第2章 金属切削基本原理机械制造技术基础课件

1、控制切削过程、保证加工精度和表面质量控制切削过程、保证加工精度和表面质量提高切削效率降低生产成本提高切削效率降低生产成本促进切削加工技术的发展等促进切削加工技术的发展等单因素试验转化为多因素综合试验单因素试验转化为多因素综合试验从静态转向动态观测从静态转向动态观测从宏观转向微观从宏观转向微观从定性分析转向定量的数学建模分析从定性分析转向定量的数学建模分析FABOM45a）正挤压正挤压FABOM45b）偏挤压偏挤压OMFc）切削切削金属挤压与切削比较切削变形实验设备与录像装置切屑刀具OAM终滑移线剪切角始滑移线：=s第变形区：即剪切变形区，金属剪切滑移，成为切屑。金属切削过程的塑性变形主要集中于

2、此区域。第变形区：靠近前刀面处，切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。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。第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要原因。切削部位三个变形区切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本不变。可用其表示切削层变的变形程度。厚度变形系数（长度变形系数）DchhhhDchLL LchLDhDhch切屑与切削层尺寸变形系数1，其值越大，变形越大6.2相对滑移系数(剪应变)0cottan()SP KK NyM K90-00ysOM0相对滑移系数HGPNK在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑与前

3、刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。粘结区：高温高压使切屑底层软化，粘嵌在前刀面高低不平的凹坑中，形成长度为lfi的粘接区。切屑的粘接层与上层金属之间产生相对滑移，其间的摩擦属于内摩擦。滑动区：切屑在脱离前刀面之前，与前刀面只在一些突出点接触，切屑与前刀面之间的摩擦属于外摩擦。切屑与前刀面的摩擦 lfolfi 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化积屑瘤高度Hb.积屑瘤影响增大前角，保护刀刃影响加工精度和表面粗糙度切屑刀具积屑瘤积屑瘤成因Hb滞留粘接长大脱落积屑瘤与切削温度有关积屑瘤与切削速度有关P114图2.7（中碳钢）形成过程未施加任何外力作用情况下，

4、材料内部保持平衡而存在的应力。9.1 残余应力种类及影响 残余张应力： 易使加工表面产生裂纹，降低零件疲劳强度残余压应力： 有利于提高零件疲劳强度残余应力分布不均： 会使工件发生变形，影响形状和尺寸精度9.2 残余应力产生原因热塑变形效应：表层张应力，里层压应力里层金属弹性恢复：若里层金属产生拉伸变形，则弹性恢复后表层得到压应力，里层为张应力表层金属相变：影响复杂，若切削区温度超过相变温度，则珠光体受热转变成奥氏体，冷却后又转变成马氏体，体积膨胀，表层产生压应力实际应力状态是上述各因素影响的综合结果9.3 残余应力的控制控制切削过程：尽可能减小残余应力时效处理：最大限度减小残余应力残余压应力的

5、利用：采用滚压、喷丸等方法已加工表面表层金属硬度高于里层金属硬度的现象10.1 加工硬化产生原因加工表面严重变形层内金属晶格拉长、挤紧、扭曲、碎裂，使表层组织硬化10.2 加工硬化度量硬化程度00100%HHNH式中 H 硬化层显微硬度（HV）； H0 基体层显微硬度（HV）。硬化层深度指硬化层深入基体的距离hd（m）距表面深度HVH0hiH0加工硬化与表面深度的关系10.3 加工硬化的控制减小切削变形：提高切速，加大前角，减小刃口半径等减小摩擦：如加大后角，提高刀具刃磨质量等进行适当的热处理10.4 鳞刺带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑切屑形态照片形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，

6、背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状粒状不规则块状颗粒剪切滑移尚未达到断裂程度局部剪切应力达到断裂强度剪切应力完全达到断裂强度未经塑性变形即被挤裂加工塑性材料，切削速度较高，进给量较小， 刀具前角较大加工塑性材料，切削速度较低，进给量较大， 刀具前角较小工件材料硬度较高，韧性较低，切削速度较低加工硬脆材料， 刀具前角较小切削过程平稳，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，应设法断屑切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳切削力波动较大，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳切削力波动大，有冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀带状切屑挤裂切屑单元切屑崩碎切屑切屑类型及形成条件v 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量

