第2章金属切削过程的基本规律.ppt

1、,第2章 金属切削过程的基本规律,2.1 切削变形,2.2 切削力,2.3 切削热与切削温度,2.4 刀具磨损与刀具寿命,本章内容,本章主要介绍金属切削过程四个方面的基本规律。 在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与寿命变化等各种现象，严重影响了生产的进行。针对上述现象，本章分析了产生诸现象的原因及对切削过程的影响，并在此基础上总结出切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与寿命变化四大规律。,本章提要,金属切削变形过程研究对切削加工技术的发展和进步、保证加工质量、降低生产成本、提高生产率，有着十分重要的意义。很明显，因为金属切削加工中各种物理现象，如切削力、切

2、削热、刀具磨损以及已加工表面质量等，都是以切屑形成过程为基础的，而生产实践中出现的许多问题，如鳞刺、积屑瘤、卷屑与断屑等，都同切削变形过程有关。 现代技术装备中，难加工材料的应用愈来愈多，对零件的质量要求亦不断提高，要求我们更加深入地掌握金属切削变形过程的规律，以创造出更加先进的切削方法和高质量的刀具，适应生产发展的需要。,2.1 切削变形, 研究金属切削变形过程的意义,1侧面方格变形观察法 在工件侧面作出细小的方格，察看切削过程中这些方格如何被扭曲，借以判断和认识切削层的塑性变形、切削层变为切屑的实际情形。最常用的方法是观察直角自由切削时工件上切削层的切屑变形情况，可观察从切削刃接触工件开始

3、直到形成切屑的全过程。, 研究金属切削变形过程的实验方法,切削层与切屑侧面格子的变形 工件材料：黄铜；刀具：高速钢，干切削,2高频摄影法 利用带有显微镜头的高频摄影机，拍摄被切削试件的侧面，可以得到一个完整的从切削变形开始至形成切屑的真实过程。常用的高频摄影机每秒可拍摄几百幅到十几万万幅以上不等。高频摄影机为研究高速切削时切削变形过程提供了可能性。 随着切削速度的不断提高，使用的高频摄影机的每秒钟格(幅)数也愈来愈多，现在较新的高频摄影机拍摄速度已达每秒钟十几万格甚至更高的频率。利用高频摄影机拍摄切削变形过程，可以看清楚瞬时的变化。, 研究金属切削变形过程的实验方法,3快速落刀法 利用一种叫作

4、“快速落刀”装置的特殊刀架，在切削过程中某一瞬间使刀具以极快的速度突然脱离工件，把在某一定切削条件下切削层的变形情况“冻结”下来。落刀后从工件上锯下切屑根部，制成金相标本，用显微镜观察。, 研究金属切削变形过程的实验方法,用快速落刀法取得的切屑根部的金相显微照片,冲击式快速落刀夹具示意图,4扫描电镜和透视电镜显微观察法 借助于扫描电子显微镜，可以观察到金属晶粒内部的微观滑移情况，使我们能从金属物理的观点来理解金属切削变形过程及其现象。下图就是用扫描电镜观察铝切屑侧面的放大照片。从照片上可以清楚地看到带状切屑的层状结构。在照片中切屑是横放着的，毛茸的外表面向上，切屑底面在下，切屑的厚度为170m

5、。, 研究金属切削变形过程的实验方法,5光弹性、光塑性试验法 为分折金属变形区的应力情况，对切削刃前方的金属进行弹性力学和塑性力学的研究和实验。下图是一幅用偏光镜对切削过程进行光弹试验的照片。图中的黑白条纹表示在切削力作用下工件材料内的等剪应力曲线。在切削刃前方的正应力是压应力，在它的后方则为拉应力，在二簇等剪应力曲线之间有一条分隔的中线(图中未表示)。现在做光塑性试验一般都采用光学灵敏的、均匀非晶体材料，而金属材料却是非均匀的晶体材料，所以目前光塑试验只能作为定性分析的参考，还不能用于定量分折。, 研究金属切削变形过程的实验方法,2.1.1 金属切削变形过程,切屑的形成与切离过程，是切削层受

