机械制造技术基础第7讲

一、切屑的形成过程二、切削变形程度三、前刀面上的摩擦四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响第二节金属切削过程中的变形五、影响切削变形的因素1.工件材料实验结果表明，工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和前刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力

av增大，前刀面与切屑间的摩擦因数µ减小,摩擦角

减小，剪切角

增大，变形系数

h将随之减小。2.刀具前角

o

增大刀具前角

o

，剪切角

将随之增大，变形系数

h将随之减小；但

o增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力

av减小，使摩擦因数µ增大，摩擦角

增大将导致剪切角

减小。但由于后者影响较小，

h还是随

o的增加而减小。3.切削速度vc在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度vc越大，变形系数

h越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数

h下降；此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度

s因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数µ减小，使变形系数

h下降。4.切削层公称厚度hD在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削层公称厚度hD越大，变形系数

h越小。这是由于hD增大时，前刀面上的法向压力Fn及前刀面上的平均正应力

av随之增大，前刀面摩擦因数µ随之减小，剪切角

随之增大，所以

h随hD增大而减小。第三节切屑的类型及控制

一、切屑的类型由于工件材料以及切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而切削过程中产生的切屑形态是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种基本类型。（1）带状切屑这是最常见的一种切屑。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。形成带状切屑时，切削过程最平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小。图2-21带状切屑（2）节状切屑又称挤裂切屑。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。形成节状切屑时，切削过程不平稳，切削力有波动，已加工表面粗糙度较大。图2-21b）节状切屑（3）粒状切屑又称单元切屑。在以极低切削速度切削塑性材料时，若剪切面上的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。形成粒状切屑时，切削力波动大，已加工表面粗糙度高。图2-21c）节状切屑（4）崩碎切屑切削脆性金属时,由于材料塑性很小、抗拉强度较低,刀具切入后，切削层金属在刀具前刀面的推挤下，未经明显的塑性变形就在拉应力作用下脆断，形成形状不规则的崩碎切屑。加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。形成崩碎切屑时，切削力幅度小，但波动大，加工表面凸凹不平。图2-21d）崩碎切屑带状、节状和粒状切屑是加工塑性金属时常见的三种切屑类型，这三种切屑类型可以随切削条件变化而相互转化。例如，在形成节状切屑工况条件下，如进一步减小前角，或加大切削厚度，就有可能得到粒状切屑；反之，加大前角，减小切削厚度，就可得到带状切屑。

二、切屑类型控制在生产实践中，不良的排屑状态可能会划伤工件已加工表面或机床；或造成刀具的早期磨损，限制高效机床能力的发挥；甚至威胁着操作者的安全，影响生产的正常进行。因此必须控制切屑的类型和流向。进行切屑类型控制，是指在切削加工过程中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，使之形成可接受的良好屑形。图2-22切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况研究表明，工件材料脆性越大、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断图2-22所示为切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况。图2-23断屑槽截面形状可采取以下措施对切屑实施控制。（1）采用断屑槽断屑槽的尺寸参数应与切削用量的大小相适应，否则会影响断屑效果。折线形直线圆弧形全圆弧形图2-24前刀面上的断屑槽形状（2）改变刀具角度增大刀具主偏角或减小刀具前角，均有利于断屑。刃倾角可以控制切屑的流向。平行式外斜式内斜式（3）调整切削用量提高进给量使切削厚度增大，对断屑有利，但对加工表面质量不利；适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但会降低材料切除率。因此必须根据实际条件适当选择切削用量。第四节切削力

一、切削力与切削功率1.切削力切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。图2-25加工材料发生变形所需克服的力使被加工材料发生变形所需克服的力主要是：

1）切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件表面间的摩擦阻力。图2-25加工材料发生变形所需克服的力2.切削合力与分力图2-26所示为车削外圆时，如忽略副切削刃的切削作用及其它影响因素，作用在车刀上的合力应在其正交平面内。为便于测量和应用，可将作用在车刀切削部位上的合力分解为三个互相垂直的分力。图2-26切削合力和分力切削力Fc（主切削力、切向力）——垂直于基面，与切削速度的方向一致。图2-26切削合力和分力Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。背向力Fp（切深抗力、径向力）——平行于基面，并与进给方向相垂直。图2-26切削合力和分力Fp会使机床加工系统变形或引起振动，影响加工精度和已加工表面质量。进给力Ff（轴向力）——平行于基面，并与进给方向相平行。图2-26切削合力和分力

Ff是设计机床进给机构或校核其强度的主要依据。在上述三个分力中：Fc值最大，Fp≈(0.15~0.7)Fc

，Ff≈(0.1~0.6)Fc

。（2-15）3.切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用Pc（单位：kW）表示。在车削外圆时,Fp不作功,故切削功率应为Fc和Ff作功所消耗的功率之和。（2-16）一般切削功率可按下式计算即可。（2-17）根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率（

m=0.75~0.85）。故机床电动机的功率PE应为4.单位切削力的概念单位切削面积上的切削力（N/mm2）称为单位切削力，用kc表示：（2-18）（2-19）二、切削力经验计算公式1．切削力的测量目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。图2-27切削力测量系统2．切削力经验计算公式通过实际测量不同切削工况条件下的切削力，经数据处理，可求得以下切削力经验计算公式（2-20）式中—取决于被加工材料和切削条件的切削力系数；