7、，应使切屑卷曲和折断。v 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果v断屑是对已变形的切屑再附加一次变形，常需有断屑装置切屑的卷曲断屑的产生v国际标准化组织的切屑分类P117图2.10材料塑性越大，强度硬度越低，切屑变形越大。刀具前角越大，剪切角越大，切屑变形越小。ysOM0切削速度进给量P119图2.14加工性 等级材料相对加工性等级材料名称及种类相对加工性Kr代 表 性 材 料1很易切削材料一般有色金属3.0铜铝合金，铝铜合金，铝镁合金2容易切削材料易切削钢2.53退火l5Cr，b0.373o.441GPa自动机钢，b0.3930.491GPa3较易切削钢1.62.5正火3

8、0钢，b0.4410.549GPa4普通材料一般钢、铸铁1.01.645钢，灰铸铁5稍难切削材料0.651.02Crl3，调质b0.834GPa85，钢b0.883GPa6难加工材料较难切削材料0.50.6545Cr，调质b1.03GPa65Mn，调质b0.9320.9817难切削材料0.150.550CrV, 调质；1Crl8Ni9Ti, 钛合金8很难切削材料0.15某些钛合金，铸造镍基高温合金 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力rFcFFpFf pFfFf pFf pfv切削力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力22222f,ppfCcFFFFFF

9、cpF （0.150.7）FcfF （0.10.6）F引起工件变形及振动设计或校核进给机构的依据Fp设计机床的主要依据R1R4R1R4R2R3FcR3R1R2R4电阻应变片式测力仪3124RRRR式中： CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 背吃刀量ap 对各切削分力影响指数；yFc , yFp , yFf 进给量 f 对各切削分力影响指数；nFc , nFp , nFf 切削速度vc 对各切削分力的影响指数KFc , KFp , KFf 实验条件与计算条件不同时的修正系数。 cccCcxFyFnFFpFC afvkCF切削力背向力进给力p

10、xFpyFpnFpFpFpC afvkpFfxFfyFfnFfFpFfC afvkfF一般车削外圆镗孔等xFc=1，yFc=0.75，nFc=0 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）310()ccPFvKW式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。 CCCCpDDFFFpAa fh b()cEPPKW式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率63010(/)ccPppKWsmmV强度高加工硬化倾向大切削力大增加，切削宽度增加，与切削力近似成正比；f增加，切削深度增加，切削变形减小，切削力有所增加，但不成正比；对切

11、削力影响复杂(塑性材料），对脆性材料切削速度不影响切削力5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）切削速度对切削力的影响(塑性材料）问题：如何提高切削效率？问题：如何提高切削效率？前角增大，刀具容易切入工件，剪切角增大，切削力减小。加工塑性大的材料时，增大前角则总切削力明显减小；而加工脆性材料时，增大前角对减小总切削力的作用不显著。负倒棱提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值越大，切削变形程度越大，所以切削力越大。主偏角的大小会影响切削厚度，其次可改变FP、Ff的比值。主偏角

12、增大，切削厚度增大，切削变形减小，切消力减小；当主偏角进一步增加时，切削力逐渐增大刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff）刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff） ； 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著； 切削过程变形和摩擦所消耗功，绝大部分转变为切削热cccvFPq 主要来源 QA=QD+QFF+QFR式中，QD , QFF , QFR分别为切削层变形、前刀面摩擦、后刀面摩擦产生的热量切削

13、热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去工件切屑刀具切削热的来源与传出加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具车削车削5080%1040%5%铣削铣削70%50%15%磨削磨削4%80%12% 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。750刀具二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢； 刀具：o=30，o=7； 切削用量：ap=0.6mm， vc =0.38m/s； 切削条件：干切削， 预热611C工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电势，通过电位差计测得切削区的平均温度。 用不同材料、相互绝缘金属

