機械制造技術(shù)基礎(chǔ)第8講

第五節(jié)切削熱和切削溫度一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)二、切削溫度的測量三、影響切削溫度的主要因素1．切削用量對切削溫度的影響切削用量中影響切削溫度最大的是切削速度vc，其次是進(jìn)給量f

，背吃刀量ap最小。（1）切削速度切削速度vc

增大，使切削功率近似呈比例增大，產(chǎn)生的切削熱也呈比例增大。同時，當(dāng)切屑沿前刀面流出時，切屑底層與前刀面發(fā)生強烈的摩擦，而產(chǎn)生摩擦熱。如果vc提高，則摩擦熱生成的時間就很短，來不及向切屑和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)，而大量集聚在切屑底層，從而使切削溫度升高。（2）進(jìn)給量進(jìn)給量f增大，切削力和切削溫度都將增大，但同時切削厚度hD也呈比例增大，即切屑變厚而使熱容量增加，由切屑帶走的熱量也多。所以f對切削溫度的影響不如vc顯著。（3）背吃刀量背吃刀量ap增大后，雖然切削區(qū)產(chǎn)生的熱量呈正比例增多，但切削刃的實際工作長度也呈正比例增長，增大了散熱面積，改善了散熱條件，故ap對切削溫度的影響相對較小。綜上所述，在機床允許的條件下，選用大的ap和f，比選用大的vc更為有利。實際上，一般要根據(jù)生產(chǎn)中的具體條件和要求綜合分析，合理選擇ap和f。2.刀具幾何參數(shù)對切削溫度的影響（1）前角對切削溫度的影響前角增大，切削力減小，切削溫度下降，如圖2-33所示。圖2-33前角與切削溫度的關(guān)系（2）主偏角

r對切削溫度的影響圖2-34主偏角與切削溫度的關(guān)系3.工件材料對切削溫度的影響工件材料的強度和硬度高，切削溫度高。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)小時，切削溫度相對較高。切削脆性材料時，切削溫度一般比切削鋼料時低。4.刀具磨損對切削溫度的影響刀具的磨損是影響切削溫度的重要因素。5.切削液對切削溫度的影響第六節(jié)刀具磨損、刀具壽命

