第1章金屬切削原理與刀具

1、第1章 金屬切削原理與刀具1.1 切削運(yùn)動(dòng)及刀具結(jié)構(gòu)1.2 金屬切削基本規(guī)律1.3 刀具磨損與耐用度1.4 金屬切削效益分析1.1 切削運(yùn)動(dòng)及刀具結(jié)構(gòu)1.1.1 切削運(yùn)動(dòng)及切削用量1.1.2 刀具材料1.1.3 車刀的形狀及幾何角度1.1.4 刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)工件角度的變化1.1.1 切削運(yùn)動(dòng)及切削用量1. 零件表面的形成及切削運(yùn)動(dòng)2. 切削用量3. 切削層幾何參數(shù)1. 零件表面的形成及切削運(yùn)動(dòng)機(jī)器零件的形狀雖很多，但分析起來，主要由下列幾種表面組成，即外圓面、內(nèi)圓面（孔）、平面和成形面。因此，只要能對(duì)這幾種表面進(jìn)行加工，就基本上能完成所有機(jī)器零件的加工。外圓面和內(nèi)圓面（孔）是以某

2、一直線為母線，以圓為軌跡，作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的表面。平面是以一直線為母線，以另一直線為軌跡，作平移運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的表面。成形面是以曲線為母線，以圓或直線為軌跡，作旋轉(zhuǎn)或平移運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的表面。上述各種表面，可分別用圖1-1所示的相應(yīng)的加工方法來獲得。由圖可知，要對(duì)這些表面進(jìn)行加工，刀具與工件必須有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就是所謂切削運(yùn)動(dòng) 切削運(yùn)動(dòng)包括主運(yùn)動(dòng)（圖中）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（圖中）。主運(yùn)動(dòng)是切下切屑最基本的運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是使金屬層不斷投入切削，從而加工出完事表面所需的運(yùn)動(dòng)。各種切削加工方法（車削、鉆削、刨削、銑削、磨削和齒輪加工等）都是為了加工某種表面而發(fā)展起來的，因此，也都有其特定的切削運(yùn)動(dòng)。切削運(yùn)動(dòng)

3、有旋轉(zhuǎn)的，也有直行的；有連續(xù)的，也有間歇的。圖1-1 零件不同表面加工時(shí)的切削運(yùn)動(dòng)圖1-2 車外圓的切削要素2. 切削用量（1）切削速度 在單位時(shí)間內(nèi)，工件和刀具沿主運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移。單位為m/s或m/min。（2）進(jìn)給量 工件或刀具運(yùn)動(dòng)在一個(gè)工作循環(huán)（或單位時(shí)間）內(nèi)，刀具與工件之間沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的相對(duì)位移。（3）切削深度ap 待加工表面與已加工表面間的垂直距離，單位為mm。3. 切削層幾何參數(shù)切削層是指工件上正被切削刃切削的一層材料，即兩個(gè)相鄰加工表面之間的那層材料。以車外圓為例（圖1-2），切削層就是工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，切削刃所切下的一層材料。為簡(jiǎn)化計(jì)算工作，切削層的幾何參數(shù)一般在垂直于切削速

4、度的平面內(nèi)觀察和度量，它們包括切削厚度、切削寬度和切削面積。（1）切削厚度 ac 兩相鄰加工表面間的垂直距離，單位為mm。如圖1-2所示，車外圓時(shí)：ac= fsinkr (mm)（2）切削寬度 aw 沿主切削刃度量的切削層尺寸，單位為mm。車外圓時(shí)（圖1-2）：aw= ap/sinkr (mm)（3）切削面積A 切削層在垂直于切削速度截面內(nèi)的面積，單位為mm2。 1.1.2 刀具材料1. 刀具材料應(yīng)具備的性能2. 常用的刀具材料 1. 刀具材料應(yīng)具備的性能（1） 高的硬度和耐磨性（2）足夠的強(qiáng)度和韌性（3）高的耐熱性（熱穩(wěn)定性）（4）良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能（5）良好的工藝性能（6）經(jīng)濟(jì)

5、性2. 常用的刀具材料（1）碳素工具鋼及合金鋼碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質(zhì)鋼（含碳量0.7%1.2% 如T10、T12A等）淬火后碳度較高的耐熱性較差（表1-1）。在碳素工具鋼中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素形成合金工具鋼，如（9SiCr、CWMn等）。可適當(dāng)減少熱處理變形和提高耐熱性（表1-1），由于這兩種材料的耐熱性較低，目前主要用來制造一些切削速度不太高的手動(dòng)工具，如銼刀、鋸條、鉸刀等較少用來制造其它刀具。（2）高速鋼高速鋼是一種加入了較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼具有較高的熱穩(wěn)定性，在切削溫度高達(dá)到500650時(shí)，尚能進(jìn)行切削。與碳素工具鋼和合金工具鋼相比，

6、高速鋼能提高切削13倍，提高刀具耐用度1040倍，甚至更多。它可以加工從有色金屬到高溫合金的范圍廣泛的材料。高速鋼具有高的強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度為一般硬質(zhì)合金的23倍，為陶瓷的56倍）和韌性，具有一定的硬度（6370HRC）和耐磨性，適合于各類切削刀具的要求，也可用于在剛性較差的機(jī)床上加工。高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單，容易磨成鋒利切削刃，能鍛造，這一點(diǎn)對(duì)形狀復(fù)雜及大型成形刀具非常重要，故在復(fù)雜刀具（鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等）制造中，高速鋼仍占主要地位。高速鋼材料性能較硬質(zhì)合金和陶瓷穩(wěn)定，在自動(dòng)機(jī)床上使用較可靠（3）硬質(zhì)合金1）硬質(zhì)合金的特點(diǎn)硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、

7、NbC等）和金屬粘結(jié)劑（如Co、Ni等）經(jīng)粉末冶金方法制成的。由于硬質(zhì)合金成分中都含有大量金屬碳化物，這些碳化物都有熔點(diǎn)高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質(zhì)合金的硬度為8993HRA，比高速鋼的硬度（8386.6HRA）高。在8001000時(shí)尚能進(jìn)行切削。在540時(shí)，硬質(zhì)合金的硬度為8287HRA，相當(dāng)于高速鋼的常溫硬度，在760時(shí)仍能保持7785HRA。因此，硬質(zhì)合金的切削性能比高速鋼高得多，刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍，在耐用度相同時(shí)，切削速度可提高410倍。常用硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度為0.91.5Gpa，比高速鋼的強(qiáng)度低得多，斷裂韌

8、度也較差（見表1-1）。因此。硬質(zhì)合金刀具不能像高速鋼刀具那樣能夠承受大的切削振動(dòng)和沖擊負(fù)荷。2）常用硬質(zhì)合金的分類及性能目前主要應(yīng)用的硬質(zhì)合金有下列四類，表1-3為其化學(xué)成分及性能。表1-4 硬質(zhì)合金的用途 （4） 陶瓷刀具 陶瓷刀具的主要成分是Al2O3，陶瓷刀具的硬度高、耐磨性好、耐熱性高（表1-1），允許使用較高的切削速度，加工Al2O3的價(jià)格低廉、原料豐富，因此有很好的發(fā)展前途。但陶瓷材料性脆怕沖擊，切削時(shí)易崩刃，所以如何提高其抗彎強(qiáng)度已成為各國(guó)研究的工作重點(diǎn)。近十年來，各國(guó)已先后研制成功“金屬陶瓷”，如我國(guó)研制成的AM、AMF、AMT、AMMC等牌號(hào)的金屬陶瓷，其成分除Al2O3外

