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1、第三章金属切削基本理论第三章金属切削基本理论切削变形切削变形切削力切削力切削温度切削温度刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度3-1 切削变形切削变形一、切屑的基本形态一、切屑的基本形态 1 1、带状切屑、带状切屑 2 2、节状切屑、节状切屑 3 3、粒状切屑、粒状切屑 4 4、崩碎切屑、崩碎切屑 二、切屑于已加工二、切屑于已加工 表面的形成表面的形成 切削变形过程示意图切削变形过程示意图工工 件件刀 具金属切削过程大致划分出三个变区金属切削过程大致划分出三个变区 第第一一变变形形区区 第二变形区的摩擦特性第二变形区的摩擦特性塑性金属切削层材料经第一变形区后验前面排出。这是由于受前面的挤压和
2、摩擦进一步加剧变形，在靠近前面处形成第二变形区即摩擦区摩擦区。摩摩擦擦区区的的特特征征：使切屑底层靠近前面处纤维化，流动速度减缓，甚至会停滞在前刀面上（实质上就是滞留层）；切屑弯曲，有摩擦而产生的热量使切屑与刀具接触面温度升高等。滞滞留留层层的的特特点点：滞留层的变形程度要比上层剧烈，约几倍到几十倍，厚度一般约占切屑厚度的1/81/9。积屑瘤或刀瘤 在切削速度不高而又能形成连续性在切削速度不高而又能形成连续性切屑的情况下，加工一般钢料或其切屑的情况下，加工一般钢料或其他塑性材料时，常常在刀具前面处他塑性材料时，常常在刀具前面处粘着一块剖面常呈三角状的硬块。粘着一块剖面常呈三角状的硬块。它的硬度
3、很高，通常是工件材料的它的硬度很高，通常是工件材料的2 23 3倍，在处于比较稳定状态时，能倍，在处于比较稳定状态时，能够代替刀刃进行切削。够代替刀刃进行切削。积屑瘤或刀瘤的大小和形状第三变形区第三变形区第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。第三变形区与加工表面的形成关系更为密切。在第三变形区里，后刀面施加法向力在第三变形区里，后刀面施加法向力F FNN和摩接力和摩接力F F 于于工件。法向力工件。法向力F FNN使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。使工件产生径向的塑性变形和弹性变形。摩擦力摩擦力F F 使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。使加工表面产生切向的塑性变形和弹性变形。残余应力
4、残余应力：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的：由于受到工艺过程的影响，在没有外力作用的情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，所以情况下，在零件内部所残存的应力。由于外力为零，所以零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。零件内各部分的残余应力，必须彼此保持平衡。工件表层加工硬化的成因工件表层加工硬化的成因是表层金属在形成已加工表面的是表层金属在形成已加工表面的过程中经受强烈的塑性变形。过程中经受强烈的塑性变形。3-2 切削力切削力一、切削力的来源一、切削力的来源切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形
5、所产和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。擦阻力。二、切削力的分解二、切削力的分解三、切削力的实验指数公式三、切削力的实验指数公式 必须注意，如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在上式后面乘以相应的修正系数四、单位切削力、切削功率四、单位切削力、切削功率 单位切削力单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力。切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和。PcFcVc10-3(kW)机床电动机的功率机床电动机的功率P PE E：根据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床的传动效率。五、五、影响切削力的因素
6、影响切削力的因素工件材料工件材料：被加工工件材料的强度、硬度越高，切削被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力增大。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，力增大。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑性材料。性材料。切削深度切削深度a ap p或进给量或进给量f f加大，均使切削力增大，但两者加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。的影响程度不同。切削速度切削速度 加工塑性金属时，在中速和高速下，切削加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般随着切削速度的增大而减小。力一般随着切削速度的增大而减小
7、。刀具几何参数刀具几何参数1前角前角。：前角加大，被切金属的切削力显著下降。前角加大，被切金属的切削力显著下降。2负倒棱负倒棱：在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刀具使用寿命在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刀具使用寿命但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。3.3.主偏角主偏角 (1)(1)当当k kr r加大时，加大时，F Fp p减小，减小，F Ff f加大。加大。(2)(2)当加工塑性金属时，随当加工塑性金属时，随k kr r加大，加大，F Fc c减小；约在减小；约在k kr r6060750750之间，之间，F
8、 Fc c减到最小；减到最小；然后随然后随k kr r继续加大，继续加大，F Fc c又有所增大又有所增大。F Fc c的变动范围不大，无论减小或增大，都在的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%10%以内。以内。（3 3）k kr r加大时，加大时，F Fp p/F/Fc c减小，减小，F Ff f/F Fc c加大。加大。4刃倾角刃倾角 ：刃倾角变化时刃倾角变化时，将改变合力，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角倾角s减小时，减小时，Fp增大，增大，Ff减小。减小。5刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 在一般的切削加工中，刀尖圆弧半径在一般的切削加工中，
