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1、第3章 切削原理 q金属切削加工：是利用刀具从工件毛坯 上切去一层多余的金属，从而使工件达 到规定的几何形状、尺寸精度和表面质 量的加工方法。 1 切削过程及切屑类型 1.1 切 屑 的 形 成 过 程 金属切削过程的实质是切削层受到刀具前刀 面的挤压后，产生以剪切滑移为主的塑性变 形，而成为切屑的过程。 1.2 三 个 变 形 区 研究金属切削变形的方法 v侧面方格变形观察法 v快速落刀法 v其他试验方法 高速摄影法 光弹塑性试验法 1) 侧面方格变形观察法 在抛光的工 件侧面上划出精 密的小方格，用 很低的切削速度 进行直角自由切 削，通过放大镜 观察小方格的歪 扭来认识切削层 金属塑性变
2、形的 方法，如图所示 。 2) 快速落刀法 利用“快速落 刀装置”(如 图所示)，在 某一瞬间使 刀具快速离 开切削区， 截取切屑根 部标本，在 显微镜下观 察金属切削 变形情况。 图3-4 切削变形实验设备与录像装置 3) 高速摄影法 4 4） 直角自由切削直角自由切削 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）斜角切削c）不自由切削 5) 三个变形区的划分 1 第一变形区 2 第二变形区 3 第三变形区 11 第一变形区（OAM区域） 的变形特征：切削层金属 沿滑移线的剪切滑移变形 及随之产生的加工硬化。 第一变形区的实际厚度为 0.020
3、.2mm，切削速度 越大，厚度越小。故第一 变形区可看成是一个剪切 面。 图: 第一变形区金属的滑移 第一变形区 12 第二变形区（刀屑接触区）的变形特征：切屑底层金 属受摩擦挤压后的塑性变形及晶粒纤维化 图:晶粒滑移示意图 第二变形区 13 图: 滑移与晶粒的伸长 14 第三变形区的变形特征：已加工表面的表层金属受刀具 的钝圆刃和后刀面的挤压摩擦，使金属材料的晶粒再次 纤维化并加工硬化。 ac ac 图: 第三变形区的金属变形 厚度为ac的 一薄层金属被 钝圆刃挤压塑 性变形后成为 已加工表面 第三变形区 15 三个变形区对切削加工的影响 第一变形区的切削变形对刀具产生较 大的切削抗力； 第
4、二变形区主要对刀具产生（粘结） 摩擦阻力以及造成前刀面磨损； 第三变形区主要对工件已加工表面质 量产生重大影响。 剪切面 剪切角 剪切角 剪切面积变形程度 切削力 变形系数 切削过程中，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。根据体积 不变原理，变形系数h可用下式表示： 式中LD切削层的长度 LDh切屑的长度 hDh切屑的厚度 hD 切削层的厚度 LDh hD hDh LD 切屑与切削层尺寸 q 厚度变形系数 q 长度变形系数 1.4 前刀面的挤压与摩擦及其对切 屑变形的影响 q 高温 q流动速度减缓 q纤维化和切屑的弯曲 图310 切屑和前面摩擦
5、情况示意图 由于切屑对前 刀面的法向力 在刀尖处为最大， 切屑离开前刀面处 为零，故切屑对前 刀面上的切削力可 以用平均法应力 来表示，切屑对前 刀面上的摩擦系数 可用平均摩擦系数 表示 。 q 钝圆半径 q 加工硬化 q 残余应力 1.5 已加工表面的形成过程 hD hD 切脆性材料 不平稳,表面粗糙 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑 加工塑性材料 切塑性材料： 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 0v hD 0 v hD0 v hD 0v hD 切削不平稳，力波动大 加工表面粗糙 切削平稳，力波动小 加工面光洁，断屑难 滑移量较大，局部 剪应力达断裂强度 1.6 切屑的类型 1.7 积屑瘤
6、的形成及其对切削过程的影响 积屑瘤的定义 积屑瘤的形成 在中低速切削塑性金属材料时,刀屑接触表面由 于强烈的挤压和摩擦而成为新鲜表面,两接触表面的 金属原子产生强大的吸引力,少量切屑金属粘结在前 刀面上,产生了冷焊,并加工硬化,形成瘤核。瘤核逐渐 长大成为积屑瘤，且周期性地成长与脱落。 切屑 刀具 图 积屑瘤 积屑瘤 25 积屑瘤对切削加工的利弊 积屑瘤粘结在前刀面上，减少了刀具的磨损； 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，有利于减小切削力； 积屑瘤伸出刀刃之外，使切削厚度增加，降低了工件的加 工精度； 积屑瘤使工件已加工表面变得较为粗糙。 由此可见：积屑瘤对粗加工有利，生产中应加以利用； 而对精
7、加工不利，应以避免。 26 积屑瘤对切削加工的利弊 积屑瘤的产生及积聚高度的相关因素 与金属材料的硬化性质有关； 刃前区的温度和压力状况有关； 切削速度。 精加工时避免或减小积屑瘤的措施 控制切削速度，尽量采用很低或很高的速 度，避开中速区； 使用润滑性能好的切削液，以减小摩擦； 增大刀具前角，以减小刀屑接触区压力； 提高工件材料硬度，减少加工硬化倾向。 1.8 切屑变形的变化规律 1）工件材料对切屑变形的影响 q 工件材料强度愈高，切屑变形愈小。 q 工件塑性越大，切屑变形越大。 2）刀具前角对切屑变形的影响 前角对厚度变形系 数的a的影响. 工件材料：5210钢； 刀具材料：高速钢； 切削
8、用量：hD=0.310.36mm ，bD=0.80.9mm 刀具前角增大 ，切屑变形减 小。 3）切削速度对切屑变形的影响 无积屑瘤 的切削速 度范围内 ，速度越 高，变形 越小。 有积屑瘤 的切削速 度范围内 ，切削速 度的影响 是通过积 屑瘤的实 际前角来 影响的。 4）切削厚度对切屑变形的影响 切削厚度增加时， 变形减小。 切削速度及进给量对厚度变形系数的a的影响 工件材料：20钢；被吃刀量ap=4mm 2 切 削 力 切削力的概念 切削力直接影响切削过程 切削力是设计的依据 36 37 切削合力 ：一般为空间力，可分解为三 个方向的切削分力 轴向分力 ：一般较小； 径向分力 ：一般较小
