切削过程的基本规律-成都电子机械高等专科学校

2.2切削过程的基本规律2.2.1切削力1.切削力分析及切削功率

（1）切削力的产生

①、切削力的概念：刀具在切削过程中克服加工阻力所需的力。②、切削力的产生A、克服被加工材料对弹性变形的抗力B、克服被加工材料对塑性变形的抗力C、克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面间的摩擦力。切削力的产生

（2）切削合力及分力Fr

＝FD＝合力Fr

＝Ff——进给力FP——背向力Fc——切削力FD为总合力在切削层尺寸平面上的投影切削合力及分解（3）切削功率概念：切削过程中所消耗的功率称为切削功率Pc。背向力FP在力的方向无位移，不做功，因此切削功率为进给力Ff与切削力Fc所做的功。根据功率公式切削功率：

Pc

＝（Fcυc＋Ffnf/1000）×10-3KW式中，Fc切削力（N），υc切削速度（m/min），Ff进给力（N），n工件转速（r/s），f进给量（㎜）由于Ff消耗功率一般小于1％～2％，可以忽略不计，因此功率公式可简化为：

Pc

＝Fcυc×10-3KW２.切削力的计算：（1）指数公式指数公式应用较广，它的形式如下：上式中，C、C、C

为被加工金属的切削条件系数，

K、K、K

为当加工条件与经验公式条件不同时的修正系数。

（2）单位切削力公式①概念：单位切削力指单位切削面积上的切削力。公式：Kc==（N/㎜2）式中，Fc切削力（N），AD切削面积（㎜2），ap背吃刀量(㎜)，f进给量（㎜/r）。Kc可以查表。

３.影响切削力的因素（1）工件材料（2）切削用量①、背吃刀量ap与进给量f影响②、切削速度（3）刀具几何参数①、刀具前角②、刀具主偏角κr和刀尖圆弧半径③、刀具刃倾角λs

（4）刀具材料与切削液（1）工件材料一般材料的强度愈高，硬度越大，加工硬化性越强，塑性变形越大，加工此材料所需的切削力也越大。有多种因素影响时，综合考虑。如奥氏体不锈钢，虽然强度、硬度低，但加工硬化能力大，因此切削力也较大。铜、铝塑性变形大，但加工硬化小，切削力较低。（2）切削用量背吃刀量ap与进给量f影响因为切削面积AD＝apf，所以背吃刀量ap与进给量f的增大都将增大切削面积。切削面积的增大将使变形力和摩擦力增大，切削力也将增大，但两者对切削力影响不同。由于进给量

