第三讲金属切削过程及刀具寿命

1、 第三讲：切削过程研究切屑形成、积屑瘤、刀具磨损与寿命 一、意义一、意义 1. 机械加工要发展机械加工要发展,要提高经济效益要提高经济效益,必须以以下几点必须以以下几点作为突破点作为突破点: 保证加工质量保证加工质量 降低成本降低成本 提高生产率提高生产率 2. 由于现代科技的发展由于现代科技的发展,难加工材料越来越多难加工材料越来越多,对零件的对零件的质量要求越来越高质量要求越来越高,这都需要从研究金属切削过程的规律这都需要从研究金属切削过程的规律,以创新更加先进的切削方法以创新更加先进的切削方法,高质量的刀具来适应生产的高质量的刀具来适应生产的需要。需要。研究金属切削过程的意义和方法研究金

2、属切削过程的意义和方法研究金属切削的方法研究金属切削的方法1. 侧面方格变形观察法侧面方格变形观察法2. 高频摄影法高频摄影法3. 快速落刀法快速落刀法4. 扫描电镜显微观察法扫描电镜显微观察法5. 光弹性、光塑性试验法光弹性、光塑性试验法6. 其它方法其它方法切削形成过程及其变形区的划分切削形成过程及其变形区的划分p金属的切削过程金属的切削过程（看视频金属切削过程3-5分处的片断）l金属的切削过程就是刀具从工件表面切除多余的金属，从而形成切屑和已加工表面的全过程。p切削形成的过程切削形成的过程l大量的实验和理论分析证明，切削塑性金属时切削的形成过程就是切削层金属产生变形的过程。（也有个切削加

3、工示意图可以看）一、切屑形成过程一、切屑形成过程 以塑性材料的切屑以塑性材料的切屑形成为例，金属切削区形成为例，金属切削区可大致划分为：可大致划分为： 三个变形区三个变形区 第一变形区第一变形区 第二变形区第二变形区 第三变形区第三变形区金属切削过程金属切削过程（一）第一变形区（一）第一变形区OA始滑移线始滑移线 OM终滑移线终滑移线变形的主要特征：变形的主要特征： 剪切滑移变形剪切滑移变形金属切金属切削过程的塑性变形主要集中于此区削过程的塑性变形主要集中于此区域。域。 加工硬化加工硬化一般速度范围内一区一般速度范围内一区宽度为宽度为0.020.2mm，速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小，

4、可看作一个可看作一个剪切平面剪切平面（剪切滑移区）（剪切滑移区）（二）第二变形区（二）第二变形区（三）第三变形区第三变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。擦，使靠近前刀面的金属纤维化，基本与前刀面平行。此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（挤压摩擦区）（挤压摩擦区） 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化和加工硬化。摩擦，产生变形与回弹，造成

5、纤维化和加工硬化。此变形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区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因刃前区：刃前区：三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集三个变形区汇集在切削刃附近，此处的应力集 中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离中而复杂，被切削层在此与工件本体材料分离（挤压摩擦回弹区）（挤压摩擦回弹区）p金属切削变形过程金属切削变形过程 切屑根部金相照片切屑根部金相照片切削变形实验设备与录像装置切削变形实验设备与录像装置 剪切角剪切角 相对滑移相对滑移 变形系数变形系数h 切削变形程度的表示方法或参数切削变形程度的表示方法或参数p剪切角剪切角：剪切面与切削速度方

6、剪切面与切削速度方向之间的夹角向之间的夹角通过推导/4 0一个是刀具前角，一个是摩擦角。对其影响正相反。1、实验证明剪切角、实验证明剪切角的大小和切削力的大小有的大小和切削力的大小有直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，直接联系。对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，切削同样大小的切削层，如如角较大，剪切面积角较大，剪切面积变小，即变形程度较小，变小，即变形程度较小，切削比较省力。所以切削比较省力。所以角本身就表示变形的程度角本身就表示变形的程度。p剪切角剪切角：剪切面与切削速度方剪切面与切削速度方向之间的夹角向之间的夹角：剪切角也是：剪切角也是力的比值，而摩力的比值，而摩

7、擦力是直接来源擦力是直接来源于变形产生的力于变形产生的力小结论：剪切角越大，切削变形越小，切削力就越小。刀具前角加大，剪切角可增大。减小摩擦角，就有多种影响因素了，润滑或切削三要素的优化，会有效果。p相对滑移相对滑移n切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移变形,且主要集中于第变形区,其变形量可用相对滑移来表示n如图所示，当平行四边形OHNM发生剪切滑移后,变为OGPM，相对滑移为滑移距离s与单元厚度y之比，可用来表示切削变形程度n根据图中的几何关系有: = = = s y NP MK NK+KP MK = cot + tan ( -o ) 图图3-3 3-3 剪切变形示意图剪切变形示意图p 变

