第二章金屬切削過程及其物理現(xiàn)象

1、第二章 金屬切削過程物理現(xiàn)象 本章主要內(nèi)容：q刀具的結(jié)構(gòu)、材料q切削過程的基本現(xiàn)象q切削用量的選擇 第一節(jié) 切削變形與切屑的形成 金屬切削過程是指在刀具和切削力的作用下形成切屑的過程，在這一過程中，始終存在著刀具切削工件和工件材料抵抗切削的矛盾，產(chǎn)生許多物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱、積屑瘤、刀具磨損和加工硬化等。第一節(jié) 切削變形與切屑的形成一.切削過程及切屑種類 1.切屑形成過程：對(duì)塑性金屬進(jìn)行切削時(shí)，切屑的形成過程就是切削層金屬的變形過程。當(dāng)工件受到刀具的擠壓以后，切削層金屬在始滑移面OA以左發(fā)生彈性變形。在OA面上，應(yīng)力達(dá)到材 料的屈服強(qiáng)度，則 發(fā)生塑性變形，產(chǎn) 生滑移現(xiàn)象。第一節(jié) 切削變形

2、與切屑的形成 隨著刀具的連續(xù)移動(dòng)，原來處于始滑移面上的金屬不斷向刀具靠攏，應(yīng)力和變形也逐漸加大。在終滑移面OE上，應(yīng)力和變形達(dá)到最大值。 越過OE面，切削層金屬將脫離工件基體，沿著前刀面流出而形成切屑。第一節(jié) 切削變形與切屑的形成三個(gè)變形區(qū)：(1)第一變形區(qū)I：從OA線到OE線內(nèi)的區(qū)域，伴隨沿滑移線的剪切變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。(2)第二變形區(qū)II：切屑與前刀面磨擦的區(qū)域，切屑底層靠近前刀面處纖維化，流動(dòng)速度減緩，切屑彎曲，切削與刀具接觸溫度升高。(3)第三變形區(qū)III：工件已加工表面與后刀面接觸的區(qū)域，存在纖維化與 加工硬化，變形較密集。 第一節(jié) 切削變形與切屑的形成2.2.切屑的切屑的

3、類型類型及及切屑控制切屑控制( (圖圖a ac c為切削塑性材料，圖為切削塑性材料，圖d d為切削脆性材料為切削脆性材料) ) 切削類型 切 削 條 件 特 征a)帶狀切屑切削厚度較小,切削速度較高,刀具前角較大內(nèi)表面光滑,外表面毛茸b)擠裂切屑切削速度較低,切削厚度較大,刀具前角較小內(nèi)表面有裂紋,外表面呈鋸齒形c)單元切屑相比b)進(jìn)一步減小刀具前角，減低切削速度整個(gè)單元被切離 d)崩碎切屑加工硬脆材料時(shí)切削厚度較大時(shí)產(chǎn)生形狀是不規(guī)則的,表面是凸凹不平的 第一節(jié) 切削變形與切屑的形成切屑控制： “不可接受”的切屑：切削條件惡劣導(dǎo)致。影響主要有拉傷工件的已加工表面；劃傷機(jī)床；造成刀具的早期破損；

4、影響操作者的安全。 切屑控制：在切削加工中采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂魄行嫉木砬⒘鞒雠c折斷，使形成“可接受”的良好屑形。第一節(jié) 切削變形與切屑的形成 “可接受”的切屑標(biāo)準(zhǔn)：不妨礙正常的加工；不影響操作者的安全；易于清理、存放和搬運(yùn)。 切削控制的措施：在前刀面上磨制出斷屑槽或使用壓塊式斷屑器。第一節(jié) 切削變形與切屑的形成斷屑槽的基本形式：L：切屑在前刀面上的接觸長度R：卷屑槽半徑第一節(jié) 切削變形與切屑的形成3.積屑瘤現(xiàn)象 在切削速度不高而又能形成連續(xù)切屑的情況下，加工一般鋼料或其它塑性材料時(shí)，常常在前刀面處粘著一塊剖面有時(shí)呈三角狀的硬塊。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，能

