第三章金属切削过程的基本规律

第三章金属切削过程的基本规律第1页，课件共131页，创作于2023年2月金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量，获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损等，这些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动等问题，又都同切削过程中的变形规律有关。因此，研究和掌握切削过程中的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选择切削用量，提高生产效率，工件的加工质量和降低生产成本都有重要的意义。第2页，课件共131页，创作于2023年2月1898年Taylor和White发明高速钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《MetalCutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而增加了八十亿美元的产值。”与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。第3页，课件共131页，创作于2023年2月1907年Taylor在整整工作了26年切除了3万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的基础上，在他经典的论文“OntheArtofCuttingMetal”中提出了著名的刀具耐用度公式，第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有重要的指导意义。有些学者认为金属切削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰第4页，课件共131页，创作于2023年2月第三章金属切削过程的基本规律第一节切削变形与切屑的形成过程第二节切削力第三节切削热与切削温度第四节刀具磨损与寿命第5页，课件共131页，创作于2023年2月第三章金属切削过程的基本规律第一节切削变形与切屑的形成过程

塑性金属受挤压，

随外力F的增加，金属内部应力增加，先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发生滑移，最后产生破裂。研究条件：直角自由切削切削变形的力学本质：切削金属形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。第6页，课件共131页，创作于2023年2月金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45°方向的斜截面内，产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。刀具切削时相当于局部挤压，使金属沿最大剪应力方向产生滑移。CB线以下金属由于母体阻碍，不能沿BC线滑移，而只能沿DA线滑移。以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂第7页，课件共131页，创作于2023年2月一、切削变形区第一变形区：（基本变形区）OA~OM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。主要特征：剪切面的滑移变形第二变形区：切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。第三变形区第二变形区第一变形区第三变形区：工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。造成工件表面的纤维化与加工硬化。该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。第8页，课件共131页，创作于2023年2月1.第Ⅰ变形区:塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了，之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区(Ⅰ)。

第I变形区的金属变形特点：沿滑移线的剪切滑移变形和加工硬化。第9页，课件共131页，创作于2023年2月第一变形区内金属的剪切变形

一般速度范围内Ⅰ区宽度为0.02～.2mm，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑移面第10页，课件共131页，创作于2023年2月剪切角φ:剪切面和切削速度方向的夹角。φ值小，反映剪切变形的程度大实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，剪切角ф较大，剪切面积变小切削比较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角ф较小，则说明切屑变形较大第11页，课件共131页，创作于2023年2月滑移面与作用力方向夹角为45°滑移面与晶格变形伸长方向夹角为ψ第12页，课件共131页，创作于2023年2月2.第Ⅱ变形区

切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形，其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二变形区（Ⅱ）。纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。第13页，课件共131页，创作于2023年2月3.第Ⅲ变形区

第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对已加工表面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。引起变形的主要因素：⑴刀刃都有钝圆半径刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总会有一钝圆半径rn。一般高速钢刃磨后rn为3～10μm，硬质合金刀具磨后约18～32μm，如采用细粒金刚石砂轮磨削，rn最小可达到3～6μm。另外，刀刃切削后就会产生磨损，增加刀刃钝圆。被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除(△a)，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量第14页，课件共131页，创作于2023年2月⑵刀具由于磨损，在后刀面上会产生一无后角的磨损平面(BC)。⑶由于工件材料的弹性恢复(△h)，使已加工表面与后刀面接触变长。纵上所述，金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。第15页，课件共131页，创作于2023年2月

以上对金属切削层在切削过程中三个变形区域变形的特点进行了介绍，如果将这三个区域综合起来，可以看作如图所示过程。当金属切削层进入第一变形区时，金属发生剪切滑移，并且金属纤维化，该切削层接近刀刃时，金属纤维更长并包裹在切削刃周围，最后在O点断裂成两部分，一部分沿前刀面流出成为切屑，另一部分受到刀刃钝圆部分的挤压和摩擦成为已加工表面，表面金属纤维方向平行已加工表面，这层金属具有与基体组织不同的性质。第16页，课件共131页，创作于2023年2月第Ⅰ变形区:剪切滑移变形区

物理现象：产生切屑

第Ⅱ变形区:前刀面挤压摩擦变形区

(与前刀面接触的切屑层内产生的变形区)；

物理现象：产生积屑瘤

第Ⅲ变形区:后刀面挤压摩擦回弹区变形区

（近切削刃处已加工表层内产生的变形区。)

