1.2.2、 切削层公称横截面参数

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1.2.2、 切削层公称横截面参数

    切削时,切削刃沿进给方向移动一个进给量 （ 车削或刨削时为 mm/r，mm/双行 程 ；多 刃刀具为mm/z） 所切下的金属层称为切削层。切削层 公称横截面 参数是指切削层在基 面 Pr 内所截得的截面形状和尺寸 。 车削时的切 削层 公称横截面 参数 如图 1.13 所示。纵车外圆时 ， 当0o〈kr〈 90o 、λ s=0o, 则切削层 横 截面形状为一平行四边形 ； 当 kr= 90o 时 ，横 截面形状为矩形 , 这时 ,

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image002.gif    （1.18）

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image004.gif    （1.19）

    其定义如下 ：

    切削层公称厚度 http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image006.gif： 在基面内 ， 垂直于加工表面测量的切削层尺寸。车削时 ， 若切
    削刃为直线 ， 主偏角为 kr, 则 ：
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    http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image008.gifhttp://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image010.gif    （1.20）

    若切削刃为弧形 , 则各点切削厚度均不相等。

    切削层公称宽度 http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image012.gif: 在基面内 ， 沿加工表面度量切削层的尺寸 ， 当λ s=0o 时 ，则：

    http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image014.gif    （1.21）

    切削层公称横截面积 Ac 切削层在基面内的面积。车削时 ：
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    http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.2/1.2.2/image016.gif    （1.22）

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1.2.3 刀具材料

    在金属切削过程中，刀具切削部分承担切削工作。刀具材料性能的优劣，将是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的基本因素，因此在 设计和选择刀具时必须合理选择刀具材料。
    (1) 刀具材料应具备的性能
1 j" Y0 G5 r+ s& e3 T    刀具是在较高温度、较大压力、剧烈摩擦、有时还承受冲击和振动的条件下工作的 , 因此刀具切削部分材料应具备以下基本要求 ：
    1） 硬度 刀具材料的硬度必须高于被切工件的硬度， 常温硬度必须在 HRC60 以上。
8 e# f9 m9 t/ t    2） 耐磨性 刀具在切削时承受着剧烈的摩擦， 因此刀具材料应具有较强的耐磨性 , 它取决于材料本身的硬度、化学成分和金相组织。
0 m+ K7 W4 b6 ~1 Y) P+ s, N5 e    3） 强度和韧性 刀具切削时要承受切削力、冲击和振动 ， 所以应具有足够的强度和韧性。
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    4） 耐热性 指在高温下保持材料硬度的性能 ， 用高温硬度或红硬性表示。耐热性越好， 允许的切削速度越高 。因此它是衡量刀具材料性能的重要指标。

    5） 具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、磨削性能、热处
理性能、焊接性能等要好 ， 且又要资源丰富 , 价格低廉。
" F, O* x; O% v2 h2 r    （2） 刀具材料的种类
* l( ]. |2 ?6 H    刀具切削部分材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、 高速钢、硬质合金、陶瓷 和 超硬材料 等 , 其主要物理力学性能见 表1.1。
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    1） 高速钢、高速钢是在合金工具钢中加入了较多的 W、M o 、 Cr、V 等合金元素的高合金

    工具钢，其合金元素与碳化合 形成高硬度的碳化物 ，使高速钢具有很好的耐磨性。钨和碳的原子结合力很强，增加了钢的高温硬度。钼的作用与钨基本相同，并能细化碳化物的晶粒，减少钢中碳化物的不均匀性，提高钢的韧性。

