《机械制造技术》切削过程及其控制.ppt

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1、切削过程及其控制,切削过程是刀具和工件材料相互作用，刀具从工件表面上 切去多余材料得到预期零件表面的过程。 第一节 金属切削刀具基础 第二节 金属切削过程中的变形 第三节 切屑的类型及控制 第四节 切削力 第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损和刀具寿命 第七节 刀具几何参数和切削用量的合理选择 第八节 磨削原理,一、 金属切削加工的基本概念 二、 刀具角度 三、 刀具材料,第一节 金属切削刀具基础,一、金属切削加工的基本概念,（一）切削运动与切削中的工件表面 1、主运动和进给运动 2、合成运动 3、切削中的工件表面 （二）切削用量 1、切削速度 2、进给量 3、背吃刀量 （三）切削层的参

2、数 1、切削层公称厚度 2、切削层公称宽度 3、切削层公称横截面积,用刀具切除工件，刀具和工件间必须有一定的相对运动，该运动由主运动和进给运动组成； 使刀具和工件产生相对运动以进行切削的运动，称为主运动，主运动的速度称为切削速度，用Vc表示； 使切削能持续进行，以形成所需工件表面的运动，称为进给运动，进给运动的速度称为进给速度，用Vf表示。,主运动和进给运动合成后的运动，称为合成切削运动； 外圆车削时，合成切削运动速度Ve的大小和方向由下式确定： Ve = Vc + Vf。,在切削过程中，工件有三个变化着的表面： 待加工表面，工件上即将被切除的表面； 已加工表面，切去多余材料后形成的新的工作表

3、面； 过渡表面，加工时切削刃正在形成的表面，它处于已加工表面和待加工表面之间。,切削用量三要素是： 切削速度 Vc； 进给量 f； 背吃刀量 Ap。,切削刃相对于工件的主运动速度为切削速度，计算时应选取刀刃上速度最高的点进行计算： 其中：d：完成主运动的工件（或刀具）的最 大直径（mm） n：工件（或刀具）的转速,工件或刀具每转一周（或每往复一次）时，两者在进给运动方向上的相对位移量为进给量，计算公式是： ： 进给速度 ：每齿进给量，单位是mm/z ：刀齿数 ：进给量，单位是mm/r。,刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量； 外圆车削的背吃刀量就是

4、工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离： ：工件上待加工表面直径（mm） ：工件上已加工表面直径（mm）,切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层； 切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。,切削层公称厚度 是指垂直于过渡表面度量的切削层尺寸： ：切削层公称厚度 ：主偏角 ：反映了切削刃单位长度上的切削负荷,切削层宽度 是指沿过渡表面度量的切削层尺寸； ：反映了切削刃参加切削的工作长度,切削层公称截面面积 是指切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积，对于车削：,切削刀具的种类繁多，结构各异，但是各种刀具具有共同的特征，外圆车刀是最基本、最典型的刀具，其切削部分与其他刀具刀齿的切削部分基本

5、相同，下面以车刀为例。 (一)刀具切削部分的构造,二、刀 具 角 度,刀具上承担切削工作的部分称为切削部分，它由六个基本结构要素组成：（3刀面2刃线1尖点） 前刀面，切屑沿其流出的刀具表面； 主后刀面，与工件上过渡表面相对的刀具表面； 副后刀面，与工件上已加工表面相对的刀具表面； 主切削刃，前刀面与主后刀面的交线，承担主要切削工作； 副切削刃，前刀面与副后刀面的交线，协同主切削刃完成切削工作，最终形成已加工表面； 刀尖，连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，是一段小圆弧或一段直线。,二、刀 具 角 度 (二)刀具的标注角度,1、刀具标注角度的参考系 2、刀具的标注角度 前角 后角（副后角） 主偏角

6、 副偏角 刃倾角 车刀的标注角度图 3、刀具的工作角度 进给运动对工作角度的影响 刀具安装位置对工作角度的影响,刀具要实现从工件上切除材料，就必须有一定的切削角度。切削角度决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标系。 组成刀具标注角度参考系的参考平面： 基面Pr，通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面； 切削平面Ps，通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面； 正交平面Po，通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。,前角 ：在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角；

7、前刀面在基面之下时前角为正值；前刀面在基面之上时前角为负值。,后角 ：在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角； 后角一般为正值。 副后角 ：在副正交平面内测量副后刀面与切削平面的夹角； 副正交平面为垂直于副切削刃在基面上投影的平面。,主偏角 ：在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹角。,副偏角 ：在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。,刃倾角 ：在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角； 在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值；主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。 外圆车刀的上述六个标注角度是独立的，它们的大小会之间影响切

