《机械制造基础（下册）》-肖华 王国顺-电子教案.pdf

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1、第1章 金属切削原理与刀具 1.1 切削运动及刀具结构 1.2 金属切削基本规律 1.3 刀具磨损与耐用度 1.4 金属切削效益分析 1.1 切削运动及刀具结构 1.1.1 切削运动及切削用量 1.1.2 刀具材料 1.1.3 车刀的形状及几何角度 1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直时工件角度的变化 1.1.1 切削运动及切削用量 1. 零件表面的形成及切削运动 2. 切削用量 3. 切削层几何参数 1. 零件表面的形成及切削运动 机器零件的形状虽很多，但分析起来，主要由下列几种表面组成，即外圆 面、内圆面（孔）、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加 工，就基本上能完成所有机器零件

2、的加工。 外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时 所形成的表面。 平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表 面。 成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成 的表面。 上述各种表面，可分别用图1-1所示的相应的加工方法来获得。由图可 知，要对这些表面进行加工，刀具与工件必须有一定的相对运动，就是所 谓切削运动 切削运动包括主运动（图中）和进给运 动（图中）。主运动是切下切屑最基本 的运动；进给运动是使金属层不断投入切 削，从而加工出完事表面所需的运动。各 种切削加工方法（车削、钻削、刨削、铣 削、磨削和齿轮加工等）都是为了加

3、工某 种表面而发展起来的，因此，也都有其特 定的切削运动。切削运动有旋转的，也有 直行的；有连续的，也有间歇的。 图1-1 零件不同表面加工时的切削运动 图1-2 车外圆的切削要素 2. 切削用量 （1）切削速度 在单位时间内，工件和刀 具沿主运动方向的相对位移。单位为m/s或 m/min。 （2）进给量 工件或刀具运动在一个工作循 环（或单位时间）内，刀具与工件之间沿进给 运动方向的相对位移。 （3）切削深度ap 待加工表面与已加工表面 间的垂直距离，单位为mm。 3. 切削层几何参数 切削层是指工件上正被切削刃切削的一层材料，即两个相邻加 工表面之间的那层材料。以车外圆为例（图1-2），切

4、削层就是 工件每转一转，切削刃所切下的一层材料。为简化计算工作， 切削层的几何参数一般在垂直于切削速度的平面内观察和度 量，它们包括切削厚度、切削宽度和切削面积。 （1）切削厚度 ac 两相邻加工表面间的垂直距离，单位为 mm。如图1-2所示，车外圆时： ac= fsinkr (mm) （2）切削宽度 aw 沿主切削刃度量的切削层尺寸，单位为 mm。车外圆时（图1-2）： aw= ap/sinkr (mm) （3）切削面积A 切削层在垂直于切削速度截面内的面积，单 位为mm2。 1.1.2 刀具材料 1. 刀具材料应具备的性能 2. 常用的刀具材料 1. 刀具材料应具备的性能 （1） 高的硬度

5、和耐磨性 （2）足够的强度和韧性 （3）高的耐热性（热稳定性） （4）良好的热物理性能和耐热冲击性能 （5）良好的工艺性能 （6）经济性 2. 常用的刀具材料 （1）碳素工具钢及合金钢 碳素工具钢是含碳量较高的优质钢（含碳量0.7% 1.2% 如T10、T12A等）淬火后碳度较高的耐热性较 差（表1-1）。在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、 Mn、Si等元素形成合金工具钢，如（9SiCr、CWMn 等）。可适当减少热处理变形和提高耐热性（表1- 1），由于这两种材料的耐热性较低，目前主要用来 制造一些切削速度不太高的手动工具，如锉刀、锯 条、铰刀等较少用来制造其它刀具。 （2）高速钢 高速钢是

6、一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合 金工具钢。 高速钢具有较高的热稳定性，在切削温度高达到500650 时，尚能进行切削。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢 能提高切削13倍，提高刀具耐用度1040倍，甚至更多。它可 以加工从有色金属到高温合金的范围广泛的材料。 高速钢具有高的强度（抗弯强度为一般硬质合金的23倍，为 陶瓷的56倍）和韧性，具有一定的硬度（6370HRC）和耐 磨性，适合于各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机 床上加工。 高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，这 一点对形状复杂及大型成形刀具非常重要，故在复杂刀具（钻 头、丝锥、成形刀具、拉刀、

7、齿轮刀具等）制造中，高速钢仍 占主要地位。 高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用较 可靠 （3）硬质合金 1）硬质合金的特点 硬质合金是由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等） 和金属粘结剂（如Co、Ni等）经粉末冶金方法制成的。 由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有 熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好等特点，因此， 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬 度为8993HRA，比高速钢的硬度（8386.6HRA）高。在 8001000时尚能进行切削。在540时，硬质合金的硬度为 8287HRA，相当于高速钢的常温硬度，在760

