1、第三章 金屬切削過程本章要點切削變形及其影響因素切削力及其影響因素切削熱與切削溫度刀具磨損與刀具耐用度刀具角度和切削用量的選擇1第3章 金屬切削過程機械制造基礎 3.1 切削過程的基本規律2 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生以滑移為主的塑性變形過程。FABOM45a）正擠壓FABOM45b）偏擠壓OMFc）切削 正擠壓：金屬材料受擠壓時，最大剪應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，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。彈性變形剪切應力增大，達到屈服點產生塑性變形，沿OM線滑移剪切應力與滑移量繼續

2、增大，達到斷裂強度切屑與母體脫離。圖3-2 金屬擠壓與切削比較3.1.1 切削變形 擠壓與切削3圖3-3 切屑根部金相照片M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：=s剪切角3.1.1 切削變形金屬切削變形過程43.1.1 切削變形金屬切削變形過程圖3-4 切削變形實驗設備與錄像裝置5 第變形區：即剪切變形區，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域。圖 切削部位三個變形區 第變形區：已加工面受到后刀面擠壓與摩擦，產生變形。此區變形是造成已加工面加工硬化和殘余應力的主要原因。3.1.1 切削變形三個變形區分析 第變形區：靠近前刀面處，切屑排出時受前刀面擠壓與摩擦。此變形區的變形是造

3、成前刀面磨損和產生積屑瘤的主要原因。6切削層經塑性變形后，厚度增加，長度縮小，寬度基本不變。可用其表示切削層變的變形程度。LchhDhch3.1.1 切削變形LD圖3-9 切屑與切削層尺寸 厚度變形系數 （3-1） 長度變形系數 （3-2） 變形系數73.1.1 切削變形 當0 = 030，h 1.5時， h與相近 主要反映第變形區的變形，h還包含了第變形區的影響。ysOM0圖3-10 相對滑移系數 （3-3） 相對滑移系數83.1.1 切削變形 積屑瘤成因由于刀屑接觸面的粘結摩擦及滯流作用，在切削塑性金屬時，在前面上的溫度、壓力適宜的時候，切屑底層金屬粘結在刃口附近的前面上，形成一個硬度很高

4、的楔塊，這楔塊稱為積屑瘤，或稱刀瘤，如圖36所示。 積屑瘤在形成過程中是一層層增高的，到一定高度會脫落，是一個生成、長大、脫落的周期性過程。 93.1.1 切削變形 積屑瘤對加工的影響 積屑瘤的存在可代替切削刃進行切削，對切削刃有一定的保護作用，還可增大刀具實際前角。對粗加工的切削過程有利。但是積屑瘤的頂端從刀尖伸向工件內層，使實際背吃刀量和切削厚度發生變化，將影響工件的尺寸精度，由于積屑瘤的高度變化使已加工表面粗糙度的值變大，并易引起振動，所以在精加工應避免產生積屑瘤。103.1.1 切削變形 影響積屑瘤產生的主要因素 塑性大的工件材料，刀屑之間的摩擦系數和接觸長度大，生成積屑瘤的可能性就大

5、，脆性材料一般不產生積屑瘤。切削速度對積屑瘤有很大影響，切削速度很低(c18mmin或很高(c80mmin)都很少產生積屑瘤，在中等速度范圍內(加工普通鋼c20mmin)最容易產生積屑瘤，此時，其高度也最大，如圖36所示。 刀具前角增大可以抑制積屑瘤的生成或減小積屑瘤的高度，當前角o35時，一般就不會產生積屑瘤。使用潤滑性能好的切削液可減小摩擦，有效地抑制或減小積屑瘤。 113.1.1 切削變形 加工硬化（冷硬）已加工表面表層金屬硬度高于里層金屬硬度的現象加工硬化產生的原因經切削產生的變形使得已加工表面層的金屬晶格產生扭曲、擠緊和碎裂造成已加工表面的硬度增高。 加工硬化產生的后果加工硬化的控制

6、硬化程度嚴重的材料使得切削變得困難。冷硬還使得已加工表面出現顯微裂紋和殘余應力等，從而降低了加工表面的質量和材料的疲勞強度。 提高切速，加大前角，減小刃口半徑；如加大后角，提高刀具刃磨質量；進行適當的熱處理123.1.1 切削變形 鱗刺已加工表面上一種鱗片狀毛刺的現象。它對表面粗糙度有嚴重的影響。 通常在較低的切削速度時對塑性金屬進行車、刨、鉆、拉螺紋加工和齒輪加工，都可能出現鱗刺。 采用減小切削厚度和使用潤滑性能好的極壓切削油或極壓乳化液、高速切削、加熱切削等措施，都可抑制鱗刺。 控制鱗刺的方法鱗刺產生的場合133.1.1 切削變形影響切削變形的因素工件材料工件材料的強度、硬度越高，刀屑之間

7、的摩擦系數就越小，所以切屑變形就越小 刀具的角度前角的影響 刀具的前角越大，切削刃越鋒利，刀具前面對切削層的擠壓作用越小，則切屑變形就越小。刀尖圓弧半徑的影響 切削用量切削速度的影響 進給量的影響進給量增加變形減小 143.1.2 切削力切削力來源切削時，在刀具作用下切削層與加工表面層發生了彈性變形和塑性變形，因此有變形抗力作用在刀具上，這個變形抗力稱為切削力。 作用在前面上的變形抗力Fnr和摩擦力Ffr的合力為Fr；作用在后面上的變形抗力Fna和摩擦力Ffa的合力為Fa。Fr和Fa的合力F就是總切削力。 15rFcFFpFDFfFDFDfv圖3-15 切削力的分解3.1.2 切削力F切削合力

