2.2　金屬切削基本原理

金屬切削加工是利用刀具和工件之間的相對運動切除毛坯上多余金屬形成一定形狀、尺寸和質量的表面以獲得所需的機械零件。

2.2.1　機械零件的表面

機械零件的形狀很多，但分析起來，都不外乎是由平面、圓柱面、圓錐面及成形面所組成。這些面的形成是以直線或曲線為母線，以直線或圓為運動軌跡，作旋轉或平移運動所形成的表面。

機械零件的任何表面都可看作一條線（稱為母線）沿著另一條線（稱為導線）運動的軌跡。形成表面的母線和導線統稱為發生線。

如圖2-4所示，平面可看作是由一根直線（母線）沿著另一根直線（導線）運動而形成［圖2-4（a）］；圓柱面和圓錐面可看作是由一根直線（母線）沿著一個圓（導線）運動而形成［圖2-4（b）、（c）］；普通螺紋的螺旋面是由“∧”形線（母線）沿螺旋線（導線）運動而形成［圖2-4（d）］；直齒圓柱齒輪的漸開線齒廓表面是由漸開線（母線）沿直線（導線）運動而形成［圖2-4（e）］等。

由圖2-4可以看出，有些表面，其母線和導線可以互換，如平面、圓柱面和直齒圓柱齒輪的漸開線齒廓表面等，稱為可逆表面；而另一些表面，其母線和導線不可互換，如圓錐面和螺旋面等，稱為不可逆表面。

2.2.2　機械零件表面的成形方法

切削時，機床使刀具和工件之間產生相對運動，運動的作用是把毛坯切削成要求的形狀。因而，若從幾何成形的角度，分析刀具與工件之間的相對運動，可稱為成形運動。

分析成形運動時，可以把幾何學中各種表面的形成規律和切削時刀具與工件之間的相對運動的關系加以聯系，由于使用的刀具切削刃形狀和采用的加工方法不同，形成發生線的方法也不同，可歸納為以下四種。

（1） 軌跡法　它是利用刀具作一定規律的軌跡運動對工件進行加工的方法。切削刃與被加工表面為點接觸，發生線為接觸點的軌跡線。圖2-5（a）中，母線A1（直線）和導線A2（曲線）均由刨刀的軌跡運動形成。采用軌跡法形成發生線需要一個成形運動。

（2） 成形法　它是利用成形刀具對工件進行加工的方法。切削刃的形狀和長度與所需形成的發生線（母線）完全重合。圖2-5（b）中，曲線形母線由成形刨刀的切削刃直接形成，直線形的導線則由軌跡法形成。

（3） 相切法　它是利用刀具邊旋轉邊作軌跡運動對工件進行加工的方法。如圖2-5（c）所示，采用銑刀或砂輪等旋轉刀具加工時，在垂直于刀具旋轉軸線的截面內，切削刃可看作是點，當切削點繞著刀具軸線作旋轉運動B1，同時刀具軸線沿著發生線的等距線作軌跡運動A2時，切削點運動軌跡的包絡線便是所需的發生線。為了用相切法得到發生線，需要兩個成形運動，即刀具旋轉運動和刀具中心按一定規律運動。

（4） 展成法　它是利用工件和刀具作展成切削運動進行加工的方法。切削加工時，刀具與工件按確定的運動關系作相對運動（展成運動或稱范成運動），切削刃與被加工表面相切（點接觸），切削刃各瞬時位置的包絡線便是所需的發生線。如圖2-5（d）所示，用齒條形插齒刀加工圓柱齒輪，刀具沿箭頭A1方向所作的直線運動，形成直線形母線（軌跡法），而工件的旋轉運動B21和直線運動A22，使刀具能不斷地對工件進行切削，其切削刃的一系列瞬時位置的包絡線便是所需要漸開線形導線［見圖2-5（e）］，用展成法形成發生線需要一個成形運動（展成運動）。

2.2.3　切削運動

在機床上，為了獲得所需的工件表面形狀，必須形成一定形狀的發生線（母線和導線）。除成形法外，發生線的形成都是靠刀具和工件作相對運動實現的，這種運動稱為表面成形運動。此外，還有多種輔助運動。

