金属切削过程的基本规律

1、 金属切削及机床基本知识金属切削及机床基本知识 2.2 2.2 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律 重庆大学 2.2.1 2.2.1 金属切削过程金属切削过程 1.1.切屑的形成切屑的形成( (变形区的划分）变形区的划分） 1.1.切屑的形成切屑的形成（形成过程）（形成过程） 切屑的形成过程，就其本质来讲，就是切削层金属在刀具的推挤作用下， 产生剪切滑移变形的过程。 1. 切屑的形成切屑的形成（切屑种类）（切屑种类） 1.1.切屑的形成切屑的形成 切屑类型 切屑厚度压缩比h 切屑厚度压缩比h的计算 ch D D ch h l l h h 1.1.切屑的形成切屑的形成 （衡量切屑变形程

2、度的方法（衡量切屑变形程度的方法） hD hch h 剪切角 1.1.切屑的形成切屑的形成 （衡量切屑变形程度的方法（衡量切屑变形程度的方法） 图2-28 剪切变形示意图 sin )cos( sin )90(sin o o o D ch h h h OM OM 2.2.积屑瘤积屑瘤 积屑瘤与切削刃的金相显微照片 2.2.积屑瘤积屑瘤 (1)(1)积屑瘤的形成：积屑瘤的形成： 2.2.积屑瘤积屑瘤 (2)(2)积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响： 1) 1)保护刀具保护刀具 2.2.积屑瘤积屑瘤 (2)(2)积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响： 2) 2)使刀具的工作前角

3、增大使刀具的工作前角增大, ,刀具变锋利；刀具变锋利； 2.2.积屑瘤积屑瘤 (2)(2)积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响： 3) 3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸 精度。精度。 2.2.积屑瘤积屑瘤 (2)积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响： 4) 4) 积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度 和表面粗糙度。和表面粗糙度。 2.2.积屑瘤积屑瘤 0 Ra Vc 软钢 中碳钢 高碳钢 (3)积屑瘤的影响因素： 1)工件材料的塑性； 讨论:切削塑性材料时,怎么办? 2.2.积屑瘤积屑瘤

4、 (3)积屑瘤的影响因素： 2)切削速度； 切削速度对积屑瘤的影响 2.2.积屑瘤积屑瘤 (3)积屑瘤的影响因素： 2)切削速度； 切削速度对积屑瘤的影响 V拉 = 1.024.8m/min V铰 =1.985.04m/min V金刚镗 = 150300m/min 2.2.积屑瘤积屑瘤 (3)积屑瘤的影响因素： 3)刀具前角； 为什么精加工时,要采用大前角? 2.2.积屑瘤积屑瘤 (3)积屑瘤的影响因素： 1)工件材料的塑性； 2)切削速度； 3)刀具前角； 4)冷却润滑条件。 2.2.积屑瘤积屑瘤 3.3.影响切屑变形的主要因素影响切屑变形的主要因素 (1)工件材料 工件材料强度对切屑变形的

5、影响 软钢，如15钢 中硬钢，如30钢 硬钢，如T12钢 3.3.影响切屑变形的主要因素影响切屑变形的主要因素 (2)刀具前角 3.3.影响切屑变形的主要因素影响切屑变形的主要因素 (3)切削速度 3.3.影响切屑变形的主要因素影响切屑变形的主要因素 (4)进给量 ( f ) 2.2.2 2.2.2 切削力切削力 总切削力F 1.1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 (1)(1)总切削力的分解总切削力的分解 Vc Vf 2.2.2 2.2.2 切削力切削力 1)主切削力Fc 2)背向力Fp (径向力 ) 3)进给力Ff (轴向力) 1.1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解

6、和切削功率 (1)(1)总切削力的分解总切削力的分解 Vc Vf 2.2.2 2.2.2 切削力切削力 22222 fPCDC FFFFFF rPDFFcos rDfFFsin 1.1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 (1)(1)总切削力的分解总切削力的分解 Vc Vf 2.2.2 2.2.2 切削力切削力 cf cp FF F.F 0.6)(0.10 )70150( 1.1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 (2)(2)切削功率切削功率 Vc Vf 2.2.2 2.2.2 切削力切削力 1)主切削力Fc 2)背向力Fp (径向力 ) 3)进给力Ff (轴向力