物理现象：产生加工硬化

第17页，课件共131页，创作于2023年2月二、切屑的基本类型

前三种切屑是切削塑性金属时得到的。最常见到的是带状切屑，当切削厚度大时得到节状切屑，单元切屑比较少见。在形成节状切屑的情况下，进一步减小前角，或加大切削厚度，就可以得到单元切屑。切屑的形态是可以随切削条件而转化的。

第18页，课件共131页，创作于2023年2月

（2）节状切屑

又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。

（1）带状切屑

它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。

一、切屑的类型第19页，课件共131页，创作于2023年2月

（4）崩碎切屑

切削脆性金属时，金属层在弹性变形后一般不经过塑性变形突然崩裂形成不规则的碎块状切屑切削厚度越大越易得到这类切屑。

（3）粒状切屑

又称单元切屑。大小较均匀的颗粒状切屑.在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。切削条件：一般采用小前角或负前角，以极低的切削速度和大的切削厚度切削塑性金属时易产生此种切屑。实际生产中很少见。第20页，课件共131页，创作于2023年2月形成条件影响名称简图形态变形带状，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未经塑性变形即被挤裂切削塑性材料，速度高，切削厚度小前角大加工塑性材料，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，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑3.7切屑的类型与控制3.7.1切屑的类型（按切屑的形成机理）节状切屑带状切屑第21页，课件共131页，创作于2023年2月带状切屑节状切屑粒状切屑崩碎切屑切塑性材料：

带状切屑节状切屑粒状切屑切削平稳，力波动小滑移量较大，局部切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难剪应力达断裂强度加工表面粗糙少见↑γ0↑v↓ap↓γ0↓v↑ap↓γ0↓v↑ap↑γ0↑v↓ap第22页，课件共131页，创作于2023年2月三、变形程度的表示方法切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切面上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和加工过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用：切削厚度压缩比Λh相对滑移ε剪切角φ表示。第23页，课件共131页，创作于2023年2月

1.相对滑移ε（纯剪切）滑移距离Δs与单元厚度Δy之比。用来度量第Ⅰ变形区的滑移变形程度。能比较真实地反映出切削变形的程度。第24页，课件共131页，创作于2023年2月2.切削厚度压缩比Λh切削层金属受到挤压而形成的切屑切削层厚度增加，长度缩小，这种现象称为切屑收缩。另外：宽度不变，体积不变。厚度变形系数：切屑厚度hch/切削层厚度hD

长度变形系数：切削层长度LD/切屑长度Lch由体积相等可推出两变形系数相等

Λh越大，表示切屑越厚越短，标志着切屑变形越大。变形系数在一定条件下反映金属的平均挤压程度。第25页，课件共131页，创作于2023年2月切削厚度压缩比ΛhΛh是一个大于1的数，Λh值越大，表示切下的切屑厚度越大，长度越短，其变形也就越大。由于切屑厚度压缩比Λh直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量，故一般常用它来度量切屑的变形。γ0↑，φ

↑→Λh↓ε↓第26页，课件共131页，创作于2023年2月故切削时塑性变形是很大的第27页，课件共131页，创作于2023年2月3.剪切角前刀面摩擦角β：剪切角φ↑→剪切面积↓→变形程度↓→切削力↓φ

=45°

-(β-γ0)结论：γo和φ是影响切削变形的两个主要因素。当γo增大时，φ角随之增大，变形减小。即在保证切削刃强度的条件下，增大前角对改善切削过程是有利的。2.当β增大时，φ角随之减小，变形增大。故仔细研磨刀面、加入切削液以减小前刀面上的摩擦对改善切削过程是有利的。第28页，课件共131页，创作于2023年2月切屑厚度压缩比Λh可直观地反映出切屑变形的程度和状况，且容易测量。但由于它表示的是切削层平均挤压程度，而金属切削过程的实质是切削层的剪切滑移。因此Λh只能粗略地反映出剪切变形的真实情况。第29页，课件共131页，创作于2023年2月四、前刀面上的摩擦特点在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层。内摩擦就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。第30页，课件共131页，创作于2023年2月经研究,在切削塑性金属的过程中,刀一屑间只有在很低的切削速度时才存在峰点型接触；产生的摩擦为外摩擦。而在一般切削速度或切削速度较高时,由于刀屑的压力很大,可达1.96~2.94GPa(2000~3000N/mm2),再加上摄氏几百度的高温,使得切屑底层金属软化，粘嵌在前刀面上成为粘结区,所以刀一屑之间的摩擦主要是内摩擦。当切屑快离开前面时,才由于压力的减小使刀一屑的界面回到峰点型接触的状态。据估计,在一般切削条件下,刀一屑间内摩擦占全部摩擦力的85%.内摩擦力等于金属塑性剪切力，外摩擦力用库伦定律计算。

