第二章金属切削过程的物理现象电子教案

第二章金属切削(qiēxiāo)过程中的物理现象第一节切削变形与切屑的形成(xíngchéng)第二节切削力和切削功率第三节切削热和切削温度第四节刀具磨损和刀具寿命第一页，共68页。第一节切削变形(biànxíng)和切屑的形成一、切削(qiēxiāo)的形成金属切削过程就是工件(gōngjiàn)的被切金属层在刀具前刀面的推挤下，沿着剪切面（滑移面）产生剪切变形并转变为切屑的过程。即是金属内部不断滑移变形的过程。

简言之，被切削的金属层在前刀面的挤压作用下，通过剪切滑移变形便形成了切削。第二页，共68页。第三页，共68页。金属(jīnshǔ)切削过程中的三个变形区第Ⅰ变形(biànxíng)区近切削刃处切削层内产生的塑性变形(biànxíng)区；第Ⅱ变形(biànxíng)区与前刀面接触的切屑层内产生的变形(biànxíng)区；第Ⅲ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）第四页，共68页。1、第一(dìyī)变形区（剪切滑移(huáyí)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。

左图是取金属内部质点P来分析滑移过程第五页，共68页。2、第二(dìèr)变形区该区域内金属变形特点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(jīběn)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(jǐyā)摩擦区）3、第三变形区（挤压摩擦回弹区）

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。第六页，共68页。二、切屑(qiēxiè)的形态1.切屑(qiēxiè)形成过程切削(qiēxiāo)层的金属弹性变形塑性变形挤裂切离切屑切削层的金属受到刀具前刀面的推挤后产生弹性变形随着切应力、切应变逐渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而滑移刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续增大，当切应力达到其断裂强度时，金属材料被挤裂沿刀具前刀面流出第七页，共68页。由于加工(jiāgōng)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↑γ0↑v↓ac

↓γ0

↓v

↑ac↓γ0

↓v

↑ac↑γ0↑v↓ac

2、切屑(qiēxiè)的形态切脆性材料(cáiliào)不平稳，表面粗糙应↑γ0↑v↓ac第八页，共68页。2）挤裂切屑（节状切屑）：它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削(qiēxiāo)速度较低、切削(qiēxiāo)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(qiēxiāo)厚度较小、切削(qiēxiāo)速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。

切屑(qiēxiè)的类型第九页，共68页。4）崩碎切屑：加工脆性材料（铸铁、青铜(qīngtóng)），切削厚度越大越易得到这类切屑。3）粒状切屑（单元切屑）：在切屑形成(xíngchéng)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(xíngchéng)粒状切屑。第十页，共68页。3.金属(jīnshǔ)切削层的变形系数第十一页，共68页。注：(1)切屑的形态可随切削(qiēxiāo)条件不同而改变；(2)可控制切削条件，使切屑形态(xíngtài)向有利于生产的方面转化，保证切削加工的顺利进行和工件的加工质量。增大(zēnɡdà)前角提高切削速度减小进给量有利于使粒状切屑、节状切屑向带状切屑转化使切削过程平稳降低加工表面粗造度数值第十二页，共68页。切屑(qiēxiè)的形状切屑(qiēxiè)形状的分类切屑的形状(xíngzhuàn)大体有带状屑、C型屑、崩碎屑、螺卷屑、长紧卷屑、发条状屑、宝塔状屑等第十三页，共68页。第十四页，共68页。

