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1、金属切削的基本理论,第一章,下一页,金属切削的基本理论,1.1 切削运动与切削要素 1.2 金属切削刀具 1.3 金属切削过程的基本规律 1.4 切削参数及切削液的选择 1.5 常用工程材料,上一页,下一页,1.1 切削运动与切削要素,金属切削加工就是用具有一定几何形状的刀具把工件毛坯上的一部分金属材料（统称余量）切除，获得图样所要求的零件。在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对的切削运动，因此，掌握切削运动、刀具几何角度、切削用量和切削层参数等的基本定义，是学习本课程的基础。本章主要以外圆车削为例来讨论这些问题，但其定义也适于其它切削加工方法。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要
2、素,1.1.1 切削运动 金属切削加工时，刀具与工件之间的相对运动，称为切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动。以图1-1所示车削外圆为例来研究切削运动。,图1-1 切削运动和工件表面,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,1.1.1.1 主运动 主运动是切削时的主要运动。主运动可以由刀具完成,也可以由工件完成，其运动形式通常为旋转运动或直线运动, 如车削时工件的旋转运动，铣削时铣刀的旋转运动，钻削时钻头的旋转运动。一般地讲，主运动的速度最高，消耗的功率也最大，主运动只有一个。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,1.1.1.2 进给运动 进给运动是将被切削金属层不
3、断地投入切削，以切除工件表面上全部余量的运动。进给运动可以有一个或几个。进给运动由刀具或工件完成，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动。其运动形式一般有直线、旋转或两者的合成运动，它可以是连续的或断续的，消耗的功率也比主运动要小得多。,上一页,目录,下一页,1.1.1.3 工件表面 切削加工过程中，工件上有三个不断变化着的表面，如图1-1所示。 （1）已加工表面 工件上经刀具切削后产生的表面。 （2）待加工表面 工件上有待切除切削层的表面。 （3）过渡表面 主切削刃正在加工的表面称为过渡表面，它是待加工表面与已加工表面的连接表面。,1.1 切削运动与切削要素,上一页,目录,下一页,1.1
4、切削运动与切削要素,1.1.2 切削要素 1.1.2.1 切削用量 它包括切削速度、进给量和切削深度三个要素。 （1）切削速度 切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度。当主运动为旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度，由下式确定 式中 v 切削速度（ ）或（ ）； d 完成主运动的刀具或工件的最大直径（ ）； n 主运动的转速（ ）或（ ）。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,当主运动为往复直线运动（如刨削），则 式中 往复直线运动的行程速度（ ）； 主运动每秒或每分钟的往复次数（ ）或 （ ）。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,（2） 进给
5、量 进给量是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，刀具切削刃相对工件在进给运动方向上的移动量。车削时的进给量 是工件每转一转，切削刃沿进给方向的移动量，单位为 ，其进给速度 为 式中 进给速度（ ）或（ ）。 对于铣刀、铰刀等多齿刀具，还规定每齿进给量 ，即多齿刀具每转或每行程中每齿相对于工件在进给运动方向上的相对位移，单位为 。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,（3）切削深度 切削深度是指待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。车削时 式中 切削深度（ ）； 工件待加工表面直径（ ）； 工件已加工表面直径（ ）。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,1.1.2.2
