机械制造技术基础课件第二章

1、第二章第二章 金属切削的基本知识金属切削的基本知识陈达陈达金属切削的基本知识金属切削的基本知识2.1 2.1 基本概念基本概念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2.3 2.3 技术切削刀具技术切削刀具2.4 2.4 金属切削参数的选择金属切削参数的选择2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.1 2.1.1 金属切削的基本定义金属切削的基本定义 金属切削加工是指在机床上用金属切削刀具切除工件上多余的金属，从而使工件的形状精度、尺寸精度及表面质量符合要求。 在金属切削加工时，刀具与工件之间的相对运动，称为切削运动。切削运动可分为主运动和进给运动。以图1-1所示车削外圆为例

2、来研究切削运动。图1-1 切削运动和工件表面2.1.1.1 2.1.1.1 主运动主运动 主运动是切削时的主要运动。主运动可以由刀具完成,也可以由工件完成，其运动形式通常为旋转运动或直线运动, 如车削时工件的旋转运动，铣削时铣刀的旋转运动，钻削时钻头的旋转运动。一般地讲，主运动的速度最高，消耗的功率也最大，主运动只有一个。2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.1.2 2.1.1.2 进给运动进给运动 进给运动是将被切削金属层不断地投入切削，以切除工件表面上全部余量的运动。进给运动可以有一个或几个。进给运动由刀具或工件完成，如车削外圆时车刀平行于工件轴线的纵向运动。其运动形式一般有直线、旋转或

3、两者的合成运动，它可以是连续的或断续的，消耗的功率也比主运动要小得多。2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2 2.1.2 切削用量切削用量 包括切削速度、进给量和背吃刀量2.1.2.12.1.2.1 切削速度切削速度V Vc c 切削速度是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动的速度，一般用最大切削速度表示。 旋转: v = dn/1000 车、磨 d取值？ 刨削：v = 2Lnr/10002.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.2 2.1.2.2 进给速度进给速度V Vf f与进给量与进给量f f 进给速度是单位时间内刀刃上选定点相对于工件在进给方向上的偏移量。 进给量是工件或刀具的主

4、运动每转一周或每完成一个行程时，工件和刀具在进给运动方向上的相对位移量。 问题：v提高，刀具移动加快，f 是否增大？2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.3 2.1.2.3 背吃刀量背吃刀量a ap p 背刀量是指主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向和进给运动方向所组成平面的法线方向上的测量量。即：待加工表面与已加工表面之间的垂直距离待加工表面与已加工表面之间的垂直距离。 车削外圆、内孔等回转表面时： dw-待加工表面直径 dm-已加工表面直径2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2 2.1.2 工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性 工件材料切削加工性指材料被加工成合格零件的难

5、易程度,是一个相对的概念。2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.1 2.1.2.1 材料切削加工性的评价指标材料切削加工性的评价指标1.刀具使用寿命刀具使用寿命T T 或切削速度或切削速度v vT T 相同切削条件比T ；T 一定，比速度vT 或切除材料体积2.加工表面质量加工表面质量 一般精加工，用Ra；精密零件，用残余应力、加工硬化3.切削力或切削温度切削力或切削温度 粗加工或机床刚性、动力不足用力或功率4.断屑性能断屑性能 自动机床、数控机床、自动线等，断屑性能是主要指标2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.2 2.1.2.2 材料的相对加工性材料的相对加工性 切削加工性指标

6、VT：当刀具耐用度为T(min)时，切削某种材料所允许的切削速度越高，材料的切削加工性越好。通常取T=60min，写作V60；难加工材料，VT为V15或V30。 相对加工性Kr：以b=637MPa的45钢的V60作为基准，写作(V60)j，将某种材料的V60与其相比，即K Kr r V V6060/(V/(V6060) )j j Kr仅反映不同材料对刀具使用寿命的影响程度，并未反映表面粗糙度和断屑问题，仅对选择切削速度有指导意义。若以某材料的Kr乘以45钢的切削速度即得该材料的许用切削速度。2.1 2.1 基本概念基本概念2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.3 2.1.2.3 材料切削

7、加工性的影响因素材料切削加工性的影响因素1.1.硬度硬度 工件材料的硬度越高，切削力和切削热越集中在切削刃附近，刀具越易磨损、寿命越低，加工性越不好。2.2.强度强度 工件材料的强度越高，切削力就越大，消耗的功耗也越大，切削温度也越高，使刀具的磨损加剧，切削加工性能就越差。特别是工件材料的耐热性越高，这时候刀具材料的硬度与工件材料的硬度之比就越低，切削加工性能就越差，刀具越容易磨损。这也是某些耐热钢、高温合金钢切削加工性差的主要原因。并不是材料的硬度越低，越好加工。有些金属如低碳钢、纯铁、纯铜等硬度虽低，但塑性很高，也不好加工。硬度适中的钢材较好加工。此外，适当提高材料的硬度，有利于获得较好的

8、加工表面质量。 2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.3 2.1.2.3 材料切削加工性的影响因素材料切削加工性的影响因素3.3.塑性塑性 材料的塑性越大，切削时的塑性变形就越大，切削温度就越高，刀具容易出现粘结磨损和扩散磨损。在低速切削塑性高的材料时易产生机屑瘤，影响表面加工质量，而且塑性大的材料，切削时候不易切削。但加工塑性太低的材料时候，则成为脆性材料，切削力和切削热集中在切削刃附近，加剧刀具的磨损，也会影响切削加工性。4.4.热导率热导率 工件材料的导热性越好，由切屑带走和由工件散出的热量就越多，越有利于降低切削区的温度，减少刀具的磨损，切削加工性好。2.1 2.1 基本概念基本

