金属切削过程

1、金属切削过程 金属切削过程实际是被切削金属层在刀具的挤压下产生剪切滑移的塑性变形过程。金属切削层的变形是在刀具的前刀面和切削刃的不断挤压作用下，产的了包括弹性变形、塑性变形继而以剪切滑移为主的复杂变形并成为切屑。 金属切削过程的变形 金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区，各区特点如下： （1）第一变形区 切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成，这一过程区域称为第一变形区。 （2）第二变形区 产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。 （3）第三变形区 工件上已加工表面与刀具后刀面接触的区域金属切削过程中滑移线与流线 第一变形区金属滑

2、移 切屑的种类 由于工件材料不同，切削工件不同，切屑形状千差万别，将其分为带状切屑、节状切屑、粒状切屑和崩碎切屑四类。 带状切屑 它外表面光滑，内表面呈毛茸状，加工塑性材料、切削速度高、切削厚度小、刀具前角较大时出现。 节状切屑 内表面呈锯齿状，外弧表面时有裂纹，切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时出现。 粒状切屑 一般在切削速度低、切削厚度大、刀具前角小甚至为负角时出现。 崩碎切屑 加工硬脆材料时出现积屑瘤的形成及对切削过程的影响 1、积屑瘤现象 切削塑性材料时，在切削刃附近粘结堆积一楔状或鼻状的并覆盖部分前刀面的金属块。称为积屑瘤。 2、积屑瘤产生的原因 在中温条件下切削塑性材料时，

3、切屑沿前刀面流出，由于剧烈的摩擦，切屑底层金属流动速度减慢，产生滞留层，滞留层不断堆积形成积屑瘤。积屑瘤的硬度强度可达母体材料的2-3倍。 3、积屑瘤对切削过程的影响： （1）增大前角，代替刀具进行切削； （2）积屑瘤的形成脱落，改变切削厚度，影响加工质量； （3）积屑瘤脱落的碎片损伤刀具表面或已加工工件表面。影响积屑瘤形成的主要因素 1、工件材料塑性韧性越好，越易形成； 2、材料一定时，切削速度是主要因素，在20m/min左右时最易形成； 3、刀具前角、进给量影响； 4、温度条件。影响切削过程的主要因素 切削加工时，工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力称为切削力。它的主要来源有：一方面是工件上的

4、切削层产生的变形抗力；另一方面是工件与刀、切屑与刀具的摩擦力。通常把它分解为主切削力、背向力和进给力三个分力。切削合力及分解 切削力Fc 也称切向力。是总合力在主运动方向上的分力。是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率的依据。 进给力Ff 也称轴向力或走刀力。它是总合力在进给方向的分力。它是设计走刀机构，计算车刀进给功率的依据。 背向力FP 也称径向力或吃刀力。它是总合力在垂直工作平面方向的分力。此力的反力使工件发生弯曲变形，影响工件的加工精度，并在切削过程中产生振动。它是机床零件和车刀强度的依据。 影响切削力的因素 影响切削力的因素很多，主要有以下几个方面。 （1）工件材料 工件材料的强

5、度，硬度，加工硬化能力以及塑性变形的程度都对切削力产生影响。一般材料的强度愈高，硬度越大，加工硬化性越强，塑性变形越大，加工此材料所需的切削力也越大。 （2）切削用量 切削用量中对切削影响最大的是背吃刀量，其次是进给量，切削速度影响最小。 （3）刀具几何参数 刀具前角 在刀具几何参数中，前角O对切削力影响最大。切削力随着前角的增大而减小。这是因为前角的增大，切削变形与摩擦力减小。 切削力相应减小。 刀具主偏角r和刀尖圆弧半径 r 图2-15 切削速度对切削力影响，60 o75o 时，Fc最小，因此，主偏角r75o 的车刀在生产中应用较多。主偏角r的变化对背向力Fp与进给力Ff影响较大。背向力随

6、主偏角的增大而减小，进给力随主偏角的增大而增大。 刀尖圆弧半径增大，切削变形增大，切削力也增大。相当于r减小对切削力影响。 刀具刃倾角s（其概念将在后节详细论述） 试验表明，刃倾角s的变化对切削力Fc影响不大，但对背向力FP影响较大。当刃倾角由正值向负值变化时，背向力FP逐渐增大，因此工件弯曲变形增大，机床振动也增大。 （4）刀具材料与切削液 刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高速钢刀具切削力最大。切削液的正确应用，可以降低摩擦力，减小切削力。 刀具磨损与刀具寿命 在金属切削过程中，刀具总会发生磨损，刀具的磨损与刀具

