Transcript 13.14金属切削原理
第6章金属切削原理 金属切削原理 授课班级 机电（3+2）1102 授课时间 2012-3-28（3、4） 2012-3-30（1、2） 学时 4 学习目标 1.明确金属切削的基本术语和定义 2.掌握切削条件合理选择的原则 3.了解切削过程的物理现象 学习内容 教学过程组织与方法 6.1基本定义 6.2金属切削的物理现象 6.3刀具磨损与刀具耐用度 6.4材料的切削加工性 1.基本定义 ——结合实训、互动 6.5金属切削条件的合理选择 2.金属切削的物理现象 —讲述 3.刀具磨损与刀具耐用度、材料的切削 加工性——讲清应用 4.金属切削条件的合理选择 ——互动讨 论 第6章金属切削原理 第6章 金属切削原理 6.1 基本定义 6.1.1切削运动 金属切削加工时刀具和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。 主运动—直接切除工件上的切削层，形成新表面的 运动。（车床主轴的旋转、铣床铣刀转动……） 进给运动—不断地把切削层投入切削，以逐渐切出 整个工件表面的运动（车刀的纵向直线运动，铣床 工作台的直线运动……） 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 6.1.2工件上的加工表面 （1）待加工表面，（2）已加工表面 ，（3）过渡表面。 6.1.3切削用量 切削用量是切削速度、进给量和 背吃刀量三者的总称。 V dn 1000 vf = nf = nz fz dw dm ap 2 第6章金属切削原理 (1) 切削速度vc：在进行切削加工时，刀具切削刃的某一 点相对于待加工表面在主运动方向上的瞬时速度，也可理解为 是主运动的线速度，单位为m/min。 当主运动为旋转运动时， vc可按下式计算： πDn vc 1000 式中: D为工件待加工表面或刀具的最大直径（mm）；n为 主运动的转速（rpm或r/min）。 第6章金属切削原理 (2) 进给量f：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移 量，可用刀具或工件每转（主运动为旋转运动时）或每行程 （主运动为直线运动时）的位移量来表述和度量，其单位为 mm/r或mm/行程。 车削的进给量f为每转一转（单位时间）， 刀具沿轴线进给所移动的距离（mm/r）；刨削时的进给量 f为 刨刀（或工件）每往复一次， 工件（或刨刀）沿进给方向移 动的距离（mm/str）。 对于铰刀、铣刀、拉刀等多齿刀具，每转或每行程相对于 工件在进给运动方向上的位移量称为每齿进给量，记作fz，单 位为mm／齿。 式中: z为刀齿数。 f fz z 第6章金属切削原理 切削刃上选定点相对工件的进给运动瞬时速度称为进给速 度vf，其单位为mm/min。对于连续进给的切削加工（如车削）， vf可按下式计算: vf=nf (3) 背吃刀量ap：又称切削深度，一般指工件已加工表面 和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。 车削外圆柱面的背吃刀量为该次切除余量的一半： dw - dm ap = 2 式中: dw为工件待加工表面直径（mm）；dm 为工件已加工表面 直径（mm）。 第6章金属切削原理 镗孔时： dm - dw ap = 2 钻削时： dm ap = 2 切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap称为切削用量三要素， 总称切削用量。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 6.1.4刀具的几何参数 （1）刀具切削部分的结构要素。 第6章金属切削原理 (2) 刀具标注角度参考系 1）基面Pr—通过切削刃上选 定点，且与该点切削速度垂直 的平面 2）切削平面Ps—通过切削刃 上选定点，且与切削刃相切并 垂直于基面的平面 3）正交平面Po—通过切削刃 上选定点，且与该点的基面和 切削平面同时垂直的平面 4）法平面Pn—通过切削刃上 选定点，且与切削刃垂直的平 面 第6章金属切削原理 5）假定工作平面Pf—通过 切削刃上选定点，且垂直于 基面并平行于假定进给运动 方向的平面 6）背平面Pp—通过切削刃 上选定点，且垂直于基面和 假定工作平面的平面 第6章金属切削原理 (3)刀具的标注角度 主偏角、副偏角、刃倾角、 前角、后角、楔角、刀尖角 第6章金属切削原理 （3）刀具的标注角度 1）主偏角—在基面内测量的 主切削刃在基面上的投影与 进给方向的夹角。 2）副偏角—在基面内测量的 副切削刃在基面上的投影与 进给方向的夹角。 3）刃倾角—在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹 角。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 4）前角—在正交平面内测量的前刀面与基面之间的夹角。 