机械制造技术基础2

1、机械制造技术基础机械制造技术基础第二章：金属切削过程的基本第二章：金属切削过程的基本规律及其应用规律及其应用（约（约9学时）学时）本章提要本章提要 总结出切削变形切削变形、切削力切削力、切削热与切削热与切削温度切削温度、刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度变化的四大规律。 阐述如何应用上述规律解决改善工件材改善工件材料的切削加工性料的切削加工性、合理选择切削液合理选择切削液、合合理选择刀具几何参数理选择刀具几何参数、合理选择切削用合理选择切削用量量等生产上出现的四个方面问题。2.1金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律2.1.1切削变形切削变形金属切削过程产生弹性变形、塑性变形，晶格

2、产生滑移，而后断裂。*切削层变化的三个变形区，如图2.1所示：第第I变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；变形区近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；第第II变形区变形区与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；第第III变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区。变形区近切削刃处已加工表层内产生的变形区。2.1.1.1切屑的形成及变形特点切屑的形成及变形特点 第一变形区金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作用，经过第一变形区的弹、塑性变形和剪切滑移后形成了切屑。 AB 为剪切面。第二变形区内金属的挤压磨擦变形切削在受前刀面挤压磨擦过程中进一步发生变形。第三变形区内

3、的金属的挤压磨擦变形已加工表面受后刀面挤压磨擦造成纤维化与加工硬化。2.1.1.2切屑的类型切屑的类型带状切屑切削塑性较高的金属材料常出现这类切屑。挤裂切屑切削黄铜或用低速切削钢，较易得到这类切屑。单元切屑切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。崩碎切屑在切削脆性金属时易出现。2.1.1.3切屑变形程度的量度方法切屑变形程度的量度方法 *(1)剪切角 剪切面AB与切削速度vc之间的夹角。 V ， ，A剪切 ，（切削省力）F 。 大小确定：获得切屑根部照片，度量得出。vcAB 根据 ( P23公试2.9 该试 用于定量计算虽不准确，但做定性分析尚可) ，可知 : o （刀具前角） ， (切屑

4、与前刀面间摩擦角) ，使 ； 另剪切面上的正应力、温度、应变速度及材质不均匀都对产生影响。2245oo (2)相对滑移=s/y=ctg+tg(-o)BB”(3) 变形系数h (大于大于1)h=hch /hD = ctgcoso+sinohchhD（4）分析由公试=s/y=ctg+tg(-o)和 h=hch /hD = ctgcoso+sin可知：可知：和和o是影响切削变形的主要因素是影响切削变形的主要因素 在o=030o、 h大于1.5时，h与值接近，此时用h或值来（近似的）表示变形程度才既方便又直观。 上述是根据纯剪切观点提出的，但切削过程是复杂的，既有剪切、又有前刀面A 对切屑的挤压和摩擦

5、作用，不能反映全部的变形实质。 （例如 h =1时，而实际情况是有变形的）2.1.1.4前刀面的挤压磨擦与积前刀面的挤压磨擦与积屑瘤屑瘤（除积屑金属瘤外自阅除积屑金属瘤外自阅） 积屑瘤 积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块。 积屑瘤的形成有许多解释，通常认为是由于切屑在前刀面上粘结造成的。当vc的值在20m/min附近时（360m/min见图2.9），随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，磨擦力也增大，使近前刀面切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞流”理象。积屑瘤对切削加工的影响: (1)实际o (2) ap (3)Ra (4)影响刀具耐用度防止产生积屑瘤的措施: (1)低速或高速切削 (2

6、)加强润滑 (3) o以减小刀屑接触区压力 (4) 材料硬度(如热处理), 加工硬化倾向 2.1.1.5切屑变形的变化规律切屑变形的变化规律 前角 因此，切屑变形减小。h0为负值为负值为正值为正值切削速度 切削速度vc是通过(a)积屑瘤使剪切角改变; (b)切削温度使磨擦系数变化,而影响切屑变形的。如图2.11以中碳钢为例。进给量 进给量对切屑变形的影响规律如图2.12所示，即f 使h ； 这是由于f 后，使切削厚度 ，正压力和平均正应力 ，磨擦系数 ，剪切角 所致。 工件材料 材料的强度、硬度 ，正压力 ，平均正应力 ，磨擦系数 ， 导致h 2.1.2切削力切削力2.1.2.1切削力来源、合