8、削过程。,Po-Po,Po,Po,Po,Po,Po - Po,Ps,Ps向,vf,刀具角度标注图,横向进给运动对工作角度的影响： 纵向进给运动对工作角度的影响：,刀具安装高低对工作角度的影响； 刀杆中心线与进给方向不垂直对主偏角和副偏角的影响：,三、刀 具 材 料,（一）刀具材料的性能要求 （二）常用刀具材料 1、高速钢 2、硬质合金 （三）其他刀具材料 1、陶瓷 2、立方氮化硼 3、人造金刚石,较高的硬度和耐磨性； 足够的强度和韧性； 较高的耐热性； 良好的导热性和耐热冲击性能； 良好的工艺性。,高速钢是加入较多的钨（W）、钼（MO）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢； 高速钢具

9、有较高的硬度（6267HRC）和耐热性；在高温(500600C)下仍能切削；强度高、韧性好（常用材料中最好），可在有冲击、振动的场合应用； 高速钢制造工艺性好，适合制造各类刀具，尤其是形状复杂的刀具，如钻头、拉刀、齿轮刀具等，优于其它材料； 高速钢按性能分为普通高速钢和高性能高速钢； 普通高速钢的典型牌号有： W18综合性能好，M2抗弯性和韧性高，可承受较大冲击； 高性能高速钢的典型牌号有： M42综合性能好，501性能相当，成本较低； 加入钴、铝等合金元素后使耐热性好，高温硬度较高。,硬质合金是用高硬度、难熔的金属化合物和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品； 硬质合金的常温硬度达8

10、993HRA，在高温8001000还能进行切削，刀具寿命比高速钢高几倍至几十倍； 硬质合金的强度和韧性差，常温下冲击韧性是高速钢1/81/30，承受切削振动和冲击的能力较差； 常用于制造车刀和面铣刀，以及尺寸较小的复杂刀具；可采用整体制造，但其成本高，是高速钢的810倍。,ISO （国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类； 类（YT类）硬质合金由W，TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金；主要加工钢料；常用牌号有YT5，YT15等； K类（YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金；主要加工铸铁、有色金属及合金；常用牌号YG6，YG8等； M类 （YW类）硬质合金

11、是在WC，TiC，Co的基础上再加入TaC而成，有通用硬质合金之称，可加工铸铁、有色金属、钢料，高温合金和不锈钢；常用牌号YW1，YW2等。,用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类： 氧化铝（ ）基陶瓷，硬度高达9195HRA，耐磨性和耐热性好，但抗弯性和韧性差 ； 氮化硅（ ）基陶瓷，具有较高的抗弯性和韧性 。,立方氮化硼（CBN）是一种新型刀具材料； 立方氮化硼是由六方氮化硼经高温高压处理转化而成，硬度到达8000HV，仅次于金刚石； 立方氮化硼的化学稳定性好，高温下不与铁产生化学反应； 耐高温13001500 ，热稳定性好。,金刚石可分为：天然金刚石和人造金刚石，由于价格昂贵，工业上多用人造金

12、刚石； 人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成 ，硬度高达600010000HV，是目前已知的最硬物质，可用于加工硬质合金、陶瓷、铝合金等高硬度、高耐磨材料； 金刚石刀具不适于加工铁族元素，它和铁族元素的亲和力大，刀具寿命低。,第二节 金属切削过程中的变形,一、切屑的形成过程 二、切削变形程度 三、前刀面上的摩擦 四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 五、影响切屑变形的因素,一、切屑的形成过程,1、变形区的划分（三个变形区） 切削变形的力学本质，类似于工件材料受挤压而产生剪切滑移的塑性变形； 剪切角 2、切屑的受力分析,在直角自由切削下，作用在切屑上的力有： 前刀面

13、上的法向力Fn和摩擦力Ff； 剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs； 这两对力的合力相互平衡； Fn和Ff的合力是F，称为切屑形成力。 实验表明：剪切角 与切削力F有直接关系，剪切角大，剪切面积变小，切削省力；剪切角小，剪切面积变大，切削费力。,切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程，切削过程中，切削层金属的变形大致分为三个区域； 第一变形区：OA到OM线 ，产生塑性变形剪切滑移（近切削刃处切削层内形成的变形区）； 第二变形区：与前刀面接触的切削层内的变形区挤压摩擦，金属纤维化（切屑流出时，与前刀面接触的切屑底层受摩擦作用后产生的变形区）； 第三变形区：近切削刃处，已加工表面层