5）后角—在正交平面内测量的主后刀面与切削平面之间的 夹角。 6）楔角—在正交平面内测量的前刀面与后刀面之间的夹角。 7）刀尖角—在基面内测量的主切削刃与副切削刃投影之间 的夹角。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 （3）刀具的标注角度 法前角、法后角、 法楔角、侧前角、 侧后角、侧楔角、 背前角、背后角、 背楔角 第6章金属切削原理 (4) 刀具的工作角度 1）进给运动对刀具工作角度的影响 在切削过程中由于进给运 动的影响，使原标注坐标 系中的基面、切削平面向 进给方向倾斜了一个角度， 成为工作坐标系中的基面、 切削平面，如图6-5、图 6-6所示，从而影响了刀 具的前角、后角。 γoe＝γo＋μ和αoe＝αo－μ。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 纵向进给。车削时，由于进给运动的影响，工件上的加工 表面实际上是一螺旋面，因此实际切削平面相对于静止状态的 位置偏离了一个螺旋升角η，这样实际工作前角增加了一个θ 角，而实际工作后角则减少了一个η角。 一般车削时，因为 进给量比工件直径小得多，所以进给运动形成的螺旋升角θ很 小，对车刀工作角度的影响常可忽略不计。也就是说，在正常 安装条件下，刀具的工作角度近似等于静止角度。多数情况下 不必进行工作角度的计算，但在车多头螺纹和大螺距螺纹时， 因进给量很大，故必须考虑纵向进给对工作角度的影响。 第6章金属切削原理 （2）刀具安装位置对工作角度的影响 ① 刀具安装高度的影响。 ② 刀杆中心线与进给方向不垂直时的影响 第6章金属切削原理 1) (1) 刀尖高低的影响。车外圆时，刀尖若安装高于工 件中心，则切削平面变为Pse ，基面变为Pre ，刀具角度也 随之变为工作前角γoe 和工作后角αoe 。在工作切深剖面内, 角度变化值τ为 2h sin τ = dw 第6章金属切削原理 式中:h为刀尖高于工件中心线的数值（mm）；dw为工件 直径（mm）。则工作角度为 γ oe = γ o +τ α oe = α o - τ 刀尖若低于工件中心，上述角度的变化正好相反。 同样，当车内孔时，刀尖若高于工件中心，其工作前角会 减小，工作后角会增大；刀尖若低于工件中心，工作前角会增 大， 工作后角会减小。 第6章金属切削原理 图1-9 车刀刀尖安装高低对工作角度的影响 第6章金属切削原理 (2) 刀杆位置的影响。由于κr和κr′的标注角度是在刀 杆垂直于进给方向测定的，因而刀杆偏斜也会引起κr和κr′ 的变化。 (3) 刀杆伸出长短的影响。刀杆伸出过长，会增加弹 性变形，造成κr和κ r′的变化。 第6章金属切削原理 6.1.5切削层参数 切削层是指刀具切削部分沿进给运动方向移动一个进给量 由一个刀齿所切除的工件材料层。一般用垂直于切削速度 平面内的切削层参数来表示它的形状和尺寸。 （1）切削层公称厚度hD。 hD＝fsinκr （2）切削层公称宽度bD。 bD＝ap /sinκr （3）切削层公称横截面积AD 。 AD＝hD·bD＝fap 第6章金属切削原理 6.2 金属切削过程的物理现象 6.2.1切削层的变形 切削塑性材料时，切削过程一般分为挤压、滑移、挤裂和 切离四个阶段。根据切削过程中整个切削区域金属材料的 变形特点，可将切削层划分为三个变形区。 1.第一变形—滑移变形区； 2.第二变形区—前刀面摩擦变形区 3.第三变形区—后刀面与加工表面挤压摩擦变形区 第6章金属切削原理 积屑瘤 在用中等或较低的切削 速度切削一般钢料或其它塑 性金属材料时，常在前刀面 接近刀刃处黏结有一硬度很 高（约为工件材料硬度的2～ 3.5倍）的楔形金属块，这种 楔形金属块称为积屑瘤。 第6章金属切削原理 1) 切削过程中，由于切屑底面与前刀面间产生挤压和剧烈摩 擦，因而切屑底层的金属流动速度低于上层流动速度，形成滞 流层。当滞流层金属与前刀面间的摩擦力超过切屑本身分子间 的结合力时，滞流层一部分金属在温度和压力适当时就黏结在 刀刃附近而形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断增大，达到一定高 度后受外力作用和振动而破裂脱落，被切屑或已加工表面带走， 故极不稳定。积屑瘤的形成、增大、脱落的过程在切削过程中 周期性地不断出现。 第6章金属切削原理 2) (1) 增大前角。积屑瘤粘附在前刀面上，增大了刀具的 实际前角。当积屑瘤最高时，刀具有30°左右的前角，还会 减少切削变形，降低切削力。 (2) 增大切削厚度。积屑瘤前端伸出于切削刃外，伸出 量为Δ，使切削厚度增大了Δ， 影响了加工精度。 第6章金属切削原理 (3) 增大已加工表面粗糙度。 积屑瘤粘附在切削刃上， 使实际切削刃运动呈一不规则的曲线，导致在已加工表面上沿 着主运动方向刻划出一些深浅和宽窄不同的纵向沟纹。