第一章切削加工成形概述1

1第一章切削加工成形概述本章要点切削运动切削要素金属切削过程切削表面质量切削工艺过程21.1切削加工的基础知识1.切削加工的分类机械加工钳工加工切削加工磨削加工车削、钻削、镗削、铣削、刨削磨削、珩磨、研磨、超精加工划线、锯削、錾削、锉削、研磨、钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、套螺纹、机械装配、设备修理切削加工是指利用刀具、或磨具，通过切削运动，去除工件表面多余材料，加工出形状、尺寸和表面质量符合图纸要求零件的一种成形工艺。31.1切削加工的基础知识1.切削加工的特点切削加工的适应性强，切削加工零件的材料、形状、尺寸和质量的范围较大。切削加工的精度和表面粗糙度的范围广。切削加工的效率较高，在常规条件下，切削加工的生产率一般高于其它加工方法。切削加工必须以硬切软，同时在切削过程中存在较大的切削力和切削热。41.1切削加工的基础知识1.切削加工的发展趋势加工设备朝着数控技术、精密与超精密、高速和超高速方向发展。刀具材料朝着超硬材料发展。生产方式从单品种大批量向多品种变批量的方向发展。51.1切削加工的基础知识1.切削加工的阶段粗加工半精加工精加工61.1切削加工的基础知识1.切削加工阶段划分的优点有利于保证零件的加工质量。粗加工后零件的变形和加工误差可以通过后续的半精加工和精加工消除和修复，有利于保证零件最终的加工质量。可避免精加工和光整加工后的表面由于零件周转过程中可能出现的碰、划伤现象。有利于合理使用设备。划分加工阶段后，就可以充分发挥机床的优势。便于及时发现毛坯的缺陷。先安排零件的粗加工，可及时发现零件毛料的各种缺陷，采取补救措施，同时可以及时报废无法挽救的毛料避免浪费时间。便于热处理工序的安排。对于有高强度和硬度要求的零件，必须在加工工序之间插入必要的热处理工序。71.1切削加工的基础知识1.切削运动

机械零件的形状很多，它们的表面都是由圆柱面、圆锥面、平面和各种成形面组成。各种形状的表面是以直线（或曲线）为母线，以曲线（或直线）为运动轨迹所形成的面（见下图）。圆柱面圆锥面平面成形面1成形面281.1切削加工的基础知识1.切削运动切削运动主运动进给运动主运动是切下金属层所必须的最基本的运动。是切削运动中速度最高，消耗功率最多的运动。对于各种加工方法而言，主运动只有一个。进给运动是使工件上的金属不断投入切削，从而加工出完整工件表面的运动，又称走刀运动。91.1切削加工的基础知识1.切削运动101.1切削加工的基础知识1.切削运动几点说明：

1）主运动通常只有一个，进给运动可以是多个；

2）主运动和进给运动可有刀具单独实现，但工件单独实现很困难；

3）切削运动一般都是简单的运动；

4）主运动和进给运动可同时也可交替进行；

5）一般主运动速度比较高，大部分切削功率消耗于主运动。111.1切削加工的基础知识1.切削要素切削要素是指切削表面、切削用量和切削层参数切削用量是切削速度、进给量及背吃刀量的总称。121.1切削加工的基础知识1.切削要素切削表面待加工表面—需要切去金属的表面。已加工表面—切削后得到的表面。过渡表面—正在被切削的表面。过渡表面亦称为切削表面或加工表面。131.1切削加工的基础知识1.切削要素切削用量切削用量是指切削速度vc

、进给量

f（或进给速度vf

）、背吃刀量ap

三者的总称，也称为切削用量三要素。141.1切削加工的基础知识切削速度151.1切削加工的基础知识进给量161.1切削加工的基础知识背吃刀量171.1切削加工的基础知识1.切削要素切削层参数（1）切削层公称厚度hD（mm）（2）切削层公称宽度bD（mm）（3）切削层公称横截面积AD181.1切削加工的基础知识切削层公称厚度hD切削层公称厚度hD是指相邻两个过渡表面间的距离。191.1切削加工的基础知识切削层公称宽度bD切削层公称厚度bD是沿过渡表面测量的切削层尺寸。201.1切削加工的基础知识切削层公称横截面积AD切削层公称横截面积AD是指在给定瞬间，切削层在切削层平面内的实际截面积（mm2）。AD=hDbD=fap211.2金属切削过程及其物理现象1.切屑的形成过程切屑的形成与切削变形金属切削过程简单地说，就是被切削层金属在刀具的偏挤压作用下产生变形并与工件本体分离形成切削和已加工表面的过程。在切削过程中伴有多种物理现象的产生，如切削力、切削热、积屑流、表面变形硬化和残余应力等。221.2金属切削过程及其物理现象1.切屑的形成过程切屑的形成与切削变形图切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：τ=τsΦ剪切角231.2金属切削过程及其物理现象1.切屑的形成过程三个变形区第Ⅰ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此区域。第Ⅱ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Ⅲ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。241.2金属切削过程及其物理现象第Ⅰ变形区：从OA线（始滑移线）金属开始发生剪切变形，到OM线（终滑移线）金属晶粒剪切滑移基本结束，AOM区域叫第一变形区。是切屑变形的基本区，其特征是晶粒的剪切滑移，伴随产生加工硬化。第一变形区是金属切削变形过程中最大的变形区，在这个区域内，金属将产生大量的切削热，并消耗大部分功率。此区域较窄，宽度仅0.02～0.2㎜

