第二章 切削过程及控制.ppt

1、2.1 金属切削基本知识,金属切削加工要切除工件上多余的金属，形成已加工表面，必须具备两个基本条件：切削运动(造型运动)和刀具(几何形态)。造型运动的复杂程度将影响机床的结构。刀具的复杂程度将影响刀具刃磨制造的难易程度，同时也会促进刀具材料、刀具制造工艺的发展。,金属切削加工的目的： 使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。,2.1.1金属切削加工的基本概念,1. 切削运动,切削运动和加工表面,（1） 主运动,由机床或人力提供的刀具与工件之间 主要的相对运动，它使刀具切削刃及 其邻近的刀具表面切入工件材料，使 被切削层转变为切屑, 从而形成工件 的新表面。在切削运动

2、中，主运动速 度最高、耗功最大，是切下切屑所必 须的基本运动。,主运动方向,切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。,切削速度vc,切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。,计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定,式中： d-工件或刀具的最大直径（mm） n-工件或刀具的转速(r/s),(m/s),刀具与工件之间附加的相对运动, 它配合主运动依次地或连续不断地切 除切屑, 从而形成具有所需几何特性的 已加工表面。 进给运动可由刀具完成(如车削)， 也可由工件完成（(如铣削），可以是 间歇的（如刨削）, 也可以是连续的 （如车削）。,（2）

3、 进给运动,进给运动方向,切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。,进给速度vf,切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。,主运动和进给 运动合成的运动称 为合成切削运动。,（3）合成切削运动,图2.1各种切削加工的切削运动,切削刃相对于工件的运动过程, 就是表面形成过程。 在这个过程中, 切削刃相对于工件的运动轨迹面就是工件上的加工表面和已加工表面。 有两个要素，一是切削刃, 二是切削运动。 不同的切削运动的组合,即可形成各种工件表面。,2切削加工过程中的工件表面,车削加工是一种最常见的、典型的切削加工方法。车削加工过程中工件上有三个不断变化着的表面（图2-2）。,（1）待加工表面,工

4、件上待切除的表面。,（2）已加工表面,工件上经刀具切削后产生的新表面。,（3）过渡表面,工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。,3、切削要素,切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。,（1）切削用量要素,切削速度,对切削运动定量描述的重要指标之一。外圆车削的切削速度为 vc =dwn/1000,工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mmr（或mm双行程）。,式中： 为进给速度 为每齿进给量,进给量,对于多齿的旋转刀具(如铣刀、切齿刀)，常用每齿进给量 fz，单位为mm/z或

5、mm/齿。,车削时进给速度vf可由下式计算：vf =fn,铣削时进给速度为：vf =fn = zfzn,合成切削速度ve可表达为：ve=vc+vf,它与进给量 f 的关系为： f = z fz,式中: -工件上待加工表面直径（mm） -工件上已加工表面直径（mm）,背吃刀量ap (mm),vc、f、ap 构成了普通外圆车削的切削用量三要素。,材料切除率，用Qz表示,三要素的乘积作为衡量指标，单位为mm3/min， Qz=1000vc fap,（2）切削层参数,切削层是指在切削过程中，由刀具在切削部分的一个单一动作（或指切削部分切过工件的一个单程，或指只产生一圈过渡表面的动作）所切除的工件材料层

6、（图23）。,切削层公称厚度hD,垂直于正在加工的表面（过渡表面）度量的切削层参数。 hDfsinKr,切削层公称宽度bD,平行于正在加工的表面（过渡表面）度量的切 层参数。 bDapsinKr,图23 车削时的切削层尺寸,垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。,切削层公称厚度,沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。,切削层公称宽度,切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。,切削层公称横截面积,2.1.2刀具角度,（一）刀具结构,由工作部分和非工作部分构成。,不论刀具结构如何复杂，就其单

