金属切削基本理论PPT学习教案

1、金属切削基本理论 在金属切削过程(cutting process)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、卷屑与断屑等。 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，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指导意义。一.课题分析第1页/共53页(1)概述 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开

2、始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。 1.切削层的变形(一) 金属切削过程的物理现象二.相关知识第2页/共53页第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区。(2)变形区的划分 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。第3页/共53页(1)切屑的形成过程1）切削变形的力学本质 切削金属形

3、成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程 。 2.切屑的形成过程及切屑类型第4页/共53页 实验表明，切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。随着刀具前刀面相对工件的继续推挤，与切削刃接触的材料发生断裂而使切削层材料变为切屑。 切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段。第5页/共53页第6页/共53页切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用h 表示，h = ach/ac ；而切削层长度Lc与切屑长度Lch之比称为长度变形系数，用

4、l表示，l=Lc/Lch 。变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。2） 变形系数第7页/共53页带状切屑外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是 毛茸茸的。形成条件：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优 点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。 缺点：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。 (2)切屑的类型第8页/共53页挤裂挤裂( (节状节状) )切屑切屑 外形特征：外形特征：刀屑接触面有裂纹，外刀屑接触面有裂纹，外 表面是锯齿形。表面是锯齿形。形成条件：形成条件：采用较低的切削速度和采用较低的切削速度和 较大的进给量，刀具

5、前较大的进给量，刀具前 角较小，粗加工中等硬角较小，粗加工中等硬 度的钢材料度的钢材料 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 第9页/共53页崩碎切屑崩碎切屑： 在切削铸铁和在切削铸铁和 黄铜等脆性材料时，切削层黄铜等脆性材料时，切削层 金属发生弹性变形以后，一金属发生弹性变形以后，一 般不经过塑性变形就突然崩般不经过塑性变形就突然崩 落，形成不规则的碎块状屑落，形成不规则的碎块状屑 片，即为崩碎切屑。片，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

6、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。 第10页/共53页3.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响 在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成带状切屑时, 常在刀具前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。(1)什么是积屑瘤第11页/共53页 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，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“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

7、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。(2)积屑瘤的形成原因第12页/共53页第13页/共53页(3)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。因此，粗加工时可利用积屑瘤。第14页/共53页v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，影响尺寸精度。v此外，还会导致切削力的变化，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。第15页/共53页采用低速或高速切削，由于切削速度是通过

8、切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、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、减小加工硬化倾向。(4）抑制或消除积屑瘤的措施第16页/共53页(二)切削力 切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。第17页/共53页1.切削力的来源、切削合力及分力、切削功率（1） 切削力的来源切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力

9、。第18页/共53页（2）切削力的分解 通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp 。第19页/共53页主切削力Fz(Fc)总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%90% 。Fc消耗的功率最多，约占总功率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、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参数。背向力 Fy（Fp）进给力Fx (Ff)总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。总切削力在进给方

10、向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%5%。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数第20页/共53页计算切削功率(cutting power) Pc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选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3 （kW）机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。 （3）切削功率第21页/共53页（4）影响切削力的因素1）工件材料影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大

11、，切削力也就越大。2）切削用量进给量f和背吃刀量ap 进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。第22页/共53页切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min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90m/min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，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc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，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。 切削速度c

12、 第23页/共53页前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料）主偏角的影响：Kr Fp , Ff 3） 刀具几何参数第24页/共53页kr1Krkr2FpFf第25页/共53页4） 刀具磨损5）切削液6）刀具材料 刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。第26页/共53页(三) 切削热和切削温度1.切削热的产生与传导金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源：1)切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源； 2)切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；3)工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。第27页/共53页第28页/共53页切削热向切屑、工件

13、、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时，切削热传出的比例是：切屑传出的热约为50%86%；工件传出的热约为40%10%；刀具传出的热约为9%3%；周围介质传出的热约为1%。 第29页/共53页2.切削温度对切削加工过程的影响(1)对刀具材料的影响 高速钢刀具材料的耐热性为600左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温8001000时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。(2)对工件尺寸精度的影响 车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸

