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1、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。,本章主要内容为：金属切削过程的实质、金属切削变形系数、切屑类型、积屑瘤产生的原因及对切削加工的影响、切削力与切削功率、切削热与切削温度、刀具磨损与刀具寿命。,第三节 金属切削过程,一、金属切削过程的实质,金属切削过程实质是被切削金属层在刀具挤压作用下产生剪切滑移的塑性变形过程。,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。,变形系数h 用切屑厚度与与切削层厚度之比或切削层长度与切屑长度之比：,3,1、
2、变形系数,切削层金属经过切削加工形成的切削，其长度较切削层金属长度缩短，厚度交切削层金属厚度增加，说明切削层金属发生了变形，如图所示，其变形程度的大小，可近似地用变形系数来衡量,带状切屑 最常见的屑型之一 如图外形特征：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。,切屑类型 a) 带状切屑 b) 挤裂切屑,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
3、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。,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。,切屑类型 C）单元切屑 d ) 崩碎切屑,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、进给量越大则越容易产生这种切屑。,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。,1、积屑瘤的形成原因和条件,积屑瘤是
4、滞流层金属不断堆积的结果。 在一定的切削条件（适当的压力和温度）下，切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这层金属流动速度减慢，而上层金属流动较快，流动较慢的切屑底层，称为滞流层。,二、积屑瘤,滞流层金属产生的塑性变形比切屑上层大得多，其晶粒纤维程度很高，纤维化的方向几乎与前刀面平行，如果温度与压力适当，当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切削本身分子间的结合时，滞流层金属的流速接近于零，与前刀面粘接成一体，形成积屑瘤。,积屑瘤的产生必须具备两个条件：1）是切削塑性材料。因为切削脆性材料不形成连续切屑，不与刀具前面摩擦，因此一般不产生积屑瘤。2）是中等切削速度切削。a、切削速度低于0.083m/s（即vc
5、5m/min)时，切屑流动较慢，切削温度很低，切屑底层与刀具前面的摩擦系数很小，不会产生粘接现象，所以不会出现积屑瘤。b、切削速度在0.0831m/s范围内（即vc在560m/min范围内) ，切屑流动较快，切削温度较高，切屑底层与刀具前面的摩擦系数较大，容易粘接产生积屑瘤。c、当切削速度高于1.67m/s（即vc100m/min) 时，由于切削温度很高，切屑底层金属呈微熔状态，摩擦系数又明显减小，也不会产生积屑瘤。,积屑瘤的产生的原因是切屑底层金属与前刀面的粘接和加工硬化。其产生和积聚高度与金属材料的性质以及刀-屑界面的温度和压力分布有关。 在切削过程中，积屑瘤的高度与切削条件有直接的关系。
6、由于切削过程中的冲击、振动，切削力负荷不均等原因，积屑瘤是不稳定的，会出现整个积屑瘤或部分积屑瘤的破碎、脱落以及再生。,积屑瘤对切削加工的影响：,（1）增大实际前角。如图。减小切屑变形和降低切削力，对切削过程起积极的作用。积屑瘤越高，实际前角越大。（2）增大切削厚度。有积屑瘤时的切削厚度比没有积屑瘤时增大，因而影响了加工尺寸。（3）增大已加工表面粗糙度。积屑瘤粘附在切削刃上，使实际切削刃呈一不规则的曲线，导致在已加工表面上沿主运动方向刻划出一些深浅和宽窄不同的纵向沟纹，使加工表面非常粗糙。（4）影响刀具寿命。,积屑瘤前角和伸出量,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
7、屑瘤的产生，但在粗加工时，有时可充分利用积屑瘤。,控制切削温度是抑制积屑瘤的有效方法之一，即采用低速或高速切削。采用高润滑性的切削液，提高刀具的刃磨质量,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，减小加工硬化倾向。,抑制或消除积屑瘤的措施,二 、 切削力,切削力是切削过程中刀具与工件之间的相互作用力，是切削过程中又一个重要的物理现象。,切削过程中，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，称为总切削力。,1. 总切削力的来源,其一是来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抵抗所需要的力。,其二是克服切屑与刀具前刀面，工件表面与刀具后刀
8、面之间的摩擦阻力所需要的力。,这两方面的合力就是总切削力F,（一）、切削力的来源和分解,切削力的来源,通常将总切削力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。如图,切削力Fc是总切削力在主运动方向的分力，因此它垂直于基面。它是切削过程中消耗功率最大的一个切削分力。是计算切削功率、确定机床动力、校核刀具、夹具以及机床主运动系统中零件的强度、刚度的主要依据。,切削力的分解,进给力Ff是总切削力在进给方向的分力，因此在基面内。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。,背向力FP是总切削力在垂直于工作平面方向的分力，因此它在基面内，与进给运动方向垂直。
