第3章金属切削加工原理二文档格式.docx

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所以re增大相当于kr减小时对切削力的影响。

（4）刃倾角对切削力影响

1）刃倾角λs在很大范围（-40°

～+40°

）内变化时对切削力Fc没有什么影响。

2）刃倾角λs对Fp和Ff影响较大，随着λs的增大，Fp减小，而Ff增大。

（5）负倒棱对切削力的影响

在前刀面上磨出的负倒棱br的宽度与进给量f之比增大，切削力随之增大。

但当切削钢，或切削灰铸铁时，切削力趋于稳定，接近于负前角刀具的切削状态。

三、切削用量的影响

（1）背吃刀量对切削力的影响

背吃刀量ap增大，切削力成正比增加，背向力和进给力近似成正比增加。

（2）进给量对切削力的影响

进给量f增大，切削力也增大，但切削力的增大与f不成正比。

（3）切削速度对切削力的影响

切削速度vc对切削力的影响分为有积屑瘤阶段和无积屑瘤阶段两种：

1）在积屑瘤增长阶段，随着vc增大，积屑瘤高度增加，切屑变形程度减小，切削层单位面积切削力减小，切削力减小。

反之，在积屑瘤减小阶段，切削力则逐渐增大。

2）在无积屑瘤阶段，随着切削速度vc的提高，切削温度增高，前刀面摩擦系数减小，变形程度减小，使切削力减小。

四、刀具材料的影响

因为刀具材料与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，所以直接影响到切削力的大小。

一般按立方碳化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。

五、切削液的影响

切削液具有润滑作用，使切削力降低。

切削液的润滑作用愈好，切削力的降低愈显著。

在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为突出。

彩图3-3显示切削液具有的润滑作用。

六、刀具后刀面的磨损的影响 

刀具后刀面磨损带中间部分的平均宽度以VB表示。

磨损面上后角为0°

。

VB愈大，磨擦愈强烈，因此切削力也愈大。

VB对背向力Fp的影响最为显著

3.3切削热与切削温度及其影响因素

切削热是切削过程中的重要物理现象之一。

切削温度影响工件材料的性能、前刀面上的摩擦系数和切削力的大小；

影响刀具磨损和刀具使用寿命；

影响积屑瘤的产生和加工表面质量；

也影响工艺系统的热变形和加工精度。

因此，学习本节主要掌握切削热产生及相关概念、切削温度分布及影响因素。

3.3.1切削热的产生和传出

（1）切削热的产生

剪切区、切屑与前刀面的接触区、后刀面与切削表面的接触区的切屑变形功和前﹑后刀面的摩擦功产生切削热，如图3-23所示。

（2）切削热的传出

切削热通过切屑﹑工件﹑刀具和周围介质向外传出的，如图3-23所示。

切削温度θ是由切削热的产生与传出的平衡条件所决定的。

产生的切削热愈多，传出的愈慢，切削温度愈高。

凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度θ上升。

而有利于切削热传出的因素都会降低切削温度。

例如，提高工件材料和刀具材料的热导率或充分浇注切削液，都会使切削温度下降。

3.3.3影响切削温度的主要因素（列重点学生处自学部分）

一、切削用量的影响

1）切削速度vc对切削温度θ的影响最大，其指数在0.3～0.5之间。

但随着进给量f的增大，切削速度vc对切削温度的影响程度减小。

2）进给量f对切削温度θ的影响比切削速度vc小，其指数在0.15～0.3之间。

3）背吃刀量ap对切削温度θ的影响很小，其指数在0.05～0.1之间。

二、刀具几何参数的影响

（1）前角的影响

前角γ0增大，使切屑变形程度减小，产生的切削热减少，因而切削温度下降。

但前角大于18°

～20°

时，对切削温度的影响减小。

（2）主偏角的影响

主偏角kr减小，使切削宽度bD增大，散热面积增加，切削温度下降。

（3）负倒棱及刀尖圆弧半径的影响

负倒棱及刀尖圆弧半径的增大，使切屑变形程度增大产生的切削热增加，但同时也使散热条件改善，两者趋于平衡。

因而负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响很小。

三、工件材料的影响

1）工件材料的强度、硬度等各项力学性能提高时，产生的切削热增多，切削温度升高；

2）工件材料的热导率愈大，通过切屑和工件传出的热量愈多，切削温度下降愈快。

如图3-25所示曲线为例。

四、刀具磨损的影响

刀具后刀面磨损量增大，切削温度升高；

磨损量达到一定值后，对切削温度的影响加剧；

切削速度愈高，刀具磨损对切削温度的影响就愈显著。

浇注切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果。