6、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线以上金属由于母体阻碍，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，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2-1 金属挤压与切削比较,1. 挤压与切削,切屑是前刀面对切削层金属的推挤而形成的。通过切屑成形的有限元模拟，可见切屑的形成。,(a) 初始位置 (b)13步时切屑变形 (c)72步时切屑变形,(d)107步时切屑变形 (e)141步时切屑变形

7、 (f)172步时切屑变形 切削变形及切屑形成,图2-2 切削变形实验设备与录像装置,图2-3 切屑根部金相照片,图2-4 金属切削过程中的滑移线和流线,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2-5 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。,2.三个变形区的划分及特征,第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。,此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。,图,第一变形区金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形

8、成了切屑，下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。,（a）质点滑移过程,图2-6 切屑形成过程,切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使靠近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。图2-6（a）是取金属内部质点P来分析滑移过程：,（b）切屑形成模型,如图2-6(b)所示，对于切削层 来说， 移至剪切面AB时，产生滑移后形成切屑 上。这个过程连续进行，切削层便连续地通过前刀面转变为切屑。,图2-6 切屑形成过程,此图与形成切屑时的实际变形较接近，故称之为切屑形成模型。 剪切面AB与切削速度 之间的夹角 称为剪切角。 作用力 与切削速度 之间的夹角

9、 称为作用角。 由此可知，第变形区是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。,滑移与晶粒伸长,第二变形区内金属的挤压摩擦变形,经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形（第二变形区的变形），这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。,第三变形区内金属的挤压摩擦变形,已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。,2.1.2 切屑的类型,图3-7 切屑形态照片,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切屑卷曲

10、和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果（图2-7）,图2-7 切屑的卷曲,图2-8 断屑的产生,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图2-8）,变形系数是衡量变形的一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸变化大小。如图2-8所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短lchhD(宽度不变)，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。 变形系数h表示切屑收缩的 程度，即：,(2-1),式中： lc、hD切削层长度和厚度； lch、hch 切屑长度和厚度。,图2-8 切屑的收缩,1. 变形系数h,2.1.3 变形程度的量度方法,

11、相对滑移系数是用来量度第变形区滑移变形的程度。如图2-9，设切削层中AB线沿剪切面滑移至A”B”时的距离为y，事实上y很小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为S。相对滑移表示为：,(2-2),2.1.3 变形程度的量度方法,2.相对滑移系数,或, 相对滑移系数,图2-9 相对滑移系数,B,D,由图2-8可知剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hch减小，故h变小，它们之间的关系如下：,(2-3),公式(2-2)、(2-3)表明，剪切角与前角o变化是影响切削变形的两个主要因素。因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角0和剪切角，使、 h减小，则切削变形减小。h主要从塑

12、性压缩方面分析；而值主要从剪切变形考虑。所以，与h只能近似地表示切削变形程度。,2.1.3 变形程度的量度方法,将式(2-3)变换后可写成,(2-4),2.1.3 变形程度的量度方法,3.相对滑移系数与变形系数的关系,与h的函数关系如图所示。,将式(2-4)代入式(2-2)，可得,(2-5),2.1.3 变形程度的量度方法,相对滑移系数与变形系数的关系,4,(1)变形系数并不等于相对滑移系数； (2)当h1.5时，对于某一固定的前角，相对滑移系数与变形系数h成正比。因此，在一般情况下，变形系数h可以在一定程度上反映相对滑移的大小； (3)当h1时，即hD=hch，相对滑移系数并不等于零，因此，

13、切屑还是有变形的； (4)当o-15 30，变形系数h即使具有同一数值，倘若前角不相同，仍然不相等，前角越小，就越大； (5)当h1.2时，不能用h表示变形程度。原因是：当h在1.21之间，h虽减小，而却变化不大；当hl时，h稍有减小，而却反而大大增加。,2.1.3 变形程度的量度方法,正压力Fn,摩擦力Ff,合力Fr,剪切力Fs,法向力Fns,合力Fr,如图2-10所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff组成的合力Fr与剪切面上反作用力共线，并处于平衡。将合力Fr分解成二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。分力Fz、Fy可