f的增大会减小切削层的变形，所以背吃刀量ap对切削力的影响比进给量f大。在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施。积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削力减小。在积屑瘤消失阶段，切削力逐渐增大，积屑瘤消失时，切削力Fc达到最大，以后又开始减小。（与对变形系数的影响一样，都有马鞍形变化。）切削速度对切削力的影响（3）刀具具几何参数数前角γO：对切削力力影响最大大。切削力力随着前角角的增大而减小小。这是因为为前角的增增大，切削削变形与摩摩擦力减小小，切削力力相应减小小。刀具主偏角角κr：对切削力Fc的影响不大大，κr＝60o～75o时，Fc最小，因此此，主偏角角κr＝75o的车刀在生生产中应用用较多。背向力Fp随主偏角κr的增大而减减小。进给力Ff随主偏角κr的增大而增增大。刀尖圆弧半径增大，切削变形形增大，切削力也增增大。相当于κr减小对切削削力影响。。（4）刀具具材料与切切削液刀具材料影影响到它与与被加工材材料摩擦力力的变化，，因此影响响切削力的的变化。同同样的切削削条件，陶瓷刀切削削力最小，，硬质合金金次之，高高速钢刀具具切削力最最大。切削液的正确确应用，可以以降低摩擦力力，减小切削削力。１.切削热的的产生与传导导切削热产生的的原因:①、在金属切切削过程中，，切削层发生生弹性与塑性性变形②、切屑、工工件与刀具的的摩擦也产生生了大量的热热量。切削热产生的的区域：①、剪切面，，②、切屑与刀刀具前刀面的的接触区，③、刀具后刀刀面与工件过过渡表面接触触区。2.2.2切切削热与切切削温度金属切削层的的塑性变形产产生的热量最最大，即主要要在剪切面区区产生。切削热量的近近似计算公式式：Q＝Fcυc（J/s）实实际上是切切削力所做的的功。其中：切削力力Fc（N），切削削主运动速度度υc（m/s）。。切削产生的热热量在各种介介质中传送的的比例切削产生的热热量主要由切切屑、刀具、、工件和周围围介质（空气气或切削液））传出，如不不考虑切削液液，则各种介介质的比例参参考如下：（1）车削加加工切屑，50％％～86％；刀具，10％～40％％；工件，3％～9％；；空气，1％％。切削速度度越高，切削削厚度越大，，切屑传出的的热量越多。。（2）钻削加加工切屑屑，28％；；刀具，14.5％；工件，52.5％；空气5％。切削温度的分分布（1）切削最最高温度并不不在刀刃，而而是离刀刃有一定定距离。对于45钢钢，约在离刀刀刃1㎜处前前刀面的温度度最高。（2）后刀面面温度的分布布与前刀面类类似，最高温度也在在切削刃附近近，不过比前刀面的温温度低。（3）终剪切切面后，沿切切屑流出的垂垂直方向温度度变化较大，越靠近刀面面，温度越高高，这说明切屑在在刀面附近被被摩擦升温，而且切屑在在前刀面的摩摩擦热集中在在切屑底层。。（1）切削用用量经验公式：高速钢刀具具(加工材料料45钢)：：θ＝140～170afv硬质合金刀具具(加工材料料45钢)：：θ＝320afv切削用量三要要素υc、ap、f中，切削速度υc对温度的影响最显著，因为指数最大，切削速度增增加一倍，温温度约增加32％；其次是进给量量f，进给量增加加一倍，温度度约升高18％，背吃刀量ap影响最小，约7％。主要的原因是是速度增加，使摩擦热增多；f增加，切削变形减小小，切屑带走的热量也增多，所以以热量增加不不多；背吃刀量ap的增加，使切削宽度度增加，显著著增加热量的的散热面积。影响切削温度度的因素（2）刀具的的几何参数前角γo：前角γo增大，切削温温度降低。因因前角增大时时，单位切削削力下降，切切削热减少。。主偏角κr：主偏角κr减小，切削宽宽度bD增大，切削厚厚度减小，因因此切削温度度也下降。（3）工件材材料P54材料的强度与硬度增增大时，单位切削削力增大，因因此切削热增增多，切削温温度升高。导热系数影响响材料的传热热，因此导热热系数大，产生的切削削温度低。例如，低碳钢钢，强度与硬硬度较低，导导热系数大，，产生的切削削温度低。不锈钢与45钢相比，导导热系数小，，因此切削温温度比45钢钢高。（4）切削液液切削液对切削削温度的影响响，与切削液液的导热性能能、比热、流流量、浇注方方式以及本身身的温度都有有很大关系。。切削液的导热热性越好，温温度越低，则则切削温度也也越低。从导热性能方方面来看，水水基切削液优优于乳化液，，乳化液优于于油类切削液液。