切削液的热导率、比热容和流量愈大，切削温度愈低。

切削液本身温度愈低，其冷却效果愈显著。

3.4刀具磨损、破损与使用寿命

切削金属时刀具将切屑切离工件，同时本身也要发生磨损或破损。

磨损是连续的、逐渐的发展过程；

而破损一般是随机的突发破坏（包括脆性破损和塑性破损）。

刀具的磨损是本节重点学习内容，其中包括刀具磨损形式、原因及其检测等；

对刀具的破损只作简单了解。

3.4.1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。

多数情况下二者同时发生，相互影响，如图3-26所示。

3.4.2刀具磨损的原因

刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损。

前者是由工件材料中硬质点的刻划作用引起的磨损，后者则是由粘结、扩散、腐蚀等引起的磨损。

3.4.3刀具的磨损过程及磨钝标准

1、刀具的磨损过程

2、刀具的磨钝标准

（1）直观判断法

在生产实际中，常常根据切削中发生的一些现象（如出现火花、振动、啸音，或加工表面粗糙度恶化等）来判断刀具是否已经磨钝。

（2）ISO标准

ISO标准统一规定以1/2背吃刀量处的后刀面上测定的磨损带宽度VB作为刀具的磨钝标准。

（3）自动化作业标准

自动化生产中的精加工刀具，则常以沿工件径向的刀具磨损尺寸作为刀具的磨钝标准，称为径向磨损量NB。

3.4.4刀具使用寿命及与切削用量的关系（列重点学生处自学部分）

刀具使用寿命

刀具使用寿命是表征刀具材料切削性能优劣的综合性指标。

在相同切削条件下，使用寿命越高，表明刀具材料的耐磨性越好。

在比较不同的工件材料切削加工性时，刀具使用寿命也是一个重要的指标，刀具使用寿命越高，表明工件材料的切削加工性越好。

刀具使用寿命与切削用量的关系

（1）切削速度与刀具使用寿命T的关系

（2）进给量f及背吃刀量ap与使用寿命T的关系

（3）切削用量与刀具使用寿命T的关系

可以看出，切削速度vc对刀具使用寿命影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。

刀具破损的防止措施

1）根据被加工工件材料和加工特点，合理选择刀具材料的种类和牌号。

在断续切削或受冲击载荷时，应选择具有较好韧性的刀具材料。

2）合理确定刀具几何参数，保证切削刃和刀尖具有一定的强度。

3）合理选择切削用量，避免超负荷。

4）保证刀具焊接和刃磨质量，重要工序使用的刀具应检查有无裂纹。

5）尽量减小切削加工中的冲击和振动。

3.5金属切削条件的合理选择（列重点学生处自学部分）

3.5.1工件材料的切削加工性

一、工件材料切削加工性的含义

工件材料的切削加工性是个相对的概念，由于不同加工情况和不同的加工要求，其难易程度的衡量指标也不同。

工件材料的切削加工性衡量指标：

（1）刀具使用寿命

在相同切削条件下，刀具使用寿命高，切削加工性好。

（2）切削力和切削温度

在相同切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。

机床动力不足时，常用此指标。

（3）加工表面质量

易获得好的加工表面质量，则切削加工性好。

精加工时常用此指标。

（4）断屑性能

在相同切削条件下，以所形成的切屑是否便于清除作为一项指标。

对于自动机床、数控机床和自动化程度较高的生产线上常用此指标。

二、影响工件材料切削加工性的因素

（1）材料的物理力学性能的影响 

1）材料的硬度和强度越高，切削力就越大，切削温度也越高，所以切削加工性也越差。

特别是材料的高温硬度值越高，切削加工性越差，刀具磨损越严重。

2）材料的塑性（以延长率d表示）越大，材料切削加工性也越差。

但是，当加工塑性太低的材料时，切屑与前刀面接触长度过短，切削力和切削热都集中在切削刃附近，加剧了切削刃的磨损，也会使切削加工性变坏。

3）材料韧性高，切削力和切削温度也高，且不易断屑，切削加工性差。

4）材料的导热率越大，由切屑、工件散出的热量就越多，越有利于降低切削区的温度，切削加工性越好。

（2）材料化学成分的影响 

材料的化学成分是通过材料的物理力学性能的影响而影响切削加工性的。

具体参看图3-31。

（3）材料金相组织的影响 

成分相同的材料，若其金相组织不同，其切削加工性也不同。

以钢中各种金相组织的切削速度与刀具使用寿命关系曲线（vc-T）为例，如图3-32所示。

金相组织的形状和大小也影响加工性。

如珠光体有球状、片状和针状之分。

球状硬度较低，易加工，切削加工性好；

而针状硬度大，不易加工，即切削加工性差。

三、改善工件材料切削加工性的途径

（1）调整材料的化学成分

在不影响材料使用性能的前提下，可在钢中适当添加一种或几种可以明显改进材料切削加工性的化学元素，如S、Pb、Ca、P等，获得易切钢，取得切削力小、易断屑、刀具使用寿命长、加工表面质量好等良好的切削加工性。

