1、Machine Manufacturing Engineering,机 械 制 造 工 程 学,2020年4月4日,第二章 金属切削过程的基本规律,第一节 金属的切削过程 第二节 切削力与切削功率 第三节 切削热与切削温度 第四节 刀具的磨损及使用寿命 第五节 刀具合理几何参数的选择 第六节 工件材料的切削加工性 第七节 切削用量的选择,第一节 金属的切削过程,一、概述,宏观上，金属切削过程是指：用刀具从工件上切除多余的金属层，使工件在尺寸、形状和表面质量方面都符合预定要求的一种加工过程。 此过程在常温下进行，称为冷加工。 研究金属切削过程的规律首先要从金属切削过程中金属层受力变形破坏的力学原
2、理开始。,一、概述,一、概述,刀具挤压工件，产生变形,滑移,挤裂,切离,一、概述,金属切削过程：就是工件的被切削层金属在刀具前刀面的推移下，沿着剪切面(即滑移面)产生剪切变形并转变为切屑的过程。,二、切削变形区,1.第一变形区：(基本变形区) OAOM之间的区域，是切削过程中的主要变形区，是切削力和切削热的主要来源。 主要特征： 剪切面的滑移变形,二、切削变形区,2.第二变形区： 切屑底层与前刀面之间的摩擦变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。,二、切削变形区,3.第三变形区： 工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。 造成工件表面的纤维化与加工硬化。 该区域对工件表面的残余应
3、力以及后刀面的磨损有很大的影响。,二、切削变形区,4.剪切面： 在一般切削速度下，OA(始滑面)与OM(终滑面)非常接近(0.020.2mm)，所以通常用一个平面OO来表示这个变形区，该平面称为剪切面。,二、切削变形区,5.剪切角： 剪切面与切削速度方向间的夹角叫做剪切角，用表示。 剪切角的大小反映了剪切变形的程度，剪切角小则变形大。,三、切屑的类型,带状切屑：,产生条件： 切削塑性材料、切削速度高、切削厚度较小、前角大。,形状： 连绵不断呈带状，切屑底面很光滑而背面呈毛茸状。,形成原因： 切削速度高，切削层未及充分变形即变为切屑，剪切面上的应力还未达到破坏值，因此，只有塑性滑移而无断裂；前角
4、大，则刀具锋利；hD小则切削力小。故易得带状切屑。,特点： 切削过程变形小，切削力小且稳定；已加工表面粗糙度较小。对生产安全有危害。,三、切屑的类型,挤裂切屑(节状切屑) ：,形状： 宏观上自然连接，但外表面呈锯齿形，如竹节状。,产生条件： 切削塑性材料、切削速度中等、切削厚度较厚、前角较小。,形成原因： 切削层经过充分变形全过程，最后被挤裂。,特点： 切屑冷硬度高，脆且易断，便于处理； 变形相对较大，切削力波动较大，易产生振动； 已加工表面粗糙度较大。,三、切屑的类型,单元切屑：,形状： 切屑沿挤裂面完全断开成单元状。,产生条件： 材料塑性很差、切速低、hD大、前角小。,形成原因： 整个剪切
5、面上剪应力超过材料的破坏强度极限。,特点： 切削力波动很大，有振动；已加工表面粗糙度大，且有振纹。,三、切屑的类型,蹦碎切屑：,形状： 切屑呈不规则的碎块状。,产生条件： 切削脆性材料。,形成原因： 材料塑性差，抗拉强度低，受前刀面挤压时几乎没有塑性变形便脆断成不规则的碎块。,特点： 切削过程不平稳，切削力波动大，有冲击，振动大，已加工表面粗糙。,四、切屑的变形及影响因素,变形系数：,厚度变形系数：,式中：hch切屑厚度 hD 切削层厚度,四、切屑的变形及影响因素,变形系数：,长度变形系数：,式中：lc 切削层长度 lch切屑长度,四、切屑的变形及影响因素,变形系数：,根据体积不变原理：,影响
