2023/2/31第3章

金屬切削原理與刀具

本章要點金屬切削刀具金屬切削的基本規律金屬切削基本規律的應用刀具磨損與刀具壽命切削用量的選擇23.1刀具磨損與刀具壽命一、刀具磨損的形態1——正常磨損二、刀具磨損的形態2——非正常磨損（刀具破損）三、刀具磨損的原因四、刀具磨損過程五、刀具壽命（耐用度）及其經驗公式1.刀具壽命定義2.刀具壽命（耐用度）經驗公式3.影響刀具壽命的因素4.刀具壽命的選擇第三節金屬切削基本規律的應用33.2切削用量的選擇一、影響切削變形因素二、切削用量對切削加工的影響三、切削用量制定的步驟——傳統方法四、提高切削用量的途徑五、改善切削加工性的途徑第三節金屬切削基本規律的應用43.1刀具磨損與刀具壽命一、刀具磨損的形態1——正常磨損1.前刀面磨損2.后刀面磨損3.邊界磨損51.前刀面磨損(月牙洼磨損)形成條件：切削塑性材料時，如果切削速度和切削厚度較大，切屑與前面完全是新鮮表面相互接觸和摩擦，化學活性很高，反應劇烈，在接觸面很大，切削液難以滲入。前刀面在高溫高壓由于切屑的作用形成月牙洼。形式：前刀面磨出月牙洼，月牙洼的位置發生在刀具前刀面上切削溫度最高的地方。影響：削弱刀刃強度，降低加工質量。61.前刀面磨損(月牙洼磨損)影響：削弱刀刃強度，降低加工質量。

月牙洼和切削刃之間有一條小棱邊。在磨損過程中，月牙洼的寬度、深度不斷增大，當月牙洼擴展到使棱邊很窄時，切削刃的強度大為削弱，極易導致崩刃。2023/2/372.后刀面磨損形成條件：在切削速度較低、切削厚度較小的情況下切削塑性材料或加工脆性材料時，主要發生后刀面磨損。形式：由于加工表面和刀具后刀面間存在著強烈的摩擦，在后刀面上毗鄰切削刃的地方很快被磨出后角為零的小棱面，這就是后刀面磨損。影響：切削力↑,切削溫度↑,產生振動，降低加工質量。2023/2/383.邊界磨損形成條件：切削鋼料，或加工鑄、鍛等外表皮粗糙的工件時，常在主切削刃靠近工件外表皮處以及副切削刃靠近刀尖處的后刀面上，磨出較深的溝紋，這就是邊界磨損。9刀具磨損的形態

10二、刀具磨損的形態2——非正常磨損（刀具破損）

刀具破損的主要形式：脆性破損和塑性破損。脆性破損：裂紋、崩刃、破碎等，塑性破損：卷刃（刀刃塑性變形）。用陶瓷、超硬刀具材料制成的刀具進行斷續切削，或者加工高硬度材料時，刀具的脆性破損就更加嚴重。3.1刀具磨損與刀具壽命11形式狀況實例脆性破損硬質合金和陶瓷刀具在機械應力和熱應力沖擊作用下常發生。1)崩刃切削刃上產生小的缺口。缺口尺寸較小時，刀刃還能繼續切削。但在繼續切削過程中，刃區崩損部分會迅速擴大，可能使刀具完全失效。陶瓷刀具切削時；硬質合金刀具斷續切削時2)破碎切削刃上發生小塊碎裂或大塊斷裂，不能繼續正常切削。硬質合金和陶瓷刀具斷續切削時3)剝落在前、后刀面上幾乎平行于切削刃而剝下一層碎片，經常連切削刃一起剝落。陶瓷刀具端銑時4)裂紋較長時間連續切削后，由于疲勞而引起裂紋的一種破損。有熱裂紋；機械疲勞裂紋，當這些裂紋不斷擴展合并，就會引起切削刃的碎裂或斷裂。塑性破損由于高溫和高壓的作用，在前、后刀面和切屑、工件的接觸層上，刀具表層材料發生塑性流動而喪失切削能力。高速鋼刀具因其耐熱性較差，易出現12三、刀具磨損的原因