8、时仍能保持 7785HRA。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀 具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可 提高410倍。 常用硬质合金的抗弯强度为0.91.5Gpa，比高速钢的强度低得 多，断裂韧度也较差（见表1-1）。因此。硬质合金刀具不能像 高速钢刀具那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。 2）常用硬质合金的分类及性能 目前主要应用的硬质合金有下列四类，表1-3为 其化学成分及性能。 表1-4 硬质合金的用途 （4） 陶瓷刀具 陶瓷刀具的主要成分是Al2O3，陶瓷刀具的硬度 高、耐磨性好、耐热性高（表1-1），允许使用较 高的切削速度，加工Al2O3的价格低廉、原料丰

9、富，因此有很好的发展前途。但陶瓷材料性脆怕 冲击，切削时易崩刃，所以如何提高其抗弯强度 已成为各国研究的工作重点。近十年来，各国已 先后研制成功“金属陶瓷”，如我国研制成的AM、 AMF、AMT、AMMC等牌号的金属陶瓷，其成分 除Al2O3外，还含有各种金属元素，抗弯强度比 普通陶瓷刀片高。 （5） 其它刀具材料 1） 人造金刚石 人造金刚石硬度极高（10000HV），耐热性为 700800。聚晶金刚石大颗粒可制成一般切削刀具，单 晶微粒主要制成砂轮，金刚石可以加工高硬度而具耐磨的 硬合金、陶瓷、玻璃外，还可以加工有色金属及其合金， 但不宜加工铁族金属，这是由于铁和碳原子的亲和力较 强，易产

10、生粘结作用而加快刀具磨损。 2）立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼是人工合成的又一种高硬材料，硬度 （73009000HV）仅次于金刚石。但它的耐热性为化学 稳定性大大高于金刚石，能耐13001500的高温，并且 与铁族金属的亲和力小，因此它的切削性能好，不但适合 于非铁族难加工材料的加工，也适合于铁族材料的加工。 1.1.3 车刀的形状及几何角度 1. 刀具切削部分的结构要素。 2. 刀具角度参考系 3. 刀具的标注角度 4. 刀具角度的换算 5. 刀具工作角度的计算 1. 刀具切削部分的结构要素。 图1-3各种刀具切削部分的形状 图1-4刀具切削部分的构造要素 2. 刀具角度参考系 （1）刀

11、具切削角度的参考平面 1）切削平面。 2）基面 （2） 刀具标注角度的参考系 图1-5 刀具切削角度的示意图 图1-6 横车的基面和切削平面 图1-7 刀具标注角度的参考系 图1-8 纵（横）剖面参考系 图1-9 各参考系的参考平面 3. 刀具的标注角度 图1-10 车刀的标注角度 4. 刀具角度的换算 图1-11法剖面内的角度 图1-12法向前角n 5. 刀具工作角度的计算 图1-13 任意剖面内的角度变换 图1-14 横向进给运动对工作角度的影响 图1-15 外圆车刀的工作角度 图1-16 刀尖安装高低对工件角度的影响 图1-17 镗刀的工件角度 1.1.4 刀杆中心线与进给方向不垂直 时

12、工件角度的变化 如图1-18所示，车刀刀杆与进给方向不垂直 时，主偏角和副偏角将发生变化： （1-26） 式中 G进给运动方向的垂直线和刀杆中 心线间的夹角（平面上的安装角） 图1-18 刀杆中心线不垂直于进给方向 1.2 金属切削基本规律 1.2.1 切屑种类及形成机理 1.2.2 金属切削过程中的变形规律 1.2.3 切削的加工硬化与残余应力 1.2.4 积屑瘤和鳞刺 1.2.5 切削力与切削功率 1.2.6 切削热、切削温度及切削液 1.2.1 切屑种类及形成机理 1. 切屑种类及其相互关系 2. 切屑形成机理 1. 切屑种类及其相互关系 （1）带状切屑 （2）挤裂切屑 （3）单元切屑

13、（4）崩碎切屑 图1-19 切屑的各种形态 表1-7切屑形态的影响因素及其对切削加工的影响 2. 切屑形成机理 研究切屑形成机理 多采用直角切削方式（s= 0） 有关切屑形成过程的理论很多，最简单而形象化的模型是将切屑形成 比拟为推挤一叠卡片的情况（图1-20a）。当刀具作用于切屑层，切削 刃由a至o时，整个切削层单元OMma就沿着OM面发生剪切滑移；或者 OM不动，平行四边形OMma受到剪应力的作用，变成了平得四边形 OMm1a1（图1-20b）。实际上，切屑单元在刀具前刀面的作用下还受 到了塑性挤压，因而形成了底边膨胀为Oa2，近似梯形的切屑单元 OMm2a2，许多梯形选加起来就迫使切屑向

