金属切削原理与刀具课件2010

1、机械工程系机制教研室1学习目标2项目描述 轴类零件是机械加工中经常遇到的典型零件之一，在轴类零件是机械加工中经常遇到的典型零件之一，在机器中的功用主要是支承传动零件、传递运动和扭矩。机器中的功用主要是支承传动零件、传递运动和扭矩。3项目描述例如：例如：4项目描述5任务一分解学习情境学习情境1 1：切削运动基本常识的认识：切削运动基本常识的认识学习情境学习情境2 2：金属切削刀具常识的认识：金属切削刀具常识的认识学习情境学习情境3 3：金属切削过程中的物理现象及规律的了解：金属切削过程中的物理现象及规律的了解6任务二分解学习情境学习情境1 1：机床的认识：机床的认识学习情境学习情境2 2：机床的

2、运动：机床的运动学习情境学习情境3 3：机床的组成：机床的组成学习情境学习情境4 4：机床的传动：机床的传动学习情境学习情境5 5：车床的分析：车床的分析7任务三分解学习情境学习情境1 1：典型轴类零件认识：典型轴类零件认识学习情境学习情境2 2：传动轴的结构与工艺分析：传动轴的结构与工艺分析学习情境学习情境3 3：确定生产类型：确定生产类型学习情境学习情境4 4：确定传动轴的毛坯类型及其制造方法：确定传动轴的毛坯类型及其制造方法学习情境学习情境5 5：选择定位基准和加工装备：选择定位基准和加工装备学习情境学习情境6 6：拟定传动轴机械加工工艺路线：拟定传动轴机械加工工艺路线学习情境学习情境7

3、 7：加工工序设计：加工工序设计8学习情境1：切削运动基本常识的认识 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用T 表示），也可以是回转运动（用R 表示）一、切削运动主运动主运动 切削速度最高，消耗功率最大，只有一个 指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用（m/s）表示。进给运动进给运动速度较低，消耗功率较小，可有一个或多个， 也可不存在 指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（mm/r）或进给速度（ mm/min）表示。9外圆表面加工方法10二、工件加工表面 11三、切削用量 切削用量是指切削

4、速度c、进给量（或进给速度）和背吃刀量ap，三者又称为切削用量三要素。 切削刃相对于工件的主运动速度称为切削速度。1000nDvc式中 n 主运动转速（r/s）； d 刀具或工件的最大直径（mm）。若主运动为往复运动时，其平均速度为：10002rcnlv式中 nr 主运动每秒钟往复次数（str/s）； l 往复运动行程长度（mm）。三、切削用量 工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。 对于多齿刀具还可用每齿进给量z表示,单位为mmmin。若刀具齿数z为，则进给量与进给运动速度、每齿进给量的关系为：nzfnfvzf1213三、切削用量 13 主

5、刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。 单位为mm。式中：dw工件待加工表面的直径； dm工件已加工表面的直径。2amwpdd 14四、切削层参数 由切削刃正在切削的这一层金属叫作。切削层的截面尺寸称为。它决定了刀具切削部分所承受的负荷和切屑尺寸的大小，通常在内度量。指在同一瞬间的切削层横截面积与其公称切削层宽度之比，单位：mm指在给定瞬间，切削层在切削层尺寸平面里的实际横截面积，单位：mm2指在给定瞬间，在切削层尺寸平面中测量的作用主切削刃截形上两个极点间的距离，单位：mm15 rDfhsinsinfbDpDDDafbhA16五、切削方式 s0

6、的切削，主切削刃与切削速度方向垂直s0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直17例题： 车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求、ap。解： =dn/1000 = 624/1000 = 0.779 m/s = /n = 2/4 = 0.5 mm/rap = (dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm18学习情境2：金属切削刀具常识的认识一、刀具结构 刀具刀具由和(或称刀杆)两部分组成，刀柄是刀具上用于夹持的部分；切削部分是由前刀面、后刀面和切削刃等组成的，起切削作用的部分。19

7、20a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹式车刀 车刀的结构图22刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合各种刀具切削部分的形状图23实际切削中确定角度的基准二、刀具几何角度 刀具标注角度参考系刀具工作角度参考系设计制造测量角度时的基准由主运动方向确定由合成切削运动方向确定241）假定刀刃上的选定点：位于假定工件的轴平面内，是刀具静止参考系的原点；2）假设运动条件：假设不考虑进给运动的大小，以切削刃选点位于工件中心高时的主运动方向作为假定主运动方向，以切削刃选定点的进给运动方向作为假定进给运动方向。3）假设安装条件：假设刀具安装时刀尖与工件的轴线等高，刀杆与工件的轴线垂直。刀具静止参考系