9、，還含有各種金屬元素，抗彎強(qiáng)度比普通陶瓷刀片高。 （5） 其它刀具材料 1） 人造金剛石 人造金剛石硬度極高（10000HV），耐熱性為700800。聚晶金剛石大顆?？芍瞥梢话闱邢鞯毒撸瑔尉⒘Ｖ饕瞥缮拜?，金剛石可以加工高硬度而具耐磨的硬合金、陶瓷、玻璃外，還可以加工有色金屬及其合金，但不宜加工鐵族金屬，這是由于鐵和碳原子的親和力較強(qiáng)，易產(chǎn)生粘結(jié)作用而加快刀具磨損。 2）立方氮化硼（CBN） 立方氮化硼是人工合成的又一種高硬材料，硬度（73009000HV）僅次于金剛石。但它的耐熱性為化學(xué)穩(wěn)定性大大高于金剛石，能耐13001500的高溫，并且與鐵族金屬的親和力小，因此它的切削性能好，不但適合

10、于非鐵族難加工材料的加工，也適合于鐵族材料的加工。1.1.3 車刀的形狀及幾何角度1. 刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素。2. 刀具角度參考系3. 刀具的標(biāo)注角度4. 刀具角度的換算5. 刀具工作角度的計(jì)算1. 刀具切削部分的結(jié)構(gòu)要素。圖1-3各種刀具切削部分的形狀圖1-4刀具切削部分的構(gòu)造要素2. 刀具角度參考系（1）刀具切削角度的參考平面1）切削平面。2）基面（2） 刀具標(biāo)注角度的參考系圖1-5 刀具切削角度的示意圖圖1-6 橫車的基面和切削平面圖1-7 刀具標(biāo)注角度的參考系 圖1-8 縱（橫）剖面參考系 圖1-9 各參考系的參考平面3. 刀具的標(biāo)注角度圖1-10 車刀的標(biāo)注角度4. 刀具角度的換算

11、圖1-11法剖面內(nèi)的角度 圖1-12法向前角n 5. 刀具工作角度的計(jì)算圖1-13 任意剖面內(nèi)的角度變換 圖1-14 橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)工作角度的影響圖1-15 外圓車刀的工作角度圖1-16 刀尖安裝高低對(duì)工件角度的影響圖1-17 鏜刀的工件角度1.1.4 刀桿中心線與進(jìn)給方向不垂直時(shí)工件角度的變化如圖1-18所示，車刀刀桿與進(jìn)給方向不垂直時(shí)，主偏角和副偏角將發(fā)生變化： （1-26）式中 G進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的垂直線和刀桿中心線間的夾角（平面上的安裝角） 圖1-18 刀桿中心線不垂直于進(jìn)給方向1.2 金屬切削基本規(guī)律1.2.1 切屑種類及形成機(jī)理1.2.2 金屬切削過程中的變形規(guī)律1.2.3 切削的加工

12、硬化與殘余應(yīng)力1.2.4 積屑瘤和鱗刺1.2.5 切削力與切削功率1.2.6 切削熱、切削溫度及切削液1.2.1 切屑種類及形成機(jī)理1. 切屑種類及其相互關(guān)系2. 切屑形成機(jī)理1. 切屑種類及其相互關(guān)系（1）帶狀切屑 （2）擠裂切屑 （3）單元切屑 （4）崩碎切屑 圖1-19 切屑的各種形態(tài)表1-7切屑形態(tài)的影響因素及其對(duì)切削加工的影響2. 切屑形成機(jī)理研究切屑形成機(jī)理 多采用直角切削方式（s= 0）有關(guān)切屑形成過程的理論很多，最簡(jiǎn)單而形象化的模型是將切屑形成比擬為推擠一疊卡片的情況（圖1-20a）。當(dāng)?shù)毒咦饔糜谇行紝?，切削刃由a至o時(shí)，整個(gè)切削層單元OMma就沿著OM面發(fā)生剪切滑移；或者OM

13、不動(dòng)，平行四邊形OMma受到剪應(yīng)力的作用，變成了平得四邊形OMm1a1（圖1-20b）。實(shí)際上，切屑單元在刀具前刀面的作用下還受到了塑性擠壓，因而形成了底邊膨脹為Oa2，近似梯形的切屑單元OMm2a2，許多梯形選加起來就迫使切屑向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)（圖1-20c）。從力學(xué)觀點(diǎn)來看，刀具前刀面對(duì)切削層金屬所作用的壓力對(duì)切屑產(chǎn)生一個(gè)彎曲力矩，迫使切屑卷曲。由以上切屑形成過程的典型模型可以看出，切屑形成過程是切削層金屬在刀具的擠壓作用下產(chǎn)生塑性壓縮，主要是以剪切滑移的方式產(chǎn)生塑性變形而形成為切屑的過程。圖1-20 切屑形成過程的典型模型1.2.2 金屬切削過程中的變形規(guī)律1. 切削區(qū)的變形范圍2. 切削

14、過程變形的表示方法變形系數(shù)3. 剪切面與剪切角4. 剪切區(qū)的變形5. 變形系數(shù)與剪應(yīng)變的關(guān)系1. 切削區(qū)的變形范圍一般地將整個(gè)切削區(qū)切分為三個(gè)變形區(qū)（圖1-21），即：（1）第一變形區(qū)（），也就是剪切區(qū)。是產(chǎn)生變形的主工區(qū)域。此區(qū)涉及變形的種類與狀態(tài)，也即被切削材料應(yīng)力應(yīng)變特性和強(qiáng)度的問題，因此直接與切削過程中的切削力及所消耗的功率有關(guān)。（2）第二變形區(qū)（），也就是刀屑接觸區(qū)。是前刀面與切屑產(chǎn)生摩擦的區(qū)域。此區(qū)涉及摩擦、潤(rùn)滑和磨損等問題。由第一變形區(qū)的變形與第二變形區(qū)的摩擦所產(chǎn)生的切削熱直接影響了刀具的磨損與耐用度。（3）第三變形區(qū)（），也就是刀工熱接觸區(qū)。是后刀面與已加工表面間產(chǎn)生摩擦的區(qū)域

15、。此區(qū)涉及刀具的磨損，工件的尺寸精度，加工表面光潔度與表面質(zhì)變層等問題，因而直接與加工表面的質(zhì)量有關(guān)。由此可知，完整的金屬切削過程包括三個(gè)變形區(qū)，它們匯集在切削附近，應(yīng)力狀況復(fù)雜、應(yīng)力大而集中，切削層金屬就在此處分離。此外，必須指出，三個(gè)變形區(qū)互有影響，密切相關(guān)。例如第二變形區(qū)即刀屑接觸區(qū)的摩擦狀況對(duì)第一變形區(qū)的剪切面位置有很大影響，而第三變形區(qū)卻受到延伸至已加工表面下的第一變形區(qū)的影響等等 圖1-21切削時(shí)的三個(gè)變形區(qū)2. 切削過程變形的表示方法變形系數(shù)圖1-22 切屑的收縮3. 剪切面與剪切角（1）剪切面與剪切角圖1-23 作用于切削層的力系與剪切角的關(guān)系由切屑形成過程可知，當(dāng)切削層受塑性

16、壓縮達(dá)一定程度后，會(huì)以單元形式沿OM面剪切，現(xiàn)OM面稱為剪切面，而稱為剪切角（圖1-23）。角指出了切屑單元剪切的方向，是說明切削變形的重要參數(shù)之一。在一定的簡(jiǎn)化情況下，可從作用于切削層的力系來確定剪切角的大小（圖1-23）。圖中Fn為刀具作用于切削層的法向力，F(xiàn)f為切屑沿前刀面的摩擦力，因而作用在切削層的合力Fr也就是將切屑切下的作用力為： 此處Fs與Fsn分別為作用于剪切面上的剪切力與法向力。由金屬塑性變形理論可知，作用力與最大剪應(yīng)力方向間的夾角約成。因此： 式1-32中，是Fr與Fn的夾角，稱為摩擦角（tg = ）。（o）是作用力Fr與切削速度方向的夾角，它代表Fr作用于切削層的方向，稱