6、 切削层参数 切削时，沿进给运动方向移动一个进给量所切除的金属层称为金属切削层。通过切削刃基点（通常指主切削刃工作长度的中点）并垂直于该点主运动方向的平面，称为切削层尺寸平面。在切削层尺寸平面内测定的切削层尺寸几何参数则称为切削层尺寸平面要素。现将各切削层参数的定义说明如下：,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,（1）切削层公称横截面积 它是指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，用 表示，即图1-2中AMCD所包围的面积。,图1-2 车削时的切削层尺寸,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,切削层公称横截面积 可按下式计算 其中， 称为残留面积，它构成
7、了已加工表面理论表面粗糙度的几何基形。,上一页,目录,下一页,1.1 切削运动与切削要素,（2）切削层公称宽度 它是指在给定瞬间，在切削层尺寸平面内，主切削刃截面上两个极限点间的距离。它大致反映了主切削刃参加切削工作的长度，对于直线主切削刃有以下近似关系,（3）切削层公称厚度 它是指在同一瞬间的切削层横截面积与其公称切削层宽度之比。即,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.1 刀具的种类 生产中所使用的刀具种类很多，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、自动线及数控机床刀具和磨具等几大类型；按所用材料分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方
8、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。常用刀具具体的结构、特点及使用等将后续章节中介绍。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.2 刀具的几何参数 各种刀具的切削部分在切削中所起的作用都是相同的，因此在结构上它们有着许多共同的特征。其中外圆车刀是最基本、最典型的切削刀具，其它各种刀具都可看成是车刀的演变和组合，如图1-3所示。这里以普通外圆车刀为例说明刀具切削部分的组成，并给出切削部分几何角度的一般性定义。,图1-3 刀具的切削部分,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.2.1
9、 刀具切削部分的组成 车刀由切削部分和刀柄组成。其中起切削作用的部分称切削部分，夹持部分称刀柄。图1-4表示了普通外圆车刀的组成情况。,图1-4 车刀的组成部分及各部分名称,1-刀柄 2-主切削刃 3-主后刀面 4-切削部分 5-刀尖 6-副后刀面 7-副切削刃 8-前刀面,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,切削部分由不同刀面和切削刃构成。现分述如下： （1）刀具表面 前刀面 刀具上切屑沿其流出的表面。 主后刀面 刀具上同前刀面相交形成主切削刃的表面，也是切削过程中与过渡表面相对的刀具表面。 副后刀面 刀具上同前刀面相交形成副切削刃的表面，也是切削过程中与已加工表面相对的刀具表面。,
10、上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（2）切削刃及刀尖 主切削刃 刀具前刀面与主后刀面的交线。它承担着主要的切削工作。 副切削刃 刀具前刀面与副后刀面的交线。它的一小部分也参与切削，主要起修光作用。 刀尖是主切削刃与副切削刃的交点。实际上刀尖是一段圆弧过渡刃。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.2.2 刀具切削部分的几何参数 （1）测量刀具角度的参考系 用于确定刀具几何角度的参考系主要有两大类，一类是用于定义刀具在设计、制造、刃磨和测量时刀具几何角度的参考系，称为刀具静止参考系，在刀具静止参考系中定义的刀具角度称为刀具的标注角度；另一类是规定刀具在进行切削加工时几何参
11、数的参考系，称为刀具工作参考系，该参考系考虑了切削运动和实际安装情况对刀具几何角度的影响，在该参考系中定义和测量的刀具角度称为刀具的工作角度。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（2）刀具静止参考系及刀具标注角度 刀具静止参考系 刀具静止参考系主要由以下基准坐标平面组成，如图1-5所示。,图1-5 刀具静止参考系的基准平面 a）正交平面与法平面参考系 b）假定进给平面与背平面参考系,1.2 金属切削刀具,a） 基面 通过主切削刃选定点并垂直于该点切削速度的平面。 b） 切削平面 通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。对应于主切削刃和副切削刃的切削平面分别称为主切削平面 和副
12、切削平面 。 c） 正交平面 通过主切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。 d） 法平面 通过主切削刃选定点并垂直于主切削刃的平面。 e） 假定工作平面 通过主切削刃选定点与基面垂直，且与假定进给方向平行的平面。 f） 背平面 通过主切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 刀具标注角度 车刀的主要角度有前角、后角、主偏角、副偏角和刃倾角等，如图1-6所示。,图1-6 车刀的主要角度,1.2 金属切削刀具,a）前角 在正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90时，前角为正，大于90时，前角为负。主要影响主切