14、丝作热电偶两极。 可测量刀具或工件指定点温度，可测最高温度及温度分布场。利用红外辐射原理，借助热敏感元件，测量切削区温度。可测量切削区侧面温度场。mV人工热电偶工件刀具金属丝小孔经验公式式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； C 与实验条件有关的系数； Z、Y、X vc、f、ap 的指数。 K 切削条件改变后的修正系数；刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f (mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26切削温度的系数及指数ZyxcpC vfa K为了控制温升，提高刀具寿

15、命，如何选用切削用量？2. vc（m/min）切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火) 4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1= -10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243 冷却作用 靠热传导带走大量的切削热降低切削温度，提高刀具耐用度；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。在切削速度高，刀具、工件材料导热性差，热膨胀系数较大的情况下，切削液的

16、冷却作用尤显重要。 润滑作用 通过切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑油面达到的。水溶液在水中加入防锈剂、油性添加剂制成。其冷却、清洗作用较好，润滑作用较差。广泛用于磨削和粗加工。乳化液在乳化油中加水稀释而成的乳白色液体；按乳化油的含量可配制成不同浓度的乳化液。低浓度乳化液主要起冷却作用；高浓度乳化液主要起润滑作用。乳化液主要用于车削、钻削、攻螺纹。切削油有矿物油(机油、轻柴油、煤油)、动植物油(豆油、菜油、蓖麻油、棉子油、猪油、鲸油)等。切削油一般用于滚齿、插齿、车螺纹及一般材料的精加工。机油用于普通车削、攻螺纹；煤油或与矿物油的混合也用于精加工有色金属和铸铁；煤油或与机油的混合油用

17、于普通孔或深孔精加工；蓖麻油或豆油也用于螺纹加工；轻柴油用于自动机床，做自身润滑液和切削液用。极压切削油切削油中加入硫、氯等极压添加剂，形成非常结实的润滑膜，能显著提高润滑效果和冷却作用，常用于难加工材料(如高强度钢、高温合金等)的粗加工。 磨粒切削刃几何形状不确定（通常刃口前角为-60 -80） 磨粒及切削刃随机分布 磨削厚度小（几m），磨削速度高，磨削点瞬时温度高（达1000以上）弹性变形：磨粒在工件表面滑擦而过，不能切入工件（滑擦阶段-热应力）塑性变形：磨粒切入工件，材料向两边隆起，工件表面出现刻痕，但无磨屑产生（刻划阶段-弹塑性变形）切削：磨削深度、磨削点温度和应力达到一定数值，形成磨

18、屑，沿磨粒前刀面流出（磨屑形成阶段-热、变形应力）磨屑形成过程a）平面示意图 b）截面示意图每个磨粒不一定三个阶段均有磨削过程实际生成曲线、理论干涉曲线、实际干涉曲线不重合磨削将产生残留余量 滑擦将引起表面烧伤、裂纹等表面缺陷刻划影响表面粗糙度工件速度工件速度及轴向进给力增大，磨削力增大径向进给量径向进给量增大，磨削力增大单位磨削力P很大，可达70000 Nmm2。 背向力Fp值最大，在正常磨削条件下FpFc约为2.0-2.5。磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体 磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。 磨削区温度 砂轮与工

19、件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。 磨粒磨削点温度 磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。 工件平均温度 磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。 砂轮速度 滑擦次数增加，磨削热增加 工件速度 金属切除量增加， 径向进给量 磨削变形和摩擦力增大 导热性有关软砂轮磨削热量低 粒度大温度低 磨耗磨损磨粒破损脱落磨损去除钝化的和磨损的磨砺表层产生足够数量的有效切削刃选用较小的修整导程选用适宜的修整深度普通磨削线速度v=30-35m/s，高速磨削线速度v45-50m/s，效率提高30-40%宜采用切削液大吃刀量（1-30mm）及缓慢进

