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1、第1章切削加工的理论基础第1页，共65页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 切削加工的理论基础切削加工的理论基础本章要点1.1 切削运动与切削用量1.2 切削层的变形1.3 切削力1.4 切削热第2页，共65页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 切削加工的理论基础切削加工的理论基础1.1切削运动与切削用量第3页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动加工的实质：工件相对刀具运动，获得一定尺寸、精度、形状的工件。尺寸：通过调整（刀尖到轴的距离）来确定。精度：通过工艺决定。形状：通过机床的运动（刀具和工件相对运动）来决定。第4页，共65页，编辑于20
2、22年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动定义：切削运动刀具与工件间必须作相对运动。分类：根据切削过程中所起的作用，分为主运动和进给运动第5页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动（1）主运动切除工件多余金属、形成工件新表面所必不可少的基本运动。主运动的特征（判断依据）速度最高消耗功率最大必有一个形式为旋转或直线往复车削主运动是工件的旋转运动车削主运动是工件的旋转运动铣削和钻削运动是刀具的旋转运动铣削和钻削运动是刀具的旋转运动磨削主运动是砂轮的旋转运动磨削主运动是砂轮的旋转运动刨削主运动是刀具刨削主运动是刀具（牛头刨床）或或工件工件（龙门刨床）
3、的往复直线运动等的往复直线运动等第6页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动进给运动使新的切削层金属间断或连续投入切削的运动。进给运动的特征（判断依据）速度较低耗功较少有0n个可连续，也可步进，形式 为旋转或直线往复车削进给运动是刀具的移动车削进给运动是刀具的移动铣削进给运动是工件的移动铣削进给运动是工件的移动钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动钻削进给运动是钻头沿其轴线方向的移动内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和内、外圆磨削进给运动是工件的旋转运动和移动以及砂轮的横向进给等移动以及砂轮的横向进给等第7页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1
4、1.1.1 切削运动切削运动典型表面加工方法外圆表面加工方法第8页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.11.1.1切削运动切削运动典型表面加工方法内圆表面加工方法第9页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动典型表面加工方法平面加工方法第10页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动典型表面加工方法螺纹加工方法第11页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动典型表面加工方法齿形加工方法第12页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.1 1.1.1 切削运动切削运动切削加工过程
5、中，工件上形成三个不断变化的表面：待加工表面待加工表面工件有待切除金属层的表面过渡表面过渡表面主切削刃正在切削着的表面已加工表面已加工表面工件经刀具切除多余金属层后形成的新表面第13页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.2 1.1.2 切削用量切削用量切削用量三要素：切削速度vc、进给量f、背吃刀量ap切削速度vc切削刃上选定点的主运动的线速度，单位磨削速度用为 m/s，其他加工的切削速度习惯用m/min主运动是旋转运动时，切削速度计算公式为若主运动为往复运动时，其平均速度为：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/s
6、）；l 往复运动行程长度（mm）。第14页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.2 1.1.2 切削用量切削用量进给量f工件或刀具每转一周，刀具沿进给方向与工件的相对位移。外圆车削时，进给运动速度常常用进给量f来表述，单位：mm/r（毫米/转）。刨削时，进给运动速度用每一行程多少毫米来表述，单位为mm/str。铣削时，进给运动速度常用每齿进给量f z来表述，单位：mm/z(毫米/齿)。进给速度vf是单位时间的进给量。进给速度vf、进给量f、每齿进给量fz 和刀具齿数Z之间的关系如下：v vf=fn=fzzn mm/s或mm/min 第15页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.2
7、1.1.2 切削用量切削用量背吃刀量asp工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。例：外圆车削例：对于钻孔工作 dm已加工表面直径（mm）dw 待加工表面直径（mm）第16页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.2 1.1.2 切削用量切削用量第17页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.2 1.1.2 切削用量切削用量铣削用量要素第18页，共65页，编辑于2022年，星期一1.1.2 1.1.2 切削用量切削用量例题：车外圆时工件加工前直径为62mm，加工后直径为56mm，工件转速为4r/s，刀具每秒钟沿工件轴向移动2mm，工件加工长度为110mm，切入长度为3mm，求vc、f