7、力及其分力切削力来源、合力及其分力*2.1.2.2切削力测定和切削力实验公式(自阅自阅)2.1.2.3单位切削力、切削功率和单位切削功率 (自阅自阅)2.1.2.4切削力的变化规律切削力的变化规律*2.1.2.1切削力来源、合力及其分力* 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力切削力。 切削力来源于两个方面：变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；切屑、工件与刀具间的摩擦力。 它们的合力用Fr表示。FrFXFYFZFr，Fxy 为了便于分析，通常将合力Fr分解成三个相互垂直的分力，它们是： 主切削力FZ：主运动切削速度方向的分力； 切深抗力FY：切深方向的分力； 进给抗力FX：进给方向的

8、分力。 Fr= FX2+FY2+FZ2 主切削力FZ是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。 切深抗力FY不消耗功率，但在机床-工件-刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。 进给抗力FX消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。2.1.2.2切削力测定和切削力实验公式2.1.2.3单位切削力、切削功率和单位切削功率 (自阅自阅)2.1.2.4切削力的变化规律 *工件材料的影响切削用量的影响刀具几何角度的影响其它因素的影响工件材料的影响 工件材料的硬度

9、、强度、剪切屈服强度 ，Fr 。 塑性、韧性 （切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增大越高）， Fr 切削铸铁（由于塑性变形小，崩碎切屑与前刀面摩擦小）， Fr 小 。 切削用量的影响 Vc f ap背吃刀量ap和进给量f ap和f ，（AD ）， Fr 。( 但ap比f影响程度更大些，其指数比为: 1：0.750.9)切削速度Vc 加工塑性金属时，积屑瘤与摩擦的作用造成的。以车削45钢为例，见图2.20. 切削脆性金属,因为变形和摩擦均较小，故切削速度改变时切削力变化不大。 即切削用量对切削力Fr的影响:ap fVc刀具几何角度的影响刀具几何角度的影响o kr s前角o o , Fr (但

10、使三个分力,减小的程度不同,见P32表表2.4 )主偏角 kr kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变，因而使切削力也随之变化。 图图2.21所示所示，当kr ,切削厚度 ， 切削变形 ，故主切削力 ； 但kr 后，圆弧刀尖上占的切削工作比例增大，使切屑变形和排屑时切屑相互挤压加剧。此外，副前角又随主偏角增大而减小(关系式未讲)，上述影响又使主切削力 。 综合影响见图图2.22和表表2.5刃倾角s 刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长度增加，摩擦加剧，Fz ； 但在法剖面中刃口圆弧半径减小，刀刃锋利，切削变形减小， Fz 。 上述综合作用的结果是使主切削力Fz变化很小。

11、 但对切深抗力Fy 、进给抗力Fx影响较显著。 刃顷角s对Fy、Fx的作用如图2.23所示，当刃倾角s由正值向负值变化时，切深分力Fy 、进给分力Fx 。 （P32表表2.6为车削45钢时刃倾角s改变对切削力修正系数,从中可看出上述结论）为负值为负值其它因素的影响其它因素的影响刀具的棱面：棱面提高了刀具强度，但也增大了挤压和摩擦作用，Fr 。刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径 ，圆弧刀刃参加工作比例越多，切削变形和摩擦越大，Fr 。刀具磨损：在切削过程中刀具会产生磨损，如果刀具后刀面上磨损量 ，使刀刃变钝、后刀面与加工表面间挤压和摩擦加剧，Fr 。2.1.3切削热与切削温度2.1.3.1切削热的来源与

12、传导2.1.3.2切削温度2.1.3.3影响切削温度的因素2.1.3.1切削热的来源与传导 1)热源：剪切区变形功形成的热Qp; 切屑与前刀面摩擦功形成的热Qf; 已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qf。2)传导：传入切屑Qch(切削钢不加切削液时传入比例50%86%)、 工件Qw(40%10%) 、刀具Qc(9%3%)和周围介质Qf(1%)。3)切削热的形成及传导关系为： Qp+ Qf+ Qf =Qch +Qw +Qc+ QfQf2.1.3.2切削温度 切削区域处温度的高低，决定于该处切削热的多少和散热的快慢。 通常所说的切削温度一般是指切削区域的平均温度，用表示。 (1)切削温度可以计算 (

