金属切削过程及其控制.ppt

1、第一章金属切削过程及其控制,金属切削过程的基本知识 金属切削过程的基本规律与控制 金属切削基本条件的合理选择,1.1,1.2,1.3,本章内容,本节提要,本节主要介绍金属切削过程四个方面的基本规律及其控制。 在切削过程中，产生了切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与耐用度变化等各种现象，严重影响了生产的进行。针对上述现象，本节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、刀具磨损与耐用度变化四大规律。应用这些规律，很好地解决了生产上出现的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切削液，合理选择刀具几何参数与切削用量等，并对促进机械

2、加工技术的发展起着很重要的作用。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成,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，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。,金属挤压与切削比较,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切

3、屑形成切削变形过程,切屑形成过程模型,切削时受压金属层沿剪切面向上滑移，若为脆性材料，则沿剪切面被剪断；若为塑性材料，则沿滑移继续，被切金属层形成切屑。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成切屑形成,金属切削变形的基本特征：金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。即是金属内部不断滑移变形的过程。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成切屑形成,塑性材料切屑根部金相照片,I 剪切滑移区,II 挤压摩擦区,III 挤压摩擦回弹区,第二节 金属切

4、削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成变形区的划分,1. 第一变形区(剪切滑移区),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()。OA和OM非常接近(0.02-0.2mm)，通常用一个平面来表示，称为剪切面。剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角。,2. 第二变形区(挤压摩擦区),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。这部分区域称为第二变形区()。,在已加

5、工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成的变形区域称为第三变形区()。由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除，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。,3. 第三变形区(挤压摩擦回弹区),第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成变形区的划分,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。,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。,第变形区：靠近前刀

6、面处，切削层变成切屑沿刀具前面流出时，切屑底层仍受到刀具前面的挤压和摩擦而发生变形，变形的结果使切屑底层的晶粒弯曲拉长，并趋向于与前面平行而形成纤维层。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。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成变形区的划分,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成前刀面的摩擦特点,塑性金属切削层材料经第一变形区后沿前刀面排出，由于受前刀面的挤压和摩擦而进一步加剧变形，在靠近前刀面处形成第二变形区。 切屑在流经前刀面时，在高温高压的作用下产生剧烈的摩擦。刀具与切屑接触区分为粘

7、结区和滑动区两部分。在lf长度内，近切削刃的接触长度lf1为粘结区，粘结区内的摩擦为金属间的内摩擦，是金属内部的剪切滑移；lf1外的长度lf2称为外摩擦。,粘结接触区上各点的摩擦系数：,滑动接触区上各点的摩擦系数: s/S=常数 服从古典摩擦法则。,剪应力；正应力,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（一）切削变形与切屑形成前刀面的摩擦特点,加工一般刚材或其它塑性材料时，在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，由于摩擦和挤压作用形成内摩擦区，并产生高温和高压，使刀屑面lf1接触区内形成粘结，亦称冷焊，层积在前刀面处形成一个楔块。楔块的硬度很高，处于稳定状态时能够代替刀

8、刃进行切削。 这块冷焊在前刀面上的金属就称为积屑瘤。,剪应力；正应力,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法切削厚度压缩比h (变形系数),在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大于工件切削层厚度hD，而切屑长度lch 却小于切削层长度lc 。 切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数h；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数l 。,厚度变形系数： 长度变形系数：,hch-切屑厚度,hD 切削层厚度,lch切屑长度,lc 切削层长度,切削层变为切屑后，宽度变化很小。根据体积不变原理，有：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与

9、切屑,（二）切削变形的表示方法切削厚度压缩比h (变形系数),长度测量法：最简单的方式是刨削法，此时切削层长度等于工件长度lc，用细铜丝测出弯曲的切屑长度lch； 质量测定法：取一段2060mm而不太弯曲的切屑，用1法测出它的长度Lch(mm),再用天平称出其质量为Q克（g），设为材料的密度（g/cm3）,铜的密度约为7.7g/cm3,按体积不变条件： 切削层体积切削层截面积（Ac）.lc 切屑截面积（Ach）.lch 已知 Acap.f 所以 lc/ lch= Ach/ Ac 又知 Ach1000Q/ . Lch(mm2) 故 1000Q/ . Lch. ap.f,第二节 金属切削过程的基本