8、、asp。解：解：vc=dn/1000=624/1000=0.779 m/sf=vf/n=2/4=0.5 mm/rap=(dw-dm)/2=(62-56)/2=3 mm第19页，共65页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 切削加工的理论基础切削加工的理论基础1.2 切削层的变形第20页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.1 1.2.1 切屑的形成切屑的形成挤压与切削正挤压：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
9、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。FABOM45a）正挤压）正挤压FABOM45b）偏挤压）偏挤压OMFc）切削）切削第21页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.1 1.2.1 切屑的形成切屑的形成研究方法方格观察法通过观察试件侧面规则格线的变形情况，研究金属切削变形的基本规律。第22页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.1 1.2.1 切屑的形成切屑的形成实验所作的切削层滑移线示意图金属切削过程中滑移线和流线示意图金属切削过程中滑移线和流线示意图第23页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.1 1.2.1 切屑的形成切屑的形成研究
10、方法金相照片通过显微镜观察金属切屑根部金相照片，研究金属切削变形的基本规律。切削变形实验设备与录像装置第24页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.1 1.2.1 切屑的形成切屑的形成切屑根部金相照片M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角切屑根部金相照片切屑根部金相照片第25页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.2 1.2.2 切削层的变形及其影响因素切削层的变形及其影响因素变形区的划分第一变形区第一变形区第三变形区第三变形区第二变形区第二变形区第26页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.2 1.2.2 切削层的变形及其影响因素切削层的变形及其影响因素第一变形区的变形
11、特征：切削层金属沿滑移线的切削层金属沿滑移线的剪切滑剪切滑移变形移变形及随之产生的及随之产生的加工硬化加工硬化。第一变形区的实际厚度为第一变形区的实际厚度为0.020.2mm0.020.2mm，切削速度越大，切削速度越大，厚度越小。故第一变形区可厚度越小。故第一变形区可看成是一个看成是一个剪切面。剪切面。剪切面与切削速度之间的夹角剪切面与切削速度之间的夹角成为成为剪切角剪切角，体现变形的难易，体现变形的难易程度程度。第27页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.2 1.2.2 切削层的变形及其影响因素切削层的变形及其影响因素第二变形区的变形特征：切屑底层金属受摩擦挤压后的切屑底层金属受摩
12、擦挤压后的塑性变形塑性变形及及晶粒纤维化晶粒纤维化。受力：挤压挤压摩擦摩擦滑移与晶粒的伸长滑移与晶粒的伸长 第28页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.2 1.2.2 切削层的变形及其影响因素切削层的变形及其影响因素前刀面内的摩擦（内摩擦与外摩擦）区域划分：粘结区lf1:剪切滑移，内摩擦滑动区lf2:滑动摩擦，外摩擦外摩擦与内摩擦外摩擦与内摩擦第29页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.2 1.2.2 切削层的变形及其影响因素切削层的变形及其影响因素第三变形区的变形特征:已加工表面的表层金属受刀具的钝圆刃和后刀面的挤压摩擦，使金属材料的晶粒再次纤维化并加工硬化。晶粒再次纤维化并
13、加工硬化。厚度为厚度为ac的的一薄层金属一薄层金属被钝圆刃挤被钝圆刃挤压塑性变形压塑性变形后成为已加后成为已加工表面。工表面。第30页，共65页，编辑于2022年，星期一三个变形区对切削加工的影响三个变形区对切削加工的影响第一变形区的切削变形对刀具产生较大的切削抗力。第二变形区主要对刀具产生（粘接）摩擦阻力以及造成前刀面磨损。第三变形区主要对已加工表面质量产生重大影响。第31页，共65页，编辑于2022年，星期一表示切屑变形程度的方法表示切屑变形程度的方法切屑厚度压缩比（h）由体积不变原理：切屑长度压缩比（l）第32页，共65页，编辑于2022年，星期一表示切屑变形程度的方法表示切屑变形程度的
14、方法剪切面与剪切角剪切面：第一变形区的实际厚度仅为0.020.2mm，故可用一个面来表示，成为剪切面。剪切角：剪切面和切削速度方向之间的夹角（）。其大小反映了切削变形的大小。剪切角是影响切屑变形的重要因素，也可反映切屑变形程度。实验证明：大大剪切面积小剪切面积小变形程度小变形程度小切削省力切削省力。故：剪切角的大小反映了切削变形的大小。Lee&Sheffer Lee&Sheffer 公式：公式：第33页，共65页，编辑于2022年，星期一响切削变形的主要因素响切削变形的主要因素工件材料强度、硬度越大，切削变形就越小。原因：强度和硬度强度和硬度切削力切削力FzFzavav（）h h第34页，共6
15、5页，编辑于2022年，星期一响切削变形的主要因素响切削变形的主要因素刀具前角刀具前角o增大，则切削变形减小原因一方面：o oh h另一方面：o o 切削力切削力FzFz avav （）h h（有所增大）（有所增大）第35页，共65页，编辑于2022年，星期一响切削变形的主要因素响切削变形的主要因素切削速度切削速度vc是通过积屑瘤使剪切角剪切角改变和通过切削温度使摩擦系数摩擦系数变化而影响切削变形的。切削速度vc对h的影响vc 超过40m/min继续增高，由于切削温度逐渐升高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。vc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，使剪切角增
