金属切削过程的基本理论

《金属切削过程的基本理论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属切削过程的基本理论（61页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第三章 金属切削过程的基本理论教学目的与要求教学目的与要求: : 通过本章的学习,掌握金属切削变形、切削力、切削热和刀具的破损与磨损的原因和刀具耐用度的基本概念。教学内容摘要教学内容摘要： 本章主要介绍切削变形区、变形程度的表示方法、切削力的来源与影响因素；切削热的产生与传出、计算、对切削加工的影响；刀具磨损与破损的形态、磨损的原因和刀具耐用度的选用。教学重点与难点教学重点与难点： 重点重点是切削变形程度的表示方法、切屑的种类及积屑瘤成因、切削力的影响因素、切削热的计算及影响因素分析、刀具磨损与破损的原因和刀具耐用度的选择。 难点难点是切削变形、切削力与切削热影响因素分析。第三章 金属切削过程

2、的基本理论 研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论, , 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。指导意义。 在金属切削过程在金属切削过程(cutting process)中，始终存在着中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与

3、切一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。等。一、切屑的形成过程及切屑类型一、切屑的形成过程及切屑类型（一）切屑的形成过程（一）切屑的形成过程1.1.切削变形的力学本质切削变形的力学本质 切削金属形成切切削金属形成切屑的过程是一个屑的过程是一个类似类似于金属材料受挤压作于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变而产生剪切滑移的变形过程。形过程。第一节第一节 金属切削层的变形金属切削层的变形压缩变形后沿压缩变形后沿45o方方向开裂向开裂(a)压缩塑性金属受压缩时，随

4、着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂（b）切削以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。金属切削层的变形和切屑金属切削层的变形和切屑 金属切削过程与挤压过程相似。金属切削过程与挤压过程相似。切塑性金属时：切塑性金属时： 1）金属受前刀面的挤压）金属受前刀面的挤压,在在OA(始滑移面始滑移面)以左产生弹性变形以左产生弹性变形; 2）应力逐渐变大，在）应力逐渐变大，在AOE内产内产生塑性变形生塑性变形; 3）应力达到强度极限，在）应力达到强度极限，在OE(终终滑移面滑移面) 上发生

5、剪切滑移上发生剪切滑移; 4）在）在OE(终滑移面终滑移面)以上以上, 金属被金属被切离形成切屑。切离形成切屑。塑性金属的切削过程经历了四个塑性金属的切削过程经历了四个阶段：阶段：弹性变形、塑性变形、剪弹性变形、塑性变形、剪切滑移和切离过程切滑移和切离过程。切削塑性金属的三个变形区切削塑性金属的三个变形区 （一）第一变形区（一）第一变形区OAOA始滑移线始滑移线OMOM终滑移线终滑移线变形的主要特征：变形的主要特征： 剪切滑移变形剪切滑移变形 加工硬化加工硬化一般速度范围内一区一般速度范围内一区宽度为宽度为0.020.020.2mm0.2mm，速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小，可看作一个

6、可看作一个剪切平面剪切平面（剪切滑移区）（剪切滑移区）（二）第二变形区（二）第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。前刀面平行。（挤压摩擦区）（挤压摩擦区）（三）第三变形区第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。工硬化。（挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）刃前区：刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应三个变形

7、区汇集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离力集中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离刀刃钝圆情况下已加工表面的形成过程： 绝对滑移 S 相对滑移 变形系数 剪切角 ?二、金属切削变形程度的表示方法二、金属切削变形程度的表示方法1.1.绝对滑移绝对滑移 S S，相对滑移，相对滑移 切屑厚度切屑厚度h hchch与切削层的厚与切削层的厚度度h hD D之比称为厚度变形系数，之比称为厚度变形系数，用用h h 表示，表示，h h = h = hchch/h/hD D ；而切削层长度而切削层长度l lc c与切屑长与切屑长度度l lchch之比称为长度变形系数，之比称为长

8、度变形系数，用用l l表示，表示，l l=l/l=l/lc c 。变形系数越大变形系数越大, ,切屑越厚切屑越厚越短越短, ,切削变形越大。切削变形越大。2. 2. 变形系数变形系数剪切角:剪切角是出自金属切削层产生剪切滑移的一个特定参数。 =45-+0 刀和屑界面的摩擦角（）；tan=； 为刀和屑界面的摩擦系数。当刀和屑界面出现粘结和滞留层时，值（内磨擦）比一般外摩擦时大得多。 剪切角 剪切面积变形程度切削力。剪切角 变形系数影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要因素影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要因素 工件材料 切削厚度 刀具前角 切削速度 进给量上述五个因素是影响前刀面摩擦系数的主要因素。