14、利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上产生剪切变形。,图2-10 切屑的受力分析,2.1.4 剪切角,1. 作用力分析,Fs按下列公式计算：,剪切面上产生的剪应力应为： 式中:摩擦角； AD切削层面积。,(2-6),(2-7),2.1.4 剪切角,下面简要介绍M.E.Merchant提出的按最小能量原则来确定剪切角的原理。 由图3-10可知，切削力Fz为：,2. 剪切角的确定,前刀面上摩擦力Ff与正压力Fn之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦系数： tanFf/Fn (2-8) 摩擦系数或摩擦角亦可根据已测得的分力Fz、Fy值求得： tan(-0) Fy/Fz (2-9),(2

15、-10),2.1.4 剪切角,Fs,欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角，则取 ，然后求解出为：,(2-11),此外，也可按最大剪应力的理论(李和谢佛公式)，求出剪切角为： (2-12) 从式（2-11）中也可看出第变形区产生的摩擦对第变形区剪切变形的影响规律。,2.1.4 剪切角,2.1.5 前刀面的挤压摩擦,紧密型接触：形成长度为lfi的粘结区。其间的摩擦属于内摩擦。,在高温高压作用下，切屑与前刀面之间分为两种摩擦类型。,峰点型接触：一些突出点接触，为滑动区二者之间的摩擦属于外摩擦。,1.前刀面的摩擦特点,Ar为实际接触面积，Fn为两接触面的载荷(法向力)，s为材料的压缩屈服极限。,粘结区：

16、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。,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，二者之间的摩擦属于外摩擦。,峰点型接触，摩擦系数为,紧密型接触，摩擦系数为,2. 切屑与前刀面间的摩擦系数,经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图2-12所示。,剪应力的分布 在粘结区内基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限s；在滑动区剪应力是变化的，离切削刃越远,越小。,正应力分布 在接触区内正应力是变化的，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力越小。近切削刃处正应力为最大值。,

17、图2-12 应力分布,式中： Ffi、Fni分别指粘结区内的摩擦力和正压力； Ari粘结面积； av粘结区内平均正应力。,粘结区内的摩擦系数计算方法如下：,(2-12),图2-13 积屑瘤与显微照片,积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，图2-13为积屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时(图中R0.134mm)，会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。,(a),(b),2.1.6 积屑瘤,当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的

18、切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层”。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。, 积屑瘤的成因,形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度。此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与积屑瘤形成有关。 合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。以切削中碳钢为例，从图2-14曲线可知，低速(vc3mmin左右)切削时，产生的切削温度很低；较高速(vc60mmin)切削时，产生的切,图2-14 切削速度对积屑瘤的影响,削温度较高，这两种情况的摩擦

19、系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速(vc20mmin)，积屑瘤的高度达到最大值。,积屑瘤对切削过程的影响 1)保护刀具 从下图看出，积屑瘤包围着切削刃，同时覆盖着一部分前刀面。积屑瘤一旦形成，它将代替切削刃和前刀面进行切削。切削刃和前、后刀面都得到积屑瘤的保护，减少了刀具的磨损。 2)增大前角 积屑瘤具有300左右的前角， 因而减少了切屑的变形，降低 了切削力。 3)增大切削厚度 积屑瘤的前端伸出切削刃 之外，有积屑瘤时的切削厚度 比没有积屑瘤时增大了，因而 影响了工件的加工尺寸。,4)增大已加工表面粗糙度 某些没有残留面积的切削加工，如拉削、成形切削和自由切削，由切削刃直接切出来的加工表面

20、粗糙度可为Ra 2.50.63m。但是，如果有积屑瘤形成，那么已加工表面粗糙度便大大增大，Ra通常达到510m。 可以按照加工的种类和要求判断积屑瘤的利弊。粗加工对已加工表面质量的要求不高，生成积屑瘤后切削力减小，从而降低能量消耗；或者可加大切削用量，使劳动生产率得以提高；积屑瘤还能保护刀具，减少磨损。据此可以认为，积屑瘤对粗加工是有利的。对于精加工则相反，精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度，可是积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工表面粗糙度。所以，积屑瘤对精加工是不利的。,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vc60

