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1、机械制造工程学机械制造工程学南通大学机械工程学院南通大学机械工程学院（3）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形成切削变形与切屑形成一、变形区的划分一、变形区的划分大至可分三个变形区:1.第一变形区第一变形区2.第二变形区第二变形区3.第三变形区第三变形区1.第一变形区第一变形区从从OA线开始发生塑性变形，到线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本线金属晶粒的剪切滑移基本完成，这一区域称为完成，这一区域称为第一变形区第一变形区()。剪切滑移剪切滑移第一变形区特征：第一变形区特征：被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹-流线2.第二变形区
2、第二变形区3.第三变形区第三变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，其方向基本上和前刀面相平行金属纤维化，其方向基本上和前刀面相平行。这部分叫第二变形区（。这部分叫第二变形区（）。）。已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成纤维化已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子线变形也是较密集的，称为第三变形区（与加工硬化。这一部分的格子线变形也是较密集的，称为第三变形区（）。）。二、切屑类型二、切屑类型前三种是切前三种是切塑
3、性材料塑性材料时时切脆性材料脆性材料时vf ap0 0 1、带状切屑、带状切屑2、节状切屑、节状切屑3、粒状切屑、粒状切屑（单元切削）4、崩碎切屑、崩碎切屑1.带状切屑带状切屑2.管状切屑管状切屑3.盘旋状切屑盘旋状切屑4.外形螺旋切屑外形螺旋切屑5.锥形螺旋切屑锥形螺旋切屑6.弧形切屑弧形切屑7.单元切屑单元切屑8.针形切屑针形切屑acach一、切屑变形程度的表示方法一、切屑变形程度的表示方法实验表明:实验前Lc,ac实验后Lch,ach切屑厚度变形系数切屑厚度变形系数a切屑长度变形系数切屑长度变形系数l1 用变形系数用变形系数 表示切屑变形程度表示切屑变形程度有三种表示方法有三种表示方法愈
4、大，变形愈严重愈大，变形愈严重acachLC第二节第二节切屑变形及基本规律切屑变形及基本规律 用剪切角用剪切角表示切屑变形程度表示切屑变形程度剪切角剪切角:把第一变形区看成是受压缩的一个剪切面OM剪切面OM与切削速度之间的夹角。achac剪切角剪切角愈大：愈大：剪切面积愈小，切削剪切面积愈小，切削力愈小，切屑变形愈小。力愈小，切屑变形愈小。剪切角剪切角愈小：愈小：剪切面积愈大，切削剪切面积愈大，切削力愈大，切屑变形愈大。力愈大，切屑变形愈大。用相对滑移用相对滑移表示切屑变形程度表示切屑变形程度S SY YS SY YacachK=又又变形系数变形系数剪应变。剪应变。0 0=-15=-150 0
5、0 0=15=150 00 0=0=0当当=1.5，在一定程度上在一定程度上可以反应可以反应。当当=1ac=ach剪应变并不等于零，但切屑有变形。剪应变并不等于零，但切屑有变形。当当0=-1530,0当当1.2时，不能用时，不能用表示变形程度。表示变形程度。24变形系数变形系数剪应变剪应变讨论：讨论：FnsFsFnFf0 0=-0 0作用在切屑上的力Fs剪切面上的剪切力剪切面上的剪切力Fns剪切面上的正压力剪切面上的正压力Ff前刀面上的摩擦力前刀面上的摩擦力Fn前刀面上的正压力前刀面上的正压力Fr合力合力剪切角剪切角前角前角0 0作用角作用角：合力与速度方向的夹角合力与速度方向的夹角摩擦角摩擦
6、角二、剪切角计算公式二、剪切角计算公式FrFsFnsFyFzFfFn0 0-0 0直角自由切削时力与角度的关系Fs剪切面上的剪切力剪切面上的剪切力Fns剪切面上的正压力剪切面上的正压力Fz作用在工件上的水平力作用在工件上的水平力Fy作用在工件上的垂直力作用在工件上的垂直力Ff前刀面上的摩擦力前刀面上的摩擦力Fn前刀面上的正压力前刀面上的正压力Fr合力合力根据材料力学理论：根据材料力学理论：Fr与Fs之间的角度应为45+-0 0=/4/4或或 =/4-+0 0剪切角计算公式剪切角计算公式（1）当前角）当前角0增大时，增大时，角随之增大，变形减小。角随之增大，变形减小。增大增大0，有利于切削。，有