8、形系数变形系数h请单击一下请单击一下图图3-4 3-4 变形系数变形系数h的确定u切削实践表明，刀具切下切削实践表明，刀具切下的切屑厚度的切屑厚度ach通常都要大于通常都要大于切削层厚度切削层厚度ac，而切屑长度，而切屑长度lch却小于切削层长度却小于切削层长度lc ，如，如图图3-43-4所示所示u切屑厚度切屑厚度ach与切削层厚度与切削层厚度ac之比称为之比称为厚度变形系数厚度变形系数ha（国标称为切削厚度压缩比，（国标称为切削厚度压缩比，用用h表示）而表示）而切削层长度切削层长度lc与切屑长度与切屑长度lch之比称为之比称为长度长度变形系数变形系数hl，即，即chch1cchhallaa

9、；u由于切削层的宽度与切削平均宽由于切削层的宽度与切削平均宽度的差异很小，根据体积不变原理，度的差异很小，根据体积不变原理，有有h hh h1 1h ha au变形系数变形系数h，是大于，是大于1 1的数，直的数，直观地反映了切屑的变形程度观地反映了切屑的变形程度 u参看图参看图3-43-4，经过简单的计算，经过简单的计算，可得可得h与剪切角与剪切角的关系的关系u0 0越大，越大，值越大，相对滑移值越大，相对滑移、变形系数、变形系数h就越小就越小 sinsin) )cos(cos(0 0cchhaaa刀、屑接触区的变形及摩擦刀、屑接触区的变形及摩擦p切削层金属经过终滑移线OM，形成切屑后沿着前

10、刀面流出时，切屑底层仍受到刀具的挤压和接触面间强烈的摩擦，继续以剪切滑移为主的方式在变形(也可称内摩擦)，使切屑底层的晶粒弯曲伸长，并趋向于与前刀面平行而形成纤维层，从而使靠近前刀面部分的切屑流动速度降低，甚至会停滞在前刀面上。这种平行于前刀面的纤维层称为滞流层p采用光弹性实验方法可测出切削塑性金属时前刀面上的应力分布情况，如下图如下图所示p前刀面的摩擦系数的变化规律和外摩擦的情况大不相同（由两段组成）切屑和前刀面摩擦情况示意图切屑和前刀面摩擦情况示意图切屑和前刀面摩擦情况示意图切屑和前刀面摩擦情况示意图粘结区，内粘结区，内摩擦，依然摩擦，依然是剪切与滑是剪切与滑移，流速慢，移，流速慢，形成瘤

11、形成瘤正常滑动摩擦区正常滑动摩擦区积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其对切削过程的影响p积屑瘤的定义积屑瘤的定义 p积屑瘤的成因积屑瘤的成因 p影响积屑瘤产生的因素影响积屑瘤产生的因素p积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响n有利的影响有利的影响n不利的影响不利的影响p在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施p积屑瘤的定义积屑瘤的定义n在切削速度不高而又能形成连续性切削的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。这块冷焊

12、在前刀面上的金属称为积屑瘤或刀瘤积屑瘤或刀瘤积屑瘤剖面的金相磨片积屑瘤剖面的金相磨片p积屑瘤的成因积屑瘤的成因n切削加工时，切屑与前刀面发生强烈摩擦而形成新的表面接触。当接触面达到一定的温度和较高压力时，就会产生粘结（冷焊）现象。于是切屑底层金属与前刀面冷焊而滞留在前刀面上。连续流动的切屑从粘在刀面的底层上流过时，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工硬化，抗剪强度也随之提高而被阻滞在底层上。这样使剪切滑移发生在滞留层内部某一表面，而粘结层逐层在前一层上积聚，最后形成积屑瘤。p影响积屑瘤产生的因素影响积屑瘤产生的因素n积屑瘤的产生及其积聚高度与金属材料的硬化性质金属材料的硬化性质有关，也与

13、刃前区的温度和压力状刃前区的温度和压力状况况有关n一般来说，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤，刃前区的温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。对碳素钢来说，在300500时积屑瘤最高，到500以上时趋于消失。在背吃刀量和走刀量保持一定时，积屑瘤高度与切削速度有密切关系。积屑瘤高度与切削速度关系示意图积屑瘤高度与切削速度关系示意图300-500度n有利影响有利影响n产生积屑瘤后，它包覆在切削刃上，由于其硬度比工件材料大，故可代替刀刃进行切削，对切削刃有一定的保护作用n积屑瘤使刀具实际前角增大，对切削过程有利n增大了切削厚度n粗加工时希望有！n不利

14、影响不利影响影响工件的尺寸精度影响工件的尺寸精度n由于积屑瘤的前端伸出在切削刃之外，使切削厚度增加，因而对工件尺寸精度有影响积屑瘤使加工表面粗糙度值增大积屑瘤使加工表面粗糙度值增大n积屑瘤的底部相对稳定一些，其顶部则很不稳定，容易破裂。一部分粘附于切削底部而排出，一部分残留在加工表面上，积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面变得粗糙对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响n积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用；但积屑瘤不稳定时，积屑瘤的破裂有可能导致硬质合金刀具颗粒剥落，使磨损加剧p在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施在精加工时避免或减小积屑瘤的主要措施控制切削速度

