切削基本理論的應用

金屬切削原理與刀具主講：王玉亮機械與電子工程學院第四章切削基本理論的應用1本章應知本章應會1.了解切屑的流向及切屑的控制。2.了解改善材料切削加工性能的途徑。3.對難加工材料的加工有一定的認識。4.影響已加工表面粗糙度的因素。5.對刀具幾何參數(shù)有較具體的理解。

1.會合理選擇切削液。

2.會合理選擇切削用量。2第一節(jié)切屑控制一、切屑形狀的分類帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑崩碎切屑形狀為帶狀，內(nèi)表面比較光滑，外表面可以看到剪切面的條紋，呈毛茸狀與帶狀切屑相似，不同的是外表面呈鋸齒形，內(nèi)表面一些地方有裂紋達到材料的破壞極限，切屑斷裂成均勻的顆粒狀，則成為梯形切屑切屑為不連續(xù)的碎屑狀，形狀不規(guī)則，而且加工表面也凹凸不平切削時由于加工條件不同，會形成許多不同形狀的切屑，根據(jù)國家標準GB/T16461-1996的規(guī)定，切屑形狀及名稱分為八類。3切屑與加工材料的關系

前三種屬于加工塑性材料所產(chǎn)生的切屑，第四種為加工脆性材料的切屑。帶狀切屑的切削過程最平穩(wěn)，粒狀切屑的切削力波動最大。切塑性材料：

帶狀切屑節(jié)狀切屑粒狀切屑切削平穩(wěn)，力波動小滑移量較大，局部切削不平穩(wěn)，力波動大加工面光潔，斷屑難剪應力達斷裂強度加工表面粗糙，少見↑γ0↑v↓ac↓γ0↓v↑ac↓γ0↓v↑ac↑γ0↑v↓ac41.帶狀切屑

１—１長1—2短1—3纏亂2.管狀切屑

2—１長2—2短2—3纏亂3.盤旋狀切屑

3—１平3—2錐4.環(huán)形螺旋

切屑

4—１長4—2短4—3纏亂55.錐形螺旋切屑

5—１長5—2短5—3纏亂6.弧形切屑

6—１連接6—2松散7.單元切屑8.針形切屑(續(xù)）6

二、切屑的流向和折斷控制切屑的流向目的是為了切屑不損傷加工表面，便于對切屑處理，使切削順利進行。切屑流速方向Vch與正交平面的夾角稱為流屑角，用ηc來表示。A點：主刃參與切削終了點B點：副刃終了點Vch⊥AB影響Vch

方向參數(shù)：

λsκrγ01、切屑流向

7λs

=0時，切屑流向基本與主切削刃垂直。λs

<0時，切屑流向已加工表面。λs

>0時，切屑流向未加工表面。82、切屑折斷◆厚度為hch的切屑受到斷屑臺推力FBn作用而產(chǎn)生彎曲，并產(chǎn)生卷曲應變?！粼诶^續(xù)切削的過程中，切屑的卷曲半徑由ρ0逐漸增大到ρ，當切屑端部碰到后刀面時，切屑又產(chǎn)生反向彎曲應變，相當于切屑反復彎折，最后彎曲應變εmax大于材料極限應變εb時折斷?！艨梢灾狼行嫉恼蹟嗍钦驈澢鷳兒头聪驈澢鷳兊木C合結(jié)果。9三、斷屑措施●作出斷屑槽

型式：折線型、直線圓弧型、全圓弧型。

應用:前兩種適用于切削碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼等，一般前角在γo＝5o～15o。后一種前角比較大γo＝25o～35o。用于切削紫銅、不銹鋼等高塑性材料。

