【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 剛石（ PCD）。聚晶金剛石的晶粒隨機(jī)排列，屬各向同性體，常用于制造刀具。? 金剛石的硬度高達(dá) 10000HV，是目前自然界中已知的最硬物質(zhì)，可以用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金等高硬度、高耐磨材料。 ? 人造金剛石主要用于制作磨具及磨料，用作刀具材料主要用于有色金屬的高速精細(xì)切削。? 金剛石不是碳的穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度大于 700℃ 時(shí)，金剛石轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)而喪失硬度，因此，用金剛石刀具進(jìn)行切削時(shí)須對(duì)切削區(qū)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。金剛石刀具不宜加工鐵族元素，因?yàn)榻饎偸械奶荚雍丸F族元素的親和力大，刀具壽命低。 第四節(jié) 切 削 力? 在切削加工中，切削力是一個(gè)非常重要的參數(shù)，切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象都與切削力有關(guān)。切削力還是設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、刀具、夾具的重要依據(jù)。? 一、切削力與切削功率? 1. 切削力? 切削時(shí)，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力稱為切削力。圖 225 加工材料發(fā)生變形所需克服的力? 使被加工材料發(fā)生變形所需克服的力主要是：? 1）切削層材料和工件表面層材料對(duì)彈性變形、塑性變形的抗力。圖 225 加工材料發(fā)生變形所需克服的力圖 225 加工材料發(fā)生變形所需克服的力? 2）刀具前刀面與切屑、刀具后刀面與工件表面間的摩擦阻力。 ? 2. 切削合力與分力? 圖 2 26所示為車削外圓時(shí)，如忽略副切削刃的切削作用及其它影響因素，作用在車刀上的合力應(yīng)在其正交平面內(nèi)。? 為便于測(cè)量和應(yīng)用，可將作用在車刀切削部位上的合力分解為三個(gè)互相垂直的分力。 圖 226 切削合力和分力? 切削力 Fc（主切削力、切向力） —— 垂直于基面，與切削速度的方向一致。圖 226 切削合力和分力? Fc是計(jì)算切削功率和設(shè)計(jì)機(jī)床的主要依據(jù)。? 背向力 Fp（切深抗力、徑向力） —— 平行于基面，并與進(jìn)給方向相垂直。圖 226 切削合力和分力? Fp會(huì)使機(jī)床加工系統(tǒng) (含機(jī)床、刀具和工件 )變形或引起振動(dòng)，影響加工精度和已加工表面質(zhì)量。? 進(jìn)給力 Ff（軸向力） —— 平行于基面，并與進(jìn)給方向相平行。圖 226 切削合力和分力Ff是設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)或校核其強(qiáng)度的主要依據(jù)。 ? 在上述三個(gè)分力中： Fc值最大，? Fp≈ ( ~ ) Fc ， ? Ff ≈ ( ~ ) Fc 。? 由圖 226可知：（ 215）? 3. 切削功率? 消耗在切削過(guò)程中的功率稱為切削功率，用 Pc (kW) 表示。在車削外圓時(shí)， Fp不作功，所以切削功率應(yīng)為 Fc 和 Ff 作功所消耗的功率之和。（ 216）? 上式中由于 Ff 小于 Fc，而 Ff方向的進(jìn)給速度又很小，因此所消耗的功率與第一項(xiàng)相比很?。ㄒ话阈∮?1～ 2% ），可忽略不計(jì)。? 故一般切削功率可按下式計(jì)算即可。（ 217）? 根據(jù)切削功率選擇機(jī)床電動(dòng)機(jī)時(shí)，還要考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率（ ηm= ~ ）。? 機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率 PE 應(yīng)為（ 218）? 4. 單位切削力的概念? 