9、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，所必须的参数。如图,在三个切削分力中，切削力最大，进给力，背向力小些且背向力不消耗功率。,如图，总切削力F与各分力的关系为：,根据实验，三个分力之间有以下关系：,工作功率Pe是切削过程中消耗的总功率。它包括切削功率Pc和进给功率Pf两部分。 由于进给功率只占工作功率的2%3%，所以一般只计算切削功率。, Pe Pc Pf Pc Fcvc10-3（KW）,Fc-切削力，单位为N vc-切削速度，单位为m/s,3、工作功率Pe和切削功率Pc,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。机
10、床电机功率 PE Pcmm为机械传动效率，一般为m0.750. 85。上式是用于校验与选用机床电动机的依据。,切削热是切削过程中的重要物理现象之一。切削温度的作用:影响工件材料的性能前刀面上的摩擦系数和切削力的大小；影响刀具磨损和刀具使用寿命；影响积屑瘤的产生和加工表面质量；也影响工艺系统的热变形和加工精度。,切削热与切削温度,27,切削热传出,切削热的产生与传出,28,工件切屑刀具周围介质,当产生的热量于传出的热量平衡时，切削区的平均温度即为切削温度,切削温度分布,切削区温度分布规律,1）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度几乎相同，而在垂直于剪切面方向上的温度有变化。,29,切削温度-切削区的
11、平均温度即为切削温度,2）前刀面和后刀面上的最高温度点都不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。这是摩擦热沿前、后刀面逐渐增加的缘故。,30,3）在靠近前刀面的切屑底层上，温度梯度很大，这说明前刀面上的摩擦热集中在切屑底层，对切屑底层金属的剪切强度会有很大的影响。因此，切削温度上升会使前刀面上的摩擦系数下降。4）刀面的接触长度较小，因此工件加工表面上温度的升降是在极短的时间内完成的。刀具通过时加工表面受到一次热冲击。,31,切削温度的影响主要因素,1 切削用量的影响,速度的提高切削温度升高但不会成正比,32,切削用量对切削温度的影响顺序是：切削速度影响最大；其次是进给量；背吃刀量的影响最
12、小,2 刀具几何参数的影响,前角对切削温度的影响,33,前角增大，切削温度下降，但前角不宜太大，前角太大，切削温度反而升高,主偏角对切削温度的影响,34,主偏角增大，切削温度升高,3工件材料的影响,1）工件材料的强度、硬度等各项力学性能提高时，产生的切削热增多，切削温度升高；2）工件材料的热导率愈大，通过切屑和工件传出的热量愈多，切削温度下降愈快。 决定产生切削热的性能（强度）同样的情况下，导热系数的不同决定了传出热量的不同，所以切削温度不同。,35,4 其他因素的影响,刀具磨损量增大切削温度升高，磨损到一定之后影响加剧。 切削液的冷却润滑效果越好，切削温度越低。,36,四、刀具磨损与破损及使
13、用寿命,37,刀具的磨损形式,38,前刀面磨损-牙洼磨损发生的条件：切塑性材料，v c和hD较大时，,后刀面磨损带不均匀，刀尖部分磨损严重，最大值为VC；中间部位磨损较均匀，平均磨损宽度以VB表示；,39,后刀面磨损主要发生在后刀面：切削塑性材料，若切削厚度较小切削脆性金属时、前刀面摩擦较小，温度低,刀具磨损原因,40,2009,41,工件上的硬质点磨掉刀具上的软质点。低速切削时，硬质点磨损是刀具磨损的主要原因 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀具材料
14、硬度比较小、亲合力大时磨损严重；刀具刃磨质量差磨损严重。,刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成的磨损。 切削温度越高扩散越快；刀工材料亲合力越大扩散越快； 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。,一定温度下，刀材与空气中的氧、切削液中的硫、氯起化学作用，生成较软的化合物，造成刀具磨损。 氧化磨损是边界磨损原因之一；主要发生在较高速切削条件下。,43,总结切削速度与各种原因造成的磨损强度,硬质点磨损,粘结磨损,扩散磨损,化学磨损,44,2009,刀具的磨损过程及磨钝标准,1. 初期磨损阶段， 与刀具刃磨质量有关,2. 正常磨损阶段 VB与切
15、削时间近似正比， 斜率表示磨损强度,3. 急剧磨损阶段， 切削力、温度急升，刀具磨损加剧，之前换刀,45,刀具磨损过程,磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使 用。这个磨损限度称为磨钝标准。,选择原则1.小厂、有经验工人根据一些现象来判断刀具是否磨钝；2.ISO标准规定以VB值作为刀具的磨钝标准： 在不同的加工条件下，磨钝标准的具体数值是不同的。 粗车碳素钢0.60.8 粗车铸铁0.8 1.2 粗车合金钢0.40.5 精车碳钢0.1 0.3 系统刚性大、HSS ，VB值较大；系统刚性小、Y合金，VB值较小3. 自动化精加工刀具，以径向磨损量NB作为磨钝标准,刀具使用寿命及与切削用量的关系,刀具总使用寿命刀具使用寿命刃磨次数,刀具寿命 一把新刀（或重新刃磨过的刀具）从开始使用直至达到磨钝标准所经历的实际切削时间，称为刀具寿命。,47,刀具使用寿命是表征刀具材料切削性能优劣的综合性指标。 在相同切削条件下，使用寿命越高，表明刀具材料的耐磨性越好。在比较不同的工件材料切削加工性时，刀具使用寿命也是一个重要的指标，刀具使用寿命越高，表明工件材料的切削加工性越好。,