。251.2金属切削过程及其物理现象第Ⅱ变形区：刀屑接触区切屑沿前刀面流出时受到挤压和摩擦，使靠近前刀面的晶粒进一步剪切滑移。特征是晶粒剪切滑移剧烈呈纤维化，纤维化方向平行前刀面，有时有滞流层。切屑与前刀面的压力很大，高达2～3GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。261.2金属切削过程及其物理现象粘结现象时的摩擦状况271.2金属切削过程及其物理现象第Ⅲ变形区：刀工接触区。已加工表面受到刀具刃口钝圆和后刀面挤压和摩擦，晶粒进一步剪切滑移。有时也呈纤维化，其方向平行已加工表面，也产生加工硬化和回弹现象。三个变形区汇集在切削刃附近，应力集中而又复杂。三个变形区内的变形又相互影响。281.2金属切削过程及其物理现象切屑经过刀刃钝圆B点后，受到后刀面BC段的挤压和摩擦，经过BC段后，这部分金属开始弹性恢复，恢复高度为△h，在恢复过程中又与后刀面CD部分产生摩擦，这部分切削层在OB，BC，CD段的挤压和摩擦后，形成了已加工表面的加工质量。所以说第三变形区对工件加工表面质量产生很大影响。291.2金属切削过程及其物理现象1.切屑的形成过程切屑的种类带状挤裂单元崩碎由于不同工件材料和切削条件，切屑形态不同，常见的切屑有四种类型。前三种为切削塑性材料的切屑，最后一种为切削脆性材料的切屑。301.2金属切削过程及其物理现象(a)Continuouschipwithnarrow,straightprimaryshearzone;(b)secondaryshearzoneatthechiptoolinterface;(c)continuouschipwithlargeprimaryshearzone;(d)continuouschipwithbuilt-upedge;(e)segmentedornonhomogeneouschipand(f)discontinuouschip.311.2金属切削过程及其物理现象带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑图切屑形态照片321.2金属切削过程及其物理现象1、带状切屑最常见。内侧表面光滑，外侧表面呈毛茸状，用显微镜观察可见到有均匀整齐的剪切裂纹。被切材料在经过终滑移线时剪应力未超过材料的破裂强度通常加工塑性金属材料，切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时得到。切削力波动很小，切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。331.2金属切削过程及其物理现象2、挤裂切屑外侧面呈锯齿状，内侧面有时有裂纹加工塑性金属材料，切削厚度较大，切削速度较低，刀具前角较小时得到。加工硬化较大，在局部剪应力超过破裂强度。切削力波动较大，切削过程产生一定的振动，已加工表面较粗糙。

341.2金属切削过程及其物理现象3、单元切屑在挤裂切屑的基础上切削厚度增大，切削速度、前角减小，挤裂切屑的整个剪切面上的应力都超过了材料的破裂强度。使剪切裂纹进一步扩展而断裂成单元体。生产中很少见到。351.2金属切削过程及其物理现象可见：从带状挤裂单元切屑的变化：切削厚度由小到大，切削速度和刀具前角由大到小。表面粗糙度随切屑从单元向挤裂和带状形态的转变而逐步降低。掌握其变化规律，就可改变切屑形态以达控制切屑（卷屑、断屑）和改善已加工表面质量的目的。361.2金属切削过程及其物理现象4、崩碎切屑切削脆性金属材料如灰铸铁时得到的。产生原因：材料受到拉应力已超过其抗拉强度。切削力波动甚大，有冲击负荷，已加工表面凹凸不平。改变切削条件，如大前角，大刃倾角，小切削厚度，高切削速度，可得到针状切屑或松散的带状切屑。此时切削过程平稳，已加工表面粗糙度较小。

371.2金属切削过程及其物理现象形成条件影响名称简图形态变形带状，底面光滑，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表

切屑类型及形成条件381.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象切削力切削力

切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力。

切削力来源★

3个变形区产生的弹、塑性变形抗力。即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。★

切屑、工件与刀具间摩擦力。即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之间的摩擦力。391.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象切削力切削合力

Ff=FDsinκγ

Fp=FDcosκγ切削分力主切削力Fc

切于过渡表面并与基面垂直

(切削力或切向力)进给抗力Ff

处于基面内并与工件轴线平行

(进给力或轴向力)切深抗力Fp

处于基面内并与工件轴线垂直

(背向力、径向力、吃刀力)

401.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象切削力的影响因素

切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素。411.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象切削力的指数公式

式中:

Fc、Fp、Ff:分别为主切削力、切深抗力、进给抗力；

CFc,CFp,CFf

:决定于被加工材料和切削条件的有关系数；

xFc、yFc、nFc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFf:分别为三个分力公式中，背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数；

KFc,KFp,KFf:考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。影响最大的是背吃刀量ap，其次是进给量f，再次为切削速度vc。在切削过程中，尽量减小切削力。421.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象单位切削力切除单位切削层面积的主切削力通过实验求得p后，则可通过上式求得主切削力Fc。431.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象切削热切削热产生于三个变形区，切削过程中消耗的能量约98%转换为热能。切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质向外传出。441.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象切削热1.剪切区等温线与滑移线相近OM线温度比OA线上温度高剪切滑移相等的地方温度相等，剪切变形是切削热的第一来源。2.前后刀面最高温度点不在刀刃上切屑上最高温度比剪切区温度高切屑底层温度比上层温度高。摩擦是切削热的又一来源。451.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象积屑瘤定义：461.2金属切削过程及其物理现象1.切屑过程中的物理现象积屑瘤形成