1.成形運動按其組成情況進行分類

成形運動按其組成情況進行分類，可分為簡單的和復合的兩種。

如果一個獨立的成形運動是由單獨的旋轉運動或直線運動構成的，則此成形運動稱為簡單成形運動。例如，用尖頭車刀車削外圓柱面時［如圖2-6（a）所示］，工件的旋轉運動B1和刀具直線運動A2就是兩個簡單運動；用砂輪磨削外圓柱面時［如圖2-6（b）所示］，砂輪和工件的旋轉運動B1、B2以及工件的直線移動A3，也都是簡單運動。

如果一個獨立的成形運動，是由兩個或兩個以上的旋轉運動或（和）直線運動，按照某種確定的運動關系組合而成，則稱此成形運動為復合成形運動。例如，車削螺紋時［如圖2-7（c）所示］，形成螺旋形發生線所需的刀具和工件之間的相對螺旋軌跡運動。為簡化機床結構和較易保證精度，通常將其分解為工件的等速旋轉運動B11和刀具的等速直線移動A12。B11和A12不能彼此獨立，它們之間必須保持嚴格的運動關系，即工件每轉一轉時，刀具直線移動的距離應等于螺紋的導程，從而B11和A12這兩個單元運動組成一個復合運動。用軌跡法車回轉體成形面時［如圖2-7（d）所示］，尖頭車刀的曲線軌跡運動通常由相互垂直坐標方向上的、有嚴格速比關系的兩個直線運動A21和A22來實現，A21和A22也組成一個復合運動。

2.切削運動

從幾何成形的角度出發分析刀具與工件之間相對運動，目的是把相對運動與形成零件表面的關系聯系起來。當我們分析一臺具體的機床上能夠切削出哪些類型的零件（如軸、箱體），以及哪些類型的表面（如外圓、平面）時，就要考慮機床能夠使工件和刀具產生哪些切削運動，如圖2-7所示。

成形運動中各單元運動根據其在切削中所起作用的不同進行分類，切削運動分為主運動（v）和進給運動（s）。

（1）主運動　在切削加工中起主要的、消耗動力最多的運動為主運動。它是切除工件上多余金屬層所必需的運動。車削外圓時主運動是工件的旋轉運動；銑削、鉆削和磨削時主運動是刀具的旋轉運動；牛頭刨床刨削時主運動是刀具的直線運動。一般切削加工中主運動只有一個。

（2）進給運動　在切削加工中為保持切削連續進行，刀具與工件之間的相對運動稱為進給運動。進給運動可以是一個或多個。車削時進給運動是刀具的移動；銑削時進給運動是工件的移動；鉆削時進給運動是鉆頭沿其軸線方向的移動；磨削外圓時，除縱向進給外，還有圓周進給，才能切出完整的外圓表面。

主運動和進給運動可由刀具或工件分別完成，也可由刀具單獨完成（例如在鉆床上鉆孔），主運動和進給運動可以是旋轉運動，也可以是直線運動。

進給運動的種類很多，一般包括：

①切入運動　刀具相對工件切入一定深度，以保證工件達到要求的尺寸；

②分度運動　多工位工作臺和刀架等的周期轉位或移位以及多頭螺紋的車削等；

③調位運動　加工開始前機床有關部件的移位，調整刀具和工件之間的正確相對位置；

④各種空行程運動　切削前后刀具或工件的快速趨近和退回運動，開車、停車、變速或變向等控制運動，裝卸、夾緊或松開工件的運動等。

2.2.4　切削要素

1.切削時產生的表面

在切削運動作用下，工件上的切削層不斷地被刀具切削并轉變為切屑，從而加工出所需要的新表面。因此，工件在切削過程中形成了三個不斷變化著的表面，如圖2-8所示。

（1）待加工表面　工件上即將被切去切屑的表面。

（2）加工表面　工件上正被刀刃切削的表面。

（3）已加工表面　工件上已切去切屑的表面。

2.切削用量

切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量（切削深度），俗稱切削三要素。它們是表示主運動和進給運動最基本的物理量，是切削加工前調整機床運動的依據，并對加工質量、生產率及加工成本都有很大影響。