14、逆时针方向转动（图1- 20c）。从力学观点来看，刀具前刀面对切削层金属所作用的压力对切 屑产生一个弯曲力矩，迫使切屑卷曲。 由以上切屑形成过程的典型模型可以看出，切屑形成过程是切削层金 属在刀具的挤压作用下产生塑性压缩，主要是以剪切滑移的方式产生 塑性变形而形成为切屑的过程。 图1-20 切屑形成过程的典型模型 1.2.2 金属切削过程中的变形规律 1. 切削区的变形范围 2. 切削过程变形的表示方法变形系数 3. 剪切面与剪切角 4. 剪切区的变形 5. 变形系数与剪应变的关系 1. 切削区的变形范围 一般地将整个切削区切分为三个变形区（图1-21），即： （1）第一变形区（），也就是剪切

15、区。是产生变形的主工 区域。此区涉及变形的种类与状态，也即被切削材料应力应 变特性和强度的问题，因此直接与切削过程中的切削力及所消 耗的功率有关。 （2）第二变形区（），也就是刀屑接触区。是前刀面与 切屑产生摩擦的区域。此区涉及摩擦、润滑和磨损等问题。由 第一变形区的变形与第二变形区的摩擦所产生的切削热直接影 响了刀具的磨损与耐用度。 （3）第三变形区（），也就是刀工热接触区。是后刀面 与已加工表面间产生摩擦的区域。此区涉及刀具的磨损，工件 的尺寸精度，加工表面光洁度与表面质变层等问题，因而直接 与加工表面的质量有关。 由此可知，完整的金属切削过程包括三个变形区，它们汇集在 切削附近，应力状况

16、复杂、应力大而集中，切削层金属就在此 处分离。此外，必须指出，三个变形区互有影响，密切相关。 例如第二变形区即刀屑接触区的摩擦状况对第一变形区的剪 切面位置有很大影响，而第三变形区却受到延伸至已加工表面 下的第一变形区的影响等等 图1-21切削时的三个变形区 2. 切削过程变形的表示方法变形系数 图1-22 切屑的收缩 3. 剪切面与剪切角 （1）剪切面与剪切角 图1-23 作用于切削层的力系与剪切角的关系 由切屑形成过程可知，当切削层受塑性压缩达一定 程度后，会以单元形式沿OM面剪切，现OM面称为 剪切面，而称为剪切角（图1-23）。角指出了 切屑单元剪切的方向，是说明切削变形的重要参数 之

17、一。在一定的简化情况下，可从作用于切削层的 力系来确定剪切角的大小（图1-23）。图中Fn为 刀具作用于切削层的法向力，Ff为切屑沿前刀面的 摩擦力，因而作用在切削层的合力Fr也就是将切屑 切下的作用力为： 此处Fs与Fsn分别为作用于剪切面上的剪切力与 法向力。由金属塑性变形理论可知，作用力与最 大剪应力方向间的夹角约成。因此： 式1-32中，是Fr与Fn的夹角，称为摩擦角（tg = ）。（o）是作用力Fr与切削速度方向 的夹角，它代表Fr作用于切削层的方向，称为作 用角。其大小直接影响着切削过程。 （2）剪切角与变系数的关系 图1-25 自由20cr钢，作用角=0时前角对剪切角的影响 由式

18、1-32与图1-23、图1-24、图1-25可知：如工件材料一 定，值主要与刀具前角o，前刀面与切屑间的摩擦系 数有关。o越大，切屑流出方向与原切削速度方向改 变越小，从而使剪切面OM减小，角增大，故变形较 小；反之，变形增大。一般切削钢时20o35o，这时 越大，变形越小。可见，增大前角可减小变形，有利于 改善切削过程。此外，当前刀面与切屑间的摩擦系数越 大时，摩擦角越大，越小，剪切面OM增大。可见， 提高刀具的刃磨质量采用切削液等措施，均可减小摩擦系 数，有利于改善切削过程，使变形减小。其他如在一定条 件下增大切削速度，也会使摩擦角减小而剪切角增 大，有利于切削变形。 由上可知，剪切角的大

19、小可用来衡量切削过程中变形程 度的大小。要直接测出的大小，必须采用快速落刀装置 取得切屑根部，制成金相磨片。但是，如果先测出变形系 数，按下式即可方便地求出剪切角。 图1-23 作用于切削层的力系与剪切角的关系 图1-24 切削条件变化时（o）关系图 图1-25 20cr钢，作用角=0时前角 对剪切角的影响 图1-26 变形系数的确定 4. 剪切区的变形 （1）剪切区形成机理 前述已知，刀具作用于切削层金属，使切屑单元通过塑性压缩，以剪切滑 移方式为主发生变形。现在将进一步阐明剪切区变形的情况。 图1-27 切削区各部分的滑移线及其分布 当切削层金属未达到剪切区之前，基本上只产生弹性变形。在刀