7、利于切削。剪切角剪切角=/4-+0 0（2）当摩擦角）当摩擦角增大时，增大时，角随之减小，变形增大。角随之减小，变形增大。切削液切削液,能减少磨擦，有利于切削。能减少磨擦，有利于切削。三、前刀面上摩擦特点三、前刀面上摩擦特点在内摩擦区内的摩擦系数在内摩擦区内的摩擦系数：前刀面上的摩擦前刀面上的摩擦前区前区:属于紧密型紧密型接触,不服从古典摩擦法则.(变数)后区后区:属于峰点型峰点型接触,服从古典摩擦法则.(定数)结论结论:在一般切削条件下,来自前区的摩擦力占全部摩擦力的85.因此,切削时前刀面的摩擦,由前区起主要作用属于紧密型紧密型接触区为主的摩擦力.：工件材料剪切屈服强度：前刀面内摩擦部分的
8、平均正应力影响前刀面摩擦系数的主要因素：影响前刀面摩擦系数的主要因素：1.工件材料：工件材料：2.切削厚度：切削厚度：3.切削速度：切削速度：4.刀具前角：刀具前角：b b，HB HB ，其他不变，温度，其他不变，温度 摩擦系数摩擦系数hD，正压力，正压力Fn，摩擦系数摩擦系数 0 0=40=400 00 0=30=300 00 0=20=200 00 0=10=100 0v0 0四、积屑瘤四、积屑瘤1.积屑瘤现象积屑瘤现象：切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性塑性金属时,在切削速度不高,而又能形成带状切削的情况下，常常有一些从切屑和工件上来的金属冷焊冷焊(粘结)并沉积在前刀面上,形成硬度很高的楔块
9、楔块,它能够代替刀面和切削刃进行切削,这一硬块称为积屑瘤.在形成积屑瘤的条件下,开始切削后,只经过很短的切削行程积屑瘤便出现,继而长大。BuildingUpEdge-BUE积屑瘤外形尺寸积屑瘤外形尺寸加工条件：工件加工条件：工件45钢、刀具钢、刀具W18Cr4V、0 0=5=5、VcVc=20mmin=20mmin、f=0.23mmrf=0.23mmr结论结论:积屑瘤对粗加工是有利的。对于精加工则相反,精加工要求较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度,可是积屑瘤降低尺寸精度和增大已加工表面粗糙度。所以,积屑瘤对精加工是不利的。刀屑因摩擦而导致的冷焊冷焊是积屑瘤的成因。虽然刀屑的冷焊是积屑瘤的成因,但
10、是仍须同时存在适当的切削温度温度,积屑瘤才得以形成。2.积屑瘤对切削过程的积屑瘤对切削过程的影响影响：1）保护刀具）保护刀具3.积屑瘤的积屑瘤的成因成因：2）增大前角）增大前角3）增大切削厚度）增大切削厚度4）增大已加工表面粗糙度）增大已加工表面粗糙度0e0e4.抑制或消除积屑瘤的抑制或消除积屑瘤的措施措施：1）高速或低速切削）高速或低速切削2）减小进给量、增大刀具前角）减小进给量、增大刀具前角3）合理调整各切削参数值，防止形成中温区域。）合理调整各切削参数值，防止形成中温区域。第三节第三节切削力切削力切削力切削热,刀具摩磨损,使用寿命,加工精度,已加工表面质量.切削力切削功率,切削用量,监控
11、切削状态,设计和使用机床，刀具，夹具的依据。二是刀具与切屑、工件表面间的二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力摩擦阻力。一、切削力的来源、合力及分力一、切削力的来源、合力及分力刀具工件材料弹性变形+塑性变形切削力的来源来源有两方面:一是切削层金属、切屑和工件表层金属的一是切削层金属、切屑和工件表层金属的弹性变形、塑性变形弹性变形、塑性变形所产生的所产生的抗力抗力;FzFyFxFxFyFzFyFxFz进给抗力进给抗力Fx在基面内在基面内,并与进给方向并与进给方向(即工件轴线方向即工件轴线方向)相平行相平行。三个分力的作用：三个分力的作用：进给抗力进给抗力FX（Ff）计算和检验进给机构的主要依据计算
