金属切削过程的基本理论ppt课件

1、第三章 金属切削过程的根本实际教学目的与要求教学目的与要求: : 经过本章的学习经过本章的学习, ,掌握金属切削变形、切削力、切削掌握金属切削变形、切削力、切削热和刀具的破损与磨损的缘由和刀具耐用度的根本概念。热和刀具的破损与磨损的缘由和刀具耐用度的根本概念。教学内容摘要：教学内容摘要： 本章主要引见切削变形区、变形程度的表示方法、切本章主要引见切削变形区、变形程度的表示方法、切削力的来源与影响要素；切削热的产生与传出、计算、对削力的来源与影响要素；切削热的产生与传出、计算、对切削加工的影响；刀具磨损与破损的形状、磨损的缘由和切削加工的影响；刀具磨损与破损的形状、磨损的缘由和刀具耐用度的选用。

2、刀具耐用度的选用。教学重点与难点：教学重点与难点： 重点是切削变形程度的表示方法、切屑的种类及积屑重点是切削变形程度的表示方法、切屑的种类及积屑瘤成因、切削力的影响要素、切削热的计算及影响要素分瘤成因、切削力的影响要素、切削热的计算及影响要素分析、刀具磨损与破损的缘由和刀具耐用度的选择。析、刀具磨损与破损的缘由和刀具耐用度的选择。 难点是切削变形、切削力与切削热影响要素分析。难点是切削变形、切削力与切削热影响要素分析。第三章 金属切削过程的根本实际 研讨、掌握并能灵敏运用金属切削根本实际研讨、掌握并能灵敏运用金属切削根本实际, , 对有效控制切削过程、保证加工精度和外表质量，对有效控制切削过程

3、、保证加工精度和外表质量，提高切削效率、降低消费本钱，合理改良、设计刀提高切削效率、降低消费本钱，合理改良、设计刀具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指点具几何参数，减轻工人的劳动强度等有重要的指点意义。意义。 在金属切削过程在金属切削过程(cutting process)中，一直存在着中，一直存在着刀具切削工件和工件资料抵抗切削的矛盾，从而产生刀具切削工件和工件资料抵抗切削的矛盾，从而产生一系列物理景象，如切削变形、切削力、切削热与切一系列物理景象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑削温度以及有关刀具的磨损与刀具寿命、卷屑与断屑等。等。一、切屑的

4、构成过程及切屑类型一、切屑的构成过程及切屑类型一切屑的构成过程一切屑的构成过程1.1.切削变形的力学本质切削变形的力学本质 切削金属构成切屑切削金属构成切屑的过程是一个类似于金属的过程是一个类似于金属资料受挤压作用，产生塑资料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移性变形进而产生剪切滑移的变形过程。的变形过程。第一节第一节 金属切削层的变形金属切削层的变形紧缩变形后沿紧缩变形后沿45o方向开裂方向开裂(a)紧缩塑性金属受紧缩时，随着外力的添加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂b切削以直角自在切削为例，假设忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程好像紧缩过程

5、，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。金属切削层的变形和切屑金属切削层的变形和切屑 金属切削过程与挤压过程类似。金属切削过程与挤压过程类似。切塑性金属时：切塑性金属时： 1金属受前刀面的挤压金属受前刀面的挤压,在在OA(始滑移面始滑移面)以左产生弹性变形以左产生弹性变形; 2应力逐渐变大，在应力逐渐变大，在AOE内产内产生塑性变形生塑性变形; 3应力到达强度极限，在应力到达强度极限，在OE(终终滑移面滑移面) 上发生剪切滑移上发生剪切滑移; 4在在OE(终滑移面终滑移面)以上以上, 金属被金属被切离构成切屑。切离构成切屑。塑性金属的切削过程阅历了四个塑性金属的切削过程阅历了四个阶段：弹性变形、塑

6、性变形、剪阶段：弹性变形、塑性变形、剪切滑移和切离过程。切滑移和切离过程。切削塑性金属的三个变形区切削塑性金属的三个变形区 一第一变形区一第一变形区OAOA始滑移线始滑移线OMOM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 加工硬化加工硬化普通速度范围内一区普通速度范围内一区宽度为宽度为0.020.020.2mm0.2mm，速度越高，宽度越小，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面可看作一个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 切屑沿前刀面排出时进一步遭到前刀面的挤切屑沿前刀面排出时进一步遭到前刀面的挤压和摩擦，使接近前刀面的金属纤维化，根本与压