5、夠代替 刀刃進(jìn)行切削。這塊冷焊在前 刀面上的金屬稱為積屑瘤或刀 瘤。（積屑瘤的形成過程： ） 積屑瘤的形成過程1.切屑對(duì)前刀面接觸處的摩擦，使前刀面十分潔凈。2.當(dāng)兩者的接觸面達(dá)到一定溫度同時(shí)壓力又較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，即一般所謂的“冷焊”。切屑從粘在刀面的底層上流過，形成“內(nèi)摩擦”。3.如果溫度與壓力適當(dāng)，底層上面的金屬因內(nèi)摩擦而變形，也會(huì)發(fā)生加工硬化，而被阻滯在底層，粘成一體。4.這樣粘結(jié)層就逐步長大， 直到該處的溫度與壓力 不足以造成粘附為止。第一節(jié) 切削變形與切屑的形成切屑瘤對(duì)切削過程的影響： 1)實(shí)際前角增大 2)增大切削厚度，可能引起振動(dòng) 3)是加工表面粗糙度增大 4)對(duì)刀具壽命

6、有影響第一節(jié) 切削變形與切屑的形成積屑瘤產(chǎn)生原因分析：積屑瘤的產(chǎn)生以及它的積聚高度與金屬材料的硬化性質(zhì)有關(guān)，也與刃前區(qū)的溫度和壓力分布有關(guān)。一般說來，塑性材料的加工硬化傾向愈強(qiáng)，愈易產(chǎn)生積屑瘤；溫度與壓力太低，不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤；反之，溫度太高，產(chǎn)生弱化作用，也不會(huì)產(chǎn)生積屑瘤。走刀量保持一定時(shí)，積屑瘤高度與切削速度有密切關(guān)系。第一節(jié) 切削變形與切屑的形成通過分析積屑瘤產(chǎn)生原因可以得出防止積屑瘤的主要方法：1)降低切削速度，使溫度較低，粘結(jié)現(xiàn)象不易 發(fā)生；2)采用高速切削，使切削溫度高于積屑瘤消失的相應(yīng)溫度；3)采用潤滑性能好的切削液，減小摩擦；4)增大刀具前角，以減小切屑于前刀面接觸區(qū)的壓力；5)

7、適當(dāng)提高工件材料硬度，減小加工硬化傾向。第二節(jié) 切削力和切削功率一、切削力的來源與分解（1）總切削力的分解1）切削力Fc (Fz)2）背向力Fp (Fy)3）進(jìn)給力Ff (Fx) 一、切削力的來源與分解一、切削力的來源與分解（1）總切削力的分解 rFFxyycosrFFxyxsinzxzyFFFF0.6)(0.10)7 . 015. 0(22222yxzxyzFFFFFF二、切削的經(jīng)驗(yàn)公式二、切削的經(jīng)驗(yàn)公式 2. 切削力的經(jīng)驗(yàn)公式切削力FzFzFzFzKyXCfaFzP二、切削的經(jīng)驗(yàn)公式二、切削的經(jīng)驗(yàn)公式切削力背向力進(jìn)給力FyFyFyFyKyXCfaFyPFxFxFxFxKyXCfaFxPFz

8、FzFzFzKyXCfaFzP三、切削功率的計(jì)算三、切削功率的計(jì)算（2）切削功率 1000cFcPev單位：kw Fc切削力，單位：N； vc切削速度，單位：m/s。三、切削功率的計(jì)算三、切削功率的計(jì)算（2）切削功率 1000cFcPcv單位：kw PeEP 機(jī)床傳動(dòng)效率，一般，取 = 0.750.85。 四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素 總切削力的來源有兩個(gè)方面： 一是克服被加工材料對(duì)彈性變形和塑性變形的抗力； 二是克服切屑對(duì)刀具前面的摩擦阻力和工件表面對(duì)刀具后面的摩擦阻力。 四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素1）工件材料的性能對(duì)切削力有顯著的影響。 工件材料的硬度或強(qiáng)度愈高，

