1、机械制造技术基础机械制造技术基础 第第1章章 金属切削基本原理金属切削基本原理 Fundamental of Mechanical Metal Cuting 1.1 概述概述 Summary 1.1.1 零件表面形成方法零件表面形成方法 轨迹法 成形法 相切法 展成法 a）轨迹法 b）成形法 c）相切法 d）展成法 图1-1 零件表面成形方法 主运动 指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动 的速度即切削速度，用v（m/s）表示。 主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完 成，也可以由工件来完成；可以是直线运动（用 T 表示），也可以 是回转运动（用 R 表示）。正是由
2、于上述不同运动形式和不同运动 执行元件的多种组合，产生了不同的加工方法。 进给运动 指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用 进给量（fmm/r）或进给速度（vf mm/min）表示。 定位和调整运动 使工件或刀具进入正确加工位置的运动。如调整切削深 度，工件分度等。 1.1.2 切削加工的成形运动切削加工的成形运动 1.1.3 切削用量及典型表面加工方法切削用量及典型表面加工方法 切削用量 切削速度vc 若主运动为往复运动时，其平均速度为： 1000 nD vc （1-1） 式中 n 主运动转速（r/s）； D 刀具或工件的最大直径（mm）。 式中 nr 主运动每秒钟往复次数（str/
3、s）； l 往复运动行程长度（mm）。 1000 2 r c nl v （1-2） 进给量：工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)， 两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。 背吃刀量：主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方 向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。 外圆磨 无心磨 车铣加工 滚压加工 铣削 成形磨（横磨） 主运动 进给运动 表1-1 外圆表面加工方法 刀 具 T/ R T 主运动 进给运动 工 件 表 面 成 形 原 理 图 R R R R R T R R T/ R 车削 成形车削 拉削 研磨 典型表面加工方法 表1-2 内圆表面加工方法 表 面 成 形
4、原 理 图 钻 扩 铰 镗 拉 挤 行星式内圆磨 主运动 进给运动 刀 具 主运动 进给运动 工 件 R R T R R T/ R T R T R T T R T T 内圆磨 无心磨 1.1.3 典型表面加工方法典型表面加工方法 主运动 进给运动 表1-3 平面加工方法 刀 具 主运动 进给运动 工 件 表 面 成 形 原 理 图 R T R T T T 刨 插 周铣 端铣 平磨 端面平磨 车 拉 T 1.1.3 典型表面加工方法典型表面加工方法 车螺纹 板牙 主运动 进给运动 表1-4 螺纹加工方法 刀 具 主运动 进给运动 工 件 表 面 成 形 原 理 图 R T R R T T R 滚
5、压 丝锥 铣螺纹 梳形铣刀 旋风铣 磨螺纹 R R 1.1.3 典型表面加工方法典型表面加工方法 主运动 进给运动 表1-5 齿形加工方法 刀 具 主运动 进给运动 工 件 表 面 成 形 原 理 图 R T R T T R/T R R R/T 铣齿 指状铣 刀铣齿 成形 磨齿 滚齿 剃齿 插齿 蜗杆砂轮磨齿 碟形砂轮磨齿 锥形砂轮磨齿 1.1.3 典型表面加工方法典型表面加工方法 1.1.4 刀具结构 刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合 图1-2 各种刀具切削部分的形状 1.1.4 刀具几何参数 车刀 a）焊接式车刀 b）整体式车刀 c）机夹式车刀 图1-1 车刀的结构 外圆车
6、刀是最基本、最典型的刀具，由刀头和刀体组成。 车刀的切削部分由3个刀面（前刀面、主后刀面和副后刀 面），2个刀刃（主切削刃和副切削刃）和1个刀尖组成。 1.1.4 刀具几何角度 刀具标注角度坐标系（主剖面坐标系） 主切削刃 主后刀面 前刀面 副切削刃 主剖面 Po A 1）基面 Pr ：通过切 削刃选定点与主运动 方向垂直的平面。基 面与刀具底面平行。 切削平面 Ps 基面 Pr 图1-3 车刀主剖面坐标系 2）切削平面 Ps：通 过切削刃选定点与主 切削刃相切且垂直于 基面Pr的平面。 3）主剖面 Po：通过 切削刃选定点垂直于 基面Pr和切削平面 Ps 的平面。 1）前角o 在主剖面内测量
7、，是 前刀面与基面的夹角。 通过选定点的基面位于 刀头实体之外时o定为 正值；位于刀头实体之 内时o定为负值。 o影响切削难易程度 。增大前角可使刀具锋 利，切削轻快。但前角 过大，刀刃和刀尖强度 下降，刀具导热体积减 小，影响刀具寿命。 A r A 向 f 图1-4 车刀的主要角度 0 0 0 0 r r s 0 1.1.4 刀具几何角度 刀具标注角度 用硬质合金车刀切削钢件，o取10 20；切削灰铸铁，o取515；切 削铝及铝台金，o取2535；切削高 强度钢，o取-5 -10。 A r A 向 f 图1-4 车刀的主要角度 0 0 0 0 r r s 2）后角o 后角o在主剖面内测 量，
8、是主后刀面与切削 平面的夹角。 后角的作用是为了减 小主后刀面与工件加工 表面之间的摩擦以及主 后刀面的磨损。但后角 过大，刀刃强度下降， 刀具导热体积减小，反 而会加快主后刀面的磨 损。 0 1.1.4 刀具几何角度 粗加工和承受冲击载荷的刀具，为了 使刀刃有足够强度，后角可选小些，一 般为46；精加工时切深较小，为 保证加工的表面质量，后角可选大一些 ，一般为812。 主偏角应根据加工对象正确选取， 车刀常用的主偏角有45、60、 75、90几种。 3）主偏角r 在基面内测量，是主 切削刃在基面上投影与 假定进给方向的夹角。 r的大小影响刀具寿 命。减小主偏角，主刃 参加切削的长度增加，
9、负荷减轻，同时加强了 刀尖，增大了散热面积 ，使刀具寿命提高。 r的大小还影响切削 分力。减小主偏角使吃 刀抗力增大，当加工刚 性较弱的工件时，易引 起工件变形和振动。 1.1.4 刀具几何角度 A r A 向 f 图1-4 车刀的主要角度 0 0 0 0 r r s r r A A 向 f 图1-4 车刀的主要角度 0 0 0 0 r r s 4）副偏角r r在基面内测量，是 副切削刃在基面上的投 影与假定进给反方向的 夹角。 副偏角的作用是为了 减小副切削刃与工件已 加工表面之间的摩擦， 以防止切削时产生振动 。副偏角的大小影响刀 尖强度和表面粗糙度。 1.1.4 刀具几何角度 r 在切深
10、、进给量和主偏角相同的 情况下，减小副偏角可使残留面积减 小，表面粗糙度降低。 a） b） c） 图1-5 刃倾角对排屑方向的影响 1.1.4 刀具几何角度 5）刃倾角s切削平面内测量，是主切削刃与基面的夹 角。当刀尖是切削刃最高点时,s定为正值；反之位负。 s影响刀尖强度和切屑流动方向。粗加工时为增强刀尖强度，s常 取负值；精加工时为防止切屑划伤已加工表面，s常取正值或零。 刀具工作角度 刀具安装对工作角度的影响 图1-6 车刀安装高度对工作角度的影响 re=r 0e=0 a） 0e0 b） 0e0 c） rer rer 1.1.4 刀具几何角度 刀具工作角度 式中角是主运动方向与 合成切削
