機(jī)械制造課件

1.1金屬切削基本知識

金屬切削加工要切除工件上多余的金屬，形成已加工表面，必須具備兩個(gè)基本條件：切削運(yùn)動(造型運(yùn)動)和刀具(幾何形態(tài))。造型運(yùn)動的復(fù)雜程度將影響機(jī)床的結(jié)構(gòu)。刀具的復(fù)雜程度將影響刀具刃磨制造的難易程度，同時(shí)也會促進(jìn)刀具材料、刀具制造工藝的發(fā)展。

金屬切削加工的目的：使被加工零件的尺寸精度、形狀和位置精度、表面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)與使用要求。成形車刀播放1.1切削運(yùn)動與切削要素

1.切削運(yùn)動播放切削運(yùn)動和加工表面播放（1）主運(yùn)動由機(jī)床或人力提供的刀具與工件之間主要的相對運(yùn)動，它使刀具切削刃及其鄰近的刀具表面切入工件材料，使被切削層轉(zhuǎn)變?yōu)榍行?從而形成工件的新表面。在切削運(yùn)動中，主運(yùn)動速度最高、耗功最大，是切下切屑所必須的基本運(yùn)動。①主運(yùn)動方向

切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的瞬時(shí)主運(yùn)動方向。②切削速度vc

切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的主運(yùn)動的瞬時(shí)速度。

計(jì)算切削速度時(shí)，應(yīng)選取刀刃上速度最高的點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，切削速度由下式確定式中：d-工件或刀具的最大直徑（mm）

n-工件或刀具的轉(zhuǎn)速(r/min)(m/min)

刀具與工件之間附加的相對運(yùn)動,它配合主運(yùn)動依次地或連續(xù)不斷地切除切屑,從而形成具有所需幾何特性的已加工表面。進(jìn)給運(yùn)動可由刀具完成(如車削)，也可由工件完成（(如銑削），可以是間歇的（如刨削）,也可以是連續(xù)的（如車削）。

（2）進(jìn)給運(yùn)動①進(jìn)給運(yùn)動方向

切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的瞬時(shí)進(jìn)給方向。②進(jìn)給速度vf

切削刃上選定點(diǎn)相對于工件的進(jìn)給運(yùn)動的瞬時(shí)速度。

主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動合成的運(yùn)動稱為合成切削運(yùn)動。（3）合成切削運(yùn)動圖2.1各種切削加工的切削運(yùn)動切削刃相對于工件的運(yùn)動過程,就是表面形成過程。在這個(gè)過程中,切削刃相對于工件的運(yùn)動軌跡面就是工件上的加工表面和已加工表面。有兩個(gè)要素，一是切削刃,二是切削運(yùn)動。不同的切削運(yùn)動的組合,即可形成各種工件表面。2．切削加工過程中的工件表面

車削加工是一種最常見的、典型的切削加工方法。車削加工過程中工件上有三個(gè)不斷變化著的表面（圖2-2）。（1）待加工表面工件上待切除的表面。（2）已加工表面工件上經(jīng)刀具切削后產(chǎn)生的新表面。（3）過渡表面工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之間的過渡表面。3、切削要素切削要素主要指控制切削過程的切削用量要素和在切削過程中由余量變成切屑的切削層參數(shù)。（1）切削用量要素①切削速度對切削運(yùn)動定量描述的重要指標(biāo)之一。外圓車削的切削速度為vc

=πdwn/1000m/min

工件或刀具轉(zhuǎn)一周（或每往復(fù)一次），兩者在進(jìn)給運(yùn)動方向上的相對位移量稱為進(jìn)給量，其單位是mm／r（或mm／雙行程）。式中：—為進(jìn)給速度

—為每齒進(jìn)給量②進(jìn)給量

對于多齒的旋轉(zhuǎn)刀具(如銑刀、切齒刀)，常用每齒進(jìn)給量fz，單位為mm/z或mm/齒。

車削時(shí)進(jìn)給速度vf可由下式計(jì)算：vf=fn銑削時(shí)進(jìn)給速度為：vf=fn=zfzn合成切削速度ve可表達(dá)為：ve=vc+vf它與進(jìn)給量f

的關(guān)系為：

f=zfz

式中:-工件上待加工表面直徑（mm）

-工件上已加工表面直徑（mm）

③背吃刀量ap

(mm)vc、f、ap

構(gòu)成了普通外圓車削的切削用量三要素。材料切除率，用Qz表示三要素的乘積作為衡量指標(biāo)，單位為mm3/min，Qz=1000vcfap（2）切削層參數(shù)

切削層是指在切削過程中，由刀具在切削部分的一個(gè)單一動作（或指切削部分切過工件的一個(gè)單程，或指只產(chǎn)生一圈過渡表面的動作）所切除的工件材料層（圖2－3）。①切削層公稱厚度hD

垂直于正在加工的表面（過渡表面）度量的切削層參數(shù)。

hD＝fsinKr②切削層公稱寬度bD

平行于正在加工的表面（過渡表面）度量的切層參數(shù)。bD＝ap／sinKr圖2－3車削時(shí)的切削層尺寸

垂直于過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱厚度（以下簡稱為切削厚度）。切削層公稱厚度

沿過渡表面度量的切削層尺寸稱為切削層公稱寬度（以下簡稱為切削寬度）。切削層公稱寬度

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（以下簡稱為切削面積）。切削層公稱橫截面積1.2刀具切削部分幾何參數(shù)（一）刀具結(jié)構(gòu)

由工作部分和非工作部分構(gòu)成。

不論刀具結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，就其單刀齒切削部分，都可以看成由外圓車刀的切削部分演變而來，本節(jié)以外圓車刀為例來介紹其幾何參數(shù)。（1)前刀面Aγ

切屑流過的刀面。1.刀面（2)主后刀面Aα

與工件正在被切削加工的表面（過渡表面）相對的刀面。（3)副后刀面A’α

與工件已切削加工的表面相對的刀面。刀具切削部分的基本定義圖2－4圖2－4車刀的結(jié)構(gòu)

2.刀刃（1）主切削刃S

前刀面與主后刀面在空間的交線。（2）副切削刃S’

前刀面與副后刀面在空間的交線。

3．刀尖

三個(gè)刀面在空間的交點(diǎn)，也可理解為主、副切削刃二條刀刃匯交的一小段切削刃。在實(shí)際應(yīng)用中，為增加刀尖的強(qiáng)度與耐磨性，一般在刀尖處磨出直線或圓弧形的過渡刃。刀具角度是為刀具設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測量時(shí)所使用的幾何參數(shù)，它們是確定刀具切削部分幾何形狀（各表面空間位置）的重要參數(shù)。用于定義和規(guī)定刀具角度的各基準(zhǔn)坐標(biāo)面稱為參考系;參考系可分為刀具靜止參考系和刀具工作參考系兩類。

（二）定義刀具角度的參考系

在設(shè)計(jì)、制造、刃磨和測量時(shí)，用于定義刀具幾何參數(shù)的參考系稱為刀具靜止參考系或標(biāo)注角度參考系。1．刀具靜止參考系在該參考系中定義的角度稱為刀具的標(biāo)注角度。

靜止參考系中最常用的刀具標(biāo)注角度參考系是正交平面參考系,其它參考系有法平面參考系、假定工作平面參考系等。

主切削刃主后刀面前刀面副切削刃主剖面PoA1）基面

Pr

：通過切削刃選定點(diǎn)與主運(yùn)動方向垂直的平面?；媾c刀具底面平行。切削平面Ps基面Pr圖2-5車刀主剖面坐標(biāo)系2）切削平面

Ps：通過切削刃選定點(diǎn)與主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面Po：通過切削刃選定點(diǎn)垂直于基面Pr和切削平面Ps的平面。

2.正交平面參考系

圖刀具角度動畫演示播放

圖正交平面參考系1）主偏角κr

在基面內(nèi)測量，是主切削刃在基面上投影與假定進(jìn)給方向的夾角。Aκr′A向f圖車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsκr（1）基面中測量的刀具角度（三）刀具的標(biāo)注角度κr′AA向f圖車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）副偏角κr′

κr′在基面內(nèi)測量，是副切削刃在基面上的投影與假定進(jìn)給反方向的夾角。κr′3）主切削刃和副切削刃之間的過渡刃參數(shù)將改變刀尖的幾何形狀,用刀尖圓弧半徑rε描述，當(dāng)rε=0時(shí)為尖角過渡，rε＞0時(shí)為圓角過渡，直線過渡時(shí)用κε

