切削过程原理讲解

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1、http/ 第一讲 金属切削过程的基本规律 本章提要 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，本章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，并对促进机械加工技术的发展起着很重要 的作用。 http/ 1.1 切削变形 金属切削过程的基本规律 2.2 切削力 3.3 切削热与切削温度 4.4 刀

2、具磨损与刀具耐用度 http/ 1.1 切削变形 金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较 ： (a)压缩（b）切削 图1.1 金属的压缩与切削 http/ 图1.1 金属的压缩与切削 通常把切削刃作用部分的金属层划分为三个变型区，如图1.1（c ）所示： 第变形区 近切削刃处切削层内产 生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的切屑层 内产生的变形区； 第变形区 近切削刃处已加工表层 内产生的变形区。 （c）三个变形区 http/ 1.1 切削变形 1.1.4 切削变形的变化规律 1.1.1 切屑的形成及变形特点 1.1.2 切屑的类型 1.1.3 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 http/ (1

3、)第一变形区金属的剪切滑移变形 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 面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。 （a）质点滑移过程 图2.2 切屑形成过程 1.1.1 切屑的形成及变形特点 切削层受到刀具前刀面与 切削刃的挤压作用下，使近切 削刃出的金属先产生弹性变形 ，继而塑性变形，在这同时金 属晶格产生滑移。图2.2（a） 是取金属内部质点P来分析滑移 过程： http/ （b）切屑形成模型 如图2.2(b)所示，对于切削层 来说， 移至剪切面AB时， 产生滑移后形成切屑 上。这个过程连续进行，切削层便连续地通 过前刀面转变为切屑。 图1.2 切屑形成

4、过程 此图与形成切屑时的实际变形 较接近，故称之为切屑形成模型。 剪切面AB与切削速度 之间 的夹角 称为剪切角。 作用力 与切削速度 之间的 夹角 成为作用角。 由此可知，第变形区就是形成 切屑的变形区，其变形特点是切削 层产生剪切滑移变形。 http/ (2)第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须 克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压 摩擦过程中进一步发生变形（第二变形区的变形）这个变形主要集 中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维 化的方向和前刀面平行。 (3)第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工

5、表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤 维化与加工硬化。 http/ （1）带状切屑 ： 由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同， 所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类： 1.1.2 切屑的类型 （2）挤裂切屑 ： (3)单元切屑 。 （4）崩碎切屑 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的。 http/ 1.1.3 前刀面的挤压摩擦与积屑瘤 (1)作用力分析 如图3.6所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff组成的合力Fr 与剪切面上反作用力共线，并处于平衡。将合力Fr分解成二组分力：在运动方向的水平分 力Fz、垂直分力Fy；在剪切

6、面上的剪切力Fs、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向 力Fns。分力Fz、Fy可利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上产生剪 切变形。 图3.6 切屑上受力分析 正压力Fn 摩擦力Ff 合力Fr剪切力Fs 法向力Fns 合力Fr http/ Fs按下列公式计算： 剪切面上产生的剪应力应为： 上两式中 摩擦角； AD切削层面积。 (3.4) (3.5) http/ 下面简要介绍M.E.Merchant提出的按最少能量原则来确定剪切角 的原理。 由图1.6可知，切削力Fz为： (2)剪切角确定 前刀面上摩擦力Ff与正压力Fn之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦 系数： ta

7、nFf/Fn （3.6） 摩擦系数或摩擦角亦可根据已测得的分力Fz、Fy值求得： tan（0） Fy/Fz （3.7） (3.8) http/ 欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角，则取 ，然后求解 出为： 45+0/2/2 （1.9） 此外，也可按最大剪应力的理论，求出剪切角为：/4 0。 从式（1.9）中也可看出第变形区产生的摩擦对第变形区剪切变形 的影响规律。 http/ （3）切屑与前刀面间的摩擦 切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同。切屑与前 刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图27所示有粘结区和滑动区。 经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图3.7所示。 图1.7 应

8、力分布 剪应力的分布 在粘结区内基本 上是不变的，它等于较软金属的剪切 屈服极限s；在滑动区剪应力是变化 的，离切削刃越远，越小。 正应力分布 在接触区内正应 力是变化的，离切削刃越远，前 刀面上正压力越小，故正应力越小 。近切削刃处正应力为最大值 http/ 式中 Ffi、Fni分别指粘结区内的摩擦力和正压力； Ari粘结面积； av粘结区内平均正应力。 粘结区内的摩擦系数计算方法如 下： (1.10) http/ 如图3.8所示，积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，图3.8为积 屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时(图中 R0134mm)，会产生较大的挤