第31页，课件共131页，创作于2023年2月刀-屑接触区可分两部分：粘接区lf1:剪切滑移，内摩擦滑动区lf2:滑动摩擦，外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的85%切塑性金属时前刀面上应力分布情况→(lf1区切应力τf为常数)第32页，课件共131页，创作于2023年2月Ffi：前刀面上的摩擦力Fni：前刀面上的法向力Afi：粘结面积第33页，课件共131页，创作于2023年2月在生产中常用减小切削力、缩短刀一屑接触长度、降低加工材料屈服强度、选用摩擦系数小的刀具材料、提高刀面刃磨质量和浇注切削液等方法来减小摩擦。第34页，课件共131页，创作于2023年2月五积屑瘤

在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，常有一部分被切工件材料堆积于刀具刃口附近的前刀面上。这层堆积物大体成三角形，质地十分坚硬，其硬度可为工具材料的2倍~3倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行切削。该堆积物称为积屑瘤，俗称刀瘤。反复生长和脱落，脱落后粘附在已加工表面上。顶部凹凸不平，使加工表面粗糙度增加。第35页，课件共131页，创作于2023年2月第36页，课件共131页，创作于2023年2月在a区里形成粒状切屑或节状切屑，这时没有积屑瘤出现。在b区里形成带状切屑。有积屑瘤生成；积屑瘤的高度随着切削速度的提高而增大，同时积屑瘤前端越来越象像楔子，越来越深入地楔入切削层与工件之间。当切削速度增大到b区的右边界时，积屑瘤的高度达到最大值。实验研究表明：加工碳素钢时，切削温度300℃时积屑瘤最高，500℃以上时趋于消失。由于切削温度与切削速度密切相关，因而切削速度与积屑瘤的形成和高度有密切的关系。第37页，课件共131页，创作于2023年2月在c区里，积屑瘤的高度随着切削速度的提高而减小，而且积屑瘤的顶部越趋于与前刀面平行。当v增大到c区右边界之值时，积屑瘤便消失。在d区里积屑瘤不再生成，此时切屑底层高度纤维化，纤维的方向几乎与前刀面平行。这样的切屑底层称为滞流层。

第38页，课件共131页，创作于2023年2月

积屑瘤对切削过程的影响使刀具前角变大，减少变形和力使切削厚度变化,产生过切和犁沟使加工表面粗糙度增大对刀具寿命的影响（两方面）粗加工可用，精加工绝对不要第39页，课件共131页，创作于2023年2月避免积屑瘤产生的常用的方法有：(1)选择低速或高速加工，避开容易产生积屑瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工；

第40页，课件共131页，创作于2023年2月(2)采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等；(3)减小进给量，增大刀具前角，以减小刀—屑接触压力；(4)合理调整切削参数，以防止形成中温区。（5）对于中、低碳钢以及一些有色金属在精加工前应对于它们进行相应的热处理，如正火或调质等，以提高材料的硬度、降低材料的塑性。

第41页，课件共131页，创作于2023年2月六、已加工表面变形和加工硬化

已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，使表层金属产生扭曲、挤紧和破碎，经过严重的塑性变形，使表层硬度升高的现象称为加工硬化。刀刃钝圆半径rn后刀面磨损带VB弹性恢复区CD变形特征：挤压、摩擦与回弹第42页，课件共131页，创作于2023年2月金属进入第一变形区时，晶粒因压缩而变长，因剪切滑移而倾斜。金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，最后在O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，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，称之为加工变质层。第43页，课件共131页，创作于2023年2月钢件表面的硬化深度Δhd和硬化程度N

加

工

方

法平均硬化深度Δhd(μm)平均硬化程度N/(%)高速车削30～50120～150精车20～60140～180钻孔180～200160～170拉削20～75150～200滚(插)齿120～150160～200外圆磨削(未淬火)30～60140～160研磨3～7110～117

加工硬化程度N：已加工表面的显微硬度增加值，对原始显微硬度的百分比。

硬化层深度ΔhD：硬化层深度是指已加工表面至未硬化处的垂直距离ΔhD，单位为μm第44页，课件共131页，创作于2023年2月减轻加工硬化的措施：磨出锋利的切削刃；增大前角和后角减小背吃刀量合理选用切削液第45页，课件共131页，创作于2023年2月七、影响切削变形的因素切削变形的程度主要决定于：工件材料、刀具几何参数、切削用量。1.工件材料