13、削刃的锋利程度和刃口强度。 b）后角 在正交平面中测量的主后刀面与切削平面间的夹角。当后刀面与基面间的夹角小于90时，后角为正值，大于90时，后角为负值。主要影响刀具主后刀面与工件表面之间的摩擦，并配合前角改变切削刃的锋利程度与刃口强度。 c）主偏角 在基面中测量的主切削平面与假定工作平面间的夹角。主要影响切削刃工作长度和背向力的大小。 d）副偏角 在基面中测量的副切削平面与假定工作平面间的夹角。主要影响已加工表面的粗糙度。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,f）刃倾角 在切削平面中测量的主切削刃与基面之间的夹角。刃倾角主要影响切屑流向及刀尖强度。当刀尖相对车刀刀柄安装面处于最高点时
14、，刃倾角为正值；刀尖处于最低点时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为零度，此时切削刃在基面内。刃倾角对排屑的影响如图1-7所示。,图1-7 刃倾角及其对排屑方向的影响,1.2 金属切削刀具,除了以上五个基本角度外，刀具还有刀尖角、楔角两个派生角度。 楔角（0） 前刀面与主后刀面间的夹角，0=90（0+0）。 刀尖角（r） 主切削平面与副切削平面间的夹角。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.2.3 刀具工作参考系及刀具工作角度 为了较合理地表达在切削过程中起作用的刀具角度，应按合成切削运动方向来定义和确定刀具的参考系及其角度，即刀具工作参考系和工作角度。,上一页
15、,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（1）刀具工作参考系 工作基面 指过切削刃上选定点并与合成切削速度 垂直的平面。 工作切削平面 指过切削刃上选定点与切削刃相切、并垂直于工作基面的平面。 工作正交平面 指过切削刃上选定点并同时与工作基面和工作切削平面相垂直的平面。 工作平面 指过切削刃上选定点且同时包含主运动速度和进给运动速度方向的平面。它垂直于工作基面。 工作法平面 与法平面 定义相同。,1.2 金属切削刀具,（2）刀具工作角度 工作前角 在工作正交平面 内测量的工作基面与前刀面间的夹角。 工作后角 在工作正交平面 内测量的工作切削平面与后刀面间的夹角。 工作侧前角 在工作平面 内测量的
16、工作基面与刀具前刀面间的夹角。 工作侧后角 在工作平面 内测量的工作切削平面与刀具后刀面间的夹角。,1.2 金属切削刀具,在一般安装条件下，多数情况（如普通车削、镗孔、端铣等）一般不计算工作角度，也不考虑其影响。只有在一些特殊情况（如车螺纹或丝杠、铲削加工等角度变化值较大时）下，才需要计算工作角度。所以刀具工作参考系和工作角度的其它内容就不详述了，用到时可查阅有关资料。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.2.4 刀具安装位置对几何角度的影响 为了说明问题方便，以下讨论在过刀尖的背平面内进行。,图1-8 外圆车刀背平面中刀尖位置对工作角度的影响 a）刀尖高于工件中心 b）刀尖低
17、于工件中心,1.2 金属切削刀具,车外圆时，如图1-8（a）所示，当刀尖安装位置高于工件中心时，过刀尖M点的工作基面应和M点的切削速度方向垂直，而不再平行于刀柄安装平面。过刀尖M点的工作切削平面应和M点的切削速度方向一致，即和过M点的圆周面相切，而不再垂直于刀柄安装平面。它们相对于刀具静止参考系中的基面 和切削平面 转过了 角，从而使工作背前角 比背前角 增大 角，工作背后角 比背后角 【 减小 角。当刀尖安装位置低于工作中心时，则情况相反，【增大 角， 减小 角，如图1-8（b）所示。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,车内孔时，当车刀刀尖安装高于工件中心时（图1-9（a），工作背
18、前角比背前角减小 角，工作背后角比背后角增大 角。当车刀刀尖安装低于工件中心时（图1-9（b），工件背前角和工作背后角的变化与上述情况相反。,图1-9 车孔刀背平面中刀尖安装高低对工作角度的影响 a）刀尖高于工件中心 b）刀尖低于工件中心,1.2 金属切削刀具,此外，当刀柄中心线与进给方向不垂直时，工作主、副偏角也将较主、副偏角发生变化，如图1-10所示。,图1-10 车刀安装偏斜对主偏角和副偏角的影响,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.3 刀具材料 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内