13、P35公式2.21;公式2.22) (2)切削温度可以测定 自然热电偶法 P36图2.26 人工热电偶法 P36图2.27 2.1.3.3影响切削温度的因素切削用量的影响 *刀具几何参数影响工件材料影响其它因素的影响切削用量的影响 * 切削用量ap、f和vc对切削温度的影响关系: 切削用量ap 、 f和vc对切削温度的影响规律:切削用量ap 、 f和vc增大，切削温度增加。其中切削速度 vc对切削温度影响最大最大，进给量f 次之次之，切削深度ap影响最小最小,即即对切削温度的影响: vc f ap ( 与Fr相反)。 由此可见，在金属切除率相同的条件下，为了减少切削温度影响，防止刀具迅速磨损，

14、保持刀具耐用度，增大切削深度ap或进给量f比增大切削速度vc更有利。 kvfaCzcyxp刀具几何参刀具几何参数影响数影响o kr前角o o ，切削 变 形 和 摩擦 ，因此产 生 的 热 量少 ， 切 削 温度 。 但o 至15o左右，由于 楔 角 减 少使 刀 具 散 热变 差 ， 切 削温度略有 。主偏角主偏角kr 主偏角kr ，使切削宽度bD ，切削厚度hD ,因此，切削变形和摩擦 ，切削温度 。 但当切削宽度bD 后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr ，切削温度 。 工件材料影响 工件材料是通过强度、硬度和导热系数等性能不同对切削温度产生影响的。其它因素的影响 磨损

15、、干切削都会使温度升高。浇注切削液是降低切削温度的一个有效措施 2.1.4刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度2.1.4.1刀具磨损形式2.1.4.2磨损过程和磨钝标准2.1.4.3刀具磨损原因2.1.4.4刀具耐用度*2.1.4.5影响刀具耐用度的因素*2.1.4.1刀具磨损形式 刀具磨损形式为正常磨损和非正常磨损两大类。正常磨损正常磨损正常磨损是指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。后刀面磨损(图图2.30上图上图分C、N、B三个磨损区域，其磨损量分别用VC、VN、VB表示)前刀面磨损(图图2.30下面两个图下面两个图)前、后刀面同时磨

16、损图图2.30正常磨损形式正常磨损形式非正常磨损 非正常磨损非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏的现象。破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、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。 2.1.4.2磨损过程和磨钝标准 磨损过程如图2.31所示，图中大致分三个阶段。 初期磨损阶段(I段)：磨损较快。是由于由于刀具表面粗糙不平或表层组织不耐磨引起的。 正常磨损阶段(II)：该磨损度近似为常数。AB呈直线。 急剧磨损阶段(III)：磨损急剧加速继而刀具损坏。由于由于磨损严重，切削温度剧增，刀具强度、硬度降低所致。图图2.31刀具磨损过程曲线刀具磨损过程

17、曲线在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具刀具磨钝标准磨钝标准为：在后刀面B区内均匀磨损VB=0.3mm；在后刀面B区内非均匀磨损VBmax=0.6mm ；月牙洼深度标准 KT=0.06+0.3f (f-进给量mm/r) (表表2.8为车刀的磨钝标准，供选用时参考 )2.1.4.3刀具磨损原因 磨粒磨损 刀具上经常被一些硬质点刻出深浅不一的沟痕。这主要由于“磨粒”的切削作用造成的。粘结磨损 粘结磨损就是由于接触面在压力和温度作用下滑动粘结处产生剪切破坏造成的。扩散磨损（P40图2.32） 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

18、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。相变磨损 在刀具上最高温度超过材料相变温度时，刀具表面金相组织发生变化。如马氏体组织转变为奥氏体，使硬度下降，磨损加剧。氧化磨损 硬质合金中WC(钨碳)、Co(钴)与空气介质中O2化合成脆性、低强度的氧化膜WO2，该膜受到了工件表面中氧化皮、硬化层等摩擦和冲击作用，形成了边界磨损。 综上所述综上所述,刀具磨损是由机械摩擦和热效应两方面因素作用造成的。在低、中速范围内磨粒磨损和粘结磨损是刀具磨损的主要原因; 在中等以上切削速度加工时，热效应使高速钢刀具产生相变磨损、使硬质合金刀具产生粘结、扩散和氧化磨损。 (切削速度vc)2.1.

