金属切削过程物理现象与规律

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1、金属切削过程是指通过切削运动，刀具从 工件表面切除多余的金属层，形成已加工表 面的过程。 在这一过程中出现的物理现象有切削变形、 卷屑与断屑、切削力、切削热与切削温度、 刀具的磨损与刀具寿命等。 -研究切削过程，就是研究这些个现象。 2.3 金属切削过程物理现象及规律 切削方式： 2.3.1 金属切削过程金属切削过程 压缩变形 切削变形 切削形成： 2.3.1 金属切削过程金属切削过程 2.3.1 金属切削过程金属切削过程 切屑形成的过程实质是 切削层受到前刀面的挤压 后产生的以滑移为主的塑 性变形过程。 切削层AFHD可以看成是 由许多平行四边形扁块组 成的， 如ABCD、BEGC、 EFH

2、G等。当这些扁块受到 刀具前刀面的推挤时， 便 经过滑移形成另一些扁块， 如如ABCD ABCD 滑移成滑移成ABCDABCD， BEGC BEGC 滑移成滑移成BEGCBEGC， EFHG EFHG 滑移成滑移成EFHGEFHG。 a) 第一变形区第一变形区 （剪切滑移区剪切滑移区） 切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切 屑，下面屑，下面以钢薄片的以钢薄片的直角自由切削为例，分析较典型的连续切直角自由切削为例，分析较典型的连续切 屑的形成过程。屑的形成过程。 切削层受到刀具前切削层受到刀具前 刀面与切削刃的挤压作刀面与切

3、削刃的挤压作 用下，使近切削刃处的用下，使近切削刃处的 金属先产生弹性变形，金属先产生弹性变形， 继而塑性变形，在这同继而塑性变形，在这同 时金属晶格产生滑移。时金属晶格产生滑移。 左图是取金属内部质点左图是取金属内部质点 P来分析滑移来分析滑移 过程。过程。 始滑移线始滑移线 终滑移线终滑移线 第一变形区，宽度第一变形区，宽度0.02- 0.2mm，称剪切面，称剪切面 b) 第二变形区第二变形区 经过第一变形区后，形成的切屑沿前刀面方向排出，经过第一变形区后，形成的切屑沿前刀面方向排出， 还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此，在该还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此，在该 区

4、域内金属变形特点就是区域内金属变形特点就是切屑在前刀面上发生的摩擦挤压切屑在前刀面上发生的摩擦挤压 变形，变形，这个变形主要集中这个变形主要集中在与前刀面接触的切屑底部一薄在与前刀面接触的切屑底部一薄 层金属内，层金属内，这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长，这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长， 成纤维化，基本与前刀面平行。成纤维化，基本与前刀面平行。 （挤压摩擦区）挤压摩擦区） 另外，由于切屑层底另外，由于切屑层底 层受前刀面的挤压而膨胀层受前刀面的挤压而膨胀 ，使切屑背向前刀面卷曲，使切屑背向前刀面卷曲 ，最后在某一点开始与前，最后在某一点开始与前 刀面脱离接触。刀面脱离接触。 c)

5、 第三变形区第三变形区 （挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区） 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩 擦，造成加工硬化及擦，造成加工硬化及纤维化纤维化。影响着加工表面质量。影响着加工表面质量。 第第变形区变形区 形成切屑变 形区，近切削刃处切削层 内产生的塑性变形区； 第第变形区变形区与前刀面 接触的切屑层内产生的 变形区。挤压摩擦变形； 第第变形区变形区近切削 刃处已加工表层内产 生的变形区 （后刀面 与工件的接触区域）。 挤压摩擦变形； (1) 三个变形区分析 总结一下总结一下： 2.3.1 金属切削过程金属切削过程 (2) 切屑类型与

6、控制 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，单元状不规则块状颗粒 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 增大进给量 加工脆性材料， 进给量越大越易形成 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

7、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 带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑 表2-5 切屑类型及形成条件 切屑类型 带状切屑 挤裂切屑 节状切屑崩碎切屑 图2-11 切屑形态照片 切屑的形状切屑的形状 1、切屑形状的分类、切屑形状的分类 切屑的形状大体有切屑的形状大体有 带状屑、带状屑、C C型屑、型屑、 崩碎屑、螺卷屑、崩碎屑、螺卷屑、 长紧卷屑、发条状屑、长紧卷屑、发条状屑、 宝塔状屑等宝塔状屑等 不良的切屑：工件的影响、机床的影响、 刀具的影响、操作者的影响。 为了保证切削过程正常进行，在切削加工 中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流 出和折断，使形成“可接受”的良

8、好屑形。 措施：卷屑、断屑。 积屑瘤定义：积屑瘤定义： 在切速不高，而且又能连续切削的情况下， 加工一般的钢料或其它塑性材料时，在刀具的前 刀面常常粘结一块硬度很高的呈三角形的硬块， 这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤。 产生原因：产生原因： 切屑与刀具前刀面在一定的压力和温度下， 由于内外摩擦的作用，使切屑聚积在刀具的前刀 面，发生加工硬化，形成了比工件材料硬度高的 一个硬块，粘在刀具前刀面。 (3) 积屑瘤积屑瘤 积屑瘤对切削过程有什么影响？是利是弊？如何控制？积屑瘤对切削过程有什么影响？是利是弊？如何控制？ 1. 代替刀具切削 ，保护刀具 2. 实际工作前角增大，刀具越锋利 3.