7、刀齿切削部分，都可以看成由外圆车刀的切削部分演变而来，本节以外圆车刀为例来介绍其几何参数。,（1)前刀面A 切屑流过的刀面。,1.刀 面,（2)主后刀面A 与工件正在被切削加工的表面（过渡 表面）相对的刀面。,（3)副后刀面A 与工件已切削加工的表面相对的刀面。,刀具切削部分的基本定义,图24,图24 车 刀 的 结 构,2.刀刃,（1）主切削刃S 前刀面与主后刀面在空间的交线。,（2）副切削刃S 前刀面与副后刀面在空间的交线。,3刀尖,三个刀面在空间的交点，也可理解为主、副切削刃二条刀刃汇交的一小段切削刃。 在实际应用中，为增加刀尖的强度与耐磨性，一般在刀尖处磨出直线或圆弧形的过渡刃。,刀具

8、角度是为刀具设计、制造、刃磨和测量时所使用的几何参数，它们是确定刀具切削部分几何形状（各表面空间位置）的重要参数。 用于定义和规定刀具角度的各基准坐标面称为参考系; 参考系可分为刀具静止参考系和刀具工作参考系两类。,（二）定义刀具角度的参考系,在设计、制造、刃磨和测量时，用于定义刀具几何参数的参考系称为刀具静止参考系或标注角度参考系。,1刀具静止参考系,在该参考系中定义的角度称为刀具的标注角度。,静止参考系中最常用的刀具标注角度参考系是正交平面参考系,其它参考系有法平面参考系、假定工作平面参考系等。,1）基面 Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。,图2-5 车刀主剖面坐标系,2）切

9、削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。,3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。,2.正交平面参考系,图 刀具角度动画演示,图 正交平面参考系,1）主偏角r 在基面内测量，是主切削刃在基面上投影与假定进给方向的夹角。,（1）基面中测量的刀具角度,（三）刀具的标注角度,2）副偏角r r在基面内测量，是副切削刃在基面上的投影与假定进给反方向的夹角。,3）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径r描述，当r=0时为尖角过渡，r0时为圆角过渡，直线过渡时用 和 b参数描述。,1）前角o 在主剖面内测量，是前刀面

10、与基面的夹角。通过选定点的基面位于刀头实体之外时o定为正值；位于刀头实体之内时o定为负值。,（2）正交平面中测量的刀具角度,2）后角o 后角o在主剖面内测量，是主后刀面与切削平面的夹角。,1）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之为负。,s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。,（3）切削平面中测量的刀具角度,图26 车刀的主要角度,（四）刀具工作角度,刀具在工作参考系中确定的角度称为刀具工作角度。 研究刀具工作角度的变化趋势，对刀具的设计、改进、革新有重要的指导意义。

11、,1刀具工作参考系的建立,与静态系统中正交平面参考系建立的定义和程序相似，不同点就在于它以合成切削运动e或刀具安装位置条件来确定工作参考系的基面pre。 由于工作基面的变化，将带来工作切削平面pse的变化，从而导致工作前角oe、工作后角oe 的变化。,刀具工作参考系的组成,（1）工作基面pre,通过切削刃上的考查点，垂直于合成切削运动速度方向的平面。,（2）工作切削平面pse,通过切削刃上的考查点，与切削刃相切且垂直于工作基面的平面。,（3）工作正交平面poe,通过切削刃上的考查点，同时垂直于工作基面、工作切削平面的平面。,2刀具工作角度的分析,在工作正交平面参考系中，一般考核刀具工作角度(o

12、e 、oe 、re、re、oe 、se)的变化，对刀具角度设计补偿量以及对切削加工过程的影响情况。,在车削(切断、车螺纹、车丝杠)、镗孔、铣削等加工中，通常因刀具工作角度的变化，对工件已加工表面质量或切削性能造成不利影响。,1）横向进给运动对工作前、后角的影响（图）,（1）进给运动对工作前、后角的影响,2）轴向进给运动对工作前、后角的影响,轴向进给车外圆时，合成切削运动产生的加工轨迹是阿基米德螺旋线，从而使工作前角oe增大、工作后角oe 减小(图2-10) 。,式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。,（2-1）,（2-3）,（1）进给运动对工作前、后角的影响,在进给剖面，有：,将其换算