20、给磨削工件去除率高、砂轮磨损小、磨削质量好、采用顺磨砂带以一定的压力与工件接触，相对运动中磨削或抛光磨削表面质量好（弹性磨削）磨削性能强磨削效率高（切除工件重量与砂带磨耗量之比大）经济性好适用范围广正常磨损-热、化学、机械形式：月牙洼形成条件：加工塑性材料，v大，hD大影响：削弱刀刃强度，降低加工质量形式：后角=0的磨损面（参数VB，VBmax）形成条件：加工塑性材料, v 较小, hD 较小；加工脆性材料影响：切削力, 切削温度, 产生振动，降低加工质量VBVBmaxa) KTKBb)刀具磨损形态非正常磨损破损（裂纹、崩刃、破碎等），卷刃（刀刃塑性变形）2.刀具磨损过程3个阶段初期磨损后刀面

21、磨损量VB正常磨损急剧磨损切削时间 磨粒磨损 各种切速下均存在 低速情况下刀具磨损的主要原因 粘结磨损（冷焊） 刀具材料与工件材料亲和力大 刀具材料与工件材料硬度比小 中等偏低切速粘结磨损加剧 扩散磨损 高温下发生 氧化磨损 高温情况下，在切削刃工作边界发生 相变磨损 高温情况下(550 C)，发生金相组织转变使材料硬度降低4.磨钝标准VBNB0刀具前刀面刀具后刀面刀具磨到一定限度不能再使用，该限度为磨钝标准。常取1/2背吃刀量处后刀面上测的磨损带高度为最大允许磨损量VB（ISO推荐的硬质合金外圆车刀磨钝标准P140-141）柔性设备采用切削力数值作为刀具磨钝标准自动化生产中精加工刀具采用工件

22、的径向磨损量NB作为刀具磨钝标准工艺系统刚性差时取较小的磨钝标准切削难加工材料时取较小的磨钝标准ISO推荐的硬质合金外圆车刀耐用度磨钝标准：VB=0.3mmVBmax=0.6mm（后刀面无规则磨损）KT=0.06+0.3f（前刀面磨损量）KTKB刀具磨损形态刀具从切削开始至磨钝标准的切削时间，用T 表示。刀具总寿命 一把新刀从投入切削开始至报废为止的总时间，其间包括多次重磨。式中Cv -与耐用度实验条件有关的常数 m、 xv、yv -指数 Kr-修正系数用YT5硬质合金刀具切削碳钢（b= 0.763GP a）时，有：刀具寿命影响顺序：v f ap ，与切削温度影响顺序一致mvrxvyvcpCT

23、Kv af52.250.75vcpCTv fam值较小，表示切削速度对刀具耐用度影响大，m值较大，表明切削速度对耐用度的影响小，即刀具材料的切削性能较好。不同刀具材料的耐用度比较硬质合金（VB=0.4mm）陶瓷刀具（VB=0.4mm）高速钢刀具耐用度T（min）1 2 3 5 6 8 10 20 30 40 60800600500400300200100806050切削速度v（m/min）刀具耐用度允许的切削速度vvvTvxympcvKT af高速钢刀具m=0.1-0.125硬质合金刀具m=0.2-0.3陶瓷刀具m=0.4m大，v对T影响小，刀具材料好使工序时间最短的刀具寿命Tp。使工序成本最

24、小的刀具寿命Tc 。硬质合金焊接车刀耐用度60min；高速钢钻头耐用度80-120min硬质合金端铣刀耐用度120-180min；齿轮刀具耐用度200-300min同一类刀具，尺寸大的，制造和刃磨成本均较高，耐用度规定得高些。装卡、调整比较复杂的刀具，如多刀车床上的车刀、组合机床上的钻头、丝锥、铣刀以及自动机和自动线上的刀具，耐用度应选得高一些，一般为通用机床上同类刀具的2-4倍。生产线上的刀具耐用度应规定为一个班或两个班，以便能在换班时间内换刀。有特殊快速换刀装置时，可将刀具耐用度减少到正常数值。精加工尺寸很大的工件时，刀具耐用度应按零件精度和表面租糙度要求决定。为避免在加工同一表面时中途换