刀具與切屑、工件間的接觸表面經常是新鮮表面；前、后刀面上的接觸壓力很大，有時超過被切材料的屈服強度；接觸面的溫度也很高，如硬質合金加工鋼料時可達800~1000℃。因此，刀具磨損是機械的、熱的和化學的三種作用的綜合結果。3.1刀具磨損與刀具壽命2023/2/313形式狀況實例1.磨粒磨損碳化物（Fe3C、TiC等）、氮化物（AlN、Si3N4等）和氧化物（SiO2、Al2O3等）等硬質點以及積屑瘤碎片等，在刀具表面刻劃出溝紋。在各種切削速度下都存在，它是低速刀具(如拉刀、板牙等)磨損的主要原因。2.粘結磨損切屑、工件與前、后刀面之間，存在著很大的壓力和強烈的摩擦，形成新鮮表面接觸而發生冷焊粘結。刀具表面上的微粒逐漸被切屑或工件粘走。高速鋼、硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具都可能發生。硬質合金具在中等偏低的切削速度下切削塑性金屬時，磨損比較嚴重。3.擴散磨損高溫下，刀具和工件、切屑雙方的化學元素互相擴散到對方去，改變了原來材料的成分與結構，削弱了刀具材料的性能，加速磨損過程。擴散磨損的快慢和程度與刀具材料中化學元素的擴散速率關系密切。4.化學磨損較高溫度下，刀具材料與某些周圍介質起化學作用，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。空氣不易進入刀—屑接觸區，化學磨損中因氧化而引起的磨損最容易在主、副切削刃的工作邊界處形成，從而產生較深的磨損溝紋。5.相變磨損刀具材料（高速鋼）因切削溫度升高達到相變溫度（550~600°C）時，使金相組織發生變化，硬度降低而造成磨損。14溫度對磨損的影響

①磨粒磨損②粘結磨損③擴散磨損④化學磨損在低速(低溫)區以磨粒磨損和粘結磨損為主；在高速(高溫)區以擴散磨損和化學磨損為主。15四、刀具磨損過程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3.1刀具磨損與刀具壽命16階段原因特點初期磨損1）新刃磨的刀具切削刃較鋒利，其后刀面與加工表面接觸面積很小，壓應力較大；2）后刀面存在微觀不平等缺陷。磨損很快。一般初期磨損量為0.05-0.10mm。正常磨損經初期磨損后，刀具的粗糙表面已經磨平，承壓面積增大，壓應力減小，磨損速率明顯減小磨損比較緩慢均勻。后刀面磨損量隨切削時間延長而近似地成比例增加。刀具工作的有效階段。急劇磨損刀具經過正常磨損階段后，切削刃變鈍，切削力、切削溫度迅速升高，磨損速度急劇增加，以致刀具損壞而失去切削能力。磨損強度很大，生產中應當避免達到這個磨損階段，要在這個階段到來之前，及時更換刀具或重新刃磨刀具。17硬質合金車刀的典型磨損曲線YD05-30CrMnSiA；go=4o，ao=8o，kr=45o，ls=-4o；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm18五、刀具壽命（耐用度）及其經驗公式1.定義（1）刀具壽命：刃磨后的刀具自開始切削直到磨損量達到磨鈍標準（刀具磨損到不能繼續使用的限度，常取后刀面最大允許磨損量VB）為止的切削時間稱為刀具壽命（耐用度）。（2）刀具總壽命：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。3.1刀具磨損與刀具壽命192.刀具壽命（耐用度）經驗公式式中CT

