第二章 金属切削原理1

x Fc 、y F 、 Fc ； n xFP 、 FP 、 FP ；——背吃刀量 a 、进给量 f 和切削速度 v 的指数； y n p x F f y F f nF
c
、 、
P
f
K K K Fc 、 F 、 F ——各种因素对切削力的修正系数的乘积。
f
式（2-1）中的系数可在切削用量手册中查到。（表2-2）
2.刀具角度的参考平面
（1）切削平面(ps）：过主切削刃上一点并与工件加工表面相切的平面。 （2）基面(pr)：过主切削刃上一点并与该点切削速度方向相垂直的平面。 （3）正交平面(po)：过主切削刃上一点且垂直于主切削刃在基面上的投影。
3.刀具的标注角度（主要有5个） （1）前角 0（2）后角 0 （3）主偏角 r（4）副偏角 r（5）刃倾角 s
3.硬质合金 它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC）为基体，以Co， Ni等为粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金。耐磨（74~82HRC）、 耐热性（850 ~1000℃）好，许用切削速度是高速钢的6倍，但强度和韧 性比高速钢低、工艺性差。 钨钴类（YG类）硬质合金韧性好，但切削韧性材料时，耐磨性差。适 用于加工铸铁、青铜等脆性材料。 钨钴钛类（YT类）硬质合金比YG类硬度高、耐热好，在切削韧性材料 时的耐磨性好，但韧性差，一般适用于加工钢件。
2.切屑的类型及其控制 工件材料不同，切削过程的变形程度也不同，因而产 生的切屑种类也是多种多样如图2-32所示。
切屑控制是指在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折 断，形成“可接受”的良好切屑。图2-33切屑分类法。
衡量切屑可控性的主要标准是：不妨碍正常的加工；不影响操作者的安全； 易于清理、存放和搬运。
二、切削力的经验公式和切削力估算
1.计算切削力的经验公式 常用的指数公式的形式为：
Fc CFc aPFc f
x
y Fc
v
nFc
K Fc
FP CFP a
x FP P
xF f
f
y FP
yFf
v
v
nFP
K FP
（2-1）
F f CF f aP f
c c
c
nF f
K Ff
C C C 式中 ： F 、 F 、 F ——系数，由被加工材料性质和切削条件来决定；
消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pc。切削功率为力Fc 和Ff所消耗的功率之和，因Fp方向没有位移，所以不消耗功率。 于是：
Pc ( Fc v
F f nW f 1000
) 10
3
公式右侧第二项消耗功率很小（1%~2%），可忽略不计。
则：
Pc Fc v 103
PE Pc
求得切削功率后，机床主运动电动机功率为：
3.积屑瘤现象
在切削速度不高而又能形成连续切屑时，加工一般钢料或其它塑性材 料时，常常在前刀面靠近刀尖处粘附着一块呈楔状的金属，其硬度很高， 通常是工件材料硬度的2~3倍，称为积屑瘤。
积屑瘤对切削过程的影响：
1) 积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而 保护了刀刃，减少了刀具的磨损。 2) 积屑瘤使刀具的实际工作前 角增大，积屑瘤越高，实际工 作前角越大，刀具越锋利。 3) 积屑瘤前端伸出切削刃外， 直接影响加工尺寸精度。 4) 积屑瘤直接影响工件加工表 面的形状精度和表面粗糙度。 积屑瘤不可控，可通过改变 切削条件防止其产生。
3、人造金刚石
人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转换而成。 其具有很高硬度和耐磨性，很好的导热性和很低的热膨胀系数，低于其它 刀具材料的摩擦系数。其缺点是：耐热性差，强度低、脆性大、对振动很 敏感，与铁的亲和力强。
第三节 金属切削过程及其物理现象
金属切削过程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的过程，会出现切削力、 切削热、积屑瘤、刀具磨损和加工硬化等现象。
第二节 刀具材料
一、刀具材料应具备的性能
1.高的硬度 2.高的耐磨性 3.高的耐热性 4.足够的强度和韧性 5.良好的工艺性 6.良好的热物理性和耐热冲击性能
二、常用的刀具材料
各种刀具材料的特性，见表2-1
1.碳素工具钢与合金工具钢
碳素工具钢是含碳量最高的优质钢（0.7~1.2%C），淬火后具有较 高的硬度，而且价格低廉。但耐热性较差且淬火时易产生变形和裂纹。 合金工具钢是在碳素工具钢中加入了少量的 Cr、W、Mn、Si等合金 元素形成的刀具材料。使其耐热性有所提高，热处理变形有所减小。 2.高速钢 它是含有较多W、 Cr、V合金元素的高合金工具钢。其有较高的耐热 性，其许用切削速度为30~50m/min，是碳素工具钢的5~6倍，而且 它的强度、韧性和工艺性都较好。 提高高速钢的硬度和耐磨性的措施： 1）在高速钢中添加新的元素 （加Al使硬度为70HRC，耐热超过600℃） 2）粉末冶金高速钢 （消除碳化物偏析且细化晶粒，提高韧性、硬度， 减小热处理变形）
