机械制造基础笔记

机械制造技术基础笔记

第三章 切削与磨削原理

3.1.3 前刀面上刀-屑的摩擦与积屑瘤

1.摩擦面上的接触状态

1）峰点型接触（ F 不太大时）：m= f/F=tsAr/ss Ar=ts/ss=常数

此时的摩擦状态为滑动摩擦（外摩擦）。

ss--材料的拉压屈服极限 ts--材料的剪切屈服极限

Aa--名义接触面积 Ar--实际接触面积

2）紧密型接触（F 很大时）： m= f/F= tsAa/F=ts/sav≠常数

此时的摩擦状态为粘结摩擦（内摩擦）。

2.前刀面上刀-屑的摩擦：既有粘结摩擦，也有滑动摩擦，以粘结摩擦为主。

前刀面上的平均摩擦系数可以近似用粘结区的摩擦系数表示：m=

ts/sav≠常数

当前刀面上的平均正应力sav增大时，m 随之减小。

4.积屑瘤

1）现象：中速切削塑性金属时，在前刀面上切削刃处粘有楔形硬块（积屑瘤）。

2）形成原因：

（1）在一定的温度和很大压力下，切屑底面与前刀面发生粘结（冷焊）；

（2）由于加工硬化，滞流层金属在粘结面上逐层堆积（长大）。3)对切削过程的影响

（1）积屑瘤稳定时，保护刀具（代替刀刃切削）；

（2）使切削轻快（增大了实际前角）；

（3）积屑瘤不稳定时，加剧刀具磨损；

（4）降低尺寸精度；

（5）恶化表面质量（增大粗糙度、加深变质层、产生振动）。

--粗加工时可以存在，精加工时一定要避免。

4）抑制方法

（1）避免中速切削；

（2）提高工件材料的硬度（降低塑性）；

（3）增大刀具前角（至30~35o）；

（4）低速切削时添加切削液。

5.剪切角公式

∵第一变形区的剪切变形是前刀面挤压摩擦作用的结果，

∴切削合力Fr的方向就是材料内部主应力的方向，

剪切面的方向就是材料内部最大剪应力的方向。根据材料力学，二者夹角应为p/4，即：

p/4= c+ b- go （tgb= Ff/ Fn= m ）

f= p/4- b+ go --李和谢弗的剪切角公式（1952）

由公式可知：go ↗ → f ↗ → Lh ↘ b(m)↘ →f ↗ → Lh ↘

-前刀面上的摩擦直接影响剪切面上的变形。

3.1.4 影响切削变形的因素

1.工件材料： 强度、硬度↗→sav↗→ m (=ts/sav) ↘→ f↗→ Lh↘

2.刀具几何参数：主要是前角的影响。 go ↗ → f↗ → Lh ↘

3.切削用量

1)切削速度

低速、中速，主要是积屑瘤的影响：

积屑瘤长大时，实际前角gb ↗→ f↗→Lh↘；积屑瘤变小时，实际前角gb↘→f↘→Lh↗；

高速：vc↗→ts↘→m (=ts/sav)↘→ f↗→Lh↘

2)进给量 f↗→hD(=f?sinkr) ↗→f↗→Lh↘；

3)背吃刀量 ap ↗→bD(= ap/ sinkr) ↗

参加切削的刀刃长度增加了，其它条件未改变，所以：Lh基本不变。（见图3.14）

? 以上分析均有实验结果为证。

3.1.5 切屑类型及切屑控制

1.切屑类型（p80 图3.16）

2.切屑的控制-通过合理选择刀具角度、设计卷屑槽或断屑台，可以控制切屑的流向、卷曲程度和使其折断。

3.1.6 硬脆非金属材料切屑形成机理

1.刀具对材料的撕裂作用：

刃口前方的材料受到挤压，刃口下方的材料受到拉伸，所以裂纹多数是向刀刃的前下方裂开。向下延伸的裂纹当能量耗尽后终止，转而向上的裂纹最终到达自由表面形成断裂（越靠近自由表面能量消耗越小）。