20、具切削刃 与前、后刀面的挤压作用下，在刃前区某一范围内所产生的剪应力超过材 料的屈服强度时，（maxs），便开始以剪切滑移为主的方式变 形。因此将分别在M1OM2与M3OM4范围内产生两组相互正交，呈直线形 的滑移线（即最大剪应力线），它们分别与前后刀面相交成45o角（图1- 27 a）。由于前刀面与切屑间、后刀面与已加工表面间均存在着摩擦，在 摩擦力作用下，M1OM2与M3OM4范围内的剪切滑移线，已分别向逆时针 方向与顺时针方向偏转一个摩擦角。同样，切削刃前M2OM3范围内的金 属中也有两组相互正交的剪切滑移线，它们分别是通过O点的许多辐射线 以及与之正交的同心圆弧。切削层经过塑性变形转变

21、为切屑的自由边界过 渡曲线AM上每点的法线与主应力之一的方向重合，也存在两组相互正 交，呈曲线形的剪切滑移线，它们与过渡曲线相交并与法线方向成45角。 将上述几组剪切滑移线连接起来，被切削金属将沿着这些线剪切滑移（图1- 27b）。图中每条曲线代表主应力之差等于常数，也就是剪应力相等的曲面；但不 同线上剪应力的大小不同。OA上的剪应力值等于被切削金属的屈服强度，称为始 剪切面（或始滑移面）；OB，OC，OD线上的剪应力则由于变形强化而依次升 高。也就是说，随着刀具相对于工件的连续运动，原处于始剪切线上的金属不断 向刀具靠拢，应力和应变也逐渐增大，当到达OM线时，剪应力和剪应变达到最 大，基本变

22、形到此结束。OM即称为终剪切面（或终滑移面）。在OA到OM之间整 个剪切区内，变形的主要特征就是沿剪切面的剪切滑移变形，并伴生有加工硬化 现象。当最大剪应力max达到金属的破裂强度时形成挤裂切屑，因而出现明显 的裂口；当max未达到破裂强度时形成带状切屑，因而切屑顶面较平整而呈 微小的锯齿形。 由此可知，剪切面实际上不是一个平面，而是由许多曲面所构成的剪切区。要研 究剪切区任意一点的剪切滑移过程，可跟踪切削层金属中某点P进行观察。当P点 向切削刃逼近（图1-28），到达点1位置时，若通过点1的等剪应力曲线OA，其剪 应力达到材料的屈服强度s，则点1在向前移动的同时，也沿OA面剪切滑移，其 合成

23、运动将使点1流动到点2。22就是其滑移量或剪切距离。随着剪切滑移线 的产生，剪应力将逐渐增加，直到点4位置，其流动方向与前刀面平行，不再进行 剪切滑移。同理，从切削层至切屑的外边界上也可看出切削层金属是通过剪切区 后逐渐转变而成为切屑的。剪切区的形状与范围的大小与工件材料的塑性、切削 速度、切削厚度、前角、前刀面摩擦条件等有关。当工件材料很软（如纯铁、铜 或铝），切削厚度较大，前角较小，前刀面摩擦较大，切削速度较低，则剪切区 延伸范围较大。 图1-27 切削区各部分的滑移线及其分布 图1-28剪切区金属剪切滑移情况 图1-29 切削速度、切屑流出速度与 剪切速度间的关系 图1-30 剪切角、剪

24、应变与前角 o的关系 5. 变形系数与剪应变的关系 图1-31不同前角时变形系数与剪应 变的关系 图1-32 剪切面上应力分布情况 1.2.3 切削的加工硬化与残余应力 1. 加工硬化 2. 残余应力 1. 加工硬化 经过切削加工，会使工件表层的硬度提高，这一现象称为 加工硬化。变形程度越大，则已加工表面的硬化程度越 高，硬化层的深度也越大。工件表面的加工硬化将给后继 工序的切削加工增加困难，如增大切削力，加速刀具的磨 损。更重要的是影响了零件的加工表面质量。加硬化在提 高工件耐磨性的同时也增大了表面层的脆性，往往会降低 零件的抗冲击能力。 产生加工硬化的原因是在已加工表面形成过程中表层因经

25、受复杂的塑性变形，使金属的晶格发生拉长、扭曲与破 碎，阻碍了进一步的塑性变形而使金属强化；另一方面切 削温度（低于Ac1点时）使金属弱化；更高的温度将引起相 变。已加工表面的硬化就是这种强化、弱化和相变作用的 综合结果。 加工硬化通常以硬化程度N及硬化层深度h表 示。硬化程度N是已加工表面的显微硬度增 加值对原始显微硬度的百分数。 硬化深度层h是已加工表面与金属基本未硬化处的垂直距离。表面层硬 化程度往往可达成180200%。硬化层尝试可达几十至几百微米厚。图 1-34表示切削变形区加工硬化情况的典型实例。由图可见，根据变形程 度的不同，切削区各分部的硬化程度也不同。其中以积屑瘤区的硬度为 最