8、是在下列假定条件下建立的：25(1)正交平面参考系： pr、ps、po(2)法平面参考系： pr、ps、pn(3)背平面参考系：pr、ps、pp(4)进给平面参考系：pr、ps、pf刀具标注角度的参考系：26（正交平面参考系）1）基面 Pr ：通过切削刃选定点与主运动方向垂直的平面。基面与刀具底面平行。车刀主剖面参考系图2）切削平面 Ps：通过切削刃选定点与主切削刃相切且垂直于基面Pr的平面。3）主剖面 Po：通过切削刃选定点垂直于基面Pr和切削平面 Ps的平面。主剖面 Po切削平面 Ps基面 Pr法平面 Pn过切削刃上选定点并垂直于 主切削刃或其切线的平面图1-5 刀具切削角度的示意图图1-

9、6 横车的基面和切削平面33ArA 向f 车刀的主要角度0000rrs0q 用硬质合金车刀切削钢件，o取1020；切削灰铸铁，o取515；切削铝及铝台金，o取2535；切削高强度钢，o取-5 -10。340q 粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了使刀刃有足够强度，后角可选小些，一般为46；精加工时切深较小，为保证加工的表面质量，后角可选大一些，一般为812。35q 主偏角应根据加工对象正确选取，车刀常用的主偏角有45、60、75、90几种。ArA 向f车刀的主要角度0000rrsr3637rAA 向f车刀的主要角度0000rrsrq 在切深、进给量和主偏角相同的情况下，减小副偏角可使残留面积减小，

10、表面粗糙度降低。38切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。q s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。刃倾角对排屑方向的影响394041图图 1 114144545弯头车刀弯头车刀a a）车外圆）车外圆b b）车端面）车端面c c）车内孔）车内孔d d）倒角四、切断刀）倒角四、切断刀一 金属切削基础知识麻花钻的组成和切削部分麻花钻的组成和切削部分 麻花钻的构造麻花钻的构造为了保证钻头必要的刚性和强度，工作部分的钻心直径向柄部方向递增。刀柄：钻头的夹持部分，用来传递扭矩颈部

11、：磨柄部时退砂轮用，打标记一、钻孔一、钻孔2. 2. 高速钢麻花钻的高速钢麻花钻的结构结构钻头钻头切削切削部分部分5个刀刃个刀刃6个刀面个刀面两条主切削刃两条主切削刃两条副切削刃两条副切削刃一条横刃一条横刃两个螺旋形前刀面两个螺旋形前刀面两个经刃磨获得的后刀面两个经刃磨获得的后刀面两个圆弧段的副后刀面两个圆弧段的副后刀面一、钻孔一、钻孔3. 3. 钻削用量钻削用量1 1） 背吃刀量背吃刀量aspasp 单位：单位：mmmmdospa一、钻孔一、钻孔3. 3. 钻削用量钻削用量2 2）钻削速度钻削速度v vc c 单位：单位：m/minm/min1000ndocv3. 3. 钻削用量钻削用量3

12、3）钻削进给量与进给速度：钻削进给量与进给速度： f f 单位：单位：mm/r mm/r fz fz 单位：单位：mm/z mm/z V Vf f 单位：单位：mm/min mm/min 一、钻孔一、钻孔62 实际工作中，考虑合成运动和实际安装情况，则假定的工作条件发生了变化，使静止参考系中的各个坐标面和测量面的位置也随之变化。 因此，刀具切削加工时的实际几何参数就要在工作参考系中测量。 工作参考系中各坐标平面的定义与静止参考系相同，只需用合成切削运动方向取代主运动方向。它们是工作基面Pre、工作切削平面Pse、工作正交平面Poa、工作法平面Pne（Pne=Pn）、工作平面Pfe、工作背平面P

13、pe等。63 式中角是主运动方向与合成切削速度方向间的夹角。进给运动对工作角度的影响0000eetanWfD切断刀的工作角度当进给量一定时，随d 值值，接近中心oe为负值。 当值横车时 不宜过大，并应适当加大o64 tanfwfd 在进给剖面，有：将其换算到主剖面内得到：在主剖面内：oeooeotantansinsinfrrwfD65刀具安装对工作角度的影响 车刀安装高度对工作角度的影响6768三、刀具材料 1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性 刀具的切削性能决定于刀具结构、切削部分的材料和几何参数69 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度

14、（m/min）200010005002001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼 （PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）70天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性 刀具材料的耐磨性与断裂韧性71 常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其