17、為作用角。其大小直接影響著切削過程。 （2）剪切角與變系數(shù)的關(guān)系 圖1-25 自由20cr鋼，作用角=0時(shí)前角對(duì)剪切角的影響 由式1-32與圖1-23、圖1-24、圖1-25可知：如工件材料一定，值主要與刀具前角o，前刀面與切屑間的摩擦系數(shù)有關(guān)。o越大，切屑流出方向與原切削速度方向改變?cè)叫?，從而使剪切面OM減小， 角增大，故變形較??；反之，變形增大。一般切削鋼時(shí)20o35o，這時(shí)越大，變形越小?？梢姡龃笄敖强蓽p小變形，有利于改善切削過程。此外，當(dāng)前刀面與切屑間的摩擦系數(shù)越大時(shí)，摩擦角越大，越小，剪切面OM增大。可見，提高刀具的刃磨質(zhì)量采用切削液等措施，均可減小摩擦系數(shù)，有利于改善切削過程，使

18、變形減小。其他如在一定條件下增大切削速度，也會(huì)使摩擦角減小而剪切角增大，有利于切削變形。 由上可知，剪切角的大小可用來衡量切削過程中變形程度的大小。要直接測(cè)出的大小，必須采用快速落刀裝置取得切屑根部，制成金相磨片。但是，如果先測(cè)出變形系數(shù)，按下式即可方便地求出剪切角。圖1-23 作用于切削層的力系與剪切角的關(guān)系圖1-24 切削條件變化時(shí)（o）關(guān)系圖圖1-25 20cr鋼，作用角=0時(shí)前角對(duì)剪切角的影響圖1-26 變形系數(shù)的確定4. 剪切區(qū)的變形（1）剪切區(qū)形成機(jī)理前述已知，刀具作用于切削層金屬，使切屑單元通過塑性壓縮，以剪切滑移方式為主發(fā)生變形?，F(xiàn)在將進(jìn)一步闡明剪切區(qū)變形的情況。圖1-27 切

19、削區(qū)各部分的滑移線及其分布當(dāng)切削層金屬未達(dá)到剪切區(qū)之前，基本上只產(chǎn)生彈性變形。在刀具切削刃與前、后刀面的擠壓作用下，在刃前區(qū)某一范圍內(nèi)所產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，（maxs），便開始以剪切滑移為主的方式變形。因此將分別在M1OM2與M3OM4范圍內(nèi)產(chǎn)生兩組相互正交，呈直線形的滑移線（即最大剪應(yīng)力線），它們分別與前后刀面相交成45o角（圖1-27 a）。由于前刀面與切屑間、后刀面與已加工表面間均存在著摩擦，在摩擦力作用下，M1OM2與M3OM4范圍內(nèi)的剪切滑移線，已分別向逆時(shí)針方向與順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)摩擦角。同樣，切削刃前M2OM3范圍內(nèi)的金屬中也有兩組相互正交的剪切滑移線，它們分別是通

20、過O點(diǎn)的許多輻射線以及與之正交的同心圓弧。切削層經(jīng)過塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榍行嫉淖杂蛇吔邕^渡曲線AM上每點(diǎn)的法線與主應(yīng)力之一的方向重合，也存在兩組相互正交，呈曲線形的剪切滑移線，它們與過渡曲線相交并與法線方向成45角。 將上述幾組剪切滑移線連接起來，被切削金屬將沿著這些線剪切滑移（圖1-27b）。圖中每條曲線代表主應(yīng)力之差等于常數(shù)，也就是剪應(yīng)力相等的曲面；但不同線上剪應(yīng)力的大小不同。OA上的剪應(yīng)力值等于被切削金屬的屈服強(qiáng)度，稱為始剪切面（或始滑移面）；OB，OC，OD線上的剪應(yīng)力則由于變形強(qiáng)化而依次升高。也就是說，隨著刀具相對(duì)于工件的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，原處于始剪切線上的金屬不斷向刀具靠攏，應(yīng)力和應(yīng)變也逐漸增大

21、，當(dāng)?shù)竭_(dá)OM線時(shí)，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變達(dá)到最大，基本變形到此結(jié)束。OM即稱為終剪切面（或終滑移面）。在OA到OM之間整個(gè)剪切區(qū)內(nèi)，變形的主要特征就是沿剪切面的剪切滑移變形，并伴生有加工硬化現(xiàn)象。當(dāng)最大剪應(yīng)力max達(dá)到金屬的破裂強(qiáng)度時(shí)形成擠裂切屑，因而出現(xiàn)明顯的裂口；當(dāng)max未達(dá)到破裂強(qiáng)度時(shí)形成帶狀切屑，因而切屑頂面較平整而呈微小的鋸齒形。由此可知，剪切面實(shí)際上不是一個(gè)平面，而是由許多曲面所構(gòu)成的剪切區(qū)。要研究剪切區(qū)任意一點(diǎn)的剪切滑移過程，可跟蹤切削層金屬中某點(diǎn)P進(jìn)行觀察。當(dāng)P點(diǎn)向切削刃逼近（圖1-28），到達(dá)點(diǎn)1位置時(shí)，若通過點(diǎn)1的等剪應(yīng)力曲線OA，其剪應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度s，則點(diǎn)1在向前移動(dòng)的同

22、時(shí)，也沿OA面剪切滑移，其合成運(yùn)動(dòng)將使點(diǎn)1流動(dòng)到點(diǎn)2。22就是其滑移量或剪切距離。隨著剪切滑移線的產(chǎn)生，剪應(yīng)力將逐漸增加，直到點(diǎn)4位置，其流動(dòng)方向與前刀面平行，不再進(jìn)行剪切滑移。同理，從切削層至切屑的外邊界上也可看出切削層金屬是通過剪切區(qū)后逐漸轉(zhuǎn)變而成為切屑的。剪切區(qū)的形狀與范圍的大小與工件材料的塑性、切削速度、切削厚度、前角、前刀面摩擦條件等有關(guān)。當(dāng)工件材料很軟（如純鐵、銅或鋁），切削厚度較大，前角較小，前刀面摩擦較大，切削速度較低，則剪切區(qū)延伸范圍較大。 圖1-27 切削區(qū)各部分的滑移線及其分布圖1-28剪切區(qū)金屬剪切滑移情況圖1-29 切削速度、切屑流出速度與剪切速度間的關(guān)系圖1-30

23、剪切角、剪應(yīng)變與前角o的關(guān)系5. 變形系數(shù)與剪應(yīng)變的關(guān)系圖1-31不同前角時(shí)變形系數(shù)與剪應(yīng)變的關(guān)系 圖1-32 剪切面上應(yīng)力分布情況 1.2.3 切削的加工硬化與殘余應(yīng)力1. 加工硬化2. 殘余應(yīng)力1. 加工硬化經(jīng)過切削加工，會(huì)使工件表層的硬度提高，這一現(xiàn)象稱為加工硬化。變形程度越大，則已加工表面的硬化程度越高，硬化層的深度也越大。工件表面的加工硬化將給后繼工序的切削加工增加困難，如增大切削力，加速刀具的磨損。更重要的是影響了零件的加工表面質(zhì)量。加硬化在提高工件耐磨性的同時(shí)也增大了表面層的脆性，往往會(huì)降低零件的抗沖擊能力。產(chǎn)生加工硬化的原因是在已加工表面形成過程中表層因經(jīng)受復(fù)雜的塑性變形，使金