13、到主剖面内得到：,在主剖面内：,（2-4）,用刃倾角s=0车刀车削外圆时，由于车刀的刀尖高于工件中心，使其基面和切削平面的位置发生变化，工作前角oe增大，而工作后角oe减小。 若切削刃低于工件中心，则工作角度的变化情况正好相反。 加工内表面时，情况与加工外表面相反。,（2）刀具安装位置对刀具工作角度的影响,1)刀尖安装高低对工作前、后角的影响,图212,刀具安装对工作角度的影响,图2-12 车刀安装高度对工作角度的影响,当刀杆中心线与进给运动方向不垂直且逆时针转动G角时，工作主偏角将增大，工作副偏角将减小。如图所示。,2）刀杆安装偏斜对工作主、副偏角的影响,1. 麻花钻,主要用于孔的粗加工，I

14、T11级以下；表面粗糙度Ra25m 6. 3 m 。,1）麻花钻的构造,图2.14,2）麻花钻的主要几何参数,（1）螺旋角,指钻头最外缘处螺旋线的切线与钻头轴线的夹角。,2.1.3 常用刀具刀具结构与几何角度,工作部分(刀体)的前端为切削部分，承担主要的切削工作，后端为导向部分，起引导钻头的作用，也是切削部分的后备部分。 工作部分有两个对称 的刃瓣 、两条对称 的螺旋槽;导向部分 磨有两条棱边。,螺旋角对切削过程的影响,f,轴向力和扭矩,切削轻快,切削刃强度和散热条件,刀具寿命,螺旋角的大小不仅影响排屑情况，而且它就是钻头的轴向前角。,标准麻花钻的螺旋角=18 30。 黄铜、软青铜： =10

15、17 轻合金、紫铜： =35 40 高强度钢、铸铁:=10 15,（2）顶角2,指两主切削刃在与它们平行的平面上投影的夹角 。（图2.14b）,螺旋角对切削过程的影响,2,主切削刃长度,单位切削刃上的负荷及轴向力,钻尖强度,有利于散热，提高钻头耐用度,而扭矩,（3）前角o,是在正交平面内测量的前刀面与基面间的夹角 。（图2.15）,由于钻头的前刀面是螺旋面，且各点处的基面和正交平面位置亦不相同，故主切削刃上各处的前角也是不相同的，由外缘向中心逐渐减小。在图样上，钻头的前角不予标注，而用螺旋角表示。,图2.15 麻花钻的几何角度,（4）后角f,是在假定工作平面内测量的切削平面与主后刀面之间的夹角

16、 。（图2.15）,为改善切削条件，并能与切削刃上变化的前角相适应，而使各点的楔角大致相等，麻花钻的后角刃磨时应由外缘向中心逐渐增大。,（5）横刃角度,横刃角度包括横刃斜角、横刃前角o、和横刃后角 o。（图2.16）,由于横刃前角为负值，因此横刃的切削条件很差，切削时因产生强烈的挤压而产生很大的轴向力。 对于直径较大的麻花钻，一般都需要修磨横刃。,图216 横刃切削角度,中心钻用于加工轴类工件的中心孔。钻孔时，先打中心孔，也有利于钻头的导向，可防止孔的偏斜。,深孔钻是专门用于钻削深孔的钻头。为解决深孔加工中的断屑、排屑、冷却润滑和导向等问题，人们先后开发了外排屑深孔钻、内排屑深孔钻、喷吸钻和套

17、料钻等多种深孔钻。,4.铣 刀,主要用于平面、台阶、沟槽和各种成形面的加工 。（图）,图 铣刀种类,1. 铣刀的几何角度,1）圆柱铣刀的几何角度,图218,前 角,为了便于制造，规定圆柱铣刀的前角用法平面前角n表示。,铣削钢件： o=10 20 铣削铸铁件： o=5 15,图218 圆柱铣刀的几何角度,后 角,圆柱铣刀的后角是用正交平面后角o表示。（图） 粗加工： o 12 精加工： o 16,螺旋角,圆柱铣刀的螺旋角就是其刃倾角它能使切削刃逐渐切入和切离工件，而且同时工作齿数较多，故能提高铣削过程的平稳性。 粗齿铣刀： 40 60 细齿铣刀： 30 35,2）端铣刀的几何角度,端铣刀的每个刀