7、) 1.1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 (2)(2)切削功率切削功率 4 106 cc c vF P 单位：kw (1w=1Nm/s) Fc切削力，单位：N； vc切削速度，单位：m/min。 1.1.总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 (2)(2)切削功率切削功率 4 106 cc c vF P 单位：kw c c E P P c 机床传动效率，一般，取c = 0.750.85。 C P c EP 2.2.2 2.2.2 切削力切削力 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 主切削力主切削力 背向力背向力 进给力进给力 Fp FpFpFp Fp k ny

8、x C cspp vfaF f f f f fF F F F F K n n X C CSP vfaFf Fc FcFcFc Fc k nyx C cspc vfaF 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 主切削力主切削力 4 106 cc c vF P Fc FcFcFc Fc k nyx C cspc vfaF 切削时消耗的功率 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 计算举例计算举例 ： 用用YT5YT5硬质合金车刀外圆纵车硬质合金车刀外圆纵车bb = = 630630 MPaMPa的热轧的热轧 4545钢，车刀几何参数为钢，车刀几何参数为r ro o =10 =10、kr kr

9、= = 7575、s s = = 5 5，切削用量为切削用量为a asp sp = = 2mm 2mm、f f = = 0.3mm/r0.3mm/r、 VcVc = = 100100 m m / / minmin。 试计算切削力试计算切削力FcFc、FpFp、F Ff f 及切削功率及切削功率PcPc 。 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 解解 ： P P34 34 查表查表2-52-5得：得： C CFC FC=2795 =2795 x xFC FC =1.0 =1.0 y yFC FC =0.75 =0.75 n nFC FC =-0.15 =-0.15 Fc FcFcFc Fc

10、k nyx C cspc vfaF 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 解解 ： Fc Fc 15. 075. 00 . 1 Fc FcFcFc Fc k k k nyx C 7 .1135 1003 . 022795 cspc vfaF 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 解解 ： 98. 0) 650 630 () 650 (k 0.75n mFc Fc b 当 b = 630MPa时 c sFFckrFcmFcFc kkkkk 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 续续： 按r =75查表2-6 ，得 92. 0 krFc k 0 . 1 Fc k按o =10查表2-6

11、，得 按s =-5查表2-6 ，得 0 . 1 c sF k 90. 00 . 10 . 192. 098. 0 f sFFckrFcmFcFc kkkkk 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 续续： 90. 00 . 10 . 192. 098. 0 c sFFckrFcmFcFc kkkkk )N(kF102290. 07 .11357 .1135 Fcc (kw)7 . 1 4 106 1001022 4 106 cc c vF P 2.2.切削力的经验公式切削力的经验公式 标准切削实验标准切削实验 ： 用用YT15YT15硬质合金车刀外圆纵车硬质合金车刀外圆纵车bb = = 65

12、0650 MPaMPa的的4545钢，车刀钢，车刀 几何参数为几何参数为r ro o =10 =10、kr kr = = 4545、s s = = 0 0。 FcFc k -0.150.751.0 C cspc vfaF 总切削力的来源有两个方面：总切削力的来源有两个方面： 一是克服被加工材料对弹性变形和塑一是克服被加工材料对弹性变形和塑 性变形的抗力；性变形的抗力； 二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力 和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。 3.3.影响切削力的因素影响切削力的因素 总切削力F 3.3.影响切削力的因素影响切削力的因素

13、3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (1)(1)工件材料的性能对切削力有显著的影响工件材料的性能对切削力有显著的影响。 工件：b、HBFC 工件：塑性、韧性 FC 例：高碳钢与中碳钢 例：不锈钢与中碳钢 3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (2)(2)切削用量对切削力的影响切削用量对切削力的影响。 1) 1)背吃刀量背吃刀量a aspsp 和进给量和进给量f f对切削力的影响对切削力的影响; ; 背吃刀量asp 进给量f AD 变形抗力 摩擦力 切削力 刀具材料刀具材料YT15YT15，工件材料，工件材料4545钢钢 b b = = 650650 MpaMpa，车刀几何参数为车