26、高，切屑中的硬度次之，其次是已加工表面。而切屑底层的硬度又高 于上层。 工件材料的塑性越大，强化指数越大，则硬化越严重。碳钢中含碳量越 大，则强度越高，硬化越小，切削速度对硬化现象的影响是双重的： 的增高使切削温度升高，从而加速了恢复（软化）的过程；但同时V增 高后变形时间缩短，又使恢复过程进行不充分。一般来说，V增大时， 由于变形传播的时间较短，使硬化层深度减小，但硬化程度则随工件材 料的性能而不同。当进给量增大时，切削厚度增大，硬化程度及硬化层 深度均有所增大。但c太小时（如铰削），硬化现象反会随c的减小 而上升。减小前角，增大刀具的钝圆半径rn与刀具磨损时，均会使硬化 程度及硬化层深度增

27、大。 图1-33 塑性变形区加工硬化情况 2. 残余应力 残余应力是不需外力平衡而能存在于金属中的 内应力。已加工表面经常存在残余应力。残余 拉应力往往使已加工表面发生裂纹，使零件的 疲劳强度降低；残余压应力有时却能提高零件 的疲劳强度。如加工表面的残余应力分布不均 匀，便会使工件发生变形，影响工件的形状和 尺寸精度 （1）切削力和塑性变形的作用 由前所述，已加工表面在形成过程中由于切削力 的作用而受到拉伸、挤压与强烈的摩擦使表层金 属产生拉应力。切削时，一方面表层金属处于塑 性变形状态，里层金属却处于弹性变形状态。已 加工表面形成后，切削力突然消失，弹性变形趋 向复原，但受到表层金属的牵制，

28、在表层与里层 造成应力状态，另方面，表层金属经受塑性变形 后由于晶内遭受破坏而使空位缺陷增加，因而使 比容增大，但同时却受到连成一体的里层金属的 阻碍，因而表层产生压应力（）里层产生拉应 力（+） （2）切削热的作用 图1-35 已加工表面层内残余应力的变化 刀工接触区经强烈的变形与使表层温度很 高，而已加工表面的形成又是在极短的瞬 间完成，因此表层金属受到热冲击作用， 受热温度较浅。由于表层温度较高，里层 （基体）温度较低，因此，表层体积膨 胀，但受到里层金属的牵制，使表层产生 压应力，里层则产生拉应力。切削后，表 层金属因散热快而收缩，但同时却受到里 层金属的牵制，因而最后使表层产生拉应

29、力，里层产生压应力。 （3）相变作用 切削时，在高温作用下表层组织可能发生 相变，由于各种金相组织的体积不同而产 生残余应力。例如，高速切削碳钢时，刀 工接触区温度可达600 800，而碳钢相 变温度为720而形成奥氏体，冷却后转变 为马氏体，比容增大。因而使表层金属膨 胀，但受到里层金属的牵制，从而表面产 生压应力，里层则产生拉应力。 加工过程中，已加工表面层内呈现的残余应力， 是上述诸因素综合作用的结果，最终可能存在残 余拉应力或残余压应力，加工大部分塑性金属 时，一般形成切向（切削速度方向）残余应力， 表面层深度内的残余应力可分为三个区（图1- 35）：区在0.0010.004mm的极薄

30、表面层内 作用着残余应力。区根据切削用量与刀具前 角，其范围比区要大10倍以上。此层内作用着 残余拉应力。实际上，区内应力的性质与大小 对表面层的状态起决定性的作用。区此区作 用着残余压应力，与、区的应力相均衡。由 此图还可看出加工后表面层内硬度变化的情况。 一般情况下，表层是拉应力，最大可达882980 N/mm2 (90100kgf/mm2)，因此表面往往出现一 些裂缝，对工件的耐磨性与疲劳强度都不利。 图1-34 已加工表面层内残余应力的变化 1.2.4 积屑瘤和鳞刺 1. 积屑瘤 2. 鳞刺 1. 积屑瘤 （1）现象 在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金与球墨铸铁等塑性金属时，由 于前

31、刀面上挤压和摩擦的作用，使切屑底层中的一部分材料停滞和堆积 在刃口附近，形成积屑瘤（图1-36）。经变形强化，积屑瘤的硬度很 高，可达工件材料硬度的23.5倍，可代替切削刃切削。 （2）作用 积屑瘤对切削加工的影响，概括起来可分为两个方面： 不利的方面有： 1）当积屑瘤突出于切削刃之外时，会造成一定的过切量，从而使切削 力增大，在工件表面划出沟纹并影响到零件加工的尺寸精度。 2）由于积屑瘤局部不稳定，容易使切削力产生波动而引起振动。 3）积屑瘤形状不规则，使切削刃形状发生畸变，直接影响加工精度。 4）积屑瘤被撕裂后，若被切屑带走，会划伤刀面，加快刀具的磨损， 若留在已加工表面上，会形成毛刺，影

