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1、第三章第三章 金属切削过程金属切削过程的基本规律的基本规律 金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量，金属切削过程是刀具从工件表面上切除金属余量，获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产获得符合要求的已加工表面的过程。在这个过程中将产生许多物理现象，如生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损切削力、切削热、刀具磨损等，这等，这些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而生产实践中出现的实践中出现的积屑瘤、鳞刺、振动积屑瘤、鳞刺、振动等问题，又都同切削等问题，又都同切削过程中的变形规律有关。因此，研究和掌握切削过程中过程中的变形规律有关
2、。因此，研究和掌握切削过程中的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选择切削用量，提高生产效率，工件的加工质量和降低生择切削用量，提高生产效率，工件的加工质量和降低生产成本都有重要的意义。产成本都有重要的意义。 1898年年Taylor和和White发明高速发明高速 钢。钢。1930年前后人们又发明了硬质合金。年前后人们又发明了硬质合金。 新的刀具材新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。以高速应用范围越来越广。以高速 钢的应用为例，钢的应用为例，Trent在他的名著在他的名著
3、Metal Cutting中写到中写到“高速钢刀具的出现引起了高速钢刀具的出现引起了 金属切削实践的金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率，革命，大大提高了机械加工车间的生产率，并要求完全改变机床的结构并要求完全改变机床的结构 ，据估计，在最，据估计，在最初几年，美国的工程制造业，由于使用了价初几年，美国的工程制造业，由于使用了价值二千万美元的高速钢而值二千万美元的高速钢而 增加了八十亿美元增加了八十亿美元的产值。的产值。” 与此同时，生产实际也给金属切与此同时，生产实际也给金属切削研究者带来了许多急需解决的问题，例如削研究者带来了许多急需解决的问题，例如刀具刀具 的耐用度，加工表
4、面质量，切屑的排除的耐用度，加工表面质量，切屑的排除等等。等等。 1907年年Taylor在整整工作了在整整工作了26年切除了年切除了3万吨切屑，掌握了万吨切屑，掌握了10万个以上的实验数据的万个以上的实验数据的基基 础上，在他经典的论文础上，在他经典的论文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公中提出了著名的刀具耐用度公式，式， 第一个研究了切削速度和刀具耐用度之第一个研究了切削速度和刀具耐用度之间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度间的关系。这一公式对今天预测刀具耐用度仍有仍有 重要的指导意义。有些学者认为金属切重要的指导意义。有些学者认为金属切
5、削理论的研究是从削理论的研究是从Taylor开始，虽不确切，但开始，虽不确切，但 Taylor的工作确实是金属切削理论史上一个重的工作确实是金属切削理论史上一个重要的里程碑。要的里程碑。 传统意义上的金属切削理论研究在二十传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达世纪六七十年代达 到高峰到高峰第三章第三章 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节第一节 切削变形与切屑的形成过程切削变形与切屑的形成过程第二节第二节 切削力切削力第三节第三节 切削热与切削温度切削热与切削温度第四节第四节 刀具磨损与寿命刀具磨损与寿命第三章第三章 金属切削过程的基本规律金属切削过程的基本规律第一节
6、第一节 切削变形与切屑的形成过程切削变形与切屑的形成过程 塑性金属受挤压，塑性金属受挤压， 随外力随外力F的增加，金属内部应力增加，的增加，金属内部应力增加，先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发先产生弹性变形继而产生塑性变形，使金属的晶格沿晶面发生滑移，最后产生破裂。生滑移，最后产生破裂。 研究条件：直角自由切削研究条件：直角自由切削切削变形的力学本质：切削变形的力学本质：切削金属形成切屑的切削金属形成切屑的过程是一个类似于金过程是一个类似于金属材料受挤压作用，属材料受挤压作用，产生塑性变形进而产产生塑性变形进而产生剪切滑移的变形过生剪切滑移的变形过程。程。金属试件受挤压时，在
