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1、Mechanical Manufacturing Engineering,机 械 制 造 工 程 学,2019年5月18日,第一节 金属切削基本知识 第二节 金属切削过程 第三节 切削力与切削功率 第四节 切削热与切削温度 第五节 刀具的磨损及使用寿命 第六节 切削条件的合理选择,第1章 金属切削加工的基础理论,第一节 金属切削基本知识,一、切削运动,切削运动,直线运动,旋转运动,第一节 金属切削基本知识,一、切削运动,主运动：直接切除工件上的切削层，使之变为切屑，以形成工件新表面的运动。 通常用切削速度 vc (m/s) 表示。,特点：速度高、功耗大、只能有一个。,进给运动：不断地把切削层投
2、入切削的运动。通常用vf、f或 fz表示。,特点：速度低、功耗小、可以是断续运动、可以有多个。,合成切削运动：主运动和进给运动合成的运动。用ve表示。,第一节 金属切削基本知识,第一节 金属切削基本知识,待加工表面,过渡表面,已加工表面,二、切削用量,第一节 金属切削基本知识,二、切削用量,切削速度：(vc),“切削刃选定点相对与工件主运动的瞬时速度”。通常以最大线速度为准。 主运动是旋转运动时： 主运动是直线运动时：,第一节 金属切削基本知识,二、切削用量,进给量：( f ),“工件或刀具每转一转时，两者沿进给方向的相对位移”。 f (mm/r), vf (mm/s), fz (mm/z),
3、f,第一节 金属切削基本知识,二、切削用量,背吃刀量：(ap),“工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离”。 对于外圆车削：,第一节 金属切削基本知识,三、刀具切削部分的基本定义,第一节 金属切削基本知识,1.车刀的组成,刀柄,第一节 金属切削基本知识,1.车刀的组成,后刀面A,前刀面A,第一节 金属切削基本知识,1.车刀的组成,主切削刃s,副切削刃s,刀尖,第一节 金属切削基本知识,1.车刀的组成,归结起来： “三面两刃一尖”,前刀面Ar,后刀面A,副后刀面A,交线,交线,主切削刃s,副切削刃s,刀尖,连接部分,第一节 金属切削基本知识,2、刀具角度参考系,前提条件： 不考虑进给运动；
4、车刀刀尖与工件中心等高； 刀杆中心线与进给方向垂直； 刀具的安装面与基面Pr平行；,第一节 金属切削基本知识,五、刀具标注角度参考系,正交平面参考系：,基面Pr： “通过主切削刃上选定点垂直于主运动方向的平面”,第一节 金属切削基本知识,2、刀具角度参考系,正交平面参考系：,切削平面Ps： “通过主切削刃上选定点，与切削刃相切并垂直于基面的平面”。,第一节 金属切削基本知识,2、刀具角度参考系,正交平面参考系：,正交平面(主剖面)Po： “通过主切削刃上选定点，并同时垂直于基面和切削平面的平面”。,第一节 金属切削基本知识,2、刀具角度参考系,法平面参考系：,法平面Pn: “通过主切削刃上选定
5、点，并垂直于切削刃的平面”。,第一节 金属切削基本知识,2、刀具角度参考系,假定工作平面、背平面参考系：,假定工作平面(进给剖面)Pf： “通过主切削刃上选定点，平行于进给方向并垂直于基面的平面”,第一节 金属切削基本知识,2、刀具角度参考系,假定工作平面、背平面参考系：,背平面(切深剖面)Pp: “通过主切削刃上选定点，同时垂直于基面和假定工作平面的平面”。,第一节 金属切削基本知识,3、刀具的标注角度,f,S,S,在基面平面内测量的角度：,第一节 金属切削基本知识,3、刀具的标注角度,副偏角： “副切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角”。,主偏角： “主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角
6、”。,刀尖角： “主切削刃与副切削刃之间的夹角”。 r=180-(r+r),在基面平面内测量的角度：,第一节 金属切削基本知识,3、刀具的标注角度,Pr,Ps,Ar,A,前角：o “前刀面与基面之间的夹角”。,后角：o “后刀面与切削平面的夹角”,楔角,在正交平面内测量的角度：,第一节 金属切削基本知识,3、刀具的标注角度,Pr,S,刃倾角：S “主切削刃与基面之间的夹角”,在切削平面内测量的角度：,第一节 金属切削基本知识,4、刀具的工作角度,图示，用切断刀横向进给进行切断工件。,第一节 金属切削基本知识,4、刀具的工作角度,Ps,Pr,Pre,Pse,图示，用镗刀加工内孔。刀尖高于工件中心
7、。,第一节 金属切削基本知识,四、切削层参数：,“刀具沿进给方向移动一个进给量 f，由一个刀齿正在切削着的金属层”。 切削层的大小和形状直接影响： 刀具切削部分承受的载荷大小； 决定了切屑的尺寸和形状；,第一节 金属切削基本知识,四、切削层参数：,切削厚度：hD “垂直于过渡表面度量的切削层尺寸” hD=fsinr (mm),切削宽度：bD “沿着过渡表面度量的切削层尺寸” bD=ap/sinr (mm),切削面积：AD=hDbD (mm2) 对于外圆车削： AD=fap (mm2),第一节 金属切削基本知识,残留面积：,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,刀具挤压工件，
8、产生变形,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,刀具挤压工件，产生变形,滑移,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,刀具挤压工件，产生变形,滑移,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,刀具挤压工件，产生变形,滑移,挤裂,切离,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,金属的切削过程就是工件的被切削层金属在刀具前刀面的推挤下，沿剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,第一变形区：（基本变形区） O
9、AOM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。 主要特征： 剪切面的滑移变形,第二节 金属的切削过程,一、切屑的形成过程及变形区的划分,第二变形区： 切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。摩擦阻力阻止切屑流动，使切屑底部的晶粒进一步纤维化。 主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。,第二节 金属的切削过程,二、切削变形区,第三变形区： 工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。 造成工件表面的纤维化与加工硬化。 该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。,第二节 金属的切削过程,二、变形系数,厚度变形系数：,长度变形系数：,根据体积不变原理数：,第二节