和bε參數(shù)描述。1）前角γo

在主剖面內(nèi)測量，是前刀面與基面的夾角。通過選定點(diǎn)的基面位于刀頭實(shí)體之外時(shí)γo定為正值；位于刀頭實(shí)體之內(nèi)時(shí)γo定為負(fù)值。Aκr′A向f圖車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλsγ0（2）正交平面中測量的刀具角度Aκr′A向f圖車刀的主要角度γ0γ′0α′0α0κrεrλs2）后角αo

后角αo在主剖面內(nèi)測量，是主后刀面與切削平面的夾角。α01）刃傾角λs——切削平面內(nèi)測量，是主切削刃與基面的夾角。當(dāng)?shù)都馐乔邢魅凶罡唿c(diǎn)時(shí),λs定為正值；反之為負(fù)。

λs影響刀尖強(qiáng)度和切屑流動方向。粗加工時(shí)為增強(qiáng)刀尖強(qiáng)度，λs常取負(fù)值；精加工時(shí)為防止切屑劃傷已加工表面，λs常取正值或零。（3）切削平面中測量的刀具角度

圖2－6車刀的主要角度（四）刀具工作角度

刀具在工作參考系中確定的角度稱為刀具工作角度。研究刀具工作角度的變化趨勢，對刀具的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、革新有重要的指導(dǎo)意義。1．刀具工作參考系的建立

與靜態(tài)系統(tǒng)中正交平面參考系建立的定義和程序相似，不同點(diǎn)就在于它以合成切削運(yùn)動υe或刀具安裝位置條件來確定工作參考系的基面pre。由于工作基面的變化，將帶來工作切削平面pse的變化，從而導(dǎo)致工作前角γoe、工作后角αoe

的變化。刀具工作參考系的組成（1）工作基面pre

通過切削刃上的考查點(diǎn)，垂直于合成切削運(yùn)動速度方向的平面。（2）工作切削平面pse

通過切削刃上的考查點(diǎn)，與切削刃相切且垂直于工作基面的平面。（3）工作正交平面poe

通過切削刃上的考查點(diǎn)，同時(shí)垂直于工作基面、工作切削平面的平面。2．刀具工作角度的分析

在工作正交平面參考系中，一般考核刀具工作角度(γoe

、αoe

、κre、κ’re、α’oe

、λse)的變化，對刀具角度設(shè)計(jì)補(bǔ)償量以及對切削加工過程的影響情況。

在車削(切斷、車螺紋、車絲杠)、鏜孔、銑削等加工中，通常因刀具工作角度的變化，對工件已加工表面質(zhì)量或切削性能造成不利影響。1）橫向進(jìn)給運(yùn)動對工作前、后角的影響（圖）（1）進(jìn)給運(yùn)動對工作前、后角的影響2）軸向進(jìn)給運(yùn)動對工作前、后角的影響

軸向進(jìn)給車外圓時(shí)，合成切削運(yùn)動產(chǎn)生的加工軌跡是阿基米德螺旋線，從而使工作前角γoe增大、工作后角αoe減小(圖2-10)

。

式中μ角是主運(yùn)動方向與合成切削速度方向間的夾角。橫切（圖）α0e=α0-μγ0e=γ0+μ

μγ0μPsPes圖切斷刀的工作角度fxα0（2-1）（2-3）（1）進(jìn)給運(yùn)動對工作前、后角的影響

縱切（圖2-10）

在進(jìn)給剖面，有：將其換算到主剖面內(nèi)得到：在主剖面內(nèi)：（2-4）O—OμffγoeαoeπdwμγooαμfoκrACAO

vf

B

C

B

f

O

dwαffeαγfγfe用刃傾角λs=0°車刀車削外圓時(shí)，由于車刀的刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置發(fā)生變化，工作前角γoe增大，而工作后角αoe減小。若切削刃低于工件中心，則工作角度的變化情況正好相反。加工內(nèi)表面時(shí)，情況與加工外表面相反。（2）刀具安裝位置對刀具工作角度的影響1)刀尖安裝高低對工作前、后角的影響圖2－12◆刀具安裝對工作角度的影響圖2-12車刀安裝高度對工作角度的影響γre=γrα0e=α0a）α

0e＜α0b）α

0e＞α0c）γre＜γrγre＞γr

當(dāng)?shù)稐U中心線與進(jìn)給運(yùn)動方向不垂直且逆時(shí)針轉(zhuǎn)動G角時(shí)，工作主偏角將增大，工作副偏角將減小。如圖所示。2）刀桿安裝偏斜對工作主、副偏角的影響1.3刀具材料

刀具切削性能的優(yōu)劣，不僅取決于刀具切削部分的幾何參數(shù)，還取決于刀具切削部分所選配的刀具材料。因此，金屬切削過程除了要求刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)外，還要求刀具材料對工件要有良好的切削性能。

金屬切削過程中的加工質(zhì)量、加工效率、加工成本，在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。因此，材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是構(gòu)成刀具切削性能評估的三要素。1.3.1刀具材料應(yīng)具備的性能（1）高的硬度和耐磨性；一般要求HRC60以上（2）足夠的強(qiáng)度和韌性；（3）高的耐熱性與化學(xué)穩(wěn)定性；（4）有鍛造、焊接、熱處理、磨削加工等良好的工藝性；（5）導(dǎo)熱性好，有利于切削熱傳導(dǎo)，降低切削區(qū)溫度，延長刀具壽命，便于刀具的制造，資源豐富，價(jià)格低廉。第二章制造工藝裝備

1.3.2常用刀具材料工具鋼硬質(zhì)合金高速鋼超硬刀具材料圖刀具材料的發(fā)展與切削加工高速化的關(guān)系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具鋼合金工具鋼WC系硬質(zhì)合金高速鋼WC-TiC系硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金TiAlN涂層硬質(zhì)合金DLC涂層硬質(zhì)合金TiC-TiN金屬陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金剛石（PCD）天然金剛石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬質(zhì)合金涂層WC硬質(zhì)合金涂層超細(xì)粒狀硬金屬涂層高速鋼TiN涂層高速鋼斷裂韌性耐磨性圖刀具材料的耐磨性與斷裂韌性圖刀具切削照片1)高速鋼它是一種加入較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金鋼。熱處理后硬度可達(dá)62～66HRC,抗彎強(qiáng)度約3.3GPa，有較高的熱穩(wěn)定性、耐磨性、耐熱性。切削溫度在500～650℃時(shí)仍能進(jìn)行切削。由于熱處理變形小、能鍛易磨，所以特別適合于制造結(jié)構(gòu)和刃型復(fù)雜的刀具，如成形車刀、銑刀、鉆頭、切齒刀、螺紋刀具和拉刀等。按用途可分為：通用高速鋼和高性能高速鋼。按制造工藝可分為:

熔煉高速鋼、粉末冶金高速鋼和表面涂層高速鋼。按基本化學(xué)成份可分為:

鎢系和鉬系。

（1）高速鋼的分類

（2）常用高速鋼的牌號與性能通用型高速鋼

W18Cr4V(18-4-1)由于鎢價(jià)高，熱塑性差，碳化物分布不均勻等原因，目前國內(nèi)外已很少采用。高性能高速鋼

高性能高速鋼是指在通用型高速鋼中增加碳、釩、鈷或鋁等合金元素，使其常溫硬度可達(dá)67～70HRC，耐磨性與熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高?？梢杂糜诩庸げ讳P鋼、高溫合金、耐熱鋼和高強(qiáng)度鋼等難加工材料。典型牌號有M42、5O1。粉末冶金高速鋼