18、齿类似车刀，有主、副切削刃和过渡刃。在正交平面系内端铣刀的标注角度有：o、o、kr、kr和s。,图219 端铣刀的几何角度,2. 硬质合金端铣刀,(1)硬质合金机夹重磨式端铣刀 刚性好,目前应用较多 (2)硬质合金可转位端铣刀 可直接更换刀片, 铣削效率高 加工质量好 成本低,3. 铣削方式及合理选用,铣削方式是指铣削时铣刀相对于工件的运动和位置关系。不同的铣削方式对刀具的耐用度、工件的加工表面粗糙度、铣削过程的平稳性及切削加工的生产率等都有很大的影响。,（1）圆周铣削法（周铣法）,周铣法有两种铣削方式：逆铣法和顺铣法。,图228 逆铣与顺铣 （a）逆铣 （b）顺铣,逆铣切削动画,顺铣切削动画

19、,1） 逆 铣,逆铣时，刀齿的切削厚度从ac=0至acmax。当ac=0时，刀齿在工件表面上挤压和摩擦，刀齿较易磨损。同时，工件表面受到较大的挤压应力，冷硬现象严重，更加剧刀齿磨损，并影响已加工表面质量。此外，逆铣时刀齿作用于工件上的垂直进给力FfN朝上有挑起工件的趋势，这就要求工件装夹紧固。但是逆铣时刀齿是从切削层内部开始工作的，当工件表面有硬皮时，对刀齿没有直接影响；同时作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相反，使铣床工作台进给机构中的丝杠螺母始终保持良好的右侧面接触，因此进给速度比较平稳。 （图）,铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相反。图228,2） 顺 铣,顺铣时，刀齿的切削厚度

20、从acmax 到ac=0 。容易切下切削层，刀齿磨损较少，已加工表面质量较高。顺铣法可提高刀具耐用度23倍。但在顺铣过程中，作用于工件上的进给力Ff与其进给方向相同，此时如果铣床工作台下面的传动丝杠与螺母之间的间隙较大，则力Ff有可能使工作台连同丝杠一起沿进给方向移动，导致丝杠与螺母之间的间隙转移到另一侧面上去，引起进给速度时快时慢，影响工件表面粗糙度，有时甚至会因进给量突然增加很多而损坏铣刀刀齿。因此，采用顺铣法加工时，要求铣床的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置。此外，用顺铣法加工时，要求工件表面没有硬皮，否则铣刀很易磨损。 （图）,铣刀旋转切入工件的方向与工件的进给方向相同。（图）,一般

21、情况下，尤其是粗加工或是加工有硬皮的毛坯时，多采用逆铣。 精加工时，加工余量小，铣削力小，不易引起工作台窜动，可采用顺铣。,（2）端面铣削法（端铣法）,1） 对称铣削,刀齿切入工件与切出工件的切削厚度ac相同者称为对称铣削。（图a）,对称铣削方式具有最大的平均切削厚度，可避免铣刀切入时对工件表面的挤压、滑行，铣刀耐用度高。在精铣机床导轨面时，可保证刀齿在加工表面冷硬层下铣削，能获得较高的表面质量。,2） 不对称铣削,刀齿切入时的切削厚度小于或大于切出时的切削厚度者称为不对称铣削。（图b、c）,不对称逆铣切削平稳，切入时切削厚度小，减小了冲击，从而可使刀具耐用度和加工表面质量得到提高，适合于加工

22、碳钢及低碳合金钢。 不对称顺铣时，刀齿切出工件时，切削厚度较小，适于切削强度低，塑性大的材料（如不锈钢、耐热钢等）。,图 端面铣削方式,2.2刀具材料,刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。 因此，金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能。,金属切削过程中的加工质量、加工效率、加工成本， 在很大程度上取决于刀具材料的合理选择。因此，材料、 结构和几何形状是构成刀具切削性能评估的三要素。,2.2.1刀具材料应具备的性能,（1）高的硬度和耐磨性；一般要求HRC60以上,（2）足够的强度和韧性；,（3）

