机械制造 切削过程

1、 第第3 3章章 金属切削过程与控制金属切削过程与控制3.1.1 切屑形成过程切屑形成过程 以塑性材料的切屑以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区形成为例，金属切削区可大致划分为：可大致划分为： 三个变形区三个变形区 第一变形区第一变形区 第二变形区第二变形区 第三变形区第三变形区 3.1 金属切削过程与切屑类型金属切削过程与切屑类型（1）第一变形区）第一变形区OA始滑移线始滑移线OM终滑移线终滑移线变形的主要特征：变形的主要特征： 剪切滑移变形剪切滑移变形 加工硬化加工硬化一般速度范围内一区一般速度范围内一区宽度为宽度为0.020.2mm，速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小，可看作一个可看

2、作一个剪切平面剪切平面（剪切滑移区）（剪切滑移区）（2）第二变形区）第二变形区（3）第三变形区第三变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。（挤压摩擦区）（挤压摩擦区） 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。刃前区：刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集 中而复

3、杂，被切削层在此与工件本体材料分离中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离（挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）1. 剪切角剪切角 ：剪切面与切削速度方向之间的夹角。剪切面与切削速度方向之间的夹角。 2. 相对滑移相对滑移：滑移距离滑移距离s与单元厚度与单元厚度y之比。之比。 =s/ y =NP/MK =(NK+KP)/MK = cot + tan( -0）变形系数变形系数h ：切屑厚度与切削层厚度的比值。切屑厚度与切削层厚度的比值。 hcos ( -0）/ sin 一般一般 /4 00 ， h 3.1.2 变形程度的表示方法变形程度的表示方法图图3-3 剪切变形示意图剪切变形示意图3.1.3

4、刀刀-屑接触区的变形与摩擦屑接触区的变形与摩擦滞流层：滞流层：接近前刀面的切屑接近前刀面的切屑底层晶粒拉长，形成与前刀底层晶粒拉长，形成与前刀面平行的纤维层，流速很慢，面平行的纤维层，流速很慢，变形程度非常剧烈。变形程度非常剧烈。切塑性金属时前刀面上应力切塑性金属时前刀面上应力分布情况分布情况刀刀-屑接触区可分两部分：屑接触区可分两部分：粘接区粘接区lf1: 剪切滑移，内摩擦剪切滑移，内摩擦滑动区滑动区lf2: 滑动摩擦，外摩擦滑动摩擦，外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的一般内摩擦力约占总摩擦力的85%积屑瘤积屑瘤在速度不高切削塑性金属形成在速度不高切削塑性金属形成带状切屑的情况下，滞流层金带状

5、切屑的情况下，滞流层金属粘接在前刀面上，形成硬度属粘接在前刀面上，形成硬度很高的硬块，称为很高的硬块，称为积屑瘤。积屑瘤。积屑瘤对切削过程的影响：积屑瘤对切削过程的影响：（1）代替刀具切削，保护刀具）代替刀具切削，保护刀具（2）增大前角，减小变形和力）增大前角，减小变形和力（3） 产生过切及犁沟，产生过切及犁沟，精度精度（4） 增大已加工表面粗糙度增大已加工表面粗糙度积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：降低工材塑性；降低工材塑性；合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等3.1.4 刀刀-工接触区

6、的变形与加工质量工接触区的变形与加工质量刀刃钝圆半径刀刃钝圆半径 rn后刀面磨损带后刀面磨损带VB弹性恢复区弹性恢复区CD变形特征：变形特征：挤压、摩擦与回弹挤压、摩擦与回弹 金属进入第一变形区金属进入第一变形区时，晶粒因压缩而变长，时，晶粒因压缩而变长，因剪切滑移而倾斜。因剪切滑移而倾斜。 金属层接近刀刃时，金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，围在刀刃周围的纤维层，最后在最后在O点断裂。点断裂。 已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，