三、积屑瘤现象(xiànxiàng)1．积屑瘤的形成(xíngchéng)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(tuōluò)。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。第十五页，共68页。有利(yǒulì)方面保护(bǎohù)刀具增大(zēnɡdà)工作前角积屑瘤硬度很高可代替切削刃进行切屑，减少刀具的磨损积屑瘤的存在，使刀具的实际工作前角增大可减小切削变形和切削力，使切削轻快2.积屑瘤对切削加工的影响第十六页，共68页。不利(bùlì)方面影响工件尺寸(chǐcun)精度影响(yǐngxiǎng)工件表面粗造度积屑瘤破裂后会划伤表面，加快刀具磨损会形成硬点和毛刺，使工件表面粗造度值增大积屑瘤时大时小，时有时无，使切削力产生波动而引起振动积屑瘤的顶端突出于切削刃之外，使实际的切削深度不断变化第十七页，共68页。积屑瘤高度(gāodù)及其实际工作前角第十八页，共68页。3.积屑瘤的成因：1）工件材料的塑性主要是加工硬化的缘故(yuángù)，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。第十九页，共68页。2）切削(qiēxiāo)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(xuēruò)作用，因而积屑瘤也不易产生。对于碳钢，300ºC～350ºC范围(fànwéi)内最容易产生积屑瘤，500ºC以上趋于消失。第二十页，共68页。3）积屑瘤与切削速度的关系(guānxì)Ⅰ区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有(méiyǒu)积屑瘤生成。Ⅱ区：形成带状切屑，冷焊条件逐渐(zhújiàn)形成，随着切削速度的提高积屑瘤也增大。Ⅲ区：积屑瘤随切削速度的提高而减小，当达到Ⅲ区右边界时，积屑瘤消失。Ⅳ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。第二十一页，共68页。4）刀具(dāojù)的前角因为积屑瘤是在带状切屑(qiēxiè)的前提下形成的。然而前角越大越容易形成带状切屑(qiēxiè)，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。第二十二页，共68页。4.积屑瘤的控制(kòngzhì)影响(yǐngxiǎng)积屑瘤的因素工件(gōngjiàn)材料切削用量刀具角度切削液等控制措施要避免在中温、中速加工塑性材料.增大前角可减小切削变形，降低切削温度，减小积屑瘤的高度.采用润滑性能优良的切削液可减少甚至消除积屑瘤.加工塑性大的工件时，可先进行正火或调质，以降低其塑性，提高强度和硬度.第二十三页，共68页。知识(zhīshi)回顾：1.金属切削过程的三个变形区？2.切屑类型、利弊？3.积屑瘤对切削加工的影响(yǐngxiǎng)、成因、控制措施？第二十四页，共68页。第二节切削(qiēxiāo)力和切削(qiēxiāo)功率一、概念(gàiniàn)切削(qiēxiāo)加工时刀具使切削(qiēxiāo)层形成切削(qiēxiāo)需要克服的阻力称为切削(qiēxiāo)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。◆是计算切削功率、设计和选用机床刀具夹具的必要依据。第二十五页，共68页。二、切削力的产生(chǎnshēng)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、来自切屑的切削力：切屑对刀具(dāojù)前刀面的摩擦力和加工表面对刀具(dāojù)后刀面的摩擦力。第二十六页，共68页。１．切削力的构成与分解刀具切削工件时，必须克服材料的变形抗力(kànɡlì)、刀具与工件及切屑之间的摩擦力，这些力的合力就构成了作用在刀具上的总切削力F。

三．切削力的分解(fēnjiě)和切削功率第二十七页，共68页。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(jìnɡxiànɡ)重合，因此又称径向(jìnɡxiànɡ)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。

第二十八页，共68页。Fp=FNcosKr;Ff=FNsinkr一般情况(qíngkuàng)下，Fc最大，Fp和Ff小一些第二十九页，共68页。2.切削力的实验公式(gōngshì)——车外圆时主切削力Fc的计算（1）指数(zhǐshù)公式公式中的各项系数(xìshù)与刀具的几何参数、材料及工件的材料有关。第三十页，共68页。（2）单位切削力公式生产中还常用切削层单位面积(miànjī)切削力kc的大小来估算切削力Fc的大小。

Fc＝kcAD＝kcbDhD≈kcapf(N)

kc——切削层单位面积(miànjī)切削力，MPa(N/m㎡)；AD、bD、hD——切层削参数，第三十一页，共68页。3.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(lüèqù)不计，只计算主运动消耗的功率：Pm≈Pc＝FcVc/1000（kW）

式中：Fc——切削力，（N）；Vc——切削速度，（m/s）

机床电动机的功率(gōnglǜ)P的计算式如下：P≥Pm/η（Kw）式中：η——机床传动效率，一般取0.75～0.85。第三十二页，共68页。四、影响(yǐngxiǎng)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(dāojù)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(tánxìng)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。第三十三页，共68页。1.工件(gōngjiàn)材料的影响工件材料的硬度或强度(qiángdù)愈高，材料的剪切屈服强度(qiángdù)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(qiángdù)、硬度相近的情况下，材料的塑性越大。韧性越大，则切削力越大。◆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(cuìxìng)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。第三十四页，共68页。2.切削(qiēxiāo)用量的影响（1）切削(qiēxiāo)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(zēnɡdà)一倍，FC也增大(zēnɡdà)一倍；而f增大(zēnɡdà)一倍，FC只能增大(zēnɡdà)68%～86％。由此可见，从减小切削力和节省(jiéshěng)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。第三十五页，共68页。（2）切削速度的影响(yǐngxiǎng)切削(qiēxiāo)塑性材料时切削塑性材料，切削速度的影响分为(fēnwéi)两个阶段：有积屑瘤和无积屑瘤两个阶段。第三十六页，共68页。切削速度是通过(tōngguò)影响切削变形程度来影响切削力，切削变形大，则切削力大。切削铸铁等脆性材料(cáiliào)时，被切材料(cáiliào)的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。υc对切削力没有显著影响。第三十七页，共68页。3.刀具几何参数(cānshù)的影响1）前角ro对切削力的影响(yǐngxiǎng);↑刀刃锋利↑↓前角go切削变形切削力对塑性材料对脆性(cuìxìng)材料影响较小第三十八页，共68页。前角对切削力的影响(yǐngxiǎng)ap

=

4

mmf

=

0.25

mm

/

r第三十九页，共68页。2）主偏角kr对切削力的影响(yǐngxiǎng)第四十页，共68页。（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(hòudù)ac越大，因此切削力越小。第四十一页，共68页。切削脆性(cuìxìng)材料时，切削力始终随着Kr的增加而减小。第四十二页，共68页。4、其它因素的影响1）刀具磨损(mósǔn)越大，将增加切削力；2）使用切削液，将减小切削力。第四十三页，共68页。五.切削力的经验公式[计算举例]：用YT5硬质合金车刀(chēdāo)外圆纵车σb