（1）切削速度vc　在單位時間內，工件和刀具沿主運動方向相對移動的距離。如主運動為旋轉運動時，按下式計算切削速度（m/min）：

vc=πDn/1000

式中　D——工件待加工表面或刀具的最大直徑，mm；

n——工件或刀具每分鐘轉數，r/min。

如主運動為往復直線運動，則其平均切削速度（m/min）：

vc=2Lnr/1000

式中　L——往復直線運動的行程長度，mm；

nr——主運動每分鐘的往復次數，即行程數，str/min。

（2）進給量f　在主運動的一個循環（或單位時間）內，刀具和工件之間沿進給運動方向相對運動的距離，又稱走刀量。

如車削時，工件每轉一轉，刀具所移動的距離就是進給量f，單位為mm/r；

如牛頭刨床上刨削時，刀具往復一次，工件移動的距離就是進給量，單位為mm/str。

對于銑刀、鉸刀、拉刀等多齒刀具，還規定每齒進給量fz，單位為mm/z。

進給速度、進給量和每齒進給量之間的關系為：

vc=nf=nzfz

（3）背吃刀量（切削深度）ap　待加工表面和已加工表面之間的垂直距離。

車削時，切削深度是指待加工表面與已加工表面之間的垂直距離，又稱吃刀量，單位為mm，其計算式為：

式中　dw——工件待加工表面的直徑，mm；

dm——工件已加工表面的直徑，mm。

切削用量是機械加工中最基本的工藝參數。切削用量的選擇，對于機械加工質量、生產率和刀具的使用壽命（耐用度）有著直接而重要的影響。切削用量的選擇取決于刀具材料、工件材料、工件表面加工余量、加工精度和表面粗糙度要求、生產方式等，可查閱切削加工手冊。

3.切削層參數

切削時，沿進給運動方向移動一個進給量（車削或刨削時為mm/r， mm/雙行程；多刃刀具為mm/z）所切除的金屬層稱為切削層。切削層參數，是指切削層在基面pr內所截得的截面形狀和尺寸，即在切削層公稱橫截面中度量。車削時的切削層公稱橫截面參數，如圖2-9所示，其定義如下。

（1）切削層公稱厚度（簡稱切削厚度）hD（mm）　切削厚度hD是垂直于工件過渡表面度量的切削層橫斷面尺寸：

hD=fsinκr

（2）切削層公稱寬度（簡稱切削寬度）bD（mm）　切削寬度bD是平行于工件過渡表面度量的切削層橫斷面尺寸：

bD=ap/sinκr

（3）切削層公稱橫截面面積（簡稱切削面積）AD（mm）　切削面積AD是在切削層尺寸平面度量的橫截面積（在基面pr內度量的切削層橫截面積）：

AD=hDbD=fap

2.2.5　金屬切削過程

1.金屬切削過程

金屬切削過程是指從工件表面切除多余金屬形成已加工表面的過程。在切削過程中，工件受到刀具的推擠，通常會產生變形，形成切屑。伴隨著切屑的形成，將會產生切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損、積屑瘤和加工硬化等現象，這些現象將影響到工件的加工質量和生產效率等。因此有必要對其變形過程加以研究，找出其基本規律，對提高金屬切削加工質量和生產效率，減少刀具的損耗影響很大。

2.切削變形

（1）切屑的形成過程　切屑是被切材料受到刀具前刀面的推擠，沿著某一斜面剪切滑移形成的，如圖2-10所示。

圖中未變形的切削層AGHD可看成是由許多個平行四邊形組成的，如ABCD、BEFC、EGHF…當這些平行四邊形扁塊受到前刀面的推擠時，便沿著BC方向向斜上方滑移，形成另一些扁塊，即ABCD→AB'C'D 、BEFC→B'E'F'C'、EGHF→E'G'H'F…由此可以看出，切削層不是由刀具切削刃削下來的或劈開來的，而是靠前刀面的推擠，滑移而成的。

（2）切削過程變形區的劃分　切削層金屬受到刀具前刀面的推擠產生剪切滑移變形后，還要繼續沿著前刀面流出變成切屑。在這個過程中，切削層金屬要產生一系列變形，通常將其劃分為三個變形區，如圖2-11所示。