14、内的变形区挤压摩擦，金属纤维化与加工硬化（在已加工表面上与后刀面挤压摩擦形成的变形区）。,从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。,剪切面与切削速度方向的夹角。,挤压剪切应力剪切滑移塑性变形分离切屑。,二、切削变形程度,切削变形程度的三种表示方法： 1、变形系数 2、相对滑移 3、剪切角,即： 分析上式可知： 前角 增大时，剪切角 随之增大，变形减小； 摩擦角 增大时，剪切角 随之减小，变形增大。,三、前刀面上的摩擦,刀屑界面上正应力和切应力的分布 粘结接触区上各点的摩擦系数 粘结接触区平均摩擦系数,粘结区：属内摩擦。其内摩擦力与接触面积成正比，而与法向力无关； 滑动区：

15、遵循库仑定律，第二变形区通常以内摩擦为主。,粘结接触区上各点的摩擦系数： 式中 ：距切削刃X点处的正应力。,粘结接触区平均摩擦系数： 式中 ：分别为粘结接触区的摩擦力和正 压力； ：切削层公称宽度； ：粘结接触区平均正压力。,四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1、积屑瘤的形成 2、积屑瘤对切削过程的影响 积屑瘤对切削过程的影响 积屑瘤的防止和控制措施,刀屑面在法向力和切向力的作用下，由于接触峰点发生了强烈的塑性变形，破坏了峰点表面的氧化膜和吸附膜，使峰点发生了金属对金属的直接接触，同时由于峰点上发生了强烈的塑性变形，接触峰点的温度升高，从而使正在接触的峰点金属发生了焊接。高温只限于这些正在

16、接触的峰点，就整个摩擦物体温度并不高，因此，峰点的焊接称之为冷焊。冷焊在前刀面的金属称为积屑瘤； 在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块，它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2 3 倍，这块粘附在前刀面上的金属即为积屑瘤； 位置：第二变形区； 原因：摩擦塑性变形、堆积、硬化； 形成条件：切削塑性材料、中等速度、形成带状切屑。,积屑瘤对切削过程的影响： 使刀具实际前角变大，使切削力减小（有利）； 使切削厚度变化（先增大后减小），使切削力产生变化（不利）； 使加工表面粗糙度增大（不利） ； 对刀具寿命的影响，可代替刀刃切

17、削，有利于提高刀具寿命（有利）；积屑瘤脱落使刀刃表面颗粒脱落，使刀具磨损加剧（不利）； 积屑瘤对切削过程的影响有利有弊。,1 ）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域； 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； 3 ）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力； 4 ）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,五、 影响切屑变形的因素,1、工件材料 2、刀具前角 3、切削速度 4、切削层公称厚度,工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，使切屑和前刀面的接触面积减小，变形系数 将随之减小；b 、HBs 变形,刀具前角 增大，变形系数 随 的增

18、大而减小； 0 切屑流出的阻力 hch 变形；,在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度 越大，变形系数 越小。,在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度 越大，变形系数 越小。,第三节 切屑的类型及控制,1、切屑的类型 带状切屑，最常见的一种切屑。加工塑性材料时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下形成； 节状切屑，又称挤裂切屑。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时形成； 粒状切屑，又称单元切屑。在切屑形成过程中，剪切面上的剪应力超过了材料的断裂强度，切屑脱落即形成； 崩碎切屑，加工脆性材料时，材料抗拉强度较低，在刀具作用下即脆断，形成形状不规则的切屑。,2、切屑

19、的控制 不良的切屑形状会影响生产的正常进行，有的四处飞溅，影响安全；有的缠绕在刀具和工件上，易造成事故，控制切屑具有重要意义； 切屑经加工变形后，硬度增加性能变脆，碰到刀具、工件等物时，容易折断； 研究表明，工件材料脆性越大，切削厚度越大，切削卷曲半径越小，切削就越容易折断。 可采取以下措施对切屑实施控制： 采用断屑槽，对切屑施加一定的约束力； 改变刀具角度：增大主偏角，加大切削厚度，有利于断屑；减小前角，切屑易折断；刃倾角控制切屑的流向； 调整切削用量，提高进给量使切削厚度增大，对断屑有利，但会增大加工表面粗糙度。,前角较大时，采用C）型断屑槽刀具的强度较好。,b)外斜式能在较宽的切削用量范

20、围内实现断屑； c)内斜式断屑范围窄； a)平行式介于两者之间。,一、切削力、切削合力与分力、切削功率 二、切削力的测量及切削力经验公式 三、影响切削力的因素,第四节 切削力,1、切削力 切削力的来源 2、切削合力及分解 3、切削功率 4、单位切削力的概念,二、切削力的测量及切削力经验公式 三、影响切削力的因素,切削力的来源： 1 ）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； 2 ）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。,为了便于测量和应用，将作用在刀具切削部位上的合力 F 分解为三个互相垂直的分力； ：切削力（也称切向力、主切削力），垂直于基面，与vc方向一致；是