工件材料的机械性能不同，切削变形也不同。材料的强度、硬度增高，正压力Fn增大，平均正应力σav增大，因此，摩擦系数μ下降，剪切角φ增大，切削变形减小，而切削塑性较高的材料，则变形较大。如不锈钢1Cr18Ni9Ti和45钢的强度近似，但前者延伸率大得多，所以切削时的切屑变形比后者大，且易粘刀，不易断屑。第46页，课件共131页，创作于2023年2月工件材料抗弯强度σb/GPa硬度HBS切削厚度（切削层公称厚度）（hD/mm）0.10.140.180.22铜0.216550.780.760.750.7410钢0.3621020.740.730.720.7210Cr钢0.481250.730.720.720.711Cr18Ni9Ti0.6341700.710.700.680.67表3-2几种不同材料在各种切削厚度时的摩擦系数第47页，课件共131页，创作于2023年2月2.刀具的几何参数刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角γo。前角γo越大，摩擦系数μ越大。一般前角越大，切削层的变形越小。这是因为前角增大，虽然摩擦系数、摩擦角也增大，但剪切角也增大，剪切面减小，变形减小。刃倾角的大小因其影响实际工作前角，对切屑变形产生影响。。增大前角γ0，变形系数Λh减小，切削变形减小。切削20Cr钢时