    高速钢是综合性能较好、应用范围最广泛的一种刀具材料。其抗弯强度较高，韧性较好，常温硬度在63～66HRC，刃磨时切削刃易锋利，故生产中常称为“锋钢”。其红硬温度可达600～660 ℃左右，切削中碳钢时切削速度可达 30m/min。它具有较好的工艺性能，可以制造刃形复杂的刀具，如 成形车刀、 铣刀、钻头、 丝锥、 拉刀 和 齿轮刀具等 。 加工材料范围也很广泛 , 如碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料 等。
3 L, z- q1 k9 t) u# ?9 z. C    高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢两大类 。
$ c; ^6 ^& ?, t, g! {- V    ① 普通高速钢 普通高速钢按化学成分又分为钨系高速钢和钼系高速钢两类。
8 Z/ I6 }' n/ ~9 l    钨系高速钢 中最常见的牌号是 W18Cr4V，具有较好的综合性能和可磨削性能，可制造各种复杂刀具和精加工刀具，在我国应用非常广泛。
    钼系高速钢 中最常见的牌号是 W6Mo5Cr4V2，具有较好的综合性能。由于钼的作用，其 碳化物 呈细小颗粒且均匀分布，故抗弯强度和冲击韧性都高于钨 系高速钢 ，并具有较好的热塑性，适于制作热扎刀具。但有脱碳敏感性大和淬火温度窄、较难掌握热处理工艺等缺点。
    ② 高性能高速钢、高性能高速钢 是在普通高速钢的基础上加入钴、钒、铝等合金元素，进一步 提高耐热性和耐磨性 的新型 高速钢 ，此类， 高速钢 主要用于 高温合金 、钛 合金、 不锈钢等难加工材料的切削加工。主要有以下几种：
    A.高钒、高速钢、高钒、高速钢 是将含钒量提高到 3%～5%，其典型牌号有W6M o 5C r 4V3。由于碳化钒量的增加，从而提高了钢的耐磨性 。一般用于切削高强度钢。但其刃磨性能比 普通高速钢 差。
3 [/ ^  j& O) e8 b! a& P    B.钴 高速钢 是在高速钢加入钴， 可提高钢的高温硬度 和抗氧化能力，其典型牌号是 W2M o 9Cr4VC o 8， 有良好的综合性能 , 用于切削 高温合金 、不 锈钢等难加工材料 效果较好。 但钴含量较多成本较贵 ，在我国使用不多 。
    C. 铝高速钢 铝高速钢是我国独创的新型高速钢，它是在普通高速钢中加入少量的铝，从而提高了钢的耐热性和耐磨性，有良好的综合性能。其典型牌号为 W6M o 5Cr4V2A1，达到了钴 高速钢的切削性能，可加工性好，密度小，价格低廉，与普通高速钢的价格接近。 但其有磨削性能差 ， 热处理工艺要求严格等缺点。
4 s2 w" M2 b3 t4 A7 F  r5 D    2） 硬质合金 硬质合金 是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料。它是由硬度和熔点很高的金属碳化物（ WC、T i C等）微粉和金属粘接剂（C o 、 N i 、 M o 等），经高压成形，并在 1500 ℃ 左右的高温下烧结而成。
    硬质合金 的硬度高达 89～94HRA，耐磨性很好，耐热性为800～1000 ℃，切削速度可达 100 m/min以上，能切削淬火钢等硬材料。但其抗弯强度低、韧性差、怕冲击和振动，制造工艺性差。
5 @0 s' I5 \% r6 k# B  r    硬质合金 目前已是各类切削刀具切削部分的主要刀具材料之一。如车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀等。
    下面介绍几种常用的 硬质合金 ：
① 钨钴 类硬质合金 （YG）它由碳化钨和钴构成。其硬度为89～91.5HRA，耐热性为800～900 ℃，主要用于加工铸铁、有色金属及其合金，以及非金属材料和含钛的不锈钢等工件材料。常用的牌号有 YG3、YG6、YG8等，G后面的数字为 Co的百分含量。 硬质合金 中含钴量越多，韧性越好，适合于粗加工，含钴量少者用于精加工。
② 钨钛钴 类硬质合金 （YT） 它是由碳化钨、碳化钛和钴构成，其硬度为89.5～92.5HRA，耐热性为900～1000 ℃。常用的牌号有 YT5、YT14、YT15、YT30，T后面的数字为 TiC的百分含量。当TiC的含量较多、Co的含量较少时，硬度和耐磨性提高，但抗弯强度有所下降。 主要用于加工塑性材料，但它不适合加工含 Ti元素的 不锈钢，因为两者的 Ti元素亲和作用较强，会发生严重的粘结，使刀具磨损加剧。
0 P+ F, L# t" R4 B  O8 X7 d- Z③ 钨钽（铌）钴 类硬质合金 （YA）它是由碳化钨、碳化钽（碳化铌）和钴构成，有较高的常温硬度和耐磨性，同时能细化晶粒，也可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。 常用的牌号有 YA6，适合于对冷硬铸铁、有色金属及其合金进行半精加工，也可对高锰钢、淬火钢等材料进行精加工和半精加工。
④ 钨钛钽（铌）钴 类硬质合金 YW） 它是由碳化钨、碳化钛、钴以及加入少量碳化钽或碳化铌构成。其抗弯强度、韧性、抗氧化能力、耐热性和高温硬度都有很大的提高。 是一种既能加工钢材，又能加工铸铁、有色金属及其合金，通用性能好的刀具材料，常用的牌号有 YW1、YW2。