32、响工件表面质量。 有利的方面有： 1）积屑瘤包覆在切削刃上，代替刀具进行切削， 对切削刃起到一定的保护作用。 2）形成积屑瘤时，增大了实际工件前角，可使切 削力减小（图1-36b）；其中形成楔形积屑瘤时前 角增大较多，形成鼻形积屑瘤时使刀屑实际接触 长度减小，也可使切削力减小。 由上可知，积屑瘤对切削加工弊多利少。精加工 时一定要设法避免，即是粗加工，采用硬质合金 刀具时一般也并不希望产生积屑瘤，但是只要掌 握其形成及变化的规律，仍可化弊为利，有益于 切削加工，如有名的银白屑切削法就是一例。负 倒棱给形成积屑瘤创造了基础的积屑瘤的起着实 际切削作用，切削时排出副屑，有助于散热。且 可选取较大前

33、角以减小切削力。 图1-37积屑瘤与滞流层形成示意图 （3）成因 图1-38刀屑接触长度 在刀屑接触长度lf内lf1接触区间（图1-38），由 于粘结作用，使得切屑底层流动速度变得很慢而 产生“滞流”，切屑底层的晶粒纤维化程度很高， 几乎和前刀平行。滞流层（即流变层）金属因经 受强烈的剪切滑移作用而产生加工硬化，其抗剪 强度也随之提高。如图1-37所示，滞流层中最大 剪应力为，式中2是由摩擦力所产生的主应力。 当2甚大时。最大剪应力就可能小于滞流层金属 的剪切强度s滞流层与前刀面接触处的金属步不 会发生剪切滑移而停留在前刀面上，沿滞流层内 部某一表面作相对移动，这样越积越大，便形成 了积屑瘤。

34、 （4）影响因素 影响积屑瘤的主要因素是工件材料，刀具前角o。切削 速度，进给量f 以及切削液等。 工件材料硬度低，塑性大时，切削时金属变形大，易产生 积屑瘤（图1-39a）。刀具材料与工件材料之间的粘结性 好，也易产生积屑瘤。 图1-39 切削速度变化时，工件材料塑性，切削厚度前角 对积屑瘤高度的影响 切削速度主要通过切削温度影响积屑瘤。温度适当时， （如切削中碳钢时约为300380），刀屑间的摩擦系 数最大，容易产生积屑瘤，因而在某一适中的切削速度 范围内积屑瘤长得最大。很低速切削时温度低，切屑底层 塑性状态变化不大，刀屑间呈点接触，以滑动摩擦为 主，可能不产生积屑瘤；或在刀刃处产生很小的

35、积屑瘤。 高速时，一般当切削温度大于500600时，由于材料的 剪切屈服强度s降低，切屑底层金属因温度高而软化， 甚至呈滞流状态，所以也不会产生积屑瘤。 由于进给量f与刀具前角o影响切削温度与 刀屑接触长度，因而也影响积屑瘤。f增大 时，切削厚度ac与刀屑接触长度lf随之增 大，产生积屑瘤的切削速度区域向低速方 向移动，所生积屑瘤的最大高度增大。 （图1-39b） 前角o增大时，前刀面上的法向力减小， 切削温度降低，切削变形减小，使积屑瘤 的高度减小，提高了产生积屑瘤的临界切 削速度（图1-39c）。采用润滑性能优良的 切削液可减小甚至消除积屑瘤。 （5）控制措施 既然积屑瘤的形成是切屑底层中

36、的金属由于前刀面的摩擦所引起的，因而要 减小或避免积屑瘤的产生必须从减小变形与刀屑间的摩擦入手。 1）对塑性金属材料来说，可采取适当的热处理，改变其金相组织。例如低碳 钢通过正火、调质处理后，能提高其硬度，降低其塑性，减小积屑瘤生长。 2）避开积屑瘤的生长速度范围。为此，采用高速钢刀具精加工时，为了获得 较高的表面光洁度，总是采用低速。如铰精密孔（2级精度67时），一 般可取=0.0330.083m/s (25m/min)，并添加切削液，减少摩擦，以避免 积屑瘤的产生。拉削时采用=0.01650.083m/s (15m/min)的低速。在车削 精密丝杆时，采用o=0o的车刀，取低于0.018m

37、/s (1.1m/min)的切削速度， 可得到89时级光洁度。另一方面可采用高速切削，当切削速度增至一 定值时可使积屑瘤完全消失。例如切软钢时一般1.67m/s（100m/min）相 当于已超过形成积屑瘤上限的温度（约560），积屑瘤的变形强化能力消 失，也不会产生积屑瘤。 3）采用润滑性能好的切削液可以抑制积屑瘤。 4）增大前角也可抑制积屑瘤，当o 35o时，一般即不再产生积屑瘤。 5）其他如减小切削厚度，采用人工加热切削区等措施，也可以减小甚至消除 积屑瘤 图1-35 刀具上的积屑瘤及其使前角增大的情况 图1-36积屑瘤与滞流层形成示意图 图1-37刀屑接触长度 图1-38 切削速度变化时