和切削用量的選擇一、刀具磨損形態(tài)和磨損機制1．刀具磨損的形態(tài)刀具磨損是指刀具在正常的切削過程中，由于物理的或化學(xué)的作用，使刀具原有的幾何角度逐漸喪失。刀具磨損呈現(xiàn)為三種形態(tài)。（1）前刀面磨損（月牙洼磨損）切削塑性材料時，如果刀具材料耐熱、耐磨性較差，而且切削速度和切削厚度較大，切屑在前刀面上經(jīng)常會磨出一個月牙洼。出現(xiàn)月牙洼的部位就是切削溫度最高的部位。圖2-35刀具的磨損形態(tài)月牙洼磨損量以其深度KT表示（圖2-36）。圖2-36刀具磨損的測量位置圖2-35刀具的磨損形態(tài)（2）后刀面磨損由于后刀面和加工表面間的強烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位會逐漸地被磨成后角為零的小棱面，這種磨損形式稱作后刀面磨損（圖2-35）。切削鑄鐵或以較小的切削厚度、較低的切削速度切削塑性材料時，后刀面磨損是主要形態(tài)。圖2-36刀具磨損的測量位置后刀面上的磨損棱帶往往不均勻，其平均磨損寬度以VB表示，如圖2-36所示。（3）邊界磨損切削鋼料時，常在主切削刃靠近工件外皮處的主后刀面（圖2-36中的N區(qū)）和副切削刃靠近刀尖處的副后刀面上，磨出較深的溝紋，這種磨損稱作邊界磨損。邊界磨損主要是由于工件在邊界處的加工硬化層、硬質(zhì)點等因素所造成的。2.刀具磨損機制（1）硬質(zhì)點劃痕（磨粒磨損）由工件材料中所含的碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點以及積屑瘤碎片等在刀具表面上劃出一條條溝紋，造成機械磨損。硬質(zhì)點劃痕發(fā)生于各種切削速度，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)（粘結(jié)磨損）切削時，切屑與前刀面之間由于高壓和高溫的作用，切屑底層材料與前刀面發(fā)生冷焊粘結(jié)形成冷焊粘結(jié)點，在切屑相對于刀具前刀面的運動中冷焊粘結(jié)點處刀具材料表面微粒會被切屑粘走，造成刀具的粘結(jié)磨損。在工件與刀具后刀面之間同樣也存在著粘結(jié)磨損。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）擴散磨損切削過程中，刀具后刀面與已加工表面、刀具前刀面與切屑底面相接觸，由于高溫和高壓的作用，刀具材料和工件材料中的化學(xué)元素相互擴散，使刀具材料化學(xué)成分發(fā)生變化，耐磨性能下降，造成擴散磨損。擴散磨損在高溫下產(chǎn)生，且隨切削溫度的升高而加劇。（4）化學(xué)磨損在一定溫度(700～800℃)作用下，刀具材料中的碳化物與周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，在刀具表面形成硬度較低的化合物(CoO、WO、TiO2),易被切屑和工件摩擦掉而產(chǎn)生的刀具磨損稱為化學(xué)磨損?；瘜W(xué)磨損主要發(fā)生在較高的切削速度條件下，它也是造成刀具邊界磨損的主要原因之一。二、刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.刀具磨損過程刀具磨損實驗結(jié)果表明，刀具磨損過程可以分為如圖2-37所示的三個階段：圖2-37刀具磨損的典型曲線（1）初期磨損階段由于新刃磨后的刀具，表面存在微觀粗糙度，后刀面與工件之間為峰點接觸，單位面積上承受的正壓力較大，故刀具磨損速度很快，此階段稱為刀具的初期磨損階段。初期磨損量的大小與刀具的刃磨質(zhì)量有很大的關(guān)系。圖2-37刀具磨損的典型曲線（2）正常磨損階段經(jīng)過初期磨損后，刀具后刀面的微觀粗糙表面已經(jīng)磨平，后刀面與工件的接觸面積增大，單位面積上承受的壓力逐漸減小，因此磨損速度變慢，此階段稱為刀具的正常磨損階段。它是刀具的有效工作階段。圖2-37刀具磨損的典型曲線（3）急劇磨損階段當(dāng)?shù)毒吣p量增加到一定限度時，切削刃變鈍，切削力、切削溫度將急劇增高，刀具磨損劇烈，直至喪失切削能力，此階段稱為急劇磨損階段。刀具在進(jìn)入急劇磨損階段之前必須更換或重新刃磨。圖2-37刀具磨損的典型曲線2．刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具磨損到一定限度就不能繼續(xù)使用了，這個磨損限度稱為刀具的磨鈍標(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作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)（圖2-38）。圖2-38刀具的磨損量VB與NB制訂刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時，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、工藝系統(tǒng)剛性差或切削難加工材料時磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取較小值；反之，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)取大值。圖2-38刀具的磨損量VB與NB國際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦硬質(zhì)合金車刀刀具壽命試驗的磨鈍標(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，式中f為以mm/r為單位的進(jìn)給量值。三、刀具壽命1.刀具壽命的定義刃磨后的刀具（或新刀）自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)歷的實際切削時間，稱為刀具壽命，亦可稱為刀具耐用度，用T表示。刀具壽命是指凈切削時間，不包括用于對刀、測量、快進(jìn)、回程等非切削時間。對于可重磨刀具，刀具壽命指得是其兩次刃磨之間所經(jīng)歷的實際切削時間。如果用刀具壽命乘以刃磨次數(shù)，得到的就是刀具總壽命。2.刀具壽命的經(jīng)驗計算公式試驗結(jié)果表明，對于某一切削加工，當(dāng)工件、刀具材料和刀具幾何形狀確定之后，切削速度是影響刀具磨損的主要因素。圖2-39所示為在正常的切削速度范圍內(nèi)，分別以不同的切削速度進(jìn)行刀具磨損試驗，得到的一組磨損曲線。圖2-39刀具磨損曲線如圖2-39所示，刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)與磨損曲線的交點所對應(yīng)的時間，就是不同切削速度所對應(yīng)的刀具壽命T1、T2、T3、T4…。將數(shù)據(jù)點(vc1,T1)、(vc2,T2)、(vc3,T3)、(vc4,T4)…標(biāo)在對數(shù)坐標(biāo)系上，相鄰數(shù)據(jù)點依次用直線相連，即可求得vc-T試驗曲線，如圖2-40所示。圖2-39刀具磨損曲線圖2-40所示為在雙對數(shù)坐標(biāo)上的曲線。由圖中可以看出，在一定的切削速度范圍內(nèi)，上述各點基本都在一條直線上。圖2-40在雙對數(shù)坐標(biāo)上的曲線該直線方程可寫為因此，切削速度與刀具壽命的關(guān)系式可表示為（2-23）式中m—vc對T的影響程度的指數(shù)，它反映了刀具材料的切削性能。

Co—與刀具材料、工件材料、切削條件有關(guān)的系數(shù)。按照上面求關(guān)系式的方法，同樣可以求得和關(guān)系式：綜合以上三式，可得到切削用量與刀具壽命的一般關(guān)系式（刀具壽命的經(jīng)驗公式

）：（2-26）式中CT―與工件、刀具材料及切削條件有關(guān)的系數(shù)。刀具壽命的經(jīng)驗公式中的有關(guān)指數(shù)和系數(shù)可通過刀具壽命試驗求得。用硬質(zhì)合金車刀切削的碳鋼，在進(jìn)給量f

＞0.75mm/r的條件下進(jìn)行刀具壽命試驗，通過數(shù)據(jù)處理后得到的刀具壽命公式為（2-27）分析式（2-27）可知，切削速度vc對刀具壽命的影響最大，進(jìn)給量f

