机械加工技术及设备.pptx

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1、机械制造技术机械制造技术Mechanism Manufacture Technology 配套教材：配套教材：第第2章章 金属切削加工理论及其应用金属切削加工理论及其应用 【学习目标】【学习目标】本章主要介绍金属切削加工过程中的切削变形、本章主要介绍金属切削加工过程中的切削变形、积屑瘤、加工硬化、切削力、切削热和切削温度、刀积屑瘤、加工硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损和刀具寿命等物理现象以及磨削当中的特点，具磨损和刀具寿命等物理现象以及磨削当中的特点，同时介绍这些现象的影响因素和操作方法。通过对本同时介绍这些现象的影响因素和操作方法。通过对本章的学习，让学生了解产生这些现象的基本规律，

2、能章的学习，让学生了解产生这些现象的基本规律，能够通过调整某些影响因素来操作切削过程，从而到达够通过调整某些影响因素来操作切削过程，从而到达实现工件切削加工要求之目的。实现工件切削加工要求之目的。金属切削加工过程是指通过切削运动，刀具从工件的外金属切削加工过程是指通过切削运动，刀具从工件的外表上切下多余的金属层，形成切屑和合格的已加工外表的过表上切下多余的金属层，形成切屑和合格的已加工外表的过程。在此过程中将产生许多物理现象，如切削变形、积屑瘤、程。在此过程中将产生许多物理现象，如切削变形、积屑瘤、鳞刺、振动、外表硬化、切削力、切削热和切削温度、刀具鳞刺、振动、外表硬化、切削力、切削热和切削温

3、度、刀具磨损等。本章主要研究产生上述诸多现象的成因、本质及变磨损等。本章主要研究产生上述诸多现象的成因、本质及变化规律。掌握这些基本规律，对合理使用与设计刀具、夹具、化规律。掌握这些基本规律，对合理使用与设计刀具、夹具、机床，保证加工质量、降低加工本钱、提高生产效率以及促机床，保证加工质量、降低加工本钱、提高生产效率以及促进切削加工技术的进步都将具有非常重要的意义。进切削加工技术的进步都将具有非常重要的意义。2.1切削变形切削变形 研究切削变形与切屑的形成非常复杂，下面以正交（直研究切削变形与切屑的形成非常复杂，下面以正交（直角）自由切削为研究模型进行简要说明。角）自由切削为研究模型进行简要说

4、明。2.1.1金属切削层的切削变形金属切削层的切削变形 1.切削变形的力学本质切削变形的力学本质 金属切削过程类似于金属材料受挤压的过程，当塑金属切削过程类似于金属材料受挤压的过程，当塑性金属材料受挤压时，金属先产生弹性变形而后是塑性性金属材料受挤压时，金属先产生弹性变形而后是塑性变形，最大剪应力方向与最大主应力方向之间大致成变形，最大剪应力方向与最大主应力方向之间大致成45o夹角，即沿着夹角，即沿着OM或或AB产生剪切滑移（如图产生剪切滑移（如图2.1a所示）。所示）。图图2.1 金属的挤压与切削的比较金属的挤压与切削的比较图图2.1 金属的挤压与切削的比较金属的挤压与切削的比较 2.切削过

5、程中的三个变形区切削过程中的三个变形区 在切削过程中存在着三个变形区（如图在切削过程中存在着三个变形区（如图2.2所示）：所示）：（1）第一变形区。由始滑移面）第一变形区。由始滑移面OA与终滑移面与终滑移面OM所所围成的区域（围成的区域（）称为第一变形区，也称剪切滑移区。这）称为第一变形区，也称剪切滑移区。这是主要变形区（产生塑性变形形成切屑）。是主要变形区（产生塑性变形形成切屑）。滑移面与切削速度的夹角称为剪切角滑移面与切削速度的夹角称为剪切角。（2）第二变形区。它是指刀）第二变形区。它是指刀屑接触区，即屑接触区，即与前面接触的切屑底层内产生的变形区域（与前面接触的切屑底层内产生的变形区域（

6、），），切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压切屑沿刀具前面流出时进一步受到刀具前面的挤压和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方和摩擦，切屑卷曲，靠近前面处晶粒纤维化，其方向基本上和刀具前面平行。向基本上和刀具前面平行。（3）第三变形区。它是指刀）第三变形区。它是指刀工件接触区，工件接触区，亦即近切削刃处已加工外表层内产生的变形区域亦即近切削刃处已加工外表层内产生的变形区域（）。已加工外表受到切削刃钝圆局部与刀具后）。已加工外表受到切削刃钝圆局部与刀具后面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化与外表面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化与外表加工硬化。加工硬化。三个变形区的变形相互牵