粉末冶金高速鋼是用高壓氬氣或純氮?dú)忪F化熔融的高速鋼鋼水而得到細(xì)小的高速鋼粉末，然后再熱壓鍛軋制成。適用于制造精密刀具、大尺寸（滾刀、插齒刀）刀具、復(fù)雜成形刀具、拉刀等。高速鋼的主要物理力學(xué)性能見表2-1(15頁)。表常用高速鋼牌號及其應(yīng)用范圍類別牌號主要用途普通高速鋼W18Cr4V廣泛用于制造鉆頭、絞刀、銑刀、拉刀、絲錐、齒輪刀具等W6Mo5Cr4V2用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等W14Cr4VmnRe用于制造要求熱塑性好和受較大沖擊載荷的刀具，如軋制鉆頭等高性能高速鋼高碳95W18Cr4V用于制造對韌性要求不高，但對耐磨性要求較高的刀具高礬W12Cr4V4Mo用于制造形狀簡單，對耐磨性要求較高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造復(fù)雜刀具和難加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工高強(qiáng)度耐熱鋼的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于制造形狀簡單的刀具，如加工鐵基高溫合金的鉆頭W12Cr4V3Mo3Co5Si耐磨性、耐熱性好，用于制造加工高強(qiáng)度鋼的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）用作難加工材料的刀具，因其磨削性好可作復(fù)雜刀具，價(jià)格昂貴

硬質(zhì)合金以其優(yōu)良的性能被廣泛用作刀具材料。大多數(shù)車刀、端銑刀等均由硬質(zhì)合金制造；硬質(zhì)合金是由高硬度和高熔點(diǎn)的金屬碳化物(碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC、碳化鈮NbC等)和金屬粘結(jié)劑(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工藝制成。硬質(zhì)合金刀具常溫硬度為89～93HRA，化學(xué)穩(wěn)定性好，熱穩(wěn)定性好，耐磨性好，耐熱性達(dá)800～1000°C。硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度比高速鋼刀具高5～10倍。

2)硬質(zhì)合金常用硬質(zhì)合金的牌號及其性能

（1）鎢鈷類硬質(zhì)合金代號為YG，屬K類。合金中含鈷量愈高，韌性愈好，適合于粗加工，反之用于精加工。YG（K）類硬質(zhì)合金，有較好的韌性、磨削性、導(dǎo)熱性，適合于加工產(chǎn)生崩碎切屑及有沖擊載荷的脆性金屬材料。

（2）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金代號為YT，屬P類。它以WC為基體,添加TiC，用Co作粘結(jié)劑燒結(jié)而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐熱性進(jìn)一步提高，但抗彎強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、特別是沖擊韌性明顯下降，適合于切削切屑一般呈帶狀的普通碳素鋼及合金鋼等塑性材料。

（3）鎢鈦鉭（鈮）類硬質(zhì)合金代號為YW，屬M(fèi)類。它在YT(P)類硬質(zhì)合金中加入TaC或NbC，這樣可提高抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、抗氧化能力、耐磨性和高溫硬度等。它既適用于加工脆性材料，又適用于加工塑性材料。常用硬質(zhì)合金的牌號與性能見表2-2(18頁)。表各種硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍牌號應(yīng)用范圍YG3X鑄鐵、有色金屬及其合金精加工、半精加工，不能承受沖擊載荷YG3鑄鐵、有色金屬及其合金精加工、半精加工，不能承受沖擊載荷YG6X普通鑄鐵、冷硬鑄鐵、高溫合金的精加工、半精加工YG6鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工和粗加工YG8鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料粗加工，也可用于斷續(xù)切削YG6A冷硬鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工，亦可用于高錳鋼、淬硬鋼的半精加工和精加工YT30碳素鋼、合金鋼的精加工YT15碳素鋼、合金鋼在連續(xù)切削時(shí)的粗加工、半精加工，亦可用于斷續(xù)切削時(shí)的精加工YT14同YT15YT5碳素鋼、合金鋼的粗加工，也可以用于斷續(xù)切削YW1高溫合金、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料及普通鋼料、鑄鐵、有色金屬及其合金的半精加工和精加工YW2高溫合金、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料及普通鋼料、鑄鐵、有色金屬及其合金的粗加工和半精加工抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量硬度、耐磨性、切削速度抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量硬度、耐磨性、切削速度抗彎強(qiáng)度、韌性、進(jìn)給量硬度、耐磨性、切削速度3)涂層刀具材料（1）TiC涂層

硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削時(shí)能產(chǎn)生氧化鈦膜，減小摩擦及刀具磨損。（2）TiN涂層

在高溫時(shí)能產(chǎn)生氧化膜，與鐵基材料摩擦系數(shù)較小，抗粘結(jié)性能好，并能有效降低切削溫度。

在韌牲較好的刀具基體上，涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al203及其復(fù)合材料等,涂層厚度隨刀具材料不同而異。（3）TiC—TiN復(fù)合涂層

第一層涂TiC，與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂TiN,減少表面層與工件間的摩擦。（4）TiC-Al203復(fù)合涂層

第一層涂TiC,與刀具基體粘牢不易脫落。第二層涂Al203可使刀具表面具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能。

目前單涂層刀片已很少應(yīng)用，大多采用TiC-TiN復(fù)合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復(fù)合涂層。4)其它刀具材料（1）陶瓷刀具材料

以氧化鋁或以氮化硅為基體再添加少量金屬，在高溫下燒結(jié)而成的一種刀具材料。其優(yōu)點(diǎn)是硬度高，耐磨性、耐高溫性能好，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性，與金屬的親合力小、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)；其缺點(diǎn)是脆性大、抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，易崩刃，所以使用范圍受到限制；可用于鋼、鑄鐵類零件的車削、銑削加工。（2）金剛石刀具材料碳的同素異形體，在高溫、高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成，是目前人工制造出的最堅(jiān)硬物質(zhì)。由于硬度極高，耐磨性好，切削刃口鋒利，刃部表面摩擦系數(shù)較小，不易產(chǎn)生粘結(jié)或積屑瘤，可用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷等硬度達(dá)65～70HRC的材料。也可用于加工高硬度的非金屬材料，如石材、壓縮木材、玻璃等，還可加工有色金屬，如鋁硅合金材料以及復(fù)合難加工材料的精加工或超精加工。缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性差，強(qiáng)度低、脆性大，對振動敏感，只宜微量切削，與鐵有強(qiáng)烈的化學(xué)親合力，不能用于加工鋼材。（3）立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一種人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)化而成。它有很高的硬度及耐磨性，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性大，與鐵系金屬在1300℃時(shí)不易起化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)熱性好，摩擦系數(shù)低。因此可用于高溫合金、冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料的加工。刀具材料種類

合金高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷天然

聚晶金剛石聚晶立方氮工具鋼W18Cr4VYG6Si3N4

金剛石

PCD

化硼

PCBN材料性能

硬度HRC65HRC66HRA90HRA93HV10000

HV7500

HV4000抗彎強(qiáng)度2.4GPa3.2GPa1.45GPa0.8GPa0.3GPa2.8GPa1.5GPa導(dǎo)熱系數(shù)40-50

20-30

70-100

30-40

146.5

100-12040-100熱穩(wěn)定性350℃620℃1000℃1400℃800℃

600-800℃＞1000℃化學(xué)惰性低惰性大惰性小惰性小惰性大耐磨性低低較高高最高最高很高一般精度Ra≤0.8高精度Ra=0.4-0.2加工質(zhì)量Ra≤0.8IT7-8Ra=0.1-0.05IT5-6IT7-8IT5-6可替代磨削加工對象低速加工一般鋼材、鑄鐵一般鋼材、鑄鐵粗、精加工一般鋼材、鑄鐵粗、精加工高硬度鋼材精加工硬質(zhì)合金、銅、鋁有色金屬及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等難加工材料表普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比2.1.1金屬切削過程一、切屑的形成過程1．切削變形的力學(xué)本質(zhì)

切削金屬形成切屑的過程是一個(gè)類似于金屬材料受擠壓作用，產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生剪切滑移的變形過程。

切屑的形成與切離過程，是切削層受到刀具前刀面的擠壓而產(chǎn)生以滑移為主的塑性變形過程。FABOM45°a）正擠壓FABOM45°b）偏擠壓OMFc）切削

正擠壓：金屬材料受擠壓時(shí)，最大剪應(yīng)力方向與作用力方向約成45°

偏擠壓：金屬材料一部分受擠壓時(shí)，OB線以下金屬由于母體阻礙，不能沿AB線滑移，而只能沿OM線滑移

切削：與偏擠壓情況類似。彈性變形→剪切應(yīng)力增大，達(dá)到屈服點(diǎn)→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大，達(dá)到斷裂強(qiáng)度→切屑與母體脫離。圖2-20金屬擠壓與切削比較擠壓與切削2．切屑形成過程模型圖切屑形成過程模型動畫3.切削變形區(qū)的劃分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的切削層變形圖片可繪制如圖2-21所示的切削變形模型，其變形大致可分為三個(gè)變形區(qū)。圖2－21金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖

第Ⅰ變形區(qū)：即剪切變形區(qū)，金屬剪切滑移，成為切屑。金屬切削過程的塑性變形主要集中于此區(qū)域。圖3-5切削部位三個(gè)變形區(qū)ⅠⅢⅡ

第Ⅲ變形區(qū)：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產(chǎn)生變形。此區(qū)變形是造成已加工面加工硬化和殘余應(yīng)力的主要原因。三個(gè)變形區(qū)分析

第Ⅱ變形區(qū)：靠近前刀面處，切屑排出時(shí)受前刀面擠壓與摩擦。此變形區(qū)的變形是造成前刀面磨損和產(chǎn)生積屑瘤的主要原因。

實(shí)驗(yàn)表明，切屑的形成過程是被切削層金屬受到刀具前面的擠壓作用，迫使其產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到金屬材料屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生塑性變形。切屑的變形和形成過程如圖2-22所示。4.切屑的形成過程圖2－22第一變形區(qū)金屬的滑移圖晶?；剖疽鈭D圖2－23滑移與晶粒的伸長在第一變形區(qū)中，切削變形的主要特征是切削層金屬沿滑移面的剪切變形，并伴有加工硬化現(xiàn)象。切削層金屬沿滑移面的剪切變形，從金屬晶體結(jié)構(gòu)的角度來看，就是沿晶格中晶面所進(jìn)行的滑移。金屬材料的晶粒，可假定為圓形顆粒。晶粒在到達(dá)始滑移線OA之前，僅產(chǎn)生彈性變形，晶粒不呈方向性，仍為圓形（圖）。晶粒進(jìn)入第一變形區(qū)后，因受剪應(yīng)力作用產(chǎn)生滑移，致使晶粒變?yōu)闄E圓形。橢圓的長軸方向就是晶粒伸長的方向或金屬纖維化的方向，它與剪切面的方向不重合，兩者之間成一夾角Ψ（圖2-23）。切屑形成本質(zhì)切屑根部金相照片帶狀切屑擠裂切屑節(jié)狀切屑崩碎切屑四、切屑的類型帶狀切屑最常見的屑型之一（圖）。外形特征：它的內(nèi)表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。形成條件：一般加工塑性金屬材料，當(dāng)切削厚度較小、切削速度較高、刀具前角較大時(shí)，會得到此類切屑。優(yōu)點(diǎn)：切削過程平穩(wěn)，切削力波動較小，已加工表面粗糙度較小。缺點(diǎn)：紊亂狀切屑纏繞在刀具或工件上影響加工過程。擠裂(節(jié)狀)切屑

外形特征：刀屑接觸面有裂紋，外表面是鋸齒形。

形成條件：這類切屑之所以呈鋸齒形，是由于它的第一變形區(qū)較寬，在剪切滑移過程中滑移量較大。大多在低速、大進(jìn)給、切削厚度較大、刀具前角較小時(shí)產(chǎn)生(圖)。單元(粒狀)切屑在擠裂(節(jié)狀)切屑產(chǎn)生的前提下,當(dāng)進(jìn)一步降低切削速度，增大進(jìn)給量，減小前角時(shí)則出現(xiàn)單元(粒狀)切屑(圖)。崩碎切屑切削脆性金屬(鑄鐵)時(shí)，常見的呈不規(guī)則細(xì)粒狀的切屑。產(chǎn)生這種切屑會使切削過程不平穩(wěn)，易損壞刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、進(jìn)給量越大則越容易產(chǎn)生這種切屑(圖)。形成條件影響名稱簡圖形態(tài)變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節(jié)狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規(guī)則塊狀顆粒剪切滑移尚未達(dá)到斷裂程度局部剪切應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度剪切應(yīng)力完全達(dá)到斷裂強(qiáng)度未經(jīng)塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進(jìn)給量較小，刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進(jìn)給量較大，刀具前角較小工件材料硬度較高，韌性較低，切削速度較低加工硬脆材料，刀具前角較小切削過程平穩(wěn)，表面粗糙度小，妨礙切削工作，應(yīng)設(shè)法斷屑切削過程欠平穩(wěn)，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩(wěn)，表面粗糙度不佳切削力波動大，有沖擊，表面粗糙度惡劣，易崩刀帶狀切屑擠裂切屑單元切屑崩碎切屑表2-1切屑類型及形成條件三、前面上的擠壓與摩擦與積屑瘤1.作用在切屑上的力刀具與切屑之間的作用力分析如圖2-24所示。在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面對其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,兩對力的合力分別為Fr

和Fr′。假設(shè)這兩個(gè)合力相互平衡（嚴(yán)格地講，這兩個(gè)合力不共線，有一個(gè)使切屑彎曲的力矩），F(xiàn)r稱為切屑形成力，φ是剪切角；β是Fn與Fr之間的夾角，稱為摩擦角；γo是刀具前角。

圖2－24作用在切屑上的力

a)

切屑受到來自工件和刀具的作用力

b)

切屑作為隔離體的受力分析

粘結(jié)區(qū)：高溫高壓使切屑底層軟化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成長度為lfi的粘接區(qū)。切屑的粘接層與上層金屬之間產(chǎn)生相對滑移，其間的摩擦屬于內(nèi)摩擦。

圖切屑與前刀面的摩擦

在高溫高壓作用下，切屑底層與前刀面發(fā)生沾接，切屑與前刀面之間既有外摩擦，也有內(nèi)摩擦。

滑動區(qū)：切屑在脫離前刀面之前，與前刀面只在一些突出點(diǎn)接觸，切屑與前刀面之間的摩擦屬于外摩擦。lfolfi兩個(gè)摩擦區(qū)

2.前刀面上的摩擦刀屑接觸面間有二個(gè)摩擦區(qū)域：粘結(jié)(內(nèi)摩擦)區(qū)和滑動(外摩擦)區(qū)。在粘結(jié)區(qū)，切屑的底層與前刀面呈現(xiàn)冷焊狀態(tài)，切屑與前面之間不是一般的外摩擦，而是內(nèi)摩擦，這時(shí)切屑底層的流速要比上層緩慢得多，從而在切屑底部形成一個(gè)滯流層。所謂“內(nèi)摩擦”就是指滯流層與上層流屑層內(nèi)部之間的摩擦，這種內(nèi)摩擦也就是金屬內(nèi)部的剪切滑移。其摩擦力的大小與材料的流動應(yīng)力特性及粘結(jié)面積的大小有關(guān)。切屑離開粘結(jié)區(qū)后進(jìn)入滑動區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)刀屑間的摩擦僅為外摩擦。金屬的內(nèi)摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，應(yīng)著重考慮內(nèi)摩擦。

圖2－25切屑和前面摩擦情況示意圖平均摩擦系數(shù)3.積屑瘤的形成及其對切削過程的影響

在中低速切削塑性金屬材料時(shí),常在刀具前面刃口處粘結(jié)一些工件材料,形成一塊硬度很高的楔塊，稱之為積屑瘤。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是切屑的底層與前刀面呈現(xiàn)冷焊狀態(tài)，而使滯流層金屬不斷堆積的結(jié)果。

積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化程度有關(guān)，也與刀刃前區(qū)的溫度和壓力狀況有關(guān)。

3）影響積屑瘤的因素2）積屑瘤的形成原因1）什么是積屑瘤圖積屑瘤高度與切削速度關(guān)系示意圖4）積屑瘤對切削過程的影響

實(shí)際前角增大（圖2-27）；增大切削厚度（圖2-27）；使加工表面粗糙度增大；對刀具壽命的影響。

一般積屑瘤對切削加工過程的影響是不利的，在精加工時(shí)應(yīng)盡可能避免積屑瘤的產(chǎn)生，但在粗加工時(shí)，有時(shí)可充分利用積屑瘤。圖2－27積屑瘤前角和伸出量采用低速或高速切削，由于切削速度是通過切削溫度影響積屑瘤的，以切削45鋼為例，在低速vc＜3m/min和較高速度vc≥60m/min范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)都較小，故不易形成積屑瘤；采用高潤滑性的切削液，使摩擦和粘結(jié)減少；適當(dāng)減少進(jìn)給量、增大刀具前角；適當(dāng)提高工件材料的硬度；提高刀具的刃磨質(zhì)量；合理調(diào)節(jié)各切削參數(shù)間關(guān)系，以防止形成中溫區(qū)域。5）抑制或消除積屑瘤的措施切屑厚度hch與切削層的厚度hD之比稱為厚度變形系數(shù)，用ΛkD