、m、n、p

為與工件、刀具材料等有關的常數。五、刀具壽命（耐用度）及其經驗公式20刀具壽命經驗公式的應用用硬質合金刀具切削碳鋼（=0.763GPa）時，有

可知：v

的影響最顯著；f次之；ap

影響最小。213.影響刀具壽命的因素1）切削用量2）工件材料3）刀具幾何角度4）刀具材料五、刀具壽命（耐用度）及其經驗公式22切削用量切削用量對刀具壽命Ｔ的影響規律如同對切削溫度的影響。切削速度vc、背吃刀量ap、進給量f增大，使切削溫度提高，刀具壽命Ｔ下降。Vc影響最大、進給量f其次，ap影響最小。工件材料1）工件材料的硬度或強度提高，使切削溫度提高，刀具磨損加大，刀具壽命Ｔ下降。2）工件材料的延伸率越大或導熱系數越小，切削溫度越高，刀具壽命Ｔ下降。刀具幾何角度1）前角對刀具壽命的影響呈“駝峰形”。2）主偏角Κr減小時，使切削寬度增大，散熱條件改善，故切削溫度下降，刀具壽命Ｔ提高。刀具材料刀具材料的高溫硬度越高、越耐磨，刀具壽命Ｔ越高。23不同刀具材料的耐用度比較

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）1235681020304060800600500400300200100806050切削速度v（m/min）合理的刀具壽命則應根據優化的目標而定。最高生產率刀具壽命：單位時間生產最高數量產品或加工每個零件所消耗的生產時間為最少。最低成本刀具壽命：以每件產品（或工序）的加工費用最低為原則。多采用最低成本刀具壽命。五、刀具壽命（耐用度）及其經驗公式4.刀具壽命的選擇25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（4-1），對T求導，并令其為0，可得到最大生產率刀具壽命為：又：最高生產率壽命式（4-1）26式中C0——工序成本；

Cm

——機時費；

Ct——刀具費用

使工序成本最小的刀具壽命。以車削為例，工序成本為：仍令f，ap為常數，采用相同方法，可得到經濟壽命為tmCm刀具費用taCmC0刀具耐用度Top成本經濟壽命最低成本壽命27刀具壽命的選擇1)刀具的復雜程度和制造、重磨的費用簡單的刀具如車刀、鉆頭等壽命選得低些；結構復雜和精度高的刀具，如拉刀、齒輪刀具等，壽命選得高些；同一類刀具，尺寸大的，制造和刃磨成本均較高，壽命規定得高些。2)裝卡、調整比較復雜的刀具多刀車床上的車刀，組合機床上的鉆頭、絲錐、銑刀以及自動機及自動線上的刀具，壽命應選得高一些，一般為通用機床上同類刀具的2-4倍。3)生產線上的刀具壽命應規定為一個班或兩個班，以便能在換班時間內換刀。4)精加工尺寸很大的工件為避免在加工同一表面時中途換刀，壽命應規定得至少能完成一次走刀。28切削用量選擇原則：能達到零件的質量要求在工藝系統強度和剛性允許下充分利用機床功率和發揮刀具切削性能的前提下選取一組最大的切削用量

3.2切削用量的選擇29一、影響切削變形因素1.工件材料2.刀具前角3.切削用量3.2切削用量的選擇30二、切削用量對切削加工的影響

加工質量精加工時，提高切削速度Vc，能降低表面粗糙度值；增大進給量將增大加工表面粗糙度值；背吃刀量ap對表面粗糙度的影響較小。

生產率在切削加工中，金屬切除率與切削用量三要素ap、f、v均保持線性關系，即其中任一參數增大一倍，都可使生產率提高一倍。由于刀具壽命的制約，當任一參數增大時，其它二參數必須減小。在制訂切削用量時，三要素獲得最佳組合，高生產率才是合理的。原則：優先增大ap，以求一次進刀全部切除加工余量。刀具壽命切削用量三要素對刀具壽命影響的大小，按順序為Vc、f、ap遞減。原則：采用盡可能大的背吃刀量ap→大的進給量f→求出切削速度Vc。31二、切削用量對切削加工的影響

合理選擇切削用量，應該：首先選擇一個盡量大的背吃刀量ap，其次選擇一個大的進給量f。最后根據已確定的ap和f，并在刀具壽命和機床功率允許條件下選擇一個合理的切削速度Vc。3.2切削用量的選擇32三、切削用量制定的步驟——傳統方法