当选用γo=10°，Λh=4.5；

当改用γo=15°，Λh=3.8。第48页，课件共131页，创作于2023年2月第49页，课件共131页，创作于2023年2月3.切削用量1）切削速度Vc：Vc越高，变形系数Λh越小在高速时，由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。在积屑瘤增长的速度范围内,切削速度Vc是通过积屑瘤使剪切角φ改变和通过切削温度使摩擦系数μ变化而影响切削变形的。因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角φ增大、变形系数减小。在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。第50页，课件共131页，创作于2023年2月Vc在3～20m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角φ增大，故变形系数Λh减小。Vc＝20m/min时，Λh值最小。Vc在20～40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使φ减小，Λh增大。Vc超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，使摩擦系数μ下降，故变形系数Λh减小。第51页，课件共131页，创作于2023年2月2）进给量的影响在无积屑瘤的情况下，通过hD和μ来影响切削变形的。当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小。第52页，课件共131页，创作于2023年2月1、减少切削厚度压缩比Λh的主措施有：()A、减小前角B、提高切削速度C、减少切削深度D、增加进刀量2、切屑形成过程中剪切角φ是(）A剪切滑移面与切削速度之间的夹角B切削合力方向与剪切滑移面之间的夹角C切削合力方向与切削速度之间的夹角3、表示塑性金属切削变形程度常用的指标是：()A、剪切角B、切削厚度压缩比C、前刀面与切屑的摩擦系数D、相对滑移4、刀具角度对切削变形影响较大的是：()A、增大前角、减少变形B、增大后角、减少变形C、增大刃倾角、减小变形D、增大主偏角、减少变形5、切削深度对切削变形的影响是：()A、切削深度增大，切削变形明显增大B、切削深度增大，切削变形减小C、切削深度增大，切削变形基本不变D、切削深度增大，切削变形先增加后减小第53页，课件共131页，创作于2023年2月6、积屑瘤对切削过程的影响是：()A、增大前角B、增加切削深度C、增大表面粗糙度D、加剧刀具磨损7、影响积屑瘤形成的主要因素有()A、切削温度B、切削速度C、刀具角度D、切削深度8、防止积屑瘤最主要的两种措施是：()A、加切削液B、减小进给量C、避免中速切削D、增大前角9、如图所示，Fc-Vc曲线的第2段，增大Vc，Fc升高的主要原因是：()A、切削速度提高，摩擦力加大，使切削力增大B、切削速度使温度升高，产生积屑瘤，切削力增大C、切削速度使温度升高，积屑瘤减小，切削力增大D、切削速度提高引起温度升高、积屑瘤增大，摩擦系数增大等综合结果10、硬质合金刀具精加工时采用高速度，其主要目的是：()A、提高刀具耐用度B、降低切削力C、防止机床振动D、防止产生积屑瘤第54页，课件共131页，创作于2023年2月11、如图示，1#刀кr=45°,2#刀кr=75°。其它条件一样，请判断两把刀切削力与切削温度：()A、1#Fc<2#Fc(Fc—主切削力)B、1#Fc>2#Fc(Fc—主切削力)C、1#θ>2#θ(θ—切削温度)D、1#θ<2#θ(θ—切削温度)12、欲保持生产率不变，则：()A、提高aP,降低Vc对节省机床动力最有利B、提高f，降低Vc对节省机床动力最有利C、提高n，降低ap对节省机床动力最有利D、提高n，降低f对节省机床动力最有利13、减少刀具与切屑摩擦系数的主要措施是A低速切削B增大前角C增大进给量D加润滑液E提高切削速度14、前刀面上的摩擦（刀屑间）属：A外摩擦B内摩擦C外摩擦与内摩擦兼有D加切削液时属液体摩擦15、增大切削厚度引起的效应是A增加切削变形B减少切削力C减少单位面积切削力D减小刀具磨损第55页，课件共131页，创作于2023年2月16、增大进给量引起的效应是A增加切削变形B减少切削力C减少单位面积切削力D减小刀具磨损17、高速切削时不易产生积屑瘤的主要原因是：A高速切削切削变形小B高速切削摩擦力小C高速切削切削温度高D高速切削切削力小18、用硬质合金车刀加工碳钢时，以下几种看法哪种比较正确A希望产生积屑瘤，以增大前角，减小切削力B不希望产生积屑瘤，以防产生振动C希望产生积屑瘤，以保护刀刃，减少磨损D不希望产生积屑瘤，以防降低表面加工质量19、高速钢刀具精加工时降低切削速度，其主要目的是A提高刀具耐用度B降低切削力C防止机床振动D防止产生积屑瘤20、形成加工表面硬化最主要的一种原因是A已加工表面弹性回复形成的后刀面摩擦B已加工表面弹性回复形成的后刀面挤压C刃口圆弧对刃前区及已加工表面的摩擦D刃口圆弧对刃前区及已加工表面的挤压第56页，课件共131页，创作于2023年2月21、切削时，增大进给量而保持其他条件不变时，将使：A切削变形减小B切削变形增大C平均摩擦系数增大D平均摩擦系数减小22、切削时增大背吃刀量而保持其他条件不变时，将使：A切削变形减小B切削变形增大C摩擦系数增大D切削力增大23、车削时增大进给量，单位切削力A增大B减小C增大0.75倍D减小0.75倍24、车削时增大背吃刀量，单位切削力A增大B减小C增大0.75倍D不变第57页，课件共131页，创作于2023年2月第58页，课件共131页，创作于2023年2月第二节切削力第59页，课件共131页，创作于2023年2月l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。切削力来源于以下两个方面：1．切削力一、切削力来源、合力与分力第60页，课件共131页，创作于2023年2月切削力的分解第61页，课件共131页，创作于2023年2月各分力的作用主切削力Fc（Fz）：主运动方向上的切削分力。用于计算切削功率、校核机床及工夹具强度和刚度。背向力Fp（径向分力Fy）：垂直于工作平面，过大会引起工艺系统的变形和振动，降低加工质量。机床设计时，用于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。进给力Ff（轴向分力Fx）:沿进给运动方向。是设计机床进给系统的主要依据第62页，课件共131页，创作于2023年2月F2=Fc2+Fp2+Ff2Fp=FDcosκrFf=FDsinκrFD：在基面内合力（推力）；FD2=Fp2+Ff2F2=Fc2+FD2一般情况下，主切削力Fc最大。随着刀具材料、刀具几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料的不同，Fc、Fp、Ff之间的比例可在较大范围内变化。根据实验，当κr=45°、λs=0°、γo=15°时，Fc、Fp、Ff之间有近似关系：Fp=(0.4

0.5)FcFf=(0.3

0.4)FcF=(1.12

1.18)Fc切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公式计算得到。第63页，课件共131页，创作于2023年2月二、切削力的测量及切削力经验公式图用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。1．切削力的测量第64页，课件共131页，创作于2023年2月

生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为

2．切削力实验公式式中KFc、KFf、KFp为切削条件修正系数，xFc、yFc、zFc等为指数，均可在切削用量手册中查到。第65页，课件共131页，创作于2023年2月CFc,CFp,CFf