7、材料，工件材料性质以及切削条件都有关系，通过掌握刀具磨损的原因及发展规律，能懂得如何选择刀具材料和切削条件，保证加工质量。 刀具的磨损形式 （1）前刀面磨损 前刀面磨损的特点是在前刀面上离切削刃小段距离有一月牙洼，随着磨损的加剧，主要是月牙洼逐渐加深，洼宽变化并不是很大。但当洼宽发展到棱边较窄时，会发生崩刃。磨损程度用洼深KT表示。这种磨损一般不多 车刀的磨损（a）刀具的磨损形态 （b）月牙洼的位置 （c）磨损的测量位置 (3)前刀面后刀面同时磨损 在中等切削速度、中等切削厚度（0.1-0.5mm)切削塑性金属时，往往会出现前刀面后刀面同时磨损（4）破损 刀具破损比例较高，硬质合金刀具有506

8、0是破损。特别是用脆性大的刀具连续切削或加工高硬度材料时，破损较严重。它又分为以下几种形式： 崩刃 特点是在切削刃产生小的缺口，尺寸与进给量相当。硬质合金刀具连续切削时容易产生。 剥落 特点是前后刀面上平行于切削刃剥落一层碎片，常与切削刃一起剥落。陶瓷刀具端铣常发生剥落，另外硬质合金刀具连续切削也发生。 裂纹 特点是垂直或倾斜于切削刃有热裂纹。由于长时间连续切削，刀具疲劳而引起。 塑性破损 特点是刀刃发生塌陷。是由于切削时高温高压作用引起的 刀具的磨损原因 （1）硬质点磨损 因为工件材料中含有一些碳化物、氮化物、积屑瘤残留物等硬质点杂质，在金属加工过程中，会将刀具表面划伤，造成机械磨损。低速刀

9、具磨损的主要原因是硬质点磨损。 （2）粘结磨损 加工过程中，切屑与刀具接触面在一定的温度与压力下，产生塑性变形而发生冷焊现象后，刀具表面粘结点被切屑带走而发生的磨损。一般，具有较大的抗剪和抗拉强度的刀具抗粘结磨损能力强，如高速钢刀具具有较强的抗粘结磨损能力。 （3）扩散磨损 由于切削时高温作用，刀具与工件材料中的合金元素相互扩散，而造成刀具磨损。硬质合金刀具和金刚石刀具切削钢件温度较高时，常发生扩散磨损。金刚石刀具不宜加工钢铁材料。一般在刀具表层涂覆TiC、TiN、Al2O3等，能有效提高抗扩散磨损能力。 （4）氧化磨损 硬质合金刀具切削温度达到700o800o时，刀具中一些C、CO、TiC等

10、被空气氧化，在刀具表层形成一层硬度较低的氧化膜，当氧化膜磨损掉后在刀具表面形成氧化磨损。 （5）相变磨损 在切削的高温下，刀具金相组织发生改变，引起硬度降低造成的磨损。 总的来说，刀具磨损可能是其中的一种或几种。对一定的刀具和工件材料，起主导作用的是切削温度。在低温区，一般以硬质点磨损为主；在高温区以粘结磨损、扩散磨损、氧化磨损等为主。 刀具破损原因 在断续切削条件下，由于强烈的机械与热冲击，超过刀具材料强度，引起刀具破损。一般，因为硬质合金刀具和陶瓷刀具由粉末烧结而成，容易产生破损。在自动化和数控机床上，这个问题尤为突出，需要采取一些措施，如提高韧性、使抗弯强度提高等，防止刀具破损。 断续切

11、削时，在交变机械载荷作用下，降低了刀具材料的疲劳强度，容易引起机械裂纹而破损。此外，由于切削与空切的变化，刀具表面温度发生周期性变化，容易产生热裂纹，又在机械力的混和作用下，发生破损。刀具磨钝标准及耐用度 （1）刀具磨钝标准 刀具磨损到一定程度，将不能使用，这个限度称为磨钝标准。 一般以刀具表面的磨损量作为衡量刀具磨钝标准。因为刀具后刀面的磨损容易测量，所以国际标准中规定以1/2背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽VB作为刀具磨钝标准。具体标准可参考相关手册 。书中表2-1是一般情况下车刀磨损的推荐值。 实际生产中，考虑到不影响生产，一般根据切削中发生的一些现象来判断刀具是否磨钝。例如是否出现振动

12、与异常噪音等。图3-26 刀具磨损过程初期磨损后刀面磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间刀具耐用度 从刀具刃磨后开始切削，一直到磨损量达到刀具磨钝标准所用的总切削时间被称为刀具耐用度，单位为分钟。 磨削机理 以磨料、磨具作为工具对工件进行切削加工的机床统称为磨床。 磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为60 85） 磨粒及切削刃随机分布 磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）磨削过程大致分为三个阶段：磨削过程大致分为三个阶段：1.1.滑擦阶段滑擦阶段工件表层产生弹工件表层产生弹性变形和热应力性变形和热应力2.2.刻划阶段刻划阶段产生塑性变形沟痕产生塑性变形沟痕隆起现