8、Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進給抗力切削力分解163.1.2 切削力切削力經驗公式（3-6）式中 CFc , CFp , CFf 與工件、刀具材料有關系數； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 對切削力影響指數； yFc , yFp , yFf 進給量 f 對切削力影響指數； KFc , KFp , KFf 考慮切削速度、刀具幾何參數、刀具磨損等因素影響的修正系數。173.1.2 切削力（3-7）單位切削力 切除單位切削層面積的主切削力（令修正系數KFc =1）式中 Fc 主切削力（N）； v 主運動速度（m/s）。 （3-8）切削功率183.1.2 切削力機床電機功率單位切削功率式

9、中 機床傳動效率，通常= 0.750.85 （3-10）（3-9）指單位時間切除單位體積 V0 材料所消耗的功率193.1.2 切削力工件材料切削深度與切削力近似成正比；進給量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度對切削力影響復雜（圖3-16） 強度高加工硬化傾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）圖3-16 切削速度對切削力的影響切削用量203.1.2.3 影響切削力因素 前角0 增大，切削力減?。▓D3-17） 主偏角r 對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（ r Fp，Ff，圖3-18）圖3-17

10、 前角對0切削力的影響前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff圖3-18 主偏角r對切削力的影響主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200刀具幾何角度影響213.1.2.3 影響切削力因素 刀具幾何角度影響 與主偏角相似，刃傾角s對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（ s Fp，Ff） 刀尖圓弧半徑 r 對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（ r Fp，Ff） ；其他因素影響 刀具材料：與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，而影響切削力 ； 切削液：有潤滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨損：使

11、切削力增大，對吃刀抗力Fp的影響最為顯著 ；223.1.3 切削熱和切削溫度 切削熱來源 切削過程變形和摩擦所消耗功，絕大部分轉變為切削熱切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質（切削液、空氣)等傳散出去工件切屑刀具圖3-19 切削熱的來源與傳出切削熱傳出 主要來源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）（3-11）式中，QD , QFF , QFR分別為切削層變形、前刀面摩擦、后刀面摩擦產生的熱量233.1.3 切削熱和切削溫度TJ University切削溫度分布 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖處溫度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖處溫度最高。750刀具圖3-20 二維切削中的溫度分布 工件

12、材料：低碳易切鋼； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削條件：干切削， 預熱611C243.1.3.3 影響切削溫度的因素 切削用量的影響 式中 用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區的平均溫度(C)； C 與工件、刀具材料和其它切削參數有關的切削溫度系數； Z、Y、X vc、f、ap 的指數。經驗公式 （3-12）刀具材料加工方法高速鋼車削1401700.350.450.20.30.080.10銑削80鉆削150硬質合金車削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2 切削溫度的系數及指數253.1.3.

13、3 影響切削溫度的因素 刀具幾何參數的影響 前角o切削溫度主偏角r切削溫度負倒棱及刀尖圓弧半徑對切削溫度影響很小 工件材料的影響 工件材料機械性能切削溫度工件材料導熱性 切削溫度vc（m/min）圖3-21 切削速度、工件材料對切削溫度的影響1GH131 21Cr18Ni9Ti 345鋼(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具幾何參數：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243 刀具磨損的影響 冷卻液的影響 263.1.3.4 切削

14、溫度的測量 自然熱電偶法工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極，切削時刀具與工件接觸處的高溫產生溫差電勢，通過電位差計測得切削區的平均溫度。利用紅外輻射原理，借助熱敏感元件，測量切削區溫度?？蓽y量切削區側面溫度場。 用不同材料、相互絕緣金屬絲作熱電偶兩極（圖3-22）。mV圖3-22 人工熱電偶工件刀具金屬絲小孔 可測量刀具或工件指定點溫度，可測最高溫度及溫度分布場。人工熱電偶法紅外測溫法273.3.4 磨削熱與磨削溫度磨削熱 磨削區溫度 砂輪與工件接觸區的平均溫度，它與磨削燒傷、磨削裂紋密切相關。 磨粒磨削點溫度 磨粒切削刃與磨屑接觸點溫度，是磨削區中溫度最高的部位，與磨粒磨損有直接關系。 工件

15、平均溫度 磨削熱傳入工件引起的溫升，影響工件的形狀與尺寸精度。磨削時去除單位體積材料所需能量為普通切削的1030倍，砂輪線速度高，且為非良導熱體 磨削熱多，且大部分傳入工件，工件表面最高溫度可達1000以上。磨削溫度283.1.4 刀具磨損與刀具耐用度 刀具磨損形態 正常磨損前刀面磨損形式：月牙洼形成條件：加工塑性材料，v大，hD大影響：削弱刀刃強度，降低加工質量 后刀面磨損形式：后角=0的磨損面（參數VB，VBmax）形成條件：加工塑性材料, v 較小, hD 較??；加工脆性材料影響：切削力, 切削溫度, 產生振動，降低加工質量VBVBmaxa) KTKBb)圖3-25 刀具磨損形態前、后刀

16、面磨損293.5.1 刀具磨損 非正常磨損破損（裂紋、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性變形）圖3-26 刀具磨損過程初期磨損后刀面磨損量VB正常磨損急劇磨損切削時間刀具磨損過程3個階段（圖3-26）常取后刀面最大允許磨損量VB磨鈍標準30 磨粒磨損 各種切速下均存在 低速情況下刀具磨損的主要原因 粘結磨損（冷焊） 刀具材料與工件材料親和力大 刀具材料與工件材料硬度比小 中等偏低切速粘結磨損加劇 擴散磨損 高溫下發生 氧化磨損 高溫情況下，在切削刃工作邊界發生3.5.1 刀具磨損 刀具磨損原因313.5.2 刀具壽命 刀具壽命（耐用度）概念 刀具從切削開始至磨鈍標準的切削時間，用T 表示。 刀具總