a）
b）
c）
刀具与工件接触的区域可分为三个变形区，如图2-31所示。
图 2-31
第一变形区金属的剪切变形
第一变形区：滑移面附近的区域，在此区域内产生塑性变形形成切屑。 第二变形区：前刀面附近的区域，切屑受到前刀面挤压和摩擦，使切屑卷曲。 第三变形区：刃口附近的以加工表面区域，刀具后面及刃口钝圆与已加工表 面摩擦和挤压，形成已加工表面。
三、新型刀具材料
1、陶瓷材料
陶瓷刀具以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）为主要成分，经压制 成型后烧结而成。陶瓷刀具比硬质合金有更高的硬度、耐磨性、耐热性、 化学稳定性和抗烧结性能，而摩擦系数则较小。其刀具耐用度可比硬质合 金高几倍到几十倍。陶瓷刀具的最大缺点是强度低、韧性差、脆性大。
2、立方氮化硼
克服常用硬质合金强度低、韧性差、脆性大、易崩刃的措施：
1）调整化学成分 （添加少量碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）即有高 硬度又有好韧性）
2）细化合金的晶粒 （超细晶粒硬度90~93HRA，抗弯强度可达 2.0GPa）
3）采用涂层刀片 （在YG类硬质合金基体表面，涂敷5~10μm厚的一 层TaC或NbC ）
Qz≈1000V ap f Pc—切削功率（kW）。 Pc=FcV ×10-3=kca Pf V ×10-3
将QZ和Pc代入式（2-3），得：
Ps
kc vap f 103 1000vap f
kc 106
（2-4）
影响切削力的主要因素有：工件材料、切削用量、刀具几何参数、 刀具材料、刀具磨损状态和切削液。
立方氮化硼（CBN）是20世纪70年代发展起来的一种人工合成的新 型刀具材料，它是由立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。 其硬度很高，可达8000~9000HV，仅次于金刚石（10000HV），有很 好的热稳定性，耐热温度可达1400~1500℃，比金刚石高一倍，其最大 优点是在高温（1200~1300℃）是也不会与铁族金属起反应。
积屑瘤
第四节 切削力与切削功率
一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率
1. 切削力的来源
1）克服被加工材料弹性变形的抗力； 2）克服被加工材料塑性变形的抗力； 3）克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具 后刀面对过渡表面与已加工表面之 间的摩擦力。
2. 切削合力及其分解
上述各力的总和形成作用在刀 具上的合力F。实际中可分解为Ff、 Fp、Fc三个分力。
（1）切削用量（三要素）
1）切削速度vc 在单位时间内，工件和刀具沿主运动方向的相对位移。 主运动为旋转运动：
vc
主运动为往复直线运动：
d w n
1000 60
2 Lnr 1000 60
m/s
vc
m/s
2）进给量 f
（单位 mm/r或 mm/行程）
vf = nf = nzfz mm/s
3）背吃刀量（切削深度）ap
dw dm ap 2
mm
(2) 切削层几何参数（图2-2）
切削层是指工件上正在被切削刃切削的一层金属。 1）切削宽度 aw 沿主切削刃方向度量的切削层尺寸（mm） 车外圆时：
aw
ap
sin k r
2) 切削厚度 ac 两相邻加工表面 间的垂直距离（mm）。车外圆时：
2. 按单位切削力计算切削力和切削功率
单位切削力kc是指单位切削面积上的切削力：
kc
Fc F F c c AC aP f aC aW
Pc Qz
（2-2）
单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率Ps
Ps
kW/(mm3·s-1)
(2-3)
式中
Qz—单位时间内的材料切除率（mm3/s)：
ac f sin kr
3）切削面积 Ac 切削层垂直于切削 速度截面内的面积（mm2）。
Ac aw ac a p f
二、刀具角度
1.刀具切削部分的组成
以车刀为例：其切削部分由前面、主后面、副后面、主切削刃、副 切削刃和刀尖组成。（即：三面两刃一尖）
其它各类刀具，都可以看作是车刀的 演变和组合（图2-4）
4.刀具的工作角度
（1）刀具安装位置对工作角度的影响（图2-8，图2-9）
（2）进给运动对工作角度的影响 （图2-10，图2-11）
三、刀具种类
1.刀具分类 1） 按加工方式和具体用途分 3）按结构形式分 2.常用刀具简介 （1）车刀 图2-12 常用 图2-13 机夹 2）按所用材料性质分 4）按是否标准化分
图2-14 可转位
（2）孔加工刀具
图2-15 麻花钻，图2-16 群钻，图2-17 中心钻，图2-18 深孔钻， 图2-19 扩孔钻，图2-20 铰刀，图2-21 镗刀
（3）铣刀
（4）拉刀