單位切削面積上的切削力（ N/mm2）稱為單位切削力，用 kc表示：? 若已知單位切削力 kc ，即可通過(guò)式（ 219）計(jì)算切削力 Fc 。（ 219）? 二、切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式? 1．切削力的測(cè)量? 目前常用的測(cè)力儀有電阻式測(cè)力儀和壓電式測(cè)力儀。? 測(cè)力儀輸出的模擬信號(hào)經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后即可求得切削力經(jīng)驗(yàn)公式。 圖 227 切削力測(cè)量系統(tǒng)? 2．切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式? 通過(guò)實(shí)際測(cè)量不同切削工況條件下的切削力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可求得以下切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式 （ 220）? 式中 — 取決于被加工材料和切削條件的切削力系數(shù)；? — 三個(gè)分力公式中，背吃刀量 ap、進(jìn)給量 f 和切削速度 vc的指數(shù)；（ 220）? — 實(shí)際加工條件與建立經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的試驗(yàn)條件不相符時(shí)，計(jì)算切削力的修正系數(shù)。? 試驗(yàn)條件對(duì)切削力影響的修正系數(shù)可查閱相關(guān)手冊(cè)。（ 220）? 表 23為在不同工況條件下進(jìn)行車削試驗(yàn)經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的上述有關(guān)系數(shù)和指數(shù)。? 三、影響切削力的因素? 1. 工件材料的影響? 工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，沖擊韌性和塑性越大，則切削力越大。? 切削脆性材料時(shí)的切削力相對(duì)較小。? 工件材料的化學(xué)成分、熱處理狀態(tài)等都直接影響其物理力學(xué)性能，因而也影響著切削力。? 2. 切削用量的影響? （ 1）背吃刀量 ap和進(jìn)給量 f? ap和 f 增大都會(huì)使 Fc增大 , 但兩者影響程度不同 :? ① ap 增大使 Fc增大，且呈正比；? ② f 增大也會(huì)使 Fc增大，但不呈正比。? 在切削層面積相同的條件下，采用大的進(jìn)給量比采用大的背吃刀量的切削力要小。? （ 2）切削速度? 積屑瘤及產(chǎn)生原因 在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工一般鋼料或鋁合金等塑性材料時(shí)，常在前刀面切削處粘著一塊剖面呈三角狀的硬塊（圖 219），它的硬度很高，通常是工件材料硬度的 2 ~ 3倍，這塊粘附在前刀面上的金屬稱為積屑瘤。圖 219 積屑瘤的形成? 切削塑性材料時(shí)，在無(wú)積屑瘤產(chǎn)生的切削速度范圍內(nèi)，隨著 的增大，切削力 Fc減小。在產(chǎn)生積屑瘤的情況下，刀具的實(shí)際前角隨積屑瘤的成長(zhǎng)與脫落變化著。在積屑瘤增長(zhǎng)期， 增大，切削力下降；在積屑瘤消退期， 增大，切削力上升。? 切削脆性材料時(shí)，對(duì)切削力沒(méi)有顯著影響。圖 228 切削速度對(duì)切削力的影響? 3. 刀具幾何參數(shù)的影響? （ 1）前角 增大，切削力下降。切削塑性材料時(shí)， 對(duì)切削力的影響較大；切削脆性材料時(shí)，由于切削變形很小， 對(duì)切削力的影響不顯著。? （ 2）主偏角 由圖 226可知，主偏角 增大 ,背向力 Fp 減小， 進(jìn)給力 Ff 增大。? （ 3）刃傾角 改變?nèi)袃A角 將影響切屑在前刀面上的流動(dòng)方向，從而使切削合力的方向發(fā)生? 變化。 增大，F(xiàn)p減小 , Ff增大。 在 范圍內(nèi)變化時(shí)， Fc基本不變。? （ 4）負(fù)倒棱 為了提高刀尖部位強(qiáng)度、改善散熱條件，常在主切削刃上磨出一個(gè)帶有負(fù)前角 的棱臺(tái)，其寬度為 。? 