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1、,第三章 金属切削过程,本章要点,切削过程的基本规律,切削过程基本规律的应用,3.1 切削过程的基本规律,一、切削变形及其主要影响因素 二、切削力及其主要影响因素 三、切削温度及其主要影响因素 四、刀具磨损、刀具耐用度及其主要影响因素,金属切削过程是指在机床上通过刀具与工件之间的相对运动，利用刀具前刀面推挤切削层，切除多余金属，使其产生切屑和得到已加工表面的过程。 切削过程中，会出现许多物理现象，诸如切削变形、切削力、切削热、刀具磨损等。,3.1 切削过程的基本规律,一、切屑的形成过程,3.1.1 切削变形,3.1 切削过程的基本规律,实验研究表明，金属切削与非金属切削不同，金属切削的特点是被
2、切金属层在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形以后转变为切屑和形成已加工表面。,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移,F,450,O,M,A,B,F,O,M,A,B,切削：与偏挤压情况类似,弹性变形 剪切应力增大，达到屈服点 产生塑性变形，沿OM线滑移 剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度 切屑与母体脱离。,切削层 的金属,弹性变形,塑性变形,挤裂,切离,切屑,切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后
3、产生弹性变形,随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移,刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂,沿刀具前刀面流出,切屑的形成过程,切削变形的本质是工件受到刀具推挤后产生弹性和塑性变形，使切削层与母体金属分离。,3.1.1 切削变形,3.1 切削过程的基本规律,第变形区：切削刃前面的切削层内产生的塑性变形区(剪切变形区)，金属剪切滑移成为切屑。主变形区，面积最大变形区。,切削部位三个变形区,第变形区：靠近切削刃处已加工表层内产生的变形区。已加工面受到切削刃钝圆部分与后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和
4、残余应力的主要原因。,第变形区：切屑底层与前刀面接触处，切屑排出时受前刀面挤压,与摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,二、第变形区,3.1.1 切削变形,3.1 切削过程的基本规律,（剪切滑移区）,OA始滑移线 OM终滑移线,变形的主要特征： 剪切滑移变形 形成切屑,剪切角 ：剪切面与切削速度方向之间的夹角。,相对滑移：滑移距离s与瞬时位移y之比。 =s/ y =NP/MK =(NK+KP)/MK =ctan + tan( -0） 因此，增大前角和剪切角则相对滑移减小，即切削变形减小,变形程度的度量,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。用变形系数表示
5、切削层变的变形程度。, 厚度变形系数, 长度变形系数,变形系数值越大，说明切 削变形越严重。,三、第变形区,3.1 切削过程的基本规律,此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因,被切削层金属经过终滑移线OM形成切屑沿前刀面流出时，切屑底层仍受到刀具的挤压和接触面之间强烈的摩擦，继续以剪切滑移为主的方式变形，其切屑底层的变形程度比切屑上层剧烈，从而使切屑底层晶粒弯曲拉长，在摩擦阻力的作用下，这部分切屑流动速度减慢，称为滞流层。,粘接区：剪切滑移，内摩擦,在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,滑动区：滑动摩擦，外摩擦,特点,两个摩擦区,刀
6、具前刀面的摩擦,在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在刀具前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块如图所示，这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。,积屑瘤,有利方面,保护刀具,增加工作前角,积屑瘤硬度很高,可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损,积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大,可减小切削变形和切削力，使切削轻快,积屑瘤对加工过程的影响,不利方面,影响工件尺寸精度,影响工件表面粗造度,积屑瘤破裂脱落后会划伤表面，加快刀具磨损,会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大,时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动,积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际
7、的切削深度不断变化,积屑瘤对加工过程的影响,控制积屑瘤的措施,影响积屑瘤的因素,工件材料,切削速度,刀具角度,切削液等,控制措施,降低工件材料的塑性，提高材料硬度。,控制切削速度，以控制切削温度,采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤,增大刀具前角，减小切削厚度,四、第变形区,3.1 切削过程的基本规律,第变形区在刀具后刀面和已加工表面接触的区域上。是挤压摩擦回弹区，直接影响已加工表面的质量和刀具的磨损。,刀刃钝圆半径rn : 前后刀面过渡圆弧半径。 后刀面磨损带VB : 后刀面实际后角为零的棱带。,已加工面受到后刀面挤压与摩擦 产生变形，是造成已加工面加工 硬化和残余应力的主要原因。,