影響斷屑的主要參數(shù)：槽寬Lbn，槽深hBn。槽寬Lbn應保證切屑在流出槽時碰到斷屑臺，以使切屑卷曲折斷。進給量大，切削厚時，可以適當增加槽寬LBn。10斷屑槽在前刀面的位置有三種型式：（a）外斜式；（b）平行式；（c）內(nèi)斜式。其中外斜式最常用，平行式次之。內(nèi)斜式主要用于背吃刀量ap較小的半精加工和精加工。11●改變切削用量切削用量的變化對斷屑產(chǎn)生影響，選擇合適的切削用量，能增強斷屑效果。在切削用量參數(shù)中，進給量f對斷屑影響最大。進給量f增大，切削厚度也增大，碰撞時容易折斷。切削速度υc和背吃刀量ap對斷屑影響較小，不過，背吃刀量ap增加，切削層寬度增加，斷屑困難增大；切削速度提高，斷屑效果下降。

其他斷屑方法1、固定附加斷屑擋塊2、采用間斷切削3、切削刃上開分屑槽12第二節(jié)工件材料的切削加工性

一、衡量材料切削加工性的指標1.以刀具使用壽命T或切削速度vT來衡量

(分8級)

相同切削條件比T

；T一定，比速度vT

或切除材料體積3.以已加工表面質(zhì)量來衡量

一般精加工，用Ra；精密零件，用加工硬化、殘余應力2.以切削力或切削溫度來衡量粗加工、機床剛性或功率不足,用力或功率;導熱差用溫度4.以斷屑性能來衡量

自動機床、數(shù)控機床、自動線等，斷屑性能是主要指標131、

工件材料的相對加工性

1.切削速度vT的含義：當?shù)毒呤褂脡勖鼮門(min)時切削某種材料所允許的切削速度。vT越高，材料的切削加工性越好。通常取T=60min，

vT寫作v060

；難加工材料，vT為v15或v30。2.相對加工性Kr：以σb=0.637GPa的45鋼的v060作為基準，寫作(v060)j，將某種材料的v60與其相比的比值，即

Kr

＝

v060/v60。Kr僅反映不同材料對刀具使用壽命的影響程度，并未反映表面粗糙度和斷屑問題，僅對選擇切削速度有指導意義。若以某材料的Kr乘以45鋼的切削速度即得該材料的許用切削速度。1415例45鋼

1Cr18Ni9Ti工件材料的物理力學性能對加工性的影響16

二、常用金屬材料的切削加工性（一）鑄鐵白口鑄鐵：硬度高（HBS600)，難切削；灰口鑄鐵：硬度適中，強度塑性小，切削力較小，但高硬度碳化物對刀具有擦傷，崩碎切屑，切削力熱集中刀刃上且有波動，刀具磨損率并不低，應采用低于加工鋼的切削速度。球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵：強度塑性比灰鐵高，切削加工性變差.

工件表面若有硬皮可進行退火處理。在切削時可適當減小刀具前角和降低切削速度.17（二）碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼切削加工性取決于含碳量。

低碳鋼硬度低，塑韌性高，變形大，斷屑難，粘屑，加工表面粗糙，加工性較差；

高碳鋼硬度高，塑性低，切削力大，溫度高，刀具耐用度低，加工性差；

中碳鋼性能適中，加工性良好。（三）合金結(jié)構(gòu)鋼：合金結(jié)構(gòu)鋼強度硬度提高，切削加工性較同類碳鋼變差。切削時選耐磨耐熱刀具材料,選較低切削速度.（四）難加工材料高強度、硬度，高塑性韌性或高脆性，耐高溫，導熱性差。切削力大，溫度高，刀具磨損快，斷屑難，加工性差。181.高強度合金鋼切削時變形阻力大,切削力大,切削溫度高,熱導率小,段屑困難,刀具磨損嚴重,刀尖易破損,屬于很難加工材料.