6、切屑变形的因素：,工件材料：,刀具角度：,切削速度：,工件塑性,延伸率,O ,刀具锋利,塑性变形,V ,五、积屑瘤,五、积屑瘤,“在一定的温度和压力下，切削塑性金属时，切屑底层与前刀面发生摩擦，嵌入式结合发生冷焊现象,使一部分切屑粘结在前刀面上，形成积屑瘤”。,特点： 硬度是工件材料的2 3.5倍，可以代替刀具切削。 周而复始的生长、脱落。,产生条件： 切削塑性材料。 切削区界面状况符合在刀面上发生冷焊的条件：适当的温度、很大的压力和剧烈的摩擦。,对切削过程的影响： 积屑瘤代替刀刃进行切削，保护了刀刃，增大了前角，减少了切屑的变形，降低了切削力。 。 积屑瘤形状不规则，频繁生长脱落，影响尺寸精
7、度和表面质量。 故： 粗加工时可人为控制积屑瘤的生长，使积屑瘤能稳定存在。 精加工时应抑制积屑瘤的产生。,控制措施：,提高前刀面的光滑程度； 适当增大刀具前角； 提高工件的硬度，降低塑性； 采用合适的切削液； 避开积屑瘤产生的速度范围。,避开积屑瘤产生的速度范围,避开积屑瘤产生的速度范围,区：切削速度很低，形成粒状或节状切屑，没有积屑瘤生成。,避开积屑瘤产生的速度范围,区：形成带状切屑，冷焊条件形成，随着切削速度的提高积屑瘤的高度也增高。,避开积屑瘤产生的速度范围,区：积屑瘤高度随着切削速度的提高而减小，当达到区右边界时，积屑瘤消失。,避开积屑瘤产生的速度范围,区：切削速度进一步提高，由于切削
8、温度较高而冷焊消失，此时积屑瘤不再存在了。,第二节 切削力与切削功率,切削力是指由于刀具切削工件而产生的工件和刀具之间的相互作用力。,第二节 切削力与切削功率,切削力是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程有着多方面的重要影响。 它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并引起工艺系统的变形和振动。 切削力过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程中消耗功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工艺系统产生热变形并恶化已加工表面质量。 掌握切削力的变化规律，计算切削力的数值，不仅是设计机床、刀具、夹具的重要依据，而且对分析、解决切削加工生产中的实际问题有重要的指导意义。,第二节 切削力与切削
9、功率,一、切削力的来源：,工件、切屑的变形抗力,刀具与切屑、工件与刀具之间的摩擦阻力,二、切削力的分解,背向力(径向力)FP： 总切削力在切深方向的分力。 FP在基面内，与进给方向垂直。会使工件发生弯曲，或引起振动。,进给抗力(轴向力) Ff： 在进给方向的分力。是计算或校核机床进给机构强度的依据。,1.主切削力(切向力) FC： 在主运动方向的分力。FC与切削速度方向一致，又称切向力。是计算机床切削功率的主要依据。,三、切削力的测量原理,测定切削力大都采用应变片测力仪。 基本原理是在弹性变形元件上贴应变片组成电桥，测量拉压应力应变。常用八角环式测力仪。,四、切削力的计算,由实验获得经验公式：
10、,注意： 计算公式由实验测得，式中的各项应按照实验时的单位计算。即：aP：mm，f：mm/r 手册中的数据为特定切削条件下测得的数据，当实际的条件与实验公式条件不符时，应加修正系数。,四、切削力的计算,负倒棱的影响： br/f,五、单位切削力,“单位面积上的主切削力”：,估算切削力：,切削力公式比较,对碳钢45材料：,经验公式：,估算切削力：,六、切削功率,机床总功率：,单位切削功率,“单位时间内切下单位体积金属所需的功率”,第三节 切削热与切削温度,一、产生原因： 切削层的弹性及塑性变形。 切屑与前刀面，工件与后刀面的摩擦。,第一变形区： 60%的热量,第二变形区： 30%的热量,第三变形区