7、产生已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生加工硬化，表面残余应力加工硬化，表面残余应力，称之为，称之为加工变质层加工变质层。3.1.5 切屑的类型及控制切屑的类型及控制从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：切塑性材料切塑性材料 带状切屑带状切屑 挤裂切屑挤裂切屑 单元切屑单元切屑切削平稳，力波动小切削平稳，力波动小 滑移量较大，局部滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难加工面光洁，断屑难 剪应力达断裂强度剪应力达断裂强度 加工表面粗糙加工表面粗糙 少见少见0vac0 v ac0 v ac0vac切脆

8、性材料切脆性材料不平稳不平稳,表面粗糙表面粗糙 应应0vac 3.2 3.2 切削力切削力切削力的来源：切削力的来源： 被切削材料的弹性、塑性变形抗力被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力 将切削合力将切削合力F分解为三个互相垂直的分力分解为三个互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp Fc 主切削力，主切削力，与切削速度方向一致与切削速度方向一致 Ff 进给力，进给力，与进给方向平行，车外圆时称为轴向力与进给方向平行，车外圆时称为轴向力 Fp 背向力背向力(切深抗力切深抗力)，与进给方向垂直，又称径向力，与进给方向垂直，又称径向力2 2p

9、p2 2f f2 2c cF FF FF FF F3.2.1 切削力的分解切削力的分解切切 削削 力力3.2.2 切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算1. 用指数经验公式计算切削力用指数经验公式计算切削力 2. 用单位切削力计算切削力用单位切削力计算切削力 单位切削力单位切削力 kc=Fc/Ac= Fc/(ap f) = Fc/(ac aw) 可查手册可查手册 Fc= kc Ac KFc KFc为切削条件修正系数为切削条件修正系数式中式中KFc、 KFf、 KFp为切削条件修正系数，为切削条件修正系数，xFc、 yFc、 zFc等为指等为指数，均可在切削用量数，均可在切削用量手册中查到

10、。手册中查到。3. 计算切削功率计算切削功率（1）切削功率）切削功率 Pe Pe Pc Pf Fc v + Ff nwf 10-3 Fc v （W）式中式中Fc、 Ff 为切削力、为切削力、 进给力（进给力（N N）；）； v 为切削速度为切削速度（m/s）；）； nw为工件转速为工件转速（r/s）；）； f 为进给量（为进给量（mm/r）（2）电动机功率）电动机功率 Pm PmPc/m m 为机床传动效率为机床传动效率3.2.3 影响切削力的主要因素影响切削力的主要因素 1. 工件材料的影响工件材料的影响（系数（系数C CF F 或单位切削力或单位切削力k kc c体现）体现） 工件材料的强

11、度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。 2. 切削用量的影响切削用量的影响 apAc成正比成正比， kc不变，不变， ap的的 指数约等于指数约等于1，因而，因而 切削力成正比增加切削力成正比增加 fAc成正比成正比，但，但 kc略减小，略减小， f 的的 指数小于指数小于1，因而，因而 切削力增加但与切削力增加但与f 不成正比不成正比速度速度v 对对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况1）在积屑瘤增长阶段）在积屑瘤增长阶段 随随v 积屑瘤高度积屑瘤高度 变形程度变形程度，F 2）在积屑瘤减小阶段）在积屑

12、瘤减小阶段 v 变形程度变形程度，F 3） 在无积屑瘤阶段在无积屑瘤阶段 随随v ，温度升高，摩擦温度升高，摩擦 系数系数变形程度变形程度 F 计算计算F 时乘以修正系数时乘以修正系数Kv 或指数或指数zF约为约为-0.15来体现来体现 3. 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 （1 1）前角）前角0 0 的影响的影响 加工塑性材料时，加工塑性材料时，0 0 变形程度变形程度F FFc加工脆性材料时，切削变形很小，加工脆性材料时，切削变形很小， 0 0对对 F F 影响不显著影响不显著0 0 3030或高速切削时，或高速切削时， 0 0对对 F F 影响不显著影响不显著（2 2）主偏角）主偏