——与加工条件（工件、刀具材料）有关系数；xFc,xFp,xFf

——切削深度ap

对切削力影响指数；

yFc,yFp,yFf

——进给量f对切削力影响指数；

KFc,KFp,KFf

——考虑不同加工条件（切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素）影响的修正系数。第66页，课件共131页，创作于2023年2月3．单位切削力单位切削层面积上的切削力称为单位切削力，用kc（N／mm2）表示：P49单位切削力kc与进给量f有关，它随着进给量f增加而减小。单位切削力kc不受背吃刀量ap的影响，这是因为背吃刀量改变后，切削力F与切削层面积A以相同的比例随着变化。而进给量f增大，切削层面积A随之增大，而切削力F增大不多。第67页，课件共131页，创作于2023年2月第68页，课件共131页，创作于2023年2月4．切削功率消耗在切削过程中的功率称切削功率Pm，是Fz、Fx所消耗功率之和。Fp方向没有位移，不消耗功率。因Ff相对于Fc所消耗功率来说一般很小(<1％～2％)，可略去不计，因而

(KW)(KW)机床电机功率PE为：

ηm机床传动效率，一般取0.75～0.85。

第69页，课件共131页，创作于2023年2月1）背吃刀量ap和进给量f

切削深度ap和进给量f决定了切削面积的大小。AD=hD*bD=apfap和f的增大都导致切削力增大。但两者的影响程度不同。切削深度加大时，变形系数Λh不变，切削力成正比例增大；而f加大时，Λh有所下降；故切削力不成正比例增大，其影响程度比较小。从以下经验公式中可反映出ap对切削力的影响要比f的影响大。FC=CFcaP

1f0.84

三、影响切削力的因素1．切削用量的影响第70页，课件共131页，创作于2023年2月在车削力的经验公式中，加工各种材料的ap指数xFc≈1，而f的指数yFc=0.75～0.9，即当ap加大一倍时，Fc也增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68%～86%。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。第71页，课件共131页，创作于2023年2月2）切削速度切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。Vc对切削力没有显著影响。第72页，课件共131页，创作于2023年2月加工钢时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。1.在积屑瘤增长阶段

随v

↑→积屑瘤高度↑变形程度↓，F↓

2.在积屑瘤减小阶段

v↑→变形程度↑，F↑3.在无积屑瘤阶段

随v↑，温度升高，摩擦系数↓变形程度↓→F↓

计算F时乘以修正系数Kv或指数nF约为-0.15来体现BUEroeFθ，μ，ξ，t变FA：BUE最大B：BUE消失BABUEroeF第73页，课件共131页，创作于2023年2月第74页，课件共131页，创作于2023年2月结论：切削用量三要素中，对切削力影响最大的是背吃刀量，其次是进给量f

，最后是切削速度第75页，课件共131页，创作于2023年2月2．工件材料的影响工件材料的强度、硬度相近时，塑性越大的材料，发生的塑性变形也越大，所以切削力也越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。

●工件材料的强度、硬度越高，剪切屈服强度τs越大，Fc越大

●强度↑、摩擦系数μ↓，摩擦角β↓，剪切角φ↑,变形系数Λh↓，Fc又有所减少第76页，课件共131页，创作于2023年2月3．刀具几何参数的影响1)前角γo前角γo对切削力的影响最大。加工塑性材料时，γ0↑→φ↑→Λh↓→FC↓加工脆性材料时，切削变形很小，

γ0对F影响不显著γ0＞30°或高速切削时，γ0对F影响不显著第77页，课件共131页，创作于2023年2月第78页，课件共131页，创作于2023年2月2).主偏角(1)当kr加大时，Fp减小，Ff加大。Fp=FDcosκrFf=FDsinκr

(2)当加工塑性金属时，随kr加大，Fc减小；

hD=fsinΚrΚr↑→hD↑→Λh↓

约在kr=60°~75°之间，Fc减到最小；然后随kr继续加大，Fc又有所增大。Fc的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%以内。（3）刃倾角λs对主切削力Fc影响很小(不超过10%)，但对切深抗力Fp、进给抗力Ff影响较显著。第79页，课件共131页，创作于2023年2月kr1Kr’kr2FpFf车削细长轴类零件外圆时，最好采用主偏角为90°的车刀,对否?切削时不宜选用过大的负刃倾角。尤其在加工的工艺系统刚性较差情况下，往往因－λs增大Fp的作用而产生振动。第80页，课件共131页，创作于2023年2月第81页，课件共131页，创作于2023年2月第82页，课件共131页，创作于2023年2月4.其它因素的影响

1）刃倾角：刃倾角变化时，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角λS对主切削力Fc的影响很小，对切深抗力FP影响最大。λS↓