①第一變形區　圖中Ⅰ（AOM）為第一變形區，在第一變形區內，當刀具和工件開始接觸時，材料內部產生應力和彈性變形，隨著切削刃和前刀面對工件材料的擠壓作用加強，工件材料內部的應力和變形逐漸增大，當切應力達到材料的屈服強度時，材料將沿著與走刀方向成45°的剪切面滑移，即產生塑性變形，切應力隨著滑移量增加而增加，當切應力超過材料的強度極限時，切削層金屬便與材料基體分離，從而形成切屑沿前刀面流出。由此可以看出，第一變形區變形的主要特征是沿滑移面的剪切變形，以及隨之產生的加工硬化。

實驗證明，在一般切削速度下，第一變形區的寬度僅為0.02～0.2mm，切削速度越高，其寬度越小，故可看成一個平面，稱剪切面。

②第二變形區　圖中Ⅱ為第二變形區，切屑底層（與前刀面接觸層）在沿前刀面流動過程中受到前刀面的進一步擠壓與摩擦，使靠近前刀面處金屬纖維化，即產生了第二次變形，變形方向基本上與前刀面平行。

③第三變形區　圖中Ⅲ為第三變形區，此變形區位于后刀面與已加工表面之間，切削刃鈍圓部分及后刀面對已加工表面進行擠壓，使已加工表面產生變形，造成纖維化和加工硬化。

3.切屑的類型

由于工件材料性質和切削條件不同，切削層變形程度也不同，因而產生的切屑形態也多種多樣。從變形的觀點來看，可將切屑形態主要分為以下四種類型，如圖2-12所示。

（1）帶狀切屑　如圖2-12（a）所示。切屑延續成較長的帶狀，這是一種最常見的切屑形狀。一般情況下，當加工塑性材料，切削厚度較小，切削速度較高，刀具前角較大時，往往會得到此類屑型。此類屑型底層表面光滑，上層表面毛茸；切削過程較平穩，已加工表面粗糙度值較小。

（2） 節狀切屑（又稱擠裂切屑）　如圖2-12（b）所示。切屑底層表面有裂紋，上層表面呈鋸齒形。大多在加工塑性材料，切削速度較低，切削厚度較大，刀具前角較小時，容易得到此類屑型。

（3） 粒狀切屑（又稱單元切屑）　如圖2-12（c）所示。當切削塑性材料，剪切面上剪切應力超過工件材料破裂強度時，擠裂切屑便被切離成粒狀切屑。切削時采用較小的前角或負前角、切削速度較低、進給量較大，易產生此類屑型。

以上三種切屑均是切削塑性材料時得到的，只要改變切削條件，三種切屑形態是可以相互轉化的。

（4） 崩碎切屑　如圖2-12（d）所示。在加工鑄鐵等脆性材料時，由于材料抗拉強度較低，刀具切入后，切削層金屬只經受較小的塑性變形就被擠裂，或在拉應力狀態下脆斷，形成不規則的碎塊狀切削。工件材料越脆、切削厚度越大、刀具前角越小，越容易產生這種切屑。

4.摩擦特性與積屑瘤

（1）前刀面上的摩擦特性　 切屑從工件上分離流出時與前刀面接觸產生摩擦，接觸長度lf如圖2-13所示。在近切削刃長度lf1內，由于摩擦與擠壓作用產生高溫和高壓，使切屑底面與前面的接觸面之間形成黏結，亦稱冷焊，黏結區或稱冷焊區內的摩擦屬于內摩擦，是前面摩擦的主要區域。在內摩擦區外的長度lf2內的摩擦為外摩擦。

內摩擦力使黏結材料較軟的一方產生剪切滑移，使得切屑底層很薄的一層金屬晶粒出現拉長的現象。由于摩擦對切削變形、刀具壽命和加工表面質量有很大影響，因此，在生產中常采用減小切削力、縮短刀-屑接觸長度、降低加工材料屈服強度、選用摩擦系數小的刀具材料、提高刀面刃磨質量和澆注切削液等方法，來減小摩擦。

