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1、三章节金属切削过程中基本规律 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3-1 金属的切削过程金属的切削过程 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，如产生许多物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损切削力、切削热、刀具磨损等，等，这些均以切削过程中金属的弹、塑性变形为基础。而这些均以切削过程中金属的弹、塑性
2、变形为基础。而生产实践中出现的生产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的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，削过程中的基本规律，将有利于金属切削技术的发展，对合理选择切削用量，提高生产效率，工件的加工质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产成本都有重要的意义。量和降低生产成本都有重要的意义。一、金属切削过程的实质一、金属切削过程的实质 切削层金属是在前刀面和切削刃的不断挤切削层金属是在前刀面和切削刃的不断挤压作用下，产生了弹性、塑性变形继
3、而剪切滑压作用下，产生了弹性、塑性变形继而剪切滑移而成为切屑的。移而成为切屑的。正确理解切削层金属形成的过程正确理解切削层金属形成的过程参见图参见图3-1所示所示 通常将切削刃作用范围的切削层划分为三个变形区。通常将切削刃作用范围的切削层划分为三个变形区。如图如图3-1所示：所示：第第变形区变形区：刀口附近的已加工表面区域刀口附近的已加工表面区域,刀具后刀具后面与已加工表面间的挤压和摩擦导致的变形。面与已加工表面间的挤压和摩擦导致的变形。第第变形区变形区：刀具前面刀具前面附近的区域附近的区域,切削形成后沿刀具前切削形成后沿刀具前面流出时面流出时,遇到前面的积压和摩擦遇到前面的积压和摩擦,进一步
4、产生滑移变形并进一步产生滑移变形并发生卷曲。发生卷曲。第第变形区变形区：滑移面附近的区域，是切削过程中产生：滑移面附近的区域，是切削过程中产生塑性塑性变形变形的主要区域。的主要区域。OA 称始滑移线称始滑移线,其应力值为其应力值为s(材料屈服极限材料屈服极限)，切削层金，切削层金属到达属到达OA线时开始产生塑性滑移；线时开始产生塑性滑移；OM称终滑移线称终滑移线,其应力为其应力为max。通常第一变形区的厚度仅。通常第一变形区的厚度仅为为0.20.02mm,由此可近似用一剪切面来代替该区域，剪切由此可近似用一剪切面来代替该区域，剪切面与切削速度方向的夹角称为剪切角，以面与切削速度方向的夹角称为剪
5、切角，以表示。表示。二二、切切屑屑的的种种类类v带状切屑v节状切屑v粒状切屑v崩脆切屑切塑性材料带状切屑节状切屑粒状切屑切脆性材料 带状切屑是最常见的一种带状切屑是最常见的一种连续状切屑连续状切屑。它内表。它内表面光滑，外表面呈毛茸状。面光滑，外表面呈毛茸状。1带状切屑 条件条件：一般：一般加工塑性金属材料加工塑性金属材料，在，在切削速度切削速度较高，切削厚度较小，刀具前角较大较高，切削厚度较小，刀具前角较大，容容易产生这种切屑。易产生这种切屑。产生带状切屑，其塑性变形还不充分，滑移产生带状切屑，其塑性变形还不充分，滑移还没有达到破裂程度。还没有达到破裂程度。2节状切屑 节状切屑又称为节状切屑
