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1、1,第二章,金属切削的基本规律及其应用,2,本章要点,切削过程三个变形区分析,切削力及其影响因素,切削热与切削温度,积屑瘤、残余应力和加工硬化,刀具磨损与刀具寿命,切削用量的选择,刀具几何参数选择,3,第一节,金属切削过程中的变形,4,种类：影响切屑形状的因素:工件材料、切削速度、进给量、刀具角度 切屑形状对加工过程的影响:切削过程平稳性、表面质量,一、切屑的种类及其变化,带状切屑,挤裂切屑,单元切屑,崩碎切屑,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,底面已不光滑，呈粒状金属块的堆砌,不规则块状颗粒,5,一、切屑的种类及其变化,切屑类型及形成条件,6,切屑类型,带状切
2、屑,挤裂切屑,节状切屑,崩碎切屑,切屑形态照片,7,切屑类型,为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应对切屑进行控制卷曲和折断。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,断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置）,8,切屑根部金相照片,二、切削层金属的变形,9,第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于此区域。 特征：剪切滑移，晶粒拉长,第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。 特征：晶粒纤维化方向与已加工表面平行 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。 包括：塑性变形、弹性变
3、形；弹性变形 （已加工表面）回弹,1 三个变形区,第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦,使靠近前刀面的的晶粒进一步剪切滑移。,特征：晶粒剧烈剪切滑移呈纤维状，纤维化方向与前刀面平行 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。,二、切削层金属的变形,切削部位三个变形区,10,二、切削层金属的变形,11,2 第一变形区内金属的剪切变形,工件上P点，在v下，向切削刃逼近挤压 应力增加 到达1点， 沿OA滑移1 2，强化， 增加；挤压 应力增加， 滑移2 3材料内部的最大剪应力许用剪应力OA始滑移 OM终滑移 第一变形区厚度仅为0.020.2mm，可以看成面，称剪切面：,1
4、2,第一变形区内金属的剪切变形,剪切角 ： 剪切面与切削速度方向之间的夹角。,晶粒纤维化方向与滑移方向不一致，成 角。,13,3 变形程度的表示,变形系数剪切角剪应变,14,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。,3 变形程度的表示, 厚度变形系数, 长度变形系数,由于沿切屑宽度方向基本没有变形，根据体积不变原理：变形系数：一般：,15,剪切角 剪切角越大， 越小（ 不变）， 越小。 前角增大，剪切角增大，变形减小。,变形程度的表示,16,变形程度的表示,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,来衡量切削过程的变形程度,平
5、行四边形OHNM变为OGPM,17,变形程度的表示,几种表示变形程度的参数的比较 切屑形态：对于塑性材料，从带状切屑，到挤裂切屑，到单元切屑，变形依次增大。特点：1）方便。可在现场目测。2）很粗略，只能定性分析。3）有时会造成假象：有时挤裂切屑的变形小于单元切屑（切削厚度很大时） 剪切角：可定量反映变形特点：1）计算值不精确，且各种理论下的计算值差别较大2）虽然可以通过实验测量，但很不方便，只能用于实验分析。 变形系数：建立在将切削看成纯挤压的观点上特点：1）易测量2）由于出发点与实际差别较大（切削变形以剪切为主），故不精确。有时等于1，甚至小于1（切削耐热合金，如钛合金时）。,18,变形程度
6、的表示,几种表示变形程度的参数的比较 剪应变：建立在纯剪切的观点上，最接近实际情况，是比较合理、精确的近似（忽略了挤压）。特点：1）在 ， 增加， 下降2）3）,19,三 刀屑接触区的变形与摩擦,第二变形区特征:切屑底层晶粒纤维化,流速减慢,甚至滞留。 切屑发生弯曲 温度升高,20,粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lf1的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。,沿前刀面方向：在高温高压作用下，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。 两个摩擦区,滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩
7、擦属于外摩擦。,三 刀屑接触区的变形与摩擦,前刀面变形区的特点,垂直于前刀面方向：切屑流速不均加工硬化,两个摩擦区,21,前刀面变形区的特点,切屑流动速度不均匀：表层流速大，底层流速小。当 时， 滞留现象切屑上下层变形程度不均匀：底层变形大，高度纤维化 加工硬化,三 刀屑接触区的变形与摩擦,22,积屑瘤现象,积屑瘤成因, 形成条件：一定的速度范围（一定的温度、压力作用下）切削塑性材料连续切削 现象：切屑底层一部分金属停滞和堆积（冷焊）在刃口附近，形成楔块 特征：加工硬化，硬度很高，可达工件本体硬度的23.5倍,23, 优点： 增大实际前角 代替前刀面切削，保护刀刃（积屑瘤稳定时） 缺点： 影响
