機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第4章 金屬切削與磨削原理

機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)目錄第4章金屬切削與磨削原理4.1 金屬切削與刀具概述4.2 刀具材料4.3 金屬切削過程4.4 切削力4.5 切削熱和切削溫度4.6 刀具磨損與刀具使用壽命4.7 材料的切削加工性4.8 切削液及其應(yīng)用4.9 刀具幾何參數(shù)的選擇4.10 切削用量的選擇4.11 砂輪與磨削原理第4章金屬切削與磨削原理 閱讀導(dǎo)入：哈爾濱工業(yè)大學(xué)袁哲俊教授，我國著名刀具專家，在刀具和超精密加工領(lǐng)域具有很深厚的學(xué)術(shù)造詣；1948年畢業(yè)于交通大學(xué)機(jī)械系；是機(jī)械制造學(xué)科首批博士生導(dǎo)師，是哈工大機(jī)械制造學(xué)科的創(chuàng)始人之一。

20世紀(jì)五六十年代，研制了玉米銑刀并在生產(chǎn)中大力推廣，成倍提高了生產(chǎn)效率。鑒于他在科研和教學(xué)上的突出表現(xiàn)，1954年他被選為哈爾濱市第一屆人民代表大會(huì)代表；1956年，他被評(píng)為“全國先進(jìn)工作者”，出席全國先進(jìn)工作者代表大會(huì)，受到毛澤東等國家領(lǐng)導(dǎo)人接見。第4章金屬切削與磨削原理 本章學(xué)習(xí)目標(biāo)：

第4章金屬切削與磨削原理 金屬材料的切削加工是用硬度高于工件材料的刀具，在工件表層切去多余的金屬，使工件達(dá)到尺寸精度、幾何精度、表面質(zhì)量等設(shè)計(jì)要求。第4章金屬切削與磨削原理 研究和掌握切削過程的基本規(guī)律，對(duì)合理使用和設(shè)計(jì)工藝裝備特別是刀具，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本等方面有著重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)金屬切削過程，必須滿足以下三個(gè)條件：(1)工件與刀具之間要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即切削運(yùn)動(dòng)；(2)刀具材料必須有—定的切削性能；(3)刀具必須具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念1.切削運(yùn)動(dòng)與切削中的工件表面用刀具切除工件材料，刀具和工件之間必須要有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該相對(duì)運(yùn)動(dòng)由主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組成。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向也是將工件視為靜止，刀具相對(duì)于工件使切削能得以繼續(xù)的運(yùn)動(dòng)方向。主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都可以由工件或刀具的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。4.1 金屬切削與刀具概述切削過程中，工件上有三個(gè)變化著的表面：a.待加工表面是工件上有待切除的表面；b.已加工表面是工件上經(jīng)刀具切削后形成的表面；c.過渡表面是工件上由切削刃形成的那部分表面，處于已加工表面和待加工表面之間，將在下一切削行程、刀具或工件下一轉(zhuǎn)里或由下一切削刃切除。圖4-1給出了切削運(yùn)動(dòng)與工件表面示意圖。。4.1 金屬切削與刀具概述1.切削運(yùn)動(dòng)與切削中的工件表面圖4-1切削運(yùn)動(dòng)與工件表面示意圖a)外圓車削a)外圓車削b)平面刨削4.1 金屬切削與刀具概述

1.切削運(yùn)動(dòng)與切削中的工件表面切削中，主運(yùn)動(dòng)的速度稱為切削速度，用vc表示；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度稱為進(jìn)給速度，用vf表示。主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成后的運(yùn)動(dòng)稱為合成切削運(yùn)動(dòng)。在圖4-1a)所示外圓車削中，合成切削運(yùn)動(dòng)速度ve的大小和方向由下式確定：4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念2.切削用量

切削加工中，根據(jù)加工方法、加工精度、加工效率和加工成本等要求選用適宜的切削速度vc，進(jìn)給量f(或進(jìn)給速度vf)和背吃刀量ap，三者合稱為切削用量，或切削用量三要素。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念2.切削用量(1)切削速度vc(m/min或m/s)主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削速度是刀具與工件之間的相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)速度。主運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般情況，切削速度是參加實(shí)際切削的切削刃上最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算公式為：d——工件或刀具的最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)直徑(mm)；n——工件或刀具的轉(zhuǎn)速(r/min或r/s)。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念2.切削用量(2)進(jìn)給量f(mm/r或mm/z)工件或刀具轉(zhuǎn)—周(或每往復(fù)一次)，兩者在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移量稱為進(jìn)給量，其單位是mm/r(或mm/雙行程)。單位是mm/z。進(jìn)給速度vf、進(jìn)給量f和每齒進(jìn)給量fz之間的關(guān)系為：z——齒數(shù)4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念2.切削用量(3)背吃刀量ap(mm)背吃刀量是工件已加工表面和待加工表面間的垂直距離。外圓車削中的背吃刀量為：dw——待加工表面的直徑(mm)；dm——已加工表面的直徑(mm)。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念3．切削層參數(shù)切削刃在一次走刀中從工件上切下的一層材料稱為切削層。切削層的截面尺寸參數(shù)稱為切削層參數(shù)。切削層參數(shù)通常在與主運(yùn)動(dòng)方向相垂直的平面內(nèi)觀察和測量。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念3．切削層參數(shù)(1)切削層公稱厚度hD垂直于過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱厚度hD，簡稱為切削厚度。如圖4-2所示，車削中若主切削刃為直線刃，切削厚度為：кr——主偏角(°)。4.1 金屬切削與刀具概述3．切削層參數(shù)圖4-2切削層參數(shù)a)外圓車削4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念3．切削層參數(shù)(2)切削層公稱寬度bD沿過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱寬度bD，簡稱為切削寬度。車削中若主切削刃為直線刃，切削寬度為：4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念3．切削層參數(shù)(3)切削層公稱橫截面積AD切削層在切削層尺寸度量平面內(nèi)的橫截面積稱為切削層公稱橫截面積AD，簡稱為切削面積。對(duì)于車削，切削面積為：4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念4．切削方式(1)自由切削與非自由切削只有—條切削刃參加切削工作的切削稱為自由切削，寬刃刨刀刨削就屬于自由切削，如圖4-3所示，此時(shí)切削刃上各點(diǎn)切屑流出方向大致相同。切削層金屬變形基本在二維平面內(nèi)，即為平面變形。反之，像外圓車削、切槽(切斷)、車螺紋等。副切削刃也參加已加工表面形成的切削稱為非自由切削。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念4．切削方式

4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念4．切削方式(2)直角切削與斜角切削切削刃上選定點(diǎn)的切線垂直于該點(diǎn)切削速度的切削稱為直角切削，或正切削，如圖4-4(a)，否則稱為斜角切削，或斜切削，生產(chǎn)中大多屬斜角切削，如圖4-4(b)所示。直角切削時(shí)切屑是沿切削刃的法向流出的。只將工件斜置，vc方向不變的切削仍屬直角切削4.1 金屬切削與刀具概述4.1.1基本概念4．切削方式

4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度1．刀具切削部分的構(gòu)造外圓車刀由刀體[]和切削部分(也稱刀頭)組成，如圖4-5所示。刀體[]是用于夾持刀具的部分，一般為長方體或圓柱體。切削部分是刀具上起切削作用的部分，其結(jié)構(gòu)和定義為：

4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度1．刀具切削部分的構(gòu)造(1)前面Aγ刀具上切屑流過的表面，也稱前刀面。(2)主后面Aα刀具上與過度表面相對(duì)的表面，也稱主后刀面。(3)副后面A′α刀具上與已加工表面相對(duì)的表面，也稱副后刀面。當(dāng)?shù)毒咔邢鞑糠譀]有副后刀面時(shí)，主后刀面可直接稱為后面或后刀面。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度1．刀具切削部分的構(gòu)造(4)主切削刃S刀具上前刀面與主后刀面的交線。(5)副切削刃S′刀具上前刀面與副后刀面的交線。(6)刀尖連接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，可以是一段小的圓弧，也可以是一段直線，在一定條件下可簡化為一交點(diǎn)。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度1．刀具切削部分的構(gòu)造4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度(1)刀具靜止參考系刀具要從工件上切下金屬材料，就必須具有一定的切削角度，這些角度能決定刀具切削部分各表面的相對(duì)位置。為了確定和測量刀具的角度，需要建立一個(gè)空間坐標(biāo)參考系，這個(gè)參考系由三個(gè)參考平面組成，定義如下：