14、变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。第30页/共53页3.影响切削温度的因素 (1)工件材料 材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。 切削脆性材料时，由于塑性变形很小，崩碎切屑与前刀面的摩擦也小，产生的切削热较少。 热处理状态不同，切削温度也不相同。 (2)切削用量切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。第31页/共53页(3)刀具几何参数(4)刀具磨损 (5)切削液 1)前角o塑性变形和摩擦切削温度。但

15、前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。 2)主偏角Kr切削刃工作接触长度，切削宽度bD，散热条件变差，故切削温度。 刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。 利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。第32页/共53页1.3 刀具磨损和耐用度1.3.1刀具磨损的形态第33页/共53页1.后面磨损 当切削脆性材料或以较小的背吃刀量切削塑性材料时，由于刀具主后刀面与工件过渡表面间存在着强烈的摩擦，在后刀面

16、毗邻切削刃的部位磨损成小棱面。后刀面磨损量以后刀面上磨损宽度值VB表示， 3.前面和后面同时磨损 一般在以中等切削用量加工塑性金属材料时会出现这种形式磨损。 在切削速度较高、背吃刀量较大且不用切削液的情况下加工塑性材料时， 切屑将在前刀面磨出月牙洼。前刀面的磨损量以月牙洼的最大深度KT表示， 2.前面磨损第34页/共53页 切削过程中刀具的磨损与一般机械零件的磨损有显著的不同：刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面；前、后刀面上的接触压力很大，有时超过被切材料的屈服强度;接触面的温度也很高，如硬质合金加工钢料时可达8001000.因此，刀具磨损是机械的、热的和化学的三种作用的综合结果。 在

17、切削过程中，刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕，从而产生的磨损。磨粒磨损对高速钢作用较明显。 1.3.2刀具磨损的原因1.磨粒磨损 第35页/共53页 刀具与工件材料接触到原子间距离时产生的结合现象，称粘结。粘结磨损就是由于接触面滑动在粘结处产生剪切破坏造成。低、中速切削时，粘结磨损是硬质合金刀具的主要磨损原因。 切削时在高温作用下，接触面间分子活动能量大，造成了合金元素相互扩散置换，使刀具材料机械性能降低，若再经摩擦作用，刀具容易被磨损。扩散磨损是一种化学性质的磨损。 （3）扩散磨损 （2）粘结磨损 第36页/共53页 当刀具上最高温度超过材料相便温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马

18、氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。因此，工具钢刀具在高温时均用此类磨损。氧化磨损是一种化学性质的磨损。 （5）氧化磨损 （4）相变磨损 第37页/共53页1.3.3刀具磨损过程及影响因素1.刀具磨损过程急剧磨损阶段（）正常磨损阶段（）初期磨损阶段（）第38页/共53页2.影响刀具磨损的因素 切削用量、刀具材料、刀具几何形状、工件材料以及是否使用切削液等，也都会影响刀具的磨损。 在切削用量中，增大切削速度切削温度随之增高，对刀具磨损的影响最大，进给量f次之，背复杂的吃刀量ap最小。 耐热性好的刀具材料，就不易磨损。 适当加大刀具前角，由于减小了切削力，可减少刀具的磨损。第39页/共53

19、页1.3.4刀具耐用度1. 刀具耐用度的定义刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间，用T表示 。刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。第40页/共53页2. 刀具耐用度方程当用硬质合金车刀切削b=0.736GPa的碳素钢时，（CT与工件材料、刀具材料和其他切削条件有关的常数）。实验公式为75. 025. 25pcTafvCT 第41页/共53页3.影响刀具耐用度的因素 各因素变化对刀具耐用度的影响，主要是通过它们对切削温度的影响而起作用的。凡是影响切削温度的因素都影响刀具的耐用度。 ap、f

20、、vc增大，刀具耐用度T减小，且vc影响最大，f次之，ap最小。所以在优选切削用量以提高生产率时，选择先后顺序为：首先选择一个尽量大的ap，其次根据加工条件和要求选取允许的最大的进给量f，最后在刀具耐用度和机床功率允许的情况下选取最大的切削速度vc 。(1)切削用量第42页/共53页 1)前角前角增大，切削温度降低，刀具耐用度增高；但前角太大，切削刃强度低、散热差，且易于破损，刀具耐用度T反而下降了。 2)主、副偏角 刀尖圆弧半径增大、主偏角减小，刀具强度增加，散热条件得到改善，故刀具耐用度增高。 适当减小副偏角和增大刀尖圆弧半径都能提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度增高。(2)刀具几何