7、连，切削变形是一个整体，三个变形区的变形相互牵连，切削变形是一个整体，且整个变形过程是在极短的时间内完成的。且整个变形过程是在极短的时间内完成的。a)b)图图2.2 切削变形状态切削变形状态a)正交平面中的受力情况正交平面中的受力情况 b)金相照片金相照片 1.切屑的形成过程切屑的形成过程 切削层在刀具挤压切削层在刀具挤压和摩擦的作用，产生弹和摩擦的作用，产生弹性变形和塑性变形，当性变形和塑性变形，当切削层的承受的切应力切削层的承受的切应力达到材料的屈服强度极达到材料的屈服强度极限时，便产生剪切滑移，限时，便产生剪切滑移，切削层经过第一变形区切削层经过第一变形区形后即沿着刀具前面流形后即沿着刀

8、具前面流出，便形成了切屑。出，便形成了切屑。a）b）图图2.3 切屑的形成过程切屑的形成过程a)形成切屑的剪切滑移过程形成切屑的剪切滑移过程 b)b)切屑形成模型切屑形成模型2.1.2切屑的形成与切屑类型切屑的形成与切屑类型 2.切屑的类型切屑的类型 由于工件材料和切削条件的不同，切削中的变形程度由于工件材料和切削条件的不同，切削中的变形程度也不相同，因此，会形成多种类型的切屑，如图也不相同，因此，会形成多种类型的切屑，如图2.4所示。所示。a）b）c）d）图图2.4 切屑的类型切屑的类型a）带状切屑）带状切屑 b）节状切屑）节状切屑 c）粒状切屑）粒状切屑 d）崩碎崩碎切屑切屑 （1）带状切

9、屑）带状切屑。产生条件：切削塑性材料（如软钢、铝等）时，如产生条件：切削塑性材料（如软钢、铝等）时，如果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，容易形果切削速度较高、切削厚度较薄、刀具前角较大，容易形成内外表光滑、外外表呈毛茸状的带状切屑。成内外表光滑、外外表呈毛茸状的带状切屑。优点：切削过程较平稳，切削力波动较小，已加工优点：切削过程较平稳，切削力波动较小，已加工外表粗糙度较小。外表粗糙度较小。缺点：切屑连绵不断，有时会缠绕在刀具或工件上缺点：切屑连绵不断，有时会缠绕在刀具或工件上影响加工过程。影响加工过程。（2）节状（挤裂）切屑）节状（挤裂）切屑 产生条件：大多在切削塑性金属材料时，如果

10、切削产生条件：大多在切削塑性金属材料时，如果切削速度较低、进给量较大（亦即切削厚度较大）、刀具前角速度较低、进给量较大（亦即切削厚度较大）、刀具前角较小，容易产生这种屑型。较小，容易产生这种屑型。特点：切削中切应变较大，切削力有波动和和振动，特点：切削中切应变较大，切削力有波动和和振动，已加工外表粗糙度较大。对硬质合金刀具易产生崩刃。已加工外表粗糙度较大。对硬质合金刀具易产生崩刃。（3）粒状（单元）切屑）粒状（单元）切屑 采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的切削厚度切削粗晶粒金属时，会产生粒状屑型，此时，切削厚度切削粗晶粒金属时，会产生粒状屑型，

11、此时，切削过程更不稳定，加工外表的质量也会更差。切削过程更不稳定，加工外表的质量也会更差。（4）崩碎切屑）崩碎切屑 在切削铸铁等脆性金属时，由于脆性材料抗拉强在切削铸铁等脆性金属时，由于脆性材料抗拉强度低，刀具切入后，切削层未经塑性变形，就会在材度低，刀具切入后，切削层未经塑性变形，就会在材料组织的石墨与铁素体之间疏松界上产生不规则崩裂，料组织的石墨与铁素体之间疏松界上产生不规则崩裂，形成崩碎切屑。这种切屑的形状很不规则，加工出的形成崩碎切屑。这种切屑的形状很不规则，加工出的工件外表也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、工件外表也凹凸不平。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角越小，就越容易产

12、生这种切屑。刀具前角越小，就越容易产生这种切屑。2.1.3变形程度的表示方法变形程度的表示方法 通常可用切削变形系数来衡量切削变形程度。如果通常可用切削变形系数来衡量切削变形程度。如果把切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，会发现切屑厚把切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，会发现切屑厚度增加（度增加（）、切屑长度缩短（）、切屑长度缩短（），切屑宽度基本没发生变化。），切屑宽度基本没发生变化。这是切屑流出时受到刀具前面摩擦作用的结果。切这是切屑流出时受到刀具前面摩擦作用的结果。切削变形系数就是切屑厚度削变形系数就是切屑厚度hch与切削层厚度与切削层厚度hD的比值，或的比值，或者是切削层长者是切削层长L

13、c度和切屑长度度和切屑长度Lch的比值。即：的比值。即：1 （2.1）值越大，切屑值越大，切屑越厚越短，则切削变越厚越短，则切削变形就越大。形就越大。a）b）c）图图2.5 变形程度表示变形程度表示a）切屑与切削层的外形尺寸；）切屑与切削层的外形尺寸；b）切屑的厚度增加、长度缩短；切屑的厚度增加、长度缩短；c）前角、剪切角与切削变形的关系前角、剪切角与切削变形的关系 需要说明的是：在切削某些材料时，可能会出现需要说明的是：在切削某些材料时，可能会出现1，这就不能正确反映切削变形的实际情况。，这就不能正确反映切削变形的实际情况。2.1.4切屑与刀具前面间的摩擦和积屑瘤切屑与刀具前面间的摩擦和积屑