⑤ 碳化钛基硬质合金 （YN） 它是由碳化钛、镍和钼构成。它的硬度高（ 92.5HRA），具有较高的抗氧化能力、较高的耐磨性、耐热性（1100 ℃ ～ 1300 ℃）和抗月牙洼磨损能力。主要用于碳钢、合金钢、工具钢、淬火钢等连续切削的精加工，常用的牌号有 YN10。

3） 其它刀具材料
    ① 陶瓷 陶瓷刀具材料是以人造的化合物为原料，在高压下成形和在高温下烧结而成的，硬度为91～95HRA，耐热性高达1200 ℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，与硬质合金相比切削速度可提高 3～5倍。但其最大的弱点是抗弯强度低，冲击韧性差，因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。常用的 陶瓷刀具材料有：高纯氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷等。
9 `3 J2 I1 G) ~    ② 金刚石 金刚石分天然和人造两种 ， 都是碳的同素异形体。天然金刚石由于价格昂贵用得很少。人造金刚石是在高温高压条件下 ， 由石墨转化而 成 。是目前已知的最硬物质 ， 其硬度接近于 100OOHV 。金刚石刀具能 精密切削 有色金属及其合金 、 硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、 高 耐磨材料 。 但它不适合加工铁族材料 ， 因为金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力 ， 在高温条件下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构 ， 刀具 极 易损坏。
8 [" ?: v# h/ v4 J0 h1 a+ J    ③ 立方氮化棚 立方氮化硼是由软的六方氮化硼，在高温高压下加入催化剂转变而成的。其硬度高达 8000 ～ 9000HV, 耐磨性好 ， 耐热性好 ， 高达 1400 ℃ 。 主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁进行半精加工和精加工。

    4） 刀具材料的 表面涂层 刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾 ， 故一般刀具材料的寿命主要是受磨损的影响 ， 近年来采用了表面涂覆处理的办法 ， 妥善解决了这一问题。

    刀具材料的表面涂层是在高速钢 和韧性较好的 硬质合金等材料制成的刀具 表面上，通过化学气相沉积和真空溅射等方法， 使刀具表面 沉积极薄 （ 5～12 μ m） 的一层高硬度、耐磨和难熔的金属化合 物（ TiC或TiN ）， 涂层呈金黄色。

    由于涂层的硬度高 ， 摩擦系数低 ， 使刀具的磨损显著降低 ， 涂层还具有抗氧化能力和抗粘结性能好的特点 ， 延迟了刀具前面月牙洼的形成。因此切削速度可提高 30% ～ 50%, 刀具寿命可提高数倍至十倍。

    刀具柄部是刀具的夹持部位，承受着弯矩和扭矩的作用，因此，应具备足够的强度和刚度，通常选用优质碳素结构钢或优质合金结构钢，如 45 钢或 40 Cr。必要时可选用合金工具钢作为刀柄或刀体材料，如9 Si Cr。