13、角r r的影响的影响 1 1）r r对对F Fc c影响较小，影响较小， 影响程度不超过影响程度不超过10%10% r r在在60607575之之 间时，间时，F Fc c最小。最小。 2）r r对对F Fp p、 F Ff f影响较大影响较大 F Fp p F FD D coscosr r F Ff f F FD D sinsinr r F Fp p随随r r 增大而减小，增大而减小， F Ff f随随r r 增大而增大增大而增大（3 3）刃倾角）刃倾角s s的影响的影响 1 1）s s对对F Fc c影响很小影响很小 2） s s对对F Fp p、 F Ff f影响较大影响较大 F Fp

14、p随随s s增大而减小，增大而减小， F Ff f随随s s增大而增大增大而增大（4 4）负倒棱）负倒棱b b11的影响的影响b b1 1 与与f f 之比增大之比增大, ,切削力随之增大。切削力随之增大。当切钢当切钢b b11/ /f f 55或或切铸铁切铸铁b b11/ /f f 33时，时，切削力趋于稳定，接切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。近于负前角的状态。（5 5）刀尖圆弧半径）刀尖圆弧半径r r的影响的影响 1 1）r r对对F Fc c影响很小影响很小 2 2）F Fp p随随 r r增大而增大增大而增大 F Ff f随随 r r增大而减小增大而减小r r增大相当于增大相当于r

15、 r减小的影响减小的影响 6. 刀具材料的影响刀具材料的影响 按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序， 切削力依次增大。切削力依次增大。 5. 切削液的影响切削液的影响 切削液润滑作用越好，力减切削液润滑作用越好，力减 小越显著，低速时更突出。小越显著，低速时更突出。 4. 刀具磨损的影响刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度后刀面平均磨损带宽度VB 越大，摩擦越强烈，切削力越大，摩擦越强烈，切削力 也越大。也越大。 VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著 3.3 3.3 切削热与切削温度切削热与切削温度3.3.1 切削热的产生和传导

16、切削热的产生和传导 切削热产生切削热产生于三个变形区，于三个变形区， 切削过程中消耗的能量约切削过程中消耗的能量约 98%转换为热能，切削热转换为热能，切削热 qPcFcv =Cfcapf 0.75v -0.15KFcv = Cfcapf 0.75v0.85KFc切削热切削热通过切屑、工件、通过切屑、工件、刀具和周围介质向外刀具和周围介质向外传出传出3.3.2 切削温度的分布切削温度的分布红外胶片法测得切钢料的温度场，红外胶片法测得切钢料的温度场，分析归纳切削温度分布规律：分析归纳切削温度分布规律：1）剪切区等温线与滑移线相近）剪切区等温线与滑移线相近 OM线温度比线温度比OA线上温度高线上温

17、度高 剪切滑移相等的地方温度相等，剪切滑移相等的地方温度相等， 剪切变形是切削热的第一来源剪切变形是切削热的第一来源2）前后刀面最高温度点不在刀刃上）前后刀面最高温度点不在刀刃上 切屑上最高温度比剪切区温度高切屑上最高温度比剪切区温度高 切屑底层温度比上层温度高切屑底层温度比上层温度高 摩擦是切削热的又一来源摩擦是切削热的又一来源3.3.3 影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素切削温度切削温度 一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度两个方面：两个方面：切削热的产生与传出切削热的产生与传出1. 切削用量的影响切削用量的影响由实验得出切削温度经验公式如下由

18、实验得出切削温度经验公式如下 C v z f y ap x式中系数及指数见表式中系数及指数见表3-2,由表中数据看出：由表中数据看出： z z在在0.30.5之间，之间，y在在0.150.3，x在在0.050.1切削用量切削用量时切削温度时切削温度 ，其中，其中v 对对影响最大，进影响最大，进给量给量 f 的影响比的影响比v 小，背吃刀量小，背吃刀量ap的影响很小。的影响很小。2. 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 （1 1）前角）前角0 0 的影响的影响 0 0 变形程度变形程度F F q 但但0 0 2020时，因散热面积时，因散热面积，对，对的影响减小的影响减小（2 2）主偏角）主偏