14、瘤 在塑性金属切削过程中，因切屑底层与刀具前面间挤压在塑性金属切削过程中，因切屑底层与刀具前面间挤压摩擦严峻，使切屑底层金属的流动速度低于上层的流动速度摩擦严峻，使切屑底层金属的流动速度低于上层的流动速度而形成滞流层。当滞流层金属与刀具前面之间的摩擦力超过而形成滞流层。当滞流层金属与刀具前面之间的摩擦力超过切屑内部的结合力时，滞流层的一局部金属就会黏结在切削切屑内部的结合力时，滞流层的一局部金属就会黏结在切削刃附近（亦称冷焊），不断沉积便形成小硬块称为积屑瘤。刃附近（亦称冷焊），不断沉积便形成小硬块称为积屑瘤。当温度和压力适当时，滞流层金属就会黏附在刀具前面当温度和压力适当时，滞流层金属就会黏

15、附在刀具前面上，依次层层堆积，高度逐渐增大而形成了积屑瘤，它代替上，依次层层堆积，高度逐渐增大而形成了积屑瘤，它代替切削刃继续剪切较软的金属层，长高的积屑瘤在外力或振动切削刃继续剪切较软的金属层，长高的积屑瘤在外力或振动作用下可能会发生局部断裂或脱落，条件适宜时又会继续生作用下可能会发生局部断裂或脱落，条件适宜时又会继续生成、长高。这样生成、长大、脱落，再生成、再长大、再脱成、长高。这样生成、长大、脱落，再生成、再长大、再脱落落经历着一个又一个非周期性变化的过程。经历着一个又一个非周期性变化的过程。a）b）c）图图2.6 积屑瘤积屑瘤a）内摩擦应力分布；）内摩擦应力分布；b）积屑瘤外形）积屑瘤

16、外形；c）积屑瘤外形尺寸）积屑瘤外形尺寸加工条件：工件材料加工条件：工件材料45钢、刀具材料钢、刀具材料W18Cr4V、=5、=20m/min、=0.23mm/r 1.积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响 （1）保护刀具。由于硬度高于）保护刀具。由于硬度高于工件硬度，能代替刀刃切削，对刀工件硬度，能代替刀刃切削，对刀具切削刃有保护作用。具切削刃有保护作用。（2）增大工作前角。积屑瘤增）增大工作前角。积屑瘤增大了刀具的实际工作前角，使刀具变得锋利，减小切削大了刀具的实际工作前角，使刀具变得锋利，减小切削变形，降低了切削力。变形，降低了切削力。（3）增大切削厚度。由于积屑瘤前端伸出于切削刃

17、）增大切削厚度。由于积屑瘤前端伸出于切削刃之外，会产生过切，使切削厚度增加了之外，会产生过切，使切削厚度增加了hD。又由于积屑。又由于积屑瘤的产生、长大与脱落非周期性变化，所以瘤的产生、长大与脱落非周期性变化，所以hD值是变化值是变化的，会影响到被加工工件的尺寸精度。的，会影响到被加工工件的尺寸精度。（4）增加已加工外表粗糙度）增加已加工外表粗糙度 首先，由于积屑瘤高度非周期性的变化，使得切削首先，由于积屑瘤高度非周期性的变化，使得切削厚度也无规则变化，工件已加工外表会出现上下不平；厚度也无规则变化，工件已加工外表会出现上下不平；其次，脱落掉的积屑瘤碎片黏附在已加工外表上恶其次，脱落掉的积屑瘤

18、碎片黏附在已加工外表上恶化外表粗糙度；化外表粗糙度；另外，积屑瘤高度的不断变化造成刀具切削刃高度另外，积屑瘤高度的不断变化造成刀具切削刃高度的不断变化会引起振动，导致在工件已加工外表上刻划的不断变化会引起振动，导致在工件已加工外表上刻划出沟纹，严峻影响以加工外表粗糙度。出沟纹，严峻影响以加工外表粗糙度。2.抑制和消除积屑瘤的措施抑制和消除积屑瘤的措施 （1）增大刀具前角，使切削轻快，可减少积屑瘤的产生。）增大刀具前角，使切削轻快，可减少积屑瘤的产生。（2）减少进给量和切削厚度。）减少进给量和切削厚度。（3）采用低速或高速切削，避开容易产生积屑瘤的切）采用低速或高速切削，避开容易产生积屑瘤的切削

19、速度，如图削速度，如图2.7a是积屑瘤与切削速度之间的关系。是积屑瘤与切削速度之间的关系。（4）提高刀具刃磨质量、合理选用切削液，可以减轻）提高刀具刃磨质量、合理选用切削液，可以减轻摩擦，降低切削温度和减少黏结，能够抑制积屑瘤的产生或摩擦，降低切削温度和减少黏结，能够抑制积屑瘤的产生或降低积屑瘤的高度。降低积屑瘤的高度。（5）合理调节各切削参数间的关系，防止形成中温区。）合理调节各切削参数间的关系，防止形成中温区。（6）对工件材料适当热处理，提高硬度，降低塑性。）对工件材料适当热处理，提高硬度，降低塑性。图图2.7 切削速度对积屑瘤的影响切削速度对积屑瘤的影响加工条件：加工材料加工条件：加工材