8、加工硬化 加工硬化亦称冷硬，它是在已加工表面严重变形层内，金属晶格伸长、挤紧、扭曲甚至碎裂而使表面层组织硬度增高的现象。 后果： 在硬化层的表面上会出现细微的裂纹、并在表层内产生残余应力。 因此，加工硬化降低了加工表面质量和材料的疲劳强度；增加下道工序加工困难，加速刀具磨损；提高耐磨性的同时增加了表面的脆性，从而降低了工件的抗冲击能力。在切削时应设法避免或减轻硬化现象。,四、第变形区,残余应力 残余应力是指在没有外力的作用下,在物体内部保持平衡而存留的应力。 残余应力对零件的性能的影响： 残余拉应力会使已加工表面产生裂纹，降低零件的疲劳强度。残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度 工件表面残余应
9、力分布不均匀也会使工件产生变形,影响工件的尺寸和形状。,四、第变形区,鳞刺 鳞刺：已加工表面上的鳞片状毛刺，它对表面粗糙度有严重的影响。 减小鳞刺的措施： 减小切削厚度 高速切削 切削液,四、第变形区,五、影响切削变形的主要因素,工件材料 在切削条件相同的情况下，材料的强度、硬度愈大，材料与刀具间的摩擦系数减小，变形系数减小，因此切削变形减小。 材料的塑性愈大，愈易产生塑性滑移和剪切变形，因此切削变形愈大；但切削塑性大材料易产生积屑瘤，又增大刀具工作前角而使切屑变形减小。,3.1.1 切削变形,3.1 切削过程的基本规律,刀具几何角度 增大前角o，切削刃越锋利，使变形系数减小，因此，切削变形减
10、小。 增大刀尖圆弧半径，使切屑变形越大。 切削用量 切削速度：中低速时，积屑瘤影响较大，积屑瘤高度越高，刀具实际前角增大，使变形系数减小。高速时，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使增大。 切削厚度增加，切屑中平均变形减小；反之，薄切屑的变形量大。 进给量f增大，切削厚度增加，使变形系数减小,五、影响切削变形的主要因素,3.1.2 切削力,3.1 切削过程的基本规律,金属切削时，刀具切入工件使被切金属层发生变形成为切屑 所需要的力称为切削力。,切削力来源, 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力,F弹、塑,F摩1,F摩2,3.1.2 切削力,变形力和摩擦力形成了作用在刀具上
11、的合力F。为了便于测量、计算和反映实际作用的需要，常将合力F分解为互相垂直的Fc、Ff和Fp三个分力，如图所示。,切削力Fc（主切削力Fz）：在主运动方向上的分力，它切于加工表面,并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件,确定机床功率等。 进给力Ff（进给抗力Fx）：在进给运动方向上的分力，它处于基面内与进给方向相反。Ff用于设计机床进给机构和确定进给功率等。 背向力Fp（吃刀抗力Fy）：在垂直于工作平面上分力，它处于基面内并垂直于进给方向。Fp用来计算工艺系统刚度；也是使工件在切削过程中产生振动的力。,在切削加工过程中，所需的切削功率Pc可以按下式计算：,式中 Fc 主切削力（N）；
12、 vc 主运动速度（m/min）,根据上式求出切削功率，可按下式计算机床电动机功率PE：,c机床传动效率，一般取c=0.750.85,工作功率Pe：切削过程中消耗的总功率。它包括切削功率Pc 和进给功率Pf。,工件材料,强度、硬度高 塑性、韧性高 加工硬化倾向大,切削力大,影响切削力的因素,背吃刀量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, 前角0 增大，切削力减小, 主偏角r 对主切削力影响不大，对背向力和进给力 影响显著（ r Fp，Ff）,刀具几何角度影响,刀具几何角度影响, 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对背向 力和进给力影响显著
13、（ s Fp，Ff）,刀具几何角度影响, 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对背向力和进 给力影响显著（ r Fp，Ff）；, 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； 副刀刃的影响：使切削变形增大，切削力增大 后刀面磨损：使切削力增大，对背向力Fp的影响最为 显著；,切削热也是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有多方面影响。切削热传散到工件上，会引起工件的热变形，因而降低加工精度，工件表面上的局部高温则会恶化已加工表面质量；传散到刀具上的切削热是引起刀具磨损和破损的重要原因；切削热还通过使刀具磨损对切削加工生产率和成本发生
14、影响。,3.1.3 切削热和切削温度,3.1 切削过程的基本规律,切削过程中切削区的变形和摩擦所消耗的能量转化 产生的热称为切削热,一、切削热的来源与传出,切削热来源, 切削过程变形和摩擦所做的功，绝大部分转变为切削热,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去, 主要来源 Q=QP+Q+Q,式中，QP , Q, Q分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量,加工方法和切削速度不同，由切屑、工件、刀具和周围介质传出的切削热百分比就不同。 车削时，50%86% 的切削热由切屑带走，10%40% 传入工件，3%9% 传入刀具，1% 传入周围介质; 钻削时约28%的切削热由