17、壽命 一把新刀從投入切削開始至報廢為止的總切削時間，其間包括多次重磨。（3-14）式中CT 、m、n、p 為與工件、刀具材料等有關的常數 。（3-15）可見v 的影響最顯著；f 次之；ap 影響最小 。用硬質合金刀具切削碳鋼（b= 0.763GP a）時，有：刀具壽命（耐用度）經驗公式323.5.2 刀具壽命 圖3-27 不同刀具材料的耐用度比較硬質合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速鋼刀具耐用度T（min）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）不同刀具材料壽命（耐用度）比較333.

18、5.3 刀具壽命確定 式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分別為工序時間、基本時間、輔助時間和換刀時間；T 為刀具壽命。令f，ap為常數，有：使工序時間最短的刀具壽命。以車削為例，工序時間：將上式代入式（4-14），對T求導，并令其為0，可得到最大生產率刀具壽命為：（3-16）（3-17）又：最大生產率壽命34（3-18）式中 C0 工序成本； Cm 機時費； Ct 刀具費用； tm ，ta ，tc ，T 含義同前。使工序成本最小的刀具壽命。仍以車削為例，工序成本為：（3-19）仍令f，ap為常數，采用相同方法，可得到經濟壽命為（圖3-28）tmCm刀具費用taCmC0刀具耐用度Top成本

19、 圖3-28 經濟壽命經濟壽命3.5.3 刀具壽命確定 35規定刀具切削時間，離線檢測常規方法3.5.4 刀具磨損、破損檢測與監控 通過切削力（切削功率）變化幅值，判斷刀具的磨損程度；當切削力突然增大或突然下降很大幅值時，則表明刀具發生了破損 通過實驗確定刀具磨損與破損的“閾值” 切削力與切削功率檢測方法 切削加工時，切屑剝離，工件塑性變形，刀具與工件之間摩擦以及刀具破損等，都會產生聲發射。正常切削時，聲發射信號小而連續，刀具嚴重磨損后聲發射信號會增大，而當刀具破損時聲發射信號會突然增大許多，達到正常切削時的幾倍 聲發射檢測方法 363.5.4 刀具磨損、破損檢測與監控 鉆頭破損 檢測器圖3-

20、29 聲發射鉆頭破損檢測裝置系統圖交換機床控制器工件折斷工作臺聲發射傳感器破損信號flash37第3章 金屬切削過程機械制造基礎 3.2 切削過程基本規律的應用383.2.1 切屑的控制 為使切削過程正常進行和保證已加工表面質量，應使切屑卷曲和折斷。 切屑的卷曲是切屑基本變形或經過卷屑槽使之產生附加變形的結果（圖3-7）圖3-7 切屑的卷曲圖3-8 斷屑的產生斷屑是對已變形的切屑再附加一次變形（常需有斷屑裝置，圖3-8） 393.2.1 切屑的控制 切屑類型帶狀切屑Real擠裂切屑Real節狀切屑Real崩碎切屑Real圖3-6 切屑形態照片403.2.1 切屑的控制 形成條件影響名稱簡圖形態

21、變形帶狀，底面光滑，背面呈毛茸狀節狀，底面光滑有裂紋，背面呈鋸齒狀粒狀不規則塊狀顆粒剪切滑移尚未達到斷裂程度局部剪切應力達到斷裂強度剪切應力完全達到斷裂強度未經塑性變形即被擠裂加工塑性材料，切削速度較高，進給量較小， 刀具前角較大加工塑性材料，切削速度較低，進給量較大， 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，表面粗糙度小， 妨礙切削工作，應設法斷屑切削過程欠平穩，表面粗糙度欠佳切削力波動較大，切削過程不平穩，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3-1 切屑類型及形成條件413.2.1

22、 切屑的控制 從加工過程的平穩、保證加工精度和加工表面質量考慮，帶狀切屑是較好的類型。 容易纏繞在工件或刀具上，影響切削過程的進行，甚至傷人 在數控機床上C狀切屑是較好的形狀，但高頻折斷會影響切削的平穩性 423.2.1 切屑的控制 自動線上寶塔狀切屑不會纏繞，清理也方便 精車時螺卷狀切屑較好，過程平穩，清理方便 自動線上寶塔狀切屑不會纏繞，清理方便 重型機床上常使切屑卷曲成發條狀 433.2.1 切屑的控制 切屑的流向切屑的流向對工件質量和加工安全有直接的影響。由于切削條件的不同，切屑流向的控制目的和方法也不僅相同。刃傾角對切屑的流向影響最大，如圖326所示。 443.2.1 切屑的控制 切

23、屑的卷曲切屑的卷曲是由于切屑內部變形或碰到斷屑槽等障礙物造成的。如圖327所示 453.2.1 切屑的控制 切屑的折斷斷屑的原因 切屑經第、第變形區的嚴重變形后，硬度增加，塑性大大降低，性能變脆，從而為斷屑創造了先決條件。由切屑經變形自然卷曲或經斷屑槽等障礙物強制卷曲產生的拉應變超過切屑材料的極限應變值時，切屑即會折斷。 463.2.1 切屑的控制 斷屑的措施 磨制斷屑槽 改變刀具角度：主偏角和刃傾角對斷屑的影響最大。主偏角越大，切屑厚越大，切屑卷曲時的彎曲應力越大，易于折斷，一般來說Kr在7590范圍較好。還可改變刃傾角的正、負值，控制切屑流向達到斷屑的目的。改變切削用量：切削速度提高，易形

