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1、机械制造工程学,作者：马光,责任编辑：王波 出版日期：2009年9月 IDPN：308-2009-047 课件章数：8,第三章 金属切削过程的 基本规律及其应用,3.1 金属切削的变形过程 3.2 切 削 力 3.3 切削热与切削温度 3.4 刀具磨损和刀具使用寿命 3.5 切削条件的合理选择 3.6 磨削原理,3.1 金属切削的变形过程,3.1.1 金属切削变形过程的基本特征,金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。即，金属切削过程就是金属内部不断滑移变形过程。,3.1.2变形区的划分和切屑的形成过程,1、变形区的划分 (1)
2、 第一变形区 从OM线开始发生塑性变形，到线晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域（）称为第一变形区。 (2) 第二变形区 切屑沿刀具前面排出时台进一步受到前面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，其方向基本上和前刀面平行，这一区域()称为第二变形区。 (3) 第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面挤压、摩擦与回弹，造成纤维化和加工硬化。这一区域（）的变形也是较密集的，称为第三变形区。,图3.3 金属切削过程中的流线与三个变形区示意图,2、切屑的形成过程 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，当切应力达到金属材料屈服强度时，产生塑性变形的切削变
3、形过程,3.1.3 切削变形程度的表示方法,1变形系数 变形系数是指通过切屑在形成前后的外形尺寸变化来度量切削变形的大小。 切屑厚度 与切削层的厚度 之比称为厚度变形系数(在GB/T1220490中称为切屑厚度压缩比用 表示)，用 表示；而切削层长度 与切屑长度 之比称为长度变形系数，用 表示。,2、相对滑移,3、相对滑移与变形系数的关系,3.1.4 前刀面的挤压与摩擦,1、作用在切屑上的力,2、剪切角的计算,结论：,3、前刀面上的摩擦,3.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响,1、积屑瘤现象 在一定的切削速度范围切削钢、铝合金、球墨铸铁等塑性金属材料时，常在刀具前刀面刃口处堆积一些工件材料
4、，如图3.12所示。这层堆积物大体呈三角形，质地十分坚硬，其硬度通常为工件材料硬度的23倍，处于稳定状态时可代替刀具切削刃进行切削。该堆积物称为积屑瘤。,2、积屑瘤的成因 （1）通常认为是由于切屑在前刀面上粘结造成的。 （2）积屑瘤的形成条件主要决定于切削温度。,3、积屑瘤对切削过程的影响及其控制 积屑瘤对切削过程的影响有以下几个方面： （1）保护刀具 （2）增大前角 （3）增大切削厚度 （4）增大已加工表面的粗糙度 （5）加速刀具磨损,在生产中通常采用以下几方面的措施来抑制或消除积屑瘤： （1）选择低速或高速进行切削，避开积屑瘤容易产生的切削速度区间. （2）可通过热处理，适当提高工件材料的
5、硬度、降低塑性，减少工件材料的加工硬化倾向。 （3）增大刀具前角，当前角增大到35时，一般不产生积屑瘤。 （4）提高刀具的刃磨质量；适当减少进给量；采用润滑性能良好的切削液等，也有助于抑制积屑瘤的产生。,3.1.6 切屑的类型与控制,1、切屑的基本类型 （1）带状切屑 （2）挤裂切屑 （3）粒状切屑 （4）崩碎切屑,2切屑的控制 （1）切屑的卷曲 （2）切屑的折断,3.1.7 影响切削变形的主要因素,1工件材料 2切削速度 3进给量 4前角,3.2 切 削 力,3.2.1 切削力的来源与分解,1切削力的来源 刀具切削工件而产生切削力，其根本原因是切削过程中产生的变形和摩擦引起的。,2切削合力及
6、分解 以外圆车削为例，如果忽略副切削刃的切削作用及其它影响因素，切削合力作用在主剖面内。实际应用中，为便于机床、工装的设计及工艺系统的分析和测量将合力分解为三个相互垂直分力。,3切削功率 切削功率是指消耗在切削过程中的总功率。一般切削功率按下式计算：,3.2.2 切削力的计算公式,1计算切削力的指数公式,2利用单位切削力计算,3.2.3 影响切削力的因素,1.工件材料 2.切削用量的影响 (1)进给量和背吃刀量 (2)切削速度,3.刀具几何参数 (1) 前角 (2)主偏角 （3）刃倾角 （4）刀尖圆弧半径 4.其他因素 （1）刀具磨损 （2）刀具材料 (3)切削液,3.3 切削热与切削温度,3
7、.3.1 切削热的产生与传出,1. 切削热的产生 金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热源。在这三个变形区中，刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。在切削过程中单位时间内所产生的热量，等于在主运动中单位时间内切削力所做的功，其表达式为：,2. 切削热的传出 （1）切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传散出去，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。 （2）影响切削热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。 （3）不同的加工方法其切削热由切屑、工件、刀具和介质传出的比例是不同的,3.3.2切削温度对切削加工过程的
8、影响,1对工件材料物理力学性能的影响 2.对刀具材料的影响 3.对工件尺寸精度的影响 4.利用切削温度自动控制切削用量,2机床的型号表示方法 1）机床的类别代号 2）机床的特性代号 3）机床的组别代号和系别代号 4）机床主参数、设计顺序号和第二主参数 5）其他特性代号,3.3.3 切削温度的测量及分布规律,1.切削温度的测量 切削温度的测量方法很多种，如热电偶法、热辐射法、远红外法和热敏涂色法等。但目前比铰常用的、简单可靠的测量方法是自然热电偶法和人工热电偶法。 2.切削温度的分布规律 实验证明：切削温度在刀具、工件和切屑上的分布是不均匀的。,3.3.4 影响切削温度的因素,1.工件材料 2.