4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度1)基面Pr通過主切削刃上的某選定點(diǎn)，與該點(diǎn)假定主運(yùn)動(dòng)方向[]相垂直的平面。2)切削平面Ps通過主切削刃上某選定點(diǎn)，與主切削刃相切并垂直于該點(diǎn)基面的平面。3)正交平面Po通過主切削刃上某選定點(diǎn)，同時(shí)垂直于該點(diǎn)基面和切削平面的平面。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度可見，這三個(gè)參考平面是互相垂直的，由他們組成的刀具標(biāo)注角度參考系稱為正交平面參考系，如圖4-6所示。除正交平面參考系外，常用的標(biāo)注刀具角度的參考系還有法平面參考系、背平面和假定工作平面參考系。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度(2)刀具的標(biāo)注角度在刀具標(biāo)注角度參考系中測得的角度稱為刀具的標(biāo)注角度。標(biāo)注角度應(yīng)標(biāo)注在刀具的設(shè)計(jì)圖中，用于刀具制造、刃磨和測量。如圖4-7所示，在正交平面參考系中，刀具的主要標(biāo)注角度有以下6個(gè)，其定義如下：4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度1)前角γo在正交平面內(nèi)測量的前刀面和基面間的夾角。前刀面在基面之下時(shí)前角為正值，前刀面在基面之上時(shí)前角為負(fù)值。2)后角αo在正交平面內(nèi)測量的主后刀面與切削平面間的夾角，一般為正值。3)主偏角κr在基面內(nèi)測量的主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向間的夾角4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度4)副偏角κ′r在基面內(nèi)測量的副切削刃在基面上的投影與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)反方向間的夾角。5)刃傾角λs在切削平面內(nèi)測量的主切削刃與基面之間的夾角。在主切削刃上，刀尖為最高點(diǎn)時(shí)刃傾角為正值，刀尖為最低點(diǎn)時(shí)刃傾角為負(fù)值。主切削刃與基面平行時(shí)，刃傾角為零，此時(shí)主切削刃與切削速度方向垂直，即直角切削。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度6)副后角α′o要完全確定車刀切削部分所有表面的空間位置，還需標(biāo)注副后角α′o，副后角α′o確定副后刀面的空間位置。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度(3)刀具的工作角度上面討論的外圓車刀的標(biāo)注角度，是在忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響并假定刀桿軸線與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向垂直以及切削刃上選定點(diǎn)與工件中心等高的條件下確定的。如果考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和刀具實(shí)際安裝情況的影響，參考平面的位置應(yīng)按合成切削運(yùn)動(dòng)方向來確定，這時(shí)的參考系稱為刀具工作角度參考系。在工作角度參考系中確定的刀具角度稱為刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的實(shí)際工作狀態(tài)。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度1)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響當(dāng)?shù)毒邔?duì)工件作切斷或切槽工作時(shí)，刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是沿橫向進(jìn)行的，如圖4-8所示，當(dāng)不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響時(shí)，按切削速度υc的方向確定的基面和切削平面分別為Pr和Ps?？紤]進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響后，刀具在工件上的運(yùn)動(dòng)軌跡為阿基米德螺旋線，按合成切削速度υe的方向確定的工作基面和工作切削平面分別為Pre和Pse。工作前角γoe和工作后角αoe為：。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度分析上式可知，進(jìn)給量f越大，η值越大；工件切削直徑d切越小，η值越大。過大的η值有可能使αoe變?yōu)樨?fù)值，后刀面將與工件相碰，這是不允許的。切斷刀應(yīng)選用較大的標(biāo)注后角αo，進(jìn)給量f的取值也不宜過大。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度2)刀具安裝位置對(duì)工作角度的影響安裝刀具時(shí)，如刀尖高于或低于工件中心，會(huì)引起刀具工作角度的變化，如圖4-9所示，若不考慮車刀橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的影響，如果刀尖安裝得高于工件中心，基面由Pr變?yōu)镻re，切削平面由Ps變?yōu)镻se，工作前角γoe將大于標(biāo)注前角γo，工作后角αoe將小于標(biāo)注后角αo。如果刀尖安裝低于工件中心，則工作角度的變化情況恰好相反，γoe將小于γo，αoe將大于αo。。4.1 金屬切削與刀具概述4.1.2刀具構(gòu)造及刀具角度2．刀具的標(biāo)注角度4.2刀具材料

4.2.1刀具材料的性能要求切削時(shí)刀具要承受高溫、高壓、摩擦和沖擊的作用，刀具材料須滿足以下基本要求：(1)較高的硬度和耐磨性刀具的硬度必須比工件高，這是刀具材料最基本的性能。一般情況，刀具材料的硬度應(yīng)是工件材料的1.3~1.5倍。刀具材料還要具有良好的耐磨性，可以經(jīng)受切削過程中的劇烈摩擦，一般來說，刀具硬度越高，耐磨性越好4.2刀具材料4.2.1刀具材料的性能要求(2)足夠的強(qiáng)度和韌性刀具材料要能夠承受切削過程中的沖擊和振動(dòng)，不產(chǎn)生崩刃和斷裂，刀具材料必須具有足夠的抗彎強(qiáng)度σbb和沖擊韌性αk。一般情況，刀具材料的硬度越高，σbb和αk值越低。在刀具材料選用時(shí)，應(yīng)考慮[]硬度與韌性之間的平衡關(guān)系。4.2刀具材料4.2.1刀具材料的性能要求(3)較高的耐熱性耐熱性也稱為熱穩(wěn)定性，是指刀具材料在高溫作用下應(yīng)具有足夠的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性。耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要指標(biāo)，一般用保持其常溫下切削性能的溫度來表示耐熱性。4.2刀具材料4.2.1刀具材料的性能要求(4)良好的導(dǎo)熱性和耐熱沖擊性能刀具材料的導(dǎo)熱性要好，可以加快切削熱向外傳導(dǎo)，有利于降低切削溫度，否則內(nèi)部會(huì)承受熱沖擊作用而產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致刀具斷裂。在斷續(xù)切削(如銑削)中，刀具常常受到很大的熱沖擊，易出現(xiàn)裂紋。4.2刀具材料4.2.1刀具材料的性能要求(5)工藝性刀具材料應(yīng)具有良好的可制造性，即工藝性，包括鍛造性能、切削磨削加工性、焊接性能、熱處理性能、高溫塑性及刃磨性能等，從而便于刀具制造。4.2刀具材料4.2.1刀具材料的性能要求(6)經(jīng)濟(jì)性應(yīng)理解為整體上的經(jīng)濟(jì)性，好的經(jīng)濟(jì)性是刀具材料價(jià)格及刀具制造成本不高，使分?jǐn)偟矫總€(gè)工件的成本不高。值得注意的是。有些刀具材料雖然單價(jià)很高，但因其使用壽命長，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的成本不—定很高，仍有好的經(jīng)濟(jì)性。4.2刀具材料4.2.2碳素工具鋼與合金工具鋼碳素工具鋼指含碳量在0.65%~1.35%的優(yōu)質(zhì)高碳鋼，常用牌號(hào)有T8A、T10A和T12A，以T12A應(yīng)用最多，其含碳量為1.15%~1.2%，淬火后硬度可達(dá)63~66HRC，紅硬性為250℃~300℃。當(dāng)切削溫度過高，馬氏體組織要分解，使得硬度降低；碳化物分布不均勻，淬火后變形較大，易產(chǎn)生裂紋；淬透性差，淬硬層薄，故允許的切削速度vc=5~10m/min，從而只適于制造手用和切削速度很低的工具，如銼刀、手用鋸條、絲錐和板牙等。4.2刀具材料4.2.2碳素工具鋼與合金工具鋼針對(duì)碳素工具鋼的耐熱性差、淬透性差、淬火后變形大的缺點(diǎn)，在高碳鋼中加入合金元素Si、Cr、W、Mn等，總量不宜超過3%~5%，可提高淬透性和回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒，減小變形，成為合金工具鋼，常用牌號(hào)有9SiCr、CrWMn等。紅硬性為325℃~400℃，允許的切削速度為vc=10~15m/min。合金工具鋼主要用于低速工具，如絲錐、板牙、鉸刀、滾絲輪、搓絲板等。4.2刀具材料

4.2.3高速鋼高速鋼是合金工具鋼之一，是含有C、W、Mo、Cr、V、Co、Al等元素的鐵基合金，全稱為高速工具鋼，也稱白鋼或鋒鋼。碳和合金含量平衡配置，以獲得切削所需的高淬硬性、高耐磨性、高紅硬性和良好的韌性。高速鋼在工具鋼中且有最高的高溫硬度和紅硬性。高速鋼具有較高的硬度和耐熱性，切削溫度在500~650℃時(shí)仍能進(jìn)行切削；4.2刀具材料4.2.3高速鋼4.2刀具材料

4.2.3高速鋼1．普通高速鋼高速鋼按化學(xué)成分分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼。普通高速鋼適用于切削硬度在250-280HBS以下的結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵，切削鋼料時(shí)，切削速度一般不高于40~60m/min。

4.2刀具材料

4.2.3高速鋼2．高性能高速鋼高性能高速鋼是指在普通高速鋼成分中再增加碳、釩含量及添加鈷、鋁等合金元素的鋼種，力學(xué)性能和切削性能比普通高速鋼有明顯提高，主要包括高碳高速鋼(w(C)≥0.9%)，高釩高速鋼(w(V)≥3%)，高鈷高速鋼(w(Co)=5%~10%)、高鋁高速鋼及超硬高速鋼等。高性能高速鋼也可稱為高熱穩(wěn)定性高速鋼，加熱到630~650℃時(shí)仍可保持60HRC的硬度，因此具有更好的切削性能，高性能高速鋼刀具壽命約為普通高速鋼刀具的1.5~3倍，適合于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。4.2刀具材料