19、4.4刀具耐用度*刀具耐用度概念 刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削至磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间，用T分钟表示。 刀具耐用度试验 (自阅自阅) 刀具耐用度合理数值的确定刀具耐用度合理数值有两种：最高生产率耐用度 Tp (P42公式2.26) 所确定的Tp能达到最高生产率。若刀具耐用度超过最高生产率耐用度，则由于切削用量降低，使生产率下降；小于该耐用度，会增加刀具磨刀和装卸时间，亦会使生产率下降。最低生产成本耐用度Tc（P43公式2.27） 所确定的耐用度能保证加工成本最低。如果刀具耐用度高于最低成本耐用度Tc值，则机床消耗费增多、成本提高；反之，刀具耐用度低于Tc值，刀具损耗费和磨

20、刀费增多、成本也高。注：注：比较最高生产率耐用度Tp与最低生产成本耐用度Tc可知： Tc Tp 。刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手刀具耐用度的具体数值，可参考有关资料或手册选用册选用。2.1.4.5影响刀具耐用度的因素切削用量的影响 *刀具几何参数的影响 *工件材料的影响刀具材料的影响切削用量的影响 * 切削用量vc 、f和ap对刀具耐用度的影响规律如同对切削温度的影响规律。即vc 、f和ap ，使(切削温度 )刀具耐用度 ，其影响程度: vc fap 。刀具几何参数的影响 * 前角o ，切削温度 ，耐用度T ，但前角o太大，刀刃强度低、散热差且易磨损，故耐用度T反而 。 主偏角kr

21、，可增加刀具强度和改善散热条件，故耐用度T 或刀具耐用度允许的切削速度vT 。 此外，适当 副主偏角kr,和 刀尖圆弧半径re都能提高刀具强度，改善散热条件使刀具耐用度T或刀具耐用度允许的切削速度vT 。工件材料的影响 工件材料的强度、硬度 ，产生的切削温度 ，故刀具磨损 ，刀具耐用度 。 此外，加工材料的延伸 或导热系数 ，均能使切削温度 因而使刀具耐用度 。刀具材料的影响 刀具切削部分材料是影响耐用度的主要因素，一般情况下，刀具材料的高温硬度 、耐磨 ，耐用度 。 2.2金属切削过程基本规律的应用金属切削过程基本规律的应用2.2.1工件材料的切削加工性2.2.2切削液2.2.3刀具几何参数

22、的合理选择 *2.2.4切削用量的合理选择2.2.1工件材料的切削加工性工件材料的切削加工性2.2.1.1评定工件材料加工性的主要指标2.2.1.2改善材料切削加工性的措施 2.2.1.1评定工件材料加工性的主要指标刀具耐用度指标 在切削普通金属材料时，用刀具耐用度达到60min时允许的切削速度V60的高低来评定材料的加工性。 难加工材料用V20来评定。 在相同加工条件下， V60或V20越高，加工性越好，反之，加工性差。 此外，经常使用相对加工性指标，即以45号钢的V60为基准 ,得出比45号钢易或难加工的相对加工性指标。加工表面粗糙度指标 在相同加工条件下，比较加工后表面粗糙度等级。粗糙度

23、值低，加工性好；反之，加工性差。 还有用切屑形状是否容易控制、切削温度高低和切削力大小(或消耗功率多少)评定材料加工性的好坏 。2.2.1.2改善材料切削加工性的措施 调整化学成分 适当调整化学成分，以改善其加工性。(如在钢中加入少量的硫、硒、铅、铋、磷等，虽略降低钢铁强度，但也同时降低钢的塑性，对加工性有利)材料加工前进行合适的热处理 同样成分的材料，金相组织不同，加工性也不同。(低碳钢通过正火处理后，细化晶粒，硬度提高，塑性降低，有利于减小刀具的粘结磨损，减少积屑瘤，改善工件表面粗糙度)选择加工性好的材料状态 低碳钢经过冷拉后，塑性大为下降，加工性好；锻造的坯件余量不均，且有硬皮，加工性很