25、刀，耐用度应规定得至少能完成一次走刀。一般情况下多采用经济耐用度。只有当生产任务急迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，才选用最大生产率耐用度。简单的刀具如车刀、钻头等，耐用度选得低些；结构复杂和精度高的刀具，如拉刀、齿轮刀具等，耐用度选得高些。规定刀具切削时间，离线检测切削加工时，切屑剥离，工件塑性变形，刀具与工件之间摩擦以及刀具破损等，都会产生声发射。正常切削时，声发射信号小而连续，刀具严重磨损后声发射信号会增大，而当刀具破损时声发射信号会突然增大许多，达到正常切削时的几倍 保证加工质量的前提下，满足刀具使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数。刀具角度刀面形式及参数切削刃的剖面形式及

26、其参数刃形工件材料刀具材料和刀具结构具体的加工条件各几何参数间的联系前角及前面后角及副后角主偏角及副偏角的选择刃倾角的选择工件材料的性质 加工塑性材料，大前角加工脆性材料，小前角工件强度或硬度小，大前角材料硬度或强度高，小前角材料的强度或硬度特别大，负前角表表2.1 硬质合金车刀前角的合理值硬质合金车刀前角的合理值工件切屑刀具00刀具材料 高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些。加工性质 粗加工时，选用较小前角；精加工时，选用较大前角。切削层厚度小，大后角 切削层厚度大，小后角工件材料强度或硬度较高，小后角 工件塑性较大时，大后角 表2.2 硬质合金车刀后角的合理值工件切屑刀具00工艺系统

27、刚性差，减小后角尺寸精度要求高的刀具，小后角车刀、刨刀及端铣刀的副后角通常等于后角； 切断刀、切槽刀、锯片铣刀，角度很小。粗加工和半精加工，主偏角大，材料硬度大，主偏角小。工艺系统刚性好，主偏角小刚性不足，主偏角大，大于90度dwdmkrkr振动小，副偏角小精加工，副偏角小，零度修光刃，图2.36材料强度和硬度高、断削，副偏角小切断刀、锯片铣刀和槽铣刀等，副偏角小粗车钢料和灰铸铁取s=0-5；精车时取s=0+5 ；有冲击载荷时s=-5-15 ；冲击特别大时s=-30-45 强力刨削时，取s=-10-25 车削淬硬钢时，取s=-5-12 工艺系统刚性不足时，尽量不用负刃倾角。微量精车、精镗、精刨

28、时，取45-75。金刚石和立方氮化硼车刀，取0-5ArA 向f0000rrs正前角平面型 用于精加工、成形车刀、铣刀和加工脆性材料的刀具。正前角平面带倒棱型 用于粗切削铸、锻件或断续表面的加工。正前角曲面带倒棱型 常用于粗加工或精加工塑性材料的刀具上。负前角单面型 用于切削高硬度(强度)材料和淬火钢材料，但是负前角会增大切削力和增大功力消耗。负前角双面型 当磨损同时发生在前、后面上时，制成双面型负前角，可使刀片的重磨次数增多。P145图图2.34双重后面 保证刃口强度，减少刃磨后面的工作量，图2.35a消振棱 增加接触面积，增加阻尼，消除振动，图2.35b刃带 后角为0的小棱边，图2.35c，稳定、导向和消振主切削刃与副切利刃之间一条过渡刃，调节主、副偏角直线刃 图2.36a，粗车或强力车车刀圆弧刀 图2.36b，减小表面粗糙度值，提高刀具耐用度，增大背向力fp，易引起振动，水平修光刃 图2.36c，工艺系统刚度好，大进给小粗糙度大圆弧刃 图2.36d，宽刃精车刀、宽刃精刨刀、浮动镗刀 充分利用刀具的切削性能和机床性能，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低