→FP↑，Ff↓第83页，课件共131页，创作于2023年2月第84页，课件共131页，创作于2023年2月

2）刀尖圆弧半径

在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径rε对Fp、Ff的影响较大，对Fc的影响较小。当κr、f、ap一定时，刀尖圆弧半径rε增大，使主偏角Κr减小。

rε↑→Κr↓→Fc↑、FP↑、Ff↓

第85页，课件共131页，创作于2023年2月第86页，课件共131页，创作于2023年2月3）负倒棱的影响为提高刀具刃口区的强度（硬质合金刀具），常在靠近刀刃前刀面上一定宽度的负倒棱（γ01=0°～﹣30°）。虽然提高了刀具的使用寿命，但降低了刀刃的锋利程度，使切削变形增大，导致切削力增大。负倒棱是通过它的宽度bγ对进给量f的比值（bγ/f）来影响切削力的。当bγ/f增大时，Fc、FP、Ff都将增大。其中对Ff影响最大，FP次之，Fc最小。bγ/f↑→Ff↑，FP↑，Fc↑第2章

金属切削原理与刀具第87页，课件共131页，创作于2023年2月bγ1与f之比增大,切削力随之增大。当切钢bγ1/f≥5或切铸铁bγ1/f≥3时，切屑从前面流出时，刀-屑接触长度Lf>>f。但：bγ1<f时，正前角γ0仍起作用；bγ1>f时，正前角γ0不起作用，而是负倒棱。切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。第88页，课件共131页，创作于2023年2月第89页，课件共131页，创作于2023年2月4）.刀具磨损的影响主要反映为后刀面磨损对切削力的影响。当刀具的后刀面磨损后，则形成一个后角为零、高度为一定宽度（VB值）的小棱面，使作用在后刀面上的法应力FαN和摩擦力Fα增大，从而导致切削力增大。VB↑→FαN↑、Fα↑→Fc↑、FP↑、Ff↑VB对背向力Fp影响最显著第2章

金属切削原理与刀具第90页，课件共131页，创作于2023年2月第2章

金属切削原理与刀具第91页，课件共131页，创作于2023年2月5）

切削液：以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力。6）刀具材料：刀具材料不是影响切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一些影响。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。各种因素中材料、刀具前角、主偏角对切削力影响的修正系数P52表3-2第92页，课件共131页，创作于2023年2月用硬质合金YT15车刀车外圆，加工材料为45钢(σb=598MPa)已知条件为：刀具几何参数：γ0=150，α0=80，κr=750

λs=-50,rε=1.0mm切削用量：vc=100m/min,f=0.4mm/r,ap=4mm所用机床：CA6140要求：计算出切削力Fc和切削功率Pc五、切削力的计算举例第93页，课件共131页，创作于2023年2月

解：查表3-1得：查表3-2得：查表3-2得：总修正系数：切削力：切削功率：第94页，课件共131页，创作于2023年2月一、切削热的来源与传散切削热的来源主要有两个方面，一个是切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦所消耗的摩擦功，这是切削热的主要来源。另一个是切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形所消耗的变形功。与此相对应，切削热产生在三个区域，即剪切面、切屑与前刀面接触区、工件与后刀面接触区。第三节切削热与切削温度Q=FcVc