2.2.3刀刀具磨损与与耐用度1.刀具的磨磨损形式（1）前刀面面磨损①、特点：在前刀面上离离切削刃小段段距离有一月月牙洼，随着着磨损的加剧剧，主要是月月牙洼逐渐加加深，洼宽变变化并不是很很大。磨损程程度用洼深KT表示。（2）后刀面面磨损①、特点：在刀具后刀面面上出现与加加工表面基本本平行的磨损损带。②、C、B、N三三个区C区是刀尖区区，由于散热热差，强度低低，磨损严重重，最大值VC；B区处于磨损损带中间，磨磨损均匀，最最大磨损量VBmax；；N区处于切削削刃与待加工工表面的相交交处，磨损严严重，磨损量量以VN表示示，此区域的的磨损也叫边边界磨损，加工铸件、锻锻件等外皮粗粗糙的工件时时，N区区区域容易磨损损。（3）破损刀具破损比例例较高，硬质质合金刀具有有50％～60％是破损损。特别是用用脆性大的刀刀具连续切削削或加工高硬硬度材料时，，破损较严重重。它又分为为以下几种形形式：①、崩刃特点是在切削削刃产生小的的缺口，尺寸寸与进给量相相当。硬质合合金刀具连续续切削时容易易产生。②、剥落特点是前后刀刀面上平行于于切削刃剥落落一层碎片，，常与切削刃刃一起剥落。。陶瓷刀具端端铣常发生剥剥落，另外硬硬质合金刀具具连续切削也也发生。③、裂纹特点是垂直或或倾斜于切削削刃有热裂纹纹。由于长时时间连续切削削，刀具疲劳劳而引起。④、塑性破损特点是刀刃发发生塌陷。是是由于切削时时高温高压作作用引起的。。2.刀具具的磨损原因因：（1）硬质点点磨损（2）粘结磨磨损（3）扩散磨磨损（4）氧化磨磨损（5）相变磨磨损（1）硬质点点磨损因为工件材料料中含有一些些碳化物、氮氮化物、积屑屑瘤残留物等等硬质点杂质质，在金属加加工过程中，，会将刀具表表面划伤，造造成机械磨损损。低速刀具具磨损的主要要原因是硬质质点磨损。（2）粘结磨磨损加工过程中，，切屑与刀具具接触面在一一定的温度与压力下，产生塑性性变形而发生生冷焊现象后后，刀具表面粘结结点被切屑带带走而发生的磨损损。一般，具具有较大的抗抗剪和抗拉强强度的刀具抗抗粘结磨损能能力强，如高高速钢刀具具具有较强的抗抗粘结磨损能能力。（3）扩散磨磨损由于切削时高温作用，刀具与工件件材料中的合金元素相互互扩散，而造成刀具具磨损。硬质质合金刀具和和金刚石刀具具切削钢件温温度较高时，，常发生扩散散磨损。金刚刚石刀具不宜宜加工钢铁材材料。一般在在刀具表层涂涂覆TiC、、TiN、Al2O3等，能有效提提高抗扩散磨磨损能力。（4）氧化磨磨损硬质合金刀具具切削温度达达到700o～800o时，刀具中一一些C、CO、TiC等等被空气氧化化，在刀具表表层形成一层层硬度较低的的氧化膜，当当氧化膜磨损损掉后在刀具具表面形成氧氧化磨损。（5）相变磨磨损在切削的高温温下，刀具金金相组织发生生改变，引起起硬度降低造造成的磨损。。总的来说，刀具磨损可可能是其中的的一种或几种种。对一定的的刀具和工件件材料，起主主导作用的是是切削温度。。在低温区，一般般以硬质点磨磨损为主；在在高温区以粘粘结磨损、扩扩散磨损、氧氧化磨损等为为主。积屑瘤对金属属切削过程产产生的影响问问题？（1）实际刀刀具前角如何何变化？（2）实际切切削厚度如何何变化？（3）加工后后表面粗糙度度如何变化？？（4）切削刀刀具的耐用度度如何变化？？（1）实际刀刀具前角增大大刀具前角γo指前刀面与基基面之间的夹夹角，其概念念将在后节详详细论述。如如图所示，由由于积屑瘤的的粘附，刀具具前角增大了了一个γb角度，如把切切屑瘤看成是是刀具一部分分的话，无疑疑实际刀具前前角增大,现现为γo＋γb。刀具前角增大大可减小切削削力，对切削削过程有积极极的作用。而而且，切削瘤瘤的高度Hb越大，实际刀刀具前角也越越大，切削更更容易。（2）实际切切削厚度增大大由图2-9可可以看出，当当切削瘤存在在时，实际的的金属切削层层厚度比无切切削瘤时增加加了一个△hD，显然，这对对工件切削尺尺寸的控制是是不利的。值值得注意的是是，这个厚度度△hD的增加并不是是固定的，因为切削瘤瘤在不停变化化，它是一个个产生，长大大，最后脱落落的周期性变变化过程，这这样可能在加加工中产生振动。（3）加工后后表面粗糙度度增大积屑瘤的变化化不但是整体体，而且积屑屑瘤本身也有有一个变化过过程。积屑瘤的底部部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定定，经常会破破裂，然后再形成成。破裂的一部分随切切屑排除，另一部分留在在加工表面上上，使加工表面变变得非常粗糙。