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1、机械制造技术基础机械制造技术基础 1.金属切削过程的实质是什么？ 2.切削力的分解及影响切削力的因素都有那些？ 3.切削热的来源及影响切削热的主要因素？ 4.刀具的磨损及影响刀具寿命的主要因素 ？ 本章内容 第二章 金属切削过程 1.什么是 金属切削过程？ 2.金属切削过程中会出现 哪些现象？ 第二章 金属切削过程 1.什么是金属切削过程？ 金属切削过程就是通过刀具把被切金属层 变成切屑的过程。 2.金属切削过程中包含有哪些现象？ 切 削变形、卷屑断屑、切削力、切削热、切削温 度、刀具磨损、已加工表面硬化和残余应力、积屑 瘤等。 通过刀具把被切金属层变为切屑的过 程，其实质是一种挤压、剪切变形
2、过程。 塑性金属的切削过程一般要经过弹性 变形、塑性变形、挤裂、切离四个阶段 第二章 金属切削过程 第一节 金属切削过程概述 一、金属切削过程的实质（塑性材料） 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
3、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。 金属挤压与切削比较 挤压与切削挤压与切削 第一变形区（剪切、滑移） 第二变形区（挤压和摩擦） 第三变形区（挤压和摩擦） 二、切削变形区 切屑根部金相照片 M 刀具 切屑 O
4、 A 终滑移线 始滑移线：=s 剪切 角 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 1. 第一变形区（剪切、滑移） 塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面OM终了， 之间形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是 晶格间的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变 形区（）。 第一变形区金属的滑移 第一变形区的切削变形是切削过程中切削力和切削热的主 要来源。 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到 前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存 在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前 刀面处的金属发生“纤维化”的二次变形 。这部分区域称为第二变形区（）。 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。
5、2. 第二变形区 （挤压和摩擦） 在已加工表面上与刀具后面挤压、摩擦形成 的变形区域称为第三变形区（）。 由于刀具刃口不可能绝对锋利, 钝圆半径的存 在使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除 ，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具 后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形， 从而影响已加工表面质量。 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. 第三变形区 已加工表面的形成过程 1. 剪切角 三、切削变形程度的表示方法 剪切角 剪切面 积变形程度切削力 剪切面 与切削速度(主 运动)方向之间的夹角 称为剪切角，用表示 图2-2 剪切角与切削变形 2.切削厚度压缩比（变形系
6、数1） 图2-3 切屑厚度压缩比 说明： 1、同一工件材料，若切削条件不同，则 切削厚度压缩比不同； 2、不同工件材料，即使切削条件相同， 切削厚度压缩比不同； 3、用切削厚度压缩比反映切削变形比较 简单、直观，但很粗略,只在一定条件下 反映切削变形。前角=0-30，Ah1.5 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 LD 四、 切屑类型切屑类型 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
7、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 带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑 切屑类型及形成条件 （二）、切屑的控制 在生产实践中，有的切屑打成螺卷状， 到一定长度时自行折断；有的切屑折断 成
8、C形、6字形；有的呈发条状卷屑；有 的碎成针状或小片，四处飞溅，影响安 全；有的带状切屑缠绕在刀具和工件上 ，易造成事故。不良的排屑状态会影响 生产的正常进行。 切屑经第I、第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。 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。