1.背吃刀量ap的選擇背吃刀量的選擇

：根據加工余量確定粗加工（Ra50~12.5）8~10mm半精加工（Ra6.3~3.2）0.5~2mm精加工（Ra1.6~0.8）0.1~0.4mm3.2切削用量的選擇33三、切削用量制定的步驟——傳統方法

2.進給量f的選擇粗加工時，進給量f的選擇主要受切削力的限制；半精加工和精加工時，進給量的選擇主要受加工表面質量的限制。3.2切削用量的選擇3.切削速度Vc的確定

：當背吃刀量aP與進給量f選定后，即可按下式計算切削速度v：切削速度確定之后，即可算出機床轉速n：n＝1000v/πdwr／s式中dw——工件未加工前的直徑。所選定的轉速應根據機床說明書最后確定(取較低而相近的機床轉速n)，最后應根據選定的轉速來計算出實際切削速度。三、切削用量制定的步驟——傳統方法

公式（3－1）在選擇切削速度時，還應注意考慮以下幾點(1)精加工時．應盡量避免積屑瘤和鱗刺的產生區域；(2)斷續切削時，宜適當降低切削速度，以減小沖擊和熱應力；(3)加工大型、細長、薄壁工件時，應選用較低的切削速度；(4)在易發生振動的情況下，切削速度應避開自激振動的臨界速度；(5)加工帶外皮的工件時，應適當降低切削速度36三、切削用量制定的步驟——傳統方法

4.校驗機床功率(僅對粗加工)

首先根據所選定的切削用量，計算出切削功率P：P＝Fv10-3kw

然后根據機床說明書，查出機床電動機功率PE,校驗下列條件是否滿足：

P＜PEηm式中ηm

———機床傳動效率如不能滿足上式，要進行分析，適當減小所選的切削用量。公式（3－2）37已知條件：工件材料為45鋼（熱軋），σb=0.637GPa。毛坯尺寸φ50×350mm，加工要求為外圓車削至φ44mm，Ra3.2μm，加工長度300mm。CA6140臥車。刀具為焊接式硬質合金外圓車刀，刀片材料為YT15，刀桿截面尺寸為16mm×25mm；幾何參數為γo=15°，αo=8°，κr=75°，κr′=10°，λs=6°，rε=1mm，bγ1′=0.3mm,γo1=-10°。試確定車削外圓的切削用量？解：因表面粗糙度有一定要求，所以分粗車、半精車兩個工步加工。1.粗車工步：（1）確定背吃刀量ap單邊余量共3mm，粗車選ap1=2.5mm;半精車選ap2=0.5mm；（2）確定進給量：從表1-7查得f=0.4—0.5mm/r，按實際說明書查得f=0.51mm/r；（3）確定切削速度由表3-6查得或由公式（3-1）計算，由表查得：v=90m/min，再由（3-2）求出機床主軸轉速：

n=1000v/πdw=1000X90/3.14X50=573r/min按機床說明書選取實際機床的主軸轉速為560r/min，所以實際轉速為：Vc=πdwn/1000=87.9m/min（4）校驗機床功率（略）

最終選配的粗車切削用量為Vc=87.9m／min，f=0.51mm/r，ap=2.5mm。2.半精車工步：（1）確定背吃刀量ap=0.5mm；（2）確定進給量：根據表面粗糙Ra3.2μm,rε=1mm，從表3-4查得f=0.3—0.35,按說明書實際進給量確定f=0.3mm/r；（3）確定切削速度：從表3-6選取：Vc=130m/min，再計算機床轉速：按機床說明書選取實際機床的主軸轉速為900r/min，所以實際轉速為：Vc=πdwn/1000=127.2m/min（4）校驗機床功率（略）最終選配的半精車切削用量為：ap=0.5mm，f=0.3mm/r，Vc=127.2m/min。42四、提高切削用量的途徑1.采用切削性能更好的新型刀具材料；在ap=1mm，f=0.18mm/r的條件下，車削

350～400HBS的高強度鋼時，普通高速鋼車刀：υc＝15m/min，硬質合金車刀：υc＝76m/min，涂層硬質合金車刀：υc=130m/min，陶瓷刀具：υc＝335m/min。3.2切削用量的選擇43四、提高