12、和检验进给机构的主要依据二、切削力合成、分解和切削功率二、切削力合成、分解和切削功率三个分力：三个分力：Fz(Fc)Fy(Fp)Fx(Ff)主切削力主切削力Fz它垂直于基面它垂直于基面,与切削速度与切削速度Vc方向一致方向一致,又称为切向又称为切向力力;背向抗力背向抗力Fy它在基面内它在基面内,并与进给方向并与进给方向(即工件轴线方向即工件轴线方向)相垂相垂直直;主切削力主切削力FZ（Fc）设计、选择机床、刀具、夹具和切削用量的依据设计、选择机床、刀具、夹具和切削用量的依据背向抗力背向抗力FY（Fp）影响加工精度，引起切削振动的主要因素影响加工精度，引起切削振动的主要因素合力：合力：切削功率：
13、切削功率：FZ-主切削力（主切削力（N）V-切削速度切削速度（m/s)FX-进给力（进给力（N)nW-工件转速工件转速(r/s)切削功率简化公式：切削功率简化公式：f-进给量进给量（mm/r)三、切削力的经验公式三、切削力的经验公式(实验公式)实验原理：实验原理：电阻应变片式三向车削测力仪电阻应变片式三向车削测力仪压电晶体三向测力仪压电晶体三向测力仪1.切削力的指数公式:-切削条件系数切削条件系数-背吃刀量指数背吃刀量指数-进给量指进给量指数数-切削速度指切削速度指数数-各种因素对切削力的修正系数的总各种因素对切削力的修正系数的总和和P46表表3-1P46表表3-1P46表表3-1P46表表3
14、-1P49表表3-22.单位切削力单位切削力p单位切削力p是指单位切削面积上的切削力-切削面积切削面积(mm2)-背吃刀量背吃刀量(切削深度切削深度)(mm)-进给量进给量(mm/r)-切削厚度切削厚度(mm)-切削宽度切削宽度(mm)可查表可查表3-5P423.单位切削功率单位切削功率PS（PC）单位切削功率PS是指单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率QZ-单位时间内的金属切除量单位时间内的金属切除量mm3/sPm-切削功率切削功率kW用用YT15硬质合金车刀纵车硬质合金车刀纵车b=0.588GPa的热轧钢外圆的热轧钢外圆,切削速度切削速度vc=100m/min,背吃刀量背吃刀量(切削深
15、度切削深度)ap=4mm,进给量进给量f=0.3mm/r，车刀几何参数，车刀几何参数0=10、r=75、s=-10、r=0.5mm,求切削分力求切削分力Fz、Fy、Fx。例：例：解：解：四、影响切削力的因素四、影响切削力的因素影响切削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几影响切削力的因素很多，主要是工件材料、切削用量、刀具几何参数及刀具磨损等。何参数及刀具磨损等。ap的指数xFc1，而f的指数yFc=0.750.9。即当ap加大一倍时，Fc约增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大6886%。（一）切削用量对切削力的影响（一）切削用量对切削力的影响a.背吃刀量背吃刀量(切削深度)和进给进给
16、量量b.切削速度加工塑性材料时,低速下,与BUE相同.中高速下,VCFC(Fz)加工脆性材料时,因塑性变形小,摩擦小,所以影响小.（二）工件材料对切削力的影响（二）工件材料对切削力的影响a)被加工工件材料的强度、硬度越高，则s越大，虽然变形系数有所减小，但总起来切削力还是增大的。c)在同样热处理状态下,切削合金钢的切削力比碳素钢大。d)同一种材料热处理状态不同,切削力也不相同。e)有色金属的强度低,虽塑性较大,但加工硬化倾向小,所以切削力较小。f)铸铁等脆性材料,塑性小,加工硬化小,形成的是崩碎切屑,接触小,摩擦力小,所以切削力较小。b)如材料的强度、硬度相同，则塑性（延伸率）、韧性（冲击值k
17、）越大，切削力越大。（三）（三）刀具几何参数刀具几何参数对切削力的影响对切削力的影响5、刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径：r对对Fy,Fx影响较大影响较大,对对Fz影响较小影响较小.（p48图图3-133-14）1、前角前角：Fz（p45图图3-6）2、负倒棱负倒棱：(负倒棱负倒棱/进给量进给量)b/fF（p47图图3-113-12）3、主偏角主偏角：Fy/Fz,Fx/Fz（p45图图3-7）4、刃倾角刃倾角：s变化变化合力合力F的方向的方向,sFy,Fx,Fz基本不变基本不变（p46图图3-9）（四）刀具材料对切削力的影响（四）刀具材料对切削力的影响刀具材料不是影响切削力的主要因素.主要决定因素：材