24、成帶狀切屑，不易斷屑；增大進給量使切屑厚度增大，一般來說hD/bD(切削厚度/切削寬度)值較小時，斷屑較困難，hD/bD較大時，易于斷屑。 473.2.2 工件材料切削加工性工件材料的切削加工性是指材料進行切削加工的難易程度。研究材料加工性的目的是為了改善材料切削加工性的途徑。 刀具耐用度指標衡量切削加工性的指標在相同的切削條件，一定刀具耐用度T下，切削某種工件材料所允許的切削速度VCT與加工性能較好的正火狀態45鋼(VCT )J相比較，則相對切削加工性Kr為： 一般取T60min，對于難加工材料可用T20min。 凡Kr1的材料，其加工性能較好，小于1者，其加工性能較差。常用的分為八級，如表

25、32所示。 48加工性 等級表3-2 材料相對加工性等級材料名稱及種類相對加工性Kr代 表 性 材 料1很易切削材料一般有色金屬3.0銅鋁合金，鋁銅合金，鋁鎂合金2容易切削材料易切削鋼2.53退火l5Cr，b0.373o.441GPa自動機鋼，b0.3930.491GPa3較易切削鋼1.62.5正火30鋼，b0.4410.549GPa4普通材料一般鋼、鑄鐵1.01.645鋼，灰鑄鐵5稍難切削材料0.651.02Crl3，調質b0.834GPa85，鋼b0.883GPa6難加工材料較難切削材料0.50.6545Cr，調質b1.03GPa65Mn，調質b0.9320.9817難切削材料0.150.

26、550CrV, 調質；1Crl8Ni9Ti, 鈦合金8很難切削材料0.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金3.2.2 工件材料切削加工性493.2.2 工件材料切削加工性切削力、切削溫度指標在相同的切削條件下，凡是切削力大，切削溫度高的材料難加工，即加工性能差；反之，加工性能好。 加工表面質量指標精加工時，常以此作為切削加工性指標。凡容易獲得好的加工表面質量的材料，其切削加工性較好，反之較差。例如，低碳鋼的加工性不如中碳鋼，純鋁的加工性不于硬鋁合金。 斷屑難易程度指標凡切屑容易控制或容易斷屑的材料，其加工性能較好，反之較差。在自動線和數控機床上常以此作為切屑加工性指標。 503.2.2 工件材料切

27、削加工性工件材料韌性對切削加工性的影響材料力學性能對切削加工性的影響 工件材料硬度的影響1）工件材料常溫硬度對切削加工性影響：工件材料硬度越高，切削力越大，切削溫度越高，刀具磨損越快。2）工件材料高溫硬度的影響：工件材料高溫硬度越高，加工性越差。這是因為切削溫度對切削過程的有利影響（軟化）對高溫硬度高的材料不起作用。3）金屬材料中硬質點對加工性的影響：金屬中硬質點越多，形狀越尖銳、分布越廣，則材料的加工性越差。4）材料的加工硬化對切削加工性的影響：加工硬化性越嚴重，切削加工性越差。513.2.2 工件材料切削加工性工件材料韌性對切削加工性的影響強度越高的材料，產生的切削力越大，切削時消耗的功率

28、越多，切削溫度亦越高，刀具容易磨損。因此，在一般情況下，加工性隨工件材料強度提高而降低。 工件材料強度的影響 工件材料塑性的影響 材料塑性大，切削加工性差： 切削力大； 刀具容易產生粘結和擴散磨損； 低速切削時易出現刀瘤與鱗刺； 斷屑困難。 但材料塑性太小時，切屑與前刀面的接觸變得很短，切削力、切削熱集中在切削刃附近，使刀具磨損嚴重，故切削性也差。52工件材料韌性對切削加工性的影響 工件材料韌性的影響韌性大的材料，切削加工性較差：在斷裂前吸收的能量多，切削功率消耗多；且斷屑困難。 工件材料彈性模量的影響材料的彈性模量E是衡量材料剛度（抵抗彈性變形的性能）的指標，E值越大，材料剛度越大，切削加工

29、性越差。 材料的切削加工性是上述這些機械性能（硬度、強度、塑性、韌性、彈性模量等）綜合影響的結果。100圖3-47 碳鋼硬度與可切削性的關系0100200300400500255075可切削性布氏硬度（HB）3.2.2 工件材料切削加工性53工件材料韌性對切削加工性的影響材料物理化學性能對切削加工性的影響如鎂合金易燃燒，鈦合金切屑易形成硬脆化合物等，不利于切削進行。工件材料導熱系數的影響 工件材料導熱系數低，切削溫度高，刀具易磨損，切削加工性差。金屬材料導熱系數大小順序：純金屬、有色金屬、碳結構鋼、鑄鐵、低合金結構鋼、合金結構鋼、工具鋼、耐熱鋼、不銹鋼。 工件材料物理化學反應的影響3.2.2

30、工件材料切削加工性543.2.2 工件材料切削加工性表 工件材料加工性分級表切削加工易切削較易切削較難切圍難 切 削等級代號01234567899a9b硬度HB5050100100 150150200200 250250300300350350 400400480480635635HRC1424.824.832.332.338.138.1434350506060抗拉強度b（GPa）0.1960.1960.4410.4410.5880.5880.7840.7840.980.981.1761.1761.3721.372l.5681.6581.7641.7641.961.962.452.45延伸率(