24、屬的晶格發(fā)生拉長(zhǎng)、扭曲與破碎，阻礙了進(jìn)一步的塑性變形而使金屬?gòu)?qiáng)化；另一方面切削溫度（低于Ac1點(diǎn)時(shí)）使金屬弱化；更高的溫度將引起相變。已加工表面的硬化就是這種強(qiáng)化、弱化和相變作用的綜合結(jié)果。加工硬化通常以硬化程度N及硬化層深度h表示。硬化程度N是已加工表面的顯微硬度增加值對(duì)原始顯微硬度的百分?jǐn)?shù)。硬化深度層h是已加工表面與金屬基本未硬化處的垂直距離。表面層硬化程度往往可達(dá)成180200%。硬化層嘗試可達(dá)幾十至幾百微米厚。圖1-34表示切削變形區(qū)加工硬化情況的典型實(shí)例。由圖可見，根據(jù)變形程度的不同，切削區(qū)各分部的硬化程度也不同。其中以積屑瘤區(qū)的硬度為最高，切屑中的硬度次之，其次是已加工表面。而切屑

25、底層的硬度又高于上層。工件材料的塑性越大，強(qiáng)化指數(shù)越大，則硬化越嚴(yán)重。碳鋼中含碳量越大，則強(qiáng)度越高，硬化越小，切削速度對(duì)硬化現(xiàn)象的影響是雙重的：的增高使切削溫度升高，從而加速了恢復(fù)（軟化）的過程；但同時(shí)V增高后變形時(shí)間縮短，又使恢復(fù)過程進(jìn)行不充分。一般來說，V增大時(shí)，由于變形傳播的時(shí)間較短，使硬化層深度減小，但硬化程度則隨工件材料的性能而不同。當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，切削厚度增大，硬化程度及硬化層深度均有所增大。但c太小時(shí)（如鉸削），硬化現(xiàn)象反會(huì)隨c的減小而上升。減小前角，增大刀具的鈍圓半徑rn與刀具磨損時(shí)，均會(huì)使硬化程度及硬化層深度增大。圖1-33 塑性變形區(qū)加工硬化情況2. 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是不需

26、外力平衡而能存在于金屬中的內(nèi)應(yīng)力。已加工表面經(jīng)常存在殘余應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力往往使已加工表面發(fā)生裂紋，使零件的疲勞強(qiáng)度降低；殘余壓應(yīng)力有時(shí)卻能提高零件的疲勞強(qiáng)度。如加工表面的殘余應(yīng)力分布不均勻，便會(huì)使工件發(fā)生變形，影響工件的形狀和尺寸精度 （1）切削力和塑性變形的作用 由前所述，已加工表面在形成過程中由于切削力的作用而受到拉伸、擠壓與強(qiáng)烈的摩擦使表層金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力。切削時(shí)，一方面表層金屬處于塑性變形狀態(tài)，里層金屬卻處于彈性變形狀態(tài)。已加工表面形成后，切削力突然消失，彈性變形趨向復(fù)原，但受到表層金屬的牽制，在表層與里層造成應(yīng)力狀態(tài)，另方面，表層金屬經(jīng)受塑性變形后由于晶內(nèi)遭受破壞而使空位缺陷增加，因而

27、使比容增大，但同時(shí)卻受到連成一體的里層金屬的阻礙，因而表層產(chǎn)生壓應(yīng)力（）里層產(chǎn)生拉應(yīng)力（+） （2）切削熱的作用 圖1-35 已加工表面層內(nèi)殘余應(yīng)力的變化 刀工接觸區(qū)經(jīng)強(qiáng)烈的變形與使表層溫度很高，而已加工表面的形成又是在極短的瞬間完成，因此表層金屬受到熱沖擊作用，受熱溫度較淺。由于表層溫度較高，里層（基體）溫度較低，因此，表層體積膨脹，但受到里層金屬的牽制，使表層產(chǎn)生壓應(yīng)力，里層則產(chǎn)生拉應(yīng)力。切削后，表層金屬因散熱快而收縮，但同時(shí)卻受到里層金屬的牽制，因而最后使表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，里層產(chǎn)生壓應(yīng)力。 （3）相變作用 切削時(shí)，在高溫作用下表層組織可能發(fā)生相變，由于各種金相組織的體積不同而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

28、例如，高速切削碳鋼時(shí)，刀工接觸區(qū)溫度可達(dá)600 800，而碳鋼相變溫度為720而形成奧氏體，冷卻后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，比容增大。因而使表層金屬膨脹，但受到里層金屬的牽制，從而表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，里層則產(chǎn)生拉應(yīng)力。 加工過程中，已加工表面層內(nèi)呈現(xiàn)的殘余應(yīng)力，是上述諸因素綜合作用的結(jié)果，最終可能存在殘余拉應(yīng)力或殘余壓應(yīng)力，加工大部分塑性金屬時(shí)，一般形成切向（切削速度方向）殘余應(yīng)力，表面層深度內(nèi)的殘余應(yīng)力可分為三個(gè)區(qū)（圖1-35）：區(qū)在0.0010.004mm的極薄表面層內(nèi)作用著殘余應(yīng)力。區(qū)根據(jù)切削用量與刀具前角，其范圍比區(qū)要大10倍以上。此層內(nèi)作用著殘余拉應(yīng)力。實(shí)際上，區(qū)內(nèi)應(yīng)力的性質(zhì)與大小對(duì)表面層的狀態(tài)起決

29、定性的作用。區(qū)此區(qū)作用著殘余壓應(yīng)力，與、區(qū)的應(yīng)力相均衡。由此圖還可看出加工后表面層內(nèi)硬度變化的情況。一般情況下，表層是拉應(yīng)力，最大可達(dá)882980 N/mm2 (90100kgf/mm2)，因此表面往往出現(xiàn)一些裂縫，對(duì)工件的耐磨性與疲勞強(qiáng)度都不利。圖1-34 已加工表面層內(nèi)殘余應(yīng)力的變化1.2.4 積屑瘤和鱗刺1. 積屑瘤2. 鱗刺1. 積屑瘤（1）現(xiàn)象在一定的切削速度范圍內(nèi)切削鋼、鋁合金與球墨鑄鐵等塑性金屬時(shí)，由于前刀面上擠壓和摩擦的作用，使切屑底層中的一部分材料停滯和堆積在刃口附近，形成積屑瘤（圖1-36）。經(jīng)變形強(qiáng)化，積屑瘤的硬度很高，可達(dá)工件材料硬度的23.5倍，可代替切削刃切削。（2

30、）作用積屑瘤對(duì)切削加工的影響，概括起來可分為兩個(gè)方面：不利的方面有：1）當(dāng)積屑瘤突出于切削刃之外時(shí)，會(huì)造成一定的過切量，從而使切削力增大，在工件表面劃出溝紋并影響到零件加工的尺寸精度。2）由于積屑瘤局部不穩(wěn)定，容易使切削力產(chǎn)生波動(dòng)而引起振動(dòng)。3）積屑瘤形狀不規(guī)則，使切削刃形狀發(fā)生畸變，直接影響加工精度。4）積屑瘤被撕裂后，若被切屑帶走，會(huì)劃傷刀面，加快刀具的磨損，若留在已加工表面上，會(huì)形成毛刺，影響工件表面質(zhì)量。 有利的方面有： 1）積屑瘤包覆在切削刃上，代替刀具進(jìn)行切削，對(duì)切削刃起到一定的保護(hù)作用。 2）形成積屑瘤時(shí)，增大了實(shí)際工件前角，可使切削力減?。▓D1-36b）；其中形成楔形積屑瘤時(shí)前

31、角增大較多，形成鼻形積屑瘤時(shí)使刀屑實(shí)際接觸長(zhǎng)度減小，也可使切削力減小。 由上可知，積屑瘤對(duì)切削加工弊多利少。精加工時(shí)一定要設(shè)法避免，即是粗加工，采用硬質(zhì)合金刀具時(shí)一般也并不希望產(chǎn)生積屑瘤，但是只要掌握其形成及變化的規(guī)律，仍可化弊為利，有益于切削加工，如有名的銀白屑切削法就是一例。負(fù)倒棱給形成積屑瘤創(chuàng)造了基礎(chǔ)的積屑瘤的起著實(shí)際切削作用，切削時(shí)排出副屑，有助于散熱。且可選取較大前角以減小切削力。 圖1-37積屑瘤與滯流層形成示意圖 （3）成因 圖1-38刀屑接觸長(zhǎng)度 在刀屑接觸長(zhǎng)度lf內(nèi)lf1接觸區(qū)間（圖1-38），由于粘結(jié)作用，使得切屑底層流動(dòng)速度變得很慢而產(chǎn)生“滯流”，切屑底層的晶粒纖維化程度