（2）热处理改变金相组织

生产中常对工件材料进行预先热处理，通过改变工件材料的硬度和塑性等来改善切削加工性。

例如：

低碳钢经正火处理或冷拔处理，使塑性减少，硬度略有提高，从而改善切削加工性。

高碳钢通过球化退火使硬度降低，有利于切削加工。

3.5.2 

刀具几何参数的合理选择（列重点学生处自学部分）

一、前角的选择

增大前角，可减少切削变形，从而减少切削力、切削热和切削功率，提高刀具的使用寿命。

但增大前角，会使切削刃强度降低，容易造成崩刃，另一方面使散热情况变坏，致使切削温度增高，刀具使用寿命下降。

因此，在一定切削条件下，存在一个合理前角γopt。

选择合理刀具前角可遵循下面几条原则：

（1）根据工件材料的种类和性质选择前角

加工塑性材料（如钢），应选较大的前角；

加工脆性材料（如铸铁），应选较小前角。

工件材料的强度和硬度大时，切削力大，温度较高，宜选较小前角；

反之，强度和硬度小时，选较大前角。

见图3-34。

（2）根据刀具材料的种类和性质选择前角

刀具材料的强度及韧性较高时（如高速钢），可选较大前角；

反之，强度及韧性较低（如硬质合金﹑陶瓷）时，可选较小前角。

见图3.33。

（3）选择前角还要考虑一些具体加工条件

1）粗加工，特别是断续切削，有冲击载荷时，为增强刀具强度，宜选较小前角。

2）精加工或工艺系统刚性差，机床动力不足，应选较大前角。

（4）成形刀具，数控机床和自动线刀具，为增加工作稳定性和刀具使用寿命应选较小前角

硬质合金车刀合理前角的参考值见表3-2。

高速钢车刀的前角一般比表中数值增大5°

～10°

二、后角的选择

增大后角，可降低切削力和切削温度，改善已加工表面质量。

但增大后角也会使切削刃和刀头的强度降低，减少了散热面积和容热体积，加速刀具磨损。

合理选择后角应遵循的原则：

1）粗加工或承受冲击载荷时，切削刃应该有足够强度，应取较小后角；

精加工时可适当增大后角，应提高刀具使用寿命和加工表面质量。

2）工件材料强度﹑硬度高时，宜取较小后角；

对于有尺寸精度要求的刀具，则宜减小后角，以减小NB值。

三、主偏角的选择

减少主偏角会使切削厚度减少，切削宽度增加（见图3-36），从而使单位长度切削刃所承受的载荷减轻，散热条件改善，可使刀具使用寿命提高。

但是，减少主偏角会导致背向力增大，同时刀尖与工件的摩擦加剧，会导致刀具使用寿命下降。

合理选择主偏角的原则：

主要看工艺系统的刚性如何。

系统刚性好，不易产生变形和振动，则主偏角可取小值；

若系统刚性差（如切削细长轴），则宜取大值。

四、副偏角的选择

副偏角越小，切削刃痕的理论残留面积的高度也越小，可以有效地减少已加工表面的粗糙度。

同时，还加强了刀尖强度，改善了散热条件。