15、切屑带走，15% 传入钻头，2% 传入工件，5%传入周围介质。,二、切削温度及分布,TJ University,切削温度分布, 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,切削温度一般指切削区域的平均温度。 它由切削热的产生与传出的平衡条件决定。 切削温度在切屑、工件、刀具上的分布是不均匀的,三、影响切削温度的因素,切削用量的影响,式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。,经验公式,通过测温实验可以找出切削用量对切削温度的影响规律。通常在车床上利
16、用测温装置求出切削用量对切削温度的影响关系。,切削量对温度影响,刀具几何参数的影响,前角o切削温度，但前角过大，会使散热条件变差。 主偏角r切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小,基本不变。,三、影响切削温度的因素,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度 工件材料导热性 切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,三、影响切削温度的因素,刀具严重磨损，会缩短刀具使用时间、恶化加工表面质量、增加刀具材料损耗、增大切削力、增大切削温度、产生振动。 因此，刀具磨损是影响生产效率、加工质量和成本的一个重要因素。,3.1.4 刀具磨损与刀具耐用度,3.1 切削过程的基本规律,在切削过程中，刀具在
17、高温高压下与切屑及工件在接触区里 产生强烈的摩擦，使锋利的切削部分逐渐磨损而失去正常的 切削能力，这种现象称为刀具的磨损。,一、刀具磨损形式,刀具磨损形态,正常磨损,前刀面磨损,形式：月牙洼 形成条件：加工塑性材料，v大，hD大 影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐产生的磨损。,KT,前、后刀面磨损,后刀面磨损,形式：切削刃及其下方的后刀面上形成的宽度不匀、深浅不一的磨损棱面 形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料 影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量,形成条件：加工塑性金属，中等切削
18、速度及中等切削厚度 形式：月牙洼与刀刃之间的棱边和楔角逐渐减小 影响：切削刃强度下降，多数情况下伴随着崩刃的发生,VB,非正常磨损,刀具在切削过程中突然发生损坏或过早损坏的现象。,破损：切削刃或刀面产生裂纹、崩刃或碎裂。 卷刃：切削时在高温作用下，使切削刃或 刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。,磨粒（硬质点）磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊） 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切削速度下刀具磨损的主要原因,粘结磨损加剧, 扩散磨损 高温下发生（800-1000） 氧化磨损 高温情况下（700-800） ，在切削刃 工作边界发生
19、相变磨损-切削温度达到相变温度,二、刀具磨损原因,三、刀具磨损过程和刀具磨钝标准,（段）初期磨损阶段 在开始切削的短时间内，磨损较快。这是由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。,刀具磨损三个阶段,三、刀具磨损过程和刀具磨钝标准,（段）正常磨损阶段 随着切削时间增长，磨损量以较均匀的速度加大。这是由于刀具表面磨平后，接触面增大，压强减小所致。,刀具磨损三个阶段,三、刀具磨损过程和刀具磨钝标准,（段）急剧磨损阶段 磨损量达到一定数值后，磨损急损加速、继而刀具损坏。这是由于切削时间过长，磨损严重，切削温度剧增，刀具强度，硬度降低所致。,刀具磨损三个阶段,刀具磨损限度,刀具磨损到一定限度就不能再
20、继续使用，因此规定一个允许磨损量的最大值，这个值就称为刀具的磨损极限或磨钝标准。 刀具的磨钝标准一般规定在后刀面上，以后刀面磨损带中间部分磨损量的平均值(VB)表示。 制定磨钝标准的目的既要考虑充分发挥刀具的切削能力，又要保证加工零件的表面质量。,粗加工应取大值，工件刚性较好或加工大件时应取大值；反之应取小值。,刀具磨损限度,在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为： （1）在后刀面B区内均匀磨损VB0.3mm； （2）在后刀面B区内非均匀磨损VBmax0.6mm； （3）月牙洼深度标准： KT0.06+0.3f,(f为mm/r)； （4）精加工时根据需达到的表面粗糙度等
21、级确定。,四、刀具耐用度,刀具耐用度, 刀具总寿命 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。,刀具耐用度T：刀具由刃磨后开始切削，一直到磨损量达到 刀具的磨钝标准所经过的切削时间（min）。,刀具寿命反映了刀具磨损的快慢程度。 刀具寿命是一个具有多种用途的重要参数，如用来确定换刀时间；衡量工件材料切削加工性和刀具材料切削性能优劣；判定刀具几何参数及切削用量的选择是否合理等，都可用它来表示和说明。,切削用量,五、刀具耐用度的影响因素,式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。,刀具耐用度经验公式,切削用量,五、刀具耐用度的影响因素,可见v 的影响最显著；
22、f 次之；ap 影响最小 。,用硬质合金刀具切削碳钢（b= 0.763GPa）时，有：,刀具几何角度的影响 前角o增大，耐用度提高；前角o太大，耐用度T反而下降 主偏角减小，刀具耐用度T增大。 副偏角减小，刀具耐用度T增大。 刀尖圆弧半径增大，使平均主偏角r减小，刀具耐用度T增大。,五、刀具耐用度的影响因素,工件材料 材料的强度、硬度越高，刀具耐用度T越低。 材料的导热系数越小，刀具耐用T降低。 刀具材料 硬度越高、耐磨性越好，刀具耐用度高。 对于难加工材料、重型切削，大冲击等情况下，刀具磨损以破损为主，韧性越高，抗弯强度越高，耐用度越高。,五、刀具耐用度的影响因素,不同刀具材料寿命（耐用度）比较,