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1、2020/10/15,1,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,数控加工技术 吴明友 编 第 四 讲 （90 Min、2节课）,2020/10/15,2,第二章 数控加工技术基础（二）第二节 金属切削过程的基本规律及应用（一）,一、切削过程中的变形（20 Min） 为了研究方便，通常把切削过程的塑性变形划分为三个变形区，如图2-9所示。 1第一变形区的剪切变形 被切削金属层在刀具前面的挤压力作用下，首先产生弹性变形，当最大切应力达到材料的屈服极限时，即沿图2-10中的OA曲线发生剪切滑移。,2020/10/15,3,图2-9 三个变形区的划分 -第一变形区；-第二变形区；-第三变形区,2020
2、/10/15,4,图2-10 第一变形区金属的剪切滑移,2020/10/15,5,随着刀具前面的逐渐趋近，塑性变形逐渐增大，并伴随有变形强化，直至OM曲线滑移终止，被切削金属层与母体脱离成为切屑沿前面流出。曲线OAMO所包围的区域是剪切滑移区，又称第一变形区，它是金属切削过程中的主要变形区，消耗大部分功率并产生大量的切削热。实际上曲线OA与曲线OM间的宽度很窄，约为0.020.2mm，且切削速度越高，宽度越窄。为使问题简化，设想用一个平面OM代替剪切滑移区，平面OM称为剪切平面。剪切平面与切削速度之间的夹角称为剪切角，以表示。,2020/10/15,6,2第二变形区的挤压摩擦和变形 经第一变形
3、区剪切滑移而形成的切屑，在沿前面流出过程中，靠近前面处的金属受到前面的挤压而产生剧烈摩擦，再次产生剪切变形，使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓。这一层滞缓流动的金属层称为滞流层。滞流层的变形程度比切屑上层大几倍到几十倍。,2020/10/15,7,3第三变形区的变形 第三变形区的变形是指工件过渡表面和已加工表面金属层受到切削刃钝圆部分和后面的挤压、摩擦而产生塑性变形的区域，造成表层金属的纤维化和加工硬化，并产生一定的残余应力。第三变形区的金属变形，将影响到工件的表面质量和使用性能。 以上分别讨论了三个变形区各自的特征。但必须指出，三个变形区是互相联系而又互相影响的。金属切削过程中的许多物理现象都
4、和三个变形区的变形密切相关。研究切削过程中的变形，是掌握金属切削加工技术的基础。,2020/10/15,8,二、积屑瘤与鳞刺（10 Min） 1积屑瘤 积屑瘤及其特征。切削塑性金属材料时，常在切削刃口附近黏结一硬度很高（通常为工件材料硬度的23.5倍）的楔状金属块，它包围着切削刃且覆盖部分前面，这种楔状金属块称为积屑瘤，如图2-11所示。 积屑瘤的成因及其抑制措施。 影响积屑瘤的因素很多，主要有工件材料、切削速度、切削液、刀具表面质量和前角以及刀具材料等切削条件。 1）切削速度。实验研究表明，切削速度是通过切削温度对前刀面的最大摩擦系数和工件材料性质的影响而影响积屑瘤的，控制切削速度使切削温度
5、控制在300以下或500以上，就可以减少积屑瘤的生成，所以具体加工中采用低速或高速切削是抑制积屑瘤的基本措施。,2020/10/15,9,2）进给量。进给量增大，则切削厚度增大，刀、屑的接触长度越长，从而形成积屑瘤的生成基础。若适当降低进给量，则可削弱积屑瘤的生成基础。 3）前角。若增大刀具前角，切屑变形减小，则切削力减小，从而使前刀面上的摩擦减小，减小了积屑瘤的生成基础。实践证明，前角增大到35时，一般不产生积屑瘤。 4）切削液。采用润滑性能良好的切削液可以减少或消除积屑瘤的产生。,2020/10/15,10,图2-11 积屑瘤,2020/10/15,11,2鳞刺 鳞刺是已加工表面上出现的鳞
6、片状反刺，如图2-12（a）所示。它是一较低的速度切削塑性金属时（如拉削、插齿、滚齿、螺纹切削等）常出现的一种现象，使已加工表面质量恶化，表面粗糙度值增大24级。 鳞刺生成的原因是由于部分金属材料的黏结层积，而导致即将切离的切屑根部发生断裂，在已加工表面层留下金属被撕裂的痕迹见图2-12（b）。与积屑瘤相比，鳞刺产生的频率较高。避免产生鳞刺的措施与积屑瘤类似。,2020/10/15,12,图2-12 鳞刺现象,2020/10/15,13,三、影响切削变形的因素（10 Min） 工件材料。实验结果表明，工件材料强度和硬度越高，变形系数越小；而塑性大的金属材料变形大，塑性小的金属材料变形小。 刀具
7、前角。前角越大，变形系数越小。这是因为增大前角可使剪切角增大，从而使切削变形减小。,2020/10/15,14,切削速度。切削速度vc与切削变形系数的实验曲线如图2-13所示，中低速切削30钢时，首先切削变形系数随切削速度的增加而减小，它对应于积屑瘤的成长阶段，由于实际前角的增大而使减小。而后随着速度的提高，又逐渐增大，它对应于积屑瘤减小和消失的阶段。最后在高速范围内，又随着切削速度的继续增高而减小。这是因为切削温度随vc的增大而升高，使切削底层金属被软化，剪切强度下降，降低了刀和屑之间的摩擦系数，从而使变形系数减小。此外，当切削速度vc很高时，切削层有可能未充分滑移变形就成为切屑流出，这也是