11、速度方向间的夹 角。 进给运动对工作角度的影响 横切（图1-13） 0e=0- 0e=0+ 0 Ps Pse 图1-13 切断刀的工作角度 fx 0 00 00 e e （1-4） 1.1.4 刀具几何角度 （1-4a） tan W f D 纵切（图1-14） tan f w f d 在进给剖面，有： 将其换算到主剖面内得 到： 在主剖面内： oeo oeo （1-5） tantansin sin fr r w f D O O 图1-14 外圆车刀工作角度 f f o e o e d w o o f o r A C A O v f B C B f O dw f f fefe f f fefe
12、1.1.4 刀具几何角度 1.1.5 切削层截面参数切削层截面参数 切削层截面参数 切削厚度 （1-3） rD fhsin 切削宽度 （1-4） sin f bD 图1-17 切削层截面 hD = f f dw Dm ap a） r bD = ap b） c） ac aw pDDD fabhA 对刀具切削部分材料的要求 1）高的硬度和耐磨性 2）足够的强度和韧性 3）较好的耐热性 4）良好的工艺性 5）经济性 1.1.6 刀具材料 刀具材料的发展 1.1.5 刀具材料 图1-18 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系 切削速度（m/min） 2000 1000 500 200 100 50 2
13、0 10 1800 1850 1900 1950 2000 年代 碳素工具钢 合金工具钢 WC系硬质合金 高速钢 WC-TiC系硬质合金 涂层硬质合金 TiAlN涂层 硬质合金 DLC涂层 硬质合金 TiC-TiN金属陶瓷 聚晶立方 氮化硼 （PCBN） 陶瓷 聚晶金刚石 （PCD） 1.1.5 刀具材料 天然金刚石 PCBN PCD 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 硬质合金涂层 WC硬质 合金涂层 超细粒状硬 金属涂层 高速钢 TiN涂层 高速钢 断裂韧性 图1-19 刀具材料的耐磨性与断裂韧性 刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢 、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（ 天然
14、和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具 钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。 高速钢 高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元 素的高合金工具钢。 特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的23倍；2 ）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRC63以上， 且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。 应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉 刀、成型刀具、齿轮刀具等）。 1.1.5 刀具材料 常用刀具材料 表1-6 常用高速钢牌号及其应用范围 类别 牌 号 主 要 用 途 普通 高速钢 W18Cr4V 广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝 锥、齿轮刀具等 W6Mo5
15、Cr4V2 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的 刀具，如轧制钻头等 W14Cr4VMnRe 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的 刀具，如轧制钻头等 高 性 能 高 速 钢 高碳 95W18 Cr4V 用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求 较高的刀具 高矾 W12Cr4V4 Mo 用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀 具 超硬 W6Mo5Cr4V2Al 用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具 W10Mo4Cr4V3Al 耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀 具 W6Mo5Cr4V5SiN bAl 用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温 合金的钻头 W12Cr4V3 Mo3Co5Si
16、耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢 的刀具 W2Mo9Cr4VCo8 （M42） 用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作 复杂刀具，价格昂贵 1.1.5 刀具材料 硬质合金 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝 及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于
17、天然金 刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的 钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、 激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好， 因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金
18、刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立 铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐 热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用 于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、