9、产生过切犁沟， 精度 4. 增大已加工表面粗糙度 积屑瘤对精加工是不利的， 应避免它产生。 (3) 积屑瘤积屑瘤 图图2 2- -12 12 积屑瘤与切削速度关系积屑瘤与切削速度关系 区：区：切削速度很低，形成粒状切削速度很低，形成粒状 或节状切屑，没有积屑瘤生成。或节状切屑，没有积屑瘤生成。 区：区：形成带状切屑，冷焊形成，形成带状切屑，冷焊形成， 随切削速度提高积屑瘤也增大。随切削速度提高积屑瘤也增大。 区：区：积屑瘤随切削速度提高减积屑瘤随切削速度提高减 小，小，区右边界时，积屑瘤消失。区右边界时，积屑瘤消失。 区：区：切削速度进一步提高，积切削速度进一步提高，积 屑瘤不再存在了。屑瘤不

10、再存在了。 积屑瘤对精加工是不利的，积屑瘤对精加工是不利的， 应避免它产生：应避免它产生： 合理选切削速度；合理选切削速度； 降低工材塑性；降低工材塑性； 增大前角；增大前角； 减小进给量；减小进给量； 采用润滑液等。采用润滑液等。 切削力是设计和使用机床、切削力是设计和使用机床、 刀具、夹具的重要依据。刀具、夹具的重要依据。 切削力的产生：切削力的产生： 被切削材料的弹性变形抗被切削材料的弹性变形抗 力、塑性变形抗力力、塑性变形抗力, , 刀具与切刀具与切 屑、工件表面之间的摩擦力。屑、工件表面之间的摩擦力。 2.3.2 切削力与切削功率切削力与切削功率 22 FFF f F n F n F

11、 1 1. .总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 （1 1）总切削力总切削力 Fr的分解的分解 将切削合力将切削合力F F分解为三个互相垂直的分力分解为三个互相垂直的分力Fc、Ff、Fp F Fc c 主切削力主切削力（切向力切向力），与切削速度方向一致；与切削速度方向一致； F Ff f 进给力进给力，与进给方向相反与进给方向相反，车外圆时称为车外圆时称为轴向力轴向力； F Fp p 背向力背向力( (切深抗力切深抗力) )，与进给方向垂直与进给方向垂直，又称又称径向力径向力。 2.3.2 切削力与切削功率切削力与切削功率 22 222 rcN cpf FFF FFF 1 1.

12、 .总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 （1 1）总切削力的分解总切削力的分解 cosN y FFr sin xN FFr (0.15 0.7) (0.100.6) yz yz FF FF 222 rcpf FFFF （2 2）切削功率切削功率 4 6 10 zc F Pc v 单位：kw Fz切削力，单位：N； vc切削速度，单位：m/min。 1 1. .总切削力的分解和切削功率总切削力的分解和切削功率 主切削力Fz消耗了切削总功率的95%左右。 c机床传动效率， 一般取c= 0.750.85。 c c E P P 2. 2. 切削力的测量切削力的测量 1）测定机床功率，计算

13、切削力； 2）用测力仪测量切削力。 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。目前常用的 测力仪有电阻式测力仪和压电式 测力仪。 在生产实际中，一般都用经验 公式来计算切削力。 3. 3. 切削力的经验公式切削力的经验公式 9.81 FcFcFc xyn cFcpcFc FC afvK 决定于被加工金属和切削条件的系数。 当实际加工条件与所求得的经验公式的， 各种因素对切削力的修正系数的积。 背吃刀量、进给量、切削速度的指数 。 3. 3. 切削力的经验公式切削力的经验公式 9.81 9.81 9.81 FcFcFc FpFpFp FfFfFf xyn cFc

14、pcFc xyn PFppcFp xyn fFfpcFf FC afvK FC afvK FC afvK 注：各种工件材料的系数和指数参考表2.4。 也可在有关手册中查到。 222 rcpf FFFF 计算举例计算举例 ： 用用YT15硬质合金车刀外圆纵车硬质合金车刀外圆纵车b= =0 0. .637637 GPaPa的结构钢的结构钢， 车刀几何参数为车刀几何参数为 o o= =1010、 r r= = 45 5、l ls s= = 0，切削用量切削用量 为为、f = =0 0. .4 4mm/r/r、vc = = 1.7 m/s。 试计算切削力试计算切削力F Fc、F Fp、F Ff及切削功

15、率及切削功率P Pc c。 4 P amm 9.81 FcFcFc xyn CFcpcFc FC afvK 切削速度：切削速度：m/min 进给量：进给量：mm/r 背吃刀量：背吃刀量：mm 3. 3. 切削力的经验公式切削力的经验公式 解解 ：查表：查表2.4得：得： CFc=270 xFc=1.0 yFc=0.75 nFc=-0.15 =9.8127040.40.75(1.760)-0.151 =2662N 9.81 FcFcFc xyn CFcpcFc FC afvK 3. 3. 切削力的经验公式切削力的经验公式 3 2662 1.7 104.52 kw czc PF v 4. 影响切削力的因素 切削力产生于变 形抗力和摩擦力 1）工件材料的影响）工件材料的影响 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大， 切削力越大。切削力越大。 在切削层面积一定的情况下，工件材料强度和硬度 高，切削力大，但不成正比。 在同等强度与硬度情况下， 材料的塑性越大， 切 削力越大。 4. 影响切削力的因素 2 2）刀具几何参数的影响）刀具几何参数的影响 前角前角0 0的影响的影响 加工塑性材料时，加工塑性材料时，0 0F F 加工脆性材料时，切削变形很加工脆性材料时，切削变形很 小，小， 0 对对