10、规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法切削厚度压缩比h (变形系数),既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）来衡量切削过程的变形程度。如下图，平行四边形OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法相对滑移/剪应变,公式表明，剪切角与前角0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等程度。

11、 、均可表示切屑变形程度，但应指出，它们是根据纯剪切的观点提出的，实际切削过程是复杂的，既有剪切，又有前刀面对切屑的挤压和摩擦，所以这些公式不能反映全部变形实质。例如当1时，似没变形，但实际有相对滑移存在。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法变形系数与剪应变,(1)变形系数并不等于剪应变。 (2)当1.5时，对于某一固定的前角，剪应变与变形系数呈线性关系。因此，在一般情况下，变形系数可以在一定程度上反映剪应变的大小。 (3)当=1时，hD=hch，似乎切屑没有变形，但此时剪应变并不等于零，因此，切屑仍有变形。 (4)当0=-15o30o时，变形系

12、数即使具有同样的数值，倘若前角不相同，剪应变仍然不相等，前角愈小，剪应变就愈大。 (5)当1.2时，不能用变形系数来表示变形程度。因为当在11.2之间，变形系数虽然减小，而剪应变变化不大；当1时，变形系数稍有减小，而剪应变反而大大增加。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法变形系数与剪应变,剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角。 剪切角是影响切削变形的一个重要因素。 减小，切屑变厚、变短，变形系数变增大。若能预测剪切角 的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角 的计算式。,第二节 金属切削过程的基本

13、规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,作用在切屑上的力有： (1)前刀面上的法向力Fn和摩擦力F； (2)剪切面上的法向力FshN和剪切力Fsh。 F为Fn和F的合力，称为切屑形成力；Fc为切削运动方向的切削分力，Ff为垂直于切削运动方向的切削分力。 为剪切角；为摩擦角。hD为切削厚度，bD为切削宽度。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,剪切面截面积为： As=AD/sinhDbD/sin 剪切力：FShSASSAD/sinShDbD/sin,又 FSh Fcos（o）,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、

14、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力Fc 和Ff ，在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,根据合力最小原理确定 令dF/d0，得到按最少能量（最小切削合力F）原则来确定剪切角的麦钱特计算式为：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,根据最大剪应力理论确定 在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。由直角自由切削

15、状态下的作用力分析可知，切削合力F的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为45o，即Fs与F的夹角应为45o，故可得到李和谢弗公式：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。 2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。这一结论也说明第变形区的变形与第变形区的变形密切相关。,麦钱特计算式:,李和谢弗公式:,

16、第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（二）切削变形的表示方法剪切角,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（三）影响切削变形的主要因素,从相对滑移、变形系数计算式中可知，切削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。,麦钱特计算式:,李和谢弗公式:,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（三）影响切削变形的主要因素工件材料,工件材料强度愈高，切削变形愈小。这是因为工件材料强度愈高，摩擦系数愈小。减小时，剪切角将增大，于是切削厚度压缩比h (变形系数)将减小。 工件材料的塑性也是影响切

17、屑变形的主要因素。在相同的切削条件下，工件材料的塑性愈大，切削变形就愈大。这是因为工件的塑性越大，抗拉强度和屈服强度越低，在较小的应力条件下就开始产生塑性变形。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（三）影响切削变形的主要因素刀具前角,刀具前角愈大，切削变形愈小。这是因为当o增加时，剪切角增大，因而变形系数减小。另一方面，o增大使摩擦角增加，导致减小，但其影响比o增加的影响小，导致=o减小，从而使增加，变小。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（三）影响切削变形的主要因素切削速度,切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。 在积屑瘤增长

18、的速度范围内, 因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角增大、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。 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（三）影响切削变形的主要因素切削厚度,hDFn增大切削厚度会增大前刀面上的法向力，进而引起摩擦系数的减小。摩擦系数减小，则剪切角增大，减小了切削变形。 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度hD越大，变形系数越小。,第二节 金属切

19、削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,在金属切削过程中，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬度是工件材料硬度的23.5倍，能代替刀刃进行切削，并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物成为积屑瘤。 当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高，又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。,形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度； 积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布等有关。 塑性材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤；(加工硬化：在已加工表面的形成过程中，表层金属经受了复杂的塑性变形