21、m/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,减小切削变形； 适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性,减小加工硬化倾向。, 抑制或消除积屑瘤的措施,从相对滑移系数和变形系数h计算式中可知，切屑变形的程度主要决定于剪切角和摩擦系数的大小。改变加工条件，促使增大、减小，就能减小切屑变形。,影响切屑变形的因素很多，下面介绍的是其中最主要的、起决定作用的几个因素。 1.前角 增大前角0，使剪切角增大，变形系数h减小，因此，切屑变形减小。,2.1.7 切削变形的变化规律,图2-15 前角o对剪切角的影响,2.切削速度 切

22、削速度vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数变化而影响切削变形的。,图2-16 切削速度vc对h的影响,如图216以中碳钢为例。,vc 超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。,vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小,vc20m/min时， h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，使减小， h增大。,此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。,3. 进给量,进给量 f 对切削变形的影响规律如

23、图3-17所示。,图2-17 进给量 f 对变形系数的影响,4.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、硬度提高，正压力Fn增大，平均正应力av增大，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切削变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。图2-18为用不同前角0切削不同材料时的变形系数h值。,图2-18 材料对变形系数h的影响,切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。,2.2.1 切削力的来源、合力及其分力,2.2.2 切削力测定和切削力经验公式,2.2.3 单位切削力、切屑功率和单

24、位切削功率,2.2.4 切削力的变化规律,2.2 切削力,2.2.1 切削力的来源、合力及其分力,为了便于分析测量，通常将合力Fr分解成三个分力：,切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成： 变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力； 切屑、工件与刀具间的摩擦力。,主切削力Fz （ F c ）:主运动切削速度方向的分力,切深抗力Fy （ F p ）:切深方向的分力,进给抗力Fx （ F f ）:进给方向的分力,图2-19 切削合力及其分力,(2-13),2.2.1 切削力的来源、合力及其分力,各 分 力 的 作 用,图2-19 切削合力和分力,切削力的测量 实际的金属切削过程非常复杂，影响因

25、素很多，因而现有的一些理论公式都是在一些假说的基础上得出的，存在着较大的缺点，计算结果与实验结果不能很好地吻合。在生产实际中，切削力的大小一般采用由实验结果建立起来的经验公式计算。在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量。随着测试手段的现代化，切削力的测量方法有了很大的发展，在很多场合下已经能很精确地测量切削力。,2.2.2 切削力测量和切削力经验公式,测定机床功率，计算切削力 用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后，计算出切削功率Pm。这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确。当要求精确知道切削力的大小时，通常采用测力仪直接测量切削力。,液压型附着力测量仪

26、,2.2.2 切削力测量和切削力经验公式, 用测力仪测量切削力 测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换处理后，读出Fz、Fx和Fy的值。先进的测力仪常与微机配套使用，直接进行数据处理，自动显示被测力值和建立切削力的经验公式。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。,2.2.2 切削力测量和切削力经验公式,按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪。目前常用的是电阻应变片式测力仪和压电测力仪。 计算机辅助测量切削力的系统框图,2.2.2 切削力测量和切削力经验公式,全套测量系统由转子,定子和信号适调器

27、组成。转子内包含两分量测力传感器和两个通道微型电荷放大器。定子接收测量信号。适合于各种高速钻削和铣削过程研究及监测贵重刀具或材料在加工过程中的切削力。,十多年前, kisler公司研制成功第一代旋转式切削测力计。随着高速切削加工技术的发展，高速切削过程的研究受到极大的关注。奇石乐公司接受了这一挑战，2002年开发出全新设计，最高转速为25,000 转/分的两分量(Mz,Fz)切削测力计。最大测量轴向力为3kN， 最大扭矩为50Nm。,如图2-20所示，电阻应变片式测力仪由传感器1、电桥电路2、应变仪(放大器)3和记录仪4组成。传感器是测力仪的主要组成部分。合理确定弹性体的结构、形状和参数，提高