23、高的耐热性与化学稳定性；,（4）有锻造、焊接、热处理、磨削加工等良好的工艺性；,（5）导热性好，有利于切削热传导，降低切削区温度，延 长刀具寿命，便于刀具的制造，资源丰富，价格低廉。,第二章 制造工艺装备,2.2.2 常用刀具材料,工具钢,硬质合金,高速钢,超硬刀具材料,图 刀具切削照片,1高速钢,它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。 热处理后硬度可达6266HRC, 抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性 、耐磨性 、耐热性。切削温度在500650时仍能进行切削。 由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和

24、拉刀等。,按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。 按制造工艺可分为: 熔炼高速钢、粉末冶金高速 钢和表面涂层高速钢。 按基本化学成份可分为: 钨系和钼系。,（1）高速钢的分类,（2）常用高速钢的牌号与性能,通用型高速钢 W18Cr4V(18-4-1)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。 高性能高速钢 高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42、5O1。 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化

25、熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸（滚刀、插齿刀）刀具、复杂成形刀具、拉刀等。 高速钢的主要物理力学性能见表2-1(15页)。,硬质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造； 硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等)和金属粘结剂(Co、Mo、Ni等)用粉末冶金工艺制成。 硬质合金刀具常温硬度为8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000C。 硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍 。,2硬质合金,常用硬质合金的牌号

26、及其性能,（1）钨钴类硬质合金 代号为YG，属K类。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG（K）类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。,（2）钨钛钴类硬质合金 代号为YT，属P类。它以WC为基体, 添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于切削切屑一般呈带状的普通碳素钢及合金钢等塑性材料。,（3）钨钛钽（铌）类硬质合金 代号为YW，属M类。加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化

27、能力、耐磨性和高温硬度等。它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。,常用硬质合金的牌号与性能见表2-2(18页)。,3涂层刀具材料,（1）TiC涂层,硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。,（2）TiN涂层,在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。,在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料等, 涂层厚度随刀具材料不同而异。,（3）TiCTiN复合涂层,第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂T

28、iN,减少表面层与工件间的摩擦。,（4）TiC-Al203复合涂层,第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。,目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。,4其它刀具材料,（1）陶瓷刀具材料,以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。 其优点是硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强； 其缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制； 可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加

29、工。,（2）金刚石刀具材料,碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。 由于硬度极高，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤，可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料。 也可用于加工高硬度的非金属材料，如石材、压缩木材、玻璃等，还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。 缺点是热稳定性差，强度低、脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。,（3）立方氮化硼,立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。 它有很高

30、的硬度及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。 因此可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。,应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料或精密加工时，才考虑选用超硬材料。,在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。,研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论, 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率

31、、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。,2.3 金属切削过程物理现象及规律,2.3.1 金属切削过程,一、切屑的形成过程,1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 。,切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变形过程。,正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力方向与作用力方向约成45,偏挤压：金属材料一部分受挤压时，OB线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移,切削：与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，

32、沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,图2-20 金属挤压与切削比较,2切屑形成过程模型,图 切屑形成过程模型,动画,3.切削变形区的划分,根据实验时的切削层变形图片可绘制如图2-21所示的切削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。,图221 金属切削过程中的滑移线和流线示意图,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。,图3-5 切削部位三个变形区,第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。,实验表明，切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使

33、其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形。切屑的变形和形成过程如图2-22所示。,4.切屑的形成过程,图222 第一变形区金属的滑移,在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形（图） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两者之间成一

34、夹角（图2-23）。,切屑形成本质,切屑根部金相照片,图 晶粒滑移示意图,图223 滑移与晶粒的伸长,1.剪切角 图,二、切削变形程度的表示方法,剪切面 p与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示,剪切角 剪切面积变形程度切削力。,图 角与剪切面面积的关系 图2-28 变形系数的求法,切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用h 表示，h = ach/ac ； 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l表示，l=lc/lch 。 根据体积不变原理, 则 a l。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2. 变形系数,三、前面上的挤压与摩擦与积屑瘤