21、计算切削功率和设计机床的主要参数； ：背向力（也称切深抗力、径向力），平行于基面，与进给方向垂直；使加工系统产生变形，对加工精度影响最大； ：进给力（也称轴向力），平行于基面，与进给方向平行；是设计机床进给系统或校核强度的主要参数。 三个分力中， 最大； 约0.150.7 ； 约0.10.6 ；,消耗在切削过程中的功率为切削功率PC（kW)； 因为在 方向上的位移很小，可忽略，近视认为其不作功，切削功率为 、 所消耗功率之和； 计算公式中第二项与第一项比很小，1%，忽略。,单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用 kc（N/mm2）表示。,1、切削力的测量 目前日常用的测力仪有电阻式测力仪和压

22、电式测力仪； 在自动化生产中，还可以用测力系统测得的切削力信号实时监控和优化切削过程。 2、切削力经验公式 生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式。 3、计算例题,1、工件材料的影响 2、切削用量的影响 背吃刀量和进给量 切削速度 3、刀具几何参数的影响 4、刀具磨损 5、切削液 6、刀具材料,工件材料的强度、硬度越高，切削力越 大； 切削脆性材料时，由于其塑性变形和与前刀面的摩擦都比较小，切削力相对较小。,背吃刀量 增大时，变形系数 不变，切削 力成正比增大； 进给量 f 增大时， 有所下降，故切削力不成正比增大；,加工塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内，随着vc的增大，切削力减小；

23、 在产生积屑瘤的情况（5m/minvc27m/min)，当积屑瘤处于生长期时，切削力下降；当积屑瘤处于消退期，切削力上升； 如图是加工塑性金属得到的实验曲线：,加工塑性材料时，刀具前角对切削力的影响较大；加工脆性材料时，其影响不明显；,为了提高刀尖部位强度，改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角的棱台（负倒棱）； 负倒棱对切削力的影响与其所起的作用有关。,后刀面磨损增大时，后刀面的法向力和摩擦力都增大，切削力增大。,使用以冷却作用为主的切削液对切削力影响不大； 使用润滑作用强的切削液（如切削油）可使切削力减小。,刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小，使切削力变化； 用陶瓷刀具

24、比用硬质合金刀具的切削力小；用高速钢刀具的切削力大于用陶瓷刀具和硬质合金刀具的。,第五节 切削热和切削温度,一、切削热的产生与传导 二、切削温度的测量 三、影响切削温度的主要因素,切削热与切削温度是切削过程中产生的又一物理 现象；切削时做的功，可转化为等量的热。切削 热除少量散逸在周围介质中，均传入刀具、切屑 和工件中，引起工件变形，加剧刀具磨损。 切削热来源于两个方面： 切削层金属发生塑性和弹性变形所消耗的能量； 切屑与前刀面、工件与后刀面间的摩擦热； 切削过程中的三个变形区就是三个发热区； 切削热公式； 影响散热的主要因素。,切削热是通过切削温度对工件和刀具产生作用 的。切削区域温度的高低

25、，决定于该处切削热的多 少和散热的快慢。 切削温度是由切削时消耗总功形成热量引起的。单位时间产生的切削热： Qc = Fc * Vc (J /S) Qc：单位时间产生的切削热 FC：主切削力（N） V c：切削速度（m / s）,切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质向外传导，影响散热的主要因素是： 工件材料的导热系数，工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去热量多，切削区的温度低； 刀具材料的导热系数，热量向刀具内部的传导快，切削区的温度低； 周围介质，采用切削液能有效地降低切削区温度。 相关数据表明： 车削加工时，切削热中5086%由切屑带走，40%10%传入车刀， 93传入工件， 1左右

26、通过辐射传入空气。切削速度越高，切削厚度越大，则由切屑带走的热量越多。 钻削加工时，28的切削热由切屑带走，14.5传入刀具，52.5传入工件，5左右传入周围介质。,二、切削温度的测量 测量切削温度的方法较多，有热电偶法、热辐射法、红外线法等，其中热电偶法属近似测量，但其装置简单、测量方便，是较为常用的测温方法； 自然热电偶法，用于测定切削区域的平均温度； 人工热电偶法，用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，以求得温度分布场和最高温度的位置， 刀具、切屑和工件的温度分布。,三、影响切削温度的主要因素,1、切削用量对切削温度的影响 2、刀具几何参数对切削温度的影响 3、工件材料对切削温度的影响