31、)101015152020252530303535404050506060100100沖擊值k(kJ/m2)19619639239258858878478498098013721372176417641962196224502450294029403920導熱系數k(W/mK)418.68293.08293.08167.47167.4783.7483.4762.8062.8041.8741.8733.533.525.1225.1216.7516.758.378.3755常用金屬材料的切削加工性 有色金屬有色金屬（如鋁及鋁合金，銅及銅合金等）通常屬于易切削材料。 鑄鐵鑄鐵的加工性一般較碳鋼好。比

32、較各種鑄鐵加工性的好壞，主要取決于石墨的存在形式、基體組織狀態、金屬組織成分和熱處理的影響。例如：灰鑄鐵，可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵中，石墨分別呈片狀、團絮狀和球狀，因此它們的強度依次提高，加工性隨之變差。，3.2.2 工件材料切削加工性56常用金屬材料的切削加工性 碳素鋼普通碳素鋼的切削加工性主要取決于鋼中碳的含量。低碳鋼硬度低、塑性和韌性高，切削變形大，切削溫度高，斷屑困難，故加工性較差。高碳鋼的硬度高、塑性低、導熱性差，故切削力大，切削溫度高，刀具耐用度低，加工性也差。相對而言，中碳鋼的切削加工性較好。，在碳素鋼中加入一定合金元素，如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti等，使鋼的機械性能提

33、高，但加工性也隨著變差。 合金工具鋼3.2.2 工件材料切削加工性573.2.2 工件材料切削加工性，表2-14 難切削金屬材料的切削加工性比較（惡化順序1234）影響切削加工性的因素難切削金屬材料（淬火或析出硬化狀態）高錳鋼高 強 度 鋼不 銹 鋼高溫 合金低合金高合金馬氏體時效鋼沉淀硬化型奧氏體型馬氏體型索氏體型鐵基鎳基鈷基鈦合金硬度1234234131223122322高溫強度11221l21123332微觀硬質點121231111123321與刀具親和性111112222334導熱性42223322343444加工硬化性4221232133432粘附件21111231133421相對切

34、削加工性0.20.40.20.50.20.450.10.250.30.40.50.60.50.70.60.80.150.30.80.20.050.150.250.3858改善材料切削加工性的途徑，3.2.2 工件材料切削加工性采取適當的熱處理 通過熱處理可以改變材料的金相組織，改變材料的物理力學性能。例如，低碳鋼采用正火處理或冷拔狀態以降低其塑性、提高表面加工質量，高碳鋼采用退火處理以降低硬度以減少刀具的磨損，馬氏體不銹鋼通過調質處理以降低塑性，熱軋狀態的中碳鋼，通過正火處理使其組織和硬度均勻，中碳鋼有時也要退火，鑄鐵件一般在切削前都要進行退火以降低表層硬度，消除應力。 59，3.2.2 工件

35、材料切削加工性調整工件材料的化學成分 在大批量生產中，應通過調整工件材料的化學成分來改善切削加工性。例如易切鋼就是在鋼中適當添加一些化學元素(S、Pb等)以金屬或非金屬夾雜物狀態分布、不與鋼基體固溶，從而使得切削力小、容易斷屑，且刀具耐用度高，加工表面質量好。 此外，還應針對工件材料難加工的因素，采取其他相應的對策。例如：選擇或研制最合適的刀具材料；選擇最佳的刀具幾何參數；選擇合理的切削用量；選擇合適的切削液等等。 采用工藝手段 60 3.2.3 刀具幾何參數的合理選擇前角的選擇前角是刀具上重要的幾何參數之一，前角的大小決定著刀刃的鋒利程度。 前角大小的選擇總的原則是，在保證刀具耐用度滿足要求

36、的條件下，盡量取較大值。具體選擇應根據以下幾個方面考慮： （1）根據刀具切削部分材料選 高速鋼強度、韌性好，可選較大前角；硬質合金的強，度、韌性較高速鋼低，故前角較??；陶瓷刀具前角應更小。（2）根據工件材料選 加工塑性金屬前角較大，而加工脆性材料前角較?。徊牧系乃苄栽酱螅敖窃酱?；材料的強度和硬度越高，前角越小，甚至取負值。（3）根據加工要求選 粗加工和斷續切削選較小前角；精加工時前角應大些。 61 3.2.3 刀具幾何參數的合理選擇后角的選擇后角的主要作用是減小刀具后面與工件表面之間的摩擦，所以后角不能太小。后角也不能太大，后角過大雖然能使刃口鋒利，另一方面會使刃口強度降低，從而降低刀具耐用

37、度。 后角大小選擇總的原則是，在不產生較大摩擦條件下，盡量取較小后角。具體選擇大小時，根據以下幾個因素考慮。 （1）根據加工要求選 粗加工時，切削用量較大，刃口需要有較好的強度，后角應選小些。精加工時，切削用量較小，工件表面質量要求高，為了減小摩擦，使刃口鋒利，后角應選得大些。（2）根據加工工件材料選 加工塑性金屬材料，后角適當選大值；加工脆性金屬材料，后角應適當減??；加工高強度、高硬度鋼時，應取較小后角。 623.2.3 刀具幾何參數的合理選擇主、副偏角的選擇主偏角較小時，刀刃參加切削的長度長，刀尖角增大，提高了刀尖強度，改善了刀刃散熱條件，對提高刀具耐用度有利。但是，主偏角較小時，吃刀抗力