24、差，改为热轧后加工性得以改善。其它 如采用合适的刀具材料，选择合理的刀具几何参数，合理地制订切削用量与选用切削液等。2.2.2切削液 2.2.2.1切削液的作用 (简介简介) 切削液主要用来减少切削过程中的摩擦和降低切削温度。冷却作用润滑作用洗涤与防锈作用 2.2.2.2常用切削液及其选用水溶液（水加防锈添加剂）切削油（机油、轻柴油等） 切削油主要起润滑作用。乳化液（乳化剂加水） 浓度低的乳化液含水比例多，主要起冷却作用，适用于粗加工和磨削；浓度高的乳化液，主要起润滑作用，适用于精加工。极压切削油和极压乳化液 在切削油或乳化液中加入了硫、氯和磷极压添加剂后，能在高温条件下显著提高冷却和润滑效果

25、。2.2.3刀具几何参数的合理选择刀具几何参数的合理选择 *2.2.3.1 (前角o)2.2.3.2 (后角o)2.2.3.3 (主偏角kr 、副偏角 ）2.2.3.4（刃倾角s ）2.2.3.1前角、前刀面的功用和选择前角、前刀面的功用和选择 （1）前刀面 平 面 型易制造，重磨方便，刀具廓形精度高。 曲 面 起卷屑作用，并有助于断屑和排屑。（2）前角o 它影响切削过程中的变形和摩擦，同时又影响刀具的强度。其选择原则：刀具强度许可，取尽量大的o； 成型刀具考虑刃形精度,o选小些。具体选择方法： 根据工件材料（P48表表2.11） 有色金属, o大（可达o =30o）; 铸铁和钢，硬度和强度越

26、高， o越小甚至为负值（淬硬钢， 0o o -10o）；根据刀具材料（ P49表表2.12 ） o高速钢o硬质合金o陶瓷(后两种甚至刃口上磨出倒棱面)（3）倒棱（图2.37c） 在硬质合金或陶瓷刀具的刃口上磨出倒棱面(其宽度b1 f ,它不改变o作用)是提高刀具强度和刀具耐用度的有效措施，尤其是在选用大前角时效果更为显著。2.2.3.2后角和后刀面的功用和选择后角和后刀面的功用和选择 后角影响切削中的摩擦和刀具强度 (用于定尺寸刀具用于定尺寸刀具) 后后角选择原则: 粗加工以确保刀具强度为主，可在o=4o6o 范围选取； 在精加工时以保证表面质量为主，一般取o= 8o12o。如如图2.38(c

27、)所示，若在后刀面上磨出倒棱面磨出倒棱面b1=0.10.3、*后角o=-5o-10o，切削时产生支承作用，增加系统刚性并起到消振阻尼作用，这是在车削细长轴经常采取的消振措施。 * 该处书有错2.2.3.3主偏角、副偏角的功用与选择 (1)主偏角主偏角kr 主要影响切削宽度bD和切削厚度hD比例并影响刀具强度。主偏角kr的选择原则： 在工艺系统刚性不足的情况下，为减小切削力，选取较大的主偏角 在加工强度高、硬度高的材料时，为提高刀具耐用度，选取较小主偏角 根据工件表面形状要求选取（如车台阶轴kr 90o）(2)副偏角副偏角影响加工表面粗糙度和刀具强度。通常不产生摩擦和振动条件下，应选取较小的副偏

28、角（表表2.13为不同加工条件时的主、副偏角值）。(3)过渡刃过渡刃在主切削与副切削刃之间有一条过渡刃，如图2.39 所示。过渡刃有直线过渡刃和圆弧过渡刃两种。过渡刃是起调节主、副偏角作用的一个结构参数。 过渡刃的选择原则过渡刃的选择原则：普通切削刀具常磨出较小圆弧过渡刃，以增加刀尖强度和提高耐用度。随着工件强度和硬度提高，切削用量增大，则过渡刃尺寸相应加大。(kr=0.5kr b=0.52mm或 r =0.53mm) 2.2.3.4刃倾角的功用与选择刃倾角的功用与选择 刃倾角刃倾角s主要影响切屑的流向和刀具强度。刃倾角的选择原则刃倾角的选择原则:主要根据刀具强度、流屑方向和加工条件而定。(如图2.40所示，在间断或冲击振