第二章机械加工及设备的基础理论

第三节金属切削过程金属切削过程就是经过刀具把被切金属层变为切屑的过程。金属的切削过程，本质上是工件切削层在刀具的挤压下，产生剪切滑移为主的塑性变形，而构成切屑的过程。挤压、滑移、挤裂、切离第三节金属切削过程金属切削过程中的滑移线和流线第三节金属切削过程一、切屑的构成过程及变形区的划分第一变形区金属的滑移OA面--“始滑移面〞切削层中点POM--“终滑移面一、切屑的构成过程及变形区第三节金属切削过程三个变形区、剪切角平面OM表示第一变形区〔Ⅰ〕第二变形区〔II〕第三变形区〔Ⅲ〕第三节金属切削过程三个变形区阐明第三节金属切削过程二、变形系数切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数ξh〔切屑厚度紧缩比Ah〕；切削长度与切屑长度之比称为长度变形系数ξl，变形系数直观地反映了切屑的变形程度，且容易丈量。第三节金属切削过程厚度变形系数长度变形系数第三节金属切削过程对于同一种工件资料，假设在不同的切削条件下进展切削，变形系数越大，那么阐明切削中的塑性变形越大，切削力和切削热相应添加，动力耗费上升，加工质量下降。有效控制变形系数，有利于提高工件的加工质量。第三节金属切削过程切屑类型a)带状切屑b)节状切屑c)单元切屑d)崩碎切屑三、切屑类型第三节金属切削过程带状切屑采用较高的切削速度、较小的切削厚度和前角较大的刀具，切削塑性较好的金属资料时，易构成带状切屑。构成带状切屑时，切削力的动摇小，切削过程比较平稳，已加工外表粗糙度较小，但这种切屑容易缠绕在刀具或工件上，损伤已加工外表，或危害操作者平安，应采取适当的断屑措施。节状切屑采用较低的切削速度、较大的切削厚度和前角较小的刀具，切削中等硬度的塑性资料时，易构成节状切屑。构成节状切屑时，金属的塑性变形和切削抗力较大，切削力的动摇也比较大，切削过程不平稳，已加工外表也比较粗糙。第三节金属切削过程单元切屑切削塑性资料时，切削层金属在塑性变形过程中，剪切面上产生的剪应力超越资料的强度极限，切屑沿剪切面完全断开，构成外形类似，而又相互分别的屑块。采用极低的切削速度，大的切削厚度，小的前角，切削塑性较差的资料时，易构成单元切屑。构成单元切屑时，切削力动摇很大，有振动，已加工外表粗糙，且有振纹。崩碎切屑切削脆性资料时，由于资料的塑性小，抗拉强度低，切削层金属在产生弹性变形后，几乎不产生塑性变形而忽然崩裂，构成外形极不规那么的碎块。构成崩碎切屑时，切削力幅度小，但动摇很大，伴有振动和冲击，使已加工外表凸凹不平。第三节金属切削过程〔一〕积屑瘤的产生在切削塑性金属资料时，经常在前刀面上靠刃口处沾结一小块很硬的金属楔块〔如图3-6〕，这个金属楔块称积屑瘤。四、积屑瘤积屑瘤第三节金属切削过程〔二〕积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削加工的影响①对切削力的影响②对已加工外表粗糙度的影响③对刀具强度的影响积屑瘤与切削刃的金相显微照片第三节金属切削过程积屑瘤包围着切削刃，可以替代前面、后面和切削刃进展切削，从而维护了刀刃，减少了刀具的磨损。积屑瘤使刀具的实践任务前角增大，而且，积屑瘤越高，实践任务前角越大，刀具越锋利。积屑瘤前端伸出切削刃外，直接影响加工尺寸精度。积屑瘤直接影响工件加工外表的外形精度和外表粗糙度。第三节金属切削过程〔1〕积屑瘤积屑瘤对切削过程的影响有其有利的一面，也有其不利的一面。粗加工时，可允许积屑瘤的产生，以增大实践前角，使切削轻快；精加工时，那么应尽量防止产生积屑瘤，以确保加工质量。第三节金属切削过程