20、，使金属的晶格发生扭曲，晶粒拉长，破碎，阻碍了金属进一步的变形而使金属强化，硬度显著提高。) 在背吃刀量和进给量f保持一定时，积屑瘤高度Hb与切削速度有密切关系。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成,区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成，随着切削速度的提高积屑瘤高度也增加,区：积屑瘤高度随切削速度的提高而减小，当达到区右边界时，积屑瘤消失,区：切削速度进一步提高，由于切削温度较高而冷焊消失，此时积

21、屑瘤不再存在，但切屑的滞留倾向依然存在,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响,积屑瘤前角0和伸出量c,（1）使刀具前角变大 积屑瘤有30o左右的前角，减小了切屑变形，降低了切削力，切削更容易进行。 （2）使切削厚度变化 积屑瘤的前端伸出切削刃之外，使得切削厚度增加，影响工件的加工精度。 （3）使加工表面粗糙度增加,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响,（4）对刀具寿命的影响 积屑瘤的频繁脱落使得积屑瘤碎片反复挤压前刀面和后刀面，加速了刀具磨损。 （5）保护刀具 积屑

22、瘤包围着刀刃和刀面，如果积屑瘤生长稳定，则可代替刀刃和前刀面进行切削，保护了刀刃和刀面，延长了刀具使用寿命。,积屑瘤前角0和伸出量c,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有： （1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。 （2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。 （3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。 （4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,第二节 金

23、属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（四）积屑瘤及其对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响,能否合理地进行切削和形成什么样的切屑有着密切的关系，通过观察切屑的形状可以得到各种有用的信息。 对于不同的切屑，一般按照两种系统进行分类： 形态：按照局部观察切屑时的形状来分，连续还是分离； 形状：按照整体观察切屑时的形状来分，笔直还是卷曲。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制,带状切屑,挤裂/节状切屑,单元/粒状切屑,崩碎切屑,切屑形态照片,切屑的类型是由材料的应力应变特性和塑性变形程度决定。按切屑形成机理分为带状、节状、粒状和崩碎四种形态。,

24、第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的类型,提示：单击图片播放录像,形成条件,影响/特点,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,加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大,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

25、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/节状切屑,单元/粒状切屑,崩碎切屑,切屑类型及形成条件,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,为了满足切屑的处理及运输要求，还需按照切屑的形状进行分类，大致有带状、C型、崩碎、螺卷、长紧卷、发条状、宝塔状等。,带状屑,C形屑,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的类型,崩碎屑,宝塔屑,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的类型,长紧卷屑,发条状卷屑,螺卷屑,第二节 金属

26、切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的类型,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的类型,国际标准化组织的切屑分类,一般情况下，不希望得到带状切屑，只有在立式镗床上镗盲孔时，为了使切屑顺利排除孔外，才要求形成带状切屑或长螺卷屑； C型屑不缠绕工件，也不易伤人，是一种比较好的屑形。但其高频碰撞和折断会影响切削过程的平稳性，对已加工表面质量有影响，精车时希望形成长螺卷屑； 在重型机床上用大切深、大进给量车削钢件时，C型屑易损坏切削刃和飞崩伤人，希望形成发条状切屑； 在自动机或自动线上，宝塔状切屑是一种比较好的屑形；

27、车削铸铁、黄铜等脆性材料时，为避免切屑飞溅伤人或损坏滑动表面，应设法使切屑连成卷状。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的类型,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。,切屑的卷曲,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）,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的控制,自然卷屑：利用前刀面上形成的积屑瘤使切屑自然卷曲。,卷屑槽与卷屑台卷屑：强迫卷屑法，在前刀面上磨出适当的卷屑槽或安装附加的卷屑

28、台，当切屑流经前刀面时，与卷屑槽或卷屑台相碰而使它卷曲。,自然卷屑,卷屑槽卷屑,卷屑台卷屑,卷屑基本原理：设法使切屑沿前刀面流出时，受到一个额外的作用力，在该力作用下，使切屑产生一个附加的变形而弯曲。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的控制,断屑方法：使卷曲后的切屑与工件相碰，使切屑根部的拉应力越来越大，最终导致切屑完全折断；使卷曲后的切屑与后刀面相碰，使切屑根部的拉应力越来越大，最终导致切屑完全断裂，形成C型屑。,发条状切屑碰到工件上折断,C形屑撞到工件上折断,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制

