-第一章-第2节

1、第二节 金属切削过程中的基本规律 金属切削过程从工件表面切除多余金属，形成已加工表面的过程。这个过程也是切屑形成的过程。 切削过程中的物理现象伴随着切屑的形成，会产生切削变形、积屑瘤、表面硬化、切削力、切削热、刀具磨损等物理现象。 切屑形成过程在金属切削过程中，被切削金属层经受刀具的挤压作用，发生弹性变形、塑性变形、直至切离工件，形成切屑沿刀具前刀面排出。切削变形变形区的划分滑移线即等剪切应力曲线，图中OA、OM曲线等。cvcvcvcvcv流线被切金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。基本概念：变形区示意图：切削变形变形区的划分 通常将切削过程分为3个变形区：（1）第一变形区（2）第二变形区（3

2、）第三变形区 即剪切滑移区。由OA曲线和OM曲线围成的区域I。 即刀-屑接触区II。切屑沿前刀面流出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处晶粒纤维化，其方向基本上和前刀面平行。 即刀-工件接触区III。已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦产生变形，造成晶粒纤维化和表面加工硬化。切削变形变形区的划分cvcvcvcvcv剪切滑移区I、刀-屑接触区II、刀-工件接触区III切削变形切屑形成过程 当切应力达到材料的屈服强度s 时，材料将沿着 与走刀方向成45的剪切面滑移，即产生塑性变形。 当切应力超过工件材料的强度极限时，切削层金属与工件基体分离，从而形成切屑沿前刀面流出。切削变形

3、切屑形成过程 实验证明，在一般切削速度下，第一变形区的宽度为0.020.2mm，因此可以用一个平面OM表示第一变形区，剪切面OM与切削速度方向的夹角称为剪切角 。 切削变形切屑形成过程 当切屑沿前刀面流出时，受到前刀面的挤压与摩擦，使得靠近前刀面的切屑底层金属再次产生剪切变形，晶粒再度伸长，沿着前刀面的方向纤维化，其变形程度比切屑上层严重几倍到几十倍。 切屑形成过程的本质被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，经受挤压而产生剪切滑移变形的过程。 由于工件材料性质和切削条件不同，切屑层变形程度也不同，因而产生的切屑形态多种多样，主要有4 种类型。 切削变形切屑形态 （a）带状切屑（b）挤裂切屑（

4、c）单元切屑（d）崩碎切屑切削变形程度的度量与计算 衡量切屑变形程度的指标：相对滑移、变形系数和剪切角 。 相对滑移 切削层的金属是通过在剪切面上产生滑移变形成为切屑的，因此可以用相对滑移（切应变）来近似衡量切削中的变形。相对滑移)cos(sincosoo增大前角o 和剪切角,则相对滑移减小，即切削变形减小。 切削层中mn线滑移至mn ，瞬时位移为y ，滑移量为s 。变形系数 将切削时形成的切屑与切削层尺寸比较，可知切屑的长度缩短而厚度增加。 变形系数就是切屑厚度和切削层厚度的比值，或者是切削层长度和切屑长度的比值。1DhDDDhLLhh剪切角 增大，前角o增大，则变形系数减小，切削变形减小。

5、 剪切角 剪切角越大，切削变形程度越小。 剪切角随前角o的增大而增大。前刀面上的摩擦与积屑瘤 刀-屑接触区分为粘结区和滑动区两部分。 在粘结区内的摩擦为内摩擦，该处所受的剪应力y等于材料的剪切屈服强度s 。 在滑动区内的摩擦为外摩擦，该处的剪应力y 由s 逐渐减小到零。 正应力 在刀刃处最大，离切削刃越远，前刀面上的正应力越小，并逐渐减小到零。 刀-屑接触面上的摩擦特性 刀-屑接触面上的摩擦特性 前刀面上的摩擦系数是变化的，其计算公式如下：avs 式中 s 工件材料的剪切屈服强度，随温度升高而略有下降 av前刀面上的平均正压力，随材料硬度、切削层厚度、切削速度、刀具前角的变化而变化。积屑瘤 积

6、屑瘤在用中等或较低的切削速度切削塑性较大的金属材料时，往往会在切削刃上粘附一个楔形硬块，其硬度约为工件的23倍，可以代替刀刃进行切削，这个硬块称为积屑瘤。积屑瘤 （1）积屑瘤的成因 （2）积屑瘤对切削过程的影响 保护刀具 积屑瘤代替切削刃和前刀面进行切削。 增大前角 积屑瘤具有30左右的前角。 增大切削厚度 切削厚度增大了hD。 增大已加工表面粗糙度 原因：积屑瘤不规则的形状和非周期性的生成与脱落、可能引起的振动、积屑瘤碎片残留在已加工表面上。 通常认为是切屑底层材料在前刀面上粘结并不断层积的结果。积屑瘤 （3）影响积屑瘤的主要因素 工件材料 塑性大的工件材料易生产积屑瘤。 切削速度 在中等速

7、度范围内最容易产生积屑瘤。 刀具前角 切削液 增大刀具前角0，或使用切削液，可以抑制积屑瘤的产生，或减小积屑瘤的高度。 （4）抑制积屑瘤产生或减小积屑瘤高度的方法 采用很低或很高的切削速度进行切削； 增大刀具前角； 使用切削液。影响切削变形的主要因素 主要因素有：工件材料、刀具前角、切削速度、切削厚度。 （1）工件材料 工件材料的强度（剪切屈服强度s )和硬度增大，切削变形减小。（2）刀具前角o 刀具前角越大，切削刃越锋利，前刀面对切削层的挤压作用越小，切削变形就越小。影响切削变形的主要因素 （3）切削速度c 在有积屑瘤的切削速度范围内（c 40m/min），切削速度通过积屑瘤来影响切削变形。