20、料45钢钢 =4.5mm、=0.67mm/r2.1.5 已加工外表变形和加工硬化已加工外表变形和加工硬化 1.产生加工硬化的原因产生加工硬化的原因 任何刀具的切削刃口都不可能磨得绝对锋利，当在钝任何刀具的切削刃口都不可能磨得绝对锋利，当在钝圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用圆弧切削刃和其邻近的狭小后面的切削、挤压和摩擦作用下，会使得已加工外表层的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破下，会使得已加工外表层的金属晶粒产生扭曲、挤紧和破碎等严峻的塑性变形，从而使外表层硬度增高，这种外表碎等严峻的塑性变形，从而使外表层硬度增高，这种外表层硬度增高的现象称为加工硬化。层硬度增高的现象称为加工硬化。

21、金属材料经硬化后提高了屈服强度，并在已加工外表金属材料经硬化后提高了屈服强度，并在已加工外表上出现显微裂纹和剩余应力，降低了外表质量和材料的疲上出现显微裂纹和剩余应力，降低了外表质量和材料的疲劳强度，并给下道工序带来加工困难，增大刀具的磨损，劳强度，并给下道工序带来加工困难，增大刀具的磨损，从而使刀具寿命下降。一般材料的塑性越大，金属晶格滑从而使刀具寿命下降。一般材料的塑性越大，金属晶格滑移越容易，以及滑移面越多，硬化程度越严峻。移越容易，以及滑移面越多，硬化程度越严峻。2.操作和减轻硬化的措施操作和减轻硬化的措施 （1）磨出锋利的切削刃。）磨出锋利的切削刃。（2）增大前角或增大后角。）增大前

22、角或增大后角。（3）减小背吃刀量。）减小背吃刀量。（4）适当减小进给量。）适当减小进给量。（5）适当降低工件材料的塑性。）适当降低工件材料的塑性。（6）合理选用切削液。）合理选用切削液。2.1.6 影响切削变形的主要因素影响切削变形的主要因素 1.工件材料工件材料工件材料的强度、硬度越高，刀工件材料的强度、硬度越高，刀屑间的正压力越大，平均正应力增大，切削温度增加，屑间的正压力越大，平均正应力增大，切削温度增加，刀刀屑间接触长度减小，摩擦系数减小，切削变形减小。屑间接触长度减小，摩擦系数减小，切削变形减小。2.前角前角刀具前角增大，楔角减小，切削刃钝圆刀具前角增大，楔角减小，切削刃钝圆弧半径减

23、小，切削刃锋利，切屑流出时阻力减小，使摩弧半径减小，切削刃锋利，切屑流出时阻力减小，使摩擦系数擦系数减小，故变形系数减小，故变形系数 减小，切削变形减小。减小，切削变形减小。但前角增大，则作用在前刀面的平均法向应力会随之减但前角增大，则作用在前刀面的平均法向应力会随之减小，因此，摩擦系数会增大。小，因此，摩擦系数会增大。3.切削速度切削速度切削速度通过切削温度和积屑瘤影切削速度通过切削温度和积屑瘤影响切削变形，当无积屑瘤时，低速时温度低，不易黏结，响切削变形，当无积屑瘤时，低速时温度低，不易黏结，摩擦系数摩擦系数小，切削变形小；随切速提高，切削温度增加，小，切削变形小；随切速提高，切削温度增加

24、，黏结逐渐严重，摩擦系数黏结逐渐严重，摩擦系数增大；切速再提高，切削温度增大；切速再提高，切削温度使被加工材料的剪切屈服强度降低，剪切应力减小，摩使被加工材料的剪切屈服强度降低，剪切应力减小，摩擦系数擦系数减少，切削变形变小。减少，切削变形变小。随着切削速度提高，积屑瘤高度也逐渐增加，刀具随着切削速度提高，积屑瘤高度也逐渐增加，刀具工作前角随之增大，因此，工作前角随之增大，因此，减少。当达到中等切速时，减少。当达到中等切速时，积屑瘤高度达最大值，积屑瘤高度达最大值，变为最小。切削速度再继续变为最小。切削速度再继续增高时，因切削温度升高，摩擦系数增高时，因切削温度升高，摩擦系数减小而使减小而使

25、减减小。在高速切削时，切削层来不及充分变形已被切离，小。在高速切削时，切削层来不及充分变形已被切离，所以所以 很小。很小。4.进给量进给量进给量增大，切屑厚度增加，前面上进给量增大，切屑厚度增加，前面上正压力增大，平均法向应力增大，故摩擦系数正压力增大，平均法向应力增大，故摩擦系数减小，剪减小，剪切角增大，因此切削变形系数减小，切削变形减小。切角增大，因此切削变形系数减小，切削变形减小。2.2 切削力切削力 切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。它切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力。它是影响工艺系统强度、刚度和加工工件质量的重要因素。是影响工艺系统强度、刚度和加工工件质量的重要因素。