9、断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则 会影响断屑效果。常用的断屑槽截面形状有折线形、直线圆 弧形和全圆弧形。 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断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置 ） (2)改变刀具角度 增大刀具主偏角Kr，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s可以控制切屑的流向，s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；s为负值时，切屑常 卷曲后
10、碰到已加工表面折断成C形屑或6字形屑 。 (3)调整切削用量 提高进给量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 。 五、积屑瘤 积屑瘤现象：刀尖上急剧塑性变形而被强化的 硬度很高的的附着物生产中又称为刀瘤 切削过程中，由于金属的挤压和强烈摩擦，使切屑与前刀 面之间产生很大的应力和很高的切削温度。当应力和温度条 件适当时，切屑底层与前刀面之间的摩擦力很大，使得切屑 底层流出速度变得缓慢，形成一层很薄的“滞流层”，当滞流 层与前刀面的摩擦阻力超过切屑内部的结合力时，滞
11、流层的 金属与切屑分离而粘附在切削刃附近形成积屑瘤. 切屑底层金属与前刀面的粘结和加工硬化。 五、积屑瘤 1.积屑瘤产生的原因 积屑瘤的形成条件 必要条件 n加工塑性金属材料 n中速切削 不使用切削液时容 易产生 5m/min60m/min 积积屑瘤改变变刀具切削条件 刀尖被包裹起来 前角增大 切削深度变化 工件上的已加工 表面变粗糙 积积屑瘤是否有害呢？ 对对工件的影响 C加工表面的粗糙度增加（变差） C鳞刺可能就是因积屑瘤破裂形成的 C切深变化工件尺寸精度下降 对对刀具的影响 C刀尖没有参与切削保护刀尖 C刀具实际前角增大切削更轻快 粗加工与精加工 粗加工可以利用积屑瘤 C粗加工精度不是主
12、要问题 C增大前角 C保护刀尖 精加工一定要回避积屑瘤 C保证精度 C保证表面质量 有利方面 保护刀具 增加工 作前角 积屑瘤硬 度很高 可代替切削刃 进行切屑，减 少刀具的磨损 积屑瘤的存在， 使刀具的实际工 作前角增大 可减小切削变 形和切削力， 使切削轻快 不利方面 影响工件尺 寸精度 影响工件表 面粗造度 积屑瘤破裂后会划伤表面，加 快刀具磨损 会形成硬点和毛刺，使工件表面粗 造度值增大 时大时小，时有时无，使切削 力产生波动而引起振动 积屑瘤的顶端突出于切削刃之外 ，使实际的切削深度不断变化 精加工应尽量避免积屑瘤 n选择选择切削速度，（温度）避开产产生积积屑瘤的区域 n高速：Vc6
13、0m/min高速精加工 n低速：Vc y z，即：影响大 小：vc f ap 2、进给量 f 和背吃刀量 ap 与刀具耐用度T的关系 为了减少刀具磨损、提高刀具耐用度，应该选 大的背吃刀量、较大的进给量和合适的切削速度。 不同刀具材料的耐用度比较 硬质合金 （VB=0.4mm） 陶瓷刀具 （VB=0.4mm） 高速钢 刀具耐用度T（min） 1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60 800 600 500 400 300 200 100 80 60 50 切削速度v（m/min） （3）刀具的影响 刀具角度： 前角增大，刀具耐用度增加。 前角过大，刀具耐用度降低。 刀尖圆弧半径增大
14、或主偏角减小，刀具耐用 提高。 （3）刀具的影响 刀具耐用度确定刀具耐用度确定 式中to 、 tm 、 ta 、 tc 分别为工序时间、基本时间、辅助 时间和换刀时间；T 为刀具耐用度。令f，ap为常数，有： 使工序时间最短的刀具耐用度。以车削为例，工序时间： 将上式代入式（4-14），对T求导，并令其为0，可得到 最大生产率刀具耐用度为： （3-16） （3-17） 又： 最大生产率耐用度最大生产率耐用度 （3-18） 式中 C0 工序成本； Cm 机时费； Ct 刀具费用； tm ，ta ，tc ，T 含义同前。 使工序成本最小的刀具耐用度。仍以车削为例，工序成本为 ： （3-19） 仍令
15、f，ap为常数，采用相同方 法，可得到经济耐用度为（图 3-28） tmCm 刀具费用 taCm C0 刀具耐用度 Top 成本 图3-28 经济寿命 经济耐用度经济耐用度 刀具耐用度确定刀具耐用度确定 3. 刀具耐用度的合理数值 最高生产率耐用度Tp 最低成本耐用度Tc 刀具耐用度并不表征刀具的切削性能，而是人 为的规定值。刀具耐用度并不是越高越好。 确定刀具耐用度时应考虑： .刀具制造和刃磨的难易程度、成本 刀具装卸或调整时间的长短 工件情况 复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低 精度的、单刃的刀具高。 对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处 于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。 对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀 加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整 机和整线的可靠工作。 精加工刀