〔2〕积屑瘤的成因1〕工件资料的塑性；2〕切削速度；3〕刀具前角；4〕冷却光滑条件。切削速度对积屑瘤的影响第三节金属切削过程〔三〕控制积屑瘤产生的措施〔1〕防止容易产生积屑瘤的切削速度范围〔2〕降低资料塑性〔3〕合理运用切削液〔4〕增大刀具前角第三节金属切削过程第四节切削力、切削热与切削温度切削力决议着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工外表质量。切削力又是计算切削功率，设计和运用机床、刀具、夹具的必要根据。切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和运用寿命切削热影响工件的加工精度和外表质量。第四节切削力、切削热与切削温度一、切削力的来源、合力及其分力第四节切削力、切削热与切削温度切削力的来源一是切削层金属、切屑和工件外表层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件外表间的摩擦阻力。第四节切削力、切削热与切削温度切削力〔1〕总切削力的分解1〕切削力Fc

2〕背向力Fp

3〕进给力Ff

第四节切削力、切削热与切削温度第四节切削力、切削热与切削温度

第四节切削力、切削热与切削温度

单位：kwFc——切削力，单位：N；vc——切削速度，单位：m/min。第四节切削力、切削热与切削温度〔2〕切削功率〔2〕切削功率

单位：kwm

——机床传动效率，普通，取m

=

0.75～0.85。机床电机所需功率第四节切削力、切削热与切削温度单位切削力是指单位面积上的主切削力，用KC表示〔单位N/mm2〕。KC=FC/AD式中AD——切削层公称横截面积〔mm2〕AD=ap•.f；Fc——主切削力〔N〕。计算主切削力：FC=KC•AD=KC•ap•.f第四节切削力、切削热与切削温度

切削力第四节切削力、切削热与切削温度2.切削力的阅历公式切削力背向力进给力切削时耗费的功率第四节切削力、切削热与切削温度[计算举例]：工件资料：40Cr热轧棒料；HBS=212刀具构造：机夹可转位车刀刀片资料及型号：YT15；TNMA150605刀具几何参数：γ0=15º，κr=90º，λS=-5º，br=0.4mm，γ01=-10º〔负倒棱的前角〕，rε=0.5mm机床型号：CA6140车床切削用量：ap=3mm，f=0.4mm/r，vc=100m/min[试求]切削力Fc、Fp、Ff和切削功率Pc第四节切削力、切削热与切削温度[查表2-6至表2-15得以下数据：Cfc=1640N，xfc=1，yFc=0.84，kvFc=0.96，krfc=1，kvfc=1，kbrFc=1.1，KκFc=1.05，Fp/Fc=0.3，Ff/Fc=0.4，KrFc=1，KλFc=1，KVBFc=1.2〔取VB=0.6mm〕，Kc=1962N/mm2。

第四节切削力、切削热与切削温度[解]：1．主切削力Fc

第四节切削力、切削热与切削温度2．背向力Fp与进给力Ff〔估算法〕3．切削功率Pc机床耗费功率：取机床传动效率ηm=0.8，而CA6140车床电机功率为7.5kW，功率足够。第四节切削力、切削热与切削温度第四节切削力、切削热与切削温度二、切削力3.影响切削力的要素总切削力的来源有两个方面：一是抑制被加工资料对弹性变形和塑性变形的抗力；二是抑制切屑对刀具前面的摩擦阻力和工件外表对刀具后面的摩擦阻力。

第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素1〕工件资料的性能对切削力有显著的影响。工件资料的硬度或强度愈高，资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。第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素2〕切削用量对切削力的影响。a〕背吃刀量asp和进给量f对切削力的影响;背吃刀量asp进给量fAD↑↑↑↑变形抗力摩擦力切削力↑第四节切削力、切削热与切削温度二、切削力规范切削实验：刀具资料P10，工件资料45钢σb

