1、第二章 切削加工的理论基础,2.1 金属切削层的变形 2.2 切削力和切削功率 2.3 切削热和切削温度 2.4 刀具磨损和耐用度,目 录,2.1 金属切削层的变形,目 录2.1.1 切屑形成2.1.2 金属切削层的三个变形区 2.1.3 变形程度的表示方法2.1.4 切屑变形的变化规律2.1.5 切屑的类型与控制,金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。,2.1.1切屑形成,2.1.2 切削变形的三个变形区,积屑瘤,2.1.2 切削变形的三个变形区,切削钢、球墨铸铁、和铝合金等塑性金属时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下，常常有一
2、些从切屑和工件上来的金属冷焊(黏结)并层积在前刀面上，形成硬度很高的楔块，它能够代替刀面和切削刃进行切削，这个楔块称为积屑瘤。积屑瘤的硬度可达工件材料硬度的23.5倍。,积屑瘤对加工的影响有以下几个方面：(1) 积屑瘤可以代替切削刃和前刀面进行切削，从而保护切削刃和前刀面，减少刀具的磨损； (2) 积屑瘤的存在使刀具在切削时具有更大的实际前角，减小了切屑的变形，切削力下降； (3) 积屑瘤具有一定的高度，其前端伸出切削刃之外，使实际的切削厚度增大；另外在切削过程中积屑瘤是在不断的生长和破碎的，所以积屑瘤的高度也在不断变化，导致了实际切削厚度的不断变化，使工件的尺寸精度降低。同时部分积屑瘤的碎片
3、会嵌入工件已加工表面，影响工件的表面质量； (4) 不稳定的积屑瘤不断地生长、破碎和脱落，积屑瘤脱落时会剥离前刀面上的刀具材料，加剧了刀具的磨损。,2.1.2 切削变形的三个变形区,避免积屑瘤产生的常用的方法有： (1) 选择低速或高速加工，避开容易产生积屑瘤的切削速度区间。例如，高速钢刀具采用低速宽刀加工，硬质合金刀具采用高速精加工；(2) 采用冷却性和润滑性好的切削液，减小刀具前刀面的粗糙度等；(3) 增大刀具前角，减小前刀面上的正压力；(4) 采用预先热处理，适当提高工件材料硬度、降低塑性，减小工件材料的加工硬化倾向。,2.1.2 切削变形的三个变形区,变形系数,切屑厚度hch与切削层厚
4、度hD之比，称为厚度变形系数切削层长度lD与切屑长度lch之比，称为长度变形系数,2.1.3 变形程度的表示方法,切削层变成切屑后宽度的变化很小，根据体积不变原理 变形系数是大于1的数，它直观地反映了切屑变形程度，并且比较容易测量。,2.1.3 变形程度的表示方法,2.1.5 切屑变形的变化规律,1. 工件材料,100 210 315 420Cr 520 69Cr 7T8-1 830 92Cr13 1040CrWSi 1135Cr3MoNi 1240 1360 1450 1518CrNi3 161Cr18Ni9Ti 17T8 18T12 1935CrNi3,2. 刀具,刀具几何参数中影响变形系
5、数最大的是前角o。实验结果表明： 刀具前角o越大，变形系数越小。,2.1.5 切屑变形的变化规律,3. 切削用量,1) 切削速度v的影响,2.1.5 切屑变形的变化规律,2) 进给量f的影响 当v比较低时，曲线有驼峰。这是由于积屑瘤的消长和切削温度的影响导致的。,2.1.5 切屑变形的变化规律,3) 背吃刀量ap的影响 ap对变形系数的影响很微小。,2.1.5 切屑变形的变化规律,1. 切屑的基本类型,2.1.4 切屑的类型与控制,2. 切屑的形状,2.1.4 切屑的类型控制,卷屑和断屑,2.1.4 切屑的类型与控制,2.1.4 切屑的类型与控制,2.2 切削力和切削功率,2.2.1 切削力的
6、来源 2.2.2 切削合力、分力及功率 2.2.3 切削力的测量 2.2.4 切削力经验公式的建立 2.2.5 影响切削力的因素,目录,2.2.1 切削力的来源,切削力来源于三个方面 (1) 克服被加工材料弹性变形的抗力； (2) 克服被加工材料塑性变形的抗力； (3) 克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。,1. 切削合力和分力,F可以分解为相互垂直的三个分力，即进给力Ff 、背向力Fp和切削力Fc,2.2.2 切削合力、分力及功率,2. 切削功率,单位时间消耗在切削过程中的功称为切削功率Pc,2.2.2 切削合力、分力及功率,进给运动相对于主运动消耗的功很少(
7、小于1%2%)，可以忽略不计 求出Pc之后，如要计算机床电机功率Pe ，还应将Pc除以机床传动效率c即可,指数公式,在生产实际中计算切削力的经验公式常用指数公式,2.2.3 切削力经验公式的建立,1. 工件材料,工件材料强度、硬度越高，则s越大，切削力Fc也随之增大。,2.2.4 影响切削力的因素,工件材料的强度、硬度相近时，塑性越大的材料，发生的塑性变形也越大，所以切削力也越大。 同一材料的热处理状态不同、金相组织不同也会影响切削力的大小。 铸铁等脆性材料，由于切削层塑性变形小，且切屑为崩碎切屑，刀-屑摩擦小，所以加工铸铁时切削力比钢小,2. 切削用量,ap和f 的大小决定切削层公称横截面积
