金属切削过程中的物理现象

1、金属切削过程中的物理现象第1页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四第2页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四金属切削过程中的三个变形区第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区； 第变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区； 第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区 （后刀面与工件的接触区域）第3页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四1、第一变形区（剪切滑移区）切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑，下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。 切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃

2、出的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时金属晶格产生滑移。左图是取金属内部质点P来分析滑移 过程。第4页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四2、第二变形区 经过第一变形区后，形成的切屑沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑的挤压与摩擦。因此，在该区域内金属变形特点就是切屑在前刀面上发生的摩擦挤压变形，这个变形主要集中在与前刀面接触的切屑底部一薄层金属内，这部分金属的晶粒在沿前刀面的方向被拉长，成纤维化，基本与前刀面平行。另外，由于切屑层底层受前刀面的挤压而膨胀，使切屑背向前刀面卷曲，最后在某一点开始与前刀面脱离接触。（挤压摩擦区）3、第三变形区（挤压摩擦回弹区）

3、 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成纤维化和加工硬化及残余应力，严重的甚至出现细微的裂纹。第5页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四二、积屑瘤1积屑瘤的现象积屑瘤：切削塑性金属时，在一定的切削条件下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊并层积在前刀面上，形成一个非常坚硬的金属堆积物，能够代替刀刃进行切削，并且以一定频率生长和脱落。这种堆积物称为积屑瘤。 当切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下生成积屑瘤。第6页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 积屑瘤高度及其实际工作前角第7页，共56页，2

4、022年，5月20日，13点17分，星期四2.积屑瘤的成因：1）工件材料的塑性 主要是加工硬化的缘故，塑性材料切削时形成带状切削，加工硬化现象较强，容易产生积屑瘤；而脆性材料切削时形成崩脆切削，且加工硬化现象很弱，不易产生积屑瘤。第8页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四2）切削温度 切削温度也是形成积屑瘤的重要条件。切削温度过低，粘结现象不易发生；切削温 度过高，加工硬化现象有削弱作用，因而积屑瘤也不易产生。 对于碳钢，300C 350C范围内最容易产生积屑瘤， 500C以上趋于消失。第9页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四3）积屑瘤与切削速度的关系

5、区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成。区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐形成，随着切削速度的提高积屑瘤也增大。区：积屑瘤随切削速度的提高而减小，当达到区右边界时，积屑瘤消失。区：切削速度进一步提高，由于切削温度较高而冷焊消失，此 时积屑瘤不再存在了。但切屑底部的纤维化依然存在，切屑的滞留倾向也依然存在。第10页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四4）刀具的前角 因为积屑瘤是在带状切屑的前提下形成的。然而前角越大越容易形成带状切屑，前角越小容易形成崩脆切削，所以积屑瘤的形成与刀具的前角有着紧密的联系。第11页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四

6、3.积屑瘤对切削过程的影响：1)积屑瘤包围着切削刃，可以代替前面、后面和切削刃进行切削，从而保护了刀刃，减少了刀具的磨损。2)积屑瘤使刀具的实际工作前角增大，而且，积屑瘤越高，实际工作前角越大，刀具越锋利。3)积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。4)积屑瘤直接影响工件加工表面的形状精度和表面粗糙度。第12页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四三、残余应力和加工硬化 在金属切削过程中，因刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，使已加工表面层的塑性变形非常强烈，晶格破坏，表层硬度提高，这种现象称为加工硬化。 工件表面硬化可提高耐磨性。但加工硬化常伴有裂纹产生，降低零件的抗冲击

7、性能。 刀具和工件表面的激烈挤压和摩擦，以及切削热的作用，使已加工表面上常有残余应力存在。第13页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四四、脆性材料的切削机理 脆性被切削材料在外力作用下，先形成裂纹。裂纹尖端附近应力强度达到其临界值时，裂纹就会发生失稳扩展，导致被切削材料的断裂。第14页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四五、 切屑力1.概念 切削加工时刀具使切削层形成切削需要克服的阻力称为切削力。切削力影响刀具的磨损和使用寿命。切削力影响加工精度。 工艺系统的弹性变形，所作的功转化工艺系统的热变形。是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。第15

8、页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四2.切屑力的来源（1）来自工件的切削力：工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。（2）来自切屑的切屑力：切屑对刀具前刀面的摩擦力和加工表面对刀具后刀面的摩擦力。第16页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四3.总切削力的几何分力 Fp=FNcosKr; Ff =FNsinkr一般情况下，Fc最大，Fp和Ff小一些第17页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四主切削力Fc：切削合力F在主运动方向的分力，又称切向分力。它与切削速度方向一致，在切削过程中做功最多，占总切削功率的90%以上。Fc是

9、计算机床动力、设备的强度及刚度的基本数据。 进给抗力Ff：切削合力F在进给运动方向的合力，车外圆时，Ff与工件的轴线相平行，因此又称轴向分力。Ff作用在机床的进给机构上，它是设计进给机构必须的数据。 切深抗力Fp:切削合力F在切削深度方向的分力。车外圆时，Fp与工件的径向重合，因此又称径向分力。Fp作用在机床及工件刚性最差的方向，容易引起切削振动和工件的弯曲变形，影响加工精度及工件表面质量。 第18页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四4.切削功率：是指切削时在切削区域内消耗的功率，通常进给消耗的功率略去不计，只计算主运动消耗的功率：式中 Fz主切削力（N） v主运动切削速

