三章节切削过程及控制说课材料

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1、第三章 切削过程及控制,在金属切削过程中，始终存在着刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。,研究、掌握并能灵活应用金属切削基本理论, 对有效控制切削过程、保证加工精度和表面质量，提高切削效率、降低生产成本，合理改进、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指导意义。,第一节 金属切削过程及切屑类型,一、切屑的形成过程,切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程 （图）。,图31,图 挤压与切削的比较,图31 切屑形成过程模型,图32 金

2、属切削过程中的滑移线和流线示意图,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（）。,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。,实验表明，切屑的形成过程是被切削层金属受到刀具前面的挤压作用，迫使其产生弹性变形，当剪切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形

3、。切屑的变形和形成过程如图3-3所示。,三、第一变形区内金属的剪切变形,图33 第一变形区金属的滑移,在第一变形区中，切削变形的主要特征是切削层金属沿滑移面的剪切变形，并伴有加工硬化现象。 切削层金属沿滑移面的剪切变形，从金属晶体结构的角度来看，就是沿晶格中晶面所进行的滑移。 金属材料的晶粒，可假定为圆形颗粒。晶粒在到达始滑移线OA之前，仅产生弹性变形，晶粒不呈方向性，仍为圆形（图3-4） 。 晶粒进入第一变形区后，因受剪应力作用产生滑移，致使晶粒变为椭圆形。椭圆的长轴方向就是晶粒伸长的方向或金属纤维化的方向，它与剪切面的方向不重合，两者之间成一夹角（图3-5）。,图34 晶粒滑移示意图,图3

4、5 滑移与晶粒的伸长,1. 剪切角,四、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。 图36,剪切面 p与切削速度(主运动)方向之间的夹角称为剪切角，用表示,图36 角与剪切面面积的关系 图37 变形系数的求法,切屑厚度hch与切削层的厚度hD之比称为厚度变形系数，用h 表示，h = ach/ac ； 而切削层长度lc与切屑长度lch之比称为长度变形系数，用l表示，l=lc/lch 。 根据体积不变原理, 则 a l。 变形系数越大,切屑越厚越短,切削变形越大。,2. 变形系数,刀具与切屑之间的作用力分析如图3-8所示。 在直角自由切削的前提下，作用在切屑上的力有：前面对其作用的法

5、向力Fn和摩擦力Ff，剪切面上的剪切力Fs和法向力Fns,两对力的合力分别为Fr 和 Fr。 假设这两个合力相互平衡（严格地讲，这两个合力不共线，有一个使切屑弯曲的力矩），Fr称为切屑形成力，是剪切角；是Fn与Fr之间的夹角，称为摩擦角；o是刀具前角。,图38 作用在切屑上的力 a) 切屑受到来自工件和刀具的作用力 b) 切屑作为隔离体的受力分析,在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层 。 所谓“内摩擦”就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材

6、料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。 切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结(内摩擦)区和滑动(外摩擦)区。 金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。,图310 切屑和前面摩擦情况示意图,在中低速切削塑性金属材料时, 常在刀具前面刃口处粘结一些工件材料, 形成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤。,产生这种现象，是滞流层金属不断堆积的结果。,积屑瘤的产生以及它的积聚高度与金属材料的硬化程度有关，也与刀刃前区的温度和压力状况有关。,3）影响积屑瘤的因素,2）积屑瘤的形成原因,1）什么是积屑瘤,图312 积屑瘤高度与切削速度

7、关系示意图,4）积屑瘤对起削过程的影响,实际前角增大（图3-13）； 增大切削厚度（图3-13） ； 使加工表面粗糙度增大； 对刀具寿命的影响。,一般积屑瘤对切削加工过程的影响是不利的，在精加工时应尽可能避免积屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。,图313 积屑瘤前角和伸出量,采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度影响积屑瘤的，以切削45钢为例，在低速vc3m/min和较高速度vc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤； 采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少； 适当减少进给量、增大刀具前角； 适当提高工件材料的硬度； 提高刀具的刃磨质量； 合理调节各切削参