2.断裂碎块的大小与刃口距附近自由表面的深度有关，距离越深则碎块越大。

3.硬脆材料的切削过程大致可分4个阶段。（见图3.20，c、d可能会反复进行多次。

§3.2 切削力

3.2.1 切削合力F及其分力

F的来源：作用在前刀面、后刀面、副後刀面处的正压力和摩擦力的合力。 其大小、方向与切削条件有关。为测量和应用方便，通常需将它分解为三个相互垂直的分力，即：

1.主切削力Fc(切向力)：做功最多，用于验算刀具强度、设计机床零件、确定切削功率等；

2.背向力Fp(吃刀抗力、径向力)：不做功，对加工精度影响很大，用于验算工艺系统的强度、刚度。也是引起切削振动的主要作用力。

3.进给力Ff（走刀抗力、轴向力）：用于计算进给功率和验算进给机构的强度。

3.2.2 切削力与切削功率的计算 用理论公式计算切削力，由于推导公式时采用的切削模型过于简化，所以公式不够精确，计算误差较大。生产实践中多用经验公式（把切削实验得到的大量数据经过数学处理得到）计算切削力。

1.指数形式的切削力经验公式：

主切削力： （3.10）

进给力： （3.11）

背向力： （3.12）

对于常用材料，式中的系数CF （与工件材料有关）、指数XF 、YF 、ZF 及切削条件变化时的修正系数KF（共8个） 均可从切削用量手册中查出。

2.由单位切削力计算主切削力

? 单位切削力kc-作用在单位切削面积上的主切削力，单位：N/mm2? kc可以通过实验从下式求得： （3.13）

? 各种工件材料的kc可从手册中查出并按下式计算Fc: Fc=kc Ac KFc （3.14）

式中： KFc-切削条件修正系数

3. 切削功率Pc的计算(此处与教材p84不同）

切削功率即各切削分力所做功之和，可按下式计算：

Pc= Fc vc+Ff vf = Fc vc+Ff f n × 10-3 ≈ Fc vc (W) (3.15)

? 计算Pc主要用于验算机床电机功率Pm，验算公式： Pm﹥ Pc / hm (3.16)

式中：hm --传动效率，新机床取为0.85，旧机床0.75。

3.2.3 影响切削力的因素

影响因素的具体体现就是经验公式中的系数、指数和修正系数。

1.工件材料的影响

强度、硬度↗→切削力↗ 塑性、韧性↗，硬化严重→切削力↗

2.切削用量的影响

1）背吃刀量ap: ap↗→bD(=ap/sinkr) ↗→切削力↗（正比）

∴ ap的指数XF≈1,对ap不需修正。

2)进给量f: f↗→hD(=f?sinkr) ↗（正比）→f↗→Lh↘ 切削力↗但不成正比

∴ f 的指数YF≈0.75～0.9，

当f≠0.3时，需乘以修正系数Kf。

3）切削速度vc:主要与变形程度改变有关。vc≠1.33m/s时，需乘以修正系数Kv。

切脆性材料时，F基本不变。指数ZF≈0

?切削用量三要素对切削力的影响程度： ap影响最大，f其次，vc影响最小。

3.刀具几何参数的影响（对各分力影响不同，需分别修正）

1）前角go : go ↗ → f↗ → Lh ↘ →切削力↘

切脆性材料如铸铁、青铜时，切削力基本不变。

go ≠15O时，需乘以修正系数KgFc 、KgFp 、KgFf 。

2）负倒棱bg:可以在增大前角的同时，兼顾刀刃的强度。 bg /f ↗ →切削力 ↗

bg≠0时，需乘以修正系数KbgFc 、KbgFp 、KbgFf 。

3）主偏角Kr:

对Fc影响不超过10%, Kr=60～75时，Fc最小；

对两个水平分力影响大 Fp↓≈ FD CosKr↑ Ff↑≈ FD sinKr↑

Kr ≠75O时，需乘以修正系数KKFc 、KKFp 、KKFf 。

4)刀尖圆弧半径re: re ↗ →平均Kr↘→Fp↗， Ff↘ re≠0.25时，需乘

以修正系数KrFc 、KrFp 、KrFf 。

5）刃倾角ls：

ls↗→Fc基本不变，Fp↘ ，Ff ↗ ls≠0o时，需乘以修正系数KlFc 、KlFp 、KlFf 。4.刀具材料的影响：

影响刀具-工件间的摩擦系数。m：高速钢＞硬质合金＞涂层刀具＞陶瓷＞CBN

5.切削液的影响：润滑作用越强，切削力越小（低速显著）。

6.後刀面磨损量VB: VB ↗→Fc、Fp、Ff均↗， Fp最显著。

VB＞0时，需乘以修正系数KVBFc 、KVBFp 、KVBFf 。

§3.3 切削热和切削温度

切削过程中温度的变化对切削过程、刀具磨损、加工精度、表面质量等均有重要影响。

3.3.1 切削热的产生和传出

1.产生：切削力做功转变成热能。

三个变形区就是三个热源。生热率：Q≈ Pc ≈ Fc vc (J/S)