9、，当工件的刚度较差 时（如车削细长轴）对工件的加工精度影响 较大； 主切削力 ：三个分力中为最大，消耗大部 分机床电机的功率，是设计机床和刀具的主 要参数。 38 切削力的经验公式 主切削力 径向力 轴向力 式中：各系数、指数和 为总修正 系数（见下页） 39 总修正系数 和 分别为 和 切削分力相对于主切削力 的比例系数。 40 总修正系数 表3.1 进给量f对单位切削力或单位切削功率的修正系数 Kfp、Kfps f0.10.150.20.250.30.350.40.450. 50.6 Kfp.Kfps1.181.111.061.031.00.970.960.940.9250.9 表3.2
10、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 41 总修正系数 工件材料 前角 0 修正系数 10010152030 45号钢K0Fz 1.281.181.051.000.890.85 K0Fy1.411.231.081.000.790.73 K0Fx2.151.701.241.000.500.30 灰铸铁K0Fz1.371.211.051.000.950.84 K0Fy1.471.301.091.000.950.85 K0Fx2.441.
11、831.221.000.730.37 42 总修正系数 工件材料 主偏 角kr修正系 数 3045607590 45号钢K0Fz1.101.051.001.001.05 K0Fy2.001.601.251.000.85 K0Fx0.650.800.901.001.15 灰铸铁 HT2040 K0Fz1.101.001.001.001.00 K0Fy2.801.801.171.000.70 K0Fx2.801.801.171.000.70 表2.5 主偏角kr对切削力的修正系数KkrF 43 总修正系数 车刀系数 刃倾角 s 修正系数 +10+505 1 0 3045 焊接车刀 （平前面 ） K
12、sFz KsFy KsFx 1.0 0.8 1.6 1.0 0.9 1.3 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1 0.95 1.0 1.2 0.9 1.0 1.7 0.7 1.0 2.0 0.5 从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角 。尤其在加工的工艺系统刚性较差情况下，往往因s增 大Fy的作用而产生振动。 2.4 影响切削力的因素 2.4.1 工件材料的影响 工件材料的强度、硬度越高, 切削力是增大的。 强度、硬度相近的材料，塑性越大，切削力越大 。 2.4.2切削用量的影响 背吃刀量和进给量 越大切削力 越大 切削速度的影响 2.4.2切削用量的影响 2.4.3 刀具几何参数的
13、影响 前角的影响 前角增大切削力减小 主偏角的影响 刃倾角的影响 2.4.4 刀具磨损的影响 2.4.5 刀具材料的影响 立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢 2.4.6 切削液的影响 水溶性切削液对切削力影响很小 非水溶性切削液显著降低切削力 53 一、切削液的作用机理 1.切削液的冷却作用 切削液的冷却作用主要靠热传 导带走大量的切削热，从而降 低切削温度，提高刀具寿命； 减少工件、刀具的热变形，提 高加工精度；降低断续切削时 的热应力，防止刀具热裂破损 等。 2.切削液的润滑作用 使用切削液后，切屑、工件与刀面之 间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩 擦，此时摩擦系数很小；实际情况是
14、属于 边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑 ，但小于干摩擦。 54 切削液的添加剂 （3）切削液的清洗作用 二、切削液的添加剂 为改善切削液性能 所加入的化学物质， 称为添加剂。 1.油性添加剂 动植物油（豆油、菜油、 猪油等）、脂肪酸等 用以改善在较低温度下切削液 的润滑性能。 55 切削液的添加剂 . 3.表面活性剂 由于表面活性剂分子的极性基 团和非极性基团可分别溶于水和油， 从而把水和油连接起来，即起到乳化 作用；此外还能吸附在金属表面上形 成润滑膜起润滑作用。 2.极压添加剂 常用的极压剂：含硫、磷、碘 等的有机化合物。 比油性添加剂能耐较高的 温度。 56 切削液的分类 . （1）
15、非水溶性切削液 切削油 固体润滑剂 非溶性切削液主要起润 滑作用。 （2）水溶性切削液 水溶液 乳化液 水溶性切削液有良 好的冷却作用和清洗 作用。 57 切削液的选用 切削液的选用 按工件材料选用 加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工铸 铁等脆性材料时，不用切削液。 按刀具材料选用 高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以冷 却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使用润 滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，以提高加工表 面质量。硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液； 按加工方法选用 对半封闭、封闭加工，选用极压乳化液或 极压切削油，以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨削 加工时，由于磨削区温度很高，磨屑会破坏已磨削表面质量,要 求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑和防锈性能，一般选用 乳化液。 3 切削热与切削温度 切削热的危害： 刀具磨损加剧，刀具耐用度下降。 精加工时，工件本身和刀杆受热膨胀致使 工件尺寸精度达不到要求。 会使机床产生热变形而导致加工误差的产 生。 一般所说的切削温度是指切削区的平均温度。 3.1 切削热的产生和传出 v 切削热来源 v 切削热的转换 v 切削热的传出 图2-25 切削热的产生与传导 第一变形区： 60%的热量 第二变形区： 30%