（2）積屑瘤　在切削塑性材料時，如果前刀面上的摩擦系數較大，切削速度不高又能形成帶狀切屑的情況下，常常會在切削刃上黏附一個硬度很高的鼻形或楔形硬塊，稱為積屑瘤。如圖2-14所示，積屑瘤包圍著刃口，將前刀面與切屑隔開，其硬度是工件材料的2～3倍，可以代替刀刃進行切削，起到增大刀具前角和保護切削刃的作用。

積屑瘤是切屑底層金屬在高溫、高壓作用下，在刀具前表面上黏結并不斷層積的結果。當積屑瘤層積到足夠大時，受摩擦力的作用會產生脫落，因此，積屑瘤的產生與大小是周期性變化的。積屑瘤的周期性變化對工件的尺寸精度和表面質量影響較大，所以，在精加工時應避免積屑瘤的產生。

5.影響切削變形的主要因素

影響切削變形的因素很多，歸納起來主要有四個方面，即工件材料、刀具前角、切削速度和進給量。

（1）工件材料　工件材料的強度和硬度越高，則摩擦系數越小，變形越小。因為材料的強度和硬度增大時，前刀面上的法向應力增大，摩擦系數減小，使剪切角增大，變形減小。

（2）刀具前角　刀具前角越大，切削刃越鋒利，前刀面對切削層的擠壓作用越小，則切削變形越小。

（3）切削速度　在切削塑性材料時，切削速度對切削變形的影響比較復雜，如圖2-15所示。在有積屑瘤的切削范圍內（vc≤400m/min），切削速度通過積屑瘤來影響切屑變形。在積屑瘤增長階段，切削速度增大，積屑瘤高度增大，實際前角增大，從而使切削變形減少；在積屑瘤消退階段，切削速度增大，積屑瘤高度減小，實際前角減小，切削變形隨之增大。積屑瘤最大時切削變形達最小值，積屑瘤消失時切削變形達最大值。

在無積屑瘤的切削范圍內，切削速度越大，則切削變形越小。這有兩方面原因：一方面是由于切削速度越高，切削溫度越高，摩擦系數降低，使剪切角增大，切削變形減小；另一方面，切削速度增高時，金屬流動速度大于塑性變形速度，使切削層金屬尚未充分變形，就已從刀具前刀面流出成為切屑，從而使第一變形區后移，剪切角增大，切削變形進一步減小。

（4）進給量　進給量對切削速度的影響是通過摩擦系數影響的。進給量增加，作用在前刀面上的法向力增大，摩擦系數減小，從而使摩擦角減小，剪切角增大，因此切削變形減小。

2.2.6　切削力

金屬切削時，切削力是被加工材料抵抗刀具切入所產生的阻力。切削力是影響工藝系統強度、剛度和加工工件質量的重要因素；也是設計機床、刀具和夾具、計算切削動力消耗的主要依據。

1.切削力的來源、合力與分力

金屬切削時刀具在切削工件，由于切屑與工件內部產生彈、塑性變形抗力，切屑與工件對刀具產生摩擦阻力，形成了作用在刀具上的合力F，在切削時合力F作用在近切削刃空間某方向，由于大小與方向都不易確定，因此，為便于測量、計算和反映實際作用的需要，常將合力F分解為相垂直的三個分力Fc、Fp、Ff，如圖2-16所示。

（1）切削力Fc（主切削力Fz）　在主運動方向上分力，它切于加工表面，并垂直于基面。Fc是計算刀具強度、設計機床零件、確定機床功率等的主要依據。

（2）背向力Fp（切深抗力Fy）　在進給運動方向上的分力，它處于基面內在進給方向上。Fp是設計機床進給機構和確定進給功率等的主要依據。

（3）進給力Ff（進給抗力Fx）　在進給運動方向上的分力，它處于基面內并垂直于進給運動方向。Ff是計算工藝系統剛度的主要依據。它也是使工件在切削過程中產生振動的力。

