机械制造技术3讲解

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1、第三章 切削过程及控制 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、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。 第一节 金属切削过程及切屑类型 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 （图）。 2切屑形成过程模型

2、图31 图 挤压与切削的比较 图31 切屑形成过程模型 二、三个变形区 根据实验时的切削层变形图片可绘制如图3-2所示的 切削变形模型，其变形大致可分为三个变形区。 1. 第一变形区 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（）。 图32 金属切削过程中的滑移线和流线示意图 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（）。 2. 第二变形区 在已加工

3、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 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 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3-3所示。 三、第一变形区内金属的剪切变形 图33 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

4、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3-4） 。 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，两者之间成一夹角（图3-5）。 切屑形成本质 图34 晶粒滑移示意图 图35 滑移与晶粒的伸长 1. 剪切角 四、切削变形程度的表示方法 剪切角 剪切面 积变形程度切削力 。 图36 剪切面 p与切削速度(主运动)方向之间

5、的夹角称为 剪切角，用表示 图36 角与剪切面面积的关系 图37 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 五前面上的挤压与摩擦及其对切屑变形的影响 1. 作用在切屑上的力 刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8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

6、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38 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 2. 前刀面上的摩擦 在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面 之间不是一般的外摩擦，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 。 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

7、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。 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。 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310 切屑和前面摩擦情况示意图 六、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312 积

8、屑瘤高度与切削速度关系示意图 4）积屑瘤对起削过程的影响 v实际前角增大（图3-13）； v增大切削厚度（图3-13） ； v使加工表面粗糙度增大； v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313 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

9、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 七、影响切屑变形的主要因素 1. 工件材料的力学性能 材料强度越高，塑性越小 ，则变形系数越小，切削变 形减小（图）。 2.切削用量 （1）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。 （图） 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

10、切削速度增大 ，变形系数逐渐地减小。 图 工件材料强度对变形系数的影响 图 切削速度对变形系数的影响 （2）进给量 当进给量f增大时，切削层 厚度hD增大，切屑的平均 变形减小，变形系数减小 (图)。 3.刀具几何参数 （1）前角0前角增大，剪切角增 大，而剪切角越大，则 变形系数减小。 变形系数与前角之间的 关系如图所示。 (2)刀尖圆弧半径r 刀尖圆弧半径越大， 变形系数越大，切削 变形越大。（图） 图 切削厚度与变形系数的关系 图 前角对变形系数的影响 图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响 带状切屑 最常见的屑型之一（图3-15a）。 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条

11、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。 八、切屑的类型 挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。 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3-15b)。 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3-15c)。 崩碎

12、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3-15d) 。 图315 切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑 图315 切屑类型 C）单元切屑 d ) 崩碎切屑 已加工表面的形成与第三变形区的关系密切； 刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加 工表面产生剧烈的塑性变形(图3-16a)。 表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的 残余应力。 加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量和 工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀

13、具磨 损。 钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等 因素。 九、已加工表面的形成过程 图316 已加工表面的形成过程 第二节 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3-18） 。 图3-18 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3-19)。 切削力Fz(Fc) （旧称主切削力，用Fz

14、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 Fy（Fp） 进给力Fx (Ff) 旧称径向分力，用Fy表 示 总切削力在垂 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。 旧称轴向分力，用Fx表示 总切削力在进给方向 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3-19 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

15、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

16、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 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，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。