9、材料的剪切屈服強(qiáng)度也愈高，發(fā)生剪切變形的抗力也愈大，故切削力也愈大。 四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素2）切削用量對(duì)切削力的影響。a）背吃刀量ap 和進(jìn)給量f 對(duì)切削力的影響; 背吃刀量背吃刀量apap進(jìn)給量進(jìn)給量f fA AD D變形抗力變形抗力摩擦力摩擦力切削力切削力四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素 標(biāo)準(zhǔn)切削試驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)切削試驗(yàn)：刀具材料刀具材料P10P10，工件材料，工件材料4545鋼鋼b b = = 650650 MpaMpa，車刀幾何參數(shù)為車刀幾何參數(shù)為g go o =10=10、 r r = = 4545、l ls s =0=0。 FzFzK0.751.0CfaFPz

10、即，即，ap增大一倍，增大一倍，F(xiàn)z也增大一倍；而也增大一倍；而f 增大一倍，增大一倍，F(xiàn)z只能增大只能增大68%80。 四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素 由此可見，由此可見，從減小切削力和節(jié)省動(dòng)力消從減小切削力和節(jié)省動(dòng)力消耗的觀點(diǎn)出發(fā)，在切除相同余量的條件耗的觀點(diǎn)出發(fā)，在切除相同余量的條件下，增大下，增大 f 比增大比增大ap 更為有利。更為有利。四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素2）切削用量對(duì)切削力的影響。b）切削速度Vc對(duì)切削力的影響; 切削塑性材料時(shí)切削塑性材料時(shí)四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素3）刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響。a）前角go對(duì)切削力的影響; 刀刃鋒利

11、刀刃鋒利前角前角g go o變形抗力變形抗力切削力切削力四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素3）刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響。a）前角go對(duì)切削力的影響; 前角對(duì)切削力的影響前角對(duì)切削力的影響ap = 4 mm f = 0.25 mm / r四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素3）刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響。b）主偏角Kr對(duì)切削力的影響; rFFxyycosrFFxyxsin四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素3）刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響。c）刃傾角ls對(duì)切削力的影響; l ls s背前角背前角g gp p側(cè)前角側(cè)前角g gf fFpFpFfFf四、影響切削力的因素四、影響切削力的

12、因素3）刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響。d）刀尖圓弧半徑re對(duì)切削力的影響; 四、影響切削力的因素四、影響切削力的因素3）刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響。e）使用切削液對(duì)切削力的影響; 第三節(jié) 切削熱和切削溫度1.切削熱的產(chǎn)生與傳散圖圖2-25 切削熱的來源與傳導(dǎo)切削熱的來源與傳導(dǎo)加工方法切屑工件刀具車削5080%1040%5%銑削70%50%15%磨削4%80%12%第三節(jié) 切削熱和切削溫度圖圖2-26 不同切削速度下的熱量傳出比例不同切削速度下的熱量傳出比例第三節(jié) 切削熱和切削溫度2. 切削溫度的分布 a） 法平面內(nèi)的切削溫度分布法平面內(nèi)的切削溫度分布 b）刀具前面上的切削溫度分布）刀具前面上的切

13、削溫度分布圖圖2-27 切削溫度的分布切削溫度的分布3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(1)切削用量 在切削用量中，切削速度對(duì)切削溫度的影響最大。 隨著切削速度的提高，材料切除率隨之成正比例的增加。但隨著切削速度的提高，切屑變形相應(yīng)減小，所以，切削功和切削熱雖然有所增高，但不可能成正比例的增高，因此，切削溫度也不會(huì)成正比例的增高。cv FzQ3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(1)切削用量高速鋼刀具1401700.0810.20.30.350.45硬質(zhì)合金鋼刀具3200.050.150.260.41切削用量對(duì)切削溫度的影響程度以切削速度為最大，進(jìn)給量次之，背

14、吃刀量最小。 zyXcfpvaCCyxz3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素 因此，若要切除給定的余量，又要求切削溫度較低，則在選擇切削用量時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用大的背吃刀量，然后選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量，最后再選擇合理的切削速度。 上述切削用量選擇原則是從最低切削溫度出發(fā)考慮的，這也是制訂零件加工工藝規(guī)程時(shí)，確定切削用量的原則。 3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(2)刀具幾何參數(shù)1）前角2）主偏角 3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(3)工件材料工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，總切削力越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，切削溫度也就越高。工件材料的導(dǎo)熱性好