积屑瘤 的形成、增大和脱落是一个具有一定周期的动态过程（每秒钟 几十至几百次），使切削厚度不断变化，由此可能引起振动。 积屑瘤脱落后，其中一部分粘附于切屑底部排出，一部分留在 已加工表面上形成鳞片状毛刺。 第6章金属切削原理 (4) 影响刀具耐用度。积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖 着一部分前刀面，可以代替刀刃切削，起着保护刀刃、减小 前刀面磨损的作用。但在积屑瘤不稳定的情况下使用硬质合 金刀具时，积屑瘤的破裂可能使硬质合金刀具颗粒剥落， 使 刀具磨损加剧。 第6章金属切削原理 3) (1) 工件材料的塑性。影响积屑瘤形成的主要因素是工 件材料的塑性。工件材料的塑性大，很容易生成积屑瘤， 因 此对于塑性好的碳素钢工件，可先进行正火或调质处理， 以 提高硬度， 降低塑性。 第6章金属切削原理 (2) 切削速度。切削条件中对积屑瘤影响最大的是切 削速度vc。实验表明，一般钢材在vc等于5～50 m/min、切 削温度为300℃～380℃左右时最易形成积屑瘤，而在低速 （vc＜5 m/min) 和高速（vc＞100 m/min）条件下均不易 形成积屑瘤， 如图所示。在形成积屑瘤的速度范围内， 当速度较低时， 积屑瘤高度随vc的增大而增大，至最大高 度；进入较高速度后，积屑瘤高度又随vc的增大而减小。 第6章金属切削原理 切削速度对积屑瘤的影响 第6章金属切削原理 (3) 进给量。进给量增大，则切削厚度增大。切削 厚度越大，刀与屑之间的接触长度越长，就越容易形成 积屑瘤。若适当降低进给量，使切削厚度 hD 变薄，以减 小切屑与前刀面的接触与摩擦，则可减小积屑瘤的形成。 (4) 刀具前角。若增大前角，切屑变形减小，则不 仅使前刀面的摩擦减小，同时减少了正压力，这就减小 了积屑瘤的生成基础。 实践证明， 前角为35°时一般不 易产生积屑瘤。 第6章金属切削原理 (5) 前刀面的粗糙度。前刀面粗糙，摩擦较大，这 给积屑瘤的形成创造了条件。若前刀面光滑，则积屑瘤 也就不易形成。 (6) 切削液。合理使用切削液，可以减小摩擦，也 能避免或减少积屑瘤的产生。 精加工中， 为降低已加工表面的表面粗糙度， 应 尽量避免积屑瘤的产生。 第6章金属切削原理 4. 切屑的种类 切削过程中切削层的变形程度不同，会产生不同形态的切屑。 按切屑形态可分为以下四种基本类型。 a)带状切屑 b)挤裂切屑 c)粒状切屑 d)蹦碎切屑 第6章金属切削原理 (1) 带状切屑。这种切屑连绵不断，没有裂纹，底面光滑， 另一面成毛茸状，无明显裂纹。一般当加工塑性材料（如软钢、 铜、 铝等）时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角 较大的情况下，往往会形成这种切屑。 (2) 节状切屑。节状切屑又称挤裂切屑。这种切屑的底面 光滑，有时出现裂纹，而外表面呈明显的锯齿状。节状切屑大 多在加工塑性较低的金属材料（如黄铜）且切削速度较低、切 削厚度较大、刀具前角较小时产生。特别当工艺系统刚性不足、 加工碳素钢材料时，也比较容易产生这种切屑。产生节状切屑 时，切削过程不太稳定，切削力波动较大，已加工表面质量较 低。 第6章金属切削原理 (3) 单元切屑。单元切屑又称粒状切屑。当采用小前角或 负前角、以较低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属时， 会产生这种切屑。产生单元切屑时，切削过程不平稳，切削力 波动较大，已加工表面质量较差。 上述三种切屑，一般在切削塑性材料时形成。当工件材料 一定时，可通过改变切削条件使切屑种类改变，以利于进行切 削加工。或者说，同一种材料的切屑，随着切削条件的变化， 会由一种形态向另一种形态变化。 第6章金属切削原理 (4) 崩碎切屑。切削脆性金属（铸铁、铸造黄铜等）时， 由于材料的塑性很小，抗拉强度很低，因而切削层内靠近切 削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就被挤裂，形 成不规则形状的碎粒或碎片切屑。工件材料越脆硬、刀具前 角越小、切削厚度越大，则越容易产生崩碎切屑。产生崩碎 切屑时，切削力波动大，加工质量较差，表面凸凹不平，刀 具容易损坏。 第6章金属切削原理 6.2.2 切削力 切削金属时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切 屑所需要的力称为切削力。切削力来源于被加工材料的弹、 塑性变形抗力和工件、切屑与前、后刀面之间的摩擦力。 1.切削力的分析 :总切削力F分解为如图所示的三个互相垂直 的切削分力Fc、Ff和Fp。 F = Fc2 +Ff2 +Fp2 第6章金属切削原理 (1) 主切削力Fc: 在主运动方向上的切削分力，也叫切 向力。它是最大的分力，消耗功率最多（占机床功率的 90%）， 是计算机床动力、机床和刀具的强度和刚度、夹 具夹紧力的主要依据。 (2) 吃刀抗力Fp:在吃刀方向上的分力，又称径向力。它 使工件弯曲变形和引起振动，对加工精度和表面粗糙度影 响较大。因切削时沿工件直径方向的运动速度为零，所以 径向力不做功。 第6章金属切削原理 (3) 进给抗力 Ff: 在走刀方向上的分力，又叫轴向力。 它与进给方向相反。进给抗力只消耗机床很少的功率（约 1%～3%）， 是计算（或验算）机床走刀机构强度的依据。 三个分力与合力的关系如下： 2 c 2 p F = F +F +Ff 2 第6章金属切削原理 2.切削力的计算 切削力一般有以下近似关系： Fp = (0.2 ~ 0.5) Fc Ff = (0.1 ~ 0.4) Fc 主切削力Fc可用以下公式估算： 车45钢 车中等硬度铸铁 Fc≈2ap·f （kN） Fc≈1.2ap·f （kN） 切削功率Pm可用以下公式估算： Pm=Fc·vc×10-3 (kW) 第6章金属切削原理 3. 影响切削力的主要因素 1) 工件材料的成分、组织、性能是影响切削力的主要因素。 材料的硬度、强度愈高，变形抗力越大，则切削力越大。在材 料硬度、强度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则切削 力越大。如当切削脆性材料时，切屑呈崩碎状态，塑性变形与 摩擦都很小，故其切削力一般低于塑性材料。不锈钢 1Cr18Ni9Ti的硬度与正火45钢大致相等，但由于其塑性、韧性 大， 因而其单位切削力比45钢大25%。 第6章金属切削原理 2) 刀具角度的影响 (1) 主偏角κr的影响。主偏角κr对主切削力Fc的影响不 大。κr =60°～75°时，Fc最小；κr ＜60°时， Fc随κr的 增大而减小; κr＞75°时，Fc随κr的增大而增大，不过Fc增 大或减小的幅度均在10%以内。 主偏角κr 主要影响Fp 和Ff 的比值。κr增大时，背向力 Fp减小，进给抗力Ff增大。因此，当切削细长轴时应采用 较大的κr （90°）。 第6章金属切削原理 (2) 刃倾角λs 的影响。 刃倾角λs 对主切削 力 Fc 的影响很小,但对背向力 Fp 、进给抗力 Ff 的影 响显著。λs减小时，Fp增大，Ff减小。 第6章金属切削原理 3) (1) 进给量f和切削深度ap。 ap和f增大时， 切削面积AD 增大， 故切削力增大。ap和f对切削力的影响程度不同。ap 增大时，切削力Fc成比例地增大； 而f增大时， Fc的增大却 不成比例，其影响程度比ap小。根据这一规律可知，在切削 面积不变的条件下， 采用较大的进给量和较小的切削深度， 可使切削力较小。 第6章金属切削原理 (2) 切削速度vc。切削速度vc主要通过对积屑瘤的影 响来影响切削力。如图所示，当vc较低时，随着vc的增大， 积屑瘤增高，刀具实际前角增大，故切削力减小。vc较高 时，随着vc的增大，积屑瘤逐渐减小，切削力又逐渐增大。 在积屑瘤消失后，vc再增大，使切削温度升高，切削层金 属的强度和硬度降低，切屑变形减小，摩擦力减小，因 此切削力减小。vc达到一定值后再增大，则切削力变化减 缓，渐趋稳定。由此可见， 在不影响切削效率的前提下， 为降低切削力，应增大切削速度同时减小切削深度。 第6章金属切削原理 切削速度对切削力的影响 第6章金属切削原理 4) (1) 刀具磨损。刀具磨损后，刀刃变钝会使刀面与加工表 面间的挤压和摩擦加剧，使切削力增大。刀具磨损达到一定程 度后， 切削力会急剧增加。 (2) 切削液和刀具材料。 以冷却作用为主的水溶液对切 削力的影响很小。以润滑作用为主的切削液能显著地降低切削 力，因为润滑作用减少了刀具前刀面与切屑、 后刀面与工件 表面的摩擦。刀具材料对切削力也有一定的影响，选择与工件 材料摩擦系数小的刀具材料，切削力会不同程度地减小。实验 结果表明，用YT类硬质合金刀具切钢时的切削力比用高速钢刀 具约降低5%~10%。 第6章金属切削原理 6.2.3切削热与切削温度 切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削过程中所 消耗的能量绝大部分（约98％～99％）转变成热能，称为 切削热。 1． 切削热的产生与传出 :切削热来自于切削区域的三个变 形区，即切削层金属发生弹性和塑性变形功转变的热；刀 具前刀面与切屑底部摩擦产生的热；刀具后刀面与工件已 加工表面摩擦产生的热。 第6章金属切削原理 切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。切 削热产生与传散的关系为 Q=Q变+Q摩=Q屑+Q工+Q刀+Q介(Q空气) 随着加工方法的不同，切削热传散的情况也不同。当不 用切削液时， (1) 车削时，Q屑最多（60%以上），Q工次之（10%～ 40%）， Q刀最少（10%以下），Q空气仅1%左右。 切削速度 越高，切削厚度越大，Q屑越多。 (2) 钻削时，Q工最高（50%以上），Q屑30%左右，Q刀 15%左右，Q气5%。 第6章金属切削原理 • 2．