次之，背吃刀量ap最小。這與它們對切削溫度的影響順序完全一致，表明切削溫度與刀具壽命之間有著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。上式表明，切削用量與刀具壽命密切相關(guān)。（2-27）在生產(chǎn)中，確定刀具壽命有兩種原則。按單件時間最少（生產(chǎn)效率為最高）的原則確定的刀具壽命，稱為最高生產(chǎn)率刀具壽命。在生產(chǎn)任務(wù)緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)節(jié)拍不平衡時，可選用最高生產(chǎn)率刀具壽命。按單件工藝成本最低的原則確定的刀具壽命，稱為最小成本刀具壽命。一般情況下，應(yīng)采用最小成本刀具壽命。制訂刀具壽命時，當(dāng)?shù)毒邩?gòu)造復(fù)雜、制造和磨刀費用高時；或在多刀機床、組合機床、自動機及自動線上的刀具；或精加工大型工件時，刀具壽命應(yīng)規(guī)定得高些。當(dāng)生產(chǎn)線上某工序的生產(chǎn)率限制了全線生產(chǎn)率的提高時；或當(dāng)某工序單位時間的生產(chǎn)成本較高時，則該工序的刀具壽命應(yīng)定得低些。上述分析表明，在一定切削條件下，并不是刀具壽命越高越好。四、刀具的破損及刀具狀態(tài)監(jiān)控破損是相對于磨損而言的。從某種意義上講，破損可認(rèn)為是一種非正常的磨損，因為破損和磨損都是在切削力和切削熱的作用下發(fā)生的。磨損是逐漸發(fā)展的過程，而破損是突發(fā)的。破損的突然性很容易在生產(chǎn)過程中造成較大的危害和經(jīng)濟(jì)損失。1.刀具的破損形式（1）脆性破損硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼刀具的破損形式。1）崩刃切削刃產(chǎn)生小的缺口（切削刃微崩）。斷續(xù)切削時常發(fā)生這種破損。2）碎斷切削刃發(fā)生小塊碎裂或大塊斷裂。也多發(fā)生于斷續(xù)切削中。3）剝落在刀具的前、后刀面上出現(xiàn)剝落碎片，經(jīng)常與切削刃一起剝落，有時也在離切削刃一小段距離處剝落。4）裂紋破損長時間進(jìn)行斷續(xù)切削（承受交變載荷或熱負(fù)荷）后，因疲勞而引起裂紋的一種破損。裂紋不斷擴展合并就會引起切削刃的碎裂或斷裂。（2）塑性破損工具鋼和高速鋼刀具的主要破損形式。在刀具前刀面與切屑、后刀面與工件間接觸面上，由于過高的溫度和壓力的作用，刀具表層材料將因發(fā)生塑性流動而喪失切削能力，這就是刀具的塑性破損。抵抗塑性破損能力取決于刀具材料的硬度和耐熱性能。2.刀具破損防治措施（1）合理選擇刀具材料（2）合理選擇刀具幾何參數(shù)（3）保證刀具的刃磨質(zhì)量（4）合理選擇切削用量（5）工藝系統(tǒng)應(yīng)有較好的剛性（6）對刀具狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控五、切削用量的選擇切削用量的選擇，對生產(chǎn)效率、加工成本和加工質(zhì)量均有重要影響。合理的切削用量是指在保證加工質(zhì)量的前提下，能取得較高的生產(chǎn)效率和較低成本的切削用量。約束切削用量選擇的主要條件有：工件的加工要求；刀具材料的切削性能；機床的性能以及刀具的壽命要求等。（1）切削用量與生產(chǎn)效率、刀具壽命的關(guān)系機床切削效率可以用單位時間內(nèi)切除的材料體積Q(mm3/min)表示：（2-28）分析上式可知，切削用量三要素ap、f、vc均與Q成正比關(guān)系，即三者對機床切削效率影響的權(quán)重是完全相同的。從提高生產(chǎn)效率考慮，切削用量三要素中任一要素提高一倍，切削效率都提高一倍。但是分別提高ap、f、vc,對刀具壽命的影響卻是截然不同。切削用量三要素中對刀具壽命影響最大的是vc，其次是f

，最小是ap

。綜上分析可知，在保持刀具壽命一定的條件下，提高ap比提高f

、vc的效果更好。（2）切削用量的選用原則首先選取盡可能大的背吃刀量ap。其次根據(jù)機床進(jìn)給機構(gòu)強度、刀桿剛度等限制條件（粗加工時）或根據(jù)已加工表面粗糙度要求（精加工時），選取盡可能大的進(jìn)給量f。最后根據(jù)“切削用量手冊”查取或根據(jù)公式（2-29）計算確定切削速度vc。（3）切削用量三要素的選用1）背吃刀量apap可根據(jù)加工余量確定。粗加工時在機床有效功率允許的條件下，除留下精加工的余量外，一次走刀應(yīng)盡可能切除掉全部粗加工的余量，這樣不僅能在保證一定刀具壽命的前提下使ap

、f、vc的乘積最大，而且可以減少走刀次數(shù)。下面