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1.3 金属切削过程

    金属切削过程是 指通过切削运动，刀具从工件上切下多余金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这个过程中产生一系列现象，如切削变形、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损等。学习这些规律，讨论这些现象，对于合理选择金属切削条件，分析解决切削加工中质量、效率等问题具有重要意义。
    1.3.1切削变形
% H! {% A: V9 A# H% q6 }4 J    切削变形本质上是工件切削层材料受到刀具前刀面的挤压作用后，产生弹性变形、塑性变形和剪切滑移，使切削层金属与母体材料分离变为切屑的过程。
    （1）切削变形区
                                      图 1.14 是根据实验和理论研究绘制的金属切削过程中变形区的滑移线和流线示意图。流线表示被切金属某一点在切削过程中流动的轨迹 ， 现将整个变形区分为三个区域加以研究 。
    第一变形区 （I）：工件 材料在刀具前刀面挤压作用下 ， 从图中 OA 线开始发生塑性变形到 OM 线晶格的剪切滑移基本完成为止。因此这一区域是切削过程中的主要变形区 ， 又称剪切区。
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第二变形区（Ⅱ）:切屑沿前刀面滑移排出时紧贴前刀面的底层金属进一步受前刀面的挤压阻滞和摩擦 ， 再次剪切滑移变形而纤维化。因其变形主要是摩擦引起的 ， 故这一区域又称摩擦变形区。

    第三变形区 （ Ⅲ ）：已加工表面受到切削刃纯圆部分与后刀面的挤压、摩擦和回弹 ， 造成纤维化和加工硬化。第三变形区直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。
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这三个变形区汇集在切削刃附近 ， 该处应力比较集中而且复杂 ， 被切金属在此与材料本体分离形成切屑和已加工表面 。 由此可见 ， 切削刃对于切屑和已加工表面的形成 ， 起着很重要的作用。

    （2)切屑形成过程
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切削时刀具在切削力的作用下 , 使靠近切削刃处的材料先产生弹性变形 , 继而产生塑性变形 ， 同时金属晶格产生滑移 ， 见 图 1.15a 。 切削层中某一点 P 以切削速度 V 向切削刃接近 ， 开始只产生弹性变形 ， 如到达点 1 的位置时 ， 金属应力达到屈服点 ， 产生剪切变形 ， 所以 P 点向前移动的同时还 沿 滑移面 （ 或剪切面 ） OA 滑移 ， 故当 P 点到达 OB 滑移线位置时其合成运动使 P 点自点 1 流动到点 2,2 ′ — 2 为滑移量。 P 点越靠近刀具前面滑移量越大 ， 如 3 ′ — 3,4 ′ — 4。 剪应力也由于材料变形增大而不断上升 。 当 P 点到达某一位置 ， 如 OM 滑移面上的 4 时 ， 剪应力达到 强 度极限开始剪切断裂成切屑 ，不 再继续滑移 ， 而沿前刀面流出。

    上述 OA 面称始滑面 （ 或始剪切面 ）， OM 为终滑面 （或 终剪切面 ） ,OA与OM 之间即为 剪切区 ( 或第一变形区 ) ， 材料在该区的变形特点是沿滑移面的剪切变形。剪切变形区实际上很窄 ， 约在 0.02 ～ O.2mm 之间 ， 所以可近似用一个平面 OM 来代表整个变形区 。 平面 OM 就称为剪切面 ， 剪切面 OM 与切削速度 V 的夹角￠称剪切角 ， 见 图 1.15b 。
/ K6 ^* o8 _" c2 `4 T- n* C    以上分析是在以极低切削速度 ， 切削塑性材料时的情况 ， 如切削脆性金属时 , 由于材料塑性很小,切屑层内靠近切削刃和前刀面的局部金属将在未产生明显塑性变形的情况下 , 就达到强度极限而崩碎。
    总之 ， 金属切削过程 ， 就其本质来说 , 是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的作用下 ， 经受挤压而产生剪切滑移变形的过程。切削过程中的各种物理现象 , 几乎都与这个 “ 变形 ” 有关。
    （3)衡量切屑变形程度的方法