其金相組織多為馬氏體,材料需退化后在加工切削;選用高耐熱、高耐磨和耐沖擊的刀具。2.不銹鋼切削變形大，切削力大，溫度高，加工硬化高，易產(chǎn)生親合現(xiàn)象和形成積屑瘤，斷屑難，刀具易產(chǎn)生粘結(jié)磨損和擴散磨損。選高耐熱、耐磨和高強度的刀具，取大前角，負刃傾角低速大背吃刀量。193.高錳鋼屬于切削性能很差類型材料，高強度和高塑性，高硬度，加工硬化現(xiàn)象嚴重，切削力大，斷屑難。應適當加大前角和后角，減小主偏角，中速切削4.鈦合金高強度和高硬度，導熱性差，親和力強，塑性變形??；選用親和力小，導熱性好，強度高的硬質(zhì)合金材料，小前角，大后角，較大刀尖圓弧半徑鋒利的刀具5.其他難加工材料加工性特點簡介高溫合金中的鎳基合金較難切削，熱導率低，切削力大，切削溫度高，加工硬化顯著且刀具粘屑嚴重。淬火鋼硬度高，塑性、熱導率小，沖擊力大，刀具磨損快、破損嚴重。冷硬鑄鐵和高硅鋁合金硬度高、脆性大，切屑呈崩碎狀，刀具易磨損。2021三、改善切削加工性的途徑1.調(diào)整材料的化學成分

鋼中加硫、鉛，不銹鋼中加硒，鐵中增加Al、Cu等元素分解出石墨元素或加入石墨成分。2.進行適當?shù)臒崽幚?/p>

低、中碳鋼：宜選冷拔或正火處理，均勻組織，調(diào)整硬度塑性；

高碳鋼：宜用球化退火,降低硬度,均勻組織,改善加工性；

中碳以上的合金鋼：硬度較高，需退火以降低硬度；

不銹鋼：常要進行調(diào)質(zhì)處理，降低塑性，以便加工；

鑄鐵：需進行退火處理，降低表皮硬度，消除內(nèi)應力223.選擇合適的刀具材料和切削用量

難加工材料，導熱性差，選YG、YW合金或涂層刀片；刀具合理幾何參數(shù)，斷屑槽、卷屑槽，控制排屑；選擇合理切削用量等。4.選用合適的設備和加工方法難加工材料加工，機床要有足夠的功率和剛性；選擇合適的切削液，供給充足；高硬度材料加工采用磨削加工更容易；5.選擇切削加工性好的材料狀態(tài)

低碳鋼選冷拔狀態(tài)；中碳鋼選熱軋狀態(tài)23第三節(jié)切削液的選用合理選用切削液能有效的減小切削力、降低切削溫度、減小加工系統(tǒng)熱變形，延長刀具壽命和改善已加工表面質(zhì)量，另外，選用高性能切削液也是改善難加工材料切削性能的一個重要措施。一、切削液作用

冷卻作用：利用熱傳導、對流和汽化方式，降低切削溫度。

潤滑作用：滲透到刀具、切屑和加工表面之間，減小了各接觸面的摩擦，形成物理性吸附膜，減小刀具磨損及提高了加工表面質(zhì)量。

排屑和洗滌作用：利用澆注或高壓噴射排除切屑或引導切屑流向。

防銹作用：切削液內(nèi)添加防銹劑，使之與金屬表面起化學作用，防銹防蝕。24

二.切削液的分類及其應用

（1）水溶液水＋添加劑（緩蝕劑、防霉劑等，油性添加劑、表面活性劑等，極壓抗磨劑等）冷卻粗加工（2）乳化液乳化油（油膏，由礦物油、脂肪酸、皂基活性乳化劑（石油磺酸鈉、磺化蓖麻油））＋水

（3）合成切削液水+各種表面活化劑+化學添加劑具有良好冷卻性能、潤滑、清洗和防銹性能。（4）切削油礦物油（機械油、輕柴油和煤油）＋添加劑精加工

（5）極壓切削油礦物油+氯、硫、磷等極壓添加劑，在高溫高壓下不破壞潤滑膜具有良好的潤滑作用。（6）固體潤滑劑多使用二硫化鉬（MoS2），具有較高的抗壓性能和牢固的附著性能2526（3）從工件材料考慮