14、刀几何参数为 o o =10=10、 r r = = 4545、 s s =0=0。 FCFC K 0.15-0.751.0 C CSPC vfaF asp增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC 只能增大68%80。 标准切削试验： f hch hD hch h 由此可见，从减小切削力和节省动力消 耗的观点出发，在切除相同余量的条件 下，增大f 比增大asp更为有利。 3.3.影响切削力的因素影响切削力的因素 3.3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (2)(2)切削用量对切削力的影响切削用量对切削力的影响。 2) 2)切削速度切削速度VcVc对切削力的影响对切削力的影响; ; 切削塑

15、性材料时 3.3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (2)(2)切削用量对切削力的影响切削用量对切削力的影响。 2) 2)切削速度切削速度VcVc对切削力的影响对切削力的影响; ; 3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (3)(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响。 1) 1) 前角前角r ro o对切削力的影响对切削力的影响; ; 刀刃锋利 前角o 变形抗力 切削力 3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (3)(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响。 1) 1) 前角前角r ro o对对切削力的影响切削力的影响; ; 前角对切削力的影响 a

16、sp = 4 mm f = 0.25 mm / r 3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (3)(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响。 2) 2)主偏角主偏角k kr r 对切削力的影响对切削力的影响; ; rFFD P cos rFF Df sin 3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (3)(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响。 3) 3)刃倾角刃倾角ss 对切削力的影响对切削力的影响; ; s 背前角rp 侧前角 rf Fp Ff rrofscostansintantan rropssintancostantan 3. 3.影响切削

17、力的因素影响切削力的因素 (3)(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响。 4) 4)刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r 对切削力的影响 对切削力的影响; ; rFFD P cos kr rFF Df sin 3. 3.影响切削力的因素影响切削力的因素 (3)(3)刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响。 5) 5)使用切削液使用切削液 对切削力的影响对切削力的影响; ; 使用切削液，可降低 刀具前后刀面的摩擦 FC 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 1.1.切削热的产生和传出切削热的

18、产生和传出 图2-43 切削热的来源与传出 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 1.1.切削热的产生和传出切削热的产生和传出 cvFcQ 式中 Q单位时间产生的热量，单位：J / s； Fc切削力，单位：N； vc切削速度单位：m / s。 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 1.1.切削热的产生和传出切削热的产生和传出 加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具 车削车削5080%1040%5% 铣削铣削70%50%15% 磨削磨削4%80%12% 磨 削 烧 伤 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 2.2.切削温度的分布切削温

19、度的分布 a） 法平面内的切削温度分布 b）刀具前面上的切削温度分布 805 850700 800 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 2.2.切削温度的分布切削温度的分布 2.2.3 2.2.3 切削热和切削温度切削热和切削温度 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (1)(1)工件材料工件材料 例：合金结构钢与45钢 工件材料的导热性 工件材料的强度、硬度 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (2)(2)切削用量切削用量 切削速度切削速度 cvFcQ Vc 但Vc切屑流速 Q 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (2

20、)(2)切削用量切削用量 在切削用量中，在切削用量中，切削速度对切削切削速度对切削 温度的影响最大。温度的影响最大。 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (2)(2)切削用量切削用量 进给量进给量 材料切除率 Q = 1000 vc asp f f hch hD hch h f （但不成正比） 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (2)(2)切削用量切削用量 背吃刀量背吃刀量 asp （但不成正比） 材料切除率 Q = 1000 vc asp f AD(散热面积)=asp f 综上所述，切削用量对切削温度的影响程综上所述，切削用量对切削温度的影响程 度以切削

21、速度为最大，进给量次之，背吃刀度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀 量最小。量最小。 04. 014. 041. 026. 0 spc afvC 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 因此，切削过程中因此，切削过程中, ,如果余量给定，又如果余量给定，又 要求切削温度较低，则在选择切削用量时要求切削温度较低，则在选择切削用量时 应应: : 1) 1) 首先优先考虑采用大的背吃刀量首先优先考虑采用大的背吃刀量; ; 2) 2) 然后选择一个适当的进给量然后选择一个适当的进给量; ; 3) 3) 最后再选择合理的切削速度。最后再选择合理的切削速度。 3.3.影响切削温度的主要因素