38、，工件材料塑性， 切削厚度前角对积屑瘤高度的影响 2. 鳞刺 （1）现象与作用 在较低的切削速度下，用高速钢、硬质合金刀具切削低、中碳 钢，铬钢（20Cr，40Cr），不锈钢，铝合金及紫铜等塑性金 属时，在工件的已加工表面常会出现一种鳞片状的毛刺称为鳞 刺。拉削、插齿、滚齿与螺纹切削时经常会产生鳞刺。它严重 地影响了加工表面光洁度，往往使光洁度降低24级。为此， 我们必须认识鳞刺产生的原因和规律，以便对它进行主动的控 制。 （2）成因 根据国内的研究，认为鳞刺形成的原因是在较低的切削速度下 形成挤裂切屑或单元切屑时，刀屑间的摩擦力发生周期性的 变化，促使切屑在前刀面上周期性地停留，代替刀具推挤

39、切削 层，造成金属的积聚，已加工表面出现拉应力而发生导裂，并 使切削厚度向切削线以下增大，生成鳞剌。 由图1-40可知，鳞刺的形成过程是：当切屑从前刀面 流出时，逐渐把摩擦面上有润滑作用的吸附膜擦拭干 净，使摩擦系数逐渐增大，刀屑实际接触面积增 大，在刀屑间巨大压力的作用下，使切屑单元在瞬 间内粘结在前刀面上，暂时不沿前刀面流出。这时， 切屑以圆钝的外形代替前刀面进行挤压，使切削刃前 下方，屑工之间产生裂口（称为导裂）。继续切削 时，使受到挤压的金属不断地层积在切屑单元下面， 一起参加切削，使裂口扩大，切削厚度与切削力随之 增大。当层积到某一高度后，增大了切削力Fy克服了 刀屑间的粘结和摩擦，

40、推动切屑单元重新沿前刀面 滑动，这时切削刃过去便形成一个鳞刺。接着又开始 另一个新鳞刺的形成过程。如此周而复始，在已加工 表面上不断生成一系列的鳞刺 鳞刺因塑性变形而硬化，由于它是因切屑滞流或停留，导 致切削应力的变化，引起工件材料的撕裂和剪切，故它的 表面微观特征是鳞片状的凹凸不平，且接近于沿整个切削 刃宽度并垂直于切削速度方向，它不同于粘附在前刀面上 的积屑瘤，由于积屑瘤是随机的局部破碎，故它的表面特 征是不规则的纵向犁沟。 鳞刺的形成除了与切削速度、切削厚度等因素有关外，还 决定于被加工材料的性能和它的金相组织，材料的变形强 化越大以及它与刀具间的摩擦越大，越易形成鳞刺。国外 一些学者认

41、为，鳞刺就是积屑瘤的碎片。国内的研究指 出，鳞刺是切削过程中的一个独特现象，其生成可以不依 赖于积屑瘤，根据我们试验所作鳞刺纵剖面显微照片上可 看出（图）鳞刺和工件的晶粒相互交错，鳞刺与工件 母体间没有分界线，与嵌入已加工表面的积屑瘤碎片不 同。也有研究认为积屑瘤和鳞剌现象有密切联系，认为切 屑底层金属发生严重停滞是形成鳞刺的先决条件。积屑瘤 是切屑底层最严重的停滞，此时鳞刺也最显著。要避免鳞 刺就要消除积屑瘤。由此可见，关于鳞刺的成因及其与积 屑瘤的关系等问题还值得进一步研究与探讨。 （3）控制措施 认识了鳞刺形成过程的规律性后，我们就可以采 取有效的措施来控制鳞刺的产生。因为鳞刺是切 削过

42、程中变形与摩擦的产物，是一种重要的物理 现象，它产生于刀工接触区，但与刀屑接触区 的摩擦密切有关。为此便可从减小刀屑，刀工 间的摩擦入手，使挤裂切屑转化为带状切屑。具 体地说，如适当地提高工件材料的硬度，增大刀 具的后角，减小切削厚度，采用润滑性能较好的 切削液，采用人工加热切削；在较低切削速度下 适当增大前角，在较高切削速度下适当减小前角 等，均有利于抑制鳞刺的产生，提高加工表面的 光洁度 图1-39 鳞刺形成的四个阶段 1.2.5 切削力与切削功率 1. 切削力及研究切削力的意义 2. 切削合力、分力和切削功率 3. 切削力的测量与计算 1. 切削力及研究切削力的意义 切削力是指由于刀具切

43、削工件（试件）而产生的工件和刀具之间的相互作 用力。 切削力是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有着多方面的重要 影响：它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并引进工艺系统的变 形和振动。切削力过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程 中消耗功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工艺系统产生热变形并 恶化已加工表面质量。所以，掌握切削力的变化规律，计算切削力的数 值，不仅是设计机床、刀具、夹具的重要依据，而且对分析、解决切削加 工生产中的实际问题有重要的指导意义。 刀具切削工件时，之所以发会产生切削力，根本原因是切削过程中产生的 变形和摩擦引起的。对刀具来说，它受到的切削力来自