15、耐热性很差，目前仅用于手工工具。（二）高速钢的分类（二）高速钢的分类三、常用刀具材料三、常用刀具材料73 常用高速钢牌号及其应用范围类别牌 号主 要 用 途普通高速钢W18Cr4V用于钻头、绞刀、铣刀、丝锥、齿轮刀具等W6Mo5Cr4V2要求热塑性好和受冲击大的刀具，如轧制钻头等W14Cr4VmnRe要求热塑性好和受冲击大的刀具，如轧制钻头等高性能高速钢高碳95W18 Cr4V用于韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具高矾W12Cr4V4 Mo用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具超硬W6Mo5Cr4V2Al用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具W10Mo4Cr4V3Al耐磨性好，用于制造加工

16、高强度耐热钢的刀具W6Mo5Cr4V5SiNbAl用于形状简单刀具，如加工铁基高温合金的钻头W12Cr4V3 Mo3Co5Si耐磨性、耐热性好，用于加工高强度钢的刀具W2Mo9Cr4VCo8（M42）难加工材料刀具，磨削性好，价格昂贵YT (P)类类加工长切屑的黑色金属WC+ TiC+ Co74YW (M)类类钢材、铸铁等有色金属非金属WC+ TiC+ TaC+ CoYG (K) 类类短切屑黑色金属、有色金属非金属WC+ Co 分类钨钴类硬质合金（YG） 钨钴钛类硬质合金（YT） 添加稀有金属硬质合金（YA、YW）碳化钛基硬质合金（YN）硬质合金 n1 1、钨钴钛类硬质合金、钨钴钛类硬质合金Y

17、GYG： WC + Con常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）n应用：n n主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640时发生严重 粘结，使刀具磨损，耐用度下降。YG3（精加工） YG6（半精加工） YG8（粗加工）Co的含量 韧性 强度 HRC 耐磨性Co的含量 韧性 强度 HRC 耐磨性 脆性三、常用刀具材料三、常用刀具材料（二）分类（二）分类2、钨钴钛类硬质合金（YT）：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）应用： 主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加

18、工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。YT5（粗加工） YT14、YT15（半精加工） YT30（精加工） TiC含量 硬度 耐磨性 脆性 韧性 TiC含量 硬度 耐磨性 脆性 韧性 三、常用刀具材料三、常用刀具材料3 3、添加稀有金属硬质合金、添加稀有金属硬质合金 钨钽（铌）钴类硬质合金（钨钽（铌）钴类硬质合金（YAYA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YWYW），是在钨钴钛类硬质合金（），是在钨钴钛类硬质合金（YTYT）中加入）中加入TaC(NbC),TaC(NbC),可提高其抗弯可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和

19、金的高温硬度和高温强度，提高抗强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。4 4、碳化钛基硬质合金（、碳化钛基硬质合金（YNYN） 这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸定性好，与工件材料的亲合

20、力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。铁的精加工、半精加工和粗加工。三、常用刀具材料三、常用刀具材料 （三）涂层硬质合金的选用（三）涂层硬质合金的选用涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为硬质合金表面涂层厚度为5 512m12m的涂层材料以提高刀具的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。的抗磨损能力。涂层材料为涂层材料为TiCTiC、TiNTiN、AlAl2 2O O3 3等。适合于各种钢材、

21、铸等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。三、常用刀具材料三、常用刀具材料79 各种硬质合金的应用范围牌 号应 用 范 围YG3X铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精

22、加工YT15碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时的精加工YT14同YT15YT5碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量 硬度、耐磨性、切削速度8081天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小时。因价格昂贵

23、，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。82刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石

24、 PCD 化硼 PCBN材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8GPa 1.5GPa导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0

25、.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削加工对象低速加工一般钢材、铸铁一般钢材、铸铁粗、精加工一般钢材、铸铁粗、精加工高硬度钢材精加工硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比83四、刀具的种类 （1）直头外圆车刀；（2）弯头车刀；（3）偏刀；（4）切槽或切断刀；（5）镗孔刀；（6）螺纹车刀；（7）成形车刀；8485（1）圆柱平面铣刀（2）端铣刀（3）盘铣刀 单面刃、双面刃、三面刃、 错齿三面刃（4）锯片铣刀（5）立铣刀（6）键槽铣刀（7）角度铣刀（8）成形铣刀868788 按加工表面分