4.2.3高速鋼3．粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼(簡稱粉冶鋼)通過高壓氬氣或氮?dú)鈱⒏咚黉撲撍F化得到細(xì)小的高速鋼粉末，然后將這種粉末在高溫高壓下壓制成鋼坯，最后將鋼坯鍛軋成鋼材或刀具形狀。粉末冶金高速鋼的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)晶組織細(xì)小且均勻；淬火變形小；刃磨性不隨V含量增加而下降；耐磨性好，刀具壽命長。粉末冶金高速鋼適用于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具、精密刀具及復(fù)雜刀具等。

4.2刀具材料

4.2.4硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是用高硬度難熔的金屬碳化物(WC、TiC等)微米級(jí)粉末和金屬粘結(jié)劑(Co、Ni、Mo等)在高溫條件下燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的常溫硬度達(dá)89~93HRA，在760℃時(shí)硬度可保持在77~85HRA，在800℃~1000℃的高溫條件下仍能繼續(xù)切削，刀具壽命比高速鋼刀具高幾倍到幾十倍，允許的切削速度vc是高速鋼的4~10倍。但硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性比高速鋼差，抗彎強(qiáng)度約是高速鋼的1/2，常溫下的沖擊韌度僅為高速鋼的1/30~1/8，硬質(zhì)合金承受切削振動(dòng)和沖擊的能力較差。4.2刀具材料

4.2.4硬質(zhì)合金(1)P類硬質(zhì)合金P類硬質(zhì)合金相當(dāng)于舊牌號(hào)YT類硬質(zhì)合金，組代號(hào)數(shù)字越大，TiC含量越少，Co含量越多，其耐磨性越低而韌性越高。因此，P01適合精加工，P10、P20適合半精加工，P30、P40適合粗加工。P類硬質(zhì)合金有較高的耐熱性、較好的抗粘結(jié)和抗氧化能力。主要用于切削長切屑的各種鋼、鑄鋼及可鍛鑄鐵件。但不適宜切削鈦合金和含Ti元素的不銹鋼，因?yàn)門i元素之間的親和作用，會(huì)加劇刀具磨損。4.2刀具材料

4.2.4硬質(zhì)合金(2)M類硬質(zhì)合金M類硬質(zhì)合金相當(dāng)于舊牌號(hào)YW類硬質(zhì)合金，組代號(hào)的數(shù)字越大，Co含量越多，其耐磨性越低而韌性越高。精加工可用M10，半精加工可用M20，粗加工可用M30。添加適量的TiC(TaC，NbC)，可提高抗彎強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也提高了耐熱性和高溫硬度；主要用于切削鋼、鑄鋼、錳鋼、鑄鐵、可鍛鑄鐵及不銹鋼等材料，故又稱通用合金。4.2刀具材料

4.2.4硬質(zhì)合金(3)K類硬質(zhì)合金K類硬質(zhì)合金相當(dāng)于舊牌號(hào)YG類硬質(zhì)合金，組代號(hào)數(shù)字越大，Co含量越高，韌性也越好，越適于粗加工。這類硬質(zhì)合金與鋼的粘結(jié)溫度較低，其抗彎強(qiáng)度與韌性比P類高，主要用于加工短切屑的鑄鐵、冷硬鑄鐵、可鍛鑄鐵等。4.2刀具材料

4.2.4硬質(zhì)合金(3)K類硬質(zhì)合金K類硬質(zhì)合金相當(dāng)于舊牌號(hào)YG類硬質(zhì)合金，組代號(hào)數(shù)字越大，Co含量越高，韌性也越好，越適于粗加工。這類硬質(zhì)合金與鋼的粘結(jié)溫度較低，其抗彎強(qiáng)度與韌性比P類高，主要用于加工短切屑的鑄鐵、冷硬鑄鐵、可鍛鑄鐵等。4.2刀具材料

4.2.4硬質(zhì)合金(4)N類硬質(zhì)合金N類硬質(zhì)合金，組代號(hào)數(shù)字越大，韌性越好，也越適于粗加工；主要用于有色金屬、非金屬材料的加工，如鋁、鎂、塑料、木材等。(5)S類硬質(zhì)合金S類硬質(zhì)合金，組代號(hào)數(shù)字越大，韌性越好，也越適于粗加工；主要用于耐熱和優(yōu)質(zhì)合金材料的加工，如耐熱鋼及含鎳、鈷、鈦的各類合金材料等。(6)H類硬質(zhì)合金H類硬質(zhì)合金，組代號(hào)數(shù)字越大，韌性越好，也越適于粗加工；主要用于硬切削材料的加工，如淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料。4.2刀具材料

4.2.5涂層刀具涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物而獲得的。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，涂層刀具的構(gòu)成減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了月牙洼[]磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級(jí)，降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。4.2刀具材料4.2.6陶瓷陶瓷刀具材料主要有三大類，即氧化鋁(Al2O3)系陶瓷、氮化硅(Si3N4)系陶瓷和氧化鋁-氮化硅(Si3N4-Al2O3)系復(fù)合陶瓷。Al2O3系陶瓷的特點(diǎn)為：1)硬度高于硬質(zhì)合金，可達(dá)92-95HRA；2)耐熱性好，在1200℃時(shí)，硬度仍保持80HRA；3)化學(xué)穩(wěn)定性好，與鋼不易親和，抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散能力較強(qiáng)。Al2O3系陶瓷的缺點(diǎn)是：抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌度差、抗沖擊性能差。隨著成型工藝的改進(jìn)，如從冷壓到熱壓，加入金屬碳化物、氧化物復(fù)合，增加金屬(Ni、Mo)結(jié)合劑及SiC晶須增韌劑，使其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度均大有提高。Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷用得較多。主要用于高速精加工和半精加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼等4.2刀具材料

4.2.7立方氮化硼立方氮化硼CBN(CubicBoronNitrogen)是由六方BN(hBN)在合成金剛石的相同條件下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的，至今尚未發(fā)現(xiàn)其天然品。立方氮化硼有整體聚晶CBN和復(fù)合CBN，即PCBN。CBN的高硬度和耐磨性僅次于金剛石，但耐熱性高于金剛石，達(dá)14000℃，化學(xué)隋性很大，不會(huì)與鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，故可加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵等，實(shí)現(xiàn)以車代磨，但加工有色金屬不如金剛石刀具。在800℃以上易與水起化學(xué)反應(yīng)，故不宜用水基切削液。CBN顆粒還用來制造磨料和磨具。4.2刀具材料

4.2.8金剛石金剛石是至今人們所知物質(zhì)中最硬的，硬度可達(dá)10000HV，分為天然金剛石和人造金剛石。天然金剛石有方向性，價(jià)格昂貴，很少用于刀具材料。人造金剛石則是在超高壓(5~10GPa)、高溫(1000~2000℃)條件下由石墨轉(zhuǎn)化而成的，再將其粉末用人工合成工藝聚晶成大顆粒，可直接作刀具使用，即為聚晶金剛石PCD(PolycrystallineDiamond)刀具。近些年來，又研究出把人造金剛石粉末聚晶燒結(jié)在硬質(zhì)合金表面上的新工藝(0.5mm左右)，即為金剛石復(fù)合片(PDC)刀具。由于聚晶金剛石無方向性、硬度很高、耐磨性好，刃口又可刃磨得很鋒利，故可用于高速精加工有色金屬及合金、非金屬硬脆材料。但存在一定脆性，故必須防止切削過程中的沖擊和振動(dòng)。4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程1)第一變形區(qū)切削層金屬向右運(yùn)動(dòng)進(jìn)入OA線開始發(fā)生塑性變形，到OM線金屬晶粒的剪切滑移基本完成。從OA線到OM線的區(qū)域(圖中I區(qū))稱為第一變形區(qū)。4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程在此區(qū)，變形的主要特征就是沿滑移線的剪切變形，如圖4-12所示，OA、OB~OM等都是剪切等應(yīng)力曲線。P點(diǎn)金屬在切削過程中以切削速度vc向刀具作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)點(diǎn)1時(shí)，其剪切應(yīng)力τ達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度τs；P點(diǎn)在從點(diǎn)1繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2ˊ的同時(shí)沿滑移線OA滑移，從點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2，點(diǎn)2ˊ至點(diǎn)2就是滑移量。P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到超過滑移線OM上點(diǎn)4位置后，其流動(dòng)方向與前刀面平行，不再沿滑移線滑移，從而OA稱作始滑移線，OM稱作終滑移線。4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2)第二變形區(qū)切削層金屬與工件基體分離后將沿前刀面流出，切屑底層金屬(與前刀面接觸層)進(jìn)一步受到前刀面的擠壓和摩擦，發(fā)生第二次變形，纖維化方向與前刀面平行。這一區(qū)域(圖中Ⅱ區(qū))稱為第二變形區(qū)。