19、容之一。 1.2.3.1 刀具材料应具备的性能 金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度。即刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（1） 硬度高 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度。一般要求刀具材料的常温硬度必须HRC62以上。 （2） 足够的强度和韧性 刀具切削部分的材料在切削时承受着很大的切削力和冲击力，因此刀具材料必须要有足够的强度和韧性。 （3） 耐磨性和耐热性好 刀具在切削时承受着剧烈的摩擦，因
20、此刀具材料应具有较强的耐磨性。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系，其耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的能力来衡量（热硬性）。耐热性越好，允许的切削速度越高。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（4）导热性好 刀具材料的导热性用热导率单位为 表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。 （5） 具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（4）导热性好 刀具材料的导热性用热导率单位为 表示。热导率大，表
21、示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。 （5） 具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（4）导热性好 刀具材料的导热性用热导率单位为 表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。 （5） 具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.3.2
22、 常用刀具材料 刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表1-1,表1-1常用刀具材料的主要性能及用途,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,表1-1常用刀具材料的主要性能及用途,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,表1-1常用刀具材料的主要性能及用途,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（1） 高速钢 高速钢是一种含钨（W）、钼（MO）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素较多的高合金工具钢。由于合金元素与碳原子的结合力很强，使钢在550600时仍能保持高硬度，从而使切削速度比碳素工具钢和合金工具钢成倍提高，故得名“高速钢
23、”，又名“风钢”或“锋钢”。 高速钢刀具制造工艺简单，容易磨出锋利的刃口，广泛用于制造切削速度较高、形状复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀及齿轮刀具等。 高速钢按化学成分可分为钨系、钼系（含MO2%以上）；按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 普通高速钢 普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有： a） W18Cr4V（简称W18） 属钨系高速钢，具有较好的切削性能，是我国最常用的一种高速钢。 b） W6Mo5Cr4V2（简称M2） 属钼系高速钢，碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但其磨削性能较差，我国
24、目前主要用于热轧刀具，如麻花钻等。 c） W9Mo3Cr4V（简称W9） 是一种含钨量较多，含钼量较少的钨钼系高速钢。其碳化物不均匀性介于W18和M2之间，但抗弯强度和冲击韧度高于M2。具有较好的硬度和韧性，其热塑性也很好，可用于制造各种刀具（如锯条、钻头、拉刀、铣刀、齿轮刀具等）。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,硬质合金的常温硬度很高（8993HRA，相当于7882HRC）。耐熔性好，热硬性可达8001000以上，允许的切削速度比高速钢提高47倍，刀具寿命高58倍，是目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。但它的抗弯强度和韧性均较低，性脆，怕冲击和振动，工艺性也不如高速钢