26、为内拉刀和外拉刀； 按拉削方式分普通式、轮切式、及综合式； 按受力不同分拉刀和推刀。89高精度高效率高可靠性专业化90完全用刀具材料制造，对贵重的刀具材料消耗较大，一般只用来制造小尺寸刀具或某些复杂刀具，如中心钻、整体式立铣刀等。大部分用碳钢或低合金钢制造，形成切削刃的小部分用刀具材料，如高速钢和硬质合金等制造。它用焊料焊接于在刀体上预先加工出的刀槽中，再进行刀具的制造和刃磨。焊接式刀具结构简单、紧凑、刚性好，使用比较普遍。但硬质合金刀片经高温焊接后切削性能有所下降。系采用普通刀片，用机械夹固方法夹持在刀体上使用的刀具。刀具磨损后，将刀片卸下，经过刃磨又可装上继续使用。这类刀具有如下特点：刀片

27、不经高温焊接，提高了刀具耐用度；刀体可以多次使用，刀片利用率高。是采用标准的可转位不重磨刀片，用机械夹固方法夹持在刀体上使用的刀具。刀具磨损后，将刀片转过一个角度，使下一个切刃转到使用位置。根据刀具材料的使用来划分，刀具有以下几种结构：二、可转位车刀1.1.可转位车刀的结构可转位车刀的结构图5-3 机夹刀具的结构形式a) 上压式机夹车刀 b) 切削力自锁车刀 c) 弹性加紧式切刀 d) 侧压力装式车刀 e) 削扁销机夹螺纹车刀 f) 弹性夹紧式刨刀 五 车刀及成形车刀 三 夹车刀与可转位车刀图图5-3 5-3 机夹刀具的结构形式机夹刀具的结构形式a) a) 上压式机夹车刀上压式机夹车刀 b)

28、b) 切削力自锁车刀切削力自锁车刀 c) c) 弹性加紧式切刀弹性加紧式切刀 d) d) 侧压力装式车刀侧压力装式车刀 e) e) 削扁销机夹螺纹车刀削扁销机夹螺纹车刀 f) f) 弹性夹紧式刨刀弹性夹紧式刨刀 五 车刀及成形车刀 三 夹车刀与可转位车刀可转位车刀由刀片、刀垫、刀柄及紧元件等组成，如图可转位车刀由刀片、刀垫、刀柄及紧元件等组成，如图5-45-4所所示。示。1-1-刀片刀片 2-2-刀垫刀垫 3-3-卡簧卡簧 4-4-杠杆杠杆 5-5-弹簧弹簧 6-6-螺丝螺丝7 7- -刀柄刀柄图图5-4 5-4 可转位车刀的组合可转位车刀的组合五 车刀及成形车刀 三 夹车刀与可转位车刀2.2

29、.可转位车刀刀片可转位车刀刀片（1 1）刀片形状、代号及其选择）刀片形状、代号及其选择五 车刀及成形车刀 三 夹车刀与可转位车刀（2 2）可转位车刀几何角度的计算）可转位车刀几何角度的计算图图5-5 5-5 可转位车刀几何角度的形成可转位车刀几何角度的形成刀具角度的刀片装配到具有一定刀槽角度的刀杆上综合形成刀具角度的刀片装配到具有一定刀槽角度的刀杆上综合形成的。的。五 车刀及成形车刀 三 夹车刀与可转位车刀在使用可转位车刀时，选定的刀片角度和刀槽角度后，必须在使用可转位车刀时，选定的刀片角度和刀槽角度后，必须对所选刀片安装在刀杆上所形成的综合刀具角度进行验算，对所选刀片安装在刀杆上所形成的综合

30、刀具角度进行验算，确定其是否合理。验算的公式如下确定其是否合理。验算的公式如下 rsgtogotrrogsogrogntoogntosintancostantan180五 车刀及成形车刀 三 夹车刀与可转位车刀3.3.可转位车刀类型及加紧结构的选择可转位车刀类型及加紧结构的选择图图5-6 5-6 可转位刀片夹紧结构可转位刀片夹紧结构a) a) 杠杆式杠杆式 b) b) 杠销式杠销式 三 夹车刀与可转位车刀五 车刀及成形车刀3.3.可转位车刀类型及夹紧结构的选择可转位车刀类型及夹紧结构的选择图图5-6 5-6 可转位刀片夹紧结构可转位刀片夹紧结构c) c) 斜楔式斜楔式 d) d) 上压式上压式

31、 e) e) 偏心式偏心式 三 夹车刀与可转位车刀五 车刀及成形车刀99学习情境4：金属切削过程中物理现象及规律的了解 切屑的形成与形状 切削力、切削热、切削温度 切削液 积屑瘤、残余应力和加工硬化 刀具磨损与刀具寿命 刀具的几何角度、切削用量的选择切削过程中影响加工质量的因素：第一节第一节 切削模型切削模型1 1、正压力挤压破坏模型、正压力挤压破坏模型F 在正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、在正压力的作用下，金属先后产生弹性变形、塑性变形，沿滑移面产生剪切破坏。塑性变形，沿滑移面产生剪切破坏。 特点：两侧是自由的，速度比较低。特点：两侧是自由的，速度比较低。二、剪切过程的理论分析二、剪切