29、切屑的控制,切屑碰到后刀面上折断,采取以下措施对切屑实施控制:,1、采用断屑槽：通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的控制,折线型和直线圆弧型适用于碳钢、合金钢和不锈钢； 全圆弧型的槽底前角o大，适用于加工塑性高的金属材料和重型刀具。,2、改变刀具角度： 增大刀具主偏角Kr，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角0可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可以控制切屑的流向，s为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑。s为负值时，切屑常卷曲后碰

30、到已加工表面折断成C形屑或6字形屑。,3、调整切削用量：提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。,采取以下措施对切屑实施控制:,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,一、切削变形与切屑,（五）切屑的类型与控制切屑的控制,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,金属切削过程中，刀具作用于工件使工件材料发生变形，并使多余材料变为切屑所需的力称为切削力。 切削力是金属切削过程中的基本物理现象之，直接影响切削热、刀具磨损与耐用度，也是影响加工工件质量、工艺系统

31、强度和刚度的重要因素。 研究和计算切削力是计算切削功率，设计和使用刀具、机床、夹具，制定合理的切削用量，以及优化刀具几何参数的重要依据。同时对分析切削过程并进一步研究切削机理、指导生产实际都具有非常重要的意义。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（一）切削力的来源, 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力,r,Fc,F,Fp,Ff p,Ff,Ff p,Ff p,f,v,Fp/Fy,切深抗力,Ff /Fx,进给抗力,为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力F 在按主运动速度方向、切深方向、进给方向分解成三个分力。,第二节 金属切削过程的基本

32、规律与控制,二、切削力,（二）切削力合力及分解,Fp=FyFpf.coskr；Ff=Fx=Fpf.sinkr,一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些 Fp（0.150.7）Fc，Ff（0.10.6）Fc Fc 是计算切削功率和设计机床的主要依据； Fp 影响加工精度和已加工表面质量； Ff 在设计进给机构或校核其强度时用。,Fp=FyFpf.coskr；Ff=Fx=Fpf.sinkr,式中，Fpf合力在Fr基面上的分力。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（二）切削力合力及分解,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

33、换后，读出Fz、Fx、Fy的值。 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. 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。,实际生产中，切削力的大小一般使用由实验结果建立起来的经验公式来计算。求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的测量,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的测量,传感器是一个在弹性体上粘贴着电阻应变片的转换元件，通过它使切削力的变化转换成电量的变化。

34、将电阻应变片连接成电桥电路，当应变片的电阻值变化时，则电桥不平衡，产生了电流或电压讯号输出，该讯号经应变仪放大，并由计录仪显示出来。 通过标定就能作出电量与切削力之间的关系图表。在测力时根据记录的电量，可以从标定图表上查出对应的切削力数值。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的测量,由于工件与后刀面的接触情况较复杂，且具有随机性，应力状态较为复杂，所以后刀面上的切削力定量计算较困难。但实验表明：当刀具保持锋利状态时，后刀面上的切削力仅占总切削力的3%-4%，可忽略不计。此时，主切削力为：,单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用Kc（N/mm）：,

35、第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（理论公式）,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. 通过切削力实验建立的切削力实验公式，其一般形式为：,式中，CFc、 CFp、 CFf影响系数，其大小与实验条件有关； xFc、xFp、xFf背吃刀量对切削力影响指数； yFc、yFp、yFf进给量对切削力的影响指数； nFc、nFp、nFf切削速度对切削力的影响指数； KFc、KFp、KFf计算条件与实验条件不同时对切削力的修正系数。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（经验公式）,第二节

36、 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（经验公式）,建立主切削力Fc实验公式的基本原理,根据实验得到的ap Fc 、f Fc许多对应值，就可在双对数坐标中连成如图所示两条直线图形。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（经验公式）,xFz、yFZ分别为ap-Fc、f- Fc直线图形中的斜率， 通常， xFc=1、 yFc =0.75-0.9； Cap、Cf分别为ap-Fc、f- Fc直线图形中的截距； 取两图中任意一对ap-Fc和f- Fc直线，可以求出CFc。 同理，经实验可求出 Fp 与 Ff 的实