切削温度的分布 :切削温度一般指前刀面与切屑接触区 域的平均温度。在切削过程中，切屑、刀具和工件不同部 位的温度分布是不均匀的，图6-16所示为实验测出的正交 平面内的温度分布。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 3．影响切削温度的主要因素 (1)切削用量。增大切削用量时，切削功率增大，产 生的切削热也多，切削温度就会升高。 (2)工件材料。工件材料的强度和硬度越高，单位切 削力越大，切削时所消耗的功就越多，产生的切 削热也多，切削温度就越高。 (3)刀具几何参数。刀具的前角和主偏角对切削温度 影响比较大。 (4)其它因素。刀具磨损，切削液等 第6章金属切削原理 6.3 刀具磨损与刀具耐用度 6.3.1刀具的磨损形式 刀具的磨损发生在与切屑和工件接触的前刀面和后刀面 上，其磨损形式如图6-17所示。 (1)前刀面磨损。 (2) 后刀面磨损。 (3) 前刀面和后 刀面同时磨损或边界磨损。 第6章金属切削原理 (1) 后刀面磨损。当切削脆性金属材料或以较小的切 削厚度(hD<0.1 mm)切削塑性材料时，前刀面承受的压力、 摩擦力不大，温度较低，磨损主要发生在后刀面上。后刀 面磨损后， 在毗邻主切削刃的部位形成后角等于零的小 棱面，根据棱面各部位磨损的特点，可分为三个区域：靠 近刀尖部分的 C 区，由于散热条件差，因而磨损比较严重， 其最大宽度用VC表示；靠近工件待加工表面处的 N 区，往 往磨出较深的沟痕，这是由毛坯表面的氧化皮或上道工序 加工硬化层的影响造成的，称为边界磨损，其宽度用VN表 示；磨损棱面中间部位的B区，磨损比较均匀，用VB表示 其平均宽度，用VBmax表示其最大磨损宽度。 第6章金属切削原理 刀具的磨损形式 第6章金属切削原理 (2) 前刀面磨损。当以较高的切削速度和较大的切削厚 度(hD>0.5 mm)切削塑性金属材料时，切屑对前刀面的压力 很大， 摩擦剧烈，前刀面的温度较高，故在前刀面切削刃 口附近磨出月牙洼。月牙洼中心距主切削刃的距离KM的 值与切削厚度有关，约为1～3 mm。前刀面的磨损程度用 月牙洼的最大深度KT表示， 如图所示。 第6章金属切削原理 (3) 前、后刀面同时磨损，表现为上述两种现象同时 存在。前、后刀面同时磨损发生于切削塑性材料且0.1＜ hD＜0.5 mm的情况下。VB的大小对加工精度和表面粗糙 度影响较大， 加之测量方便，故常用来表示刀具的磨损 程度（磨钝指标）。 第6章金属切削原理 6.3.2刀具磨损的原因 (1)硬质点磨损 硬质点磨损是由于工件基体组织中的碳化物、氮化物、 氧化物等硬质点及积屑瘤碎片在刀具表面的刻划作用 而引起的机械磨损。 (2) 粘结磨损 在高温高压作用下，切屑与前刀面、已加工表面与后 刀面之间的磨擦面上，产生塑性变形，当接触面达到 原子间距离时，会产生粘结现象。 第6章金属切削原理 (3) 扩散磨损 切削过程中，由于高温、高压的作用，刀具材料 与工件材料中某些化学元素可能互相扩散，使两 者的化学成分发生变化，削弱刀具材料的性能， 形成扩散磨损。 (4) 化学磨损 在一定温度下，刀具材料与某些周围介质发生化学 反应，生成硬度较低的化合物而被切屑带走，或因 刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具的磨损。 第6章金属切削原理 6.3.3刀具的磨损过程及磨钝标准 (1)刀具的磨损过程 1)初期磨损阶段 2）正常磨损阶段 3）急剧磨损阶段 第6章金属切削原理 (2)刀具的磨钝标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使 用，这个磨损限度称为磨钝标准。国 际标准ISO统一规定以1／2背吃刀量 处的刀具后刀面上测定的磨损带宽度 VB作为刀具的磨钝标准。（P.148表 6-1） 自动化生产的精加工刀具，常以沿刀 具的径向的刀具磨损尺寸作为刀具的 磨钝标准，成为径向磨损量NB 第6章金属切削原理 表1-1 硬质合金车刀磨钝标准 单位： mm 第6章金属切削原理 6.3.4刀具耐用度 刀具耐用度是指刀具由刃磨后开始切削，一直到 磨损量达到刀具的磨钝标准所经过的总切削时间,单 位一般为分钟（min）。 刀具寿命是指刀具从开始投入使用到报废为止的 总切削时间。 刀具耐用度反映了刀具磨损的快慢程度。刀具耐 度高，表明刀具的磨损速度慢；反之，则表明刀具磨 损速度快。 第6章金属切削原理 表1-2 刀具耐用度参考值 第6章金属切削原理 6.4 工件材料的切削加工性 6.4.1材料切削加工性的评定 (1) 相对加工性 。保证相同刀具耐用度的前提下， 切削某种材料所允许的切削速度记作VT ，其含义 是：当刀具耐用度为T（min）时，切削这种材料 所允许的切削速度值。当T=60min时，记作V60 。 VT越高，则表示工件的切削加工性越好。生产中通 常用相对加工性做为衡量标准. v60 Kv = (v60 ) j 第6章金属切削原理 (2) 切削力和切削温度。