7、和摩擦，使接近前刀面的金属纤维化，根本与前刀面平行。前刀面平行。挤压摩擦区挤压摩擦区三第三变形区 已加工外表遭到切削刃钝圆部分和后刀面的已加工外表遭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，呵斥纤维化和加挤压和摩擦，产生变形与回弹，呵斥纤维化和加工硬化。工硬化。挤压摩擦回弹区挤压摩擦回弹区刃前区：三个变形区聚集在切削刃附近，此处的应刃前区：三个变形区聚集在切削刃附近，此处的应力集中而复杂，被切削层在此与工件本体资料分别力集中而复杂，被切削层在此与工件本体资料分别刀刃钝圆情况下已加工外表的构成过程： 绝对滑移 S 相对滑移 变形系数 剪切角 ?二、金属切削变形程度的表示方法二、金属切

8、削变形程度的表示方法1.1.绝对滑移绝对滑移 S S，相对滑移，相对滑移 切屑厚度切屑厚度hchhch与切削层的与切削层的厚度厚度hDhD之比称为厚度变形系之比称为厚度变形系数，用数，用h h 表示，表示，h = h = hch/hD hch/hD ；而切削层长度而切削层长度lclc与切屑长与切屑长度度lchlch之比称为长度变形系之比称为长度变形系数，用数，用ll表示，表示，l=l/lc l=l/lc 。变形系数越大变形系数越大, ,切屑越厚切屑越厚越短越短, ,切削变形越大。切削变形越大。2. 2. 变形系数变形系数剪切角:剪切角是出自金属切削层产生剪切滑移的一个特定参数。 =45-+0

9、刀和屑界面的摩擦角；tan=； 为刀和屑界面的摩擦系数。当刀和屑界面出现粘结和滞留层时，值内磨擦比普通外摩擦时大得多。 剪切角 剪切面积变形程度切削力。剪切角 变形系数影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要要素影响切削变形和前刀面摩擦系数的主要要素 工件资料 切削厚度 刀具前角 切削速度 进给量 上述五个要素是影响前刀面摩擦系数的主要要素。 切削厚度ac添加时，也略为下降，如10钢的ac从0.1mm增大到0.18mm，从0.74降至0.72。切削厚度：切削厚度：切削厚度添加，正应力随之增大，切削厚度添加，正应力随之增大， 略为下降，变形系略为下降，变形系数数 下降下降=s/av工件资料：工件资料：

10、 添加，添加， 值下降，变形系数值下降，变形系数 越小越小 工存资料的强度、硬度提高，切削温度增高，摩擦系数下降，剪切角增大，切屑变形减小。所以，切削强度、硬度高的资料，不易产生变形。而切削塑性较高的资料，那么变形较大。前角对变形系数的影响增大前角0，使剪切角增大，变形系数减小，因此，切屑变形减小。前角对摩擦系数的影响增大前角0，摩擦系数添加。切削速度：随着切削速度：随着v v增大，增大， 值先升后降值先升后降切削速度对变形系数的影响以中碳钢为例。 vc 超越40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着添加，

11、刀具实践前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小vc20m/min时， h值最小vc在20 40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消逝，刀具实践前角减小，使减小， h增大。 此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。进给量对变形系数的影响第二节第二节 切屑的类型切屑的类型带状切屑带状切屑外形特征：它的内外表是光滑的，外外表是毛外形特征：它的内外表是光滑的，外外表是毛茸茸的。茸茸的。构成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度构成条件：用大前角的刀具、较高的切削速度和较小的进给量，切削塑性资料和较小的进给量，切削塑性资料优点：切削过程平稳，切削力动摇较小，已加优

12、点：切削过程平稳，切削力动摇较小，已加工外表粗糙度较小。工外表粗糙度较小。缺陷：切屑延续不断，不太平安或能够擦伤已缺陷：切屑延续不断，不太平安或能够擦伤已加工外表，因此要采取断屑措施。加工外表，因此要采取断屑措施。 挤裂挤裂( (节状节状) )切屑切屑 外形特征：刀屑接触面有裂纹，外外表是锯齿形。外形特征：刀屑接触面有裂纹，外外表是锯齿形。构成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，构成条件：采用较低的切削速度和较大的进给量，刀具前角较小刀具前角较小, ,粗加工中等硬度的钢资料粗加工中等硬度的钢资料 特点：切削力动摇较大，工件外表较粗糙特点：切削力动摇较大，工件外表较粗糙 单元单元(粒状粒状)