    从实践中可以看到 ， 被切金属层经切削变为切屑后,切屑长度 （ lch） 比原切削层长度（l)短,切屑厚度 ( http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/image002.gif) 比切削层厚度 ( http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/image004.gif) 厚 ， 见 图 1.16 。 由于切屑宽度变化很小 ， 根据体积

    不变原理,可以用切削前后切削层及切屑的长度或厚度之比来衡量切屑变形的程度。如以ξ表示切屑变形系数 , 则有

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/image006.gifhttp://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/image008.gif（1.23）

    切削厚度和长度均为已知数 ， 而切屑厚度和长度能直接测得 ， 故 很容易 求得切屑变形系数 值。
+ a0 {, I3 b8 S9 [+ f/ X# u    变形系数值 的大小 可用来判断切削变形的严重程度，一般变形系数值越大，说明切削变形越严重。 据此 也 可以估计切削过程是否顺利。
    （4)切屑的基本形态
4 l8 M1 Z+ p& f+ w# r* J. ?2 [

    金属切削时， 由于工件材料、切削条件不同 ， 切削过程的变形程度也不同 , 因而所形成的切屑形态各种各样 ， 但大致可归为以下四种基本形 态， 见图 2.17

    1） 带状切屑 切屑呈带状 ， 底面光滑 ， 背面 无明显裂纹，呈微小锯齿形。 一般在加工塑性材料时 ， 采用较大的刀具前角 ， 较小的切削厚度 ， 较高的切削速度 ， 易形成此类切屑 。 它是最常见的切屑形态 ， 见 图 1.17a 。这种切屑变形程度较小 ， 它的切削过程比较平稳 ， 已加工表面粗糙度低。

    2） 节状切屑 切屑底面一般比较光滑 ， 背面呈锯齿形 ， 侧面有明显裂 纹。 这 是由于切削层滑移 变形程度大 ，加 工硬化严重 ， 局部超过材料的抗剪强度所致 。 一般在加工塑性材料 ， 采用较小前角 ， 较大切削厚度 ， 切削速度较低时形成 ，如 图 1.17b 所示。

    3） 单元 状 切屑 切削塑性很大的材料时 （ 如铅 、 退火铝 、 紫铜等 ）， 切屑易粘结在前刀面上 ， 不易流出 ， 裂纹扩展到整个剪切面上 ， 使整个单元被切断 ， 而形成此类切屑 ， 如图 2.17c 所示 。 出现这 种切屑时 ， 切削力波动很大 ， 表面粗糙度增加。

    4） 崩碎切屑 切削脆性材料时 （ 如铸铁、黄铜等 ）， 被切金属未经明显塑性变形就断裂 ， 切屑呈 片 状或不规则的碎片 ， 如图 1.17d 所示 ， 同时使加工表面凸凹不平 ， 切削力波动很大 ， 并集中在切削刃附近 ， 对刀具耐用度很不利。

    切屑的形状 ， 主要受切削时剪切变形区材料塑性变形程度的影响 。 对每一种金属材料来说 ， 塑性并不是其固有不变的性质 ， 在不同切削条件下 （ 前角、切削速度、切削厚度 ） , 同 一 材料会呈现不同的塑性。因此随着切削条件的变化 ， 切屑会由一种形态向另一种形态转变。通常刀具的前角越大 ， 切削速度越高 ， 切削厚度愈薄 ， 使切屑的塑性变形程度愈小 ， 切屑就可能由单元 （甚 至切削脆性材料时的崩碎切屑 ）向 节状或带状转变。
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    （5） 积屑瘤

