之，次之，最小最小因此，为有效限制切削温度以提高刀具运用寿命，选用因此，为有效限制切削温度以提高刀具运用寿命，选用大的背吃刀量大的背吃刀量或进给量，比选用高的切削速度有利。或进给量，比选用高的切削速度有利。为何影响程度以为何影响程度以 最为显著，最为显著，次之，次之，最小？最小？2 2、刀具几何参数对切削温度的影响、刀具几何参数对切削温度的影响（1 1）前角对切削温度的影响）前角对切削温度的影响前角前角 的大小干脆影响切削过程中的变形
39、和摩擦。在的大小干脆影响切削过程中的变形和摩擦。在18182020以下，以下，前角大，切削温度低，前角小，切削温度高。前角大，切削温度低，前角小，切削温度高。（2 2）主偏角对切削温度的影响）主偏角对切削温度的影响主偏角加大后，切削刃工作长度缩短，使切削热相对的集中，刀尖角减主偏角加大后，切削刃工作长度缩短，使切削热相对的集中，刀尖角减小，散热条件变差，切削温度将上升，反之散热条件改善，切削温度降小，散热条件变差，切削温度将上升，反之散热条件改善，切削温度降低。低。3 3、刀具磨损对切削温度的影响、刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损后切削刃变钝，使金属变形增加，同时刀具后刀面与工件的摩擦刀具磨损
40、后切削刃变钝，使金属变形增加，同时刀具后刀面与工件的摩擦加剧，切削温度上升。加剧，切削温度上升。4 4、工件材料对切削温度的影响、工件材料对切削温度的影响工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热越工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热越多，切削温度就越高；导热系数越小时，不易散热，切削温度相对较高。多，切削温度就越高；导热系数越小时，不易散热，切削温度相对较高。切削铸铁比钢的切削温度低。切削铸铁比钢的切削温度低。5 5、切削液对切削温度的影响、切削液对切削温度的影响可以从切削区带走大量热量，降低切削温度。可以从切削区带走大量热量，降低切削温度。第六节
41、刀具磨损和运用寿命 在切削过程中，刀具切除工件上的金属层，同时工件与切屑对刀具作在切削过程中，刀具切除工件上的金属层，同时工件与切屑对刀具作用，即前后刀面不断与切屑、工件接触，在接触区里存着猛烈的摩擦，用，即前后刀面不断与切屑、工件接触，在接触区里存着猛烈的摩擦，同时在接触区里又有很高的温度和压力，随着切削的进行，使刀具磨损同时在接触区里又有很高的温度和压力，随着切削的进行，使刀具磨损。一旦刀具严峻磨损，会缩短刀具运用时间，恶化加工表面质量，增加。一旦刀具严峻磨损，会缩短刀具运用时间，恶化加工表面质量，增加刀具材料损耗。因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一刀具材料损耗。因此，刀具磨
42、损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。个重要因素。一、刀具磨损形一、刀具磨损形 1.1.前刀面磨损前刀面磨损 （月牙洼磨损）（月牙洼磨损）切屑在前刀面上流出时，由于摩擦高和顺高压作用，使前刀面上近切屑在前刀面上流出时，由于摩擦高和顺高压作用，使前刀面上近切削刃处磨出月牙洼。当月牙洼扩展到使棱边很窄时导致崩刃。月牙洼切削刃处磨出月牙洼。当月牙洼扩展到使棱边很窄时导致崩刃。月牙洼磨损量用深度磨损量用深度KTKT和宽度为和宽度为KBKB表示。表示。2 2、后刀面磨损、后刀面磨损 加工表面和刀具后刀面间猛烈摩擦的缘由，在后刀面上毗邻切削刃的加工表面和刀具后刀面间猛烈摩擦的缘由，在后刀面上毗邻
43、切削刃的地方很快被磨出后角为零的棱面，这种磨损形式叫后刀面磨损。常出现地方很快被磨出后角为零的棱面，这种磨损形式叫后刀面磨损。常出现于加工脆性材料或切削速度和切削厚度较小状况下的塑性材料。于加工脆性材料或切削速度和切削厚度较小状况下的塑性材料。后刀面磨损的三个区域：后刀面磨损的三个区域：C C区：在近刀尖处磨损较大的区域，这是由于温度高、散热条件差而造区：在近刀尖处磨损较大的区域，这是由于温度高、散热条件差而造成的。其磨损量用高度成的。其磨损量用高度vcvc表示表示N N区：近待加工表面，约占全长区：近待加工表面，约占全长1/41/4的区域。在它的边界处磨出较长沟痕的区域。在它的边界处磨出较长
44、沟痕，这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等缘由造成的。它亦称，这是由于表面氧化皮或上道工序留下的硬化层等缘由造成的。它亦称边界磨损，磨损量用边界磨损，磨损量用VNVN表示。表示。B B区：在区：在C C、N N区间较匀整的磨损区。磨损量用区间较匀整的磨损区。磨损量用VBVB表示。其最大磨损带宽度表示。其最大磨损带宽度的用的用VBmaxVBmax表示。表示。3 3、前后刀面同时磨损、前后刀面同时磨损 前后刀面同时磨损是刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损。前后刀面同时磨损是刀具上同时出现前刀面和后刀面磨损。出现的场合：切削塑性金属时，接受中等切削速度和中等进给量较常出出现的场合：切削塑性金属时