13、切屑切屑 在挤裂在挤裂(节状节状)切屑产生的前提下切屑产生的前提下, 当进一当进一步降低切削速度，增大进给量，减小前角时那么出现单元步降低切削速度，增大进给量，减小前角时那么出现单元(粒状粒状)切屑。切屑。崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性资料时，崩碎切屑：在切削铸铁和黄铜等脆性资料时，切削层金属发生弹性变形以后，普通不经过塑切削层金属发生弹性变形以后，普通不经过塑性变形就忽然崩落，构成不规那么的碎块状屑性变形就忽然崩落，构成不规那么的碎块状屑片，即为崩碎切屑。片，即为崩碎切屑。当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，当刀具前角小、进给量大时易产生这种切屑，产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在

14、主产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，切削刃和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响外表质量。并容易产生振动，影响外表质量。 切屑的控制切屑的控制 1) 切屑的外形 带状屑 C 形屑 崩碎屑 宝塔状卷屑 长紧卷屑 发条状卷屑 螺卷屑 2) 卷屑和断屑(a) 圆弧形卷屑槽 工件 O B 刀具 A E Rc Rn Wn b o b 刀具 工件 A B O E C lf /2 Wn Rc (b) 直线型卷屑槽 (a) 碰到后刀面折断 (b) 发条状切屑碰到工件折断 (c) C 形切屑碰到工件折断 F 工件 刀具 F 工件 刀具 F 工件

15、刀具 后刀面 Rc Rc 二、积屑瘤的构成及其对切削过程的影响二、积屑瘤的构成及其对切削过程的影响 在一定速度范围下，切削塑性金属资料构成带状切屑时, 常在刀具前刀面接近切削刃的部位粘结一些工件资料, 构成一块硬度很高的楔块，称之为积屑瘤，或称刀瘤。一什么是积屑瘤一什么是积屑瘤 当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，与前刀面接触的切屑底层遭到很大的摩擦阻力，致使用下，与前刀面接触的切屑底层遭到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，构成一层很薄的这一层金属的流出速度减慢，构成一层很薄的“滞流层。滞流层。当前刀面对滞流层的摩擦

16、阻力超越切屑资料的内部结合力时，当前刀面对滞流层的摩擦阻力超越切屑资料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，构成积屑瘤。就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，构成积屑瘤。二积屑瘤的构成缘由二积屑瘤的构成缘由三积屑瘤对起削过程的影响三积屑瘤对起削过程的影响 v积屑瘤的硬度比工件资料的硬度高，能替代积屑瘤的硬度比工件资料的硬度高，能替代切削刃进展切削，起到维护切削刃的作用。切削刃进展切削，起到维护切削刃的作用。v使实践前角增大，切削轻快。使实践前角增大，切削轻快。因此，粗加工时可利用积屑瘤。因此，粗加工时可利用积屑瘤。v积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断积屑瘤的顶端伸出切削

17、刃之外，而且在不断地产生和零落，使切削层公称厚度不断变化，影地产生和零落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。响尺寸精度。v此外，还会导致切削力的变化，引起振动，此外，还会导致切削力的变化，引起振动，v并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工外并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工外表上，增大外表粗糙度和导致刀具磨损。表上，增大外表粗糙度和导致刀具磨损。在精加工时应尽能够防止积屑瘤的产生。在精加工时应尽能够防止积屑瘤的产生。采用低速或高速切削，由于切削速度是经过切削温度采用低速或高速切削，由于切削速度是经过切削温度影响积屑瘤的，以切削影响积屑瘤的，以切削4545钢为例，在低速钢为例，在低速vcv

18、c3m/min3m/min和较高速度和较高速度vc60m/minvc60m/min范围内，摩擦系数都较小，故范围内，摩擦系数都较小，故不易构成积屑瘤；不易构成积屑瘤；采用高光滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；采用高光滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；适当增大刀具前角、减小切削变形；适当增大刀具前角、减小切削变形；适当的热处置来提高工件资料的硬度、降低塑性、减适当的热处置来提高工件资料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。小加工硬化倾向。四抑制或消除积屑瘤的措施四抑制或消除积屑瘤的措施第三节第三节 切削力切削力 切削过程中，刀具切削过程中，刀具施加于工件使工件资料施加于工件使工件资料产生变形，并使多余

