金属切削过程.ppt

第3章金属切削过程,,切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，通过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。对这些现象进行研究，揭示其内在的机理，探索和掌握金属切削过程的基本规律，从而主动地加以有效的控制，对保证加工精度和表面质量，提高切削效率，降低生产成本和劳动强度具有十分重大的意义。总之，金属切削过程的优劣，直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。因此，必须进行深入的研究。,3-1金属切削过程,,一、切削层及切削层参数以车削加工为例，工件转一转，车刀沿工件轴向移动一个进给量。这时，切削刃从加工表面的一个位置移至相邻的加工表面的另一个位置上，两表面之间由车刀切削刃切下的一层金属称为切削层。在与切削速度方向相垂直的切削层剖面内度量的切削层的尺寸称为切削层参数。,,切削层参数有以下几个1、切削层公称厚度hD在过渡表面法线方向测量的切削层尺寸，即相邻两过渡表面之间的距离。hD反映了切削刃单位长度上的切削负荷。由图得其中hD切削层公称厚度，mm；f进给量，mm/r）；kr车刀主偏角，。。,,2、切削层公称宽度bD沿过渡表面测量的切削层尺寸。bD反映了切削刃参加切削的工作长度。由图得其中bD切削层公称宽度，mm。,,3、切削层公称横截面积AD切削层公称厚度与切削层公称宽度的乘积。由图得其中AD切削层公称横截面积，mm2。,,二、切削过程1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。,,2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。,第Ⅰ变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；,第Ⅱ变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；,第Ⅲ变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区。,,3、切屑的形成及变形特点1）第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。1、相对滑移ε相对滑移ε是用来量度第1变形区滑移变形的程度。,,2、变形系数∧h变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。,,剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。注意由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而ε值主要从剪切变形考虑；而∧h主要从塑性压缩方面分析。所以，ε与∧h都只能近似地表示切削变形程度。第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。,,2）第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。3）第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。,,三、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。1、积屑瘤是如何形成的1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。2）当两者的接触面达到一定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷焊”。切屑从粘在刀面的底层上流过，形成“内摩擦”。3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。,,2、形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。,,3、积屑瘤对切削过程的影响1）实际前角增大它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。2）使加工表面粗糙度增大积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。3）对刀具寿命的影响积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。,,4、防止积屑瘤的主要方法1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,,四、影响切削变形的因素从相对滑移ε、变形系数∧h计算式中可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。1、前角增大前角γ0，使剪切角增大，变形系数∧h减小，因此，切削变形减小。生产实践表明采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力2、切削速度切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。3、进给量进给量f增大，使变形系数∧h减小。4、工件材料工件材料硬度、强度提高，切削变形减少。,3.2金属切削过程,金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程是指将工件上多余的金属层，也是工件的切削层在刀具前面挤压下产生塑性变形,形成切屑被切下来的过程。过切削加工被刀具切除而形成切屑并获得几何形状、尺寸精度和表面粗糙度都符合要求的零件的过程。在这一过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。,3.2.1切削的形成过程,1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。,2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。,,3.2.2第一变形区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形,切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削刃的挤压作用，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，并同时使金属晶格产生滑移。,第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。,在上图中，切削层上各点移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.02一0.2mm，所以常用AB滑移面来表示第变形区，AB面亦称为剪切面。,由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也就不同，因而产生的切屑种类也就多种多样，如图示。图中从左至右前三者为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。切屑的类型是由应力-应变特性和塑性变形程度决定的。,1.带状切屑,它的内表面光滑，外表面毛茸。加工塑性金属材料（如碳素钢、合金钢、铜和铝合金），当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时，一般常得到这类切屑。它的切削过程平衡，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。,一、切屑类型,2.挤裂切屑,这类切屑与带状切屑不同之处在外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。这种切屑大多在切削黄铜或切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时产生。