25、。因此，硬质合金常制成各种形状的刀片焊接或夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀体上使用。 我国目前常用的硬质合金主要有以下三类：,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，用调整其基本化学成分和添加一些其它合金元素（如钒、钴、铅、硅、铌等）的办法，着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。它主要用来加工不锈钢、耐热钢、高温合金和超高强度钢等难加工材料。主要有以下几种： a） 钴高速钢 钴高速钢是在高速钢中加入钴，常用牌号是W2Mo9Cr4Co8（简称M42），具有良好的综合性能，允许的切削速度较高，有一定的韧性，可磨削性好，可用于切削高温合金、不锈钢
26、等难加工材料。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 钨钴类硬质合金 由WC和Co组成，代号为YG。常温硬度为8991HRA，耐热性达800900，适用于加工切屑呈崩碎状的脆性材料。常用牌号有YG3、YG6和YG8等，其中数字表示含Co的百分比，其余为含WC的百分比。钴在硬质合金中起粘结作用，含Co愈多的硬质合金韧性愈好，所以YG8适于粗加工和断续切削，YG6适于半精加工，YG3适于精加工和连续切削。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 钨钛钴类硬质合金 由WC、TiC和Co组成，代号为YT。此类硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性（9001000）均比YG类合金高，但抗弯强度和冲
27、击韧度降低。主要适于加工切屑呈带状的钢料等韧性材料。常用牌号有YT30、YT15和YT5等，数字表示含TiC的百分比。故YT30适于对钢料的精加工和连续切削，YT15适于半精加工，YT5适于粗加工和断续切削。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 钨钛钽（铌）钴类硬质合金 又称通用合金，由WC、TiC、TaC（NbC）TCo组成，代号为YW。其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大提高。常用牌号有YW1和YW2，这两种硬质合金都具有YG类硬质合金的韧性，比YT类硬质合金的抗刃口剥落能力强。由于YW类硬质合金的综合性能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要
28、用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（3） 其它刀具材料 陶瓷材料 陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂。也是采用粉末冶金工艺方法经制粉，压制烧结而成。 陶瓷刀具有很高的硬度（9195HRA）和耐磨性，刀具耐用度高；有很好的高温性能，化学稳定性好，与金属亲和力小，抗粘结和抗扩散能力好；具有较低的摩擦系数，在高速精车和精密铣削时，被加工工件可获得镜面效果。陶瓷刀具的最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧度低，承受冲击负荷的能力差。 主要用于对钢料、铸铁、高
29、硬材料（如淬火钢等）连续切削的半精加工或精加工。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 人造金刚石 人造金刚石是在高温高压和金属触媒作用的条件下，由石墨转化而成。 金刚石刀具的性能特点是：有极高的硬度和耐磨性，切削刃非常锋利，有很高的导热性。但耐热性较差，且强度很低。 主要用于高速条件下精细车削及镗削有色金属及其合金和非金属材料。但由于金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力，故金刚石刀具不适合加工铁族材料。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具, 立方氮化硼（简称CBN） 是用六方氮化硼（俗称白石墨）为原料，利用超高温高压技术，继人造金刚石之后人工合成的又一种新型无机超硬材料。
30、其主要性能特点是：硬度高（高达80009000HV），耐磨性好，能在较高切削速度下保持加工精。热稳定性好，化学稳定性好，且有较高的热导率和较小的摩擦系数，但其强度和韧性较差。 主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁等材料进行半精加工和精加工。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.4 刀具的磨损与刀具耐用度 1.2.4.1 刀具的磨损形态 刀具磨损是指刀具摩擦面上的刀具材料逐渐损失的现象。刀具磨损分为正常磨损与非正常磨损两类。正常磨损是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。刀具正常磨损的形态一般有以下三种，如图1-11所示。,图1-1