背向力Fp與進給力Ff的合力（推力）FD是作用在切削層平面上且垂直于主切削刃。

合力F、推力FD與各分力之間關系為：

Fp=FDcosκr
Ff=FDsinκr

上式表明，當κr=0°時，Fp≈FD、Ff≈0；當κr=90°時，Fp≈0、Ff≈FD，各分力的大小對切削過程會產生明顯不同的作用。

2.切削功率

在切削過程中消耗的功率叫切削功率Pc，單位為kW，它是Fc、Fp、Ff在切削過程中單位時間內所消耗的功的總和。

Pc=10-3Fcvc

式中　vc——主運動的切削速度。

計算切削功率Pc是為了核算加工成本和計算能量消耗，并在設計機床時根據它來選擇機床電機功率。機床電機的功率PE可按下式計算。

PE=Pc/ηc

式中　ηc——機床傳動效率，一般取ηc=0.75～0.85。

3.影響切削力的主要因素

影響切削力因素主要包括工件材料、切削用量和刀具幾何參數三個方面。

（1） 工件材料　工件材料是通過材料的剪切屈服強度、塑性變形程度與刀具間的摩擦條件影響切削力的。一般來說，材料的強度和硬度越高，切削力越大。

（2）切削用量　切削三要素對切削力均有一定的影響，但影響程度不同，其中背吃刀量ap和進給量f影響較明顯。若f不變，當ap增加一倍時，切削厚度ac不變，切削寬度aw增加一倍，因此，刀具上的負荷也增加一倍，即切削力增加約一倍；若ap不變，當f增加一倍時，切削寬度aw保持不變，切削厚度ac增加約一倍，在刀具刃圓半徑的作用下，切削力只增加68%～86%。

（3）刀具幾何參數　在刀具幾何參數中刀具的前角γo和主偏角κs對切削力的影響較明顯。當加工鋼時γo增大，切削變形明顯減小，切削力減小得較多。κs適當增大，使切削厚度ac增加，單位面積上的切削力P減小。在切削力不變的情況下，主偏角大小將影響背向力和進給力的分配比例，當κs增大，背向力Fp減小，進給力Ff增加。

2.2.7　切削熱與切削溫度

切削熱和切削溫度是切削過程中產生的另一個物理現象。切削區域的平均溫度稱為切削溫度。所以，研究切削熱和切削溫度對提高刀具的使用壽命、工件的加工精度和表面質量具有重要的實際意義。

1.切削熱的產生和傳散

在切削加工中，切削變形與摩擦所消耗的能量（98%～99%）幾乎全部轉換為熱能，即切削熱。切削區產生的切削熱，是在切削過程中通過切屑、刀具、工件和周圍介質（空氣或切削液）向外傳散，同時使切削區域的溫度升高。例如在空氣冷卻條件下車削時，切削熱50%～86%由切屑帶走，10%～40%傳入工件，3%～9%傳入刀具，1%左右通過輻射傳入空氣。

影響熱傳散的主要因素是工件和刀具材料的熱導率、加工方式和周圍介質的狀況。熱量傳散的比例與切削速度有關，切削速度增加時，由摩擦生成的熱量增多，但切屑帶走的熱量也增加，在刀具中熱量減少，在工件中熱量更少。

2.影響切削溫度的主要因素

切削溫度的高低主要取決于切削加工過程中產生熱量的多少和向外傳散的快慢。產生的切削熱越多，傳出的越慢，切削溫度越高；反之，切削溫度越低。影響切削熱量產生和傳散的主要因素有切削用量、工件材料、刀具幾何參數和切削液等。

（1） 切削用量　對切削溫度影響最大的切削用量是切削速度，其次是進給量，而背吃刀量影響最小。當vc、f和ap增加時，由于切削變形和摩擦所消耗的功增大，故切削溫度升高。vc增加使摩擦生熱增多；f增加時，因切削變形增加較少，故熱量增加不多，此外，使刀-屑接觸面積增大，改善了散熱條件；ap增加使切削寬度增加，顯著增大了熱量的傳散面積。

（2）工件材料　工件材料主要是通過硬度、強度和熱導率影響切削溫度的。工件材料的硬度、強度越高，切削時消耗的功率越多，產生的切削熱越多，切削溫度就越高。加工低碳鋼，材料的強度和硬度低，熱導率大，故產生的切削溫度低；加工高碳鋼，材料的強度和硬度高，熱導率小，故產生的切削溫度高。