8、变形系数减小的原因之一。 切削厚度。由图2-13可知，当进给量增加（切削厚度增加）时，切削变形系数减小。,2020/10/15,15,图2-13 切削速度及进给量对变形系数的影响 工件材料：30钢；背吃刀量： ap 4mm,2020/10/15,16,四、切削力 （15 Min） 1切削力的来源及分解 切削力来源于三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力，以及切屑、工件与刀具间的摩擦力。如图2-14所示，作用在前刀面上的弹、塑性变形抗力Fn和摩擦力Ff；作用在后刀面上的弹、塑性变形抗力Fn和摩擦力Ff。它们的合力Fr，作用在前刀面上近切削刃处，其反作用力 ，作用在工件上。 为便于分析切削力
9、的作用和测量，通常将切削力分解成如图2-15所示的三个互相垂直的分力。,2020/10/15,17,图2-14 作用在刀具上的力,2020/10/15,18,图2-15 外圆车削时切削合力与分力,2020/10/15,19,主切削力Fc。垂直于基面，与切削速度方向一致（Y方向）。功率消耗最大，是计算刀具强度、机床切削功率的主要依据。 背向力Fp。X方向分力，是验算工艺系统刚度的主要依据。 进给抗力Ff 。Z方向分力，是机床进给机构强度和刚度设计、校验的主要依据。,2020/10/15,20,2影响切削力的主要因素 工件材料的影响。工件材料的强度、硬度越高，剪切屈服强度越高，切削力就越大。强度、
10、硬度相近的材料，塑性、韧性越大，则切削力越大。 切削用量的影响 1）背吃刀量和进给量。ap加大一倍，切削力增大一倍；f加大一倍，切削力增大6886。 2）切削速度。切削速度对切削力的影响如图2-16所示。,2020/10/15,21,图2-16 切削速度对切削力的影响,2020/10/15,22,刀具几何角度的影响。前角o增大，变形减小，切削力减小；主偏角kr增大，Fp减小、Ff增大；刃倾角s减小，Fp增大、Ff减小，对主切削力Fc的影响不显著。 刀具磨损的影响。后刀面磨损形成零后角，且刀刃变钝、后刀面与已加工表面间的挤压和摩擦加剧，使切削力增大。 切削液的影响。润滑作用为主的切削油可减小刀具
11、与工件之间的摩擦，降低切削力。,2020/10/15,23,五、切削热与切削温度 （35 Min） 1切削热的产生与传散 切削热的产生。切削层金属的弹、塑性变形和刀具与切屑、工件之间的摩擦所消耗的功，均可转变为切削热。切削热的来源与传散如图2-17所示。切削过程中产生的总切削热Q为： QQp+Qyf+Qaf （2-12） 式中 Qp 剪切区金属变形功转变的热； Qyf 切屑与前刀面的摩擦功转变的热； Qaf 已加工表面与后刀面的摩擦功转变的热。,2020/10/15,24,图2-17 切削热的来源与传散,2020/10/15,25,切削热的传散。通过切屑、工件、刀具和周围介质传出的热量分别用Q
12、ch、Qw、Qc和Qf表示。切削热的产生与传出的关系为 QpQfQfQchQwQcQf （2-13） 切削热传出的大致比例如下。 1）车削加工时。Qch （5086）、Qc（4010）、Qw（93）、Qf （1）。 2）钻削加工时。Qch（28）、Qc（14.5）、Qw（ 52.5）、Qf（5）。 影响传热的主要因素是工件和刀具材料的导热率及周围介质的状况。,2020/10/15,26,2切削温度的分布 由实验研究可知切削温度的分布情况如下： 刀屑界面温度比切屑的平均温度高得多，一般约高22.5倍，且最高温度在前面上离刀刃一定距离的地方，而不在切削刃上； 沿剪切平面各点温度几乎相同，由此可以推
13、想剪切平面上各点的应力应变规律基本上相差不大； 切屑沿前面流出时，在垂直前面方向上温度变化较大，说明切屑在沿前面流出时被摩擦加热；,2020/10/15,27,后面上温度分布也与前面类似，即最高温度在刚离开切削刃的地方，但较前面上最高温度低； 工件材料的热导率越低（如钛合金比碳钢热导率低），刀具前、后面的温度越高； 工件材料的塑性越低，脆性越大，前面上最高温度处越靠近切削刃，同时沿切屑流出方向的温度变化越大。切削脆性材料时最高温度在靠近刀刃的后面上。 切削温度通常是指切屑和刀具前面接触区的平均温度。它不但测量简单，而且与刀具磨损、积屑瘤的生长与消失和已加工表面质量有密切关系。因此，了解和运用切
14、削温度的变化规律是很有实用意义的。,2020/10/15,28,3影响切削温度的因素和变化规律 切削用量对切削温度的影响。切削速度对切削温度的影响最明显，速度提高，温度明显上升；进给量对切削温度的影响次之，进给量增大，切削温度上升；背吃刀量对切削温度的影响很小，背吃刀量增大，温度上升不明显。 刀具几何参数对切削温度的影响。前角增大，切削变形减小，产生的切削热少，切削温度降低，但前角太大，刀具散热体积变小，温度反而上升；主偏角增大，切削刃工作长度缩短、刀尖角减小，散热条件变差，切削温度上升。,2020/10/15,29,工件材料对切削温度的影响。工件材料强度和硬度越高，切削时消耗的功率越大，切削温度越高。热导率大，散热好，切削温度低。 刀具磨损对切削温度的影响。刀具磨钝，挤压、摩擦加剧，切削温度升高。 切削液对切削温度的影响。切削液能降低切削区的温度，改善切削过程中的摩擦状况，提高刀具耐用度。,