9、刀尖圆弧半径r对对Fp、Ff的影响较大，的影响较大，对对Fc 的影响较小。的影响较小。刀具磨损刀具磨损：后刀面磨损后，切削力加大。切削液：切削液：以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小。而润滑作用强的切削油能够显著的降低切削力。刀具材料：刀具材料：刀具材料不是硬削切削的主要因素。但由于不同的刀具材料与工件材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一些影响。前角对切削力的影响前角对切削力的影响3-3 切削温度切削温度一、切削热的来源一、切削热的来源：在刀具的切削作用下，切削层金：在刀具的切削作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形，这是切削热的一个来源。属发生弹性变形和塑性变形，这是切削热的一个来
10、源。同时，切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的摩擦功，同时，切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的摩擦功，也将转化为热能，这是切削热的又一个来源。也将转化为热能，这是切削热的又一个来源。Q=FcVc切削热由切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去。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件和刀具材料的导热系数以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。及周围介质的状况。二、切削温度二、切削温度 切削温度一般指切屑与前面接触区切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。域的平均温度。三、三、影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素工件材料对切削
11、温度的影响工件材料对切削温度的影响(1)(1)工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越工件材料的硬度和强度越高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也多，切削温度就越高。多，产生的切削热也多，切削温度就越高。(2)(2)合金结构钢的强度普遍高于合金结构钢的强度普遍高于4545钢，而导热系数又一般钢，而导热系数又一般均低于均低于4545钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般钢。所以切削合金结构钢时的切削温度一般均高于切削均高于切削4545钢时的切削温度钢时的切削温度 (3)(3)不锈钢不锈钢lCrl8Ni9TilCrl8Ni9Ti和高温合金和高温合金GHl3lGHl3l不但导热系数低，而不
12、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材料要高得多。种类型的材料时，切削温度比切削其他材料要高得多。(4)(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切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，与前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削前刀面的摩擦也较小，所以产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。温度一般比切削钢料时低。（1）切削速度对切削温度有显著的影响。实验证明，随）切削速度
13、对切削温度有显著的影响。实验证明，随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。着切削速度的提高，切削温度将明显上升。（2）进给量）进给量f对切削温度也有一定的影响。随着进给量对切削温度也有一定的影响。随着进给量的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产的增大，单位时间内的金属切除量增多，切削过程产生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随生的切削热也增多，使切削温度上升。但切削温度随进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。进给量增大而升高的幅度不如切削速度那样显著。（3 3）切削深度）切削深度a ap p对切削温度的影响很小。因为切削深度对切削温度的影响很小。因为切削深度a ap p增
14、大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，增大以后，切削区产生的热量虽然成正比例地增多，但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。但因改善了散热条件，所以切削温度的升高并不明显。切削用量对切削温度的影响切削用量对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响 1 1前角前角：前角前角。的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以的数值直接影响切削过程中的变形和摩擦，所以它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度它对切削温度有明显的影响。前角大，产生的切削热少，切削温度低；前角小，切削温度高。低；前角小，切削温度高。2 2主偏角主偏角：随着主偏角的增
15、大，切削温度将逐渐升高。随着主偏角的增大，切削温度将逐渐升高。3 3负倒棱负倒棱：负倒棱宽度负倒棱宽度b1在在(02)f范围内变化，基本上不影响范围内变化，基本上不影响切削温度。切削温度。4 4刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r在在01.5mm范围内变化，基本上范围内变化，基本上不影响平均切削温度。不影响平均切削温度。刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方刀具磨损后切削刃变钝，刃区前方的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变的挤压作用增大，使切削区金属的塑性变形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零形增加；同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，两者均度，使工件与后刀面的
16、摩擦加大，两者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。是影响切削温度的重要因素。刀具磨损对切削温度的影响刀具磨损对切削温度的影响 四、切削温度对切削变形的影响四、切削温度对切削变形的影响 对工件尺寸精度的影响：由于工件受热对工件尺寸精度的影响：由于工件受热膨胀，冷却后尺寸变小，切削时产生的膨胀，冷却后尺寸变小，切削时产生的热直接影响加工精度。热直接影响加工精度。对刀具材料的影响：对于硬质合金，适对刀具材料的影响：对于硬质合金，适当提高温度可提高韧性，提高刀具耐用当提高温度可提高韧性，提高刀具耐用度。度。刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。