35、,1. 作用在切屑上的力,刀具与切屑之间的作用力分析如图2-24所示。 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的法向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr 和 Fr。 假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，是剪切角；是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。,图224 作用在切屑上的力 a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析,tg为刀面上的平均摩擦系数,剪切角与摩擦角的关系,刀具前角增大,剪切角增大,变形减小,摩擦增大,剪切角减小,变形增大

36、,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,图 切屑与前刀面的摩擦,在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘接，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。,2. 前刀面上的摩擦,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，切屑的底层与前刀面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，而是内摩擦，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 。

37、 所谓“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。,图225 切屑和前面摩擦情况示意图,平均摩擦系数,3.积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。,产生这种现象，是切屑的底层与前刀面呈现冷焊状态，而使滞流层金属不断堆积的结果。,积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有

38、关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。,3）影响积屑瘤的因素,2）积屑瘤的形成原因,1）什么是积屑瘤,图 积屑瘤高度与切削速度关系示意图,4）积屑瘤对切削过程的影响,实际前角增大（图2-27）； 增大切削厚度（图2-27） ； 使加工表面粗糙度增大； 对刀具寿命的影响。,一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。,图227 积屑瘤前角和伸出量,采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤； 采用高润滑性

39、的切削液，使摩擦和粘结减少； 适当减少进给量、增大刀具前角； 适当提高工件材料的硬度； 提高刀具的刃磨质量； 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。,5）抑制或消除积屑瘤的措施,带状切屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,四、切屑的类型,带状切屑 最常见的屑型之一（图）。 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切 削速度较高、刀具前角较大时，会得到此类切 屑。 优 点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗 糙度较小。 缺 点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。,挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是

40、锯齿形。形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图)。,单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑(图)。,崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬、进给量越大则越容易产生这种切屑(图) 。,2.3.2 切削力,一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率,切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑

41、所需的力，称为切削力。,1. 切削力的来源,切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（图2-32） 。,图2-32 切削力的来源,2.切削力的分解,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp (图2-33)。,切削力Fc,（旧称主切削力，用Fz表示）总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。,背向力 Fp,进给力Ff,旧称径向分力，用Fy表示 背向力在垂直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。

42、,旧称轴向分力，用Fx表示进给力在进给方向的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,图2-33 切削力的分解,计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。 主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3 （kW） 机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。,3切削功率,切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是按单位切削力进行计算。 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切

43、削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。 若已知单位切削力kc ，即可求得单位切削功率ps。表3-1为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实际切削条件与表中不符时 ,必须引入修正系数加以修正，有关修正系数可参见相关手册。 在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。,二、切削力的实验公式,第三章 切削过程及控制,三、影响切削力的因素,1. 工件材料,影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。 材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。 在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大

44、，切削力也就越大。,2. 切削用量,进给量f 和背吃刀量ap,进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加，但影响程度不同。 进给量f 增大时，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； 切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加； 在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。 在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦

45、也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。 在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。,切削速度c,前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料） 负倒棱的影响：（图）负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力； 主偏角的影响：（图） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr Fy , Fx 刃倾角的影响：（图） s Fy , Fx ,Fz基本不变 刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削变形切削力。此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减

46、小，从而使Fp增大、Ff 减小。,3. 刀具几何参数,图 负倒棱对切削力的影响,主偏角对切削分力比例的影响,图 刃倾角对切削力的影响,4. 刀具磨损,5. 切削液,6. 刀具材料,刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。,2.3.3 切削热和切削温度,一、切削热的产生与传导,金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源(图2-35)。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。,切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。,图2-35 切削热的产生