=

650

Mpa，车刀几何参数为go=10°、kr

=

45°、ls=0°。

即，ap增大一倍，FC也增大一倍；而f增大一倍，FC只能增大68%～80％。第四节切削力、切削热与切削温度

由此可见，从减小切削力和节省动力耗费的观念出发，在切除一样余量的条件下，增大f比增大asp更为有利。第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素2〕切削用量对切削力的影响。b〕切削速度Vc对切削力的影响;切削塑性资料时第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素3〕刀具几何参数对切削力的影响。a〕前角go对切削力的影响;↑刀刃锋利↑↓前角go变形抗力切削力↓第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素3〕刀具几何参数对切削力的影响。a〕前角go对切削力的影响;图3-25前角对切削力的影响asp

=

4

mmf

=

0.25

mm

/

r第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素3〕刀具几何参数对切削力的影响。b〕主偏角kr对切削力的影响;

第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素3〕刀具几何参数对切削力的影响。c〕刃倾角ls对切削力的影响;ls↑↓背前角gp↑侧前角gfFp↓Ff↑第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素3〕刀具几何参数对切削力的影响。d〕刀尖圆弧半径re对切削力的影响;第四节切削力、切削热与切削温度3.影响切削力的要素3〕刀具几何参数对切削力的影响。e〕运用切削液对切削力的影响。第四节切削力、切削热与切削温度五、影响切削力的要素⑴工件资料的影响⑵切削用量的影响①背吃刀量和进给量的影响②切削速度的影响⑶刀具几何参数的影响①前角的影响②负倒棱的影响③主偏角的影响④刃倾角的影响第四节切削力、切削热与切削温度⑷刀具磨损的影响⑸切削液的影响⑹刀具资料的影响第四节切削力、切削热与切削温度切削热来源于切削层金属发生弹性、塑性变形所产生的热及切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦。切削热来源七、切削热的产生与传出第四节切削力、切削热与切削温度1.切削热的来源与传出式中Q——单位时间产生的热量，单位：J

/

s；Fc——切削力，单位：N；vc——切削速度单位：m

/

s。第四节切削力、切削热与切削温度切削热由切屑、工件、刀具及周围介质传导出去。影响散热的主要要素是：⑴工件资料的导热性能⑵刀具资料的导热性能⑶周围介质⑷切屑与刀具的接触时间第四节切削力、切削热与切削温度切削热由切屑、工件、刀具及周围的介质传导出去，热平衡式可写为：Q=Qe+Qt+Qw+Qm(2-33)式中Qe——单位时间内传给切屑的热量〔J/s〕；Qt——单位时间内传给刀具的热量〔J/s〕；Qw——单位时间内传给工件的热量〔J/s〕；Qm——单位时间内传给周围介质的热量〔J/s〕第四节切削力、切削热与切削温度三、切削热和切削温度不同切削速度下的热量传出比例第四节切削力、切削热与切削温度三、切削热和切削温度加工方法切屑工件刀具车削50~80%10~40%<5%铣削70%<30%5%钻、镗削30%>50%15%磨削4%>80%12%第四节切削力、切削热与切削温度三、切削热和切削温度3.影响切削温度的主要要素(1)工件资料工件资料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。工件资料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。

例如，合金构造钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又普通均低于45钢，所以切削合金构造钢的切削温度高于切削45钢的切削温度。第四节切削力、切削热与切削温度(2)切削用量在切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大。随着切削速度的提高，资料切除率随之成正比例的添加。但随着切削速度的提高，切屑变形相应减小，所以，切削功和切削热虽然有所增高，但不能够成正比例的增高，因此，切削温度也不会成正比例的增高。第四节切削力、切削热与切削温度(2)切削用量切削速度