,3.单元切屑,如果在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑，如图所示。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。,以上三种切屑只有在加工塑性材料时才可能得到。其中，带状切屑的切削过程最平稳，单元切屑的切削力波动最大。在生产中最常见的是带状切屑，有时得到挤裂切屑，单元切屑则很少见。,假如改变挤裂切屑的条件，如进一步减小刀具前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。反之，则可以得到带状切屑。,这说明切屑的形态是可以随切削条件而转化的。掌握了它的变化规律，就可以控制切屑的变形、形态和尺寸，以达到卷屑和断屑的目的。,4.崩碎切屑,这是属于脆性材料（如铸铁、黄铜等）的切屑。这种切屑的形状是不规则的，加工表面是凸凹不平的。,从切削过程来看，切屑在破裂前变形很小，和塑性材料的切屑形成机理也不同。它的脆断主要是由于材料所受应力超过了它的抗拉极限。加工脆硬材料，如高硅铸铁、白口铁等，特别是当切削厚度较大时常得到这种切屑。,由于它的切削过程很不平稳，容易破坏刀具，也有损于机床，已加工表面又粗糙，因此在生产中应力求避免。其方法是减小切削厚度，使切屑成针状或片状；同时适当提高切削速度，以增加工件材料的塑性。,切屑控制的措施在实际加工中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制出断屑槽或使用压块式断屑器。,二、变形系数∧h,变形系数∧h是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如下图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。,变形系数∧h表示切屑收缩的程度，即,从上图可知，剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故∧h变小。它们之间的关系如下,从上面两个公式可知，剪切角与前角γ0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角γ0和剪切角，使相对滑移ε、变形系数∧h减小，则切削变形减小。,三、剪切角的确定,剪切角是影响切削变形的一个重要因素。,按最大剪应力的理论，求出剪切角计算式为,从上面公式可看出与γ0、β有关。增大前角γ0、减小摩擦角β，使剪切角增大，切削变形减小,3.2.3第二变形区（与前刀面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形,经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。,应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。,积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。,1、形成积屑瘤的条件,主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。,1）一般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；,2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。,3）走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。,2、积屑瘤对切削过程的影响,1）实际前角增大,它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。,2）使加工表面粗糙度增大,积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳定，容易破裂，一部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。,3）对刀具寿命的影响,积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。,3、防止积屑瘤的主要方法,1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；,2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；,3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；,4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；,5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,3.2.4第三变形区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。,3.3切削力,在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计机床、刀具、夹具的必要依据。研究切削力的规律，对于分析切削过程和生产实际都有重要意义。,3.3.1切削力的来源,研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面,1．克服被加工材料对弹性变形的抗力；,2．克服被加工材料对塑性变形的抗力；,3．克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。,3.3.2切削合力及其分解,它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力Fr，在按主运动速度方向、切深方向和进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分解成三个为相互垂直的Fz、Fy和Fx三个分力。,Fz主切削力或切向力。它垂直于基面，切于切削表面并与切削速度的方向一致。一般，Fz在分力中最大，是计算切削功率，设计机床零件的主要依据。,Fy切深抗力，或称背向力、吃刀力。它在基面里并与进给方向（即工件轴向方向）垂直。Fy约为（0.15-0.7Fz,它虽不做功，但能使工件变形或振动，对加工精度和已加工表面质量影响较大。,Fx进给抗力，或称轴向力、走刀力。它在基面里并与进给方向（即工件轴向方向）相平行。Fx约为（0.1-0.6Fz，是设计走刀机构时所必需的数据。,3.3.3切削力的经验公式,目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。,3.3.4单位切削力的形式公式,单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。可用下式表示,上式表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增大而减小。单位切削力p不受背吃刀量ap的影响。,3.3.5切削功率的计算,消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm,切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是,PmFzVcFxnwf/100010-3,其中Pm切削功率（KW）；Fz切削力（N）；Vc切削速度（m/s）；Fx进给力（N）；nw工件转速（r/s）；f进给量（mm/s）。,式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它占总功率5左右，可以略去不计，于是,PmFzVc10-3,按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。,PE≥Pm/ηm,式中ηm机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。