机械制造技术基础 第二章讲解

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1、第二章 切削过程控制及其刀具 金属切削过程是用刀具从工件上切去 多余的金属，形成已加工表面的过程，也 是工件的切削层金属在刀具前刀面挤压下 产生变形，形成切屑而被切除的过程。 第一节 切削过程及切屑类型 第二节 切削力 第三节 切削热与切削温度 第四节 刀具磨损和刀具寿命 第五节 切削用量的选择 第六节 磨削过程和磨削机理 第一节 切削过程及切屑类型 切屑 刀具 切屑的形成过程 挤压与切削挤压与切削 切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生 以以滑移为主的塑性变形过程。滑移为主的塑性变形过程。 正挤压：正挤压：金属材料受挤

2、压时，最大剪应力方向与作用力方向约成金属材料受挤压时，最大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线滑移线滑移 切削：切削：与偏挤压情况类似。弹性变形与偏挤压情况类似。弹性变形剪切应力增大，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力与滑移量继续增大，达到断裂强度剪切应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。 变形区的划分 第一变形区(图1)

3、 第二变形区 第三变形区 一、金属切削变形过程概述（例） 切削变形程度有三种不同的表示方法 剪切角 剪应变 变形系数h 二、变形程度的表示方法 剪切角 在剪切面上金属产生了滑移变形，最大剪应力在剪切 面上。根据直角自由切削状态下的作用力分析（图2）， 在垂直于切削合力F方向的平面内剪应力为零，切削合力F 的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理 论，主应力方向与最大剪应力 方向的夹角应为45，即Fs与F的 夹角应为45，故有 李和谢弗公式 从上述分析可以得到： 前角增大时，剪切角随之增大，变形减小 。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对 改善切削过程有利。 摩擦角增大时，剪切角随之减

4、小，变形增 大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的 切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系 数，有利于改善切削过程。 剪应变 由于切削过程中金属变形的主要形式是 剪切滑移，因此采用剪应变这一指标来衡量 变形程度。（图3） = 由上式可以看出：前角增大，剪应变减小 变形系数h 在切削过程中，刀具切下的切屑厚度hch通常都大 于工件切削层厚度hD，而切屑长度lch却小于切削层 长度lc。切屑厚度hch与切削层厚度hD之比称为厚度变 形系数ha；而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为 长度变形系数hl。（图4） 由于工件上切削层变 成切屑后宽度的变化很 小，根据体积不变原理 ha= hl=h 切屑

5、与切削层尺寸 hch LD Lch hD 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的变形，变形区的变形， h h 还包含了第还包含了第 变形区的影响。变形区的影响。 三、前刀面对切屑的挤压与摩擦 特点特点 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面 发生粘接，切屑与前刀面之间既有外摩擦 ，也有内摩擦。 两个摩擦区两个摩擦区 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。 滑动区：切屑在脱离前刀面之前， 与前刀面只在

6、一些突出点接触，切 屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦 。 lfi lfo 16 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 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 研究前刀面上的 摩擦对切屑变形的影 响先要分析作用在切 屑上的力以直角自由 切削时力与角度的关 系图为对象：（图5） 切削层 截面积 说明了摩

7、擦角对切削分力的影响 在切削过程中，在刀-屑接触界面存在着很 大的压力（可达23Gpa），而高压、高温易 使刀-屑接触面间产生粘结。 切屑与前刀面之间是切屑和刀具粘结层与 其上层金属之间的内摩擦，即金属内部的剪切 滑移，它与材料的剪切屈服强度和接触面的大 小有关。 积屑瘤的成因及其对切削过程的影响 用中等切削速度加工钢材等塑性金属时，常常 有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前 刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，其硬 度通常是工件材料的23.5倍，能够代替刀刃进行 切削。这块冷焊在前刀面上的金属堆积物，称为 积屑瘤。(积屑瘤剖面的金相图片)。 钢、球墨铸 铁、铝合金 积屑瘤的成因 刀屑

8、间的冷焊是积屑瘤的成因。积屑瘤的 产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度 分布和压力分布有关。塑性材料的加工硬化倾向 越强，越易产生积屑瘤；在背吃刀量和进给量f 保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系 ，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高 而增加的。(图6） 积屑瘤对切削过程的影响 、使刀具前角变大 （图7） 、使切削厚度变化 、使加工表面粗糙度增大 、对刀具寿命的影响 积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面 ，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑 瘤的产生，可采取的控制措施有： 正确选用切削速度，使切削速度避开产生 积屑瘤的区域。 使用润滑性能好的切削液，目的在于减小 切屑底层材料