38、FP大，容易使工件或刀桿(孔加工刀)產生撓度變形而引起“讓刀”現象，以及引起工藝系統振動，影響加工質量。因此，工藝系統剛性好時，常采用較小的主偏角；工藝系統剛性差時要取較大主偏角。主偏角影響切削厚度及切削寬度的比例，主偏角越大，切削厚度越大，切削寬度越小，越容易斷屑。因此，當出現帶形切屑時，可考慮增大主偏角。 副偏角的大小主要影響已加工表面粗糙度，為了降低工件表面粗糙度，通常取較小的副偏角。 63粗加工一般鋼材鑄鐵時，s=0-5；精車時取s=0+5，有沖擊載荷時取s= -5-15。 3.2.3 刀具幾何參數的合理選擇刃傾角的選擇刃傾角的主要作用是它可以控制切屑流出方向，增加刀刃的鋒利程度；增加

39、刀刃參加工作的長度，使切削過程平穩以及保護刀尖。 粗加工時宜選負刃傾角，以增加刀具的強度；在斷續切削時，負刃傾角有保護刀尖的作用。當工件剛性較差，不宜采用負刃傾角，因為負刃傾角將使吃刀抗力增加。精加工時宜選用正刃傾角，可避免切屑流向已加工表面，保證已加工表面不被切屑碰傷。大刃傾角刀具可使排屑平面的實際前角增大，刃口圓弧半徑減小，使刀刃鋒利。因此在微量切削時，常常采用很大的刃傾角，如在精鏜孔、精刨平面時，常采用s=3075。 64 3.2.4 切削用量的合理選擇正確地選擇切削用量對提高生產率、保證加工質量有著很重要的作用。下面以下圖為例來論述選擇切削用量的一般原則。 工件材料:45鋼 (正火)=

40、0.893Gpa；加工要求：表面粗糙度為Ra=6.3m;刀具材料:YT15;刀桿尺寸:16mm25mm;刀具:o=15,o=o=6,r=75,r=15,s=0,r=0.5mm;機床：C6120-1。 65 3.2.4 切削用量的合理選擇粗加工切削用量的選擇粗加工選擇切削用量的原則是，在保證刀具一定耐用度前提下，要盡可能提高在單位時間內的金屬切除量。車削時，單位時間內金屬切除量(單位為mm3s)：Zw=1000cfap由上式可見，提高切削用量三要素中任何一個，都能提高金屬切除率，從而達到提高生產率降低成本的目的。但是三個因素中，影響刀具耐用度最大的是切削速度c，其次是進給量f，影響最小的則是背吃

41、刀量ap，因此，在選擇粗加工切削用量時，應優先采用大的背吃刀量ap，其次采用較大進給量f，最后根據刀具耐用度的限定選一個合理的切削速度c，這樣的選擇可在T一定時使(c、f、ap)三者的乘積最大，ap大還可減少走刀次數，達到減少切削時間，提高生產率。 66 3.2.4 切削用量的合理選擇精加工切削用量的選擇精加工或半精加工選擇切削用量的原則是，在保證加工質量的前提下，兼顧必要的生產率。 背吃刀量ap是根據尺寸精度要求和切削用量確定的。進給量f是根據工件表面粗糙度的要求來確定。根據加工條件從表34選取f=0.3mm/r切削速度c的確定應避開積屑瘤產生區。一般硬質合金車刀應采用高速切削，其速度一般要

42、80100m/min以上；高速鋼車刀一般采用低速切削，其速度一般在38m/min之間。根據切削條件選取c150r/min。 67 3.2.5 切削液的合理選用切削液的作用冷卻作用 在切削過程中，切削液能帶走大量的切削熱，有效地降低切削溫度，提高刀具耐用度。在刀具材料的耐熱性較差及工件材料導熱系數較差的情況下，切削液的冷卻作用顯得更為重要。 切削液冷卻性能的好壞，主要取決于它的導熱系數、比熱、汽化熱、流量的大小。一般說來，水溶液冷卻效果最好，乳化液其次，油類最差。 潤滑作用 是通過切削液滲透到刀具與切屑、工件表面之間形成潤滑油膜，由干摩擦(摩擦系數大)變為邊界潤滑摩擦(摩擦系數較小)而實現的。

43、作為一種性能優良的切削液，除了具有良好的冷卻、潤滑性能外，還應具有防銹作用、不污染環境、穩定性好，價格低廉等。 68 3.2.5 切削液的合理選用切削液的種類和選用 水溶液 主要成分是水，并在水中加入一定的防銹劑。它的冷卻性能好，潤滑性能差，呈透明狀，便于操作者觀察，它常在磨削中使用。 乳化液 是將乳化油用水稀釋而成。呈乳白色，一般水占9598，故冷卻性能好。乳化液中常加入極壓添加劑以提高油膜強度，起到良好的潤滑作用。一般材料的粗加工常使用乳化液，難加工材料的切削常使用極壓乳化液。 (3)切削油 主要是礦物油(機油、煤油、柴油)，有時采用少量的動、植物油及它們的復合油。切削油的潤滑性能好，但冷

44、卻性能差。為了提高切削油在高溫高壓下的潤滑性能，在切削油中加人極壓添加劑以形成極壓切削油。一般材料的精加工，常使用切削油。難加工材料的精加工，常使用極壓切削油。 69優化問題的數學模型求設計變量：X = x1, x2, , xn T ，使目標函數 f (X)min ，并滿足約束條件：g i (X)0 （i = 1, 2, , m）3.6.2 切削用量的優化 設計變量：切削過程可以控制的輸入變量，即切削用量。ap通常已由工藝過程確定，故一般取 v 和 f 為設計變量。 目標函數：指優化目標與設計變量之間的函數關系式。 （3-21）1）以最大生產率為優化目標使工序時間為最短切削用量優化模型70（3