26、切削力是设计机床、刀具、夹具以及计算切削动力消耗切削力是设计机床、刀具、夹具以及计算切削动力消耗的主要依据。在目前自动化生产、精密加工中，常利用的主要依据。在目前自动化生产、精密加工中，常利用切削力来检测和监控加工外表质量、加工精度和刀具磨切削力来检测和监控加工外表质量、加工精度和刀具磨损的程度。损的程度。2.2.1切削力的来源、合力及其分力切削力的来源、合力及其分力 1.切削力的来源切削力的来源 在刀具作用下，被切削层金属、切屑和工件已加工在刀具作用下，被切削层金属、切屑和工件已加工外表金属都在发生弹性变形和塑性变形，因而产生变形外表金属都在发生弹性变形和塑性变形，因而产生变形抗力。法向力切

27、削作用在刀具前面和后面上。由于切屑抗力。法向力切削作用在刀具前面和后面上。由于切屑沿前面流出，故有对刀具前面产生摩擦力；刀具和工件沿前面流出，故有对刀具前面产生摩擦力；刀具和工件间有相对运动，由有摩擦力作用于刀具后面。几个方面间有相对运动，由有摩擦力作用于刀具后面。几个方面的作用力便形成了作用在刀具上的合力的作用力便形成了作用在刀具上的合力F。切削力来源于两个方面：切削力来源于两个方面：切削层金属、切屑和工切削层金属、切屑和工件外表层金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力；件外表层金属的弹性变形和塑性变形所产生的抗力；刀具与切屑及工件外表间的摩擦阻力。刀具与切屑及工件外表间的摩擦阻力。2.切削力

28、的分解切削力的分解 如图如图2.8，在切削时，各种切削力的总和形成作用在刀具，在切削时，各种切削力的总和形成作用在刀具上的合力上的合力F。为便于测量、计算和应用的需要，常将作用力。为便于测量、计算和应用的需要，常将作用力F分解为三个分力。分解为三个分力。a）b）图图2.8 切削时的合力及其分力切削时的合力及其分力 切向力（主切削力）切向力（主切削力）在主运动方向上的分力；在主运动方向上的分力；背向力（径向力或切深抗力）背向力（径向力或切深抗力）在垂直于工作表在垂直于工作表面上的分力；面上的分力；进给力（轴向力力）进给力（轴向力力）在进给运动方向上的分力。在进给运动方向上的分力。合力合力F、推力

29、与各分力之间关系：、推力与各分力之间关系：；（2.2）式（式（2.2）表明，当）表明，当 当当 时，时，、，各分力的，各分力的大小对切削过程产生明显不同的作用。大小对切削过程产生明显不同的作用。实验可得，当实验可得，当 各分力间近似关系为：各分力间近似关系为：随着切削条件的不同，三个分力之间的比例可在较大随着切削条件的不同，三个分力之间的比例可在较大范围内变化，但主切削力范围内变化，但主切削力 的值总是最大。的值总是最大。2.2.2 分力的作用分力的作用 1.切向力（主切削力）切向力（主切削力）切向力是主运动方向上的切削分力，切于过渡表面并切向力是主运动方向上的切削分力，切于过渡表面并与基面垂

30、直，消耗功率最多。切向力与基面垂直，消耗功率最多。切向力 作用在工件上，作用在工件上，并通过卡盘传递到机床主轴箱，它是设计机床主轴、齿轮并通过卡盘传递到机床主轴箱，它是设计机床主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据；由于和计算主运动功率的主要依据；由于 作用使刀杆弯作用使刀杆弯曲、刀片受压，故用它决定刀杆、刀片尺寸；曲、刀片受压，故用它决定刀杆、刀片尺寸；是设是设计夹具和选择切削用量的重要依据。计夹具和选择切削用量的重要依据。2.背向力（径向力或切深抗力）背向力（径向力或切深抗力）背向力背向力 是作用在吃刀方向上的切削分力，处是作用在吃刀方向上的切削分力，处于基面内并与工件轴线垂直的力。在纵车外

31、圆时，如果于基面内并与工件轴线垂直的力。在纵车外圆时，如果加工工艺系统刚性不足，背向力加工工艺系统刚性不足，背向力 是影响加工工是影响加工工件精度、引起切削振动的主要原因。件精度、引起切削振动的主要原因。不消耗切不消耗切削功率。削功率。3.轴向力（进给抗力）轴向力（进给抗力）轴向力轴向力 是作用在进给方向上的切削分力，处是作用在进给方向上的切削分力，处于基面内并与工件轴线平行的力。轴向力于基面内并与工件轴线平行的力。轴向力 作用在作用在机床进给机构上，它是计算进给机构薄弱环节零件的强机床进给机构上，它是计算进给机构薄弱环节零件的强度和检验进给机构强度的主要依据。度和检验进给机构强度的主要依据。

