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1、1 第第3 3章章 切削原理切削原理 本章要点本章要点 切屑过程 切削力 切削热与切削温度 刀具磨损与刀具寿命 金属切削条件的合理选择 磨削原理 高速切削与磨削 2 机械制造技术基础机械制造技术基础 3.13.1 切屑过程切屑过程 Process of Chip FormingProcess of Chip Forming 第第3 3章章 切削与磨削原理切削与磨削原理 Cutting TheoryCutting Theory 3 3.1.1 3.1.1 切削的形成过程切削的形成过程 直角切削直角切削 没有副刃参加切削，且s = 0。 图3-1 直角、斜角自由切削与不自由切削 a）直角切削b）斜
2、角切削c）不自由切削 4 切屑的形成与切离过程，是切削层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。移为主的塑性变形过程。 F A BO M 45 a）正挤压 F A BO M 45 b）偏挤压 O M F c）切削 正挤压：正挤压：金属材料受挤压时，最大金属材料受挤压时，最大 剪应力方向与作用力方向约成剪应力方向与作用力方向约成4545 偏挤压：偏挤压：金属材料一部分受挤压时金属材料一部分受挤压时 ，OBOB线以下金属由于母体阻碍，不线以下金属由于母体阻碍，不 能沿能沿ABAB线滑移，而只能沿线滑移，而只能沿OMOM线滑
3、移线滑移 切削：切削：与偏挤压情况类似。弹性变与偏挤压情况类似。弹性变 形形剪切应力增大，达到屈服点剪切应力增大，达到屈服点产产 生塑性变形，沿生塑性变形，沿OMOM线滑移线滑移剪切应剪切应 力与滑移量继续增大，达到断裂强度力与滑移量继续增大，达到断裂强度 切屑与母体脱离。切屑与母体脱离。 图3-2 金属挤压与切削比较 3.1.1 3.1.1 切削的形成过程切削的形成过程 挤压与切削挤压与切削 5 图3-3 切屑根部金相照片 M 刀具 切屑 O A 终滑移线 始滑移线：=s 剪切角 3.1.1 3.1.1 切削的形成过程切削的形成过程 金属切削变形过程金属切削变形过程 6 3.1.1 3.1.
4、1 切削的形成过程切削的形成过程 金属切削变形过程金属切削变形过程 图3-4 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3-5 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。 3.1.1 3.1.1 切削的形成过程切削的形成过程 三个变形区分析三个变形区分析 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。 8 切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不
5、变。可用其表示切削层变的变形程度。 Lch hD hch 3.1.2 3.1.2 切屑变形程度的表示方法切屑变形程度的表示方法 LD 图3-9 切屑与切削层尺寸 厚度变形系数 （3-1） 长度变形系数 （3-2） 变形系数变形系数 9 当当 0 0 = 0= 03030， h h 1.51.5 时，时， h h 与与 相近相近 主要反映第主要反映第变形区变形区 的变形，的变形， h h 还包含了第还包含了第 变形区的影响。变形区的影响。 y s O M 0 图3-10 相对滑移系数 （3-3） 相对滑移系数相对滑移系数 3.1.2 3.1.2 切屑变形程度的表示方法切屑变形程度的表示方法 10
6、 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（积屑瘤） 3.1.3 3.1.3 前刀面上刀前刀面上刀- -削的摩擦与积屑瘤削的摩擦与积屑瘤 图3-11 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。 lfolfi 特点特点 两个摩擦区两个摩擦区 11 积屑瘤成因积屑瘤成因 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘
7、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 积屑瘤形成过程积屑瘤形成过程 积屑瘤影响积屑瘤影响 切屑 刀具 图3-10 积屑瘤 积屑瘤 3.1.3 3.1.3 前刀面上刀前刀面上刀- -削的摩擦与积屑瘤削的摩擦与积屑瘤 12 3.1.4 3.1.4 已加工表面的变形已加工表面的变形 n 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。 hD hD h A C F E 图3-12 已加工表面变形 A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧
8、正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。 变形原因变形原因 变形情况变形情况 应力分布应力分布 13 3.1.5 3.1.5 切屑类型与切屑控制切屑类型与切屑控制 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
9、 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 带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 表3-1 切屑类型及形成条件 14 切屑类型切屑类型 带状切屑挤裂切屑 节状切屑 崩碎切屑 图3-6 切屑形态照片 3.1.5 3.1.5 切屑类型与切屑控制切屑类型与切屑控制 15 切屑控制切屑控制 v 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。 v 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3-7） 图3-7 切屑的卷
10、曲图3-8 断屑的产生 v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3-8） 3.1.5 3.1.5 切屑类型与切屑控制切屑类型与切屑控制 16 3.1.6 3.1.6 硬脆非金属材料切屑形成机理硬脆非金属材料切屑形成机理 脆性材料切削过程脆性材料切削过程 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13） a）b）c）d）e） 图3-13 硬脆材料切削过程 a）大规模挤裂（大块破碎切除） b）空切 c）小规模挤裂（小块破碎切除） d）小规模挤裂（次小块破碎切除） e）重复大规模挤裂（大块破碎切除） 17 机械制造技术基础机械制造技术基础 3.23.2 切削力切削力 Cutting F
11、orceCutting Force 第第3 3章章 切削与磨削原理切削与磨削原理 Cutting TheoryCutting Theory 18 r Fc F FpFf p Ff Ff p Ff p f v 图3-15 切削力的分解 3.2.1 3.2.1 切削力的产生与分解切削力的产生与分解 切削力来源切削力来源 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 F 切削合力 Fc 主切削力 Fp 吃刀抗力 Ff 进给抗力 切削力分解切削力分解 19 3.2.2 3.2.2 切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算 切削力经验公式切削力经验公式 （3-6） 式中 CFc , C
12、Fp , 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； zFc , zFp , zFf 切削速度Vc 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。 20 （3-7） 单位切削力单位切削力 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1） 式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。 （3-8） 切削功率切削功率 3.2.2 3.2.2 切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算 21 机床
13、电机功率机床电机功率 单位切削功率单位切削功率 式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 （3-10） （3-9） 指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率 3.2.2 3.2.2 切削力与切削功率的计算切削力与切削功率的计算 22 3.2.3 3.2.3 影响切削力的因素影响切削力的因素 工件材料工件材料 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） 强度高 加工硬化倾向大 切削力大 5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981 784 588 主切削力Fc（N） 图3-16
14、切削速度对切削力的影响 切削用量切削用量 23 3.2.3 3.2.3 影响切削力的因素影响切削力的因素 前角0 增大，切削力减小（图3-17） 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3-18） 图3-17 前角对0切削力的影响 前角0 切削力F 0 - Fc 0 Fp 0 Ff 图3-18 主偏角r对切削力的影响 主偏角r / 切削力/ N 3045607590 r - Fc r Ff r Fp 200 600 1000 1400 1800 2200 刀具几何角度影响刀具几何角度影响 24 3.2.3 3.2.3 影响切削力的因素影响切削力的因素
15、刀具几何角度影响刀具几何角度影响 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） ； 其他因素影响其他因素影响 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 ； 25 第第3 3章章 切削与磨削原理切削与磨削原理 Cutting TheoryCutting Theory 机械制造技术基础机械制造技术基础 3.33.3 切削热与切削温度切削热与切削温度 Cutting Heat and Cutting Cutting Heat and Cutting TemperatureTemperature 26 3.3.1 3.3.1 切削热的产生与传出切削热的产生与传出 切削热来源切削热来源 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切