13、象和热应力隆起现象和热应力3.3.切削阶段切削阶段切削厚度、切应力切削厚度、切应力和温度达一定值，和温度达一定值，材料明显滑移形成切屑。材料明显滑移形成切屑。 一、磨削加工的特点与工艺范围一、磨削加工的特点与工艺范围（一）磨削加工的特点（一）磨削加工的特点1切削刃不规则切削刃不规则2背吃刀量小、加工质量高背吃刀量小、加工质量高3磨削速度快、温度高磨削速度快、温度高4磨削加工的适应性强磨削加工的适应性强5砂轮具有自锐性砂轮具有自锐性6径向磨削分力大径向磨削分力大二、磨床二、磨床（一）磨床的种类（一）磨床的种类1外圆磨床外圆磨床 图9-2所示（1）床身 （2）头架 （3）内圆磨装置（4）砂轮架 （

14、5）尾座 （6）滑鞍及横向进给机构 （7）工作台1外圆磨床外圆磨床 包括万能外圆磨床、普通外圆磨床、无心外圆磨床等。M1432A型万能外圆磨床是普通精度级经一次重大改进的万能外圆磨床。这种机床的工艺范围广,但生产效率低,适用于单件、小批生产或工具车间和机修车间。图9-2所示为M1432A型万能外圆磨床，它由下列主要部件组成。（二）磨削加工的工艺范围（二）磨削加工的工艺范围 磨削加工的应用范围非常广泛，可以加工内外圆柱面、内外圆锥面、平面、成形面和组合面等，如图9-1所示。目前磨削主要用于对工件进行精加工，经过淬火的工件及其它高硬度的特殊材料，几乎只能用磨削来进行加工。另外，磨削也可以用于粗加工

15、。 磨削加工的应用范围非常广泛，可以加工内外圆柱面、内外圆锥面、平面、成形面和组合面等，如图9-1所示。目前磨削主要用于对工件进行精加工，经过淬火的工件及其它高硬度的特殊材料，几乎只能用磨削来进行加工。另外，磨削也可以用于粗加工。 三、砂三、砂 轮轮 （一）（一） 砂轮的特性要素与选择砂轮的特性要素与选择 砂轮是用各种类型的结合剂把磨料粘合起来，经压坯、干燥、焙烧及车整而成的磨削工具。因此，砂轮由磨料、结合剂及气孔三要素组成。 1磨料磨料 普通砂轮所用的磨料主要有刚玉类和碳化硅类，表 9-1 列出了常用磨料的名称、代号、主要性能和用途。表表9-1 常用磨料的性能及适用范围常用磨料的性能及适用范

16、围高强度 人造金刚石 氮化硼 绿碳化硅 黑碳化硅 白刚玉 棕钢玉 硬质合金、宝石 700石墨化 乳白色 碳结晶体 D 硬质合金、高速钢 1300稳定 高硬度黑色 立方氮化硼 CBN 高硬磨料类 硬质合金等 绿色 SiC99% GC 铸铁、黄铜、非金属材料 1500氧化 黑色 SiC95% C 碳化硅类 淬火钢、高速钢 白色 Al2O399% WA 碳钢、合金钢、铸铁 2100熔融 韧性好硬度大 褐色 Al2O395% TiO22%3% A 钢玉类适用磨削范围热稳定性 力学性能 颜色 主要成分 代号 材料名称 2粒度粒度 粒度是指砂轮中磨粒尺寸的大小。磨粒粒度选择的原则是：粗磨时，应选用磨粒较粗

17、大的砂轮，以提高生产效率。精磨时，应选用磨粒较细小的砂轮，以获得较细的表面粗糙度。磨料常用的粒度号、尺寸及应用范围见表9-2 。 表表9-2 常用磨粒的粒度、尺寸及应用范围常用磨粒的粒度、尺寸及应用范围研磨、超精加工、镜面磨削 107 53.5 W10W5 研磨、超精磨削 2014 1410 W20W14 珩磨、研磨 4028 2820 W40W28 微粉 半精磨、精磨、珩磨 160125 5040 100280 粗磨半精磨、精磨 400315 200160 4680 荒磨、打毛刺 20001600 500400 1236 磨 粒 应用范围 颗粒尺寸（m） 粒度号 类别 3结合剂结合剂 砂轮的