32、消耗总功率消耗总功率的的 15。（2.3）2.2.3切削功率切削功率 切削过程中消耗的功率称为切削功率，用切削过程中消耗的功率称为切削功率，用 表表示。计算切削功率用于核算加工成本和计算能量消耗，示。计算切削功率用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率（单位为主运动消耗的切削功率（单位为kw）应为：）应为：式中：式中：切削力，单位为切削力，单位为N；主运动的切削速度，单位为主运动的切削速度，单位为m/min。根据式（根据式（2.3）求出切削功率值，再按下式计算主）求出切削功率值，再按下式计算主电

33、动机的功率电动机的功率 （单位为（单位为kw）：）：（2.4）式中：式中：m机床传动效率，一般取机床传动效率，一般取m=0.800.85。式（式（2.4）是校验和选用机床主电动机功率的计算公式。）是校验和选用机床主电动机功率的计算公式。2.2.4切削力和切削功率的估算切削力和切削功率的估算 1.利用指数公式计算切削力利用指数公式计算切削力 在生产实际中，常采用指数公式计算切削力，该指在生产实际中，常采用指数公式计算切削力，该指数公式是通过大量的切削实验，将实验数据通过数学分数公式是通过大量的切削实验，将实验数据通过数学分析或微机处理后建立的，故也称为切削力实验公式。析或微机处理后建立的，故也称

34、为切削力实验公式。切削力的指数公式为：切削力的指数公式为：（2.5）式（式（2.5）中的系数、指数和修正系数值可查相关）中的系数、指数和修正系数值可查相关的金属切削手册。的金属切削手册。2.利用单位切削力和单位切削功率计算利用单位切削力和单位切削功率计算 （1）单位切削力）单位切削力可用单位切削层面积切削力可用单位切削层面积切削力或单位切削层宽度切削力表示。或单位切削层宽度切削力表示。单位切削力（单位为单位切削力（单位为 ）由下式求）由下式求得：得：（2.6）若若已已知知单单位位切切削削力力，如如果果给给定定背背吃吃刀刀量量和和进进给给量量值，切削力（单位为值，切削力（单位为N N）用下式计算

35、：）用下式计算：单位切削力可从有关手册中查到（表单位切削力可从有关手册中查到（表2.1供参考）。供参考）。表表2.l 2.l 常用材料的单位切削力常用材料的单位切削力单单位切削力位切削力材料材料牌牌号号制造、制造、热处热处理状理状态态硬度硬度HBWHBW （N/mmN/mm2 2）结结构构钢钢4545（40Cr40Cr）热轧热轧或正火或正火187187（212212）19621962调质调质229229（285285）23052305灰灰铸铁铸铁HT200HT200退火退火17017011181118铅铅黄黄铜铜HPb59-1HPb59-1热轧热轧7878736736硬硬铝铝合金合金2A122

36、A12淬火及淬火及时时效效107107834834（2.7）（2）单位切削功率）单位切削功率 是在单位时间内切除是在单位时间内切除单位体积材料所需的切削功率。单位体积材料所需的切削功率。单位为单位为kW/（）计算式为：）计算式为：2.2.5 影响切削力的因素影响切削力的因素 切削过程中，影响切削力的因素很多，最主要的因素切削过程中，影响切削力的因素很多，最主要的因素有切削用量、工件材料和刀具几何参数等三个方面。有切削用量、工件材料和刀具几何参数等三个方面。1.切削用量的影响切削用量的影响 当背吃刀量当背吃刀量 和进给量和进给量f 增大时，都会使切削力增大时，都会使切削力增加，但两者的影响程度是

37、不同的。增加，但两者的影响程度是不同的。其原因是：若其原因是：若f 不变，不变，增加一倍，切削厚度不增加一倍，切削厚度不变，切削宽度和切削层横截面积随之增大一倍，使切削变变，切削宽度和切削层横截面积随之增大一倍，使切削变形和摩擦成倍增加，故切削力也约增加一倍；若形和摩擦成倍增加，故切削力也约增加一倍；若 保保持不变，持不变，f 增加一倍时，使切削厚度和切削层横截面积也都增加一倍时，使切削厚度和切削层横截面积也都增加一倍，但因进给量增加一倍，但因进给量 f 增加使切削变形减小，摩擦面积增加使切削变形减小，摩擦面积不成倍增加，切削力只增加约不成倍增加，切削力只增加约70 80。在相同的切。在相同的

38、切削层横截面积下，若切削效率相同时，增大进给量削层横截面积下，若切削效率相同时，增大进给量f 比增比增大背吃刀量大背吃刀量 既省力又节能；若消耗功率相同，则允既省力又节能；若消耗功率相同，则允许选用更大的进给量，可提高生产效率。许选用更大的进给量，可提高生产效率。1.切削用量的影响切削用量的影响 切削速度对切削力的影响不大，加工塑性金属切削速度对切削力的影响不大，加工塑性金属时，切削速度主要是由于积屑瘤影响实际工作前角时，切削速度主要是由于积屑瘤影响实际工作前角和摩擦系数的变化而影响切削力。加工脆性金属时和摩擦系数的变化而影响切削力。加工脆性金属时变形和摩擦均较小，故切削速度对切削力影响不大。