表示，ΛkD=ach/ac

；而切削層長度lc與切屑長度lch之比稱為長度變形系數(shù)，用Λkl表示，Λkl

=lc/lch。根據(jù)體積不變原理,則ΛkD＝Λkl＝Λk

。變形系數(shù)越大,切屑越厚越短,切削變形越大。1.變形系數(shù)Λk四、切削變形程度的表示方法圖φ角與剪切面面積的關(guān)系圖2-28變形系數(shù)ξ的求法2.剪切角φ圖

剪切面pφ與切削速度(主運(yùn)動)方向之間的夾角稱為剪切角，用φ表示

剪切角φ↑→剪切面積↓→變形程度↓→切削力↓。

圖2－24作用在切屑上的力

a)

切屑受到來自工件和刀具的作用力

b)

切屑作為隔離體的受力分析tgβ為刀面上的平均摩擦系數(shù)剪切角與摩擦角的關(guān)系刀具前角增大,剪切角增大,變形減小摩擦增大,剪切角減小,變形增大五、影響切削變形的主要因素1.工件材料的力學(xué)性能對切削變形的影響2.切削速度對切削變形的影響3.進(jìn)給量對切屑變形的影響進(jìn)給量f↑，切削層厚度hD↑，切屑的平均變形↓，變形系數(shù)Λh↓。4.刀具前角對切削變形的影響大前角的刀具切削，刀刃鋒利，切屑流動阻力小，切屑變形小，切削省力。第四節(jié)

切削力一、切削力的來源、切削合力及分力、切削功率

切削過程中，刀具施加于工件使工件材料產(chǎn)生變形，并使多余材料變?yōu)榍行妓璧牧?，稱為切削力。1.切削力的來源切削力來自于金屬切削過程中克服被加工材料的彈、塑性變形抗力和摩擦阻力（圖2-32）。圖2-32切削力的來源2.切削力的分解

通常將合力F分解為相互垂直的三個(gè)分力：切削力Fc

、進(jìn)給力Ff

、背向力

Fp

(圖2-33)。切削力Fc（舊稱主切削力，用Fz表示）——總切削力在主運(yùn)動方向的分力，是計(jì)算機(jī)床切削功率、選配機(jī)床電機(jī)、校核機(jī)床主軸、設(shè)計(jì)機(jī)床部件及計(jì)算刀具強(qiáng)度等必不可少的參數(shù)。背向力Fp進(jìn)給力Ff舊稱徑向分力，用Fy表示——背向力在垂直于工作平面方向的分力，是進(jìn)行加工精度分析、計(jì)算工藝系統(tǒng)剛度以及分析工藝系統(tǒng)振動時(shí)，所必須的參數(shù)。舊稱軸向分力，用Fx表示——進(jìn)給力在進(jìn)給方向的分力，是設(shè)計(jì)、校核機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)床進(jìn)給功率不可缺少的參數(shù)圖2-33切削力的分解計(jì)算切削功率Pc是用于核算加工成本和計(jì)算能量消耗，并在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)根據(jù)它來選擇機(jī)床主電動機(jī)功率。主運(yùn)動消耗的切削功率Pc＝Fcυc/60×10-3

（kW）機(jī)床電機(jī)功率PE=Pc／ηm（ηm＝0.75～0.85）。

3．切削功率切削力的大小計(jì)算有理論公式和實(shí)驗(yàn)公式。理論公式通常供定性分析用，一般使用實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算切削力。常用的實(shí)驗(yàn)公式分為兩類：一類是用指數(shù)公式計(jì)算，另一類是按單位切削力進(jìn)行計(jì)算。在金屬切削中廣泛應(yīng)用指數(shù)公式計(jì)算切削力。不同的加工方式和加工條件下，切削力計(jì)算的指數(shù)公式可在切削用量手冊中查得。車削時(shí)的切削分力及切削功率的指數(shù)公式見表。若已知單位切削力kc

，即可求得單位切削功率ps。表3-1為硬質(zhì)合金外圓車刀切削常用金屬時(shí)的單位切削力和單位切削功率。實(shí)際切削條件與表中不符時(shí),必須引入修正系數(shù)加以修正，有關(guān)修正系數(shù)可參見相關(guān)手冊。在實(shí)際應(yīng)用工作中，切削力的計(jì)算可查閱有關(guān)手冊。

二、切削力的實(shí)驗(yàn)公式切削力的指數(shù)公式(經(jīng)驗(yàn)公式)：第三章切削過程及控制三、影響切削力的因素1.工件材料影響較大的因素主要是工件材料的強(qiáng)度、硬度和塑性。材料的強(qiáng)度、硬度越高，則屈服強(qiáng)度越高，切削力越大。在強(qiáng)度、硬度相近的情況下，材料的塑性、韌性越大，則刀具前面上的平均摩擦系數(shù)越大，切削力也就越大。2.切削用量進(jìn)給量f和背吃刀量ap

進(jìn)給量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加，但影響程度不同。進(jìn)給量f

增大時(shí)，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大時(shí)，切削刃上的切削負(fù)荷也隨之增大，即切削變形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。切削速度在5～20m/min區(qū)域內(nèi)增加時(shí)，積屑瘤高度逐漸增加，切削力減?。磺邢魉俣壤^續(xù)在20～35m/min范圍內(nèi)增加，積屑瘤逐漸消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min時(shí)，由于切削溫度上升，摩擦系數(shù)減小，切削力下降。一般切削速度超過90m/min時(shí)，切削力無明顯變化。在切削脆性金屬工件材料時(shí)，因塑性變形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度υc

對切削力Fc無明顯的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果刀具材料和機(jī)床性能許可，采用高速切削，既能提高生產(chǎn)效率，又能減小切削力。

切削速度υc

前角的影響:γo↑→切削變形↓→切削力↓。（塑性材料）負(fù)倒棱的影響：（圖）負(fù)倒棱參數(shù)大大提高了正前角刀具的刃口強(qiáng)度，但同時(shí)也增加了負(fù)倒棱前角(負(fù)前角)參加切削的比例，負(fù)前角的絕對值↑→切削變形程度↑→切削力↑；主偏角的影響：（圖）

FP=FDcosKrFf=FDSinKrKr↑→FP↓,Ff↑刃傾角的影響：（圖）

λs↓→FP↑,Ff↓,Fc基本不變刀尖圓弧半徑rε↑→切削刃圓弧部分的長度↑→切削變形↑→切削力↑。此外rε增大，整個(gè)主切削刃上各點(diǎn)主偏角的平均值減小，從而使Fp增大、Ff

減小。3.刀具幾何參數(shù)圖負(fù)倒棱對切削力的影響kr2Kr’kr1FPFfFD主偏角對切削分力比例的影響圖刃傾角對切削力的影響4.刀具磨損5.切削液6.刀具材料

刀具材料與被加工材料間的摩擦系數(shù)，影響到摩擦力的變化，直接影響著切削力的變化。第五節(jié)

切削熱和切削溫度一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

金屬切削過程的三個(gè)變形區(qū)就是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱源(圖2-35)。在這三個(gè)變形區(qū)中，刀具克服金屬彈、塑性變形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。

切削熱向切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳導(dǎo)，使它們的溫度上升，從而導(dǎo)致切削區(qū)內(nèi)的切削溫度上升。圖2-35切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)二、切削溫度對切削加工過程的影響1.對刀具材料的影響

高速鋼刀具材料的耐熱性為600℃左右，超過該溫度刀具失效。硬質(zhì)合金刀具材料耐熱性好，在高溫800～1000℃時(shí)，強(qiáng)度反而更高，韌性更好。因此適當(dāng)提高切削溫度，可防止硬質(zhì)合金刀具崩刃，延長刀具壽命。2.對工件尺寸精度的影響

車削工件外圓時(shí)，工件受熱膨脹，切削后冷卻至室溫，尺寸變小，特別是在精加工和超精密加工時(shí)，切削溫度的變化對工件尺寸精度的影響特別大，因此控制好切削溫度，是保證加工精度的有效措施。三、切削溫度的測定方法