7、其内部产生金属试件受挤压时，在其内部产生主应力的同时，还将在与作用力大主应力的同时，还将在与作用力大致成致成45方向的斜截面内，产生最方向的斜截面内，产生最大切应力，在切应力达到屈服强度大切应力，在切应力达到屈服强度时将在此方向剪切滑移。时将在此方向剪切滑移。刀具切削时相当于局部挤压，刀具切削时相当于局部挤压，使金属沿最大剪应力方向产生使金属沿最大剪应力方向产生滑移。滑移。以直角自由切削为例，如果忽略了摩擦、温度、和应变速度的影响，金属切削过程如同压缩过程，切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。塑性金属受压缩时，随着外力的增加，金属先后产生弹性变形、塑性变形，并使金属晶格产生滑移，而后断裂第一变形
8、区：（基本变形区）第一变形区：（基本变形区）OAOM之间的区域，是切削之间的区域，是切削过程中的主要变形区，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。力和切削热的主要来源。主要特征：主要特征：剪切面的滑移变形剪切面的滑移变形第二变形区：第二变形区：切屑底层与前刀面之间的摩擦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变形区。主要影响切屑的变形和积屑瘤的产生。和积屑瘤的产生。第三变形区第三变形区第二变形区第二变形区第一变形区第一变形区第三变形区：第三变形区：工件已加工表面与刀具后刀面之工件已加工表面与刀具后刀面之间的挤压、摩擦变形区域。间的挤压、摩擦变形区域。造成工件表面的纤
9、维化与加工硬造成工件表面的纤维化与加工硬化。化。该区域对工件表面的残余应力以该区域对工件表面的残余应力以及后刀面的磨损有很大的影响。及后刀面的磨损有很大的影响。1. 第第变形区变形区 : 塑性变形区塑性变形区,因为晶粒的位错滑移而形成。因为晶粒的位错滑移而形成。 塑性变形从始滑移面塑性变形从始滑移面OA开始至终滑移面开始至终滑移面OM终了，之间终了，之间形成形成AOM塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间塑性变形区，由于塑性变形的主要特点是晶格间的剪切滑移，所以的剪切滑移，所以AOM叫剪切区，也称为第一变形区叫剪切区，也称为第一变形区()。第第I变形区的金属变形区的金属变形特点变形特点：沿
10、滑移线的：沿滑移线的剪切滑移变形剪切滑移变形和和加工硬化加工硬化。A M hD hch 刀具 一般速度范围内一般速度范围内区宽度为区宽度为0.02.2mm，速，速度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑度越高，宽度越小，可看作一个剪切平面或称滑移面移面 剪切角剪切角 : 剪切面和切削速度方向的夹角。剪切面和切削速度方向的夹角。 值小，反映剪切变值小，反映剪切变形的程度大形的程度大 实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的实验证明，对于同一工件材料，用同样的刀具，切削同样大小的切削层，当切削速度高时，剪切角切削层，当切削速度高时，剪切角较大，剪切面积变小切削比较大，剪切面积变小
11、切削比较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角较省力，说明切屑变形较小。相反，当剪切角较小，则说明切较小，则说明切屑变形较大屑变形较大滑移面与作用力方向夹角为45滑移面与晶格变形伸长方向夹角为第第变形区变形区 切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面切屑沿刀具前面排出时会进一步受到前刀面的阻碍，在刀具和切屑界面之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生之间存在强烈的挤压和摩擦，使切屑底部靠近前刀面处的金属发生“纤纤维化维化”的二次变形，的二次变形，其方向基本上和前面相平行其方向基本上和前面相平行。这部分区域称为第二。这部分区域称为第二变形区（变形区（）。）
12、。纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流纤维化金属粘附在前刀面上，使其流动速度非常低，这种切屑底层流动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀动速度较其它部分缓慢的现象称为滞流现象，该金属层叫滞流层。刀屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。屑这种摩擦实质上是切屑底层内的剪切滑移。变形性质为塑性变形。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。造成前刀面的磨损和积屑瘤的形成。第第变形区变形区 第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后第一变形区的塑性变形扩展到切削层的下方金属，在后刀面的法向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑刀面的法