18、料之间的摩擦系数主要决定因素：材料之间的摩擦系数陶瓷刀具陶瓷刀具硬质合金硬质合金高速钢高速钢单位切削力p切削速度v高速钢硬质合金陶瓷（五）切削液对切削力的影响（五）切削液对切削力的影响水容液水容液(冷却为主冷却为主)影响很小影响很小,切削油切削油(润滑为主润滑为主)影响较大影响较大.（六）刀具磨损对切削力的影响（六）刀具磨损对切削力的影响后刀面磨损量后刀面磨损量VB(mm)影响最大切削力/KN后刀面磨损量VB/mmFzFyFx第四节第四节 切削热和切削温度切削热和切削温度1.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。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。一、切削热的
19、来源与传散一、切削热的来源与传散来源来源:刀具切屑工件2.切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的磨擦功，也将转换为热能。切屑与前刀面，工件与后刀面间消耗的磨擦功，也将转换为热能。(1)钻削钻削加工时加工时,52.5%传入工件传入工件,28%的切削热由切屑带走的切削热由切屑带走,14.5%传入刀具传入刀具,5%左右传入周围介质左右传入周围介质.切削热由切屑.刀具.工件和周围介质传出的比率大致如下:热的传散热的传散:(2)车削车削加工时加工时,50%-86%由切屑带走由切屑带走,40%-10%传入车刀传入车刀,9%-3%传入工件传入工件,1%左右通过辐射传入空气左右通过辐射传入空气.切削速度越高切削速
20、度越高,切削厚度切削厚度越大越大,则由切屑带走的热量越多则由切屑带走的热量越多.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目前比较常用的测量切削温度的方法是自然热电偶法自然热电偶法.自然热电偶法自然热电偶法是利用工件和刀具材料化学成分的不同而组成热电偶的两极，这样在刀具和工件的回路中便产生了温差电动势。人工热电法：人工热电法：切削温度的分布切削温度的分布讨论：讨论：1、2、3P51三、影响切削温度的主要因素分析三、影响切削温度的主要因素分析1、切削用量对切削温度的影响、切削用量对切削温度的影响1）切削速度切削速度切削速度对切削温度有显著的影响切削速度对切削温度有显著的
21、影响,VC2）进给量进给量进给量对切削温度有影响进给量对切削温度有影响,fC3）背吃刀量背吃刀量(切削深度切削深度)切削深度对切削温度影响很小切削深度对切削温度影响很小.用实验方法求得：用实验方法求得：v vf fapap4）刀尖圆弧半径对切削温度的影响刀尖圆弧半径对切削温度的影响r在(0-1.5)mm内,基本上不影响C.2 2、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）前角对切削温度的影响前角对切削温度的影响C2）主偏角对切削温度的影响主偏角对切削温度的影响rC3）负倒棱对切削温度的影响负倒棱对切削温度的影响负倒棱宽度b1在(0-2)f内,基本上不影响C.后刀面磨损量后刀
22、面磨损量VBC3、刀具磨损对切削温度的影响、刀具磨损对切削温度的影响C CVBVB（mm)mm)V=71m/minV=94m/minV=171m/min(4)脆性金属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,同切削45钢相比较,切削灰铸铁HT20-40时的切削温度大约低20%-30%。4、工件材料对切削温度的影响、工件材料对切削温度的影响(1)工件材料工件材料的硬度硬度和强度强度越高,切削时所消耗的功就越多产生的切削热也多。(2)合金结构钢合金结构钢的强度普遍高于45钢,而导
23、热系数有一般均低于45钢.所以切削合金结构时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。(3)不锈钢不锈钢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材料要高得多。第五节第五节 刀具磨损和刀具寿命刀具磨损和刀具寿命一、刀具磨损一、刀具磨损正常磨损：正常磨损：非正常磨损：非正常磨损：随时间增加磨损扩大。破损1、刀具磨损的形式、刀具磨损的形式3.3.前刀面和后刀面同前刀面和后刀面同时磨损时磨损 切塑性材料时切塑性材料时,刀具刀具正常磨损正常磨损的形态：的形态：1.1.前刀面磨损前刀面磨损(月牙洼磨损月牙洼