39、变形和摩擦均较小，故切削速度对切削力影响不大。如果刀具材料和机床性能允许，采用高速切削，既如果刀具材料和机床性能允许，采用高速切削，既能提高生产效率，又使得切削力减小。能提高生产效率，又使得切削力减小。2.工件材料的影响工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈服强度工件材料是通过材料的剪切屈服强度 、塑性变形程、塑性变形程度与刀具间的摩擦等条件影响切削力的。通常工件材料的度与刀具间的摩擦等条件影响切削力的。通常工件材料的强度和硬度越高，所产生的切削力也越大。在强度和硬度强度和硬度越高，所产生的切削力也越大。在强度和硬度相近时，其塑性和韧性越高，切削力越大；加工硬化严峻相近时，其塑性和韧性越高

40、，切削力越大；加工硬化严峻的材料，切削力也越大。切削脆性材料（如灰铸铁）时，的材料，切削力也越大。切削脆性材料（如灰铸铁）时，其切削力较小。其切削力较小。3.刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 刀具前角增大，切削变形系数减小，故切削力明显减刀具前角增大，切削变形系数减小，故切削力明显减小。尤其是加工材料的韧性、延伸率越高，增大前角使切小。尤其是加工材料的韧性、延伸率越高，增大前角使切削力下降更为显著。主偏角对三个切削分力都有影响，其削力下降更为显著。主偏角对三个切削分力都有影响，其中对中对 的影响较大。刀尖圆弧半径增大，切削的影响较大。刀尖圆弧半径增大，切削变形增大，使切削力增大。变形增大，

41、使切削力增大。4.其它因素的影响其它因素的影响 后面磨损，使刀具与加工外表间摩擦加剧，故切削后面磨损，使刀具与加工外表间摩擦加剧，故切削力力 增大。切削时浇注适宜的切削液，能使刀增大。切削时浇注适宜的切削液，能使刀具、工件与切屑接触面间摩擦减小，因而能显著地减小具、工件与切屑接触面间摩擦减小，因而能显著地减小切削力。不同的刀具材料与工件材料之间的亲合力和摩切削力。不同的刀具材料与工件材料之间的亲合力和摩擦系数不同，因而切削力也不同。在相同的切削条件下，擦系数不同，因而切削力也不同。在相同的切削条件下，选用陶瓷刀具的切削力最小，硬质合金刀具的切削力次选用陶瓷刀具的切削力最小，硬质合金刀具的切削力

42、次之，高速钢刀具切削力最大。之，高速钢刀具切削力最大。2.3 切削热与切削温度切削热与切削温度 在切削过程中，金属材料发生极大的变形与摩擦，变在切削过程中，金属材料发生极大的变形与摩擦，变形和摩擦所消耗的能量绝大局部都转化成热量（切削热）。形和摩擦所消耗的能量绝大局部都转化成热量（切削热）。切削热使得工件和机床产生热变形，降低零件的加工精度切削热使得工件和机床产生热变形，降低零件的加工精度和外表质量，还对刀具磨损产生决定性的影响。和外表质量，还对刀具磨损产生决定性的影响。2.3.1切削热的产生与传散切削热的产生与传散 在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性和塑性变在刀具的切削作用下，切削层金属

43、发生弹性和塑性变形，切屑与刀具前面，工件与刀具后面之间产生摩擦，变形，切屑与刀具前面，工件与刀具后面之间产生摩擦，变形和摩擦产生热量（即产生切削热的原因）。形和摩擦产生热量（即产生切削热的原因）。切削热切削热 向切屑、刀具、工件和周围介质（空向切屑、刀具、工件和周围介质（空气或切削液）中传散。例如，在干车削钢时，其传热比气或切削液）中传散。例如，在干车削钢时，其传热比例为：例为：Q屑屑=5086%，Q刀刀=4010%，Q工工=93%，Q介介=1%。热量传散的比例与切削速度有关，切削速度增加。热量传散的比例与切削速度有关，切削速度增加时，由摩擦而生成的热量增多，但切屑带走热量的比例时，由摩擦而生

44、成的热量增多，但切屑带走热量的比例也增加，传给刀具热量的比例相对减少，传给工件热量也增加，传给刀具热量的比例相对减少，传给工件热量的比例更少。的比例更少。高速切削时，切屑的温度很高，而工件和刀具的温高速切削时，切屑的温度很高，而工件和刀具的温度则相对较低，有利于切削加工的顺利进行。热传导效度则相对较低，有利于切削加工的顺利进行。热传导效果还与刀具和工件材料的导热系数有关，导热系数高的，果还与刀具和工件材料的导热系数有关，导热系数高的，热传导效果就好，切削区温度降低就快。采用冷却性能热传导效果就好，切削区温度降低就快。采用冷却性能好的水溶剂切削液能有效地降低切削温度。好的水溶剂切削液能有效地降低