13、向力和摩擦力的作用下，使工件继续产生径向的塑性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对已加工表性变形和弹性变形。该变形区的变形及应力状态对已加工表面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、面的质量影响最大。会造成已加工面塑性变形、晶粒纤维化、加工硬化和残余应力。加工硬化和残余应力。引起变形的主要因素：引起变形的主要因素： 刀刃都有钝圆半径刀刃都有钝圆半径 刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总刀刃不可能绝对锋利，不管采用何种方式刃磨，刀刃总会有一钝圆半径会有一钝圆半径rn。一般高速钢刃磨后。一般高速钢刃磨后rn为为310m，硬质，硬质合金刀具磨后约合金刀具磨后约1832
14、m，如采用细粒金刚石砂轮磨削，如采用细粒金刚石砂轮磨削， rn最小可达到最小可达到36m。另外，刀刃切削后就会产生磨损，。另外，刀刃切削后就会产生磨损，增加刀刃钝圆。增加刀刃钝圆。 被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切被切金属与基体的分离点在该圆弧段上是随机的。使切削层参数中公称切削厚度不可能完全切除削层参数中公称切削厚度不可能完全切除(a)，会有很小一，会有很小一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一部分被挤压到已加工表面，与刀具后刀面发生摩擦，并进一步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量步产生弹、塑性变形，从而影响已加工表面质量刀具由于磨损，在后刀面上会产生一
15、无后角的磨损平面刀具由于磨损，在后刀面上会产生一无后角的磨损平面(BC)。 由于工件材料的弹性恢复由于工件材料的弹性恢复( h)，使已加工表面与后刀面接，使已加工表面与后刀面接触变长。触变长。 纵上所述，金属切削过程的本质就是：纵上所述，金属切削过程的本质就是：被切削金属层在刀具被切削金属层在刀具的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程的作用下，经受挤压而产生的剪切滑移变形的过程。第第变形区变形区: : 剪切滑移变形区剪切滑移变形区 物理现象：物理现象：产生切屑产生切屑第第变形区变形区: : 前刀面挤压摩擦变形区前刀面挤压摩擦变形区 ( (与前刀面接触的切屑层内产生的变形区与前刀面接触的切
16、屑层内产生的变形区) )； 物理现象：物理现象：产生积屑瘤产生积屑瘤第第变形区变形区: : 后刀面挤压摩擦回弹区变形区后刀面挤压摩擦回弹区变形区 （近切削刃处已加工表层内产生的变形区。近切削刃处已加工表层内产生的变形区。) ) 物理现象：物理现象：产生加工硬化产生加工硬化 （2 2）节状切屑）节状切屑 又称挤又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生大、刀具前角较小时常产生此类切屑。此类切屑。 （1 1）带状切屑）带状切屑 它的内它的内表面是光滑的，外表面呈毛表面
17、是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。件下常形成此类切屑。 一、切屑的类型一、切屑的类型 （4 4）崩碎切屑）崩碎切屑 切削切削脆性金属脆性金属时，金属层在弹性变形后一般不经过塑时，金属层在弹性变形后一般不经过塑性变形突然崩裂形成性变形突然崩裂形成不规则的碎块状切不规则的碎块状切屑屑切削厚度越大越易得到这类切屑。切削厚度越大越易得到这类切屑。 （3 3）粒状切屑）粒状切屑 又称单元切屑。大小又称单元切屑。大小较均匀的较均匀的颗粒状切屑颗粒状切屑. .
18、在切屑形成过程中，在切屑形成过程中，如剪切面上的剪切应力超过了材料的断裂如剪切面上的剪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，形成强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。粒状切屑。切削条件：一般采用切削条件：一般采用小前角或负前角小前角或负前角，以，以时易产生此种时易产生此种切屑。实际生产中很少见。切屑。实际生产中很少见。形成条件影响名称名称简图形态变形带状，底面光滑带状，底面光滑，背面呈毛茸状，背面呈毛茸状节状，底面光滑有裂节状，底面光滑有裂纹，背面呈锯齿状纹，背面呈锯齿状粒状粒状不规则块状颗粒不规则块状颗粒剪切滑移尚未达剪切滑移尚未达到断裂程度到断裂程度局部剪切应力达到
19、断局部剪切应力达到断裂强度裂强度剪切应力完全达剪切应力完全达到断裂强度到断裂强度未经塑性变形即未经塑性变形即被挤裂被挤裂切削塑性材料，切削塑性材料，速度高，切削厚速度高，切削厚度小度小 前角大前角大加工塑性材料，加工塑性材料，切削速度较低，切削速度较低，进给量较大，进给量较大， 刀具前角较小刀具前角较小工件材料硬度较工件材料硬度较高，韧性较低，高，韧性较低，切削速度较低切削速度较低加工硬脆材料，加工硬脆材料， 刀具前角较小刀具前角较小切削过程平稳，切削过程平稳，表面粗糙度小，表面粗糙度小， 妨碍切削工作，妨碍切削工作，应设法断屑应设法断屑切削过程欠平稳，切削过程欠平稳，表面粗糙度欠佳表面粗糙度