在粗加工或机床动力不足 时，常用切削力和切削温度指标来评定材料的切削加工 性。即相同的切削条件下，切削力大、切削温度高的材 料，其切削加工性就差；反之，其切削加工性就好。 (3) 已加工表面质量。在精加工时，用表面粗糙度 值来评定材料的切削加工性。对有特殊要求的零件，则 以已加工表面变质层深度、残余应力和加工硬化等指标 来衡量材料的切削加工性。 (4) 断屑的难易程度。在自动机床或自动生产线上， 常用切屑折断的难易程度来评定材料的切削加工性。凡 切屑容易折断的材料，其切削加工性就好，反之，切削 加工性就差。 第6章金属切削原理 6.4.2影响材料切削加工性的主要因素 (1)材料的强度和硬度。工件材料的硬度和强度越高， 切削力越大，消耗的功率也越大，切削温度刀就越高， 刀具的磨损加剧，切削加工性就越差。 (2)材料的韧性。韧性大的材料，在切削变形时吸收的 能量较多，切削力和切削温度较高，并且不易断屑， 故其切削加工性能差。 第6章金属切削原理 (3)材料的塑性。材料的塑性越大，切削时的塑性变形就 越大，刀具容易产生粘结磨损和扩散磨损；在中低速切削 塑性较大的材料时容易产生积屑瘤，影响表面加工质量； 塑性大的材料，切削时不易断屑，切削加工性较差。 (4)材料的导热系数。材料的导热系数越高，切削热越容 易传出，越有利于降低切削区的温度，减小刀具的磨损， 切削加工性也越好。 第6章金属切削原理 6.4.3常用金属材料的切削加工性 (1) 结构钢 (2) 铸铁 (3) 有色金属 (4) 难加工金属材料。 6.4.4改善材料切削加工性的途径 常采用适当的热处理工艺，来改变材料的金相组织 和物理机械性能，从而改善金属材料的切削加工性。另 外，选择合适的毛坯成形方式，合适的刀具材料，确定 合理的刀具角度和切削用量，安排适当的加工工艺过程 等，也可以改善材料的切削加工性能。 第6章金属切削原理 6.5 金属切削条件的合理选择 6.5.1刀具材料的选择 1）高速钢 2）硬质合金 第6章金属切削原理 6.5.2 刀具几何参数的选择 刀具的几何参数，对切削变形、切削力、切削温度、刀 具寿命等有显著的影响。选择合理的刀具几何参数，对保 证加工质量、提高生产率、降低加工成本有重要的意义。 所谓刀具合理的几何参数，是指在保证加工质量的前提下， 能够满足较高生产率、较低加工成本的刀具几何参数。 第6章金属切削原理 • （l）前角的选择。增大前角，可减小切削变形，从而减 小切削力、切削热，降低切削功率的消耗，还可以抑制积 屑瘤和鳞刺的产生，提高加工质量。但增大前角，会使楔 角减小，切削刃与刀头强度降低，容易造成崩刃，还会使 刀头的散热面积和容热体积减小，使切削区局部温度上升， 易造成刀具的磨损，刀具耐用度下降。选择合理的前角时， 在刀具强度允许的情况下，应尽可能取较大的值，具体选 择原则如下： 第6章金属切削原理 1）加工塑性材料时，为减小切削变形，降低切削力和切 削温度，应选较大的前角；加工脆性材料时，为增加刃口 强度，应取较小的前角。工件的强度低，硬度低，应选较 大的前角；反之，应取较小的前角。用硬质合金刀具切削 特硬材料或高强度钢时，应取负前角。 2 ）刀具材料的抗弯强度和冲击韧度较高时，应取较大的 前角。如高速钢刀具的前角比硬质合金刀具的前角要大； 陶瓷刀具的韧性差，其前角应更小。 第6章金属切削原理 3 ）粗加工、断续切削时，为提高切削刃的强度，应选用 较小的前角。精加工时，为使刀具锋利，提高表面加工质 量，应选用较大的前角。当机床的功率不足或工艺系统的 刚度较低时，应取较大的前角。对于成形刀具和在数控机 床、自动线上不宜频繁更换的刀具，为了保证工作的稳定 性和刀具耐用度，应选较小的前角或零度前角。硬质合金 车刀合理前角的选择可参考表 6 -4，高速钢车刀的前角一 般比表中的值大 5o - 100 。 第6章金属切削原理 （2）后角的选择。增大后角，可减小刀具后刀面与已加 工表面间的摩擦，减小刀具磨损，还可使切削刃钝圆 半径减小，提高刃口锋利程度，改善表面加工质量。 但后角过大，将削弱切削刃的强度，减小散热体积， 使散热条件恶化，降低刀具耐用度。实验证明，合理 的后角主要取决于切削厚度。其选择原则如下： 第6章金属切削原理 • l）工件的强度、硬度较高时，为增加切削刃的强度，应 选择较小的后角。工件材料的塑性、韧性较大时，为减小 刀具后刀面的摩擦，可取较大的后角。加工脆性材料时， 切削力集中在刃口附近，应取较小的后角。 • 2）粗加工或断续切削时，为了强化切削刃，应选较小的 后角。精加工或连续切削时，刀具的磨损主要发生在刀具 后刀面，应选用较大的后角。 • 3）当工艺系统刚性较差，容易出现振动时，应适当减小 后角。在一般条件下，为了提高刀具耐用度，可加大后角， 但为了降低重磨费用，对重磨刀具可适当减小后角。一为 了使制造、刃磨方便，一般副后角等于主后角。表 6-4 给出了硬质合金车刀合理后角的参考值。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 • （3）主偏角与副偏角的选择。