9、压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落 后粘附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避 免或抑制积屑瘤的产生。 图1.8 积屑瘤 (4)积屑瘤 http/ 此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关 。 合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避 免积屑瘤的产生。以切削中碳钢为例，从图3.9曲线可知，低速(vc3mmin左右)切 削时，产生的切削温度很低；较高速(vc60mmin)切削时，产生的切削温度较高 ，这两种情况的摩擦系数均较小，故不易形成积屑瘤。在中速(vc20mmin)，积屑 瘤的高度达到最大值。 图

10、1.9 切削速度对积屑瘤的影响 形成积屑瘤的条件主要决定于切削温度。 http/ 1.1.4 切削变形的变化规律 影响切屑变形的因素很多，下面介绍的是其中最主要的、起决定作用 的几个因素。 （1）前角 增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小 。 (2)切削速度 切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数 变化而影响切削变形的。 http/ 图1.11 切削速度vc对h的影响 如图1.11以中碳钢为例。 vc 超过40m/min继续增高，由于切削 温度逐渐升高，致使摩擦系数下降 ，故变形系数h减小。 vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高 度随着增加，刀

11、具实际前角增大，使 剪切角增大，故变形系数h减小 vc20m/min时， h值最 小 vc在20 40m/min范围内提高，积 屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减 小，使减小， h增大。 此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不 充分而使切屑变形减小。 http/ （3）进给量 进给量f对切屑变形的影响规律如图2.12所示。 图1.12 进给量f（mm/r） http/ (4) 工件材料 工存材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度提高， 正压力Fn增大，平均正应力av，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切屑 变形减小。所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，需达到

12、一定变形 量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大 。图2.13又用不同前角0切削不同材料时的变形系数h值。 图1.13 材料对变形系数h的影响 http/ 切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力 。 1.2 切削力 1.2.1 切削力的来源、合力及其分力 1.2.2 切削力测定和切削力实验公式 1.2.3 单位切削力、切屑功率和单位切削功率 1.2.4 切削力的变化规律 http/ 1.2.1 切削力的来源、合力及其分力 切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成：变形区内产 生的弹性变形抗力和塑性变形抗力切屑、工件与刀具间的摩擦力。 (a)直角自由切削 图1

13、.14 合力及其分力 作用在前刀面的弹、 塑性变形抗力Fny 作用在前刀面的 摩擦力Ffy 合力Fr 作用在后刀面的 弹、塑性变形抗 力Fna 作用在后刀面的 摩擦力Ffa http/ 图1.14 合力及其分力 （b）非自由切削 在铣削平面时，上述分力亦称为：Fz 切向力、Fy径向力、Fx轴向力。 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Fr 在按主运动速度方向、切深方向进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分 解成三个分力，它们是： 主切削力Fz 主运动切削速度方向的分力 切深抗力Fy 切深方向的分力 进给抗力Fx 进给方向的分力 http/ 图1.14（c）非自由切削

14、由图114(b)可知，合力与各分力 间关系为： 其中，FyFx.ycoskr；Fx=Fx.ysinkr 式中 Fxy合力在Fr基面上的分力。 (2.11) http/ 1.2.4 切削力的变化规律 影响切削力的因素主要有四个方面：工件材料、切削用量、刀具几 何参数及其它方面的因素。 （1）工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈极强度s、塑性变形、切屑与刀具间摩 擦系数等条件影响切削力的。 。 http/ 背吃刀量和进给量 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。但是ap 和f 增大后，它们分别使变形

15、和摩擦增加的程度不同。 (2)切削用量的影响 切削速度 加工塑性金属时，切削速度vc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。 http/ 在低速到中速范围内(520mrain)，随着速度vc的提高，切削变形减小， 故主切削力Fz逐渐减小；中速时(20mmin左右)，变形值最小，Fz减至最小值 ；超过中速，随着速度vc的提高，切削变形增大，故Fz逐渐增大。 在更高速度范围内（ vc 35m/min），切削变形随着速度增加而减小，故 切削力Fz逐渐减小而后达到稳定。 以车削45钢为例，由图2.20可知： 图1.20 切削速度vc对切削力Fz影响 http/ 表1.3 切削速度vc改变时切削力Fz影响的修正系数KvFz Vc（m/min） 工件材料 5075100125150175200 45钢 40Cr钢 1.051.021.000.980.960.950.94 前角 前角0增大，切削变形减小，切削力减小。但增大前角0， 使三个分力Fz、Fy和Fx减小的程度不同。 表3.4为用kr75外圆车刀车 削45号钢和灰铸铁时前角0对切削力的修正系数。 表1.3为车削钢时切削速度vc对切削力Fz影响的修正系数