20、欠佳切削力波动较大，切削力波动较大，切削过程不平稳，切削过程不平稳，表面粗糙度不佳表面粗糙度不佳切削力波动大，有切削力波动大，有冲击，表面粗糙度冲击，表面粗糙度恶劣，易崩刀恶劣，易崩刀带状切屑带状切屑挤裂切屑挤裂切屑单元切屑单元切屑崩碎切屑崩碎切屑切屑的类型与控制切屑的类型与控制切屑的类型切屑的类型 （按切屑的形成机理按切屑的形成机理 ）节状切屑带状切屑切塑性材料：切塑性材料： 带状切屑带状切屑 节状切屑节状切屑 粒状切屑粒状切屑切削平稳，力波动小切削平稳，力波动小 滑移量较大，局部滑移量较大，局部 切削不平稳，力波动大切削不平稳，力波动大加工面光洁，断屑难加工面光洁，断屑难 剪应力达断裂强度
21、剪应力达断裂强度 加工表面粗糙加工表面粗糙 少见少见0vap0 v ap0 v ap0vap三、变形程度的表示方法三、变形程度的表示方法 切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切面切削过程中，切削层金属变形主要表现在剪切面上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和加工上的剪切滑移，其次表现在切屑的收缩、卷曲和加工过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用：过程中的硬化。变形程度的度量方法一般用：切削厚度压缩比切削厚度压缩比h相对滑移相对滑移剪切角剪切角表示。表示。)tan(cot0MKPKNKMKNPyS 1. 相对滑移相对滑移 （纯剪切）（纯剪切） 滑移距离滑移距离s与单元厚度与单元厚度y之比。
22、用来度量第之比。用来度量第变变形区的滑移变形程度。能比较真实地反映出切削变形区的滑移变形程度。能比较真实地反映出切削变形的程度。形的程度。2. 切削厚度压缩比切削厚度压缩比 切削层金属受到切削层金属受到挤压挤压而形成的切屑而形成的切屑切削层厚度增加，长度缩小，切削层厚度增加，长度缩小， 这种现象这种现象称为称为切屑收缩切屑收缩。另外：宽度不变，体积不变。另外：宽度不变，体积不变。厚度变形系数：切屑厚度厚度变形系数：切屑厚度hch/切削层厚度切削层厚度hD长度变形系数：切削层长度长度变形系数：切削层长度LD/切屑长度切屑长度Lch由体积相等可推出两变形系数相等由体积相等可推出两变形系数相等 越大
23、，表示切屑越厚越短，标志着越大，表示切屑越厚越短，标志着切屑变形越大。变形系数在一定条件下切屑变形越大。变形系数在一定条件下反映金属的平均挤压程度。反映金属的平均挤压程度。1DchchDhhhll切削厚度压缩比切削厚度压缩比sin)cos(sin)cos(ooDchhOMOMhhh是一个大于1的数，h值越大，表示切下的切屑厚度越大，长度越短，其变形也就越大。由于切屑厚度压缩比h直观地反映了切屑的变形程度，并且容易测量，故一般常用它来度量切屑的变形。 0 ， h 故切削时塑性变形是很大的3. 前刀面摩擦角前刀面摩擦角：剪切角剪切角 剪切面积剪切面积变形程度变形程度切削力切削力 = 45 -(-0
24、)结论：结论：1. o 和和是影响切削变形的两个主要因素。是影响切削变形的两个主要因素。 当当o增大时，增大时， 角随之增大，变形减小。即在保证切削刃强度的条件角随之增大，变形减小。即在保证切削刃强度的条件下，增大前角对改善切削过程是有利的。下，增大前角对改善切削过程是有利的。2.当当增大时，增大时， 角随之减小，变形增大。故仔细研磨刀面、角随之减小，变形增大。故仔细研磨刀面、加入切削液以减小前刀面上的摩擦对改善切削过程是有利的。加入切削液以减小前刀面上的摩擦对改善切削过程是有利的。 切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比h 可直观地反映出切屑变形的程度和可直观地反映出切屑变形的程度和状况，且容易测量。
25、但由于它表示的是切削层状况，且容易测量。但由于它表示的是切削层平均挤压平均挤压程度，而金属切削过程的实质是切削层的剪切滑移程度，而金属切削过程的实质是切削层的剪切滑移。因。因此此h只能粗略地反映出剪切变形的真实情况。只能粗略地反映出剪切变形的真实情况。 四、四、 前刀面上的摩擦特点前刀面上的摩擦特点 在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，在高温高压作用下，切屑底层与前刀面发生粘结，切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。切屑与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。 刀屑接触面间有二个摩擦区域：刀屑接触面间有二个摩擦区域：粘结粘结(内摩擦内摩擦)区区和和滑动滑动(外摩擦外摩擦)区区。 在粘结区