15、，尽量采用低速或高速切削，避开中速区采用润滑性能良好的切削液，以减小摩擦增大刀具前角，以减小刀屑接触区的压力适当提高工件材料的硬度，减小加工硬化的倾向切屑的类型及控制切屑的类型及控制p带状切屑带状切屑p挤裂切屑挤裂切屑p单元切屑单元切屑p崩碎切屑崩碎切屑p切削的控制切削的控制p带状切屑带状切屑n形态形态：如右图右图所示所示， 连续不断呈带状，其底面（与前刀面接触的面）光滑，背面呈毛绒状（剪切面的条纹痕迹）n形成条件形成条件：一般加工塑性材料，切削速度较高、进给量较小、刀具前角较大时，易出现带状切削n对加工的影响对加工的影响：切削过程比较平稳，切削力波动小，已加工表面的粗糙度小，但由于切削连绵不

16、断，易缠绕工件和刀具或流出伤人，影响工作效率p挤裂切屑挤裂切屑n形态形态：如右图所示右图所示，切削底面（与刀具前刀面接触的面） 光滑但有明显的裂纹，外表面（背面）呈锯齿状。这种切削一小段即断开（呈C形节状），每个切削单元界限明显n形成条件形成条件：加工塑性材料，切削速度较低，前角较小，进给量（或切削厚度）较大时，易出现这类切削n对加工的影响对加工的影响：出现挤裂切削时，切削过程不够平稳，已加工表面的粗糙度变大p单元切屑单元切屑n形态形态：如右图所示右图所示，这类切削为彼此之间无联系或联系很弱的梯形粒状的单元所组成的n形成条件形成条件：当工件材料硬度较高而韧性较低及切削速度很低（v 0.70mm

17、/r0.70mm/r），）， 切削用量与切削用量与T T的关系为的关系为 75. 025. 2551053pcafvT（2-42） 由此看出，由此看出，v vc c对对T T的影响最大，的影响最大，f f次之，次之，a ap p最小。最小。与三者对与三者对温度的影响顺序完全一致，温度的影响顺序完全一致， 反映了切削温度对刀具耐用度有反映了切削温度对刀具耐用度有着重要的影响。着重要的影响。 应注意的是，上述关系是在一定条件下通过实验求出的。应注意的是，上述关系是在一定条件下通过实验求出的。 如果切削条件改变，各因素对刀具耐用度的影响就不同，各如果切削条件改变，各因素对刀具耐用度的影响就不同，各指

18、数、指数、 系数也相应地发生变化。系数也相应地发生变化。 是以单位时间生产最多数量产品或是以单位时间生产最多数量产品或加工每个零件所消耗的生产时间为加工每个零件所消耗的生产时间为最少来衡量的。使工序时间最短的最少来衡量的。使工序时间最短的刀具寿命。刀具寿命。三要素均大，唯一不考虑刀具磨损三要素均大，唯一不考虑刀具磨损成本，战争或关键并瓶颈任务时使成本，战争或关键并瓶颈任务时使用。用。一、最高生产率一、最高生产率刀具合理寿命的选用原则刀具合理寿命的选用原则式中式中 C C 工序成本；工序成本； M M 机时费；机时费； C Ct t 刀具费用；刀具费用； 是使每件产品（或工序）的加工费用最是使每

19、件产品（或工序）的加工费用最低为原则的刀具寿命低为原则的刀具寿命tmM刀具费用taMC刀具耐用度 Tc成本 最低成本寿命（经济耐用度）最低成本寿命（经济耐用度）这是一般情况安排的依这是一般情况安排的依据，最便宜的加工安排据，最便宜的加工安排。1 1、根据刀具的、根据刀具的复杂程度、制造和磨刀成本复杂程度、制造和磨刀成本选择；选择；2 2、机夹可转位车刀和陶瓷刀具机夹可转位车刀和陶瓷刀具，耐用度可选的，耐用度可选的低些低些；3 3、多刀机床、组合机床和自动化机床、自动线上的刀具多刀机床、组合机床和自动化机床、自动线上的刀具，耐用度应选的耐用度应选的高些高些；4 4、对薄弱的关键工序，为了平衡整个

20、生产过程，应选用较、对薄弱的关键工序，为了平衡整个生产过程，应选用较低的耐用度；低的耐用度；5 5、大件精加工时大件精加工时，为了避免在加工同一表面时中途换刀，为了避免在加工同一表面时中途换刀，耐用度应选的耐用度应选的高些高些；6 6、生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便、生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便在换班时换刀。在换班时换刀。 3.4.53.4.5刀具的破损刀具的破损n刀具的破损形式l脆性破损脆性破损p塑性破损塑性破损u崩刃崩刃u碎断碎断u剥落剥落u 裂纹破损裂纹破损n防止刀具破损的措施防止刀具破损的措施切削刃产生小的缺口在继续切削中，缺口会不断扩大，导致更大的破损用陶瓷刀具切削及用硬质合金刀具作断续切削时，常发生这种破损 u崩刃崩刃切削刃发生小块碎裂