10、金属的切削过程,二、变形系数,影响切削变形的因素：,工件材料：,刀具角度：,切削速度：,工件塑性,延伸率 ,O ,刀具锋利,塑性变形,vc ,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,带状切屑：,形状： 连绵不断呈带状，切屑底面很光滑而背面呈毛茸状。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,带状切屑：,产生条件： 切削塑性材料、切削速度高、切削厚度较小、前角大。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,带状切屑：,形成原因： 切速高，切削层未及充分变形即变为切屑，剪切面上的应力还未达到破坏值，因此只有塑性滑移而无断裂；前角大，则刀具锋利；hD小则切削力小。故易得带状切屑。,第二节 金属的切削过程
11、,三、切屑的类型,带状切屑：,特点： 切削过程变形小，切削力小且稳定；已加工表面粗糙度低。对生产安全有危害。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,带状切屑：,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,挤裂切屑：（节状切屑）,形状： 宏观上自然连接，但外表面呈锯齿形，如竹节状。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,挤裂切屑：（节状切屑）,产生条件： 切削塑性材料、切削速度中等、切削厚度较厚、前角较小。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,挤裂切屑：（节状切屑）,形成原因： 切削层经过充分变形全过程，最后被挤裂。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,挤裂切屑：（节状切屑）,特点： 切
12、屑冷硬度高，脆且易断，便于处理； 变形相对较大，切削力波动较大，易产生振动； 已加工表面粗糙度较高。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,挤裂切屑：（节状切屑）,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,单元切屑：,形状： 切屑沿挤裂面完全断开成单元状。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,单元切屑：,产生条件： 材料塑性很差、切速低、hD大、前角小。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,单元切屑：,形成原因： 整个剪切面上剪应力超过材料的破坏强度极限。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,单元切屑：,特点： 切削力波动很大，有振动；已加工表面非常粗糙，且有振纹。,第二节 金属的
13、切削过程,三、切屑的类型,单元切屑：,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,蹦碎切屑：,形状： 切屑呈不规则的碎块状。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,蹦碎切屑：,产生条件： 切削脆性材料。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,蹦碎切屑：,形成原因： 材料塑性差，抗拉强度低，受前刀面挤压时几乎没有塑性变形便脆断成不规则的碎块。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,蹦碎切屑：,特点： 切削过程不平稳，切削力波动大，有冲击，振动大，已加工表面粗糙。,第二节 金属的切削过程,三、切屑的类型,蹦碎切屑：,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,“在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑
14、底层与前刀面嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤”。,特点： 硬度是工件材料的23.5倍，可以代替刀具切削。 周而复始的生长、脱落。,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,“在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑底层与前刀面嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤”。,产生条件： 切削塑性材料。 切削区的温度、压力和界面状况符合在刀面上发生冷焊的条件。,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,“在一定的温度和压力下,切削塑性金属时,切屑底层与前刀面嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上,形成积屑瘤”。,对切削过程的影响： 积屑瘤代替刀刃
15、进行切削，保护了刀刃，增大了前角。 积屑瘤形状不规则，频繁生长脱落，影响尺寸精度和表面质量。 故： 粗加工时可人为控制积屑瘤的生长，使积屑瘤能稳定存在。 精加工时应抑制积屑瘤的产生。,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,控制措施：,提高前刀面的光滑程度； 提高工件的硬度，降低塑性； 采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,控制措施：,提高前刀面的光滑程度； 提高工件的硬度，降低塑性； 采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。,v=0.17m/s,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,控制措施：,提高前刀面的光滑程度； 提高工件的硬度，降低塑性；
16、采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,控制措施：,提高前刀面的光滑程度； 提高工件的硬度，降低塑性； 采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。,v=0.67m/s,第二节 金属的切削过程,四、积屑瘤,控制措施：,提高前刀面的光滑程度； 提高工件的硬度，降低塑性； 采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。,v=1.33m/s,第三节 切削力与切削功率,一、切削力的来源、合理及其分力,工件、切屑的变形抗力,刀具与切屑、工件与刀具之间的摩擦阻力,第三节 切削力与切削功率,一、切削力的来源、合理及其分力,第三节 切削力与切削功率,二、切削功率,机床总功率：,单位切削功率：,“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”,第三节 切削力与切削功率,三、单位切削力,“单位面积上的主切削力”：,估算切削力：,第三节 切削力与切削功率,三、切削力测量与经验公式,1.切削力的经验公式：,注意： 计算公式由实验测得，式中的各项应按