9、概念2.1.2.4 2.1.2.4 材料切削加工性的改善途径材料切削加工性的改善途径1.1.调整化学成分调整化学成分 钢中加硫、磷、铅、钙等元素；铸铁中增加石墨成分。起一定的润滑作用并增加材料的热脆性。2.2.进行适当的热处理进行适当的热处理 低碳钢 正火，降低塑性，提高硬度； 高碳钢 球化退火,降低硬度，均匀组织，改善加工性； 中碳钢 退火，均匀组织、降低硬度； 不锈钢 常进行调质处理，降低塑性，以便加工； 铸铁 需进行退火处理，降低表皮硬度，消除内应力2.1 2.1 基本概念基本概念2.1.2.4 2.1.2.4 材料切削加工性的改善途径材料切削加工性的改善途径3.3.改变切削条件改变切削

10、条件 1 1）选择合适的刀具材料和切削用量）选择合适的刀具材料和切削用量 难加工材料，导热性差，选硬质合金或涂层刀片； 刀具选择合理几何参数，断屑槽、卷屑槽，控制排屑； 选择合理切削用量等。 2 2）选用合适的设备和加工方法）选用合适的设备和加工方法 难加工材料加工，机床要有足够的功率和刚性； 选择合适的切削液，供给充足； 高硬度材料加工采用磨削加工； 3 3）选择切削加工性好的材料状态）选择切削加工性好的材料状态 低碳钢选冷拔状态；高碳钢选热轧状态2.1 2.1 基本概念基本概念2.2.1 2.2.1 切削过程切削过程 金属切削过程是被切削金属在刀具的挤压、摩擦作用下产生变形以后转变为切屑和

11、形成已加工表面的过程。 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。即金属内部不断滑移变形的过程。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2.2.1 2.2.1 切削过程切削过程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2.2.1.1 2.2.1.1 切削过程的实质切削过程的实质正挤压：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。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

12、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。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FABOM45a a）正挤压）正挤压FABOM45b b）偏挤压）偏挤压OMFc c）切削）切削2.2.1.2 2.2.1.2 变形区的划分变形区的划分第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。第变形区：靠近前刀面处，切削层变成切屑沿刀具前面流出时，切屑底层仍受到刀具前面的挤压和摩擦而发生变形。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。第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力

13、的主要原因。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切削部位三个变形区2.2.1.3 2.2.1.3 切屑的类型切屑的类型 切屑的类型是由材料的应力应变特性和塑性变形程度决定。分为带状、节状、粒状和崩碎四种形态。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带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑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形成形成条件条件影响影响特点特点名称名称简图简图形态形态变形变形带状，底面光滑，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度

14、未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑带状切屑节状切屑节状切屑粒状切屑粒状切屑崩碎切屑崩碎切屑2.2.2 2.2.2 积屑瘤积屑瘤 在金属切削过程中，常常有一些从切屑和工件上形成的金属黏结并层积在前刀面上，形成常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的24倍，

15、能代替刀刃进行切削，并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物成为积屑瘤。 当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高，又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。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2.2.2.1 2.2.2.1 积屑瘤的产生与成长积屑瘤的产生与成长形成积屑瘤的条件主要取决于切削温度；积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布等有关；塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；加工硬化：在已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复杂的塑性变形，使金属的晶格发生扭曲，晶粒拉长，破碎，阻碍了金属进一步的变形而使金属强化，硬度显著提高。2.

16、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2.2.2.2 2.2.2.2 积屑瘤的脱落与消失积屑瘤的脱落与消失积屑瘤的脱落与消失同样主要取决于切削温度；在实际切削中，切削温度不断变化，即便在相同切削条件下，积屑瘤也处于不稳定状态，时而成长、时而脱落，反复变化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2.2.2.3 2.2.2.3 控制积屑瘤的措施控制积屑瘤的措施积屑瘤对切削过程的影响1 1）使刀具前角变大使刀具前角变大积屑瘤有30左右的前角，减小了切屑变形，降低了切削力，切削更容易进行。 2 2）保护刀具保护刀具积屑瘤包围着刀刃和刀面，如果积屑瘤生长稳定，则可代

17、替刀刃和前刀面进行切削，保护了刀刃和刀面，延长了刀具使用寿命。3 3）使加工表面粗糙度增加使加工表面粗糙度增加4 4）使切削厚度变化使切削厚度变化积屑瘤的前端伸出切削刃之外，使得切削厚度增加，影响加工精度。5 5）对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响积屑瘤的频繁脱落使得积屑瘤碎片反复挤压前刀面和后刀面，加速了刀具磨损。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2.2.2.3 2.2.2.3 控制积屑瘤的措施控制积屑瘤的措施积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：1）适当降低材料的延展性，提高硬度，减小加工硬化倾向；2）正

18、确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域；3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力；4）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。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2.2.3 2.2.3 切削力切削力2.2.3.1 2.2.3.1 总切削力的概念总切削力的概念 金属切削过程中，刀具作用于工件使工件材料发生变形，并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力。 切削力是金属切削过程中的基本物理现象之，直接影响切削热、刀具磨损与耐用度，也是影响加工工件质量、工艺系统强度和刚度的重要因素。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2.2.3.1 2.2.3.1 总切削力的概念总切削力的概念切削力的来源切削力的来源1）工件材料3个变形区产生的弹、塑性变形抗力2）切屑、工件与刀具间摩擦力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2.2.3.2 2.2.3.2 总切削力的分解总切削力的分解将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp Fc-主切削力，与切削速度方向一致Ff-进给力，与进给方向平行Fp-背向力，与进给方向垂直，又称径向力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2 2p p2 2f f2 2c cF FF F