9、 切削厚度ac增加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm，从0.74降至0.72。切削厚度：切削厚度：切削厚度增加，正应力随之增大，切削厚度增加，正应力随之增大， 略为下降，变形系数略为下降，变形系数 下降下降=s/av工件材料：工件材料： 增加，增加， 值下降，变形系数值下降，变形系数越小越小 工存材料的强度、硬度提高，切削温度增高，摩擦系数下降，剪切角增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形。而切削塑性较高的材料，则变形较大。前角对变形系数的影响增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小。前角对摩擦系数的影响增大前角0，摩擦系数增

10、加。切削速度：切削速度：随着随着v增大，增大， 值先升后降值先升后降切削速度对变形系数的影响以中碳钢为例。 vc 超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小vc20m/min时， h值最小vc在20 40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小， h增大。 此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。进给量对变形系数的影响第二节第二节 切屑的类型切屑的类型带状切屑带状切屑外形特征：外形特征：

11、它的内表面是光滑的，外表面是毛茸它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。茸的。形成条件：形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量，切削塑性材料较小的进给量，切削塑性材料优点：优点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。表面粗糙度较小。缺点：缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此要采取断屑措施。工表面，因此要采取断屑措施。 挤裂挤裂( (节状节状) )切屑切屑 外形特征：外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。形成

12、条件：形成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小刀具前角较小, ,粗加工中等硬度的钢材料粗加工中等硬度的钢材料 特点：特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙切削力波动较大，工件表面较粗糙 单元单元(粒状粒状)切屑切屑 在挤裂在挤裂(节状节状)切屑产生的前提下切屑产生的前提下, 当进一当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒粒状状)切屑。切屑。崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形以后，一般不经过塑切削层金属发生弹性变形以

13、后，一般不经过塑性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，性变形就突然崩落，形成不规则的碎块状屑片，即为崩碎切屑。即为崩碎切屑。当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。并容易产生振动，影响表面质量。 切屑的控制切屑的控制 1) 切屑的形状 带状屑 C 形屑 崩碎屑 宝塔状卷屑 长紧卷屑 发条状卷屑 螺卷屑 2) 卷屑和断屑(a) 圆弧形卷屑槽 工件 O B 刀具

14、A E Rc Rn Wn b o b 刀具 工件 A B O E C lf /2 Wn Rc (b) 直线型卷屑槽 (a) 碰到后刀面折断 (b) 发条状切屑碰到工件折断 (c) C 形切屑碰到工件折断 F 工件 刀具 F 工件 刀具 F 工件 刀具 后刀面 Rc Rc 二、二、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 在一定速度范围下，切削塑性金属材料在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带形成带状切屑状切屑时时, , 常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料一些工件材料, , 形成一块硬度很高的楔块，称之为形成一块硬度很高的楔

15、块，称之为积屑瘤，或称刀瘤积屑瘤，或称刀瘤。（一）什么是积屑瘤（一）什么是积屑瘤 当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使用下，与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层滞流层”。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。（二）积

16、屑瘤的形成原因（二）积屑瘤的形成原因（三）积屑瘤对起削过程的影响（三）积屑瘤对起削过程的影响 v积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。v使实际前角增大，切削轻快。使实际前角增大，切削轻快。因此，粗加工时可利用积屑瘤。因此，粗加工时可利用积屑瘤。v积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。响尺寸精度。v此外，还会导致切削力的变化，引起振动，此外，还会导致切

17、削力的变化，引起振动，v并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生。采用低速或高速切削，采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削影响积屑瘤的，以切削4545钢为例，在低速钢为例，在低速v vc c3m/min3m/min和较高速度和较高速度v vc c60m/min60m/min范围内，摩擦系数都较小，故范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；不易形成积屑瘤；采用高润

18、滑性的切削液，采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；使摩擦和粘结减少；适当增大刀具前角、减小切削变形；适当增大刀具前角、减小切削变形；适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。小加工硬化倾向。（四）抑制或消除积屑瘤的措施（四）抑制或消除积屑瘤的措施第三节第三节 切削力切削力 切削过程中，刀具切削过程中，刀具施加于工件使工件材料施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，料变为切屑所需的力，称为切削力称为切削力(cutting (cutting force) force) 。一、切削力的来源、

19、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率1. 1. 切削力的来源切削力的来源切削力来自于金属切削过程中克服切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。阻力。2.2.切削力的分解切削力的分解 通常将合力通常将合力F F分分解为相互垂直的三个解为相互垂直的三个分力：分力：切削力切削力 F Fc c 、进给力进给力 F Ff f 、背向力背向力 F Fp p 。切削力切削力F Fz z( (F Fc c) )总切削力在主运动方向的分力，总切削力在主运动方向的分力，