27、 4、刀具磨损对切削温度的影响 5、切削液对切削温度的影响,切削用量是影响切削温度的主要因素，车削时：,Vc，前刀面的摩擦热来不及传导，散热条件较差，对切削温度影响最大； f ，切屑变厚，由切屑带走的热量增多，散热条件有所改善，对切削温度影响不如Vc大； ap ，刀刃工作长度增大，散热条件显著改善，对切削温度影响较小。,前角增大，切削变形和摩擦减小，切削力减小，切削温度下降。,主偏角减小，切削刃工作长度增大，散热条件变好，切削温度下降。,工件材料的强度和硬度高，产生的切削热多，切削温度高。工件材料的导热系数小时，热量散逸慢，切削温度相对较高； 合金钢导热系数较小，产生的切削温度可高于45钢30

28、%；不锈钢的强度、硬度较低，但导热系数较45钢低3倍，则切削温度可高于45钢40% ；切削灰铸铁等脆性材料时，由于切削变形小，摩擦小，切削温度一般较切削钢时低，比45钢约低25% 。,刀具磨损使切削刃变钝，切削变形增大，摩擦加剧，切削温度上升。,使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切削温度，提高刀具寿命。,第六节 刀具磨损和刀具寿命,一、刀具磨损形态和磨损机制 1、刀具磨损的形态 2、刀具磨损机制 二、刀具磨损过程及磨钝标准 1、刀具磨损过程 2、刀具的磨钝标准 三、刀具寿命 1、刀具寿命的定义 2、刀具寿命的经验公式 刀具寿命的选用 制定刀具寿命的注意事项 四、刀具的破损,刀具磨

29、损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类； 正常磨损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产生的磨损； 非正常磨损指刀具在切削过程中突然或过早产生破坏现象，主要有破损（刀面或刀刃产生裂纹、碎裂）和卷刃（刀面或刀刃产生塌陷、隆起等塑性变形）； 刀具正常磨损形态：前刀面磨损（月牙洼磨损）、后刀面磨损、边界磨损。,后刀面磨损：由于后刀面和加工表面的强烈摩擦，靠近切削刃部位会磨出小棱面，分为三个区域，刀尖附近磨损大，中间磨损均匀；远离刀尖处边界磨损。,前刀面磨损：切屑在前刀面上流出，由于摩擦的作用，在前刀面上近切削刃切削温度最高处，会有月牙洼磨损，使切削刃强度降低，易

30、导致崩刃；,在生产中，较常见到的是后刀面磨损，尤其是在切削脆性材料和切削厚度较小的情况下； 前刀面磨损（月牙洼磨损）通常是在高速、大进给量（f 0.5mm/r)切削塑性材料时产生的。,切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的，因此，形成刀具磨损机制非常复杂，涉及到机械、物理、化学和相变等的作用； 刀具磨损机制：硬质点划痕、冷焊粘结、扩散磨损、化学磨损。,硬质点划痕：由工件材料中所含的碳化物、氮化物、氧化物等硬颗粒以及积屑瘤碎片等在刀具表面上划出沟纹形成，在各种切削速度下都存在硬质点划痕，是低速刀具产生磨损的主要原因； 冷焊粘结：切屑与前刀面由于高温高压的作用，切屑底层材料与前刀面发生冷焊粘结，

31、刀具表面微粒被切屑粘走造成刀具粘结磨损，是中等偏低速度产生磨损的主要原因； 扩散磨损：刀具后刀面与工件已加工面、切屑底层与前刀面在高温高压的作用下，刀具材料和工件材料中化学元素相互扩散，削弱了刀具材料的性能，加快了刀具的磨损。在高温下产生扩散磨损，随温度升高而加剧； 化学磨损：在一定温度下，刀具材料与周围介质起化学作用，使刀具表面形成硬度较低的化合物，造成刀具材料磨损，主要发生在较高切削速度条件下。,正常磨损情况下，刀具磨损量随着时间增加而逐渐扩大； 刀具磨损过程分为三阶段：初期磨损阶段、正常磨损阶段、急剧磨损阶段； 初期磨损阶段，新刀刃投入使用，刀具后刀面承受的正压力较大，加上后刀面微观凹凸