32、很高，幾乎和前刀平行。滯流層（即流變層）金屬因經(jīng)受強(qiáng)烈的剪切滑移作用而產(chǎn)生加工硬化，其抗剪強(qiáng)度也隨之提高。如圖1-37所示，滯流層中最大剪應(yīng)力為，式中2是由摩擦力所產(chǎn)生的主應(yīng)力。當(dāng)2甚大時(shí)。最大剪應(yīng)力就可能小于滯流層金屬的剪切強(qiáng)度s滯流層與前刀面接觸處的金屬步不會(huì)發(fā)生剪切滑移而停留在前刀面上，沿滯流層內(nèi)部某一表面作相對(duì)移動(dòng)，這樣越積越大，便形成了積屑瘤。 （4）影響因素 影響積屑瘤的主要因素是工件材料，刀具前角o。切削速度，進(jìn)給量f 以及切削液等。 工件材料硬度低，塑性大時(shí)，切削時(shí)金屬變形大，易產(chǎn)生積屑瘤（圖1-39a）。刀具材料與工件材料之間的粘結(jié)性好，也易產(chǎn)生積屑瘤。 圖1-39 切削速度

33、變化時(shí)，工件材料塑性，切削厚度前角對(duì)積屑瘤高度的影響 切削速度主要通過切削溫度影響積屑瘤。溫度適當(dāng)時(shí)，（如切削中碳鋼時(shí)約為300380），刀屑間的摩擦系數(shù)最大，容易產(chǎn)生積屑瘤，因而在某一適中的切削速度范圍內(nèi)積屑瘤長(zhǎng)得最大。很低速切削時(shí)溫度低，切屑底層塑性狀態(tài)變化不大，刀屑間呈點(diǎn)接觸，以滑動(dòng)摩擦為主，可能不產(chǎn)生積屑瘤；或在刀刃處產(chǎn)生很小的積屑瘤。高速時(shí)，一般當(dāng)切削溫度大于500600時(shí)，由于材料的剪切屈服強(qiáng)度s降低，切屑底層金屬因溫度高而軟化，甚至呈滯流狀態(tài)，所以也不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。 由于進(jìn)給量f與刀具前角o影響切削溫度與刀屑接觸長(zhǎng)度，因而也影響積屑瘤。f增大時(shí)，切削厚度ac與刀屑接觸長(zhǎng)度lf隨之

34、增大，產(chǎn)生積屑瘤的切削速度區(qū)域向低速方向移動(dòng)，所生積屑瘤的最大高度增大。（圖1-39b） 前角o增大時(shí)，前刀面上的法向力減小，切削溫度降低，切削變形減小，使積屑瘤的高度減小，提高了產(chǎn)生積屑瘤的臨界切削速度（圖1-39c）。采用潤(rùn)滑性能優(yōu)良的切削液可減小甚至消除積屑瘤。（5）控制措施既然積屑瘤的形成是切屑底層中的金屬由于前刀面的摩擦所引起的，因而要減小或避免積屑瘤的產(chǎn)生必須從減小變形與刀屑間的摩擦入手。1）對(duì)塑性金屬材料來說，可采取適當(dāng)?shù)臒崽幚?，改變其金相組織。例如低碳鋼通過正火、調(diào)質(zhì)處理后，能提高其硬度，降低其塑性，減小積屑瘤生長(zhǎng)。2）避開積屑瘤的生長(zhǎng)速度范圍。為此，采用高速鋼刀具精加工時(shí)，為

35、了獲得較高的表面光潔度，總是采用低速。如鉸精密孔（2級(jí)精度67時(shí)），一般可取=0.0330.083m/s (25m/min)，并添加切削液，減少摩擦，以避免積屑瘤的產(chǎn)生。拉削時(shí)采用=0.01650.083m/s (15m/min)的低速。在車削精密絲桿時(shí)，采用o=0o的車刀，取低于0.018m/s (1.1m/min)的切削速度，可得到89時(shí)級(jí)光潔度。另一方面可采用高速切削，當(dāng)切削速度增至一定值時(shí)可使積屑瘤完全消失。例如切軟鋼時(shí)一般1.67m/s（100m/min）相當(dāng)于已超過形成積屑瘤上限的溫度（約560），積屑瘤的變形強(qiáng)化能力消失，也不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。3）采用潤(rùn)滑性能好的切削液可以抑制積屑瘤

36、。4）增大前角也可抑制積屑瘤，當(dāng)o 35o時(shí)，一般即不再產(chǎn)生積屑瘤。5）其他如減小切削厚度，采用人工加熱切削區(qū)等措施，也可以減小甚至消除積屑瘤 圖1-35 刀具上的積屑瘤及其使前角增大的情況圖1-36積屑瘤與滯流層形成示意圖圖1-37刀屑接觸長(zhǎng)度圖1-38 切削速度變化時(shí)，工件材料塑性，切削厚度前角對(duì)積屑瘤高度的影響2. 鱗刺（1）現(xiàn)象與作用在較低的切削速度下，用高速鋼、硬質(zhì)合金刀具切削低、中碳鋼，鉻鋼（20Cr，40Cr），不銹鋼，鋁合金及紫銅等塑性金屬時(shí)，在工件的已加工表面常會(huì)出現(xiàn)一種鱗片狀的毛刺稱為鱗刺。拉削、插齒、滾齒與螺紋切削時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生鱗刺。它嚴(yán)重地影響了加工表面光潔度，往往使光潔

37、度降低24級(jí)。為此，我們必須認(rèn)識(shí)鱗刺產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便對(duì)它進(jìn)行主動(dòng)的控制。（2）成因根據(jù)國(guó)內(nèi)的研究，認(rèn)為鱗刺形成的原因是在較低的切削速度下形成擠裂切屑或單元切屑時(shí)，刀屑間的摩擦力發(fā)生周期性的變化，促使切屑在前刀面上周期性地停留，代替刀具推擠切削層，造成金屬的積聚，已加工表面出現(xiàn)拉應(yīng)力而發(fā)生導(dǎo)裂，并使切削厚度向切削線以下增大，生成鱗剌。由圖1-40可知，鱗刺的形成過程是：當(dāng)切屑從前刀面流出時(shí)，逐漸把摩擦面上有潤(rùn)滑作用的吸附膜擦拭干凈，使摩擦系數(shù)逐漸增大，刀屑實(shí)際接觸面積增大，在刀屑間巨大壓力的作用下，使切屑單元在瞬間內(nèi)粘結(jié)在前刀面上，暫時(shí)不沿前刀面流出。這時(shí)，切屑以圓鈍的外形代替前刀面進(jìn)行擠

38、壓，使切削刃前下方，屑工之間產(chǎn)生裂口（稱為導(dǎo)裂）。繼續(xù)切削時(shí)，使受到擠壓的金屬不斷地層積在切屑單元下面，一起參加切削，使裂口擴(kuò)大，切削厚度與切削力隨之增大。當(dāng)層積到某一高度后，增大了切削力Fy克服了刀屑間的粘結(jié)和摩擦，推動(dòng)切屑單元重新沿前刀面滑動(dòng)，這時(shí)切削刃過去便形成一個(gè)鱗刺。接著又開始另一個(gè)新鱗刺的形成過程。如此周而復(fù)始，在已加工表面上不斷生成一系列的鱗刺 鱗刺因塑性變形而硬化，由于它是因切屑滯流或停留，導(dǎo)致切削應(yīng)力的變化，引起工件材料的撕裂和剪切，故它的表面微觀特征是鱗片狀的凹凸不平，且接近于沿整個(gè)切削刃寬度并垂直于切削速度方向，它不同于粘附在前刀面上的積屑瘤，由于積屑瘤是隨機(jī)的局部破碎，