    在一定切削速度范围内，加工钢料、有色金属等塑性材料时，在切削刃附近的前刀面上会出现一块高硬度的金属，它包围着切削刃，且覆盖着部分前刀面。这块硬度很高的金属称作积屑瘤。 图1.18 。积屑瘤的化学成分与工件材料相同，它的硬度约是工件材料的2～3.5倍，与刀具前刀面粘结牢固，能担负实际切削工作，时生时灭、时大时小。
' `, v/ c: N$ }    1)积屑瘤的产生与成长 切削产生的 切屑在沿前刀面流出的过程中 ，又进一步受到靠近刃口处前刀 面 的挤压和摩擦 ， 切屑与前刀面间的温度和压力增加 ， 摩擦力也增加 ， 于是使切屑底层流速减慢 ， 这种现象称为滞流。流速减慢的金属层称为滞流层。其厚度约为切屑厚度的 1/10 左右 。 滞流层与相邻金属之间产生相对滑移 ， 形成了与前刀面平行的剪应力 ， 在其作用下切屑再次产生剪切变形 ， 当切屑底层的剪应力超过金属的抗剪强度时 ， 底层金属被剪断并 粘 结在前刀面上。粘结层经过剧烈的塑性变形硬度提高 ， 继续切削时 ， 硬的粘结层又剪断软的金属层 ， 这样层层堆积 ， 就在前刀面靠近切削刃处形成了一个硬度很高的积屑瘤。 产生积屑瘤的决定因素是切削温度。加工硬化和粘结是形成积屑瘤的必要条件。
    2）积屑瘤的脱落与消失 随着切削速度的增高，切削温度达到或超过500～600 ℃ 时，由于温度高，加工硬化消失，金属软化，材料强度降低，刀刃附近刀面上的硬块被切屑带走或粘附在加工表面上，这样积屑瘤便脱落和消失，见 图1.18 。因而引起积屑瘤脱落和消失的主要原因也是切削温度。积屑瘤的产生、长大和脱落是周期性的动态过程。
5 u; Q% Q/ j4 t- B    3）积屑瘤的作用 积屑瘤对切削加工有利的一面是保护刀刃刃口，增大实际工作前角。不利的一面是造成过切，加剧了前刀面的磨损，造成切削力的波动,影响加工精度和表面粗糙度。因此可以认为，积屑瘤对粗加工是有利的，对于精加工则相反。
    4）减小或避免积屑瘤的措施
    ① 通过热处理降低材料的塑性,提高硬度,减少滞流层的产生 。

② 控制切削速度 ， 以控制切削温度。

    低速切削时 （ U =1O m/mi n 以下 ）， 摩擦小 ， 切削温度较低,切屑底层塑性状态变化不大 ， 一般不会产生积屑瘤 ， 高速切削时 （ U =10O m/mi n 以上 ），切 削温度较高 ， 切屑底层金属软化 ， 抗剪切能力下降 ， 也不易产生积屑瘤 ， 中速切削时 （ U =20～3O m/mi n ）， 切削温度在 300～400 ℃ ， 这时摩擦最大 ， 最易形成积屑瘤 ， 故精加工时的切削速度要避开中速范围。
. ^- M9 S" |  ^# q" ^, B    ③采用大前角刀具切削，以减小刀具与切屑接触的压力。
$ I' v; m6 b5 ?/ t) z  e% @4 t    ④其它措施，诸如减小进给量，减小前刀面的粗糙度值，合理使用切削液等。

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1.3.2切削力

    切削加工时 , 工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力称为切削力。它与刀具作用在工件上的力大小相等，方向相反。

    ( 1） 切削力的来源
    切削时作用在刀具上的力来自两个方面 ， 如图 1.19 所示。
    ① 克服被加工材料对前、后刀面弹性、塑性变形抗力 Fn r .F nα 。
! k2 h% }2 _( Y; n% l5 Z1 K    ② 克服切屑、工件与前、后刀面间的摩擦力 F f n .F f α .
# ]( a  ?, E" Bhttp://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image002.gif
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图 1.19 切削力分析