可以看出，，如果想提高高表面加工质质量，必须控控制积屑瘤的的发生。（4）切削刀刀具的耐用度度降低从积屑瘤在刀刀具上的粘附附来看，积屑屑瘤应该对刀刀具有保护作作用，它代替替刀具切削，，减少了刀具磨磨损。积屑瘤的粘附附是不稳定的的，它会周期期性的从刀具具上脱落，当当它脱落时，，可能使刀具表面金属属剥落，从而使刀具磨损加加大。对于硬质合合金刀具这一一点表现尤为为明显。课堂问题避免积屑瘤的的发生的措施施？避免积屑瘤的的发生的措施施P45①、首先从加加工前的热处处理工艺阶段段解决。通过过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。②、调整刀具角度，增大前角，从而减小切屑屑对刀具前刀刀面的压力。。③、调低切削速度，使切削层与刀刀具前刀面接接触面温度降低，避避免粘结现象象的发生。或采用较高的切削速速度，增加切削温度度，因为温度高到一定定程度，积屑瘤也不会会发生。⑤、更换切削液，采用润滑性性能更好的切切削液，减少少切削摩擦。。影响切削变形形的因素问题题？1．随着工件件材料强度的的增大，切屑屑的变形如何何变化？2．当刀具前角γO增大时，金属属切屑的变形形趋势？刀尖圆弧半径越大，表面的切削变变形是增大还还是减小？3．随切削速速度变化的材材料变形系数数曲线是一直递减的吗？为什么么？4．在无积屑屑瘤段，进给量f越大，材料料的变形系数数ξ如何变化？1．工件材料料通过试验，可可以发现工件件材料强度和和切屑变形有有密切的关系系。从图可以看出出，随着工件材料料强度的增大大，切屑的变变形越来越小小。图2-10材材料强度度对变形系数数的影响2．刀具几何何参数由图2-7可以看到，当当刀具前角γO增大时，沿刀面流出的的金属切削层层将比较平缓缓的流出，金属切屑的变变形也会变小小。刀尖圆弧半径径对切削变形形也有影响，，刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越越钝，对加工工表面挤压也也越大，表面的切削变变形也越大。3、切削速度度由图2-11可以看出，，随切削速度度变化的材料料变形系数曲曲线并不是一直递递减，而是在某一一段有一个波波峰，这实际际是积屑瘤产产生的影响。。所以切削速速度对材料变变形的影响分分为两个段，，一个是积屑屑瘤这一段，，另一个是无无积屑瘤段。。积屑瘤段情况况切削速度对切切屑变形的影影响主要是通通过积屑瘤对对切屑变形的的影响来实现现的。在积屑瘤增长阶段，积屑瘤瘤随着切削速速度的增大而而增大，积屑屑瘤越大，实际刀具前角角也越大，切屑的变形相相对减少，所以在此阶阶段，切削速速度增加时，，材料变形系系数ξ也减少。随着速度的增增加，积屑瘤瘤增大到一定定程度又会消消退，在消退阶段，积积屑瘤随着切切削速度的增增加而减小，，同时，实际刀具前角角也减小，材材料的变形将将增大，在积屑瘤完全全消退时，材材料变形将最最大。在无积屑瘤段段材料变形系数数是随着切削速度的增加而减小小。主要是因为塑性变形的传传播速度比弹弹性变形的慢慢，速度低时，，金属始剪切切面为OA，，当速度增大大到一定值时时，金属流动动速度大于塑塑性变形速度度，在OA面金属属并未充分变变形，相当于于始剪切面后后移至OA`面（见图2-12），终剪切面OM也后移至OM`，第一变形区后后移，使得材料变形系数数减小。另外，速度越大，摩摩擦系数减小小，材料变形形系数也会减减小。4．进给量如图2-11所示，显示示了进给量对对切屑变形的的影响。在无无积屑瘤段，，进给量f越大，材料料的变形系数数ξ越小。课堂问题三个方向的分分力Ff—进给力、FP—背向力、Fc—切削力中，，哪个方向分分力不做功？？为什么？背向力FP在力的方向无无位移，不做功，因此切削功功率为进给力力Ff与切削力Fc所做的功。影响切削力的的因素问题？？1、一般材料料的强度愈高，硬度越大，加工硬化性越强，塑性性变形越大，，加工此材料料所需的切削力也越大大还是越小？？2、在生产中中，如机床消耗功率率相等，为提高生产产效率，一般般采用提高背吃刀量量而不是进给量的措施施，对吗？为什什么？3、切削速度度如何影响切切削力的影响响？（1）工件材材料一般材料的强度愈高，硬度越大，加工硬化性越强，塑性性变形越大，，加工此材料料所需的切削力也越大大。（2）切削用用量背吃刀量ap与进给量f影响因为切削面积积AD＝apf，所以背吃刀刀量ap与进给量f的增大都将增增大切削面积积。