18、结合剂将磨粒粘合起来，使砂轮具有一定的强度、硬度、气孔和抗腐蚀、抗潮湿等性能。 常用结合剂的名称、代号、性能和适用范围见表9-3。 适用于金刚石砂轮 强度最高，导电性好，磨耗少，自锐性差 M 金属 适用于切断、开槽 强度较B高，更富有弹性，气孔率小，耐热性差 R 橡胶 适用于高速磨削、切断、开槽等 强度较V高，弹性好，耐热性差 B 树脂 最常用，适用于各类磨削加工耐热、耐蚀，气孔率大，易保持廓形，弹性差 V 陶瓷 适用范围 性能 代号 结合剂 2内圆磨床内圆磨床 包括普通内圆磨床、行星内圆磨床、无心内圆磨床等。3平面磨床平面磨床 包括卧轴矩台平面磨床、立轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、 立轴

19、圆台平面磨床等。4工具磨床工具磨床 包括工具曲线磨床、钻头沟槽磨床等。5刀具刃磨磨床刀具刃磨磨床 包括万能工具磨床、拉刀刃磨床、滚刀刃磨床等。6专门化磨床专门化磨床 包括花键轴磨床、曲轴磨床、齿轮磨床、螺纹磨床等。7其它磨床其它磨床 包括珩磨机、研磨机、砂带磨床、超精加工机床、砂轮机等 4 4硬度硬度 砂轮的硬度是指磨粒在外力作用下从其表面脱落的难易程度。砂轮的硬度等级及代号见表9-4。 表表9-4 砂轮的硬度等级及代号砂轮的硬度等级及代号 砂轮硬度的选用原则是： 工件材料越硬，应选用越软的砂轮。这是因为硬材料使磨粒磨损，需用较软的砂轮以 使磨钝的磨粒及时脱落。工件材料越软，砂轮的硬度应越硬，

20、以使磨粒脱落慢些，发挥其 磨削作用。但在磨削有色金属、橡胶、树脂等软材料时，要用较软的砂轮，以便使堵塞处 的磨粒较易脱落，露出锋锐的新磨粒。 半精磨与粗磨相比，需用较软的砂轮；但精磨和成形磨削时，为了较长时间保持砂轮 轮廓，需用较硬的砂轮。大级名称 超软 软 中软中 中硬 硬 超硬 小级名称 超软1超软2 超软3 软1软2 软3 中软1 中软2 中1 中2 中硬1中硬2 中硬3硬1 硬2 超硬代号 D E F G H J K L MN P Q R S T Y 5 5组织组织 砂轮的组织系指磨粒、结合剂和气孔三者体积的比例关系，用来表示结构紧密和疏松程度。砂轮的组织用组织号的大小来表示，砂轮的组

21、织号及使用范围见表9-5。 表表9-5 9-5 砂轮的组织号砂轮的组织号 有 色 金 属及 塑 料 、橡 胶 等 非金 属 以 及热敏合金粗磨及磨削韧性大、硬度低的工件，适合磨削薄壁、细长工件，或砂轮与工件接触面大以及平面磨削等 外圆、内圆、无心磨及工具磨，淬硬工件及刀具刃磨等 重负载、成形、精密磨削，加工脆硬材料 适用 范围 大气孔疏松 中等 紧密 疏密程度 34 36 38 40 42 44 46 4850 52 54 56586062磨粒率/(%) 14131211109876543210组织号四、磨削方法四、磨削方法 1. 外圆磨削外圆磨削 外圆磨削是用砂轮外圆周面来磨削工件的外回转表

22、面。它不仅能加工圆柱面 端面（台阶部分），还能加工球面和特殊形状的外表面等。（1）工件的装夹（2）外圆磨削方法 1）纵磨法 如图9-3a所示。2）横磨法 如图9-3b所示。 1）纵磨法 如图9-3a所示。2）横磨法 又称切入磨法，如图9-3b所示。3）复合磨削法 是纵磨法和横磨法的综合运用，如图9-3c即先用横磨法将工件分段粗磨，各段留精磨余量，相邻两段有一定量的重叠，最后，再用纵磨法进行精磨。复合磨削法兼有横磨法效率高、纵磨法质量好的优点。4) 深磨法 是在一次纵向进给中磨去全部磨削余量。磨削时，砂轮修整成一端有锥面或阶梯状（见图9-3d），工件的圆周进给速度与纵向进给速度都很慢。此方法生产率较高，但砂轮修整复杂，并且要求工件的结构必须保证砂轮有足够的切入和切出长度。2内圆磨削内圆磨削 用砂轮磨削工件内孔的磨削方式称为内圆磨削。（1）磨削方法 1）纵向磨削法如图9-4所示。 2）切入磨削法（2）裝夹方法 在实际生产中，常采用减少横向进给量，增加光磨次数等措施来提高内孔的加工质量。用砂轮磨削工件内孔的