金属切削的基本过程 1.3 金属切削过程

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1、金属切削的基本过程,1.3 金属切削过程,1.3.1 切削层的变形 1.3.2 切削变形的衡量方法 1.3.3 切屑的种类与变形规律 1.3.4 刀-屑接触区的变形与摩擦 1.3.5 刀-工接触区的变形与加工质量,【金属切削过程】刀具从工件表面切除多余金属，从切屑形成开始到加工表面形成为止的完整过程。,返 回,1.3.1 切削层的变形,1.3.1.1 第一变形区 1.3.1.2 第二变形区 1.3.1.3 第三变形区,【切削层】切削过程中，刀具切削刃的一个单一动作，或一个单程，或指只产生一圈（层）过渡表面，所切除的工件材料层。,返 回,切削层的变形,在金属压缩实验中，当金属试件受挤压时，在其内

2、部产生主应力的同时，还将在与作用力大致成45方向的斜截面产生最大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。 金属刀具切削时相当于局部压缩金属的压块，使金属沿一个最大剪应力方向产生滑移。 当切屑层达到切削刃OA（OA代表始滑移面）处时，切应力达到材料屈服强度，产生剪切滑移，切削层移到OM面上，剪切滑移终止，并离开切削刃后形成了切屑，然后沿前面流出,返 回,侧面方格变形观察法,切削层的金属变形三个变形区： 第一变形区（剪切滑移） 第二变形区（纤维化） 第三变形区（纤维化与加工硬化）。,返 回,切削层金属的变形过程,返 回,1.3.1.1 第一变形区,始滑移面OA与终滑移面OM之间的变形区称

3、为第一变形区，宽度很窄(约0.020.2mm)，故常用OM剪切面亦称滑移面来表示，它与切削速度的夹角称为剪切角。,返 回,I区变形特点,沿着滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化,要 点,1.3.1.2 第二变形区,当切屑沿前面流出时，由于受到前面挤压和摩擦作用，在前面摩擦阻力的作用下，靠近前面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层薄的一层金属流动滞缓，流动滞缓的一层金属称为滞流层，这一区域又称为第二变形区。,返 回,1.3.1.3 第三变形区,工件已加工表面受到钝圆弧切削刃的挤压和后面的摩擦，使已加工表面内产生严重变形，已加工表面与后面的接触区称为第三变形区。,返 回,1.3.2 切削

4、变形的衡量方法,1变形系数 2剪应变 3剪应变与变形系数的关系 4剪切角,一、切屑的形成过程,1变形区的划分,2切屑的受力分析,四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1积屑瘤的形成及其影响,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f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。,2积屑瘤对切削过程的影响 （1）使刀具前角变大 （2）使切削厚度变化 （3）使加工表面粗糙度增 （4）对刀具寿命的影响,积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。

5、精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：,（2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。,（1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。,（3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。,（4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。,五、影响切屑变形的因素,1工件材料,工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力 增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角减小，剪切角增大，变形系数 将随之减小。,增大刀具前角o，剪切角将随之增大，变形系数 将随之减小；但o增大后，前刀面倾斜程度加大，切

6、屑作用在前刀面上的平均正应力 av减小，使摩擦角和摩擦系数增大而导致减小。由于后一方面影响较小， 还是随的o增加而减小。,2刀具前角0,3切削速度Vc,在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度 越大，变形系数 越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度 越高，切削变形越不充分，导致变形系数 下降。此外，提高切削速度 还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度s因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数减小，使变形系数 下降。,在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度 越大，变形系数 越小。,4切削层公称厚度,返 回,1.3.3 切屑的种类与变形规律,返 回,切屑变形规律,1

7、 带状切屑（最常见,切削塑性金属材料，切厚小，V大，r0大时） 2 挤裂切屑（低速，切厚大r0小时） 3 单元切屑（较少见） 4 崩碎切屑（加工脆性材料时，尽量避免）,要 点,1 金属切削原理,内容提要 1.4 切削力 1.5 切削热和切削温度 1.6 刀具磨损和刀具耐用度 1.7 工件材料的切削加工性 1.8 切削条件的合理选择 重点与难点 切削力、切削功率的计算 刀具磨损和耐用度 作业,返 回,1.4 切削力,【切削力】切削时，刀具切入工件，使被加工材料变形成为切屑所需的力。 【来源】加工材料的弹塑性变形抗力和切屑工件表面对刀具表面的摩擦力。 【意义】研究切削力对刀具、夹具的设计和使用具有

8、重要的意义。 1.4.1 切削力的分析 1.4.2 切削力与切削功率的计算 1.4.3 影响切削力的因素,要 点,1.4.1 切削力的分析,【定义】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切削力。 为了研究方便，将作用于刀具上的切削合力分解为相互垂直的Fc、Ff、Fp. Fc：切削力,切于过渡表面,与基面垂直. Ff：进给力,在基面内,与进给方向相反. Fp：背向力,在基面内,与进给方向垂直,返 回,切削力分解,返 回,作用分析,Fc：计算刀具和机床强度,确定机床功率 Ff：用于设计机床进给机构和确定进给功率 Fp：计算工件挠度和刀具、机床零件的强度,要

9、点,1.4.2 切削力与切削功率的计算,1.4.2.1指数形式的切削力经验公式,返 回,1.4.2.2用切削层单位面积切削力计算切削力,【经验公式】 车削普通钢材时三个力的比例大约为,返 回,1.4.2.3工作功率计算,【定义】 消耗在切屑加工过程中的功率(Pe) 可以分解成切削功率(Pc)和进给功率(Pf)之和. 【计算公式】 机床传动效率约0.750.85,返 回,例,用CA6140车外圆，已知主轴转速n=1440rpm,工件直径d=25mm,机床电机功率Pm=7.8kW,机床传动效率为0.85，试估算切削力。,返 回,1.4.3影响切削力的因素,1.4.3.1 工件材料的影响 1.4.3