10、度（m/min）机床电动机所需功率PE:式中 机床传动效率。第19页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四5.影响切削力的因素 影响切屑力的主要因素有：工件材料、切削用量、刀具几何参数、其它因素。 总切削力的来源有两个方面： 一是克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力； 二是克服切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件表面对刀具后面的摩擦阻力。第20页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（1）工件材料的影响 工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。 在材料的强度、硬度相近的情况下，材料的塑性越大。韧性越大，则切

11、削力越大。塑性大的材料在切削过程中将产生较大的塑性变形和加 工硬化，且切削与前刀面的接触时间长，故切削力较大；韧性大的材料，使之发生变形或破坏需消耗较多的能量，故切削力较大。 切削脆性材料时，一般皆为崩脆切削，从而切削与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。 第21页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（2）切削用量的影响1)切削深度和进给量的影响切削深度ap进给量fAD变形抗力摩擦力切削力 ap增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC只能增大68%86。 由此可见，从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利。第2

12、2页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四2)切削速度的影响切削塑性材料时切削塑性材料，切削速度的影响分为两个阶段：有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。第23页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 切削速度是通过影响切削变形程度来影响切削力，切削变形大，则切削力大。 第24页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。c对切削力没有显著影响。 第25页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四3)刀具几何参数的影响 前角ro对切削力的影响; 刀刃锋利前角go切削变形切削

13、力对塑性材料对脆性材料影响较小第26页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四前角对切削力的影响ap=4mm f=0.25mm/r第27页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四主偏角kr 对切削力的影响第28页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（a）当 时，主切削力 F随着Kr增加而减小 。 （b）当 时，kr大时，主切削力 F随着Kr增加而增大 。 Kr越大，切削宽度aw越小，切削厚度ac越大，因此切削力越小。第29页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 切削脆性材料时，切削力始终随着Kr的增加而减小。第30页，共5

14、6页，2022年，5月20日，13点17分，星期四4）其它因素的影响1）刀具磨损越大，将增加切削力；2）使用切削液，将减小切削力。 第31页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四六、 切屑热和切削温度1、切削热的产生与传导 切削热产生于三个变形区，切削热来源于两个方面： 一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能量； 二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。 切削过程中消耗的功将绝大部分转化成（约 99%）转换为热量，即切削热。 切削热 QFzvc 第32页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四切削热传出： (1)通过工件传出Qg，使工件温度升高 (2

15、)通过切屑传出Qx，使切屑温度升高 (3)通过刀具传出Qd，使刀具温度升高 (4)通过周围介质传出Qj对车、铣、刨削加工，5086由切屑带走，1040传入刀具，39传入工件，1传入空气 ;钻削时，28由切屑带走，15左右传给工件，50左右传给刀具，其余由周围介质带走; 磨削时，大部分热量传给工件（84）,传给砂轮12，而极小比例的热量传给磨屑，因此会使工件温升很高，甚至烧伤工具表面。Q=Qg+Qx+Qd+Qj第33页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四2.切削温度对切削加工过程的影响 切削温度的升高对去切削加工过程的影响主要有以下几个方面：（1）对工件材料物理性能的影响。（

16、2）对道具材料的影响。（3）对工件尺寸精度的影响。（4）利用切削温度自动控制切削用量。第34页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四3.切削温度的测定方法 切削温度的测定方法很多，有热电偶法、热辐射法、远红外法、热敏涂色发等等。但是目前最常用的是：测量方法它包括自然热电偶法和人工热电偶法。自然热电偶法：是利用工件材料和刀具材料化学成分的不同而构成热电偶的两极，并分别连接测量仪表，组成测量电路，刀具切削工件的切削区域产生高温形成热端，刀具与工件为热电偶冷端，冷、热端之间热电势由仪表测定。人工热电偶法：是将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热电偶的热端焊接在刀具或工件需要测定温

17、度的指定点上，冷端通过导线串联在电位差计或毫伏表上。第35页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（1）切削用量的影响 切削速度的影响 a. V ，摩擦热来不及传导，而是大量集聚在切屑底层，从而使切削温度升高。 b. V ，金属切除率成正比例地增加，所消耗的机械功增大，所以切削热也会增大。而V ，材料的剪切变形减小，因此单位体积的切削中由塑性变形所产生的热量减少，故切削温度与切削速度不成正比例关系。4、影响切削温度的因素 第36页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四进给量的影响a. f ,金属切除率增多，切削温度升高， b. f ，切屑的平均变形减小，因此