19、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工 件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、 TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo 等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品 。 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削 速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质 合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大 ，抗振动和冲击性能也较差。 硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具 。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合 金制造，目前
20、，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加 工刀具等也开始应用硬质合金制造。 1.1.5 刀具材料 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝 及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金 刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异
21、，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的 钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、 激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好， 因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状
22、复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立 铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐 热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用 于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工 件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充
23、分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 表1-7 各种硬质合金的应用范围 牌 号 应 用 范 围 YG3X 铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷 YG3 铸铁、有色金属及其合金精加工、半精加工，不能承受冲击载荷 YG6X 普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工 YG6 铸铁、有色金属及其合金的半精加工和粗加工 YG8 铸铁、有色金属及合金、非金属材料粗加工，也可用于断续切削 YG6A 冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬 硬钢的半精加工和精加工 YT30 碳素钢、合金钢的精加工 YT15 碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，
24、亦可用于断 续切削时的精加工 YT14 同YT15 YT5 碳素钢、合金钢的粗加工，也可以用于断续切削 YW1 高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有 色金属及其合金的半精加工和精加工 YW2 高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有 色金属及其合金的粗加工和半精加工 抗弯 强度 、韧 性、 进给 量 硬度 、耐 磨性 、切 削速 度 抗弯 强度 、韧 性、 进给 量 硬度 、耐 磨性 、切 削速 度 抗弯强 度、韧 性、进 给量 硬度、 耐磨性 、切削 速度 1.1.5 刀具材料 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于
25、加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝 及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金 刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的 钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面
26、粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、 激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好， 因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立 铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。 聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒
27、度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐 热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用 于高精度铣削时可以代替磨削加工。 由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工 件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。 陶瓷刀具材料 陶瓷材料比硬质合金具有 更高的硬度（HRA9195） 和耐热性，在1200的温度 下仍能切削，耐磨性和化学
28、惰性好，摩擦系数小，抗粘 结和扩散磨损能力强，因而 能以更高的速度切削，并可 切削难加工的高硬度材料。 1.1.5 刀具材料 主要缺点是性脆、抗冲击 韧性差，抗弯强度低。 超硬刀具材料 天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋 利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命可达数百小 时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。 聚晶金刚石PCD由金刚石微粉在高温高压下聚合而成， 硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜， 焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。 金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶立方氮化硼（PCBN）由单晶立方氮化硼微粉在高 温高压下聚合而成。硬度