當(dāng) ＜ lf 時(shí)（ lf 為切屑與前刀面接觸長(zhǎng)度），切削力增加的幅度不大；當(dāng) ＞ lf 時(shí)，相當(dāng)于用 負(fù)前角 的車刀進(jìn)行切削，與不設(shè)負(fù)倒棱相比，切削力將顯著增大。圖 229 負(fù)倒棱車刀? 4．刀具磨損? 后刀面磨損增大時(shí)，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。? 5．切削液? 使用以冷卻為主的切削液（如水溶液）對(duì)切削力影響不大，使用潤(rùn)滑作用強(qiáng)的切削液（如切削油）可使切削力減小。? 6．刀具材料? 刀具材料與工件材料間的摩擦系數(shù)影響摩擦力的大小，導(dǎo)致切削力變化。? 在其他切削條件完全相同的條件下，用陶瓷刀具切削比用硬質(zhì)合金刀具切削的切削力小，用硬質(zhì)合金刀具切削比用高速鋼刀具切削的切削力小。第五節(jié) 切削熱和切削溫度? 切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度將直接影響刀具的磨損和刀具的使用壽命。? 由于切削熱和切削溫度使工件和刀具產(chǎn)生變形和殘余應(yīng)力而最終影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。? 一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)? 在刀具的切削作用下，切削熱來(lái)源于兩個(gè)方面，一是切削層金屬發(fā)生彈性和塑性變形所消耗的能 量；二是切屑與前刀面、工件與后刀面間產(chǎn)生的摩擦熱。? 切削過(guò)程中有三個(gè)發(fā)熱區(qū)域，如圖所示。圖 230 切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)? 由于切削過(guò)程中所消耗能量的 98% ~ 99% 都將轉(zhuǎn)化為切削熱。如忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)所消耗的能量，則單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱? （ 221）? 式中 Qc—— 單位時(shí)間產(chǎn)生的切削熱（ J/s）； Fc—— 切削力（ N）； vc—— 切削速度（ m/s）。? 切削熱由四個(gè)途徑即切屑、工件、刀具及周圍的介質(zhì)（空氣，切削液）向外傳導(dǎo)。? 影響散熱的主要因素是：? （ 1）工件材料的導(dǎo)熱系數(shù) ? （ 2）刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)? （ 3）周圍介質(zhì)? 車削時(shí)，切屑： 50%~86% ；刀具： 10%~40% ；工件： 3%~9% ；空氣： 1% 。? 鉆削時(shí)，切屑： 28% ；刀具： % ；工件：% ；周圍介質(zhì)： 5% 。? 切削速度越高，切削厚度越大，切屑帶走的熱量越多。? 二、切削溫度的測(cè)量? 切削熱是切削溫度上升的根源，但直接影響切削過(guò)程的卻是切削溫度。切削溫度一般是指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。? 測(cè)量切削溫度的方法很多，但目前常用的是自然熱電偶和人工熱電偶法，它簡(jiǎn)單、可靠、使用方便。? 1. 自然熱電偶法? 該種方法測(cè)得的溫度是切削區(qū)的平均溫度。圖 231a 用熱電偶測(cè)量切削溫度? 2. 人工熱電偶法? 該種方法可測(cè)得切削區(qū)某一點(diǎn)的溫度值。圖 231b 用熱電偶測(cè)量切削溫度? 圖 232為采用人工熱電偶法測(cè)量并輔以傳熱學(xué)計(jì)算得到的刀具、切屑和工件的切削溫度分布圖。由圖中可以看出：? ① 剪切面上各點(diǎn)溫度幾乎相同；? ② 前刀面上溫度最高點(diǎn)不在切削刃上。圖 232刀具、切屑和工件的切削溫度分布? 三、影響切削溫度的主要因素? 1．切削用量對(duì)切削溫度的影響? 用實(shí)驗(yàn)方法求得的刀具與切屑接觸區(qū)平均切削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式為?