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程3)第三變形區(qū)已加工表面受到切削刃鈍圓部分和后刀面的擠壓和摩擦，造成表層金屬纖維化與加工硬化。這一區(qū)域(圖中Ⅲ區(qū))稱為第三變形區(qū)。

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2.切削變形程度的表示方法

(1)相對(duì)滑移切削層金屬的變形主要是剪切滑移變形，則可以用相對(duì)滑移e來衡量切削過程的變形程度。如圖4-15所示，切削層金屬用平行四邊形OHNM表示，發(fā)生剪切滑移變形后，變?yōu)槠叫兴倪匫GPM，其相對(duì)滑移ε為：

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2.切削變形程度的表示方法

(2)變形系數(shù)切削過程中，切削層金屬受到擠壓，切屑的厚度hch通常都大于切削層厚度hD，而切屑長度lch卻小于切削層長度lD，如圖4-16所示。切屑厚度hch與切削層厚度hD之比稱為厚度變形系數(shù)Λh；切削層長度lch與切屑長度lD之比稱為長度變形系數(shù)Λl，進(jìn)而：

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2.切削變形程度的表示方法

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2.切削變形程度的表示方法由圖4-16也可得Λl=lc/lD。由于切削層變成切屑后，寬度變化很小，根據(jù)體積不變原理，可知Λh=Λl。變形系數(shù)Λh的值大于1，直觀地反映了切屑的變形程度，Λh越大，變形越大。Ah值可通過實(shí)測求得。由式(4-9)知，Λh與剪切角φ有關(guān)，φ增大，Λh減小，切削變形減小由式(4-8)、(4-9)可得變形系數(shù)與相對(duì)滑移的關(guān)系為

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2.切削變形程度的表示方法(3)剪切角剪切角表示剪切滑移面的位置，當(dāng)前角一定時(shí)，φ增大，則Λh減小，說明剪切角也可以表示切削變形的程度。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪切角進(jìn)行了大量研究，但由于切削過程的復(fù)雜性，至今還沒有能完全符合實(shí)際情況的剪切角公式。前蘇聯(lián)學(xué)者佐列夫(H.H.Зοрев)給出了剪切角的經(jīng)驗(yàn)公式

4.3金屬切削過程4.3.1切削層的變形過程2.切削變形程度的表示方法1)前角γo增大時(shí)，剪切角φ隨之增大，變形系數(shù)Λh減小。這說明在保證刀具刃口強(qiáng)度的前提下，增大刀具前角可減少切削變形，對(duì)改善切削過程有利。2)摩擦角β減小時(shí)，剪切角φ增大，變形系數(shù)Λh減小。這說明提高刀具刃磨質(zhì)量或采用潤滑性能好的切削液，可以減小前刀面和切屑之間的摩擦系數(shù)，有利于改善切削過程。

4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.切屑的受力分析如圖4-17所示，[]在直角自由切削的狀態(tài)下，切屑的受到的作用力為：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正壓力Fns和剪切力Fs。這兩對(duì)力的合力互相平衡，如都畫在切削刃的前方，就可得到圖4-18所示的力與角度的關(guān)系。圖中，F(xiàn)是Fn和Ff的合力，又稱切屑形成力；φ是剪切角；β是Fn和F的夾角，即摩擦角；γo是前角；Fc是切削運(yùn)動(dòng)方向的切削分力；Fp是垂直于切削運(yùn)動(dòng)方向的切削分力。

4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.切屑的受力分析

4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.切屑的受力分析令bD表示切削寬度，AD表示切削面積(AD=hDbD)，As表示剪切面的面積(As=AD/sinφ)，τ表示剪切面上的切應(yīng)力，則

4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.切屑的受力分析

上兩式可表示β對(duì)切削分力Fc和Fp的影響。反之，如用測力儀直接測得作用在刀具上的切削分力Fc和Fp，且忽略刀具后刀面的受力，即可由式(4-18)與式(4-19)推導(dǎo)求得前刀面對(duì)切屑作用的摩擦角β，進(jìn)而可近似求得前刀面與切屑間的摩擦因數(shù)μ，即4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.前刀面上的摩擦切削塑性金屬時(shí)，刀屑接觸的前刀面上的正應(yīng)力很大，可達(dá)2~3GPa，溫度也很高，可達(dá)幾百攝氏度，甚至上千度。切屑底層是剛剛生成的新鮮表面，刀具前刀面在切屑的作用下也是無保護(hù)膜的新表面，二者在高溫高壓條件下極易發(fā)生粘結(jié)，類似于加熱加壓的壓力焊工藝，故此刀屑的這種粘結(jié)有時(shí)也稱為“冷焊粘結(jié)”。發(fā)生粘結(jié)時(shí)，切屑底部很薄的一層金屬由于粘結(jié)作用而流動(dòng)緩慢，但上層金屬仍以較高速度沿前刀面流動(dòng)，從而在切屑底部將出現(xiàn)粘結(jié)層與上層金屬之間的內(nèi)摩擦。圖4-19給出了前刀面上的摩擦與應(yīng)力分布。4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.前刀面上的摩擦