29、为HV 30004500，耐热性达 1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和 钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬 铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代 替磨削加工。 1.1.5 刀具材料 1.1.5 刀具材料 刀具材料种类 合金 高速钢 硬质合金 陶瓷 天然 聚晶金刚石 聚晶立方氮 工具钢 W18Cr4V YG6 Si3N4 金刚石 PCD 化硼 PCBN 材料性能 硬度 HRC65 HRC66 HRA90 HRA93 HV10000 HV7500 HV4000 抗弯强度 2.4GPa 3.2GPa 1.45GPa 0.8GPa 0.3GPa 2.8
30、GPa 1.5GPa 导热系数 40-50 20-30 70-100 30-40 146.5 100-120 40-100 热稳定性 350 620 1000 1400 800 600-800 1000 化学惰性 低 惰性大 惰性小 惰性小 惰性大 耐磨性 低 低 较高 高 最高 最高 很高 一般精度 Ra0.8 高精度 Ra=0.4-0.2 加工质量 Ra0.8 IT7-8 Ra=0.1-0.05 IT5-6 IT7-8 IT5-6 可替代磨削 加工对象 低速加 工一般 钢材、 铸铁 一般钢 材、铸 铁粗、 精加工 一般钢 材、铸 铁粗、 精加工 高硬度 钢材精 加工 硬质合金、铜、 铝有色
31、金属及其 合金、陶瓷等高 硬度材料 淬火钢、冷硬 铸铁、高温合 金等难加工材 料 表1-8 普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比 第第1章章 切削原理切削原理 Cutting Theory 机械制造技术基础机械制造技术基础 1.2 切屑的形成过程切屑的形成过程 Process of Chip Forming 1.2.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 直角切削 没有副刃参加切削，且s = 0。 图1-15 直角、斜角自由切削与不自由切削 a）直角切削）直角切削 b）斜角切削）斜角切削 c）不自由切削）不自由切削 切屑的形成与切离过程，是切削 层受到刀具前刀面的挤压而产生以 滑移为主的
32、塑性变形过程。 F A B O M 45 a）正挤压）正挤压 F A B O M 45 b）偏挤压）偏挤压 O M F c）切削）切削 正挤压：金属材料受挤压时，最大 剪应力方向与作用力方向约成45 偏挤压：金属材料一部分受挤压时 ，OB线以下金属由于母体阻碍，不 能沿AB线滑移，而只能沿OM线滑移 切削：与偏挤压情况类似。弹性变 形剪切应力增大，达到屈服点产 生塑性变形，沿OM线滑移剪切应 力与滑移量继续增大，达到断裂强度 切屑与母体脱离。 图1-16 金属挤压与切削比较 1.2.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 挤压与切削 图1-17 切屑根部金相照片 M 刀具 切屑 O A 终滑
33、移线 始滑移线：=s 剪切角 1.2.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 金属切削变形过程 1.2.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 金属切削变形过程 图1-18 切削变形实验设备与录像装置 第变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。 图1-19 切削部位三个变形区 第变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。 1.2.1 金属切削过程的变形金属切削过程的变形 三个变形区分析 第变形区：靠近前刀面处 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产
34、生积屑瘤的 主要原因。 1.2.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 形成 条件 影响 名称 简图 形态 变形 带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状 节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状 粒状 不规则块状颗粒 剪切滑移尚未达 到断裂程度 局部剪切应力达到断 裂强度 剪切应力完全达 到断裂强度 未经塑性变形即 被挤裂 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低 加工硬脆材料， 刀具前角较小 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑 切削过程欠平稳， 表面粗糙度
35、欠佳 切削力波动较大， 切削过程不平稳， 表面粗糙度不佳 切削力波动大，有 冲击，表面粗糙度 恶劣，易崩刀 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑 表1-9 切屑类型及形成条件 1.2.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 切屑类型 带状切屑 挤裂切屑 节状切屑 崩碎切屑 图1-20 切屑形态照片 1.2.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 切屑控制 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果（图1-21） 图1-21 切屑的卷曲 图1-22 断屑的产生 断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑
36、装置， 图1-22） 切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层的变形程度。 Lch 1.2.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 LD 图1-23 切屑与切削层尺寸 厚度变形系数 （1-11） D ch h h h 长度变形系数 ch D L L L （1-12） 变形系数 1.2.2 切屑类型与变形系数切屑类型与变形系数 当0 = 030，h 1.5时， h与相近 主要反映第变形区 的变形，h还包含了第 变形区的影响。 O M 0 图1-24 相对滑移系数 )cos(sin cos 0 0 y S （1-13） 相对滑移系数 粘结区：高温高压使切屑底 层软