37、验公式。 在科学研究中，为了获得精确的实验结果，应该是根据正交设计原理确定实验方案，并将实验数据进行一元回归分析，利用最小二乘法求出各系数和指数。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（经验公式）,单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用kc（N/mm）：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（单位切削力）,=CFc f-0.16 上式表明，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，但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。

38、 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较为简易直观。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（单位切削力）,实际应用中，用P0.3表示f0.3mm/r时的单位切削力，通过增加修正系数，可以求出不同进给量时的单位切削力。 其中， 为进给量改变时对单位切削力的修正系数。此时的切削力可以表示为,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（单位切削力）,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（单位切削力

39、）,根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率PE应为,消耗在切削过程中的功率称为切削功率：,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（三）切削力的测量与计算切削力的计算（切削功率）,可以看出，被加工材料的抗剪变形、切削面积愈大，剪切角愈小，前角愈小，则切削力愈大。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,1工件材料的影响 工件材料是通过其本身的物理机械性质、加工硬化能力、化学成分、热处理状态，切削前的加工状态等影响切削力的大小的； 或：工件材料是通过其剪切屈服强度s、塑性变形、切屑与刀具间摩擦系数等条件影响切削力的。,第

40、二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,工件材料的强度、硬度越高，切削力越大； 材料的硬化能力大，如奥氏体不锈钢强度，硬度较低，但强化系数大，加工硬化能力大，较小的变形就使硬度大为提高，使切削力增大； 化学成分影响材料的物理机械性能的变化而影响切削力，如正常钢中增加含硫量或添加铅会引起成分间的应力集中，易形成挤裂切屑，使切削力降低2030； 同一材料，热处理状态不同，硬度不同，切削力就有大小之别； 切削脆性材料时，被切材料的塑性变形很小，加工硬化小，切屑为崩碎切屑，与前刀面的摩擦较小，故其切削力相对较小。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,2切削

41、用量的影响背吃刀量aP和进给量f,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，但影响程度不同。 因刀刃钝圆半径的关系，刃口处的变形大，aP增大时，该处成比例增加，变形系数不变，切削力成正比增大；f 增大时,hD增大，减小，故切削力不成正比增大。 增加ap的切削力较增加f 的切削力大，实验公式中ap的指数接近于1，而f 近于0.750.9也说明这一点。所以，在同样的切削面积下，采用大的f 较采用大的ap省力。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,加工塑性金属时，切削速度vc

42、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。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。,2切削用量的影响切削速度,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,加工钢料等塑性材料时，o增大，减小，切削力减小；加工铸铁等脆性材料时，因变形和加工硬化小， o对力的影响不太显著。,3刀具几何参数的影响前角0,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,在锋利的切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃区强度，从而提高刀具使用寿命；但负倒棱使切削变形增加，切削力变大。,负倒

43、棱对切削力的影响,3刀具几何参数的影响负倒棱,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素, 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff）,3刀具几何参数的影响主偏角r,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,由实验可知，刃倾角s对主切削力FC影响很小，但对切深抗力FP、进给抗力Ff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r减小，刀刃锋利，切削变形减小，上述作用的结果是使FC变化很小。,3刀具几何参数的影响刃倾角s,第二节 金属切削过程的基

44、本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,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FP增大、进给分力Ff减小。 通常刃倾角s每增减l，使切深分力FP增减23。 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。,3刀具几何参数的影响刃倾角s,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素, 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力。 切削液：有润滑作用，使切削力降低。 后刀面磨损：使切

45、削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著。,3刀具几何参数的影响其它因素的影响,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,二、切削力,（四）影响切削力的因素,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重要物理现象。 切削时做的功，可转化为等量的热。切削热除少量散逸在周围介质中外，其余均传入刀具、切屑和工件中，并使它们温度升高，引起工件变形、加速刀具磨损。 因此，研究切削热与切削温度具有重要的实用意义。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（一）切削热的产生与传导切削热的产生,切削热是由切削功转变而来的，如下图所示。,1、