18、切除单元体积切削的变形功有所减少，从而使热量又有所减小。 c. f ，切削厚度增加，切屑的热容量也增大，由切屑带走的热量增加。d. f ，由于切屑与前刀面的接触区长度增长，改善了散热条件。 故切削区的平均温度上升的不显著，当进给量增大一倍时，切削温度约升高10。第37页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四切削深度的影响（1）ap ,切削层金属的变形功与摩擦功都成正比的增加，切削热也会成正比的增加；（2）ap ，切削刃参加工作长度也成正比地增长，从而改善了散热条件。 故切削深度对切削温度地影响很小，当切削深度增加时，切削温度的升高并不明显。第38页，共56页，2022年，5月

19、20日，13点17分，星期四（2）工件材料的影响硬度和强度的影响 工件材料的硬度、强度越高，切削时所消耗的功越多，产生的切削热也越多，切削温度就越高。导热系数的影响 工件材料导热系数越低，切削区热量的传出越少，切削温度就越高。抗拉强度和延伸率的影响 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，切削呈崩脆切削，与前刀面的摩擦也很小，所以产生的切削力较小，切削温度一般比切削钢料时低。第39页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（3）刀具几何参数的影响 前角0 的影响 0 变形程度F q 但0 1820时，因散热体积，q 随前角的增大而上升。故前角不宜过大。

20、 主偏角r的影响 r ，切削刃的工作长度 ，且刀尖角减小，使散热面积q 反之，减小主偏角，对降低切削温度和提高刀具耐用度是有利的。第40页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 由于加工材料性质的不同以及切削条件的不同，从变形观点出发，可将切屑归纳为四种形态：切塑性材料 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 切削平稳，力波动小 滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大 加工面光洁，断屑难 剪应力达断裂强度 加工表面粗糙 少见0vac 0 v ac0 v ac0vac 二、切屑的形态切脆性材料 不平稳，表面粗糙 应0vac第41页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四2

21、、挤裂切屑：又称节状切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。 1、带状切屑：它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。 （一）、切屑的类型第42页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四4、崩碎切屑：加工脆性材料（铸铁、青铜），切削厚度越大越易得到这类切屑。 3、粒状切屑：又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。 第43页，共56页，2022年，5月20日，13点

22、17分，星期四（二）、切屑的形状1、切屑形状的分类切屑的形状大体有带状屑、C型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等第44页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四五. 切削力的经验公式计算举例： 用YT5硬质合金车刀外圆纵车b=630MPa的热轧45钢，车刀几何参数为ro =10、kr =75、rs =5，切削用量为ap=2mm、f=0.3mm/r、vc=100m/min。 试计算切削力Fc、Fp、Ff 及切削功率Pc 。第45页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 解： 查表2-1得： CFC=2795 xFC =1.0 yFC =0.75

23、zFC =-0.15 第46页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（三）刀具磨损的影响 刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区的塑性变形增加； 同时磨损后的刀具后角基本为零，与工件的摩擦增大，两者均使切削热增多。刀具磨损对Q影响越显著。（四）切削液的影响 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第47页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四刀具失效形式：磨损 （正常工作时逐渐产生的损耗） 破损 （突发的破坏，随机的）（一）前刀面磨损 切塑性材料，v 和ac（0.1mm)较大时，在前

24、刀面上形成月牙洼磨损，以最大深度KT 表示。这是由于切削塑性材料时产生的连续切削与前刀面发生的剧烈摩擦而引起的。第四节 刀具磨损及耐用度一、刀具磨损形式切屑脆性材料时，前刀面不形成月牙洼。第48页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（二）后刀面磨损 切削脆性材料或v 和ap（ 0.1mm)较小切塑性 材料时，主要发生这种磨损。使实际的切削刃有一定的圆弧和塌刃，因此形成显著的负后角部分，与已加工表面有剧烈的摩擦。（三）前后刀面同时磨损 这是一种兼有前两种磨损形式。切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。第49页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四 1. 初期磨

25、损阶段 在这一阶段，刀具磨削很快。 2. 正常磨损阶段 在这一阶段，刀具磨削较慢，VB与切削时间近似正比，斜率表示磨损强度。 3. 急剧磨损阶段 在进入这一阶段时，刀具的磨损量速度突然加快，刀具已经钝化。此时若继续切削，则切削力、温度急升，刀具磨损扩展极其迅速，刀具的切削能力很快就会完全丧失。 二、刀具磨损过程第50页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（一）磨料磨损 切屑或工件表面上的硬质点（碳化物、氧化物等）对 刀具表面刻划作用造成的机械磨损。 低速切削时，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。（二）粘结磨损 刀具与切屑、工件间存在高温高压和强烈摩擦，达到原 子间结合而产生粘结现象，又称为冷焊。相对运动使粘 接点破裂而被工件材料带走，造成粘结磨损。 中速切削形成不稳定积屑瘤时，磨损严重；刀具刃磨质量差，磨损严重。三、刀具磨损原因第51页，共56页，2022年，5月20日，13点17分，星期四（三）扩散磨损 刀具与切屑、工件接触处由于高温作用，双方化学元素 在固态下互相扩散，使刀材成分、结构改变造成磨损。 切削温度越高扩散越快；加工材料亲合力越大扩散越快； 高速切削时扩散磨损是刀具磨损的主要原因。（四）化学磨损 一定温度下，刀具材料材与空气中的氧、切削液中