=

630

MPa的热轧45钢，车刀(chēdāo)几何参数为ro=10°、kr

=

75°、rs=

–5°，切削用量为ap

=

2mm、f

=

0.3mm/r、vc

=

100

m

/

min。试计算切削力Fc、Fp、Ff及切削功率Pc。第四十四页，共68页。

[解]：

查表2-1得：CFC=2795xFC=1.0yFC=0.75zFC=-0.15

第四十五页，共68页。第三节切屑热和切削(qiēxiāo)温度一、切削(qiēxiāo)热的产生与传导切削热产生(chǎnshēng)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(chǎnshēng)的摩擦热。切削过程中消耗的功将绝大部分（约99%）转换为热量，即切削热。

切削热Q≈Fzvc第四十六页，共68页。切削热传出：(1)通过工件传出Qg，使工件温度升高(2)通过切屑(qiēxiè)传出Qx，使切屑(qiēxiè)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，50～86％由切屑带走，10～40％传入刀具，3～9％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(shāoshāng)工具表面。Q=Qg+Qx+Qd+Qj第四十七页，共68页。两个(liǎnɡɡè)方面：切削热的产生与传出二、影响(yǐngxiǎng)切削温度的因素切削(qiēxiāo)温度----指切削(qiēxiāo)区的平均温度。第四十八页，共68页。（一）切削用量的影响(yǐngxiǎng)（1）切削速度的影响1）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。2）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(chǎnshēng)的热量减少，故切削温度与切削速度不成正比例关系。二、影响切削(qiēxiāo)温度的因素第四十九页，共68页。(2)进给量的影响(yǐngxiǎng)（1）f↑,金属切除率增多，切削温度升高，（2）f↑，切屑的平均变形减小，因此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。（3）f↑，切削厚度增加(zēngjiā)，切屑的热容量也增大，由切屑带走的热量增加(zēngjiā)。（4）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(xiǎnzhù)，当进给量增大一倍时，切削温度约升高10％。第五十页，共68页。(3)切削(qiēxiāo)深度的影响（1）ap↑,切削层金属(jīnshǔ)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(zēngjiā)时，切削温度的升高并不明显。第五十一页，共68页。由上图可以看出，切削用量↑时切削温度↑，其中(qízhōng)v对切削温度的影响最大，进给量f的影响比v小，背吃刀量ap的影响最小。因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件(línɡjiàn)加工工艺规程时，确定切削用量的原则。第五十二页，共68页。（二）刀具几何参数的影响1.前角γ0的影响γ0↑→变形程度↓→F↓→q↓但γ0＞18°～20°时，因散热体积↓，q随前角的增大而上升(shàngshēng)。故前角不宜过大。2.主偏角κr的影响κr↑，切削刃的工作长度↓，且刀尖角减小，使散热面积↓→q↑反之(fǎnzhī)，减小主偏角，对降低切削温度和提高刀具耐用度是有利的。第五十三页，共68页。（三）刀具磨损(mósǔn)的影响刀具磨损(mósǔn)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(mósǔn)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(mósǔn)对Q影响越显著。（四）切削液的影响(yǐngxiǎng)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五十四页，共68页。（五）工件材料(cáiliào)的影响（1）硬度和强度的影响(yǐngxiǎng)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。（2）导热系数(xìshù)的影响工件材料导热系数(xìshù)越低，切削区热量的传出越少，切削温度就越高。（3）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。第五十五页，共68页。

三.降低(jiàngdī)切削温度的措施(1)选择合理(hélǐ)的几何角度和切削用量(2)切削(qiēxiāo)时使用切削(qiēxiāo)液影响因素：切削用量、工件材料、刀具材料及几何参数等。第五十六页，共68页。刀具失效形式：磨损（正常工作时逐渐产生的损耗(sǔnhào)）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(fāshēng)的剧烈摩擦而引起的。第四节刀具(dāojù)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。第五十七页，共68页。（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(shíjì)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(qiánhòu)刀面同时磨损这是一种兼有前两种磨损形式。切削塑性(sùxìng)金属时，经常会发生这种磨损。第五十八页，共68页。1.初期磨损阶段在这一阶段，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(biǎoshì)磨损强度。3.急剧磨损(mósǔn)阶段在进入这一阶段时，刀具的磨损(mósǔn)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(mósǔn)扩展极其迅速，刀具的切削能力很快就会完全丧失。二、刀具(dāojù)磨损过程第五十九页，共68页。（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(zàochénɡ)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(cáiliào)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(mósǔn)原因第六十页，共68页。（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(hùxiāng)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(kōngqì)中的氧、切削液中的硫、氯起化学作用，生成硬度较低的化合物，造成刀具磨损。

（五）相变磨损用工具钢切削时，当切削温度超过相变温度时，刀具材料中的金相组织发生变化，硬度(yìngdù)明显下降而引起的磨损。第六十一页，共68页。