    a)作用在刀具上的力 b)、C)切削时的合力及分力
9 P$ \1 d: O& q) }    （2） 切削合力及分力
    作用在刀具上所有的力可合成为合力 F r 。为便于分析切削力的作用 , 测量和计算其大小 , 将合力 F r 分解为相互垂直的 Fx、Fy 、 Fz 三个分力 ( 图 2.19b .c) 。
, U: Q5 s" l! r    Fz 为主切削力或切向分力 。 它切于加工表面并垂直基面。它是计算刀具强度 , 设计机床零、部件和确定机床功率的依据 . 是最大的分力 , 消耗功率也最大 , 约占 95% 左右。
2 O* E" S0 q1 T    Fx 为进给抗力、轴向分力。它处于基面内并平行于工件轴线与走刀方向相反。它是设计 走刀机构强度、计算进给功率的依据。
    Fy 为切深抗力、径向分力。它处于基面内并与工 件轴线垂直。当工艺系统刚性不足时 , 它是引起振动的主要因素。
    由图 1.19b 可得 :

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image004.gif    (2.24)

    (3) 切削力的 计算
    在实际生产中，常用指数公式或单位切削力公式计算切削力，具体计算公式及参数参考有关手册资料。
    （ 4） 影响切削力的因素
. h  e) |& l# {  m/ Z! N    ① 工件材料 工件材料的强度和硬度越高 , 则抗剪强度越高 , 切削力就越大 。 工件材料塑性和韧性越高 , 切屑越不易卷曲 , 从而使刀具、切屑接触面间摩擦增大 , 故 切削力增大 , 如 1Cr18Ni9Ti 不锈钢比 45 钢切削时产生的切削力大得多。切削铸铁和其它脆性材料时 , 塑性变形小 , 刀具、切屑接触面间摩擦小 , 故产生的切削 力比钢小。
    ② 切削用量

    A.背吃刀量： 背吃刀量增大，切削层公称宽度按比例增大，从而使剪切面面积和切屑与前刀面的接触面积都按比例增大，第 Ⅰ 变形区和第 Ⅱ 变形区的变形都按比例增大。因而，当背吃刀量增大 1倍，切削力也增大1倍。

    B.进给量： 进给量增大，切削层公称厚度按比例增大，而切削层公称宽度不变。这时，虽剪切面面积按比例增大，但切屑与前刀面的接触未按比例增大，第 Ⅱ 变形区的变形未按比例增加。因而，当进给量增大 1倍，切削力约增加70%～80%。

    C．切削速度： 切削时，若不形成积屑瘤，当切削速度增大，则切削力减小。若形成积屑瘤，开始时，随着切削速度的增大，逐渐产生与形成积屑瘤，使实际前角逐渐增大，切削力下降。当积屑瘤高度最高时，切削力最小；随着切削速度的增加，切削温度不断升高，积屑瘤逐渐脱落，使前角减小，切削力又逐渐增加。当积屑瘤完全消失，切削力达到最大值。随后切削力又随切削速度的增大而减小。
) T" Z% v5 p* T) b$ _+ G' x7 R  N

    ③刀具几何角度

    前角增大 ， 刀具、 切屑接触面间摩擦减少 , 切削变形小 , 故切削力减小。主偏角对 Fx、 Fy 影响较大 ,对 F z 影响较小 。 刃倾角对主切削力影响很小 , 但对切深抗力 Fy 和进给抗力 Fx较大。

    此外 , 刀具棱面、刀尖圆孤半径 、 刀具磨损等对切削力也有影响 。
    (5) 切削功率
1 m6 ^; G% m' Q7 A) g6 [    切削加工时，切削功率是各分力消耗功率的总和。车削时 , 因 Fy 方向没有位移不作功， 而 Fx 所消耗的功率仅为主运动消耗功率的 1% 左右 , 可略去不计 , 故通常计算主运动消耗的功率为总的切削功率。
! i0 ?  `0 z- f- f

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image006.gifhttp://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image008.gif    (1.25)

    式中 http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image010.gif—切削功率 （ kw ）；
: z4 ]6 t! h$ e" G

