刀具切削过程中的物理现象

第五节　刀具切削过程中的物理现象

一、切削力

切削过程中，刀具切入金属并克服被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。切削力是金属切削过程中产生的基本的物理现象。切削力对于切削机理的研究、功率的消耗，刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等都有非常重要的意义。

1．切削力的来源

总切削力的来源　总切削力是切削刀具对工件的作用力，其大小影响切削热的多少，进而影响刀具的磨损和寿命以及工件加工精度和表面质量。切削力来源于切削过程的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个变形区：如图4－27所示。

图4－27　总切削力F的产生

（1）第Ⅰ变形区内：克服切削层金属弹、塑性变形的变形抗力。

（2）第Ⅱ变形区内：克服切屑与刀具前刀面之间的摩擦阻力。

（3）第Ⅲ变形区内：克服工件与刀具后刀面之间的摩擦阻力。

2．总切削力的分解　切削力Fr是一空间矢量，可分解为三个相互垂直的分力，见图4－28。

（1）主切削力Fc（切向力）：总切削力在主运动方向上的正投影，其数值在三个分力中最大，消耗机床总功率的95%～99%。是计算机床动力、刀具和夹具强度的依据，选择刀具几何角度和切削用量的依据。

（2）进给力F_f（轴向力）：总切削力在进给运动方向上的正投影，消耗机床总功率的1%～5%，作用在进给机构上，是设计和校检进给机构强度的依据。

（3）背向力Fp（径向力）：总切削力在垂直于工作平面上的分力，因为切削时在这个方向上的运动速度为0，所以Fp不做功，但作用在机床和工件刚性最弱的方向上，易使刀架移位和工件变形，引起振动，对切削过程十分不利，影响加工精度。

图4－28　切削力

3．切削力的影响因素

影响切削力的因素主要有三个方面：工件材料、刀具几何参数、切削用量。

（1）工件材料

工件材料的硬度、强度越高，在切削过程中产生的变形抗力就越大，切削力就越大；在工件材料强度和硬度相同的情况下，塑性和韧性越大，在切削过程中产生的切削变形越激烈，刀具的摩擦越大，切削力也就越大。同时工件的塑性、韧性越大加工硬化也越严重。

同一材料的热处理状态、金相组织不同，也会影响切削力的大小。如45钢在正火、调质、淬火状态下的硬度是不一样，影响了切削力的大小。

（2）刀具几何参数的影响

①前角的影响：

前角增大，变形减小，切削厚度压缩比减小，刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降，因此切削力减小。前角的变化对塑性材料影响比较大，对脆性材料影响较小。如图4－29所示：

图4－29　前角对切削力的影响

②主偏角κ_r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（κ_r↑则F_p↓，F_f↑，如图4－30所示）。

③与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（λs↑则Fp↓，Ff↑如图4－31所示）。

图4－30　k_r对切削力的影响

图4－31　λ　对切削力的影响

④刀尖圆弧半径r_ε对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（r_ε↑则F_p↑，F_f↓）。

（3）切削用量的影响

切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂。如图4－32所示。

图4－32　切削速度和切削力的关系

（4）其它因素的影响

刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；

切削液：有润滑作用，使切削力降低；

后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力F_p的影响最为显著；

二、切削功率

消耗在切削过程中的功率称为切削功率P_m（国标为P_o）。切削功率为力F_z和F_x所消耗的功率之和，因F_y方向没有位移，所以不消耗功率。于是

P_m＝（F_zV＋F_xn_wf／1000）×10^－3

其中：P_m—切削功率（KW）；

F_z—切削力（N）；

V—切削速度（m／s）；

F_x—进给力（N）；

n_w—工件转速（r／s）；

f—进给量（mm／s）。

式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小（＜1%～2%），可以略去不计，于是P_m＝F_zV×10^－3

按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（P_E）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。

PE≥P_m／η_m

式中：η_m—机床的传动效率，一般取为0．75～0．85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。

三、切削热与切削温度

切削热和由它产生的切削温度，是刀具磨损和影响工件质量的重要原因。切削温度过高，会使刀具磨损加剧，寿命下降；工件和刀具受热膨胀，会导致工件精度超差，质量恶化。

1．切削热的来源：切削热是切削过程中因变形和摩擦而产生的热量，来源于切削过程的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个变形区，见图4－33所示。

（1）第Ⅰ变形区内：切屑的变形功。

（2）第Ⅱ变形区内：切屑与刀具前刀面之间的摩擦功。

（3）第Ⅲ变形区内：工件与刀具后刀面之间的摩擦功。

对于塑性材料主要来源于第Ⅰ变形区内切屑的变形功；而对于脆性材料，主要来源于第Ⅲ变形区内工件与后刀面的摩擦功。

2．切削热的传散

图4－33　切削热来源

切削热产生后，经切屑、刀具、工件和周围介质传散，如图4－34所示，传热比例取决于工件材料、切削速度、刀具材料及几何角度、加工方式以及是否使用切削液等。在不施加切削液的情况下，一般切屑传散最多，刀具次之，工件再次之，周围介质最少。