21、参数第43页/共53页 工件材料的强度、硬度越高，产生的切削温度越高，故刀具耐用度越低。此外，工件材料的伸长率越大或热导率越小，切削温度越高，刀具耐用度越低。 刀具材料的高温硬度越高，耐磨性越好，刀具耐用度也越高。但在有冲击切削、重型切削和难加工材料切削时，影响刀具耐用度的主要因素是冲击韧度和抗弯强度。韧性越好，抗弯强度越高，刀具耐用度越高，越不易产生破损。(3)工件材料(4)刀具材料第44页/共53页4.刀具耐用度的选择原则复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。对于换刀、

22、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。第45页/共53页 1.以刀具耐用度T或一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性 在相同切削条件下加工不同材料时，若一定切削速度下刀具耐用度T较长或一定耐用度下切削速度vcT较大的材料，其加工性较好；反之，T较短或vcT较小的材料，其加工性较差。 1.4 工件材料的切削加工性1.4.1评定材料切削加工性的主要指标 材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。根据

23、不同的要求，可以用不同的指标来衡量材料的切削加工性。第46页/共53页 在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时所 允许的切削速度vc60高低来评定材料加工性的好坏。 此外，经常使用相对加工性指标，即以正火状态45钢的vc60为基准，记作(vc60) j，其他材料的vc60与(vc60) j之比Kr称为相对加工性，即 常用材料的相对加工性Kr分为八级。凡Kr大于1的材料，其加工性比45钢好；Kr小于1者，加工性比45钢差。jccrvvK)(6060第47页/共53页 2.2.加工表面质量指标 在相同的加工条件下，比较加工后的表面质量好坏（常用表面粗糙度，此外，还有用加工硬化和残余应力

24、等）。加工后表面质量好，加工性好；反之，加工性差。精加工时，常以此作为切削加工性指标。 3.3.切削力、切削温度和切削功率指标 在相同切削条件下，切削力大，切削温度高，消耗功率多，加工性差；反之，加工性好。在粗加工或机床刚性、动力不足时，可用切削力或切削功率作为加工性指标。 4.4.切屑控制难易程度指标 凡切屑容易控制或易断屑的材料，其加工性好；反之，加工性差。在自动机床或自动线上，常以此为切削加工性指标。第48页/共53页 (1)硬度低、韧性好的材料例如低碳钢、铝合金等材料，其硬度低、韧性好，切削时断屑困难，易产生积屑瘤，影响加工表面质量。所以加工这类材料时常采用大前角、高速切削或大前角、低

25、速、加切削液切削。在刀具上磨出断屑槽并提高切削刃和刀面的刃磨质量。此外对低碳钢，进行正火处理以细化晶粒，对铝合金，用冷变形方法来提高材料的硬度，改善这类材料的切削加工性。 (2)硬度高、韧性差的材料例如高碳钢、碳素工具钢及铸铁等材料，其硬度高、韧性差，切削时产生的切削力大，消耗功率多，刀具易磨损。所以加工这类材料时常采用耐磨性高的YG、YT和YW类硬质合金刀片，小的前角和主偏角，低的切削速度切削。此外，对于有“白口”的灰碳铁可进行高温退火处理；对硬的可锻铸铁、高碳钢及碳素工具钢采用退火处理，降低硬度，改善切削加工性。1.4.2常用材料的切削加工性及改善措施 1.普通金属材料第49页/共53页 难加工的金属材料有高强度钢、超高强度钢、高锰钢、冷硬铸铁、纯金属、不锈钢、高温合金、钛合金等。 (1)高强度、超高强度钢高强度、超高强度钢的半精加工、精加工和部分粗加工常在调质状态下进行。与加工正火45钢相比，其切削力约提高2030，切削温度也相应提高，故刀具磨损快，耐用度低。 根据以上特点，必须选用耐磨性强的刀具材料。在粗加工、半精加工和精加工时，应分别采用不同牌号的YT类硬质合金，刀具前角应较小。例如加工38CrNi3MoVA时，取