第95页，课件共131页，创作于2023年2月切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。传导途径干车削钻削切屑50%～86%28%工件9%～3%52%刀具40%～10%15%周围介质1%5%第96页，课件共131页，创作于2023年2月Q屑Q刀Q工Q介车削50%~86%10%~40%3%~9%1%钻削28%14.5%52.5%5%第97页，课件共131页，创作于2023年2月二、切削温度测定原理与切削温度分布1.切削温度的测定原理1)自然热电偶法利用刀具和工件材料化学成分的不同构成热电偶，组成热电回路测量切削温度的方法。回路中形成了温差电动势，利用电位计或毫伏表可以将其数值记录下来。再根据事先标定的热电偶热电势与温度的关系曲线(标定曲线)，便可以查出刀具与工件接触区的切削温度值。用自然热电偶法测到的切削温度是切削区的平均温度。第98页，课件共131页，创作于2023年2月3.3.2切削温度及其分布和测量第99页，课件共131页，创作于2023年2月2)人工热电偶法人工热电偶法是将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件上预定要测量温度的点上，冷端通过导线串接电位计或毫伏表。根据表上的读数值和热电偶标定曲线，可获得焊接点上的温度。应用人工热电偶法，只能测得距前刀面有一定距离处某点的温度，3.3.2切削温度及其分布和测量第100页，课件共131页，创作于2023年2月3.3.2切削温度及其分布和测量第101页，课件共131页，创作于2023年2月2.切削温度分布第102页，课件共131页，创作于2023年2月2.切削温度的分布(温度场)温度场是指工件、切屑和刀具上各点的温度分布。3.3.2切削温度及其分布和测量第103页，课件共131页，创作于2023年2月第104页，课件共131页，创作于2023年2月三、影响切削温度的主要因素1.切削用量（1）切削速度对切削温度有显著的影响。切屑底层与前刀面产生的切削热，由于切削速度很高，在很短的时间内来不及向切屑内部传导，而大量积聚在切屑底层，使切削温度显著升高。另外，伴随着切削速度的提高，消耗的功增大，切削热也会增大，故使切削温度上升。（2）进给量f对切削温度也有一定的影响。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。因进给量f增大切削变形增加少，且增加了刀屑接触面积。第105页，课件共131页，创作于2023年2月（3）切削深度ap对切削温度的影响很小。因为切削深度ap增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上分析可知，为有效控制切削温度以提高刀具寿命，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。第106页，课件共131页，创作于2023年2月2.工件材料工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的切削热多，故切削温度高。工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系数小于45钢（约为45钢的1/3）切削温度比45钢高40%。切削脆性金属材料时，塑性变形小，切屑呈崩碎状态，与前刀面的摩擦小，故产生的切削热少，切削实验结果表明，切灰铸铁HT200时的切削温度比切45钢大约低25%。第107页，课件共131页，创作于2023年2月3.刀具几何参数

1）前角γo

前角的大小直接影响切削过程中的变形和摩擦，对切削温度有明显影响。前角大，切削温度低；前角小，切削温度高。当前角达18o～20o后，对切削温度影响减小，这是因为楔角变小使散热体积减小的缘故。

第108页，课件共131页，创作于2023年2月2）主偏角主偏角加大后，切削刃的工作长度缩短，切削热相对地集中；但刀尖角减小，使散热条件变差，切削温度将上升。4.切削液第109页，课件共131页，创作于2023年2月第四节刀具磨损和刀具寿命

一、刀具磨损切削时，刀具的前刀面与切屑、后刀面与工件常常相互挤压和剧烈摩擦，产生很高的温度。因此磨损发生在刀具的前刀面和后刀面上，前刀面磨损形成月牙洼，后刀面磨损形成磨损带，通常前、后刀面的磨损是同时发生，相互影响的。第110页，课件共131页，创作于2023年2月（一）刀具磨损的形式刀具失效的形式有正常磨损和非正常磨损两类。1.正常磨损正常磨损是指随着切削时间增加，磨损逐渐扩大的磨损。（1）前刀面磨损(月牙洼磨损)常发生于加工塑性金属时，切削速度较高和切削厚度较大的情况下，切屑在刀具的前刀面上磨出一个月牙形凹坑，习惯上称之为月牙洼。月牙洼处即切削温度最高点。第111页，课件共131页，创作于2023年2月2.主后刀面磨损

刀尖磨损区C区温度高

中间磨损区B区

边界磨损区N区硬化、氧化

3.副后刀面磨损

副偏角和副后角偏小，摩擦大第112页，课件共131页，创作于2023年2月2.非正常磨损P54图在生产中，常会出现刀具突然崩刃、卷刃或刀片碎裂的现象，被称为非正常磨损。1）塑性破损切削时，刀具由于高温高压的作用，使刀具前、后刀面的材料发生塑性变形，刀具丧失切削能力，这种破损称为塑性破损。与硬度比有关.硬质合金不易产生.2）脆性破损在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB≤0.1mm），但刀具切削部分却出现了刀刃微崩或刀尖崩碎、刀片或刀具折断、表层剥落、热裂纹等现象，使刀具不能继续工作，这种破损称为脆性破损。硬质合金易产生.第113页，课件共131页，创作于2023年2月（二）刀具磨损的形式1.磨损过程曲线1)初期磨损阶段该阶段磨损曲线的斜率较大，这意味着刀具磨损很快。第114页，课件共131页，创作于2023年2月3.4.3刀具磨损过程及磨钝标准2)正常磨损阶段经过初期磨损后，刀具的后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小。同时刀具的表面已经被磨平，磨损量的增加减缓并稳定下来，刀具进入正常磨损阶段。第115页，课件共1