4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.前刀面上的摩擦由于在一般切削條件下，粘結(jié)接觸區(qū)的內(nèi)摩擦力占前刀面上總摩擦力的85%，故在研究前刀面上的摩擦?xí)r，應(yīng)以粘結(jié)接觸區(qū)的摩擦為主要依據(jù)。在圖4-19中，至切削刃距離為x的摩擦系數(shù)為4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.前刀面上的摩擦由于在一般切削條件下，粘結(jié)接觸區(qū)的內(nèi)摩擦力占前刀面上總摩擦力的85%，故在研究前刀面上的摩擦?xí)r，應(yīng)以粘結(jié)接觸區(qū)的摩擦為主要依據(jù)。在圖4-19中，至切削刃距離為x的摩擦系數(shù)為4.3金屬切削過程4.3.2切屑的受力分析及前刀面上的摩擦1.前刀面上的摩擦由于σ(x)隨x變化，故在粘結(jié)接觸區(qū)切屑與前刀面的摩擦因數(shù)是一個(gè)變值，離切削刃越遠(yuǎn)，摩擦因數(shù)越大，其平均摩擦因數(shù)4.3金屬切削過程4.3.3積屑瘤的形成、影響及控制1.積屑瘤的形成加工一般鋼料或鋁合金等塑性材料時(shí)，在切削速度不高而又能形成連續(xù)帶狀[]切屑的情況下，常在前刀面切削處粘結(jié)一塊斷面呈三角狀的硬塊，稱為積屑瘤，如圖4-20所示。積屑瘤的硬度很高，通常是工件材料硬度的2~3倍，處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)可代替切削刃進(jìn)行切削在背吃刀量ap和進(jìn)給量f一定時(shí)，積屑瘤高度Hb與切削速度vc關(guān)系密切，因?yàn)榍邢鬟^程中產(chǎn)生的熱是隨切削速度的提高而增加的。圖4-21中，I區(qū)的切削速度很低，不產(chǎn)生積屑瘤；II區(qū)積屑瘤高度隨vc的增大而增高；III區(qū)積屑瘤高度隨vc的增大而減小；IV區(qū)的切削速度較高，也不產(chǎn)生積屑瘤4.3金屬切削過程4.3.3積屑瘤的形成、影響及控制1.積屑瘤的形成4.3金屬切削過程4.3.3積屑瘤的形成、影響及控制2.積屑瘤對(duì)切削過程的影響(1)工作前角變大積屑瘤使刀具工作前角增大，即γb>γo，可達(dá)30°，從而切削變形減小，切削力減小。積屑瘤越高，工作前角越大。(2)切削厚度增加積屑瘤前端伸出了切削刃，使切削厚度增大，其增量為ΔhD，將隨著積屑瘤的成長逐漸增大。(3)切削過程不穩(wěn)定積屑瘤是逐層粘結(jié)而成，底部接觸面積較大，受力較均勻，相對(duì)穩(wěn)定。但積屑瘤頂部接觸面積較小，受力不均勻，從而不穩(wěn)定，易出現(xiàn)周期性地生長和脫落，從而使工作前角和切削厚度都隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致切削力也變化，從而切削過程不穩(wěn)定。4.3金屬切削過程4.3.3積屑瘤的形成、影響及控制2.積屑瘤對(duì)切削過程的影響(4)加工表面質(zhì)量下降積屑瘤伸出切削刃之外的部分高低不平，形狀也不規(guī)則，會(huì)使加工表面粗糙度增大；破裂脫落的積屑瘤也有可能嵌入加工表面，使加工表面質(zhì)量下降。(5)影響刀具壽命積屑瘤穩(wěn)定時(shí)，可代替切削刃切削，有減小刀具磨損、提高刀具壽命的作用。但如果積屑瘤不穩(wěn)定，從前刀面上頻繁生長和脫落，可能會(huì)把前刀面上刀具材料顆粒粘結(jié)帶走，反而使刀具壽命下降，這種現(xiàn)象易發(fā)生在硬質(zhì)合金刀具上。4.3金屬切削過程4.3.3積屑瘤的形成、影響及控制3.抑制積屑瘤的措施(1)正確選用切削速度，使切削速度避開產(chǎn)生積屑瘤的區(qū)域；適當(dāng)減小進(jìn)給量(或切削厚度)，從而減前刀面上的正壓力。(2)使用潤滑性能好的切削液，目的在于減小切屑底層材料與刀具前刀面間的摩擦。(3)增大刀具前角γo，減小刀具前刀面與切屑之間的壓力，增強(qiáng)切屑的流動(dòng)性。(4)通過熱處理，適當(dāng)減小工件材料的塑性，從而減小加工硬化傾向。。4.3金屬切削過程4.3.4影響切削變形的主要因素研究分析切削過程變形規(guī)律可知，影響切削變形的主要因素有工件材料、刀具幾何參數(shù)、切削厚度、切削速度，影響規(guī)律可由前面提到的以下4個(gè)關(guān)系式進(jìn)行解釋。4.3金屬切削過程4.3.4影響切削變形的主要因素1．工件材料工件材料強(qiáng)度、硬度越高，前刀面上的正應(yīng)力σav越大，摩擦系數(shù)μ越小，摩擦角β越小，剪切角φ越大，從而切削變形Λh越小。2．刀具幾何參數(shù)刀具前角γo越大，剪切角φ越大，變形系數(shù)Λh越??；但γo增大時(shí)，切屑作用在前刀面上的正應(yīng)力σav減小，使摩擦角β和摩擦系數(shù)μ增大，導(dǎo)致φ減小，又使變形系數(shù)Λh越小。4.3金屬切削過程4.3.4影響切削變形的主要因素3．切削層公稱厚度在無積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削層公稱厚度hD越大，前刀面上的正應(yīng)力σav越大，摩擦系數(shù)μ越小，剪切角φ越大，從而變形系數(shù)Λh越小。4．切削速度在無積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，切削速度vc越大，變形系數(shù)Λh越小。4.3金屬切削過程4.3.5切屑的類型及其控制1.切屑的類型有于工件材料不同，切削條件各異，切削過程中生成的切屑形狀是多種多樣的。切屑的形狀有帶狀切屑、節(jié)狀切屑、粒狀切屑和崩碎切屑[]四種類型，如：4.3金屬切削過程4.3.5切屑的類型及其控制2.切屑類型的控制在切屑排出過程中，當(dāng)碰到刀具后刀面、工件上過渡表面或待加工表面等障礙時(shí)．如某一部位的應(yīng)變超過了切屑材料的斷裂極限值，切屑就會(huì)折斷。：4.3金屬切削過程4.3.5切屑的類型及其控制2.切屑類型的控制(1)采用斷屑槽通過設(shè)置斷屑槽對(duì)流動(dòng)中的切屑施加一定的約束力，可使切屑應(yīng)變增大，切屑卷曲半徑減小。斷屑槽的尺寸參數(shù)應(yīng)與切削用量的大小相適應(yīng)，否則會(huì)影響斷屑效果。常用的斷屑槽截面形狀有折線形、直線圓弧形和全圓弧形，如圖4-24所示。前角較大時(shí)，采用全圓弧形斷屑槽刀具的強(qiáng)度較好。斷屑槽位于前刀面上的形式有平行、外斜、內(nèi)斜三種，如圖4-25所示。外斜式常形成C形屑和6字形屑，能在較寬的切削用量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)斷屑；內(nèi)斜式常形成長緊螺卷形屑，只能在較窄的切削用量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)斷屑；平行式斷屑槽的斷屑范圍介于上述兩者之間。4.3金屬切削過程4.3.5切屑的類型及其控制2.切屑類型的控制

4.3金屬切削過程4.3.5切屑的類型及其控制2.切屑類型的控制(2)改變刀具角度增大刀具主偏角κr，切削厚度hD增大，有利于斷屑。減小刀具前角γo，可使切屑變形加大，切屑易于折斷。刃傾角λs可以控制切屑的流向，λs為正值時(shí)，切屑卷曲后流向主后刀面，折斷成C[]形屑或自然流出形成螺卷屑；λs為負(fù)值時(shí)，切屑卷曲后流向已加工表面，折斷成C[]形屑或6字形屑。(3)調(diào)整切削用量提高進(jìn)給量f使切削厚度hD增大，對(duì)斷屑有利，但增大f會(huì)增大加工表面粗糙度。適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣葀c可使變形系數(shù)Λh增大，也有利于斷屑，但這會(huì)降低材料切除效率。因此須根據(jù)實(shí)際條件適當(dāng)選擇切削用量。4.4切削力4.4.1切削力的來源金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力，稱為切削力。由前述的切削過程，如圖4-26所示，不難理解切削力的來源主要是：1)切削層金屬對(duì)彈性變形、塑性變形的抗力；2)工件表面金屬對(duì)彈性變形、塑性變形的抗力；3)刀具前刀面與切屑間的摩擦阻力；4)刀具后刀面與工件表面間的摩擦阻力。4.4切削力4.4.2切削合力與分力上述各力的總和形成作用在刀具切削部位上的合力F，即切削合力。為方便研究和理解，[]可將切削合力F分解為Fc，F(xiàn)p和Ff三個(gè)互相垂直的切削分力，如圖4-27所示。4.4切削力4.4.2切削合力與分力Fc垂直于基面，稱為主切削力，或稱為切向力、切削力。Fc是計(jì)算切削功率和設(shè)計(jì)機(jī)床的主要參數(shù)。Fp平行于基面，且垂直進(jìn)給方向，稱為背向力，或稱為徑向力、切深抗力、吃刀力。Ff平行于基面，且與進(jìn)給方向平行，稱為進(jìn)給力，或稱為軸向力、走刀力。Ff是計(jì)算進(jìn)給功率和設(shè)計(jì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的重要參數(shù)。4.4切削力4.4.3切削功率切削過程中的所消耗功率稱為切削功率，用Pc(kw)表示。由于在Fp方向的位移極小，可以近似認(rèn)為Fp不做功，不消耗功率。從而切削功率上式中括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)是Ff消耗的功率，與第一項(xiàng)相比很小(一般小于1%~2%)，可以忽略不計(jì)，從而可認(rèn)為4.4切削力4.4.4單位切削力的概念4.4切削力4.4.5切削力的測量與經(jīng)驗(yàn)公式的建立1.切削力的測量

切削力的測量可通過測量機(jī)床電動(dòng)機(jī)在切削過程中的功率，再通過計(jì)算得出切削力的大小，但測量精度較低。目前常用測量方法是采用測力儀直接測量切削力。測力儀是測量切削力的專用儀器，有電阻式測力儀和壓電式測力儀。圖4-28所示為切削力測量系統(tǒng)4.4切削力4.4.5切削力的測量與經(jīng)驗(yàn)公式的建立2.切削力經(jīng)驗(yàn)公式的建立

4.4切削力4.4.6影響切削力的因素1.工件材料的影響工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料時(shí)，被切材料的塑性變形及它與前刀面的摩擦都比較小，故其切削力相對(duì)較小。

4.4切削力4.4.6影響切削力的因素2.切削用量的影響(1)背吃刀量ap和進(jìn)給量f的影響。ap和f增大，都會(huì)使切削面積AD(AD=apf)增大，進(jìn)而使切削力增大，但兩者的影響程度不同。ap增大時(shí)，切削寬度bD隨之正比增大，變形系數(shù)Λh不變，故此切削力隨ap成正比增大；f增大時(shí)，Λh有所下降，故切削力不成正比增大。在車削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式中，ap的指數(shù)xFc近似等于1，f的指數(shù)yFc小于。在切削層面積相同的條件下，采用大的進(jìn)給量f比采用大的背吃刀量ap的切削力要小。4.4切削力4.4.6影響切削力的因素2.切削用量的影響

(2)切削速度vc的影響。切削塑性金屬和脆性金屬時(shí)，vc對(duì)切削力的影響不同。如圖4-29所示，切削塑性材料時(shí)，在無積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)(圖4-21的I、Ⅳ區(qū))，隨著vc的增大，切削溫度升高，摩擦因數(shù)μ減小，使Λh減小，從而切削力緩慢減小。在產(chǎn)生積屑瘤的情況下，刀具的實(shí)際前角是隨積屑瘤的成長與脫落變化的。在積屑瘤增長期(圖4-21的Ⅱ區(qū))，vc增大，積屑瘤高度增大，實(shí)際前角增大，Λh減小，切削力下降；在積屑瘤消退期(圖4-21的Ⅲ區(qū))，vc增大，積屑瘤減小，實(shí)際前角變小，Λh增大，切削力上升。在圖4-29給定的切削條件下，產(chǎn)生積屑瘤的區(qū)域?yàn)?m/min<vc<30m/min，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)切削力隨vc變化呈凹谷形。4.4切削力4.4.6影響切削力的因素2.切削用量的影響

