中科大金属切削原理与刀具基础课件02切削过程及控制

第二章切削过程及控制刀具与切削原理第二章切削过程及控制1.金属切削层的变形

2.切屑的类型及控制

3.切削力

4.切削热和切削温度

5.刀具磨损及耐用度2.1金属切削层的变形塑性金属受挤压

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，最后产生破裂金属切削

DB以上为切削层，与金属挤压试验相似，切削层受刀具挤压后也产生弹性变形和塑性变形，沿DA滑移，当其与母体金属分离时，形成切屑2.1金属切削层的变形2切屑的形成

被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过剪切滑移变形便形成了切屑在切削过程中，被切金属层在前刀面的推动作用下产生剪应力，当剪应力达到并超过工作材料的屈服极限时，被切金属层将沿着某一方向产生剪切滑移变形而逐渐累积在前刀面上，随着切削运动的进行，这层累积物将连续不断的沿前刀面流出，从而形成了被切除的切屑金属切削加工中的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面质量等，都是以切屑形成过程为基础的生产实际中出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、振动、卷屑与断屑等，都同切削过程中的变形规律有关2.1金属切削层的变形3金属切削层的三个变形区第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成第二变形区切屑沿刀具前面排出时，进一步受到前面的挤压和摩擦，使靠近前面处的金属纤维化，其方向基本上和前面相平行第三变形区已加工面受到切削刃钝圆部分与刀具后面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力比较集中而复杂，金属的被切削层就在此处与工件母体材料分离，大部分变成切屑，很小的一部分留在已加工表面上2.1金属切削层的变形4第一变形区内金属的剪切变形主要特征沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化工件原材料的晶粒AB变成A’B’受到切应力时，晶格内的晶面就发生滑移，就是剪切面方向晶粒伸长方向即金属纤维化的方向A”B”纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角ψ2.1金属切削层的变形5第一变形区内金属的剪切变形晶粒伸长方向即金属纤维化的方向纤维化方向与剪切面方向不重合，夹角ψ剪切面在一般切削速度范围内，宽度仅约0.2~0.02mm，OM剪切角剪切面和切削速度方向的夹角φ塑性金属的切削过程模拟示意图2.1金属切削层的变形6表示切屑变形程度的方法剪切角φ

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，φ较大，剪切面积变小，切削比较省力，说明切屑变形较小。须用某种方法获得切屑根部图片变形系数ξ

切屑厚度与切削层厚度之比ξa

切削层长度与切屑长度之比ξL2.1金属切削层的变形7第二变形区的变形和摩擦沿前刀面的挤压和摩擦而进一步加剧变形使切屑底层靠近前刀面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上切屑弯曲由摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触温度升高400~1000℃，压力2~3GPa反过来对第一变形区的剪切滑移将加剧所以，研究第一变形区的变形，不能不考虑前刀面的摩擦及其对剪切角φ的影响剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系

Φ+β-γ0=π/42.1金属切削层的变形8剪切角φ与前刀面摩擦角β的关系

Φ+β-γ0=π/4或

Φ=π/4－(β-γ0)=π/4－ωω

合力与切削速度方向的夹角，作用角在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角对改善切削过程是有利的提高刀具的刃磨质量，施加切削液以减小前刀面上的摩擦对切削有利2.1金属切削层的变形9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，其硬度可为工程材料的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。其形成过程就是切削滞流层在前刀面上逐步堆积和长高的过程实际前角增大，可使切削力减小增大切削厚度，可能引起振动使加工表面粗糙度增大刀具寿命防止积屑瘤的主要方法：降低切削速度采用高速切削采用润滑性能好的切削液，减小摩擦增加刀具前角适当提高工件材料硬度2.2切屑的类型及控制切屑的类型（按切屑形成机理）带状切屑

内表面是光滑的，外表面是毛茸的，加工塑性金属材料，切削层公称厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时常得到。挤裂切屑