但副偏角过小会增加副切削刃的工作长度，增大副后刀面与已加工表面的摩擦，易引起系统振动，反而增大。

六、刃倾角的选择

（1）影响切削刃的锋利性

当刃倾角λs≤45°

时，刀具的工作前角和工作后角将随λs的增大而增大，而切削刃钝圆半径却随之减少，增大了切削刃的锋利性。

（2）影响刀头强度和散热条件

刃倾角为负值的刀具切入时，从切削刃开始，可增强刀尖强度，提高刀具使用寿命。

如图3-37所示面粗糙度。

（3）影响切削力的大小和方向

刃倾角为正时，切削力降低；

为负时，切削力增大。

当负刃倾角绝对值增大时，背向力会显著增大，易导致工件变形和工艺系统振动。

因此，在工艺系统刚度不足时，应尽量避免采用负刃倾角。

（4）影响切屑流出方向

刃倾角λs的大小和正负，直接影响切屑的流出方向（见图3-38）。

当λs为负值时，切屑流向已加工表面，易划伤已加工表面；

ls为正值时，切屑流向待加工表面。

精加工时，常取正刃倾角。

3.3.2.3最大生产效率刀具使用寿命 

当刀具使用寿命规定过高，允许采用的切削速度就低，使生产效率降低；

若刀具使用寿命规定过低，则切削速度虽然可以很高，但刀具磨损加快，换刀次数增加，装刀、卸刀及调整机床的时间增多，生产效率也降低。

一般情况下，多采用经济刀具使用寿命；

只有当生产任务紧迫或生产中出现不平衡的环节时，才选用最高生产效率刀具使用寿命。

一、刀具使用寿命选择原则：

（列重点学生处自学部分） 

1）根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本的高低来选择。

铣刀、齿轮刀具、拉刀等结构复杂，制造、刃磨成本高，换刀时间长，因而刀具使用寿命选得高些；

反之，普通机床上使用的车刀、钻头等简单刀具，因刃磨简单及成本低，刀具使用寿命可取得低些。

如齿轮刀具大致为T=200min～300min，硬质合金端铣刀大致为T=120min～180min，可转位车刀大致为T=15min～30min。

2）多刀机床上的车刀、组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及数控机床上的刀具，刀具使用寿命应选得高些。

3）精加工大型工件时，为避免切削同一表面时中途换刀，刀具使用寿命应规定至少能完成一次走刀。

二、切削用量的选择原则（列重点学生处自学部分）

选择切削用量的原则就是在保证加工质量，降低成本和提高生产效率的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。

当ap、f、vc的乘积最大时，工序的切削时间最短。

因此，确定切削用量时，应尽可能选择较大的ap，其次按工艺装备与技术条件的允许选择最大的f，最后再根据刀具使用寿命确定vc，这样可在保证一定刀具使用寿命的前提下，使ap、f、vc的乘积最大。