11、： 10%的热量,第三节 切削热与切削温度,二、切削热的传递：,Q=Q屑+Q刀+Q工+Q介,在不使用冷却液的情况下： Q屑Q刀Q工Q介,车削加工时，5086由切屑带走，4010传入刀具，93传入工件，1左右通过辐射传入空气。,钻削加工时，28由切屑带走，15传入刀具，52传入工件，5左右传入周围介质。,三、切削温度,切削温度分布：,切削温度：,切削温度的测量,常用热电偶法。两种不同的金属材料组成封闭回路，当两节点有温差时，会产生温差热电势 (T1-T0),切削温度的测量,1)人工热电偶 用两种热电位差较高的金属组成测温结点，测量点温度。例如，在刀具上打孔到接近前刀面，测点温。,切削温度的测量,
12、2)自然热电偶 利用刀具和工件本身两种不同材料组成热电偶，由于两端温度不同，产生温差热电势。这种方法测出的是切削区平均温度，需事先标定。,切削碳钢时：,切削温度的测量,四、影响切削温度的因素分析,工件材料:,HB、b,切削抗力,功耗,45#钢为例：,切削用量对切削温度的影响：,vc、f、ap, ,用YT15刀具，切削45#钢时( b=75kg/cm2),四、影响切削温度的因素分析,刀具几何角度对切削温度的影响：,四、影响切削温度的因素分析,刀具几何参数(如前角、刃倾角、刀尖圆角、刀尖负倒棱、刀具磨损等)对切削温度的影响有时也是两种作用相互制约和矛盾的。 刀具前角增大，切削变形及摩擦减小，切削力
13、减小，有利于降低温度，但前角太大则刀具切削刃单薄，散热条件差，也有使刀具温度升高的因素，因此存在着一个有利于切削温度的优化的前角值。,五、控制切削温度的措施,正确使用冷却液：,1)切削液的种类 水溶液 乳化液 切削油,主要成分是水，冷却性能最好，透明易观察，但纯水易使金属生锈，且润滑性能差，因此需加入添加剂。,将乳化油用9598的水稀释而成，润滑性能优于水溶液，但润滑和防锈性能仍较差，需再加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂。,主要成分是矿物油，少数采用植物油或复合油。纯矿物油不能形成坚固的润滑膜，因此需再加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂，以提高润滑和防锈性能。,五、控制切削温度的措施
14、,正确使用冷却液：,2)切削液的选用 一般，磨削时温度高，用水溶液。 车削时用乳化液。 精加工时用润滑性能好的切削液，极压切削液等。 切铸铁时一般不加切削液。 用硬质合金刀具时，因其高温硬度高，可不加切削液，但要加时应注意要连续不断地加，以防止热裂。,五、控制切削温度的措施,合理选择切削用量：,在满足工艺要求的前提下，取小的vC，较大的ap、f。,改善刀具几何条件：, ,O,第四节 刀具的磨损及使用寿命,切削过程中，刀具与工件、切屑的接触面上存在巨大的压力，相当高的温度和剧烈的摩擦，在这种条件下，刀面上一些材料的微粒在切削过程中会逐渐地被工件或切屑擦伤带走，这种现象称为刀具磨损。 上述的刀具磨
15、损属刀具的正常磨损。此外，还有刀具的非正常磨损(刀具破损)，如由于冲击、振动、热效应等原因致使刀具崩刃、卷刃、断裂、表面剥落而损坏。,第四节 刀具的磨损及使用寿命,一、刀具的磨损形式：,1前、后刀面同时磨损 2后刀面磨损 3前刀面磨损,1前、后刀面同时磨损,1前、后刀面同时磨损,1前、后刀面同时磨损,1前、后刀面同时磨损,当用较高的切削速度和较大的切削厚度切削塑性金属材料时，将发生前、后刀面同时磨损。,2后刀面磨损,2后刀面磨损,当切削脆性金属材料或以较小的切削厚度切削塑性材料时，将发生后刀面磨损。,3前刀面磨损,3前刀面磨损,当以很大的切削厚度（hD0.5mm），且切削速度较高的条件下切削塑