28、弹性体的制造精度，保证应变片的合理布局和粘贴质量，是提高测力仪的测量精度、刚性和灵敏度以及减小各分力间相互干涉的主要途径。,图2-20 测力系统方框示意图 l一传感器；2一电桥电路；3一应变仪；4一记录仪,2.2.2 切削力测定和切削力经验公式,切削力的经验公式 两种方法： 计算切削力的指数公式 按单位切削力计算切削力和切削功率 实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、刀具磨损状态和切削液等。,2.2.2 切削力测定和切削力经验公式,测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。 通过实验建立的车削力实验公式，其一般形式为： 式中：CFx、CF

29、y、CFz影响系数，与被加工材料及实验条件有关； xFx、 xFy、 xFz背吃刀量对切削力影响指数； yFx、 yFy、 yFz进给量对切削力影响指数； KFx、KFy、KFz计算条件与实验条件不同时对切削力的修正 系数。, 切削力经验公式的建立,2.2.2 切削力测定和切削力经验公式,下面简要说明建立主切削力Fz经验公式的基本原理。 根据实验得到的apFz、fFz许多对应值，就可在双对数坐标中连成如图2-21所示两条直线图形。,图2-21 双对数坐标中直线图形,(a) apFz,(b) fFz,2.2.2 切削力测定和切削力经验公式,lgFz1gCap十xFz lgap 1gFz1gCf十

30、yFzlgf 上式可改写为： 综合(a)、(b)式，得Fz实验公式： 式(a)、（b）、（c）中 ： xFz、yFz分别为apFz、fFz直线图形中的斜率， 通常xFz1、yFz0.750.9； Cap、Cf分别为 apFz、fFz直线图形中的截矩； CFz由(a)、(b)和(c)式联立求得的系数值。,(c),直线图形的对数方程为：,(a),(b),2.2.2 切削力测定和切削力经验公式,考虑切削速度影响的计算切削力指数公式,系数，由被加工的材料性质和切削条件所决定,背吃刀量、进给量和切削速度的指数,实际加工条件与求得经验公式时的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积,2.2.2 切削力测

31、定和切削力实验公式,表2-1,工件材料为钢时： 切削力=,切削力的估算,工件材料为铸铁时：180kg/mm2,1.单位切削力 单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用下式表示： 式(2-16)表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增加而减小。单位切削力p不受背吃刀量ap的影响，这是因为背吃刀量改变后，切削力Fz与切削层面积AD以相同的比例随着变化。而进给量f增大，切削层面积AD随之增大，而切削力Fz增大不多。 利用单位切削力p来计算主切削力Fz简易直观。,(2-17),2.2.3 单位切削力、切削功率和单位切削功率,f,f,a,A,p,D,2.切削功率,切削功率Pm是

32、指切削时在切削区域内消耗的功率，通常计算的是主运动所消耗的功率。 式中：Fz主切削力(N); vc主运动切削速度(m/min)。 机床电动机所需功率PE应为： PE=Pm/ (kW) (2-19) 式中：机床传动效率,(2-18),2.2.3 单位切削力、切削功率和单位切削功率,单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。 Ps=Pm/Zw kW/( ) (2-20) 另外可导出p， Ps之间的关系式： 表2-2为使用硬质合金车刀对部分常用金属材料进行切削实验求得的单位切削力p和单位切削功率Ps值。实验是在固定进给量f0.3mmr和其余条件下进行的。当进给量f改变时，应将p

33、和Ps 值乘表2-3中修正系数Kfp、Kfps。,(2-21),3.单位切削功率,2.2.3 单位切削力、切削功率和单位切削功率,1,3,.,-,s,mm,表2-2 硬质合金外圆车刀切削常用金属时 单位切削力和单位切削功率（f0.3mm/r）,影响切削力的因素主要有四个方面：工件材料、切削用量、刀具几何参数及其它方面的因素。 1.工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈服强度s、塑性变形、切屑与刀具间摩擦系数等条件影响切削力的。 从表2-2中可以反映出不同材料对切削力的影响程度。,表2-3 进给量f对单位切削力或单位切削功率的修正系数Kfp、Kfps,2.2.4 切削力的变化规律,背吃刀量和