32、不平，刀具磨损速度很快； 正常磨损阶段，经初期磨损，刀具后刀面与工件接触面积增大，后刀面微观凹凸不平被磨平，刀具磨损速度变慢，是刀具的有效工作阶段； 急剧磨损阶段，刀具磨损量增加到一定程度，切削力、切削温度急剧加大，刀具磨损速度加快，直到丧失切削能力。应在此之前应更换刀具。,刀具磨损到一定限度就不能继续使用了,这个磨损限度称为刀具的磨钝标准； 由于通常刀具的后刀面都会发生磨损，ISO规定了刀具的磨钝标准：以1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准； 精加工时磨钝标准取较小值，粗加工时取较大值；工艺系统刚性差时，磨钝标准取较小值；切削难加工材料时，磨钝标准也要取较小值。,自

33、动化生产中的精加工刀具，为保证工件的尺寸精度，常以刀具径向尺寸磨损量NB作为标准。,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，称为刀具寿命，用T表示； 一把新刀往往要经过多次重磨才会报废，刀具寿命是指两次刃磨之间所经历的时间； 用刀具寿命乘以刃磨次数，得到的就是刀具总寿命。,试验结果表明：切削速度是影响刀具磨损的主要因素。,切削用量对刀具寿命的影响顺序（vc f ap)与对切削温度的影响完全一致； 切削用量与刀具寿命密切相关，刀具寿命T选得高，切削用量就要取得小，使切削效率降低；反之，使换刀次数增多，刀具消耗变大； 确定刀具寿命的原则： 按单件工序时间最少的原则确定

34、的刀具寿命叫最高生产率刀具寿命； 按单件工艺成本最低的原则确定的刀具寿命叫最小成本刀具寿命。,比较最高生产率刀具寿命和最小成本刀具寿命的计算式可以得出：后者大于前者，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。 刀具寿命的选用： 一般情况下，应采用最小成本刀具寿命； 在生产任务紧迫或生产中出现节拍不平衡时，可选用最高生产率刀具寿命。,制定刀具寿命时，还应具体考虑以下几点： 1）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； 2）多刀车床的车刀，组合机床床上的钻头、丝锥和铣刀，自动机及自动线上的刀具，刀具寿命应规定的高些； 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

35、些，以提高该工序的生产节拍；某工序单位时间的生产成本较高时，刀具寿命应规定得低一些，以选用较大的切削用量； 4）精加工大型工件时，刀具寿命应规定的高些，以保证在一次走刀中不换刀。,刀具的破损是相对于磨损而言的，两者都是在切削力和切削热的作用下发生的；磨损是逐渐发展的过程，破损是突发的。 刀具的破损形式有脆性破损和塑性破损： 硬质合金刀具和陶瓷刀具在切削时，由于机械应力和热应力冲击作用下，常发生的损坏形态为脆性破损，有：崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等； 塑性破损发生在刀具前刀面与切屑、后刀面与工件接触面上，由于过高的温度和压力的作用，刀具表层材料发生塑性流动而丧失切削能力。抗塑性破损取决于刀具材料

36、的硬度和耐磨性，高速钢耐热性较差，易发生这种破损；硬质合金刀具和陶瓷刀具则不易发生。,第七节 刀具几何参数和切削用量的合理选择,一、刀具几何参数的选择 二、切削用量的选择原则,一、刀具几何参数的选择,刀具的切削性能主要由刀具材料的性能和刀具几何参数 两方面决定。 当刀具材料和刀具结构确定后，合理选择和改进刀具几 何参数是保证加工质量、提高效率、降低成本的有效途径。 1、前角 选择原则 2、后角 选择原则 3、主偏角、副偏角 选择原则 4、刃倾角 选择原则,前角 影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度；增大前角可以减小切削变形，降低切削力和切削温度，但过大的前角会使刀刃强度下降，刀头散

37、热体积减小而温度上升，刀具寿命下降； 前角选择原则：在刀具强度许可条件下，尽量选用大的前角；对于成型刀具（车刀、铣刀、齿轮刀具），减小前角可以减少刀具截形误差，提高零件加工精度； 前角的大小应由工件材料、刀具材料和加工工艺要求决定；,工件材料的强度、硬度较低时，前角应取得大些，反之应取较小的前角； 加工塑性材料宜取较大的前角，加工脆性材料宜取较小的； 刀具材料韧性好时宜取较大前角，反之取较小前角； 粗加工时，应取小前角；精加工时，取较大前角； 工艺系统刚性差时，应取较大前角； 用硬质合金刀具加工一般钢时， =10 20；加工铸铁时， = 8 12 ； 前角范围 为-10 30。,后角 影响切削