16、件较大的材料时，将发生前刀面磨损。,二、刀具磨损机理,引起刀具磨损的原因很多，既有机械摩擦作用，又有切削力、切削热作用下的物理、化学作用。归纳起来主要有以下四种原因。,二、刀具磨损机理,磨料磨损(机械磨损),工件和切屑中的硬质点（如碳化物）以及不断脱落的积屑瘤碎片划擦刀面产生磨损。,磨料磨损在各种切削速度下都会发生，对于切削脆性材料和在低速条件下工作的刀具，如拉刀、丝锥、板牙等，磨料磨损是刀具磨损的主要原因。,二、刀具磨损机理,粘结磨损(冷焊磨损),切屑与刀具在压力和摩擦条件下冷焊粘结，然后相互被拉开，产生表面破坏伤痕。,粘结磨损的程度主要取决于工件与刀具材料之间的亲合能力和温度，两种材料的亲
17、合能力越强，越容易发生粘结磨损。另外，在中温条件下，粘结磨损较为严重。,二、刀具磨损机理,扩散磨损：,工件材料和刀具在高温下（9001000）化学元素相互扩散造成的磨损。,二、刀具磨损机理,扩散磨损：,扩散磨损的速率主要取决于刀具与工件材料间的亲合能力和两者接触面上的温度。温度是影响扩散磨损的最主要的因素，随着切削温度的提高，扩散磨损会迅速增加。,二、刀具磨损机理,氧化磨损：,刀具上的表面膜被切屑或工件表面划擦掉后，在高温下（700800）与空气中的氧作用产生松脆氧化物，造成刀具磨损。,一般来说，在刀屑接触区内，空气不易进入，故氧化磨损多发生在主、副切削刃的工作边界附近，造成边界磨损。,综上所
18、述：,切削速度(温度)对刀具磨损具有决定性的影响： 高速(温)时扩散磨损和氧化磨损强度较高；中低速(温)时冷焊磨损占主导地位；磨料磨损在不同速(温)度下都存在。,三、磨损过程,在刀具开始使用的短时间内，后刀面上即产生一个磨损量约为0.050.1mm窄小棱带，这一阶段称为初期磨损阶段。,刀具经过初期磨损阶段，主后刀面粗糙度已减小，承压面积增大，刀具磨损进入正常磨损阶段。,随着磨损量VB不断增大，切削力、温度急剧上升，刀具磨损速率急剧增大，使刀具失去切削能力，该阶段为急剧磨损阶段。,三、磨损过程,注意：在实际生产中，必须控制刀具不能进入剧烈磨损阶段。 在进入急剧磨损阶段以前，就要换刀或重磨，否则，
19、不仅会恶化工件加工质量，重磨时消耗过多的刀具材料和增加磨刀时间与费用，严重时还会造成产品、设备和人身事故。,四、刀具的磨钝标准,“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸”。以VB表示,四、刀具的磨钝标准,“指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大磨损尺寸”。以VB表示,考虑因素： 刀具材料：强度高时，VB可取大值。 工艺系统刚性：工艺系统刚性差，VB应取小值。 工件材料：切削难加工材料(如高温合金、不锈钢、钛合金等)，一般应取较小的VB值，加工一般材料，VB可取大些。 加工精度和表面质量：加工精度和表面质量要求高时，VB应取小值。 工件尺寸：加工大型工件，为避免频繁换刀，
20、VB应取大值。,四、刀具的磨钝标准,五、刀具的使用寿命,“刀具从开始切削一直到磨损量达到磨钝标准为止的总的切削时间”。记为：T,切削用量与刀具使用寿命的关系：,五、刀具的使用寿命,当用硬质合金外圆车刀切削b0.75GPa的碳钢时，f0.75mm/r时，经验公式为：,可见： vC对T的影响最大，f次之，aP最小。在优选切削用量以提高生产率时，首先应尽量选大的aP，然后根据加工条件和要求选允许最大的f，最后根据T选取合理的vC。,五、刀具的使用寿命,粗加工时： 硬质合金： 车 刀：60 min 端面铣刀：120180 min 高速钢： 普通车刀：60 min 成形车刀：120 min 钻 头：80
21、120 min 齿轮刀具：200300 min 精加工时： 常以走刀次数或加工零件个数表示刀具使用寿命。,六、刀具合理使用寿命的选择,最大生产率使用寿命：TP,“根据单件工序工时最短的原则来确定Tp”。,六、刀具合理使用寿命的选择,经济使用寿命：TC,“根据单件工序成本最低的原则来确定Tc”。,式中：m：指数。 对于高速钢： m=0.10.125， 硬质合金： m=0.10.4， 陶瓷刀具： m=0.20.4 tct：换刀一次所需时间； Ct：刀具成本； M：该工序单位时间内机床折旧费及所分担的全厂开支。,第五节 刀具合理几何参数的选择,刀具合理几何参数： 在保证加工质量的前提下，能够满足刀具