6、又称为挤裂切屑挤裂切屑，其外弧表面呈，其外弧表面呈锯齿形锯齿形,内弧表面有时有裂纹。内弧表面有时有裂纹。这种切屑大都在切削速度较低、切削厚度较这种切屑大都在切削速度较低、切削厚度较大、前角较小的情况下产生。大、前角较小的情况下产生。形成节状切屑的过程中，剪切滑移量大形成节状切屑的过程中，剪切滑移量大,局部地方滑移已达到破裂程度。局部地方滑移已达到破裂程度。3粒状切屑 总结总结：以上三种切屑是切削：以上三种切屑是切削塑性金属塑性金属时得到，时得到，形成带状切屑时，切削力波动小，切削过程平稳，形成带状切屑时，切削力波动小，切削过程平稳，已加工表面质量高。节状切屑和粒状切屑次之；但已加工表面质量高。
7、节状切屑和粒状切屑次之；但带状切屑过长时会妨碍工作，容易发生人身事故，带状切屑过长时会妨碍工作，容易发生人身事故，所以应采取断屑措施。如磨所以应采取断屑措施。如磨断屑槽断屑槽形状：大小较均匀的形状：大小较均匀的颗粒状切屑颗粒状切屑切削条件切削条件：一般采用：一般采用小前角或负前角小前角或负前角，以，以极低的切削速度极低的切削速度极低的切削速度极低的切削速度和和和和大的切削厚度大的切削厚度大的切削厚度大的切削厚度切削塑性金切削塑性金切削塑性金切削塑性金属属属属时易产生此种切屑。实际生产中很少见。时易产生此种切屑。实际生产中很少见。当粒状切屑形成时，若整个剪切面上剪应力超过当粒状切屑形成时，若整个
8、剪切面上剪应力超过材料的破裂强度，则整个单元被切离。材料的破裂强度，则整个单元被切离。4崩碎切屑 工件材料越是硬脆，切削厚度越大时，越工件材料越是硬脆，切削厚度越大时，越容易产生此类切屑。容易产生此类切屑。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般不经过塑性变形突然崩裂形成不规则的碎不规则的碎块状切屑块状切屑，形成崩碎切屑，切削过程很不平稳，工件形成崩碎切屑，切削过程很不平稳，工件已加工表面凹凸不平，已加工表面凹凸不平，表面质量差表面质量差。在不同的切削条件下，形成的切屑种类不同，当条件改变时它们在不同的切削条件下，形成的切屑种类不同
9、，当条件改变时它们可以互相转化。在形成可以互相转化。在形成节状切削节状切削情况下情况下,改变切削条件改变切削条件,进一步进一步减小切削速度，减小前角减小切削速度，减小前角减小切削速度，减小前角减小切削速度，减小前角,增大切削厚度增大切削厚度增大切削厚度增大切削厚度,就可以就可以得到粒状切削得到粒状切削;反之反之,如增大切削速度如增大切削速度,增大前角增大前角,减小切削厚度减小切削厚度,即可得到带状切削即可得到带状切削.掌握其变化规律，有助于控制切屑形态，控掌握其变化规律，有助于控制切屑形态，控制切削过程。制切削过程。节状切屑节状切屑粒状切屑粒状切屑带状切屑带状切屑三、刀具前面与切屑之间的摩擦三
10、、刀具前面与切屑之间的摩擦 在前刀面上存在着刀一屑的摩擦在前刀面上存在着刀一屑的摩擦,它影响到切屑的形它影响到切屑的形成、切削力、切削温度、刀具的磨损等；此外成、切削力、切削温度、刀具的磨损等；此外,还影响还影响着积屑瘤和鳞刺的形成着积屑瘤和鳞刺的形成,从而影响已加工表面的质量。从而影响已加工表面的质量。1刀一屑产生的外摩擦刀一屑产生的外摩擦图图3-3峰点型接触峰点型接触 内摩擦内摩擦 2刀一屑产生的内摩擦刀一屑产生的内摩擦紧密型接触紧密型接触 内摩擦内摩擦 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；产生的有在很低的切
11、削速度时才存在峰点型接触；产生的摩擦为外摩擦。摩擦为外摩擦。而在而在一般切削速度或切削速度较高一般切削速度或切削速度较高时时,由于刀屑的压力很大由于刀屑的压力很大,可达可达1.962.94GPa(20003000N/mm2),再加上摄氏几百度的高温再加上摄氏几百度的高温,使使刀一屑界面的接触是紧密型接触刀一屑界面的接触是紧密型接触刀一屑界面的接触是紧密型接触刀一屑界面的接触是紧密型接触,所以所以所以所以刀一屑之刀一屑之间的摩擦主要是内摩擦间的摩擦主要是内摩擦。当切屑快离开前。当切屑快离开前面时面时,才由于压力的减小使刀一屑的界面回到峰点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。据估计