34、进给量 背吃刀量ap和进给量f增大，分别使切削宽度bD、切削厚度hD增大因而切削层面积AD增大，故变形抗力和摩擦增加，而引起切削力增大。但是ap和f增大后，它们分别使变形和摩擦增加的程度不同。,2. 切削用量的影响,切削速度 加工塑性金属时，切削速度vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是积屑瘤与摩擦的作用造成的。,2.2.4 切削力的变化规律,在低速到中速范围内(520m/min)，随着速度vc的提高，切削变形减小，故主切削力Fz逐渐减小；中速时(20m/min左右)，变形值最小，Fz减至最小值；超过中速，随着速度vc的提高，切削变形增大，故Fz逐渐增大。 在更高速度范围内(

35、vc 35m/min)，切削变形随着速度增加而减小，故切削力Fz逐渐减小而后达到稳定。,以车削45钢为例，由图2-22可知：,2.2.4 切削力的变化规律,图2-22,图2-22 切削速度vc对切削力Fz影响,2.2.4 切削力的变化规律,表2-4 切削速度vc改变时切削力Fz影响的修正系数KvFz,前角 前角0增大，切削变形减小，切削力减小。但增大前角0，使三个分力Fz、Fy和Fx减小的程度不同。 表2-5为用kr75外圆车刀车削45号钢和灰铸铁时前角0对切削力的修正系数。,表2-4为车削钢时切削速度vc对切削力Fz影响的修正系数。,3. 刀具几何角度的影响,2.2.4 切削力的变化规律,图

36、2-23 前角0对切削力的影响,表2-5 前角改变时切削力的修正系数KoF,2.2.4 切削力的变化规律,主偏角 主偏角kr改变使切削面积的形状和切削分力Fxy的作用方向改变，因而使切削力也随之变化。 由实验得到的图2-24中表明：主偏角kr在3060范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，促使主切削Fz减小；主偏角约在60 90范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。,2.2.4 切削力的变化规律,图2-24,图2-24 主偏角kr对切削力影响,2.2.4 切削力的变化规律,表2-6 主偏角kr对切削力的修正系数KkrF,表2-6为主偏角kr对切削力的修正系数,

37、2.2.4 切削力的变化规律,刃倾角s 由实验可知，刃倾角s对主切削力Fz影响很小，但对切深抗力Fy、进给抗力Fx影响较显著。 刃倾角s的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长度增加，摩擦加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径rB减小，刀刃锋利，切削变形减小。上述作用的结果是使Fz变化很小。,刃倾角s对Fy、Fx的作用如图2-25所示，当刃倾角s由正值向负值变化时，使正压力Fn倾斜了刃倾角s ，从而改变了合力Fr及其分力Fxy的作用方向，Fxy的切深分力Fy增大、进给分力Fx减小。通常刃倾角s每增减1，使切深分力Fy增减，23。,2.2.4 切削力的变化规律,图2-25,图2-25 刃倾角s对切削力Fy、

38、Fx影响,2.2.4 切削力的变化规律,由此可见，从切削力观点分析，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s增大Fy的作用而产生振动。,表2-7 车削45钢时刃倾角s对切削力修正系数KsF,4. 其它因素的影响,刀具的负倒棱,刀尖圆弧半径,刀具磨损的影响。,表2-7为车削45钢时刃倾角s改变对切削力修正系数。,2.3.1 切削热的来源与传导,2.3.2 切削温度,2.3.3 影响切削温度的因素,2.3 切削热与切削温度,切削热是由切削功转变而来的。如图2-26所示，其中包括：剪切区变形功形成的热Qp、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qf、已加工表面与后刀面摩擦功形成