32、过程的理论分析 金属切削过程就是工件的被切金属层在刀具前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）产生剪切滑刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切滑移变形并转变为切屑的过程。移变形并转变为切屑的过程。1 1、三个变形区、三个变形区 n第一变形区：剪切滑移区域第一变形区：剪切滑移区域n第二变形区：切屑形成和流出区第二变形区：切屑形成和流出区n第三变形区：已加工表面形成区第三变形区：已加工表面形成区切削层金属从开始塑性变形到剪切切削层金属从开始塑性变形到剪切滑移基本完成的过程区。滑移基本完成的过程区。OA与与OM之间的区域就是第一变形区之间的区域就是第一变形区物

33、理现象：物理现象：产生切屑产生切屑 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。物理现象：物理现象：产生积屑瘤产生积屑瘤 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。物理现象：物理现象：产生加工硬化产生加工硬化选定被切金属层中的一个晶粒选定被切金属层中的一个晶粒P P来观察其变形过程。来观察其变形过程。OAOA始剪切线始剪切线OBOB滑移线滑移线OCOC滑移线滑移线OMOM终剪切线终剪切线OAOMOAOM所形成的塑性变形区称为第一变形区所形成的塑性变形区称为第一变形区三、表示变形程度的方法三、表示变形程

34、度的方法1 1、切屑变形系数、切屑变形系数长度变形系数：长度变形系数： 切削层长度与切屑长度的比值。切削层长度与切屑长度的比值。厚度变形系数：厚度变形系数： 切屑厚度与切削层厚度的比值。切屑厚度与切削层厚度的比值。chcLllcchaaa变形系数变形系数sin)cos(0cchaa2 2、相对滑移量、相对滑移量切削层滑移的距离与切削层距离的比值切削层滑移的距离与切削层距离的比值)cos(sincos)(000tgctgMKKPMKNKMKNPys一、作用在切屑上的力一、作用在切屑上的力0)cos(sin)cos(00crrsAFFFsincssAAF)cos(0rzFF)sin(0ryFF因为

35、因为所以所以切削运动方向的切削分力切削运动方向的切削分力切削深度方向的切削分力切削深度方向的切削分力)(/0 tgFFzytg二、剪切角的计算二、剪切角的计算（1 1）根据合力最小原理确定的剪切角）根据合力最小原理确定的剪切角)cos(sin0crAF0ddF令令 求得求得2240麦钱特公式麦钱特公式（2 2）根据主应力方向与最大剪应力方向成）根据主应力方向与最大剪应力方向成4545度度原理确定的剪切角。原理确定的剪切角。0044即：即： 李和谢弗公式李和谢弗公式因素因素切削层切削层面面 积积材材 料料强强 度度剪切角剪切角前角前角前刀面前刀面摩摩 擦擦对切屑对切屑形成力形成力的影响的影响+

36、+ +- - -+ +各因素对切屑形成力的定性影响各因素对切屑形成力的定性影响)cos(sin0crAF负号表示随该因素增加，被影响因素有减少的趋势负号表示随该因素增加，被影响因素有减少的趋势（负相关）（负相关）正号表示随该因素增加，被影响因素有增加的趋势正号表示随该因素增加，被影响因素有增加的趋势（正相关）（正相关）1 1、内摩擦与外摩擦、内摩擦与外摩擦冷焊冷焊切屑与前刀面压力切屑与前刀面压力 很大、高温，可粘结现很大、高温，可粘结现象。象。刀屑接触面分两个区域：刀屑接触面分两个区域： 内摩擦内摩擦 外摩擦外摩擦前刀面平均摩擦系数：前刀面平均摩擦系数：三、前刀面上的摩擦三、前刀面上的摩擦av

37、sfavfsnfAAFF11金属切削时，由于刀屑接触面之间存在这很大的金属切削时，由于刀屑接触面之间存在这很大的压力，切削液不易流入接触界面。再加上几百度压力，切削液不易流入接触界面。再加上几百度的高温，刀屑之间存在强烈的粘结现象。在粘结的高温，刀屑之间存在强烈的粘结现象。在粘结的情况下，相对滑移不是发生在接触面上，而是的情况下，相对滑移不是发生在接触面上，而是发生在剪切强度较低的金属内部，既靠强度较低发生在剪切强度较低的金属内部，既靠强度较低的金属内部的剪切滑移来实现相对滑动的。的金属内部的剪切滑移来实现相对滑动的。第四节第四节 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

