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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 1 第第3 3章章 切削原理切削原理 Cutting TheoryCutting Theory 机械制造技术基础机械制造技术基础 3.13.1 切屑的形成过程切屑的形成过程 Process of Chip FormingProcess of Chip Forming 2 3.1.1 3.1.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 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
2、与不自由切削 a）直角切削b）斜角切削c）不自由切削 3 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
3、能沿线滑移，而只能沿OMOM线滑移线滑移 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 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 挤压与切削挤压与切削 4 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 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 金属切削变
4、形过程金属切削变形过程 5 3.1.1 3.1.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 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 6 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 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 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
5、原因。 7 3.1.2 3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 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 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
6、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 8 3.1.2 3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 切屑类型切屑类型 带状切屑 Real 挤裂切屑 Real 节状切屑 Real 崩碎切屑 Real 图3-6 切屑形态照片 9 3.1.2 3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 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
7、切屑的卷曲图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） 10 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。 Lch hD hch 3.1.2 3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 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 11 3.1.2 3.1.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 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
8、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 12 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。 3.1.3 3.1.3 切屑与前刀面的摩擦变形切屑与前刀面的摩擦变形 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。 l
9、folfi 特点特点 两个摩擦区两个摩擦区 13 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 14 3.1.5 3.1.5 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 GGC （3-4） 式中 G 裂纹扩展单位长度
10、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 （3-5） 式中 K1 应力强度因 子； K1C K1临界值。 脆性断裂条件脆性断裂条件 对于型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断 裂条件为： 15 3.1.5 3.1.5 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
11、破碎切除） flash flash 16 3.1.6 3.1.6 磨削机理磨削机理 磨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） 磨削特点磨削特点 17 3.1.6 3.1.6 磨削机理磨削机理 磨屑形成过程磨屑形成过程 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3-14 磨屑形成过
12、程 a）平面示意图 b）截面示意图 18 第第3 3章章 切削原理切削原理 Cutting TheoryCutting Theory 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 ForceCutting Force 19 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 切削力的来源与分解切削力的来源与分解 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 20 3.2.2 3.2.2
13、 切削力经验公式切削力经验公式 切削力经验公式切削力经验公式 （3-6） 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。 21 3.2.2 3.2.2 切削力经验公式切削力经验公式 （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
14、 22 3.2.2 3.2.2 切削力经验公式切削力经验公式 机床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 23 3.2.3 3.2.3 影响切削力因素影响切削力因素 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 切削速度
15、对切削力的影响 切削用量切削用量 24 4.2.3 4.2.3 影响切削力因素影响切削力因素 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 25 4.2.3 4.2.3 影响切削力因素影响切削力因素 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