39、故它的表面特征是不規(guī)則的縱向犁溝。 鱗刺的形成除了與切削速度、切削厚度等因素有關(guān)外，還決定于被加工材料的性能和它的金相組織，材料的變形強(qiáng)化越大以及它與刀具間的摩擦越大，越易形成鱗刺。國(guó)外一些學(xué)者認(rèn)為，鱗刺就是積屑瘤的碎片。國(guó)內(nèi)的研究指出，鱗刺是切削過程中的一個(gè)獨(dú)特現(xiàn)象，其生成可以不依賴于積屑瘤，根據(jù)我們?cè)囼?yàn)所作鱗刺縱剖面顯微照片上可看出（圖 ）鱗刺和工件的晶粒相互交錯(cuò)，鱗刺與工件母體間沒有分界線，與嵌入已加工表面的積屑瘤碎片不同。也有研究認(rèn)為積屑瘤和鱗剌現(xiàn)象有密切聯(lián)系，認(rèn)為切屑底層金屬發(fā)生嚴(yán)重停滯是形成鱗刺的先決條件。積屑瘤是切屑底層最嚴(yán)重的停滯，此時(shí)鱗刺也最顯著。要避免鱗刺就要消除積屑瘤。由

40、此可見，關(guān)于鱗刺的成因及其與積屑瘤的關(guān)系等問題還值得進(jìn)一步研究與探討。 （3）控制措施 認(rèn)識(shí)了鱗刺形成過程的規(guī)律性后，我們就可以采取有效的措施來控制鱗刺的產(chǎn)生。因?yàn)轺[刺是切削過程中變形與摩擦的產(chǎn)物，是一種重要的物理現(xiàn)象，它產(chǎn)生于刀工接觸區(qū)，但與刀屑接觸區(qū)的摩擦密切有關(guān)。為此便可從減小刀屑，刀工間的摩擦入手，使擠裂切屑轉(zhuǎn)化為帶狀切屑。具體地說，如適當(dāng)?shù)靥岣吖ぜ牧系挠捕龋龃蟮毒叩暮蠼?，減小切削厚度，采用潤(rùn)滑性能較好的切削液，采用人工加熱切削；在較低切削速度下適當(dāng)增大前角，在較高切削速度下適當(dāng)減小前角等，均有利于抑制鱗刺的產(chǎn)生，提高加工表面的光潔度 圖1-39 鱗刺形成的四個(gè)階段1.2.5 切削

41、力與切削功率1. 切削力及研究切削力的意義2. 切削合力、分力和切削功率3. 切削力的測(cè)量與計(jì)算1. 切削力及研究切削力的意義切削力是指由于刀具切削工件（試件）而產(chǎn)生的工件和刀具之間的相互作用力。切削力是切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，對(duì)切削過程有著多方面的重要影響：它直接影響切削時(shí)消耗的功率和產(chǎn)生的熱量，并引進(jìn)工藝系統(tǒng)的變形和振動(dòng)。切削力過大時(shí)，還會(huì)造成刀具、夾具或機(jī)床的損壞。切削過程中消耗功所轉(zhuǎn)化成的切削熱則會(huì)使刀具磨損加快，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形并惡化已加工表面質(zhì)量。所以，掌握切削力的變化規(guī)律，計(jì)算切削力的數(shù)值，不僅是設(shè)計(jì)機(jī)床、刀具、夾具的重要依據(jù)，而且對(duì)分析、解決切削加工生產(chǎn)中的實(shí)際問題有重

42、要的指導(dǎo)意義。刀具切削工件時(shí)，之所以發(fā)會(huì)產(chǎn)生切削力，根本原因是切削過程中產(chǎn)生的變形和摩擦引起的。對(duì)刀具來說，它受到的切削力來自兩個(gè)方面，一是三個(gè)變形區(qū)內(nèi)工件材料的彈、塑性變形產(chǎn)生的抗力；二是工件、切屑與刀具摩擦產(chǎn)生的阻力。從產(chǎn)生的部位來說，切削力產(chǎn)生于刀具的前、后刀面，見圖1-41，前刀面上的正壓力FrN和Fr合成前刀面合力Fr , rN，后刀面上的正壓力與摩擦力合成后刀面合力Fa , aN，F(xiàn)r , rN與Fa , aN又可合成為總合力F，F(xiàn)就是作用在刀具上的總切削力。一般切削條件下，如果刀具比較鋒利，前刀面上的切削力是主要的，后刀面上的切削力相對(duì)較小。在研究有些具體問題時(shí)，為了使問題簡(jiǎn)化，

43、常忽略后刀面上的作用力的影響，但在刀具磨損大時(shí)，則不容忽視。 （1）切削合力和切削分力 圖1-41中刀具（或工件）是上作用的切削力的總合力F稱為切削合力，由于切削合力的大小和方向是隨切削條件而變化的一個(gè)空間力，不便于計(jì)算與測(cè)量，在研究和分析實(shí)際問題難以直接應(yīng)用，為適應(yīng)解決問題的需要，又便于測(cè)量與計(jì)算，常將F分解為某幾個(gè)方向上的分力，稱為切削分力。車削中常將F分解為以下三個(gè)分力。 主切削力Fz是沿切削速度方向上的分力，又稱為切向力。 進(jìn)給抗力Fx是F在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，外圓車削中又叫軸向力。 切深抗力Fy是F在切深方向上的分力，外圓車削中，又叫徑向力。 三個(gè)分力中，主切削力Fz最大，消耗功率

44、也最多，約占總功率的95%。它是決定機(jī)床主電機(jī)功率、設(shè)計(jì)與校驗(yàn)主傳動(dòng)系統(tǒng)各零件以及夾具、刀具強(qiáng)度、剛度的重要依據(jù)。 Fx作用在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上，是設(shè)計(jì)與校驗(yàn)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)各零、部件強(qiáng)度的依據(jù)，也消耗一定的功率。 Fy同時(shí)垂直于主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，不消耗功率。但在車削軸類零件時(shí)，易引起工藝系統(tǒng)的變形和振動(dòng)，對(duì)加工精度和表面質(zhì)量有較大影響。 通過情況下，F(xiàn)x和Fy都小于Fz，隨著刀具幾何參數(shù)、刀具磨損情況、切削用量的不同，F(xiàn)f、Fy相對(duì)于Fz的比值在很大范圍內(nèi)變化，三者之間的比例大致為：Fx：Fy：Fz =(0.10.6)：（0.150.7）：1。圖1-41 作用在刀具上的力圖1-42 外圓車削時(shí)的

45、切削合力與分力 （2）切削功率 切削過程中消耗的總功率為各分力所消耗功率的總和，稱為切削功率，用Pc表示。車削中，切深抗力Fy不消耗功率，F(xiàn)f遠(yuǎn)小于Fz，x遠(yuǎn)小于z，故計(jì)算切削功率時(shí)常忽略Fx所消耗的功率，故有 式中Fz主切削力； 切削速度。 由此，可計(jì)算出機(jī)床主電機(jī)所需功率PE。 式中機(jī)床傳動(dòng)效率，一般=0.750.85。3. 切削力的測(cè)量與計(jì)算在研究切削力變化規(guī)律和解決切削加工生產(chǎn)中的實(shí)際問題時(shí)，有時(shí)需要知道在一定切削條件下的切削力數(shù)值，對(duì)此，可有三種解決方法。a.用測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量。b.用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。c.用切削力理論公式估算。（1）切削力測(cè)量為獲得在某特定切削條件下切削力的數(shù)值，可用一種