31、1 刀具磨损形态,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（1） 前刀面磨损 切屑沿前刀面流出时，由于摩擦、高压、高温的作用，使刀具前刀面上靠近主切削刃处磨损出洼凹（称为月牙洼），月牙洼产生的地方是在切削温度最高的地方。磨损量的大小用月牙洼的宽度KB和深度KT表示，如图1-11b、c所示，它是在高速、大进给量切削塑性材料时产生的。 （2）后刀面磨损 由于切削刃的刃口钝圆半径对加工表面的挤压和摩擦，在连接切削刃的的后刀面上磨出一后角等于零的小棱面，这就是后刀面磨损，磨损量只用VB表示，如图1-11（ a）所示。它是在切削速度较低、切削厚度较小的情况下，切削脆性材料时产生的。,1.2 金属切削
32、刀具,（3）前、后刀面同时磨损 在切削过程中，由于振动、冲击、热效应等异常原因，导致刀具突然损坏的现象（如崩刃、碎裂等）称为非正常磨损。 1.2.4.2 刀具磨损的原因及减轻措施 （1） 磨料磨损 在车削过程中，工件材料中的碳化物、氧化物、氮化物和积屑瘤碎片等硬质点，在刀具表面上划出沟纹造成的刀具磨损。减轻磨损的措施可以采取热处理使工件材料所含硬质点减小、变软，或选用硬度高、晶粒细的刀具材料。,1.2 金属切削刀具,（2） 粘结磨损 刀具表面与切屑、加工表面形成的摩擦副，在切削压力和摩擦力作用下，使接触面间微观不平度的凸出点处发生剧烈塑性变形，温度升高而造成粘结。接触面滑动时粘结点产生剪切破裂
33、而造成的磨损称为粘结磨损，当颗粒大时称为剥落。 粘结磨损主要发生在中等切削速度范围内，磨损程度主要取决于工件材料与刀具材料间的亲和力、两者的硬度比等。增加系统的刚度，减轻振动有助于避免大微粒的脱落。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（3） 扩散磨损 高温切削时，刀具与切屑、加工表面接触区摩擦副间的某些化学元素互相扩散置换，使刀具材料变得脆弱而造成的磨损称为扩散磨损。 减轻刀具扩散磨损的措施主要是合理选择刀具材料，使它与工件材料组合的化学稳定性好；合理选择切削用量以降低切削温度。 （4） 化学磨损 在一定的切削温度下，刀具材料与周围介质或切削液中某些元素反应，生成化合物加速刀具磨损，
34、称为化学磨损。 刀具磨损的原因除上述四种外，还有疲劳破损和热电磨损等。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.4.3 刀具的磨损过程和磨钝标准 （1） 磨损过程 在正常磨损情况下，刀具磨损量随着切削时间的增长而逐渐扩大。若用刀具后刀面磨损带B区平均宽度VB值表示刀具的磨损程度，则VB值与切削时间t的关系如图1-12所示。磨损过程大致可以分为三个阶段。,图1-12 刀具磨损典型曲线,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,初期磨损阶段：如图1-12中的AB段。由于新刃磨的刀具切削刃和后刀面不平整，或有微裂纹等缺陷，切削初期刀具磨损较快。 正常磨损阶段：如图1-12中的BC段。刀
35、具表面磨平后，接触面积增大，压强减小，磨损量大致与切削时间呈线性关系。这一阶段是刀具的有效工作阶段。 剧烈磨损阶段：如图1-12中的CD段。磨损量达到一定数值后，刀具变钝，切削力增大，切削温度剧增，刀具急剧磨损而丧失使用性能，使用时应避免达到这一阶段。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（2） 磨钝标准 刀具用到产生剧烈磨损开始前的磨损量称为刀具磨损限度或磨钝标准。通常采用刀具后刀面的磨损量VB来规定刀具的磨钝标准。表1-2为硬质合金车刀的磨钝标准，供选用时参考。,表1-2 硬质合金车刀的磨钝标准,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,1.2.4.4 刀具耐用度及其影响因素 （
36、1） 刀具耐用度的概念 刀具耐用度是指新刃磨好的刀具从开始切削至达到磨钝标准为止的总的切削时间，用T表示。刀具耐用度可以衡量刀具材料的切削性能、判断刀具角度是否合理和比较工件材料的切削加工性等。当刀具材料、角度以及工件材料确定后，刀具耐用度决定于切削用量。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,（2） 切削用量对刀具耐用度的影响 泰勒用了26年时间，切削了万吨钢铁得出了切削速度与刀具耐用度的实验公式，即 式中 切削速度； 刀具耐用度； 与实验条件有关的系数； 指数，表示 对 的影响程度。 值表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。 值愈小，切削速度对 的影响愈大。常用刀具材料的 值大约为：高
