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金屬切削原理
閱讀：638 發(fā)布時(shí)間：2022-6-13金屬切削原理
研究金屬切削加工過(guò)程中刀具與工件之間相互作用和各自的變化規(guī)律的一門學(xué)科。在設(shè)計(jì)機(jī)床和刀具、制訂機(jī)器零件的切削工藝及其定額、合理地使用刀具和機(jī)床以及控制切削過(guò)程時(shí)，都要利用金屬切削原理的研究成果，使機(jī)器零件的加工達(dá)到經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)和高效率的目的。
切屑形成機(jī)理 從力學(xué)的角度來(lái)看，根據(jù)簡(jiǎn)化了的模型，金屬切屑的形成過(guò)程與用刀具把一疊卡片1′、2′、3′、4′、……等推到 1、2、3、4、……等位置（圖1）的情形相似，卡片之間相互滑移即表示金屬切削區(qū)域的剪切變形。經(jīng)過(guò)這種變形以后，切屑從刀具前面上流過(guò)時(shí)又在刀、屑界面處產(chǎn)生進(jìn)一步的摩擦變形。通常，切屑的厚度比切削厚度大，而切屑的長(zhǎng)度比切削長(zhǎng)度短，這種現(xiàn)象就叫切屑變形。金屬被刀具前面所擠壓而產(chǎn)生的剪切變形是金屬切削過(guò)程的特征。由于工件材料、刀具和切削條件不同，切屑的變形程度也不同，因此可以得到各種類型的切屑
切屑形成機(jī)理 從力學(xué)的角度來(lái)看，根據(jù)簡(jiǎn)化了的模型，金屬切屑的形成過(guò)程與用刀具把一疊卡片1′、2′、3′、4′、……等推到 1、2、3、4、……等位置（圖1）的情形相似，卡片之間相互滑移即表示金屬切削區(qū)域的剪切變形。經(jīng)過(guò)這種變形以后，切屑從刀具前面上流過(guò)時(shí)又在刀、屑界面處產(chǎn)生進(jìn)一步的摩擦變形。通常，切屑的厚度比切削厚度大，而切屑的長(zhǎng)度比切削長(zhǎng)度短，這種現(xiàn)象就叫切屑變形。金屬被刀具前面所擠壓而產(chǎn)生的剪切變形是金屬切削過(guò)程的特征。由于工件材料、刀具和切削條件不同，切屑的變形程度也不同，因此可以得到各種類型的切屑
積屑瘤 在用低、中速連續(xù)切削一般鋼材或其他塑性材料時(shí)，切屑同刀具前面之間存在著摩擦，如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強(qiáng)和溫度的作用下，同切屑基體分離而粘結(jié)在刀具前面上，再經(jīng)層層重疊粘結(jié)，在刀尖附近往往會(huì)堆積成一塊經(jīng)過(guò)劇烈變形的楔狀切屑材料，叫做積屑瘤。積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上，實(shí)際上可代替刀刃切削。積屑瘤的底部較穩(wěn)定，頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線，容易破碎和脫落，一部分隨切屑帶走，一部分殘留在加工表面上，從而使工件變得粗糙。所以在精加工時(shí)一定要設(shè)法避免或抑制積屑瘤的形成。積屑瘤的產(chǎn)生、成長(zhǎng)和脫落是一個(gè)周期性的動(dòng)態(tài)過(guò)程（據(jù)測(cè)定，它的脫落頻率為30～170次／秒），它使刀具的實(shí)際前角和切削深度也隨之發(fā)生變化，引起切削力波動(dòng)，影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下，當(dāng)切削速度很低或很高時(shí)，因沒有產(chǎn)生積屑瘤的必要條件（較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度），不產(chǎn)生積屑瘤。
切削力 切削時(shí)刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力F，在外圓車削時(shí)，一般將這個(gè)切削合力F分解成三個(gè)互相垂直的分力（圖3）：切向力Fv──它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力Fp──在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向垂直，又稱推力；軸向力Ff──在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向平行，又稱進(jìn)給力。一般情況下，F(xiàn)v，F(xiàn)p和Ff較小，由于刀具的幾何參數(shù)、刃磨質(zhì)量和磨損情況的不同和切削條件的改變，F(xiàn)p、Ff對(duì)Fv的比值在很大的范圍內(nèi)變化。
切削力 切削時(shí)刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力F，在外圓車削時(shí)，一般將這個(gè)切削合力F分解成三個(gè)互相垂直的分力（圖3）：切向力Fv──它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力Fp──在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向垂直，又稱推力；軸向力Ff──在平行于基面的平面內(nèi)，與進(jìn)給方向平行，又稱進(jìn)給力。一般情況下，F(xiàn)v，F(xiàn)p和Ff較小，由于刀具的幾何參數(shù)、刃磨質(zhì)量和磨損情況的不同和切削條件的改變，F(xiàn)p、Ff對(duì)Fv的比值在很大的范圍內(nèi)變化。
切削過(guò)程中實(shí)際切削力的大小，可以利用測(cè)力儀測(cè)出。測(cè)力儀的種類很多，較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測(cè)力儀。測(cè)力儀經(jīng)過(guò)標(biāo)定以后就可測(cè)出切削過(guò)程中各個(gè)分力的大小。
車削時(shí)的切削功率主要為主切削力Fv所消耗，可用下式計(jì)算式中Fv為主切削力（牛）；v為切削速度（米／分）。
切削熱 切削金屬時(shí)，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔@種熱叫切削熱。使用切削液時(shí)，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，其中切屑帶走的熱量，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過(guò)程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。