8、 在无积屑瘤的切削速度范围内，切削速度越大，切削变形越小。 切削脆性材料时，切削速度增大，切削变形减小。 （4）切削厚度 切削厚度增加，切削变形减小。 切削力与切削功率 切削力Fr 切削时，刀具切入工件，使被加工工件材料发生变形成为切屑所需要的力。 切削力是设计和使用机床、刀具、夹具的依据。 切削力来自切削变形与摩擦。 切削力与切削功率 切削力克服的作用力包括：被加工材料对弹性变形、塑性变形的抗力；切屑对刀具前刀面的摩擦力；刀具后刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。切削力与切削功率 切削力可分解为相互垂直的三个分力 ：（1）主切削力（切向力）Fz （2）进给力（轴向力）Fx（3）背向力（径

9、向力或吃刀力）Fy切削功率 切削功率Pm 消耗在切削过程中的功率，单位是kW，它是进给力Fx、径向力Fy、主切削力Fz在切削过程中单位时间内所消耗功率的总和。 车削外圆时，因径向力Fy方向没有位移，故可求得切削功率Pm 的计算公式： 310)1000(fnFvFPwxzm切削功率 一般来说，因进给力Fx 消耗的功率比主切削力Fz 所消耗的功率小得多，可以略去不计，于是： 310vFPzm 机床电动机功率PE 按照下式计算： mmEPP/式中 m 机床的传动效率，一般m 取0.7510.85。 切削力的测量 测力仪按其工作原理可分为机械、液压、电气等测力仪。 常用的测力仪是电阻式测力仪和压电式测

10、力仪。 电阻测力仪的常用结构为八角环形，如下图所示： a) b) 测力仪的结构a）双八角环车削测力仪 b）电阻应变片在上、下环中的位置切削力的经验公式 实际应用中，计算切削力的经验公式有两类，一类是指数公式，另一类是按单位切削力进行计算。（1）计算切削力的指数公式zzFzFzFzFnyxpFzKvfaCF yyFyFyFyFnyxpFyKvfaCF xxFxFxFxFnyxpFxKvfaCF 切削力的经验公式（2）单位切削力Fp 单位切削力Fp 单位切削面积上的主切削力，单位为N/mm2。 DDzpzDzPhbFfaFAFFDDzpzDzPhbFfaFAFF 若单位切削力Fp 已知，切削公称截

11、面面积AD 已知，则由上式可以求出Fz。 影响切削力的主要因素 （1）工件材料 （2）切削用量 切削用量中背吃刀量ap和进给量f 对切削力的影响较明显，切削速度v对切削力的影响不大。 （3）刀具几何参数 刀具几何参数中，前角0 和主偏角 Kr对切削力的影响比较明显，前角0 对切削力的影响最大。切削热的产生和传出 切削加工中，切削变形与摩擦所消耗的能量几乎全部转换为热能，因此三个变形区就是三个发热源。如下图所示。 （1）切削热的产生 切削热的产生和传出 由切屑、刀具、工件、周围介质传导出去。 （2）切削热的传出 车削钢料时，切削热被切屑带走约50% 86%，传入刀具的约占10% 40%，传入工件

12、的约为3% 9%，传入周围介质的约占1%。 钻削时，切屑约占28%，刀具约占14.5%，工件约占52.5%，周围介质约占5%。刀具磨损和刀具寿命 切削过程中，刀具的前、后刀面在高温、高压下，与切屑、工件相互接触，产生剧烈摩擦，因而在前、后刀面上产生磨损，如下图所示。 刀具磨损的形式有两种：正常磨损、非正常磨损（破损）。 刀具磨损和刀具寿命 正常磨损分为三种形式： （1）前刀面磨损 （2）后刀面磨损 （3）前、后刀面同时磨损 前刀面磨损形成月牙洼磨损，其磨损值以其最大深度KT表示。 后刀面磨损值常以平均磨损带宽度VB值表示。 总体而言，一般以VB值表示刀面磨损程度。刀具磨损和刀具寿命 非正常磨损

13、主要指刀具的脆性破损（如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等）和塑性破损（如塑性流动）。 非正常磨损的原因由于刀具材料选择不合理，刀具结构、制造工艺不合理，刀具几何参数不合理、切削用量选择不当，刀具刃磨或使用时操作不当等。刀具磨损和刀具寿命 刀具磨损的原因：刀具的正常磨损经常是机械的、热力的、化学的三种作用综合作用的结果，主要有以下几方面的原因。（1）磨料磨损 （2）冷焊磨损（又称粘结磨损） （3）扩散磨损 （4）化学磨损（又称氧化磨损） 此外，还有热电磨损，即在切削区高温作用下，刀具与工件材料形成热电偶，使刀具与切屑及工件间有热电流通过，使刀具表面层的组织变得脆弱而磨损加剧。 切削温度和机械摩擦对刀具磨损具有决定性影响。刀具的磨损过程 （1）初期磨损阶段（AB 线段） （2）正常磨损阶段（BC线段） （3）急剧磨损阶段（CD线段） 刀具的磨钝标准 磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。 国际标准ISO规定以1/2背吃刀量处后刀面上测定的磨损带宽度VB值作为刀具磨钝标准。 自动化生产中的精加工刀具，常以沿工件径向的刀具磨损量作为磨钝标准。刀具寿命 刀具寿命指一把新刀从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止所经过的总切削时间，单位为分钟，以T来表示。 刀具的总使用寿命，等于刀具寿命乘以重磨次数。 刀具寿命T的影响因素：刀具材料、刀具几何参数和切削用量。切削速