9、与刀具前刀面间的摩擦。 增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之 间的压力。 适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾 向。 积屑瘤的动态演示1 积屑瘤的动态演示2 积屑瘤的动态演示3 问题 某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用 了在刀具上产生积屑瘤的加工方法，而在精加 工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是 为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些 方法。 四.切屑类型与控制 1、切屑的分类（演示） 由于工件材料不同，切削条件不同，切 削变形的程度也不同，因而所产生的切屑形 态也多种多样。分为以下四种类型： 带状切屑 节状切屑 粒状切屑 崩碎切屑 28 形成 条件 影响 名称 简图 形态 变形

10、 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

11、屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 29 切屑类型切屑类型 带状切屑挤裂切屑 节状切屑崩碎切屑 切屑形态照片 2、切屑的控制 切屑经第1、第11变形区的剧烈变形后，硬度 增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中 ， 当碰到刀具后刀面、工件上过渡表面或待加工表 面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料 的断裂应变值，切屑就会折断，图示为切屑碰到 工件或刀具后刀面折断的情况。（图8） 31 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 切屑的卷曲断屑的产生 v断屑

12、是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置） 研究表明，工件材料脆性越大（断裂应 变值小）、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越 小，切屑就越容易折断。可采取以下措施对 切屑实施控制。 （1）采用断屑槽 通过设置断屑槽对流动中的切 屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷 曲半径减小。（图9） （2）改变刀具角度 增大刀具主偏角，切 削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角可使切 屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角可以控制切 屑的流向，为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面 折断形成C形屑或自然流出形成螺卷屑。为负值 时，切屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C形屑 或6字形屑。（图例） （3）调整切削用量 提高

13、进给量 f使切削 厚度增大，对断屑有利；但增大 f会增大加 工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切 削变形增大，也有利于断屑，但这会降低 材料切除效率。须根据实际条件适当选择 切削用量。 刀具加工工件时产生的切屑被卷曲: 刀具切削工件时产生断屑 第二节 切削力 切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻 力它是影响工艺系统刚度、强度和加工质量 的重要因素是设计机床、刀具、夹具和计算 切削动力的主要依据并被利用来检测和监控 被加工表面质量、加工精度和刀具工作状态 一、切削力、切削合力与分力 1、切削力 切削力来源于以下两个方面： l）克服切削层材料和工件表面 层材料对弹性变形、塑性变形 的抗力。 2）

14、克服刀具与切屑、刀具与 工件表面间摩擦阻力所需的力。 r Fc F FpFf p Ff Ff p Ff p f v 切削力的分解 Fc 切削力 F 切削合力 Ff 进给力 Fp 背向力 、切削合力及分解 Fc切削力（主切削力或切向分力，以前用Fz表示）。它切于 加工表面，并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件， 确定机床功率等。 Fp背向力（切深分力或径向分力，以前用Fy表示）。它处于 基面内并垂直于进给方向。Fp用于计算与加工精度有关的工件挠度 和刀具、机床零件的强度等。它也是使工件在切削过程中产生振动 的主要作用力。 Ff进给力（轴向分力或走刀分力，以前用Fx表示）。它处于基 面

15、内与进给方向相同。Ff用于计算进给功率和设计机床进给机构等 二、切削功率 消耗在切削过程中的功 率称为切削功率： 根据切削功率选择机 床电动机时，还要考虑 机床的传动效率。机床 电动机的功率应为 三、单位切削力的概念 单位切削面积上的切削力称为单位切削 力，用Kc(N/mm2)表示: 式中，Fc切削力（N）， AD切削面积（2）， ap背吃刀量()，f进给量（/r） 。 Kc可以查表。 四、切削力的测量及切削力计算经验公式 用测力仪测出切削力，再通过对实验数据 的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生 产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。 切削力计算的经验公式 切削力的经验公式通常是以切削深度和进 给量为变量的幂函数,生产实际中应用比较广泛的 切削力经验公式为: 五、影响切削力的因素 1、工