2.传出：Q =Q屑 + Q刀 + Q工+Q介

车外圆：Q屑 ＞80%， Q刀 ＜10%， Q工＜10%， Q介≈1%

钻孔：Q屑 ≈ 28%， Q刀 ≈ 14.5%， Q工≈ 52.5%， Q介≈5%

热量的传递使各部分温度q升高。如：

q屑↗有利于减小切削力但不利于断屑；

q刀 过高过低都不好（各种刀具材料都有其适宜工作温度范围）；

q工↗使工件产生热变形，从而影响加工精度；……

?以上分析意在说明：影响切削过程的直接原因不是产生热量的多少，而是各处温度的高低。

3.3.2 切削区的温度分布 由图3.24可知：

1）切削区内各处温度不同（形成温度场）；

2）材料经过剪切面时，温度基本一致，经过前、後刀面时，接触面上的温度迅速升高；

3）最高温度区是在离刃口一段距离的前刀面上；

4）刀刃切过时，已加工表面受到一次热冲击。

?常用的测温方法有：

●红外胶片照相法：测温度场；

●人工热电偶法：测各点温度（温度场）；

●自然热电偶法：测刀-工接触区内的"平均温度"，即通常所说的切削温度。该方法可以用来研究：

3.3.3 影响切削温度的主要因素

切削区内温度的升高，是受到热量的产生和传出双重影响的动态平衡过程。

其主要影响因素有：

1.切削用量：经验公式为 (3.20)

?式（3.20）表明，切削用量三要素对切削温度的影响： vc影响最大，f 其次，ap影响最小。

2.刀具几何参数：

1）前角： go ↗ → f↗ →Lh ↘ → Q ↘ → q ↘

但go＞18o～20o时，go↗→楔角bo↘→散热慢，q↘不显著

2）主偏角：kr ↘ → bD(= ap/ sinkr) ↗(影响小), hD(= f sinkr) ↘ (影响大)→ q ↘

其它参数影响不大。

3.工件材料：

4.刀具磨损：後刀面磨损量VB ↗ → q ↗ 达到一定值后升温剧烈。

5.切削液：降温效果与液温、导热率、比热、流量、粘度、 浇注方式等有关。

§3.4 刀具磨损、破损与使用寿命

? 切削金属时，刀具本身也会发生磨损或破损。这对加工质量、刀具使用寿命、生产率、经济效益等均有影响。此项研究对正确设计、使用刀具及正确选择切削用量也具有重要意义。（本节重点是讨论磨损。）3.4.1 磨损形式

1.前刀面月牙洼磨损:vc较高、hD较大、切塑性金属时发生,衡量指标：KT；

2.后刀面磨损:衡量指标：VB；

3.边界磨损

3.4.2 磨损原因

1.磨料磨损

是低速切削刀具（拉刀、丝锥、板牙等）磨损的主要原因

工件材料内的硬质点：高硬度金属碳化物、氮化物、氧化物等。

2.粘结磨损（冷焊磨损）

中速切削时最严重，与刀-工化学成分、刃磨质量有关。

3.扩散磨损

在紧密接触的表面之间原子会从密度较大的一方扩散到密度较小的一方；扩散速度随切削温度升高而按 指数规律增加（详见P91）；

加入TiC可以减缓扩散速度。扩散结果使表层的耐磨性降低，从而加速磨损。

4.化学磨损 原因有二：

1）高温下氧化；

2）切削液使用不当（极性添加剂中S、Cl的腐蚀作用）。

化学磨损在边界处最严重。

3.4.3 磨损过程及磨钝标准

1.刀具的磨损过程三阶段（如图）

研磨可减缓初期磨损。

2.刀具的磨钝标准-所允许的刀具最大磨损限度（多用VB）。

● ISO规定了刀具的实验室磨钝标准；

●生产中应根据刀具种类、加工要求、切削条件合理确定磨钝标准（查有关手册）。如：

粗加工应以正常磨损阶段终点处的VB；

精加工、切难加工材料时VB应小些；

自动化加工应以刀具径向磨损量NB作为磨钝标准（如图）。

3.4.4 刀具使用寿命及其与切削用量的关系

1. 刀具使用寿命（刀具耐用度）T--刃磨后的刀具达到磨钝标准所需的总切削时间。

T是间接反映刀具是否达到磨钝标准的量（在固定条件下）；

刀具总寿命 = T × 可刃磨次数

刀具使用寿命也可用刀具刃磨一次可切削的总路程Lm衡量： Lm = vc ? T

2. T与切削用量的关系（可通过切削实验求得）

1）T-vc经验公式（泰勒公式）： vc Tm=Co (3.21)