46、产生原因： 切削层的弹性及塑性变形。 切屑与前刀面，工件与后刀面的摩擦。,第一变形区： 60%的热量,第二变形区： 30%的热量,第三变形区： 10%的热量,塑性材料,剪切区变形功形成的热QP、切屑与前刀面摩擦功形成的热Qrf、已加工表面与后刀面摩擦功形成的热Qf。,切削热的来源就是剪切变形功和前、后刀面的摩擦功。 由于切削时所消耗的机械功率的大部分（99）转化为热能，故单位时间内产生的切削热: Q(J/s) =Fc Vc 其中，Fc主切削力，N；Vc切削速度，m/s.,第一变形区： 60%的热量,第二变形区： 30%的热量,第三变形区： 10%的热量,Q=Qp+Qrf+Qaf,第二节 金属切

47、削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（一）切削热的产生与传导切削热的产生,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Qr。切削热的形成及传导关系为： Qw、 Qch取决于工件材料的导热系数； Qc越高，刀具传走的热量也越多，可降低切削区温度； Qr取决于周围介质的情况，加冷却性能好的切削液使Qr增加，可降低切削区温度。,Q=Qp+Qrf+Qf=Q屑+Q刀+Q工+Q介,在不使用冷却液的情况下： Q屑Q刀Q工Q介,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（一）切削热的产生与传导切削热的传导,实验表明，由切屑、刀具、工件和周围介质传出的热量比例大

48、致为： 车削：5086由切屑带走，1040传入车刀，39传入工件，1左右传入空气。 钻削：28由切屑带走，14.5传入刀具，52.5传入工件，5传入周围介质。 切削塑性金属时切削热主要由剪切区变形热和前刀面摩擦热形成；切削脆性金属时则后刀面摩擦热占的比例较多。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（一）切削热的产生与传导切削热的传导,切削温度与变形功、摩擦功和热传导有关。即，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。,第二节 金属切削过程

49、的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素,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,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素（切削用量）,切削速度提高，摩擦热生成的时间极短，而切削热向切屑内部和刀具内部传导需要一定时间，故摩擦热来不及传导，而是大量积聚在切屑底层，使切削温度升高。 随着进给量的增加，金属切除率增多，温度升高；同时，单位切削力和单位切削功率减小，切除单位体积金属所产生的热量减小，切屑的热

50、容量增大，由切屑带走的热量增加，切削区的平均温度上升的不明显。 切削深度增加后，虽然热量成比例地增加，但同时切削刃参加切削地工作长度也成比例地增大，改善了散热条件，故切削深度对切削温度的影响很小。 在提高金属切除率的同时，为了有效地控制切削温度以延长刀具使用寿命，优先选用大的切削深度，其次是进给量，而必须严格控制切削速度。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素（切削用量）,切削温度随前角o的增大而降低。这是因为前角增大时，单位切削力下降，使产生的切削热减少的缘故。 但前角大于1820后，对切削温度的影响减小，这是因为楔角变小而使散热体积减小的

51、缘故。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素 （刀具几何参数）,1、前角o,主偏角r增大时，使切削宽度bD减小，切削厚度hD增大，因此，切削变形和摩擦增大，切削温度升高。 但当切削宽度bD 增大后，散热条件改善。由于散热起主要作用，故随着主偏角kr减少，切削温度下降。,2、主偏角r,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素 （刀具几何参数）,3、负倒棱及刀尖圆弧半径,负倒棱b1在(02)f 范围内变化，刀尖圆弧半径re在01.5mm范围内变化，基本上不影响切削温度。 因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径

52、的增大，会使塑性变形区的塑性变形增大，但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善，传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很小。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素 （刀具几何参数）,刀具磨损后，切削区金属的变形增加，刀具与工件的摩擦增加，使切削热增多 在后刀面的磨损值达到一定数值后，对切削温度的影响增大，切削速度愈高，影响就愈显著。 合金钢的强度大，导热系数小，所以切削合金钢时刀具磨损对切削温度的影响，就比切碳素钢时大。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素（刀具磨损）,