15、，從切屑和工件傳出的切削熱相應(yīng)增多，切削區(qū)的平均溫度降低。例如，合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度普遍高于45鋼，而導(dǎo)熱系數(shù)又一般均低于45鋼，所以切削合金結(jié)構(gòu)鋼的切削溫度高于切削45鋼的切削溫度。3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素(4)切削液3.3.影響切削溫度的主要因素影響切削溫度的主要因素 切削溫度的實(shí)驗(yàn)公式是由標(biāo)準(zhǔn)切削實(shí)驗(yàn)得來的。 實(shí)驗(yàn)條件如下： C620-1改裝無級(jí)調(diào)速車床，工件與刀片材料切削對(duì)為YT1545鋼，切削速度 vc =60m/min200m/min，進(jìn)給量f =0.4mm/r0.6mm/r，背吃刀量asp =0.5mm3.0mm。01. 007. 026. 0273paf

16、cv第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和刀具壽命刀具磨損和刀具壽命 刀具失效 刀具磨損刀具破損第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和刀具壽命刀具磨損和刀具壽命一. 刀具磨損和破損圖圖2-30 車刀典型磨損形式車刀典型磨損形式第四節(jié)第四節(jié) 刀具磨損和刀具壽命刀具磨損和刀具壽命二.刀具磨損的原因(1) 磨料磨損 （任何切削溫度）(2) 粘結(jié)磨損 (3) 擴(kuò)散磨損 （高速切削）(4) 氧化磨損 （高速切削）(5) 相變磨損四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度二.刀具磨損的原因(1) 磨料磨損 (2) 粘結(jié)磨損 (3) 擴(kuò)散磨損(4) 氧化磨損 圖圖2-33 切削溫度對(duì)磨損影響的示意圖切削溫度對(duì)磨損影響的示意圖磨料

17、磨損磨料磨損 粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損擴(kuò)散磨損擴(kuò)散磨損 氧化磨損氧化磨損四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度三.刀具磨損過程及刀具磨損限度1.刀具的磨損過程 圖圖2-31 硬質(zhì)合金車刀的典型磨損曲線硬質(zhì)合金車刀的典型磨損曲線YD05-30CrMnSiA；gogo44，a ao88， r 45，l ls -4；vc=150m/min，f=0.2mm.r，asp=0.5mm四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度三.刀具磨損過程及刀具磨損限度2.刀具的磨損限度 刀具允許達(dá)到的最大的磨損量，稱為“磨損限度”。 對(duì)于一般刀具，常以后面磨損帶高度VB的允許極限值作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，定尺寸刀具和自動(dòng)

18、化生產(chǎn)中的精加工刀具，常以徑向磨損量NB的允許值作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。 四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度三.刀具磨損過程及刀具磨損限度1.刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn) 圖圖2-31 車刀的徑向磨損車刀的徑向磨損1.1.刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)1） 精加工VB0.1 mm 0.3mm；粗加工VB 0.6 mm 0.8mm。2）工藝系統(tǒng)剛性較差時(shí)，應(yīng)規(guī)定較小的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)；3）粗車鋼件，特別是粗車合金鋼和高溫合金時(shí)，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要比粗車鑄鐵時(shí)取得小些。4） 加工同一種工件材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)要比高速鋼刀具取得小些。 四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度4.刀具耐用度(1) 定義 刃磨或

19、換刃后的刀具，自開始切削直到磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為止的切削時(shí)間，稱為刀具耐用度，符號(hào)用T，單位用min或s。 四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度4.刀具耐用度(2) 刀具耐用度與切削用量的關(guān)系 yzfCtpaTcxv式中，式中， CtCt-與耐用度實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的系數(shù)；與耐用度實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)的系數(shù)；x x、y y 、z z分別為切削用量對(duì)刀具壽命影響程度的指數(shù)。分別為切削用量對(duì)刀具壽命影響程度的指數(shù)。 四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度4.刀具耐用度(2) 刀具耐用度與切削用量的關(guān)系 切削用量對(duì)刀具T的影響程度與切削用量對(duì)切削溫度的影響程度是一致的，切削速度對(duì)刀具壽命的影響最大，其次是進(jìn)給量，背吃刀量的影響很小。 四、刀具磨損與刀具耐用度四、刀具磨損與刀具耐用度4.刀具耐用度(2) 刀具耐用度與切削用量的關(guān)系制訂工藝規(guī)程時(shí)，如果既要保證較長的