19、资产生变形，并使多余资料变为切屑所需的力，料变为切屑所需的力，称为切削力称为切削力(cutting (cutting force) force) 。一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率1. 1. 切削力的来源切削力的来源切削力来自于金属切削过程中抑制切削力来自于金属切削过程中抑制被加工资料的弹、塑性变形抗力和被加工资料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。阻力。2.2.切削力的分解切削力的分解 通常将合力通常将合力F F分分解为相互垂直的三个解为相互垂直的三个分力：切削力分力：切削力 Fc Fc 、

20、进给力进给力 Ff Ff 、背向力、背向力 Fp Fp 。切削力切削力Fz(Fc)Fz(Fc)总切削力在主运动方向的分力，总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的大小约占总切削力的80%80%90% 90% 。FcFc耗费的功率最多，约耗费的功率最多，约占总功率的占总功率的90%90%左右，是计算左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的及计算刀具强度等必不可少的参数。参数。背向力背向力 Fy FyFpFp进给力进给力Fx (Ff)Fx (Ff)总切削力在垂直于任务总切削力在垂直于任务

21、平面方向的分力，平面方向的分力，FpFp不不耗费功率。但容易使工耗费功率。但容易使工件变形，甚至能够产生件变形，甚至能够产生振动，影响工件的加工振动，影响工件的加工精度。是进展加工精度精度。是进展加工精度分析、计算工艺系统刚分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振度以及分析工艺系统振动时，所必需的参数。动时，所必需的参数。总切削力在进给方向的分力总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总，进给力也作功，但只占总功的功的1%1%5%5%。是设计、校核。是设计、校核机床进给机构，计算机床进机床进给机构，计算机床进给功率不可短少的参数给功率不可短少的参数计算切削功率计算切削功率(cutting

22、 power) Pc(cutting power) Pc是用于核算加工是用于核算加工本钱和计算能量耗费，并在设计机床时根据它来选择机本钱和计算能量耗费，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。床主电动机功率。主运动耗费的切削功率主运动耗费的切削功率 Pc PcFcc/60Fcc/6010-3 10-3 kWkW机床电机功率机床电机功率 PE =Pc PE =Pcmmmm0.750.750. 850. 85。 3 3切削功率切削功率 单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力，用p表示： N/mm2 P= Fz/ Ac= Fz/( f ap) 式中，Fz主切削力N； Ac切削面积mm2； ap

23、背吃刀量mm f进给量mm4.4.单位切削力单位切削力5.5.切削力计算的阅历公式切削力计算的阅历公式用单位切削力计算主切削力 kC=Fc/AD=Fc/(apf)=FC/(bDhD) (3-12) 式中 AD-切削面积mm2； ap -背吃刀量mm； f -进给量mm/r； hD-切削厚度mm ； bD-切削宽度mm。 知单位切削 kc,求主切削力Fc Fc=kcapf=kchDbD 二、影响切削力的要素二、影响切削力的要素1. 1. 工件资料工件资料影响较大的要素主要是工件资影响较大的要素主要是工件资料的强度、硬度和塑性。料的强度、硬度和塑性。资料的强度、硬度越高，那么资料的强度、硬度越高，

24、那么屈服强度越高，切削力越大。屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，在强度、硬度相近的情况下，资料的塑性、韧性越大，那么刀资料的塑性、韧性越大，那么刀具前面上的平均摩擦系数越大，具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。切削力也就越大。2. 2. 切削用量切削用量进给量进给量f f和背吃刀量和背吃刀量ap ap 进给量进给量f f和背吃刀量和背吃刀量apap添加，添加，使切削力使切削力FcFc添加。添加。图3- 19 切削速度对切削力的影响切削速度在切削速度在5 520m/min20m/min区域内添加时，积屑瘤高度区域内添加时，积屑瘤高度逐渐添加，切削力减小；逐渐添加，切削力

25、减小；切削速度继续在切削速度继续在202035m/min35m/min范围内添加，积屑瘤逐范围内添加，积屑瘤逐渐消逝，切削力添加；渐消逝，切削力添加；在切削速度大于在切削速度大于35m/min35m/min时，由于切削温度上升，摩时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。普通切削速度超越擦系数减小，切削力下降。普通切削速度超越90m/min90m/min时，切削力无明显变化。时，切削力无明显变化。在切削脆性金属工件资料时，因塑性变形很小，刀在切削脆性金属工件资料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c c 对切削力对切削力FcFc无明显的影响。无明显的影响。在实践消费中，假设刀具资料和机床性能答应，采在实践