（3）刀具幾何參數　在刀具幾何參數中，影響切削溫度最明顯的因素是前角γo和主偏角κr，其次是刀尖圓弧半徑rε。前角γo增大，切削變形和摩擦產生的熱量均較少，故切削溫度下降。但前角γo過大，散熱變差，使切削溫度升高，因此在一定條件下，均有一個產生最低切削溫度的最佳前角γo值（20°～25°）。

（4）切削液　切削時使用切削液對降低切削溫度、減少刀具磨損和提高零件加工質量有明顯的效果。切削液有兩個作用：一方面可以減小切屑與前刀面、工件與后刀面的摩擦，起到潤滑作用；另一方面可以吸收大量切削熱，降低切削區的溫度，起到冷卻作用。

2.2.8　刀具磨損與刀具耐用度

在切削過程中，刀具在高壓、高溫和強烈摩擦條件下工作，一方面切下切屑，另一方面刀具本身切削刃由鋒利逐漸變鈍以致失去正常切削能力。刀具損壞的形式主要有磨損和破損兩類。前者是連續逐漸磨損，屬正常磨損；后者包括脆性破損（如崩刃、碎斷、剝落、裂紋破損等）和塑性破損兩種，屬非正常磨損。刀具磨損后，使工件加工精度降低，表面粗糙度增大，并導致切削力加大、切削溫度升高，甚至產生振動，不能繼續正常切削。因此刀具磨損直接影響加工效率、質量和成本。

1.刀具磨損形式

刀具磨損形式可分為正常磨損和非正常磨損兩種形式。

（1） 正常磨損　正常磨損是指隨著切削時間的增加，磨損逐漸擴大的磨損。磨損主要發生在前、后兩個刀面上。

刀具正常磨損，按磨損部位不同，刀具磨損形式可分為前刀面磨損、主后面磨損、前刀面和主后面同時磨損三種形式。如圖2-17所示。

①前刀面磨損　在高溫、高壓條件下，切屑流出時與前面產生摩擦，在前面形成月牙洼磨損，磨損量通常用深度KT和寬度KB測量，如圖2-17（a）所示。

②主后面磨損　切削脆性材料或以較低的切削速度和較小的切削層公稱厚度切削塑性材料時，前刀面上的壓力和摩擦力不大，溫度較低，這時磨損主要發生在主后面上。磨損程度用平均磨損高度VB表示。如圖2-18所示，可將磨損劃分為三個區域。

a.刀尖磨損C區　在倒角刀尖附近，因強度低，溫度集中造成，磨損比較嚴重，其最大值為VC。

b.中間磨損B區　在切削刃的中間位置，存在著均勻磨損量VB，局部出現最大磨損量VBmax。

c.邊界磨損N區　在切削刃與帶加工表面相交處，因高溫氧化，表面硬化層作用造成最大磨損量VNmax。

刀面磨損形式可隨切削條件變化而發生轉化，但在大多數情況下，刀具的后面都發生磨損，而且測量也比較方便，因此常以平均寬度VB值表示刀具刀面磨損程度。

（2）非正常磨損　非正常磨損亦稱破壞。常見形式有脆性破壞（如崩刃、碎斷、剝落、裂紋破壞等）和塑性破壞（如塑性流動等）。其主要是由于刀具材料選擇不合理，刀具結構、制造工藝不合理，刀具幾何參數不合理，切削用量選擇不當，刃磨和操作不當等造成。

2.刀具磨損的原因

造成刀具磨損有以下幾種原因。

（1） 磨粒磨損　在工件材料中含有氧化物、碳化物和氮化物等硬質點，在鑄、鍛工件表面存在著硬夾雜物，在切屑和工件表面黏附著硬的積屑瘤殘片，這些硬質點在切削時像“磨粒”一樣對刀具表面摩擦和刻劃，致使刀具表面磨損。

（2） 黏結磨損　黏結磨損亦稱冷焊磨損。切削塑性材料時，在很大壓力和強烈摩擦作用下，切屑、工件與前、后刀面間的吸附膜被擠破，形成新的表面緊密接觸，因而發生黏結現象。刀具表面局部強度較低的微粒被切屑和工件帶走，這樣形成的磨損稱為黏結磨損。黏結磨損一般在中等偏低的切削速度下較嚴重。