    F Z — 主切削力 （ N ）；

    V C —切削速度 （ m/min ） 。
; O" {$ C; U& m+ U3 Y; T' D8 g( P  Q

    求得切削功率后 , 在验证机床电动机功率是否足够时 , 还需考虑机床的传动效率 , 故机床电动机功率 http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image012.gif(KW) 为 :

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image014.gif(1.26)

http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.2.1/image016.gif=0.75～0.85

水远

1.3.3 切削热、切削温度

    切削热和切削温度是金属切削过程中重要的物理现象之一。切削温度能改变前刀面上 的 摩擦状态和工件材料的切削性能 , 影响积屑瘤的形成 , 也影响刀具磨损和己加工表面的质量。
- k1 G4 f; J, A4 U; \    （1） 切削热
  m) Q* v! ]+ y    切削热是在切削过程中由被加工材料的变形、分离及刀具和被加工材料间的摩擦而产生的。切削时所消耗的变形功、摩擦功几乎可全部转化为热量。
    切削塑性材料时 ，切削热主要是由剪切区和前刀面摩擦形成的；切削 脆性材料时 ，后刀面摩擦热占的比例较多。
2 w8 F9 I& Q) }" X6 _! `* _    切削热传散比例也是不同的 , 一般切屑带走的热量最多 ， 工件次之 ， 刀具中较少 ， 周围介质中最少。车削时的大概比例是 ： 切屑为 50%～ 80%, 工件为 40%～10%, 刀具 9%～3%, 介质 l% 。
    传散比例与切削速度有关 , 提高切削速度切屑带走的热量增多 ， 传入工件和刀具的热量减少 。
    （2）切削温度
% e& M' e$ [' {4 \/ @2 f    切削热是通过切削温度对工件和刀具产生作用的。切削温度是指切削过程中切削区的平均温度 , 用 θ 表示 , 该区温度的高低取决于切削热量产生的多少和传散的快慢 。 研究切削温度的目的在于设法控制刀具上的最高温度 , 以延长刀具的使用寿命。
+ |( d; H2 D5 b9 h: |2 g3 f' V

    1） 切削温度的分布

    如 图 1.20a 所示为某切削条件时用人工热电偶法测得的温度分布场。由图可见 , 切削温度分布极不均匀 , 在切屑中 , 底层温度最高 , 在刀具中 , 靠近切削刃处 ( 约 1mm) 温度最高 ； 在工件中 , 切削刃附近温度最高 。 如 图 1.20b 所示为刀具前刀面上的切削温度分布图。

    切削钢料时 , 切屑表面产生一层氧化膜 , 它的颜色随切削温度的高低而变化 , 可从切屑颜色大致判断切削温度高低。 300 ℃以下切屑呈银白色 ,400 ℃左右呈黄色 ,500 ℃左右呈深 兰色 ,600 ℃左右呈紫黑色。

    2）、 影响切削温度的因素
. Y9 M7 e/ A. e4 U1 p# Z    ① 工件材料 工件材料的强度和硬度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。工件材料的导热系数越小，传散热量的速度就越慢，切削温度也越高。
    ② 切削用量 增大 切削用量 时，切削功率增大，产生的切削热也多，切削温度就会升高。由于切削速度、进给量和背吃刀量的变化对切削热的产生与传导的影响不同，所以对切削温度的影响也不同。其中切削速度 http://www.xihangzh.com/jzkj/jpkc/img/1.3/3.3/image004.gif对切削温度影响最大 ，进给量 f 次之 , 背吃刀量ap 最小。
    ③ 刀具几何参数 刀具的 前角γ o和主偏角对切削温度影响比较大。增大前角，可使切削变形及切屑与前刀面的摩擦减小，产生的切削热减小，切削温度下降。但前角过大（≥20°）时，会使刀头的散热面积减小，使切削温度升高。减小主偏角，可增加切削刃的工作长度，增大刀头的散热面积，降低切削温度。
    ④其它因素 刀具后刀面磨损增大时，加剧了刀具与工件间的摩擦，使切削温度升高。切削速度越高，刀具磨损对切削温度的升高越明显。使用切削液可有效降低切削温度