模块一金属切削原理课题二金属切削过程的物理现象

1、机械制造工艺与装备机械制造工艺与装备 模块一模块一 金属切削原理金属切削原理课题二课题二 金属金属切削过程切削过程的物理现象的物理现象知识点知识点l切削切削层的层的变形变形l切削力切削力l切削热和切削温度切削热和切削温度技能点技能点l认识切屑的形成及其分类认识切屑的形成及其分类l认识切削力的来源及分解认识切削力的来源及分解l认识切削热和切削温度形成及加工的影响认识切削热和切削温度形成及加工的影响 在切削加工在切削加工2020钢圆棒料时，有时会产生断钢圆棒料时，有时会产生断屑困难，加工后表面粗糙度达不到要求，为什屑困难，加工后表面粗糙度达不到要求，为什么会出现这种情况？如何避免？么会出现这种情况

2、？如何避免？ 切削时刀具挤压切削层，使之与工件分离变成切屑，切削时刀具挤压切削层，使之与工件分离变成切屑，获得所需要的表面，这个过程称为切削过程。切屑的形状获得所需要的表面，这个过程称为切削过程。切屑的形状与切削力引起的分离层金属变形情况有关，加工后表面粗与切削力引起的分离层金属变形情况有关，加工后表面粗糙度达不到要求与积屑瘤的形成有关，积屑瘤的形成又与糙度达不到要求与积屑瘤的形成有关，积屑瘤的形成又与切削温度有关。切削温度有关。 这些现象和规律直接影响着切削力、切削热、切削温这些现象和规律直接影响着切削力、切削热、切削温度、刀具磨损与刀具耐用度的大小、加工质量、切削效率度、刀具磨损与刀具耐用

3、度的大小、加工质量、切削效率以及切削加工的经济性，是进一步研究工件质量、生产率以及切削加工的经济性，是进一步研究工件质量、生产率和加工成本的依据。和加工成本的依据。 (1)(1)概述概述 金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达性变形，并使金属晶格产生滑移

4、；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。到材料的断裂强度，便会产生挤裂。 1.切削切削层的层的变形变形三三. .相关知识相关知识第第变形区变形区 近切削刃处切削近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；层内产生的塑性变形区；第第变形区变形区 与前刀面接与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；触的切屑层内产生的变形区；第第变形区变形区 近切削刃处已近切削刃处已加工表层内产生的变形区。加工表层内产生的变形区。 大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区就

5、是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤：第一变形区（剪切滑移）、第二变形区（纤维化）、第三变形区（纤维化与加工硬化）。维化与加工硬化）。(1)(1)切屑的形成过程切屑的形成过程切削变形的力学本质切削变形的力学本质 切削金属形成切屑的过程是一个切削金属形成切屑的过程是一个类似于金属材类似于金属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的料受挤压作用，产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过程变形过程 。 实验表明，实验表明， 切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑性切屑的变形和形成过程实际上经历了弹性变形、塑

6、性变形、挤裂、切离四个阶段。变形、挤裂、切离四个阶段。外形特征：外形特征：它的内表面是光滑的，外表面是它的内表面是光滑的，外表面是 毛茸茸的。毛茸茸的。形成条件：形成条件：用大前角的刀具、较高的切削速用大前角的刀具、较高的切削速 度和较小的进给量切削塑性材料度和较小的进给量切削塑性材料优优 点：点：切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较切削过程平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较 小。小。 缺点：缺点：切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此切屑连续不断，不太安全或可能擦伤已加工表面，因此 要采取断屑措施。要采取断屑措施。 (2)(2)切屑的类型切屑的类型带状切屑带状切屑

7、挤裂挤裂(节状节状)切屑切屑外形特征：外形特征：刀屑接触面有裂纹，外刀屑接触面有裂纹，外 表面是锯齿形。表面是锯齿形。形成条件：形成条件：采用较低的切削速度和采用较低的切削速度和 较大的进给量，刀具前较大的进给量，刀具前 角较小，粗加工中等硬角较小，粗加工中等硬 度的钢材料度的钢材料特点：特点：切削力波动较大，工件表面较粗糙切削力波动较大，工件表面较粗糙： 在切削铸铁和黄铜等脆在切削铸铁和黄铜等脆 性材料时，切削层金属发生性材料时，切削层金属发生 弹性变形以后，一般不经过弹性变形以后，一般不经过 塑性变形就突然崩落，形成塑性变形就突然崩落，形成 不规则的碎块状屑片，即为不规则的碎块状屑片，即为

8、 崩碎切屑。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主切削刃产生崩碎切屑时，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，并容易产生振动，和刀尖附近，刀具易崩刃、刀尖易磨损，并容易产生振动，影响表面质量。影响表面质量。 在一定速度范围下，在一定速度范围下，切削塑性金属材料形成切削塑性金属材料形成带状切屑时带状切屑时, , 常在刀具常在刀具前刀面靠近切削刃的部前刀面靠近切削刃的部位粘结一些工件材料位粘结一些工件材料, , 形成一块硬度很高的楔形成一块硬度很高的楔块，称之为块，称之为。(

9、1)(1)什么是积屑瘤什么是积屑瘤 当切屑沿刀具的前刀面流出时，在一定的温度与压力作用下，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受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的与前刀面接触的切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这一层金属的流出速度减慢，形成一层很薄的流出速度减慢，形成一层很薄的“滞流层滞流层”。当前刀面对滞流层的。当前刀面对滞流层的摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或摩擦阻力超过切屑材料的内部结合力时，就会有一部分金属粘结或冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。冷焊在切削刃附近，形成积屑瘤。(2)(2)积屑瘤的形成原因积屑瘤的形成原因(3)(

