七章 切削原理讲解

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1、1,切削原理,本章要点,切屑的形成过程,切削力及其影响因素,切削热与切削温度,积屑瘤、残余应力和加工硬化,刀具磨损与刀具寿命,切削用量的选择,高速加工技术,2,切削原理 Cutting Theory,切屑的形成过程 Process of Chip Forming,3,7.1.1 金属切削过程的变形,没有副刃参加切削，且s = 0。,4,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

2、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7-2 金属挤压与切削比较,7.1.1 金属切削过程的变形,5,图7-3 切屑根部金相照片,7.1.1 金属切削过程的变形,6,7.1.1 金属切削过程的变形,图7-4 切削变形实验设备与录像装置,7,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7-5 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。,7.1.1 金属切削过程的变形,8,7.1.2 切屑

3、类型与变形系数,9,7.1.2 切屑类型与变形系数,图7-6 切屑形态照片,10,7.1.2 切屑类型与变形系数,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（图7-7）,图7-7 切屑的卷曲,图7-8 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7-8）,11,切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。,7.1.2 切屑类型与变形系数, 厚度变形系数,（7-1）, 长度变形系数,（7-2）,12,7.1.2 切屑类型与变形系数,当0 = 030，h 1

4、.5时， h与相近 主要反映第变形区的变形，h还包含了第变形区的影响。,（7-3）,13,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。,7.1.3 切屑与前刀面的摩擦变形,图7-11 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沾接，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。,14,7.1.4 已加工表面的变形,切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。,A点以上部分沿前刀面流

5、出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。,A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。,15,7.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理,GGC （7-4）,式中 G 裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能 释放率）； GC 裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩 展阻力）。,K1K1C （7-5）,式中 K1 应力强度因 子； K1C K1临界值。,对于型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断裂条件为：,16,7.1.5 硬脆非金属材料切屑形成机理, 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图7-13）,17,7.1.6 磨削机理, 磨

6、粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为60 85） 磨粒及切削刃随机分布 磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）,18,7.1.6 磨削机理, 弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件 塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕（犁沟），但无磨屑产生 切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨屑，沿磨粒前刀面流出 具体到每个磨粒，不一定三个阶段均有,图7-14 磨屑形成过程 a）平面示意图 b）截面示意图,19,第7章 切削原理 Cutting Theory,7.2 切削力 Cutting Force,20,7.2.1 切削力的来源与分

7、解,切削力来源, 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,21,7.2.2 切削力经验公式,切削力经验公式,（7-6）,式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。,22,7.2.2 切削力经验公式,（7-7）,式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。,（7-8）,23,7.2.2 切削力经验公式,机床电机功率,式中 机

8、床传动效率，通常= 0.750.85,（7-10）,（7-9）,指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率,24,7.2.3 影响切削力因素,工件材料,切削深度与切削力近似成正比； 进给量增加，切削力增加，但不成正比； 切削速度对切削力影响复杂（图3-16）,25,7.2.3 影响切削力因素, 前角0 增大，切削力减小（图7-17）, 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，图7-18）,刀具几何角度影响,26,7.2.3 影响切削力因素,刀具几何角度影响, 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff） 刀

9、尖圆弧半径 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） ；, 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：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ；,27,第7章 切削原理 Cutting Theory,28,7.3.1 切削热的来源与传出,切削热来源, 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去, 主要来源 QA=QD+QFF+QFR （3-12）,（7-11）,式中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面

10、摩擦、后刀面摩擦产生的热量,29,7.3.2 切削温度及分布,TJ University,切削温度分布, 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。,30,7.3.3 影响切削温度的因素,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,（7-12）,31,7.3.3 影响切削温度的因素,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,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度 工件

11、材料导热性 切削温度,刀具磨损的影响,冷却液的影响,32,7.3.3 切削温度的测量,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（图3-22）。, 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。,33,7.3.4 磨削热与磨削温度,磨削热, 磨削区温度 砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。 磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨

12、粒磨损有直接关系。 工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。,磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。,34,第7章 切削原理 Cutting Theory,35,7.4.1 积屑瘤,积屑瘤成因, 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化, 增大前角，保护刀刃 影响加工精度和表面粗糙度,滞留粘接长大,36,7.4.2 残余应力,残余应力概念,未施加任何外力作用情况下，材料内部保持平衡而存在的应力。, 残余张应力： 易使加工

13、表面产生裂纹，降低零件疲劳强度 残余压应力： 有利于提高零件疲劳强度 残余应力分布不均： 会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度,37,7.4.2 残余应力, 热塑变形效应：表层张应力，里层压应力 里层金属弹性恢复：若里层金属产生压缩变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力 表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力 实际应力状态是上述各因素影响的综合结果,残余应力产生原因, 控制切削过程：尽可能减小残余应力 时效处理：最大限度减小残余应力 残余压应力的利用：采用滚压、喷丸等方法,38,7.4.3 加工硬化,加

14、工硬化概念,已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象,加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化, 硬化程度,（7-13）,式中 H 硬化层显微硬度（HV）； H0 基体层显微硬度（HV）。, 硬化层深度,指硬化层深入基体的距离hd（m）,39,7.4.3 加工硬化, 减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等 减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等 进行适当的热处理,40,第7章 切削原理 Cutting Theory,41,7.5.1 刀具磨损,刀具磨损形态, 正常磨损,前刀面磨损,形式：月牙洼 形成条件：加工塑性材料，v大，hD大 影响：削弱刀刃强度，

15、降低加工质量,后刀面磨损,形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax） 形成条件：加工塑性材料, v 较小, 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,42,7.5.1 刀具磨损, 非正常磨损,破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）,43, 磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊） 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 中等偏低切速,粘结磨损加剧, 扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，在切削刃工作边界发生,7.5.1 刀具磨损,刀具磨损原因,44,7.5.2 刀具寿命,刀具寿命（耐用度）概念, 刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。 刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。,（7-14）,式中CT 、m、n、p 为与工件、刀具材料等有关的常数 。,（7-