46、專門用于測(cè)量切削力的裝置測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)力儀的種類很多，按工作原理的不同，可分為機(jī)械式、電阻式、電感式、壓電式等，目前使用較為普遍的是電阻應(yīng)變式測(cè)力儀。壓電式測(cè)力精度高，但價(jià)格昂貴，應(yīng)用也在不斷增加。下面介紹電阻應(yīng)變式測(cè)力儀的工作原理及其測(cè)力方法。電阻應(yīng)變式測(cè)力儀由傳感器、電橋電路、應(yīng)變儀和記錄儀組成。傳感器是一個(gè)可將切削力的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的彈性元件，其結(jié)構(gòu)有多種形式，目前使用較多的是八角環(huán)式，其結(jié)構(gòu)形狀如圖1-43所示。中部八角環(huán)形部分為彈性元件，分為上環(huán)和下環(huán)，前端有安裝車刀用的方孔，后部的圓孔用于在車床刀架上安裝緊固。利用這種傳感器可同時(shí)測(cè)量Fz、Fy和Fx，也可單測(cè)某一分力。測(cè)量

47、時(shí)，要在彈性元件部分的適當(dāng)部位粘貼若干片電阻值可隨彈性元件變形而變化的電阻應(yīng)變片（圖1-44），并把它們聯(lián)入電橋電路，以便于將電阻值的變化轉(zhuǎn)換成可讀的電信號(hào)（電流或電壓）后輸出。 測(cè)力時(shí)，當(dāng)緊固在傳感器刀孔內(nèi)的車刀受到切削力作用時(shí)，應(yīng)變片中電阻絲的直徑和長(zhǎng)度將隨彈性元件的變形而發(fā)生變化，因而其阻值將發(fā)生微小變化，受拉伸時(shí)阻值增大，受壓縮時(shí)阻值減小，其變化量隨變形量的大小而變化。為便于測(cè)量，通常采用電橋電路將其轉(zhuǎn)化 為電壓（或電流）信號(hào)，再由應(yīng)變儀放大后，由記錄儀輸出。在傳感器元件允許的范圍內(nèi)，輸出電信號(hào)與切削力的大小成正比，通過標(biāo)定可得到切削力與電信號(hào)之間的關(guān)系曲線（標(biāo)定曲線），進(jìn)行實(shí)際切削時(shí)

48、，通過測(cè)量得到的電信號(hào)便可在曲線上找到其對(duì)應(yīng)的切削力數(shù)值。圖 1-44 電阻應(yīng)變片圖 1-43 電阻應(yīng)變片 （2）車削力經(jīng)驗(yàn)公式及切削分力計(jì)算 1）經(jīng)驗(yàn)公式及建立方法簡(jiǎn)介 切削力經(jīng)驗(yàn)公式是在通過切削實(shí)驗(yàn)取得大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理后得到的關(guān)于切削力與可變因素（切削條件）之間的定量關(guān)系式。由于建立這種關(guān)系的依據(jù)是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故稱為經(jīng)驗(yàn)公式。目前，在計(jì)算一定切削條件下的切削力數(shù)值時(shí)，多采用經(jīng)驗(yàn)公式。 建立經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，為便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并保證經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性，通常多采用單因素實(shí)驗(yàn)法或正交實(shí)驗(yàn)法，而在處理數(shù)據(jù)時(shí)采用圖解法或線性回歸法。 下面將單因素實(shí)驗(yàn)法建立車削力經(jīng)驗(yàn)公式的主要過程作一簡(jiǎn)要介紹

49、。 在影響車削力的因素中，影響最大，也最直接的是切削深度ap和進(jìn)給量f。其他因素則主要通過對(duì)切屑變形和摩擦的影響而影響切削力。因此，目前，普遍使用的車削力經(jīng)驗(yàn)公式的基本形式均采用各切削分力與ap、f之關(guān)系的形式，對(duì)其他因素的影響，再通過修正系數(shù)加以考慮。 建立Fc與ap、f之關(guān)系的主要步驟如下： 首先建立Fz與ap、f之單元關(guān)系。為此，實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定ap以外的所有其他切削條件，選取若干個(gè)ap進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，用測(cè)力儀量取不同ap時(shí)的切削力Fz，得到若干組Fc與ap的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到Fz與ap之間的單元關(guān)系式。然后，用同樣方法Fc與f的單元定量關(guān)系式。最后，將兩單元關(guān)系式加以綜合，便可得到F

50、z與ap、f之間的多元定量關(guān)系式。 2）車削力經(jīng)驗(yàn)公式及切削分力計(jì)算 車削力經(jīng)驗(yàn)公式有兩種形式，一種是指數(shù)形式，一種是單位切削力形式。指數(shù)形式的車削力經(jīng)驗(yàn)公式如下：表1-7 主切削力經(jīng)驗(yàn)公式中的系數(shù)、指數(shù)值（車外圓）4. 切削力理論公式1.2.6 切削熱、切削溫度及切削液1. 切削熱及切削溫度2. 切削液1. 切削熱及切削溫度（1）切削熱及其對(duì)切削過程的影響用刀具切削工件而產(chǎn)生的熱稱為切削熱。切削熱也是切削過程中產(chǎn)生的重要物理現(xiàn)象，對(duì)切削過程影響有多方面影響。切削熱傳散到工件上，會(huì)引起工件的熱變形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高溫則會(huì)惡化已加工表面質(zhì)量。傳散到刀具上的切削熱是引起刀具磨損

51、和破損的重要原因。切削熱還通過使刀具磨損對(duì)切削加工生產(chǎn)率和成本發(fā)生影響?？傊邢鳠釋?duì)切削加工的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本都有直接、間接的影響，研究和掌握切削熱產(chǎn)生和變化的一般規(guī)律，把切削熱的不利影響限制在允許的范圍之內(nèi)，對(duì)切削加工生產(chǎn)是有重要意義的。 （2）切削熱的產(chǎn)生與傳出 1）切削熱的產(chǎn)生 切削熱產(chǎn)生于三個(gè)變形區(qū)，切削過程中，三個(gè)變形區(qū)內(nèi)的金屬變形與摩擦產(chǎn)生切削熱的根本原因，切削過程中變形與摩擦所消耗的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。圖1-45為切削熱產(chǎn)生的部位及傳散情況示意圖。 切削熱產(chǎn)生的多少及三個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生熱量的比例隨切削條件不同而不同。加工塑性金屬材料時(shí)，當(dāng)后刀面磨損量不大，而切削厚度又較大時(shí)

52、，第一變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量最多；當(dāng)?shù)毒吣p量較大，而切削厚度較小時(shí)，第三變形區(qū)生熱的比例將增大。圖1-46為用硬質(zhì)合金刀具加工鎳、鉻、鉬、釩、鋼時(shí)，三個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生熱量的比例與切削厚度有關(guān)系。加工鑄鐵等脆性材料時(shí)由于形成崩碎切屑，刀屑接觸長(zhǎng)度小，前刀面上的摩擦小，第一、第二變形區(qū)生熱比例下降，第三變形區(qū)產(chǎn)生切削熱的比重會(huì)相對(duì)增加。圖1-44 切削熱的產(chǎn)生與傳出 圖1-45 三個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生熱量的比例 1第一變形區(qū) 2第二變形區(qū) 3第三變形區(qū) 2）切削熱的傳出 切削過程中產(chǎn)生的切削熱，將通過切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)向切削區(qū)外傳散。各途徑傳散熱量的比例與切削形式、刀具、工件材料及周圍介質(zhì)有關(guān)。車削加工