8、数间关系，以防止形成中温区域。,5）抑制或消除积屑瘤的措施,七、影响切屑变形的主要因素,1. 工件材料的力学性能,材料强度越高，塑性越小，则变形系数越小，切削变形减小（图）。,2.切削用量,（1）切削速度,切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。 在积屑瘤增长的速度范围内 , 因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角增大、变形系数减小。 在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （图） 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增大，变形系数逐渐地减小。,图 工件

9、材料强度对变形系数的影响,图 切削速度对变形系数的影响,当进给量f增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小(图)。,3.刀具几何参数,前角增大，剪切角增大，而剪切角越大，则变形系数减小。 变形系数与前角之间的关系如图所示。,刀尖圆弧半径越大，变形系数越大，切削变形越大。（图）,图 切削厚度与变形系数的关系,图 前角对变形系数的影响,图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响,带状切屑 最常见的屑型之一（图3-15a）。 外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是毛茸茸的。 形成条件： 一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小、切削速 度较高、刀具前角较大时，会得到此类切屑。 优 点：切削过程

10、平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙 度较小。 缺 点：紊乱状切屑缠绕在刀具或工件上影响加工过程。,挤裂(节状)切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外表面是锯齿形。形成条件：这类切屑之所以呈锯齿形，是由于它的第一变形区较宽，在剪切滑移过程中滑移量较大。大多在低速、大进给、切削厚度较大、刀具前角较小时产生(图3-15b)。,单元(粒状)切屑 在挤裂(节状)切屑产生的前提下, 当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时则出现单元(粒状)切屑(图3-15c)。,崩碎切屑 切削脆性金属(铸铁)时，常见的呈不规则细粒状的切屑。产生这种切屑会使切削过程不平稳，易损坏刀具，使已加工表面粗糙。工件材料越是脆硬

11、、进给量越大则越容易产生这种切屑(图3-15d) 。,图315 切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑,图315 切屑类型 C）单元切屑 d ) 崩碎切屑,已加工表面的形成与第三变形区的关系密切； 刀具刃口钝圆半径及刃口磨损形成的磨损棱面，会使已加工表面产生剧烈的塑性变形(图3-16a)。 表层剧烈的塑性变形造成已加工表面加工硬化及表面层的残余应力。 加工硬化和残余应力的存在，会影响已加工表面的质量和工件的疲劳强度，并增加了下道工序加工的困难及刀具磨损。 钝圆半径的大小取决于刀具材料、楔角大小、刃磨质量等因素。,九、已加工表面的形成过程,图316 已加工表面的形成过程,第二节 切削力,切削过

12、程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。,1. 切削力的来源,切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（图3-18） 。,图3-18 切削力的来源,通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp (图3-19)。,（旧称主切削力，用Fz表示）总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。,旧称径向分力，用Fy表示 总切削力在垂直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的

13、参数。,旧称轴向分力，用Fx表示总切削力在进给方向的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数,图3-19 切削力的分解,计算切削功率 Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。 主运动消耗的切削功率 PcFcc/6010-3 （kW） 机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。,切削力的大小计算有理论公式和实验公式。理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。 常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算，另一类是按单位切削力进行计算。 在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。不同的加工方式和加工条件下，切削力

14、计算的指数公式可在切削用量手册中查得。车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表。 若已知单位切削力kc ，即可求得单位切削功率ps。表3-1为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。实际切削条件与表中不符时 ,必须引入修正系数加以修正，有关修正系数可参见相关手册。 在实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。,1. 工件材料,影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。 材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。 在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。,2. 切削用量,进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力

15、Fc增加，但影响程度不同。 进给量f 增大时，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。,切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小； 切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加； 在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。 在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。 在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用

16、高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。,前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料） 负倒棱的影响：（图321）负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力； 主偏角的影响：（图322） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr Fy , Fx 刃倾角的影响：（图323） s Fy , Fx ,Fz基本不变 刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削变形切削力。此外r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff 减小。,3. 刀具几何参数,图321 负倒棱对切削力的影响,图322 主偏角不同时Fxy力的分解 （a）Kr小 （b） Kr大,kr1,Kr,kr2,Fp,Ff,图323 刃倾角对切削力的影响,4. 刀具磨损,5. 切削液,6. 刀具材料,刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直