图4－34　切削热的传散

3．切削温度

切削热是通过切削温度对刀具和工件产生作用的，切削温度一般是指切屑与刀具前面接触区域之间的平均温度。据有关实验测定，刀具切削温度最高的地方不是在刀刃上，而是在距切削刃有一段距离的位置上。

4．影响切削温度的因素

（1）工件材料

工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削45钢的切削温度。

（2）切削用量

切削用量三要素对切削温度的影响如图4－35所示。

由上图可以看出，切削用量中对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀量最小。

图4－35　切削用量三要素对切削温度的影响

因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。

上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。

（3）刀具几何参数对切削温度的影响

在刀具几何参数中，影响切削温度最为明显的是前角、主偏角和刀尖圆弧半径。

①前角的影响

前角增大，切削变形减小，刃口锋利，由变形和摩擦功转化的热就减小，切削温度就降低，反之温度就升高。实验证明，前角从10°增大到25°时，切削温度降低约25%。但超过这个范围，前角太大，楔角减小，传热体积小，切削温度反而升高。因此在一定的切削条件下，均有一个产生最低温度的最佳前角值，如图4－36所示的加工条件下，最佳的切削的前角约为15°。

②主偏角对切削温度的影响

在背吃刀量相同的情况下，主偏角增大，主切削刃工作长度缩短，刀尖角减小，传热面积减小，切削热相对集中，因此切削温度升高；反之温度降低如图4－37所示。由此可见，当工艺系统刚性足够时，为了降低切削温度，可采用较小的主偏角。

图4－36　前角对切削温度的影响

图4－37　主偏角对切削温度的影响

③刀尖圆弧半径的影响

刀尖圆弧增大，平均主偏角减小，切削宽度增大，则传热体积增大，切削温度降低。

④其它因素影响

A．工件材料的导热性能：工件材料的热导率高，由切屑和工件散出的热就多，切削区温度就较低，刀具寿命提高

B．刀具材料的导热性能：刀具材料的热导率高，切削热易从刀具散出，降低了切削区温度，有利于刀具寿命的提高。

C．周围介质：采用冷却性能好的切削液及采用高效冷却方式能传导出较多的切削热，切削区温度就较低。

D．切屑与刀具的接触时间：外圆车削时，切屑与刀具接触时间短，切屑传给刀具的热量相对较少；钻削或其它半封闭式加工，切屑形成后仍与刀具接触，传导给刀具的热就相对较多。

四、刀具磨损与刀具寿命

在金属加工过程中，刀具在切除切屑的同时，由于切削条件的恶劣（比如高温、摩擦等的作用）本身也要发生磨损或局部破损。刀具损坏到一定的程度的时候，就要换刀或更换新的刀刃，才能进行正常切削。刀具磨损和刀具寿命直接关系到加工的效率和质量，是在加工过程必须重视的问题。

（一）刀具磨损

刀具损坏形式主要有正常磨损和非正常磨损，在这里主要介绍刀具正常磨损。刀具磨损主要取决于刀具材料、工件材料性能和切削条件。各种刀具材料的磨损有不同的特点。在学习时，要掌握其产生的规律，以便在以后的工作实际中能合理选择刀具材料和切削条件，以便能最大优化加工。

1．刀具磨损方式

刀具的正常磨损是指刀具在切削过程中，由于刀具材料的微粒被切屑或零件带走，使刀具逐渐磨损的现象。

切削时，刀具的前刀面和后刀面经常与切屑和工件相互接触，产生激烈的摩擦，同时在接触区内有相当高的温度和压力。因此在刀具前后刀面上发生磨损。前刀面被磨成月牙洼，后刀面形成磨损带，多数情况下是两者同时发生，相互影响。

2．前刀面磨损

发生于加工塑性金属，切削速度较高和切削厚度较大的情况下，最后将导致崩刃，切屑在前刀面磨损出洼凹，这个洼凹称月牙洼。月牙洼处即为切削温度最高点。前刀面的磨损量的大小，用月牙洼宽度KB和深度KT表示如图4－38所示。

图4－38　车刀磨损形态

3．后刀面磨损

由于切削刃的刃口钝圆半径对加工表面的挤压与摩擦，在切削刃的下方会磨损出一条后角等于零的沟痕，这就是后刀面的磨损。常发生于以较低切削速度及较小切削厚度切削脆性及塑性材料时。后刀面的磨损大小不是均匀的，在刀尖部分由于强度和散热条件差，磨损较大。切削刃靠近待加工表面部分，由于加工硬化或毛坯表面缺陷，磨损也较大。后刀面的磨损量用平均值VB表示，如图4－38所示。