第四节切削力、切削热与切削温度(2)切削用量进给量资料切除率Q

=

1000

vc

asp

f第四节切削力、切削热与切削温度切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀量最小。在选择切削用量时，应优先思索采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。切削用量选择原那么是从最低切削温度出发思索的，这也是制定零件加工工艺规程时，确定切削用量的原那么。第四节切削力、切削热与切削温度(3)刀具几何参数1〕前角2〕

主偏角

第四节切削力、切削热与切削温度第五节刀具的磨损与刀具运用寿命刀具磨损与刀具寿命刀具失效刀具磨损刀具破损第五节刀具的磨损与刀具运用寿命一、刀具磨损方式车刀典型磨损方式表示图第五节刀具的磨损与刀具运用寿命一、刀具磨损方式刀具磨损方式分为正常磨损和非正常磨损两大类。(1)正常磨损正常磨损是指在刀具设计与运用合理、制造与刃磨质量符合要求的情况下，刀具在切削过程中逐渐的磨损。①后刀面磨损②前刀面磨损③前后刀面同时磨损第五节刀具的磨损与刀具运用寿命一、刀具磨损的方式〔2〕非正常磨损非正常磨损是指刀具在切削过程中忽然或过早产生损坏景象。其中有：①破损在切削刃或刀面上产生裂纹、崩刃或碎裂。②卷刃切削时在高温作用下，使切削刃或刀面产生塌陷或隆起的塑性变形景象。第五节刀具的磨损与刀具运用寿命二、刀具磨损的缘由磨料磨损：也称机械磨损，由于切屑或工件的摩擦面上有一些微小的硬质点，能在刀具外表刻划出沟纹，这就是磨料磨损。粘结磨损：粘附是冷焊和熔焊的总称分散磨损：在高温下，刀具资料与工件资料的成份产生相互分散氧化磨损：当切削温度达700~800℃时，空气中的氧与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物〔如CoO、WO2、TiO2〕被切屑或工件摩擦掉而构成的磨损称氧化磨损。第五节刀具的磨损与刀具运用寿命磨粒磨损——各种切速下均存在——低速情况下刀具磨损的主要缘由粘结磨损〔冷焊〕——刀具资料与工件资料亲和力大——刀具资料与工件资料硬度比小——中等偏低切速粘结磨损加剧分散磨损——高温下发生氧化磨损——高温情况下，在切削刃任务边境发生二、刀具磨损的缘由第五节刀具的磨损与刀具运用寿命1．刀具的磨损过程⑴初期磨损⑵正常磨损⑶猛烈磨损典型的刀具磨损曲线三、刀具磨损过程及磨钝规范第五节刀具的磨损与刀具运用寿命2.刀具的磨钝规范刀具磨损到一定限制就不能再继续运用，这个磨损限制称为磨钝规范刀具的磨损量的大小直接影响切削力、切削热、切削温度及工件的加工质量。所以，一定的加工条件都对刀具的磨损量值做了相应的规定。以符号VB表示。第五节刀具的磨损与刀具运用寿命对于普通刀具，常以后面磨损带高度VB的允许极限值作为磨钝规范定尺寸刀具和自动化消费中的精加工刀具，常以径向磨损量NB的允许值作为磨钝规范。第五节刀具的磨损与刀具运用寿命刀具寿命〔耐用度〕概念刀具从切削开场至磨钝规范的切削时间，用T表示。刀具总寿命——一把新刀从投入切削开场至报废为止的总切削时间，其间包括多次重磨。〔3-14〕式中CT、m、n、p为与工件、刀具资料等有关的常数。刀具寿命〔耐用度〕阅历公式第五节刀具的磨损与刀具运用寿命〔3-15〕可见v的影响最显著；f次之；ap影响最小。用硬质合金刀具切削碳钢〔σb=0.763GPa〕时，有：第五节刀具的磨损与刀具运用寿命不同刀具资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〕1235681020304060800600500400300200100806050