47、与传导,二、切削温度对切削加工过程的影响,1.对刀具材料的影响,高速钢刀具材料的耐热性为600左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温8001000时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。,2.对工件尺寸精度的影响,车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。,三、切削温度的测定方法,1.自然热电偶法,自然热电偶法是利用工件材料和刀具材料化学成份的不同而构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成测量

48、电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表（毫伏计）测定。切削温度越高，测得热电势越大，它们之间得对应关系可利用专用装置经标定得到。,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需要测定温度的指定点上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。根据仪表上的指示值和热电偶标定曲线，可测得指定点的温度。,四、影响切削温度的因素,1.工件材料,材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。,2.切削用量,切削温度与切削用量的

49、关系式为： CVc Zf yap x 三个影响指数 zyx，说明切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。,（3）刀具几何参数,（4）刀具磨损,（5）切削液,1)前角o塑性变形和摩擦 切削温度（图）。但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。 2)主偏角r切削刃工作接触长度，切削宽度bD，散热条件变差，故切削温度（图）。,刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。,利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低

50、切削温度的重要措施。,图 前角与切削温度的关系,2.3.4 刀具磨损及刀具寿命,一、刀具磨损的形式,（1）正常磨损,切削塑性材料时，如果切削速度和切削厚度较大，在刀具前刀面上经常会磨出一个月牙洼（图例）。,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,图2-39 刀具的磨损形态,2）后面磨损,加工脆性材料或在切削速度较低、切削厚度较小（hD01mm），由于前刀面上刀屑间的作用相对较弱，主要发生后刀面磨损（图例）。,3）前面和后面同时磨损,一般在以中等切削用量加工塑性金属材料时会出现这种形式磨损（图例）。,4）边界磨损,切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处以及刀尖处的后刀

51、面上，磨出较深的沟纹，这就是边界磨损（图例）。加工铸、锻等外皮粗糙的工件，也容易发生边界磨损。,（2）非正常磨损,刀具的非正常磨损是指在切削过程中，刀具的磨损量尚未达到磨钝标准值就突然无法正常使用，即刀具发生破损。,1）脆性破损,2）塑性破损,在振动、冲击切削条件的作用下，刀具尚未发生明显磨损（VB0.1mm），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。,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。,针对被加工工件材料和零件的特点，合理选择刀具材料的

52、种类和牌号； 合理选择刀具几何参数； 保证刀具焊接和刃磨质量，避免因焊接、刃磨不善而带来的各种缺陷。尽量使用机夹可转位不重磨刀具； 合理选择切削用量，避免过大的切削力和过高的切削温度，避免产生积屑瘤； 提高工艺系统的刚性，消除可能产生振动的因素，如加工余量不均匀，表面硬度不均匀，铰刀、铣刀等回转类刀具各刀齿的刃尖不在同一圆周上等现象； 采用正确的操作方法，尽量使刀具不承受或少承受突变性的载荷，合理使用切削液，为防止热裂效应，不要断续使用切削液冷却硬质合金、陶瓷等脆性大的刀具材料。,防止刀具破损的措施,二、刀具磨损的原因,1.硬质点磨损,2.粘结磨损,3.扩散磨损,切削时，切屑、工件材料中含有一

53、些碳化物、氮化物和氧化物等硬质点以及积屑瘤碎片等，可在刀具表面刻划出沟纹，这就是磨料磨损。,切削时，切屑、工件与前、后刀面之间存在很大的压力和强烈的摩擦，形成新鲜表面接触而发生冷焊粘结。由于切屑在滑移过程中产生剪切破坏，带走刀具材料，从而造成粘结磨损。,在切削高温下，使工件与刀具材料中的合金元素在固态下相互扩散置换造成的刀具磨损，称为扩散磨损,（5）相变磨损,（4）化学磨损,在一定温度下，刀具材料与某些周围介质起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，被切屑或工件擦掉而形成磨损，称为化学磨损。,当切削温度达到或超过刀具材料的相变温度时，刀具材料中的金相组织将发生变化，硬度显著下降，引起的