10、.2 切削用量的影响 1.4.3.3 刀具几何参数的影响 1.4.3.4 刀具材料的影响 1.4.3.5 切削液的影响 1.4.3.6 刀具后刀面磨损的影响,返 回,1.4.3.1工件材料的影响,工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形会减小，但由于剪切屈服强度增高，产生的切削力会越大； 工件材料强度相同时，塑性和韧性越高，切削变形越大，切削与刀具间摩擦增加，切削力会越大。 切削铸铁时变形小，摩擦小，故产生的切削力小。,返 回,1.4.3.2切削用量的影响,进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。 其主要原因在于，p增大一倍时，切削厚度hD 不变，

11、而切削宽度bD 则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f增大一倍时，切削宽度bD不变，只是切削厚度hD增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。 切削速度对切削力的影响：切削塑性金属时，在vc=40m/min时，由于积屑瘤的产生与消失，使刀具前角增大或减小，引起变形系数的变化，导致了切削力的变化；当vc40m/min，切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削力也随之下降。 切削灰铸铁等脆性材料时，塑性变形很小，且刀屑间的摩擦也很小，因此，c对其影响不大。,返 回,1.4.3.3刀具几何参数的影响,前角对Fc影响较大。前角增大，切削变

12、形减小，故切削力减小。 主偏角对进给力Ff和背向力Fp影响较大，当r增大时Ff增大而Fp 则减小。 刃倾角对背切削力FP影响较大，因为s由正值向负值变化时，会使顶向工件轴线的背向力增大。 此外刀尖圆弧半径，刀具磨损程度等因素对切削力也有一定的影响。,返 回,1.4.3.4刀具材料的影响,主要是刀具材料与工件材料的摩擦系数的影响 通常安装CBN，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢的顺序切削力依次增大。,返 回,1.4.3.5切削液的影响,切削液具有润滑作用，使得切削力降低。,返 回,1.4.3.6刀具后刀面磨损的影响,刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈大。 VB对背向力Fp影响最显著。,返 回,1.5 切

13、削热和切削温度,1.5.1切削热的产生和传出 1.5.2影响切削温度的主要因素,返 回,1.5.1切削热的产生和传出,切削过程中消耗的功率9899%转换为热能，因此近似认为单位时间内产生的切削热q等于切削功率Pc,返 回,切削温度,【定义】 指前刀面与切屑接触区内的平均温度。 它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热越多，传出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度越低。 【结论】 凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升； 有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。,3-3 切削热与切削温度,影响切削温度的主要因素 切削用量对切削温度的影响 切削速度v: v提高，切削温度显著上

14、升 进给量f: f增大,切削热增多，切削温度上升 背吃刀量ap:ap对切削温度的影响很小 刀具几何参数对切削温度的影响 刀具磨损对切削温度的影响 工件材料对切削温度的影响 切削热对切削温度的影响 切削液对降低切削温度有明显的效果,返 回,1.5.2影响切削温度的主要因素,1.5.2.1切削用量的影响 切削速度对切削温度影响最大 进给量次之 背吃刀量最小,返 回,1.5.2.2刀具几何产生的影响,前角越大，主偏角越小，温度越小 刀具负倒棱和刀尖圆弧半径对切削温度影响较小。,1.5.2.3工件材料的影响,硬度、强度越大，切削温度越大 工件导热率越大，切削温度越小,1.5.2.4刀具磨损的影响,刀具

15、磨损越大，切削温度越高 切削速度越大，磨损加剧，温度越大,1.5.2.5切削液的影响,切削液热导率、比热容、流量越大，温度越低,1.6刀具磨损和刀具耐用度,1.6.1刀具的磨损形式 1.6.2刀具磨损的原因 1.6.3刀具的磨损过程及磨钝标准,1.6.1刀具的磨损形式,【定义】 刀具在切削金属，切下切屑的同时，其本身也将发生钝化，而失去切削能力，称刀具的磨损 【原因】 刀具逐渐磨蚀（正常磨损） 刀具随机破损（非正常磨损） 【影响】 刀具的钝化达到一定的程度时，如继续使用，就会使Fr急剧上升，甚至引起振动 刀具的磨损使工件加工精度下降，表面质量显著恶化，刀具材料消耗增加，使加工不能正常进行,磨损

16、形式,1.6.1.1前刀面磨损 主要是月牙洼磨损，用KT表示 1.6.1.2后刀面磨损 后刀面磨损带，后角为0，分成三区C,B,N区，分别用VC,VB(max),VN来表示。后刀面磨损用B区的平均值VB表示 1.6.1.3边界磨损 主切削刃和副切削刃与工件接触处磨出的较深的沟纹,1.6.2刀具磨损的原因,刀具正常磨损的原因是机械磨损，热、化学磨损 1.6.2.1磨料磨损（硬质点磨损） 工件材料中的硬质点对刀具的刻划作用引起机械磨损，磨料磨损是低速刀具磨损的主要原因 1.6.2.2粘结磨损 由于刀具与工件在高温高压下发生的“冷焊”作用而形成的BUE，BUE 破裂时常使刀具材料颗粒被带走，在刀具表面形成粘结凹坑，造成粘结磨损,1.6.2.3扩散磨损,热作用的磨损，切削高温下刀具与工件的接触面间到分子能量很大，各个原子会在固态下发生相互扩散，从而改变刀具材料的成分结构，使刀具表层变脆而发生扩散磨损 扩散磨损随切削温度的上升而按照