26、，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切在粘结区，切屑的底层与前面呈现冷焊状态，切屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流屑与前面之间不是一般的外摩擦，这时切屑底层的流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流速要比上层缓慢得多，从而在切屑底部形成一个滞流层层 。内摩擦就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩。内摩擦就是指滞流层与上层流屑层内部之间的摩擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦擦，这种内摩擦也就是金属内部的剪切滑移。其摩擦力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有力的大小与材料的流动应力特性及粘结面积的大小有关。关。 切屑离开粘结区后进入滑动区。在该区域内刀屑切屑离开粘
27、结区后进入滑动区。在该区域内刀屑间的摩擦仅为外摩擦。金属的内摩擦力要比外摩擦力间的摩擦仅为外摩擦。金属的内摩擦力要比外摩擦力大得多，因此，应着重考虑内摩擦。大得多，因此，应着重考虑内摩擦。 经研究经研究,在切削在切削塑性金属塑性金属的过程中的过程中,刀一屑间只有刀一屑间只有在很低的切削速度时才存在峰点型接触；产生的摩擦为在很低的切削速度时才存在峰点型接触；产生的摩擦为外摩擦。外摩擦。而在而在一般切削速度或切削速度较高时一般切削速度或切削速度较高时,由于刀屑由于刀屑的压力很大的压力很大,可达可达1.962.94GPa (20003000N/mm2),再再加上摄氏几百度的高温加上摄氏几百度的高温,
28、使得切屑底层金属软化，粘嵌在使得切屑底层金属软化，粘嵌在前刀面上成为粘结区前刀面上成为粘结区。当切屑快离开前面时。当切屑快离开前面时,才由于压力的减才由于压力的减小使刀一屑的界面回到峰点型接触的状态。小使刀一屑的界面回到峰点型接触的状态。 据估计据估计,在一般切削条件下在一般切削条件下,刀一屑间内摩擦占全部摩刀一屑间内摩擦占全部摩擦力的擦力的85%. 内摩擦力等于金属塑性剪切力，外摩擦力用库伦定律内摩擦力等于金属塑性剪切力，外摩擦力用库伦定律计算。计算。 刀刀-屑接触区可分两部分：屑接触区可分两部分：粘接区粘接区lf1: 剪切滑移，内摩擦剪切滑移，内摩擦滑动区滑动区lf2: 滑动摩擦，外摩擦滑
29、动摩擦，外摩擦一般内摩擦力约占总摩擦力的一般内摩擦力约占总摩擦力的85%切塑性金属时前刀面上应力切塑性金属时前刀面上应力分布情况分布情况(lf1区切应力区切应力f为常数为常数)Ffi：前刀面上的摩擦力：前刀面上的摩擦力Fni：前刀面上的法向力：前刀面上的法向力Afi ：粘结面积粘结面积avfavfiffiniiAAFFf 在生产中常用减小切削力、缩短刀一屑接触长度、在生产中常用减小切削力、缩短刀一屑接触长度、降低加工材料屈服强度、选用摩擦系数小的刀具材料、降低加工材料屈服强度、选用摩擦系数小的刀具材料、提高刀面刃磨质量和浇注切削液等方法来减小摩擦。提高刀面刃磨质量和浇注切削液等方法来减小摩擦。
30、五五 积屑瘤积屑瘤 在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金、在一定的切削速度范围内切削钢、铝合金、铜合金等塑性材料时，常有一部分被切工件材料铜合金等塑性材料时，常有一部分被切工件材料堆积于刀具刃口附近的前刀面上。这层堆积物大堆积于刀具刃口附近的前刀面上。这层堆积物大体成三角形，质地十分坚硬，其硬度可为工具材体成三角形，质地十分坚硬，其硬度可为工具材料的料的2倍倍3倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行倍，处于稳定状态时可代替刀尖进行切削。该堆积物称为积屑瘤，俗称刀瘤。切削。该堆积物称为积屑瘤，俗称刀瘤。 反复生长和脱落，脱落后粘附在已加工表面反复生长和脱落，脱落后粘附在已加工表面上。顶部凹凸不平，使加
31、工表面粗糙度增加。上。顶部凹凸不平，使加工表面粗糙度增加。a b c d vc/(m/s) Hb/mm 实验研究表明：实验研究表明：加工碳素钢时，加工碳素钢时，切削温度切削温度300时积屑瘤最高，时积屑瘤最高，500以上时趋于消失以上时趋于消失。由于切。由于切削温度与切削速度密切相关，因削温度与切削速度密切相关，因而切削速度与积屑瘤的形成和高而切削速度与积屑瘤的形成和高度有密切的关系。度有密切的关系。a b c d vc/(m/s) Hb/mm 积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响使刀具前角变大使刀具前角变大 ，减少变形和力，减少变形和力使切削厚度变化使切削厚度变化,产生过切和犁沟产生