9、切削用量 3.刀具几何参数 (1)前角 (2)主偏角 4.工件材料影响 5.刀具磨损 6.切削液,3.4 刀具磨损和刀具使用寿命,3.4.1 刀具的失效形式,1.正常磨损 （1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 2.非正常磨损 （1）脆性破损 （2）塑性破损,3.4.2 刀具磨损的原因,1.磨料磨损 2.粘结磨损 3.扩散磨损 4.氧化磨损 5.热电磨损,3.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准,1.刀具磨损过程 （1）初期磨损阶段 （2）正常磨损阶段 （3）剧烈磨损阶段,2.刀具的磨钝标准 （1）刀具磨损值达到了规定的标准应该重磨或更换切削刃(或更换刀片)，而不能继续使用，这个规定的标准就是磨钝标准。
10、 （2）ISO标准规定以1/2背吃刀量处后刀面上测得的磨损带宽度VB作为刀具磨钝标准。,3.4.4刀具使用寿命,1.刀具使用寿命的概念 刀具使用寿命是指刃磨好的刀具从开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的净切削时间。,2.刀具使用寿命实验原理与经验公式 具耐用度实验的目的是为了确定在一定加工条件下达到磨损标准的切削时间，或研究切削用量等因素对使用寿命的影响规律。 实验研究表明，切削速度 (通过切削温度)是影响使用寿命的最主要因素。,3.刀具使用寿命的选择 (1) 最大生产率使用寿命 根据单件工时最少的原则确定的使用寿命，即最大生产率使用寿命。 (2) 最低成本使用寿命 最低成本使用寿命是根据单件
11、工序成本为最低的原则来确定的刀具使用寿命，即经济使用寿命，,3.5 切削条件的合理选择,3.5.1 工件材料的切削加工性的改善,1. 工件材料切削加工性的衡量指标 （1）刀具寿命指标 （2) 加工表面粗糙度指标,2. 工件材料物理力学性能对切削加工性的影响 （1）硬度和强度 （2）塑性和韧性 （3）导热系数 （4）弹性模量,3改善工件材料切削加工性的途径 （1）进行适当的热处理 （2）调整材料的化学成分,4难加工材料的切削加工性及改善措施 切削加工高强度、超高强度这类材料时，切削力比切削加工45钢时的切削力提高2030，切削温度也高，刀具磨损快，刀具寿命低，切削加工性差。可采取以下改善措施：
12、1)选用强度大、耐热、耐磨的刀具材料。 2)为防止崩刃，应增强切削刃和刀尖强度，前角应选小或负值，切削刃的表面粗糙度应小，刀尖圆弧半径应在0.8mm以上。 3)粗加工一般应在退火或正火状态下进行。 4)适当降低切创速度。 切削加工硬度、强度低的高塑性材料时，由于塑性高、切削变形大、刀屑接触长、易粘结冷焊，因此切削力也很大，并易生成积屑瘤，断屑困难，不易获得好的加工表面质量。可采取以下改善措施： 1)选用适宜的刀具材料，锋利的切削刃，以减小切削变形。 2)采用较高的切削速度和较大进给量、背吃刀量。,3.5.2 刀具合理几何参数的选择,1.前角的功用及其选择 （1）工件材料 （2）刀具材料 （3）
13、加工要求,2.后角的功用及其选择 （1）切削厚度 （2）工件材料 （3）加工要求 （4）工艺系统的刚性,3. 主偏角、副偏角的功用及其选择 4.刃倾角的功用及其选择,3.5.3 切削用量的选择,1选择切削用量时考虑的因素 （1）切削加工生产率 （2）刀具寿命 （3）加工表面粗糙度,2切削用量的选择方法（以车削为例） （1）背吃刀量的选择 （2）进给量的选择 （3）切削速度的选择,3.5.4切削液的选择,1切削液的作用 （1）冷却作用 （2）润滑作用 （3）清洗和排屑作用 （4）防锈作用,2切削液的分类 （1）水溶液 （2）乳化液 （3）切削油,3切削液的选择 （1）从工件材料方面考虑 （2）从
14、刀具材料方面考虑 （3）从加工方法方面考虑 （4）从加工要求方面考虑,4切削液的使用方法 (1)浇注法 (2)高压冷却法 (3)以及喷雾冷却法,3.6 磨削原理,3.6.1 砂轮的特性与选择,1磨料 2粒度 3结合剂 4硬度 5组织 6砂轮的形状、用途和选择,3.6.2磨削运动与磨削过程,1磨削运动 （1）主运动 砂轮的旋转运动。 （2）径向进给运动 是指砂轮径向切入工件的运动。 （3）轴向进给运动 工件相对于砂轮的轴向运动。 （4）工件运动 工件的旋转或移动。,3.6.2磨削运动与磨削过程,2磨削过程 （1）滑擦阶段 （2）刻划阶段 （3）切削阶段,3.6.3 磨粒的切削厚度,单个磨粒的平均最大切削厚度为:,3.6.4 磨削力与磨削温度,1磨削力 （1）磨削与车削过程一样，也有磨削力产生。磨削力来源于两个方面： 一是磨削过程中工件材料发生弹塑性变形时所产生的阻力； 二是磨粒与工件表面之间的摩擦力。 （2）磨削力可以分解为三个分力：主磨削力(切向磨削力)、切深力（径向磨削力）、进给力(轴向磨削力)。 （3）与切削力相比，磨削力有以下主要特征： 一是，单位磨削力大， 二是，三向磨削分力中切深力最大。,2磨削温度 影响磨削温度的因素主要有以下几个方面： （1）砂轮速度 （2）工件速度 （3）径向进给量 （4）工件材料 （5）砂轮特性,