53、工件材料的强度（包括硬度）和导热系数对切削温度的影响是很大的。 由理论分析知，单位切削力是影响切削温度的重要因素，而工件材料的强度（包括硬度）直接决定了单位切削力，所以工件材料强度（包括硬度）增大时，产生的切削热增多，切削温度升高。 工件材料的导热系数则直接影响切削热的导出。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（二）影响切削温度的主要因素 （工件材料）,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的关系。 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。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（

54、二）影响切削温度的主要因素 （切削液）,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。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（三）切削温度的测定与分布 （切削温度的测定）,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,利用工件材料和刀具材料化学成分不同，而组成热电偶的两极。 工件与刀具在接触区内因切削热

55、的作用而使温度升高，从而形成热电偶的热端；而刀具的尾端及工件的引出端保持室温，形成热电偶的冷端。 热端与冷端有热电势产生。刀具工件自然热电偶的温度与输出电压的关系，应事先进行标定。根据测得的切削过程的热电势，在标定曲线上查出对应的温度值。 为提高测温温度，工件和刀具应与机床绝缘。 用这种方法测得的是切削区的平均温度，当更换刀具材料或工件材料时，需重新标定温度 输出电压曲线。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（三）切削温度的测定与分布 （切削温度的测定自然热电偶法）,要测量刀具或工件上某点的温度，可采用人工热电偶法。 它是两种预先经过标定的金属丝组成的热电偶。它的热端

56、固定在刀具或工件上预定要测量温度的点上，冷端通过导线串接在电位计、毫伏计或其它记录仪器上。根据输出的电压及标定曲线，可以测定热端的温度。 为了正确反映切削过程真实的温度变化，要求把安放热电偶金属丝的小孔作的愈小、愈近测量点愈好。但钻孔破坏了温度场，测量结果是有误差的。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（三）切削温度的测定与分布 （切削温度的测定人工热电偶法）,二维切削中的温度分布 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, 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削

57、脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（三）切削温度的测定与分布 （切削温度的分布）,切削塑性材料时：刀具上温度最高处是在距离刀尖一定长度的地方，该处由于温度高而开始磨损。 由于切屑沿前刀面流出时，热量积累越来越多，而热传导又十分不利时，在距离刀尖一定长度的地方的温度就达到最大值。 切削脆性材料时：第一变形区的塑性变形不太显著，且切屑呈崩碎状，与前刀面接触长度大大减小，使第二变形区的摩擦减小，切削温度不易升高，只有刀尖与工件摩擦，即只有第三变形区产生的热量是主要的。 故切削脆性材料时，最高切削温度在刀尖处且靠近后刀面的地方，磨损也将首

58、先从此处开始。, 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。,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（三）切削温度的测定与分布 （切削温度的分布）,剪切面上各点温度几乎相等，可见剪切面上的应力应变基本上是相等的。该处的温度是变形功造成的，是变形后温度才升高的，因此切削温度对切削力的影响不会很大； 前后刀面的最高温度都不在刀刃上，而是在离刀刃有一定距离处，这是摩擦热沿刀面不断增加的缘故。在前刀面上后边一段的接触长度上，由内摩擦转化为外摩擦，摩擦逐渐减少，热量又在不断传出，所以温度开始逐渐下降； 切屑靠近前刀面的一层上温度梯度很大，离前

59、刀面0.10.2mm，温度就可能下降一半，说明前刀面上的摩擦热是集中在切削的底层。即摩擦热对切屑底层金属的剪切强度、前刀面的摩擦系数将有很大的影响；而对切削上层金属强度将不会有显著的改变；,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,三、切削热和切削温度,（三）切削温度的测定与分布 （切削温度的分布）,切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。从而影响加工质量、生产率、加工成本。 如果刀具设计合理，制造、刃磨质量符合要求，使用正确，则刀具主要是由于正常磨损而钝化。 突然崩刃、卷刃或碎裂，则往往是由于刀具材料的韧性或硬度太低、焊接或刃磨的裂纹、刀具几何参数不合理、切削用量选择不妥、操作不当等所造成，称非正常磨损。 正常磨损是连续的逐渐磨损，非正常磨损包括脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损两种,第二节 金属切削过程的基本规律与控制,四、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。 按磨损部位的不同，刀具正常磨损的形式有3种：前刀面磨损、后刀面磨损、前刀面和后刀面同时磨损。 （正常