32、过切和犁沟使加工表面粗糙度增大使加工表面粗糙度增大对刀具寿命的影响（两方面）对刀具寿命的影响（两方面）粗加工可用，精加工绝对不要粗加工可用，精加工绝对不要六、六、 已加工表面变形和加工硬化已加工表面变形和加工硬化 已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和摩擦，使表层金属产生扭曲、挤紧和破碎，经过严重的塑性变形，使表层硬度升高的现象称为加工硬化加工硬化。刀刃钝圆半径刀刃钝圆半径 r rn n后刀面磨损带后刀面磨损带VBVB弹性恢复区弹性恢复区CDCD变形特征：变形特征：挤压、摩擦与回弹挤压、摩擦与回弹 金属进入第一变形区金属进入第一变形区时，晶粒因压缩而变长，时，晶粒因压缩而变长，因剪切滑移
33、而倾斜。因剪切滑移而倾斜。 金属层接近刀刃时，金属层接近刀刃时，晶粒更为伸长，成为包晶粒更为伸长，成为包围在刀刃周围的纤维层，围在刀刃周围的纤维层，最后在最后在O点断裂。点断裂。 已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面的金属纤维被拉伸的又细又长，纤维方向平行于已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生已加工表面，金属晶粒被破坏，发生了剧烈的塑性变形，产生加工硬化，表面残余应力加工硬化，表面残余应力，称之为，称之为加工变质层加工变质层。 加工硬化程度加工硬化程度 N：已加工表面的显微硬度增加值，对原始显微硬度的百分比。 硬化层深度硬化层深度hD ：硬化层深度是
34、指已加工表面至未硬化处的垂直距离hD，单位为m %1001HHHN减轻加工硬化的措施： 磨出锋利的切削刃； 增大前角和后角 减小背吃刀量 合理选用切削液七、影响切削变形的因素七、影响切削变形的因素 切削变形的程度主要决定于：工件材料、刀具几切削变形的程度主要决定于：工件材料、刀具几何参数、切削用量。何参数、切削用量。工件材料工件材料 工件材料的机械性能不同，切削变形也不同。工件材料的机械性能不同，切削变形也不同。材料的强材料的强度、硬度增高度、硬度增高，正压力，正压力Fn增大，平均正应力增大，平均正应力av增大，因此，增大，因此，摩擦系数摩擦系数下降，剪切角下降，剪切角增大，增大，切削变形减小
35、切削变形减小，而切削塑而切削塑性较高的材料，则变形较大。性较高的材料，则变形较大。如不锈钢如不锈钢1Cr18Ni9Ti和和45钢钢的强度近似，但前者延伸率大得多，所以切削时的切屑变的强度近似，但前者延伸率大得多，所以切削时的切屑变形比后者大，且易粘刀，不易断屑。形比后者大，且易粘刀，不易断屑。表3-2 几种不同材料在各种切削厚度时的摩擦系数 2.刀具的几何参数刀具的几何参数 刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角刀具几何参数中影响变形系数最大的是前角o。前角。前角o越越大，摩擦系数大，摩擦系数越大。一般前角越大，切削层的变形越小。这越大。一般前角越大，切削层的变形越小。这是因为前角增大，虽然摩
36、擦系数、摩擦角也增大，但剪切角也是因为前角增大，虽然摩擦系数、摩擦角也增大，但剪切角也增大，剪切面减小，变形减小。增大，剪切面减小，变形减小。 刃倾角的大小因其影响实际工作前角，对切屑变形产生影响。刃倾角的大小因其影响实际工作前角，对切屑变形产生影响。 增大前角增大前角0，变形系数，变形系数h减小，减小，切削变形减小切削变形减小。切削切削20Cr钢时钢时 当选用当选用 o=10，h =4.5； 当改用当改用 o=15， h =3.8。 3.切削用量切削用量 1）切削速度）切削速度Vc ： Vc越高，变形系数越高，变形系数h越小越小 在高速时，由于切削层受力小，切削速度又快，在高速时，由于切削层
37、受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。切削变形不充分而使切屑变形减小。 在积屑瘤增长的速度范围内在积屑瘤增长的速度范围内 ,切削速度切削速度Vc是通是通过积屑瘤使剪切角过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦改变和通过切削温度使摩擦系数系数变化而影响切削变形的。因积屑瘤导致实变化而影响切削变形的。因积屑瘤导致实际工作前角增加、剪切角际工作前角增加、剪切角增大、变形系数减小。增大、变形系数减小。 在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系数不断上升至最大值，此时积不断减小、变形系数不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。屑瘤完全消失
38、。Vc在在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角使剪切角增大，故变形系数增大，故变形系数h减小。减小。Vc20m/min时，时，h值最小。值最小。Vc在在2040m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小，减小，h增大。增大。Vc超过超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，使摩擦系数继续增高，由于切削温度逐渐升高，使摩擦系数下降，故下降，故变形系数变形系数h减小。减小。 2）进给量的影响）进给量的影响 在无积屑瘤的情况下，通过在无积