24、磨损)KT KT 切塑性材料时切塑性材料时,2.2.后刀面磨损后刀面磨损 VBVB 切脆性材料时切脆性材料时,刀具刀具非正常磨损非正常磨损的形态：的形态：沟槽磨损沟槽磨损切削刃细小缺口切削刃细小缺口塑性变形塑性变形切削刃崩裂切削刃崩裂切削刃剥落切削刃剥落热裂热裂五五.热电磨损热电磨损2、刀具磨损的原因、刀具磨损的原因一一.磨料磨损磨料磨损二二.粘结磨损粘结磨损三三.扩散磨损扩散磨损四四.氧化磨损氧化磨损磨料（粒）磨损磨料（粒）磨损当工件材料中含有杂质和硬质点时（碳化物、氮化物、氧化物、当工件材料中含有杂质和硬质点时（碳化物、氮化物、氧化物、BUE碎片），它们会在刀具表面上划出一条条沟纹造成硬质
25、点磨损。碎片），它们会在刀具表面上划出一条条沟纹造成硬质点磨损。粘结磨损粘结磨损切屑流经前刀面时，在刀切屑流经前刀面时，在刀-屑实际接触区内，在高温、高压作屑实际接触区内，在高温、高压作用下产生塑性变形而发生用下产生塑性变形而发生“冷焊冷焊”。扩散磨损扩散磨损氧化磨损氧化磨损在一定温度下，刀具材料与周围介在一定温度下，刀具材料与周围介质起化学反应在刀具表面上生成一层硬质起化学反应在刀具表面上生成一层硬度较低的化合物，被切屑带走，加速刀度较低的化合物，被切屑带走，加速刀具的磨损。具的磨损。热电磨损热电磨损3、刀具磨损过程及磨纯标准、刀具磨损过程及磨纯标准a、刀具磨损过程、刀具磨损过程:初期磨损阶
26、段初期磨损阶段:正常磨损阶段正常磨损阶段:剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段一般情况下一般情况下,指后刀面磨损带中间部分平均磨损量指后刀面磨损带中间部分平均磨损量,用用VB表示表示.0 0NBVBb、刀具的磨纯标准、刀具的磨纯标准二、二、刀具寿命刀具寿命刀具寿命：刀具寿命：刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准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。（单位：为止的切削时间。（单位：min)用用T表示表示1、定义、定义2、影响刀具寿命的因素影响刀具寿命的因素刀具总使用寿命：刀具总使用寿命：新刀从开始使用到报废之前的总切削时间.1）切削速度对刀具耐用度的影响切削速度对刀具耐用度的影
27、响m:v对对T的影响程度指数的影响程度指数m=tg由实验测得：由实验测得：高速钢车刀：m=0.10.15硬质合金车刀：m=0.20.3陶瓷车刀：m=0.4各种刀具材料的耐用度曲线对比各种刀具材料的耐用度曲线对比2）进给量f与背吃刀量与背吃刀量ap对刀具耐用度的影响对刀具耐用度的影响同样道理：同样道理：再加上前式：再加上前式：合并成：合并成：令：实验：用YT15加工45钢结论：结论：切削用量三要素中切削用量三要素中影响最大：影响最大：v其次：其次：f影响最小：影响最小：ap3）刀具几何参数对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响4）材料对刀具寿命的影响对刀具寿命的影响前角前角0主偏角主偏角 KrKr副偏
28、角副偏角 KrKr刀尖刀尖圆弧半径弧半径 r r太大太小都不合适太大太小都不合适,在一定条件下有一个最佳值。在一定条件下有一个最佳值。减小减小减小减小都有利于提高刀具寿命都有利于提高刀具寿命增大增大工件材料的强度、硬度、韧工件材料的强度、硬度、韧性越高，切削时均能使切削温度性越高，切削时均能使切削温度升高，刀具寿命降低。升高，刀具寿命降低。刀具材料的导热性、耐磨性刀具材料的导热性、耐磨性越高，刀具寿命越长。越高，刀具寿命越长。VT高速刚高速刚硬质合金硬质合金陶瓷陶瓷作业：作业：1.P66第第1题题2.P66第第2题题3.P66第第4题题b b=0.588=0.588 GPaGPa m m=0.85=0.85只求只求:Fz改错题改错题：根据以下数据，改正试验曲线图中有错误的地方。根据以下数据，改正试验曲线图中有错误的地方。性能性能材料材料 硬度硬度HB强度强度导热系数导热系数K 45 钢钢220610.162钛合金钛合金3301050.017青青 铜铜60180.230课堂练习课堂练习C CV m/minV m/min青青铜铜钛合金钛合金45钢钢钛合金钛合金青青铜铜45钢钢