式中：Co-与刀具、工件材料等切削条件有关的常数；m-指数(即图中直线的斜率)。

刀具材料：高速钢 硬质合金 陶瓷

m 值：0.1~0.125 0.2~0.3 0.2~0.4

● m值越大，说明该刀具材料耐热性能越好。

●式（3.21）反映了vc对T的影响程度（一般很大）。

例：用YT15车刀切中碳钢，m=0.2，当v1=100m/min时，

T1=160min ,则当v2=122m/min时，∵v1T1m= v2T2m = Co ∴T2= (v1/v2)1/m?T1=(100/122)1/0.2×160≈60min

当v3=200m/min时，T3=(v1/v3)1/m?T1=(100/200)5×160≈5min --结论：vc提高一点，则T显著下降。

2) f、ap与T的关系：

综合式（3.21~23），可得T与切削用量的一般关系式：

用硬质合金切中碳钢时：x =5 y =2.25 z =0.75

--三要素对T的影响程度：vc最大，f其次，ap最小。这一规律与切削温度有关。

3.4.5 刀具的破损

●磨损是连续的、渐进的发展过程；脆性破损（如崩刃、掉尖、片状剥落、刀片碎裂或刀具折断等）主要发生在硬质合金、陶瓷等脆性刀具材料，具有突发性，属随机事件；塑性破损（如塑性变形、卷刃等）则主要是当切削用量选择不当时高速钢刀具的损坏形式。

?在自动化加工中，脆性破损如不能及时发现，将会导致严重后果，所以日益受到重视。

1. 刀具破损的主要形式及原因

（1）工具钢和高速钢刀具：

1）烧刀-由于切削速度过高，使切削温度超过了刀具材料的相变温度而退火，丧失切削能力。

2）卷刃-由于刀具硬度低而工件整体或局部硬度高导致的刀刃塑性变形。

3）折断-由于刀具设计、使用不当或负荷过重所致，常见于钻头、丝锥、拉刀、立铣刀等。

（2）硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具：

1）崩刃-由于前角过大、刃磨质量差、断续切削、振动、工件余量不均匀、有硬皮、切屑撞击等原因引起的刃口崩落。

2）掉尖或刀片断裂-由于刀具材料有缺陷、裂纹扩展、后角过大、切削用量过大、冲击载荷过大、操作不当等原因造成。

3）片状剥落-主要与切屑与刀具间的粘结有关，多见于断续切削。

4）微裂纹-分为机械疲劳裂纹（平行于刀刃）和热烈纹（垂直于刀刃），主要与焊接应力、交变载荷、受热不均匀等有关。

2. 刀具破损寿命的分布规律

刀具破损寿命N -刀具从开始使用，到发生破损不能使用为止所承受的冲击载荷数。

破损虽是随机现象，却并非无规律可循。大量实验研究表明：硬质合金和陶瓷刀具断续切削条件下的破损寿命接近威布尔分布（详见p94）。只要确定了分布规律，就可以在破损大概率发生之前换刀。

3.刀具破损的防止措施

1）合理选择刀具材料（选强度高、韧性好的）；

2）合理确定刀具几何参数（提高刀尖、刀刃的强度）；

3）合理选择切削用量（避免超负荷）；

4）提高刀具焊接和刃磨质量以减少微裂纹；

5）减少冲击、避免振动。

3.4.5 刀具磨损、破损的检测与监控

●这对于自动化加工十分重要，是保证顺利加工的前提。常用方法有：

1.常规方法

磨损：记录每把刀具实际切削时间，达到规定耐用度值后发出信号换刀。

破损：离线检测刀具是否破损及破损程度以决定是否换刀。

2.切削力（或切削功率）检测法

由测力传感器（安装在主轴前轴承上或刀杆上）在线测量切削力，其增大值反映刀具磨损程度，其突变反映破损。（需通过实验确定磨损与破损的"阈值"）

3）声发射检测法

利用切削过程中声发射信号的大小和阶跃突变判断磨损程度和是否破损。

其装置如p96图3.30所示。

§3.6 磨削原理

磨削是精加工的主要手段，可加工多种材料，包括淬火钢、合金钢、硬质合金、陶瓷、非金属等难加工材料；可加工多种表面，包括螺纹、齿面、花键、各种成形面等。其特点是精度高，可达IT6~IT5甚至更高；粗糙度小，可达Ra0.32~0.04甚至更小。发达国家磨床可占到机床总数