45、，接受中等切削速度和中等进给量较常出现的磨损形式。现的磨损形式。后刀面磨损的场合：在切削脆性金属和切削厚度后刀面磨损的场合：在切削脆性金属和切削厚度hD hD 较小的塑性金属状况较小的塑性金属状况下。在生产中，较常见到的是后刀面磨损。下。在生产中，较常见到的是后刀面磨损。月牙洼磨损的场合：在高速、大进给（月牙洼磨损的场合：在高速、大进给（f f 0.5mm0.5mm）切削塑性金属时产）切削塑性金属时产生的。生的。二、刀具磨损缘由1.磨料磨损 切削时，工件或切屑中的微小硬质点以及积屑瘤碎片，不断滑擦前后刀面，划出沟纹，这就是磨料磨损。很像砂轮磨削工件一样，刀具被一层层磨掉。这是一种纯机械作用。2
46、.冷焊磨损 工件表面，切屑底面与前后刀面之间存在着很大的压力和猛烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。由于摩擦副的相对运动，冷焊结将被破坏而被一方带走，从而造成冷焊磨损。3.3.扩散磨损扩散磨损 在切削过程中，刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑在切削过程中，刀具后刀面与已加工表面、刀具前刀面与切屑底面相接触，由于高和顺高压作用，刀具材料和工件材料中的化学元底面相接触，由于高和顺高压作用，刀具材料和工件材料中的化学元素相互扩散，使两者的化学成分发生变更，这种变更减弱了刀具材料素相互扩散，使两者的化学成分发生变更，这种变更减弱了刀具材料的性能，使刀具磨损加快。的性能，使刀具磨损加快。4.4.氧化
47、磨损氧化磨损 当切削温度达到当切削温度达到700-800700-800时，空气中的氧在切屑形成的高温区时，空气中的氧在切屑形成的高温区与刀具材料中的某些成分发生氧化反应，生成较软的氧化物，从而使与刀具材料中的某些成分发生氧化反应，生成较软的氧化物，从而使刀具表层硬度下降，较软的氧化物被切屑或工件擦掉而形成氧化磨损。刀具表层硬度下降，较软的氧化物被切屑或工件擦掉而形成氧化磨损。5.5.热电磨损热电磨损 工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区将产生热电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨
48、损。三、磨损过程和磨钝标准三、磨损过程和磨钝标准 正常磨损状况下，刀具磨损量随切削时间增加而渐渐扩大。后刀面磨正常磨损状况下，刀具磨损量随切削时间增加而渐渐扩大。后刀面磨损过程大致分为三个阶段。损过程大致分为三个阶段。（1 1）初期磨损阶段（初期磨损阶段（段）：段）：在起先切削的短时间内，磨损较在起先切削的短时间内，磨损较快。这是由于刀具表面粗糙不平快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。一般或表层组织不耐磨引起的。一般初期磨损量为初期磨损量为0.05-0.10mm0.05-0.10mm，其，其大小与刀面刃磨质量有很大关系。大小与刀面刃磨质量有很大关系。（2 2）正常磨损阶段（）正
49、常磨损阶段（段）：段）：随着切削时间增加，磨损量以较匀整的速度加大。这是随着切削时间增加，磨损量以较匀整的速度加大。这是由于刀具表由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强削减所致。面磨平后，接触面增大，压强削减所致。ABAB线段基本上呈直线段基本上呈直线，单位时线，单位时间内磨损量称为磨损强度，该磨损强度近似为常数。间内磨损量称为磨损强度，该磨损强度近似为常数。（3 3）猛烈磨损阶段（）猛烈磨损阶段（段）：段）：磨损量达到确定数值后，磨损急剧加速继而刀具损坏。这磨损量达到确定数值后，磨损急剧加速继而刀具损坏。这是由于切是由于切削时间过长，磨损严峻，切削温度剧增，刀具强度、硬度降削时间过长，磨损严峻
50、，切削温度剧增，刀具强度、硬度降低所致。低所致。明显，刀具一次磨刀后的切削时间应限制在达到急剧磨损明显，刀具一次磨刀后的切削时间应限制在达到急剧磨损阶段以前阶段以前完成。假如超过急剧磨损阶段接着切削，就可能产生冒火花、完成。假如超过急剧磨损阶段接着切削，就可能产生冒火花、振动、啸振动、啸叫等现象，甚至产生崩刃或造成刀具严峻破损。叫等现象，甚至产生崩刃或造成刀具严峻破损。2.2.刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准刀具磨损到确定限度就不能接着运用。这时刀具的磨损量称刀具磨损到确定限度就不能接着运用。这时刀具的磨损量称为磨损限度为磨损限度或磨钝标准。由于后刀面磨损是常见的，且易于限制和测量，或磨钝标准。由