45、-22）（3-23）2）以最小生產成本為優化目標使工序成本為最小3）以最大利潤為優化目標使單位成本金屬去除率最大3.6.2 切削用量的優化 71 約束條件：指設計變量的取值范圍（3-24）1）機床結構參數限制2）加工表面粗糙度限制（3-25）式中 Ra 表面粗糙度（m）； r 刀尖圓弧半徑（mm）。3）機床功率的限制（3-26）式中各符號含義同前。3.6.2 切削用量的優化 723.6.3 切削用量優化方法 即函數求極值的方法。不能考慮約束條件，只適于處理簡單問題。（3-27）可利用設置懲罰函數，將約束優化問題轉化為無約束優化問題處理。懲罰函數的表達式：式中 Ra 懲罰函數； r 原目標函數；

46、 Mp 懲罰因子（一個很大的數）； 懲罰項；間接法（解析法）直接法（數值法或搜索法）73 尋優過程示意圖（采用田川法 + 局部尋優）fv0圖3-30 田川法尋優過程示意圖fminfmaxvminvmaxPPmax約束邊界Pop可行域等值線Pcop3.6.3 切削用量優化方法 74概述 1931年德國切削物理學家C.J.Salomom在“高速切削原理”一文中給出了著名的“Salomom曲線”對應于一定的工件材料存在一個臨界切削速度，此點切削溫度最高，超過該臨界值，切削速度增加，切削溫度反而下降。 Salomom的理論與實驗結果，引發了人們極大的興趣，并由此產生了“高速切削（HSC）”的概念。 尚

47、無統一定義，一般認為高速加工是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質量的現代加工技術。 以切削速度和進給速度界定：高速加工的切削速度和進給速度為普通切削的510倍。 以主軸轉速界定：高速加工的主軸轉速10000 r/min。3.7.1 高速加工概述 高速加工定義753.7.1 高速加工概述圖3-31 Salomon切削溫度與切削速度曲線切削適應區軟鋁切削速度v/(m/min)切削不適應區0 600 1200 1800 2400 3000青銅鑄鐵鋼硬質合金980高速鋼650碳素工具鋼450Stelite合金8501600 120080040

48、0切削溫度/切削適應區非鐵金屬76圖3-32 高速與超高速切削速度范圍 10 100 1000 10000切削速度V（m/min）塑料鋁合金銅鑄鐵鋼鈦合金鎳合金 高速加工的切削速度范圍 高速加工切削速度范圍因不同的工件材料而異，見圖3-32車削：700-7000 m/min銑削：300-6000 m/min鉆削：200-1100 m/min磨削：50-300 m/s 高速加工切削速度范圍隨加工方法不同也有所不同3.7.1 高速加工概述77 加工效率高：進給率較常規切削提高5-10倍，材料去除率可提高3-6倍 切削力小：較常規切削至少降低30%，徑向力降低更明顯。有利于減小工件受力變形，適于加工

49、薄壁件和細長件 切削熱?。杭庸み^程迅速，95%以上切削熱被切屑帶走，工件積聚熱量極少，溫升低，適合于加工熔點低、易氧化和易于產生熱變形的零件 加工精度高：刀具激振頻率遠離工藝系統固有頻率，不易產生振動；又切削力小、熱變形小、殘余應力小，易于保證加工精度和表面質量 工序集約化：可獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，并在一定條件下，可對硬表面進行加工，從而可使工序集約化。這對于模具加工具有特別意義 高速加工的特點3.7.1 高速加工概述78 航空航天： 帶有大量薄壁、細筋的大型輕合金整體構件加工，材料去除率達100-180cm3/min。 鎳合金、鈦合金加工，切削速度達200-1000 m/min

50、汽車工業： 高速加工的應用3.7.1 高速加工概述 采用高速數控機床和高速加工中心組成高速柔性生產線，實現多品種、中小批量的高效生產（圖3-33） 模具制造： 高速銑削代替傳統的電火花成形加工，效率提高3-5倍（圖3-34，圖3-35 ）。 儀器儀表： 精密光學零件加工。793.7.1 高速加工概述專用機床5軸4工序 = 20軸（3萬件/月）剛性（零件、孔數、孔徑、孔型固定不變）1234鉆孔 表面倒棱 內側倒棱 鉸孔表面和內側倒棱高速鉆孔高速加工中心1臺1軸1工序（3萬件/月）柔性（零件、孔數、孔徑、孔型可變）圖3-33 汽車輪轂螺栓孔高速加工實例（日產公司）803.7.1 高速加工概述b）高

51、速模具加工的過程圖3-34 兩種模具加工過程比較1硬化毛坯 2粗銑 3半精銑 4精銑 5手工磨修 a）傳統模具加工的過程1毛坯 2粗銑 3半精銑 4熱處理 5電火花加工6精銑 7手工磨修 電極制造81圖3-35 采用高速加工縮短模具制作周期（日產汽車公司）與最終尺寸差值/mm加工時間 100 %1010.10.010.001粗加工精加工手工精修傳統加工方法高速切削少量手工精修3.7.1 高速加工概述 對于復雜型面模具，模具精加工費用往往占到模具總費用的50%以上。采用高速加工可使模具精加工費用大大減少，從而可降低模具生產成本。82 高速加工雖具有眾多的優點，但由于技術復雜，且對于相關技術要求較