4.4切削力4.4.6影響切削力的因素3.刀具幾何參數(shù)的影響(1)前角γo一般情況，γo增大，Λh減小，切削力減小。切削塑性金屬時(shí)，γo對(duì)切削力的影響較大；切削脆性材料時(shí)，由于切削變形很小，γo對(duì)切削力的影響不大。但增大γo，會(huì)降低刀尖強(qiáng)度。(2)主偏角κr由圖4-27可知，主偏角κr增大，背向力Fp減小，進(jìn)給力Ff增大。(3)刃傾角λs改變?nèi)袃A角將影響切屑在前刀面上的流動(dòng)方向，從而使切削合力的方向發(fā)生變化。增大λs，F(xiàn)p減小，F(xiàn)f增大。λs在-45°~+10°范圍內(nèi)變化時(shí)，F(xiàn)c基本不變。(4)負(fù)倒棱bγ1為了提高刀尖部位的強(qiáng)度，改善散熱條件，常在主切削刃上磨出一個(gè)帶有負(fù)前角γo1的棱臺(tái)，其寬度為bγ1，如圖4-30所示。

4.4切削力4.4.6影響切削力的因素4．刀具磨損后刀面磨損增大時(shí)，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。5．切削液使用以冷卻作用為主的切削液(如水溶液)對(duì)切削力影響不大，使用潤滑作用強(qiáng)的切削液(如切削油)可使切削力減小。6．刀具材料刀具材料與工件材料間的摩擦因數(shù)影響摩擦力的大小，導(dǎo)致切削力變化。在其他切削條件完全相同的條件下，用陶瓷刀具切削比用硬質(zhì)合金刀具切削的切削力小，用高速鋼刀具進(jìn)行切削的切削力大于硬質(zhì)合金刀具。4.5切削熱和切削溫度

切削過程中產(chǎn)生的切削熱使切削溫度升高，對(duì)刀具磨損和刀具壽命具有重要影響，切削熱還會(huì)使工件和刀具產(chǎn)生變形、殘余應(yīng)力而影響加工精度和表面質(zhì)量。4.5.1切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)切削熱來源于兩個(gè)方面，一是切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形所消耗的能量轉(zhuǎn)換為熱能；二是切屑與前刀面、工件與后刀面之間產(chǎn)生的摩擦熱。切削過程中的三個(gè)變形區(qū)就是三個(gè)發(fā)熱區(qū)域，如圖所示。 切削過程中所消耗能量的98%～99%都將轉(zhuǎn)化為切削熱。如忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)所消耗的能量，則單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱Qc=Fcvc…….(4-29)式中Qc——單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱(J/s)；

Fc——切削力(N)；

vc——切削速度(m/s)。切削熱由切屑、工件、刀具及周圍的介質(zhì)(空氣，切削液)向外傳導(dǎo)。影響散熱的主要因素是：(1)工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，由工件和刀具傳導(dǎo)出去的熱量增多，切削區(qū)溫度就低。工件材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削熱傳導(dǎo)慢，切削區(qū)溫度就高，刀具磨損就快。(2)刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，切削區(qū)的熱量向刀具內(nèi)部傳導(dǎo)快，可以降低切削區(qū)的溫度。(3)周圍介質(zhì)采用冷卻性能好的切削液能有效地降低切削區(qū)的溫度。車削時(shí)，約有50%~80%的切削熱被切屑帶走，切削速度越高，切削厚度越大，切屑帶走的熱量越多；約有10%~40%的切削熱傳給工件；傳給刀具的切削熱為5%左右；周圍介質(zhì)傳導(dǎo)1%左右。鉆削時(shí)，由于切屑不易從孔中排出，故被切屑帶走的熱量相對(duì)較少，為30%左右；約有50%的切削熱被工件吸收；刀具傳導(dǎo)15%左右；周圍介質(zhì)傳導(dǎo)5%左右。

4.5.2切削溫度及其測量1．切削溫度切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)的平均溫度，也可用切削區(qū)的點(diǎn)溫度來表示，特定條件下還可用刀具或工件上切削區(qū)附近的某點(diǎn)溫度來表示。2．切削溫度的測量測量切削溫度的方法很多，有熱電偶法、輻射熱計(jì)法、熱敏電阻法等。目前常用的是熱電偶法，其簡單、可靠、使用方便。熱電偶法測量切削溫度分為自然熱電偶和人工熱電偶兩種方法。(1)自然熱電偶法圖4-32為用自然熱電偶法測量切削溫度的示意圖，利用工件材料和刀具材料化學(xué)成分不同組成熱電偶的兩極。切削區(qū)溫度升高后，形成熱電偶的熱端；刀具尾端及工件引出端保持室溫，形成熱電偶的冷端。熱端和冷端之間有熱電勢產(chǎn)生，熱電勢的大小與切削溫度高低有關(guān)，因此可通過測量熱電勢來測量切削溫度。測量前，須對(duì)該熱電偶輸出電壓與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系作出標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)定曲線，即可由毫伏計(jì)的輸出電壓讀數(shù)求得與之相對(duì)應(yīng)的切削溫度值。用自然熱電偶法測得的溫度是切削區(qū)的平均溫度。

(2)人工熱電偶法圖4-33a)、b)為用人工熱電偶法測量切削溫度的示意圖。用兩種預(yù)先經(jīng)過標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶，它的熱端焊接在測溫點(diǎn)上，冷端接在毫伏表上。用這種方法測得的是某一點(diǎn)的溫度。圖4-33c)所示為采用人工熱電偶法測量并輔以傳熱學(xué)計(jì)算得到的刀具、切屑和工件的切削溫度(單位為℃)分布圖，可以看出：剪切面上各點(diǎn)溫度幾乎相同，說明剪切面上各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布基本相同。溫度最高點(diǎn)不在切削刃上，而是在離切削刃有一定距離的區(qū)域。4.5.3影響切削溫度的主要因素1．工件材料工件材料的強(qiáng)度和硬度高，產(chǎn)生的切削熱多，切削溫度就高。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)小時(shí)，切削熱不易散出，切削溫度相對(duì)較高。切削灰鑄鐵等脆性材料時(shí)，切屑變形小，摩擦小，切削溫度一般較切削鋼時(shí)低。2．切削用量用實(shí)驗(yàn)方法求得的刀具與切屑接觸區(qū)平均切削溫度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為(4-30)式中θ——刀具與切屑接觸區(qū)平均溫度(℃)；