1.自然熱電偶法

自然熱電偶法是利用工件材料和刀具材料化學(xué)成份的不同而構(gòu)成熱電偶的兩極，并分別連接測量儀表，組成測量電路，刀具切削工件的切削區(qū)域產(chǎn)生高溫形成熱端，刀具與工件為熱電偶冷端，冷、熱端之間熱電勢由儀表（毫伏計(jì)）測定。切削溫度越高，測得熱電勢越大，它們之間得對應(yīng)關(guān)系可利用專用裝置經(jīng)標(biāo)定得到。2.人工熱電偶法

人工熱電偶法是將兩種預(yù)先經(jīng)過標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶，熱電偶的熱端焊接在刀具或工件需要測定溫度的指定點(diǎn)上，冷端通過導(dǎo)線串聯(lián)在電位差計(jì)或毫伏表上。根據(jù)儀表上的指示值和熱電偶標(biāo)定曲線，可測得指定點(diǎn)的溫度。用自然熱電偶測量切削溫度人工熱電偶測量切削溫度四、影響切削溫度的因素1.工件材料

材料的強(qiáng)度、硬度越高，則切削抗力越大，消耗的功越多，產(chǎn)生的熱就越多；導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳散的熱越少，切削區(qū)的切削溫度就越高。2.切削用量

切削溫度與切削用量的關(guān)系式為：θ＝CθVcZθfyθapxθ三個(gè)影響指數(shù)zθ＞yθ＞xθ，說明切削速度對切削溫度的影響最大，背吃刀量對切削溫度的影響最小。（3）刀具幾何參數(shù)（4）刀具磨損（5）切削液1)前角γo↑→塑性變形和摩擦↓→切削溫度↓（圖）。但前角不能太大，否則刀具切削部分的鍥角過小，容熱、散熱體積減小，切削溫度反而上升。

2)主偏角κr↑→切削刃工作接觸長度↓，切削寬度bD↓，散熱條件變差，故切削溫度↑（圖）。

刀具主后面磨損時(shí)，后角減小，后面與工件間摩擦加劇。刃口磨損時(shí)，切屑形成過程的塑性變形加劇，使切削溫度增大。

利用切削液的潤滑功能降低摩擦系數(shù)，減少切削熱的產(chǎn)生，也可利用它的冷卻功用吸收大量的切削熱，所以采用切削液是降低切削溫度的重要措施。圖前角與切削溫度的關(guān)系主偏角對切削溫度的影響五、切削溫度的分布第六節(jié)

刀具磨損及刀具壽命一、刀具磨損的形式（1）正常磨損

切削塑性材料時(shí)，如果切削速度和切削厚度較大，在刀具前刀面上經(jīng)常會磨出一個(gè)月牙洼（圖例）。正常磨損是指隨著切削時(shí)間增加，磨損逐漸擴(kuò)大的磨損。1）前刀面磨損圖2-39刀具的磨損形態(tài)2）后面磨損

加工脆性材料或在切削速度較低、切削厚度較?。╤D＜0．1mm），由于前刀面上刀屑間的作用相對較弱，主要發(fā)生后刀面磨損（圖例）。3）前面和后面同時(shí)磨損

一般在以中等切削用量加工塑性金屬材料時(shí)會出現(xiàn)這種形式磨損（圖例）。4）邊界磨損

切削鋼料時(shí)，常在主切削刃靠近工件外皮處以及刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋，這就是邊界磨損（圖例）。加工鑄、鍛等外皮粗糙的工件，也容易發(fā)生邊界磨損。（2）非正常磨損

刀具的非正常磨損是指在切削過程中，刀具的磨損量尚未達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)值就突然無法正常使用，即刀具發(fā)生破損。1）脆性破損2）塑性破損

在振動、沖擊切削條件的作用下，刀具尚未發(fā)生明顯磨損（VB≤0.1mm），但刀具切削部分卻出現(xiàn)了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折斷、表層剝落、熱裂紋等現(xiàn)象，使刀具不能繼續(xù)工作，這種破損稱為脆性破損。切削時(shí)，刀具由于高溫高壓的作用，使刀具前、后刀面的材料發(fā)生塑性變形，刀具喪失切削能力，這種破損稱為塑性破損。播放播放播放播放播放播放播放針對被加工工件材料和零件的特點(diǎn)，合理選擇刀具材料的種類和牌號；合理選擇刀具幾何參數(shù)；保證刀具焊接和刃磨質(zhì)量，避免因焊接、刃磨不善而帶來的各種缺陷。盡量使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位不重磨刀具；合理選擇切削用量，避免過大的切削力和過高的切削溫度，避免產(chǎn)生積屑瘤；提高工藝系統(tǒng)的剛性，消除可能產(chǎn)生振動的因素，如加工余量不均勻，表面硬度不均勻，鉸刀、銑刀等回轉(zhuǎn)類刀具各刀齒的刃尖不在同一圓周上等現(xiàn)象；采用正確的操作方法，盡量使刀具不承受或少承受突變性的載荷，合理使用切削液，為防止熱裂效應(yīng)，不要斷續(xù)使用切削液冷卻硬質(zhì)合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。防止刀具破損的措施播放二、刀具磨損的原因1.硬質(zhì)點(diǎn)磨損

2.粘結(jié)磨損

3.擴(kuò)散磨損

切削時(shí)，切屑、工件材料中含有一些碳化物、氮化物和氧化物等硬質(zhì)點(diǎn)以及積屑瘤碎片等，可在刀具表面刻劃出溝紋，這就是磨料磨損。

切削時(shí)，切屑、工件與前、后刀面之間存在很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，形成新鮮表面接觸而發(fā)生冷焊粘結(jié)。由于切屑在滑移過程中產(chǎn)生剪切破壞，帶走刀具材料，從而造成粘結(jié)磨損。

在切削高溫下，使工件與刀具材料中的合金元素在固態(tài)下相互擴(kuò)散置換造成的刀具磨損，稱為擴(kuò)散磨損（5）相變磨損（4）化學(xué)磨損

在一定溫度下，刀具材料與某些周圍介質(zhì)起化學(xué)作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨損，稱為化學(xué)磨損。

當(dāng)切削溫度達(dá)到或超過刀具材料的相變溫度時(shí)，刀具材料中的金相組織將發(fā)生變化，硬度顯著下降，引起的刀具磨損稱為相變磨損。

圖切削速度對刀具磨損強(qiáng)度的影響1-硬質(zhì)點(diǎn)磨損；2-粘結(jié)磨損；3-擴(kuò)散磨損；4-化學(xué)磨損三、刀具磨損過程及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1.刀具磨損過程初期磨損階段（Ⅰ）正常磨損階段（Ⅱ）劇烈磨損階段（Ⅲ）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，這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的具體數(shù)值可從切削用量手冊中查得。圖1-43圖1-43刀具的磨損過程刀具的磨損量VB和NB

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO推薦硬質(zhì)合金外圓車刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，可以是以下任何一種：（1）

VB=0.3mm；（2）如果主后刀面為無規(guī)則磨損，取VBmax=0.6mm；（3）前面磨損量KT=0.06+0.3f（f為進(jìn)給量）

在金屬切削的科學(xué)研究中多數(shù)按后刀面磨損寬度VB來制定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的兩點(diǎn)考慮：①充分利用正常磨損階段的磨損量，適用于粗加工和半精加工。②根據(jù)加工精度和表面質(zhì)量要求規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。四、刀具壽命及其經(jīng)驗(yàn)公式1.刀具壽命的定義刀具耐用度（現(xiàn)稱刀具壽命）是指一把刃磨好的新刀從投入使用直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所經(jīng)歷的實(shí)際切削時(shí)間。刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具幾何參數(shù)是否合理的重要參數(shù)。2.刀具壽命與切削用量的關(guān)系（1）切削速度與刀具壽命的關(guān)系各種切削速度下的刀具磨損曲線（圖）刀具T—v關(guān)系曲線（圖1-45），該直線方程為：Lgv=-mlgT+lgA式中，m=tgφ，即該直線的斜率；A—

當(dāng)T＝1s（或1min）時(shí)直線在縱坐標(biāo)上的截距。V=A/Tm圖各種切削速度下的刀具磨損曲線圖2－42在雙對數(shù)坐標(biāo)上的T—v曲線2）進(jìn)給量、被吃刀量與刀具壽命的關(guān)系f=B/Tnap=C/Tp綜合以上三式，可以得到切削用量三要素與壽命的關(guān)系：