12、型接触的状态。据估计,在一般切削条件下在一般切削条件下,刀一屑刀一屑间内摩擦占全部摩擦力的间内摩擦占全部摩擦力的85%.85%.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料、提高刀面刃磨质量和浇注切削液等方法来减小摩擦。摩擦。四、切削厚度压缩比四、切削厚度压缩比 切削时切削时,切削层金属受到切削层金属受到挤压挤压而形成的切屑的长度而形成的切屑的长度比切削层的长度缩短，厚度却增大比切削层的长度缩短，厚度却增大(如图如图3
13、-5)这种现象这种现象称为称为切屑收缩切屑收缩。切屑收缩的程度用。切屑收缩的程度用切削厚度压缩比切削厚度压缩比h来表示。来表示。式中 ，切削层长度和厚度切削层长度和厚度；，切屑长度和厚度。切屑长度和厚度。越大，表示切屑越厚越短，标志着切屑变形越大越大，表示切屑越厚越短，标志着切屑变形越大。切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比 也可用剪切角也可用剪切角 以表示以表示(参见图参见图3-6所示所示)随随增大，变形减小增大，变形减小 切屑厚度压缩比切屑厚度压缩比 可直观地反映出切屑变形的程度可直观地反映出切屑变形的程度和状况，且容易测量。但由于它表示的是切削层和状况，且容易测量。但由于它表示的是切削层平均挤平
14、均挤压程度，而金属切削过程的实质是切削层的剪切滑移压程度，而金属切削过程的实质是切削层的剪切滑移。因此因此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。五、积屑瘤五、积屑瘤 切削塑性材料时，在一定的切削条件下切削塑性材料时，在一定的切削条件下,往往会在切往往会在切削刃口附近粘结堆积一楔状的金属块，它包围着切削削刃口附近粘结堆积一楔状的金属块，它包围着切削刃且覆盖部分前面，这种堆积物叫做积屑瘤。刃且覆盖部分前面，这种堆积物叫做积屑瘤。1积屑瘤的成因积屑瘤的成因 切屑沿刀具前面流动时，由于强烈的切屑沿刀具前面流动时，由于强烈的内摩擦内摩擦而而产生产生粘结粘结现象，在粘结
15、区内，切屑底层将有一薄现象，在粘结区内，切屑底层将有一薄层金属材料层积滞留在前刀面上，这部分切屑经过层金属材料层积滞留在前刀面上，这部分切屑经过了剧烈的变形，在适当的切削温度下发生强化。不了剧烈的变形，在适当的切削温度下发生强化。不断地层积，就形成了积屑瘤。断地层积，就形成了积屑瘤。（1）积屑瘤硬度比工件材料高）积屑瘤硬度比工件材料高2-3倍倍,可以可以代替切削刃及代替切削刃及前刀面进行切削前刀面进行切削,可以保护切削刃、减小前刀面的磨损；可以保护切削刃、减小前刀面的磨损；2积屑瘤对切削过程的影响积屑瘤对切削过程的影响（5）积屑瘤积屑瘤脱落的碎片脱落的碎片会粘结或嵌入工件表面，会粘结或嵌入工件
16、表面，影响工件已加工表面的质量。因此精加工时必须设法影响工件已加工表面的质量。因此精加工时必须设法抑制积屑瘤的形成。抑制积屑瘤的形成。（4）积屑瘤高低不平积屑瘤高低不平，会在工件表面造成，会在工件表面造成“犁沟犁沟”现象，影响工件的表面粗糙度；现象，影响工件的表面粗糙度；（3）对于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际切削厚度）对于积屑瘤突出于切削刃之外，使实际切削厚度增大，形成增大，形成“过切现象过切现象”，影响工件的尺寸精度；，影响工件的尺寸精度；（2）在积屑瘤形成后，刀具的）在积屑瘤形成后，刀具的实际前角将明显增实际前角将明显增大大，对减小切屑变形及降低切削力起了积极作用；，对减小切屑变形及降低