切削溫度 切削過(guò)程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個(gè)溫度場(chǎng)(圖4)， 這個(gè)溫度場(chǎng)影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說(shuō)來(lái)，切削區(qū)的金屬經(jīng)過(guò)剪切變形以后成為切屑，隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦，所以溫度場(chǎng)中溫度分布的點(diǎn)不是在正壓力的刃口處，而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況，須用人工熱電偶法或紅外測(cè)溫法等測(cè)出。用自然熱電偶法測(cè)出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度。
刀具磨損 刀具在切削時(shí)的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。
車削時(shí)的切削功率主要為主切削力Fv所消耗，可用下式計(jì)算式中Fv為主切削力（牛）；v為切削速度（米／分）。
切削熱 切削金屬時(shí)，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔@種熱叫切削熱。使用切削液時(shí)，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，其中切屑帶走的熱量，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過(guò)程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。
切削溫度 切削過(guò)程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個(gè)溫度場(chǎng)(圖4)， 這個(gè)溫度場(chǎng)影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說(shuō)來(lái)，切削區(qū)的金屬經(jīng)過(guò)剪切變形以后成為切屑，隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦，所以溫度場(chǎng)中溫度分布的點(diǎn)不是在正壓力的刃口處，而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況，須用人工熱電偶法或紅外測(cè)溫法等測(cè)出。用自然熱電偶法測(cè)出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度。
刀具磨損 刀具在切削時(shí)的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。
刀具磨損表現(xiàn)為在刀具后面上出現(xiàn)的磨損帶、缺口和崩刃等，前面上常出現(xiàn)的月牙洼狀的磨損，副后面上有時(shí)出現(xiàn)的氧化坑和溝紋狀磨損等（圖5）當(dāng)這些磨損擴(kuò)展到一定程度以后就引起刀具失效，不能繼續(xù)使用。刀具逐漸磨損的因素，通常有磨料磨損、粘著磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下，尤其是在不同切削速度的條件下，刀具受上述一種或幾種磨損機(jī)理的作用。例如，在較低切削速度下，刀具一般都因磨料磨損或粘著磨損而破損；在較高速度下，容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損、氧化磨損和塑性變形。
刀具壽命 刀具由開始切削達(dá)到刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過(guò)的切削時(shí)間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)，刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個(gè)預(yù)定值，也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)，如振動(dòng)激化、加工表面粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。達(dá)到刀具壽命后，應(yīng)將刀具重磨、轉(zhuǎn)位或廢棄。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。泰勒提出的刀具壽命和切削速度之間相互制約的經(jīng)驗(yàn)公式為
vTn＝c式中T為刀具壽命（分）；v為切削速度（米／分）;n和c為常數(shù)（與切削條件有關(guān)）。
生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按生產(chǎn)成本或生產(chǎn)率的原則，來(lái)確定刀具壽命和擬定工時(shí)定額。
切削加工性 指零件被切削加工成合格品的難易程度。它根據(jù)具體加工對(duì)象和要求，可用刀具壽命的長(zhǎng)短、加工表面質(zhì)量的好壞、金屬切除率的高低、切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據(jù)。在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，常以vT作為某種材料的切削加工性的指標(biāo)，它的含義是：當(dāng)?shù)毒邏勖鼮門分鐘時(shí)，切削該材料所允許的切削速度。vT越高，表示加工性越好，T一般取60、30、20或10分鐘。
加工表面質(zhì)量 通常包括表面粗糙度、加工硬化、殘余應(yīng)力、表面裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多，例如刀具的刀尖圓弧半徑、進(jìn)給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素;刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的主要因素。因此，生產(chǎn)中常通過(guò)改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來(lái)提高加工表面質(zhì)量。