T-V關(guān)系式反映了切削速度與刀具耐用度之間的關(guān)系，是選擇切削速度的重要依據(jù)。指數(shù)m表示切削速度對刀具耐用度的影響程度。高速鋼：m=0.1～0.125；硬質(zhì)合金：m=0.2～0.3;陶瓷刀具：m=0.4。

用YT15硬質(zhì)合金車刀切削σb＝0.63GPa的碳鋼時(shí)，切削用量與刀具壽命的關(guān)系式為：3.刀具壽命的選擇原則確定合理刀具壽命的兩種方法：最大生產(chǎn)率壽命最低成本壽命

一般情況下，應(yīng)采用最低成本壽命，當(dāng)任務(wù)緊迫或生產(chǎn)中出現(xiàn)不平衡環(huán)節(jié)時(shí)，可采用最大生產(chǎn)率壽命。圖圖刀具壽命對生產(chǎn)率和加工成本的影響復(fù)雜的、高精度的、多刃的刀具耐用度應(yīng)選得比簡單的、低精度的、單刃的刀具高。對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí)間短，為使切削刃始終處于鋒利狀態(tài)，刀具耐用度可選得低些。對于換刀、調(diào)刀比較復(fù)雜的數(shù)控刀具、自動線刀具以及多刀加工時(shí)，刀具耐用度應(yīng)選得高些，以減少換刀次數(shù)，保證整機(jī)和整線的可靠工作。精加工刀具切削負(fù)荷小，刀具耐用度應(yīng)比粗加工刀具選得高些。大件加工時(shí)，為避免一次進(jìn)給中中途換刀，刀具耐用度應(yīng)選得高些。刀具幾何參數(shù)合理選擇刀具幾何參數(shù)能提高刀具壽命。刀具材料刀具材料是影響刀具壽命的重要因素，合理選用刀具材料，采用涂層刀具材料和使用新型刀具材料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具壽命和提高切削速度的重要途徑之一。工件材料工件材料的物理力學(xué)性能也是影響刀具壽命的重要因素，工件材料的強(qiáng)度、硬度和韌性越高，延伸率越小，切削時(shí)均能使切削溫度升高，刀具壽命降低。切削用量4.影響刀具壽命的因素一、工件材料的切削加工性

工件材料的可切削加工性是指對某種材料進(jìn)行切削加工的難易程度。1.工件材料切削加工性的評定指標(biāo)1）以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性；2）以切削力或切削溫度衡量加工性；3）以加工表面質(zhì)量衡量加工性；4）以切屑控制或斷屑的難易衡量加工性第七節(jié)切削加工條件的合理選擇

一般用相對加工性Kv來衡量工件材料的可切削加工性。通常以σb=0.637GPa的45鋼的υ60（刀具壽命為60min時(shí)所允許的切削速度，用υ60表示）為基準(zhǔn)，寫作(υ60)j。將其它工件材料的υ60與之相比，其比值即為相對加工性Kv，即Kv=υ60/(υ60)j

當(dāng)Kv

＞1時(shí)，該材料比45鋼容易切削，例如有色金屬Kv

＞3；當(dāng)Kv

＜1時(shí)，該材料比45鋼難切削，例如高錳鋼、鈦合金Kv≤0.5，均屬難加工材料。2.改善工件材料切削加工性的途徑

要改善工件材料的切削加工性，可通過熱處理方法，改變材料的金相組織和物理力學(xué)性能，也可通過調(diào)整材料的化學(xué)成分等途徑。生產(chǎn)實(shí)際中，熱處理是常用的處理方法。二、刀具材料的選擇

選擇合理的刀具材料對切削加工過程極為關(guān)鍵。刀具材料不同，刀具壽命就不同，允許的切削速度也不同。在同一壽命的前提下，所允許的切削速度就不同。或者在同一切削速度下，其各自的壽命不同。切削難加工材料時(shí)，不得不降低切削速度。三、刀具幾何參數(shù)的合理選擇1.前角γO

（1）功用γO

刀刃鋒利，切屑變形切削力和切削功率刀刃和刀尖強(qiáng)度，散熱體積刀具壽命γo1Prγo2圖前角對切削變形的影響（2）選擇

前角大小取決于：工件材料、刀具材料及加工要求。工件材料強(qiáng)度、硬度較低時(shí)，應(yīng)取較大前角，反之應(yīng)取較小的前角。加工塑性材料時(shí)，應(yīng)取較大前角，加工脆性材料時(shí)，應(yīng)取較小的前角。刀具材料韌性好（高速鋼），取較大前角，反之（硬質(zhì)合金）取較小前角。粗加工時(shí)，取較小前角，精加工時(shí)，取較大前角。

用硬質(zhì)合金車刀切削鋼件，γo取10～20°；切削灰鑄鐵，γo取5～15°；切削鋁及鋁合金，γo取25～35°；切削高強(qiáng)度鋼，γo取-5～-10°。

用高速鋼刀具則比硬質(zhì)合金刀具大5～10°；

陶瓷刀具的前角一般取-5～-15°。2.后角αo

（1）功用αo

后刀面與工件的摩擦后刀面的磨損率（2）選擇

后角大小取決于：切削厚度、工件材料及工藝系統(tǒng)剛度。切削厚度越大，后角越??；工件材料越軟、塑性越大，后角越大；工藝系統(tǒng)剛度較差時(shí)，適當(dāng)減小后角；

粗加工和承受沖擊載荷的刀具，為了使刀刃有足夠強(qiáng)度，后角可選小些，一般為4°～6°；精加工時(shí)切深較小，為保證加工的表面質(zhì)量，后角可選大一些，一般為8°～12°。3.主偏角κr

和副偏角κr′

（1）功用κr和κr′

刀刃單位負(fù)荷表面粗糙度背向力Fp殘留面積高度，散熱條件刀具壽命，進(jìn)給力Ffkr1Kr’kr2Κr對刀具散熱條件的影響kr1Kr’kr2FpFf主偏角對切削分力的影響（2）選擇工藝系統(tǒng)剛性較好時(shí)，主偏角取較小值，有利于降低表面粗糙度；反之取較大值。副偏角大小取決于表面粗糙度（5°?15°)，粗加工時(shí)取大值，精加工取小值。4.刃傾角λs

（1）功用（2）選擇

主要影響刀頭的強(qiáng)度和切屑的流動方向。加工一般鋼料和鑄鐵，無沖擊時(shí)：粗車λs

＝0°?－5°，精車λs

＝0°?+5°；有沖擊時(shí)：λs

＝－5°?－15°；特別大時(shí)：λs

＝－30°?－45°。切削加工高強(qiáng)度鋼、冷硬鋼時(shí)：λs

＝－30°?－45°。刃傾角影響刀削流動方向刀具幾何參數(shù)選擇舉例已知：工件材料為中碳鋼的細(xì)長軸，加工設(shè)備為臥式車床加工要求：粗車外圓。（1)根據(jù)工件材料選配硬質(zhì)合金刀具材料。（2)刀具幾何參數(shù)選擇(圖)。四、切削用量的選擇1.切削用量的合理選擇

合理切削用量是指在保證加工質(zhì)量的前提下，使刀具的切削性能和機(jī)床的動力性能得到充分發(fā)揮，并獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量。P＝1/tm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)速（r/min）。P=A0vfap

（1）切削用量同加工生產(chǎn)率的關(guān)系（公式）

利用上式，選用一定的切削條件進(jìn)行計(jì)算，可以得到如下的結(jié)果：1）

f保持不變，ap增至3ap，如仍保持刀具合理的耐用度，則vc必須降低15％，此時(shí)生產(chǎn)率P3ap≈2.6P，即生產(chǎn)率提高至2.6倍。2）ap保持不變，f

增至3f，如仍保持刀具合理的耐用度，則vc必須降低32％，此時(shí)生產(chǎn)率P3ap≈2P，即生產(chǎn)率提高至2倍。3）切削速度高過一定的臨界值時(shí)，生產(chǎn)率反而會降低。由此可見，增大ap比增大f更有利于提高生產(chǎn)率。（2）選擇切削用量的步驟