8、的大小。因此，ap和f 的增加均会使Fc增大，但两者的影响程度不同。ap增大，Fc成正比线性增大。 f 增大，Fc成正比非线性增大。,2.2.4影响切削力的因素,2.2.4 影响切削力的因素,加工钢时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。,加工铸铁时，切削速度v与切削力Fc的关系曲线。,2.2.4 影响切削力的因素,3. 刀具几何角度,前角o对切削力的影响最大。,2.2.4 影响切削力的因素,r对Fc的影响不大，对Fp、Ff的影响较大。,2.2.4 影响切削力的因素,s对Fc影响不大，而对Fp、Ff影响较大。,2.2.4 影响切削力的因素,4. 其他因素,(1) 刀具材料与工件材料的摩擦系数越小
9、，切削力越小。各类刀具材料中，摩擦系数按高速钢、YG类硬质合金、YT类硬质合金、陶瓷、金刚石的顺序依次减小。 (2) 使用润滑性能好的切削液，能有效减少摩擦，使切削力减小。 (3) 刀具后刀面磨损后，刀具与工件的摩擦增大，切削力增大。Fp增加的速度最快，Fc增加的速度最慢。因此要及时更换和刃磨刀具。 (4) 刀具的前后刀面刃磨质量越好，刀具与工件的摩擦系数就越小，切削力也越小。,2.2.4 影响切削力的因素,2.3 切削热和切削温度 目 录,2.3.1 切削热的产生和传出 2.3.2 切削温度及其分布和测量 2.3.3 影响切削温度的主要因素,返回目录,1. 热源,切削热的来源主要有三方面：
10、（1）切屑与刀具前刀面之间摩擦所消耗的摩擦功。 （2）工件与刀具后刀面之间摩擦所消耗的摩擦功。 （3）切削层金属在刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形所消耗的变形功。与此相对应，切削热产生在三个区域，即剪切面、切屑与刀具前刀面接触区、工件与刀具后刀面接触区。,2.3.1 切削热的产生和传出,2. 切削热的传播,切削热传散出去的途径主要是切屑、工件、刀具和周围介质(如空气、切削液等)，影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。 切屑与刀具的接触时间也会影响切削温度。不同的切削加工方法，切削热沿不同传导途径传递出去的比例也各不相同。,2.3.1 切削热的产生和传出,通过实验得
11、到切削温度的经验公式。,2.3.3 影响切削温度的主要因素,1. 切削用量通过对比表中数据可知xyz，说明切削用量三要素对切削温度的影响vf ap，这与它们对切削力的影响程度正好相反。,2.3.2影响切削温度的主要因素,1) 切削速度v,2.3.2 影响切削温度的主要因素,2) 进给量f,2.3.2 影响切削温度的主要因素,3) 背吃刀量ap,2.3.2影响切削温度的主要因素,2. 刀具几何参数,1) 前角o对切削温度的影响,2.3.2 影响切削温度的主要因素,2) 主偏角r对切削温度的影响,2.3.2 影响切削温度的主要因素,3) 负倒棱宽度br和刀尖圆弧半径r对切削温度的影响 负倒棱宽度在
12、(02)f范围内变化，刀尖圆弧半径在01.5mm范围内变化，基本上不会影响切削温度。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,3. 工件材料,1) 工件材料的强度、硬度越高，切削力越大，切削时消耗的功也越多，产生的切削热也越多，切削温度也就越高。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,2) 合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,3) 不锈钢1Cr18Ni9Ti和高温合金GH131不但导热系数低，而且在高温下仍能保持较高的强度和硬度。所以切削这种类型的材料时，切削温度比切削其他