Cθ——切削溫度系數(shù)；

vc——切削速度(m/min)；

f——進(jìn)給量(mm/r)；

ap——背吃刀量(mm)；Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap的指數(shù)；用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具切削中碳鋼時(shí)，式(4-30)中的系數(shù)和指數(shù)值參見表4-5。分析式(4-30)及表4-4中的系數(shù)和指數(shù)值可知，vc、f、ap對(duì)切削溫度的影響程度不同。三者比較，vc對(duì)θ的影響最大，f對(duì)θ的影響次之，ap對(duì)θ的影響最小。原因是：vc增大，前刀面的摩擦熱來不及向切屑和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)，所以vc對(duì)切削溫度影響最大；f增大，切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增多，所以f對(duì)切削溫度的影響不如vc；ap增大，切削面積隨之增大，產(chǎn)生的切削熱和散熱面積也隨之增大，故ap對(duì)切削溫度的影響很小。從盡量降低切削溫度角度考慮，在保持切削效率不變的條件下，選用較大的ap和f比選用較大的vc更有利。3．刀具幾何參數(shù)(1)前角γo對(duì)切削溫度的影響γo增大，切削變形減小，切削力減小，切削溫度下降。前角超過18°~20°后，γo對(duì)切削溫度的影響減弱，這是因?yàn)榈毒咝ń?前、后刀面的夾角)減小而使散熱條件變差的緣故。(2)主偏角κr對(duì)切削溫度的影響減小κr，使切削寬度增大，切削厚度減小，散熱條件變好，切削溫度下降。4．刀具磨損刀具磨損使切削刃變鈍，切削時(shí)變形增大，摩擦加劇，切削溫度上升。切削速度越高，刀具磨損對(duì)切削溫度的影響越明顯。5．切削液使用切削液可以從切削區(qū)帶走大量的熱量，可以降低切削溫度，提高刀具壽命。切削液對(duì)切削溫度的影響，與切削液的導(dǎo)熱性能、比熱、流量、使用方式及本身溫度等因素有關(guān)。4.6刀具磨損與刀具使用壽命4.6.1刀具磨損的形式1．前刀面磨損(月牙洼磨損)切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，切屑在前刀面上經(jīng)常會(huì)磨出一個(gè)月牙洼，如圖4-34所示，稱作前刀面磨損。出現(xiàn)月牙洼的部位就是切削溫度最高的部位。月牙洼和切削刃之間有一條小棱邊，月牙洼隨著刀具磨損不斷變大，當(dāng)月牙洼擴(kuò)展到使棱邊變得很窄時(shí)，切削刃強(qiáng)度降低，極易導(dǎo)致崩刃。月牙洼磨損量以其深度KT表示(圖4-35)（圖中無此字母）。2．后刀面磨損由于后刀面和加工表面間的強(qiáng)烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位會(huì)逐漸地被磨成后角為零的小棱面，稱作后刀面磨損(圖4-35)。切削鑄鐵和以較小的切削厚度、較低的切削速度切削塑性材料時(shí)，后刀面磨損是主要形態(tài)。后刀面上的磨損棱帶往往不均勻，刀尖附近(C區(qū))因強(qiáng)度較差，散熱條件不好，磨損較大；中間區(qū)域(B區(qū))磨損較均勻，其平均磨損寬度以VB表示，如圖4-35所示。3．邊界磨損切削鋼料時(shí)，常在主切削刃靠近工件外皮處(圖4-35中的N區(qū))出現(xiàn)邊界磨損。4.6.2刀具磨損的原因1．硬質(zhì)點(diǎn)劃痕由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等在刀具表面上劃出一條條溝紋，造成機(jī)械磨損。硬質(zhì)點(diǎn)劃痕在各種切削速度下都存在，是低速切削刀具(如拉刀、板牙等)產(chǎn)生磨損的主要原因。2．冷焊粘結(jié)切削時(shí)，切屑與前刀面之間由于高壓力和高溫度的作用，切屑底面材料與前刀面發(fā)生冷焊粘結(jié)形成冷焊粘結(jié)點(diǎn)，在切屑相對(duì)于刀具前刀面的運(yùn)動(dòng)中，冷焊粘結(jié)點(diǎn)處刀具材料表面微粒會(huì)被切屑粘走，造成粘結(jié)磨損。冷焊粘結(jié)磨損在工件與刀具后刀面之間也同樣存在。在中等偏低的切削速度條件下，冷焊粘結(jié)是產(chǎn)生磨損的主要原因。3．?dāng)U散磨損切削過程中，刀具后刀面與已加工表面、刀具前刀面與切屑底面相接觸，在高溫和高壓的作用下，刀具材料和工件材料中的化學(xué)元素相互擴(kuò)散，使刀具材料化學(xué)成分發(fā)生變化，耐磨性能下降，造成擴(kuò)散磨損。例如用硬質(zhì)合金刀具切削鋼料時(shí)，切削溫度超過800℃，硬質(zhì)合金刀具中的Co、C、W等元素就會(huì)擴(kuò)散到切屑和工件中去，由于Co元素減少，硬質(zhì)相(WC、TiC)的粘結(jié)強(qiáng)度下降，導(dǎo)致刀具磨損加快。擴(kuò)散磨損在高溫下產(chǎn)生，且隨溫度升高而加劇。4．化學(xué)磨損在一定溫度作用下，刀具材料與周圍介質(zhì)(例如空氣中的氧，切削液中的極壓添加劑硫、氯等)起化學(xué)作用，在刀具表面形成硬度較低的化合物，易被切屑和工件摩擦掉，造成刀具材料損失，由此產(chǎn)生的刀具磨損稱為化學(xué)磨損。化學(xué)磨損主要發(fā)生在較高的切削速度條件下。4.6.3刀具磨損過程與磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1．刀具磨損過程刀具磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具磨損過程可以分為圖2-36所示的三個(gè)階段：(1)初期磨損階段新刃磨的刀具剛投入使用，后刀面與工件的實(shí)際接觸面積很小，再加上剛?cè)心ズ蟮暮蟮睹嫖⒂^凸凹不平，單位接觸面積上承受的后如能用細(xì)粒度磨粒的油石對(duì)刃磨面進(jìn)行研磨，可以顯著降低刀具的初期磨損量。(2)正常磨損階段經(jīng)過初期磨損后，刀具后刀面與工件的接觸面積逐漸增大，單位接觸面積上承受的壓力逐漸減小，刀具后刀面的微觀粗糙表面已經(jīng)磨平，磨損速度趨緩，此階段的刀具磨損稱為正常磨損階段。他是刀具的有效工作階段。(3)急劇磨損階段當(dāng)?shù)毒吣p量增加到一定限度時(shí)，切削力、切削溫度將急劇增高，刀具磨損速度加快，直至喪失切削能力，此階段稱為刀具的急劇磨損階段。在急劇磨損階段讓刀具繼續(xù)工作是一件得不償失的事情，這時(shí)既不能保證加工質(zhì)量，又將大量消耗刀具材料，如出現(xiàn)切削刃崩裂的情況，損失就更大。刀具在進(jìn)入急劇磨損階段之前必須更換或重新刃磨

。2．刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度就不能再繼續(xù)使用了，這個(gè)磨損限度稱為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐话愕毒叩暮蟮睹娑紩?huì)發(fā)生磨損，而且測量也較方便，因此國際標(biāo)準(zhǔn)ISO統(tǒng)一規(guī)定，以1/2背吃刀量處后刀面上測量的磨損帶寬度VB作為刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。自動(dòng)化生產(chǎn)中使用的精加工刀具，從保證工件尺寸精度考慮，常以刀具的徑向尺寸磨損量NB(圖4-37)作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。制訂刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，既要考慮充分發(fā)揮刀具的切削能力，又要考慮保證工件的加工質(zhì)量。精加工時(shí)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值，粗加工時(shí)取較大值；工藝系統(tǒng)剛性差時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值；切削難加工材料時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)也要取較小值。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦硬質(zhì)合金車刀刀具壽命試驗(yàn)的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，有下列三種可供選擇：1)VB=0.3mm。2)如果主后刀面為無規(guī)則磨損，取VBmax=0.6mm。3)前刀面磨損量KT=(0.06+0.3f)mm，式中f為以mm/r為單位的進(jìn)給量值。4.6.4刀具壽命及其選擇原則1．刀具壽命的定義及經(jīng)驗(yàn)公式刀具壽命(舊稱刀具耐用度)是指新刀或刃磨后的刀具，從開始切削直至磨損值達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間的總和，用T表示。對(duì)于可刃磨的刀具，刀具壽命指的是兩次刃磨之間所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間的總和，這樣的一把新刀通常要經(jīng)過多次重磨，才會(huì)報(bào)廢。在一些情況下，刀具壽命也可用達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所經(jīng)歷的切削路程的總和表示；精加工時(shí)，也可用加工零件的數(shù)量或切削次數(shù)表示。刀具總壽命是指新刀從開始切削直至報(bào)廢為止所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間的總和。對(duì)于不可刃磨的刀具，刀具總壽命就等于刀具壽命。對(duì)于可刃磨的刀具，刀具總壽命等于刀具壽命乘以刃磨次數(shù)。刀具壽命是表征刀具材料切削性能或工件材料切削加工性優(yōu)劣的綜合指標(biāo)。在相同的切削條件下用不同的刀具材料切削時(shí)，刀具壽命越長，表明該刀具材料的切削性能越好。當(dāng)工件材料、刀具材料及幾何參數(shù)確定后，切削速度是影響刀具壽命的最主要因素，提高切削速度，刀具壽命就(4-31)式中vc——切削速度(m/min)；

T——刀具壽命(min)；

m——指數(shù)，與切削速度、刀具材料、工件材料及切削液有關(guān)；

C0——系數(shù)，與刀具、工件材料及切削條件有關(guān)。上式為切削速度與刀具壽命的關(guān)系式，也稱為泰勒(Taylor)公式，是選擇切削速度的重要依據(jù)。其中指數(shù)m表示刀具壽命曲線的斜率，反映了切削速度vc對(duì)刀具壽命T的影響程度，即m值越小，刀具壽命曲線的斜率越小，則切削速度對(duì)刀具壽命的影響越大，也就是切削速度稍改變一點(diǎn)就會(huì)造成刀具壽命發(fā)生有較大的變化。m一般在0.1~0.9之間，切削速度越高，刀具耐熱性越差，工件塑性越差、切削液冷卻作用越小(或不加切削液)時(shí)，m