22、使用寿命长、生产效率高、加工成本低的刀具几何参数。,一、前角的作用,直接影响刀具的锋利程度,刀具锋利,切屑变形程度,切削力,前角,直接影响切削刃的强度和刀头强度,前角,刀刃及刀头强度,易蹦刃,楔角,直接影响切屑的形状和断屑效果,前角,切屑变形程度,易断屑,切削热,表面质量,前角选择原则,工件材料：,脆性材料：O小；塑性材料：O大 工件的强度、硬度低：O大,刀具材料：,刀具的强度、韧性越好：O大,加工条件：,粗加工/断续时：O小；精加工时：O大,碳钢一般可取1020，铸铁一般可取015。,“锐字当先、锐中求固”,前角选择总原则,二、后角的作用,后角的主要作用是减少后刀面与加工工件之间的摩擦和磨损
23、。但后角过大，会削弱切削刃、刀头的强度和散热能力。,通常O = 5 12,在相同磨钝标准VB下，增大后角可以延长刀具使用寿命。,后角选择原则,工件材料：,刀具材料：,刀具的强度、韧性较大，则O可选大值,加工条件：,粗加工时：O小；精加工时：O大,工件的强度、硬度较大，则O可选小值 工件的塑性较大，则O可选大值,粗加工时，一般可取610， 精加工时，一般可取812。,三、主偏角、副偏角的作用,影响残留面积的高度,、,Rmax,影响三个切削分力的大小和比例关系(Kr),三、主偏角、副偏角的作用,主偏角影响切屑层的形状,在f、ap相同的情况下：,bD,刀刃工作长度,单位负荷,主、副偏角选择原则,工件
24、材料：, ,工艺系统刚性：,刚性好，则取小值。,加工条件：,粗加工时：大；精加工时：小,硬度,主偏角常用的数值为30、45、60、75、90 、 93 。 副偏角一般取5 15 。,主、副偏角选择总原则：,在不产生振动的条件下，取小值。,四、刃倾角的作用,1.影响切屑的流向： s 0时，切屑流向待加工面； s 0时，切屑流向已加工面； s = 0时，切屑切屑沿主剖面方向流出。,四、刃倾角的作用,影响刀刃的强度和散热条件：,+S刀尖高，-S刀尖低。 作断续切削时，-S使远离刀尖的切削刃先切入工件，避免+S时刀尖受冲击而损坏。 同时，-S时刀尖强度和散热条件也较好。,一般情况下： 粗加工时：s =
25、 0 5 精加工时：s = 0 5 工艺系统刚性不足，则s 0,刃倾角选择原则,第六节 工件材料的切削加工性,材料的切削加工性是指：对某种材料进行切削加工的难易程度。 良好的切削加工性的内容： 在相同的切削条件下，刀具有较高的使用寿命；或在一定的刀具使用寿命下，能采用较高的切削速度。 在相同的切削条件下，切削力或切削功率小，切削温度低。 容易获得良好的表面加工质量。 容易控制切屑的形状或容易断屑。,以刀具使用寿命T的相对比值作为指标 以相同刀具使用寿命T下切削速度V的相对比值作为指标,一、衡量材料切削加工性的指标,材料的切削加工性是一个相对的概念。 通常在讨论钢材的切削加工性时，以45钢为比较
26、基准；而讨论铸铁这样的脆性材料时，则以灰铸铁为比较基准。 具体的评价指标主要有以下几种：,在相同的切削条件下，如果切削正火45钢的刀具使用寿命为Tj，而切削另一种材料时的刀具使用寿命为T，则比值KTT/Tj的大小就可以反映材料的切削加工性。当KTl，其切削加工性比45钢好；反之，则比45钢差。,在保持背吃刀量ap、进给量f和刀具使用寿命T不变的情况下(如T=60min)，如果切削正火45钢的切削速度为(V60)j，而切削另一种材料时的切削速度为V60，用比值KrV60/(V60)j可以反映材料的切削加工性。当Krl，其切削加工性比45钢好；反之，则比45钢差。Kr称为相对加工性。,相对加工性K