19、角r r的影响的影响 r r ，切削宽度，切削宽度aw w ，散热面积散热面积 （3 3）负倒棱和刀尖圆弧半径的影响）负倒棱和刀尖圆弧半径的影响b b1 1 、r r，切屑变形程度切屑变形程度q 同时散热条件改善，两者趋于平衡同时散热条件改善，两者趋于平衡对对影响很小影响很小 3. 工件材料的影响工件材料的影响 强度硬度、塑性和韧性越大，强度硬度、塑性和韧性越大， 切削力越大，切削温度升高。切削力越大，切削温度升高。 导热率大，散热快，温度下降导热率大，散热快，温度下降 4. 刀具磨损的影响刀具磨损的影响 后刀面磨损增大，切削温度升后刀面磨损增大，切削温度升 高高; VB达一定值影响加剧达一定

20、值影响加剧; v越越 高刀磨损对高刀磨损对影响越显著影响越显著 5. 切削液的影响切削液的影响 浇切削液对浇切削液对切削温度切削温度刀具磨损刀具磨损加工质量有明显效果。加工质量有明显效果。 热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著 3.4 3.4 刀具磨损、破损及使用寿命刀具磨损、破损及使用寿命刀具失效形式：刀具失效形式：磨损磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗）（正常工作时逐渐产生的损耗） 破损破损 （突发的破坏，随机的）（突发的破坏，随机的）3.4.1 刀具的磨损形式刀具的磨损形式 1. 前刀面磨损前刀面磨损 切塑性材料，切塑性材料，

21、v 和和ac较大时，较大时， 在前刀面上形成在前刀面上形成月牙洼磨损，月牙洼磨损， 以最大深度以最大深度KT 表示表示 2. 后刀面磨损后刀面磨损 切铸铁或切铸铁或v 和和ac较小切塑性较小切塑性 材料时，主要发生这种磨损。材料时，主要发生这种磨损。后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；边界处表示；边界处磨损严重，以磨损严重，以VN表示。表示。 3. 边界磨损边界磨损 切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已加工表面接切钢料时，主刃、副刃与工件待加工表面或已

22、加工表面接 触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬触处磨出沟纹，称为边界磨损。边界处的加工硬化层、硬 质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。质点、较大的应力梯度和温度梯度所造成。3.4.2 刀具磨损的原因刀具磨损的原因 1. 磨料磨损磨料磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因(HSS刀刀)。 2. 粘结磨损粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原刀具与切屑、工

23、件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原 子间结合而产生粘结现象，又称为子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊冷焊。相对运动使粘。相对运动使粘 接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀工材料硬 度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。度比小亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。 3. 扩散磨损扩散磨损 刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素 在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。在固态下互相扩

24、散，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快；切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快； 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。 4. 化学磨损化学磨损 一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起 化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。 化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削化学磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削 条件下。条件下。 5. 热电磨损热电磨损 切削区高温，在刀工间产生热电势加

25、快扩散加剧刀具磨损。切削区高温，在刀工间产生热电势加快扩散加剧刀具磨损。 3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨损过程及磨钝标准 1. 刀具磨损过程刀具磨损过程 （1 1）初期磨损阶段）初期磨损阶段 与刀具刃磨质量有关与刀具刃磨质量有关 （2）正常磨损阶段正常磨损阶段 VBVB与切削时间近似正比与切削时间近似正比 斜率表示磨损强度斜率表示磨损强度 （3）急剧磨损阶段急剧磨损阶段 切削力、温度急升，刀切削力、温度急升，刀 具磨损加剧，之前换刀具磨损加剧，之前换刀2. 刀具磨损标准刀具磨损标准 刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度刀具磨损到一定限度后就不能继续使用，这个磨损限度 称为磨钝标准。称为磨钝标准。 1）小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝；）小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝； 2）ISO标准规定以标准规定以1/2 ap处的处的VB值作为刀具的磨钝标准；值作为刀具的磨钝标准； 在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。 粗车碳素钢粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁粗车铸铁0.81.2 粗车合金钢粗车合金钢0.40.5 精车碳钢精车碳钢0.10.3 系统刚性大、系统刚性大、HSS ， VB值较大；值较大； 系统刚性小、系统刚性小、Y合金，合金，VB值较