37、化，粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中，形成长度为lfi的 粘接区。切屑的粘接层与上层 金属之间产生相对滑移，其间 的摩擦属于内摩擦。 1.2.3 切屑与前刀面的摩擦变形切屑与前刀面的摩擦变形 图1-25 切屑与前刀面的摩擦 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。 滑动区：切屑在脱离前刀面 之前，与前刀面只在一些突出 点接触，切屑与前刀面之间的 摩擦属于外摩擦。 lfo lfi 特点 两个摩擦区 积屑瘤成因 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化 增大前角，保护刀刃 影响加工精度和表面 粗糙度 滞留粘接长大
38、 积屑瘤形成过程 积屑瘤影响 切屑 刀具 图1-26 积屑瘤 积屑瘤 1.2.3 切屑与前刀面的摩擦变形切屑与前刀面的摩擦变形 1.2.4 已加工表面的变形已加工表面的变形 n 切削刃存在刃口圆弧， 导致挤压和摩擦，产生 第变形区。 A点以上部分沿前刀面 流出，形成切屑；A点 以下部分受挤压和摩擦 留在加工表面上，并有 弹性恢复。 hD hD h A C F E 图1-27 已加工表面变形 A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。 变形原因 变形情况 应力分布 1.2.5 硬脆非金属材料切屑形成机理硬脆非金属材料切屑形成机理 GGC （1-17）
39、式中 G 裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能 释放率）； GC 裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩 展阻力）。 K1K1C （1-18） 式中 K1 应力强度因 子； K1C K1临界值。 脆性断裂条件 对于型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断 裂条件为： 1.2.5 硬脆非金属材料切屑形成机理硬脆非金属材料切屑形成机理 脆性材料切削过程 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图1-28） a） b） c） d） e） 图1-28 硬脆材料切削过程 a）大规模挤裂（大块破碎切除） b）空切 c）小规模挤裂（小块破碎切除） d）小规模挤裂（次小块破碎切除） e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）
40、 第第1章章 切削原理切削原理 Cutting Theory 机械制造技术基础机械制造技术基础 1.3 切削力切削力 Cutting Force r Fc F Fp Ff p Ff Ff p Ff p f v 图1-30 切削力的分解 1.3.1 切削力的来源与分解切削力的来源与分解 切削力来源 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力 F 切削合力 Fc 主切削力 Fp 吃刀抗力 Ff 进给抗力 切削力分解 1.3.2 切削力经验公式切削力经验公式 切削力经验公式 （1-26） 式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf
41、 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； zFc , zFf , zFp 切削速度对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。 p p F p F p F p f f F f F f F f c c F c F c F c F zyx pFp F zyx pFf F zyx pFc kvfaCF kvfaCF kvfaCF 1.3.2 切削力经验公式切削力经验公式 1 FFF ccc ccc Fc xyx FpFFp c y Dp p CafKCa F p Aafaf
42、（1-27） 单位切削力 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1） 式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。 （1-28） 3 10() cc PFvKW 切削功率 1.3.2 切削力经验公式切削力经验公式 机床电机功率 单位切削功率 式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 （1-30） 63 0 10(/) c c P ppKW s mm V () c E P PKW （1-29） 指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率 1.3.3 影响切削力因素影响切削力因素 工件材料 背吃刀量与切削 力近似成正比； 进给量增加，切 削力增加，但不成 正比； 切
43、削速度对切削 力影响复杂（图3- 16） 强度高 加工硬化倾向大 切削力大 5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981 784 588 主切削力Fc（N） 图1-31 切削速度对切削力的影响 切削用量 1.3.3 影响切削力因素影响切削力因素 前角0 增大，切削力减小（图1-32） 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ r Fp，Ff，图1-33） 图1-32 前角对0切削力的影响 前角0 切削力F 0 - Fc 0 Fp 0 Ff 图1-33 主偏角r对切削力的影响 主偏角r / 切削力/ N 30 45 60 75 90 r -
44、 Fc r Ff r Fp 200 600 1000 1400 1800 2200 刀具几何角度影响 1.3.3 影响切削力因素影响切削力因素 刀具几何角度影响 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃 刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff） 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和 进给抗力影响显著（ r Fp，Ff） ； 其他因素影响 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦 ，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最 为显著 ； 第第1章章 切削原理切削原理 Cutting Theory 机械制造技术基础机械制造技术基础 1.4 切削热与切削温度切削热与切削温度 Cutting Heat and Cutting Temperature 1.4.1 切削热的来源与传出切