27、r ：,一、衡量材料切削加工性的指标,式中：V60 某种材料其刀具使用寿命为60min时 的切削速度； (V60)j 切削45钢，刀具使用寿命为60min时 的切削速度。,相对切削加工性及其分级,二、影响材料切削加工性的因素,1.材料物理和机械性能的影响 硬度和强度 塑性和韧性 导热性 线膨胀系数,金属材料的硬度和强度越高，切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，故切削加工性越差。,金属材料的塑性和韧性越好，切削时塑性变形越大，消耗能量越多，切削力和切削温度也越高，且不易断屑，故切削加工性越差。,材料的导热系数越大，切削时的散热越好，有利于降低切削温度，故切削加工性越好。,材料的线膨胀系数越大
28、，加工时工件尺寸变化越大，不易控制尺寸精度，故切削加工性越差。,2.材料化学成分的影响,碳钢中含碳量或普钢中合金成分(如Cr、Ni、Mo等),强度、硬度 ,导热性 ,加工性 ,含量,加入S、Pb、P元素,加入硫S、铅Pb,塑性 ,加工性,二、影响材料切削加工性的因素,加入磷P,脆性 ,加工性,2.材料化学成分的影响,铸铁,二、影响材料切削加工性的因素,灰铸铁内石墨呈片状分布，破坏了基体的连续性，而且有润滑作用，切削加工性较好。 球墨铸铁内石墨成球状，有利于基体连续，强度高，较难加工。 冷硬铸铁或白口铸铁因其硬度高而很难加工。,三、改善材料切削加工性的主要途径,适当的热处理，改变材料的组织和机械
29、性能 调整材料的化学成分,通过热处理工艺方法，改变钢铁材料中的金相组织是改善材料加工性的一个重要途径。 常用的热处理方法：正火、退火及球化退火。,在满足零件使用性能要求的条件下，通过调整工件材料的化学成分，可使其切削加工性得以改善。,第七节 切削用量的选择,一、选择切削用量的原则,切削用量与刀具使用寿命的关系：,可知：在vc、f、ap中，切削速度vc对刀具使用寿命影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap影响最小。,一、选择切削用量的原则,生产率可用单位时间内的金属切除率Qz表示：,故提高生产率，除可提高切削速度vc外，还可增大进给量f及加大背吃刀量ap。,但均应保证刀具的使用寿命。,在机床、工件、
30、刀具强度和工艺系统刚性允许的条件下，首先选择尽可能大的背吃刀量ap，其次根据加工条件和要求选用所允许的最大进给量f，最后再根据根据刀具的使用寿命要求选择或计算合理的切削速度vc。,一、选择切削用量的原则,1.背吃刀量的选择 背吃刀量根据加工余量来确定。 切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。 粗加工(Ra8020m)时，应尽量一次走刀切除全部余量，若机床功率为中等时，ap=810mm。 半精加工(Ra105m)时，ap=0.52mm。 精加工(Ra2.51.25m)时，ap=0.10.4mm。 当加工余量太大，或工艺系统刚度不足，或断续切削时，粗加工也不能一次选用过大的背吃刀量，应分几次走刀，不过第一次的背吃刀量应取大些。,二、切削用量的选择方法,二、切削用量的选择方法,2.进给量的选择 粗加工时，应在机床进给机构的强度、车刀刀杆强度和刚度、刀片强度以及装夹刚度等允许的条件下，尽可能选取大的进给量。 精加工时，最大进给量主要受表面粗糙度的限制。 实际生产中，主要用查表法或根据经验确定。,3.切削速度的确定 根据已选定的背吃刀量ap、进给量f和刀具使用寿命T，可根据切削用量与刀具使用寿命的关系式计算切削速度vc，然后再算出机床主轴转速。 生产中多采用查表法或经验确定。,二、切削用量的选择方法,本 章 作 业,第二章 习 题：五-1 五-4 六,
