《机械制造技术 吉卫喜 编 第二章 金属切削基本理论1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械制造技术 吉卫喜 编 第二章 金属切削基本理论1（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 金属切削基本理论在金属切削过程中，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。 金属切削过程:是指通过切削运动，使刀具从工件上切下 多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程 。第一节 金属切削过程一、金属切削层的切削变形1切削变形的力学本质切削金属形 成切屑的过程是 一个类似于金属 材
2、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）。金属切削过程:是指通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层 ，形成切屑和已加工表面的过程。图2-1 挤压与切削的比较三个变形区根据实验时的切削层变形图片可绘制图所示的切削 变形模型，其变形大致可分为三个变形区。（1）第一变形区OA始滑移线OM终滑移线变形的主要特征： 剪切滑移变形 加工硬化一般速度范围内一区 宽度为0.020.2mm，速度越高，宽度越小， 可看作一个剪切平面OM 剪切角： 剪切面OM与切削速度Vc之间的夹角称为剪切角。（剪切滑移区）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
3、 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（）。（2） 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。（3）第三变形区 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。切屑 的变形和形成过程。2、切
4、屑形成过程在第一变形区中，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。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。切屑形成本质（2）节状切屑 又称挤 裂切屑。它的外表面呈锯齿形 ，内表面有时有裂纹。在切削 速度较低、切削厚度较大、刀 具前角较小时常产生此
5、类切屑 。（1）带状切屑 它的内 表面是光滑的，外表面呈毛茸 状。加工塑性金属时，在切削 厚度较小、切削速度较高、刀 具前角较大的工况条件下常形 成此类切屑。3、切屑的类型（4）崩碎切屑 加工脆性材料，切削厚度越大越易 得到这类切屑。（3）粒状切屑 又称单元切屑。在切屑形成过程中 ，如剪切面上的剪切应力超 过了材料的断裂强度，切屑 单元从被切材料上脱落，形 成粒状切屑。带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑4前面上的挤压、摩擦与积屑瘤（1）作用在切屑上的力 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
6、 和 Fr。假设这两个合力相互平衡，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。（2） 前刀面上的摩擦 切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩 擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域 ， 如图所示有粘结区和滑动区。 粘结区：近切削刃长度 lf1， 由于高温（可过900）、 高压（可达3.5109N/m2） 的作用使切屑底层材料产生 软化，切屑底层的金属材料 粘嵌在前刀面上的高低不平 凹坑中而形成粘结区。粘结面间相对滑动产生的摩擦 称为内摩擦。（2） 前刀面上的摩擦 滑动区：切屑即将脱离 前刀面时在lfo长度内的接 触区。在该区内切屑与前 刀
7、面间只是凸出的金属点 接触，滑动区的摩擦称为外摩擦。（2） 前刀面上的摩擦 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（85%），因此， 应着重考虑内摩擦。 （3）积屑瘤在中低速切削
8、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。 2）积屑瘤的形成原因1）什么是积屑瘤 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 刀量和进给量保持一定 时，积屑瘤高度Hb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。3）影响积屑瘤的因素积屑瘤如图所示，某堆积在前刀面上近切削刃处的积屑瘤， 经测
9、定它的硬度为金属母体的23倍，积屑瘤高出前刀面 0.369mm、凸出后刀面 0.057mm、宽1.138mm，在切削 时形成了实际前角3227(有 的可达40)。积屑瘤替代切削 刃参加切削情况。积屑瘤对切削过程 的影响：（1）使实际前角增 大 （2）增大切入深度（3）使加工表面粗 糙度值增大（4）影响刀具耐用 度切屑刀具积屑瘤积屑 瘤1) 积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和 切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀 具的磨损。 2) 积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积 屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。 3) 积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸 精度。 4) 积屑瘤直接
10、影响工件加工表面的形状精度和表 面粗糙度。积屑瘤对精加工是不利的，应避免它产生：降低工材塑性；合理选切削速度；增大前角；减小进给量；采用润滑液等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.减小刀具前刀面与切 屑之间的压力。 适当提高工件材料的硬度.减小加工硬化倾向。 提高刀具的刃磨质量； 合理调节各切削参数间关系，以防止形成中温区域。抑制或消除积屑瘤的措施已加工表面的形成与第三变形区的关系密切
11、； 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。、已加工表面的形成过程6、切削变形程度的表示方法切削变形程度有二种不同的表示方法，分述如下。在切削过程中，刀具切下的切屑厚度 通常都大于 工件切削层厚度 ，而切 屑长度 却小于切削层长 度 。切屑厚度 与切削 层厚度 之比称为厚度变形 系数 h ；而切削层长度与切屑长
12、度之比称为长度变 形系数 l 。1变形系数 既然切削过程中金属变形的主要形 式是剪切滑移，当然 就可以用相对滑移（ 剪应变）。来衡量切 削过程的变形程度。 如图中，平行四边形 OHNM发生剪切变形后，变为平行四边形 OGPM，其相对滑移=s/y图 2相对滑移二、影响切屑变形的因素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
13、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。（2）进给量 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（1）前角0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 。(2)刀尖圆弧半径r刀尖圆弧半径越大， 变形系数越大，切削 变形越大。（图）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第二节 金属切削过程的主要物理现象及规律1、切削力的来源与分解切
14、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 2-18） 。力 切 削 一图2-18 切削力的来源（2）切削力的分解通常将合力F分解 为相互垂直的三个分 力：切削力 Fc幻灯片 30 、进给力 Ff 、背向 力 Fp (图2-19)。切削力Fc（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。背向力 Fp进给力Ff旧称径向分力，用Fy表 示
15、 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2-19 切削力的分解 一般情况下，在三个分力中切削力Fc， 最大，进给力Ff次之，背向力FP最小且不 消耗功率。根据实验，当kr45、s 0、。15时，各分力之间的近似关系 为 Ff(0.40.5)Fc (2-6) FP(0.30.4)Fc (2-7) 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）。2切削功率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书32。 若已知单位切削力kc ，即可求得单位切削功率ps。表2-2为 硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单