首先選取盡可能大的被吃刀量；其次根據(jù)機(jī)床動力和剛性限制條件（粗加工）或加工表面粗糙度的要求（精加工），選取盡可能大的進(jìn)給量；最后利用切削用量手冊選取或者用公式計(jì)算確定切削速度。粗加工時(shí)，一次走刀盡可能切除全部余量。半精加工時(shí)，被吃刀量取為0.5～2mm。精加工時(shí)，被吃刀量取為0.1～0.4mm1）被吃刀量的選定2）進(jìn)給量的選定生產(chǎn)實(shí)際中多采用查表法確定進(jìn)給量。粗加工時(shí)，進(jìn)給量由機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、刀具強(qiáng)度與剛性、工件的裝夾剛度決定。精加工時(shí)，進(jìn)給量由加工精度和表面粗糙度決定。3)切削速度的選定

在ap、f

值選定后，根據(jù)合理的刀具耐用度或查表來選定車削速度。（公式）在生產(chǎn)中選擇切削速度的一般原則是：

（1）粗車時(shí)，

ap、f

較大，故選擇較低的v；精車時(shí)，

ap

、f

均較小，故選擇較高的v。（2）工件材料強(qiáng)度、硬度高時(shí)，應(yīng)選較低的v。（3）切削合金鋼比切削中碳鋼切削速度應(yīng)降低20％～30％；切削調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼比正火、退火狀態(tài)鋼要降低20％～30％；切削有色金屬比切削中碳鋼的切削速度可提高100％～300％；（4）刀具材料的切削性能愈好，切削速度也選得愈高。（5）精加工時(shí)，應(yīng)盡量避開積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的區(qū)域。（6）斷續(xù)切削及加工大件、細(xì)長件和薄壁工件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。（7）在易發(fā)生振動的情況下，切削速度應(yīng)避開自激振動的臨界速度。4．切削用量選擇舉例例：已知工件材料為45鋼(熱軋)，σb＝0.637GPa。毛坯尺寸φ50mm×350mm，裝夾如圖所示。加工要求為外圓車削至φ44mm，表面粗糙度Ra3.2μm，加工長度300mm。機(jī)床采用CA6140臥式車床。刀具為焊接式硬質(zhì)合金外圓車刀，刀片材料為Pl0，刀桿截面尺寸為16mm×25mm；幾何參數(shù)為γo＝15°，αo＝8°，κr＝75°，κr’

=10°，λs=6°，rε=lmm，bγ1＝O.3mm，γ01=-10°。試確定車削外圓的切削用量。（1）粗車工步1）確定背吃刀量ap。因單邊加工余量為3mm，所以粗車取ap=2.5mm。2）確定進(jìn)給量f

。根據(jù)工件材料、直徑大小，刀桿截面尺寸及已定的粗車背吃刀量ap：從表1-8中查得f＝0.4～0.5mm/r。按機(jī)床操作說明書中實(shí)有的進(jìn)給量，取f＝0.51mm/r。3）確定切削速度。切削速度可由式(1-40)計(jì)算，也可根據(jù)已知條件和已確定的ap、f，值從表1-11中查得vc=90m/min。然后由式(1-41)計(jì)算機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為按機(jī)床說明書選取實(shí)際的切削速度為：n=560r/min,實(shí)際切削速度為：1）確定背吃刀量ap，取ap＝0.5mm。2）確定進(jìn)給量f。根據(jù)表面粗糙度Ra=3.2μm，刀尖圓弧半徑rε=lmm,從表1-9查得(預(yù)設(shè)vc＞50m／min)，f＝0.30～0.35mm/r，按機(jī)床說明書上實(shí)有的進(jìn)給量，確定f=0.30mm/r。3）確定切削速度。根據(jù)已知條件和已確定的ap、f值從表1-11中查得vc=130m/min。然后計(jì)算出機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為(2)半精車工步按說明書選取機(jī)床主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速為900r/min，故實(shí)際切削速度為

vc=π(50-5)×900m／min=127.2m／min最終選配的半精車切削用量為：vc＝127.2m/min，f＝0.3mm/r，ap＝0.5mm。采用切削性能更好的新型刀具材料；改善工件材料的切削加工性；改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)和選配合理刀具幾何參數(shù)提高刀具的制造和刃磨質(zhì)量；采用新型的、性能好的切削液和高效的冷卻方法。5.提高切削用量的途徑五、切削液1.切削液的作用機(jī)理

切削液的冷卻作用主要靠熱傳導(dǎo)帶走大量的切削熱，從而降低切削溫度，提高刀具壽命；減少工件、刀具的熱變形，提高加工精度；降低斷續(xù)切削時(shí)的熱應(yīng)力，防止刀具熱裂破損等。（1）切削液的冷卻作用（2）切削液的潤滑作用

使用切削液后，切屑、工件與刀面之間形成完全的潤滑油膜，成為流體潤滑摩擦，此時(shí)摩擦系數(shù)很??；實(shí)際情況是屬于邊界潤滑摩擦，其摩擦系數(shù)大于流體潤滑，但小于干摩擦。圖

圖金屬間邊界潤滑摩擦

Ff－摩擦力（3）切削液的清洗作用（4）防銹作用清洗工件、刀具和機(jī)床表面的切屑。加入防銹添加劑，工件表面生成氧化膜，起到防銹、防蝕的作用。切削液的添加劑

用以改善在較低溫度下切削液的潤滑性能。(1)油性添加劑(2)極壓添加劑

比油性添加劑能耐較高的溫度。

為改善切削液性能所加入的化學(xué)物質(zhì)，稱為添加劑。

（3）表面活性劑

由于表面活性劑分子的極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)可分別溶于水和油，從而把水和油連接起來，即起到乳化作用；此外還能吸附在金屬表面上形成潤滑膜起潤滑作用。2.切削液的分類水溶液乳化液水溶性切削液有良好的冷卻作用和清洗作用。（2）水溶性切削液

切削油固體潤滑劑非溶性切削液主要起潤滑作用。（1）非水溶性切削液3.切削液的選用按工件材料選用加工鋼等塑性材料時(shí)，需要切削液；加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，不用切削液。按刀具材料選用

高速鋼刀具耐熱性差，粗加工時(shí)應(yīng)選用以冷卻作用為主的切削液，以降低切削溫度；在精加工時(shí)應(yīng)使用潤滑性能好的極壓切削油或高濃度的極壓乳化液，以提高加工表面質(zhì)量。硬質(zhì)合金刀具由于耐熱性好，一般不用切削液；按加工方法選用

對半封閉、封閉加工，選用極壓乳化液或極壓切削油，以對切削區(qū)進(jìn)行冷卻、潤滑和對切屑沖洗。磨削加工時(shí)，由于磨削區(qū)溫度很高，磨屑會破壞已磨削表面質(zhì)量,要求切削液具有良好的冷卻、清洗、排屑和防銹性能，一般選用乳化液。磨削是機(jī)械加工中使用最廣泛的精加工方法加工精度：IT6-IT4,Ra1.25-0.01μm，甚至可達(dá)0.008μm磨削對各種工件材料和多種幾何表面具有廣泛的適應(yīng)性各種表面：內(nèi)孔，外圓，平面，螺紋，齒輪，花鍵，導(dǎo)軌，成形面，等一般金屬材料：鋼材、鑄鐵等難切削超硬材料:淬火鋼、硬質(zhì)合金等非金屬材料：木材、橡膠、塑料、玻璃、陶瓷、石材等現(xiàn)代加工中，開始把磨削擴(kuò)大到粗加工領(lǐng)域，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量砂輪是磨削加工中使用最廣泛的磨具第八節(jié)

砂輪砂輪是一種用結(jié)合劑把磨料顆粒粘結(jié)在一起后經(jīng)過焙燒、車整而成，具有很多氣孔，用磨料進(jìn)行切削的刀具。由六大要素組成磨料粒度硬度結(jié)合劑組織形狀1.磨料磨料是砂輪的主要成分天然磨料：金剛砂，天然剛玉，金剛石（性質(zhì)因產(chǎn)地不同而變化）人造磨料（主要使用）常用磨料分五類剛玉系A(chǔ)l2O3棕剛玉A(棕褐色）白剛玉WA(白色)鉻剛玉PA（玫瑰紅色）碳化硅系SiC黑色碳化硅C(黑色）綠色碳化硅GC(綠色)碳化硼系金剛石系CBN系直接擔(dān)負(fù)切削工作。2.粒度