22、影响切削温度的主要因素 上述切削用量选择原则是从最低切削 温度出发考虑的，这也是制订零件加工工 艺规程时，确定切削用量的原则。 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (3)(3)刀具几何参数刀具几何参数 1)1) 前角前角 刀刃锋利 前角ro 变形抗力 切削力 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (3)(3)刀具几何参数刀具几何参数 2) 2) 主偏角主偏角 r kr 散热面积 3.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 (4)(4)切削液切削液 使用切削液 FC 可降低刀具前 后刀面的摩擦 同时 Q散失 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀

23、具磨损与刀具寿命 刀具失效刀具失效 刀具磨损刀具磨损 刀具破损刀具破损 1.1.刀具磨损的形式刀具磨损的形式 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 2.2.刀具磨损的原因刀具磨损的原因 (1) (1) 擦伤磨损擦伤磨损 （任何切削温度）（任何切削温度） (2) (2) 粘结磨损粘结磨损 （中等偏低切削速度）（中等偏低切削速度） (3) (3) 扩散磨损扩散磨损 （高速切削）（高速切削） (4) (4) 氧化磨损氧化磨损 （高速切削）（高速切削） 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 2.2.刀具磨损的原因刀具磨损的原因 (1) (1) 擦伤磨损擦

24、伤磨损 (2) (2) 粘结磨损粘结磨损 (3) (3) 扩散磨损扩散磨损 (4) (4) 氧化磨损氧化磨损 切削温度对磨损影响的示意图 擦伤磨损 粘结磨损 扩散磨损 氧化磨损 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 3.3.刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准 (1)(1)刀具的磨损过程刀具的磨损过程 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 3.3.刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准 (2)(2)刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 3.3.刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及

25、磨钝标准 (2)(2)刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 对于一般刀具，常以对于一般刀具，常以后面磨损带后面磨损带 高度高度VBVB的允许极限值的允许极限值作为磨钝标准。作为磨钝标准。 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 3.3.刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准 (2)(2)刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 定尺寸刀具和自动化生产中的精加定尺寸刀具和自动化生产中的精加 工刀具，常以工刀具，常以径向磨损量径向磨损量NBNB的允许值的允许值 作为磨钝标准。作为磨钝标准。 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具

26、寿命刀具磨损与刀具寿命 3.3.刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准 (2)(2)刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 车刀的径向磨损 2.2.4 2.2.4 刀具磨损与刀具寿命刀具磨损与刀具寿命 (2)(2)刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 1)1)精加工精加工 VBVB0.1 mm0.1 mm 0.3mm0.3mm； 粗加工粗加工 VBVB 0.6 mm0.6 mm 0.8mm0.8mm。 2)2)工艺系统刚性较差时，应规定较小的磨钝标准；工艺系统刚性较差时，应规定较小的磨钝标准； 3)3)粗车钢件，特别是粗车合金钢和高温合金时，磨钝粗车钢件，特别是粗车合金钢和高温合金时，磨钝 标准要比粗车铸

27、铁时取得小些。标准要比粗车铸铁时取得小些。 4)4)加工同一种工件材料时，硬质合金刀具的磨钝标准加工同一种工件材料时，硬质合金刀具的磨钝标准 要比高速钢刀具取得小些。要比高速钢刀具取得小些。 4.4.刀具寿命刀具寿命 (1)(1)定义定义 刃磨或换刃后的刀具，自开始切削刃磨或换刃后的刀具，自开始切削 直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时 间，称为刀具寿命，符号用间，称为刀具寿命，符号用T T，单位用单位用 minmin或或s s。 (2)(2)刀具寿命与切削用量的关系刀具寿命与切削用量的关系 p nm spc a T fv 1 11 TC v v v c xy sp a v fT C m 式中，Cv、CT是与切削条件有关的常数；m、n、p为指数其