39、屑瘤的情况下，通过hD和和来影响来影响切削变形的。切削变形的。 当进给量当进给量 f 增大时，切削层厚度增大时，切削层厚度hD增大，切屑的平均变增大，切屑的平均变形减小，变形系数减小。形减小，变形系数减小。 l）克服切削层材）克服切削层材料和工件表面层材料料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变对弹性变形、塑性变形的抗力。形的抗力。 2）克服刀具与切）克服刀具与切屑、刀具与工件表面屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。间摩擦阻力所需的力。 切削力来源于以下切削力来源于以下两个方面：两个方面： 1切削力切削力一、切削力来源、合力与分力一、切削力来源、合力与分力222cfpFFFF 各分力的作用各分力
40、的作用主切削力主切削力FcFc（FzFz）：主运动方）：主运动方向上的切削分力。用于计算切向上的切削分力。用于计算切削功率、校核机床及工夹具强削功率、校核机床及工夹具强度和刚度。度和刚度。背向力背向力Fp （径向分力（径向分力Fy）：垂直于工作平面，过大会引起）：垂直于工作平面，过大会引起工艺系统的变形和振动，降低加工质量。机床设计时，用工艺系统的变形和振动，降低加工质量。机床设计时，用于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。进给力进给力Ff（轴向分力（轴向分力Fx）:沿进给运动方向。是设计机床进给系统沿进给运动方向。是设计机床进给系
41、统的主要依据的主要依据 F2=Fc2+Fp2+Ff2 Fp=FD cosr Ff=FDsinr FD：在基面内合力（推力）；：在基面内合力（推力）；FD2=Fp2+Ff2 F2=Fc2+FD2 一般情况下，主切削力一般情况下，主切削力Fc最大。随着刀具材料、刀具最大。随着刀具材料、刀具几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料的不同，几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料的不同，Fc、Fp、Ff之间的比例可在较大范围内变化。之间的比例可在较大范围内变化。 根据实验，当根据实验，当r=45、s=0、o=15时，时，Fc、Fp、Ff之间有近似关系：之间有近似关系： Fp=(0.4 0.5) Fc Ff
42、=(0.3 0.4) Fc F=(1.12 1.18)Fc 切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公式计算得到。式计算得到。二、切削力的测量及切削力经验公式二、切削力的测量及切削力经验公式图 用测力仪测出切削力，再通过对实用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的经验数据的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生产实际中，一般都用经验验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。公式来计算切削力。 目前常用的测力仪有电阻式测力仪目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。和压电式测力仪。1切削力的测量切削力的测量 生
43、产实际中应用比较广泛的切削力经验公式生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为为 2切削力实验公式切削力实验公式CCFCFCFCFnCyxPFCKvfaCF =PPFPFPFPFnCyxPFPKvfaCF =ffFfFfFfFnCyxPFfKvfaCF =式中式中KFc、 KFf、 KFp为切削条件修正系数，为切削条件修正系数，xFc、 yFc、 zFc等为指等为指数，均可在切削用量数，均可在切削用量手册中查到。手册中查到。CFc , CFp , CFf 与加工条件（工件、刀具材料）与加工条件（工件、刀具材料）有关系数；有关系数；xFc , xFp , xFf 切削深度切削深度ap 对切削力影响
44、指数；对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量进给量 f 对切削力影响指数；对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑不同加工条件（切削速度、考虑不同加工条件（切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素）影响的修正系数。刀具几何参数、刀具磨损等因素）影响的修正系数。3单位切削力单位切削力CCCCDPDDfFFFKah bA 单位切削层面积上的切削力称为单位切单位切削层面积上的切削力称为单位切削力，用削力，用kc（Nmm2）表示：）表示：P49)()(pcDDcDccfakbhkAkF4切削功率切削功率因Ff相对于Fc所消耗功率来说一般很小(ff。但：。但：b b11