38、中的摩擦和刀具强度，较大的后角可以减小刀具后刀面与工件之间的摩擦，提高已加工表面质量；过大的后角会削弱切削刃强度，减小刀头散热体积，使刀具寿命降低； 后角选择原则是：在粗加工以确保刀具强度为主，在4 6范围内选取 ；精加工时以保证加工表面质量为主，一般取6 8； 普通车刀的 副后角做成与主后角相等； 后角 范围4 12。,切削厚度较小时，宜取较大的后角； 粗加工、强力切削及承受冲击载荷的刀具，宜取较小后角； 工件材料硬度、强度较高时，宜取较小的后角； 工件材料较软、塑性较大时，宜取较大后角； 切削脆性材料，宜取较小后角； 对尺寸精度要求高的刀具，宜取较小的后角； 车削一般钢和铸铁时，车刀后角通

39、常取为 6 8 。,主偏角 主要影响切削宽度和切削厚度的比例，影响加工表面粗糙度，并影响刀具强度；副偏角 主要影响加工表面的粗糙度和刀具强度； 减小主偏角和副偏角，可以使已加工表面残留面积的高度减小，加工粗糙度减小；同时又可以提高刀尖强度，改善散热条件，提高刀具寿命； 增大主偏角是控制断屑的一个重要措施； 主偏角选择原则是：工艺系统刚性较差时，为减小切削力，宜取较大的主偏角；工艺系统刚性较好时，则宜取较小主偏角；工件材料硬度、强度较高时，为提高刀具寿命，宜取较小主偏角。,副偏角选择原则是：在不产生摩擦和振动的条件下，应取较小的副偏角； 工件强度、硬度高或刀具作断续切削时，宜取较小副偏角；精加工

40、时，宜取较小副偏角；工件强度、硬度高或刀具作断续切削时，宜取较小副偏角； 车削阶梯轴取 = 90；车削外圆又车削端面时取 = 45； 一般刀具的主偏角取15 95；副偏角取15 25。,刃倾角 主要影响切屑的流向和刀具强度； 副刃倾角的车刀刀头强度好，散热条件也好；绝对值较大的刃倾角可使切削刃实际钝圆半径较小，使切削刃锋利；切削刃不为零时，刀刃是逐渐切入切出的，可减小对刀具的冲击，提高加工平稳性； 刃倾角的选择原则是：根据刀具强度、切屑流向和加工条件而定，通常范围-30 5；,二、切削用量的选择原则,合理切削用量 1、切削用量与生产效率、刀具寿命的关系 结论 2、切削用量的选择原则 3、切削用

41、量三要素的选择 背吃刀量 进给量 切削速度 确定切削速度的注意事项 例2-2,切削用量的选择对生产率、加工成本和加工质量均有重要作用； 合理的切削用量是指在保证加工质量的前提下，能取得较高的生产效率和较低成本的切削用量； 约束切削用量选择的主要条件有：工件的加工要求；刀具材料的切削性能；机床性能；刀具寿命。,切削用量三要素均与Q保持线性关系，即三者对机床切削效率影响的权重是完全相同的； 从提高生产率考虑，切削用量三要素中任一要素提高一倍，机床效率均提高一倍； 三者对刀具寿命的影响却是完全不同的，对刀具寿命影响大小的顺序依次是：vcfap。,在保持刀具寿命一定的条件下，提高背吃刀量比提高进给量的

42、生产效率高，比提高切削速度的生产效率更高。,选择切削用量的基本原则： 首先选取尽可能大的背吃刀量 ap； 其次根据机床进给机构强度，刀杆刚度等限制条件（粗加工时）或已加工表面粗糙度要求（精加工时），选取尽可能大的进给量 f ； 最后根据“切削用量手册“查取或根据公式计算确定切削速度V c。,背吃刀量根据加工余量确定； 粗加工时，除了留给下一道工序的余量外，一次走刀尽可能切除掉全部余量，有时ap可达810mm； 有时需要分几刀切，加工余量太大；工艺系统刚性不足；断续切削；切削层表层有硬皮等； 半精加工时， ap可取为0.5 2mm；精加工时， ap可取为0.1 0.5mm。,进给量 f 的选取要

43、分粗加工和精加工两种情况，粗加工时，合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量；半精加工和精加工时，主要根据表面粗糙度要求选择进给量； 限制粗加工进给量的因素有：机床进给机构的强度、刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度等； 限制精加工进给量的主要因素是：表面粗糙度和加工精度要求。,1 ）精加工时，应尽量避开产生积屑瘤的速度区； 2 ）作断续切削，应适当降低切削速度； 3 ）在易产生振动的情况下，机床主轴转速应选择能进行稳定切削的转速区进行； 4 ）加工大件、细长件、薄壁件以及带铸、锻外皮的工件时，应选较低的切削速度。,根据CA6140型车床主轴转速数列，取n=710r/min； 故实际