16、大，故变形系数h减小vc20m/min时，h值最小vc在20 40m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使减小，h增大。第36页，共65页，编辑于2022年，星期一响切削变形的主要因素响切削变形的主要因素进给量f f h hD D 切削力切削力FzFz avav h h第37页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.3 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型、变化、形状及控制 切屑形成过程切削层切削层的金属的金属弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形挤裂挤裂切离切离切切屑屑切削层的金属切削层的金属受到刀具前刀受到刀具前刀面的推挤后产面的推挤后产生弹性变形生弹性变形随
17、着剪应力、剪应变逐随着剪应力、剪应变逐渐增大，达到其屈服强渐增大，达到其屈服强度时，产生塑性变形而度时，产生塑性变形而滑移滑移刀具继续切入时，材料刀具继续切入时，材料内部的应力、应变继续内部的应力、应变继续增大，当剪应力达到其增大，当剪应力达到其断裂强度时，金属材料断裂强度时，金属材料被挤裂被挤裂沿刀具沿刀具前刀面前刀面流出流出第38页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.3 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型切脆性材料切脆性材料不平稳不平稳,表面粗糙表面粗糙 应应0vac切塑性材料时切屑之间的转化切塑性材料时切屑之间的转化切削平稳，力波动小切
18、削平稳，力波动小加工面光洁，断屑难加工面光洁，断屑难 滑移量较大，局部滑移量较大，局部剪应力达断裂强度剪应力达断裂强度切削不平稳，力波动大加切削不平稳，力波动大加工表面粗糙工表面粗糙 少见少见带状切屑带状切屑挤裂切屑挤裂切屑 单元切屑单元切屑0vac0 v ac0 v ac0vac第39页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.3 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型及形成条件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
19、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第40页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.3 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型带状切屑挤裂切屑节状切屑崩碎切屑切屑形态照片第41页，共65页，编
20、辑于2022年，星期一1.2.3 1.2.3 切屑的类型、变化、形状及控制切屑的类型、变化、形状及控制切屑的形状带状屑：带状屑：高速切削塑性金属，一般应高速切削塑性金属，一般应力求避免力求避免C C形屑形屑 ：切削一般碳钢和合金钢时，切削一般碳钢和合金钢时，采用带卷屑槽的车刀时采用带卷屑槽的车刀时易得，较好易得，较好长紧卷屑：长紧卷屑：普通车床上较好普通车床上较好发条状卷屑：发条状卷屑：重型机床上较好重型机床上较好宝塔状卷屑：宝塔状卷屑：自动机或自动线上较好自动机或自动线上较好螺卷屑螺卷屑：崩碎屑崩碎屑：第42页，共65页，编辑于2022年，星期一1.2.3 1.2.3 切屑的类型、变化、形状
21、及控制切屑的类型、变化、形状及控制切屑控制 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3-7）切屑的卷曲断屑的产生断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置，图3-8）第43页，共65页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 切削加工的理论基础切削加工的理论基础1.3 切削力第44页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.1 1.3.1 切削力及切削功率切削力及切削功率（1）来源（变形与摩擦）弹性变形抗力弹性变形抗力塑性变形抗力塑性变形抗力切屑与前刀面的切屑与前刀面的摩擦力摩擦力后刀面与已加工表后刀
22、面与已加工表面的摩擦力面的摩擦力切削过程中，作用在刀具或工件上的切削过程中，作用在刀具或工件上的力叫切削力。力叫切削力。第45页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.1 1.3.1 切削力及切削功率切削力及切削功率（2）合成第46页，共65页，编辑于2022年，星期一rFcFFpFf pFfFf pFf pfv切削力的分解1.3.1 1.3.1 切削力及切削功率切削力及切削功率（3）分解作用在刀具上的合力Fr可分解为相互垂直的三个分力Fc、Ff、FpF 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力第47页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.1 1.3.1 切削力及切削功率切削力及
23、切削功率（4）切削功率定义：单位时间内切削力作的功叫Pc计算：等于同一瞬间切削刃基点上的切削力与切削速度的乘积选择机床电动机功率PE时第48页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.2 1.3.2 切削力的测量及经验公式切削力的测量及经验公式测力仪的工作原理(电阻应变片式测力仪)测力系统方框示意图1、传感器2、电桥电路3、应变仪4、记录仪第49页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.2 1.3.2 切削力的测量及经验公式切削力的测量及经验公式八角环测力仪第50页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.2 1.3.2 切削力的测量及经验公式切削力的测量及经验公式指数经验公式第51页