鋼等塑性材料，需用切削液；鑄鐵等脆材，可不用；高強度鋼等難加工材料，宜用極壓切削油或乳化液（4）從加工方法考慮

鉆孔鉸孔、攻螺紋和拉削等，宜用極壓乳化液或切削油；成形刀具齒輪刀具等用極壓切削油；磨削宜用乳化液。三.切削液的合理選用（1）從加工要求考慮粗加工，選用水溶液或低濃度乳化液；精加工，選用極壓切削油或高濃度乳化液；（2）從刀具材料考慮

高速鋼，需用切削液；Y合金等,可不用或充分連續(xù)用；27第四節(jié)已加工表面質(zhì)量加工表面質(zhì)量包括：表面粗糙度、表層硬化程度、表層殘余應力、表層微裂紋和表層金相組織。一、表面粗糙度的形成1、理論粗糙度

由刀具切削刃形狀、進給量及運動關系按幾何關系求得未經(jīng)修圓刀尖的車刀：經(jīng)過修圓的車刀：282、實際粗糙度對理論粗糙度各因素的疊加。（1）積屑瘤鱗刺影響29（2）刀具磨損的影響刀具后面磨損或刀尖處產(chǎn)生微崩時，對加工表面摩擦使已加工表面上形成不均勻劃痕。30（3）振動的影響切削時工藝系統(tǒng)的振動，不僅會明顯加大工件的表面粗糙度，嚴重時還會對機床精度產(chǎn)生影響及對刀具損壞。31二、影響表面粗糙度的因素1、切削用量：切削速度vc低速：易形成積屑瘤和鱗刺；中速：積屑瘤達至最大；高速：可獲得較小的表面粗糙度32

進給量越小，殘留面積高度Rmax越小，鱗刺與積屑瘤等就不容易產(chǎn)生，表面質(zhì)量就越高。

但進給量不能太小，太小能造成嚴重的加工硬化，不能獲得該精度表面。同時進給量小生產(chǎn)率就比較低。

因而一般不采用減小進給量的方法來獲得表面加工質(zhì)量，而是通過提高切削速度和選用較小的副偏角和磨出倒角刀尖或者修正刀尖來獲得。1、切削用量：進給量f332、刀具幾何參數(shù)：前角γ0增大前角，是切削變形小、刀-屑面間摩擦減小，對積屑瘤、鱗刺、冷硬的影響較小。此外還使得刃口鋒利，有利于薄刃切削，能達到精密加工要求，但是前角過大，會降低刀具強度，減小散熱體積，加速刀具磨損。342、刀具幾何參數(shù)：后角α0增大后角，可避免刀具后面與加工表面之間產(chǎn)生摩擦，并減小對加工硬化和鱗刺等的影響，使切削刃鈍圓半徑減小，切削刃鋒利，減小對加工表面的擠壓作用。減小主偏角是殘留面積高度減小,但使得背向力增大。生產(chǎn)中常用減小副偏角和增大刀尖圓弧半徑來減小殘留面積高度。2、刀具幾何參數(shù)：主偏角kr、副偏角kr/、刀尖圓弧半徑rε353、刀具材料的影響主要取決于刀具與加工材料間的摩擦因數(shù)、親和程度、材料的耐磨性和可刃磨性。高速鋼：Ra0.125~2.5μm；硬質(zhì)合金：Ra0.80μm；陶瓷刀具：切削鋼件時：Ra0.80~0.40μm。切削鑄鐵時：Ra0.80~0.16μm；立方氮化硼：高速切削時，可達Ra0.10μm；金剛石刀具的摩擦因數(shù)是陶瓷刀具的1/3，具有極高的硬度和耐磨性，對非鐵材料加工可達到非常高的表面質(zhì)量。4、切削液的影響不澆注切削液時，由于積屑瘤、鱗刺的影響，使得加工表面粗糙不平，當高速切削時，由于切削液浸入切削區(qū)域較困難，易被切屑帶走或零件旋轉(zhuǎn)時被甩出，高速切削時，對表面質(zhì)量影響不顯著。36第五節(jié)刀具幾何參數(shù)的合理選擇刀具幾何參數(shù)主要包括刀具角度、前面與后面形式、切削刃與刃口形狀等刀具合理幾何參數(shù)是指在達到加工質(zhì)量和刀具壽命的前提下使生產(chǎn)率提高、生產(chǎn)成本降低的幾何參數(shù)。。