45、 f f时，正前角时，正前角0 0不起作用，而是不起作用，而是负倒棱。负倒棱。切削力趋于稳定，接近于负前角的切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。状态。主要反映为后刀面磨损对切削力的影响。当刀具主要反映为后刀面磨损对切削力的影响。当刀具的后刀面磨损后，则形成一个后角为零、高度为一定的后刀面磨损后，则形成一个后角为零、高度为一定宽度（宽度（VB值）的小棱面，使作用在后刀面上的法应力值）的小棱面，使作用在后刀面上的法应力FN和摩擦力和摩擦力F增大，从而导致切削力增大。增大，从而导致切削力增大。 VB FN、 F Fc、FP、Ff VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著第第2 2章章 金属切削原
46、理与刀具金属切削原理与刀具第第2 2章章 金属切削原理与刀具金属切削原理与刀具按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序， 切削力依次增大。切削力依次增大。 P52 P52 表表3-23-2010r五、切削力的计算举例五、切削力的计算举例2795=cFC0 . 1=cFx75. 0=cFy15. 0-cFn92. 0)650598()650(75. 075. 0=bMKCF95. 00=CFK92. 0=CrFK0 . 1=CsFK=FCKCFMKCFK0CrFKCrFKCsFK8 . 00 . 192. 095. 092. 0=CCFCFC
47、FCFnCyxPFCKvfaCF =N22548 . 0100/14 . 04279515. 075. 0=kWvFPCC76. 3106010022543=工件 刀具 切屑 第三节第三节 切削热与切削温度切削热与切削温度Q=FcVc 切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。影响热传导的主要因素是工质传导出去。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件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。状况。 二、切削温度测定原理与切削温度分布二、切削温度测定原理与切削温度分布3.3.2 切削温度及其分布和测量3.3.2 切削温度及其分布和测
48、量3.3.2 切削温度及其分布和测量3.3.2 切削温度及其分布和测量工件 hch0.9mm hD0.6mm 刀具 620 670 680 690 730 700 660 740 750 640 800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.5 2.0 1200 1000 800 600 400 200 0.2 0.6 1.0 1.4 车刀 前 刀 面 上 距 刀 刃 距 离 (mm) 后刀面上距刀刃距离 (mm) 后 刀 面 温 度 () 前刀面温度 () 1 2 4 3 1 3 2 切屑底层与前刀面产生的切削热，由于切削速度很高，在很短的切屑底层与前刀面产生的切削热，由于切削
49、速度很高，在很短的时间内来不及向切屑内部传导，而大量积聚在切屑底层，使切削时间内来不及向切屑内部传导，而大量积聚在切屑底层，使切削温度显著升高。另外，伴随着切削速度的提高，消耗的功增大，温度显著升高。另外，伴随着切削速度的提高，消耗的功增大，切削热也会增大，故使切削温度上升。切削热也会增大，故使切削温度上升。因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由因切削温度对刀具磨损和寿命影响很大，由以上分析可知，为有效控制切削温度以提高刀以上分析可知，为有效控制切削温度以提高刀具寿命，选用大的背吃刀量或进给量，比选用具寿命，选用大的背吃刀量或进给量，比选用大的切削速度有利。大的切削速度有利。2. 2. 工件材
50、料工件材料 工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较工件材料的强度、硬度、塑性及热导率对切削温度有较大的影响。大的影响。 工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，工件强度、硬度高，切削时的切削力大，消耗功率大，产生的切削热多，故切削温度高。产生的切削热多，故切削温度高。 工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢工件的导热系数对切削温度也有很大的影响，不锈钢(1Cr18Ni9Ti)的强度、硬度虽然低于的强度、硬度虽然低于45钢，但它的导热系钢，但它的导热系数小于数小于45钢（约为钢（约为45钢的钢的1/3）切削温度比）切削温度比45钢高钢高40%。 切削脆性金属材料时，塑性