10、3)积屑瘤对起削过程的影响积屑瘤对起削过程的影响 v积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切积屑瘤的硬度比工件材料的硬度高，能代替切削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。削刃进行切削，起到保护切削刃的作用。v使实际前角增大，切削轻快。使实际前角增大，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，而且在不断地产生和积屑瘤的顶端伸出切削刃之外，而且在不断地产生和脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。脱落，使切削层公称厚度不断变化，影响尺寸精度。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

11、粘附在工件已加工表面上，增并会有一些积屑瘤碎片粘附在工件已加工表面上，增大表面粗糙度和导致刀具磨损。大表面粗糙度和导致刀具磨损。采用低速或高速切削，采用低速或高速切削，由于切削速度是通过切削温度由于切削速度是通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v vc c3m/min3m/min和较高速度和较高速度v vc c60m/min60m/min范围内，摩擦系数都较小，故范围内，摩擦系数都较小，故不易形成积屑瘤；不易形成积屑瘤；采用高润滑性的切削液，采用高润滑性的切削液，使摩擦和粘结减少；使摩擦和粘结减少；适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形；

12、适当减少进给量、增大刀具前角、减小切削变形；适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减适当的热处理来提高工件材料的硬度、降低塑性、减小加工硬化倾向。小加工硬化倾向。(4(4）抑制或消除积屑瘤的措施）抑制或消除积屑瘤的措施( (二二) )切削力切削力（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切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。摩擦阻力。（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分解为分解为相互垂直的三个分力：相互垂直的三个分力： 。主

13、切削力主切削力Fz(Fc)总切削力在主运动方向的分力，大小总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的约占总切削力的80%90% 。Fc消耗消耗的功率最多，约占总功率的的功率最多，约占总功率的90%左右，左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。刀具强度等必不可少的参数。背向力背向力 Fy（Fp）进给力进给力Fx (Ff )总切削力在垂直于工作平面方向的分力，总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工

14、件的加工精度。是进行加工工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。参数。总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的占总功的1%5%。是设计、校核机床进给机构，。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数计算机床进给功率不可缺少的参数1）工件材料）工件材料影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力

15、越大。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。2）切削用量）切削用量进给量进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap 进给量进给量f和背吃刀量和背吃刀量ap增加，增加，使切削力使切削力Fc增加。增加。切削速度在切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削力减小；切削速度继续在切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切范围

16、内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；削力增加；在切削速度大于在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，时，由于切削温度上升，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过切削力下降。一般切削速度超过90m/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材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力对切削力Fc无明显的影响。无明显的影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提

17、高生产效率，又能减小切削力。既能提高生产效率，又能减小切削力。 切削速度切削速度c 前角的影响前角的影响: o 切削变形切削变形切削力切削力。（塑性材料）（塑性材料）主偏角的影响：主偏角的影响：Kr Fp , Ff 3） 刀具几何参数刀具几何参数kr1Krkr2FpFf4） 刀具磨损刀具磨损5）切削液）切削液6）刀具材料）刀具材料 刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。变化，直接影响着切削力的变化。(三三) 切削热和切削温度切削热和切削温度 金属切削过程的三个变形区就是产生切削热的三个热金属切削过程的三个变

18、形区就是产生切削热的三个热源：源：1)切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源；切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源； 2)切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；3)工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。切削热的产生和传出切削热的产生和传出 切削热向切削热向以及周围的以及周围的传导，传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度上升。 用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时，用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时，切削热传出的比例是：切削热传

19、出的比例是： 切屑传出的热约为切屑传出的热约为50%86%； 工件传出的热约为工件传出的热约为40%10%； 刀具传出的热约为刀具传出的热约为9%3%；周围介质传出的热约为；周围介质传出的热约为1%。 (1)对刀具材料的影响对刀具材料的影响 高速钢刀具材料的耐热性为高速钢刀具材料的耐热性为600左右，左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温耐热性好，在高温8001000时，强度反时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。寿命

20、。(2)对工件尺寸精度的影响对工件尺寸精度的影响 车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。 (1)工件材料工件材料 (2)切削用量切削用量(3)刀具几何参数刀具几何参数(4)刀具磨损刀具磨损 (5)切削液切削液 1)前角前角o塑性变形和摩擦塑性变形和摩擦切削温度切削温度。但前角不能太大，

21、否则刀具切削部分的锲但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。反而上升。 2)主偏角主偏角Kr切削刃工作接触长度切削刃工作接触长度，切，切削宽度削宽度bD，散热条件变差，故切削温度，散热条件变差，故切削温度。 刀具主后面磨损时，后角减小，刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。使切削温度增大。 利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产

22、生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。低切削温度的重要措施。四、任务实施四、任务实施1.断屑困难的主要原因断屑困难的主要原因20号钢，金属塑性好，不易断裂；号钢，金属塑性好，不易断裂；切屑变形不够大，切屑内的剪切应力小于材料的强度极限，切屑变形不够大，切屑内的剪切应力小于材料的强度极限，切屑不会断裂。切屑不会断裂。加工塑性金属，如碳钢、合金钢等，当切削厚度较小、切削加工塑性金属，如碳钢、合金钢等，当切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大时。一般常得到这类切屑。速度较高、刀具前角较大时。一般常得到这类切屑。避免措施：避免措施：改善工件的切削加工性