一、前角的選擇1.前角的作用γ0↑→變形程度↓→F↓q↓→θ↓→T↑振動↓→質(zhì)量↑刀刃和刀頭強度↓散熱面積容熱體積↓，斷屑困難，在一定的條件下，存在一個合理值。刀具角度對切削過程的影響37前角增大，使切削刃鋒利，切屑流出阻力小，摩擦力小，切削變形小，切削溫度低，刀具磨損小，加工表面質(zhì)量較高，但是前角過大，使得刀具剛性及強度變差，熱量不易散出，刀具磨損和破損嚴重，壽命縮短。對于不同的刀具材料和工件材料，T隨γ0的變化趨勢為駝峰形。高速鋼的合理前角比Y合金的大。加工塑材的合理前角比脆材的大。382.合理前角的選擇原則①粗加工、斷續(xù)切削、刀材強度韌性低工材強度硬度高，選較小的前角；②工材塑韌性大、系統(tǒng)剛性差，易振動或機床功率不足，選較大的前角；③成形刀具、自動線刀具取小前角；④Aγ磨損增大前角，Aα磨損減小前角二、后角的選擇

1.后角的作用

α0↑→rn↓鋒利、

lα↓摩擦F↓→

質(zhì)量↑VB一定，磨損體積↑→T↑但NB↑刀頭強度↓散熱體積↓重磨體積↑在一定的條件下，存在一個合理值392.合理后角的選擇原則①粗加工、斷續(xù)切削、工材強度硬度高，選較小后角,已用大負前角應↑α0

；②精加工取較大后角，保證表面質(zhì)量；③成形、復雜、尺寸刀具取小后角；④系統(tǒng)剛性差，易振動，取較小后角；⑤工材塑性大取較大后角，脆材↓α0

三、副后角的選擇副后角選擇原則與主后角基本相同，但有的刀具，如切槽刀和三面刃銑刀應選較小副后角。40四、主偏角的選擇1.主偏角的作用

κr↓→ac↓aw↑→單位刃長負荷↓→

T↑，刀尖強度↑散熱體積↑，Ra↓，F(xiàn)p↑→變形↑加工精度↓，易振動→Ra↑，T↓

，在一定的條件下，存在一個合理值2.合理主偏角的選擇原則①主要看系統(tǒng)剛性。若剛性好，不易變形和振動，κr取較小值；若剛性差（細長軸），κr取較大值（90°）；②考慮工件形狀、切屑控制、減小沖擊等，車臺階軸，90°；鏜盲孔＞90°；κr小切屑成長螺旋屑不易斷；較小κr，改善刀具切入條件，不易造成刀尖沖擊。41五、副偏角的選擇

副偏角的主要作用是形成已加工表面。副偏角↓→

Ra↓刀尖強度↑散熱體積↑，副刃工作長度↑→

摩擦↑Fp↑易振動→Ra↑，T↓

在一定條件下，存在一合理值。系統(tǒng)剛性好，取較小值；剛性差，取較大值,參考表4--7。42六、刃傾角的選擇

1.刃傾角的作用

①影響刀刃鋒利性.λs↑→γ0e↑、rn↓→↑鋒利性

②負刃傾角→刀頭強度↑散熱體積↑負刃傾角→Fp↑→變形↑，易振動→Ra↑

③正λs切屑流向待加工表面，負λs切屑流向已加工表面

在一定條件下，存在一合理值432.刃傾角的選擇原則①粗加工、有沖擊、刀材脆、工材強度硬度高，λs取負值；②精加工、系統(tǒng)剛性差（細長軸），λs取正值；③微量極薄切削，取大正刃傾角。44七、刀尖的修磨形式