54、刀具磨损称为相变磨损。,图 切削速度对刀具磨损强度的影响 1-硬质点磨损； 2-粘结磨损；3-扩散磨损；4-化学磨损,三、刀具磨损过程及磨钝标准,1.刀具磨损过程,初期磨损阶段（） 正常磨损阶段（） 剧烈磨损阶段（）,2.刀具的磨钝标准,刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。磨钝标准的具体数值可从切削用量手册中查得。,图2-40,图2-40 刀具的磨损过程,国际标准ISO推荐硬质合金外圆车刀的磨钝标准，可以是以下任何一种： （1） VB=0.3mm； （2）如果主后刀面为无规则磨损，取VB max=0.6mm； （3）前面磨损量KT=0.06+0.3f（f为进给量）,在金

55、属切削的科学研究中多数按后刀面磨损宽度VB来制定磨钝标准。规定磨钝标准的两点考虑： 充分利用正常磨损阶段的磨损量，适用于粗加工和半精加工。 根据加工精度和表面质量要求规定磨钝标准。,四、刀具寿命及其经验公式,1. 刀具寿命的定义,刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间。 刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。,2.刀具寿命与切削用量的关系,（1）切削速度与刀具寿命的关系,各种切削速度下的刀具磨损曲线（图）,刀具Tv关系曲线（图2-42），该直线方程为：,Lgv=-mlgT+lgA,式中， m

56、=tg，即该直线的斜率；,A 当T1s（或1min）时直线在纵坐标上的截距。,V = A / T m,图 各种切削速度下的刀具磨损曲线,图242 在双对数坐标上的Tv曲线,2）进给量、被吃刀量与刀具寿命的关系,f= B / Tn ap= C/Tp,综合以上三式，可以得到切削用量三要素与寿命的关系：,T -V关系式反映了切削速度与刀具耐用度之间的关系，是选择切削速度的重要依据。指数m表示切削速度对刀具耐用度的影响程度。高速钢：m=0.10.125； 硬质合金：m=0.20.3;陶瓷刀具：m=0.4。,用YT15硬质合金车刀切削b0.63GPa的碳钢时，切削用量与刀具寿命的关系式为：,3.刀具寿命

57、的选择原则,确定合理刀具寿命的两种方法：,最大生产率寿命 最低成本寿命,一般情况下，应采用最低成本寿命，当任务紧迫或生产中出现不平衡环节时，可采用最大生产率寿命。,图,图 刀具寿命对生产率和加工成本的影响,复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。 对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。 对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。 精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。 大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用

58、度应选得高些。,刀具几何参数 合理选择刀具几何参数能提高刀具寿命。 刀 具 材 料 刀具材料是影响刀具寿命的重要因素，合理选用刀具材料，采用涂层刀具材料和使用新型刀具材料，改善和提高刀具的切削性能，是提高刀具寿命和提高切削速度的重要途径之一。 工 件 材 料 工件材料的物理力学性能也是影响刀具寿命的重要因素，工件材料的强度、硬度和韧性越高，延伸率越小，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。 切 削 用 量,4.影响刀具寿命的因素,一、工件材料的切削加工性,工件材料的可切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。,1.工件材料切削加工性的评定指标,1）以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性

59、； 2）以切削力或切削温度衡量加工性； 3）以加工表面质量衡量加工性； 4）以切屑控制或断屑的难易衡量加工性,2.3.5 切削加工条件的合理选择,一般用相对加工性Kv来衡量工件材料的可切削加工性。 通常以b=0.637GPa的45钢的60（刀具寿命为60min时所允许的切削速度，用60表示）为基准，写作(60)j。将其它工件材料的60与之相比，其比值即为相对加工性Kv，即 Kv=60/(60)j 当 Kv 1时，该材料比45钢容易切削，例如有色金属Kv 3； 当 Kv 1时，该材料比45钢难切削，例如高锰钢、钛合金 Kv 0.5，均属难加工材料。 材料切削加工性等级，表32,2.改善工件材料切削加工性的途径,要改善工件材料的切削加工性，可通过热处理方法，改变材料的金相组织和物理力学性能，也可通过调整材料的化学成分等途径。生产实际中，热处理是常用的处理