（3） 擴散磨損　在高溫作用下，工件與刀具材料中合金元素相互擴散，改變了原來刀具材料中化學成分的比值，使其性能下降，加快了刀具的磨損。因此，切削加工中選用的刀具材料，應具有高的化學穩定性。

（4） 化學磨損　化學磨損亦稱氧化磨損。在一定溫度下，刀具材料與周圍介質起化學作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物而被切屑帶走；或因刀具材料被某種介質腐蝕，造成刀具的化學磨損。

3.刀具的磨損過程

刀具的磨損過程一般分成三個階段，如圖2-19所示。

（1） 初期磨損階段（OA段）　將新刃磨刀具表面存在的凸凹不平及殘留砂輪痕跡很快磨去。初期磨損量的大小，與刀具刃磨質量相關，一般經研磨過的刀具，初期磨損量較小。

（2） 正常磨損階段（AB段）　經初期磨損后，刀面上的粗糙表面已被磨平，壓強減小，磨損比較均勻緩慢。后刀面上的磨損量將隨切削時間的延長而近似成正比例增加。此階段是刀具的有效工作階段。

（3） 急劇磨損階段（BC段）　當刀具磨損達到一定限度后，已加工表面粗糙度變差，摩擦加劇，切削力、切削溫度猛增，磨損速度增加很快，往往產生振動、噪聲等，致使刀具失去切削能力。

因此，刀具應避免達到急劇磨損階段，在這個階段到來之前，就應更換新的刀具。

4.刀具的磨鈍標準

刀具磨損到一定限度就不能繼續使用，這個磨損限度稱為磨鈍標準。國際標準ISO規定以1/2背吃刀量處后刀面上測定的磨損帶寬度VB值作為刀具的磨鈍標準。

根據加工條件的不同，磨鈍標準應有變化。粗加工應取大值，工件剛性較好或加工大件時應取大值，反之應取小值。

自動化生產中的精加工刀具，常以沿工件徑向的刀具磨損量作為刀具的磨鈍標準，稱為刀具徑向磨損量NB值。

目前，在實際生產中，常根據切削時突然發生的現象，如振動產生、已加工表面質量變差、切屑顏色改變、切削噪聲明顯增加等來決定是否更換刀具。

5.刀具壽命

刀具壽命是指一把新刀從開始切削直到磨損量達到磨鈍標準為止總的切削時間，或者說是刀具兩次刃磨之間總的切削時間，用T表示，單位為min。刀具總壽命應等于刀具耐用度乘以重磨次數。刀具兩次刃磨之間實際切削的時間，稱為刀具的耐用度。實際生產中，一般用刀具的使用時間作耐用度，例如：硬質合金車刀，耐用度大致為60～90min；麻花鉆頭的耐用度大致為80～120min；硬質合金端銑刀的耐用度大致為90～180min；齒輪刀具的耐用度大致為200～300min；立方氮化硼車刀耐用度大致為120～150min；金剛石車刀耐用度大致為600～1200min。

在工件材料、刀具材料和刀具幾何參數選定后，刀具耐用度由切削用量三要素來決定。刀具壽命T與切削用量三要素之間的關系可由下面經驗公式來確定：

式中　Cr——與刀具、工件材料，切削條件有關的系數；

m、n、p——壽命指數，分別表示切削用量三要素vc、f、ap對壽命T的影響程度。

參數Cr、m、n、p均可由有關切削加工手冊查得。例如，當用硬質合金車刀切削碳素鋼（σb=0.736GPa）時，車削用量三要素（vc、f、ap）與刀具壽命T之間的關系為

在切削用量三要素中，切削速度vc對刀具壽命的影響最大，進給量f次之，背吃刀量ap影響最小。

6.合理壽命的選擇

由于切削用量與刀具壽命密切相關，那么，在確定切削用量時，就應選擇合理的刀具壽命。但在實踐中，一般是先確定一個合理的刀具壽命T值，然后以它為依據選擇切削用量，并計算切削效率和核算生產成本。確定刀具合理壽命有兩種方法：最高生產率壽命和最低生產成本壽命。