主偏角与副偏角的作用有 以下几点： • l ）减小主偏角和副偏角，可降低残留面积的高度，减 小已加工表面的粗糙度值。 • 2 ）减小主偏角和副偏角，可使刀尖强度提高，散热条 件改善，提高刀具耐用度。 • 3 ）但减小主偏角和副偏角，均使径向力增大，容易引 起工艺系统的振动，加大工件的加工误差和表面粗糙度值。 第6章金属切削原理 • 主偏角的选择原则与参考值 工艺系统的刚度较好时，主偏角可取小值，如 Kr = 30o —45o。在加工高强度、高硬度的工件时，可取 Kr = 100 — 300 ，以增加刀头的强度。当工艺系统的刚度较差 或强力切削时，一般取 Kr = 600 — 750 。车削细长轴时， 为减小径向力，取Kr = 900 一 930 。在选择主偏角时， 还要视工件形状及加工条件而定，如车削阶梯轴时，可取 Kr = 900 ，用一把车刀车削外圆、端面和倒角时，可取 Kr = 450 — 600 。 第6章金属切削原理 • 副偏角的选择原则与参考值 主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具强度来选择， 在不引起振动的情况下，尽量取小值。精加工时，取 Kr´= 50 一 100；粗加工时，取 Kr´= 100 一 150 。当工 艺系统刚度较差或从工件中间切入时，可取Kr´= 300 一 450 。在精车时，可在副切削刃上磨出一段 Kr´= 00 ,长 度为（ 1 . 2 一 1 . 5 ) f （进给量）的修光刃，以减小已加 工表面的粗糙度值。 总之，对于主、副偏角在一般情况下，只要工艺系统刚度 允许，应尽量选取较小的值。 第6章金属切削原理 （4 ）刃倾角的选择。 刃倾角的作用几如下： 1）影响切屑的流出方向， 第6章金属切削原理 • 2 ）影响刀尖强度和散热条件 第6章金属切削原理 • 3 ）影响切削刃的锋利程度 • 当刃倾角的绝对值增大时，可使刀具的实际前角增大，刃 口实际钝圆半径减小，增大切削刃的锋利性。 • 刃倾角的选择原则与参考值： • 加工钢件或铸铁件时，粗车取λs=-50~ 00 ，精车取λs=00~ 50。 有冲击负荷或断续切削取λs=-150~ -50。加工高强度钢、淬 硬钢或强力切削时，为提高刀头强度，取λs=-300~ -00。微量切削时，为增加切削刃的锋利程度和切薄能力， 可取λs=450~ 750。当工艺系统刚度较差时，一般不宜采用 负刃倾角，以避免径向力的增加。 第6章金属切削原理 • （5 ）其他几何参数的选择 • 1 ）切削刃区的剖面形式。通常使用的刀具切削刃的刃区形式有锋刃、 倒棱、刃带、消振棱和倒圆刃等，如图 6 - 21 所示。刃磨刀具时由前 刀面和后刀面直接形成的切削刃，称为锋刃。其特点是刃磨简便、切 入阻力小，广泛应用于各种精加工刀具和复杂刀具，但其刃口强度较 差。沿切削刃磨出负前角（或零度前角、小的正前角）的窄棱面，称 为倒棱。倒棱的作用是可增强切削刃，提高刀具耐用度。沿切削刃磨 出后角为零度的窄棱面，称为刃带。刃带有支承、导向、稳定和消振 作用。对于铰刀、拉刀和铣刀等定尺寸刀具，刃带可使制造、测量方 便。沿切削刃磨出负后角的窄棱面，称为消振棱。消振棱可消除切削 加工中的低频振动，强化切削刃，提高刀具耐用。研磨切削刃，使它 获得比锋刃的钝圆半径大一些的切削刃钝圆半径，这种刃区形式称为 倒圆刃。倒圆刃可提高刀具耐用度，增强切削刃，广泛应用于硬质合 金可转位刀片。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 • 2 ）刀面形式和过渡刃。 • ① 前刀面形式。 第6章金属切削原理 • ② 后刀面形式。 第6章金属切削原理 • ③过渡刃 第6章金属切削原理 • 6.5.3 刀具耐用度的选择 • 刀具耐用度分两种：最高生产率耐用度和最低成本耐 用度。最高生产率耐用度是以单位时间内生产最多数量的 产品或加工每个零件所消耗的生产时间最少来衡量的；最 低成本耐用度是以每件产品（或工序）的加工费用最低为 原则来制定瓶在选择刀具耐用度时，通常采用最低成本耐 用度，以利于市场竞争。在产品生产任务紧迫或生产中出 现不平衡环节时，才采用最大生产率耐用度。 • 第6章金属切削原理 • 刀具耐用度对切削加工的生产率和生产成本有较大的影响。 在具体制定刀具耐用度时，还应注意到：对于制造和刃磨 都比较简单，且成本不高的刀具，耐用度可定得低一些； 反之，则应定得高些。对于装夹和调整比较复杂的刀具， 耐用度应定得高些。切削大型工件时，为避免在切削过程 中中途换刀，刀具耐用度应定得高些。表 6 一 5 列举了 部分刀具的合理耐用度数值，供参考。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 6.5.4切削用量的选择 选择合理的切削用量，要综合考虑生产率、加工质 量和加工成本。