52、高，使其應用受到限制。 與高速加工密切相關的技術主要有： 高速加工刀具與磨具制造技術； 高速主軸單元制造技術； 高速進給單元制造技術； 高速加工在線檢測與控制技術； 其他：如高速加工毛坯制造技術，干切技術，高速加工的排屑技術、安全防護技術等。 此外高速切削與磨削機理的研究，對于高速切削的發展也具有重要意義。3.7.1 高速加工概述83刀具材料種類 合金 高速鋼 硬質合金 陶瓷 天然 聚晶金剛石 聚晶立方氮工具鋼 W18Cr4V YG6 Si3N4 金剛石 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗彎強度 2

53、.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa導熱系數 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100熱穩定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化學惰性 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 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工質量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 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

54、硬度鋼材精加工硬質合金、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3-3 普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比3.7.2 高速加工刀具84圖3-36 金剛石（左）與CBN（右）原子結構碳原子氮原子硼原子 金剛石與CBN晶體結構相似，每一個原子都以理想四面體方式以10928鍵角與鄰近4個原子結合。金剛石中的每個C原子都以共價鍵方式與鄰近4個C原子結合。CBN中每個N原子與4個B原子結合，每個B原子又與4個N原子結合，并存在少數離子鍵。3.7.2 高速加工刀具85 天然金剛石 天然金剛石是目前已知的最硬物質，根據其質量不同，硬度范圍為HV8000-120

55、00，相對密度為3.48-3.56。 天然金剛石是一種各向異性的單晶體，在晶體上取向不同，硬度及耐磨性也不相同。 天然金剛石耐磨性極好，刀具壽命可長達數百小時；刃口鋒利，切削刃鈍圓半徑可達0.01m。 天然金剛石耐熱性為700-800，高于此溫度，碳原子轉化為石墨結構，硬度喪失。 天然金剛石價格昂貴，刃磨困難，主要用于加工精度和表面粗糙度要求極高的零件，如激光反射鏡、感光鼓、多面鏡、磁盤等。3.7.2 高速加工刀具86 聚晶金剛石 人造金剛石是在高溫高壓條件下，借助于某些合金觸媒的作用，由石墨轉化而成。 在高溫高壓下，金剛石粉經二次壓制形成聚晶金剛石（20世紀60年代出現）。 聚晶金剛石不存在

56、各向異性，硬度略低于天然金剛石，為HV6500-8000 。 聚晶金剛石價格便宜，焊接方便，可磨性好，應用廣泛，可在大部分場合代替天然金剛石。 用等離子CVD（化學氣相沉積）可將聚晶金剛石作成涂層，用途和聚晶金剛石刀具相同。 金剛石刀具不適于加工鐵族材料，因為金剛石中的碳元素與鐵元素有很強的親和力，碳元素極易向含鐵的工件擴散，使金剛石刀具很快磨損。3.7.2 高速加工刀具87 聚晶金剛石應用實例表3-4 聚晶金剛石應用實例加工對象 硬度 加工方式 工藝參數 加工效果鋁合金 端銑 v=4000m/mim Ra0.8-0.4m共晶硅 HRC71 車削 v=600m/mim 一次刃磨切削行程800k

57、m鋁合金 f = 0.1mm/r Ra0.8m，刀具壽命為 硬質合金的50倍共晶硅 HRC71 銑削 v=2900m/mim 刀具壽命為硬質合金的80倍 vf=0.018mm/齒 Ra0.8m玻璃纖維 HRA87 車削 v=500m/mim 刀具壽命為硬質合金的強化塑料 150倍，Ra0.8-0.4m熱塑性醋 銑削 v = 4500m/s 比硬質合金壽命提高380倍酸鹽 vf=10mm/min Ra=0.8m高Si-Al 銑削 v=2200m/mim Ra=0.8m鑄造件 鋁合金 鉆削 v=360m/mim 以鉆代鏜， Ra=0.8m3.7.2 高速加工刀具88 較高的硬度和耐磨性： CBN晶

58、體結構與金剛石相似，化學鍵類型相同，晶格常數相近。CBN粉末硬度HV8000，PCBN硬度3000-5000。切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質合金刀具的50倍，涂層硬質合金刀具的30倍，陶瓷刀具的25倍。 PCBN切削性能 聚晶立方氮化硼(PCBN/Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 1970年問世500040003000200010000硬度/HV0 200 400 600 800 1000 溫度/BN100BN20陶瓷硬質合金圖3-37 PCBN刀具高溫硬度 高的熱穩定性：熱穩定性明顯優于金剛石刀具（圖3-37）3.7.2 高速加工刀具89良好的化學穩定

59、性 1200-1300與鐵系材料不發生化學反應；2000 才與碳發生化學反應；對各種材料粘結、擴散作用比硬質合金小的多?；瘜W穩定性優于金剛石刀具，特別適合加工鋼鐵材料。良好的導熱性 CBN導熱性僅次于金剛石，導熱系數為1300W/m，是硬質合金的20倍，陶瓷的37倍，且隨溫度升高而增加。這一特性使PCBN刀具刀尖處溫度降低，減少刀具磨損，提高加工精度。較低的摩擦系數 CBN與不同材料間的摩擦系數為0.1-0.3（硬質合金為0.4-0.6），且隨切削速度的提高而減小。這一特性使切削變形和切削力減小，加工表面質量提高。3.7.2 高速加工刀具90加工HRC45以上的硬質材料 例如各種淬硬鋼（工具鋼、合金鋼、模具鋼、軸承鋼等），鑄鐵（釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵、高磷鑄鐵等），高溫合金，硬質合金，粉末金屬表面噴涂（焊）材料等。 PCBN刀具應用金屬軟化效應 用PCBN切削淬硬鋼，工件材料硬度HRC50時，切削