24、，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削力的因素影响切削力的因素主要有四个方面：工件材料、切削用量、刀具几何参数及其它方面的因素。（1）工件材料硬度（强度）：S，则F 韧性：F 下表可以反映出不同材料对切削力的影响程度。第52页，共65页，编辑于2022年，星期一表表1 1 硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率（硬质合金外圆车刀切削常用金属时单位切削力和单位切削功率（f f=0=03mm/r3mm/r）加工材料实验条件单位切削力单位切削功率名称牌号制造热处理状态硬度（HB）车刀几何参数切削用量范围P（N/mm2）PkW/(mm3.s
25、-1)碳素结构钢A3热轧或正火134137015kr75s0br10前刀面带卷屑ap15mmf0.10.5mm/rvc90105m/min18841884x 4518719621962x 40Cr21219621962x 合金结构钢45调质22923052305x 40Cr28523052305x 不锈钢1CR18Ni9Ti淬火回火170179020其余同上24532453x 灰铸铁HT2040退火170前刀面无卷槽其余同上ap210mmf0.10.5mm/rvc7080m/min11181118x 可锻铸铁KT306退火170前刀面无卷槽其余同上13441344x 第53页，共65页，编辑于
26、2022年，星期一1.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削力的因素（2）切削用量背吃刀量和进给量asp、f bD、hd AD F但影响程度不同但影响程度不同工程应用：在同样切除率的条件下，大的进给量省力。工程应用：在同样切除率的条件下，大的进给量省力。第54页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削力的因素（2）切削用量切削速度VC加工塑性材料：通过屑瘤与摩擦影响，不是简单的线性关系加工脆性材料：变形和摩擦很小，vc几乎对F没有影响。以车削45钢为例：第55页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削
27、力的因素()刀具几何角度前角 加工塑性材料：o o F F 加工脆性材料：切屑变形很小，对F几乎没有影响，但刀具强度变低。图图3-25前角对切削力的影响前角对切削力的影响asp=4mmf=0.25mm/r第56页，共65页，编辑于2022年，星期一rFcFFpFf pFfFf pFf pfv切削力的分解1.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削力的因素()刀具几何角度主偏角主要影响Fp和Ff的大小r Ff、Fp 工程应用：在车削细长轴的工程应用：在车削细长轴的时候，可能将工件加工成时候，可能将工件加工成“腰鼓形腰鼓形”，如何避免？，如何避免？第57页，共65页，编辑于2022年，星期一1
28、.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削力的因素()刀具几何角度刃倾角s由实验可知，刃倾角s对主切削力Fz影响很小，但对切深抗力切深抗力FyFy、进给抗、进给抗力力FxFx影响较显著。s p p f f Ff、Fp 第58页，共65页，编辑于2022年，星期一1.3.3 1.3.3 影响切削力的因素影响切削力的因素（四）刀具材料的影响按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，切削力依次增大。（五）切削液的影响切削液润滑作用越好，力减 小越显著，低速时更突出。（六）刀具磨损的影响 后刀面平均磨损带宽度VB 越大，摩擦越强烈，切削力 也越大。VB对背向力Fp影响最显著第59页，共65页
29、，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 切削加工的理论基础切削加工的理论基础2.4切削热第60页，共65页，编辑于2022年，星期一1.4.1 1.4.1 切削热及其产生切削热及其产生（1）来源（三个变形区）剪切变形功摩擦功（2）传导由切屑、刀具、工件和周围介质传导Qs+Qr=Qc+Qt+Qw+Qm第61页，共65页，编辑于2022年，星期一1.4.2 1.4.2 切削温度的分布切削温度的分布 切削温度分布剪切面上各点的温度基本相同。切削塑性材料 前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料 后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具图1.17 二维切削中的温度分布 工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30
30、，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C第62页，共65页，编辑于2022年，星期一1.4.3 1.4.3 影响切削热的因素影响切削热的因素（1）切削用量的影响经验公式 （1-11）式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X vc、f、ap 的指数。刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表2-1 切削温度的系数及指数第
31、63页，共65页，编辑于2022年，星期一1.4.3 1.4.3 影响切削热的因素影响切削热的因素（2）刀具几何参数的影响前角o切削温度主偏角r切削温度负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小（3）工件材料的影响工件材料机械性能切削温度工件材料导热性 切削温度（4）刀具磨损的影响（5）冷却液的影响 vc（m/min）图1.18 切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH131 21Cr18Ni9Ti 345钢(正火)4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243第64页，共65页，编辑于2022年，星期一第第1 1章章 切削加工的理论基础切削加工的理论基础本章作业1.1 试分析各种机床（车、铣、刨、磨、钻、镗、拉）切削运动的主运动和进给运动。1.2 切削用量包含哪些因素，各自定义是什么？1.8 切削力经验公式是什么？影响切削力的因素都有哪些？第65页，共65页，编辑于2022年，星期一