45、切削温度。2.3.2切削温度的分布切削温度的分布 （1）刀）刀屑接触面摩擦大，热量不易传散，故产生的屑接触面摩擦大，热量不易传散，故产生的温度值最高。温度值最高。（2）切削区域的最高温度点不在切削刃上，而是在前）切削区域的最高温度点不在切削刃上，而是在前面上离切削刃有一定距离的地方。由图面上离切削刃有一定距离的地方。由图2.9b表明，离切削刃表明，离切削刃1mm处的最高温度约为处的最高温度约为 。该处压力高，热量集。该处压力高，热量集中。在后面上离切削刃约中。在后面上离切削刃约0.3mm处的最高温度约为处的最高温度约为 。（3）剪切区中，在剪切面上各点的变形功大致相同，故）剪切区中，在剪切面上

46、各点的变形功大致相同，故各点处温度值较接近，但垂直剪切面方向的温度梯度很大。各点处温度值较接近，但垂直剪切面方向的温度梯度很大。（4）切屑底层上的温度梯度很大。）切屑底层上的温度梯度很大。（5）工件材料塑性越大，切削温度分布越均匀；材料脆）工件材料塑性越大，切削温度分布越均匀；材料脆性越大，最高温度点离刀刃越近。性越大，最高温度点离刀刃越近。（6）材料导热系数越低，刀具前、后面上的温度越高。）材料导热系数越低，刀具前、后面上的温度越高。（7）切屑带走热量最多，它的平均温度高于刀具、工件）切屑带走热量最多，它的平均温度高于刀具、工件上的平均温度。工件上最高温度在近切削刃处，它的平均温度上的平均温

47、度。工件上最高温度在近切削刃处，它的平均温度较刀具上最高温度点低较刀具上最高温度点低2030倍。倍。a）刀具、工件、和切屑中温度分布）刀具、工件、和切屑中温度分布 b）刀具中温度分布）刀具中温度分布图图2.9 切削温度的分布切削温度的分布2.3.3 操作切削温度的措施操作切削温度的措施 1.适当调整刀具几何参数适当调整刀具几何参数 在保证刀具切削刃强度的前提下，适当增大刀具前角，在保证刀具切削刃强度的前提下，适当增大刀具前角，减少切削层金属的塑性变形，以减少切削热的产生。主偏减少切削层金属的塑性变形，以减少切削热的产生。主偏角减小，使切削变形和摩擦增加，产生的切削热增加，但角减小，使切削变形和

48、摩擦增加，产生的切削热增加，但减小后，因刀头体积增大，切削宽度增大，故散热条件改减小后，因刀头体积增大，切削宽度增大，故散热条件改善。由于散热起主要作用，故切削温度下降。刀尖圆弧半善。由于散热起主要作用，故切削温度下降。刀尖圆弧半径增大，刀具切削刃的平均主偏角减小，刀具的散热条件径增大，刀具切削刃的平均主偏角减小，刀具的散热条件变好，切削温度降低；选用负的刃倾角和磨制负倒棱均能变好，切削温度降低；选用负的刃倾角和磨制负倒棱均能增大散热面积，降低切削温度。增大散热面积，降低切削温度。2.适当调整切削用量适当调整切削用量 在保证切削效率不降低的前提下，为了降低切削温度，在保证切削效率不降低的前提下

49、，为了降低切削温度，可在适当增大背吃刀量和进给量的同时，降低切削速度。可在适当增大背吃刀量和进给量的同时，降低切削速度。3.选用适宜的切削液选用适宜的切削液 合理使用切削液对降低切削温度、减小刀具磨损、提高合理使用切削液对降低切削温度、减小刀具磨损、提高已加工外表质量效果明显。切削液的导热率、比热容和流量已加工外表质量效果明显。切削液的导热率、比热容和流量越大，浇注方式越合理，则切削温度越低，冷却效果越好。越大，浇注方式越合理，则切削温度越低，冷却效果越好。除了采取上述措施外，还可通过改善材料的切削加工性、除了采取上述措施外，还可通过改善材料的切削加工性、操作刀具的磨损、采用斜刃切削等措施来降

50、低切削温度。操作刀具的磨损、采用斜刃切削等措施来降低切削温度。2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命2.4.1刀具磨损刀具磨损 刀具在切削过程中，高温、高压和强烈摩擦使得刀具材刀具在切削过程中，高温、高压和强烈摩擦使得刀具材料逐渐被磨损。刀具过早磨损将影响切削过程和生产效率。料逐渐被磨损。刀具过早磨损将影响切削过程和生产效率。1.刀具磨损的形式刀具磨损的形式 （1）正常磨损。是指刀具材料的微粒被工件或切屑带）正常磨损。是指刀具材料的微粒被工件或切屑带走而产生的磨损。走而产生的磨损。1）后面磨损。加工外表与刀具后面间存在强烈摩擦，）后面磨损。加工外表与刀具后面间存在强烈摩擦，在后面上切削刃