44、切削速度为： Vc=3.14*（68 - 6）*710/1000 = 138m/min； 因半精车中ap和 f 均不大，在通常条件下，可不校核机床功率和机床进给机构强度。,第八节 磨削原理,一、砂轮的特性和选择 1、磨料 2、粒度 3、结合剂 4、硬度 5、组织 6、砂轮形状 砂轮特性的表示 二、磨削过程 三、单颗磨粒的切削厚度 单颗磨粒的最大切削厚度 单颗磨粒的切削厚度变化对磨削过程的影响 四、磨削温度,砂轮是用结合剂把磨粒粘结起来，经压坯、干燥、焙烧及修整而成，它的特性决定于磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等； 砂轮的特性主要由磨料、粒度、结合剂、硬度、组织及形状尺寸等因素所决定。

45、,磨料是砂轮的主要成分，直接担负切削作用，除了应锋利之外，还要有高硬度、高耐热性和韧性，常用的有三类：,粒度表示磨料颗粒的尺寸大小，分为磨粒和微粉，以其能够通过的筛网上每英寸长度上的孔数来表示；粒度号越大，磨粒越细；粒度直径=40um，称为微粉； 粗磨加工选用颗粒较粗的砂轮，精磨选用细的；砂轮与工件接触面积大的选用颗粒较粗的砂轮。,结合剂的作用是将磨粒粘结在一起，形成有一定形状和强度的砂轮；砂轮的强度、耐热性、抗冲击性等性能主要取决于结合剂的性能； 常用的结合剂有四种类型：,砂轮的硬度是指磨粒在磨削力作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度； 砂轮硬度高，磨粒不容易脱落； 砂轮的硬度和磨粒的硬度是两

46、个不同的概念；,砂轮硬度过高，磨钝的磨粒不能及时脱落，使磨削温度升高而造成烧伤；砂轮太软则磨粒脱落太快，不能充分发挥磨削效能； 工件硬度高用较软的砂轮；砂轮与工件接触面积大选用较软的砂轮；精磨时选用较硬的砂轮；砂轮粒度号大选用较软的砂轮。,砂轮的组织是指磨粒，结合剂，气孔三者之间的比例关系； 磨粒在砂轮体积中所占的比例越大，组织越紧密，气孔越小；反之，磨粒的比例小，组织越疏松；,砂轮特性的表示： 13003075 A60L5V 35m /s 表示为平行砂轮（1），外径为300mm，厚度为30mm，内径为75mm，磨料为棕钢玉（A），粒度为60号，硬度为中软2（L），组织号为5，结合剂为陶瓷（V

47、），最高圆周速度为35m/s。,磨削时砂轮表面上有许多磨粒参与磨削工作，每个磨粒都可以看做是一把小刀；磨粒以较大的负前角和钝圆半径对工件进行切削，初期不会切下切屑，在切削厚度达到一临界值后才开始切；磨粒对工件的作用有滑擦、耕犁和形成切屑三个阶段： 滑擦阶段，磨粒刚开始与工件接触时，由于切削厚度非常小，磨粒只是在工件上滑擦，砂轮和工件接触面上只有弹性变形和由摩擦产生的热量； 耕犁阶段，随着切削厚度逐渐加大，被磨工件表面开始产生塑性变形，磨粒逐渐切入工件表层材料中，表层材料被挤向磨粒的前方和两侧，工件表面出现沟痕；沟痕两侧产生隆起； 形成切屑，磨粒前面的金属产生明显的剪切滑移。,磨削过程中产生的沟

48、痕两测隆起现象，对磨削粗糙度有较大的影响； 增加磨削速度对减小隆起量有利。,单颗磨粒的切削厚度变化对磨削的影响： 单颗磨粒的切削厚度增大时，磨粒的切削负荷加重，磨削力增大，磨削温度升高，砂轮磨损加快，工件已加工表面质量变差。,由于磨削力比车削时大很多，切除相同体积的金属时，磨削所消耗的能量远远大于车削时的能量，并迅速转化为热能，使磨粒磨削点温度高达1000C至1400C，磨削区温度有几百度； 磨削温度对加工表面质量影响很大，应设法控制； 影响磨削温度的因素： 砂轮速度，砂轮速度提高，使磨削温度升高； 工件速度，工件速度提高，使磨削温度升高； 径向进给量，径向进给量增大，使磨削温度升高； 工件材料，磨削韧性大、强度高的材料，磨削区温度较高；磨削脆性材料则磨削区温度较低； 砂轮特性，选用低硬度砂轮磨削，磨削温度较低；选用粗粒度砂轮，磨削区温度较低。,