的30~40%，轴承业高达60%。磨削也可用于粗加工，一些高效磨削的金属去除率已超过了切削。

3.6.1 砂轮特性

砂轮可视为具有许多细小刀齿的铣刀，它是由磨料加结合剂经压坯、干燥、焙烧而成，气孔起容屑、散热作用。决定其特性的因素有：

1.磨料-起切削作用，分氧化物系（韧性好，硬度较低，磨各种钢材）、碳化物系（硬、脆，磨铸铁、硬质合金及非金属材料）、高硬磨料系三类，详见p106表3.6。

2.粒度-即磨料颗粒大小。大的用筛子分级，粒度号即每英寸长度上的网眼数；小于40mm的为微粉，粒度以其尺寸表示。

粒度细，则粗糙度小，但生产率低，易烧伤。一般是粗磨、磨软材料选粗粒度；精磨、磨硬脆材料选细粒度。详见下表：

3.结合剂-作用是粘合磨粒，使砂轮成形。常用的有：

1）陶瓷结合剂（代号V）：性质稳定、成本低，用于大多数砂轮。

2）树脂结合剂（代号S）：强度高、弹性好、耐热性差（自锐性好），用于薄片砂轮、高速磨削和容易发生磨削烧伤、磨削裂纹的工序（如磨薄壁件、超精磨、磨硬质合金等）。

3）橡胶结合剂（代号R）：弹性最好。用于无心磨床的导轮、薄片砂轮及抛光砂轮。

4）金属结合剂（代号M）：多为青铜。强度高、成形性好但自锐性差，主要用于金刚石砂轮。

4.硬度-在磨削力作用下，磨粒脱落的难易程度。与结合剂、气孔多少有关，影响砂轮的成形性和自锐性。

粗磨、磨硬材料选软砂轮，精磨、成形磨、磨软材料选硬砂轮。常用硬度为软2至中2。

5.组织-磨粒、结合剂、气孔三者间的比例关系。分紧密、中等、疏松三大类（详见表3.9）。

接触面积大、易烧伤工序、粗磨选疏松组织，以利于冷却和容屑；一般用中等组织。

3.6.2 磨削加工特点

1.磨粒随机分布：间隔不等，高低不齐，形状各异、随时变化。

--有效磨粒只占总数的一小部分（5~20%）。

2.磨削过程复杂--是磨粒对工件表面进行滑擦、刻划和切削三种作用的

综合。

1）初接触时-滑擦阶段。

由于磨粒钝圆（顶角为900~1200）、负前角（平均为-700~-880）、系统变形退让的影响，并未切入工件，但发热严重（占功耗的

70~80%），兼有抛光作用。

2）切入到一定深度时-刻划阶段。 材料塑性变形，向两侧隆起，形成刻痕。

3）切入深度超过临界值后-切削阶段。 此时仍伴有侧向隆起。

●并非所有有效磨粒都经历此三个阶段。

3.背（径）向力FP最大--约是切向力Fc的2~2.5倍，导致系统变形，延长了初磨

和光磨时间，使生产率降低。（可采用"控制力磨削"）

4.磨削温度高--接触区平均温度可达500~8000C,磨削点温度可达10000C。表面瞬时高温会恶化表面质量（烧伤、裂纹、内应力、硬度变化等），工件平均温度升高使加工精度难于控制。（所以应重视冷却液的使用和砂轮的修整。）

修整砂轮的目的：剥除已钝化的磨粒；使磨粒具有等高性和微刃性；恢复砂轮正确廓形。

3.6.3 磨削烧伤及其控制（见P155）

1.磨削烧伤--由于工件表层温度达到或超过其相变温度而导致的 表层金相组织和显微硬度变化、残余应力及微裂纹。磨削淬火钢时，可能产生三种烧伤：

1）回火烧伤；2）淬火烧伤（如图4.58所示）；3）退火烧伤（干磨削时发生）。

2.控制措施

1）合理选择磨削用量；2）提高冷却效果；3）正确选用砂轮；4）选用新结构和新工艺（如开槽砂轮、砂轮粗修整工艺等）。