37、速钢 =0.11；硬质合金0.20.3；陶瓷0.4。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,进给量和背吃刀量也会影响刀具耐用度。通过实验得切削用量三要素对刀具耐用度的综合影响可用下式表达。 式中 系数，与除切削用量之外的切削条件诸因素有关； 、 分别为 和 对 的影响指数。,上一页,目录,下一页,1.2 金属切削刀具,例如用YT5硬质合金车削 Gpa的碳钢时，刀具耐用度T和切削用量间有如下关系： 以上公式显示，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。所以，在优选切削用量以提高生产率时，其选择先后顺序应为：首先尽量选大的背吃刀量 ，然后根据加工条件和加工要求选取允许的
38、最大进给量 ，最后在刀具耐用度或机床功率所允许的情况下选取最大的切削速度 。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.1 金属切削过程的变形区 实验表明，金属的切削过程实质上是被切削金属层在刀具前刀面挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程。 通常把切削过程的塑性变形划分为三个变形区，如图1-13 所示。,图1-13 金属切削过程的变形区,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.1.1 第变形区 切削刃前方的变形区。被切削金属层在刀具前面的挤压作用下，即沿图1-13中的OA曲线发生剪切滑移，直至OM曲线滑移终止，被切削金属层与材料母体脱离而成为切屑沿刀具
39、前面流出。曲线OAMO所包围的区域就称为第一变形区（又称剪切滑移区）。它是金属切削过程中主要的变形区，消耗大部分功率并产生大量的切削热，常用它来说明切削过程的变化情况。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.1.2 第变形区 与刀具前刀面接触的切屑底层变形区。切屑沿前刀面滑移排出时紧贴前刀面的底层金属进一步受到前刀面的挤压阻滞和摩擦，再次产生剪切滑移变形而纤维化。由于受前刀面的挤压和摩擦，该区域金属流动速度较上层略缓，甚至会滞留在前刀面上，形成积屑瘤。 1.3.1.3 第变形区 第变形区是指工件过渡表面和已加工表面金属层受切削刃钝圆部分和刀具后刀面的挤压和摩擦产生塑性变
40、形的区域，造成表层金属的纤维化和加工硬化。该区的挤压和摩擦状况与工件已加工表面质量密切相关。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,以上分别讨论了三个变形区各自的特征，但是，三个变形区之间是互相联系又互相影响的。金属切削过程中的许多物理现象都各三个变形区的变形密切相关。 1.3.2 切屑种类 常见的切屑有四种，如图1-14所示,图1-14 切屑形态 （a）带状切屑 （b）节状切屑 （c）单元切屑 （d）崩碎切屑,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.2.1 带状切屑 这是一种最常见的连续状切屑。其底面光滑，上表面呈毛茸状。一般切削塑性较好的金属材料，采用较大的前角、较高的切削
41、速度、较小的进给量和吃刀深度时，容易形成带状切屑，如图1-14（a）所示。形成带状切屑时，切削力比较稳定，加工表面比较光洁，但切屑连续不断，会缠绕在刀具或工件上，不够安全或可能划伤已加工表面，因此要注意采取断屑措施。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.2.2 节状切屑 这类切屑的上表面呈锯齿状，底面有时出现裂纹，如图1-14（b）所示。一般在采用较低的切削速度和较大的进给量粗加工中等硬度的钢材时，容易得到节状切屑。由于形成这类切屑时变形较大，切削力波动较大，因此，工件表面比较粗糙。 1.3.2.3 单元切屑（又称粒状切屑） 切削塑性很大的材料时（如铅、退火铝、紫铜等
42、），切屑易粘在刀具的前刀面上，不易流出，裂纹扩展到整个剪切面上，使整个单元被切断，而形成此类切屑，如图1-14（C）所示。当出现这类切屑时，切削力波动很大，切削过程不平稳，已加工表面的粗糙度值增加。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.2.4 崩碎切屑 在切削脆性金属材料（如铸铁、黄铜等）时，由于材料的塑性很小，切削层金属崩碎而成为不规则的切屑，即为崩碎切屑，如图1-14（d）所示。工件材料越硬，切削层公称厚度越大就越容易形成崩碎切屑，这时的切削力变化较大。同时，由于刀具与切屑之间接触长度短，切削力和切削热都主要集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并易产生振动，影