三、背吃刀量的选择（列重点学生处自学部分）

（1）根据加工余量确定

粗加工时，除留下精加工的余量外，应尽可能一次走刀切除全部粗加工的余量，这样不仅能在保证一定刀具使用寿命的前提下使ap、f、vc的乘积大，而且可以减少走刀次数。

（2）中等功率机床情况

1）粗车时背吃刀量最大可达8～10mm。

2）半精车（表面粗糙度值一般是Ra10～5mm）时，背吃刀量可取为0.5～2mm。

3）精车（表面粗糙度值一般是Ra2.5～1.25mm）时，背吃刀量可取为0.1～0.4mm。

（3）加工余量过大或工艺系统刚度不足等情况

在此情况下，可分几次走刀完成。

如分两次走刀将第一次走刀的背吃刀量取大些，可占全部余量的2/3-3/4，而使第二次走刀的切削深度小些，以使精加工工序获得较小的表面粗糙度及较高的加工精度。

（4）切削特殊材料情况

切削零件表层有硬皮的铸、锻件或不锈钢等冷硬较严重的材料时，应使背吃刀量超过硬皮或冷硬层，以避免使切削刃在硬皮或冷硬层上切削。

四、　进给量的选择（列重点学生处自学部分）

（1）一般原则

背吃刀量选定以后，应进一步尽量选择较大的进给量f，其合理数值应当保证机床、刀具不致因切削力太大而损坏；

切削力所造成的工件绕度不致超出工件精度允许的数值；

表面粗糙度不致太大。

（2）粗加工情况

根据经验主要考虑工艺系统刚度、切削力大小和刀具的尺寸等，但还需进行一些验算。

（3）半精加工和精加工情况

应按粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、刀具副偏角、切削速度等选择进给量。

1）当刀尖圆弧半径增大、副偏角减小时，已加工表面粗糙度较小，可选较大的进给量；

2）当切削速度较高时，切削力降低，可适当增大进给量；

3）当加工脆性材料时，得到崩碎切屑，已加工表面不平整，表面粗糙度较大，应选较小的进给量

五、切削速度的确定

可以先按刀具使用寿命来求出切削速度，然后再校验机床功率是否超载。

并考虑修正系数，切削速度的计算式可由公式3.23变换得出：

（3-26）

式中:

kv--切削速度修正系数，与加工条件、刀具材料和几何参数、工件材料有关。

Cv、xv、yv、m及kv可查切削用量手册。

在选择切削速度时，还应考虑以下几点：

1）精加工时，应尽量避开积屑瘤易于产生的速度范围。

2）断续切削时，宜适当降低切削速度，以减少冲击和热应力。

3）加工大型、细长、薄壁工件时，应选用较低的切削速度；

端面车削应比外圆车削的速度高些，以获得较高的平均切削速度，提高生产率。

4）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。

3.5.5切削液的合理使用（列重点学生处自学部分）

切削液主要用来降低切削温度和减少切削过程的摩擦。

合理选用切削液对减轻刀具磨损、提高加工表面质量及加工精度起着重要的作用。

一、从工件材料方面考虑

1）切削钢等塑性材料时，需用切削液。

2）切削铸铁、青铜等脆性材料时可不用切削液，原因是其作用不明显。

3）切削高强度钢、高温合金等难加工材料时，属高温高压边界摩擦状态，易选用极压切削油或极压乳化液，有时还需配置特殊的切削液。

4）对于铜、铝及铝合金，为得到较高的加工表面质量和加工精度，可采用10%～20%的乳化液或煤油等。

二、从刀具方面考虑

1）高速钢刀具耐热性差，应采用切削液。

2）硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液，必须使用时可采用低浓度乳化液或多效切削液（多效指润滑、冷却、防锈综合作用好，如高速攻螺纹油），且浇注时要充分连续，否则刀片会因冷热不均而导致破裂。

三、从加工方法方面考虑

1）钻孔、铰孔、攻螺纹和拉削等工序的刀具与已加工表面摩擦严重，易采用乳化液、极压乳化液或极压切削油。

如彩图3-5所示。

2）成型刀具、齿轮刀具等价格昂贵，要求刀具使用寿命高，可采用极压切削油（如硫化油等）。

3）磨削加工温度很高，还会产生大量的碎屑及脱落的沙粒，因此要求切削液应具有良好的冷却和清洗作用，常采用乳化液，如选用极压型或多效型合成切削液效果更好。

四、从加工要求方面考虑

1）粗加工时，金属切除量大，产生的热量多，应着重考虑降低温度，选用以冷却为主的切削液，如3%～5%的低浓度乳化液或合成切削液。

2）精加工时，主要要求提高加工精度和加工表面质量，应选用以润滑性能为主的切削液，如极压切削油或高浓度极压乳化液，它们可减少刀具与切屑间的摩擦与粘结，抑制积屑瘤。

3.4金属切削机床的分类、型号及传动（重点讲授部分）

*按加工性质和加工刀具共分12类

*按照机床通用性（万能程度）

（1）通用机床（万能机床）

（2）专门化机床（专能机床）

（3）专用机床

按照加工精度

按照自动化程度：

手动、机动、半自动、自动

机床的型号

*国产机床型号：

（□代表字母，○代表数字）

2.1.3机床的传动

机床的基本传动类型有机械、液压、气动、电伺服等。

最常用的有机械传动和液压传动。

*机械传动：

传动副及符号

*机械传动传动比：

*传动链：

从输入到输出方向，由若干传动副依次组合起来的传动系统。

传动系统图：

用国家标准规定的符号表示的传动系统

传动结构式：

按传动链次序用传动轴号和传动副的结构参数,表示的传动关系式

传动平衡式：

用数字表达式排列的方程式来表示传动链,末端件”（起始和终了传动件）,之间的传动关系

传动级数：

传动系统输出转速不同个数。

例

传动平衡式

*机床中常用的变速机构：

（1）滑移齿轮变速

（