切削振動(dòng) 切削過(guò)程中，刀具與工件之間經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)(顫振)等類型的機(jī)械振動(dòng)。自由振動(dòng)是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊所引起，它會(huì)逐漸衰減。強(qiáng)迫振動(dòng)是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力（如不平衡的機(jī)床運(yùn)動(dòng)件、斷續(xù)切削等）所引起，它對(duì)切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力的大小及其頻率。自激振動(dòng)是由于刀具與工件之間受到突然干擾力（如切削中遇到硬點(diǎn)）而引起初始振動(dòng)，使刀具前角、后角和切削速度等發(fā)生變化，以及產(chǎn)生振型耦合等，并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源，促進(jìn)并維持振動(dòng)。通常，根據(jù)切削條件可能產(chǎn)生各種原生型自激振動(dòng)，從而在加工表面上留下的振紋，又會(huì)產(chǎn)生更為常見的再生型自激振動(dòng)。上述各種振動(dòng)通常都會(huì)影響加刀表面質(zhì)量，降低機(jī)床和刀具的壽命，降低生產(chǎn)率，并引起噪聲，極為有害，必須設(shè)法消除或減輕。
切屑控制 指控制切屑的形狀和長(zhǎng)短。通過(guò)控制切屑的卷曲半徑和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半徑被迫加大，促使切屑中的應(yīng)力也逐漸增加，直至折斷。切屑的卷曲半徑可以通過(guò)改變切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或斷屑臺(tái)來(lái)控制，其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來(lái)控制。現(xiàn)代人們已能用兩位或三位數(shù)字編碼的方式來(lái)表示各種切屑的形狀，通常認(rèn)為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。
切削液 也稱冷卻潤(rùn)滑液，用于減少切削過(guò)程中的摩擦和降低切削溫度，以提高刀具壽命、加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。常用的切削液有切削油、乳化液和化學(xué)切削液3類。
金屬切削原理在生產(chǎn)中的應(yīng)用 在設(shè)計(jì)和使用機(jī)床和刀具時(shí)，需要應(yīng)用切削原理中有關(guān)切削力、切削溫度和刀具切削性能方面的數(shù)據(jù)。例如，在確定機(jī)床主軸的扭矩和剛性等基本參數(shù)時(shí)，要應(yīng)用切削力的數(shù)據(jù);在發(fā)展高切削性能的新材料時(shí)，需掌握刀具磨損和破損的規(guī)律;在切削加工中分析熱變形對(duì)加工精度的影響時(shí)，要研究切削溫度及其分布；在自動(dòng)生產(chǎn)線和數(shù)字控制機(jī)床上，為了使機(jī)床能正常地穩(wěn)定工作，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作，更要應(yīng)用有關(guān)切屑形成及其控制方面的研究成果，并在加工中實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動(dòng)補(bǔ)償和刀具破損的自動(dòng)報(bào)警。為此，各國(guó)研制了品種繁多的在線檢測(cè)刀具磨損和破損的傳感器，其中大多數(shù)是利用切削力或扭矩、切削溫度、刀具磨損作為傳感信號(hào)。此外，為了充分利用機(jī)床，提高加工經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，常需要應(yīng)用切削條件、刀具幾何形狀和刀具壽命等的優(yōu)化數(shù)據(jù)。因此，金屬切削原理這門學(xué)科在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，各國(guó)都通過(guò)切削試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)采集積累了大量的切削數(shù)據(jù)，并用數(shù)學(xué)模型來(lái)表述刀具壽命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削條件之間的關(guān)系，然后存入計(jì)算機(jī)，建立金屬切削數(shù)據(jù)庫(kù)或編制成切削數(shù)據(jù)手冊(cè)，供用戶查用。
刀具壽命 刀具由開始切削達(dá)到刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過(guò)的切削時(shí)間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)，刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個(gè)預(yù)定值，也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)，如振動(dòng)激化、加工表面粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。達(dá)到刀具壽命后，應(yīng)將刀具重磨、轉(zhuǎn)位或廢棄。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。泰勒提出的刀具壽命和切削速度之間相互制約的經(jīng)驗(yàn)公式為
vTn＝c式中T為刀具壽命（分）；v為切削速度（米／分）;n和c為常數(shù)（與切削條件有關(guān)）。
生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按生產(chǎn)成本或生產(chǎn)率的原則，來(lái)確定刀具壽命和擬定工時(shí)定額。