4．前后刀面同时磨损

当切削塑性金属材料时，若采用中等的切削速度和切削厚度时，经常发生前后刀面同时磨损的形式。如图4－39所示。

图4－39　前后刀面磨损形式

（二）刀具磨损原因

加工过程中，摩擦接触表面是活性较高的新鲜金属表面，而且处于高温高压状态，容易发生各种磨损，通常是机械、化学、热效应综合作用的结果。

1．硬质点磨损：材料中有比基体硬得多的硬质点，在刀具表面刻划出沟痕而形成硬质点磨损；存在于任何切削速度的切削加工中，是低速切削刀具的主要磨损形式。

2．粘附磨损：切削加工中，摩擦副的接触面上因高温高压发生粘附，两摩擦面由于有相对运动，粘结点将产生撕裂，被对方带走，即造成粘附磨损。这种磨损发生在中等切削速度范围内。这种磨损是任何刀具材料都会发生的磨损形式。

3．扩散磨损：在高温下，刀具材料与工件材料的成分产生互相扩散，造成刀具材料性能下降，导致刀具的磨损加速。这种磨损是硬质合金刀具磨损的主要形式，常与粘结磨损同时发生。影响因素有切削温度和刀具材料与工件材料的亲和力。

4．化学磨损：在一定的温度下，刀具材料与某些周围介质（如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等）起化学反应，在刀具的表面上形成一层硬度较低的化合物，从而加速了刀具磨损速度，或者因为刀具材料被某种介质腐蚀造成的刀具磨损。

5．热电磨损：在较高温度下，不同材料之间产生热电势，从而加速材料之间的元素扩散，导致刀具材料的性能下降（可以归入扩散磨损）。

6．热裂磨损：在有周期性热应力情况下，因疲劳而产生的一种磨损。一般易发生于高温切削条件下的脆性刀具材料边界上。

7．塑性变形：在高温作用下，刀具材料表层产生塑性流动，使切削刃和刀尖产生变形失效。

刀具正常磨损主要有硬质点磨损、粘附磨损、扩散磨损及化学磨损等。他们之间还有相互的影响。对于不同材料的刀具，在不同的切削条件下，其主要磨损原因可能属于其中一、两种。一般来说，对一定材料的刀具和工件材料。在低温区，主要以机械磨损（如硬质点磨损）为主，在高温区主要是以热、化学磨损为主（如粘附、扩散磨损等）为主。

（三）刀具磨损过程

典型的刀具磨损过程如图4－40所示其中分为三个阶段。

图4－40　刀具后刀面磨损过程

1．初期磨损：一把新刃磨的刀具表面尖峰突出，在与切屑相互摩擦过程中，压强不均匀，峰点的压强很大，造成尖峰很快被磨损，使压强趋于均衡，磨损速度减慢

2．正常磨损：刀具表面经初期磨损，峰点基本被磨平，表面压强趋于均衡，刀具的磨损量VB随时间的延长而均匀地增加。该阶段的磨损曲线基本上是线性的，其斜率代表磨损强度，是比较刀具性能的重要指标。

3．剧烈磨损：经过正常磨损阶段后，切削刃已变钝，切削力切削温度急剧升高，磨损原因发生了质变，刀具表层疲劳，性能下降，磨损量剧增，刀具很快失效。在生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应在急剧磨损阶段之前重新刃磨或更换新刀。

（四）刀具磨钝标准

刀具磨损到一定的限度就不能继续使用即磨损量的最大值，把这个限度称磨钝标准。

刀具磨损量的大小对切削力、切削温度、加工质量都有很大影响，所以一定的加工条件都对刀具的磨损量做了相应的规定。刀具磨钝标准一般规定在后刀面上，以磨损量的平均值表示，这是因为刀具后刀面对加工质量影响较大而且易于测量。硬质合金和高速钢的磨钝标准如表4－4所示。

表4－4　硬质合金和高速钢的磨钝标准表

（五）刀具耐用度及寿命

1．刀具耐用度

刀具刃磨后从开始投入切削到达到磨钝标准的总切削时间，称为刀具耐用度。用T表示。

刀具耐用度是指净切削时间，不包括对刀、测量等辅助非切削时间，用刀具耐用度比用刀具磨钝标准来控制是否要换刀要方便多了，因为在生产中采用不时停机测量刀具磨损是不现实的，所以生产中广泛采用刀具耐用度。常用车刀的设定耐用度如表4－5所示：

表4－5　车刀耐用度

对于在具体的切削条件下，切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。如图4－41所示为v－T双对数曲线。我们可以根据设定的刀具耐用度和刀具材料、工件材料查找相应的v－T曲线，即可确定允许的切削速度。

2．刀具寿命

一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨，称为刀具寿命。

T_总＝n×T

刀具寿命是一个重要加工参数，可以用来衡量刀具的切削性能、工件的加工性及刀具几何参数的合理选择等。对于在具体的加工条件下，切削用量是影响刀具寿命最大的因素。

图4－41　在双对数坐标上的v－T曲线