13、材料要高得多。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,4) 脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也很小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。,2.3.2影响切削温度的主要因素,4. 刀具磨损,刀具磨损后，切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区的金属的塑性变形增加。同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与刀具的摩擦加大，两者均使切削热的产生增加。所以，刀具磨损是影响切削温度的重要因素。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,5. 切削液,切削液对降低切削温度、减少刀具磨损和提高已加工表面质量有明显的效果，在切削加
14、工中应用很广。切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有很大关系。从导热性能来看，水基切削液乳化液油类切削液。,2.3.2 影响切削温度的主要因素,2.4 刀具磨损与刀具耐用度,2.4.1 刀具磨损的形式 2.4.2 刀具磨损的原因 2.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准 2.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系,返回目录,切削时，刀具的前刀面与切屑、后刀面与工件常常相互挤压和剧烈摩擦，产生很高的温度。因此磨损发生在刀具的前刀面和后刀面上，前刀面磨损形成月牙洼，后刀面磨损形成磨损带，通常前、后刀面的磨损是同时发生，相互影响的。,2.4.1 刀具磨损的形式,2
15、.4.1 刀具磨损的形式,1. 硬质点磨损,2.4.2 刀具磨损的原因,硬质点磨损也称机械磨损是由于工件材料中的杂质、基体组织中的硬质点(如碳化物、氮化物和氧化物等)以及积屑瘤碎片等，在刀具表面上划出一条条沟纹造成的磨损。刀具在各种切削速度下都存在硬质点磨损，但它是低速刀具(如拉刀、板牙、丝锥等)磨损的主要原因。,2. 粘结磨损,2.4.2 刀具磨损的原因,黏结是在摩擦面的实际接触面积上，在足够大的压力和高温作用下，刀具和工件材料接触到原子间距离时发生结合的冷焊现象。两摩擦表面的黏结点因相对运动将发生撕裂而被对方带走，如果黏结处的破裂发生在刀具这一方，就会造成刀具的损耗，这就是刀具的黏结磨损。
16、黏结磨损程度取决于切削温度、刀具和工件材料的亲和力、刀具和工件材料硬度比、刀具表面形状与组织和工艺系统刚度等因素。,3. 扩散磨损,2.4.2 刀具磨损的原因,当刀具与工件材料的化学元素浓度相差较大时，它们就会在固态下互相扩散到对方中去，引起摩擦面两侧刀具和工件材料化学成分的改变，使刀具材料性能下降，从而造成刀具磨损，这种磨损称为扩散磨损。 扩散磨损是中高速切削时，硬质合金刀具磨损的主要原因，它往往和黏结磨损同时发生。 扩散磨损的速度主要与切削温度、工件和刀具材料的化学成分等因素有关。还和切屑底层在刀具表面上的流动速度有关。,4. 化学磨损,2.4.2 刀具磨损的原因,切削时在一定温度下，刀具
17、与周围介质的某些成分(如空气中的氧、切削液中的极压添加剂硫、氯等)起化学作用，在刀具表面形成一层硬度较低的化合物，而被切屑带走，加速了刀具的磨损，或者因为刀具材料被某种介质腐蚀，造成刀具损耗，这些被称为化学磨损。,2.4.2 刀具磨损的原因,对于一定的刀具材料和工件材料，切削温度对于刀具磨损具有决定性的影响。切削温度低时，由工件材料中硬质点的刻划作用导致的硬质点磨损或机械磨损占主导地位。切削温度高时，由受切削温度影响较大的扩散磨损、化学磨损占主导地位。,1硬质点磨损 2粘结磨损 3扩散磨损 4热化学磨损,1. 磨损过程,2.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准,1) 初期磨损阶段 该阶段磨损曲线的斜
18、率较大，这意味着刀具磨损很快。,2.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准,2) 正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具的后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小。同时刀具的表面已经被磨平，磨损量的增加减缓并稳定下来，刀具进入正常磨损阶段。,2.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准,3) 急剧磨损阶段 刀具经过正常磨损阶段后，切削刃明显变钝，引起切削力、切削温度迅速增大。这时进入急剧磨损阶段，这一阶段磨损曲线斜率很大，表现为刀具磨损速度很快。,2. 磨钝标准,2.4.3 刀具磨损过程及磨钝标准,根据加工情况规定一个最大的允许磨损量，这就是刀具的磨钝标准。,1. 刀具耐用度,2.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关