8、加工精度和表面粗糙度 积屑瘤不稳定，破裂后会嵌入工件 使刀刃畸变 时长时消，引起振动 影响刀具耐用度：积屑瘤被切屑带走的同时，带走刀具材料，产生刀具磨损,24,精加工时，积屑瘤无益处1) 降低切削速度,以降低切削温度2)高速切削3)增大前角,减少接触压力4)润滑5)适当提高工件材料硬度（工件塑性越大，越容易产生积屑瘤）,避免积屑瘤的措施,25,四 影响切屑变形的因素,工件材料 前角 切削厚度 切削速度,26,四、切屑变形的规律,工件材料强度、硬度越高-切屑变形越小,27,四 切屑变形的规律,刀具前角的影响 前角越大,变形越小,28,四 切屑变形的规律,切削厚度的影响（f）越大,变形越小,29,
9、四 切屑变形的规律,切削速度的影响（中）低速：与积屑瘤有关高速：变形来不及传递，v 越大,变形越小总趋势：v 越大,变形越小,30,已加工表面的变形,切削刃存在刃口圆弧，导致挤压和摩擦，产生第变形区。,A点以上部分沿前刀面流出，形成切屑；A点以下部分受挤压和摩擦留在加工表面上，并有弹性恢复。,A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。,31,第二节 切削力,切削力的来源 切削力的分解切削力的经验公式 切削力的影响因素,32,一、切削力及切削功率,1 切削力的来源,来源： 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力,切削力：切削过程中，
10、工件作用在刀具上的力,33,r,Fz,Fr,Fy,FN,Fx,FN,FN,f,v,切削力的分解,一、切削力及其切削功率,2 切削力的分解: 切削合力Fr：主切削力Fz、径向力Fy、轴向力Fx,34,一、切削力及其切削功率,3 切削功率,Fy不做功，而Vf又很小， Fx也很小，因此进给运动消耗的功率可以忽略，于是：,切削功率：,机床电机功率：,机床传动效率，一般取0.750.85,35,二 切削力的求法,1 通过测量机床功率求切削力,利用功率表测量机床功率，换算出切削力，误差较大,2 利用测力仪测量切削力,利用测力仪，可以测出Fz、Fy、Fx三个分力，精度较高,3 切削力的计算,理论公式：基于假
11、设条件推导，误差较大，不实用。 经验公式：基于实测数据，用统计分析的方法得出。计算结果教准确，是目前常用的计算方法。,36,二 切削力的求法,切削力经验公式,式中 CFZ , CFx , CFy 与工件、刀具材料有关系数；xFZ , xFx , xFy 切削深度ap 对切削力影响指数；yFZ , yFx , yFy 进给量 f 对切削力影响指数；nFZ , nFx , nFy 切削速度V 对切削力影响指数；KFZ , KFx , KFy 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。,硬质合金车刀车外圆时：,37,切削力经验公式,单位切削力 单位切削层面积上的主切削力,38,三、影
12、响切削力的主要因素,工件材料,刀具几何参数,其他因素： 刀具材料、切削条件,39,三、影响切削力的主要因素,1 工件材料的影响,（1）切削深度；,2 切削用量的影响,切削深度增加，切削力成正比增加,40,三、影响切削力的主要因素,（2）进给量： 进给量增加，切削力增加，但不成正比；,2 切削用量的影响,41,三、影响切削力的主要因素,（3）切削速度,2 切削用量的影响,v对FZ的影响主要是因为v对 有影响,总趋势： v增加，FZ下降,积屑瘤的影响,一般在2040m/min,42,三、影响切削力的主要因素,（1） 前角：加工脆性金属时，前角影响不明显,3 刀具几何角度的影响,43,三、影响切削力
13、的主要因素,（2） 主偏角： 对主切削力影响不大对径向力和轴向力影响显著：,3 刀具几何角度的影响,44,三、影响切削力的主要因素,（3）刃倾角：s对主切削力影响不大对径向力和轴向力影响显著： （4） 刀尖圆弧半径 r：对主切削力影响不大。r较大时，对吃刀抗力和进给抗力有影响, 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，进而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对径向力的影响较显著 ；,45,第三节 切削热和切削温度,切削热的来源 切削区的温度分布 影响切削温度的因素,切削功 热 作用于,刀具：产生磨损,工件：影响加工精度表面质量,46,一、切削
14、热的来源与传出,切削热来源, 切削过程变形和摩擦所消耗的功，绝大部分转变为切削热,切屑、工件、刀具、周围介质（切削液、空气), 来源三个变形区（一般主要产生在第I变形区）,47,二、切削温度及其分布,切削温度：切削区的平均温度,1 切削温度的测量,（1）自然热电偶 热端：切削区 冷端：系统室温区 用毫伏表测热电势，再与标定曲线对照，得出切削区平均温度 刀具、工件要与机床绝缘 优点：简单易行 缺点：只能测平均温度，得不到温度分布情况； （2）人工热电偶：专门测温的热电偶，测某一点的温度,48,二、切削温度及其分布,TJ University,2 切削温度分布,（1）刀屑接触面上温度最高且梯度大。
15、速度高，来不及散热继续变形，温度升高 （2）温度最高点不在切削刃口处。热积蓄造成月牙洼磨损 （3）工件或刀具的导热系数越小，切削温度越高。,49,三、影响切削温度的主要因素,切削用量刀具几何参数工件材料刀具磨损冷却液,50,三、影响切削温度的因素,产生：,分析要点：,传出,变形功,摩擦功,热 温度,刀屑接触长度,导热系数,散热,温度,刀尖角,： 刀尖角,51,三、影响切削温度的因素,1 切削用量对切削温度的影响,式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X vc、f、ap 的指数。,经验公式,（3-12）,52,切削速度对切削温度的影响,