切削面积的增增大将使变形力和和摩擦力增大大，切削力也将增增大，但两者对切切削力影响不不同。由于进给量f的增大会会减小切削层层的变形，所以背吃刀量ap对切削力的影影响比进给量量f大。在生产中，如如机床消耗功率率相等，为提高生产产效率，一般般采用提高进给量而而不是背吃刀量的措措施。积屑瘤产生阶阶段，由于刀刀具实际前角角增大，切削削力减小。在积屑瘤消失失阶段，切削削力逐渐增大大，积屑瘤消失时时，切削力Fc达到最大，以以后又开始减减小。（与对变形系系数的影响一一样，都有马马鞍形变化。。）切削速度对切切削力的影响响4、切削力随随着前角的增大如何变化化？为什么？？5、刀具主偏偏角κr：背向力Fp随主偏角κr的增大如何变变化？进给力Ff随主偏角κr的增大如何变变化？6、刀尖圆弧弧半径增大，切削力如何变化？7、同样的切切削条件，陶瓷刀切削力力、硬质合金金、高速钢刀刀具切削力中中哪个力？哪哪个力小？（3）刀具几几何参数前角γO：对切削力影影响最大。切切削力随着前前角的增大而减小。这是因为前前角的增大，，切削变形与与摩擦力减小小，切削力相相应减小。刀具主偏角κr：对切削力Fc的影响不大，，κr＝60o～75o时，Fc最小，因此，，主偏角κr＝75o的车刀在生产产中应用较多多。背向力Fp随主偏角κr的增大而减小小。进给力Ff随主偏角κr的增大而增大大。刀尖圆弧半径增大，切削变形增增大，切削力也增大大。相当于κr减小对切削力力影响。（4）刀具材材料刀具材料影响响到它与被加加工材料摩擦擦力的变化，，因此影响切切削力的变化化。同样的切切削条件，陶瓷刀切削力力最小，硬质质合金次之，，高速钢刀具具切削力最大大。1、切削速度度υc、进给量f、背吃刀量ap哪一个对温度度的影响最显著？？说明原因？？2、前角γo对切削温度的的影响？3、主偏角κr对切削温度的的影响？4、材料的强度与硬度增增大时，切削温度度升高还是降降低？5、从导热性性能方面来看看，水基切削削液优于乳化化液，油类切切削液优于乳乳化液。对吗吗？为什么？？（1）切削用用量经验公式：高速钢刀具具(加工材料料45钢)：：θ＝140～170afv硬质合金刀具具(加工材料料45钢)：：θ＝320afv切削用量三要要素υc、ap、f中，切削速度υc对温度的影响最显著，因为指数最大，切削速度增增加一倍，温温度约增加32％；其次是进给量量f，进给量增加加一倍，温度度约升高18％，背吃刀量ap影响最小，约7％。主要的原因是是速度增加，使摩擦热增多；f增加，切削变形减小小，切屑带走的热量也增多，所以以热量增加不不多；背吃刀量ap的增加，使切削宽度度增加，显著著增加热量的的散热面积。影响切削温度度的因素（2）刀具的的几何参数前角γo：前角γo增大，切削温温度降低。因因前角增大时时，单位切削削力下降，切切削热减少。。主偏角κr：主偏角κr减小，切削宽宽度bD增大，切削厚厚度减小，因因此切削温度度也下降。（3）工件材材料材料的强度与硬度增增大时，单位切削削力增大，因因此切削热增增多，切削温温度升高。导热系数影响响材料的传热热，因此导热热系数大，产生的切削削温度低。（4）切削液液从导热性能方方面来看，水水基切削液优优于乳化液，，乳化液优于于油类切削液液。切削液的导热热性越好，温温度越低，则则切削温度也也越低。2.刀具具的磨损原因因：（1）硬质点点磨损（2）粘结磨磨损（3）扩散磨磨损（4）氧化磨磨损（5）相变磨磨损问题？在低温区，一般般以哪些磨损损为主？在高高温区又以哪哪些磨损等为为主？总的来说，刀具磨损可可能是其中的的一种或几种种。对一定的的刀具和工件件材料，起主主导作用的是是切削温度。。在低温区，一般般以硬质点磨磨损为主；在在高温区以粘粘结磨损、扩扩散磨损、氧氧化磨损等为为主。3．刀具破损损原因：在断续切削条条件下，由于于强烈的机械与热冲击击，超过刀具材材料强度，引引起刀具破损损断续切削时，，在交变机械载荷荷作用下，降低低了刀具材料料的疲劳强度度，容易引起起机械裂纹而而破损。由于切削与空切的变化，刀具具表面温度发发生周期性变变化，容易产产生热裂纹，，又在机械力力的混和作用用下，发生破破损。采取措施：提高韧性、使使抗弯强度提提高等，防止止刀具破损。。4.刀具具磨钝标准及及耐用度（1）刀具磨磨钝标准磨钝标准概念：刀具磨损到一一定程度，将将不能使用的的限度，国国际标准中规规定以1/2背吃刀量处处后刀面上测测量的磨损带带宽VB作为为刀具磨钝标准准。实际生产中，，考虑到不影影响