39、的热Qf。产生总的切削热Q，分别传入切屑Qch、刀具Qc、工件Qw和周围介质Qf。切削热的形成及传导关系为：,Qp+Qf+QfQch+Qw+Qc+Qf (2-22),2.3.1 切削热的来源与传导,图2-26 切削热的产生与传导,根据切削区域产生的变形功、摩擦功和热传导，可以近似推算出切削温度值。 以计算切削区域平均温度为例： 切削温度是由切削时消耗总功形成的热量引起的。单位时间内产生的热q等于消耗的切削功率Pm，即： q=Fzvc/60 W 式中:Fz主切削力（N）; vc切削速度（m/min）。,(1)切削温度计算,2.3.2 切削温度测定与分布,由热量q引起的温度升高量与材料的密度、比热

40、容c有关，其关系式： 式中p单位主切削力(N/ )； c比热容(JkgK)； 密度(kg )。, (2-23),2.3.2 切削温度测定与分布,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。,利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。, 用不同材料、相互绝缘金属丝作热电偶两极。 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。,人工热电偶法,红外测温法,2.3.2 切削温度测定与分布,(2)切削温度的测定,图2-27,图2-27,图2- 27 热电偶测温装置 （a）自然热电偶法

41、 （b）、（c）人工热电偶法 1.顶尖 2.铜塞 3.主轴 4.切屑 5.绝缘层 6.工件 7.刀具,2.3.2 切削温度测定与分布,自然热电偶法测温装置,在车床上的切削温度实验系统,2.3.2 切削温度测定与分布,(3)切削温度的分布, 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611C,图2-28 二维切削中的温度分布,2.3.2 切削温度测定与分布,图2-29 二维切削中的温度分布 (a)刀具、工件和切屑中温度分布 （

42、b）刀具前刀面上温度分布,2.3.3 影响切削温度的因素,切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。也就是说，切削温度的高低是由产生的热和传走的热两方面综合影响的结果。做功越多、生热越多、散热越少时，切削温度越高。影响生热和散热的因素有：切削用量、刀具几何参数、工件材料和切削液等。,2.3.3 影响切削温度的因素,(1) 切削用量的影响,式中: 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温 度(C)； C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切 削温度系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。,经验公式,(2-24),2.3.3 影响切削温度的因素,图2-30 切削用量对切削温度的影响,2.3.3

43、影响切削温度的因素,（2）工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度 工件材料导热性 切削温度,图2-31 切削速度、工件材料对切削温度的影响 1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火) 4HT200 刀具材料：YT15；YG8 刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm 切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r,2.3.3 影响切削温度的因素,(3) 刀具几何参数的影响,前角o切削温度；主偏角r切削温度；负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小,图2-32 前角o和主偏角r对切削温度的影响 (a)前角or对切削温度的影响 （b）

44、主偏角r对切削温度的影响,(4) 刀具磨损的影响,2.3.3 影响切削温度的因素,图2-33 后刀面磨损值与切削温度的关系 工件材料：45钢；刀具材料：YT15 1-v=117m/min 2-v=94m/min 3-v=71m/min,(5) 切削液的影响 切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大关系。 从导热性能来看，油类切削液不如乳化液，乳化液不如水基切削液。如果用乳化液代替油类切削液，加工生产效率可以提高50%100%。,2.3.3 影响切削温度的因素,图2-34 切削液对切削温度的影响 1-无冷却 2-10%乳化液 3-1%硼酸钠及0.3%磷

45、酸钠的水溶液,2.4.1 刀具磨损形式,2.4.2 磨损过程和磨钝标准,2.4.3 刀具磨损原因,2.4.4 刀具寿命,2.4.5 影响刀具寿命的因素,2.4 刀具磨损与刀具寿命,刀具磨损形式分为正常磨损和非正常磨损两大类。,正常磨损是指在刀具设计与使用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐的磨损。,(1) 正常磨损,后刀面磨损 前刀面磨损 前后刀面同时磨损,2.4.1 刀具磨损形式,图2-35 刀具正常磨损形式,前刀面磨损,形式：月牙洼 形成条件：加工塑性材料，v高，hD大 影响：削弱刀刃强度，降低加工质量,后刀面磨损,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax） 形成