38、响 当刀屑间的接触当刀屑间的接触满足形成冷焊的条件满足形成冷焊的条件时，切屑底面上的金时，切屑底面上的金属层就会冷焊粘结并属层就会冷焊粘结并层积在前刀面上，形层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金成一个非常坚硬的金属堆积物，称为属堆积物，称为积屑积屑瘤瘤。一一. .积屑瘤现象及其产生条件积屑瘤现象及其产生条件二二. .切削速度不同，积屑瘤生长所能达到的高度不同切削速度不同，积屑瘤生长所能达到的高度不同区：切削速度低，形成粒状或带状切屑，没有积屑瘤生成；区：切削速度低，形成粒状或带状切屑，没有积屑瘤生成；区：积屑瘤生长的基础比较稳定，可代替刀具；区：积屑瘤生长的基础比较稳定，可代替刀具；区：切削温

39、度升高，切屑底部开始软化脱落；区：切削温度升高，切屑底部开始软化脱落； 区：切削温度较高而冷焊消失，无积屑瘤。区：切削温度较高而冷焊消失，无积屑瘤。三三. .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及其控制1. 1.保护刀具保护刀具2.2.增大前角增大前角3.3.增大切削厚度增大切削厚度4.4.增大已加工表面粗糙度增大已加工表面粗糙度 粗加工时，对精度和表面质量要求不高，利用其稳粗加工时，对精度和表面质量要求不高，利用其稳定生长代替刀具切削，保护了刀具，减小了切削变形。定生长代替刀具切削，保护了刀具，减小了切削变形。 精加工，绝对不允许有积屑瘤。精加工，绝对不允许有积屑瘤。 控制积

40、屑瘤的形成，实质上就是控制刀屑界面处的控制积屑瘤的形成，实质上就是控制刀屑界面处的摩擦系数。摩擦系数。改善方法改善方法： 改变切削速度；改变切削速度； 加注切削液，润滑；加注切削液，润滑； 增大前角，以减小刀屑接触区压力。增大前角，以减小刀屑接触区压力。一一. .带状切屑带状切屑 内表面光滑，外表面是毛茸状。内表面光滑，外表面是毛茸状。 当切削厚度小，切削速度较高，刀具前角较大时，当切削厚度小，切削速度较高，刀具前角较大时，易形成带状。易形成带状。 其切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗其切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。糙度较小。二二. .节状切屑节状切屑 外表面呈锯

41、齿形，内表面有时有裂纹。切屑上外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。切屑上各滑移面大部分被剪断，尚有小部分相连。各滑移面大部分被剪断，尚有小部分相连。 切削速度较低，切削厚度较大时，易形成节状。切削速度较低，切削厚度较大时，易形成节状。 切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度较大。糙度较大。三三. .单元切屑（粒状切屑）单元切屑（粒状切屑） 切屑沿剪切面完全断开，因而切屑呈单元状。切屑沿剪切面完全断开，因而切屑呈单元状。 切削塑性较差的材料时，在切削速度极低时产生。切削塑性较差的材料时，在切削速度极低时产生。四四. .崩碎切屑崩碎切屑 切削脆性材料

42、时，被切金属在前刀面的推挤下未经塑性变切削脆性材料时，被切金属在前刀面的推挤下未经塑性变形就在张应力状态下脆断。形就在张应力状态下脆断。 切削力幅度小，但波动大，加工表面凹凸不平。切削力幅度小，但波动大，加工表面凹凸不平。2.1.3 影响切削变形的因素影响切削变形的因素1工件材料工件材料2刀具几何参数刀具几何参数 3切削速度切削速度4切削厚度切削厚度1工件材料工件材料 通过试验，可以发通过试验，可以发现工件材料强度和现工件材料强度和切屑变形有密切的切屑变形有密切的关系。关系。 从图可以看出，随从图可以看出，随着工件材料强度的着工件材料强度的增大，切屑的变形增大，切屑的变形越来越小。越来越小。

43、变形系数材料强度图图2-10 材料强度对变形系数的影响材料强度对变形系数的影响 2刀具几何参数刀具几何参数 由由图图2-7可以看到，当可以看到，当刀具刀具前角前角O增大时，沿刀面流出的金属切增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。屑的变形也会变小。 通过对通过对高速钢刀具高速钢刀具所作的切削试所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角削速度下，刀具前角O愈大，材愈大，材料变形系数愈小。料变形系数愈小。 刀尖圆弧半径对切削变形也有影刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，响，刀尖刀尖圆弧半径圆弧半径越