44、两个方面，一是三 个变形区内工件材料的弹、塑性变形产生的抗力；二是工件、切屑与刀具 摩擦产生的阻力。从产生的部位来说，切削力产生于刀具的前、后刀面， 见图1-41，前刀面上的正压力FrN和Fr合成前刀面合力Fr , rN，后刀面上 的正压力与摩擦力合成后刀面合力Fa , aN，Fr , rN与Fa , aN又可合成为 总合力F，F就是作用在刀具上的总切削力。一般切削条件下，如果刀具 比较锋利，前刀面上的切削力是主要的，后刀面上的切削力相对较小。在 研究有些具体问题时，为了使问题简化，常忽略后刀面上的作用力的影 响，但在刀具磨损大时，则不容忽视。 （1）切削合力和切削分力 图1-41中刀具（或工

45、件）是上作用的切削力的总 合力F称为切削合力，由于切削合力的大小和方向 是随切削条件而变化的一个空间力，不便于计算 与测量，在研究和分析实际问题难以直接应用， 为适应解决问题的需要，又便于测量与计算，常 将F分解为某几个方向上的分力，称为切削分力。 车削中常将F分解为以下三个分力。 主切削力Fz是沿切削速度方向上的分力，又 称为切向力。 进给抗力Fx是F在进给运动方向上的分力， 外圆车削中又叫轴向力。 切深抗力Fy是F在切深方向上的分力，外圆 车削中，又叫径向力。 三个分力中，主切削力Fz最大，消耗功率也最 多，约占总功率的95%。它是决定机床主电机功 率、设计与校验主传动系统各零件以及夹具、

46、刀 具强度、刚度的重要依据。 Fx作用在进给运动方向上，是设计与校验机床进 给系统各零、部件强度的依据，也消耗一定的功 率。 Fy同时垂直于主运动和进给运动方向，不消耗功 率。但在车削轴类零件时，易引起工艺系统的变 形和振动，对加工精度和表面质量有较大影响。 通过情况下，Fx和Fy都小于Fz，随着刀具几何参 数、刀具磨损情况、切削用量的不同，Ff、Fy相 对于Fz的比值在很大范围内变化，三者之间的比 例大致为：Fx：Fy：Fz =(0.10.6)： （0.150.7）：1。 图1-41 作用在刀具上的力 图1-42 外圆车削时的切削合力与分力 （2）切削功率 切削过程中消耗的总功率为各分力所消

47、耗功率的 总和，称为切削功率，用Pc表示。车削中，切深 抗力Fy不消耗功率，Ff远小于Fz，x远小于 z，故计算切削功率时常忽略Fx所消耗的功率， 故有 式中Fz主切削力； 切削速度。 由此，可计算出机床主电机所需功率PE。 式中机床传动效率，一般=0.750.85。 3. 切削力的测量与计算 在研究切削力变化规律和解决切削加工生产中的实际问题时，有时需要知 道在一定切削条件下的切削力数值，对此，可有三种解决方法。a.用测力 仪进行测量。b.用经验公式计算。c.用切削力理论公式估算。 （1）切削力测量 为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可用一种专门用于测量切削力 的装置测力仪进行测量。测力

48、仪的种类很多，按工作原理的不同，可 分为机械式、电阻式、电感式、压电式等，目前使用较为普遍的是电阻应 变式测力仪。压电式测力精度高，但价格昂贵，应用也在不断增加。下面 介绍电阻应变式测力仪的工作原理及其测力方法。 电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录仪组成。传感器是 一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性元件，其结构有多种形式， 目前使用较多的是八角环式，其结构形状如图1-43所示。中部八角环形部 分为弹性元件，分为上环和下环，前端有安装车刀用的方孔，后部的圆孔 用于在车床刀架上安装紧固。 利用这种传感器可同时测量Fz、Fy和Fx，也可单测某一分力。测量时，要 在弹性元件部分的适当部位粘贴若干片电阻值可随弹性元件变形而变化的 电阻应变片（图1-44），并把它们联入电桥电路，以便于将电阻值的变化 转换成可读的电信号（电流或电压）后输出。 测力时，当紧固在传感器刀孔内的车刀受到切削 力作用时，应变片中电阻丝的直径和长度将随弹 性元件的变形而发生变化，因而其阻值将发生微 小变化，受拉伸时阻值增大，受压缩时阻值减 小，其变化量随变形量的大小而变化。为便于测 量，通常采用电桥电路将其转化 为电压（或电流）信号，再由应变仪放大后，由 记录仪输出。在传感器元件允许的范围内，输出 电信号与切削力的大小成正比，通过标定可得到 切削力与电信号之间的关系曲线