切削加工性 指零件被切削加工成合格品的難易程度。它根據(jù)具體加工對(duì)象和要求，可用刀具壽命的長(zhǎng)短、加工表面質(zhì)量的好壞、金屬切除率的高低、切削功率的大小和斷屑的難易程度等作為判據(jù)。在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究中，常以vT作為某種材料的切削加工性的指標(biāo)，它的含義是：當(dāng)?shù)毒邏勖鼮門分鐘時(shí)，切削該材料所允許的切削速度。vT越高，表示加工性越好，T一般取60、30、20或10分鐘。
加工表面質(zhì)量 通常包括表面粗糙度、加工硬化、殘余應(yīng)力、表面裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多，例如刀具的刀尖圓弧半徑、進(jìn)給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素;刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的主要因素。因此，生產(chǎn)中常通過(guò)改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來(lái)提高加工表面質(zhì)量。
切削振動(dòng) 切削過(guò)程中，刀具與工件之間經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)(顫振)等類型的機(jī)械振動(dòng)。自由振動(dòng)是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊所引起，它會(huì)逐漸衰減。強(qiáng)迫振動(dòng)是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力（如不平衡的機(jī)床運(yùn)動(dòng)件、斷續(xù)切削等）所引起，它對(duì)切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力的大小及其頻率。自激振動(dòng)是由于刀具與工件之間受到突然干擾力（如切削中遇到硬點(diǎn)）而引起初始振動(dòng)，使刀具前角、后角和切削速度等發(fā)生變化，以及產(chǎn)生振型耦合等，并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源，促進(jìn)并維持振動(dòng)。通常，根據(jù)切削條件可能產(chǎn)生各種原生型自激振動(dòng)，從而在加工表面上留下的振紋，又會(huì)產(chǎn)生更為常見的再生型自激振動(dòng)。上述各種振動(dòng)通常都會(huì)影響加刀表面質(zhì)量，降低機(jī)床和刀具的壽命，降低生產(chǎn)率，并引起噪聲，極為有害，必須設(shè)法消除或減輕。
切屑控制 指控制切屑的形狀和長(zhǎng)短。通過(guò)控制切屑的卷曲半徑和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半徑被迫加大，促使切屑中的應(yīng)力也逐漸增加，直至折斷。切屑的卷曲半徑可以通過(guò)改變切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或斷屑臺(tái)來(lái)控制，其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來(lái)控制。現(xiàn)代人們已能用兩位或三位數(shù)字編碼的方式來(lái)表示各種切屑的形狀，通常認(rèn)為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。
切削液 也稱冷卻潤(rùn)滑液，用于減少切削過(guò)程中的摩擦和降低切削溫度，以提高刀具壽命、加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。常用的切削液有切削油、乳化液和化學(xué)切削液3類。
金屬切削原理在生產(chǎn)中的應(yīng)用 在設(shè)計(jì)和使用機(jī)床和刀具時(shí)，需要應(yīng)用切削原理中有關(guān)切削力、切削溫度和刀具切削性能方面的數(shù)據(jù)。例如，在確定機(jī)床主軸的扭矩和剛性等基本參數(shù)時(shí)，要應(yīng)用切削力的數(shù)據(jù);在發(fā)展高切削性能的新材料時(shí)，需掌握刀具磨損和破損的規(guī)律;在切削加工中分析熱變形對(duì)加工精度的影響時(shí)，要研究切削溫度及其分布；在自動(dòng)生產(chǎn)線和數(shù)字控制機(jī)床上，為了使機(jī)床能正常地穩(wěn)定工作，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作，更要應(yīng)用有關(guān)切屑形成及其控制方面的研究成果，并在加工中實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動(dòng)補(bǔ)償和刀具破損的自動(dòng)報(bào)警。為此，各國(guó)研制了品種繁多的在線檢測(cè)刀具磨損和破損的傳感器，其中大多數(shù)是利用切削力或扭矩、切削溫度、刀具磨損作為傳感信號(hào)。此外，為了充分利用機(jī)床，提高加工經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)，常需要應(yīng)用切削條件、刀具幾何形狀和刀具壽命等的優(yōu)化數(shù)據(jù)。因此，金屬切削原理這門學(xué)科在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，各國(guó)都通過(guò)切削試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)采集積累了大量的切削數(shù)據(jù)，并用數(shù)學(xué)模型來(lái)表述刀具壽命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削條件之間的關(guān)系，然后存入計(jì)算機(jī)，建立金屬切削數(shù)據(jù)庫(kù)或編制成切削數(shù)據(jù)手冊(cè)，供用戶查用。
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