44、大越大，表明刀，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形也越大表面的切削变形也越大。3、切削速度、切削速度由图由图2-11可以看出，随切削速度变化的材料变形可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线系数曲线并不是一直递减并不是一直递减，而是在某一段有一个，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。这一段，另一个是无积屑瘤段。 积屑瘤段情况积屑瘤段情况 切削速度对切屑变形的影响主要是通过积

45、屑瘤对切屑变形的影切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影响来实现的。响来实现的。 在在积屑瘤增长积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，瘤越大，实际刀具前角也越大实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少切屑的变形相对减少，所以在，所以在此阶段，切削速度增加时，材料变形系数此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。也减少。 随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，同时，实际刀

46、具前角实际刀具前角也减小，材料的变形将增大，也减小，材料的变形将增大，在积屑瘤完全消退时，材料变形在积屑瘤完全消退时，材料变形将最大。将最大。 在无积屑瘤段在无积屑瘤段 速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。4切削厚度切削厚度 如图如图2-11所示，显示了进给量（即切削厚度）对所示，显示了进给量（即切削厚度）对切屑变形的影响。在无积屑瘤段，切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量进给量f越大，越大，材料的变形系数材料的变形系数越小。越小。 133134135二、切削力Fc 主切削力，与切削速度方向一致Ff 进给力，与进给方向平行，车外圆时称为轴向

47、力Fp背向力(切深抗力)，与进给方向垂直，又称径向切削力的来源： 被切削材料的弹性、塑性变形抗力； 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力。将切削合力F分解为三个互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp222pfcFFFF137 （3）切削功率）切削功率概念概念： 切削过程中所消耗的功率称为切削过程中所消耗的功率称为切削功率切削功率Pc。 背向力背向力FP在力的方向无位移，在力的方向无位移，不做功不做功，因此切削，因此切削功率为进给力功率为进给力Ff与切削力与切削力Fc所做的功。所做的功。 根据功率公式根据功率公式切削功率切削功率： Pc （ Fc c Ff nf /1000）10-3KW 式中，式中，

48、Fc切削力（切削力（N），）， c切削速度（切削速度（m/min）， Ff进给力（进给力（N），），n工件转速（工件转速（r/s），），f进给量进给量（）（） 由于由于Ff消耗功率一般小于消耗功率一般小于12，可以，可以忽略不忽略不计计，因此功率公式可简化为，因此功率公式可简化为 ： Pc Fc c 10-3KW （2）切削功率 切削过程中消耗的总功率为各分力所消耗功率的总和，称为切削功率，用Pc表示。车削中，切深抗力Fy不消耗功率，Ff远小于Fz，x远小于z，故计算切削功率时常忽略Fx所消耗的功率，故有 式中Fz主切削力； 切削速度。 由此，可计算出机床主电机所需功率PE。 式中机床传动效率

49、，一般=0.750.85。4. 切削力理论公式.切削力的计算切削力的计算：（1）指数公式）指数公式指数公式应用较广，它的形式如下：指数公式应用较广，它的形式如下：上式中，上式中，C、C、C为被加工金属的切削为被加工金属的切削条件系数，条件系数， K、K 、K为当加工条件与为当加工条件与经验公式条件不同时的修正系数。经验公式条件不同时的修正系数。 cFpFfFcFpFfF144（1）工件材料的影响）工件材料的影响 是系数CF 或单位切削力kc的体现，工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。（2）切削用量的影响）切削用量的影响 apAc成正比， kc不变， ap的指数约等于1； 因而切削

50、力成正比增加Ac成正比，但kc略减小， 的指数小于1，因而切削力增加但与不成正比。 速度对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况，在无积屑瘤阶段， 变形程度切削力减小。影响切削力的因素145（3）刀具几何参数的影响）刀具几何参数的影响 1、前角、前角0 的影响的影响 加工塑性材料时，0 变形程度F 加工脆性材料时，切削变形很小， 0对F 影响不显著 0 30或高速切削时， 0对F 影响不显著 2、主偏角、主偏角r的影响的影响 1） r对Fc影响较小，影响程度不超过10% r在6075之间时，Fc最小。 2） r对Fp、F影响较大 Fp FD cos r F FD sin r Fp随r 增大而