17、当刀具磨刀具在切削过程中将逐渐产生磨损。当刀具磨损量达到一定程度时，可以明显地发现切削力损量达到一定程度时，可以明显地发现切削力加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产加大，切削温度上升，切屑颜色改变，甚至产生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，生振动。同时，工件尺寸可能会超出公差范围，已加工表面质量也明显恶化。此时，必须对刀已加工表面质量也明显恶化。此时，必须对刀具进行重磨或更换新刀。具进行重磨或更换新刀。3-4 3-4 刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度 一、刀具磨损的形态一、刀具磨损的形态 1 1、前刀面磨损前刀面磨损(月牙洼磨损月牙洼磨损)在切削速度较高、在切削速度较高、切削
18、厚度较大的情况下切削厚度较大的情况下加工塑性金属，当刀具加工塑性金属，当刀具的耐热性和耐磨性稍有的耐热性和耐磨性稍有不足时，切屑在前刀面不足时，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙上经常会磨出一个月牙洼洼 2 2后万面磨损后万面磨损 由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削由于加工表面和后刀面间存在着强烈的摩擦，在后刀面上毗邻切削刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面刃的地方很快被磨出后角为零的小棱面 3 3前刀面和后刀面同时磨损前刀面和后刀面同时磨损 这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，这是一种兼有上述两种情况的磨损形式。在切削塑性金属时，经常会发生这种磨损。经常
19、会发生这种磨损。车刀典型磨损形式示意图车刀典型磨损形式示意图 磨料磨损：磨料磨损：切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含切屑、工件的硬度虽然低于刀具的硬度，但其结构中经常含有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹。有一些硬度极高的微小的硬质点，能在刀具表面刻划出沟纹。冷焊磨损：冷焊磨损：切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和切削时，切屑、工件与前、后刀面之间，存在很大的压力和强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。强烈的摩擦，因而它们之间会发生冷焊。扩散磨损：扩散磨损：扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑、工件与刀具接扩散磨损在高温下产生。切削金属时，切屑
20、、工件与刀具接触过程中，双方的化学元素触过程中，双方的化学元素 在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分在固态下相互扩散，改变了材料原来的成分与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。与结构，使刀具表层变得脆弱，从而加剧了刀具的磨损。氧化磨损氧化磨损：当切削温度达当切削温度达700800时，空气中的氧便与硬质合金中时，空气中的氧便与硬质合金中的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物的钴及碳化钨、碳化钛等发生氧化作用，产生较软的氧化物(如如Co304、Co0、W03、TiO2等等)被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。被切屑或工件擦掉而形成磨损，这称为氧化磨损。热电磨损：
21、热电磨损：工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区电势，这工件、切屑与刀具由于材料不同，切削时在接触区电势，这种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。种热电势有促进扩散的作用而加速刀具磨损。二、刀具磨损的原因二、刀具磨损的原因三、刀具磨损过程及磨钝标准三、刀具磨损过程及磨钝标准刀具磨刀具磨 损过程损过程 1.初期磨损阶段初期磨损阶段 2.正常磨损阶段正常磨损阶段 3.剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段 刀具的磨钝标准刀具的磨钝标准 刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，刀具磨损后将影响切削力、切削温度和加工质量，因此必须根据加工情况规定一个最大的允许磨损值，因此必须根据加工情况规定一个最大的允
22、许磨损值，这就是刀具的这就是刀具的磨钝标准磨钝标准。一般刀具的后刀面上都有磨。一般刀具的后刀面上都有磨损，它对加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著，损，它对加工精度和切削力的影响比前刀面磨损显著，同时后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和同时后刀面磨损量比较容易测量，因此在刀具管理和金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨金属切削的科学研究中多按后刀面磨损尺寸来制定磨钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部钝标准。通常所谓磨钝标准是指后刀面磨损带中间部分平均磨损量允许达到的最大值，以分平均磨损量允许达到的最大值，以VBVB表示。表示。四、刀具耐用度四、刀具耐用度 刃磨后的刀具
23、自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，称为止的切削时间，称为刀具耐用度刀具耐用度，以以T T表示。它是指净表示。它是指净切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间，不包括用于对刀、测量、快进、回程等非切削时间。切削时间。刀具使用寿命是很重要的数据。在同一条件下切削同刀具使用寿命是很重要的数据。在同一条件下切削同一工件材料时，可以用刀具使用寿命来比较不同刀具一工件材料时，可以用刀具使用寿命来比较不同刀具材料的材料的切削性能切削性能；同一刀具材料切削各种工件材料，；同一刀具材料切削各种工件材料，又可以用刀具使用寿命来比较工件材料的
24、又可以用刀具使用寿命来比较工件材料的切削加工性切削加工性；也可以用刀具使用寿命来判断也可以用刀具使用寿命来判断刀具几何参数刀具几何参数是否合理。是否合理。工件材料、刀具材料的性能对刀具使用寿命影响最大。工件材料、刀具材料的性能对刀具使用寿命影响最大。在切削用量中，影响刀具使用寿命最主要的因素是在切削用量中，影响刀具使用寿命最主要的因素是切切削速度削速度，其次是，其次是进给量、切削深度进给量、切削深度。此外，刀具几何。此外，刀具几何参数对刀具使用寿命也有重要影响。参数对刀具使用寿命也有重要影响。刀具耐用度的三因素公式刀具耐用度的三因素公式 注：注：考虑到切削条件与实验条件不同时应予以修正考虑到切削条件与实验条件不同时应予以修正