19、系,1) 刀具耐用度的定义 刃磨后的刀具从开始使用，直至磨损量达到磨钝标准为止时的切削总时间(不包括对刀、测量、快进、回程等非切削时间)称为刀具耐用度，用T来表示。 2) 刀具耐用度与刀具寿命的关系 刀具寿命是指一把新刀具从投入使用直到报废为止的总的切削时间，其中包括多次重磨，因此刀具的寿命等于刀具耐用度与重磨次数的乘积。,2. 刀具耐用度方程,2.4.4 刀具耐用度及其与切削用量的关系,提高切削速度，刀具的耐用度就会降低，其关系可以在实验中采用单因素法(其他切削条件不变，只改变切削速度)获得。,用理论分析方法导出的切削速度与刀具耐用度之间的数学关系，与实际情况不尽相符，所以还是通过刀具耐用度
20、实验来建立它们之间的经验公式，其一般形式为,式中 vc切削速度(m/min)；T刀具耐用度(min)；m指数，表示vc对T的影响程度；C0系数，与刀具、工件材料和切 削条件有关。,切削时，增大进给量f和背吃刀量asp，刀具耐用度将降低。经过实验，可以得到与式(2-12)类似的关系式：,综合式(2-12)和式(2-13)，可得到切削用量与刀具耐用度的一般关系式,式中 CT耐用度系数，与刀具、工件材 料和切削条件有关；x、y、z指数，分别表示各切削 用量对刀具耐用度的影 响程度。 用YT5硬质合金车刀切削b=0.637 GPa的碳钢时,切削用量(f 0.7 mm/r)与刀具耐用度的关系为：,从上式
21、可以看出:在切削用量三要素中，切削速度对刀具耐用度影响最大，其次是进给量，影响最小的是背吃刀量。,小结,在切削塑性金属的过程中，工件材料受到刀具前刀面的推挤，发生变形，最终被撕裂下来形成切屑，这个过程中存在着三个变形区。 以剪切滑移为特征的第一变形区和以内摩擦为特征的第二变形区的变形程度决定着切屑的形态、切削力的大小和切削温度的高低。切屑变形的大小可以用相对滑移或变形系数表示，不同的加工状态生成带状、节状、粒状和崩碎四种类型的切屑，随工件材料、刀具和切削用量等因素的改变其切屑形态也会发生转化。,返回目录,切削力、切削温度是衡量切削状态的重要指标，可以通过实验获得，是切削中变形、摩擦等内部变化的
22、外在表现，它们相互关联且与工件、刀具和切削用量等因素有关。切削力来源于(1)克服被加工材料弹性变形的抗力(2)克服被加工材料塑性变形的抗力(3)克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和已加工表面对刀具后刀面的摩擦力。在生产实际中计算切削力的经验公式可以分为两类：一类是指数公式；另一类是按单位切削力进行计算。切削温度是影响刀具磨损的最重要因素，对它的控制主要从热源和散热途径两个方面采取措施，对切削温度分布的研究有助于探寻切削的规律。 刀具的磨损形式有前刀面磨损、后刀面磨损和边界磨损，产生磨损的机理有机械磨损、黏结磨损、扩散磨损、化学磨损和热电磨损，这些磨损机理往往同时起作用，在不同的切削条件下，要分
23、析哪一个在起主导作用。刀具磨损的过程大致分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段，正常磨损阶段是刀具的有效工作阶段，在急剧磨损阶段到来之前，就要及时换刀或更换新切削刃。制定合理的刀具磨钝标准对提高生产效率、保证加工质量和控制生产成本很有意义。利用刀具达到磨钝标准时的纯切削时间作为刀具耐用度来衡量刀具材料切削性能，刀具耐用度与切削用量之间的关系可以通过刀具耐用度方程来加以研究。,返回目录,以外摩擦为特征的第三变形区决定着已加工表面质量的好坏，已加工表面质量是从表面粗糙度、加工硬化和残余应力等方面来衡量，已加工表面微观几何不平度的高度称为粗糙度，它产生的原因有(1)几何因素产生的粗糙度，也称为理论
24、粗糙度，由切削运动和刀具的几何形状产生，主要取决于残留面积的高度。(2)由于切削过程不稳定因素所产生的粗糙度，包括积屑瘤、鳞刺、切削变形、刀具的边界磨损、切削刃与工件相对位置变动等。已加工表面硬度往往是基体的120%200%，表面层的硬化可以使零件的耐磨性提高，但是也增加了后续加工的难度和刀具磨损，加工硬化通常以硬化程度N和硬化层深度hd表示。当切削力的作用取消后，工件表面保持平衡而存在的应力称残余应力。残余应力有压应力和拉应力之分，压应力有时能提高零件的疲劳强度，但拉应力则会产生裂纹，使疲劳强度下降。另外，应力分布不均匀会使零件产生变形，从而影响零件精度，对精密零件的正常工作极为不利。产生残余应力的原因有塑性变形引起的应力、切削温度引起的热应力和相变引起体积应力三种。 所以应认真研究金属切削的过程，分析各种因素之间的相互关系以及它们对切削过程的影响，进而探索有效地控制措施，从而用理论来指导生产实践。,