由公式：rε↑→表面粗糙度Rmax↓，→刀頭強度↑→

散熱→T↑→VB↓切削力增加和影響斷屑在一定的條件下，存在一個合理值半精加工和精加工：rε=(2～3)f;難加工和斷續(xù)切削時：可適當加大。2.倒角刀尖適用場合：車刀、可轉(zhuǎn)位面銑刀和鉆頭的粗加工、半精加工和有間斷的切削。1.修圓刀尖453.倒角帶修光刃適用場合：車刀、刨刀和面銑刀的較大進給量半精加工八、刃口修磨形式

鋒刃（未磨）修圓負倒棱平棱負后角倒棱46切削加工

刀具角度的合理選擇①前角γo――銳字當先，銳中求固低碳鋼：γo＝20o～25o硬質(zhì)合金車刀粗加工中碳鋼、合金鋼、灰鑄鐵及黃銅：γo＝10o～15o淬火鋼：γo＝-15o～-5o低碳鋼：γo＝25o～30o硬質(zhì)合金車刀精加工中碳鋼、合金鋼：γo＝15o～20o淬火鋼：γo＝-15o～-5o灰鑄鐵及黃銅：γo＝5o～10o相同條件下，高速鋼車刀的前角可比硬質(zhì)合金車刀的前角大5o～10o47切削加工②后角αo――在保證加工質(zhì)量和耐用度的前提下，盡量取小值

粗加工、工件硬度較大時，采用較小的后角，一般為6o～8o

精加工或工件硬度較小時，采用較大后角，通常為8o～12o

高速鋼刀具的后角可比同類硬質(zhì)合金刀具稍大些強力切削或切斷或工件剛性較差時，后角為3o～6o

。③主偏角Κr――保證刀具耐用度的前提下，減小主偏角

粗加工、工件剛性好，主偏角取45o、60o、75o

工件剛性差，主偏角取65o、75o、90o

精車，剛性好，主偏角取45o，剛性差取60o、75o

車細長軸、臺階軸、薄壁件時，主偏角取90o48切削加工④副偏角Κ′r――按照零件表面粗糙度的要求選擇

粗加工、工件剛性好，一般為5o～10o，剛性差時取10o～15o

精加工時，副偏角通常為0o～5o

切槽、切斷時，為保證刀頭強度和重磨后主切削刃的寬度，一般1o～2o⑤刃傾角λs――影響排屑方向、刀頭強度和切削分力

粗加工時為增加刀頭強度，刃傾角一般為0o～-5o

精加工或車細長軸時，為防止切屑劃傷已加工面，取0o～5o

切槽、切斷時，刃傾角取0o

有沖擊（如斷續(xù)切斷）或車淬硬鋼時，一般取-5o～-15o49第六節(jié)切削用量的合理選擇確定了刀具幾何角度后，還需對切削用量進行選擇，生產(chǎn)中切削用量的確定方法是：根據(jù)加工要求和加工成本條件，選用生產(chǎn)實踐中總結(jié)的資料和國內(nèi)外推薦的切削用量數(shù)據(jù)，在必要時可進行工藝試驗來獲得。1.切削用量的選擇原則

粗加工時，應在保證必要的刀具使用壽命的前提下，以盡可能提高生產(chǎn)率和降低成本為目的。根據(jù)刀具使用壽命與切削用量的關系式，切削用量↑，

T

↓，其中速度v對T影響最大，進給量f次之，背吃刀量ap影響最小。50粗加工中選擇切削用量時，應首先選擇盡可能大的背吃刀量ap，其次在工藝條件允許下選擇較大的進給量f，最后根據(jù)合理的刀具使用壽命，用計算法或查表法確定切削速度v。這樣使v、f、ap的乘積最大，以獲得最大的生產(chǎn)率。精加工時則主要按表面粗糙度和加工精度要求確定切削用量。

選擇切削用量首先應分析被加工材料的性能和加工要求，刀具材料性能，機床及其運動參數(shù)；裝夾和加工系統(tǒng)剛性等條件。由于切削速度對刀具壽命影響最大，其次為進給量，最后最小的是背吃刀量，因此，選擇切削用量步驟為：先定ap，再選f，最后確定v。必要時，需檢驗機床功率是否允許。51

2.切削用量制訂的步驟