43、响表面质量。,上一页,目录,下一页,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,前三种类型的切屑，一般是在切削塑性金属材料时产生的，在形成节状切屑条件下，减小刀具前角或增大切削层公称厚度，并采用很低的切削速度就可形成单元切屑；反之，增大刀具前角、提高切削速度、减小切削层公称厚度则可形成带状切屑，使加工表面较为光洁。也就是说，切屑的形态是可以随切削条件的不同而转化的。在生产中，常根据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工的顺利进行。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.3 切削力 在金属切削加工时，工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力称为切削力。
44、1.3.3.1 切削力的来源 切削时作用在刀具上的力主要来自两个方面： （1） 克服被加工材料对前、后刀面弹性、塑性变形抗力； （2）克服切屑、工件与前、后刀面间的摩擦力。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.3.2 切削合力和分力 在实际加工中，总切削力的方向和大小都不易直接测定，也没有必要直接测定它。为了适应设计和工艺分析的需要，一般不是直接研究总切削力，而是研究它在一定方向上的分力。下面以车削外圆为例，总切削力 可以分解为以下三个互相垂直的分力，如图1-15所示。,图1-15 外圆车削时总切削力的分解,1.3 金属切削过程的基本规律,（1）主切削力（切向力） 总
45、切削力 在主运动方向上的分力，它与切削速度方向一致，大小约占总切削力的8090。是计算机床动力、主传动系统零件和刀具强度及刚度的主要依据。 （2）进给力（轴向力） 总切削力 在进给运动方向上的分力，是设计和验算机床进给机构的原始数据。进给力也做功，但只占总功率的15。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,（3）背向力（径向力） 总切削力 在吃刀深度方向上的分力，它一般作用在工件刚性系统较弱的方向上，容易使工件弯曲变形，对工件精度影响较大，且 大时易产生振动。 由于 、 、 三者互相垂直，所以总切削力与它们之间的关系为,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,1.
46、3.3.3 切削力经验公式 目前在生产实际中切削力的计算公式可分为两类：一类是指数公式；一类是按单位切削力进行计算的公式。现分述如下： （1）计算切削力的指数公式 主切削力 的实验公式 式中 吃刀深度 对切削力 的影响指数； 进给量 对切削力 的影响指数； 实际切削条件与实验条件不同时的总修正系数，它是各项条件修正系数的乘积； 在一定切削条件下与工件材料有关的系数。,1.3 金属切削过程的基本规律,同样，分力 、 等也可写成上式的形式。但一般多根据 进行估算。当 、 、 时，有以下近似关系 =（0.40.5） = （0.30.4） （2）用单位切削力估算切削力的方法 所谓单位切削力,就是指切削
47、单位面积所需要的切削力,用 表示,单位来Mpa（即N/mm2）。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,的数值可从有关资料中查得，表1-3 列出了几种常用材料的单位切削力。若知道实际的吃刀量 和进给量 ，便可利用上式估算出主切削力 ，进而可以估算其它两个分力 、 和总切削力 。,表1-3 几种常用材料的 值,1.3 金属切削过程的基本规律,1.3.3.4 影响切削力的因素 影响切削力的因素很多，现将主要影响因素简要分述如下。 （1）工件材料的影响 工件材料是决定切削力大小的主要因素之一。一般情况下，金属材料的强度、硬度越高，切削力就越大。同时，切削力还受材料的其他力学性能、物理
48、性能及金相组织、化学成分等多种因素的影响。例如：材料的高温强度越高，变形硬化能力越强，塑性、韧性越大，其切削力就越大；铸铁等脆性材料强度低，加工时与刀具前刀面接触面积小，摩擦力小，塑性变形小，加工硬化小，其切削力也就比钢小。,1.3 金属切削过程的基本规律,（2）切削用量的影响 进给量 越大，切削力 越大，但【增大一倍， 增大不到一倍；背吃刀量 增大，切削力则成正比增长；切削速度 对切削力 的影响见图1-16，由图可知，当加工塑性金属材料时，在积屑瘤产生的速度范围内，切削力 呈马鞍形变化，且在积屑瘤消失时 达到最大值，以后随着切削速度 的提高，切削力 略呈下降趋势。而在加工脆性金属材料时，切削速度对切削力的影响较小。 由上述分析可知，在保持单位时间金属切除量不变的情况下，为使切削力减小，在选择切削用量时，应遵循采用大的切削速度 、较大的进给量 和小的切削深度 的原则。,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,图1-16 切削速度 对切削力 的影响 加工条件： 工件材料 45钢 ； 刀具材料 YT15 ； ；,上一页,目录,下一页,1.3 金属切削过程的基本规律,（3）刀具几何