46、条件：加工塑性材料, v 较低, hD 较小；加工脆性材料 影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量,前、后刀面磨损,2.4.1 刀具磨损形式,加工塑性金属。,非正常磨损是指刀具在切削过程中突然或过早产生损坏现象。其中有： 破损 在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。 卷刃 切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形现象。,(2) 非正常磨损,2.4.1 刀具磨损形式, 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。 断续切削时，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。 由于切削与空切的变化，

47、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。 采取的措施： 提高韧性、使抗弯强度提高等，防止刀具破损。,2.4.1 刀具磨损形式,2.4.1 刀具磨损形式,图2-37 非正常磨损形式 a)沟槽磨损 b)切削刃细小缺口 c)塑性变形 d)切削刃崩裂 e)切削刃剥落 f)热裂,正常磨损情况下，刀具磨损量随切削时间增加而逐渐扩大。若以后刀面磨损为例，它的典型磨损过程如图3-38,2.4.2 磨损过程和磨钝标准,图2-38 刀具磨损过程曲线,所示，图中大致分三个阶段。初期磨损阶段(段)、正常磨损阶段(段)、急剧磨损阶段(段)。,在后刀面月区内均匀磨损VB0.3mm；在

48、后刀面月区内非均匀磨损VBmax0.6mm；月牙洼深度标准KT0.06十0.3f ( f 进给量mmr)。 精加工根据达到表面粗糙度等级要求确定。,表2-9 磨钝标准VB值 (mm),在ISO标准中，供作研究用推荐的高速钢和硬质合金刀具磨钝标准为：,表2-9为车刀的磨钝标准，供选用时参考。,2.4.2 磨损过程和磨钝标准,根据加工情况规定的刀具最大允许磨损值称为磨钝标准。,切削时刀具的磨损是在高温高压条件下产生的。因此，形成刀具磨损的原因就非常复杂，它涉及到机械、物理、化学和相变等的作用。现将其中主要的原因简述如下：,(1)磨粒磨损 (2)相变磨损 (3)粘结磨损 (4)扩散磨损 (5)氧化磨

49、损,2.4.3 刀具磨损原因,2.4.3 刀具磨损原因,图2-39 硬质点切削的显微照片 （a）硬质点切削的显微照片 （b）后刀面上的磨粒刻痕,(1) 磨粒磨损,(2) 粘结磨损 粘接是指刀具与工件材料接触到原子间距离时所产生的结合现象。它是在摩擦面的实际接触面积上，在足够大的压力和温度作用下，产生塑性变形而发生的冷焊现象，是摩擦面塑性变形所形成的新鲜表面原子间吸附力所造成的结果。 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切削速度,2.4.3 刀具磨损原因,粘结磨损加剧,图2-40,2.4.3 刀具磨损原因,(3) 扩散磨损,图2-41 原子间相互扩散置换示意图,2.4

50、.3 刀具磨损原因,(4) 氧化磨损,图2-42 氧化磨损照片,硬质合金刀具切削温度达到700800 时，刀具中一些C、CO、TiC等被空气氧化，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。,2.4.3 刀具磨损原因,2.4.3 刀具磨损原因,图2-43 切削温度对磨损影响的示意图 磨粒磨损 粘结磨损 扩散磨损 氧化

51、磨损,(1)刀具寿命概念 刀具寿命是指刃磨后的刀具从开始切削到磨损量达到磨钝标准为止所用的切削时间，用T(min)表示。刀具寿命还可以用达到磨钝标准所经过的切削路程l(m)或加工出的零件N来表示。 刀具寿命高低是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。利用刀具寿命来控制磨损量VB值，比用测量VB来判别是否达到磨钝标准要简便。,2.4.4 刀具寿命,(2) 刀具寿命试验,图2-44 刀具寿命试验,(a)刀具磨损曲线,(b)刀具寿命曲线,通过试验先确定5种以上不同切削速度的刀具磨损过程曲线，如图2-44（a）所示。曲线磨损量VB可利用读数显微镜测得。然后在磨损曲线上取出达到磨钝标准时的各速度vc与寿命T对应值