51、减小， F随r 增大而增大 3、刃倾角、刃倾角s的影响的影响 1）s对Fc影响很小 2） s对Fp、F影响较大， Fp随s增大而减小，F随s增大而增大1464、刀尖圆弧半径、刀尖圆弧半径r的影响的影响r增大相当于r减小的影响1）r对Fc影响很小2）Fp随r增大而增大，F随r增大而减小147（4）刀具磨损的影响）刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度VB越大，摩擦越强烈，切削力也越大。VB对背向力Fp影响最显著（5）切削液的影响）切削液的影响 切削液润滑作用越好，力减小越显著，低速时更突出。（6）刀具材料的影响）刀具材料的影响 按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，切削力依次增大。148

52、三、切削热和切削温度切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的能量约98%转换为热能切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去149：一般指前刀面与切屑接触区内的平均温度是切削热的第一来源；是切削热的又一来源。 切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。 切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。 二、切削温度二、切削温度 切削温度一般指切屑与前面接触区域的切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。平均温度。 zyxcpC vfa三、三、影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 工件材料对切削温度的影响工件材料对切削温度的影响 (1)(1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消

53、耗的功就越工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。多，产生的切削热也多，切削温度就越高。 (2)(2)合金结构钢的强度普遍高于合金结构钢的强度普遍高于4545钢，而导热系数又一般钢，而导热系数又一般均低于均低于4545钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削均高于切削4545钢时的切削温度钢时的切削温度 (3)(3)不锈钢不锈钢lCrl8Ni9TilCrl8Ni9Ti和高温合金和高温合金GHl3lGHl3l不但导热系数低，而不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这且在高温下仍能保持

54、较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。 (4)(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。温度一般比切削钢料时低。 （1）切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随）切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。着切

55、削速度的提高，切削温度将明显上升。 （2）进给量）进给量f对切削温度也有一定的影响。随着进给量对切削温度也有一定的影响。随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。（3 3）切削深度）切削深度a ap p对切削温度的影响很小。因为切削深度对切削温度的影响很小。因为切削深度a ap p增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多增大以后，切削区产生的热量虽然成正

56、比例地增多，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。显。 切削用量对切削温度的影响切削用量对切削温度的影响 刀具几何参数对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响 1 1前角前角：前角前角。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。度低；前角小，切削温度高。 2 2主偏角主偏角：随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。 3

57、3负倒棱负倒棱：负倒棱宽度负倒棱宽度b1在在(02)f范围内变化，基本上不影响切削范围内变化，基本上不影响切削温度。温度。4 4刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r在在01.5mm范围内变化，基本上范围内变化，基本上不影响平均切削温度。不影响平均切削温度。 刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，两者均使，使工件与后刀面的摩擦加大，两者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是产生的切

58、削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。影响切削温度的重要因素。 刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损对切削温度的影响 四、切削温度对切削变形的影响四、切削温度对切削变形的影响 对工件尺寸精度的影响：由于工件受热膨对工件尺寸精度的影响：由于工件受热膨胀，冷却后尺寸变小，切削时产生的热直胀，冷却后尺寸变小，切削时产生的热直接影响加工精度。接影响加工精度。 对刀具材料的影响：对于硬质合金，适当对刀具材料的影响：对于硬质合金，适当提高温度可提高韧性，提高刀具耐用度。提高温度可提高韧性，提高刀具耐用度。156切削温度的产生有两方面，即切削热的产生与传出，影响切削温度的主要因素有以下几方面。越高

59、，切削温度升高，切削速度对切削温度影响最大。切削速度增加1倍时，切削温度增高30一40。增加时，切削温度也增加，但对切削温度的影响比切削速度的小。进给量增加l倍时，切削温度增高15一20。增加时，虽然切削力增大，但参加切削工作的切削刃成正比增加，散热体积增大，故对切削温度影响最小。背吃刀量增加1倍时，切削温度只增加5一8。（1）切削用量的影响）切削用量的影响157（2）刀具几何参数的影响）刀具几何参数的影响1、 前角前角0 的影响的影响 0 变形程度F q 但0 20时，因散热面积，对的影响减小。2、主偏角、主偏角r的影响的影响 r ，切削宽度aw ，散热面积 3、负倒棱和刀尖圆弧半径的影响（

60、对、负倒棱和刀尖圆弧半径的影响（对影响很小）影响很小） b1 、r，切屑变形程度q 同时散热条件改善，两者趋于平衡。158 后刀面磨损增大，切削温度升高；VB达一定值影响加剧； 越高刀磨损对影响越显著。（3）工件材料的影响）工件材料的影响（4）刀具磨损的影响）刀具磨损的影响 浇切削液对切削温度刀具磨损加工质量有明显效果；热导率比热容和流量越大，本身温度越低冷却效果越显著。（5）切削液的影响）切削液的影响 强度硬度、塑性和韧性越大，切削力越大，切削温度升高；导热率大，散热快，温度下降 。 刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时，可以明显