值越小。如高速鋼刀具的耐熱性較差，一般m＝0.1~0.125；硬質(zhì)合金和陶瓷刀具的耐熱性較好，硬質(zhì)合金刀具的m＝0.2~0.3，陶瓷刀具的m＝0.3~0.5。采用類似方法，可得到f-T和ap-T的關(guān)系式，綜合在一起，即可得到切削用量三要素與刀具壽命的關(guān)系式：(4-32)式中CT——刀具壽命系數(shù)，與刀具、工件材料及切削條件有關(guān)。

m1、m2、m3——指數(shù)。令，，，則有：(4-33)上式中的x、y、z也可分別表示vc、f、ap對(duì)T的影響程度，一般x>y>z如采用P10(舊牌號(hào)YT15)硬質(zhì)合金車刀切削σb=0.75GPa的正火中碳鋼時(shí)(f>0.75mm/r)，可得到切削用量三要素與刀具壽命的關(guān)系式：(4-34)分析可知：(1)若其他切削條件不變，當(dāng)vc提高1倍時(shí)，T急劇降低到原來的3%；(2)若其他切削條件不變，f提高1倍時(shí)，T降低到原來的21%；(3)若其他切削條件不變，ap提高1倍時(shí)，T僅降低到原來的59%。不難看出，切削用量三要素中，切削速度vc對(duì)刀具壽命T的影響最大，f次之，ap對(duì)T的影響最小，與三者對(duì)切削溫度的影響順序完全一致。2．刀具壽命的選擇原則如前所述，切削用量與刀具壽命有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般可分為最高生產(chǎn)率壽命和最低成本壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。(1)最高生產(chǎn)率壽命最高生產(chǎn)率壽命是以單位時(shí)間生產(chǎn)最多數(shù)量產(chǎn)品或加工每個(gè)零件所消耗的生產(chǎn)時(shí)間為最少來衡量的。單件工序的工時(shí)tw為(4-35)式中tm——工序的切削時(shí)間(機(jī)動(dòng)時(shí)間)；

tct——換刀一次消耗的時(shí)間；

T——刀具壽命，tm/T為換刀次數(shù)；

tot——除換刀時(shí)間外的其它輔助工時(shí)。因?yàn)?4-36)式中dw——車削前的毛坯直徑(mm)；

lw——工件切削部分長度(mm)；

Δ——加工余量(mm)；

nw——工件轉(zhuǎn)數(shù)(r／min)。將式(4-31)代入式(4-36)可得(4-37)

因?yàn)閍p和f均已選定，故上式除Tm外均為常數(shù)，可設(shè)為Cm，即有(4-38)將上式代入式(4-30)中：(4-39)要使單件工時(shí)最小，令dtw/dT=0，可得(4-40)

Tpmax即為最高生產(chǎn)率壽命，只與指數(shù)m和換刀一次消耗的時(shí)間tct有關(guān)。(2)最低成本壽命(經(jīng)濟(jì)壽命)最低成本壽命是以每件產(chǎn)品(或工序)的加工費(fèi)用最低為原則來制定的。每個(gè)工件的工序成本Cw為(4-41)式中M——該工序單位時(shí)間內(nèi)所分擔(dān)的全廠開支；

Ct——磨刀成本(刀具成本)。令dCw/dT=0，即得最低成本壽命為(4-42)比較式(4-35)與式(4-37)可知，最高生產(chǎn)率壽命Tpmax比最低成本壽命Tcmin要低一些。一般情況，多采用最低成本壽命；只有當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡的薄弱環(huán)節(jié)時(shí)，才選用最高生產(chǎn)率壽命。綜合分析上述兩式和具體情況，選擇刀具壽命時(shí)，可考慮如下幾點(diǎn)：(1)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命，應(yīng)選得比單刃刀具高些。(2)對(duì)于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀和陶瓷刀具，由于換刀時(shí)間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，壽命可選得低些，一般取15～30min。(3)對(duì)于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動(dòng)化加工刀具，壽命應(yīng)選得高些，減少裝刀、換刀和調(diào)刀消耗的時(shí)間，特別應(yīng)保證刀具可靠性。(4)某工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些；當(dāng)某工序單位時(shí)間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。(5)大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)選得低些，但還要按零件精度和表面粗糙度等綜合因素來確定。此外，在柔性加工時(shí)，要保證刀具的可靠性和刀具材料切削性能的可預(yù)測性，應(yīng)根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化后的綜合經(jīng)濟(jì)效果來選定刀具壽命。4.7材料的切削加工性4.7.1切削加工性的定義工件材料的切削加工性是指在一定切削條件下，工件材料切削加工的難易程度。這種難易程度是相對(duì)于工件材料而言的，而且隨著加工方式、加工性質(zhì)和具體加工條件的不同而不同。對(duì)于同一種材料但結(jié)構(gòu)、尺寸不同的零件，其加工性也有著很大的差異。在研究材料加工性的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)有針對(duì)性地研究零件的加工性。二者結(jié)合起來，對(duì)生產(chǎn)就有更大的指導(dǎo)意義。材料切削加工性概念具有相對(duì)性，是相對(duì)于某基準(zhǔn)材料而言的。一般以中碳結(jié)構(gòu)鋼45鋼為基準(zhǔn)。如稱高強(qiáng)度鋼比較難加工，是相對(duì)于45鋼而言的。4.7.2切削加工性的衡量指標(biāo)衡量切削加工性的指標(biāo)因加工情況的不同而不盡相同，可歸納為以下幾種：1．以刀具使用壽命衡量切削加工性在相同的切削條件下，刀具使用壽命長，工件材料的切削加工性好。2．以切削速度衡量切削加工性在刀具使用壽命T相同的前提下，切削某種材料允許的切削速度vT高，切削加工性好；反之vT小，切削加工性差。如取刀具使用壽命T=60min，則vT可寫作v60。生產(chǎn)中常用相對(duì)加工性KV來衡量，KV是以強(qiáng)度σb=0.598GPa的45鋼(正火)的v60為基準(zhǔn)[寫作(v60)j]，其他被切削材料的v60與之相比的數(shù)值，即KV=υ60／(υ60)j……..(4-43)KV越大，切削加工性越好；反之KV越小，切削加工性越差。常用材料的相對(duì)加工性分為8級(jí)，如表4-6所示。3．以切削力和切削溫度衡量切削加工性在相同的切削條件下，切削力大或切削溫度高，則切削加工性差。切削力大，則消耗功率多，機(jī)床動(dòng)力不足時(shí)，常用此指標(biāo)。在粗加工時(shí)，可用切削力或切削功率作為切削加工性指標(biāo)。切削溫度不易測量和標(biāo)定，故這個(gè)指標(biāo)用得較少。4．以加工表面質(zhì)量衡量切削加工性易獲得好的加工表面質(zhì)量，則切削加工性好。精加工時(shí)常用此指標(biāo)。5．以斷屑性能衡量切削加工性在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床及自動(dòng)生產(chǎn)線上，或者對(duì)斷屑性能有很高要求的工序(如深孔鉆削、盲孔鏜削)常用該指標(biāo)。

4.7.3影響工件材料切削加工性的因素影響工件材料切削加工性的因素很多，下面僅就工件材料的物理力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織對(duì)切削加工性的影響加以說明。1．物理力學(xué)性能(1)材料硬度材料的硬度包括常溫硬度、高溫硬度、硬質(zhì)點(diǎn)及加工硬化。一般情況下，同類材料中硬度高的切削加工性差。這是因?yàn)椴牧嫌捕雀邥r(shí)，切屑與前刀面的接觸長度減小，前刀面上應(yīng)力增大，摩擦熱量集中在較小的刀一屑接觸面上，切削溫度增高，刀具磨損加劇。如冷硬鑄鐵的硬度(50HRC以上)較灰鑄鐵的硬度(21HRC)高，所以前者比后者難加工。工件材料的高溫硬度高，切削過程中工件材料的硬度下降很少。這樣刀具與工件的硬度差就小，切削加工性不好。如高溫合金的切削加工性差，這是重要原因。此外，工件材料中的硬質(zhì)點(diǎn)多、加工硬化嚴(yán)重，則切削加工性也差。(2)材料強(qiáng)度工件材料的強(qiáng)度包括常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。工件材料的常溫強(qiáng)度高，切削力大，切削溫度就高，刀具磨損大。所以一般情況下，工件材料的強(qiáng)度越高，切削加工性越差。工件材料的高溫強(qiáng)度越高，切削加工性越差。如20CrMo合金鋼室溫時(shí)的σb比45鋼（598MPa)稍低，但600℃時(shí)的σb反比45鋼(180MPa)高，仍達(dá)400MPa，因此它的切削加工性較45鋼差。(3)材料的塑性與韌性材料的塑性以延伸率δ表示，δ值越大，塑性越大。工件材料強(qiáng)度相同時(shí)，塑性變形大，切削變形越大，切削力越大，切削溫度也高，且易與刀具發(fā)生粘結(jié)，刀具磨損大，已加工表面粗糙。因此，工件材料塑性越大，切削加工性越差。但塑性過小，刀具與切屑的接觸長度短，切削力和切削熱均集中在刀具刃口附近，也將使刀具磨損加劇。由此可知，塑性過大或過小(或脆性)都使切削加工性變差。材料的韌性以沖擊韌度αk表示，αk值越大，表示材料在破斷之前吸收的能量越多。材料的韌性越大，消耗切削功越多，切削力大，且韌性對(duì)斷屑影響較大，故韌性越大，切削加工性越差。(4)材料的導(dǎo)熱系數(shù)工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，由切屑帶走的和由工件傳導(dǎo)出的熱量越多，越有利于降低切削區(qū)溫度，因此切削加工性好。不銹鋼及高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小，僅為45鋼的1/3~l/4，故這類材料的切削加工性差。但導(dǎo)熱