,3.3.6影响切削力的主要因素,实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。,1、工件材料,（1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。,（2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。,2、切削用量,（1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。,由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大通常XFz1,YFz0.75-0.9），所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。,（2）切削速度vc,1）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。,2）切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。,3、刀具几何角度,（1）前角前角增大，变形减小，切削力减小。,（2）主偏角主偏角Kr在300-600范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，使主切削力Fz减小；主偏角Kr在600-900范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。,一般地，Kr600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。Kr增大，使Fy减小、Fx增大。,实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角κr600的车刀切削。,3刃倾角λsλs对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。λs由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。,实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角λs。特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角λs增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。,4、其它因素,（1）刀具棱面应选较小宽度,使Fy减小。,（2）刀具圆弧半径增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。,（3）刀具磨损后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。,3.4切削热和切削温度,切削热和由它产生的切削温度，是刀具磨损和影响加工精度的重要原因。高的切削温度使刀具磨损加剧，耐用度下降；工件和刀具受热膨胀会导致工件精度达不到要求。,3.4.1切削热的产生和传出,切削热来源于切削层金属发生弹性变形、塑性变形所产生的热和切屑与前刀面、工件与后刀面间的摩擦热。切削热由切削、工件、刀具及周围的介质传导出去,3.4.2影响切削温度的主要因素,根据理论分析和大量的实验研究知，切削温度主要受切削用量、刀具几何参数、工件材料、刀具磨损和切削液的影响，以下对这几个主要因素加以分析。,分析各因素对切削温度的影响，主要应从这些因素对单位时间内产生的热量和传出的热量的影响入手。如果产生的热量大于传出的热量，则这些因素将使切削温度增高；某些因素使传出的热量增大，则这些因素将使切削温度降低。,1.切削用量的影响,切削用量是影响切削温度的主要因素。切削速度对切削温度影响最大，随切削速度的提高，切削温度迅速上升。进给量对切削温度影响次之，而背吃力量ap变化时，散热面积和产生的热量亦作相应变化，故ap对切削温度的影响很小。,2.刀具几何参数的影响,切削温度θ随前角γo的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。但前角大于18～20后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的缘故。,主偏角Κr减小时，使切削宽度hD增大，切削厚度hD减小，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。但当切削宽度hD增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。,3.工件材料的影响,工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。,4.刀具磨损的影响,在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大；切削速度愈高，影响就愈显著。合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。,5.切削液的影响,切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。,3.5刀具磨损和刀具寿命,切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损，属正常磨损；后者包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种，属非正常磨损。,刀具磨损后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并导致切削力加大、切削温度升高，甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量和成本。,刀具正常磨损的形式有以下几种,切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在前刀面上经常会磨出一个月牙洼.月牙洼的位置发生在刀具前刀面上切削温度最高的地方。,1.前刀面磨损,3.5.1刀具的磨损形式,2.后刀面磨损,由于加工表面和刀具后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面，这就是后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下切削塑性材料或加工脆性材料时，主要发生后刀面磨损。,3.边界磨损前、后刀面同时磨损）,切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。,3.5.2刀具磨损的原因,切削过程中刀具的磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；前、后刀面上的接触压力很大，有时超过被切材料的屈服强度；接触面的温度也很高，如硬质合金加工钢料时可达800～1000℃。因此，刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。,1磨粒磨损,在切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。磨粒磨损对高速钢作用较明显。,2粘结磨损,刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。,3扩散磨损,切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。,4相变磨损,当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。,5氧化磨损,氧化磨损是一种化学性质的磨损。,3.5.3刀具的磨损过程及磨钝标准,1、刀具磨损过程,刀具磨损过程可分为三个阶段,1初期磨损阶段,因为新刃磨的刀具切削刃较锋利，其后刀面与加工表面接触面积很小，压应力较大，加之新刃磨的刀具的后刀面存在着微观不平等缺陷，所以这一阶段的磨损很快。