17、切削力起了积极作用；实验研究表明：实验研究表明：加工碳素钢时，切削温度加工碳素钢时，切削温度300时积时积屑瘤最高，屑瘤最高，500以上时趋于消失以上时趋于消失。由于切削温度与切。由于切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削速度密切相关，因而切削速度与积屑瘤的形成和高度有密切的关系，如图度有密切的关系，如图 图图3-9 积屑瘤高度与切削速度积屑瘤高度与切削速度的关系的关系 分析：在分析：在低速区低速区内由于切削温度较低，粘结现象小，内由于切削温度较低，粘结现象小，一般不产生积屑瘤；在一般不产生积屑瘤；在区内，积屑瘤的高度随切区内，积屑瘤的高度随切削速度的增大而提高，达到最大
18、值后虽的增大而减小。削速度的增大而提高，达到最大值后虽的增大而减小。切削速度继续增大，超过一定值后（切削速度继续增大，超过一定值后（区区）积屑瘤不再）积屑瘤不再生成。生成。结论结论：中温时最易形成积屑瘤，采用低中温时最易形成积屑瘤，采用低速或高速切削速或高速切削是抑制积屑瘤的基本措施。是抑制积屑瘤的基本措施。凡有利于减轻刀和屑界面摩擦，减小粘结接触面凡有利于减轻刀和屑界面摩擦，减小粘结接触面积的因素，都有利于抑制积屑瘤。积的因素，都有利于抑制积屑瘤。3积屑瘤的控制措施6、采用、采用润滑性能好的润滑性能好的切削液，减小摩擦。切削液，减小摩擦。5、对工件材料进行适当的、对工件材料进行适当的热处理热
19、处理，提高其硬，提高其硬度，减小塑性；度，减小塑性；4、提高刀具刃磨质量提高刀具刃磨质量，降低刀面的表面粗糙度；，降低刀面的表面粗糙度；3、减小进给量减小进给量；2、增大刀具的前角增大刀具的前角，以减小刀，以减小刀屑接触压力；屑接触压力；1、采用、采用低速或高速切削低速或高速切削，避开容易形成，避开容易形成积屑瘤的切削速度；积屑瘤的切削速度；六、影响切屑变形的主要因素六、影响切屑变形的主要因素1、工件材料、工件材料 工件材料工件材料强度、硬度愈高强度、硬度愈高，切屑变形愈小切屑变形愈小。如图如图3-10所示。在相同的切削条件下，所示。在相同的切削条件下，工件材工件材料的塑性愈大，切屑变形就愈大
20、料的塑性愈大，切屑变形就愈大。如不锈钢。如不锈钢1Cr18Ni9Ti和和45钢的强度近似，但前者延伸率钢的强度近似，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。易粘刀，不易断屑。2、刀具几何角度、刀具几何角度3、切削用量、切削用量1、工件材料、工件材料刀具几何角度 刀具前角刀具前角 越大，切屑变形越小越大，切屑变形越小。如图。如图3-10所示。由图所示。由图3-10的实验曲线可知，切削的实验曲线可知，切削20Cr钢时钢时 当选用当选用 =10，=4.5；当改用当改用 =15，=3.8。2前角前角 3、切削用量（1）切削速度）切削
21、速度 切削切削塑性材料塑性材料时，切削速度是通过切削温时，切削速度是通过切削温度和积屑瘤影响切削变形的。在切削度和积屑瘤影响切削变形的。在切削45钢时，钢时，从实验求得切削速度对切屑变形的影响如图从实验求得切削速度对切屑变形的影响如图3-11所示。所示。切削切削铸铁等脆性材料铸铁等脆性材料时，一般不形成积屑瘤。时，一般不形成积屑瘤。当切削速度逐渐增大时，切屑变形压缩比相应当切削速度逐渐增大时，切屑变形压缩比相应减小，变形减小。如图减小，变形减小。如图3-12所示。所示。在实际生产中，在实际生产中，高速切削高速切削即是利用提高切削速度即是利用提高切削速度来减小切屑变形，减小切削力，提高生产率。来减小切屑变形，减小切削力，提高生产率。（2）进给量）进给量 进给量进给量 增大时，切削厚度随之增大，增大时，切削厚度随之增大，切屑变形减小。如图切屑变形减小。如图3-13所示。所示。