外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹，大多在切削速度较低，切削层公称厚度较大，刀具前角较小时产生单元切屑

若在挤裂切屑的剪切面上，裂纹扩展到整个面上，则整个单元被切离，成为梯形的单元切屑崩碎切屑

在切削脆性金属如铸铁、黄铜等时，切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，从而使切屑呈不规则的颗粒状若改变挤裂切屑的条件：进一步增大前角，提高切削速度，减小切削层公称厚度，即可得到带状切屑；反之，则可得到单元切屑

崩碎切屑的切削过程很不稳定，已加工面也很粗糙，改进方法是减小切削层公称厚度，使切屑成针状和片状；同时提高切削速度，增加工件材料塑性2.2切屑的类型及控制2国际标准化组织的切屑分类法2.2切屑的类型及控制3切屑的控制采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使形成“可接受”的良好屑形“不可接受”的切屑拉伤工件的已加工表面，使表面粗糙度恶化划伤机床，卡在机床运动副之间造成刀具的早期破损甚至影响操作者的安全衡量切屑可控性的主要标准不妨碍正常的加工不影响操作者的安全易于清理、存放和搬运切屑控制措施前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑槽可转位刀具2.2切屑的类型及控制5切屑的类型（按外形，影响切屑处理和运输）带状屑高速切削塑性金属，一般应力求避免C形屑

车削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时易得，较好长紧卷屑

普通车床上较好发条状卷屑

重型机床上较好宝塔状卷屑

自动机或自动线上较好螺卷屑

车削脆性材料较好崩碎屑

2.3切削力

切削力

切削加工时刀具使切削层形成切屑需要克服的阻力

切削时刀具需克服来自工件和切屑两方面的力，即工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力，以及切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力2.3切削力2

切削合力

Fr=√Fz*Fz+FN*FN=√Fz*Fz+Fy*Fy+Fx*Fx

Fx=FNsinκγ

Fy=FNcosκγ切削分力主切削力Fz切于过渡表面并与基面垂直切削力或切向力进给抗力Fx处于基面内并与工件轴线平行进给力或轴向力切深抗力Fy

处于基面内并与工件轴线垂直背向力、径向力、吃刀力

切削功率2.3切削力3影响切削力的因素

切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素。切削力的计算

切削力可运用理论公式和经验公式进行估量。车削时的切削力及切削功率计算2.4切削热和切削温度切削热的产生和导出

切削加工时，切削力使切削层金属发生弹性变形和塑性变形需要做功，这是切削热的一个主要来源。此外，切屑与前刀面间的摩擦以及工件与后刀面间的摩擦所做的摩擦功，这是产生切削热的又一个源泉三个发热区与三个变形区相对应：剪切面切屑与前刀面接触区后刀面与过渡表面接触区

如果假定主运动所消耗的功全部转化为热能，则单位时间内产生的切削热：

Q=Fzν

Q—每秒钟内产生的切削热

Fz—主切削力

ν—切削速度2.4切削热和切削温度2影响切削温度的因素工程材料的力学物理性能、切削用量、刀具几何参数、冷却条件等切削用量切削速度、进给量、切削深度图3-21刀具几何参数前角、主偏角图3-22、23工程材料硬度和强度、导热系数、抗拉强度和延伸率图3-24刀具磨损图3-252.4切削热和切削温度3切削温度的分布刀具前刀面温度较高其次是切屑底层工件表面温度最低各点处温度不等最高温度在前刀面上离切削刃一定距离处2.5刀具磨损及耐用度

刀具磨损形式前刀面磨损切削塑性材料时产生连续切屑与前刀面发生剧烈摩擦而引起月牙洼磨损后刀面磨损无论切削塑性或脆性材料，后刀面总会磨损前后刀面同时磨损或边界磨损切削塑性金属时经常发生2.5刀具磨损及耐用度2刀具磨损过程初期磨损阶段AB段正常磨损阶段BC段急