,2正常磨损阶段,经初期磨损后，刀具的粗糙表面已经磨平，承压面积增大，压应力减小，从而使磨损速率明显减小，刀具进入正常磨损阶段。这个阶段的磨损比较缓慢均匀。,3.急剧磨损阶段,刀具经过正常磨损阶段后，切削刃变钝，切削力、切削温度迅速升高，磨损速度急剧增加，以致刀具损坏而失去切削能力。生产中应该避免达到这个磨损阶段。要在这个阶段到来之前，及时更换刀具。,2.刀具的磨钝标准,刀具磨损到一定限度就不能继续使用。这个磨损限度称为磨钝标准。一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工质量和切削力、切削温度的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量易于测量，因此在金属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度制定磨钝标准。,3.6工件材料的切削加工性,材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。根据不同的要求，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性。,1.以刀具耐用度T或一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性,2.以切削力或切削温度衡量加工性,3.以加工表面质量衡量加工性,4.以切屑控制或断屑的难易衡量加工性,3.7金属切削条件的选择,3.7.1刀具几何参数的选择,1、前角的选择前角对切削的难易程度有很大的影响。增大前角能使刀刃变得锋利，使切削更为轻快，可以减小切屑变形，从而使切削力和切削功率减小。但增大前角会使刀刃和刀尖强度下降，刀具散热体积减小，影响刀具寿命。前角的大小对表面粗糙度，排屑及断屑等也有一定的影响。,实践证明，刀具合理前角的大小主要取决于工件材料，刀具材料以及工件加工要求。工件材料的强度，硬度较低时，应取较大的前角，反之应取较小的前角；加工塑性材料（如钢）时，应选较大的前角，加工脆性材料（如铸铁）时，应选较小的前角。刀具材料韧性好（如高速钢），前角可选得大些，反之（如硬质合金）则前角应选得小一些。粗加工时，特别是断续切削时，应选用较小的前角，精加工时应选用较大前角。,通常硬质合金车刀的前角γ0在－5～＋20范围内选取，高速钢刀具的前角则应比硬质合金刀具大5～10，而陶瓷刀具的前角一般取－5～15,2、后角的选择,后角的主要功用是减小刀面与工件的摩擦和后刀面的磨损，其大小对刀具耐用度和加工表面质量都有很大的影响。合理后角的大小取决于切削厚度（或进给量），也与工件材料，工艺系统的刚性有关。车削一般钢和铸铁时，车刀后角常选用4～6。,3、主偏角Kr与副偏角Kr’的选择,主偏角和副偏角对刀具耐用度影响很大。减小主偏角和副偏角，可使刀尖角增大，刀尖强度提高，散热条件改善，因此刀具耐用度得以提高。减小主偏角和副偏角，可降低残留面积的高度，故可减小加工表面的粗糙度。主偏角和副偏角还会影响各切削分力的大小和比例。,在工艺系统刚性较好时，主偏角κr宜取较小值，如κr3045；当工艺系统刚性较差或强力切削时，一般取κr6070。车削细长轴时，取κr9093，以减小背向力Fp。,副偏角κr的大小主要根据表面粗糙度的要求选取，一般为515，粗加工时取大值，精加工时取小值。,4、刃倾角的选择,刃倾角ls主要影响刀头的强度和切屑流动的方向。在加工一般钢件和铸铁时，无冲击的粗车取ls0-5，精车取ls05；有冲击负荷时，取ls-5-15；当冲击特别大时，取ls-30-45。切削高强度钢，冷硬钢时，可取ls-30-10。,在实际生产中，刀具耐用度同生产效率和加工成本之间存在着较复杂的关系。因此，刀具耐用度并不是越高越好，如果把刀具耐用度选得过高，则切削用量势必被限制在很低的水平，虽然此时刀具的消耗及其费用较少，但过低的加工效率也会使经济效果变得很差。若刀具耐用度选得过低，虽可采用较高的切削用量使金属切除量增多，但由于刀具磨损加快而使换刀、刃磨的工时和费用显著增加，同样达不到高效率、低成本的要求。因此，在生产实际中就存在着最大生产率耐用度和最低成本耐用度，以及与它们相适应的切削速度。,3.7.2刀具寿命的选择,3.7.3切削用量的选择,选择合理的切削用量是切削加工中十分重要的环节，选择合理的切削用量必须联系合理的刀具耐用度。所谓合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。,1.背吃刀量ap的选择,除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量尽可能一次切除，以使走刀次数最小；,当粗车余量太大或加工的工艺系统刚性较差时，则加工余量分两次或数次走刀后切除。,2.进给量f的选择,粗加工时，工件表面质量要求不高，但切削力往往很大，合理进给量的大小主要受机床进给机构强度、刀具的强度与刚性、工件的装夹刚度等因素的限制。精加工时，合理进给量的大小则主要受加工精度和表面粗糙度的限制。,3、切削速度的选择,在生产中选择切削速度的一般原则是（1）粗车时，ap和f较大，故选择较低的v；精车时，ap和f均较小，故选择较高的v。（2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的v；加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的v。,（3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20～30；切削调质状态的钢比切削正火、退火状态钢要降低切削速度20～30；切削有色金属时比切削中碳钢的切削速度可提高100～300。（4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。如硬质合金的切削速度比高速钢刀具可高好几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具可采用更高的切削速度。（5）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。（6）断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。（7）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。,3.7.4切削液的选择,1、切削液的作用,（1）冷却作用,切削液的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具耐用度；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。在切削速度高，刀具、工件材料导热性差，热膨胀系数较大的情况下，切削液的冷却作用尤显重要。,（2）润滑作用,由于润滑液的渗透和吸附作用，部分接触面仍存在着润滑液的吸附膜，起到降低摩擦系数的作用,（3）清洗作用,切削液具有冲刷切削中产生的碎屑（如切铸铁）或磨粉（磨削）的作用。清洗性能的好坏，与切削液的渗透性、流动性和使用的压力有关。切削液的清洗作用对于磨削精密加工和自动线加工十分重要，而深孔加工时，要利用高压切削液来排屑。,（4）防锈作用,切削液应具有一定的防锈作用，以减少工件、机床、刀具的腐蚀。防锈作用的好坏，取决于切削液本身的性能和加入的防锈添加剂的性质。,2、切削液的添加剂,为了改善切削液性能所加入的化学物质，称为添加剂。主要有油性添加剂、极压添加剂、表面活性剂等。,油性添加剂含有极性分子，能与金属表面形成牢固的吸附膜，主要起润滑作用。但这种吸附膜只能在较低温度下起较好的润滑作用，故多用于低速精加工的情况。油性添加剂有动植物油（如豆油、菜籽油、猪油等），脂肪酸、胺类、醇类及脂类。,1.油性添加剂,2.极压添加剂,常用的极压添加剂是含硫、磷、氯、碘等的有机化合物，含硫极压添加剂与金属表面作用生成磷酸铁膜，它的摩擦系数较小。,3.表面活性剂,乳化剂是一种表面活性剂。它是使矿物油和水乳化，形成稳定乳化液的添加剂。,表面活性剂在乳化液中，除了起乳化作用以外，还能吸附在金属表面上形成润滑膜起润滑作用。,