53、中50%86%的熱量由切屑帶走，40%10%傳入車刀，9%3%傳入工件，1%左右傳入空氣。鉆孔時(shí)，28%的熱由切屑帶走，14.5%傳入刀具，52.5%傳入工件，5%左右傳入周圍介質(zhì)。 另外，切削速度對(duì)各途徑傳熱比例也有一定的影響。切削速度越高，切屑帶走的熱量則更少，圖1-47示出了對(duì)熱量傳散情況的影響規(guī)律。圖1-46 對(duì)切削熱傳散的影響刀具 工件 切屑工件材料：40Cr 刀具材料：硬質(zhì)合金ap=1.5mm f=0.12mmr-1 干切削（3）切削溫度及其測(cè)量方法1）切削溫度的概念通常所說的切削溫度，如不加特別指明，均指切屑、工件和刀具接觸區(qū)的平均溫度，用表示切削溫度的高低，一方面取決于切削過程

54、中產(chǎn)生熱量的多少，另外，還與切削熱向外傳散的快慢有很大關(guān)系。2）切削溫度的測(cè)量測(cè)量切削溫度有多種方法。目前應(yīng)用較廣的是熱電偶法。熱電偶測(cè)量溫度的原理如下：把兩種化學(xué)成分不同的導(dǎo)體的一端連接在一起，使它們的另一端處于室溫狀態(tài)（稱為冷端），那么，當(dāng)連在一起的一端受熱時(shí)（稱為熱端）在冷熱端之間就會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，稱為電勢(shì)，把毫伏表或電位差計(jì)接在兩導(dǎo)體冷端之間便可測(cè)量出熱電勢(shì)的值。實(shí)驗(yàn)研究表明，熱電勢(shì)值的大小取決于兩種導(dǎo)體材料的化學(xué)成分及冷熱端之間的溫度差。當(dāng)組成熱電偶圖1-48自然熱電偶法測(cè)切削溫度1 銅銷 2 車床主軸尾部 3 工件 4 刀具 5 毫伏法 6銅頂尖（與支架絕緣）的兩種材料一定時(shí)，

55、經(jīng)過標(biāo)定可得到熱電勢(shì)的值與冷熱端溫度差之間的關(guān)系。 自然熱電偶法測(cè)切削區(qū)平均溫度 自然熱電偶法測(cè)切削溫度方法如圖1-48所示，刀具與工件是化學(xué)成分不同的兩種導(dǎo)體材料，自然地組成一個(gè)熱電偶。切削時(shí)，切削區(qū)的高溫使刀具與工件的接觸端成為熱端，處于室溫狀態(tài)的刀具、工件的另一端則成為冷端，用導(dǎo)線將刀具和工件的冷端連接到毫伏表或電位差計(jì)上，即可將切削時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)值測(cè)量出來。 自然熱電偶法測(cè)切削溫度時(shí)，須事先對(duì)刀具和工件兩種材料組成的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，求得熱端溫度與毫伏表讀數(shù)值之間關(guān)系的標(biāo)定曲線，見圖1-49，這樣在測(cè)量實(shí)際切削時(shí)的切削溫度時(shí)，便可根據(jù)毫伏表上的讀數(shù)從標(biāo)定的曲線上查出其對(duì)應(yīng)的溫度值。 人工

56、熱電偶法測(cè)工件或刀具上各點(diǎn)的溫度 在研究工件、刀具、刀屑上各點(diǎn)溫度分布規(guī)律時(shí)，往往需要了解切削區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的切削溫度。為此，可采用人工熱電偶法進(jìn)行測(cè)量。人工熱電偶法是利用事先標(biāo)定的兩種不同材料的金屬絲組成的熱電偶來測(cè)量工件、刀具上某些點(diǎn)的溫度。圖1-50為用人工熱電偶測(cè)工件和刀具上各點(diǎn)溫度的示意圖。測(cè)量時(shí)，將熱端通過工件（或刀具）上的小孔固定在被測(cè)點(diǎn)上，冷端用導(dǎo)線串接在毫伏上，由于兩金屬絲組成的人工熱電偶已事先經(jīng)過標(biāo)定，所以在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，根據(jù)毫伏表中的數(shù)值便可從標(biāo)定曲線上查得其對(duì)應(yīng)的溫度值，即工件或刀具上被測(cè)點(diǎn)的溫度值。改變測(cè)量小的位置并利用傳熱學(xué)原理進(jìn)行推算，可得出刀具或工件上溫度分布的情況，見

57、圖1-51。從圖中可以看出，前、后刀面上的最高溫度都在離開切削刃一段距離處圖1-51 刀具、切屑和工件上溫度分布工件材料：GCr15 刀具：YT14o=0o，bD=5.8mm，hD=0.35mm，c=1.33ms-1（該處稱為溫度中心）。這是由于切削塑性金屬材料時(shí)，切屑在沿前刀面流出過程中，摩擦熱逐漸增加積累，至粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū)交界處，達(dá)到最大值。之后摩擦逐漸減小，加工散熱條件改善，切削溫度又逐漸降低。測(cè)量切削溫度，除以上兩種方法外，還有紅外線輻射測(cè)量法，顯微硬度分析法，金相結(jié)構(gòu)分析法等 圖1-50 人工熱電偶法測(cè)刀具和工件上各點(diǎn)溫度1 工件 2 刀具 3 毫伏表圖1-47自然熱電偶法測(cè)切削溫度

58、1 銅銷 2 車床主軸尾部 3 工件 4 刀具 5 毫伏法 6銅頂尖（與支架絕緣）圖1-49 熱電偶標(biāo)定曲線圖1-50 刀具、切屑和工件上溫度分布工件材料：GCr15 刀具：YT14o=0o，bD=5.8mm，hD=0.35mm，c=1.33ms-1圖1-51切削量對(duì)溫度影響 2）刀具角度 前角 前角o增大，切削力減小，消耗的功率及產(chǎn)生的切削熱相應(yīng)減少，故前角在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，切削溫度隨前角增大而降低，但當(dāng)前角增大到一定程度后，則會(huì)由刀尖契角減小使散熱條件變差的作用變得突出，繼續(xù)增大刀具反而會(huì)使切削溫度升高。圖1-53示出了隨o增加而變化的規(guī)律。 圖1-53 主偏角對(duì)切削溫度的影響 ap=2

59、mm，r=20mm 主偏角 在切削深度ap不變時(shí)，減小主偏角r ，將使刀刃工作長(zhǎng)度增加，散熱條件得到改善，但同時(shí)，切屑會(huì)變得薄而寬，使切屑平均變形增大面是導(dǎo)致生熱增加。由于散熱作用更大，故還是隨r的減小而降低。圖1-54示出了主偏角對(duì)的影響規(guī)律。圖1-52前角對(duì)切削溫度的影響工件材料：45鋼 刀具材料：高速鋼ap=1.5mm，f = 0.2mm r-1，c=20mmin-1圖1-53 主偏角對(duì)切削溫度的影響ap=2mm，r=20mm 3）工件材料 工件材料的強(qiáng)度、硬度、塑性及熱導(dǎo)率對(duì)切削溫度有較大的影響。 工件強(qiáng)度、硬度高，切削時(shí)的切削力大，消耗功率大，產(chǎn)生的切削熱多，故切削溫度高。圖1-55

60、為切削熱處理狀態(tài)不同的45鋼工件時(shí)，切削溫度的變化情況。 由于45鋼在正火、調(diào)質(zhì)和淬火狀態(tài)下的強(qiáng)度、硬度差別較大，故三者的切削溫度差別也相當(dāng)明顯。 工件的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)切削溫度也有很大的影響，不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)的強(qiáng)度、硬度雖然低于45鋼，但它的導(dǎo)熱系數(shù)小于45鋼（約為45鋼的1/3）切削溫度比45鋼高40%。 切削脆性金屬材料時(shí)，塑性變形小，切屑呈崩碎狀態(tài)，與前刀面的摩擦小，故產(chǎn)生的切削熱少，切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，切灰鑄鐵HT200時(shí)的切削溫度比切45鋼大約低25%。圖1-54 45鋼不同熱處理狀態(tài)下對(duì)切削溫度的影響刀具：YT15 o=15oap=3mm , f=0.1mmr-12. 切削