20、大小约占总切削力的大小约占总切削力的80%80%90% 90% 。FcFc消耗的功率最多，约消耗的功率最多，约占总功率的占总功率的90%90%左右，是计算左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的及计算刀具强度等必不可少的参数。参数。背向力背向力 F Fy y（F Fp p）进给力进给力F Fx x (F (Ff f) )总切削力在垂直于工作总切削力在垂直于工作平面方向的分力，平面方向的分力，FpFp不不消耗功率。但容易使工消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生件变形，甚至可能产生振动，影

21、响工件的加工振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数动时，所必须的参数。总切削力在进给方向的分力总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总，进给力也作功，但只占总功的功的1%1%5%5%。是设计、校核。是设计、校核机床进给机构，计算机床进机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数给功率不可缺少的参数计算切削功率计算切削功率(cutting power) (cutting power) P Pc c是用于核算加工成本是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来

22、选择机床主和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。电动机功率。主运动消耗的切削功率主运动消耗的切削功率 P Pc cF Fc cc c/60/601010-3-3 （kWkW）机床电机功率机床电机功率 P PE E =P =Pc cm m（m m0.750.750. 850. 85）。）。 3 3切削功率切削功率 单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p表示： N/mm2P= Fz/ Ac= Fz/( f ap) 式中，Fz主切削力（N）； Ac切削面积（mm2）； ap背吃刀量（mm） f进给量（mm）4.4.单位切削力单位切削力5.5.切削力计算的经验公式切削力计

23、算的经验公式用单位切削力计算主切削力 kC=Fc/AD=Fc/(apf)=FC/(bDhD) (3-12) 式中 AD-切削面积（mm2）； ap -背吃刀量（mm）； f -进给量（mm/r）； hD-切削厚度（mm ）； bD-切削宽度（mm）。 已知单位切削 kc,求主切削力Fc Fc=kcapf=kchDbD 二、影响切削力的因素二、影响切削力的因素1. 1. 工件材料工件材料影响较大的因素主要是工件材影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近

24、的情况下，在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。削力也就越大。2. 2. 切削用量切削用量进给量进给量f f和背吃刀量和背吃刀量a ap p 进给量进给量f f和背吃刀量和背吃刀量a ap p增加，增加，使切削力使切削力F Fc c增加。增加。图3- 19 切削速度对切削力的影响切削速度在切削速度在5 520m/min20m/min区域内增加时，积屑瘤高度区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在切削速度继续在202035m/min35m/m

25、in范围内增加，积屑瘤逐范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；渐消失，切削力增加；在切削速度大于在切削速度大于35m/min35m/min时，由于切削温度上升，摩时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min90m/min时，切削力无明显变化。时，切削力无明显变化。在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c c 对切削力对切削力F Fc c无明显的影响。无明显的影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可

26、，采在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。 切削速度切削速度c c 前角的影响前角的影响: : o o 切削变形切削变形切削切削力力。（塑性材料）。（塑性材料）3. 3. 刀具几何参数刀具几何参数负倒棱的影响主偏角对切削力的影响 FyFxycosr； FxFxysinr 当主偏角r加大时，Fy减小，Fx加大。刃倾角对切削力的影响 后刀面磨损对切削力的影响 刀具材料对切削力的影响 刀具材料对切削力影响很小，但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因而是对切削力也有一定的影响 对于加工同一种

27、材料，切削用量相同的情况下，刀具材料对切削力的影响一般按立方碳化硼（CBN）刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具的顺序，切削力依次增大。切削液对切削力的影响 以冷却为主的水溶液对切削力影响很小，而润滑性能强的切削油能较明显地降低切削力，因其可降低摩擦和塑性变形。 其他因素 刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。 刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。 刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。 1研究金属切削变形过程有什么意义? 2研究金属切削变形过程有哪些实验方法？ 3怎样划分金属切削变形区? 4在第一变形区里发生了怎样的变形? 5怎样衡量金属切削变形程度？ 6切屑有哪些种类?各种类切屑有什么特征?各种类切屑在什么情况下形成? 7试描述积屑溜现象及成因。 8积屑瘤对切削过程有哪些影响? 9试述影响切削变形的因素及其影响。作 业 10切屑形状有哪些种类? 11为什么要研究切削力?说明切削力在切削原理和实际应用中的作用。 12分析切削力的来源。 13切削合力为什么要分解为三个分力?说明各分力的作用与应用价值。 14何谓单位切削力?有何用途? 15如何计算切削功率？ 16切削力有哪些影响因素?分别说明它们的影响规律。作作 业业本讲结束,谢谢!