一般地，粗加工时，由于要尽量保证较 高的金属切除率和必要的刀具耐用度，应优先选择大的 背吃刀量，其次选择较大的进给量，最后根据刀具耐用 度，确定合适的切削速度。精加工时，由于要保证工件 的加工质量，应选用较小的进给量和背吃刀量，并尽可 能选用较高的切削速度。 (1) 背吃刀量的选择。 (2) 进给量的选择。 (3) 切削速度的选择。 (4)切削用量的优化设计。 第6章金属切削原理 1) ap ap主要根据加工余量和工艺系统的刚度确定。 (1) 粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可 能一次走刀将剩下的余量切除；若余量过大不能一次切除， 也 应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap应尽可能大些， 使刀口在里层切削， 避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。 第6章金属切削原理 (2) 当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较 差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap， 使切削力减小。 (3) 精加工时， ap应根据粗加工留下的余量确定，采 用逐渐降低ap的方法， 逐步提高加工精度和表面质量。 (4) 一般精加工时，取ap=0.05～0.8 mm；半精加工时， 取ap=1.0~3.0 mm。 第6章金属切削原理 2)f的选择 (1) 粗加工时，f主要受刀杆、刀片、机床、工件等的强度 和刚度所承受的切削力限制， 一般根据刚度来选择。工艺系 统刚度好时，可用大些的f；反之，适当降低f 。 （2） 精加工、半精加工时，f应根据工件的Ra要求选择。 Ra要求小的，取较小的f，但又不能过小，因为f过小，切削厚 度hD过薄，Ra反而增大，且刀具磨损加剧。刀具的 尖圆弧半径γε愈大，则f可选较大值。 愈大， κ 'r 刀 第6章金属切削原理 大多数的数控车床、铣床、镗床和钻床等，都规 定了其进给速度。每转进给速度（mm／r）与每分钟 进给速度可以相互进行换算，其换算式为 每分钟进给速度(mm / min) 每转进给速度(mm/r) = n 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 • • • • • • 第6章金属切削原理 6.5.5 切削液的选择 (1）切削液的作用。 l ）冷却作用。切削液能从切削区域带走大量切削热， 使切削温度降低。其中冷却性能取决于它的导热系数、比 热容、汽化热、汽化速度、流量和流速等。 2 ）润滑作用。切削液能渗人到刀具与切屑、加工表面 之间形成润滑膜或化学吸附膜，减小摩擦。其润滑性能取 决于切削液的渗透能力、形成润滑膜的能力和强度。 3 ）清洗作用。切削液可以冲走切削区域和机床上的细碎 切屑和脱落的磨粒，防止划伤已加工表面和导轨。清洗性 能取决于切削液的流动性和使用压力旧 4 ）防锈作用。在切削液中加人防锈剂，可在金属表面形 成一层保护膜，起到防锈作用。防锈作用的强弱，取决于 切削液本身的成分和添加剂的作用。 第6章金属切削原理 • ( 2 ）切削液的添加剂。 • 1 ）油性添加剂。常用的油性添加剂有动物油、植物油、 脂肪酸、胺类、醇类和脂类等。 • 2 ）极压添加剂。它是含有硫、磷、氯、碘等元素的有机 化合物，在高温下与金属表面起化学反应，形成耐较高温 度和压力的化学吸附膜，能防止金属界面直接接触，减小 摩擦。 • 3 ）表面活性剂。它是使矿物油和水乳化而形成稳定乳化 液的添加剂。常用的表面活性剂有石油磺酸钠、油酸钠皂 等。 • 4 ）防锈添加剂。它是一种极性很强的化合物，与金属表 面有很强的附着力，吸附在金属表面上形成保护膜，或与 金属表面化合形成钝化膜，起到防锈作用。常用的防锈添 加剂有碳酸钠、三乙醇胺、石油磺酸钡等。 第6章金属切削原理 • （ 3 ）常用切削液的种类与选用。 • 1）水溶液。它的主要成分是水，其中加入了少量的防锈 剂、清洗剂和润滑剂。水溶液的冷却效果良好，多用于普 通磨削和粗加工。 • 2 ）乳化液。它是将乳化油（由矿物油和表面活性剂配成） 用水稀释而成，用途广泛。低浓度的乳化液具有良好的冷 却效果，主要用于普通磨削、粗加工等。高浓度的乳化液 润滑效果较好，主要用于精加工等。 • 3 ）切削油。它主要是矿物油（如机械油、轻柴油、煤油 等），少数采用动植物油或复合油。普通车削、攻螺纹时， 可选用机油。精加工有色金属或铸铁时，可选用煤油。加 工螺纹时，可选用植物油。在矿物油中加入一定量的油性 添加剂和极压添加剂，能提高其高温、高压下的润滑性能， 可用于精铣、铰孔、攻螺纹及齿轮加工。常用切削液的种 类和选用见表 6 一 8 。 第6章金属切削原理 第6章金属切削原理 小结 1. 金属切削的基本术语和定义 2.切削过程的物理现象 3. 切削条件合理选择的原则 作业 6-1，6-2，6-10，6-13，6-15