—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；（2-20）

—实际加工条件与建立经验计算公式的试验条件不相符时，计算切削力的修正系数。试验条件对切削力影响的修正系数可查阅相关手册。（2-20）表2-3为在不同工况条件下进行车削试验经数据处理得到的上述有关系数和指数。三、影响切削力的因素1.工件材料的影响工件材料的强度、硬度越高，冲击韧性和塑性越大，则切削力越大。切削脆性材料时的切削力相对较小。工件材料的化学成分、热处理状态等都直接影响其物理力学性能，因而也影响着切削力。2.切削用量的影响（1）背吃刀量ap和进给量fap和f增大都会使Fc增大,但两者影响程度不同:①ap

增大使Fc增大，且呈正比；②f增大也会使Fc增大，但不呈正比。在切削层面积相同的条件下，采用大的进给量比采用大的背吃刀量的切削力要小。（2）切削速度切削塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内，随着vc的增大，切削力Fc减小。在产生积屑瘤的情况下，刀具的实际前角随积屑瘤的成长与脱落变化着。在积屑瘤增长期，vc增大，切削力下降；在积屑瘤消退期,vc增大,切削力上升。切削脆性材料时，对切削力没有显著影响。图2-28切削速度对切削力的影响3.刀具几何参数的影响（1）前角

o

o增大，

h减小，切削力下降。切削塑性材料时，

o对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小，

o对切削力的影响不显著。（2）主偏角

r

由图2-26可知，主偏角

r增大，背向力Fp减小，进给力Ff增大。（3）刃倾角

s

改变刃倾角

s将影响切屑在前刀面上的流动方向，从而使切削合力的方向发生变化。

s增大，Fp减小,Ff增大。

s在-45º~10º范围内变化时，Fc基本不变。（4）负倒棱为了提高刀尖部位强度、改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角的棱台，其宽度为

。当

＜lf时（lf为切屑与前刀面接触长度），切削力增加的幅度不大；当

＞lf时，相当于用负前角的车刀进行切削，与不设负倒棱相比，切削力将显著增大。图2-29负倒棱车刀4．刀具磨损后刀面磨损增大时，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。5．切削液使用以冷却为主的切削液（如水溶液）对切削力影响不大，使用润滑作用强的切削液（如切削油）可使切削力减小。6．刀具材料刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小，导致切削力变化。在其他切削条件完全相同的条件下，用陶瓷刀具切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用硬质合金刀具切削比用高速钢刀具切削的切削力小。第五节切削热和切削温度切削过程中产生的切削热和由它产生的切削温度将直接影响刀具的磨损和刀具的使用寿命。一、切削热的产生与传导在刀具的切削作用下，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。切削过程中有三个发热区域，如图所示。图2-30切削热的产生与传导由于切削过程中所消耗能量的98%~99%都将转化为切削热。如忽略进给运动所消耗的能量，则单位时间产生的切削热（2-21）式中Qc——单位时间产生的切削热（J/s）；

Fc——切削力（N）；

vc——切削速度（m/s）。切削热由四个途径即切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。影响散热的主要因素是：（1）工件材料的导热系数（2）刀具材料的导热系数（3）周围介质切削速度越高，切削厚度越大，切屑带走的热量越多。二、切削温度的测量切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度。切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度。测量切削温度的方法很多，但目前常用的是自然热电偶和人工热电偶法，它简单、可靠、使用方便。1.自然热电偶法该种方法测得的温度是切削区的平均温度。图2-31a用热电偶测量切削温度2.人工热电偶法该种方法可测得切削区某一点的温度值。图2-31b用热电偶测量切削温度图2-32为采用人工热电偶法测量并辅以传热学计算得到的刀具、切屑和工件的切削温度分布图。由图中可以看出：①剪切面上各点温度几乎相同；②前刀面上温度最高点不在切削刃上。图2-32刀具、切屑和工件的切削温度分布三、影响切削温度的主要因素1．切削用量对切削温度的影响用实验方法求得的刀具与切屑接触区平均切削温度的经验计算公式为（2-22）式中θ——刀具与切屑接触区平均温度（℃）；

——切削温度系数（查表2-4）；

vc,f,ap——切削用量三要素；

——vc,f,ap的指数（查表2-4）。表2-4切削温度的系数和指数刀具材料加工方法Cθzθyθxθ高速钢车削140~1700.35~0.450.2~0.30.08~0.10铣削80钻削150硬质合金车削320f/mm·r-10.410.310.260.150.050.10.20.3用高速钢或硬质合金刀具切削中碳钢时，上述公式中的系数和指数值参见下表。由公式知：

vc

、f

、ap增大，单位时间内材料的切除量增加，产生的切削热增多，切削温度也随之增高。又由表2-4知，。由此表明，切削用量中影响切削温度最大的是vc，其次是f

，ap最小。（1）切削速度切削速度vc

增大，使切削功率近似